DE2753729A1 - Vertaeu-windevorrichtung mit einer in normalbetrieb durch einen ueber ein mehrphasiges wechselstromnetz gespeisten mehrphasigen wechselstrommotor betriebenen wickeltrommel - Google Patents
Vertaeu-windevorrichtung mit einer in normalbetrieb durch einen ueber ein mehrphasiges wechselstromnetz gespeisten mehrphasigen wechselstrommotor betriebenen wickeltrommelInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Description
K. SIEBERT G. GRÄTTINGER
Dipt-Ing Difrt.-Ing. Dipt-Wirtsch.-Ing
8130 Starnberg bei München Postfach 16 49. Almeidaweg 35
Telefon (08151) 41 15 u 166 40 Tetegr -Adr: STARPAT Starnberg
Telex: 526 422 star d
den
CLARKE CHAPMAN LIMITED, Victoria Works, Gateshead, Tyne & Wear ΝΕΘ 3HS, England
Vertäu-Windevorrichtung mit einer in Normalbetrieb durch
einen über ein mehrphasiges Wechselstromnetz gespeisten mehrphasigen Wechselstrommotor betriebenen Wickeltrommel
8 0 9 8 7 λ i ü U 7 7
-Jr-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vertäu -Windevorrichtung,
mit einer in Normalbetrieb durch einen über ein mehrphasiges Wechselstromnetz gespeisten
mehrphasigen Wechselstrommotor betriebenen Wickeltrommel, welche automatisch betrieben werden kann.
Bekanntlich werden Mooring-Winden, welche auch Vertäuwinden
oder Konstantzug-Winden genannt werden, zum Anholen eines Schiffes an einen Anliegeplatz
verwendet, an welchem das Schiff vertäut wird. Das Schiff wird dann am Anliegeplatz durch diese Winden
gehalten, welche schließlich im Automatikbetrieb diese Vertäuung aufrecht erhalten. Während des Automatikbetriebs
ist es erforderlich, daß im Haltetau oder Halteseil jederzeit eine erforderliche Zugspannung
aufrechterhalten wird. Durch den Wind und durch die Wasserbewegungen aufgrund der Gezeitenfolge
sowie durch Strömung oder andere Einflüsse, werden Schiffsbewegungen hervorgerufen, denen die
Haltetaue nur bis zu bestimmten Belastungsgrenzen standhalten können, wobei die Winde dann Seil auswickelt
oder abgibt, wenn die Zugbelastung auf den Grenzwert anwächst. Dabei ist dieWinde derart ausgebildet,
daß das Seil dann eingeholt wird, sobald die Zugbelastung wieder reduziert wird und somit zu keiner
Zeit die Zugbelastung des Seiles auf Null abfallen kann.
Die bislang bekannten und für Automatikbetrieb verwendeten Winden werden entweder durch Dampf betrieben oder
besitzen im Falle einer elektrischen Ausrüstung gewöhnlicherweise Gleichstrom-Triebmotoren. Dampfwinden sind
aufgrund der zahlreichen mechanischen Bestandteile und
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aus Gründen der Isolierung der langen Dampfleitungen
auf Deck außerordentlich platzaufwendig, wobei gerade auf dem Schiffsdeck sowenig Ausrüstung wie möglich vorhanden sein sollte. Durch Gleichstrommotore
betriebene Winden erfordern eine Ward-Leonard-Triebausrüstung.
Eine bekannte Vertäuwinde für Automatikbetrieb weist einen Wechselstrommotor auf, wobei dazu allerdings
Belastungssensoren notwendig sind und Motor und Windenbremse wiederholt erregt oder enterregt werden
müssen, was häufige Betriebsunterbrechungen zur Folge hat. Schließlich werden zusätzlich zu den Windenmotoren weitere Motoren benötigt, welche lediglich in
einem vorgegebenen Drehsinn laufen und nur in diesem Sinn erregt werden. Erregerströme und Spannungen können von einer Zuführung für derartige Motoren abgezweigt werden, was allgemein mit "Motorbetrieb" bezeichnet wird.
In der Zeitschrift "Electronics & Power", Oktober 1976, Seiten 675 bis 678 (Autoren: D.W. Miller und R.G.
Lawrence), wird vorgeschlagen, daß derartige Motorantriebe unter Verwendung von Gleichrichtern, Zerhackern
und Wechselrichtern quasi quadratische Wellenabgaben oder 'unter Verwendung von Verfahren zur pulsbreiten
Modulierung synthetisierte sinusförmige Wellen erzeugen sollen. Dabei soll nach dem Vorschlag von Miller
und Lawrence die erforderliche Motornutzleistung lediglich Triebleistung sein und der Motor lediglich im Sinne
der Erregung laufen müssen. Darüber hinaus hat der Motor lediglich eine einzige Arbeit auszuführen und wird die
Erregung des Motors über die Arbeitszeit durch die Leistungsabgabe jedes der vorgeschlagenen Motortriebsysteme
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bewirkt· Festzuhalten ist, daß im Falle von quasi quadratischen Wellenausgängen Miller und Lawrence
vorschlagen, daß die Thyristoren in der Wechselrichterschaltung jeweils in Perioden von 180 Grad
anschalten. Insbesondere befaßt sich der oben angegebene Artikel mit der Drehzahlsteuerung, wobei
ausgeführt wird, daß bei niedrigeren Drehzahlen der Motoraufbau vergrößert oder eine geeignete Kühlmöglichkeit
vorgesehen werden muß, um einen übermäßigen Temperaturanstieg des Motors zu vermeiden.
Allerdings behandeln Miller und Lawrence eine Anwendungsmöglichkeit der Wechselrichtertechniken jenseits
von Motorantriebanwendungen und sie behandeln insbesondere nicht die Erregung eines Motors in nicht
angetriebenen Zuständen, d.h. im abgedrosselten, also nicht-drehenden Zustand und in dem Zustand, in welchem
die Last den Motor im entgegengesetzten Sinn treibt, als er erregt wird. Der letztere Zustand ist kein Zustand,
in welchem der Motor als Triebmotor funktioniert, sondern ein Zustand, in welchem der Motor noch abgedrosselt
ist, jedoch zwangsweise als getriebener Motor dreht. Die Erfindung geht somit über die Vorschläge
von Miller und Lawrence hinaus, die lediglich die Motordrehung im Sinne der Erregung und dabei Drehzahlen
oberhalb etwa 5 % der theoretischen maximalen Synchrondrehzahl betrachten. Beispielsweise oberhalb von
Umdrehungen per Minute (siehe Figur 4 des oben bezeichneten Artikels von Miller und Lawrence).
Demgegenüber hat es sich herausgestellt, daß eine
Wechselrichtereinrichtung vorteilhaft zur kontinuierlichen
Erregung eines Wechselstrom-betriebenen Windemotors bis hinunter zur Drehzahl Null, bei Drehzahl
Null (abgedrosselter oder abgewürgter Zustand) und
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bei negativen Drehzahlen zu erregen, wo der Motor
entgegengesetzt . zum Sinn der Erregung dreht. Weiter hat es sich herausgestellt, daß eine
derartige kontinuierliche Erregung die Erzeugung eines adequaten Drehmoments durch den Motor ohne
einen übermäßigen Temperaturanstieg ermöglicht. Zusätzlich reagiert der Motor außerordentlich gut
auf sich ändernde Bedingungen und sind die Motordrehzahlen im Sinne der Seilabwicklung (also negative Motordrehzahlen) für alle automatischen Vertäuzwecke geeignet. Positive Motordrehzahlen (Seileinholung) genügen den meisten Arbeitszwecken, wobei
für spezielle Aufgaben, wo höhere positive Motordrehzahlen erforderlich sind, ein einfaches zusätzliches Merkmal diesen Erfordernissen gerecht wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vertäuwinde mit einem Wechselstrommotor und einer Einrichtung zu
schaffen, durch welche der Motor kontinuierlich derart erregbar ist, daß er für eine automatische Vertäuung geeignet ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
die Vorrichtung einen Konverter umfaßt, welcher vom Stromnetz eine mehrphasige Wechselstromspannung erzeugt,- welche für einen automatischen Vertäubetrieb
den Motor kontinuierlich in einem positiven Sinne (Einholbetrieb) erregt, wobei die Absolutwerte von
Frequenz und Spannung der mehrphasigen Spannung wenigstens bei abgedrosseltem oder im negativen Sinne
(Seilausgabe) betriebenen Motor kleine Bruchteile der Frequenz- und Spannungsabsolutwerte des
Stromnetzes sind.
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S
Die Erfindung ermöglicht, daß derselbe Motor bei relativ
höheren Drehzahlen die Vertäuung ausführt und auch eine automatische Vertäuung erlaubt, bei der die Winde das
Täuseil ausgibt oder einholt oder das Seil festhält und
somit jederzeit das Haltetau eine im wesentlichen konstante Zugbelastung aufrechterhält. Weiter ermöglicht
die Erfindung, daß der Motor bei relativ niedrigeren Drehzahlen während der automatischen Vertäuung arbeitet
und im abgedrosselten Zustand verbleibt oder in einem zum erregten Sinn entgegengesetzten Sinn umläuft, ohne
daß ein übermäßiger Temperaturanstieg zu verzeichnen wäre.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigen
Figur 1 eine Grobdarstellung wesentlicher Bauteile einer ersten Ausführungsform der Mooringwinde,
Figur 2 einen Schaltkreis, welcher einen Teil der in Figur 1 dargestellten Konvertereinrichtung
darstellt,
Figur 3 einen zweiten und einen elektronischen Stromkreis darstellenden zweiten Schaltkreis, welcher
einen weiteren Teil der in Figur 1 dargestellten Konvertereinrichtung zeigt,
Figur 4 ein durch die Konvertereinrichtung erzeugte Spannungs-Wellenformen zeigendes Diagramm
sowie
Figur 5 eine schematische Darstellung einer Abänderung der in Figur 1 dargestellten Einrichtung,
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In Figur 1 ist eine Mooring-Winde dargestellt,
welche einen über ein Reduktionsgetriebe 12 mit einer Wickeltrommel 14 gekoppelten Wechselstrom-Kurzschlußläufermotor 10 aufweist. An der Trommel
14 ist ein Ende eines nicht dargestellten Haltetaus befestigt und um diese gewickelt. Wenn ein
Schiff, auf welchem diese Winde montiert ist, auf einem Anlegeplatz vertäut werden soll, wird das
Tau abgewickelt und das freie Ende über einen Schiffspolier an Land befestigt. Das Haltetau wird
dann aufgewickelt, um das sichere Anlegen des Schiffes an der erforderlichen Anlegstelle zu unterstützen. In kennzeichnender Weise weist ein Schiff
mehrere derartige Winden auf und wird über mehrere Haltetaue an Land befestigt.
Das Aufwickeln des Taus wird in jedem Fall durch Handsteuerung der Winde, also über einen Bedienungsmann 15 ausgeführt. Der Windenmotor 10 wird während
des Mooring-Betriebs über eine 3-Phasen, 440 Volt, 60 Herz Wechselstrom-Netzquelle 16 gespeist. Der Motor
10 ist ein in drei Geschwindigkeitsstufen polumschaltbarer Standardmotor, wobei der Motorstator drei Sternwicklungen 18, 20, 22, aufweist, welche jeweilig vierundzwanzig elektromagnetische Pole für niedrige Geschwindigkeit, acht Pole für mittlere Geschwindigkeit
und vier Pole für Hochgeschwindigkeit aufweisen. Die Synchrone mittlerer Geschwindigkeit des Motors 10 beträgt 900 U.p.M. Das Neondrehmcnneni; bei der mittleren
Geschwindigkeitseinstellung wird bei 870 U.p.M. erzeugt, d.h., die rechnerische Schlupfgeschwindigkeit
beträgt 30 U.p.M., welches einer Schlupffrequenz von 2 Hz. äquivalent ist.
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Die drei Geschwindigkeitseinstellungen können von Hand über ein Steuerpult 17 gewählt werden, wodurch
die relevanten Kontaktsätze eingeschaltet werden, durch welche das Stromnetz 16 an die relevante Statorwicklung
angelegt wird.
Sobald das Schiff vertäut ist, muß es durch die Haltetaue der verschiedenen Winden in dieser Stellung oder
so nahe als möglich in dieser Stellung gehalten werden.
Dabei soll jedes Tau zu jeder Zeit unter der gleichen
Zugspannung stehen, sodaß dann, wenn auf das Schiff wirkende Kräfte,etwa durch den Wind oder Wasserbewegungen,
einen Anstieg der Zugspannung in jedem Tau auf den eingestellten Sicherheitszugwert bewirkt, die
Winde Seil ausgeben muß, um dadurch die Spannung aufrechtzuerhalten
und einen übermäßigen Spannungsanstieg zu verhindern, welcher andernfalls ein Zerreißen des
Taus oder Seils oder andere Beschädigungen bei den Winden zur Folge hätte. Bei einer Abnahme der Störkräfte
und einer entsprechenden Neigung zur Abnahme der Zugspannung im Tau soll die Winde zur Aufrechterhaltung
der Spannung, Tau auslassen und dadurch das Schiff in der richtigen Stellung und Lage halten. Auf diese Weise
wird der Zug sowohl bei feststehendem, ausgegebenem oder
eingeholtem Tau auf dem erforderlichen Wert gehalten.
Dieser Betrieb wird durch die entsprechenden Mooring-Winden automatisch ausgeführt. Ein Schaltschütz 19
wird geschaltet, um den oben beschriebenen Betrieb der Geschwindigkeitswechsel-Schütze zu sperren und die Erregung
zu veranlassen und die Halteautomatik des Wickelmotors 10 in Betrieb zu setzen.
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In diesem Beispiel wird die Wicklung 20 für die mittlere Motordrehzahl für den automatischen
Betrieb der Vertäuung erregt. Die Wicklung 20 ist durch eine K*onvertereinrichtung, welche im Detail
in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, kontinuierlich erregbar (sodaß der Motor 10 auf die Trommel
im positiven, dem Einholen des Seils entsprechenden Sinn, eine Drehkraft abgibt).
Der Konverter wandelt die Wechselstrom-Spannungszufuhr in eine 3-Phasen Speisespannung, welche in diesem Beispiel eine quasi auadratische Wellenform aufweist, d.h., wenn der Motor Strom von der umgewandelten Zufuhr bezieht, ist die Wellenform der Spannung
des Stromes von quasi quadratischer Art. Dabei folgt in .jeder Phase einer positiven Periode eine Null-Spannungsperiode, der eine der positiven Periode entsprechende negative Periode, gefolgt durch eine NuIl-Deriode usw. folgt. Die Wellenformen der Drei-Phasen-Spannung sind in Figur 4 dargestellt. Die positiven
und negativen "An"-Perioden sind elektrische Periodenzeiten von 120 Grad und die Null oder "Aus"-Spannungsperioden sind von einer elektrischen Periodendauer von
60 Grad. Die drei Phasen sind gegenseitig um 120 Grad (elektrisch) phasenverschoben. Es hat sich gezeigt,
daß diese Betriebsbedingungen besonders vorteilhaft sind, eine Reduzierung von ungewollten harmonischen
Schwingungen des Stromes in der Motorwicklung zu bewirken .
Die Wechselstrom-Netzspannung wird im Komverter erniedrigt und am Steuer- oder Schaltpult sind von Hand drei
Werte wählbar, nämlich ein quadratischer Mittelwert von 20 Volt, 25 Volt und 35 Volt. Diese Werte erlauben
eine Wahl von drei unterschiedlichen Zugspannungsein-
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Stellungen beim automatischen Ver.täuen. Die Konvertereinrichtung wandelt die Wechselstromspannung in
eine Gleichstromspannung um und erzeugt über einen Drei-Phasen-Thyristor-Brückenwechselrichter ein
Endsignal einer Drei-Phasenspannung in quasi Wellenform mit einem Wert von 20, 25 oder 35 Volt
(quadratischer Mittelwert).
Die Frequenz des Ausgangs aus der Konvertereinrichtung beträgt in diesem Beispiel 2 Hz., d.h.,
der Ausgang ist gleich der oben angegebenen rechnerischen Schlupffrequenz für die Wicklung der
mittleren Geschwindigkeit.
Weiter hat es sich gezeigt, daß der Automatikbetrieb der Vertäuung durch eine derartige Motorerregung außerordentlich wirksam durchführbar ist.
Während beispielsweise das Schiff in der erforderlichen Anlageposition festliegt, wird der Motor
erregt, um die eingestellte Zugspannung im Seil aufrechtzuerhalten, wobei aber der Rotor des Motors
nicht dreht. Der Motor wird abgedrosselt. Es hat sich herausgestellt, daß der abgedrosselte Zustand
des Standardmotors über die Dauer irgendeiner erforderlichen Periode des Automatikbetriebs aufrechterhalten werden kann, ohne daß die Motortemperatur
die Nennwerte überschreitet. Die vorliegende Winde ist somit in allen klimatischen Bedingungen anwendbar .
Im gedrosselten Zustand bedeutet die Gleichheit zwischen der Speisefrequenz und der Nenn-Schlupffrequenz,
daß die Ströme im abgedrosselten Rotor dieselben sind, wie beim Motor unter Vollast, bei der Vollast-Nenn-Drehzahl von 870 U.p.M. in diesem Beispiel.
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Die durch diese Rotorströme bewirkten Aufheizungen sind also dieselben.
Darüber hinaus ist der zur Erzeugung der Nenn-Drehkraft im abgedrosselten Zustand erforderliche
Statorstrom etwa gleich dem rechnerischen oder Nenn-Vollaststrom bei 870 U.p.M. , ° sodaß die
Kupferverluste dieselben sind.
Da jedoch die Betriebsspannung sehr stark reduziert wird, wird auch der Kilovoltampere -Wert proportional
reduziert. Auf diese Weise ist die während des gedrosselten Automatikbetriebs verbrauchte Leistung geringer als die während des normalen Vertäubetriebs
bei seiner Drehkraft verbrauchte Leistung.
Die Statoreisenverluste aufgrund Hysterese und Wirbelströme sind mit der Erregerfrequenz verbunden und werden somit bei der verwendeten niedrigen Frequenz erheblich reduziert. Da der automatische Vertäubetrieb
bei relativ geringen Geschwindigkeiten ausgeführt wird, sind auch die Reibungs- und Windfang Verluste ebenfalls
relativ reduziert.
Die oben angegebene Reduzierung von Verlusten kompensiert vollständig die durch das Vorhandensein von Bestandteilen
von höheren harmonischen Oberschwingungen in den Motorströmen erwachsenden Verluste>und es hat sich herausgestellt, daß ein mit einem üblichen Standardgebläse ausgerüsteter Standardmotor den automatischen Vertäubetrieb
bei allen Bedingungen ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Kühlung ausführen kann.
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Zudem hält der Motor in sehr wirkungsvoller Weise
eine Drehmomentabgabe aufrecht, wenn er in der oben beschriebenen Weise während Perioden erregt
wird, währenddem die Wickeltrommel betrieben wird, d.h., Seil ausgibt, um einen übermäßigen Anstieg
der Zugspannung aufgrund auf das Schiff wirkender Wind oder Wasserkräfte zu verhindern. Der Motor
läuft dann im negativen Sinn, also entgegengesetzt zu dem Sinn, für den die Erregung über die Konvertereinrichtung beabsichtigt ist. Sogar in diesem
Zustand überschreitet die Motortemperatur nicht den Nennwert.
Auch im Falle einer Abnahme von Störkräften läuft der Motor 10 im positiven Sinn und treibt die Wickeltrommel derart an, daß das Seil eingeholt und die
Zugspannung aufrechterhalten wird. Die Motortemperatur verbleibt weiter unterhalb dem errechneten Wert.
Es hat sich weiter gezeigt, daß die Motorgeschwindigkeit ausreicht, um für die bei den meisten Anliegeplätzen vorherrschenden Gegebenheiten eine Lockerung
des Seils oder Taus zu verhindern.Dies heißt in anderen Worten, daß die Schiffbewegungen im allgemeinen
nicht schneller sind, als die Geschwindigkeit, mit welcher der Motor die Trommel zum Einholen des Seils
antreiben kann.
In einem nachfolgenden Absatz wird eine J7Ur bestimmte
Fälle verwendbare Ausführungsform beschrieben, bei der
die Geschwindigkeit der Schiffbewegungen größer sein
kann.
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Die Netzstromversorgung bei 16 für Wechselstrom versorgt die Hilfsstromversorgungsteile 16A und
16B mit 440 Volt Wechselstrom (siehe Figur 2). Das Drei-Phasen-Stromnetz 16 wird mit der Konvertereinrichtung 21 über mechanisch gekoppelte
Schützkontakte MC-I verbunden, wobei die Kontakte MC-I durch ein Stellglied MC eines Schaltkreises
102 mit dem Stromversorgungsteil 16A und einem Kontakt IM betätigbar sind.Das Stellglied für den Kontakt IM,
welches am Steuerpult 17 erregbar ist, ist nicht dargestellt. Von den Kontakten MC-I gelangt der
Drei-Phasen-Strom über Sicherungen zu einem"Abwärts-" transformator 104. Parallel zu jeder Sicherung ist
ein Ausfallanzeiger in Form einer lichtimitierenden Diode geschaltet, welche in üblicher Weise mit einer
Sperrspannungsschutzdiode und entsprechenden Widerständen in Reihe geschaltet ist.
Weitere Sicherungen verbinden den Drei-Phasenausgang aus dem Transformator 104 mit einer Dioden-Gleichrichterbrücke 106. Innerhalb des Transformatorgehäuses
sind drei wahlweise betätigbare Kontaktsätze vorhanden und zwar für einen Drei-Phasen-Ausgang von entweder
20, 25 oder 35 Volt (quadratischer Mittelwert) wie bereits oben angegeben.
Die Gleichstromspannung von der Brücke 106 wird über einen SpannungsstoObegrenzer 108 mit einer dazu parallelen Diode 110 auf einen Abgleichkondensatorschaltkreis 112 gegeben. Schließlich wird der Ausgang über
Sicherungen mit Ausfallsanzeigen (lichtimitierende Dioden) und einer SpannungsstoGdrossel 114 mit einem
dazu parallelen Dämpfungswiderstand 116 und einer Diode 118 auf einem Drei-Phasen-Wechselrichter in Form einer
Thyristorbrücke mit sechs Thyristoren T-I bis T-6 gegeben,
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Die dreiphasigen Ausgänge der Brückenarme werden auf jeweilige Klemmen der achtpoligen Wicklung 20
des Motors 10 für die mittlere Geschwindigkeit gegeben und zwar über den Schütz 19 (Figur 1).
Parallel zum Brückenwechselrichter 120 ist ein NIV-Relay mit in Reihe geschalteten Widerständen geschaltet, welches derart ausgebildet ist, daG es
auf einen Nullabfall im Gleichstromspannüngszweig zwischen der Gleichrichterbrücke 106 und dem Relay
reagiert. Sollte diese Zwischen- oder Zweigspannung auf Null fallen, wird durch das Relay NIV eine sofortige Abbremsung der Wickeltrommel bewirkt.
Ein mit der Induktionsspule L und dem Thyristor T-7
in Reihe geschalteter Kondensator C ist mit dem Wechselrichter 120 parallel geschaltet, um Kommutierungsimpulse zur Betätigung des Thyristor-Wechselrichters 120 zu erzeugen.
Die für die Kommutierung der Gleichrichterbrücke 122 für Impulse erforderliche Speisung erfolgt von einem
Transformator 124 über Kontakte MC-2 des Stellgliedes MC vom Stromnetz 16B. Diese Zufuhr (also Strom bzw.
Spannung) wird durch einen Kondensator 126 geglättet. Ein Relay RL2 antwortet auf einen Nullabfall der Spannung und hemmt den die Zündfolge der Wechselrichterthyrist'oren T-I - T-6 bestimmenden Elektronikschaltkreis (beschrieben in Bezug auf Figur 3). Die Kommutationsspeisung wird durch eine lichtemittierende Diode
128 angezeigt.
Eine zweite Ausgangswicklung des Transformators 124 bewirkt die Erregung des in Figur 3 dargestellten Elektronikschaltkreises. Gespeist wird dieser über die Leitungen
130, 132, wobei die Leitung 132 einen Kontakt RL2-1 des Relays RL2 enthält,
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In Figur 3 ist der Anschluß der Leitungen 130 und
der Figur 2 bei 150 dargestellt, wobei auf die Leitungen 152 und 154 Plus und Minus 12 Volt relativ
zu einer Leitung 156 bei Null Volt gegeben werden soll. Der zuführende Stromkreis beinhaltet ein Relay
RLl, welches den Betrieb eines Hochgeschwindigkeitsoszillators (weiter unten beschrieben) verzögert.
Der Schaltkreis in Figur 3 stellt einen weiteren Teil des oben beschriebenen Konvertors dar, und umfaßt die
nachfolgenden wesentlichen Schaltkreise:
a) ein Taktgeber 160,
b) ein Impulse vom Taktgeber 160 empfangender monostabiler Zerhackerkreis 162 (Vibrator),
c) ein Impulse vom Zerhacker 162 empfangender Zähler 164,
d) ein durch einen Kontakt RLl-I des Relays RLl gesteuerter Hochgeschwindigkeits-Zündimpulsoszillator 166,
e) eine sequentielle Logikanordnung 168 aus Gattern, welche vom Zähler 164 und Oszillator
Impulse empfängt,
f) sechs Endausgangsstufen OP-I bis OP-6, welche
von der Anordnung 168 Impulse empfangen und auf die Thyristoren T-I bis T-6 des in Figur
dargestellten Wechselrichters 120 zusammenhängende Gruppen von Zündimpulsen geben,
g) eine siebte Endausgangsstufe OP-7, welche vom
Vibrator 162 Impulse empfängt und auf den in Figur 2 dargestellten Kommutationsthyristor T-7
Zündimpulse gibt.
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Jede Ausgangsschaltung OP-I bis OP-7 umfaßt einen
Transistorleistungsverstärker. Zusätzlich weist die Ausgangsschaltung OP-7 einen Erregerkreis 170
für die lichtemittierende Diode auf, die das Vorhandensein des Ausgangs impulses anzeigt. Dies ist
deswegen notwendig,weil der durch die Stufe OP-7
empfangene Impuls sehr kurz und von Dauer nicht ausreichend ist, die lichtemittierende. Diode (LED)
zu erregen. Der Ausgang einer jeden Stufe wird über die 12-Volt-Leitung 171 und die jeweilige Klemme
TER-I bis TER-7 abgenommen.
Beim Betrieb der Konverterschaltkreise (Figur 2) wird die drei-phasige Wechselstromspannung mit
Volt und 60 Hz. auf drei Sekundärspannungen heruntertransformiert, welche nach Gleichrichtung und Abglättung 19 Volt, 26 Volt und 36 Volt Gleichstrom
ergeben, wobei diese 33%, 67% und 100% der jeweiligen Vollastdrehmomente ausmachen.
Der Thyristorwechselrichter 120 wandelt dann diese Gleichstromspannungen durch eine entsprechende Folgezündung der Thyristoren in eine 2 Hz.-Wechselstromspannung. Die Zündfolge zur Erzeugung einer 120
Konduktion ist die nachfolgende:
| (D | T | -1 | und | T-6 |
| (2) | T | -1 | und | T-4 |
| (3) | T | -5 | und | T-4 |
| (4) | T | -5 | und | T-2 |
| (5) | T | -3 | und | T-2 |
| (6) | T | -3 | und | T-6. |
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Die Kommutierung der Thyristoren wird durch eine frequenzabhängige Abschaltung unter Verwendung
einer zusätzlichen Speisung von der Brücke 122 und des Kommutierungsthyristors T-7 bewerkstelligt. Die frequenzabhängigen Komponenten sind L
und C, wobi
Farad ist.
und C, wobei L = 5 χ 10"6 Henry und C = 100 χ 10~6
Beim Anschalten lädt sich C bis auf die Kommutierungsspeisespannung minus der Zwischenspannung auf. Der
Nutzeffekt ist, daß C auf ungefähr 200 Volt Gleichstromspannung gegenüber der Zwischengliedspannung
aufgeladen wird. Um irgend einen der sechs Thryistoren des Wechselrichters 120 zu kommutieren, wird der
Kommutierungsthyristor T-7 gezündet. Dadurch ergibt sich über die Wechselrichterdioden eine Sperrspannung
über die vorher leitenden Thyristoren, wodurch diese abgeschaltet werden. Die gesamte Zeitdauer eines Kommutierungskreislaufes beträgt 140 Mikrosekunden. Während
dieser Zeitdauer verhindert die 60 χ 10" Henry-Drosselspule 114 im Zwischenglied das Anwachsen des
Zwischengliedstromes auf unnötig hohe Werte.
Sobald die Thyristoren abgeschaltet sind, wird der Kommutierungsthyristor T-7 automatisch durch eine
frequenzabhängige Sperrspannung und Strom im Zusatzstromkreis automatisch abgeschaltet. Danach lädt sich
der Kondensator C für die nächste Kommutierungsfolge auf 200 Volt auf. Die Drosselspule 172 mit 1,5 χ ΙΟ"6
Henry im Zusatzkreis schützt den Kreis in gleicher Weise wie diejenige im Zwischenglied vor einem übermäßigen Strom.
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ZO
Die Induktionsspulen 108 und 114 weisen eine sogenannte Fly-wheel-Diode sowie Kombinationen
paralleler Widerstände auf, um die während der Kommutierungsperiode erzeugte Energie aufzubrauchen.
Zum Schutz der Thyristoren vor einem möglichen Kippen
aufgrund eines Abfalls der Kommutierungsspeisespannung ist das Relay RL-2 vorgesehen, wobei im
Falle eines Spannungsabfalles dieses Relay die Speisung für die Elektronik und den Wechselrichter abschaltet.
Ein Blindschaltbild des Leistungskreises ist aus lichtemittierende Dioden parallel zu den Hauptsicherungen
aufgebaut. Die Dioden leuchten nur dann auf, falls bei den Sicherungen eine Störung auftritt. Eine
lichtemittierende Diode ist weiter vorgesehen, die dann aufleuchtet, wenn am Kommutierungskreis Spannung angelegt
ist. Eine Beobachtung dieser LEDs hilft bei der Fehlerdiagnose, falls es dazu kommen sollte.
Beim Elektronikschaltkreis des Konverters in Figur 3 erzeugt der Taktgeber 160 eine guadratische Quelle mit
12 Hz.,welche unter Verwendung eines Potentiometers R41 mit 100k Ohm variiert werden kann. Unter Verwendung eines
monostabilen Vibrators 162 wird die Welle verändert und ergibt Impulse in der Länge von 10 Mikrosekunden
bei der Taktfrequenz.
Diese Impulse werden unmittelbar auf den Zähler 164 gegeben, welcher jeweils sechs Impulse zählt und dann
zurückstellt. Die sechs Ausgangsimpulse vom Zähler werden
für die Zündfolge der Thyristoren T-I bis T-6 verwendet.
Die Impulse mit einer Länge von 10 Mikrosekunden werden auch zur Zündung des Kommutierungsthyristors T-7
verwendet. Die Thyristoren T-I bis T-6 werden,mit Gruppen
von Impulsen bei 10 Hz.,erzeugt durch den Zündimpuls»
geber 166, gezündet. Jeder Thyristor im Wechselrichter 120 empfängt Impulse für zwei Zahlen vom Zähler 164,
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-XT-
in der durch die Logikanordnung 168 bestimmten Folge.
Die Startfolge ist derart, daß die Kommutierungsimpulse zuerst erzeugt werden, gefolgt durch die
Impulse zu den T-I bis T-6 Thyristoren. Dies wird durch eine, nach Anschaltung kurzzeitige Hemmung des
Zündimpulsgebers 166 über RLl erreicht. Dies verhindert die Zündung der Thyristoren T-I bis T-6 beim
NichtVorhandensein der Einrichtung zur Kommutierung jener Thyristoren.
Die Leistungszufuhr zur Elektronik ist derart mit der
Kommutierungsspeisespannung gekoppelt, daß die Zündung einer der Thyristoren unmöglich ist, falls ein Abfall
dieser Spannung zu verzeichnen ist (eiche Figur 1). Zur überprüfung und zu Zwecken einer Fehldiagnose
sind alle Ausgänge zu den Thyristoren mit LEDs ausgerüstet, welche in Reihenfolge aufleuchten, wenn die
Zündimpulse erzeugt worden sind. Der korrekte Betrieb der Elektronik kann somit auf einem Blick durch Beobachtung der lichtemittierende Dioden überblickt werden.
Die niedrige auf den Wechselrichter 120 durch den Transformator 104 gegebene Spannu ng ist derart, daß im Luftspalt des Motors ein Flußwert erzeugt wird, der gleich
dem theoretischen Flußwert bei voller Netzspannung von 4AO Volt desselben Drehmomentausgangs ist. Die den Motor-Eisenspalt überquerende Energie ist derart, daß das zum
automatischen Vertäubetrieb erforderliche Drehmoment mit
minimalen Verlusten erzeugt wird.
Die niedrige für den automatischen Vertäubetrieb verwendete Speisefrequenz wird normalerweise gleich der
theoretischen Schlupffrequenz für das volle Nenndrehmoment entsprechend der Erregung vom normalen Stromnetz sein, wie es oben erklärt ist, die niedrige
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1 "ι ο 3 7 2
Frequenz kann aber auch einen anderen Wert als 2 Hz. aufweisen. Beispielsweise kann sie als ein
fixer Wert bis zu 5 Hz. betragen. Der genaue Wert hängt von der Art des verwendeten Motors und der
Anzahl der Pole der Wicklung ab. Vorzugsweise ist in allen Fällen im vorliegenden Beispiel die
Frequenz gleich oder etwa gleich der rechnerischen Schlupffrequenz zur Erzeugung des vollen Nenndrehmoments.
Die Erfindung ist also auch auf Motoren anwendbar, die zwei-phasig oder mehr als dreiphasig
gespeist werden. Die verwendete Frequenz kann in einer weiteren Ausgestaltung, wie unten
beschrieben, während des Einholbetriebs des Motors variiert werden.
Die stromführende Wicklung für den automatischen
Vertäubetrieb kann entweder eine Statorwicklung sein (wie im oben beschriebenen und auf die Zeichnung
bezogenen Beispiel) oder eine Rotorwicklung im Falle von wechselgerichteten Maschinen. Die Erfindung
ist auf Systeme anwendbar, in welchen der Motor ein Kurzschlußläufermotor oder ein Motor mit
einem Rotor mit einer Wicklung sein kann. Im Falle eines Rotors mit Wicklung sind die Wicklungen verkürzt.
Obwohl ein statischer Wechselrichter bevorzugt ist, kann alternativ dazu ein mechanisches
Äquivalent Verwendung finden.
Zur Erregung des Motors für den automatischen Vertäubetrieb kann an Stelle der bevorzugten qqas^ quadratischen
Wellenform auch eine quadratische Wellenform ohne Null-Volt-Perioden verwendet oder eine quasi
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sinusförmige oder sinusförmige Wellenform verwendet
werden. Zur Erzeugung der sinusförmigen Wellenform
kann ein Zyklokonverter verwendet werden. Allerdings
ermöglicht die quasi quadratische Wellenform die Verwendung einfacher Wechselrichterverfahren, wobei zur
selben Zeit bemerkenswert geringe Verluste im Motor erreicht werden.
Die Erfindung ist ohne weiteres für eine Umrüstung einer bereits vorhandenen Winde anwendbar, ohne daß
die vorhandene Geschwindigkeitswechselerregeranlage abgeändert werden müßte.
In einer weiteren Ausgestaltung kann auf den Abwärtstransformator verzichtet werden und an Stelle davon
eine Diodengleichrichterschaltung 106 oder ein kontinuierlich variabler Thyristerkreis verwendet werden.
Eine weitere Ausführungsform ist in Figur 5 dargestellt,
wobei diese Ausführungsform insbesondere für spezielle automatische Vertäubedingungen von Bedeutung ist,
wo Wasserbewegungen nämlich schnelle und plötzliche Schiffbewegungen zur Folge haben. Beispielsweise verwenden Schiffe bei der Durchfahrt durch den St. Lawrence
Seeweg Kanalschleusen, in welchen chas Einholen der Seile
(insbesondere die als Querleinen gesetzte) während eines schnellen Füllvorganges der Schleuse erforderlich ist, um
besonders schnell den normalen Zugspannungswert wieder einzustellen.
Der Motor 10 weist einen Tachometer oder eine andere Geschwindigkeitsmeßeinrichtung 200 auf, welche ein der Geschwindigkeit analoges elektrisches Signal erzeugt, das
zur Frequenzkorrektureinrichtung 202 und zur Spannungskorrektureinrichtung 204 geführt wird. Diese Einrichtungen 202 und 204 erzeugen elektrische Frequenz- und
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Spannungskorrektursignale, welche auf jeweilige Summiereinrichtungen 206 und 208 gegeben werden.
Die Summiereinrichtungen 206 und 208 bilden die algebraische Summe der aufgenommenen Signale und
führen sie jeweilig zum Wechselrichter 120 und zur variablen Thyristorgleichrichterstufe 220 (welche
die Diodenstufe 106 und den oben beschriebenen Transformator ersetzt. Mit dieser Abänderung erzeugt
der Motor ein konstantes Drehmoment über einen Geschwindigkeitsbereich. In dem Fall, wo
eine Spannung mit einer quadratischen oder quasi quadratischen Wellenform verwendet wird, steht ein
Leistungsabfall von etwa 10%, da wegen der Annäherung
der Speisefrequenz an die Bauteil frequenz zusätzliche Verluste durch die Schwingungen zu verzeichnen
sind. Falls durch den Konverter eine sinusförmige Spannung erzeugt wird, entsteht kein derartiger
Abfall und die Drehranmentabgabe wird bis zur normalen theoretischen Geschwindigkeit
erzeugt . Wenn die Frequenz in dieser Weise variiert wird, kann die Obergrenze 30 Hz. oder mehr betragen,
wobei aber der Motor bei derartigen höheren Frequenzen lediglich während des Einholbetriebs erregt
wird.
Die Erfindung umfaßt eine kennzeichnende Anordnung,
in welcher mehrere Winden von einem einzigen Konverter für den automatischen Vertäubetrieb betrieben werden
.
In dem ersten oben beschriebenen Beispiel gibt die Regung des Motors 10 während des automatischen Vertäubetriebs
bei einer Frequenz von 2 Hz. in kennzeichnender Weise eine Geschwindigkeit des Vertäuseiles
809823/ü82?
7 5 3 7 2
von etwa ο,81 m/Minute bei Null Spannung und geringfügig weniger etwa ungefähr 0,75 m/Minute unter voller
Spannung ab. Diese Werte ergeben sich bei einer Winde mit einem Nenn-Vollastdrehmoment von maximal
5 Tonnen (das sind ein Zug von 5 Tonnen bei kontinuierlichem Betrieb ohne Überschreitung der
theoretischen Temperaturgrenze),wobei beispielsweise eine Nennleistung von 25 PS bei der mittleren
Geschwindigkeitseinstellung abgegeben wird. Die Winde übt eine ausreichende Zugkraft zur Aufrechterhaltung
einer maximalen Zugbelastung von 5 Tonnen bei Seilgeschwindiqkeiten bis zum oben angegebenen Wert von
ungefähr 0,75 m/Minute aus. Auf diese Weise ist für diese Seile ein kontinuierlicher Vertäubetrieb möglich, welcher für die meisten Gegebenheiten geeignet
ist.
Wie bereits oben erwähnt, erlaubt der Konverter 21 eine Auswahl von zwei niedrigeren maximalen Teilbelastungen durch Schaltung auf wahlweise herabtransformierte Spannungen, so daß ein Ein-Drittel-Wert (1,66 Tonnen) und ein Zwei-Drittel-Wert '3,32
Tonnen) umgestellt werden kann, falls erwünscht.
In weiteren Ausgestaltungen können andere maximale
Windenleistungen,Drehmomente und Seilgeschwindigkeiten verwendet werden, wobei aber im allgemeinen
die Seilgeschwindigkeiten ziemlich gering sind (weniger als etwa 3,3 m/ Hinute) und zwar sowohl für
den Einhol- wie auch für den Abwickelbetrieb.
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In besonderen Fällen, wie etwa im Falle des St. Lawrence Kanals können die Einholgeschwindigkeiten
größer sein, v/obei dann die Frequenz vom Konverter
während des Einholbetriebs bis etwa 30 Hz. oder mehr variiert werden kann, so daQ die Zugspannung
so nahe als möglich an der eingestellten Spannung gehalten werden kann. Allerdings ist die Erregerfrequenz
sogar bei derartigen Fällen, wo also der Motor während des Abwickelbetriebs (negativer Laufsinn)
langsam oder schnell läuft, während dieses Abwickelbetriebs nicht gröGer als 5 Hz. Die Erregung
des Windenmotors wird nach Maßgabe der Erfindung in allen Fällen in einer Weise ausgeführt, in der für
den Zugspannungswert des Seils ein geregelter maximaler Wert gegeben wird, bei dem die Winde Seil ausgibt.
Dies ist deswegen der Fall,weil bei Wegbewegung des Schiffes aus seiner richtigen Vertäulage die Zugspannung
anwächst und der Motor gezwungen wird, im negativen Sinn zu laufen. Dadurch vergrößert sich die
Schlupffrequenz und steigt die Rotorspannung und der Rotorstrom an. Diese vergrößerten Rotor "Ampere-Windungszahlen"
sind nicht länger durch den festen Statorstrom ausgeglichen und die Feldstärke sinkt ab.
Dies mindert teilweise die Wirkung des anwachsenden Rotorstromes. Die Folge ist, daß die charakteristische
Kurve für das Verhältnis zwischen Drehmoment und Schlupffrequenz etwas aufgeweitet wird. In anderen
Worten ausgedrückt, da die resultierende Schlupffrequenz in dem Maße ansteigt* wie die Motordrehungen
im negativen Sinne, bleibt das durch den Motor erzeugte Drehmoment konstant, anstelle daß es ansteigt
Auf diese Weise wird die Spannung sehr nahe am eingestellten Wert gehalten, sogar während des Betriebs
des .Motors im negativen Sinn.
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r/53729
Obwohl die dargestellte Motorwicklung drei Wicklungen
in Sternfortnation umfaßt, können auch Deltawicklungen
verwendet werden. Die Wicklung kann aus einer einzelnen Wicklung bestehen, wobei dann der Ausgang des
Konverters auf die Gesamtheit dieser Wicklung gegeben wird. Eine derartige einzige Wicklung könnte
in einem einzelnen Motor verwendet werden. Zu einer weiteren Alternative kann ein Motor mit einer einzigen Wicklung eingesetzt werden, welcher für den normalen Vertäubetrieb von einer variablen Quelle, wie
etwa einem Wechselrichter gespeist wird, so daß eine kontinuierliche Geschwindigkeitsänderung beim normalen Vertäuen ausführbar ist. Der oben beschriebene
Wechselrichter oder die geschilderten Ausführungsformen zur Erzeugung anderer Wellenformen, wie etwa
Zyklo-Konvertoren, können ohne weiteres mit derartigen anderen Speisequellen für den normalen Vertäubetrieb gekoppelt werden.
Im wesentlichen können Stromnetze mit einer geeigneten Spannung verwendet werden. Kennzeichnend können Spannungen von 380 bis 550 Volt verwendet werden. In einer
anderen Ausführungsmöglichkeit kann die durch den Konverter erzeugte mehrphasige Spannung eine impulsbreitenmodulierte Wellenform besitzen. In diesem Fall ist die
Wellenform des resultierenden Motorstroms eine synthetisierte sinusförmige Wellenform.
29. November 1977/lo68
809823/0822
Claims (6)
- Patentansprüche,1. Vertäu-Windevorrichtung mit einer in Normal betrieb durch einen über ein mehrphasiges Wechselstromnetz gespeisten mehrphasigen Wechselstrommotor betriebenen Wickeltrommel, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung einen Konverter (21) umfaßt, welcher vom Stromnetz (16) eine mehrphasige Wechselstromspannung erzeugt, welche für einen automatischen Vertäubetrieb den Motor kontinuierlich in einem positiven Sinne (Einholbetrieb) erregt, wobei die Absolutwerte von Frequenz und Spannung der mehrphasigen Spannung wenigstens bei abgedrosseltem oder im negativen Sinne (Seilausgabe) betriebenen Motor (10) kleine Bruchteile der Frequenz- und Spannungsabsolutwerte des Stromnetzes sind.
- 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter (21) eine quadratische oder pulsbreitenmodulierte Wellenform erzeugt.
- 3. Vorrichtung nach Anspruch I1 dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter (21) eine Spannung in einer sinusförmigen oder quasi sinusförmigen Wellenform erzeugt.
- 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konverter (21) eine Thyristorwechselrichteranordnung (120) umfaßt.809823/0822
- 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) im abgedrosselten oder im negativen Sinne (Seilausgabe) betriebenen Zustand durch den Konverter bei einer Frequenz erregt wird, welche 5 Herz nicht übersteigt.
- 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (10) einen Tachogenerator (200) oder eine andere Geschwindigkeitsmeßeinrichtung betreibt, welche bei Drehung des Motors (10) im positiven Sinne (Einholbetrieb) ein erstes Signal erzeugt, und daß der Konverter (21) durch auf das erste Signal reagierende Frequenz- und Spannungskorrektursignale derart gesteuert wird, daß der Motor (10) bei Drehung in positivem Sinne durch den Konverter (21) über einen Frequenzbereich erregt wird, dessen Obergrenze bei Notwendigkeit größer als ein kleiner Bruchteil der Frequenz des Stromnetzes ist.2 3/082?
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OGA | New person/name/address of the applicant | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: NORTHERN ENGINEERING INDUSTRIES PLC, NEWCASTLE UPO |
|
| 8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |