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Elektrischer Antrieb für Schiffshebezeuge Die Erfindung betrifft eine
Schaltung für elektrische Antriebe von Schiffshebezeugen mit einer Gleichstrom-Nebenschlußmaschine,
deren Ankerwicklung im Arbeitsstromkreis eines Leonardsatzes liegt und deren Erregerwicklung
durch einen konstanten Grunderregerstromanteil und einen von der Richtung des im
Arbeitsstromkreis fließenden Stromes abhängigen, durch einen Transduktor oder ein
anderes steuerbares elektrisches Ventil gesteuerten Erregerstromanteil durchflossen
ist. Bei derartigen Antrieben ist es bisher bekannt, die Größe des Stromes im Arbeitsstromkreis
des Leonardsatzes absolut zu messen und erst von einem bestimmten Wert des Ankerstromes
ab einen Steuervorgang auszulösen, der eine Verstärkung des Motorfeldes hervorruft,
damit die Last dann langsamer gesenkt wird. Diese Umschaltung erfolgt meist mit
Hilfe von Feldverstärkungsrelais, Schützen od. dgl.
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Hierbei besteht jedoch der Nachteil, daß nach Einschaltung der Feldverstärkung
der generatorische Strom bei einer entsprechend verringerten Drehzahl -wieder kleiner
wird und eine Abschaltung der Feldverstärkung zur Folge hat, d. b-, es entsteht
im Übergangsbereich das sogenannte Pumpen in Form von ständigen, größeren dynamischen
Änderungen. Hierdurch lassen sich keine höheren Leerlaufdrehzahlen erzielen, abgesehen
davon, daß auch Beschädigungen am Kollekter auftreten können.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, zur Steuerung des Motorfeldes ein
elektrisches Ventil, insbesondere einen Transduktor, zu verwenden, dem zur Festlegung
der Grunderregung ein Widerstand parallel geschaltet ist.
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Es ist bekannt, einen Leonardsatz in Abhängigkeit von der Stromrichtung
im Arbeitsstromkreis zu steuern. Derartige Steuerungen sind jedoch nicht ohne weiteres
in der Lage, den Hebezeugantrieb nur beim Senken ohne oder mit sehr kleiner Last
besonders schnell laufen zu lassen, wogegen beim Senken mit normaler Last keine
besondere Drehzahlerhöhung eintreten soll; und zwar ist dies auch dann noch nicht
möglich, wenn man in bekannter Weise die Erregung des Leonardsatzes in einen konstanten
Grunderregeranteil und einen von der Stromrichtung im Arbeitsstromkreis abhängigen
steuerbaren Erregeranteil aufteilt.
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Es ist ferner eine Drehzahlregelung für einen Leonardsatz bekannt,
bei der in den Feldkreisen von Motor und Generator Transduktoren liegen, die abhängig
vom Ankerstrom erregt sind, und wobei die Steuerwicklungen derart umschaltbar sind,
daß. sich verschiedene Last-Drehzahl-Kennlinien in den verschiedenen Stellungen
des Steuerorgaus ergeben. In
dieser Schaltungsanordnung wird jedoch keine
Unterscheidung zwischen motorischem und generatorischem Betrieb bei der höchsten
Senken-Geschwindigkeitsstufe getroffen, so daß in dieser Stufe bei größter Senken-Gesdhwindigkeit
ein vollkommen stabiler Betrieb nicht erreichbar ist.
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Demgegenüber schafft die Erfindung eine, Möglichkeit, die vorgenannte
Aufgabe, nur im Senken-Betrieb ohne oder mit kleiner Last eine besondere Erhöhung
der Drehzahl zu erreichen, auf einfache Weise dadurch zu lösen, daß in der Schaltstellung
für die höchste Senken-Geschwindigkeitsstufe in dem von der Richtung des Stromes
im Arbeitsstromkreis abhängigen Steuerstromkreis des steuerbaren Ventils #in nur
für den bei motorischem Senken fließenden Strom im Arbeitsstromkreis durchlässiges
Hilfsventil so geschaltet ist, daß ein durch das Hilfsventil fließender Strom das
steuerbare Ventil und damit den gesteuerten Erregerstromanteil sperrt, daß aber
das steuerbare Ventil den steuerbaren Erregerstromanteil. bei übergang zu generatorischem
Strom sofort voll wirksam werden läßt.
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Dadurch, daß eindeutig zwischen generatorischein und motorischen Betrieb
unterschieden wird, wird bei größtmöglicher Senkgeschwindigkeit in der Senkstufe
IV ein stabiler Betrieb erreicht und das bei der Richtungsumkehr des Arbeitsstromes
unerwünschte Pumpen in Form von ständigen, größeren dynamischen Änderungen vermieden.
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Dabei ist vorzugsweise die Schaltung so ausgeführt, daß das steuerbare elektrische
Ventil auch in den übrigen Betriebsstufen zur Steuerung des steuerbaren Erregeranteils
der Gleichstrom-Nebenschlußmaschine dient.
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Vorteilhaft ist ferner die Anwendung eines in Reihe mit dem Hilfsventil
geschalteten Zeitgliedes, das einen Stromfluß erst nach einer Zeit zuläßt, nach
deren
Ablauf mit Sicherheit festliegt, ob ein motorischer oder generatorischer Betrieb
vorliegt. Dieses Zeitglied kann als Zeitrelais, als Drossel, als RC-Kombination
oder auch als pneumatischer Kontakt im Meisterschalter ausgeführt sein.
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Es wird außerdem vorgeschlagen, daß bei Verwendung eines Transduktors
als steuerbares elektrisches Ventil dieser eine vorzugsweise mit Anzapfungen versehene
Zusatzsteuerwicklung hat, die zur Beeinflussung des dynamischen Verhaltens des Transduktors
teilweise oder ganz kurzgeschlossen ist. Die Dimensionierung dieser Steuerwicklung
und die Wahl der Anzapfungen hängt dabei von dem gewünschten dynamischen Verhalten
des Transduktors ab.-Ein weiteres vorzugsweise vorhandenes Merkmal der beschriebenen
Schaltung für elektrische Antriebe besteht darin, daß während des ganzen Betriebes
der Steuerstrom für die Steuerwicklung des Transduktors -von den im Arbeitsstromkreis
des Leonardsatzes liegenden Hauptstromwicklungen des Motors bzw. des Generators
oder beider Maschinen abgenommen wird. Durch diese Maßnahme wird nicht nur ein Shunt
gespart, der sonst zur Abnahme der Steuerspannung für die die Stromrichtung im Leonardkreis
erfassende Steuerwicklung des Transduktors erforderlich wäre, sondern vor allem
eine einwandfreie Temperaturkompensation des gesamten Antriebes erzielt. Mit zunehmender
Erwärmung der im Arbeitsstromkreis des Leonardkreises liegenden Maschinenwicklungen
ändert sich durch die dadurch bedingte Widerstandsänderung auch die für die Steuerwicklung
abgegriffene Steuerspannung. Diese Steuerspannungsänderung jedoch trägt in gleichem
Sinne der Erwärmung des Erregerfeldes Rechnung, indem der durch die Erwärmung erhöhte
Widerstand der Wicklungen im Leonardkreis durch eine erhöhte Steuerspannung,
d. h. durch ein weiteres öffnen des Transduktors ausgeglichen wird. Die Erregerwicklung
erhält jetzt mehr Spannung, so daß trotz ihres erhöhten Widerstandes der Erregerstrom
konstant bleibt und ein konstantes Motormoment gewährleistet ist.
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F i g. 1 zeigt die Kennlinien eines elektrischen Antriebes
gemäß der Erfindung, wobei für den Heben-Betrieb und den Senken-Betrieb jeweils
vier Geschwindigkeitsstufen vorgesehen sind. Die Heben-Stufen sind mit den arabischen
Ziffern 1 bis 4 bezeichnet wogegen für die Bezeichnung der Senken-Stufen
römische Ziffern verwendet wurden. Aus der Kennlinie der Senken-Geschwindigkeitsstufe
IV ist ersichtlich, daß bei kleiner Last oder leerem Lasthaken, d. h. für
den Fall, daß ein motorischer Betrieb des Windenmotors vorliegt, die Drehzahl relativ
groß ist, wogegen beim Senken einer bestimmten Last die Kennlinie durch das Umschalten
des Erregerfeldes einen Knick erhält, d. h., daß die entsprechend größere
Last dann langsamer gesenkt wird.
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Fig. 2 zeigt die Schaltung eines elektrischen Antriebes für Schiffshebezeuge
gemäß der Erfindung. An ein Netz R S T ist über ein Schütz
10 mit Spule 26 ein Drehstrommotorll angeschlossen, der einen Gleichstromgenerator
12 eines Leonardsatzes antreibt. Im Arbeitsstromkreis des Leonadsatzes liegen außer
den Ankerwicklungen des Gleichstromgenerators 12, und eines Gleichstrom-Nebenschlußmotors
13 eine Wendepolwicklung14 und eine Gegenkompoundwicklung 15 des Gleichstromgenerators
12 und eine Wendepolwicklung 16 des Gleichstrom-Nebenschlußmotors
13. Die Erregung des Gleichstromgenerators 12 erfolgt über eine Erregerwicklung
65,
die des Gleichstrom-Nebenschlußmotors über eine Erregerwicklung
38. Auf der Welle des Gleichstrom-NebensC,hlußmotors 13 sitzt eine
Bremse 17, deren Betätigungsspule einen ParaUelv#iderstand 18 hat
und über einen Kontakt 19 eines hier nicht gezeichneten Meisterschalters
und über einen Notschalterkontakt 20 an Spannung gelegt wird. Ein weiterer Notschalterkontakt
21 liegt mit Kontakten 22,23 und 24 in Reihe, die zu Temperaturüberwachungseinrichtungen
in jeder der drei elektrischen Maschinen 11, 12 und 13 gehören, und
führt die vom Netz RST über Sicherungen25 abgenommene Steuerspannung der
Spule 26 des Schützes 10 zu. Wird das Schütz 10 durch einen
Druckknopfschalter 27 eingeschaltet, so geht es durch seinen Kontakt
28 in Selbsthaltung und führt die Steuerspannung außerdem über seine Kontakte
29 und 30 einem Txansformator 31 zu, an dem die erforderlichen
Steuerspannungen abgenommen werden. Zugleich gelangt die über die Kontakte
29 und 30 eingeschaltete Spannung auf Arbeitswicklungen
32 und 33 eines Transduktors 34 und von dort über Gleichrichter
35
und 36 auf eine Gleichrichterbrücke 37, an der die ankommende
Spannung gleichgerichtet wird und dann die Erregerwicklung 38 des Gleichstrom-Nebenschlußmotors
13 speist. Die von dem Transformator 31 abgegebene Steuerspannung
wird durch Gleichrichter 39, 40, 41 und 42 gleichgerichtet, die an einzelne
Anzapfungen des Transformators 31 so angeschlossen sind, daß zwei Gleichspannungen
verschiedener Größe entnommen werden können (Mittelpunktschaltung).
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Die einzelnen Geschwindigkeitsstufen für den Heben- und den Senken-Betrieb
werden durch weitere Kontakte des bereits genannten Meisterschalters geschaltet,
deren Funktion im folgenden beschrieben wird. Ein Meisterschalterkontakt 43 ist
nur in der Ruhestellung des Antriebes geöffnet; in den verschier denen Betriebsstufen
werden über ihn die Arbeitswicklungen 32 und 33 des Transduktors 34
beaufschlagt. Ist der Transduktor 34 gesperrt, so erhält die Gleichrichterbrücke
37 und damit die Erregerwicklung 38 des Gleichstrom-Nebenschlußmotors
13
über einen dem Transduktor 34 parallelgeschalteten Widerstand 44 die erforderliche
Grunderregung. Eine Steuerwicklung 45 des Transduktors 34 dient zur Vormagnetisiemng
desselben und wird über einen Widerstand 46 mit Spannung versorgt. Eine Zusatzsteuerwicklung
47 ist ganz oder teilweise kurzgeschlossen und dient zur Beeinflussung des dynamischen
Verhaltens des Transduktors 34. In der Heben-Stufe 1 sind Kontakte 48 und
49 des Meisterschalters geschlossen, d. h., eine dritte Steuerwick-Ibung
50 des Transduktors 34 erhält über einen Widerstand 51 Spannung,
wobei ein Widerstand 52
zunächst noch durch den Kontakt 48 kurzgeschlossen
bleibt. Die Steuerspannung bewirkt in der dritten Steuerwicklung 50 einen
Strom, der mit zunehmender Größe den Transduktor 34 immer mehr öffnet. In der Heben-Stufe
2 wird die Steuerspannung ebenfalls über den Widerstand 51 zugeführt, erst
in der Heben-Stufe 3 öffnet der Kontakt 48, so daß jetzt außerdem der Widerstand
52 eingeschaltet ist, wodurch der Strom in der dritten Steuerwicklung
50
verkleinert wird und der Transduktor 34 in entsprechendem Maße geschlossen
wird. Je weniger Strom nämlich durch die Arbeitswicklungen 32 und
33 des
Transduktors 34 fließt, desto weniger wird die Er-,regerwicklung
38 des Gleichstrom-Nebenschlußmotors 13 erregt und desto schneller
läuft dieser.
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Aus der Kennlinie für die Betriebsstufe »Heben 3«
geht hervor,
daß bei steigender Belastung die Geschwindigkeit des Antriebes absinkt. Dies gilt
in verstärktem Maße auch für die Kennlinie »Heben, 4«. Dieser Einfluß wird erzielt
mit Hilfe einer Steuerwicklung 53 des Transduktors 34, deren Stromweg -über
einen Gleichrichter 54, einen Meisterschalterkontakt 55 und Widerstände
56 und 57 geht. Mit größer werdender Last wird auch der Strom im Arbeitsstromkreis
des Leonardsatzes und damit der Spanungsabfall an den Hauptstromwicklungen 14,
15
und 16 größer. Dementsprechend wächst auch der Steuerstrom,
der durch den genannten Stromweg und die Steuerwicklung 53 getrieben wird.
Der Widerstand 57 ist dabei so dimensioniert, daß bei Nennlast durch die
Erregerwicklung 38 der Nennerregerstrom fließt und der Antrieb seine Nennleistung
abgibt. Die unterschiedliche Anhebung der Kennlinie »Heben 4« im Vergleich zur Kennlinie
»Heben 3« wird durch eine Widerstandsänderung in diesem Stromweg hervorgerufen,
die durch das Schließen eines den Widerstand 57 überbrückenden Kontaktes
58 bewirkt wird.
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Der Einfluß der Steuerwicklung 53 auf die Arbeitsweise des
Transduktors 34 ist derart, daß in der Betriebsstufe »Heben 3« die Wirkung
der Steuerwicklung 50 unterstützt wird, d. h., daß der Transduktor
34 um einen zusätzlichen Wert geöffnet wird. In der Heben-Stufe 4 ist außer dem
Kontakt 48 auch der Kontakt 49 geöffnet, so daß die Steuerwicklung 50 stromlos
ist und die Beeinflussung des Transduktors 34 nur durch die Schließung der Kontakte
55
und 58 über die Steuerwieldung 53 erfolgt. Durch den nunmehr
verstärkten, von der Größe des Stromes im Arbeitsstromkreis des Leonardsatzes abhängigen
Einfluß wird der Transduktor 34 so weit geöffnet, daß wieder der Nennerregerstrom
bei Nennlast fließen kann.
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Bei generatorischem Betrieb in der Senken-Stufe IV fließt durch die
Steuerwicklung 53 kein Strom, da der Meisterschalterkontakt 55 geöffnet
ist und über einen in dieser Arbeitsstufe geschlossenen Kontakt 59 ebenfalls
kein Strom fließen kann, weil ein Gleichrichter 60 diese Stromrichtung sperrt.
Der zum Meisterschalter gehörende Kontakt 59 ist mit einer Zeitverzögerung
versehen, so daß eine Schließung dieses Kontaktes erst etwa nach dem Ablauf einer
Sekunde erfolgt. Während dieser Zeit sollen die im Zusammenhang mit dem Hochlauf
auftretenden dynamischen Änderungen so weit beendet sein, daß mit Sicherheit festliegt,
ob ein motorischer oder ein generatorischer Betrieb vorliegt. Bekanntlich nimmt
eine Gleichstrommaschine während des Hochlaufs auch im Senken-Betrieb mit Last einen
motorischen Arbeitsstrom auf, und erst nach Abschluß des Hochlaufvorganges ändert
sich die Richtung des Arbeitsstromes. Der in Abhängigkeit vom motorischen Strom
im Arbeitsstromkreis des Leonardsatzes in der Steuerwicklung 53 fließende
Steuerstrom wirkt im Sinne einer Sperrung auf den Transduktor 34, so daß die Erregerwicklung
38 nur noch die durch den Widerstand 44 vorgegebene Grunderregung erhäll
und der Gleichstrom-Nebenschlußmotor 13 bei leerem Haken oder bei sehr kleiner
Last eine erhöhte Drehzahl annimmt. Da mit steigender Drehzahl dei motorische Strom
im Arbeitsstromkreis des Leonardsatzes weiterwächst, bleibt der Transduktor 34 fÜr
diesen Betrieb weiterhin eindeutig gesperrt.
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Die Betriebsstufen »Heben 3« und »Senken IV« sind so bemessen,
daß durch die Schließung des Kontaktes 49 für jede dieser beiden Kennlinien der
Leerlaufpunkt festgelegt ist, was auch aus F i g. 1
hervorgeht. Durch die
Maßnahme gemäß der Erfindung ist dabei der Leerlaufpunkt der Kennlinie »Senken IV«
unterdrückt, da im Bereich des Leerlaufs oder einer sehr kleinen Last die Steuerwicklung
53 des Transduktors 34 zur Wirkung gelangt und die Erregung, wie bereits
beschrieben, beeinflußt.
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Kontakte 61, 62, 63 und 64 des Meisterschalters dienen zur
Steuerung der Erregung des Gleichstromgenerators 12, indem sie die Umpolung der
an seiner Erregerwicklung 65 liegenden Spannung vornehmen. Dabei sind die
Kontakte 62 und 64 beim Heben-Betrieb und die Kontakte 61 und
63 beim Senken-Betrieb geschlossen. Außerdem wird durch die Kontakte
62 und 63 die Erregerwicklung 65 in der Nultstellung des Meisterschalters
kurzgeschlossen, um beim schnellen Zurückschalten eine Verzögerung des Absinkens
der Generatorerregung auf dynamischem Wege zu erzielen. Hierdurch wird sowohl der
Arbeitsstromkreis des Leonardsatzes bei schneller Stellungsänderung des Meisterschalters
entlastet als auch die Entstehung hoher Induktionsspannungen vermieden. Ein Widerstand
66 dient als Schutzwiderstand und hat auf den Verlauf der Kennlinien keinen
Einfluß.
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Kontakte 67, 68 und 69 des Meisterschalters dienen zur
Einstellung der Erregung, die mit Hilfe eines Widerstandes 70 vorgenommen
wird. In der Betriebsstufe »Senken I« sind diese Kontakte geöffnet, so daß in dieser
Stufe ohne Generatorerregung gefahren wird. Es ist also, wie bereits beschrieben,
nur das Feld des Gleichstrom-Nebenschlußmotors 13
erregt. Der Kontakt
67 ist während der Betriebsstufen Heben 1 bis 4 und Senken II und
IV geschlossen, wogegen der Kontakt68 bei den Betriebsstufen Heben 2 bis 4 einen
Teil des Widerstandes 70 überbrückt. Eine weitere überbrückung erfolgt durch
den Kontakt 69 bei den Betriebsstufen Heben 3
und 4 und Senken III
und IV. Durch die Verstärkung der Generatorerregung in der beschriebenen Art ergeben
sich jeweils höhere Drehzahlen für den Gleichstrom-Nebenschlußmotor 13. Die
Erregersteuerung des Gleichstromgenerators 12 geschieht also in Zusammenwirkung
mit der Erregungssteuerung des Gleichstrom-Nebenschlußmotors 13.
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Der Transduktor 34 arbeitet in diesem Falle als spannungssteuernder
Transduktor in Selbstsättigungsschaltung, wobei die Gleichrichter 35 und
36 als Selbstsättigungsgleichnchter arbeiten.