DE4130970C2

DE4130970C2 - Steuersystem für eine Bergwerkswinde

Info

Publication number: DE4130970C2
Application number: DE4130970A
Authority: DE
Inventors: Rodney Stephen Hamilton
Original assignee: Anglo American Corp of South Africa Pty Ltd
Current assignee: Anglo American Corp of South Africa Pty Ltd
Priority date: 1990-09-18
Filing date: 1991-09-18
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2011-09-19
Also published as: US5377296A; CA2051523C; GB2249294A; PL166693B1; AU8459191A; GB9119952D0; CA2051523A1; AU636244B2; GB2249294B; DE4130970A1; PL291766A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuersystem für einen Elek tromotor, der eine Seiltrommel einer Bergwerkswinde oder eine ähnliche Fördervorrichtung antreibt.

Eine Bergwerkswinde oder -förderanlage verwendet übli cherweise einen Elektromotor, der mit wenigstens einer Seiltrommel, normalerweise jedoch mit zwei Seiltrom meln verbunden ist. Ein Käfig oder ein Transportmittel ist an dem freien Ende eines Seiles angebracht, das auf der Trommel aufgewickelt ist, so daß eine Drehung der Trommel das Transportmittel in dem Schacht anhebt oder absenkt. Üblicherweise ist die Anordnung der Win den derart, daß ein Transportmittel angehoben wird, wenn das andere abgesenkt wird.

Tiefe Bergwerksschächte, wie die im Goldbergbau vor kommenden, erfordern lange Seile. Bei solchen Systemen werden in das flexible System, das die Transportmit tel, die Seile, die träge Masse des Motors und der Seiltrommeln und möglicherweise andere bewegte Massen des Systems umfaßt, Schwingungen eingeleitet. Solche Schwingungen werden insbesondere durch Beschleunigungen der Windentrommeln erzeugt, die während des normalen Windens und während Notbremsvorgängen auftreten. Dies hat eine dynamische Längsverschiebung des Käfigs am Ende des Seils mit einer unerwünscht großen Amplitude zur Folge, wodurch eine erhöhte Zugspannung des Seiles ver ursacht wird. Dies erfordert die Verwendung eines stär keren Seiles als für einen Betrieb in stationärem Zu stand erforderlich ist, wodurch die Masse und die Kosten des Seiles erhöht und die erreichbare Schachttiefe be grenzt sind.

Die DE-PS 33 35 402 beschreibt eine Anordnung zum Dämp fen von Schwingungen einer an einem Seil eines Krans oder anderen Hebezeuges hängenden Last. Die Anordnung weist eine Drehzahlregeleinrichtung auf, die einen den Motor beschleunigenden oder abbremsenden Korrekturwert ausgibt. Dieser Korrekturwert wird berechnet, indem von einer Solldrehzahl die Istdrehzahl des Motors sowie ein zusätzliches Drehzahlsignal abgezogen werden. Das zu sätzliche Drehzahlsignal gibt die Differenz zwischen der Drehzahl der den Lasthaken am nächsten liegenden Seil umlenkrolle und der Drehzahl des Motors an. Mit diesem zusätzlichen Drehzahlsignal können Drehzahlabweichungen zwischen dem Motor und der Umlenkrolle, die durch die Seildehnung und den damit verbundenen dynamischen Schwingungsvorgang verursacht werden, erfaßt werden. Das Zusatzsignal kann aber erst ermittelt werden, wenn die Lastschwingungen bereits aufgetreten sind.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Steuersystem für den Normalbetrieb und für Notbremsvorgänge zu schaffen, das die Schwingungen in Längsrichtung verringert.

Erfindungsgemäß ist ein Steuersystem für einen Elektro motor vorgesehen, der zum Antreiben einer Seiltrommel einer Bergwerkswinde oder eines Fördersystems ausgebil det ist, das ein von einem Seil gehaltenes Transport mittel aufweist und das ein schwingendes System bildet, wobei das Steuersystem aufweist:

- einen Lastsensor zum Überwachen der Belastung des Seiles und zum Liefern eines entsprechenden Lastsignals;
- einen Seillängensensor zum Überwachen der von der Seiltrommel abgewickelten Seillänge und zum Liefern eines entsprechenden Seillängensignals;
- eine auf das Lastsignal und das Seillängensignal rea gierende Motorsteuereinheit, die in der Lage ist, Sollwerte für die Drehzahl, die Beschleunigung und die Ruckbewegung des schwingenden Systems zu berechnen, und die ferner in der Lage ist, ein Steuersignal zu erzeugen, das der Eigenschwingungscharakteristik des schwingenden Systems oder eines Teiles des Systems zugeordnet ist, um die Erzeugung von Schwingungen in dem System zu verhindern; und
- eine Motorantriebseinrichtung, die den dem Motor zugeführten Strom entsprechend dem Steuersignal steu ert.

Das schwingende System kann die Transportmittel, die Seile, den Motor, die Seilscheiben, die Trommeln und jede damit verbundene bewegte Masse umfassen.

Die Eigenschwingungscharakteristik des schwingenden Systems oder eines Teils des Systems ist vorzugsweise die Grund-Schwingungsfrequenz des Systems oder des Teils des Systems.

Die Motorsteuereinheit kann so ausgebildet sein, daß sie das Steuersignal derart erzeugt, daß die Periode der Ruckbewegung des schwingenden Systems in Verhält nis zu der Periode des Eigenschwingungsmodus des schwingenden Systems oder eines Teiles des Systems steht.

Ein Hilfssollwert für die Drehzahl, der durch den Ruckbewegungssollwert bestimmt wird, kann dem Dreh zahlsollwert während Ruckperioden zugeführt werden.

Der Hilfssollwert für die Drehzahl wird vorzugsweise durch den Sollwert der Ruckbewegung geteilt durch das Quadrat der Winkelfrequenz des Eigenschwingungsmodus des schwingenden Systems oder des Teils des Systems bestimmt.

Alternativ kann der Hilfssollwert der Drehzahl die gewichtete Summe aus dem Sollwert der Ruckbewegung und der zweiten zeitlichen Ableitung des Sollwerts der Ruckbewegung sein. Die Gewichtungsfaktoren sind durch die Winkelfrequenzen zweier beliebiger Eigenschwin gungsmodi des schwingenden Systems oder eines Teiles des Systems bestimmt.

Die Motorsteuereinheit reagiert vorzugsweise auf die Seillängensensoren und die Lastsensoren, um die Peri oden der Eigenschwingungsmodi des schwingenden Systems oder des Teils des Systems aus der jeweiligen Seil länge und der Größe der von den Transportmitteln ge tragenen Lasten zu berechnen, und um die Sollwerte dementsprechend zu berechnen. Das Trägheitsmoment der Seiltrommeln und des Motors kann ebenfalls berücksich tigt werden.

Vorzugsweise weist das System eine Sicherheitsbremsen steuereinheit auf, die zusammen mit der Motorsteuerein heit wirkt, um das Erzeugen von Schwingungen in dem schwingenden System während eines Abbremsvorgangs zu verhindern.

Die Motorsteuereinheit kann mit der Bremssteuereinheit über eine Übertragungsverbindung verbunden sein, über die die Winkelfrequenzen der Eigenschwingungsmodi des schwingenden Systems kontinuierlich an die Bremssteu ereinheit weitergeleitet werden.

Die Bremssteuereinheit weist vorzugsweise einen Dreh zahlmesser zum kontinuierlichen Messen der Seiltrom meldrehzahl, einen Rampenfunktionsgenerator zur Ein gabe eines Ruckbegrenzungs-Drehzahlsollwerts, eine Drehzahlsteuereinrichtung mit einem sekundären Brems kraftregler zum Steuern eines Steuerventils der Bremse sowie einen Schalter zum Einleiten eines Notbremsvor gangs auf.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungs gemäßen Bergwerkswindenanordnung;

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Motor steuerungsschaltung mit Rückkopplung für die Anordnung von Fig. 1;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild einer Brem sensteuerungsschaltung mit Rückkopplung für das System von Fig. 1;

Fig. 4a bis 4c Diagramme zur Darstellung von durch das System erzeugten Sollwerten; und

Fig. 5a und 5b Kurven zum Vergleich der Leistungsfä higkeit des erfindungsgemäßen Systems mit einem her kömmlichen System.

Der in Fig. 1 dargestellte Elektromotor 5 weist Zwil lingsausgangswellen auf, die mit zwei Seiltrommeln 6 und 6′ verbunden sind. Lasten 8 und 8′ (üblicherweise Bergwerkskäfige oder Transportmittel) sind an Seilen 7 und 7′ befestigt, die auf die Trommeln 6 und 6′ aufge wickelt sind. Die Trommeln 6 und 6′ sind derart mit dem Motor 5 verbunden, daß beim Absenken der Last 8 die Last 8′ angehoben wird und umgekehrt. Anstatt ei nes Motors mit Zwillingsausgangswellen kann ein Motor mit einer Ausgangswelle verwendet werden, wenn ein geeignetes Übertragungssystem vorgesehen ist.

Seillängenmeßeinheiten 9 und 9′ sind vorgesehen, die die von jeder Trommel abgewickelte Seillänge messen und jeweilige Seillängensignale 1 und 1′ erzeugen, die einer Steuereinheit 1 zugeführt werden, welche eine programmierbare logische Steuerung (PLC) aufweisen kann. Die Seillängenmeßeinheiten 9 und 9′ messen die Längen der jeweiligen Seile 7 und 7′, indem sie die Drehung und die Drehrichtung von Drehgebern 13 und 13′ messen, die mit den Trommeln 6 und 6′ gekoppelt sind. Anstatt durch die Meßeinheiten 9 und 9′ können die Seillängen ebenfalls unter Verwendung eines mit dem Motor 5 verbundenen Absolut-Positionsgebers gemessen werden.

Ein Tachogenerator 10 mißt die Drehgeschwindigkeit des Motors 5 und erzeugt ein Drehzahlssignal n, das eben falls der Steuereinheit 1 zugeführt wird. In gleicher Weise wird der Motorstrom durch einen Stromsensor 4 gemessen und ein Signal I, das der Stärke des Motor stroms entspricht, wird der Steuereinheit 1 vom Strom sensor 4 zugeführt. Schließlich messen Lastmeßeinrich tungen 11 und 11′ die Größe der momentanen Zugbelastun gen der Seile 7 und 7′ und liefern diesen entsprechen de Ausgangssignale Z und Z′ an die Steuereinheit 1.

Die Steuereinheit 1 steuert ein Wechselstrom-Steuerwerk 2, das die Stromzufuhr zum Motor 5 über eine Wandler einheit 3 steuert.

Der Motor 5 kann von beliebiger Konstruktion sein (Wech selstrom- oder Gleichstrommotor) und kann jegliche geeignete Antriebsstruktur mit veränderbarer Drehzahl aufweisen. Der von der Wandlereinheit 3 zugeführte Strom ist aus Gründen der Klarheit als einzelne Größe dargestellt, kann aber im Falle von Wechselstromantrie ben sowohl Feld- und Ankerschaltungen, als auch Mehr fachphasenschaltungen enthalten. Verkürzt dargestellt reguliert das Wechselstrom-Steuerwerk den Strom oder die Ströme zum Motor derart, daß das erzeugte Drehmo ment durch die Steuereinheit 1 wirksam gesteuert ist. Im Falle eines Wechselstromantriebssystems steuert das Wechselstrom-Steuerwerk 2 ebenfalls die Frequenz des Stromes oder der Ströme durch den Wandler 3.

Die Lastmeßeinheiten 11 und 11′ messen die Zugbelastungen der Seile, indem sie die Lasten an den (nicht dargestellten) Seilscheiben des Windensystems messen. Die Werte M und M′, welche den Massen der Lasten 8 und 8′ entsprechen, können aus den Ausgangssignalen z und Z′ der Lastmeßeinheiten unter Berücksichtigung der Masse pro Längeneinheit ρ und ρ′ der Seile und den berechneten Seillängen 1 und 1′ bestimmt werden.

Die Lasten 8 und 8′ mit ihren zugehörigen Seilen 7 und 7′ bilden zusammen mit den Seiltrommeln 6 und 6′ und dem Motor 5 Teile eines schwingenden Systems. Steht der Antriebsmotor 5 still, so stehen auch die Seil trommeln 6 und 6′ still. Die Lasten 8 und 8′ mit den zugehörigen Seilen 7 und 7′ stellen voneinander ent koppelte Feder-Masse-Systeme dar. Dies ändert sich bei laufendem Motor 5. Zunächst werden die Feder-Masse-Systeme, welche die jeweiligen Lasten und Seile umfas sen, durch den Motor 5 gekoppelt. Die Längen 1 und 1′ der Seile 7 und 7′ verändern sich kontinuierlich, so daß sich die Eigenschwingungsfrequenz der beiden Fe der-Masse-Systeme verändert. Das Gesamtträgheitsmoment des Motors 5 und der Seiltrommeln 6 und 6′ bleibt bei nahe konstant, da beim Absenken der Last 8′ die Last 8 Angehoben wird und umgekehrt. Dies bedeutet, daß die Zunahme des Trägheitsmoments der Trommel 6, verursacht durch das um sie herum gewundene Seil, beinahe durch die zur gleichen Zeit eintretende Verringerung des Trägheitsmoments der Seiltrommel 6′ ausgeglichen wird. Die Systemschwingungscharakteristiken können sich je doch nichtsdestotrotz als Ergebnis des Einkuppelns der Feder-Masse-Systeme verändern. Allgemein ausgedrückt ist der Elektromotor 5 jedoch ausreichend "steif", um zu gewährleisten, daß die Feder-Masse-Systeme auch bei laufendem Motor als ausgerückt gelten können.

Im folgenden wird die Situation beschrieben, in der der Motor 5 stillsteht. In der Praxis ist dies der wichtigste Zustand, da gerade während des Startens und des Anhaltens des Motors Schwingungen durch die auf tretende Beschleunigung oder Verlangsamung erzeugt werden können. Im zuvor genannten ausgerückten Zustand ist die Winkelfrequenz ω_i der Eigenschwingungen des Feder-Masse-Systems durch die folgende Gleichung zu berechnen:

z_i tan(z_i) = ρl/M (Gleichung 1)

wobei

E ist das wirksame Elastizitätsmodul und A ist die Querschnittsfläche des Stahlkerns des Seiles 7, wäh rend ω_i wie folgt definiert ist:

ω_i = 2π/T_i (Gleichung 2)

wobei T_i die Periode des Eigenschwingungsmodus des Systems ist und i die Werte 0, 1, 2, . . . aufweisen kann.

Die Grund-Eigenschwingungsfrequenz des Systems wird ermittelt, indem die Gleichung 1 mit dem kleinsten Wert von ω_o oder dem größten Wert von T_o gelöst wird. Die Harmonischen werden durch die anderen Lösungen ermittelt. Ähnliche Gleichungen gelten für das andere System, das die Last 8′ und das Seil 7′ umfaßt.

Die Lastwerte Z und Z′ der Seile 7 und 7′ werden von den Lastmeßeinheiten 11 und 11′ zusammen mit den von den Seillängenmeßeinheiten 9 und 9′ berechneten momen tanen Seillängen 1 und 1′ der Steuereinheit 1 zuge führt. Die Steuereinheit 1 berechnet sodann die Massen M und M′ der Lasten 8 und 8′ und die jeweiligen Eigen frequenzen ω_i und ω_i′ der ausgekuppelten Systeme unter Verwendung der bekannten Elastizitätsmoduli E, E′, der Seilquerschnittsflächen A und A′ und der Massen pro Längeneinheit ρ und ρ′ der Seile 7 und 7′. Die Steuer einheit 1 berechnet kontinuierlich die Winkelfrequen zen ω_i und ω_i′.

Wird eine Veränderung der Drehzahl gewünscht, sei es durch einen manuellen Befehl des Bedieners oder durch ein gespeichertes Programm, berechnet die Steuerein heit 1 die Sollwerte n*, α* und r* für die Drehzahl, die Winkelbeschleunigung und den "Ruck" des Motors 5, so daß in den beiden schwingenden Systemen keine Schwingungen erzeugt werden. "Ruck", r, bezieht sich auf die zweite zeitliche Ableitung der Drehzahl, d. h.:

r = d²n/dt² (Gleichung 3)

Das Entstehen von Schwingungen kann zum Beispiel da durch vermieden werden, daß die Ruckperioden (die Pe rioden, in denen die Ruckbewegung r ungleich null ist) einer Eigenschwingungsperiode des Systems gleich ge macht werden. Es ist besonders wichtig, daß der Grund modus mit der niedrigsten Frequenz der beiden entkup pelten Systeme (ω_o) nicht erregt ist, da die entste henden Schwingungen die größte Amplitude haben.

Alternativ oder zusätzlich kann dem Drehzahlsollwert n* ein Hilfs-Drehzahlsollwert Δn* hinzugefügt werden, um Schwingungen in einem anderen Modus zu unterdrücken oder um die Schwingungen in dem gleichen Modus weiter zu unterdrücken. Dieser Hilfs-Drehzahlsollwert ist gleich dem Rucksollwert r* geteilt durch das Quadrat der Winkelfrequenz des gewählten Modus. Der zum Ein stellen der Ruckperiode nicht gewählte Grundmodus des entkuppelten Systems wird üblicherweise zur Berechnung des Hilfs-Sollwerts verwendet, d. h.:

Δn* = r*/ω_o′² (Gleichung 4)

Die Verwendung eines vom Ruck abhängigen Hilfs-Dreh zahlsollwerts wird im folgenden als "Kompensation bezeichnet. Wird eine solche "Kompensation" verwendet, ist es nicht wesentlich, daß die Ruckperiode, wie zu vor beschrieben, an die Periode eines Eigenschwingungs modus angepaßt wird, obwohl dies üblicherweise getan wird.

In Fig. 2 ist ein schematisches Blockschaltbild der automatischen Steuerungseinheit 1 von Fig. 1 darge stellt. Die Einheit weist eine Arithmetikeinheit 14 auf, die zum Empfang eines Positionssollwerts s*, zum Beispiel für die Last 8, ausgebildet ist, welcher ihr entweder extern oder durch ein in dem Speicher der Steuereinheit enthaltenes Programm zugeführt wird. Die Arithmetikeinheit 14 berechnet Steuersollwerte n*, α* und r*, um den Motor 5 auf der Basis der Differenz zwischen dem Positionssollwert s* und der tatsächli chen Position s der Last 8 zu steuern. Die Arithmetik einheit 14 gibt die Sollwerte n*, a* und r* sowie den positionssollwert s* aus. Die Sollwerte n*, a* und r* sowie der Hilfs-Drehzahlsollwert Δn*, die von der Steu ereinheit erzeugt werden, sind in den Fig. 4a bis 4c dargestellt. Die Differenz zwischen dem Positions sollwert s* und der Position s der Last 8 wird in ei nem Summierfunktionsblock 15 berechnet. Die Differenz wird als Eingangssignal an ein Positionssteuerwerk 16 ausgegeben, dessen Ausgangssignal ein Drehzahlsollwert ist. Bei einem manuellen Betrieb des Steuersystems kann dieser Sollwert von einem Bediener eingestellt werden. Die Größe dieses Drehzahlsollwerts ist auf den Wert n* + r*/ω_o′² begrenzt, und die Differenz zwischen dem auf diese Weise erhaltenen Drehzahlsollwert und der Drehzahl n wird in einem weiteren Summierblock 15′ berechnet. Das Ausgangssignal dieses Blocks wird als Eingangssignal in ein Drehzahlsteuerwerk 16′ eingege ben, dessen Ausgangssignal, das ein Stromsollwert ist, wird in analoger Weise durch den Winkelbeschleunigungs sollwert α* begrenzt, bevor die Differenz zwischen diesem Wert und dem Strom I des Motors 5 in einem drit ten Summierfunktionsblock 15′′ berechnet wird. Dieser Differenzwert dient als das Eingangssignal eines wei teren Stromsteuerwerks 16′′, dessen Ausgangssignal das Wechselstromsteuerwerk 2 steuert.

Die "Kompensation" kann auch zum Unterdrücken von Schwingungen in zwei Modi des Systems gleichzeitig verwendet werden. In diesem Fall ist der Hilfs-Dreh zahlsollwert Δn* eine gewichtete Summe des Rucksoll werts r* und der zweiten Ableitung des Rucksollwertes bezüglich der Zeit, d. h. d²r*/dt². Sollen die Eigen frequenzen ω_x und ω_y kompensiert werden, ist der Hilfs-Drehzahlsollwert wie folgt definiert:

Soll die Kompensation von zwei Modi durchgeführt wer den, muß eine Referenz-Drehzahlfunktion n* mit einer endlichen vierten Ableitung d⁴n*/dt⁴ verwendet werden. Zwei Funktionen, die dieses Kriterium erfüllen sind:

1. Konstante vierte Ableitung
2. Zykloidale Frontbeschleunigungs-Referenzfunktion α*, wobei α_m* den Sollwert der maximalen Beschleunigung und T_o die Ruckzeit angibt.

Die Steuereinheit 1 steuert den Motor 5 mit einer Po sitionssteuerung und einer Sekundärdrehzahl- und Strom steuerung. In diesem Fall ist die Stromsteuerung ein Äquivalent einer Beschleunigungssteuerung. Der Motor 5 folgt der Steuerung schnell durch die Sollwerte n*, α* und r* mit typischen Verzögerungszeiten von weniger als 0,1 Sekunden. Durch das Verhindern unerwünschter Schwingungen in den Seilen 7 und 7′ werden die Last spitzen in den Seilen verringert, wodurch es möglich ist, Seile von geringerem Durchmesser zu verwenden oder größere Lasten aus größeren Tiefen zu heben.

Der Zustand der Feder-Masse-Systeme muß in dem Fall, in dem sich die Betriebsparameter des Antriebsmotors 5 während des Betriebs ändern, ebenfalls berücksichtigt werden, zum Beispiel, wenn die Drehzahl n und der Zu stand der entkuppelten Systeme nicht berücksichtigt werden können. In diesem Fall können die Eigenschwin gungen des Systems ermittelt werden, indem die Ergeb nisse von Systemsimulationen oder Versuchsläufen ver wendet werden, falls eine Lösung durch Berechnen zu komplex der aus anderen Gründen nicht möglich ist.

Die Vorteile des beschriebenen Systems sind nur dann vollständig realisiert, wenn unerwünschte Schwingungen in den Seilen unter allen Bedingungen gedämpft werden, das heißt, selbst wenn die Winde einem mechanischen Notbremsvorgang ausgesetzt wird. Es ist daher vorteil haft, wenn die mechanischen Sicherheitsbremsen, die normalerweise an den seiltrommeln 6 und 6′ angebracht sind, ebenfalls wie zuvor beschrieben gesteuert wer den.

Fig. 3 ist ein schematisches Blockschaltbild einer Steuerschaltung mit Rückkopplung für eine mechanische Sicherheitsbremse 17, die mit der Seiltrommel 6 ver bunden ist. Im allgemeinen ist jede der Seiltrommeln 6 und 6′ mit wenigstens zwei mechanischen Sicherheits bremsen versehen. Zur besseren Verständlichkeit ist jedoch lediglich eine Sicherheitsbremse dargestellt. Die Drehzahl v der Trommel 6 wird kontinuierlich von einem Drehzahlmesser 19 gemessen, dessen Ausgangssig nal einem Rampenfunktionsgenerator 21 als Eingangssig nal über einen Schalter 20 zugeführt wird, der während des Normalbetriebs geschlossen ist. Der Rampenfunk tionsgenerator 21 empfängt kontinuierlich Signale, die den Winkelfrequenzen ω_o und ω_o′ und anderen von der Steuereinheit 1 berechneten möglichen Winkelfrequenzen entsprechen. Unter Berücksichtigung der übermittelten Winkelfrequenzen ω_o und ω_o′ berechnet der Rampenfunk tionsgenerator 21 einen Sollwert v* für die Förder drehzahl der Seiltrommel 6. Die Differenz zwischen dem Drehzahlsollwert v* und der Drehzahl v wird in einem Summierfunktionsblock 22 berechnet. Ein vom Ruck abhän giger Hilfssollwert Δv* wird, falls erforderlich, auf diese Differenz angewandt. Im Normalbetrieb der Berg werkswinde ist die wie zuvor beschrieben berechnete Differenz, welche als Eingangssignal zu einem Dreh zahlsteuerwerk 23 verwendet wird, aufgrund der Anpas sung der Steuerung des Drehzahl-Rampenfunktionsgenera tors 21 an den Drehzahlsollwert n* der Arithmetikein heit 14 gleich null. Dementsprechend ist das Ausgangs signal des Drehzahlsteuerwerks 23, das zu einem Brems kraftsollwert F* proportional ist, ebenfalls null.

Somit ist die Sicherheitsbremse 17 beim Normalbetrieb nicht betätigt.

Muß eine Notbremsung eingeleitet werden, weil zum Bei spiel die Antriebssteuerung mit Rückkopplung versagt, wird der Schalter 20 geöffnet. Somit liegt am Eingang des Rampenfunktionsgenerators 21 kein Signal an. Der Rampenfunktionsgenerator 21 stellt nunmehr den Dreh zahlsollwert v* auf null ein, wobei er die letzten übertragenen Winkelfrequenzen ω_o und ω_o′ berücksich tigt, so daß die Seiltrommel 6 und damit die Last 8 zum Stillstand kommen. Während des Bremsvorgangs ist das dem Drehzahlsteuerwerk 23 zugeführte Eingangssi gnal, und damit auch dessen Ausgangssignal, nicht län ger null. Die Differenz zwischen dem Bremskraftsoll wert F* und der Bremskraft (abgeleitet aus der Meßein heit 30) wird in einem Summierfunktionsblock 24 be rechnet und ein Betätigungssignal für ein Ventil 26 wird entsprechend der Differenz von einer Bremskraft regulierschaltung 25 erzeugt. Ein Steuerventil 26, vorzugsweise ein Proportionalventil, steuert den Druck eines Bremskraftgenerators 27 und somit die Bremskraft F der Sicherheitsbremse 17. Da die Zeitcharakteristik des Drehzahlsollwerts v*, wie zuvor beschrieben, an die Schwingungscharakteristik des Systems angepaßt ist, ist ein Schwingen des Systems selbst während ei nes Notbremsvorgangs verhindert.

Als Alternative kann das Ausgangssignal des Drehzahl steuerwerks 23 proportional zur Position des Bremsmo tors der Sicherheitsbremse 17 sein. In diesem Fall ist der Block 25 eine Bremspositionsreguliereinrichtung und der Block 30 ermittelt die Position der Bremse 17.

Die Schaltungen in der Bremssteuereinheit sind vor zugsweise redundant ausgebildet. Die Eigenfrequenzen ω_o und ω_o′ werden vorzugsweise über eine Übertragungs verbindung 28, die ein herkömmliches Interface sein kann, in das Bremssteuerwerk eingegeben.

Die Erfindung ermöglicht die Zufuhr von optimalen Soll wertsignalen zu einer bestehenden Motorsteuerschaltung mit Rückkopplung, um so dessen dynamische Betriebscha rakteristiken, besonders bei Bergwerkswinden oder För dersystemen, zu verbessern.

Die Fig. 5a und 5b stellen graphisch die beim Ein satz des erfindungsgemäßen Steuersystems (Fig. 5b) erzielte Verbesserung gegenüber einem Windensystem nach dem Stand der Technik (Fig. 5a) dar.

Claims

1. Steuersystem für einen Elektromotor, der eine Seil trommel einer Bergwerkswinde oder eines Fördersystems antreibt, welches ein von einem Seil getragenes Trans portmittel aufweist und ein schwingendes System bil det, wobei das Steuersystem aufweist:

- einen Lastsensor (11, 11′) zum Überwachen der Bela stung des Seiles (7, 7′) und zum Liefern eines ent sprechenden Lastsignals (Z, Z′);
- einen Seillängensensor (9, 9′) zum Überwachen der von der Seiltrommel (6, 6′) abgewickelten Seillänge und zum Liefern eines entsprechenden Seillängensignals (1, 1′);
- eine auf das Lastsignal (Z, Z′) und das Seillängensignal (1, 1′) reagierende Motorsteuereinheit, die in der Lage ist, Sollwerte für die Drehzahl, die Beschleu nigung und die Ruckbewegung des schwingenden Systems zu berechnen, und die ferner in der Lage ist, ein Steu ersignal zu erzeugen, das in einem Verhältnis zu der Eigenschwingungscharakteristik des schwingenden Sys tems oder eines Teiles des Systems steht, um die Er zeugung von Schwingungen in dem System zu verhindern; und
- eine Motorantriebseinrichtung, die den dem Motor (5) zugeführten Strom entsprechend dem Steuersignal steu ert.

2. Steuersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das schwingende System ein Transportmittel, ein Seil (7, 7′), eine Seilscheibe, eine Seiltrommel (6, 6′) und den Elektromotor (5) aufweist.

3. Steuersystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß das schwingende System zwei Transportmittel mit jeweiligen Seilen (7, 7′), Seilscheiben und Seil trommeln (6, 6′) aufweist.

4. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da durch gekennzeichnet, daß die Eigenfrequenzcharakteri stik des schwingenden Systems oder des Teils des Sy stems eine Grund-Schwingungsfrequenz des Systems oder des Teils ist.

5. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerungseinheit ausgebildet ist, das Steuersignal derart zu erzeugen, daß die Ruckperiode des schwingenden Systems in ein Verhältnis zur Periode eines Eigenschwingungsmodus des schwingenden Systems oder des Teils des Systems ge setzt wird.

6. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerungseinheit ausgebildet ist, während der Ruckperioden einen Hilfs-Drehzahlsollwert, der durch den Rucksollwert bestimmt ist, auf den Drehzahlsollwert anzuwenden.

7. Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Hilfs-Drehzahlsollwert durch den Ruck sollwert geteilt durch das Quadrat der Winkelfrequenz des Eigenschwingungsmodus des schwingenden Systems oder des Teils des Systems bestimmt ist.

8. Steuersystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß der Hilfs-Drehzahlsollwert eine gewichtete Summe des Rucksollwerts und der zweiten zeitlichen Ableitung des Rucksollwerts.

9. Steuersystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Gewichtungsfaktoren durch die Winkelfre quenzen von ausgewählten Eigenschwingungsmodi des schwingenden Systems oder des Teils des Systems be stimmt sind.

10. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuerungseinheit auf die Seillängensensoren (9, 9′) und die Lastsenso ren (11, 11′) reagiert, um die Perioden der Eigen schwingungsmodi des schwingenden Systems oder des Teils des Systems aus den Seillängen und der Größe der von den Transportmitteln getragenen Lasten (8, 8′) zu berechnen, und um die Sollwerte entsprechend zu berech nen.

11. Steuersystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich net, daß die Steuereinheit ferner ausgebildet ist, die Sollwerte entsprechend dem Trägheitsmoment der Seil trommeln (6, 6′) und des Motors (5) zu berechnen.

12. Steuersystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Seillängensensor (9, 9′) einen mit der oder jeder Seiltrommel (6, 6′) verbundenen Drehgeber aufweist.

13. Steuersystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Seillängensensor (9, 9′) einen mit dem Elektromotor (5) verbundenen Absolut-Positionsgeber aufweist.

14. Steuersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Seillängensensor (9, 9′) in der Lage ist, sowohl die Verschie bung, als auch die Richtung der Verschiebung des Sei les (7, 7′), mit dem er verbunden ist, zu erkennen.

15. Steuersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der oder jeder Lastsensor (11, 11′ in der Lage ist, die Last (8, 8′) an einer Seilscheibe, die das Seil (7, 7′) stützt, mit dem der jeweilige Lastsensor (11, 11′) verbunden ist, zu mes sen.

16. Steuersystem nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorsteuereinheit in der Lage ist, Lastwerte, einschließlich der Masse des oder jedes Transportmittels und der Masse des zugehö rigen Seiles (7, 7′), zu berechnen.

17. Steuersystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß die Motorsteuereinheit die Masse des oder jedes Seiles (7, 7′) aus dem Ausgangssignal des jewei ligen Seillängensensors (9, 9′) und der Masse pro Län geneinheit des Seiles (7, 7′) berechnet.

18. Steuersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Bremsensteuerungs einheit aufweist, die in Verbindung mit der Motorsteu erschaltung und einer Bremse betätigbar ist, um das Erzeugen von Schwingungen in dem schwingenden System während eines Bremsvorgangs zu verhindern.

19. Steuersystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeich net, daß die Motorsteuereinheit durch eine Übertragungs verbindung mit der Bremsensteuerungseinheit verbunden ist, über welche die Winkelfrequenzen von Eigenschwin gungsmodi des schwingenden Systems kontinuierlich zur Bremsensteuerungseinheit übertragen werden.

20. Steuersystem nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die Bremsensteuerungseinheit einen Dreh zahlmesser zum kontinuierlichen Messen der Drehzahl der Seiltrommel (6, 6′), einen Rampenfunktionsgene rator zum Eingeben eines ruckbegrenzten Drehzahlsoll werts, ein Drehzahlsteuerwerk mit einer sekundären Bremskraftreguliereinrichtung zum Steuern eines Steu erventils der Bremse und einen Schalter für das Ein leiten eines Notbremsvorgangs aufweist.