DE102023117009A1 - Vorrichtung für die Kanalrohrinspektion und/oder -sanierung, mit einem eine Arbeitsmaschine antreibenden Gleichstrommotor - Google Patents

Abstract

Vorrichtung für die Kanalrohrinspektion und/oder -sanierung, mit einem eine Arbeitsmaschine antreibenden Gleichstrommotor, der mittels eines einen Bremswiderstand aufweisenden Zwischenkreises an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist, gekennzeichnet durch einen den Bremswiderstand mit dem Zwischenkreis verbindenden Abwärtswandler und einen bei Übersteigen einer vorbestimmten am Abwärtswandler anliegenden Eingangsspannung die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers erhöhenden Regler.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Kanalrohrinspektion und/oder -sanierung, mit einem eine Arbeitsmaschine antreibenden Gleichstrommotor. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung für die Kanalrohrinspektion und/oder -sanierung, mit einem eine Arbeitsmaschine antreibenden Gleichstrommotor, der mittels eines einen Bremswiderstand aufweisenden Zwischenkreises an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist.
• Eine derartige Vorrichtung mit einer als Kabel-, Seil-, Ketten oder Schlauchwinde ausgestalteten Arbeitsmaschine ist aus offenkundiger Vorbenutzung bekannt. Die bekannte Winde wird beispielsweise zum Aufwickeln eines Spülschlauchs verwendet, wobei es erforderlich ist, mit der Winde den Vortrieb des Spülschlauchs, der durch den an der Spüldüse erfolgenden Wasserrückstoß bewirkt wird, zu bremsen. Aber auch beim einfachen Absenken schwerer Kanalrohrgeräte in einen Schacht eines Rohrsystems muss die Winde gebremst werden.
• Bei den in den bekannten Winden eingesetzten Kraftmaschinen handelt es sich um Gleichstrommotoren mit Permanenterregung (DC-Motoren) oder bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren), die mit einer Gleichspannung versorgt werden, die z.B. mit einem Schaltnetzteil erzeugt wird. Diese Spannung wird Zwischenkreisspannung genannt, weil sie eine Spannungsebene zwischen der Netzspannung und der Motorspannung darstellt. Für Motoren mit einer elektrischen Leistung von bis zu einigen hundert Watt wird diese Spannung oft als Sicherheitskleinspannung (SELV) ausgeführt, um die elektrische Sicherheit zu gewährleisten.
• Die für diesen Zweck verwendeten Motoren werden üblicherweise mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) angesteuert, wobei die Spannung für den Motor mit einer Frequenz im kHz-Bereich angesteuert wird. Die Induktivität des Motors glättet den Motorstrom und es ergibt sich eine Motordrehzahl, die dem Mittelwert der angelegten Spannung entspricht.
• In den eingangs genannten Anwendungen ergibt sich außerdem ein Betrieb, in dem der Motor als Generator arbeitet. Der Motor wird dabei mechanisch angetrieben. Zum Beispiel beim Absenken einer Last oder wenn der Fahrwagen einer Vorrichtung für die Kanalrohrinspektion und/oder -sanierung bergab fährt oder beim Ziehen eines Spülschlauchs durch Wasser-Impulsantrieb.
• Wenn der Motor eine feste Pulsdauer mit einem Tastgrad von beispielsweise D = 0,5 angeboten bekommt, würde der Motor im Motorbetrieb ca. 50 % seiner Nenndrehzahl abgeben und dabei Leistung aus dem Zwischenkreis entnehmen und der mechanischen Seite zuführen. Wenn jetzt ein mechanischer Antrieb so wirkt, dass er die Drehzahl anhebt, stellt sich durch den jetzt als Generator wirkenden Motor eine mechanische Bremswirkung ein. Es wird mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt, die sich als Strom zeigt, der aus der Motoransteuerung in die Ladekondensatoren der Zwischenkreisspannung fließt. Nachteilig daran ist, dass die Spannung im Zwischenkreis steigt und zur Zerstörung von elektronischen Bauteilen führen kann.
• Zur Begegnung dieses Problems wird üblicherweise ein Bremswiderstand an die Zwischenkreisspannung angeschlossen, der eine nennenswerte elektrische Leistung dauerhaft in Wärme umsetzt. Nachteilig daran ist jedoch, dass die Verwendung eines derartigen Bremswiderstands schlecht für die Energieeffizienz und den Wärmehaushalt der Vorrichtung ist.
• Daher wurde bereits vorgeschlagen, dass der Bremswiderstand nur in demjenigen Betriebszustand zugeschaltet wird, in dem der Betrieb des Motors als Generators auftreten kann - beispielsweise bei einem Hebezeug bei „abwärts“-Betrieb.
• So kann die im Mittel umgesetzte Leistung beispielsweise dadurch reduziert werden, dass der Widerstand nur im sogenannten Chopperbetrieb - wie in 1 nach einem aus dem Stand der Technik bekannten Schaltung dargestellt - zugeschaltet wird. Dabei wird überwacht, wie hoch die Zwischenkreisspannung ist, wobei beim Überschreiten eines kritischen Werts ein Widerstand zugeschaltet wird, der die Kondensatoren des Zwischenkreises entlädt bis ein unterer Grenzwert erreicht wird. Nachteilig daran ist wiederum, dass die Zwischenkreisspannung stetig zwischen den beiden Sehwellwerten schwankt.
• Ist dieses Schwanken nicht erwünscht, kann zum Begrenzen der Zwischenkreisspannung bekannterweise ein Shunt-Regler verwendet werden, wodurch ein Teil der Leistung in Halbleitern in Wärme umgesetzt wird. Dabei müssen die verwendeten Leistungshalbleiter so ausgelegt sein, dass diese vor dem zweiten Durchbruch (secondary breakdown) geschützt sind. Aber auch hier besteht ein Nachteil, nämlich dass eine relativ viel Platz in Anspruch nehmende Anordnung mehrerer Halbleiter erforderlich ist, wobei die Halbleiter auch nur sehr aufwändig zu kühlen sind.
• Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung für die Kanalrohrinspektion und/oder - sanierung mit einer einen Überspannungsschutz des Zwischenkreises bewirkenden Schaltung zu schaffen, die einfach aufgebaut und platzsparend ist, ein gleichmäßiges genau an den Lastfall angepasstes Begrenzen der Zwischenkreisspannung ermöglicht und auf eine aufwändige Kühlung verzichtet.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung für die Kanalrohrinspektion und/oder -sanierung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wieder.
• Grundgedanke der Erfindung ist es, einen aus der Zwischenkreisspannung versorgten Abwärtswandler (step-down-Schaltregler), an dessen Ausgang der Bremswiderstand angeschlossen ist, so zu steuern, dass der Zwischenkreis so weit belastet wird, dass sich die Zwischenkreisspannung auf einen akzeptablen Wert einpegelt. Hierfür wird die Zwischenkreisspannung gemessen und dem Feedback des Schaltreglers zugeführt, wobei die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers bei Übersteigen einer vorbestimmten am Abwärtswandler anliegenden Eingangsspannung und damit Vorliegen einer Spannung im Zwischenkreis über einem vordefinierten Wert erhöht wird.
• Durch den step-down-Schaltregler, der wie ein Stelltransformator für Gleichstrom wirkt, kann der Widerstand an die Zwischenkreisspannung transformiert werden. Der Widerstand „erscheint“ dadurch mit Werten zwischen unendlich bis fast hinab zum Nennwert des Widerstands.
• Anders als bei herkömmlichen Anwendungen eines Abwärtswandlers, bei denen bei zu kleiner Ausgangsspannung des Abwärtswandlers beispielsweise mittels Pulsweitenmodulation (PWM) die Pulsdauer erhöht wird, wird gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer am Abwärtswandler zu hoch anliegenden Eingangsspannung die Pulsdauer erhöht und die Überspannung an den Bremswiderstand abgeführt.
• Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass nur so viel elektrische Leistung in Wärme gewandelt wird, wie wirklich nötig ist, um den Motor zu bremsen. Falls weitere Verbraucher die Zwischenkreisspannung belasten, ist möglicherweise keine weitere Entlastung des Zwischenkreises erforderlich und der Bremswiderstand inaktiv.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Zwischenkreisspannung beim Bremsen nur geringfügig ansteigt und ein nur geringer Drehzahlunterschied zwischen den Drehzahlen beim Bremsen und beim Antreiben der Arbeitsmaschine besteht. Darüber hinaus wird die Zwischenkreisspannung stabil auf einem gewünschten vorbestimmten Wert gehalten, woraus eine gleichmäßige Motordrehzahl ohne Rucken oder Schwankungen resultiert.
• Die Verlustleistung, also die aus der Mechanik gewonnene Leistung, wird zum allergrößten Teil in einem kostengünstigen, robusten Widerstand umgesetzt, der in gewissen Grenzen frei gewählt werden kann und leicht zu kühlen ist. Im Extremfall kann dies ein Heizstab im Wassertank sein. Die für die Ausgestaltung der Elektronik eingesetzten Halbleiter setzen nur sehr wenig Leistung um, sodass diese nicht zusätzlich gekühlt werden müssen.
• Erfindungsgemäß wird also eine Vorrichtung für die Kanalrohrinspektion und/oder - sanierung, mit einem eine Arbeitsmaschine antreibenden Gleichstrommotor, der mittels eines einen Bremswiderstand aufweisenden Zwischenkreises an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist, vorgeschlagen, wobei ein den Bremswiderstand mit dem Zwischenkreis verbindender Abwärtswandler und ein bei Übersteigen einer vorbestimmten am Abwärtswandler anliegenden Eingangsspannung die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers erhöhender Regler vorgesehen sind.
• Als Arbeitsmaschine der Vorrichtung für die Kanalrohrinspektion und/oder -sanierung ist insbesondere eine Winde, speziell eine Kabel-, Seil-, Ketten- oder Schlauchwinde, vorgesehen. Die Schlauch- oder Kabelwinde mit einem darauf aufgewickelten Schlauch oder Kabel ist für die Versorgung einer Kanalrohrinspektions- und/oder -sanierungseinheit eingerichtet, wobei es sich bei einer derartigen Einheit speziell um einen Fahrwagen oder ein Schiebesystem handelt, der bzw. das eine Kamera, ein Werkzeug für die Kanalrohrbearbeitung oder eine Einrichtung zur Kanalrohrbearbeitung, eine Spüldüse oder eine Absperreinrichtung aufweist.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung handelt es sich bei der Arbeitsmaschine um eine Fräse.
• Bevorzugt ist auch wenigstens ein zusätzliches an den Zwischenkreis angeschlossenes elektrisches Gerät vorgesehen, das vom Zwischenkreis mit elektrischer Energie versorgt wird und als elektrischer Verbraucher eine Überspannung im Zwischenkreis zu einem gewissen Anteil abpuffert.
• Schließlich ist der Regler zur Erhöhung der Ausgangsspannung des Abwärtswandlers bevorzugt mittels eines Verfahrens zur Pulsweitenmodulation (PWM) eingerichtet.
• 2 zeigt ein besonders bevorzugt ausgestaltetes Ausführungsbeispiels einer für die Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung geeigneten Schaltung. Die Schaltung weist einen Gleichstrommotor M auf, der mittels eines einen Bremswiderstand R1 aufweisenden Zwischenkreises an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist. Der Bremswiderstand R1 ist dabei an einen mit dem Zwischenkreis verbundenen Abwärtswandler angeschlossen, wobei ein Regler bei Übersteigen einer vorbestimmten am Abwärtswandler anliegenden Eingangsspannung die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers mittels Pulsweitenmodulation (PWM) erhöht.
• Der Ablauf der durch die Schaltung realisierten Regelung sieht vor, dass bei einem Anstieg der Zwischenkreisspannung die Differenz UDIFF zwischen einem vorbestimmten Referenzwert Uref und der tatsächlichen Zwischenkreisspannung UZ* sinkt, wodurch die Pulsweitenmodulation so erhöht wird, dass die Leistung im Bremswiderstand R1 steigt. Als Folge daraus wird die Zwischenkreisspannung auf einen vorbestimmten Wert begrenzt.

Claims (5)

1. Vorrichtung für die Kanalrohrinspektion und/oder -sanierung, mit einem eine Arbeitsmaschine antreibenden Gleichstrommotor, der mittels eines einen Bremswiderstand aufweisenden Zwischenkreises an eine elektrische Spannungsquelle angeschlossen ist, gekennzeichnet durch einen den Bremswiderstand mit dem Zwischenkreis verbindenden Abwärtswandler und einen bei Übersteigen einer vorbestimmten am Abwärtswandler anliegenden Eingangsspannung die Ausgangsspannung des Abwärtswandlers erhöhenden Regler.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler zur Erhöhung der Ausgangsspannung des Abwärtswandlers mittels Pulsweitenmodulation (PWM) eingerichtet ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein an den Zwischenkreis angeschlossenes elektrisches Gerät.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine eine Winde ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmaschine eine Fräse ist.

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