Traktionsaufzüge und Treibscheibenaufzug

Traktionsaufzüge sind eine Art von Aufzugssystem, das durch die Nutzung von Seilen oder Ketten und einer Art Traktionsantrieb funktioniert. Sie werden oft in hohen Gebäuden verwendet, da sie schneller und effizienter als hydraulische Aufzüge sind, vor allem wenn es um höhere Strecken geht.

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In einem Traktionsaufzug hängt die Kabine an einem oder mehreren Stahlseilen, die über eine Rolle (die sogenannte Treibscheibe) laufen, an der der Motor die Antriebskraft ausübt. Auf der anderen Seite der Treibscheibe werden die Seile in der Regel mit einem Gegengewicht verbunden, das annähernd das Gewicht der Kabine und einem Teil der erwarteten Zuladung entspricht. Wenn die Kabine aufsteigt, geht das Gegengewicht nach unten, und umgekehrt. Das Design dieses Systems bedeutet, dass der Motor nicht das volle Gewicht des Aufzugs und seiner Passagiere tragen muss. Dies ermöglicht es Traktionsaufzügen, höhere Geschwindigkeiten und größere Höhen als hydraulische Aufzüge zu erreichen. Es erfordert jedoch auch einen Maschinenraum, normalerweise am oberen Teil des Aufzugsschachts, in dem die Treibscheibe, der Motor und die entsprechende Steuerungs- und Sicherheitstechnik untergebracht sind.

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Bis etwa 1903 war entweder der Trommelaufzug, bei dem das Seil auf eine zylindrische Trommel gewickelt wurde, oder der hydraulische Aufzug (der hydraulische Direktkolbenaufzug oder der hydraulische Seilaufzug) das Hauptmittel für die Hebekraft. Beide Aufzugsarten waren in der Höhe stark eingeschränkt: der Trommelaufzug durch die Größe der Trommel und der hydraulische Aufzug durch die Länge des Zylinders. Der Trommelaufzug hatte den weiteren Nachteil, dass er mechanische Stoppvorrichtungen benötigte, um den Strom abzuschalten und zu verhindern, dass der Fahrkorb in die Höhe gezogen wird, wenn die Maschine nicht durch normale elektrische Mittel gestoppt werden konnte. Bei einem hydraulischen Aufzug wird dies durch einen Anschlagring am Stößel verhindert.

Der Treibscheibenaufzug hatte keinen der Nachteile des hydraulischen Aufzugs oder Trommelaufzugs. Beim Treibscheibenprinzip wird die Hubkraft durch Reibung zwischen den Rillen in der Antriebsscheibe des Aufzugs und den Hubseilen auf die Aufzugsseile übertragen. Die Seile werden einfach vom Fahrkorb mit dem Gegengewicht verbunden und in Rillen über die Treibscheibe der Maschine gewickelt. Das Gewicht des Fahrkorbs und des Gegengewichts sorgt für den Sitz der Seile in der Rille; bei Aufzügen mit höherer Geschwindigkeit werden die Seile doppelt umschlungen, d. h. sie laufen zweimal über die Treibscheibe.

Treibscheibenaufzug

Ein Treibscheibenaufzug ist eine Art von Traktionsaufzug. Bei dieser Art von Aufzug wird das Seil, an dem die Aufzugskabine hängt, von einer Antriebsscheibe oder „Treibscheibe“ bewegt. Die Treibscheibe wird von einem Elektromotor angetrieben. Ein Schlüsselmerkmal des Treibscheibenaufzugs ist das Gegengewicht, das an dem anderen Ende des Seils befestigt ist. Das Gewicht des Gegengewichts ist ungefähr gleich dem Gewicht der leeren Aufzugskabine plus der Hälfte ihrer maximalen Tragfähigkeit. Auf diese Weise wird ein Großteil des Gewichts der Aufzugskabine und ihrer Last ausgeglichen, wodurch der Energieverbrauch des Systems erheblich reduziert wird.

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Wenn die Aufzugskabine steigt, senkt sich das Gegengewicht, und wenn die Aufzugskabine sinkt, steigt das Gegengewicht. Dies bedeutet, dass der Motor nur genug Energie aufbringen muss, um den Unterschied zwischen dem Gewicht der Aufzugskabine und dem des Gegengewichts zu überwinden, und nicht das gesamte Gewicht der Kabine und ihrer Last tragen muss. Dieses System ermöglicht es Treibscheibenaufzügen, schnell und effizient zu sein, insbesondere bei hohen Gebäuden. Es erfordert jedoch einen Maschinenraum, in dem die Antriebsscheibe und der Motor untergebracht sind, sowie andere Steuerungs- und Sicherheitseinrichtungen. Der Maschinenraum befindet sich normalerweise oben im Aufzugsschacht.

Die Sicherheitsvorteile des Treibscheibenaufzugs sind vielfältig: Es werden mehrere Seile verwendet, von denen jedes in der Lage ist, das Gewicht des Aufzugs zu tragen, was den Sicherheitsfaktor der Aufhängung erhöht und auch die Traktion verbessert. Die Treibscheibe ist so ausgelegt, dass sie die Traktion verliert, wenn der Fahrkorb oder das Gegengewicht auf den Puffern in der Grube aufschlägt. Dies ist jedoch nicht universell und hängt vom ordnungsgemäßen Zustand der Seile, der Treibscheibe, der Beladung usw. ab. Die Möglichkeit, dass der Fahrkorb oder das Gegengewicht im Falle eines Ausfalls des elektrischen Stoppschalters in die Oberleitung gezogen wird, wird verringert.

Treibscheibenaufzüge sind in der Lage, extrem hohe Förderhöhen zu erreichen. Der höchste Wert wurde in einem Bergwerk in Südafrika mit einer Förderhöhe von 600 m erreicht. Die kritischen Faktoren sind das Gewicht der Seile selbst und die Belastung der Seilscheibenwelle und ihrer Lager. Neben anderen Fortschritten in der Gebäudetechnik war es der Treibscheibenaufzug, der die heutigen hohen Gebäude mit 100 oder mehr Stockwerken erst möglich machte. Das Prinzip der Traktion gibt es schon seit Jahrhunderten. Ein Beispiel dafür ist die Spillwinde auf einem Schiff. Die erste bekannte Aufzugsanwendung war die „Teagle“-Hebevorrichtung, die es um 1845 in England gab. Die Antriebskraft wurde über Riemen zu den Leitungsschächten in dem Gebäude übertragen, in dem der Aufzug installiert war. Die Bedienung erfolgte über ein Handseil. Das Handseil diente dazu, den Riemen an der Antriebsscheibe, die sich in der Regel rechts oder links von einer Umlenkrolle befand, einzukuppeln, um den Aufzug nach oben oder unten zu bewegen.

Elektrische Antriebe für Aufzüge

Eine Entwicklung, die in den letzten 10 Jahren stattgefunden hat, ist die Anbringung einer getriebelosen Maschine im Schacht entweder an der Seite oder hinten in der Nähe des Schachtkopfes. Dies führt zum so genannten „maschinenraumlosen“ (MRL) Aufzug und ist bei verschiedenen Herstellern einzigartig. Diese Maschine wurde zu einer „Pfannkuchen“-Konfiguration umgestaltet, und der Platz über dem Schacht wurde auf ein Minimum reduziert. Er wurde nur in neueren Gebäuden eingesetzt. Die in diesem Kapitel besprochenen grundlegenden Traktionskonzepte werden immer noch angewandt und sind in Tausenden von bestehenden und vielen neueren Gebäuden zu finden.

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Mit dem Einsatz elektrischer Antriebe für Aufzüge ermöglichte die Vielseitigkeit elektrischer gegenüber mechanischen Steuerungen bestimmte Standards für den Betrieb und die Steuerung von Aufzügen, so dass zeitbezogene Faktoren für eine Aufzugsfahrt festgelegt werden konnten. Die Geschwindigkeit hing nicht mehr von den Schwankungen des Wasser- oder Dampfdrucks ab. Das Ward-Leonard-System zur Drehzahlregelung von Elektromotoren wurde Anfang der 1920er Jahre eingeführt und ermöglichte die heute bei Aufzügen übliche gleichmäßige Beschleunigung und Verzögerung.

Das Ward-Leonard-System ist eine veraltete, aber historisch wichtige Methode zur Steuerung der Drehzahl von Gleichstrommotoren. Sie wurde 1891 von Harry Ward Leonard, einem amerikanischen Elektroingenieur, erfunden. In einem Ward-Leonard-System wird ein Gleichstromgenerator, dessen Drehzahl durch einen Primärmotor (meist ein Drehstrom-Induktionsmotor) gesteuert wird, verwendet, um einen Gleichstrommotor zu speisen. Die Geschwindigkeit des Gleichstrommotors kann dann durch Änderung der Spannung des Generators oder der Feldstärke des Motors geregelt werden. Es wurde für eine Vielzahl von Anwendungen verwendet, die eine feinfühlige Geschwindigkeitskontrolle erfordern, einschließlich Kränen, Aufzügen, elektrischen Lokomotiven und in der Stahl- und Papierindustrie. Mit dem Aufkommen moderner Leistungselektronik und digitaler Regelungstechnik, die eine viel effizientere und kostengünstigere Regelung der Motorgeschwindigkeit ermöglichen, ist das Ward-Leonard-System jedoch weitgehend obsolet geworden. Dennoch ist es ein wichtiges historisches Beispiel für die frühe Entwicklung von Motorsteuerungstechniken.

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Das Ward-Leonard-System arbeitet mit einem Motorgenerator, der entweder von einem Wechselstrom- oder einem Gleichstrommotor angetrieben wird, wobei der Ausgang des Generators direkt mit dem Anker des Gleichstrom-Hubmotors verbunden ist. Durch Änderung der Spannung am Feld des Generators wird die an den Anker des Hubmotors angelegte Gleichspannung und damit die Geschwindigkeit und das Drehmoment verändert. Die „Generatorfeldsteuerung“, war viele Jahrzehnte lang, von den 1920er bis zu den 1980er Jahren, der Qualitätsstandard. Tausende von Aufzügen verwenden sie noch immer. Die größte Veränderung findet im Maschinenraum statt. Der Motorgenerator ist verschwunden, ebenso wie der im Hintergrund gezeigte Umschalter. Die Steuerung besteht nicht mehr aus vielen Relais, sondern wurde durch einen kompakten Mikroprozessor und den siliziumgesteuerten Gleichrichterantrieb (SCR) ersetzt.

Der in den 1970er Jahren eingeführte Ersatz des Motorgenerators durch eine Halbleitersteuerung hat in den meisten Fällen die Motorgeneratoren sowohl bei Neuanlagen als auch bei Modernisierungen ersetzt. Ein Ansatz für ein Halbleitersteuersystem ist der Einsatz von SCRs zur Umwandlung des Netzwechselstroms in variierenden Gleichstrom für den Betrieb einer Gleichstrom-Fördermaschine. Die meisten Aufzüge mit höheren Geschwindigkeiten, 9 km/h und mehr, verwenden diesen Ansatz, und er wird auch bei der Modernisierung bestehender Aufzüge bevorzugt. Ein zweiter Ansatz ist der Einsatz von SCRs zur Entwicklung einer Wechselstromversorgung mit variabler Spannung und Frequenz (VVVF) für eine Wechselstromantriebsmaschine. Dies ist der bevorzugte Ansatz für Getriebemaschinen mit niedrigeren Geschwindigkeiten (bis zu 9 km/h).

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Die meisten neuen Treibscheibenaufzüge sind mit der VVVF-Steuerung ausgestattet, da die Entwicklung von Aufzügen mit Getrieben für höhere Geschwindigkeiten weiter voranschreitet. Die VVVF-Steuerung wird bei den neuen Getriebeaufzügen fast durchgängig eingesetzt und dient als Nachrüstung für Tausende von eintourigen Aufzügen mit niedriger Geschwindigkeit, die in den vielen sechsstöckigen Wohngebäuden, die Ende der 1940er und in den 1950er Jahren gebaut wurden, weit verbreitet waren. Der Mikroprozessor war in den letzten zehn Jahren eine wichtige Innovation, und praktisch alle neuen und modernisierten Anlagen verwenden einen oder mehrere Mikroprozessoren sowohl in den Steuerungs- als auch in den Betriebssystemen.