CN101106353B

CN101106353B - 机器中电驱动装置的受控制的能量消耗

Info

Publication number: CN101106353B
Application number: CN2007101360150A
Authority: CN
Inventors: K·克莱鲍姆胡特尔; J·孔茨; H·迈尔; J·赖特尔; A·舒尔茨
Original assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Current assignee: Heidelberger Druckmaschinen AG
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2007-07-10
Publication date: 2013-02-27
Anticipated expiration: 2027-07-10
Also published as: US8253361B2; JP5037244B2; JP2008021311A; US20080009979A1; CN101106353A

Abstract

本发明涉及一种用于控制机器(1)中的电驱动装置(2)的装置(7)。该装置的特征在于：一个电子控制装置(8)被设置用于根据至少一个电驱动装置(2)的运动模式来预先计算所述电驱动装置(2)所需的电能。

Description

机器中电驱动装置的受控制的能量消耗

技术领域

本发明涉及一种用于控制机器中的电驱动装置的装置。

背景技术

具有处于100KW范围及更高范围中的大功率电驱动装置的生产机器使能量供应企业的交流电网承受的负载并非微不足道，其中，尤其是具有强波动负载的机器是电网的特别高的负载。在此情况下产生的峰值负载必须由电流供应装置相应缓冲掉，即机器的电流供应装置必须这样设计，使得即使在峰值负载的情况下仍保证电流供应。此外，负载峰值反映在能量供应企业的电价上，因为峰值负载导致需要相应昂贵的基础设施，以便在任何时间都可截取这种峰值负载。尤其是具有大的机械设备总量及相应大量强波动负载的公司则必须支付相应高的电费。但在大机器中出现的负载峰值不仅代表电网的大负载，而且也导致需要相应大地确定机器本身中的电流供应装置的参数，因为全部组成部分如功率电子装置及中间电流电路必须根据尽管只是短时地出现的峰值负载来设计。因此，例如印刷机具有多个电驱动装置，这些电驱动装置通常通过直流电压中间电路来供电。如果在该直流电压中间电路上连接具有高负载峰值的电驱动装置，则对于直流电压中间电路产生相应高的峰值负载，即直流电压中间电路必须根据该高的峰值负载来确定参数。这使得确定直流电压中间电路的参数时的成本及为此所需的通过整流器进行的直流电压供应的成本变高。

负载峰值问题很久以来基本上已经公知，其中，作为辅助开发出所谓的能量管理系统。这种能量管理系统已由DE 44 21 914 A1公知。DE 44 21 914 A1中所述的解决方案尤其可应用在连接到能量供应企业的电网上的公司电网中。公司电网给多个机器供应电能且由此给负载供应电能，其中，各个负载通过所谓的“功率调节器”来控制。这种装置一方面用于避免有功功率峰值，其方式是在低负载时间期间，例如在电价廉价时的夜间，从电流供应企业的电网获取电能并且将该电能转送到能量存储器中。作为能量存储器例如可使用飞轮能量存储器。如果公司电网的负载超过能量供应企业的预给定的极限，则所需的能量不再从能量供应企业的电网获取，而是从飞轮形式的能量存储器获取。由此避免通过有功功率峰值引起能量供应企业的电网承受过度负载。此外，为了补偿无功功率峰值而设置有电容器组，该电容器组补偿无功功率峰值。但DE 44 21 914 A1中提出的解决方案并没有改变这一问题，即公司电网中的负载1至n的电流供应装置仍必须根据负载峰值来确定参数。这种根据负载峰值进行的设计使公司电网及负载1至n中的电流供应装置明显昂贵。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种用于控制机器中的电驱动装置的能量消耗的装置，该装置允许根据平均功率需要量来确定机器中电流供应装置的参数。

根据本发明，该任务通过本发明的装置来解决。根据本发明，提出了一种用于控制机器中的电驱动装置的装置，其中，一个电子控制装置被设置用于根据至少一个电驱动装置的运动模式来预先计算电驱动装置所需的电能。根据本发明，还提出了一种处理承印物的机器，该机器具有本发明的装置。

本发明的有利构型可由下述技术方案及附图中获知。

本发明首先适合在具有处于约100KW范围及更高范围中的功率消耗的较大生产机器中使用，该功率消耗对于400伏三相电网已经是高负载并且达到容量极限。这种机器也在印刷工业中使用，其中，单张纸印刷机及折页机具有处于该功率等级的驱动装置。因为安置在印刷厂中的机器必须由现场的电流供应装置来维持，所以对于印刷机的经营者来说感兴趣的是：达到所安置的机器的尽可能无问题的负载特性，因为他则必须为其印刷厂电网采取相应少的附加预防措施并且不承受能量供应企业的昂贵的特殊电价。此外，通过避免印刷机本身中电流供应装置的过度确定的参数可使机器的制造成本相应下降。根据本发明，所述用于控制电驱动装置的能量消耗的装置具有一个功率电子装置，该功率电子装置可实现根据电驱动装置的运动模式来预先计算所述驱动电动机所需的电能。在驱动电动机中出现的负载峰值与印刷机中的工作过程形成紧密关系。因此在印刷机中尤其是在调节电动机周期性地工作的情况下产生确定的过程，这些过程以规则的间隔出现。其它驱动电动机仅在确定的调节过程中需要，其中，所需的电能与调节过程本身的范围相关。根据本发明，功率电子装置能够根据机器中的电驱动装置的运动模式预先计算所需的电能，由此，对于将来的一个确定的时间段以大的概率已知所需的电能。该时间段所需的电能在功率电子装置中与允许的峰值负载极限相比较。如果在预先计算的时间间隔中该负载极限要被超过，则超出电驱动装置的起始需要量从电网中获取相应较高的电能并且暂存在一个能量存储器中，但是其中这样获取的超出起始需要量的电能低于允许的峰值负载极限。并且在电动机接通以前也可获取能量，因此能量存储器也可被充电并且然后截取峰值负载。所存储的电能则可在峰值负载极限被超过时由电驱动装置从机器中的能量存储器调出，以便掩蔽短时出现的负载峰值。

当机器的所有电动机或至少所有大功率的电动机装备有根据本发明的装置时，根据本发明的装置能够预先计算整个机器的电能需要量，其方式是对于每个电驱动装置预先计算相应的运动模式所需的电能并且一个设置在上级的电子控制装置计算机器中所有电驱动装置的总能量需要量。为此或者可设置一个单独的电子控制装置，或者电子控制装置中的一个被设置用于除计算所连接的驱动装置的能量需要量外还计算所有其它驱动装置的能量需要量或至少接收其它功率电子装置的计算结果并且为总需要量作出考虑。根据本发明的装置提供了重要优点，即通常具有多个电驱动装置的机器的总的电能供应装置可根据最大平均电能需要量来设计其参数，因为负载峰值只是出现在驱动装置本身中，但不再出现在机器本身的电流供应装置中。该最大平均电能需要量则代表电网的最大峰值负载并且通常明显低于最大峰值负载。

在本发明的第一构型中提出，这样设计功率电子装置，使得该功率电子装置计算在确定的时间区间上电驱动装置所需的平均电功率。该确定的时间区间以合乎目的的方式这样选择，使得该时间区间与电驱动装置的运动过程的持续时间相一致。如果电驱动装置的运动模式具有在时间区间T_n上展开的运动，则用于计算平均电能的间隔相应于该时间区间T_n。功率电子装置由此借助于该运动模式对该时间区间T_n求得所需的总电能并且可被该时间区间T_n相除来计算所需的平均电功率。该所需的平均电能然后在该运动模式的过程期间或已经至少部分地在该过程之前从电流供应装置被获取并且供电驱动装置使用，其中，负载峰值通过电驱动装置前面的相应的能量存储器来掩蔽。为此在电压源与电驱动装置之间设置有一个电能存储器，该电能存储器例如可以是一个电容器或一个电容器组。该电能存储器吸收暂时不需要的所获取的平均电功率，该平均电功率然后在运动模式起动(Abfahren)在负载峰值时由电驱动装置再调出并且使该负载峰值相应地平滑。

有利地提出，电驱动装置通过一个变流器或逆变器被供应以电能。在印刷机中通常使用驱动电动机，这些驱动电动机通过一个在变流器或逆变器中被控制的电压供电。由此可实现驱动电动机的非常精确且很大程度上无级的电子转速调节。变流器将施加在其输入端上的直流电压转换成按照电动机电子装置控制的交流电压。使用逆变器提供了优点，即不仅可实现从直流电压电网到电驱动装置的电流，而且例如在再生制动时也可由电驱动装置回馈到直流电压电网中。为了使机器的电网承受尽可能小的负载，能量存储器直接安置在电驱动装置的变流器或逆变器前面。这具有重要优点，即通过电驱动装置引起出现的负载峰值仅出现在驱动装置本身中及变流器或逆变器中，但能量存储器前面的整个电网仅负载以电驱动装置的最大平均电功率。通过这样安置的能量存储器使出现的负载峰值被局部狭窄地限制并且因此允许根据所获取的平均电功率来较小地确定机器的其余电网的参数。在印刷机中通常多个驱动电动机通过一个直流电压中间电路供应以电能。功率电子装置与能量存储器、逆变器或变流器及电驱动装置则连接在该直流电压中间电路上。通过根据本发明的装置使该直流电压中间电路只是负载以所连接的驱动电动机的最大平均功率。

此外，通过设置在上级的功率电子装置可附加地使驱动电动机的功率需要量相互协调，以便进一步减小直流电压中间电路中出现的最大平均电功率，其方式例如是避免直流电压中间电路上的所有驱动电动机同时投入工作。为此，电动机的功率电子装置可彼此间或者直接地或者通过一个例如机器控制装置的计算机相互通信并且交换它们的功率计算结果，以便可使能量需要量相互协调。当直流电压中间电路中达到最大峰值功率时，具有低优先权的电驱动装置绝对不首先接通。此外也可限制各个驱动装置的功率消耗，以便减小总需要量。该直流电压中间电路又可通过一个整流器连接在交流电压电网上。在印刷机中，该电网连接端是机器在400伏三相电网上的连接端。通过使用根据本发明的装置，从该400伏三相电网中获取相对均匀的电功率，该电功率尤其是不具有高于最大平均功率的负载峰值。

此外有利地提出，设置有一些用于检测电动机电流和/或电动机电压的传感器，这些传感器将电动机电流和/或电动机电压输入给功率电子装置以计算电动机的电能需要量。以此方式，功率电子装置也可考虑电动机电流的实际值及电动机电压的实际值并且调节相对于电动机电流的及电动机电压的预先计算的给定值可能出现的偏差。由此避免电动机电流及电动机电压取得这样的值，这些值会导致平均电功率升高超过预给定的功率极限。这是很重要的，因为即使在运动模式一致的情况下驱动电动机的取用电功率在使用寿命上也不是恒定的。因此，电动机由于磨损现象而随时间变得易于转动或难于转动，这使得功率消耗相应地升高或降低。并且可存在可运动部件的阻塞，由此也使电驱动装置的功率消耗至少短时地升高。所有这些可通过由功率电子装置对电动机电流及电动机电压进行的检测来测定并相应考虑。以此方式，如果当功率消耗升高时不再能通过现有的能量存储器进行补偿，则功率电子装置必要时也可关断电驱动装置或减小其功率消耗。由此也可避免通过电驱动装置超过最大平均功率消耗。

有利地提出，功率电子装置具有一个用于存储电驱动装置的运动模式的电子存储器。视印刷机中电驱动装置的任务而定，该电驱动装置具有典型的运动模式。尤其是在印刷机的续纸器中，电驱动装置以周期性的间隔工作，其中，在周期内功率消耗强烈地波动，但这在已知运动模式的情况下可相应地从功率电子装置方面加以考虑。根据本发明，续纸器上的周期性的运动模式存储在功率电子装置的存储组件中。一旦印刷机投入工作，功率电子装置就可借助于由操作人员选择的机器速度及所存储的运动模式来计算续纸器驱动电动机所需的平均电功率并且使能量存储器相应充电。在续纸器工作时出现的周期性负载峰值则通过能量存储器截获并且不导致印刷机的直流电压中间电路承受负载。因此，本发明尤其适用于：在电驱动装置周期性的运动模式的情况下使峰值负载均匀化并且将所获取的最大峰值功率限制到一个周期期间的平均功率上。

有利的是，这样设计电子控制装置，使得该电子控制装置计算在确定的时间区间上电驱动装置所需的平均电功率。

有利的是，这样设计电子控制装置，使得该电子控制装置根据待周期性地完成的运动模式来计算电驱动装置的功率需要量的算术平均值。

有利的是，在电压源与所述至少一个电驱动装置之间设置有一个电能存储器并且电子控制装置与电能存储器相结合被设置用于：至少对于一个时间段从连接在前面的电流供应装置获取很大程度上恒定的电功率，尽管在该时间段中电驱动装置不具有恒定的功率消耗。

有利的是，变流器或逆变器连接在能量存储器与电驱动装置之间。

有利的是，电子控制装置连接在一个直流电压中间电路上。

有利的是，在直流电压中间电路上连接有至少一个直流用电器。

有利的是，由电子控制装置到电驱动装置的电能流可调节。

有利的是，由电驱动装置到电子控制装置的能量流可调节。

有利的是，由电子控制装置到电驱动装置及相反方向上的能量流可调节。

有利的是，电子控制装置具有一个用于存储电驱动装置的运动模式的电子存储器。

附图说明

下面借助于多个附图对本发明进行详细说明及描述。附图表示：

图1具有本发明装置的印刷机的直流电压中间电路，用于给电驱动装置供应电流，

图1a直流电压中间电路中的电流特性曲线，

图1b电驱动装置的变流器上的电流特性曲线，

图2平均电功率的计算流程，

图3a根据本发明的用于驱动电动机的运动模式为纯电动机方式的情况下的恒定功率消耗的电路，

图3b根据本发明的用于驱动电动机的运动模式为纯发电机方式的情况下的恒定功率消耗的电路，及

图3c根据本发明的用于驱动电动机的运动模式为发电机方式及电动机方式的情况下的恒定功率消耗的电路。

具体实施方式

图1中的印刷机1具有多个用电器3，这些用电器中的一个作为电动机2详细描述。其它直流用电器3也可以是电动机。直流用电器3及电动机2连接在印刷机1的直流电压中间电路12上。该直流电压中间电路12代表印刷机1的最高的电压供应级。印刷机1通过一个整流器5连接在一个400伏的三相电网6上。整流器5负责直流电压中间电路12中的尽可能恒定的中间电路电压U_ZWK。图1中的电动机2是一个电子调节的驱动装置，其中，电动机2的电流供应通过一个用于四象限工作方式的逆变器4来进行。借助于逆变器4可无级地调节电动机2的转速及转矩。真正的发明在于能量管理系统7中，该能量管理系统连接在电动机2的逆变器4前面。该能量管理系统7使逆变器4与直流电压中间电路12相连接并且负责：通过电动机2从直流电压中间电路12仅获取最大允许电功率。为此，能量管理系统7具有一个电子控制装置8，该电子控制装置由一个功率电子装置及一个计算机组成，该计算机预先计算电动机2的功率需要量。此外，能量管理系统7具有一个能量存储器9，该能量存储器由一个或多个电容器组成。该能量存储器9被设置用于：截取电动机2的功率峰值。此外，在电子控制装置8中存储有电动机2的运动模式，该电动机例如可用于驱动印刷机1中的梁装置或页张制动器。不管是梁装置还是页张制动器都引起一个周期性强波动的运动模式。此外，在图1中设置有传感器13，这些传感器检测逆变器4上的电动机电压U_PWR及电动机电流I_PWR并且将它们传送给电子控制装置8。由此，电子控制装置8可考虑电动机电流I_PWR及电动机电压U_PWR的实际值并且必要时进行给定值-实际值调节。图1中未详细表示的直流用电器3可普遍地与电动机2连同连接在前面的逆变器4及能量管理系统7构造得一样。这使得这些直流用电器3也从直流电压中间电路12获取最大允许的输入直流电流I_Eist并且由此不超过最大允许的平均功率。本发明的重要优点在于，直流电压中间电路12仅须根据最大允许的平均功率而不是功率峰值来设计。功率峰值只是可局部受限制地直接出现在电动机2上，因为这些功率峰值被由电子控制装置8及能量存储器9组成的能量管理系统7相应截取。直流电压中间电路12的参数减小又导致整流器5的参数可确定得较小，因为该整流器也不必承担强波动的峰值负载，而仅须输出最大允许的平均功率。作为另一个后果，400伏的三相电网6也相应地不被加载以强波动的功率并且尤其是不被加载以高的峰值负载。

图1a示例性地示出了计算的输入电流I_E，该输入电流相应于图1中的实际输入电流I_Eist。可以看出，在理想情况下I_E及I_Eist在确定的时间间隔T_n上保持恒定，由此在时间间隔T_n中在直流电压中间电路12中不出现由电动机2引起的负载波动。与此不同，图1b示出了逆变器4上的电动机电流I_PWR，该电动机电流与电动机2的运动模式相应地具有强的波动。图1b中的电流特性曲线在此表示不仅以发电机方式而且以电动机方式进行的工作。但通过能量管理系统7实现首先在确定的周期T_n上计算所需的电能并且由此被周期持续时间T_n除来计算所需的平均电功率并由此计算所需的平均的输入电流I_E。该输入电流于是在周期持续时间T_n上看是恒定的并且相应于平均的强波动的电动机电流I_PWR。

图2示出了用于计算电动机2所需的平均电功率P_AV的流程。为此，由存储的运动模式给电子控制装置8输入重复运动的周期持续时间T_n及在此情况下出现的模式，以及作为实际值输入在逆变器4上抽样得到的电动机电压U_PWR及电动机电流I_PWR。电子控制装置8由这些数据通过在给定的周期持续时间T_n上积分来计算对于预给定的周期持续时间T_n所需的平均电功率P_AV。在电子控制装置8的一个用于计算电流的模块11中由这样计算出的所需的平均功率P_AV及直流电压中间电路12的中间电路电压U_ZWK来计算给定电动机电流I_Esoll。该给定值I_Esoll在一个电流调节器10中与能量管理系统7的输入电流的实际值I_Eist进行比较，其中，出现的偏差I_Ediff作为差值电流被调节。以此方式于是将该计算的平均电功率P_AV提供给逆变器4使用，其中，暂时不需要的电能暂存在能量存储器9中并且在负载峰值时则供逆变器4使用。以此方式使功率峰值通过能量管理系统7阻隔并且不传播给直流电压中间电路12。

能量存储器9按照下面的标准来设计。根据逆变器4的允许的输入电压范围U_PWR，能量存储器9必须在电动机2工作前或工作开始时由能量管理系统7充电到最大允许电压。能量存储器9应这样确定参数，使得在周期性的功率峰值衰减后能量存储器9上的电压不低于逆变器4的电压下限。在放电阶段或回馈阶段期间，例如当电动机2制动时，能量存储器9通过能量管理系统7以恒定的功率充电。该补充充电电流应尽可能最佳地根据驱动电动机2的周期性出现的功率峰值来设计，由此在达到能量存储器9中的最大充电电压时进行电动机2的下一个加速过程。

图3a示出了一个与能量存储器9相连接的电子控制装置8，该电子控制装置被设计用于补偿电动机2的以电动机方式出现的功率峰值。但通过根据图3a的电路不可实现回馈，由此仅可补偿以电动机方式工作中的功率峰值。在此情况下在能量存储器9上连接有一个仅允许以电动机方式工作的逆变器4。与此不同，根据图3b的电路仅允许所连接的电动机2以发电机方式工作，该电动机例如持续地作为印刷机1中的制动驱动装置来工作。电子控制装置8用于：由电动机2通过能量存储器9将尽可能均匀的平均电功率回馈到直流电压中间电路12中。在此情况下电子控制装置8与能量存储器9相结合用于：即使在回馈时在直流电压中间电路12中也不出现馈入峰值。图3c示出了一个如与图1中的逆变器4相结合使用的电子控制装置8。在此情况下，电动机2既可以以发电机方式又可以以电动机方式工作，其中，电子控制装置8与能量存储器9相结合来保证：从直流电压中间电路12仅获取最大允许的电功率并且也给该直流电压中间电路仅馈入最大允许的电功率。根据图3a、3b、3c的实施形式与相应的应用情况相匹配地使用。在四象限工作方式中工作的电动机2通过根据图3c的电路来馈电，而仅以电动机方式或以发电机方式工作的电动机2各与根据图3a或3b的电路相耦合。但所有三个电路共同点在于，直流电压中间电路12仅负载以最大允许的平均电功率，由此，直流电压中间电路12的参数可相应地变小。

参考标号清单

1 印刷机 12 直流电压中间电路

2 电动机 13 传感器

3 直流用电器 I_PWR 电动机电流

4 逆变器 U_PWR 电动机电压

5 整流器 I_Eist 输入直流电流

6 网连接端 U_ZWK 中间电路电压

7 能量管理系统 I_E 计算的输入电流

8 电子控制装置 I_Ediff差值电流

9 能量存储器 I_Esoll给定电动机电流

10 电流调节器 P_AV 所需的功率

11 电流计算装置 T_n 周期持续时间

Claims

1.用于控制机器(1)中的电驱动装置(2)的装置(7)，其中，一个电子控制装置(8)被设置用于根据至少一个电驱动装置(2)的运动模式来预先计算所述电驱动装置(2)所需的电能，其特征在于：在电压源与所述至少一个电驱动装置(2)之间设置有一个电能存储器(9)并且该电子控制装置(8)与该电能存储器(9)相结合被设置用于：至少对于一个时间区间(T_n)从连接在前面的所述电压源获取很大程度上恒定的电功率(P_AV)，尽管在该时间区间(T_n)中所述电驱动装置(2)不具有恒定的功率消耗，其中，所述电子控制装置(8)设置在所述电压源与所述电能存储器(9)之间。

2.根据权利要求1的装置(7)，其特征在于：这样设计该电子控制装置(8)，使得该电子控制装置计算在确定的时间区间(T_n)上所述电驱动装置(2)所需的平均电功率。

3.根据权利要求1或2的装置(7)，其特征在于：这样设计该电子控制装置(8)，使得该电子控制装置根据待周期性地完成的运动模式来计算所述电驱动装置(2)的功率需要量的算术平均值。

4.根据权利要求1或2的装置(7)，其特征在于：所述电驱动装置(2)通过一个变流器或逆变器(4)被供应以电能。

5.根据权利要求4的装置(7)，其特征在于：该变流器或逆变器(4)连接在该能量存储器(9)与所述电驱动装置(2)之间。

6.根据权利要求1或2的装置(7)，其特征在于：所述电压源包括一直流电压中间电路(12)，该电子控制装置(8)连接在该直流电压中间电路(12)上。

7.根据权利要求6的装置(7)，其特征在于：所述电压源包括一交流电压电网(6)，该直流电压中间电路(12)可通过一个整流器(5)连接在该交流电压电网(6)上。

8.根据权利要求6的装置(7)，其特征在于：在该直流电压中间电路(12)上连接有至少一个直流用电器(3)。

9.根据权利要求1或2的装置(7)，其特征在于：所述电驱动装置(2)是电动机，设置有一些用于检测电动机电流(I_PWR)和/或电动机电压(U_PWR)的传感器(13)，这些传感器将该电动机电流和/或该电动机电压输入给该电子控制装置(8)以计算电动机(2)的电能需要量。

10.根据权利要求1或2的装置(7)，其特征在于：由该电子控制装置(8)到所述电驱动装置(2)的电能流可调节。

11.根据权利要求1或2的装置(7)，其特征在于：由所述电驱动装置(2)到该电子控制装置(8)的电能流可调节。

12.根据权利要求1或2的装置(7)，其特征在于：由该电子控制装置(8)到所述电驱动装置(2)及相反方向上的电能流可调节。

13.根据权利要求1或2的装置(7)，其特征在于：该电子控制装置(8)具有一个用于存储所述电驱动装置(2)的运动模式的电子存储器。

14.处理承印物的机器(1)，具有根据权利要求1至13中一项的装置(7)。