DE10114973B4 - Werkzeugmaschine mit Spindel mit einer Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung - Google Patents

Abstract

Werkzeugmaschine mit Spindel, welche die folgenden Merkmale aufweist: einen Drehstrommotor (5), einen Umrichter (1), eine Umrichterführung (3) zur Steuerung und/oder Regelung des Umrichters (1), eine Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung (4), wobei die Vorrichtung zumindest ein Teil des Motoranschlusses an den Umrichter (1) ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschine mit Spindel, deren Drehstrommotor an unterschiedliche Speisespannungen anschließbar ist.
• Die Werkzeugmaschine mit Spindel wird standardmäßig mit einem Drehstrommotor betrieben. Der Begriff der Spindel wird im Bereich des Werkzeugmaschinenbaus oft gleichgesetzt mit dem Antrieb der Spindel, das heißt mit einer Motorspindel bzw. mit einer Synchronspindel für den Fall, dass der Motor ein Synchronmotor ist. Dem regelbaren Drehstrommotor ist ein Umrichter vorgeschaltet, welcher den Drehstrommotor speist. Erfolgt die Speisung des Drehstrommotors ohne Umrichter, so kann der Anschluss des Drehstrommotors über verschiedene Drehstrommotorbeschaltungen erfolgen. Beispiele für Drehstrommotorbeschaltungen finden sich in der Siemens Zeitschrift „Drehstrom- Niederspannungsmotor Projektierung" (herausgegeben von der Siemens AG, Bereich Antriebs, Schalt- und Installationstechnik, Geschäftsgebiet Antriebstechnik, Erlangen, Best.-Nr. E20001-P111-B103) und dienen dort grundsätzlich dem Anlauf des Drehstrommotors.
• Die zum Anlauf eines Drehstrom-Asynchronmotors verwendete Sterndreieckumschaltung als Drehstrommotorbeschaltung führt dazu, dass abgesehen vom Anlauf in jedem Betriebspunkt des Drehstrommotors dieser mit der Leiter-Leiter-Spannung, das heißt mit der verketteten Spannung beschaltet ist. Unter der verketteten Spannung wird die Spannung zwischen zwei Leitern im Dreiphasensystem verstanden. Im Gegensatz dazu ist die Leiter-Sternpunkt-Spannung die Spannung zwischen einer Leiter des Dreiphasensystems und dem im Dreiphasensystem gebildeten Sternpunkt.
• Permanentmagnet erregte Synchronspindeln werden im Bereich hoher Drehzahl im Feldschwächbereich betrieben. Der Feldschwächbereich ist ein Drehzahlstellbereich, in dem die Erhö hung der Drehzahl mit einer Schwächung des magnetischen Flusses verbunden ist. Durch diese Betriebsweise kommt es dazu, dass die verkettete Polradspannung wesentlich höhere Werte als die Umrichterzwischenkreisspannung annehmen kann. Dies hat negative Konsequenzen. Im Fehlerfall, z.B. bei der Reglersperre des Umrichters sind Komponenten des Leistungsteils durch hohe Rückströme gefährdet. Es können aber auch im Fehlerfall an den dann, durch die Regler- bzw. Pulssperre des Umrichters offenen Motorklemmen gefährlich hohe Spannungen auftreten, die bei Berührung zu Personenschäden führen können. Diese Probleme werden derzeit so gelöst, dass die Ständerwicklung bezüglich der ausgeführten Windungszahl so bemessen ist, dass die maximal auftretenden Spannungen keine Gefährdung verursachen. Diese Art der Auslegung führt nachteilig aber zu hohen Strangströmen und damit zu großen Leistungsteilen.
• Eine andere Problemlösung bietet ein Überspannungsschutzmodul, auch VPM-Modul genannt, welches im Fehlerfall die Motorklemmen kurzschließt. Beide obengenannten Lösungsansätze sind konstruktiv sehr aufwendig und damit kostentreibend.
• Bei vielen Anwendungen von Werkzeugmaschinen mit Spindeln gibt es zwei wesentliche Betriebsmodi, den Low-Speed-Modus und den High-Speed-Modus. Abhängig von der durch die Werkzeugmaschine zu lösenden Aufgabe können sich je nach Anwendungsfall die Drehzahlen der Spindel in den verschiedenen Modi unterscheiden. Bei spanenden Bearbeitungen werden beispielsweise die Grob- und die Feinzerspanung unterschieden, wobei bei der Grobzerspanung der Low-Speed-Modus in der Regel zum Einsatz kommt und bei der Feinzerspanung der High-Speed-Modus. Kennzeichen dieser Modi sind unter anderem auch die unterschiedlich aufzuwendenden Momente für den jeweiligen Betriebsmodus. Vorzugsweise wird für den Low-Speed-Modus ein größeres Moment benötigt als für den High-Speed-Modus. Soll eine Maschine beide Modi beherrschen, so ist diese entsprechend der maximal zur Verfügung stehenden Drehzahl bei einer in Sterndpunktschaltung betriebenen permanenterregten Synchronspindel auszulegen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine einfache bzw. kostengünstige Auslegung einer Spindel für eine Werkzeugmaschine anzubieten, wobei das Antriebskonzept der Spindel einen Drehstrommotor und einen Umrichter aufweist.
• Diese Aufgabe wird durch eine Werkzeugmaschine mit Spindel, die folgende Merkmale aufweist: einen Drehstrommotor, einen Umrichter, eine Umrichterführung zur Steuerung und/oder Regelung des Umrichters, eine Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung, wobei die Vorrichtung zumindest ein Teil des Motoranschlusses an dem Umrichter ist, gelöst.
• Die Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung stellt zumindest einen Teil des Drehstrommotoranschlusses dar. Mit der Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung wird der Betrieb des Drehstrommotors entweder mit der Dreieckspannung oder der Sternpunktspannung ermöglicht.
• Die Änderung der Speisespannung ist vorzugsweise durch Vorrichtungen zur Drehstrommotorbeschaltung realisiert. Wird die Synchronspindel vorzugsweise zur Grobzerspanung bei kleineren Drehzahlen gefahren, so ist die Ständerwicklung in Sternschaltung geschaltet. Wird die Synchronspindel hingegen bei hohen Drehzahlen betrieben, so erfolgt die Drehstrommotorbeschaltung in Dreieckschaltung. Durch den Betrieb der permanenterregten Synchronspindel in Dreieckschaltung kann ein im Vergleich zur Sternpunktschaltung eine um Wurzel 3 erhöhte Drehzahl erreicht werden. Die Ausnutzung dieses Drehzahlgewinns um den Faktor Wurzel 3 erfolgt insbesondere bei den Anwendungen, bei dem der Bereich der hohen Drehzahl den Bereich der Motordrehzahl betrifft, welcher sonst durch diesen in der Sternpunktschaltung nicht abgedeckt werden kann. Durch den wahlweisen Betrieb in Stern- oder Dreieckschaltung ist es möglich, einerseits ein vergleichsweise kleines Leistungsteil im Pulswechselrichter zu verwenden und andererseits die auslegungsgemäße Statorklemmspannung nicht zu überschreiten. Die Umschaltung von Sternschaltung in Dreieckschaltung bzw. umgekehrt erfolgt vorzugsweise bei Stillstand der Spindel. Insbesondere in Fällen, in denen kein Lastmoment an der Spindel anliegt, ist auch eine Umschaltung während des Betriebes denkbar. Wird die Spindel, folglich der elektrische Antrieb, in Dreieckschaltung betrieben, muss sichergestellt sein, dass sich keine Ausgleichströme bzw. Kreisströme innerhalb der Dreieckschaltung aus bilden können. Erreicht wird das durch eine entsprechende Ausführung des permanent erregten Läufers.
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und den dazugehörigen Figuren näher erläutert, wobei das Ausführungsbeispiel nicht als Einschränkung sondern vielmehr ebenso wie die Unteransprüche als vorteilhafte Ausgestaltung anzusehen ist. Es zeigen:
• 1 die prinzipielle Anordnung der Komponenten Zwischenkreis 2, Pulswechselrichter 1, Pulswechselrichterführung 3, Umschaltbox/Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung 4 zur Stern-Dreieck-Umschaltung und den permanent erregten Drehstrommotor 5.
• 2 die Anschlussklemmen des permanent erregten Drehstrommotors 5.
• 3 eine Kennlinie der Leistung in Abhängigkeit zur Drehzahl bei einer Sternbeschaltung des Drehstrommotoranschlusses.
• 4 eine Kennlinie der Leistung in Abhängigkeit zur Drehzahl bei einer Dreiecksbeschaltung des Drehstrommotoranschlusses.
• 1 zeigt die prinzipielle Anordnung einer erfindungsgemäßen Spindel. Ein Pulswechselrichter 1 wird durch den Spannungszwischenkreis 2 mit der Zwischenkreisspannung U_Z gespeist. Mit Hilfe einer Pulswechselrichterführung 3 wird so wohl der Pulswechselrichter 1 als auch eine Umschaltbox/Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung 4, welche die Sterndreieckumschaltung gestattet, gesteuert und/oder geregelt. In der prinzipiellen Schaltungsanordnung der 1 ist ein permanent erregter Drehstrommotor 5 der Umschaltbox/Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung 4 nachgeordnet, wobei allerdings beide ein Gesamtsystem und damit die Drehstrommoterbeschaltung bilden. Die Verbindung zum Pulswechselrichter 1 erfolgt durch dessen Pulswechselrichteranschlüsse 10.
• 2 zeigt die Anschlüsse 14, 15 des permanent erregten Drehstrommotors 5. Mit Hilfe der Umschaltbox/Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung 4 werden die Anschlüsse 14 der drei Phasen zusammen mit den Anschlüssen 15 der drei Phasen in Stern- oder Dreieckschaltung mit dem Motoranschluss am Pulswechselrichter 1 verbunden.
• 3 zeigt schematisch die Leistungskennlinie P bei Sternschaltung 6 in Abhängigkeit von der Drehzahl n der durch den permanent erregten Drehstrommotor 5 symbolisierten Spindel bei einer sternartigen Beschaltung des permanent erregten Drehstrommotors 5 durch die Umschaltbox 4. Innerhalb des Bereiches zwischen der Drehzahl n₁ und der Drehzahl n₂ ist die Leistung P konstant P_n und kennzeichnet den Bereich hoher Drehzahl. Der Bereich niedriger Drehzahl befindet sich zwischen dem Nullpunkt und der Drehzahl n₁.
• 4 zeigt schematisch die Leistungskennlinie P bei Dreieckschaltung 13 in Abhängigkeit von der Drehzahl n der durch den permanent erregten Drehstrommotor 5 symbolisierten Spindel bei einer dreiecksartigen Beschaltung des permanent erregten Drehstrommotors 5 durch die Umschaltbox 4. Innerhalb des Bereiches zwischen der Drehzahlen n₁·√3 und der Drehzahl n₂·√3 ist die Leistung P konstant P_n. Im Vergleich von 3 mit 4 wird der unterschiedliche Kennlinienverlauf der Leistung in Abhängigkeit von der Beschaltung des Drehstrommotors deutlich. Sowohl aus 3 als auch aus 4 lassen sich die dem durchschnittlichen Fachmann bekannten Kennlinienverläufe von Kennwerten wie Spannung und Moment erschließen.
• Im Vergleich zur Motoranschlussverschaltung in 3 ist in 4 der Bereich hoher Drehzahl zwischen den Drehzahlen n₁ und n₂ um den Faktor Wurzel 3 auf den Drehzahlbereich zwischen n₁·√3 und n₂·√3 angehoben.

Claims (8)

1. Werkzeugmaschine mit Spindel, welche die folgenden Merkmale aufweist: einen Drehstrommotor (5), einen Umrichter (1), eine Umrichterführung (3) zur Steuerung und/oder Regelung des Umrichters (1), eine Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung (4), wobei die Vorrichtung zumindest ein Teil des Motoranschlusses an den Umrichter (1) ist.
2. Werkzeugmaschine mit Spindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Änderung der Speisespannung eine Vorrichtung zur Motorbeschaltung ist.
3. Werkzeugmaschine mit Spindel nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Änderung der Motorbeschaltung den Motor entweder mit der Verketteten-Spannung oder mit der Leiter-Sternpunkt-Spannung beschaltet.
4. Werkzeugmaschine mit Spindel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstrommotor im Bereich hoher Drehzahlen mit der verketteten Spannung betreibbar ist.
5. Werkzeugmaschine mit Spindel nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstrommotor (5) im Bereich niedriger Drehzahlen mit den Leiter-Sternpunkt-Spannungen betreibbar ist.
6. Werkzeugmaschine mit Spindel nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Motorbeschaltung vorzugsweise bei Motorstillstand erfolgt.
7. Werkzeugmaschine mit Spindel nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung der Motorbeschaltung während des Betriebes vornehmbar ist.
8. Werkzeugmaschine mit Spindel nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschaltung der Motorklemmen mit verketteten Spannungen Verfahren und/oder auslegungstechnische Mittel zur Kreisstromminderung vorhanden sind.