-
Die
Erfindung betrifft eine Druckmaschine in Aggregatbauweise mit dezentralen
Antrieben, die mit Hilfe von Zwischenkreisumrichtern geregelt werden.
-
Druckmaschinen
weisen eine Vielzahl elektrischer Antriebe auf, die dem Transport
des Bedruckstoffes, z.B. einer Papierbahn oder von Papierbogen,
oder der Aufbringung des Druckbildes auf den Bedruckstoff dienen.
Für eine
hohe Druckqualität (Registergenauigkeit)
ist es dabei erforderlich, dass die Drehwinkelpositionen der Antriebe
möglichst
geringe Abweichungen von ihren Sollwerten aufweisen. Ein Mittel
dazu ist die mechanische Kopplung der Antriebe über einen durchgehenden Antriebsräderzug, wobei
wegen des immer vorhandenen Zahnspieles eine stabile Zahnflankenanlage
gewährleistet
werden muss. Dies wird durch eine mechanische Verspannung zwischen
den Antrieben zur Sicherung eines in Betrag und Richtung möglichst
konstanten Leistungsflusses im Antriebsräderzug erreicht. Die Verspannung
hat zur Folge, dass einige Antriebe motorisch arbeiten und elektrische
Leistung verbrauchen, andere Antriebe wiederum eine Bremswirkung entfalten
und dabei generatorisch arbeiten, d.h. elektrische Leistung erzeugen.
Aufgrund des hohen Leistungsbedarfs von Druckmaschinen wäre es für einen wirtschaftlichen
Betrieb vorteilhaft, wenn die von den jeweils temporär oder kontinuierlich
generatorisch arbeitenden Antrieben erzeugte elektrische Leistung innerhalb
der Druckmaschine genutzt werden könnte, um die Energiebilanz
der Druckmaschine zu verbessern.
-
Als
Haupt- und Hilfsantriebe werden bei Druckmaschinen zunehmend Drehstrommotoren eingesetzt,
die über
Frequenzumrichter aus dem Drehstromnetz gespeist und geregelt werden.
Dabei gelangen Zwischenkreisumrichter zunehmende Bedeutung für geregelte
Antriebe. Bei Zwischenkreisumrichtern wird eine Zwischenkreisspannung
von einem netzseitigen Stromrichter bereitgestellt und von einem
Motorstromrichter belastungsabhängig
auf die motorseitig benötigte
Spannung transformiert.
-
Bekannt
ist es, die Zwischenkreisumrichter für verschiedene Antriebe in
einem Schaltschrank unterzubringen und deren Zwischenkreise zu verbinden,
um den belastungsabhängigen,
zeitlich schwankenden Leistungsbedarf der einzelnen Motoren untereinander
auszugleichen.
-
In
dezentral aufgebauten Maschinen, wie z.B. Druckmaschinen in Reihenbauweise,
wird oft ein Wechselspannungs-Leistungsbus zwischen den Aggregaten
verlegt, der die elektrische Leistung für die dezentralen Frequenzumrichter
in den Aggregaten bereitstellt.
-
Falls
ein Antrieb kurzzeitig (z.B. beim Bremsen) generatorisch arbeitet,
wird die entstehende elektrische Leistung durch einen Bremswiderstand im
Zwischenkreis vor Ort in Wärme
umgewandelt. Bei größeren Leistungen
bzw. kontinuierlich generatorischem Betrieb wird eine Rückspeiseeinheit
eingesetzt, welche überschüssige Leistung
in das Drehstromnetz zurückspeist.
-
Nachteilig
an dieser Lösung
ist, dass mit einem Wechselspannungs-Leistungsbus kein Leistungsfluss
zwischen den Antrieben realisierbar ist und die Nutzung der generatorisch
erzeugten Leistung nur mit teuren Rückspeise-Wechselrichtern ermöglicht werden
kann. Gegenüber
von Frequenzumrichtern mit Wechselspannungs-Leistungsbus haben Frequenzumrichter
mit Gleichspannungs-Zwischenkreis den Vorteil, dass innerhalb des
Zwischenkreises ein Leistungsfluss in beliebiger Richtung möglich ist.
-
Aus
der
DE 199 21 654
C1 ist ein Kabelsystem zur Verkabelung von stationären Industrieanlagenzellen
mit jeweils separaten Motoren und Frequenzumrichtern bekannt. Das
Hybrid-Kabelsystem dient auch der Verbindung von in den Zellen vorhandenen
Gleichspannungs-Zwischenkreisen.
-
Aus
der
DE 10257980 A1 ist
ein System zur Stromversorgung einer papierverarbeitenden Maschine
mit verschiedenen Gleichstromantrieben bekannt, welches aus mehreren
Gleichspannungsebenen besteht, die miteinander gekoppelt sind. Auf
Sicherheitsprobleme wird darin nicht eingegangen.
-
Gleichstrom-Zwischenkreise
besitzen den sicherheitstechnischen Nachteil, dass der Zwischenkreis
selbst nach dem Abschalten des einspeisenden Gleichrichters noch
eine gewisse Zeit Strom führt, bevor
er sich entlädt.
Würde eine
Zwischenkreis-Verbindungsstelle bei noch nicht entladenem Zwischenkreis
versehentlich von einem Unkundigen geöffnet, entsteht ein Lichtbogen,
der Personen gefährden könnte. Dies
hat bisher den Einsatz derartiger Frequenzumrichter in modular aufgebauten
Druckmaschinen verhindert, da die elektrischen Verbindungen zwischen
den Aggregaten während
der Montage oder dem Testbetrieb, bei Einrichtarbeiten oder während Reparaturarbeiten
wiederholt gefahrlos getrennt bzw. wieder verbunden werden müssen.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, an einer Druckmaschine in Aggregatbauweise,
die zeitweise oder kontinuierlich generatorisch arbeitende Antriebsmotoren
aufweist, den elektrischen Leistungsfluss zwischen den dezentralen
Antriebsmotoren auf einfache Weise richtungsunabhängig zu
ermöglichen
und die dazu erforderlichen sicherheitstechnischen Mittel zu schaffen.
-
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch eine Druckmaschine mit den Merkmalen des ersten Anspruchs
gelöst.
-
Anstelle
der bekannten Verknüpfung
von Frequenzumrichtern mit einem Wechselspannungs-Leistungsbus werden
für die
Antriebsregelung Frequenzumrichter mit Gleichspannungs-Zwischenkreisen
eingesetzt, die mit einem Gleichspannungs-Leistungsbus, der durch
die einzelnen Aggregate der Maschine geführt wird, zu einem einzigen Gleichspannungs-Zwischenkreis
verbunden werden. Die erforderlichen Verbindungselemente sind durch sicherheitstechnische
Mittel gegen Öffnen
bei noch geladenem Zwischenkreis geschützt.
-
Der
gemeinsame Zwischenkreis hat den Vorteil, dass elektrische Energie
einfach innerhalb der Maschine zwischen verschiedenen Antrieben
ausgetauscht werden kann. Energie von generatorisch arbeitenden
Antrieben wird motorisch arbeitenden Antrieben zugeführt, so
dass einzelne Antriebe zeitweise oder kontinuierlich generatorisch
arbeiten können, ohne
dass eine Netzrückspeiseeinheit
oder ein Bremswiderstand zum Abführen
oder Vernichten der überschüssigen Leistung
notwendig sind. Der Wirkungsgrad der Maschine kann so erhöht werden.
-
Daneben
ergeben sich mit dem Einsatz von Gleichspannungs-Zwischenkreisen
zusätzliche
Vorteile durch die Vermeidung von Steuerblindleistungen bei der
Einstellung der Zwischenkreisspannung und durch die energetische
Entkopplung der netzseitigen Stromrichter von den lastseitigen Wechselrichtern über Energiespeicher
(Glättungsinduktivität, Glättungskapazität) im Zwischenkreis.
-
Die
erfindungsgemäß vorgesehenen
sicherheitstechnischen Mittel schaffen die Vorraussetzung für den Einsatz
von Frequenzumrichtern mit Gleichspannungs-Zwischenkreis in Druckmaschinen
in Aggregatbauweise.
-
Durch
die sicherheitstechnischen Mittel kann trotz des Einsatzes von beispielsweise
Steckverbindern als Verbindungselemente für den Gleichspannungs-Leistungsbus
eine Gefährdung
von Menschen vermieden werden. Aufgrund der automatischen Entladung
vor Öffnen
des Zwischenkreises wird sichergestellt, dass es bei der Montage
bzw. Demontage von Maschinen, die z.T. auch von elektrisch nicht
unterwiesenem Personal durchgeführt
wird, nicht zu Unfällen
mit Personen- und Sachschäden
aufgrund des strom- bzw.
spannungsführenden
Zwischenkreises kommt.
-
Die
Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert werden.
Die dazugehörigen Zeichnungen
haben folgende Bedeutung:
-
1 schematische
Darstellung dezentraler Wechselrichter, die über einen Gleichspannungs-Leistungsbus
verbunden sind
-
2 schematische
Darstellung einer Steckverbindung mit Sicherheitsschalter
-
Eine
Druckmaschine besteht üblicherweise aus
mehreren Aggregaten, die in Reihe angeordnet sind. Jedes Aggregat
weist einen oder mehrere Antriebsmotoren 5 auf, die jeweils
von einem Gleichspannungs-Zwischenkreisumrichter angesteuert werden.
Ein Zwischenkreisumrichter umfasst einen Gleichrichter, einen Zwischenkreis
und einen Wechselrichter 4. Bei Vorhandensein mehrerer
Zwischenkreisumrichter, die die gleiche Zwischenkreisspannung benötigen, ist
es zweckmäßig, alle
Gleichrichter zu einem zentralen Gleichrichter 2 zusammenzufassen
und die Zwischenkreise miteinander zu verbinden. Druckmaschinen
werden üblicherweise
aus einem 400 Volt Drehstromnetz 1 gespeist. Wie aus der 1 ersichtlich,
befindet sich in einem zentralen Schaltschrank einer Druckmaschine
eine zentrale Einspeiseeinheit 2, die aus der Netz-Wechselspannung
eine pulsierende Gleichspannung für die Gleichspannungs-Zwischenkreise
der Wechselrichter 4 liefert. Am Ausgang der zentralen
Einspeiseeinheit 2 liegt eine Gleichspannung zwischen 400
und 700 Volt an, die in einen Gleichspannungs-Leistungsbus 3 eingespeist
wird. Die Wechselrichter 4 wandeln diese im Gleichspannungs-Zwischenkreis
bereitgestellte Gleichspannung in eine dreiphasige Wechselspannung
mit variabler Frequenz und variabler Spannungsamplitude für den lastabhängigen Betrieb
der damit geregelten Antriebsmotoren 5 um.
-
Die
an der Druckmaschine vorhandenen Wechselrichter 4 für die Regelung
der verschiedenen Antriebs- oder Stellmotoren 5 sind dazu
mit ihren Gleichspannungs-Zwischenkreisen
an den Gleichspannungs-Leistungsbus 3 angeschlossen, der
aggregatübergreifend
durch alle Aggregate und Anlagenteile der Druckmaschine geführt ist.
Der Gleichspannungs-Leistungsbus 3 wird bereits bei der
Aggregatmontage zusammen mit allen weiteren Verbindungsleitungen
verlegt.
-
Über den
Gleichspannungs-Leistungsbus 3 ist der gewünschte Leistungsfluss
von den generatorisch arbeitenden zu den motorisch arbeitenden Antriebsmotoren 5 innerhalb
der gesamten Druckmaschine in beliebiger Richtung möglich.
-
Sollte
in Ausnahmefällen
die generatorisch erzeugte Leistung den momentanen Leistungsbedarf der
Antriebe 5 kurzzeitig überschreiten,
wird die überschüssige Leistung
mit dem dem Gleichspannungs-Leistungsbus 3 zugeordneten
Chopper 8 und Bremswiderstand 9 in Wärmeenergie
umgewandelt. Alternativ oder ergänzend
können
auch die einzelnen Wechselrichter 4 mit (nicht dargestellten)
internen oder externen dezentralen Entladeeinrichtungen ausgestattet
sein.
-
Bei
länger
andauerndem Leistungsüberschuss,
z.B. beim Abbremsen der Druckmaschine, erfolgt optional eine Leistungsrückspeisung
aus dem Gleichspannungs-Leistungsbus 3 in das Drehstromnetz über einen
zentralen Wechselrichter 10.
-
Um
die einfache Montierbarkeit und Demontierbarkeit der Aggregate zu
ermöglichen,
werden zur Verbindung der Wechselrichter 4 mit dem Gleichspannungs-Leistungsbus 3 vorteilhafterweise
Steckverbinder 6.S gewählt.
-
In 2 ist
der prinzipielle Aufbau eines Steckverbinders 6.S dargestellt.
Die Stecker-Buchse-Verbindung
ist mechanisch in bekannter Ausbildung für Leistungsstecker mit seitlich
an der Steckbuchse angeordneten Sicherungsbügeln 15 gegen unbeabsichtigtes Öffnen gesichert.
Erfindungsgemäß sind die
Sicherungsbügel 15 mit
in der Steckverbindung 6.S integrierten Sicherheitsschaltern 13,
z.B. mechanisch, gekoppelt. Die Sicherheitsschalter 13 sind über eine
Steuerleitung 11, die mit dem Gleichspannungs-Leistungsbus 3 in
einem Kabel geführt ist,
untereinander und mit der Maschinensteuerung MS seriell verbunden,
so dass bei Öffnen
eines beliebigen Sicherheitsschalters 13 die Steuerleitung 11 unterbrochen
wird. Diese Leitungsunterbrechung wird als Spannungsimpuls an einem
Steuerleitungseingang der Maschinensteuerung MS registriert.
-
Parallel
zur Steuerleitung 11 kann eine zusätzliche Busleitung 11.B verlegt
sein, die die Wechselrichter 4 mit dem Gleichrichter 2 und
mit der zentralen Entladevorrichtung 8, 9 verbindet
und bei Maschinenstörungen
oder zum Stillsetzen der Druckmaschine Signale von der Maschinensteuerung
MS zur Abschaltung der zentralen Einspeiseeinheit (2) und zur
Entladung des Gleichspannungs-Leistungsbusses 3 überträgt.
-
Die
Busleitung 11.B kann auch ein vorhandener Feldbus zwischen
den Wechselrichtern 4 sein, der auch als Sicherheitsbus
ausgeführt
sein kann.
-
Im
Steckverbinder 6 ist weiterhin ein bekanntes prozessorgesteuertes
Anzeigeelement 16 integriert, dass verschiedenfarbige LED's und einen Spannungseingang
zur Erfassung der Zwischenkreisspannung am Gleichspannungs-Leistungsbus 3 aufweist.
Der Spannungseingang ist im Steckverbinder 6.S mit dem
Gleichspannungs-Leistungsbus 3 verbunden. Das Anzeigeelement 16 dient
der Signalisierung des Ladungszustandes der Zwischenkreise/ des
Gleichspannungs-Leistungsbusses 3. Eine rote LED kennzeichnet
beispielsweise einen unter Spannung stehenden Gleichspannungs-Leistungsbus 3 und
eine grüne
LED signalisiert einen vollständig
entladenen Gleichspannungs-Leistungsbus.
-
Zur
Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung:
Der
gemeinsame Zwischenkreis der Wechselrichter, d.h. der Gleichspannungs-Leistungsbus 3,
führt eine Spannung
von 400-700 Volt. Selbst nach Ausschalten der zentralen Einspeiseeinheit 2,
die den gemeinsamen Zwischenkreis speist, bleibt die Spannung im Zwischenkreis
noch einige Minuten erhalten.
-
Die
Gefahr besteht nun darin, dass ein Steckverbinder 6.S innerhalb
des Zwischenkreises geöffnet
wird, bevor der Zwischenkreiskondensator entladen ist. Durch den
hohen Stromfluss kann ein Lichtbogen entstehen, der für Menschen
gefährlich sein
kann.
-
Zur
Entladung des Zwischenkreises/des Gleichspannungs-Leistungsbusses 3 werden
beispielsweise Chopper 8 und Bremswiderstand 9 als zentrale
Entladevorrichtung genutzt.
-
Im
Normalfall ist die Steckverbindung 6.S geschlossen und
mit den bekannten Sicherungsbügeln 15 gegen
unbeabsichtigte mechanische Einwirkungen gesichert. Die Position
der Sicherungsbügel 15 wird
mit den Sicherheitsschaltern 13 erfasst. Wenn nun eine
Steckverbindung 6.S an einem der Aggregate geöffnet werden
soll, müssen
zuerst die Sicherungsbügel 15 vom
Stecker gelöst
werden. Dabei wird zunächst
einer der Sicherungsbügel 15 aus
seiner Sicherungsposition herausbewegt und der zugeordnete, mit
dem Sicherungsbügel 15 gekoppelte
Sicherheitsschalter 13 öffnet. Über die
am Sicherheitsschalter 13 angeschlossene Steuerleitung 11 wird das Öffnungssignal
an die Maschinensteuerung MS übermittelt,
die daraufhin die zentrale Einspeiseeinheit 2 abschaltet
und den Zwischenkreis/Gleichspannungs-Leistungsbus 3 über die
zentralen und/oder dezentralen Entladeeinrichtungen 8, 9 entlädt. Der Entladevorgang
beansprucht einen Zeitraum von weniger als ca. eine Sekunde. Die
Zeit, die vom Montagepersonal für
das Lösen
der Sicherungsbügel 15 und
das Abziehen des Steckers benötigt
wird, liegt deutlich über
der Entladezeit, so dass die Steckverbindung 6.S erst getrennt
wird, wenn der Zwischenkreis vollständig entladen ist. Durch zusätzliche
Sicherungsschrauben an einem der Sicherungsbügel 15 kann der Zeitbedarf
für das Öffnen der
Verbindung beliebig vergrößert werden,
um weitergehenden Sicherheitsbedürfnissen
zu entsprechen.
-
Dem
Bedienpersonal wird die vollständige Entladung
des Zwischenkreises durch das Anzeigeelement 16 signalisiert,
dass nach erfolgter Entladung auf eine grüne LED umschaltet.
-
Eine
sicherheitstechnisch verbesserte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung für die Zwischenkreisentladung
ergibt sich durch den Einsatz einer (nicht dargestellten) prozessorgesteuerten zusätzlichen
Verriegelungseinrichtung 14, die im Verbindungselement 6 integriert
ist.
-
Aktoren 14.A innerhalb
der Verriegelungseinrichtung 14 (z.B. über Elektromagnete betätigte Sperrbolzen,
die auf die Sicherungsbügel 15 wirken) verhindern
dann das vollständi ge Öffnen der
Sicherungsbügel 15,
solange die von der Verriegelungseinrichtung 14 im Steckverbinder 6.S erfasste
Zwischenkreisspannung nicht Null ist.
-
Eine
vereinfachte Ausführung
der Verriegelungseinrichtung 14 besteht in einer Zeitschaltung, die
bei Öffnen
eines der Sicherheitsschalter 13 nach einer ausreichend
bemessenen Entladezeit die Verriegelung der Sicherungsbügel 15 löst.
-
Eine
Entlastung der Maschinensteuerung MS wird durch die Nutzung eines
programmierten Funktionsmoduls 12 in einer dem Aggregat
zugeordneten Aggregatsteuereinheit erzielt, indem das Funktionsmodul
die lokale Überwachung
der am Aggregat befindlichen Sicherheitsschalter 13, die
Steuerung des Anzeigeelementes 16 und ggf. der Verriegelungseinrichtung 14 übernimmt.
-
Am
Funktionsmodul 12 sind Schalteingänge für die Sicherheitsschalter 13,
Spannungseingänge für die Zwischenkreisspannung,
Steuerausgänge
für das
Anzeigeelement 16 und die Aktoren 14.A der Steckverbindung 6.S vorhanden.
Wenn ein Sicherheitsschalter 13 geöffnet wird, sendet die den
Sicherheitsschalter 13 überwachende
Aggregatsteuereinheit Öffnungssignale
an die zentrale Maschinensteuerung MS, die die Entladung des Zwischenkreises auslöst.
-
Ist
der Gleichspannungs-Leistungsbus 3 entladen, wird dies
vom zugeordneten Funktionsmodul 12 über dessen Spannungseingang
erkannt und daraufhin werden die Aktoren 14.A zur Entriegelung
der Sicherungsbügel 15 aktiviert
(falls eine zusätzliche Verriegelungseinrichtung 14 vorhanden
ist) und das Anzeigeelement 16 erhält das Steuersignal zur Umschaltung
von einer roten LED auf eine grüne
LED, um dem Personal die Entladung des Zwischenkreises und das gefahrlose Öffnen des
Verbindungselementes 6 zu signalisieren.
-
- 1
- Drehstromnetz
- 2
- zentrale
Einspeiseeinheit
- 3
- Gleichspannungs-Leistungsbus
- 4
- dezentraler
Wechselrichter
- 5
- Antriebsmotor
- 6
- Verbindungselement
im Zwischenkreis
- 6.S
- Steckverbindung
- 7
- -
- 8
- Chopper
- 9
- Bremswiderstand
- 10
- Wechselrichter
für Leistungsrückspeisung
in das Drehstromnetz
- 11
- Steuerleitung
- 11.B
- Busleitung
- 12
- Funktionsmodul
in einer Aggregatsteuereinheit
- 13
- Sicherheitsschalter
- 14
- Verriegelungseinrichtung
- 14.A
- Aktor
- 15
- Sicherungsmittel,
Sicherungsbügel
an einer Steckverbindung
- 16
- Anzeigeelement
- MS
- Maschinensteuerung