DE102006039574B4

DE102006039574B4 - Webmaschine mit Power-Backup-System

Info

Publication number: DE102006039574B4
Application number: DE102006039574A
Authority: DE
Inventors: Franz-Josef Dipl.-Ing. Bröckers
Original assignee: Emil Jaeger & Co KG GmbH; Emil Jager & Co KG GmbH; Jaeger Emil Co KG GmbH
Current assignee: Emil Jaeger & Co KG GmbH; Emil Jager & Co KG GmbH; Jaeger Emil Co KG GmbH
Priority date: 2006-08-23
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2011-02-24
Anticipated expiration: 2026-08-24
Also published as: ITMI20071520A1; SE0701874L; SE531278C2; DE102006039574A1

Abstract

Webmaschine,
mit wenigstens einem Drehstrom-Servoantrieb für den Eintrag des Schussfadens,
wobei die Stromversorgung des Drehstrom-Servoantriebs über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis erfolgt,
gekennzeichnet durch
einen parallel an den Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) des Servoantriebs angekoppelten, wenigstens einen Kondensator aufweisenden Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie,
wobei der Energiespeicher derart bemessen ist, dass er die Energiemenge aufnehmen kann, die der Servoantrieb für eine Zeitdauer von wenigstens 40 ms in einer Beschleunigungsphase verbraucht,
und wobei dem Energiespeicher eine Ladeschaltung (7) in Form einer elektronischen Schaltung zugeordnet ist, welche zweistufig aufgebaut ist,
mit einem ersten, höheren Ladewiderstand, der im Falle einer vergleichsweise großen Spannungsdifferenz zwischen dem Energiespeicher und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) in den Ladestromfahrt schaltbar ist,
und mit einem zweiten, geringeren Ladewiderstand der im Falle einer vergleichsweise niedrigeren Spannungsdifferenz zwischen dem Energiespeicher und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) in den Ladestrompfad schaltbar ist.

Description

Bei Webmaschinen für technische Gewebe, wie z. B. Filtergewebe, ist es aus der Praxis bekannt, Drehstrom-Servoantriebe für den Schusseintrag zu verwenden. Derartige Antriebe werden auch als „AC-Servoantriebe” bezeichnet. Bei dieser Art des Schusseintrages können ein- oder beidseitig an der Weblade angebrachte hochdynamische Gleichstrom-Servomotoren verwendet werden, die es ermöglichen, über ein Band mit einem Spezialgreifer den Schussfaden in das Webfach einzutragen. Ausgehend von einer Spannungsversorgung aus dem öffentlichen Stromnetz wird mittels eines Gleichrichters eine Gleichspannungsversorgung mit einer geregelten Gleichspannung in Form eines sogenannten Gleichspannungszwischenkreises geschaffen, wobei je nach verwendetem Antrieb eine herstellertypische Höhe der Gleichspannung vorgesehen ist.
Aus der DE 10 2004 034 117 A1 ist eine gattungsgemäße Webmaschine bekannt, bei welcher im Regelbetrieb, das heißt „im laufenden Betrieb”, beim Abbremsen freigesetzte Energie in einen Energiespeicher eingespeist wird. Hierdurch wird eine Stabilisierung der Spannung im Gleichrichter-Zwischenkreis und in Folge eine erhebliche Verringerung der Schwankung der Zwischenkreisspannung erzielt, so dass dementsprechend die Belastung der Gleichrichtereinheit bzw. der Bremswiderstände verringert wird. Letztlich wird eine effektivere Energieausnutzung der Webmaschine in deren laufendem Betrieb erzielt.
Auch aus der DE 100 61 717 B4 ist eine Antriebsanordnung für eine Webmaschine und Fachbildemaschine bekannt, bei welcher die von den Arbeitsmaschinen abgegebene Energie entweder in Verlustwärme umgesetzt wird oder im Rahmen einer so genannten Nutzbremsung beispielsweise auf Kondensatoren zurückgespeist wird. Dies betrifft den Regelbetrieb der Antriebsanordnung mit dem Ziel, die aus dem Versorgungsnetz entnommene Energie sowie die zu installierende Antriebsleistung möglichst klein zu halten.
Der Webprozess bedingt, dass für den Schussfadeneintrag nur eine gewisse Zeit eines Maschinenzyklus zur Verfügung steht, um die weiteren Vorgänge wie Schaftwechsel oder Ladenanschlag zu ermöglichen. Wird der Schussfadeneintrag zum falschen Zeitpunkt während des Maschinenzyklus durchgeführt oder ist er nicht rechtzeitig beendet, droht die Gefahr eines Schadens am Greifersystem und am Produkt, also am hergestellten bzw. noch in der Herstellung befindlichen Gewebe. Im Regelfall werden die AC-Servoantriebe und die zugehörigen Einheiten durch die übergeordnete Maschinensteuerung (SPS) derart überwacht, dass solche Fehler nicht auftreten bzw. zu keinen größeren Schäden führen.
Ein besonderes Risiko bei dieser Art des Schusseintrags stellt allerdings eine Störung oder ein Ausfall der elektrischen Spannungsversorgung dar. Die Motoren werden in den meisten Fällen momentenlos und sind damit unkontrollierbar. In ungünstigen Fällen überschreiten die Antriebe die zur Verfügung stehende Zeit des Schusseintrages. Weiterhin besteht die Gefahr, die Grenzen für die normale Greiferbewegung zu überfahren. Bei beidseitig vorgesehenen Greifern und Fadenübergabe besteht zudem die Gefahr, dass die zwei Greifer in der Mitte, also im Bereich der Fadenübergabe, zusammenstoßen. Durch das unkontrollierte Auslaufen der Antriebe können große Schäden am Produkt und an der Maschine verursacht werden.
Auf Grund der notwendig hohen Dynamik der Servoantriebe ist eine sinnvolle Reaktion nach Eintritt dieser Netzstörung kaum möglich: bis beispielsweise Zusatzbremsen den Greifer abbremsen könnten, ist der Schaden bereits eingetreten. Eine andere denkbare Möglichkeit zur Verhinderung der Probleme ist der Einsatz einer USV (USV = Unterbrechungsfreien Spannungsversorgung). Allerdings ergeben sich sehr hohe Kosten durch die notwendige Auslegung in Anpassung an die Spitzenbelastung, so dass eine unüblich groß dimensionierte USV erforderlich wäre, und durch die vergleichsweise kurzen Wechselintervalle, da eine handelsübliche USV im Regelfall eine Lebensdauer von etwa 2 bis 5 Jahren aufweist. Außer diesem wirtschaftlichen Nachteil wird bei Verwendung einer USV wertvolle Rückspeiseenergie vernichtet, was den Betrieb der Webmaschine zusätzlich wirtschaftlich beeinträchtigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Webmaschine dahingehend zu verbessern, dass zum Zeitpunkt einer Störung in der elektrischen Netzversorgung genügend Antriebsenergie für eine ordnungsgemäße Beendigung des Schussfadeneintrags zur Verfügung steht, und zwar mit möglichst geringen Kosten, langen Wartungsintervallen, und der Möglichkeit der Verwertung von Rückspeiseenergie.
Diese Aufgabe wird durch eine Webmaschine nach Anspruch 1 gelöst, wobei insgesamt drei Maßnahmen vorgesehen sind:
Vorschlagsgemäß ist erstens ein Kondensator zur Speicherung elektrischer Energie vorgesehen, der erhebliche Vorteile im Vergleich zu einer herkömmlichen, mit einem Akkumulator versehenen USV aufweist. Zusätzlich zu dem Energiespeicher sind Schaltungen bzw. eine Steuerelektronik vorgesehen, so dass das vorschlagsgemäße System, welches den Energiespeicher enthält, insgesamt als Power-Backup-System bezeichnet wird und eine Energieversorgungseinheit darstellt, welche den Betrieb der Antriebseinheit auch bei einem Netzstromausfall solange sicherstellt, dass die Antriebseinheit weiter betrieben werden kann, bis sie einen sicheren Zustand einnimmt, in welchem das Produkt und die Bauteile der Antriebseinheit vor Schäden geschützt sind.
Vorschlagsgemäß ist zudem zweitens der Energiespeicher derart bemessen, dass er die Energiemenge aufnehmen kann, die der Servoantrieb für eine Zeitdauer von wenigstens 40 ms verbraucht, und zwar in einer Beschleunigungsphase, während welcher der Servoantrieb seinen maximalen Energieverbrauch aufweist. Insbesondere kann vorteilhaft der Energiespeicher so bemessen sein, dass er die Energiemenge aufnehmen kann, die der Servoantrieb unter derartigen Bedingungen für eine Zeitdauer von 100 ms verbraucht, so dass zuverlässig unter allen denkbaren Bedingungen sichergestellt ist, dass die Antriebseinheit bis in ihren sicheren Zustand „heruntergefahren” werden kann.
Da die Gleichrichtereinheit von sich aus nicht in der Lage ist, direkt sehr hohe Kapazitäten aufzuladen, ist schließlich drittens vorschlagsgemäß eine Ladeschaltung vorgesehen, die bei Einschalten der Einrichtung den Ladestrom auf einen für die Gleichrichtereinheit verträglichen Wert begrenzt. Bei Aufladung einer Kapazität verläuft der Ladestrom exponentiell fallend. Um die Ladezeit abzukürzen, ist daher die Ladeschaltung vorschlagsgemäß zweistufig ausgeführt: Ist bei Einschaltung der Anlage die Spannungsdifferenz zwischen der Kapazität und der Zwischenkreisspannung vergleichsweise groß, wird die erste Stufe der Ladeschaltung mit einem hohen Ladewiderstand R1 wirksam. Bei einer geringeren Spannungsdifferenz, beispielsweise nachdem der Energiespeicher mittels der 1. Stufe der Ladeschaltung geladen wurde, wird die 2. Stufe der Ladeschaltung aktiviert, die den restlichen Ladevorgang durch einen insgesamt geringeren Widerstand beschleunigt. Diese 2. Stufe der Ladeschaltung kann so ausgelegt sein, dass sie für eine einstellbare Zeit wirksam ist, welche empirisch je nach eingesetzter Kapazität ermittelt werden kann.
Bei entsprechender Ausgestaltung einer oder mehrerer der ohnehin in einem Antriebssystem verwendeten Komponenten, wie z. B. Gleich- und Wechselrichter, können dort die entsprechenden Kapazitäten bereitgestellt werden, um einen Energiespeicher zu schaffen, der groß genug bemessen ist, um für jeden Schadensfall eines Netzausfalls über eine ausreichend lange Zeit das Antriebssystem zu versorgen, damit die Motoren die Schussfadenantriebe in einen sicheren Zustand bringen können.
Derartige ohnehin verwendeten Komponenten mit einer dafür ausreichenden Kapazität auszustatten, kann allerdings wirtschaftlich nachteilig sein, z. B. wenn es für derartige Komponenten kaum anderweitige Verwendungsmöglichkeiten gibt und sie vergleichsweise aufwendig in geringen Stückzahlen als Sonderbauteile hergestellt werden müssen. Daher kann vorteilhaft vorgesehen sein, im Rahmen des Power-Backup-Systems einen separaten Energiespeicher in das Antriebssystem einzubringen, so dass ansonsten standardmäßige, als Zukaufteile handelsüblich erhältliche Komponenten für das Antriebssystem verwendet werden können. Dies kann nicht nur wirtschaftlich vorteilhaft sein, sondern auch die Nachrüstung von bestehenden Webmaschinen bzw. von deren Antriebssystemen mit einem vorschlagsgemäßen Energiespeicher ermöglichen.
Zur Erläuterung des vorliegenden Vorschlags werden anhand der rein schematischen Zeichnung Antriebssysteme für den Schussfadeneintrag bei Webmaschinen beschrieben, und zwar mit und ohne die vorschlagsgemäße, als „Power-Backup” bezeichnete Ausgestaltung. Dabei zeigt
1 ein vorschlagsgemäßes AC-Servo Antriebssystem mit Power-Backup, in schematischer Darstellung,
2 das Power-Backup-System von 1, in einer Darstellung als Blockschaltbild, und
3 ein AC-Servo Antriebssystem ohne Power-Backup, in einer Darstellung ähnlich 1.
Zunächst wird anhand von 3 ein herkömmliches System nach dem Stand der Technik, also ohne Power-Backup, näher erläutert:
In diesem System ohne Power-Backup wird eine Gleichrichtereinheit (2) primärseitig aus einem elektrischen Versorgungsnetz (1) gespeist. Sekundärseitig bildet sich) in einem sog. Gleichspannungszwischenkreis (3) eine geregelte Gleichspannung in der Höhe von z. B. 750 V, wobei je nach Ausgestaltung des in der Webmaschine verwendeten Antriebs herstellertypisch die Höhe der Gleichspannung auch von 750 V abweichen kann. Aus diesem Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) werden Wechselrichter (4) der einzelnen Antriebseinheiten gespeist. Diese einzelnen Wechselrichter setzen die Zwischenkreisspannung jeweils wieder in eine dreiphasige Ausgangsspannung für einen jeweils angeschlossenen Servomotor (5) um.
Im Betrieb der Webmaschine werden durch die ständig sich wiederholenden Beschleunigungs- und Bremszyklen der AC-Servo Antriebe für den Schussfadeneintrag sehr hohe Leistungen über die Wechselrichter (4) aus dem Zwischenkreis (3) entnommen, und zur Energie-Rückgewinnung auch wieder in den Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) zurückgespeist. Die Gleichrichtereinheit (2) sorgt auch für eine Rückspeisung nicht benötigter Energie ins Versorgungsnetz (1).
Bei einem Netzspannungsausfall ist die Gleichrichtereinheit (2) nicht mehr in der Lage, Energie zu liefern bzw. zurück zu speisen. In diesem Fall kann nur die im Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) vorhandene Restenergie für die Antriebe genutzt werden. Diese Restenergie reicht für die AC-Servo Antriebe für den Schussfadeneintrag im Beschleunigungsfall nur für ca. 8 ms aus. Danach läuft der jeweilige Motor (5) unkontrolliert weiter.
Für eine ordnungsgemäße Beendigung der Bewegung wird allerdings im ungünstigsten Fall, nämlich während der Beschleunigungsphase, für ca. 50 ms lang Energie benötigt. Tritt der Spannungsausfall dagegen in der Bremsphase der Antriebe auf, wird die Bremsenergie komplett in einem Bremswiderstand, der sich in der Gleichrichtereinheit (2) befindet, in Wärme umgewandelt.
Im Unterschied dazu zeigen die 1 und 2 ein ansonsten im wesentlichen vergleichbares System, welches allerdings ein vorschlagsgemäßes Power-Backup-System aufweist:
Vorschlagsgemäß ist entsprechend 1 vorgesehen, einen Energiespeicher bereitzustellen, der parallel an den Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) angekoppelt wird und Teil eines Power-Backup-Systems (6) ist. Dieser „sehr groß” bemessene Energiespeicher ist gemäß 1 als separater, externer Energiespeicher ausgestaltet und hat eine wesentlich höhere Kapazität als die standardmäßig in der vergleichsweise preisgünstigen, handelsüblichen Gleichrichtereinheit (2) bzw. standardmäßig in den vergleichsweise preisgünstigen, handelsüblichen Wechselrichtern (4) verfügbare interne Kapazität.
Das den Energiespeicher enthaltende Power-Backup System (6) wird anhand von 2 näher erläutert und weist folgende Einheiten auf: eine Ladeschaltung (7), eine Entladeschaltung (10), eine Kapazität (14) und eine Steuerelektronik (16).
a) Ladeschaltung (7):
Die Gleichrichtereinheit (2) ist von sich aus nicht in der Lage, direkt sehr hohe Kapazitäten aufzuladen. Daher ist eine Ladeschaltung (7) vorgesehen, die bei Einschalten der Einrichtung den Ladestrom auf einen für die Gleichrichtereinheit (2) verträglichen Wert begrenzt.
Bei Aufladung einer Kapazität verläuft der Ladestrom exponentiell fallend. Um die Ladezeit abzukürzen, ist daher die Ladeschaltung zweistufig ausgeführt, was aus Gründen der zeichnerischen Vereinfachung in 2 nicht dargestellt ist.
Zunächst wird von der Steuerelektronik (16) ein Schaltelement (13) eingeschaltet. Ist bei Einschaltung der Anlage die Spannung der Kapazität unter ca. 75% der Zwischenkreisspannung, wird die erste Stufe der Ladeschaltung (7) mit einem hohen Ladewiderstand R1 (8) wirksam.
Oberhalb dieser Grenze wird die 2. Stufe der Ladeschaltung (7) aktiviert, die den restlichen Ladevorgang durch einen insgesamt geringeren Widerstand beschleunigt. Diese 2. Stufe der Ladeschaltung (7) ist für eine einstellbare Zeit wirksam, die empirisch je nach eingesetzter Kapazität ermittelt wird.
Nach dieser Zeit wird die gesamte Ladeschaltung (7) überbrückt, wie mittels eines Schalters (9) angedeutet, und die Kapazität (14) ist direkt parallel auf den Zwischenkreis (3) geschaltet.
Damit ist das Power-Backup System (6) betriebsbereit. Mittels der Steuerelektronik (16) des Power-Backup Systems (6) wird ein entsprechendes Freigabesignal an die übergeordnete Anlagensteuerung der Webmaschine gegeben.
Die Größe der Ladewiderstände, z. Bades Widerstandes R1 (8), ist so ausgelegt, dass der maximal mögliche Strom, den die Gleichrichtereinheit (2) zur Verfügung stellen kann, nicht überschritten wird.
b) Entladeschaltung (10):
Um bei Ausschalten der Webmaschine das Power-Backup System (6) sicher zu entladen, trennt die Steuerelektronik (16) mittels des Schaltelementes (13) zunächst die Kapazität (14) vom Zwischenkreis (3).
Dann wird ein Entladewiderstand R2 (12) mittels eines Schaltelementes (11) parallel zu der Kapazität (14) geschaltet. Damit erfolgt die Entladung der Kapazität (14).
Die Dimensionierung des Entladewiderstandes R2 (12) erfolgt derart, dass einerseits der Entladestrom nicht den Widerstand überlastet und andererseits die Entladezeit möglichst kurz ist.
Da die Entladung der Kapazität (14) nicht unkontrolliert erfolgt, wird die zur Entladung verwendete Schaltung auch als aktive Entladeschaltung (10) bezeichnet.
c) Kapazität (14):
Die verwendete Kapazität (14) besteht aus einer Gruppe von einzelnen Kondensatoren, die durch Reihen- und Parallelschaltung zwei Bedingungen erfüllt:
Erstens muss die Gesamtspannung einer Strang-Kapazität C1 (15) durch Reihenschaltung einzelner Kondensatoren höher als die max. mögliche Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises (3) sein.
Zweitens muss Höhe die Gesamtkapazität durch Parallelschaltung mehrerer Strang-Kapazitäten Cx (15) für die Absicherung des gesamten Antriebssystems ausgelegt sein.
d) Steuerelektronik (16):
Die Steuerelektronik (16) sorgt für die Ansteuerung der einzelnen Funktionen auf Grund von Kommandos aus der übergeordneten Anlagensteuerung der Webmaschine.
Weiterhin werden die Ladeschaltung (7) und die Entladeschaltung (10) abhängig von den verschiedenen oben beschriebenen Bedingungen wie Spannung oder Zeit gesteuert. Außerdem gibt die Steuerelektronik (16) auch Zustandsmeldungen an die übergeordnete Anlagensteuerung der Webmaschine.
Damit die Steuerelektronik (16) ihrerseits auch bei Netzspannungsausfall zuverlässig funktioniert, werden die notwendigen Versorgungsspannungen für diese Einheit aus einer an sich bekannten, handelsüblichen USV kleinen Leistung entnommen.
Zusätzlich ist die Steuerelektronik (16) durch Ihre Verschaltung und teilweise Redundanz der Bauteile so ausgelegt, dass auch ein Ausfall der USV ein Zurückfallen in einen sicheren Zustand bewirkt wirkt, nämlich die Trennung der Kapazität (14) vom Gleichspannungs-Zwischenkreis (3).

Claims

Webmaschine, mit wenigstens einem Drehstrom-Servoantrieb für den Eintrag des Schussfadens, wobei die Stromversorgung des Drehstrom-Servoantriebs über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis erfolgt, gekennzeichnet durch einen parallel an den Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) des Servoantriebs angekoppelten, wenigstens einen Kondensator aufweisenden Energiespeicher zur Speicherung elektrischer Energie, wobei der Energiespeicher derart bemessen ist, dass er die Energiemenge aufnehmen kann, die der Servoantrieb für eine Zeitdauer von wenigstens 40 ms in einer Beschleunigungsphase verbraucht, und wobei dem Energiespeicher eine Ladeschaltung (7) in Form einer elektronischen Schaltung zugeordnet ist, welche zweistufig aufgebaut ist, mit einem ersten, höheren Ladewiderstand, der im Falle einer vergleichsweise großen Spannungsdifferenz zwischen dem Energiespeicher und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) in den Ladestromfahrt schaltbar ist, und mit einem zweiten, geringeren Ladewiderstand der im Falle einer vergleichsweise niedrigeren Spannungsdifferenz zwischen dem Energiespeicher und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (3) in den Ladestrompfad schaltbar ist.
Webmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtspannung des Energiespeichers wenigstens so groß ist wie die höchstmögliche Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises (3).
Webmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine aktive Entladeschaltung (10), die in Form einer elektrischen Schaltung dem Energiespeicher zugeordnet ist, und die einen Entladewiderstand (12) aufweist, welcher zur Entladung des Energiespeichers parallel zu diesem schaltbar ist.
Webmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher wenigstens vier Kondensatoren umfasst, von denen jeweils wenigstens zwei zu einem Strang (15) in Reihe hintereinander geschaltet sind, und wobei wenigstens zwei Stränge (15) parallel geschaltet sind.
Webmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine dem Energiespeicher zugeordnete Steuerelektronik (16), welche schaltungstechnisch mit einer Anlagensteuerung der Webmaschine verbunden ist, derart, dass die Steuerelektronik (16) in Abhängigkeit von Signalen der Anlagensteuerung den Energiespeicher sowie ggf. vorhandene, dem Energiespeicher zugeordnete Schaltungen (7, 10) ansteuert, um eine den Energiespeicher enthaltende, als Power-Backup-System (6) bezeichnete Energieversorgungseinheit ein- und auszuschalten.