DE102007026012B4 - Gesteuerter Energieverbrauch von elektrischen Antrieben in Maschinen - Google Patents

Abstract

Vorrichtung (7) zur Steuerung von elektrischen Antrieben (2) in Maschinen (1), wobei eine Steuerungselektronik (8) dazu vorgesehen ist, die von dem wenigstens einen elektrischen Antrieb (2) benötigte elektrische Energie in Abhängigkeit von Bewegungsprofilen des elektrischen Antriebs (2) für einen bestimmten Zeitraum vorauszuberechnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik (8) die für diesen bestimmten Zeitraum benötigte vorausberechnete elektrische Energie mit einer zulässigen Spitzenlastgrenze vergleicht und dass die Steuerungselektronik (8) eine über den Anfangsbedarf des elektrischen Antriebs (2) hinausgehende elektrische Energie aus dem Stromnetz (6) entnimmt und in einem Energiespeicher (9) zwischenlagert, falls die zulässige Spitzenlastgrenze in dem vorausberechneten bestimmten Zeitraum ansonsten überschritten werden sollte.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung von elektrischen Antrieben in Maschinen.
• Produktionsmaschinen mit leistungsfähigen elektrischen Antrieben im Bereich 100 KW und größer belasten das Wechselstromnetz von Energieversorgungsunternehmen nicht unerheblich, wobei insbesondere Maschinen mit stark schwankenden Lasten eine besonders hohe Belastung des Stromnetzes darstellen. Die sich dabei ergebenden Spitzenlasten müssen von der Stromversorgung entsprechend abgefedert werden, d. h. die Stromversorgung der Maschine muss so ausgelegt sein, dass selbst im Falle von Spitzenlasten die Stromversorgung gewährleistet ist. Diese Lastspitzen schlagen sich außerdem im Stromtarif der Energieversorgungsunternehmen nieder, da Spitzenlasten eine entsprechend teure Infrastruktur erforderlich machen, um diese Lastspitzen jederzeit abfangen zu können. Insbesondere Firmen mit einem großen Maschinenpark und entsprechend vielen stark schwankenden Lasten müssen dann einen entsprechend hohen Strompreis bezahlen. Die bei großen Maschinen auftretenden Lastspitzen stellen jedoch nicht nur eine große Belastung für das Stromnetz dar, sondern machen auch eine entsprechende Dimensionierung der Stromversorgung in der Maschine selbst erforderlich, da sämtliche Komponenten wie Leistungselektronik und Zwischenstromkreise auf die wenn auch nur kurzzeitig auftretende Spitzenbelastung hin ausgelegt werden müssen. So weisen z. B. Druckmaschinen eine Mehrzahl von elektrischen Antrieben auf, welche meist über einen Gleichspannungszwischenkreis versorgt werden. Wenn an diesen Gleichspannungszwischenkreis elektrische Antriebe mit hohen Lastspitzen angeschlossen sind, so ergibt sich für den Gleichspannungszwischenkreis eine entsprechend hohe Spitzenbelastung, d. h. der Gleichspannungszwischenkreis muss auf diese hohe Spitzenbelastung hin dimensioniert werden. Dies treibt die Kosten bei der Dimensionierung des Gleichspannungszwischenkreises und die dafür erforderlichen Gleichspannungsversorgung über einen Gleichrichter in die Höhe.
• Das Problem von Lastspitzen ist grundsätzlich bereits seit längerem bekannt, wobei als Abhilfe so genannte Energiemanagementsysteme entwickelt worden sind. Ein solches Energiemanagementsystem ist aus der DE 44 21 914 A1 bekannt. Die in der DE 44 21 914 A1 genannte Lösung ist insbesondere auf Firmenstromnetze anwendbar, welche an das Netz eines Energieversorgungsunternehmens angeschlossen sind. Das Firmenstromnetz versorgt mehrere Maschinen und damit Lasten mit elektrischer Energie, wobei die einzelnen Lasten über einen so genannten „Power Conditioner“ gesteuert werden. Ein solches Gerät wird zum einen dazu eingesetzt, Wirkleistungsspitzen zu vermeiden, indem während Schwachlastzeiten, z. B. nachts zu einem preiswerten Stromtarif, elektrische Energie aus dem Netz des Stromversorgungsunternehmens entnommen und in einen Energiespeicher überführt wird. Als Energiespeicher kann z. B. ein Schwungradspeicher dienen. Falls die Belastung des Firmenstromnetzes eine vorgegebene Grenze des Energieversorgungsunternehmens überschreitet, so wird die benötigte Energie nicht mehr dem Stromnetz des Energieversorgungsunternehmens entnommen, sondern dem Energiespeicher in Form eines Schwungrades. Damit wird eine übermäßige Belastung des Stromnetzes des Energieversorgungsunternehmens durch Wirkleistungsspitzen vermieden. Zur Kompensation von Blindleistungsspitzen ist außerdem eine Kondensatorenbank vorhanden, welche die Blindleistungsspitzen ausgleicht. Die in der DE 44 21 914 A1 vorgeschlagene Lösung ändert jedoch nichts an dem Problem, dass die Stromversorgung der Lasten 1 bis n im Firmenstromnetz weiterhin auf Lastspitzen hin dimensioniert werden muss. Diese Auslegung auf Lastspitzen hin verteuert das Firmenstromnetz und die elektrische Stromversorgung in den Lasten 1 bis n erheblich.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 43 30 537 A1 gehen ein Frequenzumrichter und ein Verfahren zu seinem Betrieb hervor, wobei der Frequenzumrichter aus einer Netzgleichrichtereinheit, einem Gleichspannungszwischenkreis und wenigstens einer Wechselrichtereinheit besteht. Zur Vermeidung länger andauernder Überlast oder extremer Lastspitzen in der Gleichrichtereinheit weist der Frequenzumrichter Mittel auf, die während des Betriebs zu jeder Zeit die Bestimmung der Auslastung, d.h. des Verhältnisses von augenblicklicher zu im Bestimmungszeitpunkt maximal möglicher Leistung der Gleichrichtereinheit, gestatten. Ein der Auslastung der Gleichrichtereinheit entsprechendes Signal wird jeder Wechselrichtereinheit bereitgestellt. Diese stimmt aufgrund dieses Signals die von ihr aus dem Zwischenkreis aufgenommene oder an diesen abgegebene Leistung auf die Auslastung der Gleichrichtereinheit ab. Dabei kann die Wechselrichtereinheit die von ihr aus dem Zwischenkreis aufgenommene bzw. an diesen abgegebene Leistung aufgrund von Betriebssollwerten im Voraus ermitteln. Bei mehreren Wechselrichtereinheiten ist somit der Leistungsbedarf einer gesamten Anlage vor dem tatsächlichen Anfall der Leistung bekannt. Auf diese Art und Weise kann eine Vorsteuerung der Gleichrichtereinheit der gesamten Anlage vorgenommen werden.
• Das Patent US 4 001 666 A beschreibt ein System zur Leistungssteuerung bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wie Großbaggern im Bergbau. Um eine stark schwankende Energieentnahme des Stromnetzes und eine dadurch bedingte negative Rückwirkung auf das Stromnetz zu vermeiden, wird die von dem Bergbaufahrzeug benötigte elektrische Leistung gemessen und über einen bestimmten Zeitraum eine durchschnittliche Energieentnahme berechnet. Im Vergleich zwischen momentan entnommener Leistung und durchschnittlich entnommener Leistung wird ein Differenzsignal erzeugt, welches dazu benutzt wird, eine Hilfsenergieeinheit anzusteuern, welche die Leistungsschwankungen dadurch ausgleicht, dass entweder zusätzlich Energie eingespeist oder aufgenommen wird. Auf diese Art und Weise können starke Lastschwankungen des Fahrzeugs im Bergbau abgemildert und so das Stromnetz stabilisiert werden.
• Aus der Offenlegungsschrift WO 2001 074 699 A1 ist eine Einrichtung und ein Verfahren zur Reduktion der Netzanschlussleistung von Aufzugsanlagen bekannt. Dabei können die Antriebsmotoren mehrerer Aufzüge und deren Frequenzumrichter geregelte Antriebe an einen gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen werden, der von einem einzigen Netzmodul gespeist wird und eine Energiespeichereinheit enthält. Auf diese Art und Weise kann die Energieentnahme der Aufzugsmotoren vergleichmäßigt werden, da nicht alle Aufzugsmotoren zur gleichen Zeit immer die gleiche Leistung abfordern. Die Leistungsaufnahme hängt dabei insbesondere vom aktuellen Betrieb des Aufzugs, insbesondere vom Anfahren, Abbremsen und gleichmäßiger Fahrt ab. Leistungsspitzen können dabei durch eine Energiespeichereinheit im Gleichspannungszwischenkreis abgefedert werden, wobei die Energiespeichereinheit insbesondere während Stillstandszeiten des Aufzugs oder durch Rückspeisung der Antriebsmotoren der Aufzüge geladen wird.
• Die Offenlegungsschrift DE 10 2004 043 129 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung in einem Kraftfahrzeugbordnetz zur Versorgung eines elektrischen Antriebsmotors über einen Wechselrichter, welcher mit einem Ladungsspeicher verbindbar ist. Dabei kann ein Wechselschalter alternativ eine Verbindung zwischen einem Pulswechselrichter und dem Ladungsspeicher sowie einem weiteren Ladungsspeicher herstellen und so den Energiefluss gezielt steuern.
• Aus der Offenlegungsschrift DE 103 56 515 A1 ist ein Antriebssystem mit einer zentralen Einspeisung und mehreren motorseitigen Stromrichtern bekannt, die jeweils gleichspannungsseitig mit einem geregelten Gleichspannung-Ausgang einer zentralen Einspeisung verknüpft sind. Des Weiteren ist eine Rückspeiseeinrichtung vorgesehen, die eingangsseitig mit dem geregelten Ausgang der zentralen Einspeiseeinrichtung verbunden ist und ausgangsseitig mit wenigstens zwei Eingängen eines netzgeführten Stromrichters. Über die Rückspeiseeinrichtung kann die elektrische Energie beim Bremsen in das Stromnetz zurückgespeist werden, so dass auf eine Energie absorbierende Bremsschaltung verzichtet werden kann. Auf diese Art und Weise kann die Bremsenergie in das Netz zurückgespeist werden und wird nicht in einer Bremsschaltung in Wärme umgewandelt.
• Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Steuerung des Energieverbrauchs von elektrischen Antrieben in Maschinen zur Verfügung zu stellen, welche eine Dimensionierung von Stromversorgungseinrichtungen in Maschinen auf einen durchschnittlichen Leistungsbedarf hin erlaubt.
• Erfindungsgemäß wird die vorliegende Aufgabe durch Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und den Zeichnungen zu entnehmen.
• Die vorliegende Erfindung eignet sich vor allem zum Einsatz bei größeren Produktionsmaschinen, welche eine Leistungsaufnahme im Bereich von etwa 100 KW und höher aufweisen, welche für ein 400 Volt Drehstromnetz schon eine hohe Belastung darstellt und an die Kapazitätsgrenze führt. Derartige Maschinen kommen auch in der graphischen Industrie zum Einsatz, wo Bogendruckmaschinen und Falzmaschinen Antriebe in dieser Leistungsklasse aufweisen. Da die in einer Druckerei aufgestellten Maschinen mit der Stromversorgung vor Ort auskommen müssen, ist es für den Betreiber einer Druckmaschine von Interesse, ein möglichst unproblematisches Lastverhalten der aufgestellten Maschinen zu erreichen, da er dann entsprechend wenig zusätzliche Vorkehrungen für sein Druckereistromnetz treffen muss und nicht teuren Spezialtarifen der Energieversorgungsunternehmen unterliegt. Durch die Vermeidung einer überdimensionierten Stromversorgung in einer Druckmaschine selbst können außerdem die Herstellkosten der Maschine entsprechend gesenkt werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung zur Steuerung des Energieverbrauchs von elektrischen Antrieben eine Leistungselektronik auf, die es ermöglicht, die von dem elektrischen Antriebsmotor benötigte elektrische Energie in Abhängigkeit von Bewegungsprofilen des elektrischen Antriebs vorauszuberechnen. Die bei elektrischen Antriebsmotoren auftretenden Lastspitzen stehen in einem engen Zusammenhang mit Betriebsabläufen in der Druckmaschine. So gibt es bestimmte Abläufe in der Druckmaschine, insbesondere bei periodisch arbeitenden Einstellmotoren, die in regelmäßigen Abständen auftreten. Andere elektrische Antriebsmotoren werden nur bei bestimmten Stellvorgängen benötigt, wobei die benötigte elektrische Energie von dem Umfang des Stellvorgangs selbst abhängig ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Leistungselektronik in der Lage, in Abhängigkeit der Bewegungsprofile der elektrischen Antriebe in der Maschine die benötigte elektrische Energie vorauszuberechnen, so dass für einen bestimmten Zeitraum in der Zukunft die benötigte elektrische Energie mit großer Wahrscheinlichkeit bekannt ist. Die für diesen Zeitraum benötigte elektrische Energie wird in der Leistungselektronik mit einer zulässigen Spitzenlastgrenze verglichen. Falls diese Lastgrenze in dem vorausberechneten Zeitintervall überschritten werden sollte, so wird über den Anfangsbedarf des elektrischen Antriebs hinaus eine entsprechend höhere elektrische Energie aus dem Stromnetz entnommen und in einem Energiespeicher zwischengelagert, wobei die so entnommene über dem Anfangsbedarf liegende elektrische Energiemenge jedoch unter der zulässigen Spitzenlastgrenze liegt. Auch eine Entnahme von Energie vor dem Einschalten des Elektromotors ist möglich, auch so kann der Energiespeicher aufgeladen werden und dann Spitzenlasten abfangen. Die gespeicherte elektrische Energie kann dann bei Überschreitung der Spitzenlastgrenze durch den elektrischen Antrieb vom Energiespeicher in der Maschine abgerufen werden, um kurzzeitig auftretende Lastspitzen zu decken.
• Wenn alle oder zumindest alle leistungsintensiven Elektromotoren einer Maschine mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgerüstet sind, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Lage, den elektrischen Energiebedarf einer ganzen Maschine vorauszuberechnen, indem für jeden elektrischen Antrieb die benötigte elektrische Energie für entsprechende Bewegungsprofile vorausberechnet wird und eine übergeordnete Steuerungselektronik den gesamten Energiebedarf aller elektrischen Antriebe in der Maschine berechnet. Dazu kann entweder eine separate Steuerungselektronik vorgesehen sein, oder eine der Leistungselektroniken ist dazu vorgesehen, neben dem Energiebedarf des angeschlossenen Antriebs auch den Energiebedarf aller weiteren Antriebe zu berechnen oder zumindest die Berechnung anderer Leistungselektroniken entgegenzunehmen und für den Gesamtbedarf zu berücksichtigen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bietet den großen Vorteil, dass die gesamte elektrische Energieversorgung der Maschine, welche meist mehrere elektrische Antriebe aufweist, in ihrer Dimensionierung auf den maximalen durchschnittlichen Energiebedarf ausgelegt werden kann, da Lastspitzen nur noch im Antrieb selbst auftreten, aber nicht mehr in der Stromversorgung der Maschine selbst. Dieser maximale durchschnittliche elektrische Energiebedarf stellt dann die maximale Spitzenbelastung des Stromnetzes dar und liegt oft erheblich unter der maximalen Spitzenlast.
• In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Leistungselektronik so ausgestaltet ist, dass sie die über eine bestimmte Zeitspanne vom elektrischen Antrieb geforderte durchschnittliche elektrische Leistung berechnet. Die bestimmte Zeitspanne wird zweckmäßiger Weise so gewählt, dass sie im Einklang mit der Dauer von Bewegungsabläufen des elektrischen Antriebs steht. Weist ein Bewegungsprofil des elektrischen Antriebs eine Bewegung auf, welche sich über eine Zeitspanne T_n erstreckt, so sollte auch das Intervall für die Berechnung der durchschnittlichen elektrischen Energie dieser Zeitspanne T_n entsprechen. Die Leistungselektronik ermittelt so anhand des Bewegungsprofils für die Zeitspanne T_n die insgesamt benötigte elektrische Energie und kann durch die Zeitspanne T_n geteilt die durchschnittlich benötigte elektrische Leistung berechnen. Diese durchschnittlich benötigte elektrische Leistung wird dann während oder auch schon zumindest teilweise vor dem Ablauf des Bewegungsprofils aus der Stromversorgung entnommen und dem elektrischen Antrieb zur Verfügung gestellt, wobei Lastspitzen durch einen entsprechenden Energiespeicher vor dem elektrischen Antrieb abgedeckt werden. Dazu befindet sich zwischen der Spannungsquelle und dem elektrischen Antrieb ein elektrischer Energiespeicher, welcher z. B. ein Kondensator oder eine Kondensatorenbank sein kann. Dieser elektrische Energiespeicher absorbiert die zunächst nicht benötigte entnommene durchschnittliche elektrische Leistung, welche dann bei Lastspitzen beim Abfahren des Bewegungsprofils durch den elektrischen Antrieb wieder abgerufen wird und diese Lastspitzen entsprechend glättet.
• Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass der elektrische Antrieb über einen Umrichter oder Wechselrichter mit elektrischer Energie versorgt wird. Bei Druckmaschinen werden meist elektrische Antriebsmotoren eingesetzt, welche über eine in einem Umrichter oder Wechselrichter gesteuerte Spannung versorgt werden. Damit ist eine sehr exakte und weitgehend stufenlose elektronische Drehzahlregulierung der elektrischen Antriebsmotoren möglich. Der Umrichter wandelt die an seinem Eingang anliegende Gleichspannung in die entsprechend der Motorelektronik gesteuerte Wechselspannung um. Der Einsatz eines Wechselrichters bietet den Vorteil, dass nicht nur ein Stromfluss vom Gleichspannungsnetz zum elektrischen Antrieb möglich ist, sondern z. B. bei generatorischem Bremsen auch eine Rückspeisung vom elektrischen Antrieb in das Gleichspannungsnetz möglich ist. Um das Stromnetz der Maschine so wenig wie möglich zu belasten, ist der Energiespeicher direkt vor dem Umrichter oder Wechselrichter des elektrischen Antriebs positioniert. Dies hat den großen Vorteil, dass die auftretenden Lastspitzen bedingt durch den elektrischen Antrieb nur im Antrieb selbst und im Wechselrichter oder Umrichter auftreten, dass aber das gesamte Stromnetz vor dem Energiespeicher nur mit der maximalen durchschnittlichen elektrischen Leistung des elektrischen Antriebs belastet wird. Durch den so positionierten Energiespeicher werden die auftretenden Lastspitzen örtlich eng begrenzt und erlauben so eine geringere Dimensionierung des übrigen Stromnetzes der Maschine auf die durchschnittlich entnommene elektrische Leistung. Bei Druckmaschinen werden meist mehrere elektrische Antriebsmotoren über einen Gleichspannungszwischenkreis mit elektrischer Energie versorgt. An diesen Gleichspannungszwischenkreis ist dann die Leistungselektronik mit dem Energiespeicher, dem Wechselrichter oder Umrichter und dem elektrischen Antrieb angeschlossen. Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird dieser Gleichspannungszwischenkreis nur noch mit der maximalen durchschnittlichen Leistung der angeschlossenen elektrischen Antriebsmotoren belastet.
• Durch eine übergeordnete Leistungselektronik ist es außerdem möglich, zusätzlich den Leistungsbedarf der elektrischen Antriebsmotoren untereinander zu koordinieren, um die maximal anfallende durchschnittliche elektrische Leistung im Gleichspannungszwischenkreis weiter zu vermindern, indem z. B. die gleichzeitige Inbetriebnahme aller elektrischer Antriebsmotoren am Gleichspannungszwischenkreis vermieden wird. Dazu können die Leistungselektroniken der Motoren untereinander entweder direkt oder über einen Rechner z.B. der Maschinensteuerung miteinander kommunizieren und ihre Leistungsberechnungen austauschen, um den Energiebedarf untereinander abstimmen zu können. Elektroantriebe mit einer niederen Priorität werden dann gar nicht erst eingeschaltet, wenn die maximale Spitzenleistung im Gleichspannungszwischenkreis erreicht ist. Außerdem kann auch die Leistungsaufnahme einzelner Antriebe begrenzt werden, um den Gesamtbedarf zu reduzieren. Der Gleichspannungszwischenkreis wiederum ist über einen Gleichrichter an ein Wechselspannungsnetz anschließbar. Dieser Netzanschluss stellt bei Druckmaschinen der Anschluss der Maschine an das 400 Volt Drehstromnetz dar. Durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird dem 400 Volt Drehstromnetz eine relativ gleichmäßige elektrische Leistung entnommen, welche insbesondere keine Lastspitzen aufweist, welche über der maximalen durchschnittlichen Leistung liegen.
• Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass Sensoren zur Erfassung des Motorstroms und/oder der Motorspannung vorgesehen sind, welche den Motorstrom und/oder die Motorspannung der Leistungselektronik zur Berechnung des elektrischen Energiebedarfs des Motors zuführen. Auf diese Art und Weise kann die Leistungselektronik auch Ist-Werte des Motorstroms und Ist-Werte der Motorspannung berücksichtigen und gegebenenfalls auftretende Abweichungen zu den vorausberechneten Soll-Werten von Motorstrom und Motorspannung ausregeln. Damit wird verhindert, dass Motorstrom und Motorspannung Werte annehmen, welche zu einer Erhöhung der durchschnittlichen elektrischen Leistung über die vorgegebene Leistungsgrenze hinaus führen würden. Dies ist insoweit wichtig, als dass die elektrische Leistungsaufnahme von Antriebsmotoren selbst bei identischen Bewegungsprofilen nicht über die Lebensdauer hinweg konstant ist. So kann ein Motor aufgrund von Abnutzungserscheinungen mit der Zeit leichtgängiger oder schwergängiger werden, was die Leistungsaufnahme entsprechend erhöht oder erniedrigt. Auch kann eine Blockade von beweglichen Bauteilen vorliegen, wodurch sich ebenfalls die Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebs zumindest kurzzeitig erhöht. Dies alles kann durch die Erfassung von Motorstrom und Motorspannung durch die Leistungselektronik erfasst und entsprechend berücksichtigt werden. Die Leistungselektronik kann auf diese Art und Weise den elektrischen Antrieb auch gegebenenfalls abschalten oder in seiner Leistungsaufnahme reduzieren, falls eine Kompensation bei erhöhter Leistungsaufnahme durch den vorhandenen Energiespeicher nicht mehr möglich ist. Auch dadurch kann die Überschreitung der maximalen durchschnittlichen Leistungsaufnahme durch den elektrischen Antrieb vermieden werden.
• Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die Leistungselektronik einen elektronischen Speicher zur Hinterlegung von Bewegungsprofilen des elektrischen Antriebs aufweist. Je nach Aufgabe des elektrischen Antriebs in einer Druckmaschine weist dieser typische Bewegungsprofile auf. Insbesondere im Anleger einer Druckmaschine arbeiten die elektrischen Antriebe in periodischen Abständen, wobei die Leistungsaufnahme innerhalb der Periode stark schwankt, was aber in Kenntnis des Bewegungsprofils entsprechend seitens der Leistungselektronik berücksichtigt werden kann. Das periodische Bewegungsprofil am Anleger wird gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Speicherbaustein der Leistungselektronik abgelegt. Sobald die Druckmaschine in Betrieb geht, kann dann die Leistungselektronik anhand der vom Bedienpersonal gewählten Maschinengeschwindigkeit und dem hinterlegten Bewegungsprofil die benötigte durchschnittliche elektrische Leistung der Anlegerantriebsmotoren berechnen und den Energiespeicher entsprechend aufladen. Die beim Betrieb des Anlegers auftretenden periodischen Lastspitzen werden dann durch den Energiespeicher aufgefangen und führen nicht zu einer Belastung des Gleichspannungszwischenkreises der Druckmaschine. Die Erfindung eignet sich daher insbesondere dazu, bei periodischen Bewegungsprofilen eines elektrischen Antriebs Spitzenlasten zu vergleichmäßigen und die maximal entnommene Spitzenleistung auf die Durchschnittsleistung während einer Periode zu begrenzen.
• Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand mehrerer Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
• 1 einen Gleichspannungszwischenkreis einer Druckmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Stromversorgung eines elektrischen Antriebs,
• 1a den Stromverlauf im Gleichspannungszwischenkreis,
• 1b den Stromverlauf am Umrichter des elektrischen Antriebs,
• 2 den Ablauf der Berechnung der durchschnittlichen elektrischen Leistung,
• 3a einen erfindungsgemäßen Schaltkreis zur Konstantleistungsaufnahme bei rein motorischem Bewegungsprofil des Antriebsmotors,
• 3b einen erfindungsgemäßen Schaltkreis zur Konstantleistungsaufnahme bei rein generatorischem Bewegungsprofil des Antriebsmotors und
• 3c einen erfindungsgemäßen Schaltkreis zur Konstantleistungsaufnahme für ein generatorisches und motorisches Bewegungsprofil des Antriebsmotors.
• Die Druckmaschine 1 in 1 verfügt über mehrere elektrische Stromverbraucher 3, von denen einer als Elektromotor 2 näher dargestellt ist. Auch die weiteren Gleichstromverbraucher 3 können Elektromotoren sein. Die Gleichstromverbraucher 3 und der Elektromotor 2 sind an einen Gleichspannungszwischenkreis 12 der Druckmaschine 1 angeschlossen. Dieser Gleichspannungszwischenkreis 12 stellt die höchste Spannungsversorgungsebene der Druckmaschine 1 dar. Über einen Gleichrichter 5 ist die Druckmaschine 1 an ein 400 Volt Drehstromnetz 6 angeschlossen. Der Gleichrichter 5 sorgt für eine möglichst konstante Zwischenkreisspannung U_ZWK im Gleichspannungszwischenkreis 12. Der Elektromotor 2 in 1 ist ein elektronisch geregelter Antrieb, wobei die Stromversorgung des Elektromotors 2 über einen Wechselrichter 4 für 4-Quadrantenbetrieb erfolgt. Mittels des Wechselrichters 4 kann die Drehzahl des Elektromotors 2 und das Drehmoment stufenlos eingestellt werden. Die eigentliche Erfindung steckt im Energiemanagementsystem 7, welches dem Wechselrichter 4 des Elektromotors 2 vorgeschaltet ist. Dieses Energiemanagementsystem 7 verbindet den Wechselrichter 4 mit dem Gleichspannungs-zwischenkreis 12 und sorgt dafür, dass dem Gleichspannungszwischenkreis 12 nur eine maximal zulässige elektrische Leistung durch den Elektromotor 2 entnommen wird. Dazu weist das Energiemanagementsystem 7 eine Steuerungselektronik 8 auf, welche aus einer Leistungselektronik und einem Rechner besteht, welcher den Leistungsbedarf des Elektromotors 2 vorausberechnet. Des Weiteren weist das Energiemanagementsystem 7 einen Energiespeicher 9 auf, der aus einem oder mehreren Kondensatoren besteht. Dieser Energiespeicher 9 ist dazu vorgesehen, Leistungsspitzen des Elektromotors 2 abzufangen. In der Steuerungselektronik 8 sind weiterhin Bewegungsprofile des Elektromotors 2 abgelegt, welcher z. B. zum Antrieb einer Balkenanlage oder einer Bogenbremse in einer Druckmaschine 1 dienen kann. Sowohl Balkenanlage als auch Bogenbremse bedingen ein periodisch stark schwankendes Bewegungsprofil. Des Weiteren sind in 1 Sensoren 13 vorhanden, welche die Motorspannung U_PWR und den Motorstrom I_PWR am Wechselrichter 4 erfassen und an die Steuerungselektronik 8 übermitteln. Somit kann die Steuerungselektronik 8 die Ist-Werte I_PWR des Motorstroms und U_PWR der Motorspannung berücksichtigen und gegebenenfalls eine Soll-Ist-Wert-Regelung durchführen. Die in 1 nicht näher bezeichneten Gleichstromverbraucher 3 können generell genauso aufgebaut sein wie der Elektromotor 2 samt vorgeschaltetem Wechselrichter 4 und Energiemanagementsystem 7. Dies führt dazu, dass auch diese Gleichstromverbraucher 3 einen maximal zulässigen Eingangsgleichstrom I_Eist aus dem Gleichspannungszwischenkreis 12 entnehmen und damit eine maximal zulässige durchschnittliche Leistung nicht überschreiten. Der große Vorteil der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass der Gleichspannungszwischenkreis 12 nur auf die maximal zulässige durchschnittliche Leistung ausgelegt werden muss und nicht auf Leistungsspitzen. Die Leistungsspitzen können nur noch örtlich begrenzt unmittelbar am Elektromotor 2 auftreten, da sie durch das Energiemanagement 7 bestehend aus Steuerungselektronik 8 und Energiespeicher 9 entsprechend abgefangen werden. Diese verminderte Dimensionierung des Gleichspannungszwischenkreises 12 hat wiederum zur Folge, dass auch der Gleichrichter 5 kleiner dimensioniert werden kann, da er ebenfalls keine stark schwankenden Spitzenlasten verkraften muss, sondern nur eine maximal zulässige durchschnittliche Leistung abgeben muss. Als weitere Folge wird entsprechend auch das 400 Volt Drehstromnetz 6 nicht mit stark schwankender Leistung und insbesondere nicht mit hohen Spitzenlasten beaufschlagt.
• 1a zeigt exemplarisch den berechneten Eingangsstrom I_E, welcher dem tatsächlichen Eingangsstrom I_Eist in 1 entspricht. Es ist zu erkennen, daß I_E und I_Eist im idealen Fall über ein bestimmtes Zeitintervall T_n konstant bleiben, so daß im Zeitintervall T_n keine Lastschwankungen im Gleichspannungszwischenkreis 12 bedingt durch den Elektromotor 2 auftreten. Im Gegensatz dazu zeigt 1b den Motorstrom I_PWR am Wechselrichter 4, welcher entsprechend dem Bewegungsprofil des Elektromotors 2 starke Schwankungen aufweist. Der Stromverlauf in 1b zeigt dabei einen Betrieb, welcher sowohl generatorisch als auch motorisch stattfindet. Durch das Energiemanagementsystem 7 wird jedoch erreicht, dass zunächst über eine bestimmte Periode T_n die benötigte elektrische Energie berechnet wird und daraus geteilt durch die Periodendauer T_n die durchschnittlich benötigte elektrische Leistung und damit der durchschnittlich benötigte Eingangsstrom I_E berechnet wird. Dieser ist dann über die Periodendauer T_n gesehen konstant und entspricht dem gemittelten stark schwankenden Motorstrom I_PWR.
• 2 zeigt den Ablauf zur Berechnung der durchschnittlich benötigten elektrischen Leistung P_AV des Elektromotors 2. Der Steuerungselektronik 8 werden dazu aus dem abgespeicherten Bewegungsprofil die Periodendauer T_n einer sich wiederholenden Bewegung und das dabei auftretende Profil zugeführt, sowie als Istwerte Motorspannung U_PWR und Motorstrom I_PWR, welche am Wechselrichter 4 abgegriffen werden. Aus diesen Daten berechnet die Steuerungselektronik 8 die für die vorgegebene Periodendauer T_n benötigte durchschnittliche elektrische Leistung P_AV durch Integration über die gegebene Periodendauer T_n. In einem Modul 11 der Steuerungselektronik 8 zur Stromberechnung wird aus der so berechneten benötigten durchschnittlichen Leistung P_AV und der Zwischenkreisspannung U_ZWK des Gleichspannungszwischenkreises 12 der Sollmotorstrom I_Esoll berechnet. Dieser Soll-Wert I_Esoll wird in einem Stromregler 10 mit dem Ist-Wert des Eingangsstroms des Energiemanagementsystems 7 I_Eist verglichen, wobei auftretende Abweichungen I_Ediff als Differenzstrom ausgeregelt werden. Der Wechselrichter 4 bekommt auf diese Art und Weise dann die berechnete durchschnittliche elektrische Leistung P_AV zur Verfügung gestellt, wobei die zunächst nicht benötigte elektrische Energie im Energiespeicher 9 zwischengespeichert wird und dem Wechselrichter 4 bei Lastspitzen dann zur Verfügung steht. Auf diese Art und Weise werden Leistungsspitzen durch das Energiemanagementsystem 7 abgeblockt und nicht an den Gleichspannungszwischenkreis 12 weitergeleitet.
• Der Energiespeicher 9 wird nach folgender Maßgabe konstruiert. Ausgehend vom zulässigen Eingangsspannungsbereich U_PWR des Wechselrichters 4 muß der Energiespeicher 9 vor oder am Anfang des Betriebs des Motors 2 vom Energiemanagement 7 auf die maximal zulässige Spannung aufgeladen werden. Der Energiespeicher 9 ist so zu dimensionieren, dass nach Abklingen periodischer Leistungsspitzen die Spannung am Energiespeicher 9 nicht die Unterspannungsgrenze des Wechselrichters 4 unterschreitet. Während Entlastungsphasen oder Rückspeisephasen wie z. B. beim Abbremsen des Elektromotors 2 wird der Energiespeicher 9 durch das Energiemanagementsystem 7 mit konstanter Leistung aufgeladen. Dieser Nachladestrom sollte möglichst optimal auf die periodisch auftretenden Leistungsspitzen des Antriebsmotors 2 ausgelegt sein, so daß beim Erreichen der maximalen Ladespannung im Energiespeicher 9 der nächste Beschleunigungsvorgang des Elektromotors 2 erfolgt.
• 3a zeigt eine Steuerungselektronik 8 in Verbindung mit einem Energiespeicher 9, welche dazu ausgelegt ist, motorisch auftretende Leistungsspitzen eines Elektromotors 2 auszugleichen. Mit der Schaltung gemäß 3a ist jedoch die Rückspeisung nicht möglich, so daß ausschließlich Leistungsspitzen im motorischen Betrieb ausgeglichen werden können. In diesem Fall ist an den Energiespeicher 9 ein Wechselrichter 4 angeschlossen, welcher ausschließlich motorischen Betrieb erlaubt. Im Gegensatz dazu erlaubt die Schaltung gemäß 3b ausschließlich den generatorischen Betrieb eines angeschlossenen Elektromotors 2, welcher z. B. ständig als Bremsantrieb in einer Druckmaschine 1 arbeitet. Die Steuerungselektronik 8 dient dazu, eine möglichst gleichmäßige durchschnittliche elektrische Leistung vom Elektromotor 2 über den Energiespeicher 9 in den Gleichspannungszwischenkreis 12 zurückzuspeisen. Die Steuerungselektronik 8 sorgt dabei im Verbund mit dem Energiespeicher 9 dafür, dass auch bei der Rückspeisung keine Einspeisungsspitzen in den Gleichspannungszwischenkreis 12 auftreten. 3c zeigt eine Steuerungselektronik 8 wie sie in Verbindung mit einem Wechselrichter 4 in 1 eingesetzt wird. In diesem Fall ist sowohl generatorischer als auch motorischer Betrieb des Elektromotors 2 möglich, wobei die Steuerungselektronik 8 in Verbindung mit dem Energiespeicher 9 sicherstellt, dass dem Gleichspannungszwischenkreis 12 nur eine maximale zulässige elektrische Leistung entnommen wird und auch nur eine maximale zulässige elektrische Leistung eingespeist wird. Die Ausführungsformen gemäß der 3a, 3b, 3c werden passend zum jeweiligen Anwendungsfall eingesetzt. Elektromotoren 2, welche im Vierquadrantenbetrieb arbeiten, werden über eine Schaltung gemäß der 3c gespeist, während jeweils nur motorisch oder generatorisch arbeitende Elektromotoren 2 mit einer Schaltung gemäß der 3a bzw. 3b gekoppelt sind. Allen drei Schaltungen ist jedoch gemeinsam, dass der Gleichspannungszwischenkreis 12 nur mit der maximal zulässigen durchschnittlichen elektrischen Leistung belastet wird, so daß die Dimensionierung des Gleichspannungszwischenkreises 12 entsprechend verkleinert werden kann.
• Bezugszeichenliste

1

Druckmaschine

2

Elektromotor

3

Gleichstromverbraucher

4

Wechselrichter

5

Gleichrichter

6

Netzanschluss

7

Energiemanagementsystem

8

Steuerungselektronik

9

Energiespeicher

10

Stromregler

11

Stromberechnung

12

Gleichspannungszwischenkreis

13

Sensor

IPWR

Motorstrom

UPWR

Motorspannung

IEist

Eingangsgleichstrom

UZWK

Zwischenkreisspannung

IE

berechneter Eingangsstrom

IEdiff

Differenzstrom

IEsoll

Sollmotorstrom

PAV

benötigte Leistung

Tn

Periodendauer

Claims (15)

1. Vorrichtung (7) zur Steuerung von elektrischen Antrieben (2) in Maschinen (1), wobei eine Steuerungselektronik (8) dazu vorgesehen ist, die von dem wenigstens einen elektrischen Antrieb (2) benötigte elektrische Energie in Abhängigkeit von Bewegungsprofilen des elektrischen Antriebs (2) für einen bestimmten Zeitraum vorauszuberechnen, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik (8) die für diesen bestimmten Zeitraum benötigte vorausberechnete elektrische Energie mit einer zulässigen Spitzenlastgrenze vergleicht und dass die Steuerungselektronik (8) eine über den Anfangsbedarf des elektrischen Antriebs (2) hinausgehende elektrische Energie aus dem Stromnetz (6) entnimmt und in einem Energiespeicher (9) zwischenlagert, falls die zulässige Spitzenlastgrenze in dem vorausberechneten bestimmten Zeitraum ansonsten überschritten werden sollte.
2. Vorrichtung (7) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik (8) so ausgestaltet ist, daß sie die über eine bestimmte Zeitspanne (T_n) vom elektrischen Antrieb (2) geforderte durchschnittliche elektrische Leistung berechnet.
3. Vorrichtung (7) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik (8) so ausgestaltet ist, daß sie den arithmetischen Mittelwert des Leistungsbedarfs des elektrischen Antriebs (2) in abhängig eines periodisch zu verfahrenden Bewegungsprofils berechnet.
4. Vorrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Spannungsquelle (6) und dem wenigstens einen elektrischen Antrieb (2) ein elektrischer Energiespeicher (9) befindet und die Steuerungselektronik (8) in Verbindung mit dem elektrischen Energiespeicher (9) dazu vorgesehen ist, zumindest für einen Zeitraum (T_n) eine weitgehend konstante elektrische Leistung (P_AV) einer vorgeschalteten Stromversorgung (6, 12) zu entnehmen, obwohl der elektrische Antrieb (2) in dem Zeitraum (T_n) keine konstante Leistungsaufnahme aufweist.
5. Vorrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der elektrische Antrieb (2) über einen Umrichter oder Wechselrichter (4) mit elektrischer Energie versorgt wird.
6. Vorrichtung (7) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter oder Wechselrichter (4) zwischen dem Energiespeicher (9) und dem elektrischen Antrieb (2) angeschlossen ist.
7. Vorrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik (8) an einen Gleichspannungszwischenkreis (12) angeschlossen ist.
8. Vorrichtung (7) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungszwischenkreis (12) über einen Gleichrichter (5) an ein Wechselspannungsnetz (6) anschließbar ist.
9. Vorrichtung (7) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gleichspannungszwischenkreis (12) wenigstens ein Gleichstromverbraucher (3) angeschlossen ist.
10. Vorrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Sensoren (13) zur Erfassung des Motorstroms (I_PWR) und/oder der Motorspannung (U_PWR) vorgesehen sind, welche den Motorstrom und/oder die Motorspannung der Steuerungselektronik (8) zur Berechnung des elektrischen Energiebedarfs des Motors (2) zuführen.
11. Vorrichtung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Energiefluss von der Steuerungselektronik (8) zum elektrischen Antrieb (2) hin einstellbar ist.
12. Vorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiefluss vom elektrischen Antrieb (2) zur Steuerungselektronik (8) hin einstellbar ist.
13. Vorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Energiefluss von der Steuerungselektronik (8) zum elektrischen Antrieb (2) hin und umgekehrt einstellbar ist.
14. Vorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungselektronik (8) einen elektronischen Speicher zur Hinterlegung von Bewegungsprofilen des elektrischen Antriebs (2) aufweist.
15. Bedruckstoffe verarbeitende Maschine (1) mit einer Vorrichtung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 14.

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