DE102007045433A1

DE102007045433A1 - Energiemanagement für den Antrieb von Baugruppen für Bearbeitungs- und/oder Transportvorgänge an Maschinen und Anlagen

Info

Publication number: DE102007045433A1
Application number: DE200710045433
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.-Ing. Klärner
Original assignee: Sibea Ingenieurbetr fur GmbH; Sibea Ingenieurbetrieb fur Elektroautomation GmbH
Current assignee: Sibea Ingenieurbetr fur GmbH; Sibea Ingenieurbetrieb fur Elektroautomation GmbH
Priority date: 2007-09-22
Filing date: 2007-09-22
Publication date: 2009-04-09
Also published as: WO2009036755A2; WO2009036755A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiemanagement für den Antrieb von Baugruppen für Bearbeitungs- und/oder Transportvorgänge an Maschinen und Anlagen. Es wird die Aufgabe gelöst, ein Antriebskonzept zu entwickeln, mit dem für Anwendungen mit großen Trägheitsmassen im Reversierbetrieb ein hoher Wirkungsgrad des Gesamtsystems erreicht wird. Hierbei soll eine Umwandlung von Bremsenergie in Wärmeenergie vermieden, eine hohe Zwischenkreisspannung für die optimale Auslastung der Motoren (Spannungsgrenzkennlinie) erreicht und das Netz lediglich mit der tatsächlich benötigten Wirkleistung belastet werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die Zwischenkreisspannung (UDC) durch eine geregelte Zwischenkreisaufbereitung derart erzeugt und aufbereitet wird, dass die Zwischenkreisspannung (UDC) einen vorab definierbaren Wert (UDCmin) nicht unterschreitet, dass eine Einrichtung (1) vorgesehen ist, mit der bei einer Entnahme von Energie aus dem Zwischenkreis Energie aus dem speisenden Netz derart nachgeliefert wird, dass die Zwischenkreisspannung (UDC) auf einem konstanten Wert (UDCmin) gehalten wird und dass die Netzrückspeisefähigkeit bei einer Zwischenkreisspannung UDCmin < UDC < UDCmax ausgeschaltet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine technische Lösung zum Energiemanagement für den Antrieb von Baugruppen für Bearbeitungs- und/oder Transportvorgänge an Maschinen und Anlagen, insbesondere für dynamische Bewegungsabläufe an Werkzeugmaschinen, Biegemaschinen oder Pressen, bei denen Baugruppen mit großen Trägheitsmassen im Reversierbetrieb mittels elektromotorischer Antriebe zu bewegen sind, wobei jeweils mehrere separate Antriebe von einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis gespeist werden können.
Für zahlreiche technische Anwendungen werden Bewegungsabläufe von Baugruppen, mit denen allgemein Arbeits-, Transport-, Förder- oder dergleichen Vorgänge an Maschinen und Anlagen durchführbar sind, mit elektromotorischen Antrieben realisiert. Dabei ergeben insbesondere dynamische Bewegungsabläufe, beispielsweise intermittierende Bewegungen an Werkzeugmaschinen, Biegemaschinen oder Pressensystemen, hohe Anforderungen an das Energiemanagement der jeweils konkreten Antriebsbaugruppen. Ein diesbezüglich typisches Beispiel sind Spindelpressen, bei denen Baugruppen mit großen Trägheitsmassen im Reversierbetrieb zu bewegen sind.
Bei Anwendung von mehreren elektrischen Antrieben werden diese vorzugsweise von einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis gespeist. Eine derartige Anordnung ist gegenüber einer reinen Einzelantriebslösung kostengünstig, weil die Netzeinspeisung und Zwischenkreisaufbereitung nur einmal notwendig sind. Ein weiterer Vorteil ist die erreichbare Energieeffizienz, weil zwischen den einzelnen Antrieben über den Zwischenkreis ein Energieaustausch möglich ist. Die Erzeugung der Zwischenkreisspannung kann durch ungeregelte oder geregelte Netzgleichrichtung erfolgen. Ohne diese an sich bekannten Verfahren umfassend zu erläutern, sollen an dieser Stelle zumindest die Besonderheiten bei Applikationen mit großen reversierenden Trägheitsmassen erläutert werden:
Bei der Ausgestaltung als ungeregelte Zwischenkreisaufbereitung wird die Netzspannung (zum Beispiel 3 × 400 VAC, 50 Hz) mittels einer ungesteuerten Gleichrichterschaltung (zum Beispiel B6-Brückenschaltung), gleichgerichtet. Diese gleichgerichtete Spannung wird je nach Anforderungen mittels Kondensatoren weiter geglättet bzw. gestützt. Bei einer solchen ungeregelten Zwischenkreisaufbereitung ergeben sich relativ stark schwankende Zwischenkreisspannungen bei Energieentnahme bzw. Energierückgewinnung. Weiterhin wirken sich Netzspannungsschwankungen voll auf die Zwischenkreisspannungshöhe aus und es werden nur niedrige Zwischenkreisspannungen von beispielsweise 540 VDC erreicht. Ferner wird das Netz mit stark verzerrten Strömen belastet und die überschüssige Bremsenergie muss mit Bleederwiderständen teilweise in Wärme umgewandelt werden. Somit ergeben sich speziell für Applikationen mit großen reversierenden Trägheitsmassen, beispielsweise für den Hauptantrieb von Servospindelpressen, folgende Probleme:

– die niedrige Zwischenkreisspannung führt zu einer schlechteren Auslastung des Motors (Spannungsgrenzkennlinie)
– die starken DC-Schwankungen ergeben erhöhte Anforderungen an die Regeleigenschaften des Wechselrichters
– es sind sehr große Zwischenkreiskondensatoren erforderlich
– schlechter Wirkungsgrad des Gesamtsystems

Bei einer alternativen Ausgestaltung mittels geregelter Zwischenkreisaufbereitung wird die Netzspannung mit gesteuerten Ventilen (Thyristoren, Transistoren, IGBT's oder ähnlichen Elementen) gleichgerichtet und hochgesetzt. Somit erhält man eine konstante Zwischenkreisspannung von beispielsweise 600 bis 700 VDC. Diese Spannung ist sowohl unabhängig von Last- als auch von Netzspannungsschwankungen. Weiterhin sind derartige Geräte rückspeisefähig und folglich in der Lage, überschüssige Bremsenergie verlustarm ins Netz zurückzuspeisen.
Demzufolge ermöglicht die geregelte Zwischenkreisaufbereitung gegenüber einer ungeregelten Einspeisung einen besseren Wirkungsgrad, da keine Bremsenergie in Wärme umgewandelt wird. Außerdem können kleinere Zwischenkreiskondensatoren eingesetzt werden. Nachteilig ist jedoch, dass das Netz die gesamte Energie aufnehmen muss, die im Reversierbetrieb hin- und herpendelt. Dies erfordert hohe Absicherungen und große Kabelquerschnitte und bewirkt eine hohe Netzbelastung.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Antriebskonzept zu entwickeln, mit dem insbesondere für Anwendungen mit großen Trägheitsmassen im Reversierbetrieb ein hoher Wirkungsgrad des Gesamtsystems erreicht wird. Hierbei soll eine Umwandlung von Bremsenergie in Wärmeenergie vermieden, eine hohe Zwischenkreisspannung für die optimale Auslastung der Motoren (Spannungsgrenzkennlinie) erreicht und das Netz lediglich mit der tatsächlich benötigten Wirkleistung belastet werden.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Zwischenkreisspannung (U_DC) durch eine geregelte Zwischenkreisaufbereitung derart erzeugt und aufbereitet wird, dass die Zwischenkreisspannung (U_DC) einen vorab definierbaren Wert (U_DCmin) nicht unterschreitet; indem eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der bei einer Entnahme von Energie aus dem Zwischenkreis Energie aus dem speisenden Netz derart nachgeliefert wird, dass die Zwischenkreisspannung (U_DC) auf einem konstanten Wert (U_DCmin) gehalten wird und indem die Netzrückspeisefähigkeit bei einer Zwischenkreisspannung U_DCmin < U_DC < U_DCmax ausgeschaltet wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5.
Das erfindungsgemäße Energiemanagement umfasst sowohl verfahrens- als auch gerätetechnische Komponenten. Hierbei wird zur Erzeugung der Zwischenkreisspannung U_DC eine geregelte Zwischenkreisaufbereitung verwendet, wobei gewährleistet ist, dass die Zwischenkreisspannung U_DC einen definierbaren Wert U_DCmin nicht unterschreitet. Bei Energierückführung (Abbremsvorgang) wird diese in den Zwischenkreis gespeist. Dabei erhöht sich die Zwischenkreisspannung auf U_DC > U_DCmin. Sofern Energie aus dem Zwischenkreis entnommen wird (Beschleunigungsvorgang), führt dies zunächst zu einer Verringerung der Zwischenkreisspannung bis auf U_DCmin, ohne dass dabei Energie aus dem Netz entnommen wird. Erst bei weiterer Energieentnahme wird durch die Einrichtung Energie aus dem speisenden Netz nachgeliefert und dabei die Zwischenkreisspannung U_DC auf den konstanten Wert U_DCmin geregelt.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Rückspeisefähigkeit der Einrichtung ausgeschaltet wird bzw. aus Sicherheitsgründen erst ab einer Spannung U_DCmax wieder aktiviert wird. Diese Wiederaktivierung dient lediglich dazu, dass bei einem Fehler der Anlage keine unzulässig hohen Spannungswerte im Zwischenkreis zu einer Gerätezerstörung führen. Im Einspeisemodus findet eine aktive Spannungsregelung auf U_DCmin statt. Da die Netzrückspeisung im Normalfall deaktiviert ist, führt dies bei Bremsvorgängen zu einer Erhöhung der Zwischenkreisspannung auf U_DC > U_DCmin, wobei die Erhöhung von der Größe der rückgeführten Bremsenergie und von der Größe der Zwischenkreiskapazität abhängig ist.
Die rückgeführte Bremsenergie ist bekannt bzw. lässt sich unter "worst-case"-Bedingung berechnen. Somit kann bei einer definierten, maximal zulässigen Zwischenkreisspannung U_DCmin die Mindestgröße der Zwischenkreiskapazität berechnet werden.
Nach der erfolgten Spannungsüberhöhung wird beim nächsten Beschleunigungsvorgang die Energie zunächst aus dem Zwischenkreis entnommen, ohne dabei das Netz zu belasten. Dabei sinkt die Zwischenkreisspannung U_DC wieder ab. Sobald die Zwischenkreisspannung U_DC den definierten bzw. eingestellten Wert U_DCmin erreicht, wird die Spannungsregelung wieder aktiv und es wird Energie aus dem Netz nachgeliefert. Durch diese Arbeitsweise ist gewährleistet, dass nur die wirklich in der Maschine umgesetzte Energie vom Netz nachgeliefert werden muss. Der gesamte sonstige Energieaustausch findet ausschließlich im Zwischenkreis statt.
Neben der niedrigen Netzbelastung ergibt sich eine hohe Zwischenkreisspannung als weiterer Vorteil. Die mittlere Zwischenkreisspannung ist dabei deutlich höher als die minimale Zwischenkreisspannung, so dass sich eine noch bessere Auslastung des Motors gegenüber einer ausschließlich geregelten Zwischenkreisversorgung ergibt.
Mit dem vorgeschlagenen Energiemanagement wird ein Antriebskonzept realisiert, das insbesondere für Anwendungen an Werkzeugmaschinen, Biegemaschinen, Pressen und ähnlichen Anlagen geeignet ist, bei denen dynamische Bewegungsabläufe für große Trägheitsmassen im Reversierbetrieb notwendig sind. Eine diesbezüglich bevorzugte Anwendung sind beispielsweise Spindelpressen. Hierbei wird ein hoher Wirkungsgrad des Gesamtsystems erzielt. Es entfällt die bei anderen Konzepten notwendige Umwandlung von Bremsenergie in Wärmeenergie. Durch die Verwendung geeigneter Netzfilter und einer Blindleistungskompensation kann als weiterer Vorteil gegenüber den bisher üblichen Varianten erreicht werden, dass das Netz nur mit annähernd unverzerrten Strömen bei einem hohen cos(phi)-Faktor belastet wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 als Schaltbild den grundsätzlichen Aufbau einer Anordnung mit mehreren elektromotorischen Antrieben, die von einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis gespeist werden
2 ein Diagramm mit dem Verlauf der Zwischenkreisspannung über der virtuellen Winkellage
Aus 1 ist der grundsätzliche Aufbau einer Anordnung mit mehreren elektrischen, jeweils aus einem Wechselrichter 2 und einem Elektromotor 3 bestehenden Antrieben für den Antrieb von hier nicht näher dargestellten Baugruppen für Bearbeitungs- und/oder Transportvorgänge an Maschinen und Anlagen ersichtlich. Dabei werden von einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis mehrere Antriebe gespeist. Ein solcher Aufbau ist an sich bekannt, so dass auf eine nähere Erläuterung verzichtet werden kann.
Im vorliegenden Sachverhalt ist jedoch wesentlich, dass die Rückspeisefähigkeit der Einrichtung 1 ausgeschaltet werden kann. Sofern diese technische Lösung beispielhaft an einer Servospindelpresse eingesetzt wird, beträgt die netzseitige Spitzenleistung bei einer „normalen", d. h., bei einer konventionell geregelten Zwischenkreisversorgung etwa 250 kW. Für diese hohe motorische und generatorische Netzbelastung muss die konkrete Netzeinspeisung ausgelegt werden. Allerdings werden durch die Technologie und wegen anfallender Verluste tatsächlich nur insgesamt 25 bis 30 kW Wirkleistung benötigt. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Energiemanagements wird es nunmehr möglich, nur diese relativ geringe – tatsächlich benötigte – Leistung dem Netz zu entnehmen. Dabei wird generell keine Energie ins Netz zurückgespeist bzw. in Wärme umgewandelt.
In 2 ist dieser Sachverhalt für U_DCmin = 600 V grafisch dargestellt. Deutlich ist dabei die Grenze der aktiven Regelung mit U_DC = U_DCmin zu erkennen. Nur in dieser Phase wird das Netz belastet. Außerhalb dieser Phase gilt U_DC > U_DCmin und der Energieaustausch findet ausschließlich im Zwischenkreis statt.

Claims

Energiemanagement für den Antrieb von Baugruppen für Bearbeitungs- und/oder Transportvorgänge an Maschinen und Anlagen, insbesondere für dynamische Bewegungsabläufe an Werkzeugmaschinen, Biegemaschinen oder Pressen, bei denen Baugruppen mit großen Trägheitsmassen im Reversierbetrieb mittels elektromotorischer Antriebe zu bewegen sind, wobei jeweils mehrere separate Antriebe von einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis gespeist werden können, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenkreisspannung (U_DC) durch eine geregelte Zwischenkreisaufbereitung derart erzeugt und aufbereitet wird, dass die Zwischenkreisspannung (U_DC) einen vorab definierbaren Wert (U_DCmin) nicht unterschreitet, dass eine Einrichtung (1) vorgesehen ist, mit der bei einer Entnahme von Energie aus dem Zwischenkreis Energie aus dem speisenden Netz derart nachgeliefert wird, dass die Zwischenkreisspannung (U_DC) auf einem konstanten Wert (U_DCmin) gehalten wird und dass die Netzrückspeisefähigkeit bei einer Zwischenkreisspannung U_DCmin < U_DC < U_DCmax ausgeschaltet wird.
Energiemanagement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerätetechnik zur Erzeugung der Zwischenkreisspannung (U_DC) derart parametriert wird, dass eine aktive Spannungsregelung im Einspeisemodus bewirkbar ist.
Energiemanagement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzrückspeisefähigkeit bei einer Zwischenkreisspannung U_DC > U_DCmax aktiviert wird.
Energiemanagement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung (1) zumindest ein Netzfilter zugeordnet wird.
Energiemanagement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung (1) eine Blindleistungskompensation zugeordnet wird.