DE102007052232A1

DE102007052232A1 - Vorrichtung zur Reduzierung des Energiebedarfs von Maschinen

Info

Publication number: DE102007052232A1
Application number: DE200710052232
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Dr.-Ing. Wurst; Stefan Schmitz
Original assignee: FISW STEUERUNGSTECHNIK GmbH
Current assignee: FISW STEUERUNGSTECHNIK GmbH
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2009-04-23

Abstract

Um elektrische Maschinen mit Energie zu versorgen und diese zu regeln, werden Frequenzumrichter eingesetzt. Die Maschinen haben mehrere regelbare Antriebe, die seriell angesteuert werden und jeweils mit einem Frequenzumrichter versehen sind. Dies führt zu großen Dimensionen des Schaltschrankes, zu einem hohen Energieverbrauch und einem steigenden Kostenaufwand.
Damit der Aufwand an Kosten und Energieverbrauch reduziert und die Dimensionen des Schaltschrankes minimiert werden können, ist allen Antrieben ein gemeinsamer Leistungssteller zugeordnet. Die Antriebe werden über ein programmierbares Leistungsverteilungsmodul seriell mit Energie versorgt. Dadurch kann der Aufwand an Kosten und Energieverbrauch verringert und die Dimension des Schaltschrankes minimiert werden.
Die Vorrichtung wird bei Werkzeugmaschinen, Spritzgießmaschinen, Fertigungsstraßen und dergleichen eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung des Energiebedarfs von Maschinen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Um elektrische Maschinen mit Energie zu versorgen und diese zu regeln, werden Frequenzumrichter bis zu einer Leistung von 90 kW bei Einbaugeräten und bis zu 560 kW bei Schaltschränken eingesetzt. Sie können eine Sinusspannung mit variabler Amplitude und Frequenz für den Antrieb erzeugen. Frequenzumrichter können in zwei Teile unterteilt werden, zum einen in den Teil der Netzeinspeiseeinheit und zum anderen in den Teil des lastseitigen Frequenzumrichters. Die Netzeinspeiseeinheit richtet die dreiphasige Eingangsspannung des öffentlichen Netzes gleich und stellt diese über einen sogenannten Zwischenkreis der Lastseite zur Verfügung. Sie kann wiederum in zwei Typen unterteilt werden. Der eine Typ ist nicht rückspeisefähig, das heißt die Energie, die durch einen Bremsvorgang der Maschine entsteht, muss über einen Widerstand in Wärme umgewandelt werden. Der andere Typ ist rückspeisefähig, das heißt die Energie wird wieder in das öffentliche Stromnetz zurückgespeist.
Die Lastseite des Frequenzumrichters kann aus der gleichgerichteten Spannung des Zwischenkreises, die zudem noch durch einen Kondensator geglättet wird, eine sinusförmige Spannung mit der maximalen Amplitude der halben Zwischenkreisspannung und variabler Frequenz erzeugen. Dies geschieht durch sehr schnelles Zerhacken der Zwischenkreisspannung mittels Halbleiterschaltern, üblicherweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor).
Zur Regelung von elektrischen Maschinen durch Frequenzumrichter sind mehrere Verfahren bekannt. Für hochdynamische Vorgänge wird beispielsweise eine Vektorregelung (auch feldorientierte Regelung genannt) eingesetzt. Mit ihr lassen sich Drehzahl und Drehmoment wie bei einer Gleichstrommaschine regeln oder einstellen. Durch den Feldwinkel werden die Gleichstromvorgaben in das dreiphasige Wechselstromsystem mittels einer Transformationsmatrix umgerechnet und über ein Stellglied, in der Regel eine PWM-Einheit (Pulsweitenmodulation-Einheit), an die Halbleiterschalter ausgegeben. Als Regelgrößen werden der Strom, der proportional zum Moment der Maschine ist, die Drehzahl (Geschwindigkeit) oder die Lage (Position) verwendet. Der Stromregler ist meist als PI-Regler ausgeführt, weil er relativ einfach zu parametrieren ist. Diesem überlagert ist in einer kaskadierten Struktur in der Regel der Drehzahlregler, der ebenfalls als PI-Regler ausgeführt ist. Diesem wiederum überlagert ist ein Lage- oder Positionsregler, der oft nur als einfacher P-Regler ausgeführt ist, um eine möglichst ruhige Regelposition (Lage) zu erhalten, was mit einem I-Anteil so nicht möglich ist.
Frequenzumrichter lassen sich auch in Leistungsklassen einteilen. Da die Eingangsspannung bei allen dreiphasigen Frequenzumrichtern immer dieselbe ist, wird als entscheidende Größe der Strom verwendet, der proportional zum Moment des Motors ist. Hier wird wiederum der Nenn- und der Maximalstrom betrachtet. Als weitere Gesichtspunkte sind noch die Schaltfrequenzen und die Verluste der Halbleiterschalter zu nennen. Die maximal benötigten Schaltfrequenzen der Halbleiterschalter hängen von der maximalen Frequenz der geforderten Sinusströme des Motors ab.
Bislang versorgt der Frequenzumrichter auch bei seriell arbeitenden Antrieben immer nur einen Antrieb mit der für ihn benötigten Energie. Dadurch werden bei beispielsweise drei Drehstrommotoren drei Frequenzumrichter für die Energieversorgung benötigt. Da die Komplexität der Bearbeitungssysteme, wie Werkzeugmaschinen, Spritzgießmaschinen, Fertigungsstraßen und dergleichen, immer weiter zunimmt, werden auch immer mehr elektri sche Antriebe mit zugehörigem Frequenzumrichter benötigt. Dies führt zu immer größeren Dimensionen des Schaltschrankes, zu einem immer größeren Energieverbrauch und somit zu einem steigenden Kostenaufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung so auszubilden, dass der Aufwand an Kosten und Energieverbrauch reduziert und die Dimensionen des Schaltschrankes minimiert werden können.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Leistungssteuerungssystems, das den Aufwand an Kosten und Energieverbrauch reduziert und die Dimensionen des Schaltschrankes minimiert. Hierfür wird nur ein einziger Leistungssteller für eine beliebige Anzahl von Antrieben eingesetzt. Diese Antriebe können unterschiedliche Energiebedürfnisse haben und werden über ein zwei-, drei- oder vierphasiges Leistungskabel mit Energie versorgt. Über den gemeinsamen Leistungssteller werden die Antriebe geregelt. Damit jeder Antrieb nur diejenige Energie bekommt, die für ihn bestimmt ist, ist das Leistungsverteilungsmodul vorgesehen. Es wird vom Leistungssteller gesteuert und leitet die Energie nur an den Antrieb weiter, für den die Energie bestimmt ist.
Das Leistungsverteilungsmodul kann an jedem Antrieb vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, dass das Leistungsverteilungsmodul am Leistungssteller vorgesehen ist.
Antriebe, die nicht in Bewegung sind, werden vorteilhaft durch ein dynamisches, elektromechanisch geregeltes Bremssystem exakt an ihrer Position gehalten, auch wenn die Antriebe in diesem Zustand Kräften ausgesetzt sind. Diese nicht in Bewegung befindlichen Antriebe können vom Leistungssteller abgekoppelt werden. Damit werden die Antriebe nicht mittels elektrischer Energie in ihrer Position gehalten, sondern durch das Bremssystem, was durch geeignete Auslegung wesentlich weniger Energie benötigt, als wenn die Antriebe geregelt über einen Leistungssteller an ihrer Position gehalten würden. Vor allem bei Anwendungen, bei denen die Antriebe über einen längeren Zeitraum an einer festen Position verharren, oder bei Anwendungen, bei denen serielle Abläufe stattfinden, kann mit dem Leistungssteuerungssystem Energie, Hardware-Aufwand und somit Kosten gespart werden.
Beim seriellen Ablauf, bei dem immer nur ein Antrieb in Bewegung ist, während sich die anderen Antriebe in einem statischen, möglichst energielosen Zustand befinden, wird für alle Antriebe nur ein einziger Leistungssteller verwendet, um die Antriebe sequentiell mit Energie zu versorgen. Durch Kenntnis des Zeitverhaltens des gesamten Systems ist dies einfach möglich. Vorteilhaft wird durch mehrere Regeleinheiten in einem Regelgesamtsystem des Leistungsstellers jeder Antrieb durch eine auf seinen Prozess angepasste Regelung angesteuert. Es wird immer nur der Antrieb mit dem Leistungssteller verbunden, der gerade aktiviert ist.
Bei der vorteilhaften Verwendung des Bremssystems wird eine hochdynamische, elektromechanische regelbare Bremskraft erzeugt, welche die Antriebe im deaktivierten Zustand – auch bei anliegenden Lastkräften – exakt auf Position hält. Dadurch wird Energie eingespart. Das Bremssystem genügt hohen Anforderungen hinsichtlich der Dynamik und beeinflusst die Gesamtdynamik des Systems nicht.
Vorteilhaft sind alle notwendigen Funktionen innerhalb der Leistungssteuerung und -regelung im Sinne einer dynamischen Wake-up-Funktion, das heißt dynamische Betriebsbereitschaft, gegeben. Dadurch ist sichergestellt, dass die notwendigen Toleranzen und Vorgaben der Genauigkeit an ein zu fertigendes Werkstück erfüllt und nicht durch das System beeinflusst werden.
Das Leistungsverteilungsmodul zur Verteilung der Energie kann am Leistungssteller (Frequenzumrichter) angebracht werden. Dadurch müssen keine Steuerleitungen an die Antriebe herausgeführt werden. Dafür müssen aber Leistungskabel an alle Antriebe verlegt werden.
Es ist aber auch möglich, an jedem Antrieb ein Leistungsverteilungsmodul vorzusehen. Dann ist nur ein zwei-, drei- oder vierphasiges Leistungskabel notwendig. Es müssen aber die Ansteuerleitungen für die Leistungsverteilungsmodule zusätzlich an die Antriebe geführt werden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausbildung kann die Einspeiseeinheit infolge der Energieeinsparung in der Leistungsklasse kleiner gewählt werden und muss nach dem energetisch schlechtesten Fall dimensioniert werden. Dieser schlechteste Fall ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung jedoch wesentlich geringer als der energetisch schlechteste Fall bei den bekannten Vorrichtungen. Dadurch werden die Kosten für das Gesamtsystem weiter gesenkt.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen
1 in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Vorrichtung,
2 in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 in schematischer Darstellung eine erste Ausführungsform eines Frequenzumrichters der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
4 in schematischer Darstellung eine zweite Ausführungsform eines Frequenzumrichters der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
5 ein Leistungsteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
6 ein Leistungsverteilungsmodul der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
7 eine zweite Ausführungsform eines Leistungsverteilungsmoduls,
8 in schematischer Darstellung ein Bremssystem der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
9 den Ablauf eines seriellen Zeitvorganges für drei Motoren.
Mit der Vorrichtung in Form eines Leistungssteuerungssystems wird Leistung an mehrere Motoren mittels eines einzigen Frequenzumrichters geliefert. Er enthält die Steuerungs- bzw. Regelungskomponenten für die angeschlossenen Motoren. Vor dem Motor oder dem Frequenzumrichter ist ein Leistungsverteilungsmodul angebracht, das die Leistungsentnahme zu den Motoren regelt. Weiterhin befindet sich an jedem Motor ein regelbares elektromechanisches Bremssystem, das in der Lage ist, den Motor in einem energielosen Standby-Betrieb zu halten. Die Leistungssteuerung wird hauptsächlich auf dem Gebiet der Energieversorgung von seriell arbeitenden elektrischen Antrieben eingesetzt. Durch die Leistungssteuerung werden Hardwareaufwand, Energie und damit Kosten eingespart.
Das Leistungssteuerungssystem gemäß 1 hat einen Leistungssteller 1, der Energie über Leistungskabel 2 an Leistungsverteilungsmodule 3 liefert. Jeder Motor 4 ist mit einem Leistungsverteilungsmodul 3 versehen, wodurch Kabel eingespart werden können. Dafür muss für jedes Leistungsverteilungsmodul 3 am Motor 4 Einbauraum vorhanden sein.
Dem Leistungssteller 1 ist ein Spannungszwischenkreis 5 vorgeschaltet, der die dreiphasige Eingangsspannung des öffentlichen Netzes gleichrichtet und dem Leistungssteller 1 zur Verfügung stellt. Die gleichgerichtete Spannung des Zwischenkreises 5 kann durch einen Kondensator geglättet werden.
Der Leistungssteller 1 ist durch Steuerleitungen 6 mit Schaltern im Leistungsverteilungsmodul 3 verbunden. Jeder Motor 4 ist ferner mit einem Bremssystem 7 versehen. Die Regelung des Bremssystems 7 ist über Steuerleitungen 8 mit dem Leistungssteller 1 verbunden. Die Steuerleitungen 6, 8 können als Bussystem ausgeführt sein, um Kabel zu sparen. Die Steuerleitungen 6 übertragen auch Sensordaten, die vom Motor 4 an den Leistungssteller 1 gesendet werden. Das Bremssystem 7 ist direkt mit dem Motor 4 gekoppelt und kann beispielsweise auf Geberdaten des Motors 4 zurückgreifen.
Der Leistungssteller 1 ist vorteilhaft ein Frequenzumrichter, der hinsichtlich der Leistung nach demjenigen Motor dimensioniert ist, der die größte Leistung benötigt. Es ist nicht notwendig, die Leistung aller Motoren 4 zu addieren, da niemals alle Motoren 4 gleichzeitig aktiv betrieben werden. Der Leistungssteller 1 ist daher lediglich in Bezug auf die Signalelektronik und der Regelung erweitert. Außerdem ist eine zusätzliche Signalelektronik implementiert, die die Schalter des Leistungsverteilungsmoduls 3 jedes Motors 4 über die Steuerleitungen 6 ansteuert. Die Signalelektronik ist daran angepasst, ob das Leistungsverteilungsmodul 3 als Halbleiter oder Relais ausgebildet ist. Die Regelung und Steuerung für die Antriebe ist bei einer geringen Stückzahl softwaretechnisch in die vorhandene Hardware implementiert. Erst wenn der Speicherplatz der Hardware, beispielsweise eines Mikrocontrollers, nicht mehr ausreicht, muss diese ergänzt werden. Im Übrigen entspricht der Leistungssteller 1 dem Stand der Technik.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Leistungssteuerungssystems. Im Unterschied zur Ausführungsform nach 1 ist nur ein einziges Leistungsverteilungsmodul 3 vorgesehen, das am Leistungssteller 1 ange bracht ist. Dadurch ist ein erhöhter Kabelaufwand notwendig, um das einzige Leistungsverteilungsmodul 3 mit den jeweiligen Motoren 4 zu verbinden. Im Ausführungsbeispiel ist jeder Motor 4 über drei Leistungskabel 2 mit dem Leistungsverteilungsmodul 3 verbunden. Da das Leistungsverteilungsmodul 3 am Leistungssteller 1 vorgesehen ist, wird an den Motoren 4 kein zusätzlicher Platz für die Leistungsverteilungsmodule benötigt. Auch hinsichtlich der Kühlung des Leistungsverteilungsmoduls 3 ergeben sich bei dieser Ausführungsform Vorteile. Die Steuerleitungen 6 des vorigen Ausführungsbeispieles entfallen bei der Ausführungsform nach 2.
Jeder Motor 4 hat das Bremssystem 7, das jeweils über eine Steuerleitung 8 mit dem Leistungssteller 1 verbunden ist.
3 zeigt den grundsätzlichen Aufbau des Leistungsstellers 1 der Ausführungsform gemäß 1. Der Leistungssteller 1 (Pulswechselrichter) hat einen Leistungsteil 40, an den eine Steuerlogik 41 angeschlossen ist. Die Steuerlogik 41 ist mit einem Führungsgesamtsystem 42 verbunden. Dieses Führungsgesamtsystem 42 gibt Steuerbefehle 24 an die Steuerlogik 41, die aufgrund der Steuerbefehle 24 das Leistungsteil 40 ansteuert. Über eine Leitung 23 werden beispielsweise Fehler von der Steuerlogik 41 an die Reglereinheit 42 geliefert. Die Steuerlogik 41 erzeugt aufgrund der Steuerbefehle 24 Befehle 9, die dem Leistungsteil 40 zugeführt werden. Mit den Befehlen 9 werden Schalter 43 (5) im Leistungsteil 40 angesteuert. Das Führungsgesamtsystem 42 beinhaltet für jeden Motor 4 ein auf ihn abgestimmtes eigenes Regelsystem. Die Vorgabe der Lage und die Ablaufsteuerung für die einzelnen Motoren 4, das heißt welches Regelsystem für welchen Motor 4 gerade aktiv ist, übernimmt eine übergeordnete Steuereinheit 20, die beispielsweise eine NC-Steuerung ist. Sie schickt über einen Steuerbus 21 Befehle an die Steuerlogik 41 und an das Führungsgesamtsystem. Diese wiederum gibt die Befehle über die Steuerleitungen 6 und 8 (1) an die Leistungsverteilungsmodule 3 und die Bremssysteme 7 weiter.
Die Schalter 43 (5) des Leistungsteils 40 stellen die aus der Regelung gewünschte Spannung ein und steuern damit den Energiefluss.
Bild 4 zeigt den Leistungssteller 1 der Ausführungsform gemäß 2. Der Unterschied zum Ausführungsbeispiel nach 3 besteht lediglich darin, dass das Leistungsverteilungsmodul 3 Bestandteil des Leistungsteils 40 ist. Da das Leistungsverteilungsmodul 3 für alle Motoren 4 vorgesehen ist, kann auf die Steuerleitung 6 verzichtet werden, so dass an die Steuerlogik 41 nur die Steuerleitung 8 angeschlossen ist.
Der Leistungsteil 40 des Leistungsstellers 1 hat Schalter 43, die beispielhaft paarweise seriell geschaltet sind. Über die Leitungen 9 werden von der Steuerlogik 41 die entsprechenden Befehle für die Schalter 43 übertragen. Als Schalter 43 kommen Halbleiterschalter, beispielsweise IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), in Betracht.
Das Leistungsverteilungsmodul 3 für das Leistungssteuerungssystem gemäß 1 wird anhand von 6 näher erläutert. Mit dem Steuerbus 6 werden die Schaltbefehle vom Leistungssteller 1 an eine Ansteuerlogik 44 des Leistungsverteilungsmoduls 3 weitergegeben. Über den Steuerbus 6 werden auch Sensordaten 22 vom Motor 4 zurück an den Leistungssteller 1 übertragen. Das dem Motor 4 zugeordnete Bremssystem 7 erhält seine Befehle über die Steuerleitung 8 vom Leistungssteller 1.
Das Leistungsverteilungsmodul 3 hat der Ansteuerlogik 44 nachgeschaltete Schalter 45, 46, mit denen der Motor 4 bei Bedarf die Leistungskabel 2 geöffnet oder geschlossen werden können. Die Schalter 45, 46 werden so geschaltet, dass der jeweilige Motor 4 mit dem Leistungssteller 1 verbunden ist, wenn er aktiv werden soll. Die Phasen der nicht aktiven Motoren werden kurzgeschlossen. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass der jeweilige Motor 4 nur die für ihn bestimmte Energie erhält.
Die Schalter 45, 46 können unterschiedlich ausgebildet sein. Der Schalter 45 muss stets ein Schalter sein, beispielsweise ein Halbleiterschalter, wie ein IGBT, oder ein Relais bei langsamen Schaltfrequenzen. Bei kurzen Schaltfrequenzen müssen die Schalter 46 gleich ausgeführt sein wie die Schalter 45. Bei langen Schaltfrequenzen können die Schalter 46 aber auch durch passive Elemente, wie Varistoren, ersetzt werden. Dadurch werden Energie und Schaltungsaufwand eingespart. Ein Vorteil von Varistoren ist, dass sie passive Bauelemente sind und keine Ansteuerelektronik benötigen.
Bei der Ausführungsform gemäß 6 ist das Leistungsverteilungsmodul 3 am Motor vorgesehen.
Bei einer Ausgestaltung gemäß 7 ist das Leistungsverteilungsmodul 3 Bestandteil des Leistungsstellers 1 (2). Bei einer solchen Ausbildung wird die Ansteuerlogik 44 direkt vom Leistungssteller 1 gesteuert. Entsprechend der Zahl der Motoren 4 befindet sich im Leistungsverteilungsmodul 3 eine entsprechende Zahl von Ansteuerlogiken 44. Jeder Ansteuerlogik 44 nachgeschaltet sind die beiden Schalter 45, 46, mit denen die Verbindung zwischen dem Leistungssteller 1 und dem jeweiligen Motor 4 geöffnet bzw. geschlossen werden kann. In diesem Falle werden die Leistungskabel 2 durch die jeweiligen Schalter 45, 46 geöffnet oder geschlossen.
8 zeigt schematisch den Aufbau des Bremssystems 7, mit dem jeder Motor 4 ausgestattet ist. Das Bremssystem 7 hat eine mechanische Bremse 31, die zum Beispiel eine Scheibenbremse oder eine dynamisch schnell reagierende Bremse sein kann. Die Bremse 31 wird mittels eines Stellgliedes 32 betätigt, das zum Beispiel ein Motor oder ein Hubmagnet sein kann. Das Bremssystem 7 hat außerdem eine Leistungselektronik und Regelung 33 für das Stellglied 32. Diese Leistungselektronik 33 ist über einen Steuerbus 8 mit dem Leistungssteller 1 verbunden und über eine Leitung 35 mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden.
Anhand von 9 wird beispielhaft beschrieben, wie drei Motoren 4 nacheinander aktiviert und anschließend wieder in einen passiven Zustand überführt werden. Dargestellt sind drei Motoren 4/1, 4/2, 4/3. Zunächst wird der Motor 4/1 eingeschaltet, das heißt vom passiven auf den aktiven Zustand umgeschaltet. Für diese Umschaltung wird zur Aktivierung des Motors 4/1 zunächst die entsprechende Reglereinheit ausgewählt. Anschließend wird der Leistungsteil 40 des Leistungsverteilungsmoduls 3/1 (1) bzw. 3 (2) des Leistungsstellers 1 hochgefahren und in einen sicheren Zustand (Freilauf) gebracht. Dadurch liegt an allen Motoranschlüssen das gleiche Potential an, so dass kein Strom fließt. Anschließend schaltet das Leistungsverteilungsmodul 3/1 bzw. 3 auf den Motor 4/1. Anschließend erfolgt die Reglerfreigabe für den Motor 4/1. Das dem Motor 4/1 zugeordnete Bremssystem 7/1 wird gelöst. Nunmehr kann der Motor 4/1 geregelt werden, um seine jeweilige Aufgabe zu erfüllen.
Noch während der Motor 4/1 läuft, wird zum Zeitpunkt t₁ das Bremssystem 7/1 bei noch laufendem Motor aktiviert. Dadurch lässt sich die Gesamtbremszeit für den Motor 4/1 reduzieren. Mit dem Aktivieren des Bremssystems 7/1 oder auch kurz danach wird der Leistungssteller 1 in den sicheren Zustand gebracht. Sobald der Motor 4/1 zum Stillstand kommt und durch das Bremssystem 7/1 gesichert ist, befindet sich der Leistungssteller 1 somit bereits in seinem sicheren Zustand. Nunmehr wird die Reglerfreigabe für diesen Motor 4/1 weggenommen und das Regelsystem vom Motor 4/1 auf das Regelsystem für den Motor 4/2 umgeschaltet. Ebenso wird auch das Leistungsverteilungsmodul 3/2 (1) oder 3 (2) umgeschaltet. Hierzu werden in der beschriebenen Weise die entsprechenden Schalter 45, 46 bzw. 45/2 bzw. 46/2 betätigt. Nach der Umschaltung des Leistungsverteilungsmoduls wird der Regler für den Motor 4/2 freigegeben und das Bremssystem 7/2 des Motors 4/2 gelöst. Der Motor 4/2 befindet sich nunmehr im Regelzustand.
In 9 ist die Übergangszeit, die zwischen dem Abschalten des Motors 4/1 und dem Einschalten des Motors 4/2 erforderlich ist, mit Δt bezeichnet. Diese Übergangszeit Δt ist sehr kurz.
Zum Abschalten des Motors 4/2 wird wiederum bei laufendem Motor das Bremssystem 7/2 zum Zeitpunkt t₂ bei noch laufendem Motor aktiviert, wodurch die Gesamtbremszeit reduziert wird. Anschließend wird der Leistungsteil 40 des Leistungsstellers 1 in den sicheren Zustand gebracht, sobald der Motor 4/2 stillsteht und durch das Bremssystem 7/2 gesichert ist. Wie schon beim Motor 4/1 werden hierbei die entsprechenden Schalter 45, 46 bzw. 45/2, 46/2 des Leistungsverteilungsmoduls betätigt. Schließlich wird die Reglerfreigabe weggenommen und das Regelsystem vom Motor 4/2 auf den Motor 4/3 umgeschaltet. Anschließend wird mittels des Leistungsverteilungsmoduls 3/3 bzw. 3 auf den Motor 4/3 umgeschaltet und für ihn der Regler freigegeben. Das Bremssystem 7/3 für den Motor 4/3 wird gelöst, so dass nunmehr der Motor 4/3 in Betrieb genommen und geregelt werden kann.
Zum Abschalten des Motors 4/3 wird das Bremssystem 7/3 zum Zeitpunkt t₃ bei noch laufendem Motor aktiviert, um die Gesamtbremszeit zu reduzieren. Anschließend wird der Leistungssteller 1 in der beschriebenen Weise in den sicheren Zustand gebracht, sobald sich der Motor 4/3 im Stillstand befindet und durch das Bremssystem 7/3 gesichert ist. Anschließend wird die Reglerfreigabe weggenommen und das Regelsystem vom Motor 4/3 wieder auf das Regelsystem für den Motor 4/1 umgeschaltet.
Auf die beschriebene Weise werden die Motoren nacheinander aktiviert, während die nicht aktivierten Motoren abgebremst werden.
Das Bremssystem 7 sorgt dafür, dass die Motoren 4, die nicht mit dem Leistungssteller 1 verbunden sind, ihre Position gemäß den Toleranzen exakt einhalten. Jeder Motor 4 hat sein eigenes Bremssystem 7, das, wie anhand von 8 erläutert worden ist, seinen eigenen Motor 32 (Stellglied) mit eigener Leistungselektronik aufweist, die über die Steuerleitung 8 vom Leis tungssteller 1 angesteuert wird. Das Bremssystem erzeugt ein regelbares Bremsmoment (Reibkraft), durch das garantiert wird, dass während der Stillstandzeit des zu bremsenden Motors 4 keine Energie verbraucht wird. Da in der Praxis die Stillstandszeit des belastenden Motors 4 wesentlich länger ist als seine aktive Zeit, können somit Energie und Kosten eingespart werden.

Claims

Vorrichtung zur Reduzierung des Energiebedarfs von Maschinen mit mehreren regelbaren Antrieben (4), die seriell angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass allen Antrieben (4) ein gemeinsamer Leistungssteller (1) zugeordnet ist und dass die Antriebe (4) über ein programmierbares Leistungsverteilungsmodul (3) seriell mit Energie versorgt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Antrieb (4) mit einem Leistungsverteilungsmodul (3) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für alle Antriebe (4) ein gemeinsames Leistungsverteilungsmodul (3) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsverteilungsmodul (3) an den Leistungssteller (1) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungssteller (1) ein Frequenzumrichter ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung des Leistungsstellers (1) mindestens der Leistung desjenigen Antriebes (4) entspricht, der die maximale Leistung erbringen muss.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungssteller (1) ein Leistungsteil (40) aufweist, an das eine Steuerlogik (41) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungssteller (1) mit einer Regeleinheit (42) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinheit (42) an die Steuerlogik (41) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsteil (40) Schalter (43) aufweist, welche die aus der Regelung gewünschte Spannung einstellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Leistungsverteilungsmodul (3) Schalter (45, 46) aufweist, mit denen der Antrieb (4) vom Leistungssteller (1) trennbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (45, 46) ein Halbleiterschalter ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter ein IGBT ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterschalter ein MOSFET ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (45, 46) ein Relais ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (46) ein passives Element ist, wie ein Varistor.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umschaltung der Leistung auf den Antrieb (4) dessen Regeleinheit (42) aktiviert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umschaltung der Leistung auf einen anderen Antrieb (4) die Regeleinheit (42) des bisher aktivierten Antriebes (4) deaktiviert wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Antrieb (4) mit einem Bremssystem (7) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremssystem (7) ein Bremselement (31) aufweist, das durch wenigstens ein Stellglied (32) betätigbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (32) an eine Leistungselektronik (33) angeschlossen ist.