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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Druckmaschinen und Falzmaschinen weisen eine Vielzahl elektrischer Antriebe auf. Die Leistung der elektrischen Antriebe befindet sich dabei in unterschiedlichen Größenordnungen, je nachdem welche Aufgabe ein elektrischer Antrieb hat. So gibt es zum Einen den Hauptantrieb und größere Hilfsantriebe einer Druckmaschine, welche Leistung im Bereich von 1–100 KW haben. Darunter rangieren leistungsmäßig die kleineren Hilfsantriebe und Antriebe zur Betätigung der Stapel am Anleger und Ausleger, welche mehrere 100 Watt Leistung aufweisen. Eine weitere Gruppe stellen die kleinen Antriebe mit einigen Watt Leistung dar, sowie die Versorgung der Elektronik. Da die genannten Antriebe in unterschiedlichen Leistungsklassen arbeiten, verfügen sie auch über eine unterschiedliche Spannungsversorgung. Antriebe einer Leistungskategorie hat man daher zu einer Spannungsebene zusammengefasst und diese Spannungsebene mit dem üblicherweise vorhandenen Drehstromnetz verbunden. Dies führt dazu, dass die Haupt- und die größeren Hilfsantriebe mit einer relativ hohen Spannung versorgt werden, welche durch Transformation der Netzspannung hergestellt wird, dass die kleineren Hilfsantriebe mit einer mittleren Spannung versorgt werden und dass die kleinen Antriebe und die Elektronik mit einer kleinen Spannung versorgt werden. Jede dieser Spannungsebenen verfügt dabei über einen separaten Netzanschluss, d. h. es muss jeweils ein Spannungswandler bzw. Transformator vorhanden sein, welcher die Netzspannung in die erforderliche Spannungsebene umsetzt. Da die Haupt- und Hilfsantriebe einer Druck- oder Falzmaschine auch generatorisch arbeiten können, muss eine Möglichkeit geschaffen werden überschüssige elektrische Energie von den Haupt- und Hilfsantrieben einer Druck- oder Falzmaschine entweder in das Stromnetz zurückzuspeisen oder mittels zuzuschaltender elektrischer Widerstände (Chopper) in Wärme umzusetzen. Dies führt dazu, dass jede Spannungsebene, in der Antriebe auch generatorisch betrieben werden können, über einen Chopper zum Spitzenlastabbau verfügen muss bzw. dass jeweils eine sogenannte Rückspeiseeinheit zwischen einer Spannungsebene und dem Stromnetz vorhanden sein muss, um elektrische Energie von der Spannungsebene in das Stromnetz zurückfließen lassen zu können.
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Aus der Patentschrift
DE 696 04 590 T2 ist ein motorgetriebener Fadenzwirnkopf bekannt, der an eine Zentraleinheit angeschlossen ist, welche einen Regelkreis mit geschlossener Schleife umfasst, der z. B. einen PID-Regler verwendet, um im Falle eines Stromausfalls das Abbremsen der einzelnen Köpfe mit dem Abbremsen der anderen damit verbundenen Vorrichtungen zu synchronisieren. Dabei sind mehrere Motoren vorhanden, welche in zwei Gleichspannungsebenen aufgeteilt sind Es wird aber nicht offenbart, was mit etwaiger überschüssiger elektrischer Energie geschieht.
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Aus der Patentschrift zu
DE 696 05 043 T2 ist ein Verfahren bekannt, bei dem im Falle eines Stromausfalls, die in elektrische Energie umgewandelte kinetische Energie, die durch die Bewegung der Motoren der Nähmaschine, welche sich auf Grund der Massenträgheit noch nach dem Wegfall der Stromversorgung bewegen, innerhalb des Systems verteilt wird. Daher wird während der Zeit des Stromausfalls keine äußere Quelle benötigt. Während des Stromausfalls regeln drei Konverter die Spannung und verteilen diese proportional auf alle Motoren der einzelnen Vorrichtungen der Anlage und sorgen so für gleichmäßige Verlangsamung.
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Aus
DE 41 28 803 A1 geht ein Verfahren hervor, bei dem in einer Maschine mit mehreren jeweils durch einen Motor angetriebenen Wellen an jeder Welle ein Frequenzumrichter angebracht wird. Somit ist es möglich, einzelne Wellen zu bremsen und die dabei anfallende Bremsenergie in den gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis zurück zu speisen und zum Betrieb der anderen Wellen zu benutzen. Darüber hinaus kann jeder Gleichspannungszwischenkreis durch einen ein- oder ausschaltbaren Chopper-Widerstand für eine sehr starke elektrische Bremsung kurzschließbar sein.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 199 61 880 A1 geht ein Verfahren zum Steuern eines elektrischen Antriebssystems, das der Verstellung einer Mehrzahl dreh-, verschwenk-, und/oder linear bewegbarer Funktionsteile in Geräten und Maschinen, beispielsweise der Zylinder oder Walzen insbesondere in Bogen- oder Rollendruckmaschinen, in ihrer Lage und/oder Geschwindigkeit zueinander dient. Hierbei wird allerdings nur gewährleistet, dass die Zylinder sich im Normalbetrieb gleich schnell und in gleicher Lage bewegen.
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Aus der Veröffentlichung
WO 01/74699 A1 ist ein Energieversorgungs schaltkreis bekannt, welcher eine einzige Energiespeichereinheit enthält. Die Energiespeichereinheit ist über einen Spannungswandler an einen Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen, an den über Wechselrichter auch die Aufzugsmotoren angeschlossen sind. Der Gleichspannungszwischenkreis verteilt die elektrische Energie zwischen den Motoren und speichert überschüssige Energie in der Energiespeichereinheit zwischen.
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Die Offenlegungsschrift
DE 37 43 317 A1 zeigt ein Fahrzeugbordnetzsystem. Dabei ist ein kombinierter Starter/Generator über einen Wechselrichter an einen 300 V Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen. Dieser ist wiederum über einen bidirektionalen Gleichspannungswandler an einen 24 V Gleichspannungskreis angeschlossen. Der 24 V Gleichspannungskreis ist mit einer 24 V Batterie und Kleinverbrauchern verbunden. An den 300 V Gleichspannungskreis ist über einen weiteren Wandler eine 220 V Steckdose angeschlossen, so dass im Fahrzeug handelsübliche Elektrogeräte angeschlossen werden können.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spannungsversorgungskonzept für eine papierverarbeitende Maschine bereitzustellen, welches sicherstellt, dass bei generatorischem Betrieb. der Haupt- und Hilfsantriebe einer papierverarbeitenden Maschine überflüssige elektrische Energie abgebaut werden kann, ohne dass unnötig viel elektrische Energie in einem Chopper vernichtet werden muss.
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Die vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Als Haupt- und Hilfsantriebe werden bei Druckmaschinen vorwiegend Drehfeldmotoren eingesetzt. Die Umrichter werden mit Gleichspannung gespeist. Da diese elektrischen Antriebsmotoren nicht alle mit der gleichen Betriebsspannung arbeiten, müssen sie mit unterschiedlichen Gleichspannungen versorgt werden. Das Umwandeln einer Gleichspannung in eine andere Gleichspannung ist jedoch mit ungleich höherem Aufwand verbunden, als dies bei der Umwandlung einer Wechselspannung in eine andere Wechselspannung erforderlich ist. Die Verkoppelung einer ersten Gleichspannungsebene, welche elektrische Antriebe mit hoher elektrischer Leistung aufweist, mit einer zweiten Gleichspannungsebene, welche elektrische Antriebe mit einer relativ kleinen elektrischen Leistung aufweist, führt dazu, dass bei generatorisch betriebenen elektrischen Antrieben nicht sofort elektrische Energie in einem Chopper für Spitzenlastabbau vernichtet werden muss bzw. in das Stromnetz zurückgespeist werden muss, sondern dass die elektrische Energie zuerst an motorisch arbeitenden elektrischen Antriebe auch einer anderen Spannungsebene weiter gereicht wird. Dazu ist die erste Spannungsebene mit der zweiten Spannungsebene über einen bidirektionalen Spannungswandler verbunden, so dass sowohl von der ersten Spannungsebene in die zweite Spannungsebene als auch umgekehrt elektrische Energie ausgetauscht werden kann. Zusätzlich ist die erste oder zweite Spannungsebene mit einer dritten Spannungsebene zur Spannungsversorgung von Kleinverbrauchern oder elektronischen Schaltkreisen durch einen unidirektionalen Spannungswandler verbunden. Eine der ersten beiden Spannungsebenen ist außerdem über einen Netzspannungswandler mit dem Stromnetz verbunden. Arbeiten die elektrischen Antriebe der ersten Spannungsebene überwiegend generatorisch, so wird die elektrische Energie zunächst in die zweite Spannungsebene abgegeben, wo Hilfsantriebe diese elektrische Energie aufnehmen können. Erst wenn dies nicht mehr möglich ist, wenn also auch die Hilfsantriebe der zweiten Spannungsebene nicht genügend Energie verbrauchen können, wird die überschüssige Energie in einem Chopper zum Spitzenlastabbau in der ersten Spannungsebene verbraucht. In diesem Fall muss jedoch keine elektrische Energie in das Stromnetz zurück gespeist werden, so dass der Netzspannungswandler nur unidirektional in eine Richtung speisen muss, nämlich in die Druckmaschine hinein. Auf diese Art und Weise kann der Netzspannungswandler kostengünstiger ausgelegt werden, da er keine Rückspeisefähigkeit ins Netz aufweisen muss. Selbstverständlich ist es jedoch auch möglich, den Netzspannungswandler bidirektional auszulegen, so dass elektrische Energie in das Stromnetz zurück gespeist werden kann, wodurch dann auf der anderen Seite kein Chopper vorhanden sein muss. Jede Druckmaschine muss so nur noch einen Netzspannungswandler aufweisen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass wenigstens eine weitere Spannungsebene zur Spannungsversorgung von Kleinverbrauchern oder elektronischen Schaltkreisen vorgesehen ist, welche über einen weiteren Spannungswandler mit der ersten Spannungsebene oder der zweiten Spannungsebene verbunden ist. Die in dieser dritten Spannungsebene zusammengefassten Kleinverbraucher und elektronischen Schaltkreise stellen die sogenannte Grundlast einer Druck- oder Falzmaschine dar, d. h. diese Antriebe, Netzteile zur Versorgung der Elektronik und weitere Verbraucher verbrauchen ständig elektrische Energie, sobald eine Druckmaschine oder Falzmaschine in Betrieb genommen wird. Es ist daher klar, dass die Antriebe und Schaltkreise der dritten Spannungsebene ständig motorisch arbeiten d. h. elektrische Energie verbrauchen, ein generatorischer Betrieb ist hier nicht möglich. Diese dritte Spannungsebene mit der Grundlast sorgt dafür, da sie über einen weiteren Spannungswandler mit der ersten oder zweiten Spannungsebene verbunden ist, dass wenn der Saldo der elektrischen Energie in der ersten und zweiten Spannungsebene zusammen einen Überschuss ergibt, diese überschüssige elektrische Energie zunächst in die dritte Spannungsebene der Grundlast weitergeführt wird, bevor ein Spitzenlastabbau im Chopper der ersten Spannungsebene stattfindet. D. h., es wird erst dann elektrische Energie im Chopper vernichtet, wenn der Energieverbrauch aus Grundlast und motorisch arbeitenden Antrieben einer Druck- oder Falzmaschine geringer ausfällt als die Energieerzeugung in den generatorisch betriebenen Antrieben. Des Weiteren benötigt auch die dritte Spannungsebene keinen separaten Netzanschluss, sondern wird einfach an die erste oder zweite Spannungsebene über einen Spannungswandler angeschlossen. Weiterhin wird angemerkt, dass das gesamte Spannungsversorgungskonzept selbstverständlich nicht auf drei Gleichspannungsebenen beschränkt ist. Es können beliebig viele Spannungsebenen vorhanden sein. Sind n-Spannungsebenen vorhanden, so stellt die n-te Spannungsebene die Spannungsebene der Kleinverbraucher dar, welche mit den restlichen n – 1 Spannungsebenen über einen unidirektionalen Wandler verbunden ist, während zwischen den n – 1 Spannungsebenen untereinander elektrische Energie beliebig über bidirektionale Spannungswandler ausgetauscht werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Spannungswandler zwischen der ersten und dritten Spannungsebene bzw. der zweiten und dritten Spannungsebene als unidirektionaler Wandler ausgeführt. Ein solcher unidirektionaler Wandler ist preisgünstiger als ein bidirektionaler Wandler und reicht in diesem Fall völlig aus, da die dritte Spannungsebene grundsätzlich elektrische Energie verbraucht, wodurch keine elektrische Energie aus der dritten Spannungsebene in die anderen Spannungsebenen zurückgespeist werden muss.
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Es erweist sich weiterhin als vorteilhaft, wenn zur Spannungsversorgung einer der n – 1 Spannungsebenen ein unidirektionaler Spannungswandler vorgesehen ist, welche die eine Spannungsebene mit einem Netzanschluss verbindet. Da durch die oben genannten Maßnahmen, keine elektrische Energie von den unterschiedlichen Spannungsebenen der Druckmaschine in das Stromnetz zurückgespeist werden muss, kann auch hier aus Kostengründen auf einen unidirektionalen Spannungswandler zwischen dem Netz und den Spannungsversorgungsebenen zurückgegriffen werden.
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In Zeiten ständig steigender Energiekosten und damit auch Stromkosten, kann es sich aber auch als vorteilhaft erweisen, wenn der Netzspannungswandler bidirektional ausgeführt ist. In diesem Fall kann dann auf den Chopper zum Spitzenlastabbau verzichtet werden, da überschüssige elektrische Energie in das Stromnetz zurück gespeist werden kann.
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Die vorliegende Erfindung wird mm anhand einer Figur näher beschrieben und erläutert.
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Es zeigt:
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1: Das erfindungsgemäße Spannungsversorgungskonzept mit mehreren Spannungsebenen, Antrieben, Spannungswandlern und einem Element zum Abbau von überschüssiger elektrischer Energie.
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Papierverarbeitende Maschinen wie Druckmaschinen und Falzmaschinen werden üblicherweise an das 400 Volt Drehstromnetz angeschlossen. Dies gilt auch für das in 1 gezeigte Spannungsversorgungskonzept bestehend aus drei Gleichspannungsebenen einer Druckmaschine. Der Drehstrom aus dem Netz 4 wird dabei einem Spannungswandler 1 zugeführt, welcher den Drei-phasendrehstrom in eine Gleichspannung umsetzt. Dazu ist der Spannungswandler 1 entweder als Diodengleichrichter oder als halbgesteuerte Brücke ausgeführt, wenn er unidirektional arbeitet d. h. Wechselspannung aus dem Netz in Gleichspannung umwandelt Der Spannungswandler 1 kann aber auch als voll gesteuerte Brücke ausgeführt sein, dann arbeitet er bidirektional und kann sowohl Netzspannung in Gleichspannung umsetzen als auch Gleichspannung in Netzspannung. Der Spannungswandler 1 erlaubt dann einen Fluss elektrischer Energie vom Drehstromnetz 4 in die Druckmaschine hinein und umgekehrt. Am Ausgang des Spannungswandlers 1 liegt nun eine erste Gleichspannung mit einem Wert zwischen 400 und 700 Volt an, welcher eine erste Spannungsebene 14 darstellt. Die erste Spannungsebene 14 dient zur Versorgung von elektrischen Großverbrauchern einer Druckmaschine. Als Großverbraucher einer Druckmaschine gelten insbesondere der oder die Hauptantriebe 11, welche die Druck- und Transportzylinder der Druckmaschine antreiben sowie mögliche größere Hilfsantriebe 12, welche z. B. einzelne Druck- oder Transportzylinder antreiben. Außerdem ist auf der ersten Spannungsebene 14 ein sogenannter Chopper 13 vorhanden, bei welchem es sich um einen schaltbaren elektrischen Widerstand handelt, wodurch in der ersten Spannungsebene 14 vorhandene überschüssige elektrische Energie abgebaut werden kann, wenn der Netzspannungswandler 1 nur als halbgesteuerte Brücke ausgeführt ist. Arbeitet der Netzspannungswandler 1 nur als halbgesteuerte Brücke und kann daher nur in eine Richtung speisen, so ist dieser Chopper 13 zum Abbau von Spitzenlasten unabdingbar, insbesondere wenn der Hauptantrieb 11 oder größere Hilfsantriebe 12 der Druckmaschine im generatorischen Betrieb arbeiten. Ist der Netzspannungswandler 1 dagegen als vollgesteuerte Brücke ausgestaltet, so ist der Chopper 13 nicht unbedingt erforderlich, und es kann auf ihn verzichtet werden, da überschüssige elektrische Energie aus der Gleichspannungsebene der Druckmaschine in das Drehstromnetz zurück gespeist werden kann.
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Die erste Spannungsebene 14 ist über einen bi-direktional arbeitenden Spannungswandler 2 mit einer zweiten Spannungsebene 23 verbunden. Hierdurch wird die Gleichspannung der ersten Spannungsebene 14 in eine niedrigere Gleichspannung der zweiten Spannungsebene 23 umgesetzt. Um einen Austausch elektrischer Energie sowohl von der ersten Spannungsebene 14 in die zweite Spannungsebene 23 als auch umgekehrt zu ermöglichen, arbeitet der die beiden Spannungsebenen 14, 23 verbindende Gleichspannungswandler 2 bi-direktional, d. h. er kann elektrische Energie in beide Richtungen austauschen. Außerdem hat der bi-direktionale Spannungswandler 2 die Aufgabe, eine geregelte nahezu konstante Gleichspannung zu erzeugen, welche es ermöglicht, an die zweite Spannungsebene angeschlossene Elektronikkomponenten und Antriebe 21, 22 auf einen Arbeitspunkt einzustellen. Dies heißt, dass die Gleichspannung der zweiten Spannungsebene 23 immer einen konstanten Wert annimmt, auch wenn die Gleichspannung der ersten Spannungsebene 14 Schwankungen aufweist. An die zweite Spannungsebene 23 sind auch alle Hilfsantriebe 21 angeschlossen, welche generatorisch arbeiten. Des weiteren sind an die zweite Spannungsebene die Stapelantriebe 22 angeschlossen, welche den Anleger und Ausleger einer Druckmaschine steuern.
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Zusätzlich ist an die zweite Spannungsebene 23 noch eine dritte Spannungsebene 33 angeschlossen, welche mit der zweiten Spannungsebene 23 über einen Gleichspannungswandler 3 verbunden ist. Dieser Gleichspannungswandler 3 arbeitet jedoch nur in eine Richtung, so dass nur elektrische Energie von der zweiten Spannungsebene 23 in die dritte Spannungsebene 23 abgeführt werden kann. Die Spannung der dritten Spannungsebene 23 liegt im Bereich von 24 V Gleichspannung, welche hauptsächlich zum Betrieb von elektronischen Komponenten 31 und Kleinantrieben 32 mit niedriger elektrischer Leistung verwendet wird. Da die elektronischen Schaltungen 31 und Kleinantriebe 32 ständig mit Strom versorgt werden müssen, solange eine Druckmaschine. oder eine Falzmaschine in Betrieb ist, stellen diese Komponenten die sogenannte Grundlast der Maschine dar. Diese Grundlast, welche einen ständigen positiven elektrischen Verbrauch in der dritten Spannungsebene 33 zur Folge hat, macht es möglich, den Gleichspannungswandler 3 zwischen der zweiten und dritten Spannungsebene als unidirektionalen Wandler auszuführen, da ausschließlich elektrische Energie von der zweiten in die dritte Spannungsebene fließen muss.
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Mit dem in 1 gezeigten Spannungsversorgungskonzept ist es also möglich, drei unterschiedliche Spannungsebenen 14, 23, 33 miteinander zu verknüpfen, welche an ein Drehstromnetz 4 angeschlossen sind, ohne dass die drei Spannungsebenen in das Netz zurückspeisen müssen und ohne dass mehr als ein Chopper 13 zum Spitzenlastabbau vorhanden sein muss, obwohl in wenigstens zwei Ebenen der Vorrichtung zur Spannungsversorgung sowohl generatorisch als auch motorisch arbeitende Antriebe vorhanden sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Netzspannungswandler
- 11
- Hauptantrieb einer Druckmaschine
- 12
- Größerer Hilfsantrieb einer Druckmaschine
- 13
- Chopper
- 14
- Erste Spannungsebene
- 2
- Bi-direktionaler Spannungswandler
- 21
- Hilfsantrieb
- 22
- Stapelantrieb
- 23
- Zweite Spannungsebene
- 3
- Unidirektionaler Spannungswandler
- 31
- Elektronische Komponenten einer Druckmaschine
- 32
- Kleinantriebe
- 33
- Dritte Spannungsebene
- 4
- Drehstromnetz
