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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betrieb von Anlagen bei
Netzspannungsausfällen.
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Anlagen
dieser Art können
generell als Maschinen oder Produktionsanlagen ausgebildet sein,
wie zum Beispiel Pressen, bahnverarbeitenden Maschinen wie Folienreckanlagen,
Druckmaschinen und dergleichen.
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Generell
weisen derartige Anlagen Prozesselemente zur Durchführung von
Transport- und/oder Arbeitsprozessen auf, welche von Antrieben,
die mit einer Netzspannung gespeist werden, angetrieben werden.
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Ein
wesentliches Problem bei derartigen Anlagen besteht darin, dass
selbst kurzzeitige Netzspannungsausfälle zu unerwünschten
Stillstandszeiten der Anlage führen,
wodurch erhebliche Produktionsverluste entstehen. Da die Anlage
nach einem Netzspannungsausfall wieder neu angefahren muss und zu
bearbeitende Güter,
wie Bahnen in bahnverarbeitenden Maschinen von neuem in diese eingeführt werden
müssen,
können
die Stillstandszeiten mehrere Stunden betragen.
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Ein
weiteres Problem bei Auftreten eines Netzspannungsausfalls besteht
darin, dass in diesem Fall die Antriebe der Anlage unkontrolliert
anstrudeln können,
wodurch die Gefahr von Beschädigungen
der zu bearbeitenden Güter
oder der Anlage selbst gegeben ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen sicheren Betrieb von
Anlagen der eingangs genannten Art bei Auftreten von Netzspannungsausfällen zu
gewährleisten.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
dient zum Betrieb von Anlagen mit Transport- und/oder Arbeitsprozesse
durchführenden,
beweglichen Prozesselementen, die von Antrieben angetrieben werden,
die von einer Netzspannung gespeist werden. Bei Auftreten eines
Netzspannungsausfalls werden die Prozesselemente und/oder weitere
mittels Antrieben angetriebene externe bewegliche Elemente abgebremst,
wobei die bei deren Abbremsen auftretende Änderung der kinetischen Energie
in elektrische Energie umgewandelt wird, die zu einer Weiterführung des
Betriebs der Anlage genutzt wird.
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Der
Grundgedanke der Erfindung besteht somit darin, durch Abbremsen
mechanischer Komponenten gewonnene Energie in elektrische Energie
umzuwandeln, die dann dazu genutzt werden kann um Netzspannungsausfälle für eine vorgegebene
Zeit zu überbrücken.
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Dabei
liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass Netzspannungsausfälle überwiegend
nur kurzzeitig auftreten, wobei die Ausfallzeiten typischerweise
unterhalb einer Sekunde liegen. Die meisten Netzspannungsausfälle liegen
dabei typischerweise im Bereich zwischen 100 ms bis 500 ms.
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Durch
die erfindungsgemäße Umwandlung
kinetischer Energie mechanischer Komponenten in elektrische Energie
können
derartige kurzzeitige Netzspannungsausfälle vollständig überbrückt werden, so dass in diesen
Fällen
trotz auftretender Netzspannungsausfälle die Anlage weiterbetrieben
werden kann. Da somit ein Stillsetzen der Anlage bei Auftreten derartiger
Netzspannungs ausfälle
vermieden werden kann, wird die Produktivität und Verfügbarkeit derartiger Anlagen
signifikant erhöht.
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Gemäß einer
ersten Variante der Erfindung können
die bei einem Netzspannungsausfall abzubremsenden mechanischen Komponenten
von Prozesselementen der Anlage selbst gebildet sein. Diese Prozesselemente
dienen zur Durchführung
von Transport- und/oder Arbeitsprozessen und können beispielsweise von rotierenden
Walzen oder Zylindern gebildet sein. Bei einem Netzspannungsausfall
werden diese Prozesselemente abgebremst um die erforderliche elektrische
Energie zur Überbrückung des
Netzspannungsausfalls zu gewinnen. Dabei erfolgt die Abbremsung
derart, dass mit den Prozesselementen die Anlage mit reduzierten Prozessgeschwindigkeiten
kontrolliert weiter betrieben werden kann.
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Insbesondere
wird die Abbremsung der Prozesselemente derart durchgeführt, dass
deren Prozessgeschwindigkeiten noch groß genug sind, die auftretenden
Reibungskräfte
zu überwinden.
Weiterhin wird die durch Abbremsung der Prozesselemente gewonnene
elektrische Energie so groß gewählt, das
diese ausreicht, sämtliche
Komponenten der betreffenden Anlage mit der notwendigen Energie
zu versorgen.
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Andererseits
erfolgt die Abbremsung der Prozesselemente und die dadurch mögliche Entnahme
von elektrischer Energie derart, dass die Überbrückungszeit, für welche
ein Netzspannungsausfall überbrückt werden
kann, möglichst
groß ist.
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Ein
weiteres wesentliches Kriterium zur Vorgabe des Profils der Abbremsung
der Prozesselemente ist, dass durch die auftretenden Bremsbeschleunigungen
keine Beschädigungen
von Anlagenkomponenten auftreten dürfen. Dies begrenzt generell
die zulässigen
Bremsbeschleunigungen auf einen anlagenspezifischen Maximalwert,
wodurch auch die maximale Überbrückungszeit
begrenzt ist.
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Die
Vorgabe des Abbremsprofils und damit der Überbrückungszeit erfolgt zweckmäßig in einer
zentralen Steuereinheit. Die so optimierte Überbrückungszeit ist typischerweise
signifikant größer als
die Ausfallzeiten der Netzspannung, die üblicherweise kleiner als eine
Sekunde sind. Bei derartigen kurzzeitigen Netzspannungsausfällen setzt
somit die Netzspannung noch innerhalb der Überbrückungszeit ein. Dann wird über die Steuereinheit
der normale Prozess der Anlage wieder aufgenommen. Zweckmäßiger werden
hierzu die Prozesselemente nach einer kurzzeitigen Stabilisierung
der Prozessgeschwindigkeiten gezielt beschleunigt.
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Für den Fall,
dass die Dauer eines Netzspannungsausfalls die maximale Überbrückungszeit übersteigt,
wird am Ende dieses Zeitintervalls die Anlage über die Steuereinheit kontrolliert
zum Stillstand gebracht um Beschädigungen
an der Anlage zu vermeiden.
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Gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung können zur Gewinnung elektrischer
Energie zur Überbrückung von
Netzspannungsausfällen
auch bewegliche Elemente, die nicht zur Anlage selbst gehören, abgebremst
werden.
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Derartige
bewegliche Elemente können
beispielsweise von Schwungrädern,
sogenannten fly wheels gebildet sein, die als externe Energiespeicher
dienen.
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Bei
Auftreten eines Netzspannungsausfalls werden diese beweglichen Elemente
abgebremst, wobei die dabei gewonnene elektrische Energie zur Weiterführung des
Betriebs der Anlage genutzt wird.
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Besonders
vorteilhaft hierbei ist, dass bei Nutzung der Energie dieser externen
beweglichen Elemente die Anlage ohne Abbremsung deren Prozesselemente,
das heißt
ohne Beeinträchtigung
des Produktionsbetriebs der Anlage weiter betrieben werden kann.
Je nach Auslegung der beweglichen Elemente kann damit die Anlage
für eine
bestimmte Überführungszeit
weiter betrieben werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Variante kann bei längeren Netzspannungsausfällen anschließend an
diese Überbrückungszeit
eine Abbremsung der Prozesselemente der Anlage erfolgen. Mit der dadurch
zusätzlich
gewonnenen elektrischen Energie kann die Anlage für eine weitere Überbrückungszeit
weiterbetrieben werden, und zwar mit entsprechend der Abbremsung
der Prozesselemente reduzierten Prozessgeschwindigkeiten.
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Durch
diese zweistufige Überbrückung von
Netzspannungsausfällen
können
die Überbrückungszeiten zur
Vermeidung von Anlagenstillständen
erheblich erhöht
werden.
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Ein
wesentlicher Aspekt der Erfindung ist die fortlaufende Überwachung
der Netzspannung mittels einer Überwachungseinheit.
Mit dieser Überwachungseinheit
wird überprüft, ob sich
die Netzspannung innerhalb eines zulässigen Bereichs befindet. Ist
dies nicht der Fall, wird anhand eines in der Überwachungseinheit generierten
Signals die Steuereinheit zur Überbrückung des
Netzspannungsausfalls aktiviert.
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In
einer ersten Ausführungsform
können
mit der Überwachungseinheit
alle drei Phasen der als Wechselspannung vorliegenden Netzspannung überprüft werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein Gleichspannungszwischenkreis
vorgesehen sein, an welchen Antriebsumrichter zur Ausstreuung von
Antrieben angeschlossen sind, wobei mit den Antrieben die Prozesselemente
der Anlage und gegebenenfalls die externen beweglichen Elemente
angetrieben werden.
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In
diesem Fall kann mit der Überwachungseinheit
die Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis überwacht
werden.
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Die
Antriebsrichter sind bevorzugt als Einheiten mit Netzrückspeisung
ausgebildet, so dass diese zur Generierung der elektrischen Energie
bei Abbremsung der Prozesselemente und/oder der beweglichen Elemente
genutzt werden können.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist bei Anlagen unterschiedlicher Ausprägungen einsetzbar. Beispielsweise
können
die Anlagen von Pressen, Pressenvorschüben oder dergleichen gebildet
sein. Generell eignen sich Anlagen, bei welchen Prozesselemente
mit hinreichend großer
kinetischer Energie eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind Folienextruder
von Folienreckanlagen. Generell eignet sich die vorliegende Erfindung
zur Überbrückung von
Netzspannungsausfällen
in bahnverarbeitenden Maschinen, wobei diese insbesondere als Druckmaschinen
ausgebildet sein können.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung einer als Zentralzylinderdruckmaschine
ausgebildeten Anlage.
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2:
Blockschaltbild der Spannungsversorgung der Anlage gemäß 1.
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3:
Zeitlicher Verlauf der Winkelgeschwindigkeit des Gegendruckzylinders
der Zentralzylinderdruckmaschine gemäß 1 während eines
Abbremsvorgangs zur Überbrückung eines
Netzspannungsausfalls.
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4:
Schematische Darstellung einer als Einzelständerdruckmaschine ausgebildeten
Anlage.
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1 zeigt
als erstes Ausführungsbeispiel
eine Anlage zur Durchführung
von Transport- und Arbeitsprozessen den Aufbau einer Zentralzylinderdruckmaschine 1 zur
Bedruckung von Bahnen 2, insbesondere Papierbahnen. Die
Zentralzylinderdruckmaschine 1 weist einen Gegendruckzylinder 3 auf, über dessen Mantelfläche die
zu bedruckende Bahn 2 geführt wird. In Umfangsrichtung
sind am Gegendruckzylinder 3 mehrere Farbwerke in Abstand
hintereinander angeordnet, wobei im vorliegenden Fall acht dieser
Farbwerke vorgesehen sind. Jedes Farbwerk weist einen Formatzylinder 4 auf,
der am Umfang des Gegendruckzylinders 3 umläuft. Dabei
wird die Bahn 2 zwischen den Formatzylindern 4 und
dem Gegendruckzylinder 3 geführt. Zudem weist jedes Farbwerk
eine dem jeweiligen Formatzylinder 4 zugeordnete Rasterwalze 5 auf.
Auf der Mantelfläche
jedes Formatzylinders 4 ist ein nicht dargestelltes Klischee
aufgebracht, mittels dessen das jeweilige Druckmotiv auf die Bahn 2 aufgedruckt
wird. Die für
den Druckprozess erforderliche Farbe wird von der Rasterwalze 5 auf
den zugeordneten Formatzylinder 4 übertragen.
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Der
Gegendruckzylinder 3 sowie die Formatzylinder 4 und
Rasterwalzen 5 werden mittels Antrieben 6 angetrieben,
wodurch diese entsprechende Rotationsbewegungen durchführen. 2 zeigt
schematisch den Anschluss dieser Antriebe 6 an eine Netzspannung.
Der Übersichtlichkeit
halber sind in 2 nur drei dieser Antriebe 6 dargestellt.
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Eine
Spannungsversorgung 7 dient zur Bereitstellung der Netzspannung
der Anlage, wobei im vorliegenden Fall ein Gleichspannungszwischenkreis 8 vorgesehen
ist, der eine Gleichspannung bereitstellt. An den Gleichspannungszwischenkreis 8 sind
Antriebsumrichter 9 angeschlossen, wobei mit diesen Antriebsumrichtern 9 jeweils
ein Antrieb 6 angesteuert wird.
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Die
Antriebe 6 mit den Antriebsumrichtern 9 werden
von einer nicht dargestellten Steuereinheit gesteuert, die von einem
Mikroprozessorsystem oder dergleichen gebildet sein kann. An die
Steuereinheit ist eine ebenfalls nicht dargestellte Überwachungseinheit
zur Kontrolle der Netzspannung angeschlossen.
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Mit
der Überwachungseinheit,
wird geprüft,
ob sich die Netzspannung in einem vorgegebenen Sollwertbereich befindet.
Dadurch können
Netzspannungsausfälle
sicher detektiert werden.
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Bei
regulärem
Betrieb, das heißt
bei im Sollwertbereich liegender Netzspannung wird die Anlage mit einer
vorgegebenen Prozessgeschwindigkeit betrieben, das heißt die zu
bedruckende Bahn 2 wird mit einer vorgegebenen vorzugsweisen
konstanten Bahngeschwindigkeit zur Bedruckung in den Farbwerken
gefördert. Der
Gegendruckzylinder 3 sowie die Formatzylinder 4 und
Rasterwalzen 5 werden hierzu mit vorgegebenen vorzugsweise
konstanten Drehzahlen betrieben.
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Bei
einem in der Überwachungseinheit
registrierten Netzspannungsausfall werden die Prozesselemente der
Zentralzylinderdruckmaschine 1, nämlich die Gegendruckwalze sowie
die Formatzylinder 4 und Rasterwalzen 5 abgebremst.
Die dadurch bewirkte Änderung
der kinetischen Energie dieser Prozesselemente wird in elektrische
Energie umgesetzt, die zur Spannungsversorgung der Anlage während des
Netzspannungsausfalles genutzt werden.
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Zur
Generierung der elektrischen Energie werden Antriebsumrichter 9 eingesetzt.
Bei einer Änderung der
kinetischen Energie der Prozesselemente werden in den Antriebsumrichter 9 Spannungen
induziert, die zur Bereitstellung der elektrischen Energie genutzt
werden, die zu einer Überbrückung eines
Netzspannungsausfalles genutzt werden kann. Im vorliegenden Fall
sind die Antriebsumrichter 9 an den Gleichspannungszwischenkreis 8 angeschlossen,
so dass in diesen die Rückspeisung
von elektrischer Energie erfolgt. Generell kann auch auf einen derartigen
Gleichspannungszwischenkreis 8 verzichtet werden, so dass
die Antriebsumrichter 9 direkt an die Netzspannung angeschlossen
sind. In diesem Fall sind die Antriebsumrichter 9 mit Netzrückspeisung
versehen.
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Die
kinetische Energie W
kin der Prozesselemente
der Anlage gemäß
1 errechnet
sich nach folgender Formel:
wobei die verwendeten Bezeichnungen
folgende Bedeutungen haben:
- θG
- = Trägheitsmoment
des Gegendruckzylinders 3
- θR
- = Trägheitsmoment
einer Rasterwalze 5
- θF
- = Trägheitsmoment
eines Formatzylinders 4
- ωG
- = Winkelgeschwindigkeit
des Gegendruckzylinders 3
- ωR
- = Winkelgeschwindigkeit
einer Rasterwalze 5
- ωF
- = Winkelgeschwindigkeit
eines Formatzylinders 4
- n
- = Anzahl der Druckwerke.
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Durch
die Bedingung der konstanten Oberflächengeschwindigkeiten der Prozesselemente
erhält
man für
die Winkelgeschwindigkeiten folgende Beziehungen
wobei Dg, Dr, Df die Durchmesser
von Gegendruckzylinder
3, Rasterwalze
5 und Formatzylinder
4 bedeuten.
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Damit
läßt sich
die kinetische Energie formulieren als
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In
dieser Formel sind alle Einzel-Trägheitsmomente zu einem effektiven
Gesamtträgheitsmoment θGesamt zusammengefasst.
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Bei
einem Netzspannungsausfall werden die Prozesselemente über die
Steuereinheit abgebremst und dabei ein Teil der kinetischen Energie
der Prozesselemente in elektrische Energie gewandelt, die zum Betrieb der
Anlage während
des Netzspannungsausfalles genutzt wird.
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Für den Fall
einer konstanten elektrischen Entnahmeleistung P ist diese durch
folgende Beziehungen definiert:
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Dabei
ist Wkin, Start die kinetische Energie der
Prozesselemente zu Beginn des Netzspannungsausfalles und Wkin(t) die noch vorhandene kinetische Energie,
die nach einer Zeit t nach Beginn des Netzspannungsausfalles noch
vorhanden ist.
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Mit
der zuvor hergeleiteten Beziehung für die kinetische Energie der
Prozesselemente in Abhängigkeit des
Gesamtdrehmoments θGesamt ergibt sich dadurch folgende zeitliche
Abhängigkeit
der Winkelgeschwindigkeit ωG von der Zeit Tstoer für welche
der Netzspannungsausfall überbrückt werden
soll:
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-
Der
zeitliche Verlauf von ωG ist in 3 dargestellt.
Aus diesem Verlauf ist ersichtlich, dass WG im
vorliegenden Fall nach einer Zeit von Tstoer,max =
5 Sekunden auf den Wert Null abgesunken ist, das heißt zu diesem Zeitpunkt
Tstoer,max ist die kinetische Energie der
Prozesselemente verbraucht. Damit stellt Tstoer,max die oberste
Grenze für
eine Überbrückungszeit
T dar, für
welche durch Umwandlung von kinetischer Energie der Prozesselemente
in elektrische Energie ein Netzspannungsausfall überbrückbar ist.
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Jedoch
ist die real erreichbare Überbrückungszeit
T kleiner als Tstoer,max, da während der Überbrückung des
Netzspannungsausfalles die Anlage nicht stillgesetzt werden soll,
sondern mit einer reduzierten Prozessgeschwindigkeit weiter betrieben
werden soll. Diese reduzierte Prozessgeschwindigkeit ist durch systemspezifische
Anlagenparameter definiert, wie beispielsweise dem Strombedarf der
zu versorgenden Einheiten sowie Reibungskräften, die bei den Prozesselementen
zu überwinden
sind. Zudem dürfen
bei der Anlage kritische Beschleunigungen nicht überschritten werden, wodurch
eine weitere Begrenzung der Überbrückungszeit gegeben
ist.
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Aufgrund
dieser systembedingten Anforderungen ist die Überbrückungszeit T signifikant kleiner
als die in 3 dargestellte maximale Zeit
Tstoer,max. Jedoch ist die Überbrückungszeit
T typischerweise signifikant größer als
1 Sekunde. Damit kann ein Großteil
der auftretenden Netzspannungsausfälle überbrückt werden, da die typischen
Ausfallzeiten im Bereich von 100 bis 500 ms liegen. Durch eine geeignete
Vorgabe des Profils der Abbremsung der Prozesselemente und dadurch
bedingt einer geeigneten zeitlichen Variation der Entnahmeleistung
kann die Überbrückungszeit
T optimiert werden.
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Zur
weiteren Erhöhung
der Überbrückungszeit
T können
bei derartigen Anlagen auch externe bewegliche Elemente wie Schwungräder eingesetzt
werden, die als externe separate Energiespeicher dienen. Auch diese
werden bevorzugt mit Antrieben 6 angetrieben, die Antriebsumrichter 9 mit
Netzrückspeisung
aufweisen. Damit kann durch Abbremsen dieser Elemente zusätzliche
elektrische Energie gewonnen werden, wodurch die Überbrückungszeit
erhöht
werden kann.
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Generell
wird für
den Fall, dass der Netzspannungsausfall vor Ablauf der zur Verfügung stehenden Überbrückungszeit
wieder endet, die Anlage wieder in den regulären Betrieb gebracht. Hierzu
werden über
die Steuereinheit die Prozesselemente wieder beschleunigt, so dass
diese aus den reduzierten Prozessgeschwindigkeiten wieder in die
regulären
Prozessgeschwindigkeiten hochgefahren werden. Bei derartigen kurzzeitigen Netzspannungsausfällen werden
somit Stillstände
der Anlage komplett vermieden.
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Übersteigt
die Dauer des Netzspannungsausfalles die Überbrückungszeit, so werden vor deren
Ablauf die Prozesselemente bis zum Stillstand abgebremst.
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4 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer von einer bahnverarbeitenden Maschine gebildeten Anlage. Diese
Anlage ist als Einzelständerdruck maschine 10 ausgebildet.
Die Einzelständerdruckmaschine 10 weist
als Prozesselemente ebenso wie die Zentralzylinderdruckmaschine 1 gemäß 1 eine
Anzahl von angetriebenen Walzen auf, deren kinetische Energie analog
zum Ausführungsbeispiel
gemäß den 1 bis 3 zur Überbrückung von
Netzspannungsausfällen
genutzt werden kann.
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Die
Einzelständerdruckmaschine 10 weist
einen ersten angetriebenen Zylinder 11 zur Abwicklung einer
zu bedruckenden Bahn 2 und einen zweiten angetriebenen
Zylinder 12 zur Aufwicklung der fertig bedruckten Bahn 2 auf.
Zum Spannen der Bahn 2 sind diesen Zylindern 11, 12 Vorzugswerke 13, 14 mit
jeweils zwei gegenläufig
rotierenden Vorzugswalzen 13a,b, 14a,b zugeordnet.
Zur Bedruckung der Bahn 2 sind mehrere Einzeldruckwerke 15 in
Förderrichtung
der Bahn 2 hintereinander angeordnet. Jedes Einzeldruckwerk 15 besteht
entsprechend der Ausführungsform
gemäß 1 aus
einem Gegendruckzylinder 3',
einem Formatzylinder 4' und
einer Rasterwalze 5'.
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- 1
- Zentralzylinderdruckmaschine
- 2
- Bahn
- 3
- Gegendruckzylinder
- 3'
- Gegendruckzylinder
- 4
- Formatzylinder
- 4'
- Formatzylinder
- 5
- Rasterwalze
- 5'
- Rasterwalze
- 6
- Antriebe
- 7
- Spannungsversorgung
- 8
- Gleichspannungszwischenkreis
- 9
- Antriebsumrichter
- 10
- Einzelständerdruckmaschine
- 11
- Zylinder
- 12
- Zylinder
- 13
- Vorzugswerk
- 13a,b
- Vorzugswalze
- 14
- Vorzugswerk
- 14a,b
- Vorzugswalze
- 15
- Einzeldruckwerke