WO2009036755A2 - Energiemanagement für den antrieb von baugruppen für bearbeitungs- und/oder transportvorgänge an maschinen und anlagen - Google Patents

Energiemanagement für den antrieb von baugruppen für bearbeitungs- und/oder transportvorgänge an maschinen und anlagen Download PDF

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
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    • H02J1/12—Parallel operation of dc generators with converters, e.g. with mercury-arc rectifier
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    • H02J1/14—Balancing the load in a network

Definitions

  • the invention relates to a technical solution for energy management for the drive of assemblies for processing and / or transport operations on machinery and equipment, especially for dynamic motion sequences on machine tools, bending machines or presses, in which assemblies are to move with large inertial masses in reversing by means of electric motor drives , wherein in each case several separate drives can be fed by a common DC voltage intermediate circuit.
  • unregulated DC processing the mains voltage (for example, 3 x 400 VAC, 50 Hz) by means of, an uncontrolled rectifier circuit (for example, B6 bridge circuit) rectified.
  • This rectified voltage is further smoothed or supported by capacitors as required.
  • an unregulated DC link preparation results relatively strong fluctuating DC link voltages during energy extraction or energy recovery.
  • mains voltage fluctuations have a full effect on the intermediate circuit voltage level and only low DC link voltages of, for example, 540 VDC are achieved.
  • the network is loaded with heavily distorted currents and the excess braking energy must be partially converted into heat with Bleederwideretcn.
  • the mains voltage is rectified and boosted with controlled valves (thyristors, transistors, IGBTs or similar elements).
  • controlled valves thyristors, transistors, IGBTs or similar elements.
  • regulated DC link conditioning provides better efficiency over an unregulated feed since no braking energy is converted to heat.
  • smaller DC link capacitors can be used.
  • the disadvantage is that the network has to absorb all the energy that oscillates back and forth in Reversier cautious. This requires high fuses and large cable cross-sections and causes a high network load.
  • the object of the invention is to develop a drive concept, with which, in particular for applications with large inertial masses in reversing a high efficiency of the overall system is achieved.
  • a conversion of braking energy into heat energy is to be avoided, a high DC link voltage for the optimal utilization of the motors (voltage limit characteristic) is achieved and the network will only be charged with the actually required active power.
  • the intermediate circuit voltage (U D c) is generated by a controlled DC link processing such and processed so that the intermediate circuit voltage (U D c) does not fall below a pre-definable value (U D c m ⁇ n); in that a device is provided with which energy is supplied from the supply network during removal of energy from the intermediate circuit such that the intermediate circuit voltage (U D c) is kept at a constant value (U D c m n ) and by the Regenerative capacity at a DC link voltage U D cm ⁇ n ⁇ U D c ⁇ U D cmax is turned off.
  • Advantageous embodiments are subject matter of claims 2 to 5.
  • the energy management according to the invention comprises both process and device components.
  • a regulated intermediate circuit preparation is used to generate the intermediate circuit voltage U 0C , it being ensured that the intermediate circuit voltage U DC does not fall below a definable value U D c min . With energy recirculation (deceleration process) this is fed into the DC link.
  • the intermediate circuit voltage increases to U D c> U D c mm - If energy is taken from the DC link (acceleration process), this leads first to a reduction of the DC link voltage up to U D c min , without thereby energy is removed from the network , Energy is only supplied from the feeding network through the device when the energy is withdrawn and the intermediate circuit voltage U DC is regulated to the constant value U D c m n .
  • An essential feature of the invention is that the regenerative capability of the device is turned off or is only activated again for safety reasons above a voltage U ü c max .
  • This re-activation merely serves to ensure that in the event of a system fault, inadmissibly high voltage values in the DC link will lead to device destruction.
  • an active voltage regulation takes place on U DC ⁇ H ⁇ . Since the power feedback is normally disabled, this leads to an increase in the intermediate circuit voltage to U D c> U DCm ⁇ n during braking, the increase of the size of the recirculated braking energy and the size of the DC link capacity is dependent.
  • the recirculated braking energy is known or can be calculated under "worst-case" condition.
  • Uoc max the minimum size of the DC link capacitance can be calculated.
  • the intermediate circuit voltage U DC decreases again.
  • the voltage regulation becomes active again and energy is supplied from the mains. This way of working ensures that only the energy actually converted in the machine has to be supplied by the grid. The entire other energy exchange takes place exclusively in the DC link.
  • a high DC link voltage results as a further advantage.
  • the average DC link voltage is significantly higher than the minimum DC link voltage, so that there is an even better utilization of the motor compared to an exclusively regulated DC link supply.
  • Fig. 1 as a circuit diagram of the basic structure of an arrangement with several electric motor drives, which are fed by a common DC voltage intermediate circuit
  • Fig. 2 is a diagram showing the course of the DC link voltage on the virtual angular position
  • FIG. 1 the basic structure of an arrangement with multiple electrical, each consisting of an inverter 2 and an electric motor 3 drives for the drive of not shown here assemblies for processing and / or transport operations on machinery and equipment visible.
  • several drives are fed by a common DC voltage intermediate circuit.
  • Such a structure is known per se, so that can be dispensed with a more detailed explanation.
  • the mains-side peak power is about 250 kW for a "normal", ie for a conventionally regulated DC link supply
  • the energy management according to the invention it is now possible to extract only this relatively low - actually required - power from the grid Heat converted.

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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 (UDCmιn) 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 (UDCmιn) gehalten wird und dass die Netzrückspeisefähigkeit bei einer Zwischenkreisspannung UDCmιn < UDC < UDCmax ausgeschaltet wird.

Description

Energiemanagement für den Antrieb von Baugruppen für Bearbeitungs- und/oder Transportvorgänge an Maschinen und Anlagen
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 Zwischen kreisaufbereitung 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 x 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 (UDc) durch eine geregelte Zwischenkreisaufbereitung derart erzeugt und aufbereitet wird, dass die Zwischenkreisspannung (UDc) einen vorab definierbaren Wert (UDcmιn) 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 (UDc) auf einem konstanten Wert (UDcmιn) gehalten wird und indem die Netzrückspeisefähigkeit bei einer Zwischenkreisspannung UDcmιn < UDc < UDcmax 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 U0C eine geregelte Zwischenkreisaufbereitung verwendet, wobei gewährleistet ist, dass die Zwischenkreisspannung UDC einen definierbaren Wert UDcmιn nicht unterschreitet. Bei Energierückführung (Abbremsvorgang) wird diese in den Zwischenkreis gespeist. Dabei erhöht sich die Zwischenkreisspannung auf UDc > UDcmm- Sofern Energie aus dem Zwischenkreis entnommen wird (Beschleunigungsvorgang), führt dies zunächst zu einer Verringerung der Zwischenkreisspannung bis auf UDcmιn, 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 UDC auf den konstanten Wert UDcmιn geregelt.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Rückspeisefähigkeit der Einrichtung ausgeschaltet wird bzw. aus Sicherheitsgründen erst ab einer Spannung Uücmax 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 UDCΠHΠ statt. Da die Netzrückspeisung im Normalfall deaktiviert ist, führt dies bei Bremsvorgängen zu einer Erhöhung der Zwischenkreisspannung auf UDc > UDCmιn, 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 Uocmax 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 UDC wieder ab. Sobald die Zwischenkreisspannung UDc den definierten bzw. eingestellten Wert UDcmιn 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:
Fig. 1 als Schaltbild den grundsätzlichen Aufbau einer Anordnung mit mehreren elektromotorischen Antrieben, die von einem gemeinsamen Gleichspannungszwischenkreis gespeist werden
Fig. 2 ein Diagramm mit dem Verlauf der Zwischenkreisspannung über der virtuellen Winkellage
Aus Fig. 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 Fig. 2 ist dieser Sachverhalt für Uocmm = 600 V grafisch dargestellt. Deutlich ist dabei die Grenze der aktiven Regelung mit UDc = Uocmm zu erkennen. Nur in dieser Phase wird das Netz belastet. Außerhalb dieser Phase gilt UDc > UDcmm und der Energieaustausch findet ausschließlich im Zwischenkreis statt.

Claims

Patentansprüche
1. 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 (UDC) durch eine geregelte Zwischenkreisaufbereitung derart erzeugt und aufbereitet wird, dass die Zwischenkreisspannung (UDc) einen vorab definierbaren Wert (UDcmm) 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 (UDO™) gehalten wird und dass die Netzrückspeisefähigkeit bei einer Zwischenkreisspannung UDcmιn < UDc < UDcmaχ ausgeschaltet wird.
2. Energiemanagement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gerätetechnik zur Erzeugung der Zwischenkreisspannung (UDC) derart parametriert wird, dass eine aktive Spannungsregelung im Einspeisemodus bewirkbar ist.
3. Energiemanagement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Netzrückspeisefähigkeit bei einer Zwischenkreisspannung UDc > UDCmaχ aktiviert wird.
4. Energiemanagement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung (1) zumindest ein Netzfilter zugeordnet wird.
5. Energiemanagement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Einrichtung (1) eine Blindleistungskompensation zugeordnet wird.
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