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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energieversorgung von Antrieben
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 11.
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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.
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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).
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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.
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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 werden 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.
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Bislang
versorgt der Frequenzumrichter auch bei seriell ablaufendem Prozess
immer nur einen Antrieb mit der für ihn benötigten Energie. Dadurch werden
bei beispielsweise drei Drehstrommotoren drei Frequenzumrichter
für die
Energieversorgung benötigt.
Ein Nachteil heutiger Antriebssysteme (Frequenzumrichter und Antrieb)
ist, dass die Frequenzumrichter auf die Spitzenlast des Prozesses ausgelegt
werden müssen,
auch wenn diese Spitzenlast nur für eine relativ kurze Zeit (im
Sekundenbereich) auftritt. Dies bedeutet, dass auch für diese relativ
kurze Zeit in Bezug zur gesamten Prozesszeit der Frequenzumrichter
nicht im Überlastbetrieb
betrieben werden kann, sondern im Dauerbetrieb betrieben werden
muss, da der Überlastbetrieb
von Frequenzumrichtern zeitlich wesentlich kleiner ist. Daher müssen auch
bei Anwendungen, bei denen nur relativ selten eine hohe Spitzenlast
verlangt wird, Frequenzumrichter auf diese Spitzenlast ausgelegt
werden. Die Frequenzumrichter sind damit überdimensioniert, wenn man
den mittleren Leistungsbedarf betrachtet. Da die Komplexität der Bearbeitungssysteme,
wie Werkzeugmaschinen, Spritzgießmaschinen, Fertigungsstraßen und
dergleichen, immer weiter zunimmt, werden auch immer mehr elektrische
Antriebe mit zugehörigem
Frequenzumrichter benötigt.
Dies führt
zu immer größeren Dimensionen
des Schaltschrankes, zu einem immer größeren Energieverbrauch und
somit zu einem steigenden Kostenaufwand.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung
so auszubilden, dass der Energiebedarf gering gehalten werden kann.
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Diese
Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen Vorrichtung
erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 11 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach
Anspruch 1 ist der zusätzliche
Leistungssteller auf Spitzenlast ausgelegt. Da jeder Antrieb mit
seinem eigenen Leistungssteller versehen ist, wird die Dauerleistung
von diesen antriebsseitigen Leistungsstellern erbracht. Sie können für die Dauerleistung wesentlich
kleiner dimensioniert werden. Benötigt einer der Antriebe eine
Spitzenlast, dann wird er mit dem zusätzlichen Leistungssteller verbunden,
der die Spitzenlast erbringt und an den Antrieb liefert. Da jeder
Antrieb über
seinen eigenen Leistungssteller mit dem zusätzlichen Leistungssteller verbunden
werden kann, kann jeder Antrieb mit dem zusätzlichen Leistungssteller verbunden
werden, wenn er Spitzenlast benötigt.
Dieser zusätzliche
Leistungssteller enthält die
Steuerungs- bzw. Regelungskomponenten für die angeschlossenen Antriebe.
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Bei
einer Ausbildung der Vorrichtung entsprechend Anspruch 11 werden
zur Erzeugung einer Spitzenlast für einen der Antriebe wenigstens
zwei Leistungssteller von nicht aktiven Antrieben parallel geschaltet.
Dadurch kann der aktivierte Antrieb mit der notwendigen Spitzenleistung
versehen werden.
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Bei
sequenziellen Spitzenleistungsvorgängen, bei denen zeitlich immer
nur ein Antrieb seine Spitzenleistung benötigt, während sich die anderen im Nennbetrieb
befinden, wird der entsprechende Antrieb für die benötigte Zeit durch den zusätzlichen Leistungssteller
mit der Spitzenleistung versorgt.
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Die
Parallelschaltung der antriebseigenen Leistungssteller erfolgt vorteilhaft
durch Leistungsverteilungsmodule. Bei sequenziellen Spitzenleistungsvorgängen ist
eine gute Synchronisation der entsprechenden Schalter der beteiligten
Leistungssteller untereinander notwendig. Die Spitzenleistung kann
im Übrigen
nur die Summe der Nennleistung der beteiligten Leistungssteller
sein. Die sequenzielle Betriebsweise ist durch die Kenntnis des
Zeitverhaltens des gesamten Systems möglich. Durch mehrere Regeleinheiten
in einem Regelgesamtsystem des zusätzlichen Leistungsstellers
wird jeder Antrieb im Spitzenleistungsbetrieb durch eine auf seinen
Prozess angepasste Regelung angesteuert. Vorteilhaft mit Leistungsschaltern
wird immer derjenige Antrieb mit dem zusätzlichen Leistungssteller verbunden,
der gerade die Spitzenleistung benötigt. Wird keine Spitzenleistung
benötigt,
so kann der zusätzliche
Leistungssteller in einen Ruhezustand übergehen, bei dem er nur minimal
Energie verbraucht.
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Vorteilhaft
ist das Leistungsverteilungsmodul zur Verteilung der Spitzenenergie
am zusätzlichen Leistungssteller
angebracht. Er schaltet immer den Antrieb an den zusätzlichen
Leistungssteller, der gerade die Spitzenleistung benötigt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
wird hauptsächlich
auf dem Gebiet der Versorgung von elektrischen Antrieben mit Energie
eingesetzt, die seriell für
eine kurze Zeit eine große
Spitzenleistung benötigen.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden
Energie und damit Kosten und Platzbedarf eingespart.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und den Zeichnungen.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispieles
näher erläutert. Es
zeigen
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1 den
schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
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2 in
schematischer Darstellung den Aufbau eines zusätzlichen Leistungsstellers,
der vorzugsweise als Frequenzumrichter ausgebildet ist,
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3 in
schematischer Darstellung einen Leistungsteil des Leistungsstellers
gemäß 2,
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4 ein
Leistungsverteilungsmodul der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die
Vorrichtung hat ein Leistungsverteilungsmodul 3, das an
einem Leistungssteller 1, vorzugsweise einem Frequenzumrichter,
angebracht ist. Dem Leistungssteller 1 vorgeschaltet ist
ein Spannungszwischenkreis 5, mit dem die dreiphasige Eingangsspannung
des öffentlichen
Stromnetzes gleichgerichtet und der Lastseite des Leistungsstellers 1 zur
Verfügung
gestellt wird. Das Leistungsverteilungsmodul 3 ist über Leitungen 10 mit
Leistungsstellern 7 verbunden, deren Lastseite mit dem
Spannungszwischenkreis 5 verbunden ist. Die Leistungssteller 7 sind
Antrieben 4 zugeordnet, die über Leistungskabel 2 an
das Leistungsverteilungsmodul 3 angeschlossen sind. Die
Leis tungssteller 7 liefern die Energie über das Leistungsverteilungsmodul 3 und die
Leistungskabel 2 an die jeweiligen Antriebe 4.
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Der
Leistungssteller 1 hat einen Leistungsteil 11,
der über
eine Steuerlogik 12 angesteuert wird. Die Steuerlogik 12 ihrerseits
steuert dann entsprechend der Steuerbefehle 8 das Leistungsteil 11 an. Eventuell
auftretende Fehler werden von der Steuerlogik 12 über die
Leitung 14 an die Reglereinheit 13 zurückgegeben
(2).
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Der
zusätzliche
Leistungssteller 1 hat den Leistungsteil 11 (3),
der mit den Schaltern 15 versehen ist. Sie sind im Ausführungsbeispiel
jeweils paarweise seriell geschaltet. Mit den Schaltern 15 wird
die aus der Regelung gewünschte
Spannung eingestellt und damit der Energiefluss gesteuert.
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Die
Steuerlogik 12 erzeugt Befehle 9, die sie an Schalter 15 (3)
des Leistungsteils 11 weitergibt. Die Reglereinheit 13 als
Gesamtführungssystem
enthält
für jeden
Antrieb 4 ein auf ihn abgestimmtes eigenes Regelsystem.
Die Vorgabe der Lage und die Ablaufsteuerung für die einzelnen Antriebe 4,
d. h. welche Regeleinheit 13 für welchen Antrieb 4 gerade
aktiv ist, übernimmt
eine übergeordnete
Steuereinheit 16, die beispielsweise eine NC-Steuerung ist. Die
Steuereinheit 16 sendet über einen Steuerbus 6 die
entsprechenden Befehle an die Steuerlogik 12. Sie wiederum
gibt die Befehle über
einen Steuerbus 17 an das Leistungsverteilungsmodul 3 weiter,
das an den Leistungssteller 1 angeschlossen ist.
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Die
Leistungssteller 7 der Antriebe 4 sind bis auf
das Leistungsverteilungsmodul 3 gleich aufgebaut wie der
Leistungssteller 1. Die Leistungssteller 7 haben
nur ein Regelsystem für
den ihm zugeordneten Antrieb 4. Diese antriebseigenen Leistungssteller 7 sind
auf die Nennleistung des Antriebes 4 ausgelegt und entsprechen
ansonsten dem Stand der Technik. Diese Leistungssteller 7 können über vorgeschaltete
Leistungsverteilungsmodule miteinander verbunden werden, um eine
höhere
Leistung für
den jeweiligen Antrieb 4 zur Verfügung zu stellen.
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Der
zusätzliche
Leistungssteller 1 ist von seiner Leistung nach der Leistung
desjenigen Antriebes 4 dimensioniert, der die größte Spitzenleistung
benötigt.
Der Leistungssteller 1 ist darum nur in der Signalelektronik
und der Regelung erweitert. In den Leistungssteller 1 ist
eine zusätzliche
Signalelektronik implementiert, die die Schalter 15 des
Leistungsverteilungsmoduls 3 ansteuert. Je nachdem ob Halbleiterschalter
oder Relais verwendet werden, ist die Signalelektronik dimensioniert.
Die Regelung und Steuerung für
die Antriebe 4 ist bei einer geringen Stückzahl softwaretechnisch
in die vorhandene Hardware implementiert. Erst wenn der Speicherplatz
der Hardware, beispielsweise eines Mikrocontrollers, nicht mehr
ausreicht, muss sie ergänzt
werden. Ansonsten entspricht auch der Leistungssteller 1 dem
Stand der Technik.
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Das
Leistungsverteilungsmodul 3 hat Schalter 18 und 19 (4),
die den Antrieb 4 mit dem zusätzlichen Leistungssteller 1 verbinden,
wenn der Antrieb mit Spitzenleistung versorgt werden soll. Dadurch
wird gewährleistet,
dass ein Antrieb 4 nur die für ihn bestimmte Spitzenenergie
erhält.
Als Schalter 18 kommen Halbleiterschalter, beispielsweise
IGBTs (Isolated Gate Bipolar Transistors), oder bei langsameren
Sequenzen Relais in Betracht. Zum Kurzschließen der Phasen während des
Umschaltvorganges vom eigenen Leistungssteller 7 auf den
zusätzlichen
Leistungssteller 1 können
zudem zum Schutz gegen Überspannungen
passive Elemente, beispielsweise Varistoren, eingesetzt werden.
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Das
Leistungsverteilungsmodul 3 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
am zusätzlichen
Leistungssteller 1 vorgesehen. Es ist grundsätzlich aber auch
möglich,
vor jedem der Leistungssteller 7 ein Leistungsverteilungsmodul
vorzusehen.
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Die
Schalter 18 und 19 des Leistungsverteilungsmoduls 3 sind über die
Leitungen 10 mit den antriebseigenen Leistungsstellern 7 verbunden.
Die Schalter 18 und 19 sind außerdem mit dem Leistungssteller 1 leitungsver bunden. Über die
Leistungskabel 2 erfolgt die Verbindung zwischen dem Leistungsverteilungsmodul 3 und
den Antrieben 4 (1).
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Der
Leistungssteller 1 kann über die Schalter 18 auswählen, welchen
Antrieb 4 er mit Spitzenleistung versorgt. Gleichzeitig
wird der zugehörige
Leistungssteller 7 dieses Antriebes 4 vom Leistungskabel 2 durch
einen Schalter 19 getrennt. Für jeden Antrieb 4 ist
ein entsprechender Schalter 19 im Leistungsverteilungsmodul 3 vorgesehen.
Die Schalter 19 können als
Halbleiterschalter, beispielsweise als IGBTs (Isolate Gate Bipolar
Transistor), oder bei langsamen Sequenzen als Relais ausgebildet
sein.
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Über die
Schalter 18 kann der zusätzliche Leistungssteller 1 auf
den jeweils anzusteuernden Antrieb 4 umschalten, während über die
Schalter 19 die antriebsseitigen Leistungssteller 7 von
den zu den Antrieben 4 führenden Leistungskabeln 2 getrennt
werden.
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Der
zusätzliche
Leistungssteller 1 ist für die absolute Spitzenleistung
des entsprechenden Antriebes 4 ausgelegt. Dieser Leistungssteller 1 kann
darum jeden Motor 4 mit seinem unterschiedlichen Spitzenleistungsbedarf über das
drei- oder vierphasige Leistungskabel 2 mit Energie versorgen.
Die Antriebe 4 können
somit über
den zusätzlichen
Leistungssteller 1 auch geregelt werden. Für den Nennbetrieb
ist jeder Antrieb 4 mit seinem eigenen Leistungssteller 7 versehen,
um einen Parallelbetrieb der Antriebe 4 zu ermöglichen.
Diese Leistungssteller 7 müssen jedoch nicht mehr auf
die Spitzenleistungen des Antriebes 4 ausgelegt sein, sondern
nur auf den Nennbetrieb, wodurch sich eine deutliche Reduktion an
Kosten und Platz ergibt.
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Benötigt einer
der Antriebe 4 eine Spitzenleistung, wird er mittels des
Schalters 19 von seinem eigenen Leistungssteller 7 getrennt
und mit dem zusätzlichen
Leistungssteller 1 verbunden. Das Abschalten des antriebseigenen
Leistungsstellers 7 und das Zuschalten des zusätzlichen
Leistungsstellers 1 kann zeitlich nacheinander oder auch überlappend erfolgen.
Bei einer überlappenden
Umschaltung ist eine einwandfreie Synchronisation der Schalt vorgänge der
Schalter 15 der beiden Leistungssteller 1 und 7 und
nur die maximal doppelte Nennleistung als Spitzenleistung Voraussetzung.
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Eine
weitere Möglichkeit,
die Spitzenleistung für
den jeweiligen Antrieb 4 zu erbringen, besteht darin, diejenigen
antriebsseitigen Leistungssteller 7, die gerade keine Leistung
abgeben müssen,
parallel zu schalten. Auch hier ist jedoch eine einwandfreie Synchronisation
der Schalter 15 der beteiligten Leistungssteller 7 Voraussetzung.
Weiter kann die Spitzenleistung nur die Summe der Nennleistung der
beteiligten antriebsseitigen Leistungssteller 7 sein. Es können auf
diese Weise allerdings nicht mehrere Antriebe mit Spitzenleistung
betrieben werden, was jedoch bei vielen Anwendungen auch nicht nötig ist.
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Bei
Anwendungen, bei denen serielle Spitzenleistungen von den Antrieben
gefordert werden, wie beispielsweise auf dem Gebiet der Robotik,
können
mit dem beschriebenen Leistungsverteilungssystem Hardwareaufwand
und Kosten gespart werden.