WO2007124983A1 - Einrichtung zur sicherung einer unterbrechungsfreien stromversorgung eines magnetlagers bei ausfall einer elektrischen versorgungsspannung - Google Patents

Einrichtung zur sicherung einer unterbrechungsfreien stromversorgung eines magnetlagers bei ausfall einer elektrischen versorgungsspannung Download PDF

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WO2007124983A1
WO2007124983A1 PCT/EP2007/052506 EP2007052506W WO2007124983A1 WO 2007124983 A1 WO2007124983 A1 WO 2007124983A1 EP 2007052506 W EP2007052506 W EP 2007052506W WO 2007124983 A1 WO2007124983 A1 WO 2007124983A1
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voltage
transformer
magnetic bearing
supply voltage
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Joachim Denk
Dietmar Stoiber
Bernd Wedel
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F16C32/0451—Details of controllers, i.e. the units determining the power to be supplied, e.g. comparing elements, feedback arrangements with P.I.D. control

Definitions

  • the invention relates to a device for securing an uninterruptible power supply of a magnetic bearing in case of failure of an electrical supply voltage.
  • the waves of high-speed motors are increasingly being borne by non-contact magnetic bearings rather than conventional plain or roller bearings.
  • a magnetic bearing must always be actively controlled.
  • magnetic bearing for supporting a motor shaft or any other shaft, which is driven by a motor are used increasingly.
  • magnetic bearings are used more often.
  • magnetic bearings In contrast to conventional rolling element bearings, magnetic bearings must be continuously supplied with electrical energy in order to ensure proper storage.
  • German Patent Application DE 43 06 307 A1 discloses a method for preventing damage to numerically faulty machines in the event of a power failure. It is provided, the kinetic energy of a main spindle drive during power failure ⁇ regulated in the intermediate circuit to feed back and egg NEN program-controlled emergency retraction of the tool spindle to perform.
  • Drive units for magnetic bearings usually work with a DC link voltage of 150V to 750V. This voltage range is technically referred to as "low voltage”.
  • high performance engines are often with ⁇ we sentlich higher voltages supplied (eg 3kV). If such a motor has a magnetic bearing, then the braking energy can no longer directly from the DC bus of the intended for driving the motor inverter in the DC bus of the
  • Inverter of the drive unit for the magnetic bearing are transmitted. Therefore, in particular in such cases, often used to Si ⁇ insurance of an uninterruptible power supply of the magnetic bearing in case of failure of the electrical supply voltage already mentioned at the beginning of uninterruptible power supply systems.
  • Power supply system keeps the functionality of Mag ⁇ netlagerung eg a shaft upright until the rotating shaft slowed down far enough and no damage or wear occurs when placed in the emergency.
  • Uninterruptible power supply systems are a significant cost factor in magnetic bearings.
  • the invention has for its object to avoid bearing damage when using a magnetic bearing in an interruption of the power supply of the magnetic bearing in case of failure of the electrical supply voltage.
  • a device for securing an uninterruptible power supply of a magnetic bearing in case of failure of an electrical supply voltage comprising: - a first inverter, which is supplied by the supply voltage with electrical energy and a motor ansteu ⁇ ed and - A transformer which is connected to a rectifier and the motor, wherein the rectifier in case of failure of the electrical supply voltage, an electrical intermediate circuit of a second inverter, which serves to drive the magnetic bearing, supplied with electrical energy.
  • the transformer electrical resistors are connected upstream. As a result, especially when using asynchronous motors, the transformer can be relieved to avoid premature saturation.
  • a coil is connected in series between the rectifier and the electrical intermediate circuit. With the help of the coil, a good smoothing of the output voltage generated by the rectifier can be achieved.
  • the rectifier is designed as an uncontrolled rectifier, since an uncontrolled rectifier can be realized particularly easily.
  • the transformer tor is dimensioned so that in the presence of versor ⁇ supply voltage, the voltage on the rectifier side of the transformer below, in particular just below, the intermediate circuit voltage of the second inverter is located. In this way it can be ensured that the intermediate circuit of the second converter is supplied with electrical energy via the rectifier only when the supply voltage fails.
  • a power converter is connected between rectifier and intermediate circuit, wherein the power converter is controlled so that the DC link voltage remains constant as long as possible in case of failure of the electrical supply voltage.
  • the DC link voltage can be maintained for a particularly long time to supply the magnetic bearing.
  • the rectifier is designed as a controlled rectifier.
  • the DC link voltage can be maintained for a long time in case of failure of the electrical supply voltage.
  • Device and 2 shows the course of the AC output voltage in one phase.
  • FIG 1 shows a schematic electrical block diagram of the device according to the invention.
  • a supply network 1 is connected to a first converter 2 by means of a three-phase line, which in turn is connected to a motor 3 by means of a three-phase line.
  • the motor 3 has a rotating shaft 4, which is mounted by means of a magnetic bearing 5.
  • the three-phase versor ⁇ supply voltage U which provides the supply network 1 available is rectified by the first inverter 2, first means ei ⁇ nes first power converter 20 and then alternately directed again by means of a second power converter 21 and the three-phase AC output voltage U A produced.
  • the motor 3 is thus driven by the first inverter 2.
  • the motor 3 has a high output, so that the supply voltage U and the output AC voltage U A lie in the kilovolt range within the scope of the exemplary embodiment.
  • the magnetic bearing 5 is driven by a second inverter 14 by means of lines 15 and thus supplied with electrical energy.
  • the second inverter 14 is in the context of the embodiment of part of a drive unit 18 which faces to control the inverter 14 a control 19 on ⁇ .
  • the second inverter 14 has in this case a power ⁇ rectifiers 12 which in an intermediate circuit 11, an intermediate circuit voltage U z generated, which in turn is alternately directed in accordance of a power inverter 13 and is used to control the magnetic bearing. 5
  • the magnetic bearing 5 is thus supplied with electrical energy.
  • the intermediate circuit to a gate Kondensa ⁇ sixteenth The second converter 14 operates in the low-voltage range, so that the intermediate circuit voltage U z in a range of several volts to several hundred volts moves, that is much lower than the supply voltage U is. Therefore, the supply voltage U by means of an on ⁇ matching transformer 10 is transformed down to them on the voltage level of the second inverter 14 to adapt.
  • the motor 3 runs out and thus passes into the regenerative operating state and generates, as normally the first inverter 2, the output AC voltage U A , which is in several kilovolts range (eg 3kV).
  • the AC output voltage U A is according to the invention by means of a transformer 7 to a clamping voltage level ⁇ transformed down, which in the order of magnitude of the voltage level of an intermediate circuit 11 of the second environmental judge 14 is located.
  • the transformer 7 On the output side, the transformer 7 is connected to a rectifier 8 which, on the output side, generates a DC voltage which serves to supply the electrical intermediate circuit 11 of the second converter 14 with energy.
  • the rectifier 8 is this the output side to the Zwi ⁇ intermediate circuit. 11
  • the output voltage or the output current are additionally, tet the rectifier 8 smoothed by a series-connected coil 9, which is shown in dashed lines in FIG 1 dig.
  • the rectified ⁇ judge 8 is designed as uncontrolled rectifier, ie it is constructed with non-controllable power converter valves such as diodes.
  • the transformer 7 is preferably dimensioned such that in the presence of the supply voltage U, the voltage on the rectifier side of the transfor ⁇ transformer below, in particular just below, the intermediate circuit voltage of the second inverter 14 is located.
  • a power converter 22 may be connected, which is indicated by dashed lines in Figure 1, wherein the power converter 22 is controlled so that in case of failure of the electrical supply voltage U, the intermediate circuit voltage U z as possible remains constant for a long time.
  • the rectifier 8 as a controlled rectifier, for example, the controlled electric valves such For example, IGBTs or thyristors as electric valves on ⁇ has.
  • the output voltage of the rectifier 8 can then also be controlled accordingly to maintain the DC link voltage U z as long as possible after a failure of the supply voltage U upright.
  • the transformer 7 it may be necessary ⁇ who, electrical resistors 6 on the motor side of the Trans ⁇ formator 2, the transformer 7 in series vorzalten.
  • the resistors 6 lead to a limitation of the DC component resulting in this case, so that the transformer 7 does not prematurely saturate.
  • This may be necessary, for example, if the motor 3 is designed as an asynchronous motor, whose magnetizing current is impressed and whose rotor is at idle at a fixed angle of rotation.
  • the output voltage of the inverter is a pulse width modulated pulse train, which does not change the sign, so that a DC component is created in the voltage.
  • the transformer must be dimensioned so that at maximum possible output AC voltage U A of the first
  • the transformer 7 therefore has to be dimensioned such that it can transmit the voltage-time area (corresponding to the magnetic flux) that the first converter 2 can generate to its maximum saturation-free.
  • the voltage-time area results from the number and duration of the voltage pulses, which follow one another in the same polarity.
  • the smoothed flux-forming voltage U s resulting from the example in 2 shows the pulse-width-modulated AC output voltage U A of the first converter 2 is shown in FIG 2 ent ⁇ speaking. Since the motor 3 is designed for a certain maximum magnetic flux, so is the maximum voltage-time area of the output change ⁇ voltage U A of the first inverter fixed. This value can be used as a dimensioning basis for the voltage-time surface of the transformer 7.
  • first converter 2 and / or the second converter 14 of course, as a converter, a so-called current intermediate circuit (instead of a parallel-connected capacitor is a series-connected coil as an energy storage element in the intermediate circuit provided) formed could be.
  • FIG 1 for clarity, only the devices for locking ⁇ of the invention, essential components of understanding shown, in particular, only a control unit 18 for controlling the magnetic bearing for a movement direction (eg X-direction shown.
  • the driving units for the other motion ⁇ (Y Direction, Z-direction) are connected in analogous form as the drive unit 18 to the adapting transformer 10, the magnetic bearing 5 and the rectifier 8.
  • the drive unit 18 can also be designed such that it does not have just a single power inverter 13, but that it has for controlling the other directions of movement of the magnetic bearing 5 each associated further ⁇ re line inverter, all of which are supplied by the common intermediate circuit 11 with electrical energy who ⁇ .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Sicherung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Magnetlagers (5) bei Ausfall einer elektrischen Versorgungsspannung (U), umfassend: - einen ersten Umrichter (2), der von der Versorgungsspannung (U) mit elektrischer Energie versorgt wird und einen Motor (3) ansteuert und - einen Transformator (7), der mit einem Gleichrichter (8) und dem Motor (3) verbunden ist, wobei der Gleichrichter (8) bei Ausfall der elektrischen Versorgungsspannung (U) einen elektrischen Zwischenkreis (11) eines zweiten Umrichters (14), der zur Ansteuerung des Magnetlagers (5) dient, mit elektrischer Energie versorgt. Die Erfindung ermöglicht einen Lagerschaden bei Einsatz eines Magnetlagers bei einer Unterbrechung der Stromversorgung des Magnetlagers bei Auswahl der elektrischen Versorgungsspannung zu vermeiden.

Description

Beschreibung
Einrichtung zur Sicherung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Magnetlagers bei Ausfall einer elektrischen Versorgungsspannung
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Sicherung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Magnetlagers bei Ausfall einer elektrischen Versorgungsspannung.
Die Wellen von sich schnell drehenden Motoren werden immer häufiger von berührungslosen magnetischen Lagern anstatt von herkömmlichen Gleit- oder Wälzlagern getragen. Ein Magnetlager muss dabei stets aktiv geregelt werden.
Bei Motoren, insbesondere bei Motoren von Werkzeugmaschinen, Produktionsmaschinen und/oder Robotern werden in zunehmenden Maße Magnetlager zur Lagerung einer Motorwelle oder einer beliebig anderen Welle, die von einem Motor angetrieben wird, eingesetzt. Insbesondere zur Lagerung von Spindeln werden immer häufiger Magnetlager eingesetzt.
Magnetlager müssen aber im Gegensatz zu konventionellen Wälzkörperlagern kontinuierlich mit elektrischer Energie versorgt werden um eine vorschriftsmäßige Lagerung zu gewährleisten.
Fällt die Versorgungsspannung des Magnetlagers z.B. durch einen elektrischen Ausfall des Versorgungsnetzes aus, dann läuft nicht nur der Motor aus, sondern auch die Funktionsfä¬ higkeit des Magnetlagers ist nicht mehr gegeben. Um auch bei Ausfall der Versorgungsspannung des Magnetlagers bei noch sich drehendem Motor eine Beschädigung des Magnetlagers, der Welle und/oder anderen Komponenten zu vermeiden werden bei handelsüblichen Magnetlagern auf mechanische Weise so genannte Notlaufeigenschaften realisiert, die für eine begrenzte Anzahl von Ausfällen der Versorgungsspannung des Magnetlagers noch eine Notlagerung gewährleisten ohne dass das Magnetlager, die Welle oder andere Komponenten Schaden nehmen. Problematisch bleiben jedoch Anwendungen von Magnetlagern in Ge- bieten mit unzureichend stabilen elektrischen Versorgungsnet¬ zen. Die maximal zulässige Anzahl von Notlaufauslaufen des Magnetlagers ist dann schnell erreicht, so dass die oben ge¬ nannten Komponenten schon nach relativ kurzer Zeit ausge- tauscht werden müssen. Dieser Tausch ist in der Regel zeitaufwendig und mit hohen Kosten verbunden.
Bei handelsüblichen Werkzeugmaschinen sind Magnetlagerungssysteme bekannt, bei denen die Ansteuereinheiten des Magnet- lagers vom gleichen Umrichterzwischenkreis an dem auch die übrigen Antriebseinheiten der Werkzeugmaschine angeschlossen sind, mit elektrischer Energie versorgt werden. Bei Stromaus¬ fall kann dann aus der Energie der drehenden Spindel der Zwischenkreis energetisch aufrechterhalten werden. Dadurch wird die Spindel (drehender Rotor) abgebremst und das Magnetlager gleichzeitig funktionsfähig gehalten, ohne dass dafür eine so genannte unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage z.B. in Form einer batteriegepufferten Versorgung notwendig wäre.
So ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 43 06 307 Al ein Verfahren zur Schadensverhütung an numerisch gestörten Maschinen bei Netzausfall bekannt. Hierbei ist vorgesehen, die kinetische Energie eines Hauptspindelantriebs bei Netz¬ ausfall geregelt in den Zwischenkreis zurückzuspeisen und ei- nen programmgesteuerten Notrückzug der Werkzeugspindel durchzuführen .
Ansteuereinheiten für Magnetlager arbeiten in der Regel mit einer Zwischenkreisspannung von 150V bis 750V. Dieser Span- nungsbereich wird technisch als "Niederspannung" bezeichnet. Insbesondere leistungsstarke Motoren werden häufig mit we¬ sentlich höheren Spannungen versorgt (z.B. 3kV) . Weist ein solcher Motor eine Magnetlagerung auf, so kann die Bremsenergie nicht mehr direkt vom Zwischenkreis des zur Ansteuerung des Motors vorgesehenen Umrichters in den Zwischenkreis des
Umrichters der Ansteuereinheit für das Magnetlager übertragen werden . Deshalb werden insbesondere in solchen Fällen häufig zur Si¬ cherung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung des Magnetlagers bei Ausfall der elektrischen Versorgungsspannung die schon eingangs angesprochenen unterbrechungsfreien Strom- Versorgungsanlagen eingesetzt. Eine unterbrechungsfreie
Stromversorgungsanalge hält die Funktionsfähigkeit der Mag¬ netlagerung z.B. einer Welle solange aufrecht, bis die sich drehende Welle genügend weit abgebremst und beim Aufsetzen in die Notlagerung keine Beschädigungen oder Verschleiß auf- tritt.
Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen weisen jedoch mehrere Nachteile auf:
- Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen stellen einen erheblichen Kostenfaktor bei Magnetlagern dar.
- Unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen beanspruchen einen erheblichen Bauraum.
- Um die Funktionsfähigkeit der Batterien einer unterbre- chungsfreien Stromversorgungsanlage zu gewährleisten, müs¬ sen bestimmte Umgebungsbedingungen wie z.B. Temperatur, Luftfeuchtigkeit usw. eingehalten werden.
- Die Batterien müssen regelmäßig geprüft und gewartet wer¬ den .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Lagerschaden bei Einsatz eines Magnetlagers bei einer Unterbrechung der Stromversorgung des Magnetlagers bei Ausfall der elektrischen Versorgungsspannung zu vermeiden.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung zur Sicherung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Magnetlagers bei Ausfall einer elektrischen Versorgungsspannung, umfassend: - einen ersten Umrichter, der von der Versorgungsspannung mit elektrischer Energie versorgt wird und einen Motor ansteu¬ ert und - einen Transformator, der mit einem Gleichrichter und dem Motor verbunden ist, wobei der Gleichrichter bei Ausfall der elektrischen Versorgungsspannung einen elektrischen Zwischenkreis eines zweiten Umrichters, der zur Ansteuerung des Magnetlagers dient, mit elektrischer Energie versorgt.
Insbesondere soll durch die Erfindung ermöglicht werden, bei unterschiedlichen Zwischenkreisspannungen des Umrichters zum Ansteuern des Motors und des Umrichters zum Ansteuern des Magnetlagers auf eine unterbrechungsfreie Stromversorgungsan¬ lage, welche in der Regel eine Batterie benötigt, verzichten zu können.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn dem Transformator elektrische Widerstände vorgeschaltet sind. Hierdurch kann insbesondere bei Verwendung von Asynchronmotoren der Trans- formator entlastet werden um eine vorzeitige Sättigung zu vermeiden .
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn zwischen Gleichrichter und elektrischen Zwischenkreis eine Spule in Reihe geschaltet ist. Mit Hilfe der Spule lässt sich eine gu¬ te Glättung der vom Gleichrichter erzeugten Ausgangsspannung erzielen .
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Gleich- richter als ungesteuerter Gleichrichter ausgebildet ist, da ein ungesteuerter Gleichrichter besonders einfach realisiert werden kann.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Transforma- tor so dimensioniert ist, dass bei maximal möglicher Aus¬ gangswechselspannung des ersten Umrichters keine Sättigung des Transformators auftritt. Durch diese Maßnahme kann auch bei einer hohen Ausgangswechselspannung eine Sättigung des Transformators sicher vermieden werden.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Transforma- tor so dimensioniert ist, dass bei Vorhandensein der Versor¬ gungsspannung, die Spannung auf der Gleichrichterseite des Transformators unterhalb, insbesondere knapp unterhalb, der Zwischenkreisspannung des zweiten Umrichters liegt. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass erst bei Ausfall der Versor- gungsspannung der Zwischenkreis des zweiten Umrichters über den Gleichrichter mit elektrischer Energie versorgt wird.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn zwischen Gleichrichter und Zwischenkreis ein Stromrichter geschaltet ist, wobei der Stromrichter so gesteuert wird, dass bei Ausfall der elektrischen Versorgungsspannung die Zwischenkreisspannung möglichst lange konstant bleibt. Durch diese Maßnahme kann die Zwischenkreisspannung besonders lange zur Versorgung des Magnetlagers aufrechterhalten werden.
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn zwischen Gleichrichter und Stromrichter ein Kondensator parallel zwischengeschaltet ist. Durch die Zwischenschaltung eines Kondensators wird die Ausgangsspannung nur zusätzlich geglättet.
Weiterhin erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Gleichrichter als gesteuerter Gleichrichter ausgebildet ist. Bei einer Ausbildung des Gleichrichters als gesteuerter Gleichrichter kann bei Ausfall der elektrischen Versorgungsspannung die Zwischenkreisspannung sehr lange aufrechterhalten bleiben .
Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn zwischen Trans¬ formator und Gleichrichter Kondensatoren parallel zwischenge- schaltet sind. Hierdurch werden vom gesteuerten Gleichrichter erzeugte störende höherfrequente elektrische Schwingungen herausgefiltert . Es ist dabei vorteilhaft, insbesondere eine Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder einen Roboter mit der erfindungsgemäßen Einrichtung auszubilden, da bei diesen Arten von Maschinen immer häufiger Magnetlagerungen eingesetzt werden, wobei jedoch selbstverständlich die Erfindung auch bei anderen Maschinen eingesetzt werden kann.
Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigen:
FIG 1 eine schematisierte Darstellung der erfindungsgemäßen
Einrichtung und FIG 2 den Verlauf der Ausgangswechselspannung in einer Phase.
FIG 1 zeigt ein schematisiertes elektrisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Einrichtung. Dabei sind der Übersichtlichkeit halber in FIG 1 nur die zum Verständnis der Erfin¬ dung wesentlichen Komponenten dargestellt, insbesondere ist nur eine Ansteuereinheit 18 zur Ansteuerung des Magnetlagers für eine Bewegungsrichtung (z.B. X-Richtung) dargestellt. Ein Versorgungsnetz 1 ist mit einem ersten Umrichter 2 mittels einer dreiphasigen Leitung verbunden, der wiederum mittels einer dreiphasigen Leitung mit einem Motor 3 verbunden ist. Der Motor 3 weist eine rotierende Welle 4 auf, die mittels eines Magnetlagers 5 gelagert ist. Die dreiphasige Versor¬ gungsspannung U, die das Versorgungsnetz 1 zur Verfügung stellt, wird von dem ersten Umrichter 2 zunächst mittels ei¬ nes ersten Stromrichters 20 gleichgerichtet und anschließend mittels eines zweiten Stromrichters 21 wieder wechselgerichtet und die dreiphasige Ausgangswechselspannung UA erzeugt. Der Motor 3 wird solchermaßen vom ersten Umrichter 2 angesteuert .
Der Motor 3 weist im Rahmen des Ausführungsbeispiels eine große Leistung auf, so dass die Versorgungsspannung U und die Ausgangswechselspannung UA im Rahmen des Ausführungsbeispiels im Kilovoltbereich liegen. Das Magnetlager 5 wird von einem zweiten Umrichter 14 mittels Leitungen 15 angesteuert und solchermaßen mit elektrischer Energie versorgt. Der zweite Umrichter 14 ist im Rahmen des Ausführungsbeispiels Bestandteil einer Ansteuereinheit 18, welche zur Regelung des Umrichters 14 eine Regelung 19 auf¬ weist. Der zweite Umrichter 14 weist dabei einen Leistungs¬ gleichrichter 12 auf, der in einem Zwischenkreis 11 eine Zwi- schenkreisspannung Uz erzeugt, die wiederum von einem Leistungswechselrichter 13 entsprechend wechselgerichtet wird und zur Ansteuerung des Magnetlagers 5 dient. Das Magnetlager 5 wird solchermaßen mit elektrischer Energie versorgt. Zur E- nergiespeicherung weist der Zwischenkreis 11 einen Kondensa¬ tor 16 auf. Der zweite Umrichter 14 arbeitet dabei im Niederspannungsbereich, so dass sich die Zwischenkreisspannung Uz in einem Bereich von mehreren Volt bis mehreren hundert Volt bewegt, also weitaus niedriger als die Versorgungsspannung U ist. Deshalb wird die Versorgungsspannung U mittels eines An¬ passtransformators 10 herunter transformiert um sie auf das Spannungsniveau des zweiten Umrichters 14 anzupassen.
Im Normalbetrieb ist somit die Stromversorgung des Magnetla¬ gers über den Anpasstransformator 10 und das Versorgungsnetz 1 gewährleistet. Kommt es zu einem Ausfall oder einer Störung innerhalb des Versorgungsnetzes 1 so führt dies zu einem Aus- fall der Versorgungsspannung U, sowohl für den zweiten Umrichter 14 zur Ansteuerung des Magnetlagers 5 als auch für den ersten Umrichter 2 zur Ansteuerung des Motors 3. Für diesen Fall muss nun gewährleistet sein, dass der zweite Umrich¬ ter 14 solange noch mit Energie versorgt wird, so lange der Motor 3 sich noch, insbesondere mit hohen Umdrehungszahlen, dreht. Bei Ausfall der Versorgungsspannung U läuft der Motor 3 aus und geht somit in den generatorischen Betriebszustand über und erzeugt, wie im Normalfall der erste Umrichter 2, die Ausgangswechselspannung UA, die in mehreren Kilovoltbe- reich liegt (z.B. 3kV) . Die Ausgangswechselspannung UA wird erfindungsgemäß mittels eines Transformators 7 auf ein Span¬ nungsniveau herunter transformiert, das in der Größenordnung des Spannungsniveaus eines Zwischenkreises 11 des zweiten Um- richters 14 liegt. Der Transformator 7 ist ausgangsseitig mit einem Gleichrichter 8 verbunden, der ausgangsseitig eine Gleichspannung erzeugt, die zur Energieversorgung des elektrischen Zwischenkreises 11 des zweiten Umrichters 14 dient. Der Gleichrichter 8 ist hierzu ausgangsseitig mit dem Zwi¬ schenkreis 11 verbunden. Gegebenenfalls kann, falls notwen¬ dig, die Ausgangsspannung bzw. der Ausgangsstrom des Gleichrichters 8 noch zusätzlich durch eine in Reihe geschaltete Spule 9, die in FIG 1 gestrichelt eingezeichnet ist, geglät- tet werden.
Im Rahmen eines ersten Ausführungsbeispiels ist der Gleich¬ richter 8 dabei als ungesteuerter Gleichrichter ausgebildet, d.h. er ist mit nicht steuerbaren Stromrichterventilen wie z.B. Dioden aufgebaut. Der Transformator 7 wird vorzugsweise so dimensioniert, dass bei Vorhandensein der Versorgungsspannung U, die Spannung auf der Gleichrichterseite des Transfor¬ mators unterhalb, insbesondere knapp unterhalb, der Zwischen- kreisspannung des zweiten Umrichters 14 liegt. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass nur bei Ausfall der Ver¬ sorgungsspannung U Energie vom Transformator 7 über den Gleichrichter 8 dem Zwischenkreis 11 zugeführt wird.
Im Rahmen eines zweiten Ausführungsbeispiels kann aber auch zwischen Gleichrichter 8 und Zwischenkreis 11 ein Stromrichter 22 geschaltet sein, was in FIG 1 gestrichelt angedeutet ist, wobei der Stromrichter 22 so gesteuert wird, dass bei Ausfall der elektrischen Versorgungsspannung U die Zwischen- kreisspannung Uz möglichst lange konstant bleibt. Gegebenen- falls kann es zur zusätzlichen Glättung der Ausgangsspannung des Gleichrichters 8 noch notwendig sein, zwischen Gleich¬ richter 8 und Stromrichter 22 einen Kondensator 17 parallel zwischen zu schalten.
Im Rahmen eines weiteren Ausführungsbeispiels ist es aber auch möglich, den Gleichrichter 8 als gesteuerten Gleichrichter auszubilden, der z.B. gesteuerte elektrische Ventile wie z.B. IGBT 's oder Thyristoren als elektrische Ventile auf¬ weist .
Die Ausgangsspannung des Gleichrichters 8 kann dann ebenfalls entsprechend gesteuert werden, um die Zwischenkreisspannung Uz möglichst lange nach einem Ausfall der Versorgungsspannung U konstant aufrecht zu erhalten. Gegebenenfalls kann es im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels noch notwendig sein, um eventuell auftretende störende Schwingungen in Spannung und/oder Strom, die bei einem gesteuerten Betrieb des Gleichrichters 8 auftreten, zu vermeiden, zwischen Transformator 7 und Gleichrichter 8 Kondensatoren 23 als Filter parallel zwischen die einzelnen Phasen zu schalten.
Wenn die Ausgangsspannung UA des ersten Umrichters 2 einen
Gleichanteil aufweist, kann es gegebenenfalls notwendig wer¬ den, elektrische Widerstände 6 auf der Motorseite des Trans¬ formators 2, dem Transformator 7 in Reihe vorzuschalten. Die Widerstände 6 führen zu einer Begrenzung des in diesem Fall resultierenden Gleichstromanteils, so dass der Transformator 7 nicht vorzeitig in Sättigung geht. Dies kann z.B. eventuell notwendig werden, wenn der Motor 3 als Asynchronmotor ausgebildet ist, dessen Magnetisierungsstrom eingeprägt ist und dessen Rotor im Leerlauf auf einem festen Drehwinkel steht. In diesem Fall ist die Ausgangsspannung des Umrichters ein pulsweitenmodulierter Impulszug, der das Vorzeichen nicht wechselt, so dass ein Gleichanteil in der Spannung entsteht.
Weiterhin muss der Transformator so dimensioniert sein, dass bei maximal möglicher Ausgangswechselspannung UA des ersten
Umrichters keine Sättigung des Transformators 7 auftritt. Der Transformator 7 muss deshalb so dimensioniert werden, dass er die Spannungs-Zeit-Fläche (entsprechend dem magnetischen Fluss), die der erste Umrichter 2 maximal erzeugen kann, sät- tigungsfrei übertragen kann. Die Spannungs-Zeit-Fläche ergibt sich aus der Anzahl und Dauer der Spannungsimpulse, die in gleicher Polarität hintereinander folgen. Die geglättet flussbildende Spannung Us, die sich aus der beispielhaft in FIG 2 dargestellten pulsweitenmodulierten Ausgangswechselspannung UA des ersten Umrichters 2 ergibt, ist in FIG 2 ent¬ sprechend dargestellt. Da der Motor 3 für einen bestimmten maximalen magnetischen Fluss ausgebildet ist, liegt damit auch die maximale Spannungs-Zeit-Fläche der Ausgangswechsel¬ spannung UA des ersten Umrichters fest. Dieser Wert kann als Dimensionierungsgrundlage für die Spannungs-Zeit-Fläche des Transformators 7 verwendet werden.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der erste Umrichter 2 und/oder der zweite Umrichter 14 selbstverständlich auch als Umrichter, die einen so genannten Stromzwischenkreis (anstatt eines parallel geschalteten Kondensators ist eine in Serie geschaltete Spule als Energiespeicherelement im Zwischenkreis vorgesehen) aufweisen, ausgebildet sein können.
In FIG 1 sind der Übersichtlichkeit halber nur die zum Ver¬ ständnis der Erfindung wesentlichen Komponenten dargestellt, insbesondere ist nur eine Ansteuereinheit 18 zur Ansteuerung des Magnetlagers für eine Bewegungsrichtung (z.B. X-Richtung dargestellt. Die Ansteuereinheiten für die anderen Bewegungs¬ richtungen (Y-Richtung, Z-Richtung) werden in analoger Form wie die Ansteuereinheit 18 mit dem Anpasstransformator 10, dem Magnetlager 5 und dem Gleichrichter 8 verbunden. Alterna- tiv kann die Ansteuereinheit 18 auch so ausgebildet sein, dass sie nicht nur einen einzelnen Leistungswechselrichter 13 aufweist, sondern dass sie zur Ansteuerung der anderen Bewegungsrichtungen des Magnetlagers 5 jeweils zugeordnete weite¬ re Leitungswechselrichter aufweist, die alle von dem gemein- samen Zwischenkreis 11 mit elektrischer Energie versorgt wer¬ den .

Claims

Patentansprüche
1. Einrichtung zur Sicherung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung eines Magnetlagers (5) bei Ausfall einer elektrischen Versorgungsspannung (U) , umfassend:
- einen ersten Umrichter (2), der von der Versorgungsspannung
(U) mit elektrischer Energie versorgt wird und einen Motor (3) ansteuert und
- einen Transformator (7), der mit einem Gleichrichter (8) und dem Motor (3) verbunden ist, wobei der Gleichrichter
(8) bei Ausfall der elektrischen Versorgungsspannung (U) einen elektrischen Zwischenkreis (11) eines zweiten Umrichters (14), der zur Ansteuerung des Magnetlagers (5) dient, mit elektrischer Energie versorgt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Transformator (7) elekt¬ rische Widerstände (6) vorgeschaltet sind.
3. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen Gleichrichter (8) und elektrischen Zwischenkreis (11) eine Spule (9) in Reihe geschaltet ist.
4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Gleichrichter (8) als ungesteuerter Gleichrichter ausgebildet ist .
5. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Transformator (7) so dimensioniert ist, das bei maximal mög¬ licher Ausgangswechselspannung (UA) des ersten Umrichters (2) keine Sättigung des Transformators auftritt.
6. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Transformator so dimensioniert ist, dass bei Vorhandensein der Versorgungsspannung (U) , die Spannung auf der Gleichrich¬ terseite des Transformators (7) unterhalb der Zwischenkreis- spannung des zweiten Umrichters liegt.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a ¬ d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen Gleichrichter (8) und Zwischenkreis (11) ein Stromrichter (22) geschaltet ist, wobei der Stromrichter (22) so gesteuert wird, dass bei Ausfall der elektrischen Versorgungsspannung (U) die Zwischenkreisspannung (Uz) möglichst lange konstant bleibt.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass zwischen Gleichrichter (8) und Stromrichter (22) ein Kondensator (17) parallel zwischen¬ geschaltet ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, 2, 3, 5, 6, 7 und 8, dass der Gleichrichter (8) als gesteuerter Gleichrichter ausgebil- det ist.
10. Einrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , dass zwischen Transformator (7) und Gleichrichter (8) Kondensatoren (23) parallel zwischenge- schaltet sind.
11. Werkzeugmaschine, Produktionsmaschine und/oder Roboter nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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