ZUGEINRICHTUNGEN, GLEICHLAUFANWENDUNGEN UND

ZENTRUMSWICKLER

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem, ein Verfahren und die Verwendung eines Verfahrens zum Antreiben von Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtungen, Gleichlaufanwendungen und Zentrumswicklern mit mindestens einer leistungsver- zweigten Antriebseinheit, wobei die Leistungsverzweigung über eine Getriebestufe in der Antriebseinheit realisiert ist und die Antriebseinheit über ein Synchronisationssystem mit weiteren Antriebseinheiten koppelbar ist.

Fördereinrichtungen und Förderanlagen dienen zum Transport von Stoffen, Stückgütern, Schüttgütern etc. an den Ort einer Produktionsanlage, wo sie ge- braucht und eingesetzt werden. Zu ihnen gehören zum Beispiel Transportbänder, Kettenförderer, Rollenförderer, Schneckenförderer etc.

Extrudereinrichtungen sind Fördergeräte, die nach dem Prinzip des Schneckenförderers dickflüssige bis feste Massen unter hohem Druck und hoher Temperatur gleichmäßig aus einer formgebenden Öffnung herauspressen. Extrudierbare Werkstoffe sind Tone und keramische Massen, Gummi und Kautschuk, thermoplastische Polymere (PVC, PE, PP, PET, PA etc.), Verbundwerkstoffe, thermoplastische Massen, teigförmige Lebens- und Futtermittel-Mischungen, Aluminium etc.

Schub- und Zugeinrichtungen dienen dazu, Endlosmaterialien nach (Abwickler) oder vor (Aufwickler) einem Bearbeitungs-, Verarbeitungs-, Veredelungs-, Umwi- ckel- oder Ablängprozess dem Speicher zuzuführen / abzuführen. Bei den verschiedenen Materialien kann es sich um homogene Materialbahnen wie Papierbahnen, Folien, Bänder, Bleche, Gewebe, Vliese, Geflechte, Drähte, Seile, Kabel, Garne oder Fäden handeln. Das Material wird mit einer definierten, von der Mate- rialbeschaffenheit, Materialdicke oder vom Materialdurchmesser abhängigen Zug- kraft geschoben bzw. gezogen. Schub- und Zugeinrichtungen dienen auch zur Realisierung von Hub- und Pressvorgängen.

Bei einer Gleichlaufanwendung (Gleichlaufantrieb) arbeiten mehrere Antriebe mit synchroner Geschwindigkeit oder Winkellage. Einsatzgebiete für Gleichlaufantrie- be sind z. B. der Transport von Warenbahnen in kontinuierlichen Fertigungsprozessen, Druckwerke in Druckmaschinen etc.

Jedes zu schiebende/ziehende/fördernde/pressende Material/Produkt stellt an den Antrieb unterschiedliche und zum Teil sehr hohe Anforderungen. So darf das Material/Produkt während des gesamten Förder-, Schub-, Zug- bzw. Pressvorgangs nicht beeinträchtigt werden. Die Baugröße des Motors einer Förder-, Extruder-, Schub- oder Zugeinrichtung bzw. einer Gleichlaufanwendung wird durch das Drehmoment und die Drehzahl bestimmt. Bei Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtungen oder Gleichlaufanwendungen fällt die maximale Leistung bei maximalem Drehmoment und maximaler Geschwindigkeit an. Die zu installierende Typen- leistung (Eckleistung) des Antriebssystems ist daher bei Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtungen, Gleichlaufanwendungen im Teillastbetrieb deutlich größer als die Prozessleistung. Obwohl hohe Drehzahlen und hohe Drehmomente nicht immer gleichzeitig auftreten, muss der Antrieb beides erbringen können. In der Antriebstechnik spricht man bei Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtungen oder Gleichlaufantrieben von einer Anwendung mit linear steigender Leistungskennlinie oder einer Anwendung mit Konstantmoment (in der Praxis kann die Leistungskennlinie auch hyperbolisch steigen). Es werden Elektromotoren mit einer hohen Antriebsleistung eingesetzt, die im Teillastbetrieb nur schlecht ausgenutzt werden kann. Wickelantriebe dienen dazu, Endlosmaterialien vor (Abwickler) oder nach (Aufwickler) einem Bearbeitungs-, Verarbeitungs-, Veredelungs-, Umwickel-, oder Ab- längprozess zu speichern. Mathematisch gesehen handelt es sich bei einem aufgewickelten Wickelgut um eine archimedische Spirale. Das aufgewickelte Material wird in den verschiedenen Anwendungsbereichen und Branchen unterschiedlich bezeichnet, beispielsweise als Wickelballen, Rolle, Coil, Haspel, Spule, Baum oder als Kaule. Bei den verschiedenen Materialien kann es sich um homogene Materialbahnen wie Papierbahnen, Folien, Bänder, Bleche, Gewebe, Geflechte, Drähte, Seile, Kabel, Garne oder Fäden handeln. Sie haben eine hohe Varianz bei folgenden Eigenschaften: Elastizität, Oberfläche, Härte, Biegekräfte, Zugfestigkeit, Breite, Dicke, Dickentoleranz, Dichte, Flächengewicht und Querschnittsprofil. Das Material wird mit einer definierten, von der Materialbeschaffenheit, Materialdicke oder vom Materialdurchmesser (Drähte, Kabel und Seile) abhängigen Zugkraft aufgewickelt bzw. abgewickelt. Jedes zu wickelnde Material stellt an den Wickelantrieb unterschiedliche und zum Teil sehr hohe Anforderungen. So darf das Material während des gesamten Wickelvorgangs nicht beeinträchtigt werden. Erschwerend kommt hinzu, dass das Gewicht und die Geometrie des Wickelgutes mit wachsendem / abnehmenden Durchmesser kontinuierlich größer / kleiner werden und die Lager-Reibkräfte sowie das Trägheitsmoment des Wickelkörpers stetig zunehmen / abnehmen.

Abhängig von den Materialien und abgestimmt auf die zu wickelnden Materialien werden unterschiedliche Wickelmaschinen und damit Wickelprinzipien eingesetzt. Es existieren zwei Grundprinzipien: Zentrumswickler bzw. Umfangswickler oder Kontaktwickler. Der Zentrumswickler ist der am häufigsten eingesetzte Maschinentyp. Beim Zentrumswickler wirkt der Antrieb auf das Zentrum des zu wickelnden Materials. Das Drehmoment des Motors wird über den Antriebsstrang, die Antriebswelle sowie über eine Spule, eine Haspel, eine Hülse oder einen Dorn auf die Materialbahn übertragen. Diese gibt das Drehmoment von den jeweils inneren Lagen auf die äußeren Lagen weiter. Ein technologischer Vorteil liegt darin, dass die Oberfläche der Warenbahn nicht von Walzen berührt wird, wie das beim Um- fangs- oder Kontaktwickler der Fall ist.

Die Baugröße des Motors eines Zentrumswicklers wird durch sein Drehmoment bestimmt. Beim Zentrumswickler fällt das maximale Drehmoment bei dem größten Wickeldurchmesser an und damit bei der geringsten Drehzahl. Die zu installierende Typenleistung (Eckleistung) des Antriebssystems ist daher bei Zentrumswicklern deutlich größer als die Prozessleistung. Obwohl hohe Drehzahlen und hohe Drehmomente nicht gleichzeitig auftreten, muss der Antrieb beide erbringen kön- nen, in der Antriebstechnik spricht man hier von einer Anwendung mit Konstantleistungskurve bzw. von einer Anwendung mit linear-reziprok abnehmender Lastmomentkennlinie. Es werden Elektromotoren mit einer hohen Antriebsleistung eingesetzt, die nur schlecht ausgenutzt werden können. Bei großen Durchmessern und hohen Materialbreiten werden vor diesem Hintergrund Umfangs- oder Kontaktwickler bevorzugt, die aber den Nachteil der Oberflächenberührung des Wickelgutes mit sich bringen. Förder-, Extruder-, Schub- und Zugeinrichtungen, Gleichlaufanwendungen und Zentrumswickler sind - nach dem Stand der Technik - mit definierten Ausbringungen und Geschwindigkeiten auf maximale Betriebszustände ausgelegt (F _max, v _max , a _ma x, T _max , n _max , a _max , m _max , Qmax, Jmax)- Die dynamischen Reserven eines Umrich ^¬ ters reichen in den meisten Fällen aus, den Antrieb auch in Notsituationen abzu- bremsen. Bei sehr hohen Drehmomenten und sehr kurzen Bremszeiten kann es allerdings auch erforderlich sein, dass das Bremsmoment die relevante Größe für die Auslegung wird. Bei Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtungen sowie Gleichlaufanwendungen mit intermittierenden Betriebsarten bestimmt das dynamische Antriebsdrehmoment die Dimensionierung. Bei dicker zu schiebenden / zu ziehenden Warenbahnen (zum Beispiel bei Blechen, Seilen) ist zusätzlich das Biegemoment für die Umformung zu berücksichtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein energieeffizientes Antriebssystem für Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtungen, Gleichlaufanwendungen und Zentrumswickler zu schaffen, bei dem in kostengünstiger, modular aufgebauter, wartungsfreier Bauweise sowie mit hoher Präzision, Dynamik und Zuverlässigkeit, ein Betrieb im optimalen Wirkungsgradbereich des Motors erzielt wird, der auch den störungsfreien Betrieb des Getriebes und des gesamten Getriebestrangs bei ebenso hoher Produkt-, Parameter- und Prozess-Varianz gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine zeit-, weg-, und/oder winkel- und/oder drehzahl- und/oder beschleunigungs- und/oder verzö- gerungs- und/oder drehmomentabhängige Steuerung der Antriebseinheiten erfolgt, die in Abhängigkeit einer linear oder hyperbolisch steigenden Leistungskennlinie oder einer Konstantleistungskurve eine synchrone Beschleunigung oder Ab- bremsung mindestens einer Antriebseinheit regelt. Dabei sind weiterhin besonders bevorzugt alle Antriebseinheiten energetisch verknüpft und können einzeln und/oder gemeinsam motorisch und/oder generatorisch arbeiten, wobei der Energieausgleich in einem dafür vorgesehenen Spannungs- zwi sehen kreis mit integriertem Bremschopper und Bremswiderstand erfolgt, und wobei die Antriebseinheiten Elektromotoren aufweisen, die wenigstens zeitweise einzeln und/oder gemeinsam im Bereich der Feldschwächung betrieben werden.

Durch den gemeinsamen Zwischenkreis und die gezielte Anwendung des Feld- Schwächbereichs (neben dem "klassischen" Ankerstellbereich") bei höheren Drehzahlanforderungen können die Motoren über weite Anforderungsbereiche mit höher Effizienz betrieben werden und können auch kleiner dimensioniert werden als bei vergleichbaren Anforderungen.

Bevorzugt sind die mechanischen Leistungspfade mit unterschiedlichen Überset- Zungsverhältnissen ausgelegt, bevorzugt jeweils mit um den Faktor von etwa 2,0 abweichenden Übersetzungsverhältnissen. Mit einem derartigen Übersetzungsverhältnisfaktor lassen sich die optimalen Effizienzbereiche der einzelnen Motoren besonders vorteilhaft ausnutzen.

Energetisch besonders günstig ist es, wenn in niedrigeren Drehzahl- oder Mo- mentbereichen nicht alle Antriebseinheiten eines Antriebsstrangs aktiviert sein müssen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass wenigstens einer, vorzugsweise alle mechanischen Leistungspfade eines Antriebsstranges selektiv mechanisch und/oder elektrisch vorzugsweise in beide Drehrichtungen festsetzbar sind.

Um die Übergänge zwischen verschiedenen Betriebsmodi zu dämpfen, kann vor- gesehen sein, dass wenigstens eine Ausgangswelle einer Antriebseinheit ein Schwungrad zur Dämpfung von Drehmomentstößen aufweist, wobei das

Schwungrad als Lüfterrad mit vergrößertem Trägheitsmoment ausgebildet sein kann.

Mit der Erfindung wird ein energieeffizientes Antriebssystem zum Betreiben einer Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtung, Gleichlaufanwendung oder eines Zentrumswicklers mit mindestens einer leistungsverzweigten Antriebseinheit, wie beispielsweise einem Getriebestrang geschaffen. Über eine Getriebestufe kann eine Leistungsverzweigung erfolgen. Dabei kann die Getriebestufe als Zahnriemenoder Zahnkettentrieb ausgestaltet sein, an der sich abtriebsseitig ein außen am Gehäuse mit Wälzlagern gelagertes und optional getriebenes, luftgekühltes Dreiwellen-Planetengetriebe befindet. Dieses Getriebe kann mit mehreren Antriebseinheiten versehen sein, die jedem Leistungspfad einzeln zugeordnet sind, wobei die Antriebseinheiten durch ein gemeinsames elektronisches Synchronisationssystem zeitbezogen, wegbezogen und/oder winkelbezogen und/oder drehzahlbezogen und/oder beschleunigungsbezogen und/oder verzögerungsbezogen und/oder drehmomentbezogen miteinander gekoppelt sind. Von Vorteil ist, wenn die mechanischen Leistungspfade mit unterschiedlichen Übersetzungsverhältnissen ausgelegt werden, wobei ein Übersetzungsunterschied von ca. 2 das Optimum darstellt. Eine beispielsweise Dimensionierung wäre: Leistungspfad 1 mit i=4 und Leistungspfad 2 mit i=8 oder umgekehrt: Leistungspfad 1 mit i=8 und Leistungspfad 2 mit i=4. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebssystems besteht darin, dass stets im optimalen Wirkungsgradbereich des/der Motors/Motoren gearbeitet wird, wobei der optimale Wirkungsgradbereich des Motors bei 0,75 ± 0,15 x Nenndrehzahl und 0,75 ± 0,15 x Nennmoment liegt. Hinzu kommt, dass Nennverluste und Leerlaufverluste des/der antreibenden Motors/Motoren - gegenüber dem Stand der Tech- nik - um ein Vielfaches reduziert werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass alle am Antrieb beteiligten mechanischen Getriebestränge im optimalen Wirkungsgradbereich betrieben werden können. Das Leerlaufdrehmoment des mechanischen Antriebes bzw. der einzelnen Getriebestränge wird ebenfalls - gegenüber dem Stand der Technik - um ein Vielfaches reduziert. Weiter ist vorgesehen, ein Synchronisationssystem und Kommunikationsmittel zum Austausch zeit-, weg- und/oder winkelbezogener und/oder drehzahlbezogener und/oder beschleunigungsbezogener und/oder verzögerungsbezogener und/oder drehmomentbezogener Informationen bereitzustellen. Diese Informationen umfassen insbesondere Soll- und Istwerte für eine Regelung der Antriebsein- heiten. Dabei verfügt das Synchronisationssystem über zugeordnete Schnittstellen, mit denen die Informationen empfangen und aufbereitet sowie Istwert- Informationen gesendet werden können. Die Kommunikationsmittel sind mit einem Sensor-Aktor-Bussystem ausgestattet, nachfolgend "Antriebsbussystem" genannt. Hierfür sind Schnittstellen für Bus-Ringstrukturen zur integrierten Echtzeit- Kommunikation in der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik bekannt, wie beispielsweise ein SERCOS-Interface. Um den Anforderungen an zeitlich hohe Präzision und Schnelligkeit zu genügen, sind Bussysteme vorzusehen, die auf definierte Arbeitstakte synchronisiert sind und ein sogenanntes taktsynchrones Betriebsverhalten gewährleisten. Die Verwendung einer seriellen Busstruktur hilft, den Verdrahtungsaufwand zu reduzieren. Außerdem lässt sich die Einsparung - angesichts der hohen Bit-Übertragungsraten, die heutzutage mit Lichtwellenleitern und geschirmten Datenkabeln möglich sind - entsprechend den Dynamikvorgaben bewerkstelligen. Bei der Ringstruktur kann einer der Busteilnehmer die Rolle des Busmasters übernehmen, beispielsweise ein mit entsprechender Schnittstelle ausgestatteter Drehgeber oder eine ebensolche ausgestattete Antriebseinheit, der/die dann den Arbeitstakt vorgibt, auf den sich die anderen Antriebseinheiten synchronisieren können.

Synchronisationssysteme sind in der Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik allgemein bekannt. Im Rahmen der Erfindung ist unter "Synchronisationssystem" weniger eine Hardwareeinheit als vielmehr ein Software-Modul zu verstehen, das teilweise auf der Hardware des Antriebsbusses und teilweise auf der Hardware der Antriebseinheiten abläuft, insbesondere im Zusammenhang mit deren Schnittstellen zu den Kommunikationsmitteln bzw. zu dem Bussystem. Damit von der zentralen Leitsteuerung einer größeren Produktionsanlage aus auf den Förder-, Extruder- Schub-, Zugeinrichtungs-, Gleichlaufantrieb oder Zentrumswickler zugegriffen werden kann, ist vorgesehen, dass die Antriebseinheiten der Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtung, der Gleichlaufanwendung oder des Zentrumswicklers zusätzlich mit einem Feldbussystem verbunden sind. Dieses ist im Rahmen einer geschichteten Netzwerk-Architektur und einer computergestützten Produktion auf einer höheren Ebene angesiedelt als das Synchronisationssystem bzw. dessen Antriebsbus. Wichtige periphere Einrichtungen von Extrusions-, Schub- und Zugeinrichtungen oder Gleichlaufanwendungen sind Abwickeleinrichtungen, Aufwickeleinrichtungen, Tänzereinheiten, Zuführeinrichtungen, Schneidvorrichtungen sowie die Verlegeoder Changier-Einrichtung beim Einschub und Abzug von Kabeln, Seilen, schmalen Bändern, Folien, Blechen, Drähten und Textilien. So können auch eine

Schneidvorrichtung oder eine Verlege- oder Changier-Einrichtung nahezu winkelsynchron zum Schub- und Zugvorgang angetrieben werden. Mit dem Synchronisationssystem können gegebenenfalls auch mit dessen Kommunikationsmitteln und/oder dessen Antriebsbussystem weitere Antriebseinheiten gekoppelt sein, die der Abwickel- und/oder Aufwickeleinrichtung und/oder der Tänzereinrichtung, und/oder der Schneidvorrichtung und/oder der Zuführeinrichtung und/oder der Verlege- oder Changier-Einrichtung einer Produktionsanlage zugeordnet sind. Ferner kann erfindungsgemäß die Antriebswelle der Förder-, Extruder-, Schub- und Zugeinrichtung, der Gleichlaufanwendung oder des Zentrumswicklers mittels eines gekoppelten Drehgebers eine reale Leitdrehachse erzeugen bzw., es wird im Synchronisationssystem eine den Antriebseinheiten gemeinsam zugeordnete virtuelle Leitdrehachse generiert. Dies kann entweder in einem der Antriebseinhei- ten selbst oder in einem gesonderten Rechner erfolgen, der kommunikationstechnisch mit Rechnerschnittstellen der Antriebseinheiten verbunden ist. Mit diesem Konzept können die einzelnen Antriebseinheiten die Antriebswelle der Förder-, Extruder- Schub- und Zugeinrichtung, Gleichlaufanwendung oder des Zentrumswicklers nach rechnerisch ermittelten Sollwerten, nämlich nach "Leitdreh- achswerten", antreiben oder einem real ermittelten Istwert folgen. Dies kann gemäß nachstehender Beziehung erfolgen: n Antriebswelle - Erforderlich = | Π Leistungspfad-Getriebestrang 1 | + | Π Leistungspfad-Getriebestrang 2 |

Die Leitdrehachs- bzw. Sollwerte für die einzelnen Antriebseinheiten der Extrudereinrichtung sind prozessabhängig und werden vorgegeben, die Leitdrehachs- bzw. Sollwerte für die einzelnen Antriebseinheiten der Förder-, Schub-, Zugeinrichtungen oder der Gleichlaufanwendung oder für den Zentrumswickler werden zweckmäßigerweise jeweils aus einem Soll- oder Istwert der Geschwindigkeit einer Förderbahn/Ware gemäß nachstehender Beziehung gewonnen:

Π Extruder - Erforderlich = f (ExtrUSIOnSprOZeSS)

n Förder - Erforderlich = Förderbahn - Ist ( 0 d Antriebswelle - Wirk X TT )

Π Schub-, Zug - Erforderlich = Ware - Ist / ( 0 d Antriebswelle - Wirk TT )

Π Gleichlauf - Erforderlich = Ware - Ist / ( 0 d Antriebswelle - Wirk X TT )

Π Wickelkörper - Erforderlich ⁼ V Warenbahn - Ist / ( 0 d Wickelkörper - Ist X TT )

Die kommunikationstechnische Übermittlung dieser Werte an die Antriebseinhei- ten kann der oben genannte, insbesondere seriell digitale Antriebsbus mit zeitlich taktsynchronem Verhalten übernehmen. Eine Vereinfachung ergibt sich, wenn das Antriebsbussystem primär als reiner Datenbus ausgeführt ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass alle Antriebe energetisch verknüpft sind und einzeln und/oder gemeinsam motorisch und/oder generatorisch arbeiten können (4Q-Betrieb). Der Energieausgleich erfolgt in einem dafür vorgesehenen Spannungszwischenkreis mit integriertem Bremschopper und Bremswi- derstand. Dies kann gemäß nachstehender Beziehung erfolgen:

T Erforderlich = | T Leistungspfad-Getriebestrang 1 | + | T Leistungspfad-Getriebestrang 2 |

P Erforderlich ⁼ | Leistungspfad-Getriebestrang 1 | + | P Leistungspfad-Getriebestrang 2 |

Um den Anforderungen an hohe Präzision, Schnelligkeit, Kompaktheit und Energieeffizienz zu genügen, sind permanenterregte Drehstrom-Synchron-Servo- motoren oder Synchron-Reluktanzmotoren vorgesehen. Diese haben gegenüber den fremderregten Drehstrom-Asynchron-Servomotoren, Drehstrom-Asynchronmotoren oder Gleichstrommotoren aus energetischer Sicht deutliche Vorteile, da kein Magnetisierungsstrom (Blindstrom für die Fremderregung des Rotors) erforderlich ist und ein Fremdlüfter zum Kühlen des Motorkörpers entfallen kann.

Vorteilhafterwiese sind zum Erweitern des nutzbaren Motor-Drehzahlbereiches alle Antriebe einzeln und/oder gemeinsam im Bereich der Feldschwächung betreibbar.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung - insbesondere im Falle mehrerer synchronisier- ter Antriebsstränge - besteht darin, dass aufgrund der besonders flexiblen Ansteu- erung in vielen Fällen Motoren, Getriebe und Umrichter gleichen Typs für ver- schiedestenste Antriebsaufgaben verwendet werden können, wodurch eine gewisse Standardisierung mit Kosteneffekten erzielt werden kann.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgen Ausführungsbeispiele nochmals einge- hend erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Blockschema des gesamten mechanischen Antriebsstrangs für eine Wickelanwendung (Anwendung mit Konstantleistungskurve);

Figur 2 eine Konstantleistungskurve einer Wickelanwendung (Konstantleistungskurve) gemäß dem Stand der Technik; Figur 3 ein Blockschema für die Kommunikation und Regelung gemäß der Erfindung (Konstantleistungskurve);

Figur 4 Mathematische Funktion einer Wickelanwendung (Konstantleistungskurve) und Ausführungsbeispiel der Erfindung; Figur 5 ein Block-Schema des gesamten mechanischen Antriebsstrangs bei linear oder hyperbolisch steigende Leistungskennlinie;

Figur 6 eine linear oder hyperbolisch ansteigende Leistungskennlinie gemäß dem Stand der Technik;

Figur 7 ein Blockschema für die Kommunikation und Regelung der Erfin- dung (linear oder hyperbolisch ansteigende Leistungskennlinie);

Figur 8 eine mathematische Funktion zur Anwendung mit linear oder hyperbolisch ansteigender Leistungskennlinie gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Figur 9 ein Blockschema für die Kommunikation und Regelung der Erfin- dung mittels einer Drehmoment-Ausgleichsregelung (Konstantleistungskurve, linear oder hyperbolisch ansteigende Leistungskennlinie);

Figur 10 ein Block-Schema eines Gesamtsystems mit mechanisch über Planetengetriebe leistungsverzweigte, über ein elektronisches Syn- chronisationssystem vernetzte und energetisch über ein Spannungszwischenkreis verknüpfte Antriebssysteme;

Figur 1 1 eine Gleichungsmatrix des über ein Planetengetriebe leistungsverzweigten Antriebssystems mit drei Motoren in Abhängigkeit von Ankerstellbereich, Feldschwächbereich, Drehmoment, Drehzahl und Leistung;

Figur 12 eine Wirkungsgradkennlinienschar eines Motors in Abhängigkeit von

Last (Drehmoment) und Drehzahl, und

Figur 13 eine Wirkungsgradkennlinienschar eines Getriebes in Abhängigkeit von Last (Drehmoment) und Drehzahl. Figur 1 zeigt ein Blockschema des gesamten mechanischen Antriebsstrangs einer für Wickelanwendungen (Konstantleistungskurve) ausgelegten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. An eine Antriebswelle (38) des Wickelkörpers (6) ist ein leistungsverzweigter Antriebsstrang (8) gekoppelt. Die Leistungsverzweigung wird über eine Getriebestufe (9) im Antriebsstrang (8) realisiert, die als Zahnriemen- oder Zahnkettentrieb (10) ausgeführt ist. Abtriebsseitig befindet sich ein außen am Gehäuse (12) mit Wälzlagern (39) gelagertes und über ein Gebläse (13) luftgekühltes Dreiwellen-Planetengetriebe (14), welches mit mehreren Antriebseinheiten (15, 42) gekoppelt ist, die jedem Leistungspfad einzeln zugeordnet sind. Jeder Leistungspfad ist von einem Drehstrom-Synchron-Servomotor (16) mit Re- solver oder Encoder (33) angetrieben. Jede Antriebseinheit (15, 42) wird von einem Wechselrichter (17) mit einem darin eingebautem Mikroprozessor (18) angesteuert, kontrolliert bzw. geregelt. Letzterer besitzt Schnittstellen sowohl zu einem Antriebsbus (19) auf Aktor/Sensor-Ebene als auch zu einem Feldbus (20) auf der nächsthöheren Ebene einer geschichteten Netzwerk-Architektur. Alle Wechselrichter (17) sind an den beiden Bussystemen (19, 20) vorzugsweise mit Parallelverhalten angekoppelt.

Figur 2 zeigt eine typische Konstantleistungskurve (32) für Wickelanwendungen und die installierte Eckleistung (3) nach dem Stand der Technik. Es zeigt sich, dass die Eckleistung (3) eines Wickelantriebs, ausgeführt als Einzelantrieb nach dem Stand der Technik, in jedem Betriebspunkt (4) deutlich größer ist als die erforderliche Prozessleistung. Somit ist ein Betreiben desselben im optimalen Wirkungsgradbereich (Prozessleistung ca. 3/4 x Nennleistung des Motors) nicht möglich. In Figur 3 ist ein Blockschema für die Kommunikation und Regelung der Antriebseinheiten der Erfindung dargestellt. Es ist eine Warenbahn (5) dargestellt, die mit einer konstanten Geschwindigkeit V und einer konstanten Zugkraft F zu einer archimedischen Spirale mit einer variablen Drehzahl n und einem variablen Drehmoment T aufgewickelt wird. Ein mit der Antriebswelle (38) des Wickelkörpers (6) gekoppelter Drehgeber (7) dient zum Generieren einer realen Leitdrehachse. Dabei gelten folgende physikalischen Zusammenhänge: P Prozess = F Warenbahn X Warenbahn = Wickelkörper-Ist X 2 X TT X Π Wickelkörper-Ist = konstant V Warenbahn = d Wickelkörper-Ist X TT X Π Wickelkörper-Ist = konstant

Diese physikalischen Zusammenhänge gelten für zwei (und optional mehr als zwei) Antriebseinheiten (15, 42) mit Elektromotoren. Danach wird der Antriebsein- heit (15, 42) ein Solldrehwinkel vom Antriebsbus (19) aus mitgeteilt. Gleiches gilt für den Drehzahlsollwert, den Verzögerungssollwert, den Beschleunigungssollwert und den Stromsollwert. Die Berechnung dieser Sollwerte kann mit einem Mikroprozessor (18) in einem der Wechselrichter (17) der Antriebseinheiten (15, 42) erfolgen. Diesen berechneten Größen, wie Sollwinkel, Solldrehzahl, Sollverzöge- rung, Sollbeschleunigung und Sollstrom, folgen alle anderen Antriebseinheiten (15, 42) des Antriebssystems (1 ). Sie folgen somit einer virtuellen Leitdrehachse bzw. einer realen Leitdrehachse. Damit jeder einzelne Antrieb der vorgegebenen Konstantleistungskurve (32) präzise folgt, wird der Antriebsdatenbus (19) streng taktsynchron betrieben. Der auf Lichtwellenleiter oder geschirmten Datenkabeln als physikalischem Übertragungsmedium basierende Antriebsdatenbus (19) verbindet die Antriebseinheiten-Teilnehmer vorzugsweise in einer Ringstruktur.

Ein Element wie beispielsweise der Drehgeber (7) an der Antriebswelle (38) kann die Rolle eines Dispatchers übernehmen. Alternativ kann der Dispatcher mit einer Antriebseinheit (15, 42) bzw. mit dessen Wechselrichter (17) oder mit einem ge- sonderten Hardware-Modul (21 ) realisiert sein. Weiterhin werden die vom Antriebsbus (19) gelesenen Sollwertdaten <t> _so n, a _so n, n _so n, l _S0 n in einen Funktionsbaustein "Leitwertaufbereitung" (22) eingelesen. In diesem ist ein auf das zu wickelnde Produkt spezifischer Algorithmus implementiert. Dieser kann entweder vom überlagerten Feldbus (20) eingelesen werden oder im Funktionsbaustein Leitwert- aufbereitung (22) hinterlegt sein. In der Leitwertaufbereitung (22) werden die vom Antriebsbus (19) gelesenen Sollwerte entsprechend der Konstantleistungskurve (32) zu internen Sollwerten des Winkels, der Drehzahl, der Beschleunigung und Verzögerung sowie des Stroms umgeformt. Diese Ergebnisse werden einem Winkellageregler (23), einem Drehzahlregler (24) und einem Stromregler (25) zuge- führt. Winkellageregler (23) und Drehzahlregler (24) besitzen zusätzlich Istwert- Eingänge (26), die dem Ausgang eines Drehzahlgebers und/oder eines Winkellagegebers (37) zugeordnet sind, der das Drehverhalten der Antriebseinheiten (15, 42) abtastet. Der Stromregler besitzt zusätzlich einen Istwert-Eingang (27), der dem Ausgang des Wechselrichters zugeordnet ist und den Ist-Strom des Servomotors zuführt. Zwischen dem Istwert-Eingang (26) des Winkellagereglers (23) und dem Ausgang des Gebers (37) ist ein Element "Lage-Istwert-Aufberei-

5 tung" (28) eingefügt, über den mittels einer damit kombinierten Ausgangsschnittstelle (29) die vom Ausgang Drehzahl-, Winkellagergeber (37) abgeleiteten Istwert-Daten für Winkellage, Drehzahl, Beschleunigung und Verzögerung auf den Antriebsbus (19) gesendet werden können. Der Wechselrichter (17) ist bekanntlich mit einem Stromregler (25) und einem nachgeschalteten Wechselrichter-Steuer- i o satz ausgebildet, dessen Ausgang in den Leistungsteil (31 ) des Wechselrichters (17) geführt ist. Das Ergebnis ist ein hochdynamisches winkel-, drehzahl-, be- schleunigungs-, verzögerungs- und drehmomentgetreues Verhalten der Antriebe untereinander.

Figur 4 zeigt eine typische mathematische Funktion f(n) (Konstantleistungskurve) 15 für Wickelanwendungen, die dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung des Antriebssystems zugrunde liegt. Darin ist eine typische Konstantleistungskurve (32) abgebildet, wie sie bei Zentrumswicklern üblicherweise gegeben ist. Der Wickelvorgang beginnt, indem beide Antriebseinheiten (15, 42) gleichzeitig starten und winkel-, drehzahl- sowie drehmo- 20 mentsynchron beschleunigen, bis der Wickelkörper (6) die erforderliche Betriebsdrehzahl am Startpunkt (34) erreicht. Einer der beiden Antriebseinheiten (15, 42) arbeitet generatorisch und speist Energie in einen Spannungszwischenkreis (35). Es gelten folgende physikalischen Zusammenhänge:

Π Wickelkörper - Erforderlich - Punkt 0 ⁼ | l ^" l Leistungspfad-Getriebestrang l | + | l ^" l Leistungspfad-Getriebestrang 2 |

25 T Wickelkörper - Erforderlich - Punkt 0 ⁼ | ^~ T Leistungspfad-Getriebestrang 1 | + | ^~ T Leistungspfad-Getriebestrang 2 |

F Wickelkörper - Erforderlich - Punkt 0 ⁼ | F Leistungspfad-Getriebestrang l | + | P Leistungspfad-Getriebestrang 2 |

Von hier an folgen beide Antriebseinheiten (15, 42) - winkel-, drehzahl-, be- schleunigungs-, verzögerungs- und drehmomentsynchron arbeitend - der Konstantleistungskurve (32), bis der Übergabepunkt 1 (40) erreicht ist. Hier ange- 30 kommen, verzögert einer der beiden Antriebseinheiten (15, 42) seine Drehzahl, bis er still steht und mechanisch und/oder elektrisch festgesetzt wird. Gleichzeitig beschleunigt die andere Antriebseinheit (15, 42) ihre Drehzahl, sodass der Wickel- körper (6) die erforderliche Betriebsdrehzahl beibehält. Dieser erste "fliegende" Übergabevorgang erfolgt ebenfalls winkel-, drehzahl- und drehmomentsynchron. Es gelten folgende physikalischen Zusammenhänge:

Π Wickelkörper - Erforderlich - Übergabepunkt 1 ⁼ Π Leistungspfad-Getriebestrang l oder 2

T Wickelkörper - Erforderlich - Übergabepunkt 1 ⁼ T Leistungspfad-Getriebestrang 1 oder 2

P Wickelkörper - Erforderlich - Übergabepunkt 1 ⁼ P Leistungspfad-Getriebestrang 1 oder 2

Von hier an folgt die Antriebseinheit (15, 42) der Konstantleistungskurve (32), bis der Übergabepunkt 2 (41 ) erreicht ist. Hier angekommen, verzögert der aktive Motor seine Drehzahl, bis er still steht und mechanisch und/oder elektrisch festge- setzt wird. Parallel beschleunigt die nicht aktive Antriebseinheit (15, 42) ihre Drehzahl, sodass der Wickelkörper (6) die erforderliche Betriebsdrehzahl beibehält. Dieser zweite "fliegende" Übergabevorgang erfolgt ebenfalls winkel-, drehzahl- und drehmomentsynchron. Es gelten folgende physikalischen Zusammenhänge: n Wickelkörper - Erforderlich - Übergabepunkt 2 = Π Leistungspfad-Getriebestrang 2 oder 1

T Wickelkörper - Erforderlich - Übergabepunkt 2 ⁼ T Leistungspfad-Getriebestrang 2 oder 1

P Wickelkörper - Erforderlich - Übergabepunkt 2 ⁼ P Leistungspfad-Getriebestrang 2 oder 1

Von hier aus folgt die Antriebseinheit (15, 42) der Konstantleistungskurve (32) bis der Endpunkt (36) erreicht ist und der Wickelvorgang durch kontrolliertes Abbremsen beendet wird. Figur 5 zeigt ein Block-Schema des gesamten mechanischen Antriebsstrangs für weitere Anwendungen der Erfindung, wie Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtung, Gleichlaufanwendungen, wobei gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind.

An eine Antriebswelle (38) der Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtung oder der Gleichlaufanwendung (6) ist ein leistungsverzweigter Antriebsstrang (8) gekoppelt. Die Leistungsverzweigung wird analog zu Figur 3 über eine Getriebestufe (9) im Antriebsstrang (8) realisiert, die als Zahnriemen- oder Zahnkettentrieb (10) ausgeführt ist. Abtriebsseitig befindet sich ein außen am Gehäuse (12) mit Wälzlagern (39) gelagertes und über ein Gebläse (13) luftgekühltes Dreiwellen- Planetengetriebe (14), welches mit mehreren Antriebseinheiten (15, 42) gekoppelt ist, die jedem Leistungspfad einzeln zugeordnet sind. Jeder Leistungspfad ist von einem Drehstrom-Synchron-Servomotor (16) mit Resolver oder Encoder (33) angetrieben. Jede Antriebseinheit (15, 42) wird von einem Wechselrichter (17) mit einem darin eingebautem Mikroprozessor (18) angesteuert, kontrolliert bzw. geregelt. Letzterer besitzt Schnittstellen sowohl zu einem Antriebsbus (19) auf Ak- tor/Sensor-Ebene als auch zu einem Feldbus (20) auf der nächsthöheren Ebene einer geschichteten Netzwerk-Architektur. Alle Wechselrichter (17) sind an den beiden Bussystemen (19, 20) vorzugsweise mit Parallelverhalten angekoppelt.

Figur 6 zeigt eine typische linear ansteigende Leistungskennlinie (32') für Förder-, Extruder-, Schub-, Zuganwendungen, Gleichlaufanwendungen und installierte Eckleistung (3) nach dem Stand der Technik. Es zeigt sich, dass die Eckleistung (3) eines Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtungs- oder Gleichlaufantriebs, ausgeführt als Einzelantrieb nach dem Stand der Technik, in jedem Betriebspunkt (4) im Teillastbetrieb deutlich größer ist als die erforderliche Prozessleistung. Somit ist ein Betreiben desselben im optimalen Wirkungsgradbereich (Prozessleistung ca. 3/4 x Nennleistung des Motors) nur in einem bestimmten Betriebsbereich möglich. Ein stetes Betreiben im optimalen Wirkungsgradbereich bei hoher Varianz ist nicht möglich.

In Figur 7 ist ein Blockschema für die Kommunikation und Regelung der Antriebseinheiten der Erfindung dargestellt, analog zu Figur 3. Es ist eine Antriebswelle (38) dargestellt, die mit einer Drehzahl n und einem Drehmoment T eine Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtung, Gleichlaufanwendung antreibt. Ein mit der Antriebswelle (38) gekoppelter Drehgeber (7) dient zum Generieren einer realen Leitdrehachse. Dabei gelten folgende physikalischen Zusammenhänge:

P Prozess ⁼ F Ware X V Ware ⁼ T Erforderlich X 2 X TT X Π Erforderlich

V Ware = d Wirk X TT X Π Erforderlich

Diese physikalischen Zusammenhänge gelten für zwei (und optional mehr als zwei) Antriebseinheiten (15, 42) mit Elektromotoren. Danach wird der Antriebseinheit (15, 42) ein Solldrehwinkel vom Antriebsbus (19) aus mitgeteilt. Gleiches gilt für den Drehzahlsollwert, den Verzögerungssollwert, den Beschleunigungssollwert und den Stromsollwert. Die Berechnung dieser Sollwerte kann mit einem Mikroprozessor (18) in einem der Wechselrichter (17) der Antriebseinheiten (15, 42) erfolgen. Diesen berechneten Größen, wie Sollwinkel, Solldrehzahl, Sollverzöge- rung, Sollbeschleunigung und Sollstrom, folgen alle anderen Antriebseinheiten (15, 42) des Antriebssystems (1 ). Sie folgen somit einer virtuellen Leitdrehachse bzw. einer realen Leitdrehachse. Damit jeder einzelne Antrieb der vorgegebenen Kennlinie (32') präzise folgt, wird der Antriebsdatenbus (19) streng taktsynchron betrieben. Der auf Lichtwellenleiter oder geschirmten Datenkabeln als physikalischem Übertragungsmedium basierende Antriebsdatenbus (19) verbindet die Antriebs-einheiten-Teilnehmer vorzugsweise in einer Ringstruktur.

Ein Element wie beispielsweise der Drehgeber (7) an der Antriebswelle (38) kann die Rolle eines Dispatchers übernehmen. Alternativ kann der Dispatcher mit einer Antriebseinheit (15, 42) bzw. mit dessen Wechselrichter (17) oder mit einem gesonderten Hardware-Modul (21 ) realisiert sein. Weiterhin werden die vom Antriebsbus (19) gelesenen Sollwertdaten <t> _so n, a _so n, n _so n, l _S0 n in einen Funktionsbaustein "Leitwertaufbereitung" (22) eingelesen. In diesem ist ein auf das zu schiebende/ziehende/fördernde/pressende Material/Produkt spezifischer Algorithmus implementiert. Dieser kann entweder vom überlagerten Feldbus (20) eingelesen werden oder im Funktionsbaustein Leitwertaufbereitung (22) hinterlegt sein. In der Leitwertaufbereitung (22) werden die vom Antriebsbus (19) gelesenen Sollwerte entsprechend der linear steigenden Leistungskennlinie (32') zu internen Sollwerten des Winkels, der Drehzahl, der Beschleunigung und Verzögerung sowie des Stroms umgeformt. Diese Ergebnisse werden einem Winkellageregler (23), einem Drehzahlregler (24) und einem Stromregler (25) zugeführt. Winkellageregler (23) und Drehzahlregler (24) besitzen zusätzlich Istwert-Eingänge (26), die dem Ausgang eines Drehzahlgebers und/oder Winkellagegebers (37) zugeordnet sind, der das Drehverhalten der Antriebseinheiten (15, 42) abtastet. Der Stromregler besitzt zusätzlich einen Istwert-Eingang (27), der dem Ausgang des Wechselrichters zugeordnet ist und den Ist-Strom des Servomotors zuführt. Zwischen dem Istwert- Eingang (26) des Winkellagereglers (23) und dem Ausgang des Gebers (37) ist ein Element "Lage-Istwert-Aufbereitung" (28) eingefügt, über den mittels einer damit kombinierten Ausgangsschnittstelle (29) die vom Ausgang Drehzahl-, Win- kellagergeber (37) abgeleiteten Istwert-Daten für Winkellage, Drehzahl, Beschleunigung und Verzögerung auf den Antriebsbus (19) gesendet werden können. Der Wechselrichter (17) ist bekanntlich mit einem Stromregler (25) und einem nachgeschalteten Wechselrichter-Steuersatz ausgebildet, dessen Ausgang in den Leis- tungsteil (31 ) des Wechselrichters (17) geführt ist. Das Ergebnis ist ein hochdynamisches winkel-, drehzahl-, beschleunigungs-, verzögerungs- und drehmomentgetreues Verhalten der Antriebe untereinander.

Figur 8 zeigt eine typische mathematische Funktion f(n) (Linear steigende Leis- tungskennlinie, Konstantmoment) für Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtungs-, Gleichlaufanwendungen und das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verwendung des Antriebssystems. Darin ist eine typische linear steigende Leistungskennlinie (32') abgebildet, wie sie bei Förder-, Extruder-, Schub-, Zugeinrichtungs-, Gleichlaufanwendungen üblicherweise gegeben ist. Der Vorgang beginnt, indem eine der beiden Antriebseinheiten (15, 42) am Startpunkt (34) beschleunigt und - entsprechend der Leistungskennlinie - die erforderliche Betriebsdrehzahl und das Drehmoment an der Antriebswelle (38) zur Verfügung stellt. Im ersten Drittel des Gesamt-Leistungsbereichs gelten folgende physikalischen Zusammenhänge: Π Erforderlich - 0% bis 33% = | ⁿ Leistungspfad-Getriebestrang l oder 2 |

T Erforderlich - 0% bis 33% ⁼ | T Leistungspfad-Getriebestrang 1 oder 2 |

P Erforderlich - 0% bis 33% ⁼ | P Leistungspfad-Getriebestrang l oder 2 ]

Hier in Übergabezone 1 (40) angekommen, verzögert der aktive Motor seine Drehzahl bis er still steht und mechanisch durch die Haltebremse (43) des Motors und/oder elektrisch festgesetzt wird. Parallel beschleunigt die nicht aktive Antriebseinheit (15, 42) ihre Drehzahl, sodass die Antriebswelle (38) die erforderliche Betriebsdrehzahl und das Drehmoment beibehält. Dieser erste "fliegende" Übergabevorgang erfolgt winkel-, drehzahl- und drehmoment-synchron. Im zweiten Drittel des Gesamt-Leistungsbereichs gelten folgende physikalischen Zusammen- hänge:

Π Erforderlich - 33% bis 66% = | Π Leistungspfad-Getriebestrang 2 oder 1 |

T Erforderlich - 33% bis 66% ⁼ | T Leistungspfad-Getriebestrang 2 oder 1 |

P Erforderlich - 33% bis 66% ⁼ | P Leistungspfad-Getriebestrang 2 oder 1 |

Hier in Übergabezone 2 (41 ) angekommen, verzögert der aktive Motor etwas sei- ne Drehzahl. Parallel beschleunigt die nicht aktive Antriebseinheit (15, 42) seine Drehzahl, sodass die Antriebswelle (38) die erforderliche Betriebsdrehzahl und das Drehmoment beibehält. Dieser zweite "fliegende" Übergabevorgang erfolgt ebenfalls winkel-, drehzahl- und drehmomentsynchron. Von hier an folgen beide Antriebseinheiten (15, 42) - winkel-, drehzahl-, beschleunigungs-, verzögerungs- und drehmomentsynchron arbeitend - der Leistungskennlinie (32') bis der Endpunkt (36) erreicht ist und damit die maximale Leistungsfähigkeit des gesamten Antriebssystems unter Dauerlastbedingungen erreicht ist. Im dritten Drittel des Gesamt-Leistungsbereichs gelten folgende physikalischen Zusammenhänge:

Π Erforderlich - 66% bis 100% ⁼ | Π Leistungspfad-Getriebestrang l | + | ΓΙ Leistungspfad-Getriebestrang 2 | T Erforderlich - 66% bis 100% ⁼ | T Leistungspfad-Getriebestrang 1 | + | T Leistungspfad-Getriebestrang 2 | P Erforderlich - 66% bis 100% ⁼ | P Leistungspfad-Getriebestrang l | + | P Leistungspfad-Getriebestrang 2 | Es besteht auch die Möglichkeit, dass im Leistungsbereich von 0% bis 66 % eine der beiden Antriebseinheiten generatorisch arbeitet und Energie in einen Spannungszwischenkreis (36) speist. In diesem Fall gelten die gleichen physikalischen Zusammenhänge wie im Leistungsbereich von 66% bis 100%.

Der Vorgang kann durch kontrolliertes abbremsen beendet werden. In Figur 9 ist ein Block-Schema einer weiteren Möglichkeit für die Kommunikation und Regelung der Antriebseinheiten der Erfindung dargestellt. Die Synchronisierung kann in diesem Fall durch eine Lage- und/oder Drehzahl- und/oder Drehmoment-Ausgleichsregelung realisiert werden. Eine dynamische Drehmoment- Ausgleichsregelung die an der Leistungsverzweigung ein statisches und/oder dy- namisches Drehmoment-Gleichgewicht bewerkstelligt wird in diesem Ausführungsbeispiel genauer beschrieben.

Zur Synchronisierung mindestens zweier Antriebseinheiten (15, 42) mittels einer Drehmoment-Ausgleichsregelung ist eine Zusatzvorrichtung vorgesehen (44). Hierbei gibt die Leitwertaufbereitung (22) das Lagesollwertsignal und/oder Dreh- zahlsollwertsignal an den Drehzahlregler (24) der ersten Antriebseinheit (15 o- der 42) vor. Der gleiche Drehzahlsollwert (45) wird auch als Drehzahlsollwert (45) an die zweite Antriebseinheit (42 oder 15) zugeführt. Zur Berücksichtigung unterschiedlicher Drehzahlniveaus der einzelnen Antriebseinheiten, im Verhältnis zueinander, ist eine Einstellmöglichkeit (46) vorgesehen. Unterschiedliche Überset- Zungsverhältnisse der einzelnen Antriebsstränge untereinander können auch gegebenenfalls in den Istwertkreisen (26) und/oder in der Istwertaufbereitung (28) berücksichtigt werden. Weiterhin ermöglicht die Zusatzvorrichtung (44), dass der Stromsollwert (47) nach dem Drehzahlregler der ersten Antriebseinheit (15) und der Stromsollwert (48) des Drehzahlreglers der zweiten Antriebseinheit (42) miteinander verglichen werden. Zur Berücksichtigung unterschiedlicher Drehmomentniveaus der einzelnen An- triebseinheiten untereinander ist jeweils eine Einstellmöglichkeit über eine dynamische Wichtung (49, 50) vorgesehen. Die Zusammenführung der gewichteten Drehmomentniveaus ist symbolisch durch den Vergleicher (51 ) dargestellt.

Um Aufschwingungen der Signale zu unterbinden und Störsignalfrequenzen in den Regelkreisen zu eliminieren, wird zusätzlich ein Tiefpassfilter (52) eingesetzt. Sein Ausgangssignal (53) wird als Korrektursignal dem Vergleicher (51 ) zugeführt. Der Differenzwert am Vergleicher (51 ) wird nun einem Ausgleichsregler (54) zugeführt, dessen Ausgangssignal (55) über einen Schalter (56) zusätzlich auf den Sollwert eines Drehzahlreglers (24) aufschaltbar ist. Ferner ist noch, wie durch den Limiter (57) angedeutet, der Integrator im Ausgleichsregler (54) derart in sei- nem Ausgang begrenzbar, dass vorgegebene und/oder unzulässige Werte nicht überschritten werden können.

Figur 10 zeigt ein Block-Schema eines Gesamtsystems mit mechanisch über Planetengetriebe leistungsverzweigten, über ein elektronisches Synchronisationssystem vernetzten und energetisch über einen Spannungszwischenkreis (66) ver- knüpften Antriebssystemen. Die einzelnen schematisch angedeuteten Antriebsstränge weisen jeweils zwei Antriebseinheiten bzw. Motoren auf, die über ein Planetengetriebe angekoppelt sind. Je nach Applikationszweck (Zentrumswickler, Antriebsrollen) unterliegen die einzelnen Antriebsstränge unterschiedlichen Drehzahl/Moment bzw. Leistungskennlinien, wie jeweils angedeutet. Durch den ge- meinsamen Zwischenkreis können generatorisch arbeitende Elektromotoren ihre Energie anderen Antriebsmotoren zur Verfügung stellen.

Figur 11 zeigt eine Gleichungsmatrix des über ein Planetengetriebe leistungsverzweigten Antriebssystems mit drei Antriebsmotoren in Abhängigkeit von Ankerstellbereich, Feldschwächbereich, Drehmoment, Drehzahl und Leistung. Die Ab- triebsdrehzahl ergibt sich gemäß den Willis-Gleichungen. Dabei werden die Motoren bei geringeren Drehzahlanforderungen im "klassischen" An kerstel Ibereich betrieben, und bei zunehmenden Anforderungen hinsichtlich zunehmendem Dreh- zahlen in einem Feldschwächbereich oberhalb der Nenndrehzahl betrieben, wodurch das gleichzeitig Drehmoment entsprechend geschwächt wird und die Leistung in etwa gleich bleibt (siehe die Tendenzangaben zu P, T und n links seitlich der Matrix). Falls höhere Leistung bzw. ein höheres Drehmoment und höhere Drehzahl erforderlich sind, so wird dies über das Zuschalten weiterer Motoren erreicht, die vorher blockiert wurden, vgl. die Tendenzangaben in der Zeile oberhalb der Matrix.

Figur 12 zeigt eine typische Wirkungsgradkennlinie (58) eines Elektromotors nach dem Stand der Technik. Es zeigt sich, dass der optimale Wirkungsgrad des Elekt- romotors in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment bei 0,75 ± 0,15 x Nenndrehzahl und 0,75 ± 0,15 x Nennmoment liegt. Ein stetes Betreiben im optimalen Wirkungsgradbereich bei hoher Varianz ist nicht möglich. Um dieses zu ermöglichen, muss an den Grenzlinien ein Umschalten erfolgen.

Figur 13 zeigt eine typische Wirkungsgradkennlinie (62) eines Getriebes nach dem Stand der Technik. Es zeigt sich, dass der optimale Wirkungsgrad des Getriebes in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment bei 0,75 ± 0,15 x Nenndrehzahl und 0,75 ± 0,15 x Nennmoment liegt. Ein stetes Betreiben im optimalen Wirkungsgradbereich bei hoher Varianz ist nicht möglich. Um dieses zu ermöglichen, muss an den Grenzlinien ebenfalls ein Umschalten erfolgen.

Bezuqszeichenliste

Antriebssystem

Anwendung mit Konstantleistungskennlinie

' Anwendung mit linear/hyperbolisch steigender Leistungskennlinie Eckleistung

Betriebspunkt

Warenbahn

Wickelkörper

Drehgeber

Antriebsstrang

Getriebestufe

0 Zahnriemen / Zahnkette

1 Synchronisationssystem

2 Gehäuse

3 Gebläse

4 Planetengetriebe

5 Antriebseinheit

6 Elektromotor

7 Wechselrichter

8 Mikroprozessor

9 Antriebsbus

0 Feldbus

1 Hardware-Modul

2 Leitwertaufbereitung

3 Winkellageregler

4 Drehzahlregler

5 Stromregler

6 Istwert-Eingang Drehzahl-, Winkellagergeber

7 Istwert-Eingang Wechselrichter

8 Lage-Istwert-Aufbereitung Element

9 Ausgangsschnittstelle

0 Schnittstelle Synchronisationssystem

1 Leistungsteil

2 Konstantleistungskurve

2' linear/hyperbolisch ansteigende Leistungskennlinie

3 Encoder / Resolver Startpunkt

Spannungszwischenkreis

Endpunkt

Ausgang Drehzahl-, Winkellagergeber

Antriebswelle

Wälzlager

Übergabezone 1

Übergabezone 2

Antriebseinheit

Haltebremse des Elektromotors

Zusatzvorrichtung

Drehzahlsollwert

Einstellmöglichkeit Übersetzungsverhältnis

Stromsollwert Antriebseinheit 1

Stromsollwert Antriebseinheit 2

Dynamische Wichtung Antriebseinheit 1

Dynamische Wichtung Antriebseinheit 2

Vergleicher

Tiefpassfilter

Ausgangssignal Tiefpassfilter

Ausgleichsregler

Ausgangssignal Ausgleichsregler

Schalter

Limiter

Wirkungsgradkennlinie eines Elektromotors

Schaltbereich Überlastgrenze - Elektromotor

Schaltbereich optimale Drehmomentgrenze - Elektromotor Schaltbereich optimale Drehzahlgrenze - Elektromotor Wirkungsgradkennlinie eines Getriebes

Schaltbereich Überlastgrenze - Getriebe

Schaltbereich optimale Drehmomentgrenze - Getriebe Schaltbereich optimale Drehzahlgrenze - Getriebe gemeinsamer Zwischenkreis