Anlage mit Bremsgenerator

Abstract

 Bei einer Anlage (2) ist eine aktuelle Anlagengeschwindigkeit (v_akt) für einen Arbeitsprozess (4) bis zu einer Maximalgeschwindigkeit (v_max) wählbar, wird ein Bremsgenerator (6) für eine Drehachse (8) der Anlage (2) verwendet, wird ein hinsichtlich seiner zulässigen Höchstdrehzahl (n_max) für die Anlage (2) unterdimensionierter hochpoliger Synchronmotor (10) als Bremsgenerator (6) verwendet, wird die aktuelle Drehzahl (n_akt) des Synchronmotors (10) überwacht und wird die wählbare Anlagengeschwindigkeit (v_akt) auf eine Grenzgeschwindigkeit (v_grenz) begrenzt, wenn die aktuelle Drehzahl (n_akt) die Höchstdrehzahl (n_max) erreicht, so dass der Synchronmotor (10) höchstens mit der Höchstdrehzahl (n_max) betrieben wird.
Bei der Verwendung eines hochpoligen Synchronmotors (10) in einer Anlage (2), wird dieser wie oben unterdimensioniert und die Anlagengeschwindigkeit auf eine Grenzgeschwindigkeit (v_grenz) begrenzt.
Eine Anlage weist einen wie oben unterdimensionierten hochpoligen Synchronmotor (10) und eine Steuer- und Auswerteeinheit (22) auf, die die Anlagengeschwindigkeit auf eine Grenzgeschwindigkeit (v_grenz) begrenzt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Anlage. Mit Hilfe der Anlage wird ein Arbeitsprozess durchgeführt. Die Geschwindigkeit, mit der die Anlage den Arbeitsprozess durchführt bzw. betreibt, ist - z.B. kontinuierlich oder in Stufen - frei wählbar. Je höher die Anlagengeschwindigkeit ist, desto schneller wird also der Arbeitsprozess durchgeführt. Die Anlagengeschwindigkeit kann bis auf eine Maximalgeschwindigkeit erhöht werden. Im regulären Betrieb, wenn also der Arbeitsprozess z.B. zu Produktionszwecken durchgeführt wird, wird die Anlage mit dieser Maximalgeschwindigkeit betrieben.

[0002] Lediglich beispielhaft sei eine Anlage aus der Papierindustrie genannt. Bei dieser Anlage ist eine Papierbahn als Wickel vorhanden. Der z.B. achslos durch Pinolenwellen oder auf einer durchgehenden Achse der Anlage gehaltene Wickel rotiert im Betrieb um die Drehachse, damit die Papierbahn vom Wickel abgerollt werden kann. Zur Erzielung eines benötigten Bahnzuges, insbesondere bei achslosen Abrollungen in der Papierindustrie (speziell bei Rollenlängs- und -querschneidern) sind meist hydraulisch oder pneumatisch betriebene mechanische Bremsen im Einsatz, welche die Zugkraft der Papierbahn in mechanische Bremsenergie und damit in Wärme und Verformungsarbeit bzw. Verschleiß umwandeln.

[0003] Im Folgenden werden als niederpolige Motore solche bezeichnet, die eine Polzahl von weniger als 8 Polen aufweisen. Hochpolige Motore sind solche mit einer Polzahl von mindestens 8, insbesondere von einer Polzahl von mindestens 16. Alternative, insbesondere achslose Ausführungen benutzen anstelle der Bremsen niederpolige Synchron- oder Asynchronmmotore mit Vorsatzgetrieben bzw. Riemenübersetzungen zur Erzielung der benötigten Drehzahlen und Drehmomente. Diese werden allgemein als Bremsgeneratoren bezeichnet. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Anlagen mit solchen Bremsgeneratoren. Der Bremsgenerator wird also für eine Drehachse der Anlage verwendet, nämlich um an dieser Achse ein Bremsmoment zu verursachen. Mit anderen Worten wird der Bremsgenerator also von der Anlage angetrieben.

[0004] Die vorliegend betrachteten Arbeitsprozesse zeichnen sich dadurch aus, dass diese einen klar definierten Prozessbeginn und ein ebensolches Prozessende aufweisen. Ein eindeutig bestimmbarer Prozessfortschritt gibt an, an welcher Stelle zwischen Prozessbeginn und Prozessende sich der Prozess aktuell befindet. Der Prozessfortschritt wird z.B. im Bereich 0% bis 100% angegeben und bezieht sich auf die Prozesszeit oder den Verbrauch eines im Prozess verwendeten bzw. verbrauchten Gutes. Es handelt sich also nicht um gleichbleibende Endlosprozesse mit im Grunde immer gleichen Prozessbedingungen. Im Beispiel ist der Prozessbeginn der Start des Arbeitsprozesses direkt nach dem Aufbringen eines neuen, vollen Papierwickels. Das Prozessende ist erreicht, wenn der Papierwickel vollständig abgewickelt, d.h. verbraucht ist. Wird ein neuer Papierwickel auf die Drehachse aufgebracht, beginnt ein neuer Arbeitsprozess. Da sich das Wickelvolumen des Wickels während des Arbeitsprozesses durch Abspulen von Papier kontinuierlich ändert, ändern sich auch die Prozessbedingungen, was als Prozessfortschritt bezeichnet wird. Der Prozessfortschritt wird z.B. als das aktuell noch auf dem Wickel befindliche Wickelvolumen oder der aktuelle Wickeldurchmesser angegeben. Bei gleichbleibender Anlagengeschwindigkeit, die sich im Beispiel als Bahngeschwindigkeit in der Anlage widerspiegelt, ändert sich also die Drehzahl der Drehachse mit abnehmendem Wickelvolumen, d.h. mit zunehmendem Prozessfortschritt. Im Beispiel werden vor allem achslose Abwicklungen mit Papierhülsen geringen Außendurchmessers (z.B. typisch 85mm) als Wickelkern betrieben. Vor allem bei einem Prozessfortschritt im Bereich des Prozessendes ergeben sich in der Anlage daher hohe Kerndrehzahlen an der Drehachse.

[0005] Vorliegend werden also Anlagen betrachtet, bei denen die aktuelle Drehzahl des Bremsgenerators von der aktuellen Anlagengeschwindigkeit und einem aktuellen Prozessfortschritt des Arbeitsprozesses bestimmt wird. Dabei verändert sich bei gleichbleibender Anlagengeschwindigkeit abhängig vom Prozessfortschritt die Drehzahl des Bremsgenerators.

[0006] Um diesen Forderungen zu genügen, ist es bekannt, derartige Anlagen wie oben erläutert, mit niederpoligen Bremsgeneratoren, eventuell auch unter Nutzung von Übersetzungsgetrieben, auszurüsten. Aufgabe der Erfindung ist es, zumindest eine alternative oder sogar verbesserte Lösungen für derartige Anlagen anzugeben. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage nach Patentanspruch 1, eine Verwendung eines hochpoligen Synchronmotors nach Patentanspruch 7 und eine Anlage zur Durchführung eines Arbeitsprozesses nach Patentanspruch 9.

[0007] Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage, bei dem mit Hilfe der Anlage ein Arbeitsprozess durchgeführt wird, wobei eine aktuelle Anlagengeschwindigkeit für den Arbeitsprozess bis zu einer Maximalgeschwindigkeit wählbar ist. Im Verfahren wird ein Bremsgenerator für eine Drehachse der Anlage verwendet, dessen aktuelle Drehzahl von der aktuellen Anlagengeschwindigkeit und einem aktuellen Prozessfortschritt des Arbeitsprozesses bestimmt wird, wobei sich bei gleichbleibender Anlagengeschwindigkeit abhängig vom Prozessfortschritt die aktuelle Drehzahl des Bremsgenerators verändert.

[0008] Gemäß der Erfindung wird ein hochpoliger Synchronmotor als Bremsgenerator verwendet, der hinsichtlich seiner zulässigen Höchstdrehzahl für die Anlage unterdimensioniert ist. Die Unterdimensionierung erfolgt derart, dass bei Betrieb bzw. Ausführung des Arbeitsprozesses auf der Anlage mit Maximalgeschwindigkeit zumindest ein Prozessfortschritt existiert, d.h. denkbar ist, bei dem die aktuelle Drehzahl des Synchronmotors seine Höchstdrehzahl überschreiten würde. Mit anderen Worten existiert also mindestens ein Betriebszustand der Anlage, der bei regulärer Nutzung der Anlage mit Maximalgeschwindigkeit tatsächlich reproduzierbar auftreten würde, und bei dem der Synchronmotor jenseits seiner Höchstdrehzahl betrieben würde.

[0009] Gemäß dem Verfahren wird daher die aktuelle tatsächliche Drehzahl des Synchronmotors im Betrieb überwacht und es ergeben sich dann zwei Fälle:

[0010] 1.) So lange die aktuelle tatsächliche Drehzahl des Synchronmotors kleiner der Höchstdrehzahl ist, wird die aktuelle Anlagengeschwindigkeit in einem ersten Betriebszustand frei gewählt oder bleibt mit anderen Worten frei wählbar. Mit anderen Worten wird in diesem Betriebszustand also die Anlage in herkömmlicher Weise betrieben, so dass die Anlagengeschwindigkeit beliebig wählbar ist. Im regulären Betrieb wird dabei in der Regel die Maximalgeschwindigkeit gewählt, um den Arbeitsprozess, z.B. eine Produktion, möglichst schnell durchzuführen. Dies betrifft alle Prozessfortschritte, in denen die Höchstdrehzahl des Synchronmotors ohnehin anlagen- bzw. prozessbedingt nie überschritten werden kann.

[0011] 2.) Wenn die aktuelle Drehzahl allerdings die Höchstdrehzahl erreicht, wird die aktuelle Anlagengeschwindigkeit in einem zweiten Betriebszustand nur bis zu einer derartigen Grenzgeschwindigkeit gewählt, dass der Bremsgenerator höchstens mit der Höchstdrehzahl betrieben wird. Dies betrifft den o.g. wenigstens einen Prozessfortschritt, in dem ansonsten, also bei Betrieb der Anlage mit Maximalgeschwindigkeit die Drehzahl des Synchronmotors zu hoch werden würde, d.h. die Anlage unterdimensioniert ist. Hier wird in den zweiten Betriebszustand gewechselt.

[0012] Im Ergebnis bleibt also im ersten Betriebszustand die Anlagengeschwindigkeit frei wählbar. Im zweiten Betriebszustand wird die Wahl der Anlagengeschwindigkeit begrenzt. Die Obergrenze bildet hierbei diejenige Anlagengeschwindigkeit, bei der der Synchronmotor seine zulässige Höchstdrehzahl erreicht. Im zweiten Betriebszustand wird also zwangsweise die Betriebsgeschwindigkeit der Anlage dynamisch begrenzt. Die Begrenzung wird an der Drehzahl des Synchronmotors orientiert und auf die Anlagengeschwindigkeit übertragen bzw. umgerechnet. Der Zusammenhang zwischen Anlagengeschwindigkeit und Drehzahl des Synchronmotors ist dabei bekannt oder zumindest ermittelbar. Während eines Prozesses von Beginn bis Ende desselben, also mit zunehmendem Prozessfortschritt können dabei auch mehrmals bzw. abwechselnd erste und/oder zweite Betriebszustände auftreten, je nachdem, wie die Drehzahl des Synchronmotors von der Anlagengeschwindigkeit und dem Prozessfortschritt abhängt.

[0013] Gemäß der Erfindung können also nun anstelle der bekannten niederpoligen Synchronmotoren oder Asynchronmotoren alternativ auch hochpolige Synchronmotoren- bzw. antriebe genutzt werden, die Polzahlen von mindestens 8, insbesondere mindestens 16 aufweisen. Insbesondere können permanenterregte Synchronmotore verwendet werden. Die Motoren brauchen hierbei nicht auf die maximal mögliche Drehzahl für alle denkbaren Betriebszustände der Anlage ausgelegt werden, d.h. die Anlage voll ausdimensioniert werden. Dank der Erfindung wird stattdessen die Anlage stets nur so schnell betrieben, dass die Höchstdrehzahl der Motore nicht überschritten wird.

[0014] Die Erfindung beruht dabei auf folgender Erkenntnis: Der übliche Anwendungsbereich bzw. der normale Anwendungsfall von hochpoligen Synchronantrieben beschränkt sich auf den Einsatz im Bereich niedriger Drehzahlen, z.B. bis maximal 700 U/min, und hoher Drehmomente. Bei einer voll ausdimensionierten Maschine wäre diese Drehzahl als Maximaldrehzahl für alle Maschinenzustände zu berücksichtigen, d.h. für eine maximal Drehzahl der Drehachse am Ende einer Papierabwicklung. Die maximale Anlagengeschwindigkeit müsste dann z.B. bei den o.g. Papiermaschinen auf Bahngeschwindigkeiten bei achslosen Abrollungen von etwa 200m/min begrenzt werden. Dies wäre z.B. für die oben genannten Rollen- und Querschneider unzureichend.

[0015] Die Erfindung erkennt allerdings, dass diese Betriebszustände nur sehr selten erreicht werden. Die Erfindung nimmt daher die Unterdimensionierung bewusst in Kauf, da im Großteil der Betriebsfälle die Drehzahl am Bremsgenerator dennoch unterhalb der kritischen Drehzahl bleibt und die Anlage regulär betrieben werden kann. Z.B. bei Papiermaschinen sind Papierrollen mit einem Ausgangsdurchmesser von z.B. 2,5m üblich. Diese sind insbesondere im achslosen Fall auf einem Wickelkern (z.B. Karton) von typisch 8 bis 15cm aufgewickelt. Die Drehzahlen der Papierrollen steigen im Arbeitsprozess von anfangs ca. 200 U/min (Prozessfortschritt 0%) auf ca. 2.500 - 3.000 U/min am Prozessende (Porezessfortschritt 100%) an. Nur in einem kleinen Bereich am Ende einer Abwicklung bzw. gegen Prozessende, z.B. ab einem Prozessfortschritt von 95%, wenn bei gleichbleibender Anlagengeschwindigkeit die Drehzahlen kurzfristig auf sehr hohe Werte über 700 U/min ansteigen würden, wird die gesamte Anlage für kurze Dauer gebremst. Die Maschinengeschwindigkeit wird dann sukzessive gesenkt, damit der Motor nie schneller als mit 700 U/min dreht. In diesem kurzen Zeitraum befindet sich jedoch ohnehin kaum mehr eine nennenswerte Papiermenge auf der Rolle. Dadurch entsteht kaum ein wirtschaftlicher Verlust, da dies z.B. nur 5% des von einer Papierrolle zu verarbeitenden Papiers betrifft. Damit werden nur 5% der regulären Verarbeitungszeit durch Abbremsen der Anlage etwas verlängert. Im Gegenzug kann in der Anlage ein Synchronmotor als Bremsgenerator verwendet werden, der hinsichtlich seiner Maximaldrehzahl um ein vielfaches niedriger dimensioniert sein kann als bei Auslegung bis zur vollen möglichen Drehzahl im Regulärbetrieb der Anlage. Somit können die Papiermaschinen in 95% der Betriebsfälle trotz Verwendung des hochpoligen Synchronantriebes mit Produktionsgeschwindigkeiten von 500 bis 2000m/min betrieben werden.

[0016] Die Erfindung eignet sich also gerade für achslose Abrollungen in Anlagen, da gerade hier wegen der sehr geringen Außendurchmesser von Wickelhülsen (z.B. 80-100 mm) die Drehzahlen nur am Wickelende extrem ansteigen und vor allem bei diesem Maschinen hinsichtlich einer Unterdimensionierung in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren große wirtschaftliche Vorteile gegenüber einer Volldimensionierung erreicht werden können.

[0017] Gemäß der Erfindung überwacht also eine Steuer- und Auswerteeinheit die Drehzahl des Synchronmotors, z.B. durch Überwachung von dessen Spannung. Bei Annäherung bzw. Erreichen der zulässigen Höchstdrehzahl greift die Steuer- und Auswerteeinheit in die eigentliche Steuerung der Anlage ein und senkt deren Arbeitsgeschwindigkeit so weit, dass die Höchstdrehzahl am Synchronmotor zumindest nicht überschritten wird.

[0018] In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die Höchstdrehzahl des Synchronmotors derart gewählt, dass bei einem schnellstmöglich durchgeführten vollständigen Arbeitsprozess die Dauer des zweiten Betriebszustandes nur höchstens einen vorgebbaren Anteil der Gesamtdauer von erstem und zweitem Betriebszustand einnimmt. Bei einem vollständigen Arbeitsprozess wird der Prozessfortschritt von 0% bis 100% vollständig durchlaufen. Der Anteil beträgt dabei insbesondere 10%, insbesondere 5% der Gesamtdauer. Ein Arbeitsprozess wird schnellstmöglich durchgeführt, indem in ersten Betriebszustand die Anlage stets mit Maximalgeschwindigkeit betrieben wird und im zweiten Betriebszustand die Anlage stets mit einer solchen Arbeitsgeschwindigkeit betrieben wird, dass der Bremsgenerator mit Höchstdrehzahl läuft. Die Gesamtdauer entspricht der Dauer für die Durchführung eines Arbeitsprozesses von Prozessbeginn bis Prozessende. Treten während eines Prozessdurchlaufs (Beginn bis Ende) dabei mehrere erster und/oder zweiter Betriebszustände auf, so werden deren jeweilige Teildauern aufsummiert. Mit dieser Ausführungsform wird sichergestellt, dass die Anlage nur für den jeweiligen festgelegten Anteil der Gesamtdauer unterhalb der Maximalgeschwindigkeit betrieben werden muss. Mit anderen Worten wird also ein entsprechend dimensionierter Synchronmotor für die Anlage ausgewählt, der einen entsprechend niedrigen Anteil zweiter Betriebszustände notwendig macht.

[0019] In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich auf der Drehachse ein Wickel mit Bahnmaterial, insbesondere Papier, das im Arbeitsprozess vom Wickel abgerollt wird. Die Erfindung ist in dieser Ausführungsform z.B. für die oben genannten Anlagen in Form von Papiermaschinen einsetzbar. Es gelten dann die oben bisher nur beispielhaft genannten Ausführungen, z.B. bezüglich Prozessbeginn und -ende usw. konkret für die Erfindung.

[0020] In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird der Wickel von einem, insbesondere achslosen, Wickelkern mit höchstens 15cm, insbesondere höchstens 8cm, Außendurchmesser abgerollt. Auch in dieser Ausführungsform ist die Erfindung besonders für die oben genannten Anlagen in Form von Papiermaschinen einsetzbar.

[0021] In einer bevorzugten Variante dieser Ausführungsform wird der Prozessfortschritt als aktuell im Arbeitsprozess vorhandenes Wickelvolumen bezogen auf ein Nenn-Ausgangswickelvolumen definiert. Das Nenn-Ausgangswickelvolumen entspricht dabei dem maximal möglichen Wickelvolumen eines Wickels, der in der entsprechenden Anlagen verarbeitbar ist. Statt des Volumens kann aber auch alternativ z.B. der Durchmesser, Radius oder Umfang des Wickels als Prozessfortschritt definiert werden. So steht ein besonders leicht erfassbares Maß für den Prozessfortschritt zur Verfügung. Der Prozessfortschritt bzw. ein Maß für diesen kann z.B. auch in Prozent der Ausgangsgröße, also des Nenn-Ausgangswickelvolumes, -durchmessers usw. angegeben werden.

[0022] In einer bevorzugten Ausführungsform mündet die Drehachse unmittelbar in eine Welle. Ein Synchronmotor wird dann gewählt der eine derartige Hohlwelle aufweist, deren Innendurchmesser derart zum Außendurchmesser der Welle passt, dass der Synchronmotor auf die zu bremsende Welle aufgesteckt und auf dieser drehfixiert wird. Die Durchmesser passen insbesondere, wenn sie gleich sind, aber auch wenn der Innendurchmesser - insbesondere geringfügig - größer dem Außendurchmesser ist, so dass - ggf. unter Zwischenlage eines Ausgleichsrings - ein direktes Aufflanschen möglich ist. Dies ermöglicht eine sehr einfach und direkte Weise, eine Bremse für die Welle zu realisieren. Zwischen Welle und Bremse, hier dem Synchronmotor, sind keinerlei Zwischenelemente wie Getriebe, Riemen, Zahnräder o.ä. nötig. Die Bremse wird ähnlich einer herkömmlichen mechanischen Bremse einfach an die Welle angeflanscht. Auch in bestehenden Anlagen ist so ein einfacher Austausch, d.h. ein Nachrüsten einer vorhandenen mechanischen Bremse gegen einen erfindungsgemäßen Synchronmotor möglich.

[0023] Bei Nachrüstungen können also Synchronmotore einfach anstelle der pneumatischen oder hydraulischen Bremseinheit auf die Pinolenwelle aufgesteckt und zur Drehmomentübertragung mechanisch verbunden werden.

[0024] Hier nutzt die Erfindung folgende Beobachtung: Die Bauform kommerziell üblicherweise erhältlicher hochpoliger Synchronmotoren zeichnet sich durch eine Hohlwelle mit großer Bohrung auf. Die Dimensionen dieser Hohlwellen passen gerade für zu bremsende Wellen an bekannten Papiermaschinen, auf denen in bekannter Weise mechanische Bremsen sitzen. Die bekannten Bremseinheiten ähneln dabei in Ihrem Aussehen als runde Gebilde mit großem Innendurchmesser den bekannten Hohlwellenmotoren. Die bekannten Bohrungsdurchmesser bewegen sich hierbei von ca. 150mm aufwärts, typischerweise im Bereich von ca. 250-350mm Bohrung. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein kommerziell erhältlicher Synchronmotor hinsichtlich Bauform gewählt werden kann, dessen Hohlwellenbohrung auf eine bestehende zu bremsende Welle passt. Hinsichtlich Dimensionierung muss der Motor dann lediglich von der Bremsleistung für die Bremsaufgabe geeignet sein. Hinsichtlich der Maximaldrehzahl des Motors kann die Anlage dann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.

[0025] Hinsichtlich der Verwendung wird die Erfindung gelöst durch die Verwendung eines hochpoligen Synchronmotors in einer Anlage gelöst, wobei mit Hilfe der Anlage ein Arbeitsprozess durchgeführt wird, wobei eine aktuelle Anlagengeschwindigkeit für den Arbeitsprozess bis zu einer Maximalgeschwindkeit wählbar ist,

[0026] In der Anlage wird ein Bremsgenerator für eine Drehachse der Anlage verwendet, dessen aktuelle Drehzahl von der aktuellen Anlagengeschwindigkeit und einem aktuellen Prozessfortschritt des Arbeitsprozesses bestimmt wird, wobei sich bei gleichbleibender Anlagengeschwindigkeit abhängig vom Prozessfortschritt die aktuelle Drehzahl des Bremsgenerators verändert.

[0027] Ein hochpoliger Synchronmotor wird als Bremsgenerator verwendet, der hinsichtlich seiner zulässigen Höchstdrehzahl für die Anlage derart unterdimensioniert ist, dass bei Betrieb des Arbeitsprozesses auf der Anlage mit Maximalgeschwindigkeit zumindest ein Prozessfortschritt existiert, bei dem die aktuelle Drehzahl des Synchronmotors seine Höchstdrehzahl überschreiten würde,

[0028] Bei der Verwendung wird die aktuelle Drehzahl des Synchronmotors überwacht. So lange die aktuelle Drehzahl kleiner der Höchstdrehzahl ist, wird die aktuelle Anlagengeschwindigkeit in einem ersten Betriebszustand frei gewählt. Wenn dagegen die aktuelle Drehzahl die Höchstdrehzahl erreicht, wird die aktuelle Anlagengeschwindigkeit in einem zweiten Betriebszustand nur bis zu einer derartigen Grenzgeschwindigkeit gewählt, dass der Bremsgenerator höchstens mit der Höchstdrehzahl betrieben wird.

[0029] Für bevorzugte Ausführungsformen sowie Vorteile der Verwendung gelten sinngemäß die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren.

[0030] Hinsichtlich der Anlage wird die Erfindung gelöst durch eine Anlage zur Durchführung eines Arbeitsprozesses, wobei anhand einer Anlagensteuerung eine aktuelle Anlagengeschwindigkeit für den Arbeitsprozess bis zu einer Maximalgeschwindigkeit wählbar ist,

[0031] Die Anlage enthält einen Bremsgenerator für eine Drehachse der Anlage, dessen aktuelle Drehzahl von der aktuellen Anlagengeschwindigkeit und einem aktuellen Prozessfortschritt des Arbeitsprozesses bestimmt wird, wobei sich bei gleichbleibender Anlagengeschwindigkeit abhängig vom Prozessfortschritt die aktuelle Drehzahl des Bremsgenerators verändert.

[0032] Die Anlage enthält einen hochpoligen Synchronmotor als Bremsgenerator, der hinsichtlich seiner zulässigen Höchstdrehzahl für die Anlage derart unterdimensioniert ist, dass bei Betrieb des Arbeitsprozesses auf der Anlage mit Maximalgeschwindigkeit zumindest ein Prozessfortschritt existiert, bei dem die aktuelle Drehzahl des Synchronmotors seine Höchstdrehzahl überschreiten würde. Die Anlage enthält einen Drehzahlmesser für die aktuelle Drehzahl des Synchronmotors, eine mit dem Drehzahlmesser verbundene Steuer-und Auswerteeinheit, die mit der Anlagensteuerung der Anlage verbunden ist. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist folgendermaßen ausgebildet:

[0033] So lange die aktuelle Drehzahl kleiner der Höchstdrehzahl ist, gibt sie die Anlagensteuerung frei, so dass die aktuelle Anlagengeschwindigkeit in einem ersten Betriebszustand frei wählbar ist. Wenn die aktuelle Drehzahl dagegen die Höchstdrehzahl erreicht, wirkt sie derart auf die Anlagensteuerung ein, dass die aktuelle Anlagengeschwindigkeit in einem zweiten Betriebszustand nur bis zu einer derartigen Grenzgeschwindigkeit wählbar ist, dass der Synchronmotor höchstens mit der Höchstdrehzahl betrieben wird.

[0034] Für bevorzugte Ausführungsformen sowie Vorteile der Anlage gelten sinngemäß die obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren.

[0035] Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Anlage,

Fig. 2 die Drehachse der Anlage in Richtung des Pfeils II in Fig. 1.

[0036] Fig. 1 zeigt eine Anlage 2, hier eine Papiermaschine. Auf der Anlage 2 wird ein Arbeitsprozesses 4 durchgeführt, hier Papier geschnitten. Anhand einer Anlagensteuerung 24 ist eine aktuelle Anlagengeschwindigkeit v_akt für den Arbeitsprozess 4 bis zu einer Maximalgeschwindigkeit v_max wählbar. Die Anlagengeschwindigkeit ist im Beispiel die Geschwindigkeit, mit der Bahnmaterial 14, hier Papier, das von einem Wickel 12 abgerollt wurde, in Richtung des Pfeils 15 durch die Anlage 2 läuft. Der Pfeil 15 symbolisiert also die Anlagengeschwindigkeit. Im Wickel 12 ist Bahnmaterial 14 auf einem Wickelkern 16 aufgerollt. Der Wickelkern 16 weist hier insbesondere einen Außendurchmesser von höchstens 15cm oder insbesondere von höchstens 8cm auf.

[0037] Die Anlage 2 enthält einen mit dem Wickel 12 um die Drehachse 8 rotierenden Bremsgenerator 6 für die Drehachse 8 der Anlage 2. Auf der Drehachse 8 ist der Wickel 12 um diese drehbar gelagert. Der Bremsgenerator 6 erzeugt ein Bremsmoment, das entgegen einer Richtung der Abwicklung (Pfeil 9) von Bahnmaterial 14 vom Wickel 12 auf diesen einwirkt. In Fig. 1 ist der Bremsgenerator 6 symbolisch entfernt von der Drehachse 8 gezeichnet, um den Wickel 12 nicht zu verdecken. Die gemeinsame Drehachse 8 für Wickel 12 und Bremsgenerator 6 ist symbolisch gestrichelt angedeutet. Eine aktuelle Drehzahl n_akt des Bremsgenerators 6 und damit des Wickels 12 wird von der aktuellen Anlagengeschwindigkeit v_akt und einem aktuellen Prozessfortschritt F_akt des Arbeitsprozesses 4 bestimmt, wobei sich bei gleichbleibender Anlagengeschwindigkeit v_akt abhängig vom Prozessfortschritt F_akt die aktuelle Drehzahl n_akt des Bremsgenerators 6 verändert. Im Beispiel kommt das daher, dass zu Prozessbeginn (Prozessfortschritt F von 0%) das Bahnmaterial vom Wickel 12 mit maximalem Umfang abgewickelt wird, wobei die Bahngeschwindigkeit der Umfangsgeschwindigkeit entspricht. Mit zunehmendem Prozessfortschritt nimmt der Umfang des Wickels 12 ab. Bei gleichbleibender Bahngeschwindigkeit erhöht sich daher seine Drehzahl. Die Maximaldrehzahl ist bei Prozessende (Prozessfortschritt F von 100%) erreicht, wenn das letzte Stück Bahnmaterial 14 vom Wickelkern 16 abrollt.

[0038] Der Prozessfortschritt wird hier beispielsweise anhand es Wickels 12 bestimmt: Er gibt prozentual an, wieviel Volumen des aufgewickelten Bahnmaterials 14 des Wickels 12 im Verhältnis zu dessen Maximalvolumen (größtmöglicher Wickel 12 der in der Anlage 2 verarbeitbar ist) bereits abgewickelt wurde. Der aktuelle Prozessfortschritt F_akt wird also als aktuell im Arbeitsprozess 4 vorhandenes Wickelvolumen V_akt, bezogen auf ein Nenn-Ausgangswickelvolumen V₀ definiert.

[0039] Der Bremsgenerator 6 ist ein hochpoliger Synchronmotor 10, der hinsichtlich seiner zulässigen Höchstdrehzahl n_max für die Anlage 2 unterdimensioniert ist: Die Unterdimensionierung ist dergestalt, dass bei Betrieb des Arbeitsprozesses 4 auf der Anlage 2 bei Maximalgeschwindigkeit v_max der Anlage 2 zumindest ein Prozessfortschritt F existiert, bei dem die aktuelle Drehzahl n_akt des Synchronmotors 10 seine Höchstdrehzahl n_max überschreiten würde. Im Beispiel kommt dies daher, dass ab einem Prozessfortschritt F von 95% der Durchmesser des Wickels 12 so klein geworden ist, dass bei maximaler Arbeitsgeschwindigkeit v_max, also Geschwindigkeit des Bahnmaterials 14 durch die Anlage 2 und damit Umfangsgeschwindigkeit des Wickels 12, die Wickeldrehzahl und damit die Drehzahl des Synchronmotors 10 über dessen zulässige Höchstdrehzahl steigen würde.

[0040] Die Anlage 2 umfasst außerdem einen Drehzahlmesser 20, der die aktuelle Drehzahl n_akt des Synchronmotors 10 misst und zur Weiterverarbeitung ausgibt. Eine mit dem Drehzahlmesser 20 verbundene Steuer- und Auswerteeinheit 22, die mit der Anlagensteuerung 24 der Anlage 2 verbunden ist, ist folgendermaßen ausgebildet:

[0041] So lange die aktuelle Drehzahl n_akt kleiner der Höchstdrehzahl n_max ist, wird die Anlagensteuerung 24 vollständig in dem Sinne freigegeben, dass die aktuelle Anlagengeschwindigkeit v_akt frei wählbar ist. Die Anlage 2 befindet sich damit in einem ersten Betriebszustand Z1. Wenn dagegen die aktuelle Drehzahl n_akt die Höchstdrehzahl n_max erreicht, dann wirkt die Steuer- und Auswerteeinheit 22 derart auf die Anlagensteuerung 24 ein, dass die Wahl der Anlagengeschwindigkeit eingeschränkt wird: Die aktuelle Anlagengeschwindigkeit v_akt kann dann nur noch bis zu einer Grenzgeschwindigkeit v_grenz gewählt werden. Diese ist dadurch bestimmt, dass sich bei der Grenzgeschwindigkeit v_grenz gerade die Höchstdrehzahl n_max am Synchronmotor 10 ergibt. Die Anlage 2 befindet sich dann in einem zweiten Betriebszustand Z2.

[0042] Über den gesamten Prozessfortschritt F gesehen, d.h. von Beginn der Abwicklung des maximal gefüllten Wickels 12 bis zu dessen vollständigem Verbrauch wird der Prozess für eine Gesamtdauer T durchgeführt. Die ersten Betriebszustände Z1 nehmen hierbei eine gesamte Dauer T1 in Anspruch, die Betriebszustände Z2 eine gesamte Dauer T2. Die Summe aus T1 und T2 ergibt T. Die Dauer T1 bildet dabei einen Anteil A der Gesamtdauer T.

[0043] In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Unterdimensionierung folgendermaßen ausgeführt: Die Höchstdrehzahl n_max des Synchronmotors 10 wird derart gewählt, d.h. ein entsprechender Motor in der Anlage 2 installiert, dass bei einem schnellstmöglich durchgeführten vollständigen Arbeitsprozess 4 die Dauer T2 des zweiten Betriebszustandes Z2 nur höchstens einen vorgebbaren Anteil A von insbesondere 10% oder von insbesondere 5% der Gesamtdauer T des Arbeitsprozesses 4 einnimmt. Mit anderen Worten wird also ein Synchronmotors 10 gewählt, der eine ausreichend hohe Höchstdrehzahl n_max aufweist, so dass insbesondere 90%, insbesondere 95% des Arbeitsprozesses bei maximaler Arbeitsgeschwindigkeit v_max durchgeführt werden können.

[0044] Fig. 2 zeigt die Drehachse 8 mit dem Wickel 12 und dem Synchronmotor 10 in Richtung des Pfeils II aus Fig. 1. In Fig. 2 ist der Synchronmotor an Ort und Stelle dargestellt, d.h. direkt auf der Drehachse 8 gelegen, so dass er konzentrisch zum Wickel 12 angeordnet ist. Fig. 2 zeigt eine achslose Halterung des Wickels 12. Dieser ist auf einem hohlen Wickelkern 16 aufgerollt, der nicht zur Anlage 2 gehört. Der Wickelkern 16 ist durch eine Welle 18 der Anlage gehalten. Die Welle 18 ist daher als Pinolenwelle ausgestaltet. Die Drehachse 8 mündet also unmittelbar, d.h. ohne Zwischenschaltung von Getrieben, Übersetzungen, Riemen o.ö. in die Welle 18. Die Drehzahl der Welle 18 entspricht daher der Drehzahl des Wickels 12. Der Synchronmotor 10 weist eine Hohlwellenbauform auf. Der Innendurchmesser di der Hohlwelle passt derart zum Außendurchmesser da der Welle 18, dass der Synchronmotor 10 auf die zu bremsende Welle 18 aufgesteckt und auf dieser drehfixiert ist.

[0045] Im Beispiel ist die Passung sogar exakt, so dass auch kein Rohrförmiges Zwischenstück nötig ist, um einen eventuellen hohlzylinderförmigen Spalt zwischen Welle 18 und Hohlwelle 19 zu füllen, d.h. beide unaufwendig aneinander anzupassen.

[0046] Fig. 2 zeigt auch nochmals dass am Wickel 12 vom Nenn-Ausgangswickelvolumen V₀ des Bahnmaterials 14 bereits ein gewisser Teil abgewickelt ist, so dass nur noch ein aktuelles Wickelvolumen V_akt auf dem Wickel 12 vorhanden ist. Der Wickeldurchmesser hat nur noch ca. auf den halben Ausgangsradius. Das verbleibende Wickelvolumen beträgt daher noch rund ein Viertel. Der am Wickelvolumen gemessene Prozessfortschritt beträgt daher ca. 75%.

Bezugszeichenliste

[0047] 

2 Anlage

4 Arbeitsprozess

6 Bremsgenerator

8 Drehachse

9 Pfeil

10 Synchronmotor

12 Wickel

14 Bahnmaterial

16 Wickelkern

18 Welle

19 Hohlwelle

15 Pfeil

20 Drehzahlmesser

22 Steuer- und Auswerteeinheit

24 Anlagensteuerung

v_akt Anlagengeschwindigkeit (aktuell)

v_max Maximalgeschwindigkeit (Anlage))

v_grenz Grenzgeschwindigkeit (Anlage)

n_akt Drehzahl (aktuell)

n_max Drehzahl (maximal)

F Prozessfortschritt

F_akt Prozessfortschritt (aktuell)

Z_1,2 Betriebszustand

T_1,2 Dauer

T Gesamtdauer

A Anteil

V_akt Wickelvolumen (aktuell)

V₀ Nenn-Ausgangswickelvolumen

d_i Innendurchmesser

d_a Außendurchmesser

Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Anlage (2), bei dem

- mit Hilfe der Anlage (2) ein Arbeitsprozess (4) durchgeführt wird, wobei eine aktuelle Anlagengeschwindigkeit (v_akt) für den Arbeitsprozess (4) bis zu einer Maximalgeschwindigkeit (v_max) wählbar ist,

- ein Bremsgenerator (6) für eine Drehachse (8) der Anlage (2) verwendet wird, dessen aktuelle Drehzahl (n_akt) von der aktuellen Anlagengeschwindigkeit (v_akt) und einem aktuellen Prozessfortschritt (F_akt) des Arbeitsprozesses (4) bestimmt wird,

- wobei sich bei gleichbleibender Anlagengeschwindigkeit (v_akt) abhängig vom Prozessfortschritt (F_akt) die aktuelle Drehzahl (n_akt) des Bremsgenerators (6) verändert,
dadurch gekennzeichnet, dass

- ein hochpoliger Synchronmotor (10) als Bremsgenerator (6) verwendet wird, der hinsichtlich seiner zulässigen Höchstdrehzahl (n_max) für die Anlage (2) derart unterdimensioniert ist, dass bei Betrieb des Arbeitsprozesses (4) auf der Anlage (2) mit Maximalgeschwindigkeit (v_max) zumindest ein Prozessfortschritt (F) existiert, bei dem die aktuelle Drehzahl (n_akt) des Synchronmotors (10) seine Höchstdrehzahl (n_max) überschreiten würde,

- die aktuelle Drehzahl (n_akt) des Synchronmotors (10) überwacht wird,

- so lange die aktuelle Drehzahl (n_akt) kleiner der Höchstdrehzahl (n_max) ist, die aktuelle Anlagengeschwindigkeit (v_akt) in einem ersten Betriebszustand (Z₁) frei gewählt wird,

- wenn die aktuelle Drehzahl (n_akt) die Höchstdrehzahl (n_max) erreicht, die aktuelle Anlagengeschwindigkeit (v_akt) in einem zweiten Betriebszustand (Z₂) nur bis zu einer derartigen Grenzgeschwindigkeit (v_grenz) gewählt wird, dass der Synchronmotor (10) höchstens mit der Höchstdrehzahl (n_max) betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem bei der Unterdimensionierung die Höchstdrehzahl (n_max) des Synchronmotors (10) derart gewählt wird, dass bei einem schnellstmöglich durchgeführten vollständigen Arbeitsprozess (4) die Dauer (T₂) des zweiten Betriebszustandes (Z₂) nur höchstens einen vorgebbaren Anteil (A), von insbesondere 10% oder von insbesondere 5%, der Gesamtdauer (T) des Arbeitsprozesses (4) einnimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem sich auf der Drehachse (8) ein Wickel (12) mit Bahnmaterial (14), insbesondere Papier, befindet, das während des Arbeitsprozesses (4) vom Wickel abgerollt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Wickel (12) von einem, insbesondere achslosen, Wickelkern (16) mit höchstens 15cm, insbesondere höchstens 8cm, Außendurchmesser abgerollt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, bei dem der aktuelle Prozessfortschritt (F_akt) als aktuell im Arbeitsprozess (4) vorhandenes Wickelvolumen (V_akt) bezogen auf ein Nenn-Ausgangswickelvolumen (V₀) definiert wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Drehachse (8) unmittelbar in eine Welle (18) mündet, bei dem ein Synchronmotor (10) mit Hohlwelle (20) gewählt wird, deren Innendurchmesser (d_i) derart zum Außendurchmesser (d_a) der Welle (18) passt, dass der Synchronmotor (10) auf die zu bremsende Welle (18) aufgesteckt und auf dieser drehfixiert wird.

7. Verwendung eines hochpoligen Synchronmotors (10) in einer Anlage (2), wobei

- mit Hilfe der Anlage (2) ein Arbeitsprozess (4) durchgeführt wird, wobei eine aktuelle Anlagengeschwindigkeit (v_akt) für den Arbeitsprozess (4) bis zu einer Maximalgeschwindigkeit (v_max) wählbar ist,

- ein Bremsgenerator (6) für eine Drehachse (8) der Anlage (2) verwendet wird, dessen aktuelle Drehzahl (n_akt) von der aktuellen Anlagengeschwindigkeit (v_akt) und einem aktuellen Prozessfortschritt (F_akt) des Arbeitsprozesses (4) bestimmt wird,

- sich bei gleichbleibender Anlagengeschwindigkeit (v_akt) abhängig vom Prozessfortschritt (F_akt) die aktuelle Drehzahl (n_akt) des Bremsgenerators (6) verändert,
dadurch gekennzeichnet, dass

- ein hochpoliger Synchronmotor (10) als Bremsgenerator (6) verwendet wird, der hinsichtlich seiner zulässigen Höchstdrehzahl (n_max) für die Anlage (2) derart unterdimensioniert ist, dass bei Betrieb des Arbeitsprozesses (4) auf der Anlage (2) mit Maximalgeschwindigkeit (v_max) zumindest ein Prozessfortschritt (F) existiert, bei dem die aktuelle Drehzahl (n_akt) des Synchronmotors (10) seine Höchstdrehzahl (n_max) überschreiten würde,

- die aktuelle Drehzahl (n_akt) des Synchronmotors (10) überwacht wird,

- so lange die aktuelle Drehzahl (n_akt) kleiner der Höchstdrehzahl (n_max) ist, die aktuelle Anlagengeschwindigkeit (v_akt) in einem ersten Betriebszustand (Z₁) frei gewählt wird,

- wenn die aktuelle Drehzahl (n_akt) die Höchstdrehzahl (n_max) erreicht, die aktuelle Anlagengeschwindigkeit (v_akt) in einem zweiten Betriebszustand (Z₂) nur bis zu einer derartigen Grenzgeschwindigkeit (v_grenz) gewählt wird, dass der Synchronmotor (10) höchstens mit der Höchstdrehzahl (n_max) betrieben wird.

8. Verwendung gemäß Anspruch 7, bei der bei der Unterdimensionierung die Höchstdrehzahl (n_max) des Synchronmotors (10) derart gewählt wird, dass bei einem schnellstmöglich durchgeführten vollständigen Arbeitsprozess (4) die Dauer (T₂) des zweiten Betriebszustandes (Z₂) nur höchstens einen vorgebbaren Anteil (A), von insbesondere 10% oder von insbesondere 5%, der Gesamtdauer (T) des Arbeitsprozesses (4) einnimmt.

9. Anlage (2) zur Durchführung eines Arbeitsprozesses (4), wobei anhand einer Anlagensteuerung (24) eine aktuelle Anlagengeschwindigkeit (v_akt) für den Arbeitsprozess (4) bis zu einer Maximalgeschwindigkeit (v_max) wählbar ist,

- mit einem Bremsgenerator (6) für eine Drehachse (8) der Anlage (2), dessen aktuelle Drehzahl (n_akt) von der aktuellen Anlagengeschwindigkeit (V_akt) und einem aktuellen Prozessfortschritt (F_akt) des Arbeitsprozesses (4) bestimmt wird, wobei sich bei gleichbleibender Anlagengeschwindigkeit (v_akt) abhängig vom Prozessfortschritt (F_akt) die aktuelle Drehzahl (n_akt) des Bremsgenerators (6) verändert,
gekennzeichnet durch

- einen hochpoligen Synchronmotor (10) als Bremsgenerator (6), der hinsichtlich seiner zulässigen Höchstdrehzahl (n_max) für die Anlage (2) derart unterdimensioniert ist, dass bei Betrieb des Arbeitsprozesses (4) auf der Anlage (2) mit Maximalgeschwindigkeit (v_max) zumindest ein Prozessfortschritt (F) existiert, bei dem die aktuelle Drehzahl (n_akt) des Synchronmotors (10) seine Höchstdrehzahl (n_max) überschreiten würde,

- einen Drehzahlmesser (20) für die aktuelle Drehzahl (n_akt) des Synchronmotors (10),

- eine mit dem Drehzahlmesser (20) verbundene Steuer- und Auswerteeinheit (22), die mit der Anlagensteuerung (24) der Anlage (2) verbunden ist, und dazu ausgebildet ist, um

- so lange die aktuelle Drehzahl (n_akt) kleiner der Höchstdrehzahl (n_max) ist, die Anlagensteuerung (24) freizugeben, so dass die aktuelle Anlagengeschwindigkeit (v_akt) in einem ersten Betriebszustand (Z₁) frei wählbar ist,

- wenn die aktuelle Drehzahl (n_akt) die Höchstdrehzahl (n_max) erreicht, derart auf die Anlagensteuerung (24) einzuwirken, dass die aktuelle Anlagengeschwindigkeit (v_akt) in einem zweiten Betriebszustand (Z₂) nur bis zu einer derartigen Grenzgeschwindigkeit (v_grenz) wählbar ist, dass der Synchronmotor (10) höchstens mit der Höchstdrehzahl (n_max) betrieben wird.

10. Anlage (2) nach Anspruch 9, bei der der Synchronmotor (10) derart unterdimensioniert ist, dass dessen Höchstdrehzahl (n_max) derart gewählt ist, dass bei einem schnellstmöglich durchgeführten vollständigen Arbeitsprozess (4) die Dauer (T₂) des zweiten Betriebszustandes (Z₂) nur höchstens einen vorgebbaren Anteil (A), von insbesondere 10% oder von insbesondere 5%, der Gesamtdauer (T) des Arbeitsprozesses (4) einnimmt.

Zeichnung