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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung der Verwertung von Überschuss-Energie an einem Umrichter-Zwischenkreis.
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Insbesondere von Spritzgießmaschinen ist bekannt, dass sie als elektrische Verbraucher Energie sehr häufig in nur kurzen Intervallen benötigen, z.B. zum Anfahrvorgang eines Motors. Andererseits wird in Abbremsphasen elektrische Energie durch einen generatorischen Betrieb des mindestens einen Motors zurück gewonnen. Schon aus Kostengründen werden daher viele Maschinen der genannten Art mit mindestens einer bewegten Achse mit aktuellen Servomotoren zusammen mit Umrichtern betrieben, die Energie zum Anfahren jeweils aus einem Zwischenkreis entnehmen und beim Abbremsen generatorische Energie an den Zwischenkreis wieder zurückgegeben. Der Zwischenkreis dient hier also als eine elektrische Einrichtung, die als Energiespeicher mehrere elektrisch angetriebene Maschinen und/oder Netze auf einer gemeinsamen Strom- oder Spannungsebene über Umrichter elektrisch miteinander koppelt.
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Bei einer Maschine mit bewegten Achsen, die mit aktuellen Servomotoren und Umrichtern betrieben wird, können die Umrichter-Zwischenkreise so verbunden werden, dass die Energie einer bremsenden Achse einer antreibenden Achse zum Verbrauch zur Verfügung gestellt werden kann. Wenn dann zum Antrieb von Achsen Energie benötigt wird, funktioniert diese Wiederverwendung zurück gewonnener elektrischer Energie durch einen anderen Verbraucher optimal. Häufig steht aber zur richtigen Zeit kein geeigneter Verbraucher zur Verfügung, der die ganze zurück gewonnene Energie aufnehmen kann. Weil die Energie nur unter sehr hohem technischem Aufwand elektrisch zwischengespeichert werden kann, muss sie in der Regel in der Form von Wärme vernichtet werden, damit die Spannung am Zwischenkreis nicht über ein Spannungslimit ansteigt. Gerade bei einem Umrichter-Zwischenkreis mit einer Vielzahl von daran angeschlossenen Funktionen bzw. Bewegungsachsen derselben oder anderen Spritzgießmaschinen tritt aber regelmäßig der Fall auf, dass gerade diese generatorisch zurück gewonnene Energie aus dem Zwischenkreis abgeführt werden muss, da sonst eine Spannung in dem Zwischenkreis über ein Spannungslimit steigen könnte und die Umrichter als Maßnahme zum Selbstschutz den Betrieb einstellt würden. Zu diesem Zwecke sind in Umrichtern spezielle Halbleiter-Schalter vorgesehen, die ab einem Spannungslimit elektrische Energie an einen Brems- oder Ballastwiderstand abgeben, sodass die Zwischenkreisspannung in einem zulässigen Spannungsbereich bleibt. Diese wieder gewonnene Energie wird also in Wärme umgewandelt, ist damit als elektrische Energie verloren und muss über die Umgebung oder eine Maschinenkühlung abgeführt werden. Sie verursacht so also zudem noch weitere Kosten.
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In der
WO2005/110711 ist ein Verfahren offenbart, das die verfügbare Energie über eine Servo-betriebene Pumpe in einem hydraulischen Speicher speichert. Ein ähnliches Verfahren wird auch von Fa. Netstal bei Spritzgießmaschinen des Namens „ELION hybrid“ angewendet. Hier besteht die Herausforderung darin, ausreichend schnell eine entsprechend große Last zu generieren, da die hydraulischen Systeme bestimmte Reaktionsverzögerungen haben. Gemäß der
WO2005/110711 ist dazu ein Informationsaustausch zwischen den Umrichtern vorgesehen, sodass den jeweiligen Verbrauchern bekannt ist, wo Energie anfallen wird. Die Last kann so vorausschauend gesteuert werden. In Abweichung dazu reagiert eine bekannte Vorrichtung der Firma Netstal auf die Zwischenkreisspannung und ist deshalb zum Erzielen einer guten Energieeffizienz auf eine sehr kurze Reaktionszeit einer jeweiligen Last angewiesen.
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Bei vollelektrischen Maschinen fehlt jedoch die Möglichkeit der Zwischenspeicherung zurück gewonnener Energie in einem hydraulischen Speicher. Hier sind im Stand der Technik alternative Speicherkonzepte wie z.B. Kondensator-Batterien oder mechanische Schwungräder als mögliche Lösung beschrieben worden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einem Zwischenkreis in möglichst jedem Fall einen geeigneten Verbraucher mit ausreichender elektrischer Last zur richtigen Zeit zur Verfügung zu stellen, ohne dabei den zusätzlichen Aufwand zum Speichern von elektrischer Energie betreiben zu müssen, so dass ein Verlust von Überschuss-Energie in Form einer thermischen Umsetzung an einem Bremswiderstand weitgehend vermieden werden kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Zur Realisierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens müssen demnach folgende drei Merkmale umgesetzt werden:
- a) eine Konvention für die an dem Zwischenkreis angeschlossenen Verbraucher muss vorgesehen sein und überwacht werden;
- b) mindestens ein Verbraucher ist vorhanden, der auf das Energieangebot sofort zuverlässig mit Last reagieren kann und
- c) ein Leistungssteller, der zum Steuern der Energie ausgelegt ist.
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Es wird damit ein alternatives oder zusätzliches Verfahren zu der bekannten thermischen Umsetzung von Überschuss-Energie vorgeschlagen, das die am Zwischenkreis verfügbare Überschuss-Energie im Produktionsbetrieb sofort, ohne zeitlichen Verzug, nutzbringend zu verwerten ermöglicht. Als Überschuss-Energie wird dabei nachfolgend die Menge elektrischer Energie bezeichnet, für die im Augenblick direkt keine anderweitige Verwendung besteht und die daher durch Umwandlung in Wärme vernichtet werden müsste, damit eine maximal zulässige Zwischenkreisspannung nicht erreicht wird und als Folge der Umrichter seinen Betrieb einstellen würde.
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Auch eine Vorrichtung zur Steuerung der Verwertung von Überschuss-Energie gemäß Anspruch 6 ist eine Lösung für die vorstehende Aufgabe.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der unabhängigen Ansprüche sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche. Demnach werden in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als an dem Umrichter-Zwischenkreis betriebene elektrische Verbraucher Spritzgießmaschinen verwendet. Es wird bevorzugt, dass als mindestens ein Verbraucher, der auf ein Energieangebot sofort zuverlässig mit einer entsprechenden Last reagiert, mindestens ein Widerstand einer Plastheizung mindestens einer Spritzgießmaschine verwendet wird.
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Die Überschuss-Energie im Zwischenkreis kann von dem Widerstand einer Plastheizung bzw. eine Heizung eines Plastifizierzylinders als Verbraucher verzögerungsfrei übernommen werden. Es ist ferner möglich, dass die Heizleistung zeitlich verschoben derart bezogen wird, dass die Zwischenkreisspannung geglättet wird. Durch einen gezielten kurzzeitigen Energiebezug oder eine kurzzeitige Energiebezugsvermeidung von Lasten des Typs B – der nachfolgend noch im Detail beschrieben wird – kann eine Stabilisierung der Zwischenkreisspannung und damit auch eine Glättung der Schwankungen des Energiebezuges aus dem Netz erreicht werden. Vorteilhafterweise kann durch einen gezielten kurzzeitigen Energiebezug oder eine kurzzeitige Energiebezugsvermeidung einer oder mehreren trägen Heizungen, z.B. Plastifizierung oder auch Werkzeug-Heißkanal, unter Beibehaltung der vom Regler vorgegebenen Stellgröße eine Glättung der Schwankungen des Energiebezuges aus dem Netz erreicht werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist zur Schaffung eines geeigneten Verbrauchers in einem Plastifizierzylinder einer Spritzgießmaschine mindestens eine Zone einer Heizung einen derart reduzierten Zylinder-Außendurchmesser auf, dass eine thermische Speicherfähigkeit des Zylinders zur diskontinuierlichen Energieaufnahme sowie zu deren Glättung ausreichend groß ist. Darüber hinaus ist eine insgesamt eingebrachte thermische Leistung optimiert regelbar. Die Querschnittsreduktion bewirkt zudem eine Minimierung der Verluste an thermischer Energie zu einer Kühlzone hin.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Abbildungen der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1: ein Blockschaltdiagramm eines Zwischenkreissystems nach dem Stand der Technik;
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2: eine graphische Darstellung einer Konvention zu verschiedenen Zwischenkreisspannungen bzw. – Spannungsebenen;
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3: ein Prinzipschaltbild zur Veranschaulichung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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4: ein Prinzipschaltbild gemäß 3 zur Veranschaulichung einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5: ein Prinzipschema eines Leistungsstellers nach einer Ausführungsform der Erfindung;
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6: eine zeitliche Darstellung einer Leistungsabgabe unter Einhaltung der vorgegebenen Stellgröße
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7: ein Blockdiagramm eines Umrichters mit Bremswiderstand sowie Interface zu einem Temperaturregler;
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8: ein Blockdiagramm eines Umrichters gemäß der Abbildung von 7 mit Abwandlung durch Einsatz einer Plastheizung anstelle eines Bremswiderstands;
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9: ein Prinzipschaltbild der Maschinensteuerung mit Energieverwertung in der Plastifizierung;
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10: eine prinzipielle Darstellung von in einem Plastifizierzylinder wirkenden Kräften und
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11: eine Skizze zu einer optimierten Ausführung einer ersten Heizzone eines Plastifizierzylinders als Last vom Typ B.
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Über die Abbildungen der Zeichnung hinweg werden für gleiche Teile und Verfahrensschritte einheitlich gleiche Begriffe und Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt einen u. a. aus der
WO2005/110711 bekannten Ansatz, bei dem überschüssige elektrische Energie aus Rückspeisungsprozessen durch Einschaltung von sog. Bremswiderständen in Wärme umgewandelt wird. Diese Energie ist damit für die im System enthaltenen Maschinen mit ihren verschiedenen Lasten bzw. Verbrauchern V verloren. Zudem muss noch Aufwand für eine Abführung der an den Bremswiderständen entstehenden Wärme betrieben werden, i.d.R. durch aktive Kühlung über einen Kühlwasserkreis und/oder erzwungene Konvektion.
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Erfindungsgemäß werden nachfolgend zur Realisierung eines energiesparenderen Systems drei Merkmale umgesetzt:
- a) eine Konvention für die an dem Zwischenkreis angeschlossenen Verbraucher muss vorgesehen sein und überwacht werden;
- b) mindestens ein Verbraucher ist vorhanden, der auf das Energieangebot sofort zuverlässig mit Last reagieren kann und
- c) ein Leistungssteller, der zum Steuern der Energie ausgelegt ist.
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Zu a)
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aa) Konvention für die Verbraucher V an einem Zwischenkreis
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Die Zwischenkreisspannung wird in Betriebsbereiche unterteilt, die durch Grenzwerte bzw. Schwellen definiert werden, siehe hierzu nachfolgend 2. Der Zwischenkreis kann von einem oder mehreren Gleichrichtern gespeist werden. Anhand der Grenzwerte wird bestimmt, welche Lasten-Typen wirksam werden.
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Es werden dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung drei verschiedene Last-Typen unterschieden:
- A: Standardlasten, die prozessabhängig als Energiebezieher oder als Energielieferanten aktiv werden;
- B: forcierte Lasten, die abhängig von der Zwischenkreisspannung Last generieren oder vermeiden und somit zu einer optimalen Energienutzung beitragen;
- C: Lasten als Schutzmechanismen, Ballastwiderstände, die zum Schutz der Umrichter dienen und die Energie zu diesem Zweck vernichten.
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ab) Konvention der Zwischenkreisspannung
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In der Skizze von 2 sind beispielhaft Grenzwerte bzw. Spannungsbereiche für 400V Netzspannung mit den nachfolgend erklärten Abkürzungen Bg, Bf, Be, Bc, Bd, Bb und Ba angegeben und graphisch veranschaulicht. Hierzu nun im Detail:
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Spannungsbereich Bg: Selbstschutz bei Überspannung, Funktionsverlust des Umrichters
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Beim Überschreiten einer Schwelle ZKSf wird die Umrichter-Endstufe abgeschaltet. Dadurch entfällt jede Bremswirkung und es wird keine Energie mehr in den Zwischenkreis eingespeist, die Zwischenkreisspannung steigt nicht weiter an. Die Abschaltung der Endstufen muss aber vermieden werden, da sonst dadurch ein Funktionsverlust eintritt.
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Spannungsbereich Bf: Selbstschutz bei Überspannung, Energie vernichten
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Die Überschreitung einer Schwelle ZKSe aktiviert den Selbstschutz der Umrichter durch Vernichtung überschüssiger Energie im Zwischenkreis zur Spannungsbegrenzung, bzw. deren nutzlose Umsetzung an einem Bremswiderstand.
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Es wird eine zusätzliche Last in Form eines Brems- oder Ballastwiderstandes über einen Halbleiterschalter zugeschaltet, mit dem Ziel die Energie soweit zu vernichten, dass die Zwischenkreisspannung unterhalb der Schwelle ZKSf bleibt. Die Funktion des Umrichters bleibt im Bereich Bf erhalten.
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Spannungsbereich Be und Bf: Forcierte Energieverwertung für Prozess
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Die Überschreitung einer Schwelle ZKSd löst eine forcierte Verwertung der Zwischenkreisenergie aus, durch Aktivierung einer Last Typ B. Dadurch kann bei richtiger Dimensionierung vermieden werden, dass die Schwelle ZKSe erreicht und dadurch Energie vernichtet wird.
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Spannungsbereich Bc und Bd: Normalbereich, ohne Eingriffe
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Der Bereich zwischen Zwischenkreisschwellen ZKSb und ZKSd entspricht der Spanne in der die Zwischenkreisspannungen ohne Nachteile schwanken kann und darf.
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Spannungsbereich Bb: Lastvermeidung Typ B
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Unterschreitung einer Schwelle ZKSb aktiviert die forcierte Vermeidung von Last-Typ B.
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Durch die kurzfristige Vermeidung des Last-Typs B kann möglicherweise eine Unterspannungssituation vermieden werden. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit eines Funktionsverlustes der Umrichter bei einem kurzen Unterversorgungsereignis reduziert.
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Spannungsbereich Ba: Selbstschutz bei Unterspannung, Funktionsverlust
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Eine Unterschreitung einer Schwelle ZKSa führt zur Abschaltung der Umrichter-Endstufe. Die Abschaltung der Endstufen muss vermieden werden, da ein Funktionsverlust eintritt.
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Zu b) geeigneter Verbraucher für Last-Typ B
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Ein geeigneter Verbraucher ist z.B. ein Widerstand, da er ohne Verzögerung sofort Leistung aufnehmen kann und auch in der Lage ist kurze Zeit hohe Impulsleistungen zu verkraften.
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Da die elektrische Energie nicht über einen Bremswiderstand für den Prozess vernichtet, sondern als Leistung in den Prozess investiert werden soll, bietet sich eine Heizung eines Plastifizierzylinders an, siehe 3, 4, 5 und 6. Die Heizung muss für die erhöhte Spannung geeignet sein und wenig Induktivität aufweisen. Bei einem Plastifizierzylinder bietet sich in der Regel insbesondere die erste Heizung beim Materialeinzug an, da diese in Produktion den größten Energiebedarf hat. Es können aber auch mehrere Heizungen auf dem Zylinder verwendet werden.
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Der Plastifizierzylinder zusammen mit der rotierenden Schnecke ist verantwortlich für das Aufschmelzen des Kunststoffgranulates. Dieser Prozess hat einen wesentlichen Einfluss auf die Qualität der produzierten Teile. Die Plast-Heizungen am Plastifizierzylinder können für die Überschuss-Energie-Verwertung nur eingesetzt werden, wenn dadurch der Prozess der Aufschmelzung von Kunststoffgranulat nicht negativ beeinflusst wird. Dazu sind besondere Vorkehrungen notwendig.
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Alternativ können z.B. auch Werkzeug-Block-Heizungen zu obigem Zweck verwendet werden. Diese liegen aber hier nicht im Fokus, da im Werkzeug die notwendigen Rahmenbedingungen schwieriger zu erfüllen sind. Auf den Standard Bremswiderstand kann dann nicht verzichtet werden, wenn z.B. das Werkzeug bewegt werden soll, ohne dass eine Plastifizierung montiert ist.
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Überschuss-Energie-Verwertung in einer Plastheizung
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Die Plastheizungen werden durch Heizungs- bzw. Temperaturregler geregelt. Auf dem Zylinder befindet sich für jede Regelzone ein Thermoelement zur Zylindertemperaturmessung. Der Regler dosiert eine Heizenergie derart, dass die Temperatur auf dem Zylinder der Solltemperatur entspricht. Da der Zylinder eine beträchtliche Masse hat, weist die Regelstrecke eine beträchtliche Trägheit auf. Im Gegensatz zu den Bestrebungen durch andere Anordnungen, z.B. mittels Induktionsheizungen, die Trägheit des Zylinders zu reduzieren, wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung diese Trägheit quasi zum Speichern von Energie genutzt. Diese Trägheit erlaubt es nämlich, dass der Energieeintrag in den Zylinder nicht konstant sein muss, einzig der integrierte oder gemittelte Energieeintrag über einen bestimmten Zeitraum muss einer Stellgrößenvorgabe des Temperaturreglers entsprechen. Dies lässt Spielraum, bei einem Heizleistungsbedarf von z.B. 2 kW während eines Zeitfensters von 0,1 s Länge 50 kW Heizleistung zu erzeugen und dann während 2,4 s keine Heizleistung mehr auszugeben. Da die Reaktion der Heizung und die Wärmeleitung im Zylinder träge sind, ist das Resultat der beispielhaft beschriebenen diskontinuierlichen Zuführung elektrischer Energie für den Prozess des Aufschmelzens eines dem Plastifizierzylinder zugeführten Granulates identisch mit dem einer über 2,5 s hinweg kontinuierlich eingespeisten Heizleistung von 2 kW.
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Auf diese Art wird der Spielraum gewonnen in einem Produktionszyklus einer hier beispielhaft gewählten Länge von 2,5 s Überschussenergie aus Abbremsvorgängen, wie z.B. einer Werkzeugbewegung, die sonst vernichtet werden müsste, gezielt dem Prozess zuzuführen, auch wenn zu dem Zeitpunkt des Anfalls der Bremsenergie, gerade keine Achse einer an den Zwischenkreis angeschlossenen Funktion der selben oder einer anderen Spritzgießmaschine die Energie benötigt.
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Da die Zykluszeit variiert werden kann oder auch Produktionsunterbrüche stattfinden können, muss der Temperierkreis eine geeignete Ausprägung haben, um in jeder Situation die Temperatur exakt regeln zu können. Weil die Trägheit des Zylinders groß ist, kann der Temperaturregler alleine kurzfristige Schwankungen nicht schnell genug über den Temperaturregelkreis ausregeln, dies würde für den Aufschmelzprozess schwankende Temperaturen bedeuten. Deshalb sind zusätzliche Maßnahmen erforderlich.
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Zu c) geeigneter Leistungssteller
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Mindestens eine Heizung des Plastifizierzylinders wird aus dem Zwischenkreis versorgt. Dazu ist ein Leistungssteller notwendig, der den Leistungsumsatz in der Heizung steuert. Der Leistungssteller bekommt von dem Temperaturregler als Output eine Stellgröße. Sie gibt vor, welche Leistung an die Heizung abgegeben werden soll, damit im Regelkreis die Solltemperatur erreicht und gehalten wird. Nach dem technischen Stand wird die Stellgröße quasikontinuierlich an die Heizung abgegeben.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wirkt die Zwischenkreisspannung für den Leistungssteller als zweite Eingangsgröße, die das Verhalten des Leistungsstellers beeinflusst. Anhand der Spannungskonvention des Zwischenkreises kann der Leistungssteller feststellen in welchem Betriebsbereich er sich befindet und welches Verhalten erforderlich ist.
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Im Bereich Be, optional auch im Bereich Bf, ist eine zusätzliche Last notwendig. Der Leistungssteller erkennt anhand der Spannung das notwendige Handlungsschema und greift ein, indem er sofort zusätzliche Last erzeugt (z.B. 50 kW während 0,1 s), mit der Priorität, dass die Spannung am Zwischenkreis nicht weiter bis zu der Schwelle ZKSe oder sogar ZKSf steigt. Anhand der Zwischenkreisspannung, dem Laststrom (oder dem Widerstand) und der Aktivierungszeit ist die ausgegebene Heizleistung bekannt. Die Stellgröße vom Regler verlangt z.B. eine Dauerleistung von 2 kW. Der Leistungssteller sorgt nach dem Energieimpuls dafür, dass in möglichst kurzer Zeit die durchschnittliche Dauerleistung von 2 kW wieder erreicht wird, indem er die weitere normale Leistungsabgabe verhindert.
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Als Alternative kann der Leistungssteller die gelieferte Impulsenergie auch dem Temperaturregler zurückmelden, welcher diese dann mit der Stellgröße verrechnet. In dieser Variante muss der Leistungssteller weniger Intelligenz besitzen.
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Somit sorgt der Temperaturregelkreis durch Ausgabe einer entsprechenden Stellgröße, für die Einhaltung der Solltemperatur, der Steller für die Einhaltung der durch die Stellgröße vorgegebenen durchschnittlichen Heizleistung. Dadurch bleibt die Temperatur des Zylinders konstant, obwohl die Heizenergie sehr diskontinuierlich eingebracht wird. Da sich die Temperaturen nicht verändern, ist der Plastifizierungsprozess nicht beeinflusst. Somit ist das Ziel einer sofort nützlichen Verwertung von Überschuss-Energie ohne negativen Einfluss auf die Prozessqualität erreicht.
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Die Dimensionierung der Last Typ B ist nach der selben Methode wie die Dimensionierung eines Ballastwiderstands einfach möglich, da bei einem gegebenen System die Bewegungsgeschwindigkeiten und die bewegten Massen mindestens als Maximalwerte bekannt sind, kann genügend Last dimensioniert werden, sodass in der Regel keine Energie vernichtet werden muss. Auch der Energiebedarf bei der Plastifizierung ist bekannt und kann den Verhältnissen angepasst werden durch Einbezug von einer entsprechenden Anzahl Heizungen.
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Die Dimensionierung der Last Typ B muss im normalen Produktionszyklus der Anforderung genügen, dass die forciert zu verwertende Energie kleiner ist als der Heizleistungsbedarf der entsprechenden Heizung. Wenn aus verschiedenen Ursachen diese Anforderung verletzt wird, würde nach dem Stand der Beschreibung die Temperatur weiter ansteigen, da die Energie abgenommen werden muss. Für diesen Fall sind entsprechenden Vorkehrungen notwendig.
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Die Prozesssicherheit hat selbstverständlich eine höhere Priorität als die Energieeffizienz. Wenn also die Situation eintritt, dass zuviel Energie verwertet werden muss, muss sichergestellt werden, dass die Prozesstemperatur unbeeinflusst bleibt und die Überschussenergie im Ballastwiderstand vernichtet wird.
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In einer Steuerung wird permanent verglichen, ob folgende Bedingung erfüllt ist: Die forcierte Leistung Pforciert mal die forcierte Zeit tf durch die betrachtete Zeitperiode Tp muss kleiner sein als die vom Regler vorgegebene Heizleistung. Als Formel geschrieben: ((ΣPforciert·tforciert)/TPeriode) – PSTGRegler≤ 0
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Die verglichene Zeitperiode muss viel kürzer sein, als die Wärmetransportverzögerung der Plastifizierung, die z.B. ca. 10 s beträgt. Ist diese Bedingung erfüllt, sind keine Eingriffe notwendig.
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Ist diese Bedingung nicht erfüllt, wird die Schwelle ZKSd durch eine neue Schwelle ZKSd’ ersetzt, die so lange erhöht wird, bis diese Bedingung wieder erfüllt ist, im Extremfall bis ZKSd’ der Schwelle ZKSe entspricht. Dadurch wird zunehmend die Energie im Ballastwiderstand vernichtet. Ist die Bedingung erfüllt, wird versucht, die Schwelle ZKSd’ möglichst wieder auf ZKSd zurückzuführen.
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Mögliche Ausprägungen des Leistungsstellers LS
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Die Ausprägung der Heizungsansteuerung ist abhängig von der Anzahl der Umrichter in dem Zwischenkreis und von der Anzahl geregelter Heizzonen. Zur Darstellung dieser Abhängigkeiten werden nachfolgend vier einzelne Szenarien betrachtet:
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* Szenario 1
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Ein einzelner Umrichter wird verwendet mit einem Halbleiterschalter für einen Bremswiderstand.
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Anstelle des Bremswiderstandes wird eine Plastheizung angeschlossen. Dieser sehr einfache Ansatz funktioniert zwar, erzeugt aber keine kontrollierte Energiezufuhr. Dadurch kann die Temperatur an der Plastifizierung nicht konstant gehalten werden, der Aufschmelz-Prozess wird gestört. Zusätzlich entstehen Einschränkungen, weil mit demontierter Plastifizierung der Bremswiderstand fehlt und somit die Bremsenergie der bewegten Achse nicht kontrolliert abgeführt werden kann. Die Bewegung muss deshalb verhindert werden.
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* Szenario 2
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Ein einzelner Umrichter, mit zugänglichem Zwischenkreis, mit Halbleiterschalter für klassischen Bremswiderstand als Umrichter-Selbstschutz, wird verwendet. Eine geregelte Heizzone auf der Plastifizierung wird über einen zusätzlichen Leistungssteller aus dem Zwischenkreis gespeist. Gemäss Spannungskonvention ist die Aktivierungsschwelle ZKSd, also tiefer als die des Halbleiterschalters für den Bremswiderstand ZKSe. Die Funktion des Leistungsstellers ist wie oben beschrieben.
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Der Aufschmelzprozess wird nicht negativ beeinflusst.
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* Szenario 3
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Zwei Umrichter an einem gemeinsamen Zwischenkreis, mit je einem Halbleiterschalter für den klassischen Bremswiderstand.
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Der erste Umrichter bedient seinen Halbleiterschalter mit Bremswiderstand, als Selbstschutz für den Zwischenkreis.
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Der zweite Umrichter dessen Halbleiterschalter auch mit einem Bremswiderstand betrieben werden könnte verwendet anstelle des Bremswiderstandes eine Plastheizung. Gemäss Spannungskonvention ist seine Aktivierungsschwelle ZKSd tiefer zu legen, als die für den Bremswiderstand ZKSe. So wird der Halbleiterschalter, der sonst brach liegen würde vorteilhaft für die Energieverwertung verwendet.
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Die Ansteuerungs-Funktion des Halbleiterschalters im zweiten Umrichter muss erweitert werden um die Funktion des Leistungsstellers zu übernehmen, indem dem Umrichter die Stellgrösse des Temperaturreglers für die entsprechende Heizung übermittelt wird und er die Aufgabe übernimmt, im Mittel die vorgegebene Heiz-Stellgrösse auszugeben. Diese Funktion müsste im Umrichter alternativ zur Bremswiderstand-Funktion bereitgestellt werden.
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* Szenario 4
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Es wird mindestens ein Umrichter, dessen Zwischenkreis zugänglich ist, mit Halbleiterschalter für klassischen Bremswiderstand verwendet. Der Energieimpuls für eine einzige Heizung ist zu gross oder im Verhältnis zur durchschnittlichen Heizleistung zu gross. Es werden deshalb zwei oder mehr geregelte Heizzonen verwendet mit je mindestens einer Heizung, die über den Zwischenkreis gespeist und durch je einen Leistungssteller oder Halbleiterschalter gesteuert wird. Die Dauerheizleistung wird erreicht, weil jeder Heizkreis von „seinem“ Temperaturregler seine Stellgrösse erhält. Da hier zwei Heizkreise bedient werden, ist für eine geordnete Impulsenergieverteilung zu sorgen. Die Energieverteilung kann erreicht werden indem für jeden Heizkreis die Schaltschwelle ZKSd1 und ZKSd2 innerhalb vom Bereich Be individuell festgelegt wird, sodass mit steigender Zwischenkreisspannung zusätzliche Verbraucher Typ B zugeschaltet werden. Auf diese Weise kann die Energie gezielt mit Priorität auf bestimmte Verbraucher gelenkt werden.
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Alternativ kann die Energieverteilung proportional zur ausgegebenen Reglerstellgrösse gesteuert werden, indem die individuellen Schwellen ZKSd1 und ZKSd2 so nachgestellt werden, dass sich die entsprechende Energieverteilung ergibt.
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Verhalten bei Unterspannung am Zwischenkreis
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Im Zwischenkreisspannungsbereich Bb, also in einem Bereich mit z.B. durch eine Unterspannung des Netzes und gleichzeitiger Beschleunigung mehrerer Achsen verursachter Energieknappheit, kann nach dem sinngemäss gleichen Verfahren wie oben kurzzeitig Last vom TYP B abgeworfen werden und die Heizungen im Bereich weniger Sekunden nicht mit Energie versorgt werden. Dies muss dann aber unverzüglich durch eine Mehrausgabe an Leistung durch den Leistungssteller kompensiert werden, wenn wieder ausreichend Spannung am Zwischenkreis zur Verfügung steht. Der Leistungssteller sorgt für eine konstante durchschnittliche Heizleistung, entsprechend der Stellgrösse des Reglers. Der Temperaturregler sorgt für eine konstante Temperatur.
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Alternative Ausführung des Leistungsstellers
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Die oben geschilderte Ausführung des Leistungsstellers bedingt ein Gerät, das die intelligente Leistungsstellung übernimmt, oder die Intelligenz muss im Umrichter realisiert werden. Um alternativ möglichst wenig Intelligenz in den Umrichter oder den Leistungssteller zu verlagern wird eine in dieser Hinsicht optimierte Variante aufgezeigt. Dabei wird im Umrichter-/Leistungssteller nur die Messwertbereitstellung für die umgesetzte Leistung in der Last Typ B, die Zwischenkreisspannung und die aktuelle Einschaltzeit des Leistungsschalters an die Steuerung gemeldet, siehe die Blockschaltdiagramme der 7, 8 und 9. Damit kennt die Steuerung die im Widerstand umgesetzte Leistung und kann durch die Ansteuerung des Leistungsschalters die vom Heizungsregler vorgegebene Heizleistungsstellgröße einhalten und auf Energieüberschuss im Zwischenkreis mit Zusatzlast reagieren, indem der Leistungsschalter, abhängig von der Spannungskonvention, eingeschaltet wird.
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Der Umrichter/Leistungssteller misst die obgenannten Messwerte ca. alle 60 bis 250 μs und steuert autonom seinen Leistungsschalter zum Selbstschutz im gleichen Takt nach Bedarf an, damit die maximale Zwischenkreisspannung nicht überschritten wird. Bei der Überschussenergieverwertung werden die Schwellwertentscheide auch im gleichen Takt vorgenommen und der Schalter und somit auch die Heizwiderstände entsprechend angesteuert.
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In der alternativen Ausführung, wenn die Steuerung die Schwellwertentscheide fällt, dürfte aus Kommunikations- und Verarbeitungszeit eine Reaktionszeit von ca. 1 bis 3 ms entstehen. Dies kann dazu führen, dass für kurze Zeit der schnell reagierende lokale Selbstschutz Energie im Bremswiderstand vernichtet, bis geeignete Verbraucher aktiviert sind. Diese Ausführung arbeitet aber immer noch ca. 10mal schneller als eine Vorrichtung mit hydraulisch/mechanischen Verbraucher-Systemen.
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Der Vorteil dieser Ausführung liegt auch darin, dass die Steuerung alle Informationen und Eingriffsmöglichkeiten hat, die Energieverteilung gezielt vorzunehmen, die Energie auf eine Art und Weise vom Zwischenkreis zu beziehen, dass die Spannungsschwankungen zwischen Maximal- und Minimalspannung geglättet werden.
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Das bedeutet, bei tiefen Zwischenkreisspannungen kein Energiebezug, bei hohen Zwischenkreisspannungen max. Energiebezug durch Lasten Typ B. Dazu kann, in dem Bereich in dem die Zwischenkreisspannung über dem laufend ermittelten Mittelwert oder einem Grenzwert der Zwischenkreisspannung ist, nicht nur die Überschuss-Energie abgebaut, sondern auch über die Überschuss-Energie hinaus im Bereich Bd Heizleistung bezogen werden, da in dieser Phase sonst wenig Leistung vom Zwischenkreis bezogen wird. Ist die Zwischenkreisspannung unter dem Mittelwert der Zwischenkreisspannung, wird die benötigte Heizleistung nicht ausgegeben, da in dieser Phase ohnehin viel Energie aus dem Zwischenkreis bezogen wird oder vom Netz her Unterversorgung besteht.
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Plastifizierzylinder PZ mit Keramikheizungen können, ohne negative Auswirkungen auf die Temperierung der prozessrelevanten Innenwand, große Schwankungen der Heizleistung im Bereich wenigen Sekunden verkraften. Damit wird erreicht, dass durch die Energiespeicherfähigkeit des Plastifizierzylinders die starken Schwankungen der aus dem Zwischenkreis bezogenen Energie geglättet werden können.
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Optimierung des Plastifizierzylinders PZ
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Nach bekannten und heute gängigen Konstruktionsprinzipien ist der Plastifizierzylinder einer Spritzgießmaschine in der Regel so dimensioniert, dass er einem maximalen Spritzdruck p stand hält, siehe 10. In einem Übergangsbereich zu einem nachfolgenden Werkzeug hin erfolgt die Dimensionierung also auf den maximalen Spritzdruck p als Berstdruck, während an einem gegenüberliegenden Ende des Plastifizierzylinders PZ die Dimensionierung des Plastifizierzylinders in einem Einzugsbereich auf Zugkraft, Biegung und Knickung erfolgt. Hier liegt an der mit z1 gekennzeichneten Stelle der gekühlten Einzugszone eine kälteste Stelle, und an der mit z2 gekennzeichneten Stelle eine heißeste Stelle im Bereich einer ersten Heizung H1 anschließend an eine Einzugszone E. Dadurch ist eine minimale Wandstärke gegeben. Aus konstruktiven und ökonomischen Gründen wird der Zylinder PZ in der Regel auf der ganzen Länge mit einem einheitlichen Durchmesser hergestellt. Aus Festigkeitsgründen ist dies aber nicht notwendig, da insbesondere in einem Einzugsbereich des Plastifizierzylinders PZ wesentlich kleinere Kräfte wirken. Diese Feststellung bietet Spielraum, den Wärmespeicher auf mehrere Anforderungen hin zu optimieren, wie in 11 dargestellt. Die Fähigkeit des Plastifizierzylinders PZ zum Glätten eines Energieeintrags ist in der Regel größer als notwendig. Durch eine gezielte Änderung der Zylinderausführung lässt sich einerseits eine genügende Speicherfähigkeit erhalten, anderseits weitere zusätzliche Vorteile erreichen.
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Eine Reduktion des Außendurchmessers des Zylinders mindestens im Einzugsbereich an den Stellen M1, M2 nach 11 und die Montage der Heizung auf dem reduzierten Durchmesser erzeugen folgende Vorteile:
- • Es besteht mehr Platz für eine Heizzone mit erhöhter Isolationsspannung
- • Durch die Reduktion der Speicherfähigkeit auf ein notwendiges Maß ist die Heizzone im Einzugsbereich besser regelbar.
- • Durch einen gegenüber der gekühlten Einzugszone reduzierten Materialquerschnitt im Bereich der Heizung fließt weniger Wärme zur gekühlten Einzugszone hin ab. Es kann damit einerseits Heiz-Energie, andererseits auch Kühlung gespart werden.
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Bezugszeichenliste
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- Bg
- Selbstschutz bei Überspannung, Funktionsverlust des Umrichters
- Bf
- Spannungsbereich Selbstschutz bei Überspannung, Energie vernichten
- Be
- Forcierte Energieverwertung für Prozess
- Bd
- Normalbereich ohne Eingriffe
- Bc
- Spannungsbereich
- Bb
- Vermeidung Energiebezug
- Ba
- Spannungsbereich Selbstschutz bei Unterspannung, Funktionsverlust
- E
- Einzugszone des Plastifizierzylinders PZ
- LS
- Leistungssteller
- M
- Motor
- M1
- Stelle mit Reduktion des Zylinder-Außendurchmessers
- M2
- Stelle mit Reduktion des Zylinder-Außendurchmessers
- p
- maximalen Spritzdruck
- PZ
- Plastifizierzylinder
- H
- Plastheizung
- H1
- ersten Heizung
- RBrems
- Bremswiderstand
- TR
- Temperaturregler
- S
- Steuerung
- U
- Umrichter
- V
- Verbraucher
- z1
- kälteste Stelle
- z2
- heißeste Stelle
- ZK
- Umrichter-Zwischenkreis
- ZKSf
- Schwelle
- ZKSe
- Schwelle
- ZKSd
- Schwelle
- ZKSc
- Schwelle
- ZKSb
- Schwelle
- ZKSa
- Schwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/110711 [0004, 0004, 0026]
