DE102009058757A1

DE102009058757A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Speichern von zurück gewonnener Energie bei einer Werkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102009058757A1
Application number: DE102009058757A
Authority: DE
Inventors: Markus Notz
Original assignee: Netstal Maschinen AG; Maschinenfabrik und Giesserei Netstal AG
Current assignee: Netstal Maschinen AG
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2011-06-22
Also published as: WO2011072983A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Speichern von zurück gewonnener Energie bei einer Werkzeugmaschine. Dabei wird zunächst kinetische Energie in elektrische Energie umgewandelt, die zurück Energie in einen Zwischenkreis oder einen Verbund von Zwischenkreisen gespeichert, ein elektrischer Antrieb mittels der zurück gewonnenen Energie bei Erreichen eines bestimmten Energieniveaus im Zwischenspeicher oder den Verbund von Zwischenkreisen zur Umwandlung der überschüssigen elektrischen Energie in eine andere Energieform betrieben und die so umgewandelte Energie in einem Energiespeicher gespeichert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Speichern von Energie, insbesondere zurück gewonnener Energie, bei einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Spritzgießmaschine.
Bei Werkzeugmaschinen ist es bekannt, angetriebene Elemente zyklusweise zu betreiben bzw. je nach Betriebseinstellung zyklusweise zu beschleunigen oder abzubremsen. Beim Beschleunigen wird kinetische Energie in eine Bewegungsachse gesteckt, die beim Abbremsen dann in der Regel verloren geht.
Gerade in Zeiten der hohen Energiekosten und der -knappheit, ist es gewünscht, den Energieverbrauch möglichst zu reduzieren. Dies wird insbesondere dadurch versucht, indem man Energie aus einem angetriebenen Element einer Werkzeugmaschine zurückgewinnt und speichert, was an sich in vielen Varianten und Ausgestaltungen bereits bekannt ist und angewandt wird.
Diesbezüglich wird beispielsweise auf die Dokumente DE 10 2005 061 990 , DE 198 44 648 sowie WO 2007/071380 verwiesen, aus denen es beispielsweise bekannt ist, kinetische Energie in hydraulische Energie umzuwandeln und zu speichern.
Auch ist es bekannt, Energie von einer mechanischen Achse einer Werkzeugmaschine zurückzugewinnen und in einem zur Verfügung stehenden Zwischenkreis eines Frequenzumrichters oder mehrerer Frequenzumrichter zu speichern.
Nachteilig ist allerdings die begrenzte Speicherkapazität eines solchen Zwischenkreises oder auch eines Verbundes aus Zwischenkreisen. Aufgrund der begrenzten Speicherkapazität wird oftmals überschüssige Energie durch elektrische Widerstände (sogenannte Brems-Chopper) in Wärmeenergie umgewandelt und geht so verloren.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Energie, insbesondere zurück gewonnene Energie, möglichst vollständig zu speichern, um sie für spätere Anwendungen wieder nutzbar machen zu können.
Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die im Anspruch 1 und vorrichtungsmäßig durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.
Demgemäß besteht ein Gedanke der vorliegenden Erfindung darin, die zurück zu gewinnende kinetische Energie zunächst in elektrische Energie umzuwandeln und in an sich bekannter Weise in einem Zwischenkreis in Form von elektrischer Energie zu speichern. Lediglich für den Fall, dass die zurück gewonnene Energie im Zwischenkreis, den Zwischenkreisen oder dem Verbund aus Zwischenkreisen ein bestimmtes Energieniveau überschreitet, welches dann im Zwischenkreis oder dem Verbund aus Zwischenkreisen nicht mehr gespeichert und aufgenommen werden kann, wird mit der überschießenden Energie ein elektrischer Antrieb betrieben, um diese überschüssige elektrische Energie in eine andere, wieder abrufbare Energieform (z. B. hydraulische Energie oder kinetische Energie) umzuwandeln und dazu in einem geeigneten Energiespeicher zu speichern.
Beispielsweise kann die durch einen Bremsvorgang zurück gewonnene kinetische Energie durch den Antrieb eines Generators in elektrische Energie (zurück) gewandelt werden, wobei der Generator die elektrische Energie erzeugt, die dann zunächst in einem Zwischenkreis eines Frequenzumrichters einspeist bzw. gespeichert wird.
Der elektrische Antrieb kann als Motor realisiert sein, der beispielsweise mit einer Pumpe gekoppelt ist, um ein Hydraulikfluid in einen Hydraulikspeicher zu fördern. In diesem Fall kann eine überschüssige, in dem Zwischenkreis nicht mehr speicherbare Energie zum Antrieb des Motors verwendet werden, der über den Betrieb der Hydraulikpumpe das Energieniveau im Druckspeicher erhöht, und damit dem „Energieinhalt” des Druckspeichers gleichsam erhöht. Insofern kann der Druckspeicher dann auch als Energiespeicher bezeichnet werden.
Die im Druckspeicher gespeicherte Energie kann später in umgekehrter Weise, nämlich durch Antrieb der nunmehr als Hydromotor wirkenden Pumpe und des dann als Generator wirkenden, von der Pumpe angetriebenen Motors wieder zur Einspeisung der Energie in das elektrische Netz oder wider in den Zwischenkreis oder den Verbund aus Zwischenkreisen ausgenutzt werden.
Alternativ kann die Druckenergie in dem Druckspeicher auch in anderer Weise z. B. über eine Kolben-Zylinder-Anordnung wieder verwendet werden.
In einer anderen Ausführungsform kann der Motor anstelle der Pumpe zur Erhöhung der Energie im Druckspeicher auch ein anderes Element zur Speicherung von Energie antreiben. So kann beispielsweise eine Schwungscheibe angetrieben werden, die die überschüssige Energie aufnimmt. Die Schwungscheibe kann in gleicher Weise dann wieder den Motor, der dann als Generator wirkt, antreiben, um die im Schwungrad gespeicherte Energie in den Zwischenkreis als elektrische Energie zurückzureichen.
Auf diese Art und Weise kann bei einer drohenden Kapazitätsausschöpfung der Speicherfähigkeit des Zwischenkreises die Energie anderweitig abgespeichert (zwischengespeichert) werden, so dass die Kapazitätsgrenze des Zwischenspeichers nie erreicht bzw. überschritten wird und damit auch nie Energie unnütz über elektrische Widerstände in thermische Energie umgewandelt werden muss.
Die gespeicherte Energie kann azyklisch verwendet werden und aus dem (nicht elektrisch) abgespeicherten Energiespeicher wieder abgerufen werden.
Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend auch anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt der Figur eine schematische Schaltbilddarstellung einer erfindungsgemäßen Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Speicherung der elektrischen Energie bei einer Spritzgießmaschine.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist auf die Anwendung bei einer Spritzgießmaschine abgestellt. Allerdings kann die Erfindung auch bei jeder anderen Werkzeugmaschine mit mechanisch angetriebenen Teilen realisiert werden. Bei einer Spritzgießmaschine muss beispielsweise die bewegliche Platte einer Schließeinheit bewegt, insbesondere beschleunigt und abgebremst werden. Für die Bewegung (auch Beschleunigung und Abbremsung) der zumeist eine große Masse aufweisenden, beweglichen Aufspannplatte kann z. B. ein Antriebsmotor verwendet werden, der über ein (nicht dargestelltes) Getriebe die bewegliche Aufspannplatte antreibt, insbesondere nämlich beschleunigt und auch abbremst.
Dieser elektrische Motor ist vorliegend mit dem Bezugszeichen 14 gekennzeichnet, wobei mit dem Bezugszeichen 10 die sogenannte rekuperierende Achse oder Achsen, auf der die Energierückgewinnung durchgeführt werden soll, dargestellt ist. Die zurück zu gewinnende kinetische Energie ist in Form des Pfeils 12 dargestellt, wobei diese Energie 12 beispielsweise über ein Getriebe beim Abbremsen auf das elektrische Element 14, der in dieser Betriebssituation als Generator betrieben wird, beaufschlagt.
Der Generator 14 erzeugt zunächst elektrische Energie, welche über entsprechende Leitungen einem Frequenzumrichter 16 zugeführt wird. Der Frequenzumrichter 16 (hier erster Frequenzumrichter) umfasst einen ersten Stromrichter 18, einen zweiten Stromrichter 20 und einen dazwischen geschalteten ersten Zwischenkreis 22 auf, wobei sich in letzterem eine bestimmte elektrische Energiemenge speichern lässt. Der erste Frequenzumrichter 16 ist mit einem Betriebsnetz 24 verbunden, das auch mit einem zweiten Frequenzumrichter 26 verbunden ist. Dieser zweite Frequenzumrichter 26 weist gleichfalls einen dritten Stromrichter 28, einen vierten Stromrichter 30 sowie einen zweiten Zwischenkreis 32 auf, der wiederum eine bestimmte elektrische Energiemenge speichern kann.
Mit den beiden Zwischenkreisen 22 und 32 ist ein Zwischenkreisverbund 50 gebildet, in dem sich eine Gesamt-Energiemenge speichern lässt. An den Frequenzumrichter 26, insbesondere den Stromrichter 30 ist ein elektrischer Verbraucher 36 (hier Motor) gekoppelt, der über eine Welle 38 mit einer Pumpe 40 verbunden ist, die je nach Drehweise der Welle 38 ein Hydraulikfluid in mindestens eine Richtung fördern kann. Vorzugsweise kann die Pumpe auch als Hydromotor betrieben werden. Über die Pumpe 40 ist ein Hydraulikbehälter 42 mittels entsprechenden Fluidleitungen mit einem Druckspeicher 44 verbunden. Damit stellt die Kombination aus elektrischem Verbraucher 36 (Motor) und Pumpe 40 ein fluidtechnisches Element 34 dar.
Beim Zurückgewinnen von Energie aufgrund eines Abbremsens der beweglichen Antriebsplatte wird das elektrische Element 14 als Generator verwendet und erzeugt elektrische Energie, die über den ersten Stromrichter 18 in den Zwischenkreis 22 eingespeist wird. Der Zwischenkreis 22 kann dabei eine bestimmte Menge an elektrischer Energie aufnehmen. Zudem kann die Energie über den zweiten Stromrichter 20 in das Betriebsnetz 24 eingespeist werden. In dem zweiten Zwischenkreis 32 kann ebenfalls eine begrenzte Energiemenge gespeichert werden. Übersteigt nun die zurück gewonnene Energie die Speicherfähigkeit der beiden Zwischenkreise 22 und 32, so wird der elektrische Verbraucher 36 als Motor betrieben und treibt die Pumpe 40 an, welche Fluid in den Druckspeicher 44 fördert, wodurch eine entsprechende Druckerhöhung stattfindet und die überschüssige Energie gespeichert wird.
Alternativ wird die überschüssige Energie nicht über das Betriebsnetz, sondern über den Zwischenkreisverbund 50 an die den Motor 36 und damit die Pumpe 40 übertragen.
Damit geht die in den Zwischenkreisen 22 und 32 nicht mehr speicherbare Energie nicht verloren, sondern wird in (nicht elektrischer) Form im Druckspeicher 44 (zwischen) gespeichert. Der Druckspeicher 44 kann über das in 1 gezeigte Maß hinaus mit hydraulischen Antrieben gekoppelt sein und seine Energie auch unmittelbar an hydraulische Antriebe 45 abgeben.
Es ist aber auch möglich, dass der Druckspeicher 44 bei einem entsprechend umgekehrten Betrieb der Pumpe 40 (dann Hydromotor) das vormals als Motor 36 arbeitende elektrische Element nunmehr als Generator antreibt, um Strom zu erzeugen und diesen wiederum zunächst in den zweiten Frequenzumrichter 32 einzuspeisen und über das Betriebsnetz – oder über den Zwischenkreis – den übrigen elektrischen Komponenten zur Verfügung zu stellen.
Natürlich lässt sich die vorliegende Erfindung auch in anderer Form als mit einer Motor-Pumpen-Kombination und einem Druckspeicher realisieren.
Insgesamt ist mit der vorliegenden Erfindung eine einfache und kostengünstige Möglichkeit angegeben, elektrische Energie zunächst in einem Zwischenspeicher oder einem Zwischenspeicherverbund und dann in einem weiteren Energiespeicher zu speichern, ohne dass überschießende Energie verloren geht.
Bezugszeichenliste

10: Rückgewinnende Achse
12: Rückgewinnungsenergie
14: Elektrisches Element (hier: insbesondere Generator)
16: Erster Frequenzumrichter
18: Erster Stromrichter
20: Zweiter Stromrichter
22: Erster Zwischenkreis
24: Betriebsnetz
26: Zweiter Frequenzumrichter
28: Dritter Stromrichter
30: Vierter Stromrichter
32: Zweiter Zwischenkreis
34: Fluidtechnisches Element
36: Elektrischer Verbraucher (Motor/Generator)
38: Welle
40: Pumpe
42: Hydraulikbehälter oder Tank
44: Druckspeicher (Akkumulator)
45: Hydraulische Antriebe
50: Zwischenkreis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005061990 [0004]
DE 19844648 [0004]
WO 2007/071380 [0004]

Claims

Verfahren zum Speichern von Energie bei einer Werkzeugmaschine, insbesondere einer Spritzgießmaschine, mit den Schritten – Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie, – Einbringen der elektrischen Energie in einen Zwischenkreis oder einen Verbund von Zwischenkreisen, – Betrieb eines elektrischen Antriebs mittels der Energie bei Erreichen eines bestimmten Energieniveaus im Zwischenspeicher oder den Verbund von Zwischenkreisen zur Umwandlung von überschüssiger elektrischer Energie in eine andere Energieform und Speichern in einem Energiespeicher.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Antriebsmittel mindestens eine Motor-Pumpen Kombination zur Förderung eines Hydraulikfluids in einen Druckspeicher aufweist, um die das Energieniveau überschreitende Energie im Druckspeicher zu speichern.
Antriebseinrichtung für eine Werkzeugmaschine umfassend – einen ersten Frequenzumrichter (16) mit einem Zwischenkreis (22), der mit einem elektrischen Element (14) zur Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie wirkverbunden ist, – mindestens einen zweiten Frequenzumrichter (26) mit einem Zwischenkreis (32), der mit einem elektrischen Antrieb (36) wirkverbunden ist, wobei der elektrische Antrieb mit einer Vorrichtung (40, 44) zur Speicherung von Energie mittelbar oder unmittelbar gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Element (14) zur Einspeisung von Energie an den ersten Frequenzumrichter (16) mit diesem verbunden ist, der Zwischenkreis, die Zwischenkreise oder der Zwischenkreisverbund zur Speicherung von Energie bis zu einem vorgegebenen Energieniveau ausgebildet ist und der elektrische Antrieb ausgebildet und mit einem Zwischenkreis oder dem Verbund von Zwischenkreisen derart verbunden ist, um die ein Energieniveau im Zwischenkreis, den Zwischenkreisen oder dem Zwischenkreisverbund überschreitende Energie durch Betrieb der Vorrichtung (40, 44) zur Speicherung der Energie in anderer Form zu speichern.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Zwischenkreisspeicher (22, 32) von Frequenzumrichtern zum einem Verbund zusammengeschaltet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Antrieb ein Motor (36) und die Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie eine Pumpe (40) zur Förderung eines Hydraulikfluides in einen Druckspeicher (44) ist, um überschüssige Energie in Form von Druckenergie im Druckspeicher (44) zu speichern.