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1. WO2021043436 - METHOD FOR OPERATING A SYSTEM, AND SYSTEM

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]

Verfahren zum Betreiben einer Anlage und Anlage

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Anlage und eine Anlage.

Es ist allgemein bekannt, dass in einer Anlage Elektromotoren angeordnet sind zur Durchführung von Arbeitsabläufen beim Betreiben der Anlage.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anlage umweltschonend, insbesondere ressourcenschonend, weiterzubilden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Verfahren nach Anspruch 1 und bei der Anlage nach den in Anspruch 9 angegebenen Merkmalen gelöst.

Wichtige Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren zum Betreiben einer Anlage sind, dass die Anlage einen AC/DC-Wandler aufweist, dessen gleichspannungsseitiger Anschluss elektrisch parallel geschaltet ist zu einem gleichspannungsseitigen Anschluss eines Wechselrichters und einem ersten gleichspannungsseitigen Anschluss eines DC/DC-Wandlers, an dessen zweitem gleichspannungsseitigen Anschluss ein Energiespeicher, insbesondere Akkumulator und/oder Doppelschichtkondensator, wie Ultracap, angeschlossen ist,

wobei aus einem Wechselspannungsversorgungsnetz, aus welchem der wechselspannungsseitige Anschluss des AC/DC-Wandlers speisbar ist, elektrische Leistung dem gleichspannungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers zugeführt wird, wenn der Leistungsbezug, insbesondere also der Bezug elektrischer Leistung, des ersten Wechselrichters, insbesondere an seinem gleichspannungsseitigen Anschluss, positiv ist, insbesondere also ein vom ersten Wechselrichter gespeister Elektromotor motorisch betrieben wird,

wobei die elektrische Leistung auf einen Sollwert hingeregelt wird,

und wobei aus dem Wechselspannungsversorgungsnetz keine elektrische Leistung dem gleichspannungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers zugeführt wird, wenn der Leistungsbezug, insbesondere also der Bezug elektrischer Leistung, des ersten Wechselrichters, insbesondere an seinem gleichspannungsseitigen Anschluss, negativ ist, insbesondere also der vom ersten Wechselrichter gespeister Elektromotor generatorisch betrieben wird.

Von Vorteil ist dabei, dass möglichst wenig Energie aus dem

Wechselspannungsversorgungsnetz bezogen werden muss. Somit sind die Ressourcen und Umwelt geschont. Außerdem ist der Leistungsbezug vom Wechselspannungsversorgungsnetz vergleichmäßigt und daher Verlustleistungen und notwendige Leitungsquerschnitte verringert. Nur im Gesamt-generatorischen Fall wird der Leistungsbezug gestoppt, so dass nur ein aufladen des Energiespeichers ausgeführt wird. Im motorischen Betrieb wird aus dem Wechselspannungsversorgungsnetz nur ein geringer Leistungswert bezogen. Benötigte unterschiedliche Leistungswerte und Leistungsschwankungen werden vom Energiespeicher ausgeglichen. Durch diesen möglichst konstanten Bezug von Leistung aus dem Wechselspannungsversorgungsnetz sind außerdem Netzspannungsschwankungen verringerbar.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist statt des ersten Wechselrichters eine Parallelschaltung des ersten Wechselrichters mit weiteren Wechselrichtern und/oder Verbrauchern dem gleichspannungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers elektrisch parallel zugeschaltet. Von Vorteil ist dabei, dass jeder der Wechselrichter und/oder Verbraucher seinen jeweiligen Leistungsbezug zeitlich wiederkehrend erfasst und somit der Gesamtleitungsbezug einfach bestimmbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird nach einer Aufladung des Energiespeichers die Anlage zyklisch betrieben,

insbesondere also die Arbeitsabläufe der Anlage, insbesondere die Betriebsart des oder der Wechselrichter, periodisch wiederholt werden, wobei eine Periode als Zyklus bezeichnet wird und die Periodendauer als Zykluszeit bezeichnet wird,

wobei als Sollwert der Quotient aus der für den gesamten Zyklus benötigten Energiemenge, insbesondere von dem ersten Wechselrichter oder von allen Wechselrichtern und/oder

Verbrauchern benötigten Energiemenge, und der um eine Zeitspanne verminderten Zykluszeit verwendet wird,

wobei die Zeitspanne insbesondere während des Zyklus alle Zeitpunkte umfasst, bei denen der Gesamt-Leistungsbedarf, insbesondere des ersten Wechselrichters oder aller Wechselrichter und/oder Verbraucher, negativ ist. Von Vorteil ist dabei, dass der Leistungsbezug aus dem Wechselspannungsnetz vergleichmäßigt und somit viel geringere Strom-Spitzenwerte aufweist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erfasst der erste Wechselrichter seinen Leistungsbedarf zeitlich wiederkehrend und meldet diesen über eine Datenübertragungskanal an eine Steuerung, welche mittels Datenübertragungskanälen sowohl mit dem AC/DC-Wandler als auch mit dem DC/DC-Wandler verbunden ist und welche einen Sollwert an aus dem Wechselspannungsversorgungnetz über den AC/DC-Wandler zu beziehender Leistung an den AC/DC-Wandler zeitlich wiederkehrend übermittelt und welche einen Sollwert an dem Energiespeicher zuzuführender oder abzuführender Leistung dem DC/DC-Wandler übermittelt. Von Vorteil ist dabei, dass der Leistungsbezug aus dem Wechselspannungsnetz vergleichmäßigt und somit viel geringere Strom-Spitzenwerte aufweist.

Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung erfassen alle Wechselrichter und/oder Verbraucher ihren Leistungsbedarf zeitlich wiederkehrend und melden ihren jeweiligen Leistungsbedarf über einen jeweiligen Datenübertragungskanal an eine Steuerung, welche mittels Datenübertragungskanälen sowohl mit dem AC/DC-Wandler als auch mit dem DC/DC-Wandler verbunden ist und welche einen Sollwert an aus dem

Wechselspannungsversorgungnetz über den AC/DC-Wandler zu beziehender Leistung an den AC/DC-Wandler zeitlich wiederkehrend übermittelt und welche einen Sollwert an dem Energiespeicher zuzuführender oder abzuführender Leistung dem DC/DC-Wandler übermittelt. Von Vorteil ist dabei, dass der Energiespeicher die Vergleichmäßigung des Netzbezugs ermöglicht. Stromschwankungen werden vom Energiespeicher abgepuffert.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung speist der erste Wechselrichter einen ersten Elektromotor. Von Vorteil ist dabei, dass der Motor motorisch oder generatorisch betreibbar ist. Somit ist der Leistungsbezug des Wechselrichters an seinem gleichspannungsseitigen Anschluss positiv oder negativ.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung speist der jeweilige Wechselrichter einen jeweiligen Elektromotor. Von Vorteil ist dabei, dass der jeweilige Motor motorisch oder generatorisch betreibbar ist. Somit ist der Leistungsbezug des jeweiligen Wechselrichters an seinem gleichspannungsseitigen Anschluss positiv oder negativ.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vor dem zyklischen Betreiben für die Energiemenge ein Wert vorgegeben,

wobei am Ende jedes Zyklus die im Energiespeicher vorhandene Ladeenergie bestimmt wird und von einem Regler, insbesondere PI-Regler, der Wert derart gestellt wird, dass die jeweils bestimmte Ladeenergie auf einen Sollwert hingeregelt wird, insbesondere welcher dem zu mehr als 80% aufgeladenen Energiespeicher entspricht. Von Vorteil ist dabei, dass auch bei nicht exakt bekannter, pro Zyklus notwendiger Energiemenge eine übergeordnete Nachregelung ermöglicht ist. Vorzugsweise arbeitet der Regler aber nur zu diskreten Zeitpunkten, also am Ende des jeweiligen Zyklus. Denn dann ist die für den letzten Zyklus benötigte Energiemenge exakt bestimmbar und/oder der Ladezustand des Energiespeichers. Davon ausgehend ist der Wert entsprechend regelbar, damit eine möglichst hohe Aufladung des Energiespeichers und somit Pufferfähigkeit erhalten bleibt.

Besonders vorteilhaft ist dabei auch, dass bei Alterung oder thermischer Belastung des Energiespeichers dies automatisch berücksichtigt wird. Denn da auf den Ladezustand hin geregelt wird, ist die rechnerische Energiemenge bei Alterung des Energiespeichers, also Kapazitätsverminderung, ansteigend, insbesondere tendenziell größer als die physikalisch wirklich von den Motoren der Anlage verbrauchte Energiemenge.

Wichtige Merkmale bei der Anlage zur Durchführung eines vorgenannten Verfahrens sind, dass die Anlage einen aus einem Wechselspannungsversorgungsnetz speisbaren AC/DC-Wandler aufweist, dessen gleichspannungsseitiger Anschluss elektrisch parallel geschaltet ist zu einem gleichspannungsseitigen Anschluss eines ersten Wechselrichters und einem ersten gleichspannungsseitigen Anschluss eines DC/DC-Wandlers, an dessen zweitem gleichspannungsseitigen Anschluss ein Energiespeicher, insbesondere Akkumulator und/oder Doppelschichtkondensator, wie Ultracap, angeschlossen ist,

wobei eine Steuerung mittels Datenübertragungskanälen mit dem ersten Wechselrichter, dem AC/DC-Wandler und dem DC/DC-Wandler verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass abhängig vom Gesamtleistungsbedarf der Netzbezug steuerbar ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist statt des ersten Wechselrichters eine Parallelschaltung des ersten Wechselrichters mit weiteren Wechselrichtern und/oder Verbrauchern dem gleichspannungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers elektrisch parallel zugeschaltet,

wobei die Steuerung mittels Datenübertragungskanälen mit den weiteren Wechselrichtern und/oder Verbrauchern verbunden ist. Von Vorteil ist dabei, dass abhängig vom Gesamtleistungsbedarf der Netzbezug steuerbar ist.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung ist nicht auf die Merkmalskombination der Ansprüche beschränkt. Für den Fachmann ergeben sich weitere sinnvolle Kombinationsmöglichkeiten von Ansprüchen und/oder einzelnen Anspruchsmerkmalen und/oder Merkmalen der Beschreibung und/oder der Figuren, insbesondere aus der Aufgabenstellung und/oder der sich durch Vergleich mit dem Stand der Technik stellenden Aufgabe.

Die Erfindung wird nun anhand von schematischen Abbildungen näher erläutert:

In der Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Anordnung schematisch dargestellt.

Dabei erzeugt ein von einem Wechselspannungsversorgungsnetz 1 gespeister AC/DC-Wandler 2, insbesondere steuerbarer Gleichrichter, eine Gleichspannung, insbesondere Zwischenkreisspannung, aus der ein Wechselrichter 3 gespeist wird, der einem Elektromotor 5 eine Drehspannung zur Verfügung stellt.

Mittels eines DC/DC-Wandlers ist elektrische Leistung von einem Energiespeicher 7 an den gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters 3 gesteuert führbar oder umgekehrt.

Der gleichspannungsseitige Anschluss des Wechselrichters 3 ist parallel geschaltet zum gleichspannungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers 2.

Der Wechselrichter 3 ist mittels einer Datenbusverbindung mit einer übergeordneten Steuerung 4 verbunden

Parallel zum Wechselrichter 3 sind weitere Wechselrichter und/oder Verbraucher verbindbar, die ebenfalls mittels einer Datenbusverbindung mit einer übergeordneten Steuerung 4 verbunden sind.

Die Steuerung 4 ist mit dem AC/DC-Wandler 2 mittels Datenbus verbunden und ist somit in der Lage, die vom Wechselspannungsversorgungsnetz 1, welches den wechselspannungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers 2 speist, in den Zwischenkreis fließende Leistung zu steuern.

Die Steuerung erfasst also den Leistungsbedarf aller Wechselrichter und/oder Verbraucher und bestimmt insbesondere durch Aufsummierung den Gesamt-Leistungsbedarf, welcher aus dem Energiespeicher 7 über den DC/DC-Wandler 6 und/oder aus dem Wechselspannungsversorgungsnetz 1 über den AC/DC-Wandler 2 zu liefern ist.

Der Leistungsbedarf eines Wechselrichters im motorischen Betrieb ist positiv und im generatorischen Betrieb ist er negativ.

Die Steuerung 4 steuert also über den DC/DC-Wandler 6 die vom Energiespeicher in den Zwischenkreis zu liefernde oder vom Zwischenkreis aufzunehmende Leistung. Außerdem steuert die Steuerung 4 über den AC/DC-Wandler 2 die aus dem Wechselspannungsversorgungsnetz in den Zwischenkreis zu liefernde Leistung.

Vorzugsweise wird bei Leistungsbedarf zunächst der Energiespeicher entleert und danach aus dem Wechselspannungsversorgungsnetz 1 Leistung bezogen.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Anordnung in einer Anlage oder Maschine angeordnet, welche im Normalbetrieb zyklisch betrieben wird.

Zu Beginn, also vor dem Normalbetrieb, wird der Energiespeicher aufgeladen. Im Normalbetrieb wird dann in jedem Zyklus der Gesamt-Leistungsbedarf aller Wechselrichter und/oder Verbraucher bestimmt.

Wenn der Gesamt-Leistungsbedarf positiv ist, insbesondere also die Wechselrichter überwiegend motorisch betrieben werden, wird Leistung aus dem Wechselspannungsversorgungsnetz bezogen, wobei der AC/DC-Wandler 2 den Leistungsbezug erfasst und auf einen Sollwert hinregelt. Zur Erfassung des Leistungsbezugs wird der am gleichspannungsseitigen Anschluss des AC/DC-Wandlers 2 austretende Strom erfasst und die an diesem gleichspannungsseitigen Anschluss vorhandene Spannung.

Als Sollwert wird der Quotient aus der für den gesamten Zyklus von den Wechselrichtern und/oder Verbrauchern benötigten Energiemenge und der um eine Zeitspanne verminderten Zykluszeit verwendet. Die Zeitspanne umfasst alle Zeitpunkte, bei denen der Gesamt-Leistungsbedarf der Wechselrichter und/oder der Verbraucher negativ ist.

Während der Zeitspanne ist der Gesamt-Leistungsbedarf negativ. Dies bedeutet, dass die Wechselrichter und/oder Verbraucher in Summe Leistung erzeugen und dem Zwischenkreis zur Verfügung stellen, so dass aus dem Zwischenkreis der Energiespeicher geladen werden kann. Während der restlichen Zykluszeit, also außerhalb der Zeitspanne, wird aus dem Energiespeicher dann Leistung bezogen, wenn der Leistungsbedarf der Wechselrichter und/oder Verbraucher in Summe größer ist als der Quotient.

Somit wird aus dem Wechselspannungsversorgungsnetz 1 eine möglichst konstante Leistung, also der Quotient, bezogen, wobei Leistungsabweichungen bezogen auf den Quotienten mittels des Energiespeichers gepuffert und/oder aufgefangen werden.

Mittels der Erfindung ist eine Vergleichmäßigung, also eine betragsmäßige Reduzierung der Entladeströme und Ladeströme des Energiespeichers ermöglicht.

Als Verbraucher ist beispielsweise die Steuerung 4 verwendbar, indem diese aus dem Zwischenkreis versorgt wird, also ihr gleichspannungsseitiger Versorgungsanschluss parallel zum gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters geschaltet ist.

Um Stromspitzen abzudämpfen ist zusätzlich im Zwischenkreis ein Doppelschichtkondensator, wie Ultracap, vorsehbar, welcher parallel zum gleichspannungsseitigen Anschluss des Wechselrichters geschaltet ist.

Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ist die Zeitspanne nicht einfach zusammenhängend ausgeführt, sondern mehrmehrteilig ausgeführt, insbesondere weist also mehrere voneinander zeitlich beabstandete Einzelzeitspannen auf.

Bezugszeichenliste

Wechselspannungsversorgungsnetz

AC/DC-Wandler, insbesondere steuerbarer Gleichrichter Wechselrichter

Steuerung

Elektromotor

DC/DC-Wandler

Energiespeicher