DE102005042817B3 - Combined power supply and air conditioner operating method for vehicle, involves controlling speed of prime mover and providing control mechanisms to ensure that mechanisms bring required power with adjusted consumption-optimized speed - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Energieversorgungs- und Klimaanlage, umfassend eine oder mehrere Kraftmaschinen mit variabler Drehzahl, bevorzugt Dieselmotoren sowie mit diesen gekoppelte mechanisch bzw. elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen zur Stromerzeugung und Klimatisierung.The The invention relates to a method for operating a combined Energy supply and air conditioning, comprising one or more Variable speed engines, preferably diesel engines and with these coupled mechanically or electrically driven machines for power generation and air conditioning.
Mit weltweit ansteigenden Kraftstoff- und Personalkosten (Betrieb, Wartung, Instandsetzung) für den Betrieb autarker Energieversorgungs- und Klimaanlagen (Sanitätsanlagen, Notunterkünfte, Baustellen, militärische Einrichtungen) wird es immer deutlicher, dass die Betriebskosten gegenüber den Beschaffungskosten zum entscheidenden Kostenfaktor werden. Diese Aufwendungen vergrößern sich, je abgelegener der Standort ist und je extremer die lokalen Klimabedingungen sind.With Increasing fuel and personnel costs worldwide (operation, maintenance, Repair) for the operation of self-sufficient energy supply and air conditioning systems (sanitary facilities, emergency shelters, Construction sites, military Facilities) it is becoming increasingly clear that the operating costs across from the procurement costs become the decisive cost factor. These Expenses increase, the more remote the location is and the more extreme the local climatic conditions are.
Um dem Verbrauchsverhalten der Kraftmaschine zu entsprechen, wurden Diesel-Generator-Aggregate mit leistungsabhängiger variabler Drehzahl entwickelt. Um elektrische AC-Leistung konstanter Frequenz bereitzustellen, ist dann eine Stromaufbereitung (AC/DC/AC) erforderlich, die auf Grund ihres Wirkungsgrades die Kraftstoffeinsparung schmälert, Investitionskosten und Anlagengewicht erhöht.Around the fuel consumption behavior of the engine were Diesel generator sets with performance-based variable speed developed. To make electric AC power more constant Frequency is then a power conditioning (AC / DC / AC) required, the fuel economy due to their efficiency diminishes, Investment costs and equipment weight increased.
Mit den Schutzrechtsanmeldungen WO 98/28832 A1 und WO 03/028187 A1 wurden sehr komplexe Regelungssysteme vorgeschlagen, die den Anforderungen unabhängig von einander schwankenden Energieangebots und Energiebedarfs genügen. Mittels eines geregelten Energieaustauschs mit einem Speicher (Akkumulator, Schwungrad) wird die Anpassungszeit an positive und negative Lastsprünge mit großem konstruktiven Aufwand verkürzt.With the patent applications WO 98/28832 A1 and WO 03/028187 A1 very complex control systems proposed that meet the requirements independently of fluctuating energy supply and demand. through a regulated energy exchange with a storage tank (accumulator, flywheel) is the adaptation time to positive and negative load jumps with great shortened design effort.
Neben diesen verbrauchsoptimierten Systemen zur Bereitstellung elektrischer Energie gehören in der Kältetechnik analoge Konzepte zum Stand der Technik. Zur Gebäudeklimatisierung werden Kälteverdichter mit variabler Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors eingesetzt. Während hier das elektrische Verbundnetz die Primärenergiequelle bildet, ist es im Falle der Fahrzeug-Klimatisierung der Verbrennungsmotor. Die momentanen, stark schwankenden Fahrbedingungen diktieren dessen Drehzahl. Mit dem Einsatz von Kälteverdichtern in der saugdruck-geregelten Taumelscheibenbauart kann den nicht korrelierten Anforderungen von Fahrbetrieb und Klimatisierung genügt werden.Next these consumption-optimized systems for providing electrical Energy belong in refrigeration analogous concepts to the state of the art. For building air conditioning are refrigeration compressors used with variable speed of the electric drive motor. While Here is the electrical grid is the primary energy source is in the case of vehicle air conditioning, the internal combustion engine. The current, strongly fluctuating driving conditions dictate its Rotation speed. With the use of refrigeration compressors in the suction pressure controlled swash plate design can not correlated requirements of driving and air conditioning are sufficient.
Die
In vorzugsweise autark betriebenen kombinierten Stromversorgungs- und Klimaanlagen mit verbrauchsoptimierter Betriebsführung verbinden sich die Anforderungen rein elektrischer und mechanischer Systeme. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Betriebsführung für Systeme aus einer oder mehreren Kraftmaschinen sowie damit gekoppelten mehreren Arbeitsmaschinen zu schaffen, um den in weiten Bereichen variablen und voneinander unabhängigen Bedarf an elektrischer und mechanischer Leistung mit nahezu minimalem Brennstoffverbrauch der Kraftmaschine(n) zu genügen.In preferably self-sufficient combined power supply and Air conditioning systems with consumption-optimized operation management combine the requirements purely electrical and mechanical systems. It is therefore the task the invention, a management for systems from one or more engines and coupled therewith several To create working machines to the variable in a wide range and independent of each other Demand for electrical and mechanical power with near minimum Fuel consumption of the engine (s) to meet.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.These The object is achieved with the subject of claim 1. advantageous Executions of the Invention are the subject of dependent claims.
Erfindungsgemäß werden in die Regelung zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs der Kraftmaschine(n) die Summe der momentan geforderten Nutzleistungen sämtlicher Arbeitsmaschinen (insbesondere Generator, Kälteverdichter) einbezogen.According to the invention in the scheme for minimizing the fuel consumption of the engine (s) the sum of the currently required benefits of all Working machines (in particular generator, refrigeration compressor) included.
Zusätzlich werden Regelmechanismen für die einzelnen Arbeitsmaschinen vorgesehen, so dass die Arbeitsmaschinen unter der Randbedingung der ermittelten kraftstoffoptimierten Systemdrehzahl die geforderte Nutzleistung erbringen können.In addition will be Control mechanisms for the individual work machines provided so that the work machines under the boundary condition of the determined fuel-optimized system speed can provide the required benefit.
Das Betriebskennfeld einer Kraftmaschine, z.B. Dieselmotor, stellt den Zusammenhang von mechanischer Nutzleistung, Drehzahl und Kraftstoffverbrauch dar. Kennfelder der Arbeitsmaschinen verbinden die Parameter Nutzleistung PN, z.B. Strom/Spannung oder Fördermenge, Drehzahl n und Wirkungsgrad η. Die systemoptimale Betriebsdrehzahl ergibt sich aus dem Minimum der Verluste aller Arbeitsmaschinen und dem Minimum des Kraftstoffbedarfs B zur Bereitstellung der Summe aller Antriebsleistungen Pmech.The operating map of an engine, eg diesel engine, represents the context of mechani Characteristics of the working machines combine the parameters net power P N , eg current / voltage or flow rate, speed n and efficiency η. The system optimum operating speed results from the minimum of the losses of all work machines and the minimum fuel demand B for providing the sum of all drive powers P mech .
Analytisch
ergibt sich für
den optimalen Systembetriebspunkt im Systemkennfeld folgendes:
Mit und dem
System-Wirkungsgrad Analytically, the following results for the optimum system operating point in the system map:
With and the system efficiency
Der Nenner des Terms der rechten Seite von (3) ist das Kriterium der Optimierung. Nicht die Einzelwirkungsgrade der Sekundärenergiewandler (Arbeitsmaschinen) sind maßgebend, sondern der Wandler mit dem größeren Leistungsanteil. Bei der Optimierung wird vorausgesetzt, dass die Drehzahlen von Kraftmaschinen und Arbeitsmaschinen starr miteinander gekoppelt sind.Of the Denominator of the term of the right side of (3) is the criterion of Optimization. Not the individual efficiencies of secondary energy converters (Work machines) are authoritative but the converter with the larger power component. In the optimization, it is assumed that the speeds of Power machines and work machines rigidly coupled with each other are.
Die erfindungsgemäß jeder Arbeitsmaschine zugeordnete Regelung, welche z.B. beim Generator auf dessen Erregung, beim Kälteverdichter auf den Kolbenhub des Kälteverdichters der Taumelscheiben-Bauart wirkt (Einstellung des Winkels der Taumelscheibe), kann sichergestellt werden, dass die einzelnen Arbeitsmaschinen unter der vorgegebenen kraftstoffoptimierten Drehzahl jeweils dem geforderten Leistungsbedarf entsprechen.The according to the invention everyone Working machine associated with regulation, which e.g. at the generator on its excitement, the refrigeration compressor on the piston stroke of the refrigeration compressor the swash plate type is effective (adjustment of the swash plate angle), can be ensured that the individual work machines at the given fuel-optimized speed in each case the meet the required power requirements.
Zur Realisierung der Regelungsaufgabe sind zwei Varianten zu unterscheiden:
- 1. Die Änderung der Leistungsanforderungen erfolgt sprunghaft und in relativ hoher Frequenz. Die gesteuerte Verbrauchsoptimierung stützt sich auf die gespeicherten Kennfelder von Kraftmaschine(n) und Arbeitsmaschinen. Wenn diese nicht vom Hersteller zu beschaffen sind, sind sie in Versuchen zu bestimmen. Bauartbedingte Abweichungen werden durch Einzelmessungen erfasst und in die Kennfelder umgesetzt. Aus den Änderungen des Leistungsbedarfs resultieren dann gezielt die gesteuerte und berechnete Einstellung des neuen Betriebspunktes, nämlich Drehzahl und Kraftstoffbedarf der Kraftmaschine, Erregung des Generators, Frequenzanpassung des Wechselrichters und Kolbenhub (ggf. auch Zylinderzu- bzw. -abschaltung oder Bypass) des Kälteverdichters.
- 2. Die Anpassung an geänderte Lastanforderungen kann langsam erfolgen, das Zeitintervall konstanter Betriebsbedingungen ist groß.
- 1. The change in the power requirements occurs abruptly and in relatively high frequency. The controlled fuel consumption optimization is based on the stored maps of engine (s) and work machines. If these can not be obtained from the manufacturer, they must be determined in tests. Design-related deviations are recorded by individual measurements and converted into the maps. From the changes in power requirements then result in a targeted manner the controlled and calculated setting of the new operating point, namely speed and fuel demand of the engine, excitation of the generator, frequency adjustment of the inverter and piston stroke (possibly also Zylinderzu- or shutdown or bypass) of the refrigeration compressor.
- 2. The adaptation to changed load requirements can be slow, the time interval of constant operating conditions is large.
Der Kraftstoffzufuhr der Kraftmaschine (z.B. Verbrennungsmotor mit Regelstange) ist eine regelungstechnische Suchbewegung (+/- eines kontinuierli chen Wertes) überlagert, um sich auf den minimalen Kraftstoffbedarf einzustellen, mit dem den Nutzleistungen genügt werden kann. Die Untersystemregelungen folgen der Regelung der Kraftmaschine, um bei der Schwankung der Drehzahl die AC-Frequenz konstant zu halten, bzw. die Fördermenge des Kälteverdichters, also die Kühlleistung auf den neuen Wert einzustellen und dann konstant zu halten.The fuel supply of the engine (eg internal combustion engine with control rod) is superimposed on a control technology search movement (+/- a kontinuierli chen value) to adjust to the minimum fuel demand, with the benefits can be met. The subsystem controls follow the control of the engine to keep the AC frequency constant as the speed fluctuates, or to adjust the flow rate of the refrigeration compressor, so the cooling capacity to the new value and then to keep constant.
Mit einer Aufteilung der mechanischen Leistung auf zwei mit gleicher Drehzahl betriebenen Kraftmaschinen kann eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden. Eine solche Konfiguration kann auch aus Redundanzgründen vorgeschrieben sein. Bevorzugt werden typengleiche Motoren mit gleicher Nennleistung und gleichem Betriebskennfeld eingesetzt.With a breakdown of mechanical power to two with the same Speed-driven power engines can improve fuel economy be achieved. Such a configuration may also be prescribed for redundancy be. Preference is given to identical type engines with the same rated power and the same operating map used.
Das optimale Verhältnis der Leistungsaufteilung auf zwei gleiche Motoren liegt bei eine Verhältnis von 50%/50% mit der dem Leistungsbedarf entsprechenden optimalen Drehzahl. Im Falle der Aufteilung auf zwei Motoren ungleicher Nennleistung verschiebt sich das Verhältnis geringfügig. Im Falle von Motoren unterschiedlicher Nennleistung ergibt sich die optimale Leistungsaufteilung aus den beiden Kennfeldern.The optimal ratio the power distribution on two identical motors is one relationship of 50% / 50% with the optimal power requirement Rotation speed. In the case of the split on two engines of unequal nominal power shifts the relationship slightly. In the case of motors of different rated power results the optimal power distribution from the two maps.
Eine Aufteilung auf zwei oder mehrere Motoren sollte jedoch vorteilhaft auf einen Leistungsbereich von ca. 60% bis 100% der Gesamtleistung beschränkt bleiben, da der Einsparungsvorteil dann verschwindet, wenn die beiden Motoren im Teillastbereich arbeiten. Diese Variante ist deshalb nur für Anlagen lohnend, die vor allem mit hohen Leistungen betrieben werden.A However, splitting on two or more engines should be beneficial to a power range of approximately 60% to 100% of the total power limited remain because the savings advantage then disappears when the two Engines working in the partial load range. This variant is therefore only for Paying for plants that are mainly operated with high performance.
Wird die funktional sinnvolle niedrigste Teillastschwelle eines Leistungszweiges, elektrisch oder mechanisch, unterschritten, gehen Teilsysteme oder auch der Primärenergiewandler in den Taktbetrieb über.Becomes the functionally reasonable lowest part-load threshold of a power branch, electric or mechanical, undershot, subsystems or also the primary energy converter in the beat mode over.
Geringe elektrische Leistungen (Notversorgung) oder auch kurzzeitige Energiebeiträge bei schnellen Leistungssprüngen kann ein Akkumulatorsatz liefern. Die Aufladung ist dabei ein weiterer DC-Verbraucher und Parameter der Betriebsführung.low electrical power (emergency supply) or short-term energy contributions with fast performance leaps can deliver a battery pack. The charge is another DC consumers and operational management parameters.
In einer vorteilhaften Ausführung können Arbeitsmaschinen eingesetzt werden, welche aus zwei oder mehreren Einheiten bestehen, die antriebsseitig oder sekundärseitig verbunden sind. Diese Untereinheiten können als Teilsystem energetisch getrennten Verbrauchergruppen zugeordnet sein.In an advantageous embodiment can Working machines are used, which consist of two or more Units exist, the drive side or secondary side are connected. These subunits can be energetic as a subsystem be assigned to separate consumer groups.
Neben der Verbrauchsminimierung können auch betriebs- und umgebungsabhängige Regelgrößen Einfluss auf die Betriebsführung nehmen, wie in den eingangs genannten Veröffentlichungen erwähnt. Der Betriebszuverlässigkeit und Anlagenlebensdauer kann temporär eine höhere Priorität eingeräumt werden, als der momentanen Minimierung des Primärenergieverbrauchs. Die in der Software der Betriebsführung festgelegten Grenzen der verschiedenen Betriebsparameter, z.B. Umgebungs- gleich Verbrennungs- und Kühllufttemperatur, Abgas- und Kühlwassertemperatur, Generatortemperatur, Hoch- und Niederdruck im Kältemittelkreis, schränken dann die Verbrauchsminimierung ein.Next Consumption minimization can also operating and environment dependent Controlled variables influence on the management as mentioned in the publications mentioned above. Of the operational reliability and plant life can be temporarily given a higher priority, as the momentary minimization of primary energy consumption. In the the software of the management fixed limits of the various operating parameters, e.g. ambient equal combustion and cooling air temperature, Exhaust gas and cooling water temperature, Generator temperature, high and low pressure in the refrigerant circuit, then restrict Consumption minimization.
Besteht lokal die Möglichkeit, die Energieversorgungs- und Klimaanlage durch Anschluss an das elektrische Verbundnetz zu betreiben, bleibt die Regelung zur Minimierung des Primärenergiebedarfs bestehen. Für den Aufbau der Anlage gibt es dann folgende Varianten:
- – Der Generatorausgang wird mit dem Fremdnetz verbunden und treibt mittels eines Frequenzumrichters im motorischen Betrieb drehzahlgeregelt den Kälteverdichter an.
- – Wird eine galvanische Trennung vom Verbundnetz gefordert, muss ein weiterer Synchrongenerator für die Spannungsversorgung eingesetzt werden.
- – Auch eine Netztrennung mittels Trenntrafo kann zweckmäßig sein.
- - The generator output is connected to the external network and drives by means of a frequency converter in motor operation speed-controlled to the refrigeration compressor.
- - If galvanic isolation is required from the grid, another synchronous generator must be used for the power supply.
- - A network separation by means of isolation transformer may be useful.
Mit der erfindungsgemäßen Betriebsführung können unabhängig von der Betriebsdauer gegenüber konventionellen Anlagen, vorzugsweise bei hohem Teillastanteil, 30% bis 40% Kraftstoff eingespart werden. Bei ausschließlich mit COTS-Komponenten (COTS: commercial off the shelf) realisierbaren Systemen bleibt die Regelung ein bescheidener zusätzlicher Soft- und Hardware-Aufwand, wobei zwischen Regelungssystemen schneller und langsamer Reaktionszeit unterschieden werden muss.With the management of the invention can be independent of the operating time compared to conventional Systems, preferably at high partial load, 30% to 40% fuel be saved. Only with COTS components (COTS: commercial off the shelf) systems remains viable a modest additional Software and hardware effort, with faster between control systems and slow reaction time must be distinguished.
Die Erfindung wird anhand konkreter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen:The The invention will be described with reference to specific embodiments closer to figures explained. Show it:
Weiter bezeichnen:Further describe:
- 11
- Linien konstanten spezifischen Kraftstoffverbrauchs b (g/(W,h)), messtechlines constant specific fuel consumption b (g / (W, h)), messtech
- nisch ermitteltcally determined
- 22
- Linien konstanten Kraftstoffverbrauchs B (g/h), berechnetlines constant fuel consumption B (g / h), calculated
- 33
- Linien konstanter Leistung Pmech (W)Constant power lines P mech (W)
- 44
- drehzahl- und bedarfsabhängige Summe des momentanen Bedarfs mechanirotation speed- and demand-based Sum of the momentary demand mechani
- scher Leistung Σ(PN,i/ηi)(W)shear power Σ (P N, i / η i ) (W)
- xx
- momentan optimaler Betriebspunktcurrently optimal operating point
Im
Betriebspunkt x tangiert eine Kraftstoffkurve
Das ist also momentan der Betriebspunkt mit minimalem Kraftstoffverbrauch. Alle rechts und links liegenden Betriebspunkte würden mehr Kraftstoff zur Bereitstellung der gleichen Nutzleistung benötigen.The is currently the operating point with minimal fuel consumption. All right and left operating points would provide more fuel need the same net power.
Mit
dem vereinfachten Blockschaltbild,
Die
Steuerung/Regelung
Der Übergang
zum Fremdnetzbetrieb, Versorgungsleitung
Die
erfindungsgemäße Steuerung/Regelung
- – die Dosierung des Kraftstoffs
des Dieselmotors
10 , - – den
Sollwert der Erregungsspannung für
den Generator
11 , - – die
Winkelstellung der Taumelscheibe des Kälteverdichters
12 .
- - The dosage of the fuel of the diesel engine
10 . - - The setpoint of the excitation voltage for the generator
11 . - - The angular position of the swash plate of the refrigeration compressor
12 ,
Der
Nutzleistungsbedarf bestimmt sich mit dem Rechner
- –
36 für den elektrischen Leistungsbedarf, AC und DC, - –
37 für den Kühlungs- bzw. Heizungsbedarf im Arbeitsraum oder in einem Gerätekühlkreis, - –
38 für Parameter der Umgebungsbedingungen, die den Anlagenbetrieb im Sinne der Betriebszuverlässigkeit beeinflussen können, z.B. Umschalten auf Stand-By-Betrieb in Ruhezeiten, Vorwärmung Dieselmotor, Ölsumpfheizung des Kälteverdichters u.ä.
- -
36 for electrical power requirements, AC and DC, - -
37 for the cooling or heating demand in the work space or in a device cooling circuit, - -
38 for parameters of the environmental conditions that can influence the plant operation in terms of operational reliability, eg switching to stand-by mode during rest periods, preheating diesel engine, oil sump heating of the refrigeration compressor, etc.
Ein Mittel der Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit ist für mobile Anlagen die Schaffung einer Teilredundanz mittels Aufteilung der erforderlichen Nennleistungen auf mehrere Einheiten. Bauraum, Gewicht und Anlagenkomplexität erhöhen sich. Die volle Redundanz wird nur in Ausnahmefällen gefordert. Eine Änderung des Regelkonzepts wird mit einer solchen Erweiterung nicht notwendig. Stromversorgung und Kältekreise können zusammengeschaltet werden. Alternativ kann auch die Antriebsseite umschaltbar ausgebildet werden. Die Steuerung schaltet bei niedriger Teillast einen Strang aus, dann wenn die gesamte Nutzleistung wirtschaftlicher von einem Strang geliefert werden kann.One Means of increase the operational reliability is for mobile systems the creation of a partial redundancy by means of division the required nominal power to several units. space, Weight and plant complexity increase yourself. Full redundancy is required only in exceptional cases. A change of the Rule concept is not necessary with such an extension. Power supply and cooling circuits can be interconnected. Alternatively, the drive side be formed switchable. The controller switches at lower Part load off a strand, then if the total useful power more economical can be supplied by a strand.
Eine
detaillierte Darstellung der AC- und DC-Bereitstellung zeigt
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