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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zur Energieversorgung von drehzahlveränderbaren
Antrieben und der erforderlichen Antriebshilfseinrichtungen und
Zusatzgeräte aus Photovoltaikgeneratoren und ein Verfahren
zur maximalen Nutzung der verfügbaren elektrischen Energie
durch diese Anordnung.
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Stand der Technik
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Die
kontinuierliche Versorgung von Verbrauchern aus Photovoltaikgeneratoren
bedingt eine Elektroenergiespeicherung. Zur Versorgung von Gleichstromverbrauchern
werden Batterien in Verbindung mit Batterieladereglern für
Photovoltaikgeneratoren eingesetzt. Die Laderegler führen
die von einem Photovoltaikgenerator zur Verfügung gestellte Energie
an die Verbraucher bzw. in eine Batterie ab.
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Für
die Versorgung von Wechselstromverbrauchern aus Photovoltaikgeneratoren
in lokalen Netzen ohne Verbindung zu einem öffentlichen
Energieversorgungsnetz werden spezielle Inselwechselrichter eingesetzt.
Diese stellen eine Wechselspannung mit fester Spannung und Frequenz
in vorgegebenen Toleranzen bereit. Der Energiebezug kann dabei direkt
aus Photovoltaikgeneratoren oder zwischengeschalteten elektrischen
Energiespeichern (z. B. Batterien) erfolgen.
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In
ihrer Leistungsaufnahme veränderbare Verbraucher, wie Antriebsmotoren,
ermöglichen den Direktbetrieb dieser Antriebsmotoren an
Photovoltaikgeneratoren ohne Elektroenergiezwischenspeicher. Der
Direktbetrieb von Antriebsmotoren an Photovoltaikgeneratoren erfolgt
vorzugsweise drehzahlvariabel in Abhängigkeit der zur Verfügung
stehenden Energie.
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Bei
Systemen kleiner Leistung bis einige hundert Watt erfolgt der Einsatz
von steuerbaren Gleichstrommotoren, meist elektronisch kommutierter
(EC) Motoren mit integrierter Elektronik.
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Für
Systeme mittlerer Leistung im Bereich einiger Kilowatt werden meist
Frequenzumrichter zur Drehzahländerung in Kombination mit
Asynchronmotoren als Hauptantrieb eingesetzt. Frequenzumrichter
sind Wechselrichter zur Umwandlung einer Eingangswechsel- oder Eingangsgleichspannung
in eine dreiphasige Ausgangsspannung mit variabler Frequenz und
variablem Effektivwert und sind als industrielle Standardlösung
in der Antriebstechnik verfügbar. Für die Steuerung
und Regelung der Antriebsmotoren sind optimierte Algorithmen in
die Frequenzumrichter integriert. Der elektrische Anschluss von
Gleichspannungsquellen kann an dem internen Spannungszwischenkreis
der Frequenzumrichter erfolgen:
Bekannt sind auch spezielle
Pumpenwechselrichter bzw. modifizierte Frequenzumrichter (
DE 100 10 961 A1 )
für die Versorgung von Pumpen aus Photovoltaikgeneratoren.
Dabei handelt es sich um angepasste Lösungen für
den drehzahlvariablen Direktbetrieb von Pumpen aus Photovoltaikgeneratoren
mit integrierten Überwachungsfunktionen z. B. für
Niveauschalter und integrierten Verfahren zur Anpassung der Verbraucher
an den optimalen Betriebspunkt des Photovoltaikgenerators (Maximum
Power Point = MPP).
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Aufwendigere
Lösungen bestehen in der Kombination mehrerer Leistungswandler,
wie in der Kombination von Gleichspannungswandlern zur Erzeugung
eines Spannungszwischenkreises aus der Spannung eines Photovoltaikgenerators
mit nachgeschalteten Frequenzumrichtern (
DE 100 18 943 A1 ,
DE 101 36 147 B4 ).
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Mängel
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Bei
den bisher bekannten Energieversorgungssystemen für den
Direktbetrieb von Antriebsmotoren an Photovoltaikgeneratoren ist
es nachteilig, dass die Energie des Photovoltaikgenerators nur unvollständig,
in einem durch die Dimensionierung der Leistungsrelation zwischen
Verbrauchern und Generator vorgegebenen Arbeitsbereich, genutzt
werden kann. Für den Direktbetrieb eines Antriebsmotors
an einem Photovoltaikgenerator wird eine Mindestleistung am Ausgang
des Photovoltaikgenerators benötigt. Die maximale Leistungsaufnahme
der Antriebsmotoren ist in den bekannten Systemen üblicherweise
kleiner als die maximale Ausgangsleistung des zugehörigen
Photovoltaikgenerators. Die Energie bei Unterschreitung der Mindestleistung
und bei Überschreitung der Maximalleistung, die der Antriebsmotor
aufnehmen kann, wird in den bekannten Systemen mit Direktbetrieb
nicht genutzt. Dieser Differenzbetrag zwischen dem möglichen
Energieangebot eines Photovoltaikgenerators und der tatsächlich
genutzten Energie wird nachfolgend als Differenzenergie bezeichnet.
Diese Differenzenergie ist in 3 als schraffierte
Fläche dargestellt.
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Systeme
mit Inselwechselrichter, Laderegler, Batterie und nach geschaltetem
Frequenzumrichter ermöglichen nahezu die komplette Nutzung
der angebotenen Energie, erfordern aber einen wesentlich höheren
gerätetechnischen und finanziellen Aufwand als Systeme
mit Pumpenwechselrichtern bzw. modifizierten Frequenzumrichtern
und weisen mehrere verlustbehaftete Wandlungsstufen auf. Nachteilig
ist auch die eingeschränkte Verfügbarkeit der
speziellen Insel- und Pumpenwechselrichter.
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Weiterhin
sind die bekannten Pumpenwechselrichter und modifizierten Frequenzumrichter
speziell für den Einsatz in solaren Pumpensystemen vorgesehen
und für einen universellen Einsatz in Kälteanlagen
nicht geeignet und ermöglichen nicht die Steuerung und
Versorgung von Antriebshilfsgeräten und Zusatzgeräten,
wie sie in Kälteanlagen benötigt werden.
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Aufgabenstellung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein mit einem Photovoltaikgenerator
gekoppeltes Energieversorgungssystem für elektrische Hauptantriebsmotoren
zu schaffen, das es ermöglicht, den Hauptantriebsmotor
direkt mit einem Frequenzumrichter aus dem Photovoltaikgenerator
zu versorgen und welches die Energieversorgung für Antriebshilfseinrichtungen,
die zum Betrieb des Hauptantriebsmotors erforderlich sind, und für
weitere Zusatzgeräte derart ausführt, dass die
Differenzenergie dafür verwendet wird und der Hauptantriebsmotor
bei geringerer Ausgangsleistung des Photovoltaikgenerators betrieben
werden kann und dadurch das Energieangebot des Photovoltaikgenerators
optimal ausgenutzt wird.
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Weitere
Aufgabe der Erfindung ist die Integration einer Steuerung für
einen Hauptantriebsmotor mit Antriebshilfseinrichtungen und für
Zusatzgeräte in einen Frequenzumrichter derart, dass durch
diese integrierte Steuerung komplexe Inselsysteme gesteuert werden
können.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung mit der Anordnung
nach Anspruch 1 und dem Verfahren nach Anspruch 8 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen 2–7 und 9–10 beschrieben.
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Ausführungsbeispiel
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen
Anordnung des Energieversorgungssystems mit einem Hauptantriebsmotor
(4), der über einen Frequenzumrichter (2)
direkt an einen Photovoltaikgenerator (1) angeschlossen
ist und mit einem steuerbaren Gleichspannungswandler (5)
zur Versorgung eines Ladereglers (6a), der an eine Batterie
(7) angeschlossen ist, aus der die Antriebshilfseinrichtungen
(8) und Zusatzgeräte (9) versorgt werden.
Der Frequenzumrichter (2) verfügt über
eine Steuereinheit (3), die mit dem Gleichspannungswandler
(5), den Antriebshilfseinrichtungen (8) und den
Zusatzgeräten (9) verbunden ist.
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2 stellt
eine spezielle Ausführung der erfindungsgemäßen
Anordnung mit einem steuerbaren Laderegler (6b), der mit
der Steuereinheit (3) verbunden ist, dar.
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Die
gestrichelten Linien symbolisieren die Steuerungsverknüpfung,
die durchgehenden Linien den Energiefluss.
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3 zeigt
beispielhaft den Tagesverlauf der Ausgangsleistung eines Photovoltaikgenerators
zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur optimierten Ausnutzung des Energieangebots des Photovoltaikgenerators.
Die schraffierten Flächen stellen die Differenzenergie
dar, die durch die Erfindung nutzbar wird. Die ausgefüllte
Fläche symbolisiert den Arbeitsbereich des Hauptantriebsmotors.
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Der
Frequenzumrichter (2) in 1 und 2 dient
zur Umwandlung der Eingangsgleichspannung in eine dreiphasige frequenz-
und spannungsvariable Ausgangswechselspannung zur Versorgung eines
Hauptantriebsmotors (4) und verfügt über
eine Steuereinheit (3). In der Steuereinheit (3) sind
nach der Erfindung alle notwendigen Funktionen zur Leistungsanpassung
an einen Photovoltaikgenerator (1) (also ein Maximum-Power-Point(MPP)-Algorithmus
und eine Regelung der Ausgangsspannung des Photovoltaikgenerators
(1)) und zur Steuerung und Regelung des kompletten Inselsystems
mit den für den Hauptantriebsmotor (4) benötigten
Antriebshilfseinrichtungen (8) hinterlegt.
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Der
Anschluss des Photovoltaikgenerators (1) erfolgt direkt
am Spannungszwischenkreis des Frequenzumrichters (2). Parallel
zum Frequenzumrichter (2) wird ein steuerbarer Gleichspannungswandler
(5) an den Ausgang des Photovoltaikgenerators (1)
angeschlossen. Dieser Gleichspannungswandler (5) stellt
nach der Erfindung eine einstellbare Gleichspannung für
einen Batterieladeregler (6a) zur Verfügung, sofern
der Laderegler (6b) nicht direkt an den Photovoltaikgenerator
angeschlossen werden und in seiner Leistungsaufnahme durch ein Steuersignal
der Steuereinheit (3) gesteuert werden kann, wie als besondere
Ausgestaltung in 2 dargestellt. An den Laderegler
(6a, b) ist eine wiederaufladbare Batterie (7)
angeschlossen, welche erfindungsgemäß die Energie
für die Antriebshilfseinrichtungen (8) und die
Zusatzgeräte (9) bereit stellt.
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Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Einstellung
der Leistungsaufnahme des Ladereglers (6b) oder der Ausgangsgleichspannung des
Gleichspannungswandlers (5) zur indirekten Steuerung der
Leistungsaufnahme des Ladereglers (6a) durch Vorgabe eines
Sollwertes aus der Steuereinheit (3) des Frequenzumrichters
(2) derart, dass der Energiefluss durch den Laderegler
(6a, b) in die wiederaufladbare Batterie (7) so
reguliert wird, dass die für den Hauptantriebsmotor (4)
nicht nutzbare Differenzenergie zur Ladung der Batterie (7)
genutzt wird.
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Diese
Betriebsart wird aktiviert, wenn bei geringer Sonneneinstrahlung
auf den Photovoltaikgenerator (1) dessen Ausgangsleistung
zu niedrig ist, um den Hauptantriebsmotor (4) direkt über
den Frequenzumrichter (2) betreiben zu können
oder die Sonneneinstrahlung so stark ist, dass die Ausgangsleistung
des Photovoltaikgenerators (1) die maximale Leistungsaufnahme
des Hauptantriebsmotors (4) übersteigt.
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Die
Regelung der Leistungsaufnahme des Ladereglers (6a, b)
erfolgt durch die Steuereinheit (3) in Abhängigkeit
der Spannung des Photovoltaikgenerators (1). Diese Spannung
wird der Steuereinheit (3) durch den Frequenzumrichter
(2) als interner Messwert der Zwischenkreisspannung zur
Verfügung gestellt. Der Sollwert wird über einen
Spannungsregler der Steuereinheit (3) so eingestellt, dass
der Photovoltaikgenerator im Punkt seiner maximalen Leistungsabgabe
(MPP) betrieben wird. In der Anordnung nach 1 wird über
diesen Sollwert die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers
(5) eingestellt. Über den Wert dieser Ausgangsspannung
wird der Laderegler (6a) in seiner Leistungsaufnahme beeinflusst.
Diese Leistungsaufnahme verhält sich proportional zur Ausgangsspannung
des Gleichspannungswandlers (5). Bei der Ausführung
nach 2 verfügt der Laderegler (6b) über
einen Steuerungseingang zur Einstellung seiner Leistungsaufnahme
und der Sollwert der Steuereinheit (3) wird diesem Eingang
zur Verfügung gestellt.
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Wenn
die Ausgangsleistung des Photovoltaikgenerators (1) geringer
als die erforderliche Minimalleistung für den Hauptantriebsmotor
ist, wird der Sollwert für den Gleichspannungswandler (5)
bzw. den Laderegler (6b) aktiviert und die in diesem Fall auftretende
Differenzenergie der Batterie (7) und den Zusatzgeräten
(9) zugeführt und der Hauptantriebsmotor (4)
nicht betrieben. Die Vorgabe des Sollwertes erfolgt wie vorangehend
beschrieben.
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Beim Überschreiten
der Minimalleistung für den Hauptantriebsmotor (4)
am Ausgang des Photovoltaikgenerators (1) erfolgt die Abschaltung
des Gleichspannungswandlers (5) bzw. des Ladereglers (6b)
durch Deaktivierung des Sollwertes und der Betrieb des Hauptantriebsmotors
wird gestartet. Die Antriebshilfseinrichtungen (8) und
Zusatzgeräte (9) werden dabei aus der Batterie
(7) versorgt. Die benötigte Minimalleistung für
den Betrieb des Hauptantriebsmotors (4) reduziert sich
gegenüber einer Anordnung nach dem Stand der Technik um
die erforderliche Leistung für die Antriebshilfseinrichtungen
(8) und die Zusatzgeräte (9).
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Übersteigt
das Leistungsangebot des Photovoltaikgenerators (1) die
maximale Leistungsaufnahme des Hauptantriebsmotors (4)
tritt ebenfalls Differenzenergie auf und der Sollwert für
den Gleichspannungswandler (5) bzw. den Laderegler (6b)
wird wieder aktiviert. Die Leistungsaufnahme des Ladereglers (6a,
b) wird derart gesteuert, dass die Differenzenergie der Batterie
(7) und den an diese angeschlossenen Antriebshilfseinrichtungen
(8) und Zusatzgeräten (9) zugeführt
wird.
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Die
in der Batterie (7) gespeicherte Differenzenergie dient
der Energieversorgung der Antriebshilfseinrichtungen (8)
während des Betriebs des Hauptantriebsmotors (4)
und der kontinuierlichen Energieversorgung der Zusatzgeräte
(9).
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Steuerung der benötigten Antriebshilfseinrichtungen
(8), z. B. Lüfter oder Pumpen von Wärmetauschern
in Kälteanlagen und weiterer Zusatzgeräte (9),
wie z. B. Lüfter, Ventile, Pumpen, Beleuchtung, durch die
Steuereinheit (3) des Frequenzumrichters (2).
Entsprechend der Erfindung ist die Steuereinheit (3) weiterhin
so ausgeführt, dass die Funktionen für den Betrieb
des Hauptantriebsmotors (4) und für das Energiemanagement
integriert sind.
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Zusatzgeräte
(9), deren Funktion auch in Zeiträumen ohne Sonneneinstrahlung
auf den Photovoltaikgenerator (1) abgesichert sein muss,
sind an separate Steuereinheiten (10) angeschlossen.
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Unter
Nutzung des internen Eingangsgleichrichters des Frequenzumrichters
(2) können weitere Energiequellen (11)
zur ergänzenden Energieversorgung des Inselsystems angeschlossen
werden.
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Vorteile
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Der
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass der Arbeitsbereich des
Hauptantriebsmotors (4) bezüglich der minimalen
Ausgangsleistung des Photovoltaikgenerators (1) dadurch
erweitert wird, dass die Antriebshilfseinrichtungen (8)
und die Zusatzgeräte (9) nicht gleichzeitig mit
dem Hauptantriebsmotor (4) aus dem Photovoltaikgenerator
(1) versorgt werden müssen, sondern deren Energieversorgung
aus einer Batterie (7) mit der dort gespeicherten Differenzenergie
erfolgt und dadurch der Hauptantriebsmotor (4) bereits
bei geringeren Ausgangsleistungen des Photovoltaikgenerators (1)
betrieben werden kann.
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Vorteilhaft
ist die erfindungsgemäße maximierte Ausnutzung
der Energie am Ausgang eines Photovoltaikgenerators (1)
durch Nutzbarmachung der Differenzenergie in Inselsystemen mit direkt
an den Photovoltaikgenerator (1) angeschlossenen Hauptantriebsmotoren
(4).
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Integration der Hauptsteuerungsfunktionalität komplexer
Inselversorgungssysteme in die Steuereinheit (3) eines
Frequenzumrichters (2).
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Die
Erfindung ermöglicht weiterhin die Nutzung von, in einem
sehr großen Leistungsspektrum weltweit verfügbaren,
industriellen Standardfrequenzumrichtern zum Betrieb von Antriebsmotoren,
z. B. in Kälteanlagen oder Pumpensystemen direkt aus Photovoltaikgeneratoren
und damit die Nutzung der optimierten Antriebstechnologie dieser
Frequenzumrichter für den Aufbau autarker Inselsysteme
und den Kostenvorteil, der sich aus der Serienproduktion dieser
Frequenzumrichter ergibt.
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- 1
- Photovoltaikgenerator
- 2
- Frequenzumrichter
- 3
- Steuereinheit
- 4
- Hauptantriebsmotor
- 5
- steuerbarer
Gleichspannungswandler
- 6a
- Laderegler
- 6b
- steuerbarer
Laderegler
- 7
- Batterie
- 8
- Antriebshilfseinrichtungen
- 9
- Zusatzgeräte
- 10
- Steuereinheiten
für (9)
- 11
- weitere
Energiequellen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10010961
A1 [0006]
- - DE 10018943 A1 [0007]
- - DE 10136147 B4 [0007]