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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur intelligenten antriebsbasierten Netzleistungsregulierung durch kinetische Energiespeicherung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
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Bei der Energieversorgung von elektrischen Maschinen tritt oftmals ein Problem auf, wenn diese Maschinen eine ungleichmäßige Belastung erfahren. In einem solchen Fall wird ein Energieversorgungsnetz, das die betreffende(n) elektrischer Maschine(n) mit elektrischer Energie versorgt, ebenfalls ungleichmäßig belastet, so dass in diesem Versorgungsnetz ohne entsprechende Kompensationsmaßnahmen Schwankungen, beispielsweise in Form von Spannungsschwankungen auftreten können. Dies wirkt sich jedoch sehr nachteilhaft auf weitere elektrischer Anlagen aus, die ebenfalls am betroffenen Versorgungsnetz angeschlossen sind.
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In der
DE 10 1986 033 562 B3 ist ein Ansatz beschrieben, der zur sicheren Abschaltung von einer elektrischen Maschine verwendet werden kann, wenn ein Versorgungsnetz ausfällt oder der zur Entlastung eines Versorgungsnetzes gegen hohe Schwankungen bei der ungleichmäßigen Leistungsentnahme der elektrischen Maschine verwendet werden kann. Hierbei wird ein so genanntes „Kinetic Buffering” eingesetzt, das eine Nutzung von kinetisch gespeicherter Energie bei einem Netzausfall oder zur Pufferung bei Leistungsschwankungen der elektrischen Maschine einsetzt, um eine koordinierte Reaktion durchführen zu können. Für schnell arbeitende Anlagen oder Maschinen sollte jedoch eine genaue Kenntnis vorliegen, welche Leistung für diese Maschinen benötigt wird, so dass beispielsweise bei einem Anfahren der elektrischen Maschine rechtzeitig ausreichen elektrische Leistung zur Verfügung steht. Auch kann auch bei einem Netzausfall oder bei Netzschwankungen oftmals keine entsprechend schnelle Wirkung einer Pufferung im dynamischen Betrieb erreicht werden, d. h. es erfolgt lediglich ein zu langsames Bremsen und Beschleunigen der Schwungmasse, um einen Leistungsbedarf der elektrischen Maschine samt den zugehörigen Steuereinheiten adäquat ausgleichen zu können. Dabei erfolgt durch das zu langsame Abbremsen der Schwungmasse eine zu geringe Leistungsübertragung auf Achsen (Antriebe) des Systems bei vorhandenem Netz, so dass für einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine (des elektrischen Antriebs) aufgetretenen Netzschwankungen nicht ausreichend zuverlässig ausgeglichen werden können. Dies führt trotz des Einsatzes des kinetischen Energiespeichers noch zu teilweise starke Netzrückwirkungen bei hohen Leistungsbedarfsspitzen der elektrischen Antriebe oder zu unerwünschten Schwankungen bei an das Energieversorgungsnetz angeschlossenen Motoren.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur intelligenten Netzleistungsregulierung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kinetische Energiespeicherung, wobei die Vorrichtung zur Versorgung mindestens eines elektrischen Antriebs mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:
- – einen Schwungrad-Energiespeicher mit einem Elektromotor;
- – einen Gleichspannungs-Zwischenkreis, der über eine erste Schnittstelle mit dem Schwungrad-Energiespeicher elektrisch koppelbar oder gekoppelt ist und über eine zweite Schnittstelle mit dem Antrieb und dem Energieversorgungsnetz elektrisch koppelbar ist; und
- – einen Prozessor, wobei der Prozessor ausgebildet ist, um zumindest ein Signal über eine Information zu einer benötigten Leistung für den zumindest einen Antrieb über eine Kommunikationsverbindung von dem Antrieb selbst oder einer Steuereinheit für den Antrieb zu erhalten und wobei der Prozessor ferner ausgebildet ist, um ansprechend auf die erhaltene Information eine Drehzahl des Schwungrad-Energiespeichers zu beeinflussen. Der Prozessor ist von einer übergeordneten Maschinensteuerung oder Steuerung der Vorrichtung unabhängig. Der Prozessor könnte in einem Antriebsregler integriert sein.
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Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kinetische Energiespeicherung, wobei das Verfahren eine Vorrichtung zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kinetische Energiespeicherung verwendet, die zur Versorgung mindestens eines elektrischen Antriebs mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung einen Schwungrad-Energiespeicher mit einem Elektromotor und einen Gleichspannungs-Zwischenkreis umfasst, der über eine erste Schnittstelle mit dem Schwungrad-Energiespeicher elektrisch koppelbar oder gekoppelt ist und über eine zweite Schnittstelle mit dem Antrieb und dem Energieversorgungsnetz elektrisch koppelbar ist, wobei die Vorrichtung ferner einen Prozessor aufweist, der von einer Steuereinheit für den Antrieb unabhängig ist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
- – Einlesen eines Signals über eine Information zu einer benötigten Leistung für den zumindest einen Antrieb über eine Kommunikationsverbindung von dem Antrieb selbst oder der Steuereinheit für den Antrieb in den Prozessor; und
- – Regeln der Drehzahl des Schwungrad-Energiespeichers ansprechend auf das eingelesene Signal.
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Auch schafft die vorliegende Erfindung einen Prozessor, der ausgebildet ist, um die Schritte des vorstehend beschriebenen Verfahrens auszuführen oder umzusetzen. Der Prozessor kann dafür Einheiten aufweisen, die ausgebildet sind, um die einzelnen Schritte des Verfahrens auszuführen.
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Unter einem Prozessor oder Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuersignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs oder eines FPGAs sein, der verschiedenste Funktionen des Prozessors beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
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Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird. Insbesondere kann das Computerprogrammprodukt auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein.
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Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine verbesserte Reaktionsfähigkeit der Vorrichtung zur intelligenten Netzleistungsregulierung auf Netzschwankungen oder einen Netzausfall dadurch erreicht werden kann, dass nunmehr eine Regelung der Energieübertragung vom oder in den kinetischen Energiespeicher (Schwungradspeicher mit Elektromotor) auf der Basis von Signalen über eine am Antrieb erforderliche Leistung erfolgt. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass über die vom Prozessor eingelesene Information über die an den Antriebsmotoren benötigte Leistung auch rechtzeitig eine ausreichende elektrische Leistung durch den Gleichspannungs-Zwischenkreis geliefert werden kann. Werden nämlich ein Antriebsmotor oder mehrere Antriebsmotoren zu einem bestimmten Zeitpunkt derart angesteuert, dass diese eine hohe Energiemenge aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis entnehmen, kann durch die beschriebene Vorgehensweise sichergestellt werden, dass durch eine frühzeitige Regelung der Drehzahl des mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis verbundenen Schwungrad-Energiespeichers ausreichend Energie in diesem Gleichspannungs-Zwischenkreis vorhanden ist, so dass die angesteuerte Funktion von den Antrieben sicher und fehlerfrei ausgeführt werden kann. Dies bedeutet, dass durch die Übertragung des Signals über die Information über die vom Antrieb benötigte Leistung eine rechtzeitige Vorbereitung der Energieübertragung vom kinetischen Energiespeicher an den Zwischenkreis (oder umgekehrt) erfolgt.
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Würde dagegen, wie im Stand der Technik, die Steuerung der Energieübertragung von der Schwungmasse in den Gleichspannungs-Zwischenkreis durch einen gemessenen Wert der Gleichspannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis oder die Drehzahl der Schwungmasse geregelt, müsse erst die Spannung im Zwischenkreis abfallen oder die Drehzahl der Schwungmasse von einer Soll-Drehzahl abweichen, bevor eine Regelung der Energieübertragung von der Zwischenkreis-Schaltung in den kinetischen Energiespeicher oder von dem kinetischen Energiespeicher in die Zwischenkreis Schaltung erfolgen kann. Diese Vorgehensweise kann jedoch für einige Anwendungen bereits zu langsam sein, um eine ausreichende Stabilität der Spannung im Zwischenkreis sicherzustellen, die für die erforderliche Fertigungsqualität von an den Zwischenkreis angeschlossenen Antrieben oder die korrekte Funktion der Steuereinheiten notwendig ist. Wird der für den zuverlässigen und fehlerfreien Betrieb des oder der Antriebe erforderliche Leistungsbedarf dagegen rechtzeitig durch den Schwungrad-Energiespeicher zur Verfügung gestellt, kann auch eine gravierende Rückwirkung auf das Energieversorgungsnetz bei ungleichmäßiger Belastung des oder der Antriebe vermieden werden.
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Fällt die Energiezufuhr aus dem Versorgungsnetz komplett aus und/oder brauchen der oder die Antriebe keine oder lediglich eine sehr geringen Leistung, ist es auch nicht zwingend erforderlich, die komplette Energie, die im kinetischen Energiespeicher gespeichert ist, an die Zwischenkreis-Schaltung zu übertragen. In diesem Fall ermöglicht daher das Signal betreffend der am Antrieb benötigten Leistung eine schnelle Berechnung im Prozessor, welche Drehzahl der Schwungmasse tatsächlich ausreichend ist, um die gewünschte Funktionalität des Antriebs korrekt zu ermöglichen. Wird dagegen wenig oder keine Energie von den Antrieben benötigt (was ebenfalls aus Signal über die benötigte Leistung vom Antrieb erkennbar ist) und wird dennoch vom Versorgungsnetz eine ausreichende Energiezufuhr sichergestellt, kann der kinetische Energiespeicher über die erste Schnittstelle und den Gleichspannungs-Zwischenkreis wieder aufgeladen werden. Dies erfolgt, indem die Schwungmasse des kinetischen Energiespeichers, beispielsweise durch einen (auch als Generator verwendbaren) Elektromotor beschleunigt wird. Bei der Abgabe von kinetischer Energie wird die Drehung der Schwungmasse durch die Generatorwirkung des Elektromotors abgebremst, so dass die hierdurch gewandelte Energie in den Gleichspannungs-Zwischenkreis rückgespeist werden kann.
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Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass nun eine sehr schnelle und flexible Energieversorgung der Antriebe möglich ist, unabhängig davon, wie der Zustand des Versorgungsnetzes oder die aktuelle Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis ausfüllt. Es wird dabei insbesondere diejenige Energie bzw. Differenzenergie aus dem kinetischen Energiespeicher an den Zwischenkreis übertragen, die von dem oder den Antrieben benötigt wird und die wegen einer Vermeidung von hohen Netzschwankungen nicht aus dem Versorgungsnetz entnommen werden soll. Die Antriebe können ihre Funktion sicher erfüllen. Zugleich können Netzrückwirkungen eines ungleichmäßigen Belastungsverhaltenes der Antriebe auf das Versorgungsnetz auf eine weitere Weise verringert werden, da überschüssige Energie von dem Zwischenkreis über einen Elektromotor in den kinetischen Energiespeicher geleitet werden kann und von dort zum Ausgleich von Leistungsspitzen der Antriebe oder Netzschwankungen verwendet werden kann. Auch dies trägt zur Reduktion der Netzbelastung bei, da zu starke Rückspeisungen von elektrischer Leistung in das Versorgungsnetz verhindert werden können.
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Günstig ist es, wenn im Prozessor ein Modell für eine durch den Antrieb anzutreibende Masse oder Kinematik und/oder durch den Antrieb aufzubringende Prozesskräfte bekannt ist, wobei das Signal über die Information zu einer benötigten Leistung für den Antrieb einen Lage- und/oder Drehzahlsollwert eines Motors des Antriebs repräsentiert und der Prozessor ausgebildet ist, um in Abhängigkeit des repräsentierten Lagesollwertes oder Drehzahlsollwertes, der bekannten Masse oder Kinematik und/oder Prozesskräfte den Leistungsbedarf des Antriebs zu bestimmen und ansprechend auf den bestimmten Leistungsbedarf den Schwungrad-Energiespeicher anzusteuern. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch die Verwendung des im Prozessor gespeicherten Modells eine präzise Berechnung möglich ist, auf welche Drehzahl die Schwungmasse des kinetischen Energiespeichers gebracht werden soll, damit in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis rechtzeitig ausreichend Energie zum fehlerfreien Betrieb der Antriebsmotoren zur Verfügung steht.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Prozessor ein Modell für eine durch den Antrieb anzutreibende Masse und/oder durch den Antrieb aufzubringende Prozesskräfte bekannt sein. Dabei kann das Signal über die Information zu einer benötigten Leistung für den Antrieb einen Lagesollwertes und/oder Drehzahlsollwert eines Motors des Antriebs repräsentieren. Der Prozessor kann ferner ausgebildet sein, um in Abhängigkeit des Lagesollwertes oder Drehzahlsollwertes, der bekannten Masse und/oder Prozesskräfte den Leistungsbedarf des Antriebs zu bestimmen und bei leitachsgeführten Prozessen unter Verwendung eines Leitachswinkels einer Leitachse einen von dem Antrieb wiederholt auszuführenden Prozess einzulernen und im laufenden Betrieb mitzuführen. Der Prozessor kann dabei ferner ausgebildet sein, um den Schwungrad-Energiespeicher entsprechend für diesen Prozess über den Leitachswinkel gelernten Leistungsbedarfs anzusteuern, wobei der Zugriff auf den Leistungsbedarf über den Leitwinkel in Abhängigkeit des Leitachssollwinkels mit einem Winkeloffset und somit zeitlich vorauseilend geschehen kann. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass bei zyklisch wiederholten Prozessen des Antriebs(-motors) dieser Arbeitszyklus vom Prozessor eingelernt werden kann. In diesem Fall kann der Leistungsbedarf des Antriebs prädiktiv voraus bestimmt werden. Diese Vorausbestimmung kann insbesondere durch die Erfassung einer Position bzw. eines Winkels einer Leitachse des Antriebs erfolgen, die einen Rückschluss auf den Fortschritt in einem eingelernten Arbeitszyklus ermöglicht. In Abhängigkeit von diesem Leitachswinkel lässt sich dann durch den Prozessor der Drehzahlsollwert für die Schwungmasse des kinetischen Energiespeichers bestimmen, um rechtzeitig eine ausreichende elektrische Energie im Gleichspannungs-Zwischenkreis bereitstellen zu können. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Leistungsbedarfe für den oder die Antriebe während eines Arbeitszyklus rechtzeitig ermitteln und bereitstellen.
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Ferner kann auch das Signal über die Information zu einer benötigten Leistung für den Antrieb eine Leistung eines Motors des Antriebs repräsentieren, wobei der Prozessor dann ausgebildet sein kann, um eine Drehzahl des Schwungrad-Energiespeichers auf der Basis des durch das Signal repräsentierten Leistungsbedarfs zu steuern. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass in dem Prozessor keine Umrechnung der Information zu einer benötigten Leistung in dem Antrieb erforderlich ist, sondern dass die von Prozessor eingelesene Information direkt zur Regelung bzw. Steuerung der Drehzahl des Schwung Rad-Energiespeichers eingesetzt werden kann. Dies beschleunigt vorteilhaft eine Regelung bzw. Steuerung der Drehzahl des Schwungrad-Energiespeichers, da keine manchmal rechenintensive Modell-basierte Bestimmung des Leistungsbedarfs erfolgen muss.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Prozessor ausgebildet sein, um bei leitachsgeführten Prozessen unter Verwendung eines Leitachswinkels einer Leitachse einen von dem Antrieb wiederholt auszuführenden Prozess einzulernen und im laufenden Betrieb mitzuführen. Der Prozessor kann dabei ferner ausgebildet sein, um den Schwungrad-Energiespeicher auf der Basis des über den Leitachswinkel gelernten Leistungsbedarfs anzusteuern, wobei der Zugriff auf den Leistungsbedarf über den Leitwinkel in Abhängigkeit des Leitachssollwinkels mit einem Winkeloffset und somit zeitlich vorauseilend geschehen kann. Eine derartige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass nun ein zyklischer Leistungsbedarf für einen Arbeitszyklus des Antriebs eingelernt werden kann. Der Fortschritt bei der Ausführung eines solchen Arbeitszyklus kann an Hand einer Position oder eines Winkels einer von dem Antrieb angetriebenen Leitachse erfasst werden. Ist nun sowohl der Arbeitszyklus des Antriebs als auch die aktuelle Position bzw. der aktuelle Winkel der Leitachse bekannt, kann durch eine sehr einfache Prädiktion der Leistungsbedarf des Antriebs für unmittelbar folgende Zeitpunkte bestimmt werden. Hierdurch lässt sich sehr einfach eine Regelung bzw. Steuerung des Drehzahlsollwertes der Schwungmasse des Schwungrad-Energiespeichers durch den Prozessor durchführen.
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Um eine möglichst präzise Steuerung der Drehzahl des Schwungrades bzw. der Schwungmasse des Schwungrad-Energiespeichers zu ermöglichen, kann die aktuelle Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises vom Prozessor gemessen oder eingelesen werden und mit einem erwarteten Wert verglichen werden. Weicht die gemessene oder eingelesene Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis von dem erwarteten Wert ab, sollte die Drehzahl der Schwungmasse so korrigiert werden, dass die Spannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis wieder mit der erwarteten Spannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis übereinstimmt. Hierzu kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Prozessor ausgebildet sein, um den Wert der Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises zu messen oder einzulesen und um die Drehzahl des Schwungrad-Energiespeichers ansprechend auf den eingelesenen Wert der Spannung zu regeln.
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Um sehr schnell auf Schwankungen des Versorgungsnetzes reagieren zu können kann es vorteilhaft sein, wenn eine Einrichtung verwendet wird, die noch schneller als ein frühzeitig angesteuerter Schwungrad-Energiespeicher Energie liefern kann. Hierzu kann es sehr günstig sein, wenn ferner eine zu einer Standardkapazität des Gleichspannungs-Zwischenkreises zusätzliche Pufferkapazität vorgesehen ist, die über die erste Schnittstelle mit dem Gleichspannungs-Zwischenkreis elektrisch koppelbar oder gekoppelt ist, wobei die Pufferkapazität eine größere Fähigkeit zur Speicherung von Energie als die Standardkapazität und eine geringere Fähigkeit zur Speicherung von Energie aufweist als der Schwungrad-Energiespeicher. Durch die Verwendung einer solchen Pufferkapazität kann sehr schnell eine kurzfristige Überbrückungslieferung von benötigter Energie im Gleichspannungs-Zwischenkreis erreicht werden, wenn der Schwungrad-Energiespeicher keine ausreichend große Energiemenge in einem kurzen Zeitintervall zur Verfügung stellen kann.
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Die Vorteile der vorstehend näher beschriebenen Erfindung treten insbesondere dann hervor, wenn die Vorrichtung zur intelligenten Netzleistungsregulierung in einer Automatisierungstechnik-Vorrichtung, insbesondere einer Pressvorrichtung, Werkzeugmaschine, oder Fertigungsmaschine verbaut ist, da derartige Vorrichtungen, Maschinen oder Anlagen auf schwankende Leistungsbedarfe besonders schnell reagieren können sollten, um stärkere Netzrückwirkungen zu vermeiden.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1a–e Blockschaltbilder von Anwendungsszenarios von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung als Vorrichtung; und
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2 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
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Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweites Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal/den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal/den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal/Schritt oder nur das zweite Merkmal/Schritt aufweist.
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In diversen Branchen erfolgt in letzter Zeit eine Umstellung der Technik von Produktionsanlagen. Insbesondere werden dabei die Produktionsanlagen von hydraulischen Systemen auf elektrische oder kombinierte elektro-hydraulische Systeme umgestellt. Beispielsweise betrifft dies im Bereich der Umformtechnik Servopressen oder elektrische Stanzköpfe oder im Bereich der Kunststoffindustrie Spritzgießmaschinen. Bei den entsprechenden Produktionsanlagen werden anlagenbedingt hohe Kräfte und große mechanische Spitzenleistungen benötigt, so dass einerseits hohe Versorgungsleistungen (beispielsweise über Umrichter oder entsprechend ausgelegte Versorgungseinheiten) und andererseits große Antriebsregler und Ausgangsleistungen erforderlich sind.
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In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung wird dabei ein Konzept zur Energiepufferung vorgestellt, um die Energieeffizienz der betreffenden Maschine deutlich zu verbessern und somit die Wirtschaftlichkeit der Produktionsanlage wie beispielsweise einer Pressvorrichtung, einer Werkzeugmaschine oder einer Fertigungsmaschine zu steigern. Als Energiepuffer kommen dabei neben Spannungskondensatoren (als elektrische Energiespeicher zur Speicherung von elektrische Energie) insbesondere auch Schwungräder oder -massen (als Energiespeicher zur Speicherung von kinetischen Energie) zum Einsatz. Die Energiespeicherung wird dabei für mehrere Betriebsfälle verwendet. Ein erster Anwendungsfall zur Verwendung der gespeicherten Energie erfolgt bei einem Not-Stopp (das heißt ein Spannungsausfall eines Versorgungsnetzes), um noch eine ausreichende Zeitdauer zur synchronen und geregelten Stillsetzung der betroffenen Anlagen zu haben. Ein zweiter Anwendungsfall zur Verwendung der gespeicherten Energie betrifft hohe Leistungsspitzen, die zyklisch im Betrieb der Produktionsanlage auftreten und die ohne die Verwendung eines entsprechenden Energiepuffers zu einer hohen Belastung des speisenden Energieversorgungsnetzes führen würden. Jedoch sind elektrische Versorgungsnetze üblicherweise nicht zur Entnahme von stark schwankenden Leistungen ausgelegt, so dass eines Entnahme von zu hohen Leistungen zu starken Schwankungen, insbesondere Spannungsschwankungen führen würde.
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1a zeigt ein Blockschaltbild zu einer prinzipiellen Auslegung des hier vorgestellten Systemkonzepts zur intelligenten Netzleistungsregulierung unter Verwendung eines Schwungrad-Energiespeichers. Dabei wird von einer Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung ein Gleichspannungs-Zwischenkreis 110 mit elektrischer Leistung aus einem Energieversorgungsnetz 120 gespeist. Dies bedeutet, dass vom Versorgungsnetz 120 über eine Versorgungsnetz-Schnittstelle 130 eine elektrische Leistung in den Gleichspannungs-Zwischenkreis 110 eingespeist wird, wobei eine Wandlung der Wechselspannung aus dem Versorgungsnetz 120 in eine Gleichspannung UDC des Gleichspannungs-Zwischenkreises 110 erfolgt. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis 110, der nachfolgenden der Einfachheit halber auch synonym als Zwischenkreis bezeichnet wird, kann dabei mehrere Elemente umfassen. Der Zwischenkreis kann beispielsweise eine Schnittstelle zu einem Antrieb oder mehreren Antrieben 140 (wie in 1a dargestellt) aufweisen, die die Hauptachse oder einen Verbund von Achsen der Anlage bzw. einen entsprechenden Antriebsmotor dieser Hauptachse mit elektrischer Leistung aus dem Zwischenkreis 110 versorgt. Ein solcher Antrieb 140 kann beispielsweise einen Pressenkolben betätigen oder bei einer Fertigungsmaschine einen Stanz- oder Fräskopf bewegen oder antreiben.
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Gemäß dem in 1a dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung einen Schwungrad-Energiespeicher 150 mit einem Elektromotor 160 welcher das Konzept des „Kinetic Buffering” realisiert. Der Elektromotor 160 ist über eine erste Schnittstelle 170 mit dem Zwischenkreise 110 elektrisch verbunden. Der Zwischenkreis 110 ist über eine zweite Schnittstelle, die die Versorgungsnetzschrtittstelle 130 sein kann, mit dem Versorgungsnetz 120 verbunden. Hierdurch kann über die zweite Schnittstelle eine elektrische Verbindung zwischen dem Versorgungsnetz 120 und den Antrieben 140 hergestellt werden, so dass eine elektrische Leistung von dem Versorgungsnetz 120 zu den Antrieben 140 geführt wird, wobei eine Energiezwischenpufferung durch einen Stromfluss über die erste Schnittstelle 170 erfolgen kann. Ferner ist der Gleichspannungs-Zwischenkreis 110 noch über die erste Schnittstelle 170 mit einer optionalen Pufferkapazität 180 (oder einer Parallelschaltung von mehreren parallel geschalteten Pufferkapazitäten) verbunden, um eine schnelle Speicherung von elektrischer Energie zu ermöglichen, wenn innerhalb einer kurzen Zeitspanne eine elektrische Leistung gepuffert oder geliefert werden soll, die der Schwungrad-Speicher nicht aufnehmen oder abgeben kann. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 100 einen Prozessor 185, der beispielsweise die aktuelle Drehzahl des Schwungrad-Speichers 150 über eine Drehzahl des Elektromotors 160 einliest und ansprechend auf verschiedene nachfolgend noch näher beschriebene Regelparameter eine Soll-Drehzahl des Schwungrades 150 bestimmt und über eine Steuerung des Elektromotors 160 (d. h. einen Leistungsfluss über die erste Schnittstelle 170) die Solldrehzahl des Schwungrad-Speichers 150 regelt. Durch eine solche Regelung der Drehzahl der Schwungmasse 150 kann die Aufnahme oder Abgabe von Energie aus dem Schwungrad-Speicher geregelt werden.
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Auch kann die Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung in mehrere Einzelvorrichtungen aufgeteilt oder mit unterschiedlichen Signalen angesteuert werden, wie dies beispielsweise in den 1b bis 1e dargestellt ist. Hierbei ist in der 1b eine Darstellung wiedergegeben, bei der wie in der Anordnung aus 1a zwar die netzseitige Speisung mit der kinetischen Pufferung integriert ist, so dass in der Vorrichtung 100 sowohl die die Rückkopplungen auf das Versorgungsnetz als auch die Schwankungen in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis abpuffern kann, bei der jedoch gegenüber der Anordnung aus 1a die Signale über den erforderlichen Leistungsbedarf ausschließlich über die Leitung der Querkommunikation an den Prozessor 185 übermittelt wird. Das in 1c dargestellte Ausführungsbeispiel ist analog zu dem in 1b dargestellten Ausführungsbeispiel aufgebaut, wobei allerdings die Signale über die von den Antrieben 140 benötigte Leistung ausschließlich von der übergeordneten Steuereinheit 190 an den Prozessors 185 geliefert werden.
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In dem in 1d dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung 100 zur Intelligenten Netzleistungsregulierung auf zwei separate Einheiten aufgeteilt, nämlich einer ersten Einheit 199, die mittels Versorgungsnetz-Schnittstelle 130 den Zwischenkreis mit dem Versorgungsnetz verbindet die Rückwirkungen der ungleichmäßigen Belastung der Antriebe 140 auf das Versorgungsnetz 120 kompensiert. Eine andere Teileinheit der Vorrichtung 100 umfasst den Prozessor 185 sowie die Einheiten zur kinetischen und/oder kapazitiven Energiespeicherung, die ebenfalls am Zwischenkreis 110 angeschlossen sind. Ferner empfängt der Prozessor 185 in dem in 1d dargestellten Ausführungsbeispiel die Signale über die von den Antrieben 140 benötigte Leistung oder eine Information hierüber direkt von der übergeordneten Steuereinheit 190. Die Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung kann auch gemäß der Darstellung aus 1e mit weiteren Komponenten zusammenwirken. Die Anordnung der Komponenten gemäß 1e entspricht dabei der Anordnung gemäß 1d, wobei der Prozessor 185 die Steuersignale nun direkt über die Leitung der Querkommunikation und nicht direkt von der übergeordneten Steuereinheit 190 empfängt. Auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1e sind die Komponenten der Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung wieder in zwei Teileinheiten untergliedert, wobei eine der Teileinheiten 199 mittels der Versorgungsschnittstelle 130 das Versorgungsnetz 120 mit dem Zwischenkreis 110 verbindet und die Unterdrückung oder Abschwächung von Rückwirkungen einer ungleichmäßigen Belastung der Antriebe auf das Netz bewirkt und die andere der Teileinheiten die Schwankungen im Zwischenkreis minimiert und hierfür eine kinetische oder kapazitive Energiespeicherung einsetzt.
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Wird nun eine Anlage bzw. der oder die Antriebe 140 der Anlage in Betrieb genommen, wird über die zweite Schnittstelle 130 der Zwischenkreis 110 mit elektrischer Energie vom Energieversorgungsnetz 120 versorgt und die daran angeschlossenen Antriebe werden (unter Verwendung von jeweils zugeordneten Wechselrichtern) mit Energie aus dem Zwischenkreis 110 gespeist, so dass sie Ihre gewünschte Funktion erfüllen können. Damit die entsprechenden Antriebe 140 ihre Funktionen korrekt erfüllen können, werden die Antriebe durch Steuersignale von einer übergeordneten Steuereinheit 190 gesteuert, wobei die Steuersignale über einen Signalbus 195 an die jeweiligen Antriebe 140 ausgesandt werden. Auch kann die Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung an diesen Signalbus 195 angeschlossen sein. Werden die Antriebe 140 nun während des Betriebs der Anlage ausgeschaltet oder eine Leistungsaufnahme produktionsbedingt unterbrochen bzw. reduziert, wirken diese Antriebe oftmals als Generator für sich noch in Bewegung befindende Elemente des Antriebs, so dass über die jeweils zugeordneten Wechselrichter eine elektrische Leistung in den Zwischenkreis 110 zurückgespeist wird. Diese zurückgespeiste Leistung kann nun entweder in das Energieversorgungsnetz 120 zurückgespeist werden, was aber insbesondere bei hohen Leistungsrückflüssen für erhebliche Schwankungen der Spannung im Energieversorgungsnetz 120 führen würde, die unterwünscht, um nicht zu sagen gefährlich für die Stabilität der Energieversorgung durch das Energieversorgungsnetz 120 sind.
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Um solche gefährlichen Störungen des Energieversorgungsnetzes zu vermeiden, ist die Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung mit dem vorstehend beschriebenen Schwundrad-Energiespeicher 150, 160 sowie optional mit der Pufferkapazität 180 ausgestattet. Wird nämlich ein hoher Leitungsrückfluss von den Antrieben 140 registriert, kann über den Prozessor 185 die erste Schnittstelle 170 und der der Elektromotor 160 derart angesteuert werden, dass die zurück zu speisende Leistung vom Zwischenkreis 110 statt ins Energieversorgungsnetz 120 durch eine Erhöhung der Drehzahl der Schwungmasse als kinetische Energie in den Schwungrad-Speicher 150 fließt. Nachdem der Schwungrad-Speicher jedoch oftmals nicht ausreichend schnell ist, um eine hohe Spitze von zurück zu speisender Leistung aufzunehmen, ist der Prozessor 185 über eine direkte Querverbindung 198 (die vom Signalbus 195 unabhängig sein kann) mit dem oder den Antrieb(en) 140 verbunden. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Prozessor über den Signalbus 195 mit der übergeordneten Steuereinheit 190 verbunden sein. Zumindest sollte der Prozessor 185 von dem Antrieb 140 selbst oder von einer übergeordneten Steuereinheit 190 des Antriebs 140 ein Signal mit einer Information über den Leistungsbedarf des Antriebs 140 oder mehrerer bzw. aller am Zwischenkreis 110 angeschlossenen Antriebe 140 erhalten, damit er aus den erhaltenen Daten ermitteln kann, ob eine Zwischenpufferung der zurück zu speisenden Leistung erforderlich ist, um anderenfalls auftretende gefährliche Schwankungen in dem Energieversorgungsnetz zu vermeiden.
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Ist bereits kinetische Energie in dem Schwungrad-Speicher 150 gespeichert, kann auch durch den Prozessor 185 eine Ansteuerung einer Unterstützung bei einer Leistungsversorgung eines oder mehrere Antriebe 140 erfolgen, wenn diese einen erhöhten Leistungsbedarf haben, d. h. wenn also eine Leistungsbedarfsspitze in den Antrieben auftritt. Hierzu kann das entsprechende Signal mit einer Information über den Leistungsbedarf des Antriebs 140 über die direkte Querverbindung 198 oder den Signalbus 195 der übergeordneten Steuereinheit 190 vom Prozessor 185 empfangen bzw. eingelesen werden. Ansprechend auf dieses Signal kann der Prozessor eine rechtzeitige Einleitung der Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie mittels des Elektromotors 160 durchführen, so dass hierdurch rechtzeitig ausreichend elektrische Energie im Zwischenkreis 110 zur Verfügung steht, damit der Antrieb seinen angesteuerten Arbeitsschritt korrekt ausführen kann. Insbesondere kann dabei das Signal über die Information über die vom Antrieb benötigte Leistung entweder eine Information über die erforderliche Leistung selbst (beispielsweise in einer Angabe der Kilowatt-Zahl, die vom Antrieb benötigt wird), oder in einer Information über die Lage- oder Drehzahl-Sollwerte des Antriebs enthalten. Aus dieser Information kann dann im Prozessor 185 die Information über die vom Antrieb 140 (oder den am Zwischenkreis 110 angeschlossenen Antrieben) benötigte Leistung errechnet werden. Unter einem Lage-Sollwert ist dabei eine Information zu verstehen, die eine Phasenlage der Welle des Antriebs 140 bezeichnet, so dass für die Prozessor 185 erkennbar ist, in welchem Stadium eines Arbeitszyklus sich die Antrieb oder die Welle des Antriebs befindet.
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Eine vom Antrieb 140 oder den Antrieben 140 benötigte Leistung kann hierbei aus dem Lage- und/oder Drehzahl-Sollwert bestimmt werden, die dem Prozessor 185 über das Signal mit der Information zu dem vom Antrieb erforderlichen Leistungsbedarf mitgeteilt werden. Hierzu kann in dem Prozessor 185 ein Modell hinterlegt sein, das einen Zusammenhang zwischen einer von dem Antrieb anzutreibenden Mechanik (beispielsweise ein Gewicht eines Pressenkolbens) und einem hierfür erforderlichen Leistungsbedarf des Antriebs 140 repräsentiert, wenn der Antrieb 140 die betreffende Mechanik gemäß dem Steuersignal von der übergeordneten Steuereinheit 190 antreiben soll. Wird vom Prozessor 185 aus dem erhaltenen Signal der benötigte Leistungsbedarf für den oder die am Zwischenkreis 110 angeschlossenen Antriebe 140 bestimmt, kann eine rechtzeitige Aktivierung bzw. Ansteuerung des Elektromotors 160 erfolgen, um durch ein Einspeisen von gewandelter Energie aus dem Schwungrad-Speicher 150 Spannungsschwankungen (die Leistungsschwankungen entsprechen) in dem Zwischenkreis 110 entgegenzuwirken. Hierdurch wird verhindert, dass es zu einer übermäßigen Entnahme von elektrischer Leistung aus dem Energieversorgungsnetz 120 kommt, die wiederum zu unerwünschten Schwankungen in dem Versorgungsnetz 120 führen würde.
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Zusätzlich oder alternativ kann auch eine prädiktive Ansteuerung des Elektromotors bzw. des Schwungrad-Energiespeichers durch den Prozessor 185 vorgesehen sein. In diesem Fall wird durch eine längerfristige Beobachtung der Steuersignale für einen Antrieb 140 ein Arbeitszyklus dieses Antriebs 140 erkannt. Beispielsweise kann ein solcher Arbeitszyklus bei dem Betrieb eines Pressenkolbens darin bestehen, dass durch den Antrieb 140 zuerst Leistung abgegeben wird, wenn der Kolben, bedingt durch sein Eigengewicht, nach unten gleitet. Nachfolgend wird vom Antrieb 140 Leistung aus dem Zwischenkreis 110 benötigt, um den Presskolben in ein zu formendes Material zu drücken und wieder auf die ursprüngliche Höhe anzuheben. Das Abbremsen der Aufwärtsbewegung des Kolbens kann wieder zur einer Abgabe von Leistung durch den Antrieb 140 führen. Dieser Arbeitszyklus wird bei einer Pressanlage wiederholt auftreten, so dass durch die längerfristige Überwachung der Steuersignale von der übergeordneten Steuereinheit 190 mehrere solche Arbeitszyklen erkannt werden können. Dies ermöglicht auch die Erkennung des Leistungsbedarfs während eines solchen Arbeitszyklus durch den Prozessor 185. Im weiteren Betrieb der Produktionsanlage kann somit mittels einer Beobachtung des von dem Antrieb 140 über die Querverbindung oder von der übergeordneten Steuereinheit 190 erhaltenen Signals durch den Prozessor 185 sehr früh erkannt werden, welcher Leistungsbedarf der Antrieb 140 in einer Zeit kurz nach dem aktuellen Beobachtungszeitpunkt benötigt. Dies ermöglicht eine weitere Verbesserung der möglichst frühzeitigen Ansteuerung des Elektromotors 160, um rechtzeitig ausreichend kinetische Energie in elektrische Energie zu wandeln, damit keine Schwankungen im Zwischenkreis 110 (und folglich auch im Energieversorgungsnetz 120) zu befürchten sind Insbesondere sind für eine solche prädiktive Auslegung der Vorrichtung 100 die Lage- und/oder Drehzahlsollwerte für. den Prozessor 185 von erhöhter Bedeutung, da durch diese Werte sehr präzise ein aktueller Stand des Antriebs im Arbeitszyklus signalisiert werden kann.
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Für den Fall dass bereits die Information über die benötigte Leistung des Antriebs in dem vom Prozessor 185 erhaltenen Signals direkt entnehmbar ist, kann der Prozessor 185 den Leistungsfluss über die erste Schnittstelle 170, also zwischen dem Elektromotor 160 bzw. dem Schwungrad-Speicher 150 und dem Zwischenkreis 110 sehr einfach und schnell durch die Verwendung dieser erhaltenen Information regeln.
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Zusätzlich oder alternativ kann jedoch auch eine prädiktive Lösung im Prozessor 185 implementiert sein, bei der durch die Beobachtung der einen Antrieb 140 betreffenden Signale ein Arbeitszyklus bzw. eine zyklische Leistungsaufnahme bzw. -abgabe des betreffenden Antriebs 140 erkannt wird. Ansprechend auf den erkannten Arbeitszyklus und eine Information, in welchem Stadium innerhalb eines Arbeitszyklus sich der betreffende Antrieb 140 aktuell befindet, kann dann der Prozessor 185 eine frühzeitige Ansteuerung des Elektromotors einleiten, um rechtzeitig ausreichend Energie in dem Zwischenkreis 110 vorhalten zu können. Somit kann auch bei einem Vorliegen einer direkten Information über die benötigte Leistung eines Antriebs 140, die nicht erst im Prozessor 185 errechnet werden braucht, eine schnelle und prädiktive Bereitstellung von elektrischer Energie in dem Zwischenkreis 110 erreicht werden. Diese Vorgehensweise entspricht der zuvor bereits beschriebenen prädiktiven Vorgehensweise, bei der ein Signal mit der Information über die am Antrieb benötigte Leistung an den Prozessor 185 übertragen wird, das beispielsweise in der Form einer Information über einen Lage- oder Drehzahl-Sollwertes für den betreffenden Antrieb 140 vorliegt.
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Um zu verifizieren, ob die durch den Prozessor eingeleiteten Maßnahmen korrekt sind, um Schwankungen im Zwischenkreis 110 (und somit auch im Energieversorgungsnetz 120) zu verhindern, kann der Prozessor 185 ausgebildet sein, um eine Spannung des Zwischenkreises 110 zu messen oder einzulesen. Wenn der Prozessor 185 dann, ansprechend auf ein Regelungssignal an die erste Schnittstelle und/oder den Elektromotor 160 feststellt, dass die Spannung in dem Zwischenkreis 110 sich nicht aus einem vordefinierten Toleranzbereich heraus bewegt, kann die zuvor eingeleitete Regelungsmaßnahme vom Prozessor 185 als wirkend betrachtet werden. Anderenfalls müsste eine weitere Regelungsmaßnahme ergriffen werden, um die Spannung im Zwischenkreis 110 zu stabilisieren. Dies kann beispielsweise in einer weiteren Reduktion der Drehzahl des Schwungrad-Speichers 150 bestehen, wenn weitere elektrische Energie in den Zwischenkreis 110 einzuspeisen ist (d. h. wenn die Spannung im Zwischenkreis unter eine Toleranzbereichsgrenze absinkt) oder in einer Erhöhung der Drehzahl des Schwungrad-Speichers 150 bestehen, wenn die Spannung im Zwischenkreis 110 zu stark steigt und daher eine Überführung von elektrischer Energie vom Zwischenkreis 110 in den Schwungrad-Speicher 150 erfolgen soll. Auf dieses Weise kann durch die Vorrichtung 100 eine zuverlässige Netzleistungsregulierung sichergestellt werden, um Netzrückwirkungen durch ungleichmäßige Belastungen der Antriebe 140 zu vermeiden. Für eine solche Verifikation ist jedoch eine direkte Querkommunikation 198 von anderen Antrieben 140 oder eine Kommunikation bzw. Signalaufnahme des Prozessors 185 über den Signalbus 195 nicht erforderlich, da die Spannung im Zwischenkreis 110 direkt am Zwischenkreis 110 bzw. am Wechselrichter für den Elektromotor 160 abgegriffen werden kann.
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Um eine möglichst schnelle Reaktionszeit für die Energiespeicherung zu realisieren, kann parallel zu dem Schwungrad-Speicher 150 noch eine Pufferkapazität 180 verwendet werden, die beispielsweise aus einem oder mehreren parallel geschalteten Gleichspannungs-Elektrolyt-Kondensatoren bestehen kann. Diese Pufferkapazität 180 sollte solche kapazitiven Elemente wie Kondensatoren enthalten, die für Spannungspegel der Spannungen des Zwischenkreises 110 von um die 750 V ausgelegt sind. Durch die Verengung der Pufferkapazität 180 kann eine deutlich schnellere Reaktion auf Leistungsschwankungen der Antriebe 140 erreicht werden, da die Pufferkapazität schneller als ein Schwungrad-Energiespeicher aktivierbar ist. Auch kann eine Regelung der Spannung im Zwischenkreis derart erfolgen, dass beispielsweise ein Spannungsbereich von 700 V bis 800 V bei einem Nominalwert der Spannung des Zwischenkreises 110 von 750 V zugelassen wird, da in diesem Fall die Pufferkapazität durch den breiteren Spannungsbereich eine verbesserte Wirkung aufweist.
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Weiterhin kann auch der Prozessor ausgebildet sein, um einen Stromfluss über die zweite Schnittstelle 130 zu begrenzen. Hierdurch lassen sich ebenfalls Rückwirkungen eines ungleichmäßigen Belastungsverhaltens auf das Energieversorgungsnetz 120 verhindern. Dies gilt, wenn die Versorgungseinheit und die Antriebseinheit für die Bufferachse ein Gerät sind. Für den anderen Fall, nämlich dass die Bufferachse unabhängig von der Versorgungseinheit ist, sollte in der Versorgungseinheit der Stromfluss begrenzt werden. Insbesondere kann vorteilhafterweise ein Stromfluss vom Energieversorgungsnetz 120 in den Zwischenkreis 110 begrenzt werden, so dass in diesem Fall nur ein Stromfluss zugelassen wird, der einem gemittelten Dauerstrom entspricht, den die Antriebe über die Arbeitszyklen gemittelt benötigen. Die durch die einzelnen Arbeitsschritte erforderliche variable Leistung, die die betreffenden Antriebe 140 benötigen, kann dann durch die Pufferung von Energie in der Pufferkapazität 180 und/oder in dem Schwungrad-Speicher 150 ausgeglichen werden. Zusätzlich oder alternativ kann jedoch durch den Prozessor 185 auch eine Begrenzung des Stromflusses von dem Zwischenkreis 110 in das Versorgungsnetz 120 bewirkt werden, wodurch eine zu starke Rückwirkung der ungleichmäßigen Belastung der Antriebe 140 auf das Versorgungsnetz 120 durch eine hohe Energieerzeugung in den Antrieben 140 verhindert werden kann. In diesem Fall sollte der Prozessor 185 ausgebildet sein, um rechtzeitig durch die Auswertung des erhaltenen Signals über die Information betreffend den Leistungsbedarf des Antriebs 140 den Elektromotor 160 und den Schwungrad-Speicher zu Energiespeicherung zu aktivieren und/oder eine Energiespeicherung in der Pufferkapazität 180 zu bewirken. Für den Fall, dass eine zu große Energiemenge zu speichern wäre, die von dem Schwungrad-Speicher 150 als auch von der Pufferkapazität 180 nicht mehr aufgenommen werden kann, kann ein in 1 nicht dargestellter Notbleeder verwendet werden, der elektrische Energie in Wärme umwandelt und hierdurch einen zu starken Anstieg der Spannung sowohl im Zwischenkreis 110 als auch im Versorgungsnetz 120 verhindern kann. Dieser Notbleeder kann beispielsweise ab einer bestimmten Spannung von beispielsweise 820 V im Zwischenkreis 110 eingeschaltet werden, um ein weiteres Ansteigen der Spannung im Zwischenkreis 110 zu verhindern.
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Die vorliegende Erfindung schafft weiterhin ein Verfahren 200 zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kinetische Energiespeicherung, wobei das Verfahren 200 eine Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kinetische Energiespeicherung verwendet, die zur Versorgung mindestens eineselektrischen Antriebs 140 mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz 120 ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung 100 einen Schwungrad-Energiespeicher 150 mit einem Elektromotor 160 und einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 110 umfasst, der über eine erste Schnittstelle 170 mit dem Schwungrad-Energiespeicher 160, 150 elektrisch koppelbar oder gekoppelt ist und über eine zweite Schnittstelle 130 mit dem Antrieb 140 und dem Energieversorgungsnetz 120 elektrisch koppelbar ist, wobei die Vorrichtung 100 ferner einen Prozessor 185 aufweist, der von einer Steuereinheit 190 für den Antrieb 140 unabhängig ist. Das Verfahren 200 weist einen Schritt des Einlesens 210 eines Signals über eine Information zu einer benötigten Leistung für den zumindest einen Antrieb 140 über eine Kommunikationsverbindung 198 von dem Antrieb 140 oder der Steuereinheit 190 für den Antrieb in den Prozessor auf. Ferner umfasst das Verfahren 200 einen Schritt des Regelns 220 der Drehzahl des Schwungrad-Energiespeichers 150 ansprechend auf das eingelesene Signal.
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Zusammenfassend ist anzumerken, dass die Vorrichtung zur intelligenten Netzleistungsregulierung besonders schnell und effizient reagieren kann, wenn sie ein Signal über eine Information über eine benötigte Leistung für den zumindest einen Antrieb (Antriebsmotor) über eine Querverbindung oder von der Steuereinheit für den Antrieb erhält. Hierdurch kann frühzeitig eine ausreichende Energiereserve im Zwischenkreis 110 bereitgestellt werden, die durch Wandlung von kinetischer Energie aus dem Schwungrad-Speicher in elektrische Energie resultiert. Zusätzlich kann eine kurzfristige Energielieferung durch eine Pufferkapazität möglich werden, da die Pufferkapazität zwar nicht die großen Energiemengen wie ein Schwungrad-Speicher liefern kann, jedoch eine Überbrückungsreserve schneller bereitstellen kann als der Schwungrad-Energiespeicher. Im diese frühzeitige Energiebereitstellung vornehmen zu können, können über das Signal unterschiedliche Größen (z. B. Lage- oder Drehzahlsollwerte, Leistungen) von dem elektrischen Antriebsmotoren oder der übergeordneten Steuereinheit an den Prozessor übertragen werden, um die Leistungsaufnahme aus dem Netz mit Hilfe des Schwungradspeichers zu regeln. Hierbei können zum einen die genannten Lage- oder Drehzahlsollwerte zumindest eines Antriebsmotor verwendet werden und mit Kenntnis von bekannten Massen und/oder Prozesskräften des/der Antriebsmotors/en im Prozessor weiterverarbeitet werden. Diese Weiterverarbeitung kann in einem ersten Fall modellbasiert erfolgen, derart, dass in Abhängigkeit der Sollwerte und Massen der Antriebsmotoren der Leistungsbedarf der Antriebsmotoren bestimmt wird und darauf basierend der Schwungradspeicher angesteuert wird. In einem zweiten Fall kann die Weiterverarbeitung modellbasiert und prädiktiv erfolgen, derart, dass in Abhängigkeit der eingelesenen Sollwerte und bekannten Massen der Antriebsmotoren der Leistungsbedarf der Antriebsmotoren im Prozessor bestimmt wird und bei leitachsgeführten Prozessen über den Leitwinkel eingelernt wird und dann in Abhängigkeit des tatsächlichen Leitachswinkels mit einer Verschiebung und damit prädiktiv der Schwungradspeicher angesteuert wird. Auch können, wie vorstehend beschrieben Informationen über den direkten Bedarf von Leistung im Prozessor verwendet werden. In diesem Fall kann der Prozessor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel nur auf den Leistungsbedarf des Antriebs hin geregelt werden (d. h. nicht prädiktiv geregelt werden) und gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel prädiktiv geregelt werden. Für den letzteren Fall werden beispielsweise leitachsgeführte Prozesse, d. h. zyklisch wiederkehrende Prozesse, erkannt und diese erkannten wiederkehrenden Prozesse prädiktiv verwendet, beispielsweise durch ein Verschieben des Drehzahlsollwertes des Schwungrad-Speichers bezogen auf die Leitachse. Hierdurch kann der Leistungsbedarf der Antriebsmotoren bezogen auf die Leitachse eingelernt werden und für zukünftige Arbeitszyklen prädiktiv weiterverwendet werden.
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Auch kann zur Verifikation der Regelungsmaßnahme durch den Prozessor die Spannung im Zwischenkreis erfasst werden und mit einer nach Durchführung einer Regelungsmaßnahme erwarteten Spannung verglichen werden. Durch eine solche Ausführungsform der Erfindung kann die Wirksamkeit der Regelungsmaßnahme durch den Prozessor überprüft werden. In diesem Fall ist jedoch keine Querkommunikation erforderlich, da die Zwischenkreisspannung direkt in der Wechselrichtereinheit für den Schwungradspeicher gemessen wird.
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Insbesondere von Vorteil ist der hier vorgestellte Ansatz dadurch, dass er sich als dezentrale Lösung im Antrieb und damit ohne Mitwirkung der übergeordneten Steuereinheit im Antriebssubsystem ausgestalten lässt. Dies ist eine deutliche Unterscheidung zur Lösung gemäß dem Stand der Technik gegeben, da diese nur Ansätze vorschlägt, bei dem die Regelung anhängig von einer übergeordneten Steuerung ist. Besonders vorteilhaft ist eine innovative Systemprojektierung durch einen Pufferbetrieb und damit Reduzierung der Versorgungsleistung der Antriebe aus einem Energieversorgungsnetz (bezogen auf eine Dauer- und Spitzenleistung), da gemäß dem hier vorgestellten Ansatz nur die Systemverluste zugeführt werden müssen.
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Ein besonderes Augenmerk wird bei dem hier vorgestellten Ansatz auf eine prädiktive Leistungsbilanz-Optimierung durch ein adaptives Leistungsmodell gelegt. Dieser Ansatz bietet den Vorteil, dass man den kinetischen Speicher auch für dynamische Prozesse nutzen kann (beispielsweise in Analogie einem VW-Käfer, bei dem der Fahrer ein bevorstehende Bergfahrt schon frühzeitig erkennt und dann rechtzeitig beschleunigen kann, um die Steigung schnell mit einer konstanten Motordrehzahl zu durchfahren). Bei einer solchen prädiktiven Lösung wird auf dem Sollwertprofil für Leistungsdaten basierend (wie beispielsweise einen Lage- oder Drehzahl-Sollwert) mit Berücksichtigung der Mechanikdaten (z. B. Massen, Kinematik) des Antriebs ein mechanisches Modell gerechnet, um den Leistungsbedarf im Antrieb Online prädiktiv zu berechnen. Dabei ist je nach Applikation gegebenenfalls auch noch die Prozessleitung zu berücksichtigen.
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Folgende Ausführungsvarianten sind für Systeme mit kinetischem Energiespeicher besonders relevant:
Insbesondere kann, wie vorstehend detailliert beschrieben, die Umsetzung in der intelligenten Bufferachse dezentral in der Vorrichtung zur intelligenten Netzleistungsregulierung erfolgen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die direkte Querkommunikation 200 (d. h. CC-Verbindung zwischen den Achsen).
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Ein anderer Ansatz basiert darauf, dass in jeder einzelnen Achse (d. h. jedem einzelnen Antrieb 140) der Leistungsbedarf (elektrische und mechanische Leistung) Online im Antrieb ermittelt und angezeigt wird und in Parameter über ein Signal betreffend den Leistungsbedarf dieses Antriebs über die direkte Querkommunikation (CC-Verbindung) an den zentralen Bufferantrieb gemeldet, der daraus den Drehzahlsollwert für den Bufferantrieb ableitet. Dies kann entweder in allgemeiner Form erfolgen, bei der die Funktion damit nicht prädiktiv ist, da man auf den Leistungsbedarf nur reagiert. In einer anderen Form können zyklisch leitachsengeführte Prozesse auf Basis der verfügbaren Leitachsinformationen in der Bufferachse 160 auch eine Prädiktion (das heißt Verschiebung des Drehzahlsollwertes bezogen auf die Leitachse) ausgeführt werden, die dann zur frühzeitigen Bereitstellung einer Energiereserve verwendet werden können.
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Ein anderer Ansatz, der keine direkte Querkommunikation erfordert und damit universell nutzbar ist, kann darin bestehen, dass eine Lösung implementiert wird, bei der die DC-Spannung im Zwischenkreis erfasst und geregelt wird. Hierbei kann eine erste Variante berücksichtigt werden, bei der eine Kombination mit einem intelligenten Versorger vorgesehen ist, bei dem der Netzstrom geregelt und begrenzt wird. Bei dieser Variante kann der vorgeschlagene Ansatz sowohl für den Netzausfall als auch für den dynamischen Betrieb, d. h. zur Reduzierung der Leistungsspitzen auf der Netzseite, verwendet werden. Als Vorteil einer solchen Variante ließe sich anführen, dass der kinetische Buffer also immer in Kombination bzw. überlagert zu optionalen den DC Kondensatoren als Pufferkapazität wirkt. Gemäß einer anderen Variante dieses Ansatzes kann eine Kombination aus einem Standardversorger (HMV-E) oder Umrichter (HCS) erfolgen, bei dem der Netzstrom nicht geregelt und begrenzt wird. In diesem Fall kann man bei dieser Kombination die Lösung nur für den Netzausfall als Energiespeicher nutzen.
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Bei den Ansätzen, wie sie zuvor beschrieben wurden, kann auch der Netzausfall durch die Verwendung eines Signales mit der Leistungsinformation beherrscht werden. In diesem Fall wird die Bufferachse notfalls bis auf die Drehzahl NULL abgebremst und hat dann keine Energie mehr gespeichert. Zudem kann der kinetische Bufferachse auch die von den Antrieben bei Nothalt zurückgespeiste Energie aufnehmen.
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Auch kann im Zusammenhang mit einer, geregelter DC-Spannung (von beispielsweise 750 V) im Zwischenkreis ein möglichst hoher Wirkungsgrad erzielt werden, wenn auch, ein Ansatz verwendet wird, bei dem eine Kombination aus elektrischem Energiespeichern (beispielsweise DC-Kondensatoren) und einem kinetischen Energiespeicher Anwendung findet. In diesem Fall wird ein netzseitiger Strom im geregelten Versorger begrenzt, wodurch die elektrischen Energiespeicher (beispielsweise DC-Kondensatoren) genutzt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung zur intelligenten Netzleitungsregulierung
- 110
- Gleichspannungs-Zwischenkreis
- 120
- Energieversorgungsnetz
- 130
- zweite Schnittstelle, Versorgungsnetz-Schnittstelle
- 140
- Antrieb(e)
- 150
- Schwungrad-Energiespeicher
- 160
- Elektromotor
- 170
- erste Schnittstelle
- 180
- Pufferkapazität
- 185
- Prozessor
- 190
- übergeordnete Steuereinheit
- 195
- Signalbus
- 198
- Querverbindung
- 199
- Teileinheit zur Unterdrückung der Netzrückwirkungen
- 200
- Verfahren zur intelligenten Netzleistungsregulierung
- 210
- Schritt des Einlesens
- 220
- Schritt des Regelns
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 101986033562 B3 [0003]
