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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung einer industriellen Anlage.
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Der Verlauf der elektrischen Momentanleistung einer Industrieanlage ist stark abhängig vom produzierten Produkt. Ein Stahl- oder Aluminiumhersteller hat eine konstant hohe Leistungsaufnahme, während beispielsweise Betonmischanlagen eine stark schwankende Leistungsaufnahme haben, die sich jedoch zyklisch wiederholt.
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2 zeigt einen typischen Verlauf der aufgenommenen Leistung P einer Betonmischanlage über die Zeit t. Durch die verschiedenen Tätigkeiten wie Materialtransport auf Bändern, Pumpen, Mischen, Reinigen oder Betonausgabe entsteht ein sehr ungleichmäßiges Leistungsprofil, welches sich jedoch ständig wiederholt um Beton für den nächsten LKW zu produzieren. Die Kennlinie 1 zeigt die erforderliche Leistung P der industriellen Anlage über der Zeit t. Den resultierenden Mittelwert der Leistungsaufnahme über den Zeitraum eines Zyklus stellt die Kennlinie 2 dar.
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Derzeitige Anlagen setzten auf eine Topologie für die Anbindung an eine Energiequelle gemäß 1. Die Zeichnung zeigt eine vereinfachte Darstellung einer Anlage mit ungleichmäßigem Leistungsprofil. Die industrielle Anlage besteht insgesamt aus vier Elektromotoren 3, die aus einem öffentlichen Stromnetz 4 mit elektrischer Energie versorgt werden sollen.
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Die elektronische Ankopplung an das öffentliche Netz 4 erfolgt durch den Netzanschlusstransformator 5. Eine Netzkoppeleinheit, beispielsweise ein Umrichter 6, versorgt die DC-Schiene 7 mit Gleichspannung. Die Antriebsmotoren 3 werden über Wechselrichter 8 angetrieben, die alle von der DC-Schiene 7 versorgt werden. Die stark schwankende Gesamtleistung der Antriebsmotoren 3 führt dazu, dass der benötigte Netzanschlusstransformator 5 und der Umrichter 6 auf den Spitzenwert bemessen werden müssen. Mit Blick auf das in 1 dargestellte Diagramm müssen Transformator 5 und Umrichter 6 folglich eine Bemessungsleistung von 120 kW aufweisen, die deutlich über dem Leistungsmittelwert von ca. 52 kW liegt.
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Diese Überdimensionierung der einzelnen Bauteile spiegelt sich nachteilig in deutlich höheren Anschaffungskosten wieder. Weiterhin verlangen einige Netzbetreiber bzw. Energieversorger zusätzliche Gebühren, da die Netzbelastung mit daraus resultierenden Spannungsabfällen stark schwankt. Darüber hinaus kann ein Betrieb in schwachen Netzen zur Anlagenstörung aufgrund von Spannungseinbrüchen führen. Dies ist insbesondere bei mobilen Anlagen auf Baustellen der Fall, da hier die Netzanbindung oftmals nur unzureichend gewährleistet werden kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur elektrischen Energieversorgung einer industriellen Anlage aufzuzeigen, die die voranstehend genannte Problematik zu überwinden weiß.
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Diese Aufgabe wird zum einen durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die beanspruchte Vorrichtung ist zwischen ein elektrisches Energieversorgungssystem und wenigstens einen elektrischen Verbraucher, insbesondere Elektromotor, einer industriellen Anlage schaltbar. Dabei kann das Energieversorgungssystem ein öffentliches oder auch ein lokales Stromnetz sein. Die Anbindung der Vorrichtung an das Stromnetz erfolgt vorzugsweise über einen Netzanschlusstransformator. Alternativ kann das Energieversorgungssystem auch ein unabhängiges Stromaggregat sein. Dieses besteht beispielsweise aus einer Vielzahl an Stromgeneratoren, die eine selbstständige Energieversorgung der Anlage ermöglichen.
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Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung wenigstens eine Netzkoppeleinheit, insbesondere einen Umrichter, zur Wandlung der anliegenden Wechselspannung des Energieversorgungssystems sowie weiterhin wenigstens eine Energiespeichereinheit. Die wenigstens eine Energiespeichereinheit steht mit dem wenigstens einen Umrichter sowie wenigsten einem elektrischen Verbraucher in Verbindung. Mittels der wenigstens einen Energiespeichereinheit kann ein Teil der durch das Energieversorgungssystem bereitgestellten Energie gespeichert bzw. gepuffert werden. Die Bauart und der Speichertypus der Energiespeichereinheit sind grundsätzlich beliebig.
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Weiter erfindungsgemäß ist ein Energiemanagementsystem vorgesehen, das die Leistungsentnahme aus der wenigstens einen Energiespeichereinheit und dem Energieversorgungssystem regelt. Die ausgeführte Regelung des Energiemanagementsystems sieht vor, dass wenigstens ein elektrischer Verbraucher wahlweise entweder durch das Energieversorgungssystem oder durch die Energiespeichereinheit mit elektrischer Energie speisbar ist. Zudem besteht die Möglichkeit wenigstens einen elektrischen Verbraucher parallel durch das Energieversorgungssystem und wenigstens eine Energiespeichereinheit zu speisen.
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Über die wenigstens eine Energiespeichereinheit können Leistungsspitzen abgefedert werden. Die Leistungsentnahme erfolgt während dieser Phase parallel aus dem Energieversorgungssystem sowie der Energiespeichereinheit. Während Phasen schwacher Leistungsaufnahme kann die Energiespeichereinheit mit Energie aus dem Energieversorgungssystem aufgeladen werden. Das erfindungsgemäße System ermöglicht ein Leistungsprofil mit deutlich geringeren Schwankungen und einem niedrigeren Spitzenwert. Damit können beispielsweise Netzanschlusstransformatoren bzw. die verwendeten Umrichter deutlich kleiner dimensioniert werden, beispielsweise bis zu 50% kleiner.
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Von Vorteil ist es, wenn das Energiemanagementsystem mit der wenigstens einen Energiespeichereinheit in Verbindung steht. Es besteht hierdurch die Möglichkeit, dass relevante Daten der Energiespeichereinheit an das Energiemanagementsystem übermittelbar sind und für die Regelung der Leistungsaufnahme Berücksichtigung finden. Zudem besteht die Möglichkeit, dass das Energiemanagementsystem mit dem Umrichter und bzw. oder wenigstens einem elektrischen Verbraucher in Verbindung steht um spezifischen Daten von diesen Komponenten zu empfangen und der Regelung zu Grunde zu legen.
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Besonders bevorzugt ist das Energiemanagementsystem derart ausgestaltet, dass die Regelung den Energiegehalt der wenigstens einen Energiespeichereinheit berücksichtigt um die notwenige Leistungsentnahme aus dem Energieversorgungssystem zu bestimmen. Beispielsweise ist die Leistungsentnahme aus dem Energieversorgungssystem um so höher, je geringer der Energiegehalt der Energiespeichereinheit ist. Ist die Energiespeichereinheit vollständig geladen, so kann eine nahezu vollständige Leistungsversorgung aus der Energiespeichereinheit erfolgen. Denkbar ist es jedoch auch, dass die Versorgung aus der Energiespeichereinheit nur dann erfolgt, wenn während des Leistungsprofils extreme Leistungsspitzen auftreten, die einen zuvor berechneten Mittelwert des Leistungsprofils übersteigen.
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Denkbar ist es auch, dass das Energiemanagementsystem derart ausgeführt ist, dass das Potential der wenigstens einen Energiespeichereinheit berücksichtigt wird, um die erforderliche Leistungsabgabe aus dem Energieversorgungssystem zu bestimmen.
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Es kann vorteilhaft sein, dass die bezogene durchschnittliche und bzw. oder maximale und bzw. oder minimale Energiemenge aus dem Energieversorgungssystem bzw. der Energiespeichereinheit vorab definierbar ist und die Regelung die definierten Werte berücksichtigt.
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Die Art der Energiespeicherung ist grundsätzlich beliebig. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Energiespeichereinheit einen elektrischen Energiespeicher aufweist. Gegebenenfalls kann dem elektrischen Energiespeicher wenigstens ein Energiewandler, besonders vorzugsweise ein DC-DC-Wandler, vorgeschaltet sein. Der integrierte Umrichter der Vorrichtung richtet die anliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Da ein elektrischer Energiespeicher, beispielsweise ein Kondensator, eine definierte Ladespannung erfordert, kann durch den zusätzlichen DC-DC-Wandler die Gleichspannung im Zwischenkreis auf die entsprechende Ladespannung gewandelt werden.
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Möglich ist auch, dass die Energiespeichereinheit einen mechanischen Energiespeicher umfasst. Als konkrete Ausführung des mechanischen Energiespeichers ist ein Schwungradspeicher zu nennen. In diesem Fall ist weiterhin ein Energiewandler erforderlich, der die elektrische Energie reversibel in mechanische Energie wandelt. Der Energiegehalt bzw. das Potential des Schwungradspeichers könnte in diesem Fall an der Drehzahl festgemacht werden.
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Es ist ebenfalls möglich, wenigstens einen Druckspeicher als Energiespeichereinheit vorzusehen, wobei der Druckspeicher beispielsweise pneumatisch oder hydraulisch sein kann. Auch in diesem Fall wird ein entsprechender Energiewandler angeordnet. Der Energiegehalt bzw. das Speicherpotential entspricht sodann dem vorherrschenden Druckniveau des Hydraulik- bzw. Pneumatikspeichers.
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Zudem besteht die Möglichkeit, ein oder mehrere Energiespeicher verschiedener Bauart bzw. Typus zu wenigstens einer Energiespeichereinheit zu kombinieren.
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Wie bereits vorstehend beschrieben wurde, kann die Netzkoppeleinheit, d. h. der Umrichter der Vorrichtung, ein Gleichrichter sein, der die anliegende Wechselspannung des Energieversorgungssystems in eine entsprechende Gleichspannung wandelt. Optional kann zusätzlich wenigstens ein Leistungsfaktorkorrekturfilter vorgesehen sein, der unerwünschte Oberschwingungen, die in dem Energieversorgungssystem und anderen elektrischen Verbrauchern Störungen verursachen können, kompensiert. Der verwendete Leistungsfaktorkorrekturfilter kann aktiv oder passiv sein. Zudem kann der Filter wahlweise seriell, parallel oder als Hybrid ausgeführt sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn zwei oder mehrere elektrische Verbraucher einen gemeinsamen Zwischenkreis bilden. Insbesondere wird der Zwischenkreis durch den Umrichter sowie wenigstens zwei oder alle Verbraucher gebildet. Die wenigstens eine Energiespeichereinheit ist ebenfalls an den Zwischenkreis angebunden, gegebenenfalls über einen Energiewandler.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist überschüssige Energie von wenigstens einem elektrischen Verbraucher in die wenigstens eine Energiespeichereinheit rückspeisbar. Bisher verhielt es sich so, dass überschüssige Energie der elektrischen Verbraucher über einen sogenannten Chopper-Widerstand abgebaut wurde. Die vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung erlaubt die Rückspeisung der überflüssigen Energie in die wenigstens eine Energiespeichereinheit. Durch die Ausbildung eines gemeinsamen Zwischenkreises zwischen zwei oder mehreren elektrischen Verbrauchern sowie der Energiespeichereinheit und des Umrichters kann eine Energierückspeisung ohne zusätzlichen Aufwand erfolgen. Beispielsweise ermöglicht diese Ausführung den Einsatz eines einfachen ein-quadranten Gleichrichters als Umrichter, beispielsweise eine Diodenvollbrücke. Die vorgeschlagene Topologie vereinfacht sich maßgeblich gegenüber dem Stand der Technik, was wiederum die Produktionskosten bzw. Herstellungskosten spürbar senkt.
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Denkbar ist es, dass eine oder mehreren Verbrauchern jeweils ein Antriebswechselrichter vorgeschaltet ist. Durch den Einsatz von Antriebswechselrichtern in Verbindung mit einem gemeinsamen Zwischenkreis ist eine gesonderte Kompensation der Motorenblindleistung nicht mehr zwingend erforderlich.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Energieversorgungssystem wenigstens ein Stromaggregat umfasst und die wenigstens eine Energiespeichereinheit auf das Stromaggregat ausgelegt ist um den Energiewirkungsgrad des Aggregats zu optimieren. Hierdurch sind Wirkungsgradverbesserungen und somit Energiebedarfsenkungen bis zu 15% realisierbar.
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Gegenstand der Erfindung ist zudem eine Industriemaschine, insbesondere eine Betonmischanlage. Die Maschine umfasst erfindungsgemäß eine Vorrichtung gemäß einer der voranstehend beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen. Ein oder mehrere Verbraucher übernehmen diverse Tätigkeitsfelder der Anlage, beispielsweise den Materialtransport auf Bändern, das Pumpen, Mischen und Reinigen sowie die Betonausgabe. Die Vorteile und Eigenschaften der Maschine entsprechen offensichtlich denen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zur Energieversorgung einer industriellen Anlage, wobei ein Energiemanagementsystem die Leistungsentnahme aus wenigstens einer Energiespeichereinheit und einem Energieversorgungssystem regelt und wenigstens ein elektrischer Verbraucher wahlweise durch das Energieversorgungssystem oder die Energiespeichereinheit oder durch beide parallel gespeist wird.
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Besonders bevorzugt wird ein derartiges Verfahren mit einer Vorrichtung bzw. einer Industriemaschine gemäß einer der erfindungsgemäßen bzw. vorteilhaften Ausführungen ausgeführt. Die Vorteile und Eigenschaften dieses Verfahrens entsprechen offensichtlich denen der erfindungsgemäßen Vorrichtung, weshalb an dieser Stelle auf eine erneute Beschreibung verzichtet werden soll.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung sollen im Folgenden anhand von mehreren Figuren näher beschrieben werden. Es zeigen:
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1: eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Energieversorgung einer industriellen Anlage,
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2: eine Diagrammdarstellung eines möglichen Leistungsverlaufs einer Betonmischanlage,
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3: eine Topologiedarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung einer industriellen Anlage,
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4: eine Diagrammdarstellung der entsprechenden Leistungsentnahme mit der erfindungsgemäßen Topologie und,
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5: eine Diagrammdarstellung eines möglichen Zusammenhangs zwischen Netzleistung und Energiespeicherpotential als Regelungsstrategie.
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Die 1 und 2 wurden bereits im einleitenden Teil der Beschreibung ausführlich erläutert, weshalb an dieser Stelle nicht erneut auf den Stand der Technik eingegangen werden soll.
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Topologie gemäß 3 vor. Die erfindungsgemäße Topologie wird ebenfalls an ein öffentliches Stromnetz 40 über den Netzanschlusstransformator 50 angeschlossen. Alternativ kann ein Stromaggregat als Energiequelle genutzt werden. Alle elektrischen Verbraucher 30 sind über zugeordnete Wechselrichter 80 an einen gemeinsamen Zwischenkreis 70 angeschlossen. Die Netzkoppeleinheit (Umrichter) 60 wandelt die anliegende Wechselspannung des öffentlichen Stromnetzes 40 bzw. des Stromaggregats in eine entsprechende Gleichspannung und speist diese in den Zwischenkreis 70 ein.
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Zudem sieht die erfindungsgemäße Topologie einen Energiespeicher 100 vor, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als elektrischer Energiespeicher ausgebildet ist. Der Energiespeicher 100 kann sich beispielsweise aus einem oder mehreren Kondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, zusammensetzen. Zusätzlich ist ein DC-DC-Wandler 90 vorgesehen, um den Energiespeicher 100 an den Zwischenkreis anzubinden und die Zwischenkreisspannung auf die erforderliche Ladespannung des Energiespeichers 100 zu transformieren.
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Das Energiemanagementsystem 200 ist zum Einen mit dem Umrichter 60 sowie der Energiespeichereinheit 100 und dem DC-DC-Wandler 90 verbunden. Zudem besteht eine Verbindung zu den elektrischen Verbrauchern 30 bzw. zu den zugeordneten Wechselrichtern 80. Dadurch Erhält das Energiemanagementsystem Zustandsinformationen von den einzelnen Komponenten, die in die nachfolgend beschriebene Regelung einfliessen können.
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Über den Energiespeicher 100 sollen die Leistungsspitzen der industriellen Anlage, d. h. der elektrischen Verbraucher 30, gepuffert werden. In Phasen schwacher Leistungsaufnahme soll sich der Energiespeicher 100 wieder regenerieren und über den Zwischenkreis bzw. den DC-DC-Wandler 90 aufgeladen werden.
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Zum besseren Verständnis dient die Diagrammdarstellung der 4. Die Diagrammdarstellung zeigt zum Einen den Leistungsverlauf der industriellen Anlage, d. h. der elektrischen Verbraucher 30, wobei der Kurvenverlauf mit dem Bezugszeichen 300 gekennzeichnet ist. Ferner zeigt die Darstellung die vom Versorgungsnetz aufgenommene Leistung 400, die Leistung 500, welche vom Energiespeicher 100 bereitgestellt wird, und die über einen Zyklus gemittelte Gesamtleistung 600. Ohne Energiespeicher 100 würde die Netzleistung 400 der Anlagenleistung 300 folgen, wie es bereits in 2 gezeigt wurde.
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Mit dem integrierten Energiespeicher 100 weist die Netzleistung 400 deutlich kleinere Schwankungen auf und der Spitzenwert erreicht maximal 60 kW gegenüber der maximalen Spitzenleistung der Anlagenleistung 300 von ca. 120 kW. Der verwendete Transformator 50 sowie der Umrichter 60 können gegenüber der Ausführung aus 1 um ca. 50% kleiner bemessen werden. Gleiches gilt selbstverständlich für die Ausführung mit einem Stromaggregat bzw. Generatorset, das ebenfalls aufgrund der verringerten maximalen Spitzenleistung deutlich kleiner dimensionieren lässt.
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Der Betreiber der Anlage kann jedoch auch festlegen, dass er beispielsweise bis zu 80 kW aus dem Netz bezieht, wodurch der notwendige Speicher 100 kleiner bemessen werden könnte, wodurch nachteilig Erhöhung der Netzanschlusskosten in Kauf genommen werden müssten. Der Anlagenbetreiber kann nach betriebswirtschaftlichen Gesichtspunkten ein passendes Optimum finden, was auch stark davon abhängt, in welcher Umgebung sich die Anlage befindet. Ist ohnehin ein starkes öffentliches Stromnetz vorhanden, würden die Netzanschlusskosten eher gering ausfallen als in einem anfälligen und schwachen Netz, wie beispielsweise auf einer Großbaustelle.
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Die benötigte Netzleistung wird vom Energiemanagementsystem 200 je nach Höhe des vorhandenen Potentials im Energiespeicher 100 berechnet. Das Potential eines Energiespeichers entspricht beispielsweise der Kondensatorspannung bei einem elektrischen Speicher. Mit abnehmendem Potential steigt kontinuierlich der Bedarf an Netzleistung aus dem öffentlichen Stromnetz 40. Das Potential des Energiespeichers 100 ist immer stetig, differenzierbar und eignet sich daher sehr gut um die Netzleistung zu berechnen. 5 zeigt eine Diagrammdarstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Potential des Energiespeichers 100 und der benötigten Netzleistung verdeutlicht und somit eine mögliche, sehr robuste Regelungsstrategie darstellt. Die Achse V kennzeichnet das Potential des Energiespeichers mit gesonderter Markierung des minimalen bzw. maximalen Potentials des Energiespeichers 100. Die vertikale Achse kennzeichnet die erforderliche Netzleistung P. Der Grafik ist zu entnehmen, dass die erforderliche Netzleistung P maximal ist (Pmax), falls das Potential V des Energiespeichers 100 einen Minimalwert Vmin erreicht. Ist demgegenüber das Potential des Energiespeichers maximal (Vmax), so nimmt die erforderliche Netzleistung P einen Minimalwert Pmin an.
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Eine mögliche Implementierung der Kennlinie aus
5 zeigt die Formel
wobei P
Netz die erforderliche Netzlast, P
max die maximale Netzleistung, P
min die minimale Netzleistung, V
min das minimale Potential des Energiespeichers
100 und V das aktuelle Potential des Energiespeichers darstellen.
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Die Leistung des Energiespeichers PEnergiespeicher ergibt sich aus der Differenz zwischen der Leistung der Last Plast und der erforderlichen Netzleistung PNetz gemäß der Formel PEnergiespeicher = PLast – PNetz, wobei die erforderliche Netzlast PNetz auf Grundlage der zuvor genannten Formel berechnet wird.
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Die beschriebene Ausführung der Erfindung weist den Vorteil auf, dass sich die erforderliche Netzleistung nur langsam verändert. Hierdurch werden schnelle Spannungsänderungen und Flicker im Netz vermieden, die zu massiven Störungen der Anlage selbst sowie anderen elektrischen Verbrauchern führen könnten. Weiterhin wird die Blindleistungsaufnahme, bestehend aus Grund- und Oberschwingungsblindleistung, reduziert. Beide Maßnahmen führen zu einer geringeren „Verschmutzung” des öffentlichen Stromnetzes 40 und damit zu geringeren Kosten auf Seiten des Anlagenbetreibers.
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Zudem reduziert die Erfindung die nominelle Netzanschlussleistung. Einzelne Bauteile der Vorrichtung bzw. der industriellen Anlage, d. h. der Umrichter 60, der Netzanschlusstransformator 50 sowie ein Stromaggregat können deutlich kleiner dimensioniert werden, um die anfallenden Produktionskosten weiter zu optimieren.
