DE102018200017A1

DE102018200017A1 - Verfahren und vorrichtung zur energieversorgung eines antriebssystems mit zwischenkreis

Info

Publication number: DE102018200017A1
Application number: DE102018200017.4A
Authority: DE
Inventors: Steffen Kunkel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-01-02
Filing date: 2018-01-02
Publication date: 2019-07-04

Abstract

Es sind ein Verfahren und eine Vorrichtung (65) zur Energieversorgung eines Antriebssystems (5; 6) mit Zwischenkreis (20) bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte: Bereitstellen, mit einem Energieversorger (10), einer vorbestimmten Grundleistung (P) für einen Gleichspannung-Zwischenkreis (20), um eine Grundlast des Antriebssystems (5; 6) zu decken, die sich aus der mittleren Leistung eines Lastprofils des Antriebssystems (5; 6) ergibt, wobei mindestens eine Last (40 bis 43) des Antriebssystems (5; 6) mit elektrischer Leistung aus dem Gleichspannung-Zwischenkreis (20) versorgt wird, und Einspeisen, mit mindestens zwei zusätzlichen Energiespeichereinheiten (51; 52; 52, 53), einer Leistung mit einem vorbestimmten Energieinhalt (E, E, E, E) in den Gleichspannung-Zwischenkreis (20) zum Decken von Leistungsspitzen im Betrieb der mindestens einen Last (40 bis 43), wobei sich die mindestens zwei zusätzlichen Energiespeichereinheiten (51; 52; 52, 53) durch ihre Speichereigenschaft unterscheiden und zusätzlich zu einer Zwischenkreis-Kapazitätseinheit (21) vorhanden sind, wobei bei dem Schritt des Einspeisens eine erste zusätzliche Energiespeichereinheit (51; 53) Leistung für Lastanforderungen mit hohem Energieinhalt (E1) und moderater Leistung in den Leistungsspitzen einspeist, und/oder wobei bei dem Schritt des Einspeisens eine zweite zusätzliche Energiespeichereinheit (52) Leistung für zyklische hochdynamische Lastanforderungen ohne großen Energieinhalt (E11) in den Leistungsspitzen einspeist oder Leistung zur Ergänzung der von der ersten zusätzlichen Energiespeichereinheit (51; 53) eingespeisten Leistung bei Lastanforderungen mit hohem Energieinhalt (E2) und hoher Leistung in den Leistungsspitzen einspeist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Antriebssystems mit Zwischenkreis, mit welchem auch bei Lastschwankungen des Antriebssystems nur eine mittlere Leistung von dem eigentlichen elektrischen Energieversorger bezogen wird.
Elektrische Antriebssysteme kommen bei elektrisch betriebenen Anlagen, wie z.B. Pressen, Handlings- und Montagesystemen und Spritzgussmaschinen, zum Einsatz, um mindestens ein Anlagenteil in eine Bewegung anzutreiben. Hierbei treten unterschiedliche Lastfälle auf, wie Volllast, Teillast, Leerlauf, usw. Die unterschiedlichen Lastfälle erfordern gegebenenfalls sehr große Beschleunigungen und/oder hohe Drehzahlen des Antriebssystems. Als Folge davon wird von dem Antriebssystem bei dem elektrischen Energieversorger zeitweise in kurzer Zeit eine große Energiemenge angefordert, mit welchen das elektrische Antriebssystem zu versorgen ist. Derartige Leistungsspitzen sind für das elektrische Versorgungsnetz eine große Belastung und sind daher möglichst zu reduzieren und bestenfalls zu vermeiden.
Daher sind derartige elektrische Antriebssysteme mit dem elektrischen Versorgungsnetz meist über einen Zwischenkreis verbunden, an den zusätzlich ein Energiespeicher angeschlossen ist. Treten nun Lastschwankungen im Antriebssystem und dadurch für den Energieversorger abzudeckende Leistungsspitzen auf, kann das Antriebssystem kurzzeitig die jeweils benötigte Energiemenge auch aus dem zusätzlichen Energiespeicher entnehmen.
Problematisch ist jedoch, dass bei einem solchen Antriebssystem Dynamik, Lebensdauer und Effizienz für sowohl netzseitige Leistungsspitzenreduktion als auch Netzausfallpufferung nicht optimal sind. Dadurch hat ein solches Antriebssystem einen relativ niedrigen Systemwirkungsgrad, was die Betriebskosten des Antriebssystems erhöht.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Antriebssystems mit Zwischenkreis bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines Antriebssystems mit Zwischenkreis bereitgestellt werden, welche die Dynamik, Lebensdauer und Effizienz für sowohl eine netzseitige Leistungsspitzenreduktion als auch eine Netzausfallpufferung eines solchen Antriebssystems verbessern.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Energieversorgung eines Antriebssystems mit Zwischenkreis nach Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren hat die Schritte: Bereitstellen, mit einem Energieversorger, einer vorbestimmten Grundleistung für einen Gleichspannung-Zwischenkreis, um eine Grundlast des Antriebssystems zu decken, die sich aus der mittleren Leistung eines Lastprofils des Antriebssystems ergibt, wobei mindestens eine Last des Antriebssystems mit elektrischer Leistung aus dem Gleichspannung-Zwischenkreis versorgt wird, und Einspeisen, mit mindestens zwei zusätzlichen Energiespeichereinheiten, eines Leistung mit einem vorbestimmten Energieinhalt in den Gleichspannung-Zwischenkreis zum Decken von Leistungsspitzen im Betrieb der mindestens einen Last, wobei sich die mindestens zwei zusätzlichen Energiespeichereinheiten durch ihre Speichereigenschaft unterscheiden und zusätzlich zu einer Zwischenkreis-Kapazitätseinheit vorhanden sind, wobei bei dem Schritt des Einspeisens eine erste zusätzliche Energiespeichereinheit Leistung für Lastanforderungen mit hohem Energieinhalt und moderater Leistung in den Leistungsspitzen einspeist, und/oder wobei bei dem Schritt des Einspeisens eine zweite zusätzliche Energiespeichereinheit Leistung für zyklische hochdynamische Lastanforderungen ohne großen Energieinhalt in den Leistungsspitzen einspeist oder Leistung zur Ergänzung der von der ersten zusätzlichen Energiespeichereinheit eingespeisten Leistung bei Lastanforderungen mit hohem Energieinhalt und hoher Leistung in den Leistungsspitzen einspeist.
Durch die beschriebene Ausgestaltung des Verfahrens wird der Systemwirkungsgrad des Antriebssystems erhöht. Außerdem verbessert das beschriebene Verfahren das dynamische Verhalten des Antriebssystems. Noch dazu führt das Verfahren im Ergebnis zu einer Erhöhung der Lebensdauer des kinetischen Schwungspeichers.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der kinetische Schwungspeicher eine geringere notwendige Überlastfähigkeit haben muss.
Damit kann das Energiemanagement für das Antriebssystem mit hoher Dynamik, Lebensdauer und Effizienz für netzseitige Leistungsspitzenreduktion und Netzausfallpufferung erfolgen.
Dadurch sinken neben den Herstellkosten auch die Betriebskosten des Antriebssystems.
Infolge dessen ist mit dem Verfahren eine Verbesserung der Systemparameter eines elektrischen Antriebssystems durch Energiemanagement am Zwischenkreis unter Einsatz verschiedener und miteinander vernetzter Speichersysteme möglich.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei dem Verfahren kann die erste zusätzliche Energiespeichereinheit eine höhere Energiedichte als die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit bieten. Zusätzlich oder alternativ kann die erste zusätzliche Energiespeichereinheit eine geringere Leistungsdichte als die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit bieten. Zusätzlich oder alternativ weist die mindestens eine Last mindestens einen Motor auf, welcher mit dem Zwischenkreis über einen Wechselrichter verbunden ist, der eine antriebsinterne Steuerung aufweist Möglicherweise ermittelt eine Vorrichtung den Energieinhalt, welchen die erste zusätzliche Energiespeichereinheit in den Gleichspannung-Zwischenkreis zu speisen hat, und den Energieinhalt, welchen die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit in den Gleichspannung-Zwischenkreis zu speisen hat, und ist die Vorrichtung ausgestaltet, das Ergebnis der Ermittlung für die erste und zweite zusätzliche Energiespeichereinheit bereitzustellen.
Denkbar ist, dass die Vorrichtung das Ermitteln der Energieinhalte für den Gleichspannung-Zwischenkreis permanent oder mit einer vorbestimmten Taktrate durchführt.
Zudem wird die zuvor genannte Aufgabe von einer Vorrichtung gelöst, die zur Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens ausgestaltet ist.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem von einem Wechselrichter gelöst, der eine antriebsinterne Steuerung und die zuvor genannte Vorrichtung aufweist.
Die Vorrichtung und/oder der Wechselrichter erzielen/erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf das Verfahren genannt sind.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem von einem Antriebssystem gelöst, das die zuvor genannte Vorrichtung und mindestens eine Last, einen Gleichspannung-Zwischenkreis, in welchem eine Zwischenkreis-Kapazitätseinheit von einem Energieversorger mit elektrischer Energie versorgt wird, mindestens zwei zusätzliche Energiespeichereinheiten, die sich durch ihre Speichereigenschaft unterscheiden und an den Gleichspannung-Zwischenkreis angeschlossen sind, und mindestens einen Wechselrichter aufweist, der mit mindestens einer Last verbunden ist und zum Wandeln einer Zwischenkreisspannung des Gleichspannung-Zwischenkreises in eine Wechselspannung für die mindestens eine Last ausgestaltet ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die erste zusätzliche Energiespeichereinheit ein kinetischer Schwungspeicher und die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit ist eine Kapazitätseinheit, die mindestens einen elektrischen Kondensator aufweist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die erste zusätzliche Energiespeichereinheit eine Batterie und die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit ist eine Kapazitätseinheit, die mindestens einen elektrischen Kondensator aufweist.
Möglicherweise hat die mindestens eine Last mindestens einen Motor, und der mindestens eine Wechselrichter weist eine antriebsinterne Steuerung auf.
Zudem ist es denkbar, dass das Antriebssystem einen Wechselrichter zum Anschluss eines kinetischen Schwungspeichers als der ersten zusätzlichen Energiespeichereinheit an den Zwischenkreis aufweist, wobei der Wechselrichter die zuvor beschriebene Vorrichtung aufweist. Noch dazu ist es denkbar, dass das Antriebssystem einen Gleichspannung/Gleichspannung-Wandler zum Anschluss einer elektrischen Energiespeichereinheit als die erste Energiespeichereinheit oder die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit an den Zwischenkreis aufweist. Zusätzlich oder alternativ hat das Antriebssystem optional eine Bedienvorrichtung zur Ausgabe einer Anzeige über die Verteilung der Einspeisung der Energie in den Zwischenkreis auf die mindestens zwei zusätzlichen Energiespeichereinheiten.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich des Ausführungsbeispiels beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines elektrischen Antriebssystems mit einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 ein Beispiel für einen Verlauf einer Lastverteilung bei dem elektrischen Antriebssystem mit einer Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; und
3 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines elektrischen Antriebssystems mit einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine industrielle Anlage 1, in welcher ein Arbeits- oder Fertigungsverfahren auszuführen ist. Hierbei wird die industrielle Anlage 1 von einer Steuervorrichtung 3 gesteuert. Die Steuervorrichtung 3 ist zumindest teilweise als Software ausführbar. Zur Ausführung der Software hat die Steuervorrichtung 3 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), wie beispielsweise einen Mikroprozessor mit einem Arbeitsspeicher.
Das Arbeitsverfahren ist insbesondere ein Verfahren, dass beim Pressen oder bei einem Handling und/oder Montieren oder bei einer Spritzgussmaschine ausgeführt wird. Alternativ ist das Arbeitsverfahren ein Transportverfahren oder Druckverfahren, usw.. Bei einem Fertigungsverfahren ist beispielsweise eines der Arbeitsverfahren ausführbar. Alternativ oder zusätzlich ist ein Werkstück mit mindestens einem Werkzeug, wie einem Drehwerkzeug und/oder Fräswerkzeug und/oder einem Fügewerkzeug mindestens ein Werkstück behandelbar. Das Fügewerkzeug ist insbesondere ein Schweißwerkzeug oder ein Nietwerkzeug oder ein Schraubwerkzeug, usw..
Die industrielle Anlage 1 oder Maschine umfasst ein Antriebssystem 5, welches bei der Ausführung des Arbeits- oder Fertigungsverfahrens zum Einsatz kommt. Das Antriebssystem 5 ist jedoch alternativ eigenständig betreibbar, also ohne übergeordnete Anlage 1 und/oder Steuervorrichtung 3.
Das Antriebssystem 5 umfasst einen elektrischen Energieversorger 10, einen elektrischen Zwischenkreis 20, mindestens einen Wechselrichter 30, 31, 32, 33 und mindestens eine Last 40, 41, 42, 43. An den Zwischenkreis 20, der eine Zwischenkreis-Kapazitätseinheit 21 aufweist, sind eine erste zusätzliche Energiespeichereinheit 51 und eine zweite zusätzliche Energiespeichereinheit 52 angeschlossen. Die erste zusätzliche Energiespeichereinheit 51 ist über einen Wechselrichter 60 mit dem Zwischenkreis 20 verbunden. Die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit 52 ist über einen Gleichspannung/Gleichspannung-Wandler 70, der auch DC/DC-Wandler genannt wird, mit dem Zwischenkreis 20 verbunden. Zudem ist eine Bedienvorrichtung 80 vorgesehen.
Die mindestens eine Last 40, 41, 42, 43 kann mindestens einen Motor mit Antriebsregler aufweisen. Im Betrieb bewirkt der Motor möglicherweise eine Bewegung eines Elements der industriellen Anlage 1. Dadurch kann insbesondere ein Werkstück transportiert werden und/oder ein Werkstück bearbeitet werden und/oder ein Rührwerk betrieben werden, usw.
Der elektrische Energieversorger 10 ist als rückspeisefähiger Versorger ausgestaltet. In dem elektrischen Energieversorger 10 ist optional eine Energiemanagement-Vorrichtung 15 vorgesehen, welche netzseitige Strom- und Leistungsspitzen und damit Netzrückwirkungen reduziert. Hierfür begrenzt die Energiemanagement-Vorrichtung 15 den maximalen Strom, der für das Antriebssystem 5 bereitgestellt wird, auf das x-fache des Nennstroms der mindestens einen Last 40 bis 43. Die resultierende Differenz aus PLast - PVersorger, bzw. der Differenz der von der Last 40 bis 43 angeforderten Leistung PLast und der von dem Energieversorger 10 gelieferten Leistung PVersorger, wird mit der Zwischenkreis-Kapazitätseinheit 21 und bei Bedarf mit den zusätzlichen Energiespeichereinheiten 51, 52 abgedeckt.
Die Energiemanagement-Vorrichtung 15 bewirkt somit in Zusammenwirken mit der Zwischenkreis-Kapazitätseinheit 21 und den zusätzlichen Energiespeichereinheiten 51, 52, dass auch für Anwendungsfälle, bei denen die mindestens eine Last 40 bis 43 große Lastanforderungen hat und dadurch große Leistungsspitzen im Zwischenkreis 20 verursacht, dass große netzseitige Stromspitzen und die dadurch verursachten Netzrückwirkungen reduziert werden.
Die Energiemanagement-Vorrichtung 15 ist zumindest teilweise als Software ausführbar. Zur Ausführung der Software hat die Energiemanagement-Vorrichtung 15 und/oder der Versorger 10 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), wie beispielsweise einen Mikroprozessor mit einem Arbeitsspeicher.
Die erste zusätzliche Energiespeichereinheit 51 ist insbesondere ein kinetischer Schwungspeicher, wie ein Schwungrad. Die zweite erste zusätzliche Energiespeichereinheit 52, insbesondere elektrische Energiespeichereinheit 52, ist bei dem Beispiel von 1 eine Kapazitätseinheit, die mindestens einen Kondensator aufweist. Der mindestens eine Kondensator umfasst insbesondere mindestens einen Kondensator von Elektrolytkondensator und/oder Doppelschichtkondensator und/oder Hybrid-Kondensator. Die erste Energiespeichereinheit 51 und die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit 52 unterscheiden sich durch mindestens eine Speichereigenschaft. Die erste und zweite Energiespeichereinheit 51, 52 bilden verschiedene und miteinander vernetzte Speichersysteme.
Wäre die zusätzliche Energiespeichereinheit 52, und gegebenenfalls eine oder mehrere weitere Energiespeichereinheiten 52, direkt mit dem Zwischenkreis 20 verbunden, ergäbe sich eine floatende oder schwankende Zwischenkreisspannung U_Z . Mit dem Einsatz des Gleichspannung/Gleichspannung-Wandlers 70 kann die Spannung U_Z im Zwischenkreis 20 jedoch konstant auf einem gewünschten Wert gehalten werden. Die erste zusätzliche Energiespeichereinheit 51 bietet ebenfalls den Effekt, dass die Spannung U_Z im Zwischenkreis 20 konstant auf einem gewünschten Wert gehalten werden kann.
Der Wechselrichter 60 hat eine Vorrichtung 65, die mit einer antriebsintegrierten Steuerung ausgestattet ist, welche eine Ansteuerung bzw. Regelung der ersten zusätzlichen Energiespeichereinheit 51 realisiert. Die Vorrichtung 65 bietet dadurch die Möglichkeit, die Funktionen von Netzausfallpufferung und Leistungsspitzenreduzierung zu realisieren, die in Bezug auf 2 noch genauer beschrieben ist.
Die Vorrichtung 65 von 1 ist zumindest teilweise als Software ausführbar. Zur Ausführung der Software hat die Vorrichtung 65 und/oder der Wechselrichter 60 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), wie beispielsweise einen Mikroprozessor mit einem Arbeitsspeicher.
Der Gleichspannung/Gleichspannung-Wandler 70 hat eine Vorrichtung 75, welche mit der Vorrichtung 65 zusammenarbeitet, um die Funktionen von Netzausfallpufferung und Leistungsspitzenreduzierung zu realisieren. Die Vorrichtungen 65, 75 sind über eine Kommunikationsverbindung 67 miteinander verbunden.
Auch die Vorrichtung 75 ist zumindest teilweise als Software ausführbar. Zur Ausführung der Software hat die Vorrichtung 75 und/oder der Gleichspannung/Gleichspannung-Wandler 70 eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), wie beispielsweise einen Mikroprozessor mit einem Arbeitsspeicher.
Das Zusammenwirken der Energiemanagement-Vorrichtung 15 und der Vorrichtungen 65, 75 ist nachfolgend detaillierter beschrieben.
Die Bedienvorrichtung 80 ist beispielsweise als berührungsempfindlicher Bildschirm ausgestaltet. Die Bedienvorrichtung 80 kann an dem Antriebssystem 5 als separates Bedienfeld ausgestaltet sein. Die Bedienvorrichtung 80 ist alternativ oder zusätzlich jedoch in ein beliebiges Endgerät, wie einen Personalcomputer (PC), einen tragbaren PC, ein Laptop, ein Smartphone, ein Tablet-PC usw. integriert. Zusätzlich oder alternativ kann die Bedienvorrichtung 80 oder eine weitere Bedienvorrichtung extern von dem Antriebssystem 5 angeordnet sein.
Im Betrieb wird das Antriebssystem 5 von dem geregelten elektrischen Energieversorger 10 aus einem Netz mit den Phasen N1, N2, N3 mit Energie versorgt bzw. das Antriebssystem 5 bezieht elektrische Leistung von dem Energieversorger 10. Die Energie wird in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 20 mit einer Zwischenkreis-Kapazitätseinheit 21 als Energiespeichereinheit zwischengespeichert. Der Zwischenkreis-Kapazitätseinheit 21 sind die zusätzlichen Energiespeichereinheiten 51, 52 parallelgeschaltet. Dadurch speichern auch die zusätzlichen Energiespeichereinheiten 51, 52 Energie, mit welcher der Zwischenkreis 20 von dem Energieversorger 10 versorgt wird.
2 zeigt ein Beispiel für ein Lastprofil mit einer Lastverteilung bzw. Verteilung der zu liefernden Energie als Leistung über der Zeit t, also der von dem Antriebssystem 5 angeforderten Leistung P. Im Betrieb des Antriebssystems 5 wird, beispielsweise unter Steuerung der Vorrichtung 65 und/oder der Vorrichtung 75, eine Grundleistung P₀ zum Decken einer Grundlast mit Hilfe einer Einspeisung von dem Versorger 10 gedeckt. Die Grundlast ergibt sich aus bzw. entspricht der mittleren Leistung P₀ des Lastprofils des Antriebssystems 5.
Die Vorrichtung 65 und/oder die Vorrichtung 75 steuern die Energiespeicher 51, 52 derart an, dass die mittlere Leistung P₀ des Lastprofils aus dem Versorger 10 kommt. Ist die Lastanforderung größer als die mittlere Leistung P₀ , liegt bei dem Antriebssystem 5 Volllast vor, während welcher Zeit t zumindest einer der Speicher 51, 52 Leistung mit einem vorbestimmten Energieinhalt E1, E2, E11 in den Zwischenkreis 20 einspeist. Ist dagegen die Lastanforderung kleiner als die mittlere Leistung P₀ , liegt bei dem Antriebssystem 5 Teillast vor, bei welcher zumindest einer der Speicher 51, 52 für eine Zeitlang Leistung mit einem vorbestimmten Energieinhalt E1, E2, E12 und damit eine Leistung P aus dem Zwischenkreis 20 bezieht und dadurch als zusätzliche Last wirkt.
Die Leistung Pspeicher der jeweiligen Speicher 51, 52 berechnet sich also aus der Differenz der angeforderten Leistung Plast der Last 40 bis 43 und der mittleren Leistung P₀ , also als Pspeicher = Plast - P₀ . Ist die Leistung Pspeicher der Speicher 51, 52 größer 0, also gilt Pspeicher > 0 und ist somit in den Speichern 51, 52 Energie gespeichert, kann Leistung P in den Zwischenkreis 20 eingespeist werden. Ist die Leistung Pspeicher der Speicher 51, 52 kleiner 0, also gilt Pspeicher < 0 und ist somit zumindest einer der Speicher 51, 52 nicht vollständig geladen, kann Leistung P aus dem Zwischenkreis 20 entnommen werden.
Ist das Lastprofil des Antriebssystems 5 bekannt, kann die mittlere Leistung P₀ des Lastprofils in der in dem speziellen Anwendungsfall zuständigen Vorrichtung 65 und/oder Vorrichtung 75, vorparametriert werden. Andernfalls können/kann die in dem speziellen Anwendungsfall zuständige Vorrichtung 65 und/oder Vorrichtung 75 in einem Einlernvorgang von wenigen Zyklen für das Lastprofil parametriert werden.
Bei dem Beispiel von 2 benötigt die zumindest eine Last 40 bis 43 ab einer Zeit t1 mehr Leistung P als über die Grundlast bzw. die Grundleistung P₀ von dem Energieversorger 10 gedeckt werden kann. Die Anforderung der Leistung mit dem Energieinhalt E11, E12 ab den Zeiten t1, t2 ist eine zyklische hochdynamische Anforderung ohne großen Energieinhalt. Die Leistungsanforderung dauert nur vergleichsweise kurz.
Aufgrund der Speichereigenschaft der zweiten zusätzlichen Energiespeichereinheit 52 kann der Energieinhalt E11 von der zweiten zusätzlichen Energiespeichereinheit 52 geliefert werden und die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit 52 mit dem Energieinhalt E12 wieder aufgeladen werden.. Somit steuert die Vorrichtung 65 und/oder die Vorrichtung 75 die zusätzlichen Energiespeichereinheiten 51, 52 derart, dass die erste zusätzliche Energiespeichereinheit 51 zu der Zeit t1 keine Leistung in den Zwischenkreis 20 einspeist.
Zudem bewirkt beispielsweise die Vorrichtung 65, dass bei einer Energieanforderung zu der Zeit t3 eine Leistung P mit dem Energieinhalt E1 von der zusätzlichen Energiespeichereinheit 51 geliefert wird. Zudem kommunizieren die Vorrichtungen 65, 75 über die Kommunikationsverbindung 67 miteinander, so dass die Leistung P mit dem Energieinhalt E2 von der zweiten zusätzlichen Energiespeichereinheit 52 geliefert wird. Die Leistungsanforderung ab der Zeit t3 dauert im Vergleich zu der Leistungsanforderung ab der Zeit t1 vergleichsweise lang.
Somit wird im Betrieb des Antriebssystems 5 immer nur eine Grundlast entsprechend der mittleren Leistung P₀ mit Hilfe einer Bereitstellung von dem Versorger 10 gedeckt. Alle darüber hinausgehenden Leistungsspitzen werden aus am Zwischenkreis 20 angeschlossenen zusätzlichen Energiespeichereinheiten 51, 52 gedeckt. Selbstverständlich müssen die Leistungsspitzen bzw. der zu einer vorbestimmten Zeit t maximal angeforderte Energieinhalt E1, E2, E11 je nach Lastfall nicht gleich sein, wie in 2 als Beispiel gezeigt. Die Leistungsspitzen können für die jeweils auftretenden Lastfälle unterschiedlich sein.
Da sich die zusätzlichen Energiespeichereinheiten 51, 52 durch mindestens eine Speichereigenschaft unterscheiden, erfolgt mit den Vorrichtungen 65, 75 eine Aufteilung der Lastspitzen auf die genannten oder mehrere Speichertechnologien. Da bei dem vorliegenden Beispiel ein kinetischer Schwungspeicher als erste zusätzliche Energiespeichereinheit 51 mit einem zusätzlichen kapazitiven Speicher als zweite zusätzliche Energiespeichereinheit 52 kombiniert wird, sind die Vorrichtungen 65, 75 folgendermaßen ausgestaltet.
Die Vorrichtungen 65, 75 steuern die zusätzlichen Energiespeichereinheiten 51, 52 derart an, dass die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit 52 bei zyklischen hochdynamischen Lastanforderungen mit Leistungsspitzen ohne großen Energieinhalt und zur Unterstützung des kinetischen Schwungspeichers bei Lastanforderungen mit hohem Energieinhalt und hoher Leistung unterstützend eingreifen. Dadurch muss der kinetische Schwungspeicher bzw. die erste zusätzliche Energiespeichereinheit 51 nicht auf Überlast ausgelegt werden und kann kleiner dimensioniert werden als ohne Speichereinheit 52.
Mit anderen Worten, und wie auch aus 2 ersichtlich, speist die erste zusätzliche Energiespeichereinheit 51 den Energieinhalt E1 für Lastanforderungen mit höherem Energieinhalt und moderater Leistung P in den Zwischenkreis 20 ein, wie sie in 2 ab dem Zeitpunkt t3 auftreten. Dagegen speist die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit 52 den Energieinhalt E11 für zyklische hochdynamische Leistungsspitzen mit geringerem Energieinhalt in den Zwischenkreis 20 ein, wie sie in 2 ab dem Zeitpunkt t1 auftreten. Zudem speist die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit 52 den Energieinhalt E2 zur Ergänzung der Speichereinheit 51 bei Lastanforderungen mit hohem Energieinhalt und hoher Leistung ein, wie sie in 2 ab dem Zeitpunkt t3 auftreten.
Um die zusätzlichen Energiespeichereinheiten 51, 52 gezielt steuern zu können, tauschen die Vorrichtungen 65, 75 entsprechende Daten dafür aus. Der Austausch der Daten kann kontinuierlich erfolgen, indem entweder ununterbrochen oder mit einer vorbestimmten Taktrate Daten übertragen werden. Dadurch kann die Lastregelung insbesondere in Echtzeit erfolgen.
Somit kann der kinetische Schwungspeicher, der eine höhere Energiedichte als eine elektrische Kapazitätseinheit bietet und eine konstante Zwischenkreisspannung bereitstellen kann, durch die elektrische Kapazitätseinheit der zweiten zusätzlichen Energiespeichereinheit 52 unterstützt werden. Die elektrische Kapazitätseinheit bietet dagegen eine höhere Leistungsdichte, einen höheren Wirkungsgrad, eine hohe Lebensdauer und eine höhere Dynamik als der kinetische Schwungspeicher. Zusammen mit dem Wandler 70 kann auch die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit 52 eine konstante Zwischenkreisspannung bereitstellen, wie bereits zuvor beschrieben.
Durch die beschriebene Kombination der zusätzlichen Energiespeichereinheiten 51, 52 und deren Ansteuerung durch die Vorrichtungen 65, 75 können die Stärken beider Speichereigenschaften oder Speichertechnologien genutzt werden und somit das Gesamtsystemverhalten des Antriebssystems 5 verbessert werden.
Optional kann die jeweils vorherrschende Energieverteilung auf die Energiespeichereinheiten 51, 52 als Anzeige 81 an der Bedienvorrichtung 80 angezeigt werden. Somit sendet zumindest eine der Vorrichtungen 65, 75 entsprechende Daten dafür an die Bedienvorrichtung 80. Dadurch kann ein Bediener entweder ständig oder je nach Wunsch des Bedieners über die derzeitige Lastverteilung im Antriebssystem 5 informiert werden.
3 zeigt ein Antriebssystem 6 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Das Antriebssystem 6 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede wie das zuvor beschriebene Antriebssystem 5 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ausgeführt.
Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist anstelle der ersten Energiespeichereinheit 51, die als kinetischer Schwungspeicher ausgeführt ist, eine Energiespeichereinheit 53, insbesondere elektrische Energiespeichereinheit 53, vorgesehen. Die Energiespeichereinheit 53 des Antriebssystems 6 ist als Beispiel als Batterie ausgeführt. Die Batterie ist insbesondere ein wieder aufladbarer Akkumulator. Die Energiespeichereinheit 53 ist ebenfalls über einen Gleichspannung/Gleichspannung-Wandler 70 an den Zwischenkreis 20 angeschlossen.
In diesem Fall ist das Verhalten des Zwischenkreises 20, wie im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Somit führen auch hier die Vorrichtungen 15, 65, 75 eine Last- bzw. Energieverteilung auf die Energiespeichereinheiten 21, 53, 52 aus, wie in Bezug auf das erste Ausführungsbeispiel beschrieben.
Somit kann auch für das Antriebssystem 6 sichergestellt werden, dass ein Energiemanagement mit hoher Dynamik, Lebensdauer und Effizienz für netzseitige Leistungsspitzenreduktion und Netzausfallpufferung erfolgt.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Anlage 1, der Antriebssysteme 5, 6, der Vorrichtungen 15, 65, 75 und des von diesen ausgeführten Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
Die industrielle Anlage 1 hat gegebenenfalls zusätzlich oder alternativ mindestens eine NC-Steuerung (Numerical Control = Numerische Steuerung) und/oder mindestens eine CNC-Steuerung (Computerized Numerical Control = rechnergestützte numerische Steuerung).
Die industrielle Anlage 1 kann eine Bewegungslogiksteuerung für beispielsweise Transportsysteme oder zur Führung von Werkzeugen, usw. sein oder aufweisen.
Die industrielle Anlage 1 hat möglicherweise zusätzlich oder alternativ ein Biegewerkzeug und/oder ein Stanzwerkzeug und/oder ein Bohrwerkzeug und/oder ein Toxwerkzeug aufweisen.
Denkbar ist, dass die Vorrichtung 65 extern von dem Wechselrichter 60 angeordnet ist. Alternativ ist die Vorrichtung 65 in die Bedienvorrichtung 80 integriert. Die zuvor beschriebenen Funktionen der Vorrichtung 65 sind zumindest teilweise von der Vorrichtung 75 und/oder der übergeordneten Steuervorrichtung 3 ausführbar. Die zuvor beschriebenen Funktionen der Vorrichtung 75 sind zumindest teilweise von der Vorrichtung 65 und/oder der übergeordneten Steuervorrichtung 3 ausführbar. Es ist denkbar, dass nur eine der Vorrichtung 3, 65, 75 alle Funktionen ausführt, die zuvor für die Vorrichtungen 65, 75 beschrieben wurden.
Zusätzlich oder alternativ ist es denkbar, dass die Vorrichtung 75 extern von dem Gleichspannung/Gleichspannung-Wandler 70 angeordnet ist. Alternativ ist die Vorrichtung 75 in die Bedienvorrichtung 80 integriert.
Gemäß einer speziellen Variante sind mehr als zwei der genannten zusätzlichen Energiespeicher 51, 52, 53 an den Zwischenkreis 20 angeschlossen. Es sind also mindestens zwei der genannten zusätzlichen Energiespeicher 51, 52, 53 an den Zwischenkreis 20 angeschlossen.

Claims

Verfahren zur Energieversorgung eines Antriebssystems (5; 6) mit Zwischenkreis (20), wobei das Verfahren die Schritte aufweist Bereitstellen, mit einem Energieversorger (10), einer vorbestimmten Grundleistung (P₀) für einen Gleichspannung-Zwischenkreis (20), um eine Grundlast des Antriebssystems (5; 6) zu decken, die sich aus der mittleren Leistung eines Lastprofils des Antriebssystems (5; 6) ergibt, wobei mindestens eine Last (40 bis 43) des Antriebssystems (5; 6) mit elektrischer Leistung aus dem Gleichspannung-Zwischenkreis (20) versorgt wird, und Einspeisen, mit mindestens zwei zusätzlichen Energiespeichereinheiten (51; 52; 52, 53), einer Leistung mit einem vorbestimmten Energieinhalt (E₁, E₂, E₁₁, E₁₂) in den Gleichspannung-Zwischenkreis (20) zum Decken von Leistungsspitzen im Betrieb der mindestens einen Last (40 bis 43), wobei sich die mindestens zwei zusätzlichen Energiespeichereinheiten (51; 52; 52, 53) durch ihre Speichereigenschaft unterscheiden und zusätzlich zu einer Zwischenkreis-Kapazitätseinheit (21) vorhanden sind, wobei bei dem Schritt des Einspeisens eine erste zusätzliche Energiespeichereinheit (51; 53) Leistung für Lastanforderungen mit hohem Energieinhalt (E1) und moderater Leistung in den Leistungsspitzen einspeist, und/oder wobei bei dem Schritt des Einspeisens eine zweite zusätzliche Energiespeichereinheit (52) Leistung für zyklische hochdynamische Lastanforderungen ohne großen Energieinhalt (E11) in den Leistungsspitzen einspeist oder Leistung zur Ergänzung der von der ersten zusätzlichen Energiespeichereinheit (51; 53) eingespeisten Leistung bei Lastanforderungen mit hohem Energieinhalt (E2) und hoher Leistung in den Leistungsspitzen einspeist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste zusätzliche Energiespeichereinheit (51; 53) eine höhere Energiedichte als die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit (52) bietet, und/oder wobei die erste zusätzliche Energiespeichereinheit (51; 53) eine geringere Leistungsdichte als die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit (52) bietet, und/oder wobei die mindestens eine Last (40 bis 43) mindestens einen Motor aufweist, welcher mit dem Zwischenkreis (20) über einen Wechselrichter (30) verbunden ist, der eine antriebsinterne Steuerung aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Vorrichtung (3; 65; 75) den Energieinhalt (E1) ermittelt, welchen die erste zusätzliche Energiespeichereinheit (51; 53) in den Gleichspannung-Zwischenkreis (20) zu speisen hat, und den Energieinhalt (E2) ermittelt, welche die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit (52) in den Gleichspannung-Zwischenkreis (20) zu speisen hat, und die Vorrichtung (3; 65; 75) ausgestaltet ist, das Ergebnis der Ermittlung für die erste und zweite zusätzliche Energiespeichereinheit (51, 52; 52, 53) bereitzustellen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (3; 65; 75) das Ermitteln der Energieinhalte (E1, E2) für den Gleichspannung-Zwischenkreis (20) permanent oder mit einer vorbestimmten Taktrate durchführt.
Vorrichtung (3; 65; 75), die zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche ausgestaltet ist.
Wechselrichter (60), der eine antriebsinterne Steuerung und die Vorrichtung (65) nach Anspruch 5 aufweist.
Antriebssystem (5; 6), mit mindestens einer Last (40 bis 43), einem Gleichspannung-Zwischenkreis (20), in welchem eine Zwischenkreis-Kapazitätseinheit (21) von einem Energieversorger (10) mit elektrischer Energie versorgt wird, mindestens zwei zusätzlichen Energiespeichereinheiten (51, 52; 52, 53) die sich durch ihre Speichereigenschaft unterscheiden und an den Gleichspannung-Zwischenkreis (20) angeschlossen sind, mindestens einem Wechselrichter (30 bis 33), der mit mindestens einer Last (40 bis 43) verbunden ist und zum Wandeln einer Zwischenkreisspannung (U_Z) des Gleichspannung-Zwischenkreises (20) in eine Wechselspannung für die mindestens eine Last (40 bis 43) ausgestaltet ist, und mindestens einer Vorrichtung (65) nach Anspruch 5.
Antriebssystem (5; 6) nach Anspruch 7, wobei die erste zusätzliche Energiespeichereinheit (51; 53) ein kinetischer Schwungspeicher oder eine Batterie ist, und wobei die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit (52) eine Kapazitätseinheit ist, die mindestens einen elektrischen Kondensator aufweist, ist.
Antriebssystem (5; 6) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die mindestens eine Last (40 bis 43) mindestens einen Motor aufweist, und wobei der mindestens eine Wechselrichter (30 bis 33) eine antriebsinterne Steuerung aufweist.
Antriebssystem (5) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, zudem mit einem Wechselrichter (60) zum Anschluss eines kinetischen Schwungspeichers als der ersten zusätzlichen Energiespeichereinheit (51; 53) an den Zwischenkreis (20), wobei der Wechselrichter (60) die Vorrichtung (65) nach Anspruch 5 aufweist, und/oder zudem mit einem Gleichspannung/Gleichspannung-Wandler (70) zum Anschluss einer elektrischen Energiespeichereinheit (52, 53) als die erste Energiespeichereinheit (53) oder die zweite zusätzliche Energiespeichereinheit (52) an den Zwischenkreis (20), und/oder zudem mit einer Bedienvorrichtung (80) zur Ausgabe einer Anzeige (81) über die Verteilung der Einspeisung der Energie in den Zwischenkreis (20) auf die mindestens zwei zusätzlichen Energiespeichereinheiten (51, 52; 52, 53).