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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Leistungsverwaltung eines Krans, insbesondere eines Umschlagkrans.
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Die Einspeisung von Strom bzw. die Zurverfügungstellung von Versorgungsleistung an einen Kran betreffen eine Vielzahl von kostenintensiven Bauteilen, die einen direkten Einfluss auf die Kosten des Krans (beispielsweise Kabel, Schleifringkörper usw.) haben und auch die zum Betrieb erforderliche Infrastruktur eines Krans maßgeblich beeinflusst.
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Dabei ist es typischerweise so, dass elektrische Krane über ein Stromnetz oder über einen extra für den Kran vorgesehenen Generator mit der für den Kran erforderlichen Leistung versorgt werden. Nachteilhaft an der herkömmlichen Umsetzung einer solchen Energieversorgung ist, dass die von außen für den Kran zur Verfügung stehende Leistung der maximalen Leistung des Krans entsprechen muss. Dies ist erforderlich, damit auch sehr energieintensive Arbeiten des Krans, die in der Regel nur einen Bruchteil der Gesamtarbeitszeit des Krans ausmachen, durchgeführt werden können. Es wird von einem Benutzer des Krans als sehr störend empfunden, wenn aufgrund eines Mangels an zur Verfügung stehender netz -oder generatorseitiger Leistung während der Betätigung des Krans die Verfahrgeschwindigkeit reduziert oder gar die gewünschte Bewegung des Krans nicht durchgeführt werden kann.
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Demgegenüber steht aber das Bestreben die Herstellungs- und Instandhaltungskosten eines Krans abzusenken, um sich damit im Wettbewerb der unterschiedlichen Kranhersteller abzusetzen und einen Kran bereitzustellen, der geringere Betriebskosten über seine Lebenszeit aufweist und möglichst wenig Anpassungen der für ihn erforderlichen Infrastruktur erfordert.
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Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung die obenstehenden Nachteile zu überwinden oder zumindest abzuschwächen und eine Vorrichtung zur Leistungsverwaltung eines Krans oder einen Kran mit einer solchen Vorrichtung vorzusehen, um die Herstellung bzw. den Betrieb eines Krans gegenüber einem herkömmlichen Kran zu verbilligen. Mit der Vorrichtung ist es möglich, einen Kran auch in einem weniger spezialisierten Umfeld mit einer nicht so leistungsfähigen Infrastruktur zu betreiben.
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Dies gelingt mit einer Vorrichtung, die sämtliche Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Leistungsverwaltung eines Krans, insbesondere eines Umschlagkrans, umfasst dabei einen Anschluss zum Zuführen einer Energie von einer externen Energie, insbesondere aus einem Stromnetz und/oder von einem Generator, einen Energiespeicher zum Aufnehmen und Abgeben von Energie, mindestens ein Krangewerk, das über einen motorisch sowie generatorisch betreibbaren Elektromotor verfügt, einen Bremschopper, der dazu ausgelegt ist, Energie mit Hilfe eines Bremswiderstands thermisch umzusetzen, und einen Zwischenkreis, der jeweils mit dem Anschluss zum Zuführen einer Energie, dem Energiespeicher, dem mindestens einen Krangewerk und dem Bremschopper verbunden ist, um die mit dem Zwischenkreis verbundenen Komponenten wahlweise miteinander elektrisch zu verbinden. Die Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Zwischenkreis-Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, den Energiespeicher und den Anschluss zum Zuführen einer Energie so mit dem mindestens einen Krangewerk zu koppeln, so dass beim Überschreiten eines Energieverbrauchs-Schwellenwerts des mindestens eines Krangewerks die darüber hinausgehende Energie von dem Energiespeicher zur Verfügung gestellt wird.
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Durch das Zusammenwirken der von Energiespeicher und externer Quelle (bspw. aus dem Netz bzw. dem Generator) erhaltenen Leistung ist es zum einen möglich, die Krankosten zu verringern, da insbesondere die Kabel zur Energieversorgung von der externen Energiequelle, also bspw. dem Stromnetz bzw. dem Generator, und auch die Schleifringkörper kleiner dimensioniert werden können. Zudem ist der Betrieb des Krans auch günstiger, da man nun die Spitzenleistung der externen Energieversorgung (Stromnetz und/oder Generator) absenken kann. Da aber gerade die Auslegung der externen Energiequelle an der maximal vom Kran geforderten Spitzenleistung durchgeführt werden muss, kann diese bei Nutzung der vorliegenden Erfindung deutlich kleiner ausfallen. Die für einen reibungslosen Betrieb des Krans erforderlichen Spitzenleistungen werden dann durch ein Zusammenspiel von externer Energiequelle und Energiespeicher bereitgestellt, sodass keine Einschränkungen beim Arbeiten mit dem Kran auftreten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht damit einen einfacheren Einsatz eines Krans ohne die typischerweise sehr hohen Anforderungen an die externe Energiequelle. Weiter ist auch der Anschluss zum Anbinden der externen Energiequelle an einen solchen Kran weniger komplex, da die hierüber zu leitenden maximalen Leistungen kleiner ausfallen. Somit erweitert sich das Arbeitsumfeld eines die Vorrichtung aufweisenden Krans, da nicht mehr so hohe Anforderungen an die zum Betrieb erforderliche Infrastruktur gestellt werden.
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Erfindungsgemäß kann also vorgesehen sein, dass die Energie zum Betreiben des Krans von der externen Energiequelle bezogen wird und erst bei einem Überschreiten einer Energieanforderung, die einen ersten Schwellenwert übertrifft, Energie aus dem Energiespeicher genutzt wird. Dem Fachmann ist klar, dass es wirtschaftlich und technisch sinnvoll sein kann, auch zunächst die in dem Energiespeicher befindliche Energie bei einer Betätigung des Krans oder einer entsprechenden Energieanforderung zu nutzen und Leistung von der externen Energiequelle erst dann zu beziehen, wenn der Energiespeicher ein bestimmtes Ladeniveau unterschritten oder vollständig entleert ist.
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Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Zwischenkreis-Steuereinheit dazu ausgelegt ist, bei einem generatorischen Betrieb eines Elektromotors des mindestens einen Krangewerks, die dabei anfallende und in den Zwischenkreis geleitete Energie in den Energiespeicher einzubringen.
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In der Regel ist es für eine energieeffiziente Nutzung des Krans von Vorteil, wenn die generatorischen Phasen eines Elektromotors von einem Krangewerk dazu genutzt werden, den Energiespeicher zu laden und/oder die dabei erzeugte Energie gleich für den motorischen Betrieb mindestens eines anderen Krangewerks zu verwenden. Hierzu kann die Zwischenkreis-Steuereinheit so geschaltet werden, dass die dabei von dem Elektromotor eines Krangewerks erzeugte Energie über den Zwischenkreis in den Energiespeicher gelangt. Eine alternative Verwertung der bei einem generatorischen Betrieb eines Elektromotors eines Krangewerks anfallenden Energie kommt typischerweise erst dann in Betracht, wenn der Energiespeicher vollständig geladen ist oder ein bestimmtes Füllstandsniveau überschritten hat und kein anderes Krangewerk Energie benötigt. Analoge Überlegungen gelten natürlich für den Fall, in dem die durch den generatorischen Betrieb eines Elektromotors eines Krangewerks anfallende Leistung so hoch ausfällt, dass sie nicht vollständig in den Energiespeicher eingeführt werden kann, also beispielsweise in dem Fall, in dem die zum Energiespeicher führenden Leitungen bei einem vollständigen Einleiten der anfallenden Leistung überlastet wären. Dies kann bspw. dann der Fall sein, wenn mehrere Krangewerke gleichzeitig generatorisch aktiv sind.
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So kann nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass bei einem Überschreiten einer maximalen in den Energiespeicher aufnehmbaren Energie und/oder Einspeiseleistung die Zwischenkreis-Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die darüberhinausgehende Energie und/oder Einspeiseleistung dem Bremschopper zuzuführen, um sie dort in thermische Energie umzuwandeln. Die dem Bremschopper zugeführte Energie wird dann einfach über einen Widerstand in thermische Wärme umgewandelt, sodass es nicht zu Überspannungen in dem Zwischenkreis kommt. Damit wird verhindert, dass die Zwischenkreisspannung Werte annimmt, die für die darin befindlichen Komponenten schädlich sein können.
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Darüber hinaus kann nach einer weiteren vorteilhaften Variante der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass bei einem Überschreiten einer maximalen in den Energiespeicher aufnehmbaren Energie und/oder Einspeiseleistung die Zwischenkreis-Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die darüber hinausgehende Energie und/oder Einspeiseleistung dem Anschluss zum Zuführen einer Energie zuzuleiten, um über diesen eine Rückspeisung der überschüssigen Energie in die externe Quelle also bspw. in das Stromnetz vorzunehmen.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Zwischenkreis-Steuereinheit dazu ausgelegt ist, die Energiespeichereinheit mit dem Anschluss zum Zuführen einer Energie zu verbinden, um die Energiespeichereinheit über die externe Energiequelle, bspw. ein Stromnetz und/oder einen Generator zu laden.
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Demnach kann also vorgesehen sein, dass vor oder während des Kranbetriebs der Energiespeicher über die externe Energiequelle geladen wird. Somit kann auf eine effektive Art und Weise sichergestellt werden, dass unmittelbar mit Aufnehmen der Kranarbeit auch eine maximale Leistungsanforderung umgesetzt werden kann. Beispielsweise kann es von Vorteil sein, wenn kurz vor dem Betrieb eines Krans oder in der Anfangsphase eines solchen Betriebs der Energiespeicher über Energie aus der externen Energiequelle geladen wird, damit im weiteren Verlauf die volle System leistung zur Verfügung steht.
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Nach einer weiteren Fortbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass das mindestens eine Krangewerk ein Hubwerk, ein Wippwerk, ein Windenantrieb oder ein Drehwerk eines Krans ist. Selbstverständlich ist von der Erfindung auch umfasst, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zwei, drei oder vier Krangewerke aufweist, die jeweils mit einem Elektromotor versehen sind, der generatorisch oder motorisch arbeiten kann.
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Nach der Erfindung kann ferner vorgesehen sein, dass zwischen dem Zwischenkreis und dem mindestens einem Krangewerk ein bidirektionaler Wechselrichter angeordnet ist, der eine im Zwischenkreis herrschende Gleichspannung in eine Wechselspannung für das jeweilige Krangewerk und umgekehrt eine im Zwischenkreis herrschende Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt.
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Ebenfalls kann vorgesehen sein, dass zwischen dem Zwischenkreis und dem Anschluss zum Zuführen einer Energie ein bidirektionaler Wechselrichter angeordnet ist, der eine netz- oder generatorseitige Wechselspannung in eine im Zwischenkreis herrschende Gleichspannung und umgekehrt umwandelt.
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Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zwischen dem Zwischenkreis und dem Energiespeicher ein bidirektionaler Gleichstromwandler angeordnet ist, der eine im Zwischenkreis herrschende Gleichspannung in ein für den Energiespeicher passende Gleichspannung und umgekehrt umwandelt.
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Nach einer optionalen Modifikation der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Einspeiseleistung des Energiespeichers gleich oder größer, vorzugsweise mehr als dreimal so groß, wie die maximale Einspeiseleistung des Anschlusses zum Zuführen von Energie ist. Dadurch wird gewährleistet, dass die externe Energiequelle auch dann zum Betreiben der Vorrichtung ausreicht, wenn die maximale Spitzenleistung der externen Energiequelle unterhalb der maximalen Spitzenleistung der Vorrichtung bzw. des Krans liegt. So kann die externe Energiequelle die maximale Spitzenleistung der Vorrichtung bzw. des Krans nicht liefern, was aber durch das Vorsehen des Energiespeichers und das Zuschalten des Energiespeichers kompensiert werden kann.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Kran, vorzugsweise einen Umschlagkran, mit einer Vorrichtung nach einer der vorhergehend diskutierten Varianten.
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Nach einer bevorzugten Ausführung kann dabei vorgesehen sein, dass die Energie, welche über den Anschluss zum Zuführen einer Energie von der externen Quelle zum Ausüben der Tätigkeit des Krans erforderlich ist, nicht mehr als 130%, vorzugsweise 115%, bevorzugterweise 105% der mittleren Umschlagsleistung des Krans entspricht.
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Insbesondere bei einem Umschlagkran werden eine Vielzahl von sich wiederholenden Arbeitszyklen durchgeführt, die sich in ihrer Charakteristik nur minimal unterscheiden. Typischerweise ist es nämlich die Hauptaufgabe bei einem solchen Umschlagkran, Waren oder Schüttgut von einem Schiff oder Zug zu löschen oder damit zu beladen, sodass hierbei eine Vielzahl von gleichartigen Bewegungsmustern auszuführen ist. Die während eines solchen Arbeitszyklus generierte elektrische Leistung wird dabei voll bei der erforderlichen motorischen Leistung der Krangewerke genutzt, sodass die Beanspruchung der externen Energiequelle minimiert werden kann. Dadurch ist es möglich, dass die Einspeisung von der externen Energiequelle im Idealfall nur so groß ist, wie die mittlere Umschlagsleistung über einen oder mehrere der Arbeitszyklen hinweg.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Figurenbeschreibung ersichtlich. Dabei zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und
- 2: ein Diagramm zu Leistungsbetrachtung eines Umschlagkrans über einen Umschlagszyklus.
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1 zeigt eine Übersicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 zur Leistungsverwaltung eines Krans. Über einen Anschluss 2 zum Zuführen einer Energie einer externen Energiequelle werden im Regelfall die mehreren Krangewerke 4 mit Leistung versorgt. Jedes der Krangewerke 4 besitzt dabei einen generatorisch und motorisch betreibbaren Elektromotor, sodass jedes der Krangewerke 4 Energie verbrauchen oder Energie generieren kann.
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Wie man der 1 entnehmen kann, ist dabei der Anschluss 2 zum Zuführen von Energie einer externen Energiequelle nicht direkt mit einem jeden der mehreren Krangewerke 4 verbunden, sondern wirkt mit einem Zwischenkreis 6 zusammen. Der Zwischenkreis 6 kann dabei entsprechend den Anforderungen einer Zwischenkreis-Steuereinheit die unterschiedlichen vom Zwischenkreis 6 abgehenden Komponenten3, 4, 5 wahlweise miteinander elektrisch verbinden oder elektrisch voneinander trennen.
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Neben dem Anschluss 2 für eine externe Energiequelle und den mehreren Krangewerken 4 steht der Zwischenkreis 6 auch noch mit einem Energiespeicher 3 und einem Bremschopper 5 in wahlweiser elektrischer Verbindung. Um dabei den unterschiedlichen Spannungsformen und Spannungsniveaus des Energiespeichers 3, des Bremschoppers 5 und der mehreren Krangewerke 4 (beispielsweise Wippwerk, Wippwerk oder Drehwerk) gerecht zu werden, sind bidirektionale AC/DC-Wandler 7 bzw. bidirektionale DC/DC-Wandler 8 vorgesehen, um die unterschiedlichen an dem Zwischenkreis 6 angebundenen Komponenten 2, 3, 4, 5 mit der entsprechenden Spannung zu versorgen.
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Mithilfe der in 1 dargestellten Struktur ist es demnach möglich, die Anforderungen an die externe Energiequelle abzusenken, da es nun nicht mehr die externe Energiequelle allein ist, die zum Bereitstellen der Maximalleistungsanforderung des Krans zu sorgen hat. Hierfür steht nun auch der Energiespeicher 3 zur Verfügung, der in Kombination mit der externen Energiequelle die maximale Leistungsanforderung abdecken kann. Dies hat zur Folge, dass die externe Energiequelle kleiner dimensioniert werden kann und durch das Speichern von Energie aus den Krangewerken insgesamt auch weniger Energie verbraucht wird. Weiter vorteilhaft hierbei ist, dass auch auf Seite der Vorrichtung 1 bzw. eines die Vorrichtung nutzenden Krans Komponenten kleiner und günstiger umgesetzt werden können.
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2 zeigt dabei die Leistungsbetrachtung über einen Umschlagszyklus bei einem Kran, der die erfindungsgemäße Vorrichtung nutzt.
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Die vom Kran erforderliche Spitzenleistung liegt dabei beispielhaft bei ca. 1300 kW, sodass nach herkömmlicher Umsetzung die von der externen Energiequelle zur Verfügung stehende Einspeisung eben jene 1300 kW zur Verfügung stellen müsste. Aufgrund der Verwendung des Energiespeichers mit einer beispielhaften Größe von 700 kW kann die Einspeiseleistung jedoch auf 600 kW reduziert werden. Zudem trägt weiter zur Energieeinsparung bei, dass der Großteil der notwendigen Energie zum Betätigen des Krans aus einer Rückspeisung von generatorisch betriebenen Elektromotoren des mindestens einen Krangewerks besteht. Der Großteil dieser generatorischen Leistung fällt dabei bei Senk- oder Bremsbewegungen der Krangewerke an.
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Betrachtet man 2 erkennt man, dass die gesamte zur Verfügung gestellte Leistung (PTotal) die Summe der über den Energiespeicher zur Verfügung gestellten Energie (PStorage) mit der von der äußeren Energiequelle (PGenerator) eingeführten Energie ist.
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Immer dann, wenn die Leistungsanforderung des Krans die von der äußeren Energiequelle beibringbare Leistung von 600 kW überschreitet, wird der darüber hinausgehende Leistungsbedarf von dem Energiespeicher 3 zur Verfügung gestellt. Fällt hingegen der Leistungsbedarf unterhalb des Schwellenwerts von 600 kW ab, sorgt allein die externe Energiequelle für das Betreiben des Krans. Zum Laden des Energiespeichers 3 kann neben einem Laden über die externe Energiequelle selbstverständlich auch die von dem mindestens einen Krangewerk 4 in den Zwischenkreis 6 zurückgespeisten Energie verwendet werden. Das Aufladen des Energiespeichers 3 erkennt man beispielsweise im Zeitbereich von 45 bis ca. 60 Sekunden des Diagramms, bei dem die Leistung des Energiespeichers negativ ist.
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Wird eine höhere Leistung generatorisch erzeugt als der Energiespeicher 3 aufnehmen kann, kann der Rest dem Bremschopper zugeführt werden oder auch in ein Stromnetz, was eine mögliche Umsetzung einer externen Energiequelle darstellt, eingespeist werden. Im Diagramm ist ein solcher Zustand im Bereich von ca. 55 Sekunden und ab 80 Sekunden dargestellt.
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Im Bereich von ca. 55 Sekunden überschreitet die von den unterschiedlichen Krangewerken eingespeiste Leistung, die maximal vom Energiespeicher 3 aufnehmbare Leistung, so dass diese nicht vollständig aufgenommen werden kann. Der Überschuss an Energie muss dann anderweitig aus dem Zwischenkreis 6 geführt werden, bspw. indem er an den Bremschopper 5 gegeben und dort an einem Widerstand in thermische Energie umgesetzt wird. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch eine Rückspeisung des Überschusses in die externe Quelle (bspw. Stromnetz) erfolgen.
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Im Bereich ab ca. 80 Sekunden ist der Energiespeicher 3 vollständig geladen und es steht keine weitere Kapazität zum Aufnehmen weiterer Energie zur Verfügung, so dass auch hier die durch generatorisch betriebene Krangewerke 4 erzeugte Energie anderweitig aus dem Zwischenkreis 6 abgeführt werden muss.
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Dem Fachmann ist klar, dass die zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung herangezogenen Werte selbstverständlich variierbar sind und keine einschränkende Wirkung auf den beanspruchten Gegenstand haben.
