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Die Erfindung betrifft ein System und eine Vorrichtung zum Energiemanagement. Weiter betrifft die Erfindung eine Steuereinrichtung für ein solches System bzw. eine solche Vorrichtung.
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Eine kurzzeitige Speicherung von elektrischer Energie in einem Schwungrad oder einem Akku wird vorteilhaft eingesetzt, wo eine stark schwankende Leistungsaufnahme eines Verbrauchers an ein Stromnetz angeschlossen ist, wobei das Stromnetz nicht für kurzzeitige und starke Leistungsschwankungen ausgelegt ist.
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Gemäß dem Stand der Technik sind meist einzelne Pressen in ihrer Leistungsaufnahme über einen Energiespeicher, insbesondere ein Schwungrad, in ihrer Leistungsaufnahme gepuffert.
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DE 10 2006 033 562 B3 beschreibt eine Pressanlage mit Energiemanagement, aufweisend einen Schwungradspeicher und eine zentrale Steuereinrichtung, wobei der Schwungradspeicher mit einem Gleichspannungszwischenkreis verbunden ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Versorgungsnetz zu entlasten.
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Diese Aufgabe wird mit Hilfe eines Systems gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Diese Aufgabe wird weiter durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 15 gelöst.
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Diese Aufgabe wird weiter durch eine Steuereinrichtung gemäß Anspruch 15 gelöst.
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Die weiteren Ansprüche sind vorteilhafte Weiterentwicklungen der Vorrichtung, des Systems, des Verfahrens sowie der Steuereinrichtung.
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Unter einem Energiespeicher versteht man eine Vorrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie. Ein solcher Energiespeicher ist beispielsweise ein Schwungrad mit Elektromotor, eine wiederaufladbare Batterie (Akkumulator), ein Kondensator oder eine weitere Vorrichtung, die elektrische Energie in chemische, potentielle oder kinetische Energie umwandeln, speichern und bei Bedarf wieder in elektrische Energie zurückwandeln vermag. Im Falle eines Schwungrades kann auch ein erster Frequenzumrichter in den Energiespeicher integriert sein. Zum Antrieb eines Schwungrades dient vorzugsweise ein bürstenloser Synchronmotor/Asynchronmotor. Falls anstelle eines ersten Umrichters eine entsprechende elektronische Schaltung eingesetzt wird, so könnte auch Gleichstrommotor Verwendung finden.
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Das Modul dient zur Einspeisung und/oder zur Rückspeisung von elektrischer Energie vom Stromnetz zum Energiespeicher. Falls als Energiespeicher ein Schwungrad verwendet wird, so ist zwischen dem Schwungrad und dem Modul ein erster Umrichter, insbesondere ein Frequenzumrichter, vorgesehen.
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Das Modul wirkt während der Einspeisung von elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz in den Energiespeicher als Gleichrichter. Das Modul wirkt während der Rückspeisung von elektrischer Energie aus dem Energiespeicher in das Versorgungsnetz als Wechselrichter. Ein Modul dient auch zur Regelung der Spannung in einem Zwischenkreis. Selbstgesteuerte Module dieser Art sind bekannt und werden auch als Ein-/Rückspeisemodul bezeichnet. Besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist ein Modul eingesetzt, dessen Funktionsweise (Gleichrichter/Wechselrichter) bei Bedarf von außen vorgebbar ist.
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Vorteilhaft dient das Modul als Gleichrichter, falls elektrische Energie von dem Versorgungsnetz in den Energiespeicher transferiert wird. Vorteilhaft dient das Modul als Wechselrichter, falls elektrische Energie aus dem Energiespeicher an das Versorgungsnetz transferiert wird.
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Vorteilhaft weist das Modul optional eine Steuerung auf, welche den Wert der Gleichspannung auf einen Wert einstellt. Das Modul ist mit der Steuereinrichtung und optional mit dem ersten Umrichter über eine technische Datenverbindung verbunden. Die Steuerung des Vorgangs der Ladung und Entladung des Energiespeichers erfolgt insbesondere dann durch mit Hilfe des Moduls, falls der Energiespeicher (und/oder ein optional vorhandener weiterer Energiespeicher) direkt an dem Zwischenkreis angeschlossen ist. Der Vorgang des Ladens des Energiespeichers aus dem Versorgungsnetz wird auch als Einspeisung bezeichnet. Der Vorgang des Entladens des Energiespeichers in das Versorgungsnetz wird auch als Rückspeisung bezeichnet.
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Vorteilhaft ist das Modul während des Vorgangs der Ladung des Energiespeichers ein Gleichrichter, wobei der Gleichrichter, ggf. durch einen ersten Umrichter unterstützt, bei Bedarf aus dem Stromnetz elektrische Energie entzieht und bei einem hohen Leistungsbedarf von zumindest einem Verbraucher Energie aus dem Energiespeicher entzieht und in das Stromnetz einspeist. Die Steuerung des Vorgangs der Ladung bzw. der Entladung des Energiespeichers kann im Zusammenspiel mit dem ersten Umrichter und/oder mit der Steuereinrichtung erfolgen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung speist der Zwischenkreis einen ersten Umrichter, wobei der Umrichter in Verbindung mit der Steuereinrichtung den Vorgang der Ladung und/oder Entladung steuert. Eine Steuerung durch einen ersten Umrichter erfolgt beispielsweise durch eine Einstellung der Ausgangsfrequenz und/oder der Ausgangsspannung des ersten Umrichters, die dieser dem Energiespeicher bereitstellt.
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Die Steuerung der Einspeisung und/oder der Rückspeisung der elektrischen Energie zwischen dem Stromnetz und dem Energiespeicher erfolgt mit einer Steuereinrichtung mit Hilfe des Moduls und/oder des ersten Umrichters.
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Die Ermittlungseinrichtung bestimmt die momentane Leistung, insbesondere den zeitlichen Verlauf der Leistung (Leistungsverlauf), die dem Stromnetz durch den Verbraucher oder die Verbraucher entnommen wird. Die Ermittlungseinrichtung misst die Spannung zwischen einzelnen Leitungen des Versorgungsnetzes und den elektrischen Strom, der durch die einzelnen Leitungen fließt. Bei einer Dreiphasenwechselspannung wird die Spannung (als Funktion der Zeit) bezüglich zwei Leitungen gegenüber der dritten Leitung ermittelt. Zusätzlich wird der Strom (als Funktion der Zeit) der Leitungen, insbesondere der ersten beiden Leitungen bestimmt. Die Bestimmung der Leistung erfolgt zu möglichst dicht gewählten Zeitabständen, so dass ein glatter Verlauf der elektrischen Leistung ermittelt werden kann.
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Die Ermittlungseinrichtung ermittelt vorteilhaft die (ungepufferte) Leistungsaufnahme des zumindest einen Verbraucher aus dem Versorgungsnetz, wobei die Ermittlungseinrichtung die Spannung und den Strom des Versorgungsnetzes vorteilhaft zwischen dem Modul dem Anschluss eines Verbrauchers an dem Versorgungsnetz ermittelt. Mit anderen Worten misst die Ermittlungseinheit den Strom und die Spannung des Versorgungsnetzes zwischen dem Modul ohne den Einfluss des erfindungsgemäßen Systems bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung. So kann sichergestellt werden, dass die Ermittlungseinheit die ungepufferte Leistungsaufnahme der Verbraucher aus dem Versorgungsnetz ermittelt.
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Unter der ungepufferten Leistungsaufnahme wird die Leistungsaufnahme des zumindest einen Verbrauchers aus dem Verbrauchers ohne den Einfluss des erfindungsgemäßen Systems verstanden.
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Unter der gepufferten Leistungsaufnahme wird die Leistungsaufnahme des zumindest einen Verbrauchers aus dem Versorgungsnetz bei Ausgleich der aufgenommenen Energie aus dem Versorgungsnetz durch erfindungsgemäßen Systems verstanden.
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Die Steuereinrichtung steuert anhand des Verlaufes der elektrischen Leistung die Einspeisung der elektrischen Energie in den Energiespeicher sowie die Rückspeisung der elektrischen Energie von dem Energiespeicher in das Versorgungsnetz. Bei einer hohen Leistungsaufnahme des zumindest einen Verbrauchers weist die Steuereinrichtung, das Modul und/oder den ersten Umrichter an, elektrische Energie aus dem Energiespeicher (und/oder optional dem weiteren Energiespeicher) zu entziehen und an das Versorgungsnetz abzugeben. So wird die Leistungsaufnahme von der ungepufferten Leistungsaufnahme zur gepufferten Leistungsaufnahme. Die gepufferte Leistungsaufnahme ist vor dem Anschluss des Moduls an das Versorgungsnetz ermittelbar.
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Die Erfindung eignet sich besonders gut, falls der zumindest eine Verbraucher ein Elektromotor ist, dessen Drehzahl konstant ist und die Leistungsaufnahme durch eine Bereitstellung unterschiedlicher Drehmomentwerte variiert. Solche Motoren kommen oft in Pressen vor.
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Für eine umfassende können auch eine erste Ermittlungseinheit nach dem Modul am Versorgungsnetz und eine zusätzliche zweite Ermittlungseinheit vor dem Modul die Leistungsaufnahme des zumindest einen Verbrauchers respektive die Leistungsaufnahme des Systems selbst ermitteln.
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In diesem Fall bestimmt die erste Ermittlungseinheit die ungepufferte Leistungsaufnahme und die zusätzliche zweite Ermittlungseinheit ermittelt die gepufferte Leistungsaufnahme.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Energiespeicher ein Schwungrad. Weiter ist vorteilhaft ein erster Umrichter zwischen dem Modul und dem Schwungrad vorgesehen.
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Ein Schwungrad (gelegentlich auch als Schwungradspeicher bezeichnet) speichert elektrische Energie aus dem Versorgungsnetz durch Umwandlung in kinetischer Energie, wobei beim Laden des Schwungrades das Schwungrad mit Hilfe einer dynamoelektrischen Maschine rotatorisch beschleunigt wird (zur Erhöhung der Winkelgeschwindigkeit). Bei Entladung des Energiespeichers mittels der dynamoelektrischen Maschine die kinetische Energie aus dem Schwungrad wieder in elektrische Energie umgewandelt wird. Je schneller das Schwungrad „entladen” wird, d. h. je schneller die kinetische Energie aus dem Schwungrad in elektrische Energie gewandelt wird, eine desto höhere Leistung kann aus dem Energiespeicher mit Hilfe des Moduls und ggf. des ersten Umrichters in das Versorgungsnetz abgegeben werden.
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Besonders vorteilhaft ist ein Schwungrad zur Speicherung kinetischer Energie, weil es besonders wartungsarm und preiswert herstellbar ist.
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Ein Schwungrad kann in einer besonders einfachen Ausgestaltung der Erfindung mit einem Gleichspannungsmotor ausgestattet sein. Dann erfolgt die Steuerung des Vorgangs der Ladung bzw. der Entladung über das Modul und die Steuerung des Vorgangs der Ladung und/oder der Entladung beispielsweise durch die Zwischenspannung und/oder durch eine Steuerung in dem Schwungradspeicher selbst. Der Gleichspannungsmotor für das Schwungrad wäre dann ohne ersten Umrichter zu betreiben
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Im Falle eines Schwungrades, welches einen Motor/Generator für Mehrphasenwechselspannung aufweist, ist eine Steuerung des Vorgangs der Ladung bzw. der Entladung durch den ersten Umrichter vorteilhaft.
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Der erste Umrichter ist der Frequenzumrichter/Wechselrichter, der den Zwischenkreis mit dem Schwungrad verbindet, vorteilhaft. Der Umrichter ist durch die (Vorgaben der) Steuereinrichtung steuerbar. Je nach vorgegebenem Vorgang (schnelles/langsames Laden bzw. Entladen) wird der Umrichter unterschiedlich in Frequenz, Stromausgang und/oder Spannungsverlauf von der Steuereinrichtung angesteuert.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ermittelt die Ermittlungseinrichtung die Leistungsaufnahme mittels einer Aron-Schaltung.
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Durch den Einsatz der bekannten Aron-Schaltung ist eine Bestimmung der Leistung, die durch das Versorgungsnetz den Verbrauchern zugeführt wird, einfach, sicher und mit wenigen Messgeräten möglich. Eine solche Aron-Schaltung ist für eine Ermittlungseinrichtung zur Bestimmung der Leistungsaufnahme in einem Versorgungsmetz, insbesondere für eine Dreiphasenwechselspannung gut geeignet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Übertragung der Leistungsaufnahme und/oder die Spannung bzw. der Strom der Dreiphasenwechselspannung in Echtzeit von der Ermittlungseinrichtung zur Steuereinrichtung erfolgt.
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Die gepufferte und/oder ungepufferte Leistungsaufnahme kann weiter in Echtzeit von der Steuereinrichtung zum Modul, zu dem ersten Umrichter und/oder optional zum zweiten Umrichter zur Übertragung vorgesehen sein. Eine Übertragung von Daten und/oder Steuervorgaben, z. B. der Leistungsaufnahme, zwischen Ermittlungseinrichtung, dem Modul, dem ersten Umrichter optional des zumindest einen zweiten Umrichters, und/oder der Steuereinrichtung erfolgt vorteilhaft in Echtzeit.
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Es ist weiter vorteilhaft, falls sowohl Übertragung, Bereitstellung sowie die Bearbeitung von Signalen in Echtzeit erfolgt.
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Insbesondere wird vorteilhaft die Leistungsaufnahme in Echtzeit von der Ermittlungseinrichtung und/oder Steuereinrichtung zu der Steuereinrichtung sowie weiter zum Modul, zum ersten und/oder zweiten Umrichter übertragen. Vorteilhaft werden weiter Zeitpunkte bzw. Zeitbereiche, insbesondere ersten und zweiten Zeitbereiche zur Ladung bzw. Entladung des Energiespeichers, in Echtzeit an das Modul und/oder die ersten und/oder die zweiten Umrichter übertragen. Insbesondere erfolgt die Ermittlung der Leistungsaufnahme sowie die Steuerung des ersten bzw. zweiten Umrichters in Echtzeit.
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Echtzeit wird hier so verstanden, dass ein Anstieg des Verbrauchers oder der Verbraucher ohne wesentliche Zeitverzögerung ermittelt wird und an die Steuereinrichtung bzw. das Modul, beispielsweise mittels einer technischen Datenverbindung, vorzugsweise Ethernet oder PROFI-NET, übertragen wird. Bei gängigen Produktionsmaschinen wie einer Presse erfolgt ein Anstieg der Leistungsaufnahme innerhalb von Millisekunden. Somit kann auch eine Übertragungszeit und/oder Reaktionszeit im Bereich von einigen Mikrosekunden bis bin zu 50 ms ausreichend sein. Die vorteilhafte Übertragungszeit richtet sich zudem auch nach der Art des verwendeten Energiespeichers sowie nach Art des/der Verbraucher(s).
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung weist die Steuereinrichtung eine vorliegende oder berechenbare zu erwartende ungepufferte Leistungsaufnahme auf oder erhält eine solche zu erwartende ungepufferte Leistungsaufnahme zugewiesen.
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Im Falle koordiniert zusammenwirkender Verbraucher kann die Steuereinrichtung eine zu erwartende Leistungsaufnahme von einer dafür vorgesehenen Stelle, beispielsweise der Gesamtsteuerung der Verbraucher, erhalten. Die Gesamtsteuerung dient dabei zur Steuerung der Verbraucher. Durch die Übertragung der zu erwartenden Leistungsaufnahme kann die Steuereinheit bzw. das Modul die Ladung bzw. die Entladung des Energiespeichers steuern. Bei einer zu erwartenden Abnahme der ungepufferten Leistungsaufnahme der Verbraucher wird der Energiespeicher geladen und/oder zum Laden vorbereitet und bei einer zu erwartenden Zunahme der ungepufferten Leistungsaufnahme.
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Die Geschwindigkeit des Vorgangs des Ladens und des Entladens kann z. B. der maximalen Geschwindigkeit des Ladens bzw. des Entladens des Energiespeichers entsprechen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gibt die Steuereinrichtung zur Ladung und/oder zur Entladung des Schwungrades das Drehmoment und/oder die Drehzahl des Schwungrades vor.
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Das Drehmoment bzw. die Drehzahl des Schwungrades ist durch die Frequenz, Amplitude und/oder Form der Wechselspannung des ersten Umrichters steuerbar bzw. regelbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zumindest ein Filter, insbesondere ein Tiefpassfilter, zur Glättung der ermittelten Leistungsaufnahme und/oder der ermittelten Spannungen/Ströme der einzelnen Phasen der Versorgungsspannung vorgesehen.
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Verbraucher können ggf. Störungen aufweisen oder das Versorgungsnetz kann ggf. Spannungsschwankungen aufweisen. Weiter sind Oberschwingungen in der Dreiphasenwechselspannung bzw. im Dreiphasenwechselstrom möglich. Diese, im Verhältnis zur Leistungssteigerung der Verbraucher, der eigentlich durch die Erfindung ausgeglichen werden soll, hochfrequenten Störungen können die Stabilität der Steuerung negativ beeinflussen. Ein Tiefpassfilter kann helfen, dass solche hochfrequenten Störungen, die ermittelt werden, nicht zu Instabilitäten der Steuereinrichtung führen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist zur Aufbereitung der ermittelten Ströme und/oder Spannungen des Versorgungsnetzes ein Filter, insbesondere eine Anti-Aliasing-Filter vorgesehen.
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Der Filter dient zur zum einen Unterdrückung von Störungen bei der Digitalisierung von der (analog) ermittelten Leistungsaufnahme.
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Beispielsweise bei der Digitalisierung der ermittelten Leistungsaufnahmen tritt ggf. der Aliasing-Effekt auf. Um den Aliasing Effekt zu unterbinden und die Funktionsfähigkeit der Steuerung zu verbessern, ist der Einsatz eines solchen Filters vorteilhaft.
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Zudem dient der Filter vorteilhaft Störungen von Schalthandlungen des Moduls und/oder der Umrichter aus den übertragenen Signalen herauszufiltern. So ist ein Bandpassfilter, dessen untere Grenzfrequenz höher als die Netzfrequenz und niedriger als die Schaltfrequenz des Moduls bzw. der Umrichter ist.
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Der Filter kann in die Ermittlungseinrichtung und/oder der Steuereinrichtung integriert sein. Die Ermittlungseinrichtung kann der Filter als Hardwareprodukt als Teil der Aron-Schaltung lokalisiert sein. In der Steuereinrichtung ist ggf. auch eine Realisierung als Teil des Steuerprogrammes möglich. Besonders vorteilhaft weisen die Filter einen gleichen Phasengang auf.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Steuereinrichtung zur Einhaltung der zulässigen Randbedingungen des Energiespeichers vorgesehen.
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Randbedingungen, insbesondere physikalische Randbedingungen, des Energiespeichers sind beispielsweise:
Maximaler Ladestrom, ein vorteilhafter Bereich einer Lade- bzw. Entladefrequenz, bei einem Schwungrad eine maximale Drehgeschwindigkeit bzw. Drehbeschleunigung, insbesondere bei einem Akkumulator (Batterie), eine maximale Lade- bzw. Entladegeschwindigkeit, ein extremaler Lade-/Entladestrom bzw. Lade-/Entladespannung; solche extremalen Parameter können vorteilhaft in dem System bzw. der Steuereinrichtung bereitgestellt werden. Solche Parameter können z. B. auch in einem Datenspeicher in dem Energiespeicher abrufbar und an die Steuereinrichtung übertragbar sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform dient eine Steuereinrichtung zur Steuerung einer Ladung und/oder Entladung eins Energiespeichers, insbesondere einem Schwungrad, zur Durchführung eines vorgenannten Verfahrens zum Energiemanagement.
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Die Steuerung (sowie auch eine Regelung) der Ladung bzw. Entladung des Energiespeichers, insbesondere des Schwungrades, erfolgt mit Hilfe der Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist vorteilhaft mit dem Modul und/oder mit der Ermittlungseinrichtung über eine technische Datenverbindung verbunden. Die Steuereinrichtung kann auch durch eine Recheneinheit mit einem AD/DA-Wandler (Analog-Digital-/Digital-Analog-Wandler) realisiert sein. Die Steuereinrichtung berechnet aus der zu erwartenden (z. B. interpolierten) Leistungsaufnahme und/oder der, mit der zumindest einen Ermittlungseinrichtung bestimmten Leistungsaufnahme der Verbraucher die Ladung bzw. Entladung des Energiespeichers mit dem Ziel, die Leistungsaufnahme zu Puffern. Insbesondere die momentane Leistung trägt zur Steuerung des erfindungsgemäßen Systems bei.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren näher beschrieben und erläutert. Die gezeigten Merkmale in den einzelnen Figuren können in beliebiger Weise durch den Fachmann einzeln oder auch in Kombination zur Lösung des vorgenannten Problems herangezogen werden.
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Es zeigen
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1 eine einfache Energieversorgung mit einem Energiespeicher,
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2 eine Darstellung der benötigten Leistung als Funktion der Zeit,
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3 eine Vorrichtung/ein System zum Energiemanagement,
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4 eine Anordnung zur Bestimmung der Leistungsaufnahme,
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5 die Leistungsaufnahme mehrerer Verbraucher aus dem Versorgungsnetz, sowie
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6 eine weitere Vorrichtung/ein weiteres System zum Energiemanagement.
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1 zeigt eine einfache Energieversorgung mit einem Energiespeicher 3. Ausgehend von einer Energieversorgung EV wird über ein Versorgungsnetz 23 Das Modul 15 ist hier ein Gleichrichter, welcher aus der Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 eine Gleichspannung erzeugt. Die Gleichspannung wird im Zwischenkreis 17 bereitgestellt. Als Energiespeicher 3 ist ein Schwungrad 3 über einen ersten Umrichter 5a an den Zwischenkreis angeschlossen. Der erste Umrichter 5a dient zur Umwandlung der Frequenz der Spannung für den Energiespeicher 3. Das Schwungrad 3 dient zur Pufferung der Spannung/der Energie des Zwischenkreises 17. An den zweiten Umrichter 5b, der ebenfalls an dem Zwischenkreis angeschlossen ist, ist ein Verbraucher 7 (hier ein Motor 7) angeschlossen. Bei einer hohen Leistungsaufnahme des Verbrauchers 7 sinkt die Gleichspannung im Zwischenkreis 17 und die im Energiespeicher 3 gespeicherte Energie fließt über den Zwischenkreis 17 dem Verbraucher 7 zu. So wird die Gleichspannung im Zwischenkreis 17 konstant gehalten. Bei einem geringen Leistungsbedarf des Verbrauchers 7 steigt die Spannung im Zwischenkreis 17 und der Energiespeicher 3 wird über den ersten Umrichter 5a mit zu speichernder Energie geladen.
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Die hier gezeigte Energieversorgung ist nicht notwendig aktiv zu steuern. Die Ladung bzw. Entladung des Energiespeichers aus bzw. in dem Zwischenkreis 17 erfolgt in dieser einfachen Ausgestaltung lediglich aufgrund der Höhe der Gleichspannung im Zwischenkreis 17.
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2 zeigt eine Darstellung der benötigten Leistung P als eine Funktion der Zeit t. Gezeigt ist die (ungepufferte) Leistungsaufnahme P_u(t) eines Verbrauchers 7 (oder mehrerer Verbraucher 7, 7', 7''), beispielsweise einer Presse 7. Der Verbraucher 7 weist zumindest zum Teil eine nicht gleichmäßige (ungepufferte) Leistungsaufnahme P_u(t) auf. Die Leistungsaufnahme P_u(t) weist eine hohe Maximalleistung auf, welche höher als die durchschnittliche Leistungsaufnahme Pa ist.
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Die gestrichelte Kurve zeigt eine (gepufferte) Leistungsaufnahme P_g(t) eines Verbrauchers 7 (oder mehrerer Verbraucher 7, 7', 7'') bei Einsatz einer Vorrichtung zum Energiemanagement. Durch den Einsatz einer Vorrichtung zum Energiemanagement wird aus der ungepufferten Leistungsaufnahme P_u(t) eine gepufferte Leistungsaufnahme P_g(t). Die gepufferte Leistungsaufnahme P_g(t) liegt in einem Leistungsbereich zwischen P_min und P_max.
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2 zeigt weiter auch die ersten Zeitbereiche dT_high und zweiten Zeitbereiche dT_low. Erste Zeitbereiche dT_high sind Zeitbereiche, in denen die ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t) höher als die (zeitlich) gemittelte Leistung Pa ist. Zweite Zeitbereiche dT_low sind Zeitbereiche, in denen die ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t) geringer als die gemittelte Leistung Pa ist.
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Die ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t) ist zeitbereichsweise höher als die gepufferten Leistungsaufnahme P_g(t). Dagegen ist die gepufferte Leistungsaufnahme P_g(t) zeitbereichsweise höher als die ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t). Der Wertebereich der gepufferten Leistungsaufnahme P_g(t) reicht von einer minimalen (gepufferten) Leistung P_min und einer maximalen (gepufferten) Leistung P_max. Die gemittelte Leistungsaufnahme der gepufferten Leistungsaufnahme P_g(t) sowie der ungepufferten Leistungsaufnahme P_u(t) ist die gemittelte Leistungsaufnahme Pa. Die gemittelte Leistungsaufnahme Pa ist ggf. für die gepufferte Leistungsaufnahme P_g(t) um eine geringe Verlustleistung höher als für die ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t).
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Die dargestellten Verläufe der Leistungsaufnahmen P_u(t), P_g(t) sind in der 2 lediglich schematisch, beispielsweise für eine Presse, gezeigt.
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3 zeigt eine Vorrichtung/ein System zum Energiemanagement 1 und mehrere Verbraucher 7, 7', 7''. Die Energieversorgung EV stellt eine Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 bereit. Die Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 wird über ein Modul 15 gleichgerichtet und dem Zwischenkreis 17 bereitgestellt. Das Modul 15 ist insbesondere ein Einspeise-/Rückspeisemodul. Das Modul ist über den Zwischenkreis 17 mit einem ersten Umrichter 5a verbunden. Der erste Umrichter 5a dient zur Spannungsversorgung des Energiespeichers 3 aus dem Zwischenkreis 17. Der Energiespeicher 3 speichert elektrische Energie in den Zeitbereichen, in denen die Verbraucher 7, 7', 7'' eine (geringe) Leistung (geringer als P_max) aufnehmen. Zusammen mit der Leistungsaufnahme des Energiespeichers 3, der über das Modul 15 und mit Hilfe des ersten Umrichters 5a mit Energie geladen wird erhöht sich die Leistungsaufnahme von der Energieversorgung EV in den zweiten Zeitbereichen dT_low leicht. In den zweiten Zeitbereichen dT_low dagegen ist die (ungepufferte) Leistungsaufnahme P_u(t) der Verbraucher 7, 7', 7'' geringer als die gepufferte Leistungsaufnahme P_g(t), welche die Energieversorgung EV in das Versorgungsnetz 23 einspeist.
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Optional ist ein weiterer Energiespeicher 3' direkt mit dem Zwischenkreis 17 verbunden. Der weitere Energiespeicher 3' kann auch ein Schwungrad mit einem Gleichspannungsmotor, einen Akkumulator, eine wiederaufladbare Batterie, oder ein Kondensator sein.
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Der weitere Energiespeicher ist vorteilhaft ein Energiespeicher, der ohne einen ersten Umrichter auskommt. Die Steuerung des Vorgangs der Ladung bzw. Entladung erfolgt mit Hilfe der Steuereinrichtung 19 über das Modul 15.
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Optional kann auch ein solcher weiterer Energiespeicher 3' den Energiespeicher 3 (das Schwungrad 3) und den ersten Umrichter 5a ersetzen, falls die Steuereinrichtung 15 und das Modul 15 die Pufferung der Leistungsaufnahme P_g(g) aus dem Versorgungsnetz 23 zu übernehmen vermag.
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Falls die Verbraucher 7, 7', 7'' eine höhere Leistungsaufnahme zeigen, beispielsweise die Maximalleistung in Teilen der ersten Zeitbereiche dT_high aufnehmen, so wird mit Hilfe des ersten Umrichters 5a die gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher 3 wieder an den Zwischenkreis 17 abgegeben. Mit Hilfe des Moduls 15, welches nun als Rückspeisemodul dient, wird die Energie aus dem Zwischenkreis 17 wieder in das Versorgungsnetz 23 eingebracht. Das Versorgungsnetz 23 wird von der Energieversorgung EV gespeist. Weiter sind drei Verbraucher 7, 7', 7'' jeweils über zweite Umrichter 5b an das Versorgungsnetz angeschlossen. Das Versorgungsnetz versorgt die Verbraucher mit einer Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3. Die Leistungsaufnahme der Verbraucher wird mittels einer Ermittlungseinrichtung 21 bestimmt. Die Ermittlungseinrichtung 21 ermittelt die Leistungsaufnahme der Verbraucher 7, 7', 7'' in dichter Abfolge von Zeitabständen (beispielsweise jede Millisekunde). Die Ermittlung erfolgt durch Messung der Ströme und Spannungen der einzelnen Phasen der Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3. Optional kann die Ermittlungseinheit 21 die momentane und/oder zu erwartende Leistungsaufnahme aus den weiteren Umrichter 5b der Verbraucher 7, 7', 7'' erhalten. Dies ist mit der gestrichelten Verbindungslinie von den weiteren Umrichtern 5b zu der Ermittlungseinrichtung 19 symbolisiert. In diesem Beispiel ist es auch möglich, dass die zweiten Umrichter 5b eine feste Ausgangsfrequenz aufweisen. So können beispielsweise Motoren 7, 7', 7'' mit einer konstanten Drehzahl (aber unterschiedlicher Belastung) betrieben werden.
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Die Ermittlungseinrichtung 21 ist durch eine technische Datenverbindung mit einer Steuereinheit 19 verbunden. Die Steuereinrichtung 19 steuert den ersten Umrichter 5a und/oder das Modul.
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Das Modul 15 kann analog einem Umrichter 5a, 5b aufgebaut sein. Als Modul 15 wird die Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 aus dem Versorgungsnetz 23 zur Einspeisung in den Zwischenkreis 17 in Gleichspannung gewandelt und dem Zwischenkreis 17 zur Verfügung gestellt. Der Zwischenkreis 17 dient als Spannungsversorgung für den ersten Umrichter 5a, mit dessen Hilfe der Energiespeicher 3, hier ein Schwungrad 3, angetrieben wird. Als Rückspeisemodul 15 kann das Modul 15 die elektrische Energie aus dem Zwischenkreis 17 in die Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 umwandeln. Der Zwischenkreis 17 wird im Falle einer Rückspeisung des Energiespeichers 3 mit Hilfe des ersten Umrichters 5a mit elektrischer Energie versorgt. Der Energiespeicher 3 wird dabei entladen und kann in einem späteren Zeitbereich wieder zur Speicherung von elektrischer Energie eingesetzt werden.
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Die Steuerung des ersten Umrichters 5a und/oder des Moduls 15 erfolgt mit Hilfe der Steuereinrichtung 19. Zur Steuerung werden Signale mittels einer technischen Datenverbindungen von der Steuereinrichtung 19 zu dem Modul 15 und/oder zu dem ersten Umrichter 5a übertragen. Es kann auch die Spannung des Zwischenkreises 17 mittels des ersten Umrichters 5a, des Moduls 15 und/oder einer (nicht dargestellten) weiteren Messeinrichtung an die Steuereinrichtung 19 übertragen werden.
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Die Steuereinrichtung 19 ist mit einer technischen Datenverbindung mit der Ermittlungseinrichtung 21 verbunden. Die Ermittlungseinrichtung 21 dient zur Ermittlung der Spannung und des Stroms der einzelnen Phasen der Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 als Funktion der Zeit t. Durch eine Ermittlung des Stroms und der Spannung der einzelnen Phasen L1, L2, L3 (zueinander), ist die Leistungsaufnahme P_u(t) der Verbraucher 7, 7', 7'' zu berechnen. Vorteilhaft ist die Steuereinrichtung 19 und/oder die Ermittlungseinrichtung 21 mit der Gesamtsteuerung 2 der Verbraucher 7, 7', 7'' verbunden. Falls die Gesamtsteuerung 2 einen Folgeplan zur Abfolge von Aktionen der Verbraucher, z. B. der einzelnen Verbraucher 7, 7', 7'', d. h. die zu erwartenden Leistungsaufnahmen P_u(t), P_g(t) gespeichert hat oder diese im Voraus berechnen kann, so kann diese ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t), insbesondere für die zu erwartende ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t) zur Steuereinrichtung 19, zur Ermittlungseinheit 19 und/oder zum Modul 15 übertragen werden. Unter der zu erwartenden (gepufferten/ungepufferten) Leistungsaufnahme P_u(t), P_g(t) versteht man die Leistungsaufnahme zu einem späteren Zeitpunkt oder in einem später erfolgenden Zeitbereich. Anhand eines zu erwartenden und/oder ermittelten Leistungsanstiegs bzw. Abfalls der Leistung (Anstieg bzw. Abfall der Leistungsaufnahme) kann die Steuereinrichtung 19 mit Hilfe des Moduls 15 bzw. des ersten Umrichters 5a den Energiefluss von dem Energiespeicher 3 zum Versorgungsnetz 23 und umgekehrt regeln.
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Mittels der technischen Datenverbindung wird der Spannungsverlauf sowie ggf. der zukünftig zu erwartende Spannungsverlauf von der Steuereinrichtung 19 zum Modul 15, zum ersten Umrichter 5a, zu den zweiten Umrichter 5b, und zu der Gesamtsteuerung 2 hin und zurück übertragen. Die Übertragung findet vorteilhaft in Echtzeit, vorzugsweise mit einer Taktfrequenz im Kiloherzbereich (> 1 kHz) statt.
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Im Falle eines Anstiegs der Leistungsaufnahme P_u(t) von zumindest einem der Verbraucher 7, 7', 7'' wird der Anstieg der Leistungsaufnahme P_u(t) festgestellt. Die Information über den Leistungsanstieg wird an die Steuereinrichtung 19, vorteilhaft in Echtzeit, übertragen. Die Steuereirichtung 21 überträgt, vorteilhaft in Echtzeit, ein Signal an das Modul und/oder an den ersten Umrichter 5a zur Rückspeisung der in dem Energiespeicher 3 gespeicherten elektrischen Energie zu einer Verminderung der Maximalleistung P1, die die Energieversorgung EV aufbringen muss. Die mittels dieses Energiemanagementsystems 1 reduzierte Maximalleistung P2 senkt vorteilhaft die (kurzzeitige) Belastung der Energieversorgung.
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4 zeigt eine Anordnung zur Bestimmung der Leistungsaufnahme P_u(t), P_g(t), insbesondere der Verbraucher 7, 7', 7''. Die Bestimmung der Leistungsaufnahme P_u(t), P_g(t) erfolgt durch eine Bestimmung der Spannung zwischen den Phasen L1 und L2 sowie durch die Bestimmung der Phasen L3 und L2. Die Bestimmung erfolgt vorteilhaft in sehr kurzen Zeitabständen, beispielsweise in einem Zeitabstand von etwa einer Millisekunde, mit einem Spannungsmessmodul 33. Zur Bestimmung der Spannung wird diese an zwei der Phasen L1, L2, L3 ermittelt. Strom wird an jeweils einer Phase L1, L2, L3 ermittelt. Durch diese schnelle Bestimmung der Spannung zwischen den einzelnen Phasen L1 und L2 bzw. L3 und L2 der Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 kann der Spannungsverlauf zwischen den einzelnen Phasen der Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 erfolgen.
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Die Schaltanordnung entspricht einer Aron-Schaltung. Die Leistung des Verbrauchers 7 bzw. der Verbraucher 7', 7'' wird so als Funktion der Zeit t messbar.
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Die ermittelten Spannungen und Ströme der Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 werden zu der Ermittlungseinrichtung 21 übertragen. Die Ermittlungseinrichtung 21 ist mit der Steuereinrichtung 19 verbunden. Die Ermittlungseinrichtung 21 und die Steuereinrichtung 21 können, wie gezeigt, eine Einheit bilden.
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Weiter wird mit Hilfe eines Strommessmoduls der Strom durch die Phasen L1 und L3 der Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 der momentane Strom ermittelt, der durch die einzelnen Phasen der Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 von der Energieversorgung zu den Verbrauchern 7, 7', 7'' transportiert wird. Durch eine schnelle Abtastrate der Spannung und des Stroms der Dreiphasenwechselspannung L1, L2, L3 erlaubt sichere Ermittlung des Anstieges des Verlaufes der (ungepufferten) Leistungsaufnahme P_u(t) um diese möglichst schnell in Ihrer Maximalleistung P1 zu einer reduzierten Maximalleistung P2 zu begrenzen.
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Durch die schnelle Ermittlung der Spannung/des Stromes kann zudem eine Bestimmung des Verhältnisses von Wirkleistung zu Blindleistung erfolgen und ggf. mit Hilfe eines weiteren Moduls, optional in Echtzeit, vorteilhaft verschoben werden.
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5 zeigt die Leistungsaufnahme mehrerer Verbraucher 7, 7', 7'' aus dem Versorgungsnetz 23, wobei die Verbraucher 7, 7', 7'' (in ihrer Gesamtheit) in unterschiedlichen Zeitbereichen dT_high, dT_low einen unterschiedlichen Leistungsbedarf aufweisen. Hierbei gibt es erste Zeitbereiche dT_high, in denen die ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t) höher als eine durchschnittliche Leistungsaufnahme Pa ist. Weiter gibt es zweite Zeitbereiche dT_low, in denen die ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t) geringer als die durchschnittliche Leistungsaufnahme Pa liegt. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme Pa ist durch eine (zeitliche) Mittelung der ungepufferten Leistungsaufnahme P_u(t) bestimmbar. Die durchschnittliche Leistungsaufnahme ist zeitbereichsweise konstant, kann aber in Bereichen starker Änderungen der Leistungsaufnahme P_u(t), P_g(t) auch angepasst werden. Die Bestimmung der durchschnittlichen Leistungsaufnahme Pa kann beispielsweise mit einem Proportional-Integral-Regelkreis (PI-Regelkreis) oder einem Proportional-Integral-Differential-Regelkreis (PID-Regelkreis) bestimmt und/oder zeitbereichsweise konstant gehalten werden.
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Die durch den Einsatz der Vorrichtung zum Energiemanagement wird die, von dem Versorgungsnetz abgegebene Leistungsaufnahme (gepufferte Leistungsaufnahme) P_g(t) begrenzt. Die gepufferte Leistungsaufnahme P_g(t) kann von einer oberen Begrenzung P_max und einer unteren Begrenzung P_min begrenzt werden. In der gezeigten vorteilhaften Ausführungsform verläuft die gepufferte Leistungsaufnahme P_g(t) innerhalb der maximalen Leistungsaufnahme P_max und der minimalen Leistungsaufnahme P_min aus dem Versorgungsnetz 23. Die Größe des Leistungsbereiches dP richtet sich nach der Güte der Vorrichtung zum Energiemanagement. Je größer die Energiespeicherkapazität des Energiespeichers 3 und je schneller die Steuereinrichtung 19, das Modul 15, der Energiespeicher 3 in Aufnahme und Abgabe der Energie, und/oder die Ermittlungseinrichtung 23, desto kleiner kann der Bereich zwischen P_mim und P_max der gepufferten Leistungsaufnahme P_g(t) aus dem Versorgungsnetz 23 ausfallen.
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Die Steuereinrichtung 19, der erste Umrichter 5a und/oder das Modul 15 weisen vorteilhaft folgende Fähigkeiten auf:
- – Erzeugung einer Vorgabe einer Ladegeschwindigkeit und/oder einer Endladegeschwindigkeit für den Energiespeicher 3. Im Falle eines Schwungrades 3 als Energiespeicher 3 entspricht die Ladegeschwindigkeit bzw. die Entladegeschwindigkeit einer Bremsvorgabe bzw. einer Beschleunigungsvorgabe der (rotierenden) Masse des Schwungrades.
- – Die Beschleunigungsvorgabe bzw. Bremsvorgabe erfolgt vorteilhaft als eine Drehmomentvorgabe. Die Drehmomentvorgabe ist mit der, durch das Schwungrad 3 aufgenommenen/abgegebenen Leistung als Leistungsaufnahme/Leistungsabgabe (entspricht einer Energieabgabe/Energieaufnahme) wie durch Leistung als Produkt des Drehmomentes (des Schwungrades) und der Drehgeschwindigkeit (Winkel in rad pro Sekunde) proportional.
- – Eine Beachtung bautechnischer Randbedingungen des Energiespeichers 3 sowie der weiteren Elemente, z. B. des Moduls 15, und/oder der Umrichter 5a, 5b. Bei einem Schwungrad 3 als Energiespeicher 3 kann dies die Beachtung der minimal zulässigen Drehzahlen oder Spannungsbegrenzungen/Strombegrenzungen bei den Umrichtern 5a, 5b, insbesondere des ersten Umrichters 5a sein sowie die maximal zulässige Leistung des Elektromotors, der mit dem Schwungrad verbunden ist.
- – Vorzugsweise weist die Steuereinrichtung 19 und/oder die Ermittlungseinrichtung 21 ein Filter, insbesondere ein Tiefpassfilter, vorzugsweise ein Anti-Aliasing-Filter, auf. So kann verhindert werden, dass Schwebungen und/oder Interferenzen des Signals der technischen Datenverbindung, der Ermittlungseinrichtung 21 und/oder der Steuereinrichtung 19 mit der Pulsweitenmodulation des Moduls 15 bei der Einspeisung/Rückspeisung in den Energiespeicher erfolgen.
- – Die Messung und die Verarbeitung von Messsignalen sowie deren Übertragung erfolgt vorzugsweise in Echtzeit. Echtzeit kann hier auch eine Übertragungsgeschwindigkeit von einigen Byte pro Millisekunde bedeuten.
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6 zeigt ein weiteres System, insbesondere zur Entlastung des Versorgungsnetzes 23. Das in 6 gezeigte System weist einige Merkmale des Systems auf, das in 3 gezeigt ist. Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Beispiel weist das in 6 gezeigte System keine zweiten Umrichter 5b auf. Dass heißt, die Verbraucher 7, 7', 7'' sind direkt an das Versorgungsnetz 23, als an die ein einzelnen Phasen L1, L2, L3 des Versorgungsnetz 23 angeschlossen. Vorteilhaft ist eine solche Ausführung der Erfindung, falls die Verbraucher 7, 7', 7'' Elektromotoren sind, die mit einer konstanten Drehzahl betrieben werden. Eine unterschiedliche Leistungsaufnahme P_u(t) der Verbraucher 7, 7', 7'' folgt aus einer zeitlichen Veränderung des benötigten Drehmoments des Elektromotors. Die Verbraucher 7, 7', 7'' sind mit der Gesamtsteuerung 2 verbunden. Die Gesamtsteuerung steuert/regelt die Funktion der Verbraucher 7, 7', 7''. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet dieser Ausführung ist eine Presse, insbesondere eine hydraulische Pressen oder bei Pressen mit einem Stößelantrieb, der mit einer konstanten Geschwindigkeit läuft. Die Steuereinrichtung 19 ist mit einer technischen Datenverbindung mit der Gesamtsteuerung 2 verbunden.
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Die Bestimmung der ungepufferten Leistungsaufnahme P_u(t) erfolgt durch die Ermittlungseinrichtung 21. Nicht gezeigt ist eine mögliche weitere Ermittlungseinrichtung 21, welche an die einzelnen Phasen L1, L2, L3 des Versorgungsnetzes 23 die gepufferte Leistungsaufnahme P_g(t) ermitteln kann. Die weitere Ermittlungseinrichtung wäre am Versorgungsnetz 23 zwischen der Energieversorgung EV und dem Modul 15 lokalisiert.
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Die Gesamtsteuerung 2 dient zur Ansteuerung der Verbraucher 7, 7', 7''. Somit weist die Gesamtsteuerung 2 Informationen über die ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t) auf. Diese Informationen kann die Gesamtsteuerung 2 auf an die Steuereinrichtung 19 weitergeben. Die Steuereinrichtung kann die Informationen zur ungepufferten Leistungsaufnahme P_u(t) insbesondere bei einem Ausfall der Ermittlungseinrichtung 21 nutzen, um das Versorgungsnetz 23 und die Energieversorgung EV zu entlasten.
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Falls die eine Ermittlungseinrichtung 21 die Leistungsaufnahme vor dem Modul 15 aufnimmt, so misst die die gepufferte Leistungsaufnahme P_g(t). Die gemessene gepufferte Leistungsaufnahme P_g(t) kann zur Überwachung der Funktion des Systems bzw. der Vorrichtung herangezogen werden.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren zum Energiemanagement. Die Vorrichtung weist eine Ermittlungseinrichtung 21, eine Steuereinrichtung 19, einen Energiespeicher 3, insbesondere ein Schwungrad 3 sowie ein Modul 15 zur Einspeisung/Rückspeisung von elektrischer Energie von einem Versorgungsnetz 23 in den Energiespeicher 3 auf. Weiter sind Verbraucher 7, 7', 7'', beispielsweise eine Presse 7, mit dem Stromnetz 23 verbunden. Durch eine Steuereinrichtung 19 lassen sich Leistungsspitzen in der (ungepufferten) Leistungsaufnahme P_u(t) drosseln, wobei elektrische Energie in dem Energiespeicher 3 gespeichert und mit Hilfe eines Moduls 15 und der Steuerungseinheit 19 bei Bedarf zur Unterstützung der Energieversorgung EV in das Versorgungsnetzes 23 eingespeist wird. Vorteilhaft steuert die Steuereinrichtung 19 die Einspeisung und Rückspeisung elektrischer Energie sobald ein Anstieg der Leistungsaufnahme P_u(t), P_g(t) der Verbraucher 7, 7', 7'' mit Hilfe der Ermittlungseinrichtung 21 festgestellt worden ist. Durch diese Steuereinrichtung 19 wird die ungepufferte Leistungsaufnahme P_u(t) gepuffert und es können Leistungsspitzen bei der Energieversorgung EV vorteilhaft reduziert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006033562 B3 [0004]
