DE102010025647A1

DE102010025647A1 - Vorrichtung und Verfahren zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung

Info

Publication number: DE102010025647A1
Application number: DE201010025647
Authority: DE
Inventors: Matthias Wahler; Alexander Schmitt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2011-12-15

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung (100) zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung, wobei die Vorrichtung (100) zur Versorgung mindestens eines elektrischen Antriebs (150) mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz (110) ausgebildet ist. Die Vorrichtung (100) umfasst eine Pufferkapazität (220) und einen Gleichspannungs-Zwischenkreis (140, 210), der ausgebildet ist, um über eine erste Schnittstelle (200a) mit der Pufferkapazität (220) gekoppelt zu werden oder der über die erste Schnittstelle mit der Pufferkapazität gekoppelt ist. Schließlich umfasst die Vorrichtung (100) eine zweite Schnittstelle (200b), über den der Gleichspannungs-Zwischenkreis (140, 210) mit dem Energieversorgungsnetz (110) koppelbar oder gekoppelt ist, wobei die zweite Schnittstelle (200b) ausgebildet ist, um einen Stromfluss zwischen dem Energieversorgungsnetz (110) und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (140, 210) zu begrenzen, wenn die Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (140, 210) einen Wert aufweist, der innerhalb eines Soll-Spannungsbereiches liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen.
Bei der Energieversorgung von elektrischen Maschinen tritt oftmals ein Problem auf, wenn diese Maschinen eine ungleichmäßige Belastung erfahren. In diesem Fall wird ein Energieversorgungsnetz, das die betreffende(n) elektrischer Maschine(n) mit elektrischer Energie versorgt, ebenfalls ungleichmäßig belastet, so dass in diesem Versorgungsnetz ohne entsprechende Kompensationsmaßnahmen Schwankungen, beispielsweise in Form von Spannungsschwankungen auftreten können. Dies wirkt sich jedoch sehr nachteilhaft auf weitere elektrische Anlagen aus, die ebenfalls am betroffenen Energieversorgungsnetz angeschlossen sind.
Um solche derart nachteilhaften Rückwirkungen auf ein elektrisches Energieversorgungsnetz zu vermeiden, kann eine Versorgungseinheit verwendet werden, die einen Gleichspannungs-Zwischenkreis aufweist, über welche solche Schwankungen abgefangenen werden können, die durch eine ungleichmäßige Belastung der elektrischen Maschine(n) verursacht werden. Beispielsweise verwendet die in der Druckschrift DE 10 2006 033 562 B3 offenbarte Anlage einen solchen Gleichspannungs-Zwischenkreis in Verbindung mit einem entsprechenden Schwungradspeicher. In anderen Varianten von Versorgungseinheiten kann beispielsweise bei einer ruckfreien Belastung der elektrischen Maschine eine Zwischenkreisspannung auftreten, die durch einen schnellen kurzfristigen Leistungsbedarf um ihren Nominalwert Volt schwankt. Um eine für das Versorgungsnetz möglichst rückwirkungsfreie Energieversorgung der elektrischen Maschine oder des elektrischen Antriebs zu ermöglichen, ist jedoch ein höherer Projektierungsaufwand erforderlich, da der zeitliche Leistungsverlauf bzw. Energiebedarf für einen Betriebszyklus der elektrischen Maschine zu betrachten ist und nicht wie bisher nur die Spitzenleistungen, die von der Maschine oder dem Antrieb aufgenommen werden. Wird eine solche Versorgungseinheit nicht adäquat ausgelegt, ist mit starken Netzrückwirkungen für elektrische Antriebe bei hohen Leistungsspitzen zu rechnen.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung sowie ein verbessertes Verfahren zur intelligenten Netzleistungsregulierung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung, wobei die Vorrichtung zur Versorgung mindestens eines elektrischen Antriebs mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung folgende Merkmale aufweist:

– eine Pufferkapazität;
– einen Gleichspannungs-Zwischenkreis, der ausgebildet ist, um über eine erste Schnittstelle mit der Pufferkapazität gekoppelt zu werden oder der über die erste Schnittstelle mit der Pufferkapazität gekoppelt ist; und
– eine zweite Schnittstelle, über den der Gleichspannungs-Zwischenkreis mit dem Energieversorgungsnetz koppelbar oder gekoppelt ist, wobei die zweite Schnittstelle ausgebildet ist, um einen Stromfluss zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis zu begrenzen, wenn die Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis einen Wert aufweist, der innerhalb eines Soll-Spannungsbereiches liegt.

Ferner schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung, wobei das Verfahren eine Vorrichtung zur Versorgung mindestens eines elektrischen Antriebsmotors mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz aufweist, wobei die Vorrichtung eine Pufferkapazität und einen Gleichspannungs-Zwischenkreis aufweist, der ausgebildet ist, um über eine erste Schnittstelle mit der Pufferkapazität gekoppelt zu werden oder der über die erste Schnittstelle mit der Pufferkapazität gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung ferner eine zweite Schnittstelle aufweist, über die der Gleichspannungs-Zwischenkreis mit dem Energieversorgungsnetz koppelbar oder gekoppelt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Bestimmen der Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis; und
– Begrenzen eines Stromflusses zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis über die zweite Schnittstelle, wenn die Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises einen Wert aufweist, der innerhalb eines Soll-Spannungsbereiches liegt.

Die vorliegende Erfindung schafft auch eine Vorrichtung oder ein Steuergerät, die/das ausgebildet ist, um die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen bzw. umzusetzen. Insbesondere kann das Steuergerät oder die Vorrichtung Einheiten umfassen, die ausgebildet sind, um die Schritte des Verfahrens auszuführen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden.
Unter einem Steuergerät oder einer Vorrichtung kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensor- oder Steuersignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon andere Steuersignale ausgibt oder einen Leistungsfluss reguliert. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellenbeispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.
Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der beispielsweise auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und der zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, wenn das Programm auf einem Steuergerät ausgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass nun Gleichspannungskondensatoren, die in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis eingesetzt werden, nun als Energiespeicher durch die schwankende Zwischenkreisspannung genutzt werden können, wobei zugleich eine Begrenzung der netzseitigen Ströme bzw. Leistungen möglich ist. Durch die Begrenzung eines vom Energieversorgungsnetz in den Gleichspannungs-Zwischenkreis fließenden Stromes kann erreicht werden, dass auch bei einer ungleichmäßigen Belastung des elektrischen Antriebs (bzw. Antriebsmotors) keine stark schwankende Leistungsaufnahme aus dem Energieversorgungsnetz erfolgt. Vielmehr wird durch das Zulassen der größeren Schwankungsbreite der (Gleich-)Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis ermöglicht, dass die Vorrichtung oder Versorgungseinheit eine möglichst kontinuierliche Leistungsaufnahme vom Energieversorgungsnetz in den Gleichspannungs-Zwischenkreis sicherstellt. Die von der elektrischen Maschine oder dem elektrischen Antrieb benötigte Energie kann von der Pufferkapazität oder den Pufferkapazitäten (für die im Nachfolgenden der Einfachheit halber auch im Singular als Pufferkapazität bezeichnet wird) des Gleichspannungs-Zwischenkreises ausgeglichen werden. Weiterhin kann auch eine Ausnutzung einer Feldschwächung bei elektrischen Antrieben erfolgen, um bei schwankender Zwischenkreisspannung keine Einschränkungen hinsichtlich des Drehzahlbereiches der Antriebe, d. h. der vom Versorgungsnetz zu speisenden Antriebe (EMK-Spannung) in Kauf nehmen zu müssen.
Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass der hier vorgestellte Ansatz eine Vorrichtung bereitstellt, die leicht an bestehende Anlagen (unabhängig von den jeweiligen Steuerungen) nachrüstbar ist, da der hier vorgeschlagene Ansatz antriebsbasiert ist. Insbesondere kann eine Pufferkapazität einfach an den Gleichspannungs-Zwischenkreis auch nachträglich angeschlossen werden. Auch lässt sich eine Reduktion von Netzspitzenleistungen einfach durchführen und es wird vorteilhaft eine Energiepufferung bei einem Nothalt der Maschine auf technisch einfache Weise realisierbar. Ferner wird auch ein geregeltes Stillsetzen einer Maschine insbesondere auch bei einem Ausfall des Energieversorgungsnetzes möglich. Der Betrieb der Maschine bzw. eines Antriebs kann weiterhin auch bei schlechten Netzen (d. h. bei sporadischem Netzausfall) weitgehend sichergestellt werden. Zusätzlich können auch geringere Kabelquerschnitte für elektrische Leitungen für den Anschluss der elektrischen Maschine oder des Antriebs an das Energieversorgungsnetz verwendet werden, wodurch auch kleinere Schütze und Sicherungen auf Netzseite verbaut werden brauchen. Insgesamt führt der hier vorgeschlagene Ansatz zu geringeren Netzrückwirkungen bei ungleichmäßiger Belastung der Maschine(n), wodurch sich auch reduzierte Leistungsverluste P_v im üblicherweise zu verwendenden Netzfilter und der Netzdrossel (gemäß der Formel P_v = 3·I_eff ²·R) einstellen. Somit führen die hier vorgeschlagenen Maßnahmen zu einem robusteren Regelverhalten der Vorrichtung zur intelligenten Netzleistungsregulierung bei „unsauberen” Netzen und einem geringeren Energieverlust bei Betrieb der Antriebe.
Gemäß einer günstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zweite Schnittstelle ausgebildet sein, um einen Stromfluss von dem Energieversorgungsnetz in den Gleichspannungs-Zwischenkreis und/oder den Stromfluss von dem GleichspannungsZwischenkreis in das Energieversorgungsnetz zu begrenzen. Auf diese Weise wird vorteilhaft nicht nur eine Netzbelastung durch eine hohe Leistungsentnahme aus dem Energieversorgungsnetz verhindert, sondern es kann auch eine starke Beanspruchung bei einer übermäßigen Rückspeisung von Energie aus dem Gleichspannungs-Zwischenkreis in das Energieversorgungsnetz vermieden werden.
Vorteilhaft ist es auch, wenn die zweite Schnittstelle ausgebildet ist, um den Stromfluss zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis auf einen Spitzenstrom zu begrenzen, der das Zwei- bis Fünffache, insbesondere das 2,5-fache eines maximal zulässigen Dauerstromes über die zweite Schnittstelle beträgt. Auf diese Weise kann ein Stromfluss bzw. einen Leistungszufluss auf einen Wert begrenzt werden, der üblicherweise von dem Energieversorgungsnetz ohne größere Probleme, d. h. ohne Netzrückwirkungen aufgenommen werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zweite Schnittstelle ausgebildet sein, um die Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises auf einen Sollwert zu regeln, insbesondere die Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises dann auf den Sollwert zu regeln, wenn die Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises vor dem Regeln außerhalb des Soll-Spannungsbereiches lag. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch den vorbestimmten Soll-Spannungsbereich die volle Energiespeicherfähigkeit der Pufferkapazität möglichst gut ausgenutzt werden kann.
Um möglichst flexibel auf eine Schwankung des Leistungsbedarfs des Antriebs oder eines elektrischen Motors reagieren zu können und zugleich eine harte Begrenzung des Stromflusses zu vermeiden, kann die zweite Schnittstelle gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgebildet sein, um eine Strombegrenzungsschwelle, die einen maximalen Stromfluss zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis repräsentiert, anzuheben, wenn ein Spannungspegel der Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis außerhalb des Soll-Spannungsbereiches liegt.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die Pufferkapazität für die Aufnahme einer Spannung bis zu der für eine nachgeschaltete Leistungselektronik, welche den anschließbaren elektrischen Antrieb mit Leistung versorgt, zulässige Spannung ausgelegt sein und ein Energiespeichervermögen aufweisen, das in Abhängigkeit von einer maximalen Energieaufnahme oder Energieabgabe des zumindest einen elektrischen Antriebs dimensioniert ist, wobei das Energiespeichervermögen der Pufferkapazität insbesondere ausgelegt ist, um eine fehlerfreie Stillsetzung des elektrischen Antriebsmotors bei einem Ausfall des Energieversorgungsnetzes sicherzustellen. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass durch eine derart ausgestaltete Pufferkapazität einerseits sichergestellt ist, dass diese einerseits zum Betrieb als Energiespeicher für den Antrieb ausgelegt ist und andererseits auch ausreichend Energie aufnehmen kann, um eine geregelte Stillsetzung des Antriebs ohne die Gefahr von Beschädigungen am Antrieb oder einer vom Antrieb betriebenen Anlage zu ermöglichen.
Damit insbesondere hohe Energiemengen von dem Gleichspannungs-Zwischenkreis aufgenommen oder abgegeben werden können, kann ferner ein Schwungradspeicher vorgesehen sein, wobei der Schwungradspeicher ausgebildet ist, um über den Gleichspannungs-Zwischenkreis mit elektrischer Energie versorgt zu werden oder um elektrische Energie an den Gleichspannungs-Zwischenkreis zurückzuliefern. Ein Schwungrad-Speicher bietet die Möglichkeit deutlich mehr Energie aufnehmen zu können als eine Pufferkapazität, wobei jedoch auch andererseits die Speicherverluste bei einem solchen Schwungrad-Speicher größer sind als bei einer Pufferkapazität und der Schwungrad-Speicher auch gegenüber einer Pufferkapazität eine zeitlich größere Verzögerung bei der Energieaufnahme oder Energieabgabe aufweist.
Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des vorstehend beschriebenen Ansatzes in einer Automatisierungstechnik-Vorrichtung, insbesondere einer Pressvorrichtung, Werkzeugmaschine, oder Fertigungsmaschine, die eine Vorrichtung zur intelligenten Netzleistungsregulierung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist. In einem solchen Anwendungsgebiet kann die hier vorgestellte Erfindung ihren optimalen Nutzen entfalten.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Einsatzszenarios eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur intelligenten Netzleistungsregulierung, wie die gemäß einem Ausführungsbeispiel zur vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
3 Diagramme zu zeitlichen Verläufen von unterschiedlichen elektrischen Parameterwerten bei dem Einsatz eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 Diagramme zu zeitlichen Verläufen von unterschiedlichen elektrischen Parameterwerten bei dem Einsatz eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
5 ein Diagramm von unterschiedlichen Spannungswertebereichen in dem Gleichspannungsteil des Gleichspannungs-Zwischenkreises, wobei diese Spannungswertebereiche zur Regelung der Vorrichtung verwendet werden können; und
6 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren.
Gleiche oder ähnliche Elemente können in den Figuren durch gleiche oder ähnliche Bezugszeichen versehen sein, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird. Ferner enthalten die Figuren der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche zahlreiche Merkmale in Kombination. Einem Fachmann ist dabei klar, dass diese Merkmale auch einzeln betrachtet werden oder sie zu weiteren, hier nicht explizit beschriebenen Kombinationen zusammengefasst werden können. Weiterhin ist die Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung unter Verwendung von unterschiedlichen Maßen und Dimensionen erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Maße und Dimensionen eingeschränkt zu verstehen ist. Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder” Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal/Schritt und einem zweites Merkmal/Schritt, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal/den ersten Schritt als auch das zweite Merkmal/den zweiten Schritt und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal/Schritt oder nur das zweite Merkmal/Schritt aufweist.
In allen Applikationen in denen ein oder mehrere elektrische Antriebe an einem gemeinsamen von einem Energieversorgungsnetz gespeisten Zwischenkreis (beispielsweise über eine DC-Kopplung) angeschlossen sind und die Gesamtleistung der elektrischen Antriebe stark schwankt (d. h. hohe Spitzen aufweist) treten Probleme durch Rückwirkungen einer ungleichmäßigen Belastung der Antriebe auf das Versorgungsnetz auf. Ein Ziel von möglichen Optimierungsansätzen kann es daher sein, eine Reduktion der Netzrückwirkungen (d. h. Netzspitzen) im laufenden Betrieb und bei Nothalt der elektrischen Antriebsmotoren durch Energiespeicherung im kapazitiven Teil des Zwischenkreises zu erreichen und damit im Idealfall die Netzbelastung auf die mittlere Dauerleistung eines sich wiederholenden Prozesses zu beschränken.
Um ein solches Ziel zu erreichen, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine Anordnung mit einer Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung gewählt werden, wie sie beispielhaft in dem Blockschaltbild aus 1 dargestellt ist. Dabei wird aus einem Energieversorgungsnetz 110, welches beispielsweise Drehstrom mit drei Phasen von je 400 V bereitgestellt, Leistung oder Energie entnommen. Die aus dem Versorgungsnetz 110 bereitgestellte Energie wird über ein Netzfilter 120 und eine Netzdrossel 130 der Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung zugeführt. Von der Netzdrossel 130 wird die elektrische Energie des Versorgungsnetzes 110 über eine Versorgungsnetz-Schnittstelle 135 einem Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 zugeführt. Über Antriebsschnittstellen 145 des Zwischenkreises 140 kann dann eine elektrische Energie (beispielsweise unter Verwendung einer Zwischenkreiskapazität von 5 mF) einem oder mehreren elektrischen Antrieben 150 zugeführt werden. Um die Erfindung zu implementieren, kann eine Steuereinheit 160 vorgesehen werden, mit der einerseits die Spannung im Zwischenkreis aufgenommen und/oder eingelesen werden kann und die andererseits ausgebildet ist, um die Versorgungsnetz-Schnittstelle 135 derart anzusteuern oder derart zu regeln, dass ein Stromfluss von dem Versorgungsnetz 110 in den Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 oder von dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 in das Versorgungsnetz 110 zurück begrenzt wird.
2 zeigt ein Blockschaltbild eines prinzipiellen Aufbaus des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140 sowie den Anschluss des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140 mit dem Versorgungsnetz 110 und den Antrieben 150, wobei in 2 der Einfachheit halber lediglich ein Antrieb 150 dargestellt ist. Ein derart aufgebauter Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 kann in der Vorrichtung 100 entsprechend dem in 1 dargestellten Blockschaltbild verwendet werden. Dabei weist der Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 eine Versorgungsnetz-Schnittstelle 200 auf (die der Schnittstelle 135 gemäß 1 entspricht), über welche Energie über eine zweite Schnittstelle 200a aus einem Versorgungsnetz 110 (meist unter vorheriger Verwendung des Netzfilters 120 und/oder der Netzdrossel 130) aufgenommen wird. Diese Energie wird in der Versorgungsnetz-Schnittstelle 200 in einen Gleichstrom gewandelt und über eine erste Schnittstelle 200a in einen Gleichspannungsteil 210 eingespeist. Der Gleichspannungsteil 210 umfasst eine Pufferkapazität 220, deren Anschlusskontakte 225 zwischen stromführende Elemente 210 des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140 geschaltet ist, zwischen denen die Gleichspannung des Gleichspannungsteils 210 anliegt oder anliegen kann. Dabei kann in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 neben einer vorhandenen Kapazität noch eine oder mehrere weitere Pufferkapazitäten 220 angeschlossen werden, um eine ausreichend große Speicherfähigkeit von elektrischer Energie zu gewährleisten. Die Pufferkapazität ist derart ausgelegt, dass sie einerseits die Spannung zwischen den stromführenden Elementen aushält und andererseits eine ausreichend große Energieaufnahmefähigkeit hat, um zumindest einen angeschlossenen Antrieb 150, beispielsweise bei einem Ausfall des Versorgungsnetzes, störungsfrei anhalten zu können.
Ferner ist in der 2 die Steuereinheit 160 dargestellt, die mit dem Gleichspannungsteil 140 verbunden ist, um eine Spannung des Gleichspannungsteils 210 in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 zu erfassen bzw. einzulesen. Ansprechend auf die erfasste oder eingelesene Spannung im Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 kann dann eine Begrenzung des Stroms über die erste und/oder zweite Schnittstelle erfolgen, um die Netzrückwirkungen der ungleichmäßigen Belastung der Maschine zu begrenzen, wie es nachfolgend noch näher beschrieben wird.
Ferner sind die stromführenden Elemente mit einem schaltbaren Bremswiderstand 230 verbunden, um eventuelle Überschussenergie, die nicht mehr in der Pufferkapazität 230 oder einem evtl. angeschlossenen Schwungrad-Speicher gespeichert werden kann, in Wärme umzuwandeln, damit die Komponenten des Gleichspannungsteils 210 bzw. des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140 bei einer zu hohen Spannung zwischen den stromführenden Elementen nicht beschädigt werden.
Ferner sind die stromführenden Elemente des Gleichspannungsteils 210 mit einer Antriebsschnittstelle 240 verbunden (die der Schnittstelle 145 aus 1 entsprechen kann), die ausgebildet ist, um Energie aus dem Gleichspannungsteil 210 in einen dreiphasigen Wechselstrom zu überführen, um damit die elektrischen Antriebe oder Motoren 150 betreiben zu können. Dabei kann die Pufferkapazität 220 als dynamischer Energiespeicher für schnelle Start-Stopp-Anwendungen sowie als Energiespeicher für Rückzugsbewegungen des Antriebs nach einem Netzspännungsausfall verwendet werden. Zugleich kann die verwendete Pufferkapazität eine Minimierung der Verlustwärme im Schaltschrank der Versorgungseinheit 140 erreicht werden, die gemäß der Vorgehensweise im Stand der Technik durch die ausschließliche Umwandlung von Überschussenergie in Wärme durch den Bremswiderstand resultiert.
Um nun möglichst geringe Rückwirkungen einer ungleichmäßigen Belastung der elektrischen Antriebe 150 auf das Versorgungsnetz 110 zu verursachen, erfolgt eine Regelung des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140 durch die Steuereinheit 160 (beispielsweise gemäß der Darstellung nach 1) unter Verwendung von speziellen Parametern. Beispielsweise regelt diese Steuereinheit 160 im Normalfall (das heißt gemäß dem Stand der Technik) eine Gleichspannung in der Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 „hart”, sodass die Gleichspannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 nur um ca. +/–20 V schwankt. Um die Pufferkapazität in der Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 als Energiespeicher nutzen zu können, werden gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 140, insbesondere im Gleichspannungsteil 210 dieses Zwischenkreises 140 gewisse Schankungen der Spannung zwischen den stromführenden Elementen um bis zu um +/–50 V zugelassen. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei der Verwendung eines nominalen Spannungswerts von beispielsweise 750 Volt in dem Gleichspannungsteil 210 des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140 die Pufferkapazität 220 als elektrischer Energie speicher ausgenutzt werden kann, wenn im Gleichspannungsteil 210 die Spannung zwischen den stromführenden Elementen Werte von beispielsweise 750 V bis 800 V annehmen.
Dies kann beispielsweise durch zwei unterschiedliche Maßnahmen erreicht werden. Eine erste Variante zum Erreichen dieser Schwankungen im Gleichspannungsteil 210 besteht darin, dass weiche Reglerparameter für die Regelung der Spannung im Gleichspannungsteil 210 verwendet werden, wobei eine fest definierte weiche Parametrierung immer wirkt. Eine zweite Variante zum Erreichen dieser Spannungen im Gleichspannungsteil 210 besteht darin, dass eine „tote Zone” für den Regelkreis für die Spannungen im Gleichspannungsteil 210 verwendet wird. Dies bedeutet, dass innerhalb eines Spannungsbereichs von beispielsweise 50 Volt über der nominalen Sollspannung im Gleichspannungsteil 210 und 150 V unter der nominalen Sollspannung im Gleichspannungsteil 210 der Regler für die Spannung der stromführenden Elemente im Gleichspannungsteil 210 nicht eingreift, sondern die Pufferkapazität (die beispielsweise aus einem oder mehreren Elektrolyt-Kondensatoren besteht) als Puffer oder Energiespeicher wirken können. Erst wenn sich im Gleichspannungsteil 210 die Spannung zwischen den stromführenden Elementen außerhalb des vorstehend genannten Soll-Spannungsbereichs befindet, wird dann der Regler im Steuergerät 160 zur Regelung der Spannung im Gleichspannungsteil 210 bzw. in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis wieder aktiv.
Die weiteren, in 1 dargestellten jedoch in 2 nicht dargestellten Antriebe würden über gemäß der Anordnung aus 2 durch weitere, zur dargestellten Antriebsschnittstelle 200, 145 parallel geschaltete Antriebsschnittstellen an dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 angeschlossen.
Um möglichst hohe elektrische Energiemengen speichern zu können, kann zusätzlich zur Pufferkapazität 220 ein Schwundrad-Energiespeicher vorgesehen sein, der in 1 oder 2 nicht dargestellt ist und der parallel zur Pufferkapazität 220 geschaltet sein sollte. Dieser Schwungrad-Energiespeicher kann einen Elektromotor aufweisen, der eine Schwungmasse in Rotation versetzt und hierdurch elektrische Energie aus dem Gleichspannungsteil in kinetische Energie des Schwungrades umwandelt. Die Verwendung eines Schwungrad-Energiespeichers bietet den Vorteil, dass im Vergleich zur Pufferkapazität eine größere Energiemenge gespeichert werden kann. Dabei ist jedoch die Ansprech- bzw. Reaktionszeit eines Schwungrad-Speichers größer als die Ansprech- bzw. Reaktionszeit einer Pufferkapazität. Wird Energie aus dem kinetischen Energiespeicher, d. h. dem Schwungrad-Energiespeicher benötigt, kann beispielsweise ansprechend auf ein Signal der Steuereinheit 160 die Schwungradmasse über den Elektromotor abgebremst werden und die hierdurch generierte elektrische Energie in den Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 eingespeist werden.
3 zeigt unterschiedliche Teildiagramme für ein Simulationsergebnis der vorstehend beschriebenen vorteilhaft modifizierten Regelung für die Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung. Dabei ist in allen vier Teildiagrammen auf der Abszisse die Zeit in Sekunden aufgetragen. Das erste Teildiagramm stellt eine Soll-Lage des angeschlossenen Motors 150 dar. In dem zweiten Teildiagramm von oben in 3 ist eine Leistung in der Einheit Kilowatt dargestellt, die einerseits aus dem Versorgungsnetz (gepunktete Linie) und andererseits aus dem Zwischenkreis (durchgezogene Linie) entnommen wird. Im dritten Teildiagramm von oben in 3 ist die Zwischenkreis-Spannungen Volt dargestellt und im vierten Teildiagramm von oben aus 3 ist der resultierende Netzstrom in der Einheit Ampere für jede der drei Phasen des Versorgungsnetzes dargestellt.
Um die Darstellung entsprechen den Teildiagrammen aus 3 zu erhalten, wurde eine Steuerung der Spannungen im Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 verwendet, bei der die Reglerparameter jeweils gegenüber dem Stand der Technik halbiert wurden. Insbesondere wurde für die Simulation zum Erhalt der Diagramme aus 3 die vorstehend beschriebene erste Variante zur Regelung der Spannung im Gleichspannungsteil 210 verwendet Als Ergebnis dieser optimierten Maßnahme zeigt sich, dass die Spitzennetzleistung (gepunktete Linie) im Vergleich zu der Zwischenkreisspitzenleistung (durchgezogene Linie) um 30% geringer ist und ebenfalls eine Reduktion des maximalen Netzstroms von 170 A (170 A ist der maximale Netzstrom wenn die Reglerparameter nicht halbiert werden) auf 110 A möglich ist. Zudem zeigt sich, dass auf Grund der halbierten Reglerparameter die Zwischenkreisspannung um ihren Nominalwert (hier 750 V) schwankt. Insbesondere ist eine Reduzierung des Stroms über die erste Schnittstelle auf das zwei- bis Fünffache, insbesondere das 2,5-fache des maximal zulässigen Dauerstroms über die erste Schnittstelle in Bezug auf möglichst geringe Netzrückwirkungen sehr Erfolg versprechend, da in diesem Fall die stärksten Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz verhindert werden können. Dies zeigt, dass eine Reduktion der Netzbelastung durch eine angepasste Parametrierung der Steuerung der Spannung im Gleichspannungsteil 210 möglich ist.
Um eine weitere Reduktion der Rückwirkungen einer ungleichmäßigen Belastung der elektrischen Antriebe 150 zu erreichen, kann in der Steuereinheit 160 eine Begrenzung der Stromaufnahme über die erste Schnittstelle 200 bzw. 135 angesteuert werden. Dies bedeutet, dass in der Versorgungseinheit ein netzseitiger Ladestrom, das heißt ein Strom, der vom Versorgungsnetz 110 über die erste Schnittstelle 200 in den Gleichspannungsteil 210 der Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 fließt, geregelt bzw. zumindest begrenzt wird. Dabei bleibt die Ladung, die über die erste Schnittstelle 200 fließt, gegenüber dem ungeregelten bzw. unbegrenzten Ladestrom über die erste Schnittstelle gleich. Dieser Fall würde bedeuten, dass die Fläche unter der Stromkurve bezogen auf eine Betrachtungszeit in beiden vorgestellten Szenarios gleich bleibt. Mit anderen Worten ausgedrückt wird durch die Regelung bzw. Begrenzung des netzseitigen Ladestroms eine Glättung in der Leistungsaufnahme der Versorgungseinheit 100 erreicht, die wiederum dazu führt, dass Rückwirkungen der ungleichmäßigen Belastung der elektrischen Antriebe 150 auf das Versorgungsnetz 110 möglichst gering bleiben.
Genauer ausgedrückt lässt sich somit sagen, dass bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante der Ladestrom auf definierte Werte begrenzt wird und sich hierdurch eine Regelung der Spannung im Gleichspannungsteil 210 anpassen lässt, so dass die Pufferkapazität 220 als elektrischer Energiespeicher wirken kann. Wie die nachfolgende Darstellung noch genauer zeigt, lässt sich auf diese Weise eine sinnvolle und effiziente Lösung schaffen, die einerseits einen netzseitigen Spitzenstrom reduziert und andererseits den effektiven Einsatz der Pufferkapazität im Gleichspannungsteil 210 als Energiepuffer in der Versorgungseinheit (insbesondere auch bei hohen Spannungen im Gleichspannungsteil 210 von beispielsweise 750 V) ermöglicht.
4 zeigt unterschiedliche Teildiagramme für ein Simulationsergebnis der vorstehend beschriebenen Ausführungsvariante jedoch nun unter Verwendung einer Strombegrenzung für einen Strom über die Versorgungsnetz-Schnittstelle 200 des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140. Dabei wurde zugleich eine Schwankung der Spannung im Gleichspannungssteil 210 entsprechend der mit Bezug zu 3 beschriebenen Ausführungsvariante zugelassen. Die einzelnen Teildiagramme der 4 sind dabei entsprechend den korrespondierenden Teildiagrammen aus der 3 aufgebaut. Bei der Regelung der Vorrichtung 100 durch die Steuereinheit 160 wurde insbesondere vorgegeben, dass ein maximaler Netzstrom von 50 A (statt 200 A) dem Versorgungsnetz 110 durch die Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung entnommen werden darf. Als Ergebnis dieser Simulation kann aus den einzelnen Teildiagramm in der 4 entnommen werden, dass die Spitzennetzleistung (gepunktete Linie) im Vergleich zu der Zwischenkreisspitzenleistung (durchgezogene Linie) um 70% geringer ist und eine Reduktion des maximalen Netzstroms (das heißt des Stroms über die Versorgungsnetz-Schnittstelle 200) von 170 A (170 A ist der maximale Netzstrom wenn die Steuerung der Zwischenkreisspannung nach dem Stand der Technik ausgeführt wird) auf 50 A mittels der durch die Steuereinheit 160 angesteuerte Strombegrenzung über die Versorgungsnetz-Schnittstelle 200 bzw. 135 erreichen lässt. Dies führt zu einer maximalen Leistungsabgabe des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140 (über deren Antriebsschnittstelle 240) von den 90 kW. Dies entspricht einem identischen Wert für die Leistungsabgabe des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140, der sich auch durch die zuvor beschriebene Regelung der Spannung des Gleichspannungsteils 210 der Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 realisieren lässt, die zu Parameterwerten gemäß den Teildiagrammen aus 3 führt. Jedoch kann bei einer Begrenzung des maximalen Netzstroms über die erste Schnittstelle eine maximale Leistungsentnahme aus dem Versorgungsnetz 110, die um 70% geringer als die maximale Zwischenkreisleistung, realisiert werden, wogegen eine Leistungsentnahme aus dem Versorgungsnetz 110, die um 30% geringer als die maximale Zwischenkreisleistung resultieren würde, wenn eine Regelung entsprechend dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel bezüglich 3 verwendet würde.
Insgesamt zeigt sich somit, dass durch die Verwendung einer Begrenzung eines maximal aus dem Versorgungsnetz 110 zu entnehmen Stroms in Verbindung mit der Pufferkapazität 220 eine Reduktion der maximalen Netzbelastung bewirkt, die zu dem noch unabhängig vom Belastungsfall der elektrischen Antriebe ist.
5 zeigt ein Diagramm von unterschiedlichen Wertebereichen der Spannung zwischen den stromführenden Elementen des Gleichspannungsteils 210, die zur Regelung des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140 bzw. des Stromflusses verwendet werden. Die Pegel dieser Spannungen, die in dem Diagramm aus 5 auf der Ordinate dargestellt sind, werden zur Steuerung in der Steuereinheit 160, insbesondere zur Begrenzung des Ladestroms über die Versorgungsnetz- Schnittstelle 200 bzw. 135 verwendet. Zunächst ist in dem Diagramm aus 5 im mittleren Teil ein Bereich 500 bezeichnet, der sich mit einer Abweichung von +/–50 V (d. h. U_{Schwanungsreserve} = 50 V) um eine nominale Gleichspannung von U_DC,nominal = 750 V erstreckt. Dieser Bereich, der gegenüber dem Stand der Technik deutlich erweitert ist, ermöglicht einen höheren verwendbaren Spannungshub für eine dynamische Energiespeicherung der Versorgungseinheit 100 bei schnellen Start-Stopp-Anwendungen.
Sinkt die Spannung im Gleichspannungsteil 210 unter einen Wert von 700 V ab, wird ein Spannungsbereich 510 erreicht, der in Sonderfällen zulässig ist und der als verwendbarer Spannungshub für eine Energiespeicherung für Rückzugsbewegungen bei einem Netzspannungsausfall verwendet werden kann. Sinkt die Spannung im Gleichspannungsteil 210 auf einen Wert von 75 Prozent der nominalen Gleichspannung, so wird ein Spannungsbereich 520 erreicht, in dem eine Warnung ausgegeben wird. Steigt die Spannung im Gleichspannungsteil 210 über einen Wert von 800 V an, wird ein Spannungsbereich 530 erreicht, der als Spannungshub für eine Energiespeicherung bei einem Noterhalt eines elektrischen Antriebs 150 bzw. einer Überlast der Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung verwendet werden kann. Sollte ein Spannungsbereich 540 im Gleichspannungssteil 210 erreicht werden, in dem die Spannung größer als 820 V ist, wird die Steuereinheit 160 den Bremswiderstand 230 zwischen die stromführenden Elemente des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140 schalten, um Beschädigungen von Komponenten der Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung zu vermeiden und eine überschüssige Energie in Wärme umzuwandeln.
Für den Fall, dass trotz der Zuschaltung des Bremswiderstands 230 im Gleichspannungsteil 210 ein Spannungspegel größer als 900 V zwischen den stromführenden Elementen auftritt, wird im Diagramm aus 5 ein Spannungsbereich 550 erreicht, in dem eine Sperrung der Endstufe der Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung erfolgt. In diesem Fall wird beispielsweise die Antriebsschnittstelle 240 bzw. 145 gesperrt, so dass keine Leistung mehr von den Antrieben 150 an den Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 übertragen werden kann, um Beschädigungen der Komponenten der Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung zuverlässig ausschließen zu können.
Insgesamt lässt sich somit festhalten, dass bei einem geregelten Zwischenkreis die Zwischenkreisspannung (im Gleichspannungsteil 210) auf 750 V +/–50 V (d. h. die Schwankungsreserve beträgt U_{Schwanungsreserve} = 50 V) „weich” geregelt werden kann, so dass die Pufferkapazität 220 als Energiespeicher wirken kann. Der Soll-Spannungsbereich des Gleichspannungs-Zwischenkreises 140 liegt damit in optimaler Weise in einem Wertebereich von 700 V bis 800 V. Der Bremswiderstand 230 wird im Antrieb nur bei einem Gleichspannungspegel oberhalb 820 V als Notbleeder eingeschaltet, um das weitere Ansteigen eines Pegels der Spannung im Gleichspannungsteil 210 bis zu einer maximalen Wert von 900 V zu verhindern, wenn zum Beispiel die Rückspeiseleistung überschritten ist oder ein Netzausfall vor liegt. Auch kann ein Schwellwert für eine Begrenzung des Stromflusses von dem Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 in das Versorgungsnetz 110 dynamisch erhöht werden, wenn die Spannung im Gleichspannungsteil 210 größer als 800 V ist. Auf diese Weise wird eine „weiche” Regelung realisiert, bei der bei einem Vorliegen von hohen Leistungen im Zwischenkreis 140 ein erhöhter Leistungsabfluss in das Versorgungsnetz sichergestellt ist. Auf diese Weise kann ein weitere Ansteigen der Spannung des Gleichspannungsteils 210 zumindest verlangsamt werden.
Unter Zuhilfenahme der in 5 dargestellten Spannungsbereiche kann nun die Funktion der Strombegrenzung näher erläutert werden. Die Begrenzung des Stromflusses zwischen dem Versorgungsnetzt 110 und dem Zwischenkreis 140 ist dann besonders hilfreich, wenn die Zwischenkreisspannung innerhalb eines erlaubten Soll-Spannungsbereiches liegt. Gemäß dem in 5 dargestellten Spannungsbereich für ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung liegen die Spannungswerte von 700 V bis 800 V in diesem Soll-Spannungsbereich. Bei einem Überschreiten einer Istspannung von U_ZwK_max (maximale Zwischenkreis-Spannung) von beispielsweise U_BW,ein = 820 V sollten nachgeschaltete Wechselrichtereinheiten 240, beispielsweise von elektrischen Antrieben 150, vor Überspannung geschützt werden. Dieser Schutz kann, wie bereits zuvor beschrieben, durch einen zuschaltbaren Bleeder 230 erfolgen. Auch kann bei einem Überschreiten von der Zwischenkreis-Spannung U_ZwK beispielsweise die Grenze für den von dem Zwischenkreis in das Versorgungsnetz zurück zu speisenden Strom dynamisch erhöht werden. Auf diese Weise kann ebenfalls ein optimierter Schutz der Komponenten von nachgeschalteten Wechselrichtern erreicht werden, da ein hoher Leistungsüberschuss in das Versorgungsnetz 110 abgeleitet wird.
Bei einem Unterschreiten einer Zwischenkreis-Istspannung unter eine untere Grenzspannung U_ZwK_min (beispielsweise U_DC,min), kann der Stromfluss nicht mehr geregelt werden, sondern wird nur noch von Spannungspotentialen zwischen dem Versorgungsnetz 110 und dem Zwischenkreis 140 sowie der Pufferkapazität 220 im Zwischenkreis 140 bestimmt. Aus diesem Grund sollte ein Stromfluss zwischen dem Versorgungsnetz 110 und dem Zwischenkreis 140 innerhalb eines Sollspannungsbereiches begrenzt und erlaubt sein und außerhalb des Sollspannungsbereiches dynamisch auf den für die Einspeiseeinheit bzw. die Versorgungsnetz-Schnittstelle 200 zwischen dem. Versorgungsnetz 110 und dem Zwischenkreis 140 erlaubten Stromgrenzwert erhöht werden.
Die Rückwirkungen einer ungleichmäßigen Belastung der elektrischen Antriebe auf das Versorgungsnetz sind dann am geringsten wenn sowohl der eingespeiste Strom in den Zwischenkreis als auch der rückgespeiste Strom vom Zwischenkreis in das Versorgungsnetz begrenzt werden. Idealist es, die Pufferkapazität und die Strombegrenzungslogik so zu parametrieren bzw. auszuführen, dass nur ein einzuspeisender Strom vom Versorgungsnetz in den Zwischenkreis fließt, wobei dieser einzuspeisende Strom in seiner Höhe konstant sein sollte und somit die mittlere Verlustleistung der angeschlossenen elektrischen Antriebe deckt.
Um nun eine möglichst optimale Anpassung der Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung an die zu versorgenden elektrischen Antriebe 150 zu gewährleisten, sollte auch eine Auslegung der Pufferkapazität 220 C_DC an die benötigte elektrische Leistung W_elekt in den elektrischen Antrieben 150 durchgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise der folgende formelhafte Zusammenhang verwendet werden:
Nach äquivalenter Umformung kann daraus für die erforderliche Pufferkapazität als Energiespeicher der folgende Zusammenhang bestimmt werden:
wobei C_DC eine optimale Größe der Pufferkapazität darstellt, im Gleichspannugsanteil 210 ein vordefinierter Soll-Spannungsbereich zwischen den Spannungen U₁ und U₂ verwendet wird und die Pufferkapazität für eine elektrische Leistung W_elektr ausgelegt ist, die von der Vorrichtung 100 zur intelligenten Netzleistungsregulierung an den elektrischen Antrieb oder die elektrische Antriebe 150 abgegeben werden soll.
Beispielweise kann bei der Verwendung der Spannungspegel U₁ = U_BW,ein und U₂ = U_DC,nominal erreicht werden, dass bei einem Rückhub nahezu keine Energie in der Pufferkapazität 220 gespeichert werden kann, sofern diese im Bremswiderstand 230 in Wärme umgesetzt wird. Andererseits kann bei der Verwendung von U₁= U_DC,nominal und U₂ = U_DC,min die erforderliche Pufferkapazität derart ausgelegt werden dass sie als Energiespeicher für Rückzugsbewegungen bei Netzspannungsausfall verwendet werden kann. Insgesamt kann auch bei der Verwendung von Spannungspegeln von U₁ = U_DC,nominal + U_{Schwanungsreserve} und U₂ = U_DC,nominal – U_{Schwanungsreserve} die Pufferkapazität 220 derart ausgelegt sein, dass eine möglichst geringe Rückwirkung bei einer ungleichmäßigen Belastung der elektrischen Antriebe 150 auf das Versorgungsnetz 110 bewirkt wird.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung als Verfahren 600 zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung, wobei das Verfahren 600 eine Vorrichtung 100 zur Versorgung mindestens eines elektrischen Antriebsmotor 150 mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz 110 verwendet. Diese Vorrichtung 100 weist eine Pufferkapazität 220 und einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 auf, der ausgebildet ist, um über eine erste Schnittstelle 200a mit der Pufferkapazität gekoppelt zu werden oder der über die erste Schnittstelle 200a mit der Pufferkapazität gekoppelt ist. Auch weist die Vorrichtung 100 eine zweite Schnittstelle 200b auf, über die der Gleichspannungs-Zwischenkreis 140 mit dem Energieversorgungsnetz koppelbar oder gekoppelt ist. Das Verfahren 600 umfasst einen Schritt des Bestimmens 610 der Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis und einen weiteren Schritt des Begrenzens 620 eines Stromflusses zwischen dem Gleichspannungs-Zwischenkreis und dem Energieversorgungsnetz über die zweite Schnittstelle, wenn die Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises einen Wert aufweist, der innerhalb eines Soll-Spannungsbereiches liegt.
Bezugszeichenliste

100: Versorgungseinheit
110: Versorgungsnetz
120: Netzfilter
130: Netzdrossel
135: Versorgungsnetz-Schnittstelle
140: Gleichspannungs-Zwischenkreis
145: Antriebsschnittstelle
150: elektrische Antriebe, Motoren
160: Steuereinheit
200: Versorgungsnetz-Schnittstelle
200a: erste Schnittstelle
200b: zweite Schnittstelle
210: Gleichspannungsteil, stromführende Elemente des Gleichspannungs-Zwischenkreises
220: Pufferkapazität
225: Anschlusskontakte
230: Bremswiderstand
240: Antriebsschnittstelle
500: erster Bereich
510: zweiter Bereich
520: dritter Bereich
530: vierter Bereich
540: fünfter Bereich
550: sechster Bereich
600: Verfahren zur Versorgung mindestens eines elektrischen Antriebsmotors
610: Schritt des Bestimmens der Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis
620: Schritt des Begrenzen eines Stromflusses

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102006033562 B3 [0003]

Claims

Vorrichtung (100) zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung, wobei die Vorrichtung (100) zur Versorgung mindestens eines elektrischen Antriebs (150) mit elektrischer Energie aus einem Energieversorgungsnetz (110) ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung (100) folgende Merkmale aufweist: – eine Pufferkapazität (220); – einen Gleichspannungs-Zwischenkreis (140, 210), der ausgebildet ist, um über eine erste Schnittstelle (200a) mit der Pufferkapazität (220) gekoppelt zu werden oder der über die erste Schnittstelle mit der Pufferkapazität gekoppelt ist; und – eine zweite Schnittstelle (200b, 160), über den der Gleichspannungs-Zwischenkreis (140, 210) mit dem Energieversorgungsnetz (110) koppelbar oder gekoppelt ist, wobei die zweite Schnittstelle (200a) ausgebildet ist, um einen Stromfluss zwischen dem Energieversorgungsnetz (110) und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (140, 210) zu begrenzen, wenn die Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (140, 210) einen Wert aufweist, der innerhalb eines Soll-Spannungsbereiches (U_DC,min – U_DC,max) liegt.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schnittstelle (200b) ausgebildet ist, um einen Stromfluss von dem Energieversorgungsnetz (110) in den Gleichspannungs-Zwischenkreis (140, 210) oder den Stromfluss von dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (140, 210) in das Energieversorgungsnetz (110) zu begrenzen.
Vorrichtung (110) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schnittstelle (200b, 160) ausgebildet ist, um den Stromfluss zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis auf einen Spitzenstrom zu begrenzen, der das Zwei- bis Fünffache, insbesondere das 2,5-fache eines Dauerstromes über die zweite Schnittstelle beträgt.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schnittstelle (200b, 160) ausgebildet ist, um die Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises auf einen Sollwert zu regeln, insbesondere die Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises dann auf den Sollwert zu regeln, wenn die Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises vor dem Regeln außerhalb des Soll-Spannungsbereiches lag.
Vorrichtung (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Schnittstelle ausgebildet ist, um eine Strombegrenzungsschwelle, die einen maximalen Stromfluss zwischen dem Energieversorgungsnetz und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis repräsentiert, anzuheben, wenn ein Spannungspegel der Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis außerhalb des Soll-Spannungsbereiches liegt.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pufferkapazität (220) für die Aufnahme einer Spannung bis zu der für eine nachgeschaltete Leistungselektronik (240, 145), welche den anschließbaren elektrischen Antrieb (150) mit Leistung versorgt, zulässige Spannung ausgelegt ist und ein Energiespeichervermögen aufweist, das in Abhängigkeit von einer maximalen Energieaufnahme oder Energieabgabe des zumindest einen elektrischen Antriebs (150) dimensioniert ist, wobei das Energiespeichervermögen der Pufferkapazität insbesondere ausgelegt ist, um eine Stillsetzung des elektrischen Antriebsmotors bei einem Ausfall des Energieversorgungsnetzes sicherzustellen.
Vorrichtung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner ein Schwungradspeicher vorgesehen ist, wobei der Schwungradspeicher ausgebildet ist, um über den Gleichspannungs-Zwischenkreis (140) mit elektrischer Energie versorgt zu werden oder um elektrische Energie an den Gleichspannungs-Zwischenkreis (140) zurückzuliefern.
Automatisierungstechnik-Vorrichtung, insbesondere Pressvorrichtung, Werkzeugmaschine, oder Fertigungsmaschine, die eine Vorrichtung (100) zur intelligenten Netzleistungsregulierung gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche aufweist.
Verfahren (600) zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung, wobei das Verfahren (600) eine Vorrichtung (100) zur intelligenten Netzleistungsregulierung durch kapazitive Energiespeicherung verwendet, wobei die Vorrichtung eine Pufferkapazität und einen Gleichspannungs-Zwischenkreis aufweist, der ausgebildet ist, um über eine erste Schnittstelle mit der Pufferkapazität gekoppelt zu werden oder der über die erste Schnittstelle mit der Pufferkapazität gekoppelt ist, wobei die Vorrichtung ferner eine zweite Schnittstelle aufweist, über die der Gleichspannungs-Zwischenkreis mit dem Energieversorgungsnetz koppelbar oder gekoppelt ist, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Bestimmen (610) der Spannung in dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (140); und – Begrenzen (620) eines Stromflusses zwischen dem Energieversorgungsnetz (110) und dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (140) über die zweite Schnittstelle, wenn die Spannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises einen Wert aufweist, der innerhalb eines Soll-Spannungsbereiches liegt.
Computerprogramm mit Programmcode zur Durchführung der Schritte des Verfahrens (900) gemäß Anspruch 9, wenn das Computerprogramm auf einer Vorrichtung (160) ausgeführt wird.