Verfahren zum Betreiben einer oder mehrerer veränderlicher elektrischer Lasten und Energieversorgungssystem zur Versor- gung einer oder mehrerer veränderlicher elektrischer Lasten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer oder mehrerer veränderlicher elektrischer Lasten und ein Energieversorgungssystem zur Versorgung einer oder mehrerer verän- derlicher elektrischer Lasten mit Energie.

Eine elektrische Last wie beispielsweise ein elektrisch betriebener Antrieb eines Baggers wird beispielsweise durch ein Energieversorgungsnetz als Energiequelle mit Energie ver- sorgt. Die in einem solchen Bagger befindliche elektrische

Last weist sehr kurze Arbeitszyklen auf, innerhalb derer sich die Last und somit deren Energiebedarf sehr schnell ändert. Mit anderen Worten handelt es sich hierbei somit um ein sehr dynamisches System. Nicht überall, wo eine derartige verän- derliche elektrische Last betrieben werden muss, steht jedoch der Anschluss an ein elektrisches Versorgungsnetz zur Verfügung, welches meistens die Anforderungen an eine hohe Dynamik erfüllt. Als Energiequelle an solchen Orten kann dann beispielsweise ein Dieselgeneratorsystem dienen. Ein derartiges Dieselgeneratorsystem ist jedoch relativ träge und kann daher den hohen Anforderungen an die Dynamik nicht immer genügen. Außerdem kann durch ein Dieselgeneratorsystem kaum elektrische Energie aufgenommen werden, die beispielsweise bei

Bremsvorgängen des im Bagger befindlichen Antriebs generiert wird.

Die DE 11 2007 000 491 T5 offenbart ein Antriebssystem und ein mobiles Fahrzeug mit einem solchen Antriebssystem, das eine Antriebsquelle, einen davon angetriebenen ersten Rotor, einen zweiten Rotor, der drehbar von der Antriebsquelle entkoppelt ist und einen gemeinsamen Stator aufweist. Der zweite Rotor ist konfiguriert, um mit dem Stator zusammenzuwirken und durch Drehung Leistung zu speichern oder freizugeben. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben einer veränderlichen elektrischen Last und ein Energieversorgungssystem zur Versorgung einer veränderlichen elektrischen Last bereit zu stellen, mit dem schnell auf Leistungswechsel reagiert werden kann.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer veränderlichen elektrischen Last mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Demnach wird die veränderliche elektrische Last von einer elektrischen Hauptenergiequelle mit elektrischer Energie versorgt und zur Erhöhung der Dynamik der Energieversorgung der elektrischen Last diese mit einer Zusatzenergiequelle betrie- ben, wenn die Änderungsrate der Last einen Schwellwert überschreitet. Der Schwellwert ist hierbei ein vorzeichenloser Wert, der eine Leistungsänderung pro Zeiteinheit angibt. Dabei kann der Schwellwert sowohl bei einem Vorliegen einer positiven wie auch negativen Änderungsrate überschritten wer- den, wenn der Betrag dieser gemessenen Änderungsrate den

Schwellwert überschreitet. Allerdings ist das Vorzeichen des Schwellwerts dann von Interesse, wenn es darum geht, den Lade- oder Entladevorgang für die Zusatzenergiequelle zu definieren .

Die Änderungsrate der Last bezeichnet die Änderung der Last in einem bestimmten Zeitintervall und entspricht somit der Geschwindigkeit, mit der sich die Last und damit die von der Hauptenergiequelle angeforderte Energie ändert. Die Ände- rungsrate ist somit ein Maß für die Dynamik des Energiebedarfs der elektrischen Last. Bei einer hohen Änderungsrate der Last ändert sich somit auch deren Energiebedarf in einem kurzen Zeitraum um einen hohen Betrag. Zur Bestimmung der Änderungsrate der Last hat es sich bewährt, eine Messung des Netzstroms und der Netzspannung der Hauptenergiequelle vorzunehmen und daraus die aktuelle Leistung zu errechnen. Durch Auftragen der errechneten Leistung pro Zeiteinheit wird die Änderungsrate ermittelt. Alternativ können die aktuellen Leistungswerte pro Last gemessen, ggf. miteinander verrechnet und der errechnete Wert pro Zeiteinheit aufgetragen werden.

In einem Betriebsstadium der elektrischen Last, wenn die Än- derungsrate den Schwellwert unterschreitet, also keine hohe Anforderung an die Dynamik der Energieversorgung gestellt wird, wird die Last grundsätzlich durch die Hauptenergiequelle, welche vorzugsweise durch ein Dieselgeneratorsystem gebildet wird, mit Energie versorgt. Durch den Einsatz der Zu- Satzenergiequelle, die dann zum Betreiben der Last eingesetzt wird, wenn die Änderungsrate der Last einen Schwellwert überschreitet, also die Dynamik des Energiebedarfs sehr hoch ist, wird die Hauptenergiequelle in diesem Fall entlastet. In einem derartigen Fall wird also ein Teil der benötigten Energie durch die Hauptenergiequelle und ein weiterer Teil durch die Zusatzenergiequelle bereitgestellt. Im Fall einer hohen Änderungsrate beispielsweise beim Anlaufen eines vorzugsweise als elektrische Last verwendeten Elektromotors, kann aber auch zunächst die benötigte Energie ausschließlich aus dem Zusatz- energiespeicher entnommen werden, bis die Hauptenergiequelle bereit ist, die erforderliche Energie zu liefern. Die Hauptenergiequelle kann somit relativ träge ausgestaltet sein. Somit wird die dynamische Belastung der elektrischen Hauptenergiequelle begrenzt, in dem bei hohen Änderungsraten der Last und somit der benötigten Energie diese aus der Zusatzenergiequelle entnommen wird.

Dadurch wird erreicht, dass die elektrische Hauptenergiequelle von ihrer Dynamik her so dimensioniert werden kann, dass sie relativ einfachen Anforderungen entspricht. Durch den zusätzlichen Einsatz der Zusatzenergiequelle wird dann die benötigte Dynamik des Energieversorgungssystems erzielt.

Des Weiteren kann die durch eine negative Last generierte elektrische Energie, beispielsweise bei einem im Generatorbetrieb arbeitenden Elektromotor genutzt werden, da sie in der Zusatzenergiequelle gespeichert werden kann. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Last mit Energie der Zusatzenergiequelle versorgt, wenn die Änderungsrate der Last größer als ein vorgegebener positiver Schwellwert ist. Dies bedeutet, dass wenn die Änderungsrate der Last größer als der positive Schwellwert ist und somit der Leistungs- bzw. Energiebedarf der elektrischen Last ebenfalls schnell ansteigt, die Hauptenergiequelle langsamer stärker belastet wird als für die geforderte Leistung notwendig, während die nun fehlende Leistung aus der Zusatzenergie- quelle bereitgestellt wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung gibt die Last an die Zusatzenergiequelle Energie ab, wenn die Änderungsrate der Last kleiner als ein vorgegebener negativer Schwellwert ist. Somit wird bei einem raschen Abfall des Energiebedarfs der Last Energie in den Zusatzspeicher gespeist, um die Hauptenergiequelle langsam zu entlasten. Die dabei gespeicherte Energie kann anschließend wieder genutzt werden, um die Last bei einem erneuten Anstieg der Änderungs- rate wieder mit Energie zu versorgen.

Weiterhin wird die Aufgabe gelöst durch Verfahren zum Betreiben mehrerer veränderlicher elektrischer Lasten, welche von einer elektrischen Hauptenergiequelle mit elektrischer Ener- gie versorgt werden, bei dem die Lasten zur Erhöhung der Dynamik der Energieversorgung mit einer Zusatzenergiequelle betrieben werden, wenn eine Summe von Änderungsraten der Lasten einen Schwellwert überschreitet. Die obigen Ausführungen zum Betreiben einer Last gelten analog.

Es hat sich auch hier bewährt, wenn mindestens eine der Lasten mit elektrischer Energie der Zusatzenergiequelle versorgt wird, wenn die Summe der Änderungsraten der Lasten größer als ein vorgegebener positiver Schwellwert ist.

Insbesondere gibt auch hier mindestens eine der Lasten an die Zusatzenergiequelle elektrische Energie ab, wenn die Summe der Änderungsraten der Lasten kleiner als ein vorgegebener negativer Schwellwert ist.

Insbesondere liegt der Schwellwert im Bereich von > 15% der Nennleistung der Hauptenergiequelle pro Sekunde, insbesondere im Bereich von 20% bis 30% der Nennleistung der Hauptenergiequelle pro Sekunde.

Wenn als elektrische Hauptenergiequelle ein Dieselgenerator- System verwendet wird, muss dieses nicht mehr so dimensioniert werden, dass es die hohen dynamischen Anforderungen der veränderlichen Last bedienen kann. Somit kann das Dieselgeneratorsystem effizienter eingesetzt werden. Alternativ kann ein Energieversorgungsnetz als elektrische Hauptenergiequelle dienen. Die Gefahr eines Netzzusammenbruchs bei hohen Leistungsspitzen wird durch die erfindungsgemäße Lösung minimiert . Als Zusatzenergiequelle kann ein vorzugsweise Kondensatorspeicher, insbesondere ein Ultrakondensator verwendet werden, da dieser sehr hohe Anforderungen an die Dynamik des Energieabgabe bzw. -aufnähme erfüllen kann. Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird als Zusatzenergiequelle ein Schwungmassensystem verwendet.

Insbesondere ist jede elektrische Last durch mindestens einen Elektromotor gebildet.

Hinsichtlich des Energieversorgungssystems wird die Aufgabe gelöst mit einem Energieversorgungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 13. Ein derartiges Energieversorgungssystem zur Versorgung einer veränderlichen Last umfasst eine die elektrische Last mit Energie versorgende elektrische

Hauptenergiequelle, eine Zusatzenergiequelle und eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 oder 7 bis 12. Hinsichtlich des Energieversorgungssystems wird die Aufgabe weiterhin gelöst mit einem Energieversorgungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 14. Ein derartiges Energiever- sorgungssystem zur Versorgung mehrerer veränderlicher elektrischer Lasten umfasst eine die elektrische Last mit Energie versorgende elektrische Hauptenergiequelle, eine Zusatzenergiequelle und eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 6 und 7 bis 12.

Ein Bagger mit einem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem hat sich bewährt, wobei der Bagger ein Fortbewegungssystem zur Fortbewegung des Baggers, ein Drehsystem zur Ausführung einer Drehbewegung von zumindest Teilen des Baggers, ein Hubsystem zum Ausführen einer Hubbewegung von zumindest Teilen des Baggers, und ein Vorschubsystem zum Bewegen eines Aufnahmesystems des Baggers aufweist, wobei das Drehsystem, das Hubsystem und das Vorschubsystem jeweils eine elektrische Last bilden und mindestens einen Elektromotor umfassen. Ein derartiger Bagger lässt sich nun kostengünstig mit einer elektrischen Hautenergiequelle betreiben, die bei hohen Änderungsraten der Lasten ein unzureichendes dynamisches Ansprechverhalten aufweist. Insbesondere bildet weiterhin auch das Fortbewegungssystem mindestens eine weitere elektrische Last umd umfasst einen Elektromotor .

Der Bagger ist dabei bevorzugt ein Schaufelradbagger, ein Schürfkübelbagger, ein Eimerseilbagger oder ein Eimerkettenbagger .

Bevorzugte Ausgestaltungen des jeweiligen Energieversorgungssystems sind in den Ansprüchen 15 bis 20 enthalten. Deren Vorteile wurden bereits in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erläutert . Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbei - spiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.

Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen je- weils in einer schematischen Prinzipskizze:

FIG 1 ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem mit einer veränderlichen elektrischen Last,

FIG 2 ein Diagramm, bei dem der Energiebedarf der veränderli- chen elektrischen Last sowie deren Energieversorgung durch die Hauptenergiequelle und der Zusatzenergiequelle im zeitlichen Verlauf aufgetragen ist, und

FIG 3 ein weiteres erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem mit mehreren veränderlichen elektrischen Lasten.

FIG 1 zeigt eine veränderliche elektrische Last 2, die in diesem Fall durch einen in einem Bagger befindlichen Elektromotor gebildet wird. Die elektrische Last 2 ist über eine Versorgungsleitung 4 mit einer elektrischen Hauptenergiequel - le 6, in diesem Fall ein Dieselgeneratorsystem, verbunden.

Sowohl die elektrische Last 2, als auch die Hauptenergiequelle 6 werden über nicht dargestellte Stromrichter betrieben und zusammengeschaltet. Als Hauptenergiequelle 6 können aber auch alle weiteren denkbaren elektrischen Energiequellen, insbesondere ein Energieversorgungsnetz dienen. Zu der Haupt- energiequelle 6 ist über eine weitere Versorgungsleitung 8 eine Zusatzenergiequelle 10 parallel geschaltet, die beispielsweise durch einen Ultrakondensator oder ein Schwungmassensystem gebildet wird. Auch die Zusatzenergiequelle 10 wird über einen Stromrichter betrieben.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird während eines konstanten Betriebes der elektrischen Last 2, also in Zeitinter- vallen, in denen die Last 2 nicht verändert wird, die Energieversorgung durch die Hauptenergiequelle 6 über die Versorgungsleitung 4 sichergestellt. Wenn jedoch die Änderungsrate der Last 2 einen Schwellwert überschreitet, also beispiels- weise die Last vergrößert wird und somit der Energiebedarf sich der Last vergrößert, so wird ein Teil der zusätzlich benötigten Energie zunächst mittels der Zusatzenergiequelle 10 bereitgestellt und somit die Last 2 sowohl mit Energie der Hauptenergiequelle 6 als auch mit Energie der Zusatzenergie- quelle 10 betrieben. Damit die Zusatzenergiequelle 10 die elektrische Last mit Energie versorgen kann, muss diese zuvor zumindest zu einem Teil mit Energie geladen sein. Dies geschieht vor dem Betrieb der elektrischen Last 2 beispielsweise durch die Hauptenergiequelle 6.

Zur Steuerung dieses Verfahrens dient eine Steuereinrichtung 12, die mit der elektrischen Last und der Zusatzenergiequelle 10 kommuniziert.

Dadurch, dass bei einer hohen Änderungsrate der Last 2 ein Teil der zusätzlich benötigten Energie aus der Zusatzenergiequelle 10 entnommen wird, muss die Hauptenergiequelle 6 nicht so hohen Anforderungen an eine entsprechende Dynamik genügen. Die Hauptenergiequelle 6 kann daher weitaus geringfügiger dimensioniert werden. Gleiches gilt für einen entsprechenden Abfall der Last und des damit verbundenen geringeren Energiebedarfs der elektrischen Last 2. Überschüssige Energie der Hauptenergiequelle 6 kann dann über die Versorgungsleitungen 4,8 in der Zusatzenergiequelle zwischengespeichert werden. Dies gilt auch für den Fall, dass die elektrische Last 2 negativ wird. Auch dann kann Energie in der Zusatzenergiequelle 10 zwischengespeichert werden.

In FIG 2 ist nun ein Diagramm aufgezeigt, in dem anhand Kurve 14 der Energiebedarf der veränderlichen elektrischen Last 2 wie beispielsweise eines Antriebssystems eines Baggers aufgetragen ist. In Kurve 16 ist die Energieabgabe der Zusatzenergiequelle 10 und in Kurve 18 die entsprechende Energieabgabe der Hauptenergiequelle 6 wie beispielsweise des Dieselgeneratorsystems dargestellt.

Nach dem Zeitpunkt t ₀ steigt die Last 2 und somit deren Ener- giebedarf rasch an, so dass deren Änderungsrate einen

Schwellwert überschreitet. Ein derartiges Verhalten tritt beispielsweise beim Anlaufen des als elektrische Last 2 verwendeten Elektromotors des Baggers auf. In diesem Fall wird dann zwischen den Zeitpunkten t ₀ und ti Energie aus der Zu- Satzenergiequelle 10 zur Versorgung der elektrischen Last 2 bereitgestellt. Anhand der Kurven 16,18 ist zu erkennen, dass in diesem Zeitintervall die benötigte Energie zunächst ausschließlich aus der Zusatzenergiequelle 10 stammt. Zeitgleich wird mehr und mehr die Energiezufuhr aus der Hauptenergie- quelle 6 gesteigert, auf Grund der Trägheit des Dieselgeneratorsystems geschieht dies jedoch in deutlich geringerem Maße als es zur Versorgung der elektrischen Last erforderlich wäre. Erst zum Zeitpunkt ti entspricht dann die von der Hauptenergiequelle 6 zugeführte Energie dem tatsächlichen Energie- bedarf der elektrischen Last 2. Die Energiezufuhr durch die

Zusatzenergiequelle 10 ist damit nicht mehr erforderlich. Somit wird also die Energieversorgung der Last solange auch unter Zuhilfenahme der Zusatzenergiequelle 10 gewährleistet, bis die Hauptenergiequelle 6 zur alleinigen Energieversorgung in der Lage ist.

In dem Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten ti bis t ₂ ändert sich die elektrische Last nur so geringfügig, dass die Änderungsrate den vorgegebenen Schwellwert nicht überschrei - tet, was bedeutet, dass die Energiezufuhr der elektrischen Last 2 allein mit der Hauptenergiequelle 6 bewerkstelligt wird .

Zwischen den Zeitpunkten t ₂ und t ₃ ist jedoch der Lastabfall so groß, dass die Hauptenergiequelle 6 mehr Energie zur Verfügung stellt, als für den Betrieb der elektrischen Last 2 benötigt wird. Die Energiedifferenz wird in diesem Fall von der Zusatzenergiequelle 10 aufgenommen und gespeichert. Ins- besondere im Zeitintervall zwischen den Zeitpunkten t ₄ und t ₅ ist die elektrische Last 2 negativ, was beispielsweise beim Bremsen des Baggers auftritt. Die dabei erzeugte Bremsenergie wird dann ebenfalls in der Zusatzenergiequelle 10 gespei- chert .

Der Einsatz der Zusatzenergiequelle 10 dient somit zur dynamischen Entlastung der Hauptenergiequelle 10. Dadurch ist eine Überdimensionierung auf Grund dynamischer Probleme nicht mehr notwendig und die Hauptenergiequelle 6 kann effizienter eingesetzt werden. Auch kann gleichzeitig die auftretende Bremsenergie wieder genutzt werden, da sie in der Zusatzenergiequelle 10 zwischengespeichert wird. FIG 3 zeigt mehrere veränderliche elektrische Lasten 2, 2", 2"", 2""" die in diesem Fall durch in einem Bagger befindliche Elektromotoren gebildet werden. Die elektrischen Lasten 2, 2", 2"", 2""" sind jeweils über eine Versorgungsleitung 4 mit einer elektrischen Hauptenergiequelle 6, in diesem Fall ein Dieselgeneratorsystem, verbunden. Sowohl die elektrischen Lasten 2, 2", 2"", 2""" als auch die Hauptenergiequelle 6 werden über nicht dargestellte Stromrichter betrieben und zusammengeschaltet. Als Hauptenergiequelle 6 können aber auch alle weiteren denkbaren elektrischen Energiequellen, insbe- sondere ein Energieversorgungsnetz dienen. Zu der Hauptenergiequelle 6 ist über eine weitere Versorgungsleitung 8 eine Zusatzenergiequelle 10 parallel geschaltet, die beispielsweise durch einen Ultrakondensator oder ein Schwungmassensystem gebildet wird. Auch die Zusatzenergiequelle 10 wird über ei- nen Stromrichter betrieben.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird während eines konstanten Betriebes der elektrischen Lasten 2, 2", 2"", 2""" also in Zeitintervallen, in denen die Lasten 2, 2", 2"", 2""" nicht verändert werden, die Energieversorgung durch die

Hauptenergiequelle 6 über die Versorgungsleitungen 4 sichergestellt. Wenn jedoch die Summe der Änderungsraten der Lasten 2, 2", 2"", 2""" einen Schwellwert überschreitet, also bei- spielsweise die Last vergrößert wird und somit der Energiebedarf sich der Last vergrößert, so wird ein Teil der zusätzlich benötigten Energie zunächst mittels der Zusatzenergiequelle 10 bereitgestellt und somit die Last 2, 2", 2"", 2""" sowohl mit Energie der Hauptenergiequelle 6 als auch mit

Energie der Zusatzenergiequelle 10 betrieben. Damit die Zusatzenergiequelle 10 die elektrische Last 2, 2", 2"", 2""" mit Energie versorgen kann, muss diese zuvor zumindest zu einem Teil mit Energie geladen sein. Dies geschieht vor dem Be- trieb der elektrischen Lasten 2, 2", 2"", 2""" beispielsweise durch die Hauptenergiequelle 6.

Zur Steuerung dieses Verfahrens dient eine Leistungsmessung an der Versorgungsleitung. Eine Steuereinrichtung 12 dient zur Erfassung der gemessenen Leistungswerte und deren Summenbildung und Vergleich gegen den Schwellwert, wobei weiterhin die Energiezufuhr zur Zusatzenergiequelle 10 oder die Energiezufuhr von dieser gespeicherter Energie zu den Lasten 2, 2", 2"", 2""" gesteuert wird.

Dadurch, dass bei in Summe hoher Änderungsrate der Lasten 2, 2", 2"", 2""" ein Teil der zusätzlich benötigten Energie aus der Zusatzenergiequelle 10 entnommen wird, muss die Hauptenergiequelle 6 nicht so hohen Anforderungen an eine entspre- chende Dynamik genügen. Die Hauptenergiequelle 6 kann daher weitaus geringfügiger dimensioniert werden. Gleiches gilt für einen entsprechenden Abfall der Gesamt-Last und des damit verbundenen geringeren Energiebedarfs der elektrischen Lasten 2, 2", 2"", 2""". Überschüssige Energie der Hauptenergiequel - le 6 kann dann über die Versorgungsleitungen 4,8 in der Zusatzenergiequelle 10 zwischengespeichert werden. Dies gilt auch für den Fall, dass die elektrische Last in Summe negativ wird. Auch dann kann Energie in der Zusatzenergiequelle 10 zwischengespeichert werden.

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge- schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .