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Dokumentenidentifikation DE102005042817B3 14.12.2006
Titel Verfahren zum Betrieb einer kombiniertem Energieversorgungs- und Klimaanlage
Anmelder EADS Deutschland GmbH, 85521 Ottobrunn, DE
Erfinder Fritsche, Albert, Dr., 88677 Markdorf, DE;
Waschilewski, Günther, 88099 Neukirch, DE;
Westermayer, Willo, 88690 Uhldingen-Mühlhofen, DE
DE-Anmeldedatum 09.09.2005
DE-Aktenzeichen 102005042817
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 14.12.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 14.12.2006
IPC-Hauptklasse F24F 11/00(2006.01)A, F, I, 20050909, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F25B 49/02(2006.01)A, L, I, 20050909, B, H, DE   F02D 28/00(2006.01)A, L, I, 20050909, B, H, DE   H02P 9/04(2006.01)A, L, I, 20050909, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Energieversorgungs- und Klimaanlage, die eine oder mehrere Kraftmaschinen variabler Drehzahl und mit diesen gekoppelten Arbeitsmaschinen zur Stromerzeugung und Klimatisierung umfasst. Erfindungsgemäß wird auf der Grundlage des momentanen Gesamtnutzleistungsbedarfs die Drehzahl der Kraftmaschine(n) derart geregelt, dass dessen bzw. deren Kraftstoffverbrauch minimal ist, wobei Regelmechanismen für die Arbeitsmaschinen vorgesehen sind, um sicherzustellen, dass diese bei der so eingestellten kraftstoffoptimalen Drehzahl die jeweils geforderte Nutzleistung am bestmöglichen Betriebspunkt erbringen können.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Energieversorgungs- und Klimaanlage, umfassend eine oder mehrere Kraftmaschinen mit variabler Drehzahl, bevorzugt Dieselmotoren sowie mit diesen gekoppelte mechanisch bzw. elektrisch angetriebene Arbeitsmaschinen zur Stromerzeugung und Klimatisierung.

Mit weltweit ansteigenden Kraftstoff- und Personalkosten (Betrieb, Wartung, Instandsetzung) für den Betrieb autarker Energieversorgungs- und Klimaanlagen (Sanitätsanlagen, Notunterkünfte, Baustellen, militärische Einrichtungen) wird es immer deutlicher, dass die Betriebskosten gegenüber den Beschaffungskosten zum entscheidenden Kostenfaktor werden. Diese Aufwendungen vergrößern sich, je abgelegener der Standort ist und je extremer die lokalen Klimabedingungen sind.

Um dem Verbrauchsverhalten der Kraftmaschine zu entsprechen, wurden Diesel-Generator-Aggregate mit leistungsabhängiger variabler Drehzahl entwickelt. Um elektrische AC-Leistung konstanter Frequenz bereitzustellen, ist dann eine Stromaufbereitung (AC/DC/AC) erforderlich, die auf Grund ihres Wirkungsgrades die Kraftstoffeinsparung schmälert, Investitionskosten und Anlagengewicht erhöht.

Mit den Schutzrechtsanmeldungen WO 98/28832 A1 und WO 03/028187 A1 wurden sehr komplexe Regelungssysteme vorgeschlagen, die den Anforderungen unabhängig von einander schwankenden Energieangebots und Energiebedarfs genügen. Mittels eines geregelten Energieaustauschs mit einem Speicher (Akkumulator, Schwungrad) wird die Anpassungszeit an positive und negative Lastsprünge mit großem konstruktiven Aufwand verkürzt.

Neben diesen verbrauchsoptimierten Systemen zur Bereitstellung elektrischer Energie gehören in der Kältetechnik analoge Konzepte zum Stand der Technik. Zur Gebäudeklimatisierung werden Kälteverdichter mit variabler Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors eingesetzt. Während hier das elektrische Verbundnetz die Primärenergiequelle bildet, ist es im Falle der Fahrzeug-Klimatisierung der Verbrennungsmotor. Die momentanen, stark schwankenden Fahrbedingungen diktieren dessen Drehzahl. Mit dem Einsatz von Kälteverdichtern in der saugdruck-geregelten Taumelscheibenbauart kann den nicht korrelierten Anforderungen von Fahrbetrieb und Klimatisierung genügt werden.

Die DE 103 54 103 A1 beschreibt ein Verfahren zur verbrauchsoptimierten Ansteuerung von Nebenaggregaten, insbesondere eines Generators, in einem Kraftfahrzeug. Dabei wird die an dem Generator im Fahrbetrieb aktuell anliegende elektrische Generatorlast in Abhängigkeit bestimmter, für den Kraftstoffverbrauch relevanter Betriebsbedingungen variiert.

In vorzugsweise autark betriebenen kombinierten Stromversorgungs- und Klimaanlagen mit verbrauchsoptimierter Betriebsführung verbinden sich die Anforderungen rein elektrischer und mechanischer Systeme. Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Betriebsführung für Systeme aus einer oder mehreren Kraftmaschinen sowie damit gekoppelten mehreren Arbeitsmaschinen zu schaffen, um den in weiten Bereichen variablen und voneinander unabhängigen Bedarf an elektrischer und mechanischer Leistung mit nahezu minimalem Brennstoffverbrauch der Kraftmaschine(n) zu genügen.

Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß werden in die Regelung zur Minimierung des Kraftstoffverbrauchs der Kraftmaschine(n) die Summe der momentan geforderten Nutzleistungen sämtlicher Arbeitsmaschinen (insbesondere Generator, Kälteverdichter) einbezogen.

Zusätzlich werden Regelmechanismen für die einzelnen Arbeitsmaschinen vorgesehen, so dass die Arbeitsmaschinen unter der Randbedingung der ermittelten kraftstoffoptimierten Systemdrehzahl die geforderte Nutzleistung erbringen können.

Das Betriebskennfeld einer Kraftmaschine, z.B. Dieselmotor, stellt den Zusammenhang von mechanischer Nutzleistung, Drehzahl und Kraftstoffverbrauch dar. Kennfelder der Arbeitsmaschinen verbinden die Parameter Nutzleistung PN, z.B. Strom/Spannung oder Fördermenge, Drehzahl n und Wirkungsgrad &eegr;. Die systemoptimale Betriebsdrehzahl ergibt sich aus dem Minimum der Verluste aller Arbeitsmaschinen und dem Minimum des Kraftstoffbedarfs B zur Bereitstellung der Summe aller Antriebsleistungen Pmech.

Analytisch ergibt sich für den optimalen Systembetriebspunkt im Systemkennfeld folgendes:

Mit und dem System-Wirkungsgrad

Der Nenner des Terms der rechten Seite von (3) ist das Kriterium der Optimierung. Nicht die Einzelwirkungsgrade der Sekundärenergiewandler (Arbeitsmaschinen) sind maßgebend, sondern der Wandler mit dem größeren Leistungsanteil. Bei der Optimierung wird vorausgesetzt, dass die Drehzahlen von Kraftmaschinen und Arbeitsmaschinen starr miteinander gekoppelt sind.

Die erfindungsgemäß jeder Arbeitsmaschine zugeordnete Regelung, welche z.B. beim Generator auf dessen Erregung, beim Kälteverdichter auf den Kolbenhub des Kälteverdichters der Taumelscheiben-Bauart wirkt (Einstellung des Winkels der Taumelscheibe), kann sichergestellt werden, dass die einzelnen Arbeitsmaschinen unter der vorgegebenen kraftstoffoptimierten Drehzahl jeweils dem geforderten Leistungsbedarf entsprechen.

Zur Realisierung der Regelungsaufgabe sind zwei Varianten zu unterscheiden:

  • 1. Die Änderung der Leistungsanforderungen erfolgt sprunghaft und in relativ hoher Frequenz.

    Die gesteuerte Verbrauchsoptimierung stützt sich auf die gespeicherten Kennfelder von Kraftmaschine(n) und Arbeitsmaschinen. Wenn diese nicht vom Hersteller zu beschaffen sind, sind sie in Versuchen zu bestimmen. Bauartbedingte Abweichungen werden durch Einzelmessungen erfasst und in die Kennfelder umgesetzt. Aus den Änderungen des Leistungsbedarfs resultieren dann gezielt die gesteuerte und berechnete Einstellung des neuen Betriebspunktes, nämlich Drehzahl und Kraftstoffbedarf der Kraftmaschine, Erregung des Generators, Frequenzanpassung des Wechselrichters und Kolbenhub (ggf. auch Zylinderzu- bzw. -abschaltung oder Bypass) des Kälteverdichters.
  • 2. Die Anpassung an geänderte Lastanforderungen kann langsam erfolgen, das Zeitintervall konstanter Betriebsbedingungen ist groß.

Der Kraftstoffzufuhr der Kraftmaschine (z.B. Verbrennungsmotor mit Regelstange) ist eine regelungstechnische Suchbewegung (+/- eines kontinuierlichen Wertes) überlagert, um sich auf den minimalen Kraftstoffbedarf einzustellen, mit dem den Nutzleistungen genügt werden kann. Die Untersystemregelungen folgen der Regelung der Kraftmaschine, um bei der Schwankung der Drehzahl die AC-Frequenz konstant zu halten, bzw. die Fördermenge des Kälteverdichters, also die Kühlleistung auf den neuen Wert einzustellen und dann konstant zu halten.

Mit einer Aufteilung der mechanischen Leistung auf zwei mit gleicher Drehzahl betriebenen Kraftmaschinen kann eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs erreicht werden. Eine solche Konfiguration kann auch aus Redundanzgründen vorgeschrieben sein. Bevorzugt werden typengleiche Motoren mit gleicher Nennleistung und gleichem Betriebskennfeld eingesetzt.

Das optimale Verhältnis der Leistungsaufteilung auf zwei gleiche Motoren liegt bei eine Verhältnis von 50%/50% mit der dem Leistungsbedarf entsprechenden optimalen Drehzahl. Im Falle der Aufteilung auf zwei Motoren ungleicher Nennleistung verschiebt sich das Verhältnis geringfügig. Im Falle von Motoren unterschiedlicher Nennleistung ergibt sich die optimale Leistungsaufteilung aus den beiden Kennfeldern.

Eine Aufteilung auf zwei oder mehrere Motoren sollte jedoch vorteilhaft auf einen Leistungsbereich von ca. 60% bis 100% der Gesamtleistung beschränkt bleiben, da der Einsparungsvorteil dann verschwindet, wenn die beiden Motoren im Teillastbereich arbeiten. Diese Variante ist deshalb nur für Anlagen lohnend, die vor allem mit hohen Leistungen betrieben werden.

Wird die funktional sinnvolle niedrigste Teillastschwelle eines Leistungszweiges, elektrisch oder mechanisch, unterschritten, gehen Teilsysteme oder auch der Primärenergiewandler in den Taktbetrieb über.

Geringe elektrische Leistungen (Notversorgung) oder auch kurzzeitige Energiebeiträge bei schnellen Leistungssprüngen kann ein Akkumulatorsatz liefern. Die Aufladung ist dabei ein weiterer DC-Verbraucher und Parameter der Betriebsführung.

In einer vorteilhaften Ausführung können Arbeitsmaschinen eingesetzt werden, welche aus zwei oder mehreren Einheiten bestehen, die antriebsseitig oder sekundärseitig verbunden sind. Diese Untereinheiten können als Teilsystem energetisch getrennten Verbrauchergruppen zugeordnet sein.

Neben der Verbrauchsminimierung können auch betriebs- und umgebungsabhängige Regelgrößen Einfluss auf die Betriebsführung nehmen, wie in den eingangs genannten Veröffentlichungen erwähnt. Der Betriebszuverlässigkeit und Anlagenlebensdauer kann temporär eine höhere Priorität eingeräumt werden, als der momentanen Minimierung des Primärenergieverbrauchs. Die in der Software der Betriebsführung festgelegten Grenzen der verschiedenen Betriebsparameter, z.B. Umgebungs- gleich Verbrennungs- und Kühllufttemperatur, Abgas- und Kühlwassertemperatur, Generatortemperatur, Hoch- und Niederdruck im Kältemittelkreis, schränken dann die Verbrauchsminimierung ein.

Besteht lokal die Möglichkeit, die Energieversorgungs- und Klimaanlage durch Anschluss an das elektrische Verbundnetz zu betreiben, bleibt die Regelung zur Minimierung des Primärenergiebedarfs bestehen. Für den Aufbau der Anlage gibt es dann folgende Varianten:

  • – Der Generatorausgang wird mit dem Fremdnetz verbunden und treibt mittels eines Frequenzumrichters im motorischen Betrieb drehzahlgeregelt den Kälteverdichter an.
  • – Wird eine galvanische Trennung vom Verbundnetz gefordert, muss ein weiterer Synchrongenerator für die Spannungsversorgung eingesetzt werden.
  • – Auch eine Netztrennung mittels Trenntrafo kann zweckmäßig sein.

Mit der erfindungsgemäßen Betriebsführung können unabhängig von der Betriebsdauer gegenüber konventionellen Anlagen, vorzugsweise bei hohem Teillastanteil, 30% bis 40% Kraftstoff eingespart werden. Bei ausschließlich mit COTS-Komponenten (COTS: commercial off the shelf) realisierbaren Systemen bleibt die Regelung ein bescheidener zusätzlicher Soft- und Hardware-Aufwand, wobei zwischen Regelungssystemen schneller und langsamer Reaktionszeit unterschieden werden muss.

Die Erfindung wird anhand konkreter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. Es zeigen:

1 Das Betriebskennfeld eines Dieselmotors ergänzt mit den Kurven des absoluten Kraftstoffverbrauchs und der Kurve eines beispielhaften konkreten Leistungsbedarfs.

2 Das Blockschaltbild einer Energieversorungs- und Klimaanlage gemäß der Erfindung, die sowohl zum autarken als auch fremdnetzgespeisten Betrieb eingerichtet ist.

3 Ein Diagramm zum Aufbau der bedarfs- und umgebungsgesteuerten Regelung/Steuerung des Systems.

4 Die AC- und DC-Bereitstellung des Systems mit elektrischem Energiespeicher.

1 zeigt das Betriebskennfeld eines Verbrennungsmotors in der bekannten Darstellung, Abszisse Motordrehzahl n, mittlerer effektiver Druck im Brennraum pme als Ordinate.

Weiter bezeichnen:

1
Linien konstanten spezifischen Kraftstoffverbrauchs b (g/(W,h)), messtech
nisch ermittelt
2
Linien konstanten Kraftstoffverbrauchs B (g/h), berechnet
3
Linien konstanter Leistung Pmech (W)
4
drehzahl- und bedarfsabhängige Summe des momentanen Bedarfs mechani
scher Leistung &Sgr;(PN,i/&eegr;i)(W)
x
momentan optimaler Betriebspunkt

Im Betriebspunkt x tangiert eine Kraftstoffkurve 2 die Bedarfskurve 4, d.h.

Das ist also momentan der Betriebspunkt mit minimalem Kraftstoffverbrauch. Alle rechts und links liegenden Betriebspunkte würden mehr Kraftstoff zur Bereitstellung der gleichen Nutzleistung benötigen.

Mit dem vereinfachten Blockschaltbild, 2, wird das Zusammenwirken von Kraftmaschine 10 (z.B. Dieselmotor) und den beiden Arbeitsmaschinen Generator 11 und Kälteverdichter 12 dargestellt. Mit 13 wird die Generatorerregung und mit 14 die Hubverstellung des Kälteverdichters 12 mittels einer winkelverstellbaren Taumelscheibe bezeichnet. Kraftmaschine 10 und Generator 11 sind mittels Schaltkupplungen 15 und 16 verbunden. Der Riementrieb 17 bildet die Verbindung zum Kälteverdichter 12 als energetisch günstigere Lösung im Vergleich zum elektrischen Antrieb, der mit dem Anteil der Generatorverluste und der Verluste des Antriebsmotors behaftet ist.

Die Steuerung/Regelung 20 liefert die Signale an die Erregung 13 und den Verstellaktuator der Taumelscheibe 14 entsprechend dem elektrischen Leistungsbedarf, ermittelt durch die Stromaufbereitung 21 und die Sollwert-Abweichung der Raumtemperatur – im Falle eines Kaltwassersatzes auch der Temperatur des Kaltwasser-Rücklaufs.

Der Übergang zum Fremdnetzbetrieb, Versorgungsleitung 22, erfolgt durch Umschalten des Schalters 23 zur Einspeisung in den DC-Strang 24 und des Schalters 25 für den AC-Strang 26. Über den Frequenzumrichter 27 wird der Generator 11 motorisch betrieben. Mit der Kupplung 16 erfolgt die Zuschaltung des Kälteverdichters 12.

Die erfindungsgemäße Steuerung/Regelung 20 für die Kraftmaschine 10 und beispielsweise Generator 11 und Kälteverdichter 12 als Arbeitsmaschinen setzt sich zusammen aus der Steuerungseinheit 30 und der angeschlossenen Bedarfserfassung 35, 3. In der Steuerung 30 sind die Betriebskennfelder der Kraftmaschine 10 und der Arbeitsmaschinen 11 und 12 abgelegt, um die vom Nutzleistungsbedarf abhängigen Signale zu liefern:

  • – die Dosierung des Kraftstoffs des Dieselmotors 10,
  • – den Sollwert der Erregungsspannung für den Generator 11,
  • – die Winkelstellung der Taumelscheibe des Kälteverdichters 12.

Der Nutzleistungsbedarf bestimmt sich mit dem Rechner 35 aus den Signalen der Sensoren:

  • 36 für den elektrischen Leistungsbedarf, AC und DC,
  • 37 für den Kühlungs- bzw. Heizungsbedarf im Arbeitsraum oder in einem Gerätekühlkreis,
  • 38 für Parameter der Umgebungsbedingungen, die den Anlagenbetrieb im Sinne der Betriebszuverlässigkeit beeinflussen können, z.B. Umschalten auf Stand-By-Betrieb in Ruhezeiten, Vorwärmung Dieselmotor, Ölsumpfheizung des Kälteverdichters u.ä.

Ein Mittel der Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit ist für mobile Anlagen die Schaffung einer Teilredundanz mittels Aufteilung der erforderlichen Nennleistungen auf mehrere Einheiten. Bauraum, Gewicht und Anlagenkomplexität erhöhen sich. Die volle Redundanz wird nur in Ausnahmefällen gefordert. Eine Änderung des Regelkonzepts wird mit einer solchen Erweiterung nicht notwendig. Stromversorgung und Kältekreise können zusammengeschaltet werden. Alternativ kann auch die Antriebsseite umschaltbar ausgebildet werden. Die Steuerung schaltet bei niedriger Teillast einen Strang aus, dann wenn die gesamte Nutzleistung wirtschaftlicher von einem Strang geliefert werden kann.

Eine detaillierte Darstellung der AC- und DC-Bereitstellung zeigt 4. Der Motor-Generator-Einheit 10 und 11 folgt die Energieaufbereitung für die Stränge 24 und 26. Die Gleichrichter 41 und 42 liefern die benötigte Spannung, der Inverter 43 liefert den 50Hz-Wechselstrom, bei Bedarf 60Hz. Die Speicher 44 und 45 puffern große Lastsprünge und bilden eine Energiereserve für kurze Betriebsunterbrechungen. Um die Lebensdauer der Pufferbatterien zu steigern, berücksichtigt die Steuerung bei Wahl der Zwischenkreisspannung die Ladung und Ladungserhaltung entsprechend der Strom-Spannungskennlinie. Bei geringem Leistungsbedarf der DC-Verbraucher erfolgt optional die DC-Bereitstellung aus dem Zwischenkreis über den elektronischen DC-DC-Wandler 46 (Batterielade- und Batteriemanagement) oder einem weiteren AC/DC-Wandler (optional).


Anspruch[de]
Verfahren zum Betrieb einer kombinierten Energieversorgungs- und Klimaanlage, umfassend eine oder mehrere Kraftmaschinen mit je einer variabel anfahrbaren Drehzahl und mit diesen gekoppelten Arbeitsmaschinen zur Stromerzeugung und Klimatisierung, dadurch gekennzeichnet, dass

– mittels Sensoren die momentan von den Arbeitsmaschinen geforderten Nutzleistungen ermittelt werden, so dass sich ein momentaner Gesamtnutzleistungsbedarf ergibt;

– auf der Grundlage des momentanen Gesamtnutzleistungsbedarfs die Drehzahl der Kraftmaschine(n) derart geregelt wird, dass dessen bzw. deren Kraftstoffverbrauch minimal ist, wobei Regelmechanismen für die Arbeitsmaschinen vorgesehen sind, um sicherzustellen, dass diese bei der so eingestellten verbrauchsoptimierten Drehzahl die jeweils geforderten Nutzleistungen erbringen können.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verbrauchsoptimierte Drehzahl durch eine Regelung, die sich auf gespeicherte Betriebskennfelder der Kraftmaschine(n) und der Arbeitsmaschinen stützt, erfolgt. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass vorzugsweise bei sich wenig änderndem Gesamtnutzleistungsbedarf die verbrauchsoptimierte Drehzahl durch eine langsame Suchbewegung in Form einer schwankenden Kraftstoffzufuhr geregelt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmaschine ein in Taumelscheibenbauart ausgebildeter Kälteverdichter einer Klimaanlage eingesetzt wird, wobei zur Einstellung der geforderten Nutzleistung des Kälteverdichters und bei vorgegebener verbrauchsoptimierter Drehzahl der Winkel der Taumelscheibe eingestellt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmaschine ein Generator eingesetzt wird, wobei zur Einstellung der geforderten Nutzleistung des Generators und bei vorgegebener verbrauchsoptimierter Drehzahl die Erregung des Generators eingestellt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsmaschinen eingesetzt werden, welche aus zwei oder mehreren Einheiten bestehen, die antriebsseitig oder sekundärseitig verbunden sind. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Kraftmaschinen vorhanden sind. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kraftmaschinen identische Nennleistung und Betriebskennfelder aufweisen und die benötigte mechanische Leistung zu gleichen Teilen auf die beiden Kraftmaschinen aufgeteilt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Kraft- bzw. Arbeitsmaschinen abgeschaltet werden, wenn die benötigte Nutzleistung kraftstoffsparender von den verbleibenden Maschinen geliefert werden kann. Verfahren nach einer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei rascher Erhöhung der Last der kurzzeitige Mangel an elektrischer Leistung durch Energiespeicher für den DC- und/oder AC-Strang abgedeckt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei geringen Lasten die Versorgung aus der Energiespeicherung und deren Ladezustandsüberwachung mit Start zur Nachladung erfolgt.






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