DE102005012167A1 - Power train for power generation plant, has gear to effect power branching on main and side lines, and control and/or regulating unit to control power transmission of hydrodynamic circuit such that speed of main line remains constant - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein drehzahlvariables Getriebe für eine Energieerzeugungseinheit, insbesondere ein solches, welches eine variable Eingangsleistung bei unterschiedlichen Eingangsdrehzahlen von einer ersten Energiewandlungsmaschine aufnimmt und unter Aufrechterhaltung einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsdrehzahl an eine zweite Energiewandlungsmaschine weiterleitet.The The invention relates to a variable-speed transmission for a power generation unit, in particular, one which has a variable input power receives at different input speeds from a first energy conversion machine and maintaining a substantially constant output speed to a second energy conversion machine forwards.
In Energieerzeugungsanlagen liegen oftmals Energiewandlungsmaschinen unterschiedlicher Charakteristik vor. Beispielsweise werden häufig zur elektrischen Energieerzeugung Verbrennungskraftmaschinen, etwa thermische Turbinen oder Kolbenmotoren, zum Antrieb von elektrischen Generatoren verwendet. Beispiele für letztere sind Synchron- oder Asynchrongeneratoren. Ferner sind solche elektrische Energieerzeugungsanlagen typischerweise an elektrische Verbundnetze angekoppelt. Zur Stabilisierung der Leistungsflussbilanz wird in solchen Netzen die Netzfrequenz geregelt, was zur Folge hat, dass bei einer unmittelbaren Aufschaltung des elektrischen Generators an das Verbundnetz dieser elektrische Energie mit der vorgegebenen Netzfrequenz einspeisen muss, woraus wiederum folgt, dass die rotierende elektrische Maschine in Abhängigkeit der Polpaaranzahl mit einer konstanten Umlaufdrehzahl betrieben werden muss. Kann diese Vorgabe nicht erfüllt werden, so ist es notwendig, anstatt einer unmittelbaren Ankopplung des elektrischen Generators an das Verbundnetz einen Frequenzumrichter zwischenzuschalten. Durch diese Maßnahme ist es möglich, die Generatorfrequenz und damit die Antriebsdrehzahl für den Generator weitestgehend frei einzustellen, nachteilig ist jedoch, dass die Verwendung von Frequenzumrichtern zu einer starken Netzrückwirkung, insbesondere im Hinblick auf die Oberschwingungsbelastung, führt. Ferner ist bei der Verwendung von Frequenzumrichtern im Falle von Leistungseinbrüchen auf dem Verbundsnetz nur eine im Vergleich zu einer direkten Kopplung schwache Stützwirkung durch den elektrischen Generator gegeben, so dass es auch im Hinblick auf die Netzstabilität wünschenswert ist, Turbomaschinensätze in unmittelbarer Leistungsverbindung zum Netz anzuschließen.In Power generation plants are often energy conversion machines different characteristics before. For example, are often used for electrical Energy generation Internal combustion engines, such as thermal turbines or piston engines, used to drive electric generators. examples for the latter are synchronous or asynchronous generators. Furthermore, such electrical power plants typically to electrical Interconnected networks. To stabilize the power flow balance In such networks, the network frequency is regulated, resulting in has that with an immediate connection of the electrical Generators connected to the grid of this electrical energy with the must feed in given network frequency, which in turn follows that the rotating electrical machine depending on the number of pole pairs must be operated at a constant rotational speed. can this requirement is not met it is necessary, rather than an immediate coupling of the electric generator to the grid a frequency converter interpose. By this measure, it is possible to Generator frequency and thus the drive speed for the generator set free as far as possible, however, is disadvantageous that the Use of frequency converters for strong network feedback, especially with regard to the harmonic load leads. Further is when using frequency converters in the case of power drops on the interconnected network only one compared to a direct coupling weak support effect given by the electric generator, so it also with regard to on the network stability desirable is, turbomachinery sets to be connected in the direct connection to the network.
Nachfolgend wird daher von einem Antriebsstrang ausgegangen, der mechanische Leistung von einer ersten Energiewandlungsmaschine aufnimmt und so zu einer zweiten Energiewandlungsmaschine weiterleitet, dass diese mit konstanter Umlaufdrehzahl angetrieben wird. Ferner sollte diese zweite Energiewandlungsmaschine durch ein im Wesentlichen konstantes Drehmoment-/Leistungsverhältnis charakterisiert sein. Dies liegt im Fall von Synchotrongeneratoren vor. Auch für Asynchrongeneratoren ist diese Bedingung beim Vorliegen eines steilen Linearbereichs im Wesentlichen erfüllt.following is therefore assumed that a drive train, the mechanical Absorb power from a first energy conversion engine and so to a second energy conversion machine that forwards this is driven at a constant rotational speed. Furthermore, should this second energy conversion machine by a substantially constant Torque / power ratio characterized be. This is in the case of synchrotron generators. Also for asynchronous generators this condition is when there is a steep linear range essentially fulfilled.
Wird
die voranstehend beschriebene Anforderung nun auf die erste Energiewandlungsmaschine
an der Eingangsseite des Antriebsstrangs übertragen, so ergeben sich
bei Verwendung eines Antriebsstrangs mit konstanter Übersetzung
folgende Einschränkungen:
Wird
zum Antrieb, d.h. als erste Energiewandlungsmaschine, eine Verbrennungskraftmaschine
verwendet und diese mit Nennleistung betrieben, so ist üblicherweise
ein optimales Drehmoment-/Drehzahlpaar zugeordnet, auf das wiederum
das Getriebe im nachfolgenden Antriebsstrang abgestimmt wird. Hieraus folgt,
dass die Energieerzeugungsanlage lediglich eine im Wesentlichen
konstante Leistung an das Netz abgeben kann und somit nur im geringen
Maße als
variable Energieerzeugungseinheit einsetzbar ist.If the requirement described above is now transferred to the first energy conversion machine on the input side of the drive train, then the following restrictions apply when using a drive train with a constant ratio:
If an internal combustion engine is used for the drive, ie as the first energy conversion machine, and these are operated at rated power, an optimal torque / speed pair is usually assigned to which, in turn, the transmission in the subsequent drive train is tuned. It follows that the power generation plant can only deliver a substantially constant power to the grid and thus can be used only to a small extent as a variable power generation unit.
Wird die Variabilität bezüglich der Energieerzeugung für eine direkt an das Verbundnetz angeschlossene Energieerzeugungsanlage verlangt, so muss bei der Verwendung einer Verbrennungskraftmaschine als Antrieb eines elektrischen Generators in Kauf genommen werden, dass zur Bereitstellung eines variablen Drehmoments am elektrischen Generator bei gleichzeitig konstanter Generatordrehzahl die Verbrennungskraftmaschine außerhalb der optimalen Betriebsbedingungen eingestellt werden muss, was nur innerhalb bestimmter Grenzen sinnvoll bzw. möglich ist. Eine Möglichkeit zur Umgehung dieser Problematik besteht darin, den Antriebsstrang als leistungsverzweigtes Getriebe auszubilden, wobei über einen Leistungszweig zusätzliche Hilfsmotoren oder Energiespeicher angekoppelt sind, welche dazu dienen, einen Teil der für den Leistungseintrag geforderten Variabilität unabhängig von der Hauptantriebsmaschine zu realisieren. Ein solcher Ansatz ist konstruktiv aufwendig und löst die Vorgabe des leistungsvariablen Antriebs eines unmittelbar an ein Netz angekoppelten Generators nicht vollständig. Darüber hinaus sind bei einer solchen Anordnung Wirkungsgradverluste im Antriebsstrang zu beachten.Becomes the variability in terms of of energy production for a power generation plant connected directly to the grid requires, so must when using an internal combustion engine be accepted as the drive of an electric generator, that for providing a variable torque on the electric Generator at the same time constant generator speed, the internal combustion engine outside the optimum operating conditions must be set, which only within reasonable limits is meaningful or possible. A possibility To circumvent this problem is to use the powertrain as train power split transmission, with a Power branch additional Auxiliary motors or energy storage are coupled, which in addition serve a part of for the variability required for the power input independent of the main drive machine to realize. Such an approach is structurally complex and solve the Specification of the power variable drive one directly to a network coupled generator not complete. In addition, with such a Arrangement efficiency losses in the drive train to be observed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang für eine Energieerzeugungsanlage anzugeben, welcher dazu geeignet ist, zwei elektrische Energiewandlungsmaschinen unterschiedlicher Charakteristik miteinander zu verbinden, wobei der ersten Energiewandlungsmaschine auf der Eingangsseite des Antriebsstrangs eine optimale Drehzahl-/Drehmoment-Charakteristik zugeordnet ist, während für die zweite Energiewandlungsmaschine auf der Abtriebsseite des Antriebsstrangs die Vorgabe einer konstanten Umlaufdrehzahl besteht, und diese ferner durch ein konstantes Drehmoment-/Leistungsverhältnis charakterisiert ist. Die Energieerzeugungsanlage sollte eine variabel einstellbare Leistungsabgabe aufweisen, wobei der Antriebsstrang einen möglichst hohen Gesamtwirkungsgrad der Energieerzeugungsanlage sowie eine konstruktiv und fertigungstechnisch einfache Realisierung ermöglichen sollte.The invention has for its object to provide a drive train for a power generation plant, which is adapted to connect two electric energy conversion machines of different characteristics with each other, wherein the first energy conversion machine on the input side of the drive train is assigned an optimal speed / torque characteristic, while for the second energy conversion machine on the output side of the drive train is the specification of a constant rotational speed, and this is further characterized by a constant torque / power ratio. The power generation plant should have a variably adjustable power output, the drive train should allow the highest possible overall efficiency of the power generation plant and a structurally and manufacturing technology simple realization.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.These The object is solved by the features of the independent claims.
Zunächst haben die Erfinder erkannt, dass bei einer Vorgabe einer bestimmten Leistungsanforderung die zum Antrieb verwendete erste Energiewandlungsmaschine mit einem optimalen Drehzahl-/Drehmomentenpaar und zugleich auch die zweite Energiewandlungsmaschine mit konstanter Umlaufdrehzahl und mit einem entsprechend angepassten Drehmoment betrieben werden kann, wenn der zwischengeschaltete erfindungsgemäße Antriebsstrang, angepasst an das jeweilige Leistungserfordernis, eine variable Übersetzung bereitstellt. Erfindungsgemäß wird dies durch die Verwendung eines Leistungsverzweigungsgetriebes in Verbindung mit wenigstens einem abtriebsseitig nachfolgenden geregelten hydrodynamischen Kreislauf erreicht.First have the inventors recognized that when specifying a particular power requirement the first energy conversion machine used to drive with a optimal speed / torque pair and at the same time the second Energy conversion machine with constant circulating speed and with one adjusted torque can be operated when the intermediate drive train according to the invention, adapted to the respective service requirement, a variable translation provides. According to the invention this is through the use of a power split transmission in conjunction with at least one output side downstream controlled hydrodynamic Circulation achieved.
Das Leistungsverzweigungsgetriebe, welches beispielsweise als Planetenradgetriebe realisiert werden kann, dient der Aufteilung der zugeführten Leistung auf parallele Leistungszweige. Mit einem ersten Leistungszweig, welcher nachfolgend als Hauptstrang bezeichnet wird, steht die zweite Energiewandlungsmaschine in wenigstens mittelbarer Verbindung. Entsprechend der Vorgaben muss die Umlaufdrehzahl auf diesem Hauptstrang im Wesentlichen konstant gehalten werden. Parallel zum Hauptstrang stellt das Leistungsverzweigungsgetriebe wenigstens einen Seitenstrang zur Verfügung. Auf diesem Seitenstrang kann Leistung zur Anpassung des Übersetzungsverhältnisses dem Leistungsverzweigungsgetriebe zu- oder abgeführt werden, wobei die Einstellung der Leistungsflüsse auf dem Hauptstrang und jene auf dem Seitenstrang durch die Steuerung und/oder Regelung eines hydrodynamischen Kreislaufs bewirkt wird, welcher abtriebsseitig zum Leistungsverzweigungsgetriebe eine Wirkverbindung zwischen dem Hauptstrang und dem Seitenstrang herstellt.The Power split transmission, which, for example, as a planetary gear can be realized, serves the division of the supplied power on parallel power branches. With a first power branch, which is referred to below as the main strand, is the second Energy conversion machine in at least indirect connection. Corresponding By default, the rotational speed on this mainline must be substantially kept constant. Parallel to the main line is the power split transmission at least one side string available. On this sid string may be power to adjust the gear ratio the power split transmission to be supplied or removed, the setting the power flows on the main line and those on the side line through the control and / or regulation of a hydrodynamic circuit is effected which output side to the power split transmission an operative connection between the main strand and the side branch.
Der hydrodynamische Kreislauf besteht in wenigstens mittelbarer Wirkverbindung sowohl mit dem Hauptstrang wie auch mit dem Seitenstrang. Durch eine Steuerung und/oder Regelung des hydrodynamischen Kreislaufs, beispielsweise durch die Einstellung des Füllstandniveaus mit Arbeitsmedium oder durch eine Verstellung von Reaktionsgliedern, beispielsweise einem Stellrad im Falle eines hydrodynamischen Wandlers, kann der Leistungsfluss zwischen dem Seitenstrang und dem Hauptstrang so eingestellt werden, dass zum einen die Konstanz der Drehzahl auf dem Hauptstrang und damit eine konstante Drehzahl für die zweite Energiewandlungsmaschine, typischerweise dem elektrischen Generator, sichergestellt ist. Zum anderen ist eingangsseitig durch das entsprechend abgestimmte Übersetzungsverhältnis der geforderten Leistung eine bestimmte Eingangsdrehzahl zugeordnet. Dies heißt wiederum, dass die erste Energiewandlungsmaschine mit einem für die jeweilige Leistungsanforderung passenden Drehzahl-/Drehmomentpaar betrieben werden kann. Damit ist im Falle der Verwendung einer Verbrennungskraftmaschine als erste Energiewandlungsmaschine eine Führung entlang einer optimalen Betriebskennlinie für alle an die Energieerzeugungsanlage gestellten Gesamtleistungsanforderungen möglich.Of the hydrodynamic circulation consists in at least indirect active compound both with the main strand as well as with the side strand. By a control and / or regulation of the hydrodynamic circuit, for example, by adjusting the level with working fluid or by an adjustment of reaction members, such as a Stellrad in the case of a hydrodynamic converter, the power flow be set between the side string and the main string so that on the one hand the constancy of the speed on the main line and thus a constant speed for the second energy conversion machine, typically the electric one Generator, is ensured. On the other hand, the input side the appropriately tuned gear ratio of required power assigned to a specific input speed. This means turn, that the first energy conversion machine with one for each Power requirement matching speed / torque pair operated can be. This is in the case of using an internal combustion engine as the first energy conversion machine a guide along an optimal operating characteristic for all total power requirements imposed on the power generation plant possible.
Zur entsprechend abgestimmten Steuerung und/oder Regelung des hydrodynamischen Kreislaufes ist es notwendig, dass die der ersten Energiewandlungsmaschine zugeordnete Kennlinie entsprechend abgebildet wird. Im Falle einer Verbrennungskraftmaschine wird dies im Allgemeinen eine ansteigende lineare bis parabolische Kennlinie für das optimale Drehmoment-/Drehzahlverhältnis sein. Hieraus wird eine auf die jeweilige Auslegung des Antriebsstrangs zum einen und der diesen antreibenden ersten Energiewandlungsmaschine zum anderen abgestellte Kennlinie zur Steuerung des hydrodynamischen Kreislaufes folgern. In Abhängigkeit der Leistungsanforderung wird dann eine jeweils angepasste Leistungsübertragung durch diesen hydrodynamischen Kreislauf und damit eine bestimmte Einstellung für die Wirkverbindung zwischen dem Hauptstrang und dem Seitenstrang des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs folgen. Diese Steuerung kann auch durch eine zusätzliche Regelung verbessert oder durch diese ersetzt werden, welche die eingangsseitige Drehzahl des Antriebsstrangs misst und mit den Vorgaben der jeweiligen Leistungsanforderung vergleicht und außerdem die ausgangsseitige Drehzahl konstant hält.to appropriately coordinated control and / or regulation of the hydrodynamic Circulation it is necessary that the first energy conversion machine associated characteristic is mapped accordingly. In case of a Internal combustion engine, this is generally an increasing linear to parabolic characteristic curve for the optimal torque / speed ratio. This will be a on the respective design of the powertrain on the one hand and the first energy conversion machine that drives them on the other parked characteristic for controlling the hydrodynamic Conclude circulation. Dependent on the power request then becomes a customized power transfer through this hydrodynamic cycle and thus a specific one Setting for the operative connection between the main strand and the side strand of the drive train according to the invention consequences. This control can also be improved by additional control or be replaced by this, which is the input-side speed of the powertrain and with the specifications of the respective power requirement compares and besides keeps the output speed constant.
In einer bevorzugten Ausgestaltung arbeitet die Steuerung und/oder Regelung für den hydrodynamischen Kreislauf mit einer Steuerungseinheit für die erste Energiewandlungsmaschine zusammen. Hierdurch ist es möglich, die Leistungsvorgabe an die erste Energiewandlungsmaschine, d.h. insbesondere die Einstellung eines optimalen Paars für das Drehmoment und die Drehzahl, mit der entsprechenden Justage für den erfindungsgemäßen Antriebsstrang zu verbinden. Eine Verbindung zwischen diesen beiden Steuerungs- und/oder Regelungseinheiten kann direkt erfolgen, etwa über eine Kommunikationsverbindung oder eine Verbindung kann mittelbar über weitere Steuergeräte, auch über ein zentrales Steuergerät, hergestellt werden. Ferner ist es auch denkbar, eine Steuerungs- und Regelungsfunktion in einer Gesamtsteuerungseinheit zusammenzufassen. Entsprechend einer Weitergestaltung besteht auch eine weitere Signalverbindung zur Steuerungseinheit für die zweite Energiewandlungsmaschine. So ist es im Falle eines an ein Verbundsnetz angeschlossenen Generators von Vorteil, wenn insbesondere für bestimmte Betriebszustände, etwa der Aufsynchronisation auf ein elektrisches Netz, eine entsprechende Nachführung der Leistungsübertragungscharakteristik durch den erfindungsgemäßen Antriebsstrang möglich ist.In a preferred embodiment, the control and / or regulation for the hydrodynamic circuit cooperates with a control unit for the first energy conversion machine. This makes it possible to connect the output specification to the first energy conversion machine, ie in particular the setting of an optimum pair for the torque and the speed, with the corresponding adjustment for the drive train according to the invention. A connection between these two control and / or regulating units can be made directly, for example via a communication connection or a connection can be made indirectly via other control devices, even via a central control unit. It is also conceivable to combine a control and regulation function in an overall control unit. According to a further embodiment, there is also a further signal connection to the control unit for the second energy conversion machine. Thus, in the case of a generator connected to a network, it is advantageous if, in particular for certain operating states, for example the synchronization to an electrical network, a corresponding tracking of the power transmission characteristic by the drive train according to the invention is possible.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren genauer beschrieben. Im Einzelnen ist folgendes dargestellt:following The invention will be described in more detail with reference to figures. In detail the following is shown:
Bevorzugt
wird als erste Energiewandlungsmaschine
Der
erfindungsgemäße Antriebsstrang
umfasst ein Leistungsverzweigungsgetriebe
Abtriebsseitig
zum Leistungsverzweigungsgetriebe
Zur
Regelung und Steuerung des hydrodynamischen Kreislaufs
In
einer bevorzugten Ausgestaltung wird zusätzlich oder alternativ zur
Kennliniensteuerung für den
hydrodynamischen Kreislauf eine Regelung verwendet, welche dazu
dient, die Nenndrehzahl auf dem Hauptstrang
In
einer Weitergestaltung ist es möglich,
zwei und mehr hydrodynamische Kreisläufe
In
Unter
Drehzahl-/Drehmomentverhältnis
wird in der vorliegenden Anmeldung die Betriebskennlinie verstanden,
welche einer geforderter Leistung ein Drehzahl-/Drehmomentpaar für einen optimalen Wirkungsgrad
zuordnet. Im Allgemeinen ist die Charakteristik der ersten Energiewandlungsmaschine
durch eine variabel einstellbare Drehzahl und ein ansteigendes Drehzahl-/Drehmomentenverhältnis charakterisiert,
so dass eine Anpassung durch den erfindungsgemäßen Antriebsstrang auf die
Charakteristik der zweiten Energiewandlungsmaschine vollzogen wird.
Exemplarisch ist hierzu in
Für das Gesamtsystem
wirkt sich die zusätzliche
Verwendung eines Leistungsverzweigungsgetriebes und des hydrodynamischen
Kreislaufs nicht nachteilig aus, d.h. der Wirkungsgradgewinn durch eine
variable und zugleich leistungsoptimale Führung der antreibenden ersten
Energiewandlungsmaschine
- 11
- Antriebsstrangpowertrain
- 22
- erste Energiewandlungsmaschinefirst Energy Conversion Machine
- 33
- zweite Energiewandlungsmaschinesecond Energy Conversion Machine
- 44
- LeistungsverzweigungsgetriebePower split transmission
- 55
- Planetenradträgerplanet
- 66
- Hohlradring gear
- 77
- Sonnenradsun
- 88th
- Zusatzgetriebeadditional gear
- 99
- Hauptstrangmain line
- 1010
- Seitenstrangside strand
- 1111
- hydrodynamischer Kreislaufhydrodynamic circulation
- 1212
- Pumpenradimpeller
- 1313
- Turbinenradturbine
- 1414
- Stellradthumbwheel
- 1515
- Regelungs-/Steuereinheit des hydrodynamischen KreislaufsRegulatory / control unit of the hydrodynamic cycle
- 1616
- Standgetriebestationary gear
- 1717
- Verbundnetzgrid system
Claims (9)
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---|---|---|---|
DE200510012167 DE102005012167A1 (en) | 2005-03-17 | 2005-03-17 | Power train for power generation plant, has gear to effect power branching on main and side lines, and control and/or regulating unit to control power transmission of hydrodynamic circuit such that speed of main line remains constant |
Applications Claiming Priority (1)
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DE200510012167 DE102005012167A1 (en) | 2005-03-17 | 2005-03-17 | Power train for power generation plant, has gear to effect power branching on main and side lines, and control and/or regulating unit to control power transmission of hydrodynamic circuit such that speed of main line remains constant |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102005012167A1 true DE102005012167A1 (en) | 2006-04-27 |
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- 2005-03-17 DE DE200510012167 patent/DE102005012167A1/en not_active Ceased
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OAV | Applicant agreed to the publication of the unexamined application as to paragraph 31 lit. 2 z1 | ||
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8131 | Rejection |