DE102011053982A1

DE102011053982A1 - Generator-Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE102011053982A1
Application number: DE201110053982
Authority: DE
Inventors: Andreas Bünte; Bernd Huhmann
Original assignee: LTI Drives GmbH
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-03-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Generator-Schaltungsanordnung (10) umfassend einen n-phasigen Stromgenerator (12) mit beidseitig kontaktierbaren Generatorsträngen (14) und eine Gleichrichtereinrichtung (18) mit n-Halbbrücken (20), die mit einem DC-Zwischenkreis (16) verbunden sind. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste Kontaktseite (24a) des Generatorstrangs (14) mit der Gleichrichtereinrichtung (18) und eine zweite Kontaktseite (24b) des Generatorstrangs (14) mit einer Generator-Wechselrichtereinrichtung (26) verbunden ist, wobei die Gleichstrompotentiale von Gleichrichtereinrichtung (18) und Wechselrichtereinrichtung (26) in einem Generatorbetrieb verbunden sind. In einem nebengeordneten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Generator-Schaltungsanordnung (10), wobei eine Steuereinrichtung die Schaltelemente (38) der Generator-Wechselrichtereinrichtung (26) derart ansteuert, dass in dem Generatorstrang (14) ein sinusförmiger Strangstrom i ausgebildet wird, dessen Phasenwinkel φ abgestimmt zur Grundwelle der Strangspannung u verläuft, wobei bevorzugt ein Hochsetzbetrieb erreicht wird. Des Weiteren wird eine Netzversorgungsvorrichtung (70) und eine Verwendung einer solchen Netzversorgungsvorrichtung umfassend eine Generator-Schaltungsanordnung (10) vorgeschlagen.

Description

STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Generator-Schaltungsanordnung, die einen n-phasigen Stromgenerator und eine Gleichrichtereinrichtung mit n-Halbbrücken umfasst. In einem nebengeordneten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb der Generator-Schaltungsanordnung sowie eine Netzversorgungsvorrichtung, die eine erfindungsgemäße Generator-Schaltungsanordnung umfasst.
Gattungsgemäße Generator-Schaltungsanordnungen werden zur Erzeugung elektrischer Energie sowohl in Klein- als auch in Großkraftwerken eingesetzt. Sie dienen dazu, aus einer erzeugten Wechselstromenergie eines Stromgenerators eine Gleichstromenergie eines DC-Zwischenkreises zu erzeugen, durch den ein Gleichstromnetz oder nach einer Frequenzumrichtung ein Wechselstromnetz versorgt werden kann. In Großkraftwerken werden typischerweise fremderregte Synchrongeneratoren mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt, die netzsynchron betrieben werden. Allerdings erzwingt die Netzsynchronität einen drehzahlstarren Betrieb des Stromgenerators. Dagegen sind drehzahlvariable Stromgeneratoren flexibler einsetzbar und können insbesondere bei Kleinkraftwerken kostengünstiger betrieben werden. Sie eignen sich insbesondere für Wind- oder Wasserkraftanlagen, bei denen die Turbinendrehzahl in Abhängigkeit eines Strömungsmediums in großen Bereichen variiert, in solchen Kraftwerken ist ein drehzahlstarrer Betrieb nur mit hohem Aufwand realisierbar.
Im Falle eines drehzahlvariablen Betriebes sind aus dem Stand der Technik mehrere Generator-Schaltungsanordnungen bekannt:

– Doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren, bei der der Läufer mittels Schleifringe bestrombar ist und an ihm ein Frequenzumrichter zur Regelung der Drehzahl angeschlossen ist. Somit kann ein drehzahlvariabler Betrieb mit geringem leistungselektronischem Aufwand der Netzeinspeisung bereitgestellt werden, da der Läuferstrom im Verhältnis zum Statorstrom deutlich minimiert ist. Die Schleifringe erhöhen allerdings die Kosten des Stromgenerators, da deren Wartungszustand einer fortwährenden Überprüfung bedarf, des Weiteren leidet der asynchrone Stromgeneratorenbetrieb unter einem verringerten Wirkungsgrad.
– Permanenterregter Synchrongenerator: Dieser Generatortyp trägt Permanentmagnete entlang seines Läuferumfangs, wobei die Läuferdrehzahl die Frequenz der erzeugten Spannung vorgibt. Durch einen drehzahlvariablen Betrieb wird in der Regel nicht direkt ins Netz eingespeist, sondern zunächst die erzeugte Wechselspannung gleichgerichtet und über einen Wechselrichter eine netzfrequente Spannung aus der DC-Zwischenkreisspannung aufbereitet. Folglich ist ein leistungselektronischer Netz-Wechselrichter erforderlich, und der DC-Zwischenkeis wird über einem Gleichrichter aus dem Generator gespeist.
– Asynchrongenerator: Durch Einsatz eines Drehstromasynchrongenerators kann ebenfalls durch Gleichrichtung der erzeugten Spannung und nachgeschalteter Wechselrichtung eine netzsynchrone Versorgungsspannung eines Energieversorgungsnetzes bereitgestellt werden. Auch hier ist eine aufwändige Leistungselektronik erforderlich, die den Wirkungsgrad verschlechtert.

Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise in dem Konferenzbeitrag „Drehzahlvariable Systeme mit permanenterregten Generatoren" G. Cramer, R. Grebe, D. Wimmer, P. Zacharias, Kasseler Symposium Energie-Systemtechnik `99, S. 65 bis 77 – ISET 1999 verschiedene gängige Generator-Schaltungsanordnungen beschrieben. Ausgehend von diesem Beitrag beruhen im Wesentlichen die Verfahren zur Gleichrichtung von frequenzvariabler Wechselspannung permanenterregter Generatoren (PME-Generatoren) auf folgenden Grundschaltungstypen:

1. Ungesteuerte Gleichrichtung: Eine einfache Gleichrichterschaltung besteht typischerweise aus einem Brückengleichrichter mit Leistungshalbleiterdioden. Dieser dient zur Gleichrichtung der frequenzvariablen Generatorspannung, wobei die Spannungshöhe und Stabilität von der Frequenz bzw. der antreibenden Energie des Stromgenerators abhängt. Nachteilig ist der hohe Oberwellenanteil im Generatorstrom und die mit der Generatordrehzahl schwankende Zwischenkreisspannung.
2. Ungesteuerte Gleichrichtung mit nachgeschaltetem Hochsetzsteller: Im Falle einer zu gering erzeugten Wechselspannungsamplitude der drehzahlveränderlichen Generatorspannung kann die schwankende Zwischenkreisspannung durch Einsatz eines Hochsetzstellers auf einem Mindestmaß hochgeregelt werden. Die Generatorströme bleiben weiterhin oberwellenbehaftet und der Gesamtwirkungsgrad wird durch den zusätzlichen Hochsetzsteller verschlechtert. Allerdings können in gewissen Drehzahlbereichen eine Mindestzwischenkreisgleichspannung konstant gehalten werden.
3. Gesteuerte Gleichrichtung: Ein generatorseitiger zur Gleichrichtung gesteuerter Wechselrichter kann simultan als Hochsetzsteller eingesetzt werden und prägt sinusförmige Ströme in den Generator ein. Hierdurch kann die Zwischenkreisspannung geregelt und ein großer Drehzahlbereich ausgenutzt werden. Nachteilig sind die hohen Kosten durch den Wechselrichter und die notwendige Steuervorrichtung sowie die zusätzlichen Schaltverluste, die zu einem Absinken des Wirkungsgrads führen.

Aus dem Bereich der Antriebstechnik ist der Einsatz von Doppelwechselrichtern bekannt, bei denen die beiden Kontaktseiten der Motorstränge eines Wechsel- bzw. Drehstrommotors mit jeweils einem Wechselrichter angesteuert werden. Diese Schaltungsanordnung hat die Vorteile, dass die abgegebene Motorleistung um den Faktor √3 bei gleichen Motorströmen erhöht, eine erhöhte Ausfallsicherheit und Redundanz durch die Verwendung zweier Wechselrichter mit Notbetrieb-Schaltelementen bereitgestellt und Stromoberwellen durch eine Erhöhung der Schaltfrequenz reduziert werden können.
Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der bekannten Verfahren zu verringern, insbesondere Schaltverluste zu minimieren, Oberwellen in den Generatorströmen zu reduzieren sowie einen hohen Wirkungsgrad bei Einsatz drehzahlveränderlicher Stromgeneratoren zu erreichen.
Die oben genannten Nachteile werden durch einen Generator-Schaltungsanordnung, ein Betriebsverfahren für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowie einer Netzversorgungseinrichtung nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der unabhängigen Ansprüche.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
In einem ersten erfinderischen Aspekt wird eine Generator-Schaltungsanordnung umfassend einen n-phasigen Stromgenerator mit beidseitig kontaktierbaren Generatorsträngen und eine Gleichrichtereinrichtung mit n-Halbbrücken, die mit einem DC-Zwischenkreis verbunden sind, vorgeschlagen. Eine erste Kontaktseite des Generatorstrangs ist mit einer Gleichrichtereinrichtung und eine zweite Kontaktseite des Generatorstrangs ist mit Generator-Wechselrichtereinrichtung verbunden. Die Gleichstrompotentiale von Gleichrichtereinrichtung und Wechselrichtereinrichtung sind in einem Generatorbetrieb miteinander verbunden.
Vorteilhafterweise ist die erste Kontaktseite des Generatorstrangs mit einem Halbrücken-Mittelabgriff der Gleichrichtereinrichtung und die zweite Kontaktseite des Generatorstrangs mit einem Halbbrücken-Mittelabgriff der n-Halbbrücken-Generator- Wechselrichtereinrichtung verbunden ist.
Mit anderen Worten umfasst die Generator-Schaltungsanordnung einen Stromgenerator, der bevorzugt einphasig oder dreiphasig ausgelegt sein kann und der beispielsweise als Synchron- oder Asynchrongenerator ausgestaltet ist. Der Stromgenerator weist beidseitig kontaktierbare Generatorstränge auf, so dass jeder stromerzeugende Statorstrang mit seinen beiden Wicklungsenden von außen kontaktierbar ist. Die erste Kontaktseite des Generators ist mit einer gewöhnlichen Gleichrichtereinrichtung, beispielsweise einer Halbbrücke eines Brückengleichrichters verbunden und die zweite Kontaktseite mit einer Wechselrichtereinrichtung, beispielsweise einem Mittelabgriff einer Wechselrichterhalbbrücke verbunden. Die Gleichrichter- sowie die Wechselrichtereinrichtung umfassen jeweils entsprechend viele Halbbrücken wie Generatorstränge des Stromgenerators. Die Gleichrichtereinrichtung kann als Halbbrücken-Gleichrichtereinrichtung aufgebaut sein, wobei jede Halbbrücke eine Gleichrichterdiode in Richtung positiver und in Richtung negativen Zwischenkreispotentials umfasst. Somit wird der Kontakt der ersten Kontaktseite des Generators mit dem Mittelabgriff der Halbbrücke der Gleichrichtereinrichtung verbunden, um je nach erzeugter Generator-Spannungshalbwelle Strom in den positiven bzw. negativen Zwischenkreis einzuleiten. Die Wechselrichtereinrichtung besteht in der Regel ebenfalls aus Halbbrücken von Wechselrichterschaltelementen, wobei die zweite Kontaktseite des Generatorstrangs mit dem Mittelabgriff der Halbbrücke der Wechselrichtereinrichtung verbunden ist. Die Wechselrichtereinrichtung kann beliebig aufgebaut sein, insbesondere kann eine sogenannte 3-Punkt oder Mehrpunkt Wechselrichterstruktur vorgesehen sein, bei der jede Halbbrücke drei, vier oder mehr Schaltelemente umfasst, durch die eine mehrstufige Ausgangsspannung aus der DC-Zwischenkreisspannung bereitstellbar ist.
Für die Erzeugung der DC-Zwischenkreisspannung aus dem drehzahlveränderlichen Stromgenerator kann die aus der Motorentechnik als Doppelwechselrichterbetrieb bekannte Topologie erfindungsgemäß dadurch vereinfacht werden, dass anstelle des einen Wechselrichters ein Gleichrichter eingesetzt wird. Hierdurch können die vorgenannten Vorteile des Doppelwechselrichterbetriebs, d. h. die Leistungserweiterung um den Faktor √3, eine Verbesserung der Ausfallsicherheit durch Redundanz von Wechselrichter- und Gleichrichtereinrichtung sowie eine Verbesserung der Gleichspannungsqualität des DC-Zwischenkreises erreicht werden. Die Spannung in den Generatorwicklungen können um den Faktor √3 erhöht werden, wodurch sich die Strombelastung der Schaltelemente des Wechselrichters um den gleichen Faktor verringert. Da eine Generator-Kontaktseite über einen Wechselrichter mit dem DC-Zwischenkreis verbunden ist, ist ein Hochsetzstellerbetrieb möglich und die Gleichspannung kann in weiten Bereichen drehzahlunabhängig stabilisiert werden. Die Schaltelemente der Wechselrichtereinrichtung werden über eine Steuervorrichtung angesteuert, die beispielsweise Informationen der Drehzahl über einen mechanischen Drehzahlsensor oder elektrisch durch Messung von Strangspannungen und Strangströmen des Generators erfasst, und phasen bzw. drehzahlabhängig die Schaltelemente der Wechselrichtereinrichtung betätigt. Hierdurch ergeben sich gegenüber den vorgenannten Standardschaltungsanordnungen die folgenden Vorteile:

– Reduktion der Schalt- und Durchlassverluste um den Faktor √3 durch entsprechendes Verringern des Strangstroms im Wechselrichter;
– Entlastung der Gleichrichtereinrichtung, da diese nicht schaltfrequent betrieben wird, sofern kein lückender Betrieb auftritt. In der Gleichrichtereinrichtung fallen nur Durchlassverluste an, die gegenüber Schaltverlusten aktiv gesteuerter Halbleiter-Schaltelemente gering sind, da typische Netzgleichrichterdioden verwenden werden können.
– Verringerung der Verlustleistung um ca. 25 % gegenüber einer vergleichbaren Standardtopologie im Vergleich mit einer Standardtopologie mit Hochsetzstellereigenschaft.

Zur Realisierung der vorgenannten erfindungsgemäßen Generator-Schaltungsanordnung können Standardwechselrichter und Netzgleichrichter eingesetzt werden. Diese können leistungsschwächer ausgelegt werden, da die Ströme um den Faktor √3 verringert werden können. Des Weiteren kann durch einen gesteuerten Betrieb der Wechselrichtereinrichtung auch ein Blindleistungsbetrieb realisiert werden, da die Phase zwischen Strom und Spannung, die an den DC-Zwischenkreis abgegeben wird, variiert werden kann. Somit ist vorteilhaft möglich, beispielsweise eine Asynchronmaschine als Stromgenerator einzusetzen. Die Generator-Schaltungsanordnung ist redundant ausgelegt, beispielsweise kann durch Kurzschlussschütze die Gleichrichter- bzw. die Wechselrichtereinrichtung bei einem Fehlerfall abgekoppelt und die jeweiligen Kontaktseiten kurzgeschlossen oder in einer Δ-Schaltung miteinander verbunden werden, um einen (ungeregelten) Notbetrieb zu ermöglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Induktivität L des Generatorstrangs derart ausgelegt sein, dass im Bereich einer vordefinierbaren Drehzahlschwankung n_min bis n_max bzw. einer vordefinierbaren Maximalstrangspannung u_max ein Hochsetzstellerbetrieb auf eine vordefinierbare Zwischenkreisspannung U_ZK realisierbar ist. Sofern im Betrieb der Generator-Schaltungsanordnung eine Abschätzung eines Drehzahlbereiches n_min bis n_max absehbar ist, kann bei Auswahl des Stromgenerators dessen Strangeigeninduktivität L derart ausgelegt werden, dass ein Hochsetzstellerbetrieb bereitstellbar ist. Die Größe der Induktivität hängt zum einen von der erzeugbaren Generatorleistung in dem absehbaren Drehzahlbereich und von der voraussichtlichen Versorgungsleistung ab. Somit kann durch eine gezielte Auslegung der Stranginduktivität des Generators ein Drehzahlbereich bzw. eine elektrische Nennbelastung der Generatoranordnung definiert werden, in dem eine effiziente Stromerzeugung der Generator-Schaltungsanordnung möglich ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann an einer Kontaktseite des Generatorstrangs eine Induktivitätseinheit für einen Hochsetzstellerbetrieb eingeschaltet werden. Ein Hochsetzsteller ermöglicht die Heraufsetzung eines DC-Spannungsniveaus durch ein hochfrequentes Schalten eines Stroms durch eine Spule hoher Induktivität, die während des Schaltvorgangs entstehenden hohen Spulenströme durch eine Diode gerichtet an eine Kapazität weitergegeben werden kann, so dass die Kapazitätsspannung höher als die Eingangsspannung sein kann. Die Eigeninduktivität des Generatorstrangs kann als Hochsetzstellerinduktivität genügen, wobei zum Schalten Schaltelemente des Wechselrichters und zur Diodengleichrichtung Freilaufdioden des jeweils anderen Schaltelements einer Halbbrücke des Wechselrichters verwendet werden können. Somit kann durch einen Generatorstrang hoher Induktivität gekoppelt mit einer Halbbrücke einer Wechselrichtereinrichtung ein Hochsetzstellerbetrieb realisiert werden, um die Zwischenkreiskapazität eines DC-Zwischenkreises aufzuladen, wodurch das Zwischenkreispotential gegenüber der Generatorspannung erhöht werden kann. Reicht die erforderliche Eigeninduktivität des Generatorstrangs nicht aus, so kann eine zusätzliche Induktivitätseinheit, die aus n-Einzelinduktivitäten bestehen kann, an eine Kontaktseite des Generatorstrangs eingeschaltet werden, um für einen Hochsetzstellerbetrieb die Induktivitätsströme bereitzustellen. Die Größe der Einzelinduktivitäten der Induktivitätseinheit kann sich nach dem voraussichtlichen Drehzahlbereich, bei der Leistung aus dem Stromgenerator entnommen werden soll, richten. Durch Einschaltung einer Induktivitätseinheit kann somit die Drehzahlvariabilität des Stromgenerators erhöht werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der nphasige Stromgenerator ein Synchrongenerator, bevorzugt ein permanenterregter Synchrongenerator, insbesondere ein Dreiphasen-Synchrongenerator sein. Synchrongeneratoren zeichnen sich durch eine günstige und kompakte Bauweise sowie einen hohen Wirkungsgrad aus. Durch den Einsatz permanentmagnetbestückter Läufer kann der Synchrongenerator ohne äußere Schleifringe betrieben und somit wartungsarm und langlebig ausgelegt werden. Die Ausgestaltung als Dreiphasen-Synchrongenerator ermöglicht eine geringe Oberwelligkeit der Zwischenkreisspannung, so dass die Zwischenkreiskapazität kapazitivarm ausgelegt werden kann. Permanenterregte Synchrongeneratoren lassen sich aufgrund der direkten Korrelation zwischen Drehzahl und erzeugter Stromfrequenz leicht regeln, so dass zur Ansteuerung der Schaltelemente der Wechselrichter-Halbbrücken entweder eine mechanische, eine elektronische oder eine kombinierte Drehzahl- bzw. Phasenerfassung herangezogen werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann eine Sternschaltvorrichtung K, insbesondere Schütz, Halbleiterschaltelement oder ähnliches zum Kurzschließen einer Kontaktseite des Drehstromgenerators angeordnet sein, so dass der Drehstromgenerator durch die Generator-Wechseleinrichtung sowohl motorisch als auch generatorisch in einer Y-Schaltung betreibbar ist. Bevorzugt wird die Sternschaltvorrichtung in der ersten Kontaktseite des Drehstromgenerators angeordnet, um die Mittelabgriffe der Halbbrücke der Gleichrichtereinrichtung kurzuzuschließen und somit eine Sternschaltung des Stromgenerators zu ermöglichen und das Mittelpunktpotential der Gleichrichter-Halbbrücken gleichzusetzen. Des Weiteren ist denkbar, dass die Sternschaltvorrichtung sowohl die Kontaktseite kurzschließt, und von dem Mittelabgriff der Gleichrichtereinrichtung trennt. Somit kann bei Ausfall der Gleichrichtereinrichtung ein gesteuerter oder ungesteuerter Wechselrichter-Gleichrichterbetrieb bereitgestellt werden, um die Generatorspannung geregelt in eine DC-Gleichspannung des Zwischenkreises umzuwandeln. Des weiteren kann der Stromgenerator motorisch betrieben werden, so kann beispielsweise durch die Wechselrichtereinrichtung auch ein Motorbetrieb des Generators ausgeführt werden, so dass dieser beispielsweise als Anlasser für ein Blockheizkraftwerk, für eine Verbrennungsmaschine eines Notstromaggregates oder ähnliches verwendet werden kann. Somit kann der Stromgenerator in einer Anlassphase zunächst motorisch als Anlasser dienen und nach Öffnen der Sternschaltvorrichtung als Generator bei laufendem Betrieb der Verbrennungsmaschine Strom erzeugen. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar, an der zweiten Kontaktseite eine Sternschaltvorrichtung K anzuschließen, so dass bei Ausfall der Wechselrichtereinrichtung zumindest eine ungeregelte Gleichrichtung der Generatorspannung möglich wird, um einen Notbetrieb aufrecht zu erhalten. Auch hier ist durch die Sternschaltvorrichtung eine Trennung von der Wechselrichtereinrichtung denkbar. Somit kann durch Vorsehen einer Sternschaltvorrichtung zum einen ein motorischer Betrieb, zum anderen eine erhöhte Ausfallsicherheit der Schaltungsanordnung durch Redundanzschaffung bereitgestellt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Gleichrichtereinrichtung als zweite Generator-Wechselrichtereinrichtung ausgeführt sein, wobei die Freilaufdioden der Wechselrichter-Schaltelemente als Gleichrichterdioden ausgelegt sind, so dass ein Generator-Doppelwechselrichterbetrieb oder ein redundanter Wechselrichterbetrieb durchführbar ist. Diese Weiterbildung schlägt vor, die Gleichrichtereinrichtung als zweite Wechselrichtereinrichtung auszuführen, so dass zum einen ein gesteuerter Betrieb beider Wechselrichtereinrichtungen als Doppelwechselrichter-Generatorbetrieb möglich ist, zum anderen eine Redundanz der Wechselrichtereinrichtung gegeben ist, so dass bei Ausfall einer Wechselrichtereinrichtung ein Hochsetzstellerbetrieb, beispielsweise durch die verbleibende zweite Wechselrichtereinrichtung durchführbar ist. Hierdurch kann eine hohe Flexibilität, Ausfallsicherheit und Erhöhung des Gesamtwirkungsgrades erreicht werden.
Anknüpfend an die vorgenannte Ausführungsform ist es weiterhin vorteilhaft, dass zumindest ein, bevorzugt zwei Zwischenkreis-Entkopplungsschaltelemente K1, K2 vorgesehen sind, um das Gleichstrompotential zumindest einer Wechselrichtereinrichtung vom Zwischenkreis trennbar schalten zu können. In diesem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, dass Gleichstrompotential zumindest einer der beiden, bevorzugt beider Wechselrichtereinrichtungen vom Zwischenkreis trennbar zu schalten, so dass beispielsweise bei Ausfall einer Wechselrichtereinrichtung diese kurzgeschlossen werden kann, um beispielsweise einen motorischen Betrieb des Generators zu ermöglichen und auf eine Sternschaltvorrichtung zu verzichten, oder bei Defekt einer Wechselrichtereinrichtung eine geregelten Gleichrichterbetrieb in Y-Schaltung des Generators bereitzustellen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann die Gleichrichtereinrichtung und die Generator-Wechselrichtereinrichtung in einem Gehäuse eines Leistungshalbleiter-CIB-Moduls (Converter-Inverter-Brake-Modul) umfasst sein. Ein CIB-Modul stellt ein standardisiertes Leistungshalbleitermodul dar, in dem sowohl ein Brückengleichrichter, ein Wechselrichter als auch ein Bremsschaltelement und optional ein Thermoelement umfasst sind. Da erfindungsgemäß die Generator-Schaltungsanordnung sowohl eine Brückengleichrichtereinrichtung als auch eine Wechselrichtereinrichtung umfasst, kann ein preisgünstig erhältliches CIB-Modul, das zwei wesentliche Elemente der Generatorschaltung umfasst, zur Realisierung einer Generator-Schaltungsanordnung herangezogen werden. Hierdurch kann ein hochkompakter Aufbau erreicht werden, wobei das CIB-Modul kostengünstig in verschiedenen Leistungsvarianten erhältlich ist.
Gemäß eines nebengeordneten Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb einer Generator-Schaltungsanordnung vorgeschlagen, wobei eine Steuereinrichtung die Schaltelemente der Generator-Wechselrichtereinrichtung und/oder der zweiten Wechselrichtereinrichtung derart ansteuert, dass in dem Generatorstrang ein sinusförmiger Strangstrom i ausgebildet wird, dessen Phasenwinkel φ abgestimmt zur Grundwelle der Strangspannung u verläuft. Somit schlägt das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass die Schaltelemente der Wechselrichtereinrichtung derart geschaltet werden, dass Strangströme i zum Fließen kommen, die sinusförmig ausgebildet sind und deren Phasenwinkel abgestimmt zur Grundwelle der Strangspannung u verläuft. Hierzu ist der Verlauf der induzierten Strangspannung u zu beobachten, dies kann beispielsweise durch einen Spannungssensor, der in den Generatorstrang eingeschaltet ist, erfolgen. Alternativ kann zumindest bei Synchrongeneratoren ein mechanischer Drehwinkelsensor einen Phasenverlauf der Strangspannung u ermitteln. Die übergeordnete Steuereinrichtung kann durch den Phasenverlauf der Strangspannung die Schaltelemente der Wechselrichtereinrichtung abgestimmt schalten, so dass Strangströme zum Fließen kommen, die grundsätzlich sinusförmig bzw. PWM moduliert ausgebildet und der Phasenentwicklung der Strangspannung folgen können. Hierzu ist beispielsweise denkbar, eine PWM-modulierte Ansteuerung (Puls Width Modulation) der Schaltelemente vorzunehmen. Hierdurch kann die Oberwellenbehaftung der Generatorströme vermindert und eine ausreichend hohe DC-Zwischenkreisspannung bereitgestellt werden.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des Verfahrens können die Wechselrichter-Schaltelemente in einem Hochsetzstellerbetrieb zur Einhaltung einer einstellbaren Zwischenkreisspannung U_ZK in Abhängigkeit einer Generatordrehzahl n bzw. einer Generator-Strangspannung u gesteuert werden. So kann unter Ausnutzung der Induktivität des Generatorstrangs sowie einem Schaltvorgang der Schaltelemente aufgrund der Selbstinduktivität der Spulenstrom dazu verwendet werden, über eine Diode geführt eine Kapazität des Zwischenkreispotentials aufzuladen, um somit eine erhöhte Zwischenkreisspannung zu erhalten, als es die Generator-Strangspannung grundsätzlich ermöglicht. Somit kann drehzahlunabhängig in einem weiten Drehzahlbereich eine stabile und ausreichende DC-Zwischenkreisspannung aufrechterhalten werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann die Grundwelle des Strangstroms i phasensynchron, insbesondere mit einem einstellbaren Phasenversatz φ_0 zur Grundwelle der Strangspannung u verlaufen, wobei im Fall eines Drehstromgenerators eine 120° Phasenbeziehung der drei Generatorstränge eingestellt werden kann. Diese Weiterbildung schlägt vor, insbesondere den typischen 120° Phasenversatz der einzelnen Grundwellen der Generatorströme durch gezieltes Schalten der Schaltelemente der Wechselrichtereinrichtung einzustellen, sowie eine feste Phasenbeziehung zwischen Grundwelle der Strangspannung u und der Grundwelle der geschalteten Strangstrom i phasensynchron aufrecht zu erhalten. Somit kann ein optimaler Wirkungsgrad erreicht, die Höhe von unerwünschten Stromrippeln und Oberwellen vermindert und ein besonders effizienter Betrieb der Schaltungsanordnung bereitgestellt werden. Bei Auslegung des Stromgenerators als Asynchronmaschine kann durch Einstellung einer lastabhängigen Phasenwinkels der Generator auch im Blindleistungsbereich betrieben werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann im Absolutwertbereich einer vordefinierbaren Mindeststrangspannung u_min der Strangspannung u der Strangstrom i des Generatorstrangs zu Null gesteuert werden. Hierbei wird vorgeschlagen, im Bereich des Nulldurchgangs der Generatorspannung im Spannungsbereich |u_min| den Generatorstrom zu Null zu schalten, so dass der gesamte Wirkungsgrad hierdurch verbessert werden kann. Der Beitrag der Gesamtleistung im Spannungsbereich +/–u_min in den einzelnen Generatorsträngen ist ohnehin gering, so dass in diesem Bereich die auftretenden Starkströme abgeschaltet werden können, um den Wirkungsgrad zu verbessern.
In einem weiteren nebengeordneten Aspekt der Erfindung wird eine Netzversorgungsvorrichtung vorgeschlagen, die eine Generator-Schaltungsanordnung nach einem der vorgenannten Ausführungsbeispiele umfasst, und zur Erzeugung einer Wechsel- oder Drehstromversorgung eines Versorgungsnetzes dient. Hierzu wird vorgeschlagen, dass an dem Gleichstrom-Zwischenkreis, der von der Generator-Schaltungsanordnung zur Verfügung gestellt wird, eine hochkapazitive Zwischenkreiskapazität sowie eine Netz-Wechselrichtereinheit zur Erzeugung einer AC-Versorgungsspannung eines zu speisenden Versorgungsnetzes angeordnet wird. Somit wird vorgeschlagen eine Netzwechselrichtereinrichtung einzuschalten, durch die das Zwischenkreisgleichspannungspotential in eine Wechsel- bzw. Drehstromversorgung mit definierter Frequenz zur Versorgung eines Versorgungsnetzes eingeschaltet werden kann. Zur Stabilisierung des Zwischenkreises ist zusätzlich eine Zwischenkreiskapazität vorgesehen, die durch eine hochkapazitive Auslegung eine hohe Stabilität der Zwischenkreisspannung gewährleistet.
Schließlich schlägt ein weiterer Aspekt der Erfindung eine Verwendung der vorgenannten Netzversorgungsvorrichtung als drehzahlvariable Stromgeneratorvorrichtung vor, die in einer Windkraftanlage, einer Wasserkraftanlage, einer Gasentspannungsanlage, einem Notstromgenerator, einem Blockheizkraftwerk oder einem Fahrzeug, bevorzugt als Range-Extender und/oder zur Fahrzeugstromversorgung eingesetzt werden kann. Insbesondere Wind- oder Wasserkraftanlagen haben aufgrund der witterungsbedingten Abhängigkeit der Generatordrehzahl einen dringenden Bedarf, eine stabile Zwischenkreisspannung in einem großen Drehzahlbereich zuverlässig zur Verfügung zu stellen. Gasentspannungsanlagen dienen zur Druckminderung von Erdgas in Gasverteilanlagen, wobei eine erforderliche Gasdruckreduzierung zur Gewinnung von elektrischer Energie verwendet werden kann. Auch hier treten hohe Drehzahlunterschiede des Stromgenerators je nach Gasentnahme auf, wobei sich die Verwendung einer erfindungsgemäßen Netzversorgungsvorrichtung vorteilhaft anbietet. Ein Notstromgenerator wird üblicherweise von einer Verbrennungskraftmaschine betrieben, beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk durch einen Gasmotor oder einem Dieselaggregat. Hierbei dient insbesondere die Möglichkeit eines motorischen Betriebs dazu, die Verbrennungskraftmaschine anzulassen, wobei nach deren Anlauf abhängig vom benötigten Strom unterschiedliche Drehzahlen und Leistungsabgaben des Notstromgenerators erreicht werden können. Dadurch ist es möglich, in einem Minimallastfall die Drehzahl des Generators herab zu regeln und somit die Lärmbelästigung sowie Abgas- und Kraftstoffzufuhr der Verbrennungskraftmaschine herabzusetzen. Somit kann ein hocheffizienter Betrieb eines Blockheizkraftwerkes bzw. eines Notstromgenerators mit verbessertem Wirkungsgrad erreicht werden. In einem Fahrzeug, beispielsweise Elektrofahrzeug, Hybridfahrzeug kann eine erfindungsgemäße Netzversorgungsvorrichtung dazu dienen, elektrische Energie aus einer Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, und somit das Bordnetz zu betreiben und Akkumulatoren des elektrischen Antriebsstrangs zu laden, bzw. diesen zu bestromen. Je nach Lastanforderungen können die Verbrennungskraftmaschinen in unterschiedlichen Drehzahlbereichen optimal gesteuert werden, und somit eine hohe Treibstoffeinsparung erreicht, der Wirkungsgrad verbessert, Lärm und Abgase vermieden werden.
ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 eine Netzversorgungseinrichtung des Stands der Technik;
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Netzversorgungsvorrichtung;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Netzversorgungsvorrichtung;
4 schematisch eine Netzversorgungseinrichtung gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels;
5 Prinzipaufbau eines Hochsetzstellerbetriebs eines Ausführungsbeispiels;
6 Strom/Spannungsphasenverläufe entsprechend einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
7 schematisch ein CIB-Modul zum Einsatz in einem Ausführungsbeispiel des Verfahrens;
8 schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Netzversorgungsvorrichtung mit Doppelwechselrichtertopologie;
9 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Generator-Schaltungsanordnung mit zwei mit Doppelwechselrichtertopologie;
10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wechselstrom-Netzversorgungsvorrichtung.
In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
Die 1 zeigt eine Netzversorgungseinrichtung 80 des Stands der Technik. Ein Drehstromgenerator 82 in Sternschaltung umfasst drei Generatorstränge 14, die an den Halbbrücken Mittelabgriff einer Dreiphasen-Gleichrichtereinrichtung 18 angeschlossen sind. Jede Halbbrücke der Gleichrichtereinrichtung 18 umfasst zwei Gleichrichterdioden 42. Durch die Dreiphasen-Gleichrichtereinrichtung 18 wird die erzeugte Drehspannung des Generators 82 gleichgerichtet und als Zwischenkreispotential im Zwischenkreis 16 bereitgestellt. Da die Höhe der erzeugten Generatordrehspannung von der Drehzahl des Generators 82 abhängt, schwankt die DC-Gleichspannung abhängig von der Antriebsdrehzahl des Generators 82. Zur Glättung ist in dem Gleichspannungszwischenkreis 16 eine Zwischenkapazität 72 eingeschaltet. Die hierdurch stabilisierte DC-Zwischenkreisspannung wird durch eine Netzwechselrichtereinrichtung 74 in eine Netzdrehspannung umgewandelt, um ein Drehstrom-Versorgungssetz 76 zu versorgen. Die Wechselrichtereinrichtung 74 umfasst drei Halbbrücken, in der jeweils zwei Schaltelemente 38 mit parallel geschalteten Freilaufdioden 40 durch eine nicht dargestellte Steuervorrichtung derart angesteuert werden, dass eine netzsynchrone Versorgungsspannung erwünschter Amplitude bereitgestellt werden kann. Üblicherweise erfolgt die Ansteuerung der Schaltelemente 38 mittels PWM-modulierter Schaltsignale. Das Drehstrom-Versorgungsnetz 76 kann für einen Notbetrieb, beispielsweise in einem Krankenhaus vorgesehen sein, oder bei entsprechender Auslegung der Leistungsbauteile und des Stromgenerators zur Versorgung eines Stadtbezirks oder zur Einspeisung von Energie für ein großflächiges Energienetz ausgelegt sein. Nachteilig in der in 1 dargestellten Netzversorgungseinrichtung 80 ist die direkte Abhängigkeit der DC-Zwischenkreispotentialspannung von der Drehzahl der Generatoreinrichtung 82. Ist diese zu gering, so kann keine Spannung an das Netz 76 abgegeben werden. Somit kann die in 1 dargestellte Netzversorgungseinrichtung nur für den Antrieb eines Generators mit einer Mindestdrehzahl eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in großen Kraftwerksanlagen zuverlässig zur Verfügung gestellt werden kann.
In der 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Wechselstrom-Versorgungvorrichtung 70 dargestellt, die beispielsweise einem kleinen tragbaren Notstromaggregat Einsatz finden kann. Die Netzversorgungsvorrichtung 70 umfasst eine Generator-Schaltungsanordnung 10, einen Zwischenkreis 16 sowie eine Netzwechselrichtereinheit 74, die eine Wechselspannung an ein Einphasen-Versorgungsnetz 76, beispielsweise einem lokalen Stromnetz bereitstellen kann. Die Netzwechselrichtereinheit 74 umfasst zwei Halbbrücken 30, in denen jeweils zwei Schaltelemente 38 mit parallel geschalteten Freilaufdioden 40 zur Erzeugung einer PWM-modulierten Wechselspannung an einem Wechselrichter-Halbbrücken Mittelabgriff 32 miteinander verbunden sind. Die Ansteuerung der Schaltelemente 38 zur Wechselspannungserzeugung erfolgt über eine nicht dargestellte Steuerungsvorrichtung. Zur Glättung des Gleichspannungspotentials ist im Zwischenkreis 16 eine Zwischenkreiskapazität 72 eingeschaltet. Die Generator-Schaltungsanordnung 10 umfasst einen Wechselstromgenerator 46, der einen Generatorstrang 14 aufweist, wobei beide Kontaktseiten 24a, 24b des Generatorstrangs 14 kontaktierbar sind. Der Generatorstrang 14 kann schematisch aus einer Induktivität und einer idealen Spannungsquelle dargestellt werden. Die erste Kontaktseite 24a des Wechselstromgenerators 46 ist an einem Mittelabgriff 22 einer Halbbrücke 20 der Gleichrichtereinrichtung 18 angeschlossen. Die beiden Gleichrichterdioden 42 leiten jeweils die positive bzw. negative Halbwelle der erzeugten Generatorspannung, die am Halbbrücken Mittelabgriff 22 eingeleitet wird, entsprechend ihrem Vorzeichen auf die beiden Potentialleitungen des Zwischenkreises 16. Die zweite Kontaktseite 24b des Generatorstrangs 14 ist an einen Mittelabgriff 32 einer Halbbrücke 30 der Generatorwechselrichtereinrichtung 26 angeschlossen. Eine nicht dargestellte Steuervorrichtung schaltet die Schaltelemente 38 phasenrichtig so zu, dass in Abhängigkeit des Generatorspannungsverlaufs u der Generatorstrom in die jeweiligen Potentiale des Zwischenkreises 16 geleitet wird. So ist ein gesteuerter Gleichrichterbetrieb möglich, sowie in Kombination von Induktivität des Generatorstrangs 14, Schaltung der Schaltelemente 38 und der Freilaufdiode 40 mit Zwischenkreiskapazität 72 ein Hochsetzstellbetrieb, so dass selbst bei geringer Drehzahl des Generators 12 eine ausreichend hohe Zwischenkreisspannung bereitstellbar ist. Auch die Schaltelemente der Wechselrichtereinrichtung 26 werden durch eine nicht dargestellte Steuerungsvorrichtung, die optional auch den Betrieb der Netz-Wechselrichtereinrichtung 74 steuern kann, gesteuert.
Einer Weiterbildung der in 2 dargestellten Netzversorgungsvorrichtung zeigt 3. Die Netzversorgungsvorrichtung in 3 ist als Dreiphasen-Netzversorgungsvorrichtung ausgelegt, so dass sowohl Gleichrichtereinrichtung 18, Wechselrichtereinrichtung 26 und Netzwechselrichtereinrichtung 74 drei Halbbrücken umfassen, um die Generatorspannungen der drei Generatorstränge 14 des Drehstromgenerators 48 gleichzurichten, und die stabilisierte DC-Gleichspannung des Zwischenkreises 16 als Drehspannung zur Versorgung eines Versorgungsnetzes 76 zur Verfügung zu stellen. Des Weiteren ist eine Sternschaltvorrichtung 36 in Form eines Schützes, der die drei Mittelabgriffe 22 der Gleichrichtereinrichtung 18 kurzschließen kann, an der ersten Kontaktseite 24a des Generators eingeschaltet, so dass ein motorischer Betrieb bzw. ein Y-Betrieb des Drehstromgenerators 48 ermöglicht wird. Somit kann ein generatorischer Betrieb bei Ausfall der Gleichrichtereinrichtung 18 hergestellt werden, wobei eine gesteuerte Gleichrichtung durch die Wechselrichtereinrichtung 26 vorgenommen werden kann. Die in 3 dargestellte Netzversorgungseinrichtung 70 kann beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk, einem Fahrzeug oder in einer Notstromversorgungsvorrichtung zum Anlassen einer Verbrennungskraftmaschine verwendet werden, wobei zur Bereitstellung einer Drehspannung für einen großen Drehzahlbereich n_min bis n_max der Verbrennungskraftmaschine elektrische Energie mit vorgebbarer Amplitude, geringer Oberwellenbehaftung mit einem hohen Wirkungsgrad zur Verfügung gestellt werden kann.
In der 4 ist schematisch das erfinderische Konzept eines Ausführungsbeispiels einer Netzversorgungsvorrichtung 70 dargestellt. Die Generator-Schaltungsanordnung 10 umfasst einen Stromgenerator 12 mit einem oder mehreren, bevorzugt drei Generatorsträngen 14. Jeder Generatorstrang umfasst eine ideale Wechselspannungsquelle sowie eine Generatorinduktivität. Eine erste Kontaktseite 24a ist an eine Gleichrichtereinrichtung 18 und eine zweite Kontaktseite 24b ist an eine Wechselrichtereinrichtung 26 angeschlossen. Die Generatoreinrichtung 18 und die Wechselrichtereinrichtung 26 sind über einen DC-Zwischenkreis 16 miteinander verbunden, der durch eine Zwischenkreiskapazität 72 geglättet wird. Eine Netzwechselrichtereinrichtung 74 erzeugt aus dem DC-Gleichspannungspotential eine Wechsel- bzw. Drehstromversorgung für ein Versorgungsnetz 76.
In der 5a ist das Grundprinzip eines an sich bekannten Hochsetzstellers des Stands der Technik skizziert. Dieser Hochsetzsteller wird auch als Aufwärtswandler bezeichnet. Eine Induktivität L ist in Reihe mit einer Freilaufdiode D geschaltet, hinter der ein Ladekondensator C die Ausgangsspannung U2 speichert. Am Eingang der Induktivität D liegt eine Eingangsspannung U1, die durch eine Spannungsquelle S bereitgestellt wird. Die Spule L kann durch ein Schalelement T beispielsweise einen Transistor bzw. einen IGBT-Schaltelement eines Wechselrichters gegen Masse geschaltet werden. Somit liegt an der Spule L im geschalteten
Zustand die Spannung U₁ = L· dI / dt an. Wird das Schaltelement T geschlossen, so dt versucht die Induktivität L entsprechend der Lenzschen Regel den Stromfluss I aufrecht zu erhalten, so dass sich insgesamt die Spannung U₂ = U₁ + L· dI / dt ergibt. dt Diese wird durch die Gleichrichterdiode D an der Kapazität C bereitgestellt und lädt diese auf, so dass am Ausgang der Hochsetzstelleranordnung eine Spannung U2 bereitgestellt werden kann, die wesentlich höher als die der Eingangsspannung U1 liegt, und deren Stabilität von der Schaltfrequenz des Schaltelements T sowie der Eingangsspannnung U1 und der Induktivitätsgröße L abhängt.
In der 5b ist eine Umsetzung des in 5a dargestellten Hochsetzstellers bei positiver Spannungshalbwelle eines Generatorstrangs in einem Ausführungsbeispiel einer Generator-Schaltungsanordnung dargestellt. Die vom Generator 12 gelieferte AC-Spannung weist einen positiven Wert u > 0 auf, so dass Generatorstrom I über die Freilaufdiode D des oberen Halbzweiges der Wechselrichtereinrichtung der Zwischenkreiskapazität C zugeführt werden kann. Zur Realisierung des Hochsetzstellerbetriebes kann das im unteren Zweig der Halbbrücke der Wechselrichtereinrichtung befindliche Schaltelement T geschlossen bzw. geöffnet werden. Der Strom läuft im betrachteten Fall u > 0 über den unteren Halbzweig D1 der Halbbrücke der Gleichrichtereinrichtung. Diese Teilschaltung stimmt mit der in 5a dargestellten Hochsetzstellerschaltung überein, jedoch fließt zusätzlich über die Diode D1 der Gleichrichtereinrichtung ein Strom, wobei die Diode D1 keinen Einfluss auf die Funktion hat, allerdings den Gesamtwirkungsgrad unmerklich verschlechtert.
In der 5c ist der Fall einer negativen Generatorstranghalbwelle u < 0 dargestellt. Es werden gegenüber dem in 5b dargestellten Fall jeweils die gegenüberliegenden Dioden bzw. Transistorschaltelemente der Halbbrücken der Gleichrichter- bzw. Wechselrichtereinrichtung verwendet, um eine erhöhte Gleichspannung U2 des Zwischenkreises bereitstellen zu können. Durch eine gesteuerte Schaltung der Schaltelemente T der Wechselrichter-Halbbrücke wird offensichtlich, dass der Generatorstrom frei eingestellt werden kann. Die Induktivität L kann die Selbstinduktivität des Generatorstrangs 14 sein, jedoch auch eine zusätzliche Induktivität einer Induktivitätseinheit 34, die in den Generatorstrang 14 eingeschaltet werden kann, bzw. die resultierende Gesamtinduktivität des Generatorstrangs der Selbst- und zusätzlichen Induktivität. Hierdurch wird erreicht, dass zum einen der Strom um den Faktor √3 reduziert werden kann, der Gleichrichter nicht schaltfrequent belastet wird und die Gesamtflussleistung gegenüber herkömmlichen Generator-Schaltungsanordnungen um ca. 1/4 reduziert werden kann. Die erhöhten Kosten durch den zusätzlichen Gleichrichter kann durch eine Ersparnis einer leistungsschwächeren Wechselrichtereinrichtung kompensiert werden.
In der 6 sind schematisch zwei Verfahrensabläufe zur Umsetzung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. So zeigt 6a ein Verlauf eines Strangstroms i abgestimmt auf den Verlauf der sinusförmigen Generatorspannung u, wobei ein fester Phasenversatz φ₀ von Grundwelle des Generatorstroms i zur Grundwelle der Generatorspannung u eingestellt ist. Dies resultiert in einem festen Phasenversatz α zwischen dem rechteckförmigen Verlauf des Generatorstroms i und der Generatorspannung u. Eine nicht dargestellte Schaltvorrichtung kann die Schaltelemente der Wechselrichter Halbbrücken derart ansteuern, dass ein vorgegebener, in diesem Fall rechteckförmiger Strangstrom i den sinusförmigen Generatorspannungsverlauf u folgt. Somit kann ein Generatorbetrieb durch Blindleistung ermöglicht werden, wodurch insbesondere eine Asynchronmaschine als Generator effizient eingesetzt werden kann. Des Weiteren kann der Wirkungsgrad verbessert werden, wenn im Bereich der Spannungsnulldurchgänge, d. h. im Bereich |u_min| der Generatorstrangstrom i abgeschaltet wird, dies ist in 6b dargestellt. Der Betrag des Generatorstrangstroms i im Bereich |u| < u_min ist ohnehin gering, wobei durch Abschalten des Strangstroms der Gesamtwirkungsgrad verbessert werden kann.
Schematisch zeigt 7 ein CIB-Modul (Converter-Inverter-Brake), dass als integriertes Leistungshalbleiterbauelement kostengünstig für die Ansteuerung von Drehstrommotoren Anwendung findet. Ein CIB-Modul umfasst einen Brückengleichrichter 64, ein Bremsensteuerelement 65, das ein Schaltelement sowie eine Gleichrichterdiode umfasst, und einen Wechselrichter 66. Häufig ist ein Thermoelement 68 zur Erfassung der Betriebstemperatur des CIB-Moduls vorgesehen. Die gesamte Leistungshalbleiterelektronik ist in einem gemeinsamen Gehäuse 62 umfasst. Für die erfindungsgemäße Generator-Schaltungsanordnung 10 kann Gleichrichtereinrichtung 64 und Wechselrichtereinrichtung 66 zur Verschaltung herangezogen werden, wodurch ein günstiges und kompaktes Design einer Schaltungsanordnung erreicht werden kann. Hiermit ist eine hohe Kostenersparnis gegeben.
In der 8 ist schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Netzversorgungseinrichtung 70 dargestellt, die aufbauend auf der in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Wechselrichtereinrichtung 26 sowie eine zweite Wechselrichtereinrichtung 28 umfasst, die an die beiden Kontaktseiten 24a, 24b eines Generators 12 angeschlossen sind. Die zweite Wechselrichtereinrichtung 28 übernimmt die Aufgabe der Gleichrichtereinrichtung 18, wobei die Schaltelemente der Wechselrichtereinrichtung 28 inaktiv bleiben können und die Freilaufdioden als Brückengleichrichter dienen. Allerdings kann beispielsweise bei Ausfall der ersten Wechselrichtereinrichtung 26 die zweite Wechselrichtereinrichtung 28 eine gesteuerte Gleichrichtung der AC-Generatorspannung durchführen. Hierdurch ist eine Redundanz gegeben, und beispielsweise kann bei einem abgestimmten Ansteuern der jeweiligen Schaltungselemente im Hochsetzstellerbetrieb und auch im Gleichrichterbetrieb eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht werden.
Aufbauend auf den schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel der 8 ist in der 9 im Detail die Auslegung der Generator-Schaltungsanordnung 10 dargestellt, in dem die Gleichrichtereinrichtung 18 durch eine zweite Wechselrichtereinrichtung 28 ersetzt ist. Des Weiteren ist an der zweiten Kontaktseite 24b des Drehstromgenerators 48 eine Induktivitätseinheit 34 angeschlossen, um Oberschwingungen zu unterdrücken, die Welligkeit der abgegebenen Spannung und Ströme zu glätten und um induktive Blindleistung bereitzustellen. Darüber hinaus kann ein erhöhter Spannungsbereich für den Hochsetzstellerbetrieb und damit eine Vergrößerung des Betriebsdrehzahlbereichs erreicht werden. Die beiden Wechselrichtereinrichtungen 26, 28 können von dem Zwischenkreis 16 durch Zwischenkreisentkopplungsschaltelemente 44a, 44b abgekoppelt werden, so dass beispielsweise für einen motorischen Betrieb die Schaltelemente 38 einer Wechselrichtereinrichtung 26 oder 28 kurzgeschlossen werden können, um eine Sternschaltung der Generatorstränge 14 zu ermöglichen. Nach erfolgtem Anlauf im motorischen Betrieb können die Entkopplungsschaltelemente 44 wieder geschlossen und damit beide Gleichspannungspotentiale der Wechselrichtereinrichtungen 26, 28 mit dem Zwischenkreis 16 verbunden werden. Mit der in der 9 dargestellte Schaltungsanordnungen sind eine höchstmögliche Flexibilität und Redundanz sowie ein verbesserter Wirkungsgrad der Generator-Schaltungsanordnung 10 gegeben.
Schließlich zeigt 10 ausgehend von der in 9 dargestellten Dreiphasen-Schaltungsanordnung eine Einphasen-Schaltungsanordnung, in dem zwei Wechselrichtereinheiten 26, 28 an die beiden Kontaktseiten 24a, 24b eines Wechselstromgenerators 46 angeschlossen sind. Die Wechselspannungsnetzversorgungseinrichtung 70 kann beispielsweise als Notstromversorgung in hoch sensitiven, sicherheitsrelevanten Netzen 76 eingesetzt werden, und ermöglicht einen Hochsetzstellerbetrieb sowie eine hohe Qualität der Zwischenkreisspannung, wobei die Drehzahl des Wechselspannungsgenerators in weiten Bereichen schwanken kann.
Die typischen Einsatzfälle einer solchen Generator-Schaltungsanordnung können in Generatoren für Windkraftanlagen, für Wasserkraftanlagen, für Blockheizkraftwerke, Gasentspannungsanlagen oder Range-Extenter für Fahrzeuge sein. Des Weiteren kann ein Einsatz als variable speed generator angedacht werden. Die Kosten zur Realisierung der Schaltungsanordnung sind gering, da aufgrund der Doppelumrichter ähnlichen Schaltungsstruktur eine um den Faktor 1.73 geringere Strombelastung der Halbleiterschaltungselemente auftritt und somit leistungsschwächere und kostengünstigere Halbleiterbauelemente eingesetzt werden können. Der Wirkungsgrad gegenüber bestehenden Topologien ist verbessert, Oberwellen sind geglättet und ein hoher Antriebsdrehzahlbereich des Generators kann zur Verfügungsstellung einer konstanten Zwischenkreisspannung ausgenutzt werden.
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 Nicht-Patentliteratur

„Drehzahlvariable Systeme mit permanenterregten Generatoren“ G. Cramer, R. Grebe, D. Wimmer, P. Zacharias, Kasseler Symposium Energie-Systemtechnik `99, S. 65 bis 77 – ISET 1999 [0004]

Claims

Generator-Schaltungsanordnung (10) umfassend einen n-phasigen Stromgenerator (12) mit beidseitig kontaktierbaren Generatorsträngen (14) und eine Gleichrichtereinrichtung (18) mit n-Halbbrücken (20), die mit einem DC-Zwischenkreis (16) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Kontaktseite (24a) des Generatorstrangs (14) mit einer Gleichrichtereinrichtung (18) und eine zweite Kontaktseite (24b) des Generatorstrangs (14) mit einer Generator-Wechselrichtereinrichtung (26) verbunden ist, wobei die Gleichstrompotentiale von Gleichrichtereinrichtung (18) und Generator-Wechselrichtereinrichtung (26) in einem Generatorbetrieb verbunden sind.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kontaktseite (24a) des Generatorstrangs (14) mit einem Halbrücken-Mittelabgriff (22) der Gleichrichtereinrichtung (18) und eine zweite Kontaktseite (24b) des Generatorstrangs (14) mit einem Halbbrücken-Mittelabgriff (32) einer n-Halbbrücken-Generator- Wechselrichtereinrichtung (26) verbunden ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität L des Generatorstrangs (14) derart ausgelegt ist, dass im Bereich einer vordefinierbaren Drehzahlschwankung n_min bis n_max bzw. einer vordefinierbaren Maximalstrangspannung u_max ein Hochsetzstellerbetrieb auf eine vordefinierbare Zwischenkreisspannung U_ZK durchführbar ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Kontaktseite (24) des Generatorstrangs (14) eine Induktivitätseinheit (34) für einen Hochsetzstellerbetrieb eingeschaltet ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der n-phasige Stromgenerator (12) ein Synchrongenerator, bevorzugt ein permanentmagneterregter Synchrongenerator, insbesondere ein Dreiphasen-Synchrongenerator (48) ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sternschaltvorrichtung K (36), insbesondere Schütz, Halbleiterschaltelement oder ähnliches zum Kurzschließen einer Kontaktseite (24), bevorzugt der ersten Kontaktseite (24a) des Drehstromgenerators (48) angeordnet ist, so dass der Drehstromgenerator (48) durch die Generator-Wechselrichtereinrichtung (26) sowohl generatorisch als auch motorisch in einer Y-Schaltung betreibbar ist.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtereinrichtung (18) als zweite Generator-Wechselrichtereinrichtung (28) ausgelegt ist, wobei Freilaufdioden (40) der Wechselrichter-Schaltelemente (38) als Gleichrichterdioden (42) ausgelegt sind, so dass ein Generator-Doppelwechselrichterbetrieb oder ein redundanter Wechselrichterbetrieb durchführbar ist.
Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein, bevorzugt zwei Zwischenkreis-Entkopplungsschaltelemente (44) K1, K2 vorgesehen sind, um das Gleichstrompotential zumindest einer Wechselrichtereinrichtung (26, 28) vom Zwischenkreis (16) trennbar schalten zu können.
Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtereinrichtung (18) und die Generator-Wechselrichtereinrichtung (26) in einem Gehäuse (62) eines Leistungshalbleiter-CIB-Moduls (60) (Converter-Inverter-Brake-Modul) umfasst sind.
Verfahren zum Betrieb einer Generator-Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung die Schaltelemente (38) der Generator-Wechselrichtereinrichtung (26) und/oder der zweiten Wechselrichtereinrichtung (28) derart ansteuert, dass in dem Generatorstrang (14) ein sinusförmiger Strangstrom i ausgebildet wird, dessen Phasenwinkel φ abgestimmt zur Grundwelle der Strangspannung u verläuft.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselrichter-Schaltelemente (38) in einem Hochsetzstellerbetrieb zur Einhaltung einer einstellbaren Zwischenkreisspannung U_ZK bzw. eines einstellbaren Zwischenkreisspannungsbereichs in Abhängigkeit einer Generatordrehzahl n bzw. Generator-Strangspannung u gesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundwelle des Strangstroms i phasensynchron, insbesondere mit einem einstellbaren Phasenversatz φ_0 zur Grundwelle der Strangspannung u verläuft, wobei im Fall eines Drehstromgenerators (48) eine 120° Phasenbeziehung der drei Generatorstränge (14) eingestellt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Absolutwertbereich einer vordefinierbaren Mindeststrangspannung u_min der Strangspannung u der Strangstrom i des Generatorstrangs (14) zu Null gesteuert wird.
Netzversorgungsvorrichtung (70) umfassend eine Generator-Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 9 zur Erzeugung einer Wechsel- oder Drehstromversorgung eines Versorgungsnetzes (76), dadurch gekennzeichnet, dass an dem Gleichspannungs-Zwischenkreis (16) eine Zwischenkreiskapazität (72) sowie eine Netz-Wechselrichtereinheit (74) zur Erzeugung einer AC-Versorgungsspannung eines zu speisenden Versorgungsnetzes (76) angeschaltet ist.
Verwendung einer Netzversorgungsvorrichtung (70) nach Anspruch 14 insbesondere als drehzahlvariable Netzversorgungs-Generatorvorrichtung in einer Windkraftanlage, einer Wasserkraftanlage, einer Gasentspannungsanlage, einem Notstromgenerator, einem Blockheizkraftwerk oder einem Fahrzeug, bevorzugt als Range-Extender und/oder zur Fahrzeugstromversorgung.