DE102015201477A1

DE102015201477A1 - Generator for electricity generation, power grid with such an aggregate, motor vehicle with such a power grid and / or aggregate, and method for operating an aggregate for power generation

Info

Publication number: DE102015201477A1
Application number: DE102015201477.0A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Filip
Original assignee: MTU Friedrichshafen GmbH
Current assignee: Rolls Royce Solutions GmbH
Priority date: 2015-01-28
Filing date: 2015-01-28
Publication date: 2016-07-28
Anticipated expiration: 2035-01-29
Also published as: DE102015201477B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aggregat (3) zur Stromerzeugung mit einer drehzahlvariablen Brennkraftmaschine (5), die mit einem Generator (7) zu dessen Antrieb wirkverbunden ist, und mit einem Stromrichter (11), über den der Generator (7) mit einem Verbraucherstromkreis (13) verbindbar ist, wobei der Generator (7) als Synchronmaschine ausgebildet ist. Dabei ist eine Umschalteinrichtung (15) vorgesehen, die eingerichtet ist zur Herstellung einer elektrischen Direktverbindung (17) zwischen dem Generator (7) und dem Verbraucherstromkreis (13) unter Umgehung des Stromrichters (11) in einem ersten Schaltzustand, wobei die Umschalteinrichtung (15) eingerichtet ist zur Unterbrechung der elektrischen Direktverbindung (17) in einem zweiten Schaltzustand. The invention relates to an assembly (3) for generating electricity with a variable-speed internal combustion engine (5), which is operatively connected to a generator (7) to drive it, and to a power converter (11) via which the generator (7) with a load circuit ( 13) is connectable, wherein the generator (7) is designed as a synchronous machine. In this case, a switching device (15) is provided, which is set up for producing an electrical direct connection (17) between the generator (7) and the load circuit (13), bypassing the power converter (11) in a first switching state, wherein the switching device (15) is set up to interrupt the electrical direct connection (17) in a second switching state.

Description

Die Erfindung betrifft ein Aggregat zur Stromerzeugung, ein Stromnetz mit einem solchen Aggregat, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Stromnetz und/oder Aggregat, und ein Verfahren zum Betreiben eines Aggregats zur Stromerzeugung. The invention relates to an aggregate for power generation, a power grid with such an aggregate, a motor vehicle with such a power grid and / or aggregate, and a method for operating an aggregate for power generation.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 076 073 A1 ist ein Stromnetz bekannt, welches einen Verbraucherstromkreis aufweist, der mit einer Mehrzahl von Aggregaten zur Stromerzeugung verbunden ist. Ein solches Aggregat weist eine drehzahlvariable Brennkraftmaschine auf, die mit einem Generator zu dessen Antrieb wirkverbunden ist. Dem Aggregat ist ein Stromrichter zugeordnet, über den der Generator mit dem Verbraucherstromkreis verbunden ist. Solche drehzahlvariablen Aggregate zur Stromerzeugung werden insbesondere in Anwendungsbereichen eingesetzt, bei denen sie hauptsächlich im Teillastbereich betrieben werden, beispielsweise auf Schiffen, wenn eine Redundanz und somit eine Mehrzahl von Aggregaten gefordert ist. Durch die Drehzahlvariabilität ist es möglich, im Teillastbereich Kraftstoff einzusparen und Verschleiß zu reduzieren, was sich positiv auf die Lebenszykluskosten des Aggregats auswirkt. Es ist bekannt, solche Aggregate mit Generatoren auszustatten, die als Asynchronmaschinen ausgebildet sind. Diese müssen allerdings durch den Stromrichter magnetisiert werden, sodass dieser eine ungefähr 10% bis 20% größere Nennleistung aufweisen muss, als es der Bemessungsleistung des Aggregats entspricht. Da die Leistung eines Stromrichters durch die zulässigen Ströme seiner Leistungsbauteile definiert ist, gibt es Abstufungen in den Nennleistungen. Es ist also insbesondere für den Betrieb eines solchen Aggregats mit einer Asynchronmaschine ein vergleichsweise großer und teurer Stromrichter mit hoher Nennleistung nötig, insbesondere mit höherer Nennleistung, als es der Nennleistung des Generators entspricht. From the German patent application DE 10 2011 076 073 A1 For example, a power grid is known which has a load circuit connected to a plurality of power generation units. Such an aggregate has a variable-speed internal combustion engine, which is operatively connected to a generator to its drive. The unit is assigned a power converter, via which the generator is connected to the load circuit. Such variable speed units for power generation are used in particular in applications in which they are operated mainly in the partial load range, for example on ships, when redundancy and thus a plurality of units is required. Due to the speed variability, it is possible to save fuel in the partial load range and reduce wear, which has a positive effect on the life cycle costs of the unit. It is known to equip such units with generators, which are designed as asynchronous machines. However, these must be magnetized by the converter so that it must have an approximately 10% to 20% higher rated output than the rated output of the unit. Since the power of a power converter is defined by the allowable currents of its power components, there are gradations in rated power. So it is especially for the operation of such an aggregate with an asynchronous a comparatively large and expensive power converter with high power required, especially with higher rated power than it corresponds to the rated power of the generator.

Es ist auch bekannt, den Generator eines solchen Aggregats als Synchronmaschine auszubilden. In diesem Fall entfällt die für eine Asynchronmaschine erforderliche Magnetisierungsleistung, da die Synchronmaschine über ihre Erregermaschine magnetisiert wird. Hierdurch können zwar die Mehrkosten einer Synchronmaschine eggenüber einer Asynchronmaschine zumindest teilweise kompensiert werden, es zeigt sich jedoch, dass der Stromrichter gleichwohl eine Nennleistung aufweisen muss, die zumindest der Nenn-Ausgangsleistung der Synchronmaschine entspricht. Dadurch weist der Stromrichter noch immer einen vergleichsweise großen Bauraum auf und ist teuer. Gerade im oberen Leistungsbereich treten außerdem elektrische Verluste in dem Stromrichter auf, sodass das Aggregat bezüglich seines Wirkungsgrades und seiner Effizienz verbesserungswürdig ist. Soll der Vorteil eines drehzahlvariablen Betriebs des Aggregats auch bei Ausbildung des Generators als Synchronmaschine erhalten belieben, ist der Stromrichter zwingend erforderlich und kann nicht eingespart werden. It is also known to form the generator of such an aggregate as a synchronous machine. In this case, the magnetization power required for an asynchronous machine is eliminated since the synchronous machine is magnetized by its exciter. As a result, although the additional costs of a synchronous machine eg over an asynchronous machine can be at least partially compensated, it turns out, however, that the power converter nevertheless has to have a rated output which corresponds at least to the nominal output power of the synchronous machine. As a result, the power converter still has a comparatively large installation space and is expensive. Especially in the upper power range, electrical losses also occur in the power converter, so that the unit can be improved in terms of its efficiency and its efficiency. If the advantage of a variable-speed operation of the unit is maintained even when the generator is designed as a synchronous machine, the converter is absolutely necessary and can not be saved.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Aggregat zur Stromerzeugung, ein Stromnetz mit einem solchen Aggregat, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Stromnetz und/oder einem solchen Aggregat, und ein Verfahren zum Betreiben eines Aggregats zur Stromerzeugung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile nicht auftreten. The object of the invention is to provide an aggregate for power generation, a power grid with such an aggregate, a motor vehicle with such a power grid and / or such an aggregate, and a method for operating an aggregate for power generation, said disadvantages do not occur.

Die Aufgabe wird gelöst, indem die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche geschaffen werden. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. The object is achieved by providing the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments emerge from the subclaims.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Aggregat zur Stromerzeugung geschaffen wird, welches eine drehzahlvariable Brennkraftmaschine aufweist, die mit einem Generator zu dessen Antrieb wirkverbunden ist. Das Aggregat weist außerdem einen Stromrichter auf, über den der Generator mit einem Verbraucherstromkreis verbindbar ist. Dabei ist der Generator als Synchronmaschine ausgebildet. Das Aggregat weist außerdem eine Umschalteinrichtung auf, die eingerichtet ist zur Herstellung einer elektrischen Direktverbindung zwischen dem Generator und dem Verbraucherstromkreis unter Umgehung des Stromrichters in einem ersten Schaltzustand. Die Umschalteinrichtung ist weiterhin eingerichtet zur Unterbrechung der Direktverbindung in einem zweiten Schaltzustand. Aufgrund der Verwendung einer Synchronmaschine bedarf es keiner Magnetisierungsleistung, sodass dies bereits zu einer Reduzierung des Bauraums und der Nennleistung des Stromrichters beiträgt. Durch die Umschalteinrichtung ist es nun möglich, in dem ersten Schaltzustand eine Direktverbindung zwischen dem Generator und dem Verbraucherstromkreis herzustellen, wobei der Stromrichter umgangen wird. In dem ersten Schaltzustand kann also die Synchronmaschine direkt – gegebenenfalls über eine Synchronisiereinrichtung – mit dem Verbraucherstromkreis verbunden werden, wobei sie in diesem Schaltzustand ohne weiteres mit Synchrondrehzahl und synchronisiert zu dem Verbraucherstromkreis betrieben werden kann. In diesem Fall wird in dem ersten Schaltzustand über den Stromrichter vorzugsweise keine elektrische Leistung mehr übertragen, sodass hier keine Verluste auftreten, wobei es möglich ist, den Stromrichter mit kleinerer Nennleistung auszubilden als bei einem herkömmlichen Aggregat, bei welchem die elektrische Leistung stets über den Stromrichter übertragen wird. Dagegen ist es in dem zweiten Schaltzustand möglich, die elektrische Leistung über den Stromrichter zu übertragen, indem die Direktverbindung zwischen dem Generator und dem Verbraucherstromkreis unterbrochen wird. Damit ist auch der an sich bekannte, drehzahlvariable Betrieb des Aggregats weiterhin möglich, wobei der Generator nicht mit Synchrondrehzahl betrieben werden muss, sondern vielmehr drehzahlvariabel betreibbar ist. Dabei ergeben sich insbesondere die bereits eingangs erwähnten Vorteile im Teillastbereich. The object is achieved in particular by providing an aggregate for power generation, which has a variable-speed internal combustion engine, which is operatively connected to a generator to its drive. The unit also has a power converter, via which the generator can be connected to a load circuit. In this case, the generator is designed as a synchronous machine. The unit also has a switching device, which is set up for establishing a direct electrical connection between the generator and the load circuit, bypassing the power converter in a first switching state. The switching device is further configured to interrupt the direct connection in a second switching state. Due to the use of a synchronous machine, no magnetization power is required, so that this already contributes to a reduction of the construction space and the rated power of the power converter. By the switching device, it is now possible to establish a direct connection between the generator and the load circuit in the first switching state, wherein the power converter is bypassed. In the first switching state, therefore, the synchronous machine can be connected directly to the load circuit, optionally via a synchronizing device, and in this switching state, it can be operated at synchronous speed and synchronized with the load circuit. In this case, preferably no electrical power is transmitted in the first switching state via the power converter, so that no losses occur here, it being possible to design the power converter with lower nominal power than in a conventional unit, in which the electrical power always via the power converter is transmitted. In contrast, in the second switching state, it is possible to transmit the electric power via the power converter by interrupting the direct connection between the generator and the load circuit. This is also the known per se variable-speed operation of the unit continues to be possible, the generator does not have to be operated at synchronous speed, but rather is variable speed operable. This results in particular in the already mentioned advantages in the partial load range.

Die Verwendung einer drehzahlvariablen Brennkraftmaschine bedeutet insbesondere, dass die Brennkraftmaschine und damit zugleich auch der Generator mit variabler Drehzahl und insbesondere mit von der Synchrondrehzahl, welche durch die Netzfrequenz des Verbraucherstromkreises einerseits und die Polzahl des Generators andererseits bestimmt ist, betrieben werden kann. The use of a variable-speed internal combustion engine means in particular that the internal combustion engine and thus at the same time the generator with variable speed and in particular with the synchronous speed, which is determined by the mains frequency of the load circuit on the one hand and the number of poles of the generator on the other hand.

Der Begriff „Verbraucherstromkreis“ bedeutet hier, dass es sich um einen relativ zu dem Aggregat externen Stromkreis handelt, der zur Versorgung wenigstens eines von dem Aggregat verschiedenen Verbrauchers mit elektrischer Leistung vorgesehen ist. Es handelt sich also insbesondere nicht um einen Stromkreis innerhalb des Aggregats, der beispielsweise zur Versorgung elektrischer oder elektronischer Komponenten oder Verbraucher des Aggregats selbst vorgesehen ist. Vielmehr ist der wenigstens eine, durch den Verbraucherstromkreis mit elektrischer Leistung versorgbare Verbraucher von dem Aggregat verschieden und nicht Teil des Aggregats. Es kann sich hierbei beispielsweise um einen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs, eine Pumpe einer Bohrinsel oder einen anderen geeigneten Verbraucher handeln. The term "load circuit" here means that it is a relative to the unit external circuit that is provided to supply at least one of the unit different consumer with electrical power. It is therefore not in particular a circuit within the unit, which is provided for example for supplying electrical or electronic components or consumers of the unit itself. Rather, the at least one loadable by the load circuit with electrical power consumer is different from the unit and not part of the unit. This may be, for example, an electric motor of a motor vehicle, a pump of a drilling rig or another suitable consumer.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Aggregats ist der Stromrichter als Umrichter ausgebildet. Dabei wandelt der Umrichter eine von dem Generator erzeugte Wechselspannung zunächst in eine Gleichspannung, die dann wiederum durch den Umrichter in eine mit der Netzfrequenz des Verbraucherstromkreises synchronisierte und frequenzgleiche Wechselspannung gewandelt wird. Mithilfe eines Umrichters ist es demnach möglich, den Generator ohne Zwischenschaltung eines Gleichstrom-Verteilersystems mit dem vorzugsweise als Wechselstromkreis ausgebildeten Verbraucherstromkreis zu verbinden. In a preferred embodiment of the unit, the power converter is designed as a converter. In this case, the converter initially converts an alternating voltage generated by the generator into a direct voltage, which in turn is then converted by the converter into an alternating voltage synchronized with the mains frequency of the load circuit and with the same frequency. By means of an inverter, it is therefore possible to connect the generator without the interposition of a DC distribution system with the preferably formed as an AC circuit load circuit.

Besonders bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel des Aggregats, bei welchem der Stromrichter als Direktstromrichter oder Matrixstromrichter ausgebildet ist. Ein solcher Stromrichter ist eingerichtet, um eine erste Wechselspannung direkt, ohne Zwischenschaltung eines internen Gleichstrom-Zwischenkreises, in eine zweite Wechselspannung mit beispielsweise von der ersten Wechselspannung verschiedener Frequenz umzuwandeln. Particularly preferred is an embodiment of the unit in which the power converter is designed as a direct converter or matrix converter. Such a power converter is configured to convert a first AC voltage directly, without the interposition of an internal DC intermediate circuit, into a second AC voltage with, for example, the first AC voltage of different frequency.

Bei einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel des Aggregats ist der Stromrichter als Gleichrichter ausgebildet, der eine von dem Generator erzeugte Wechselspannung gleichrichtet. In diesem Fall ist zwischen dem Gleichrichter und dem Verbraucherstromkreis noch ein Gleichstrom-Verteilersystem vorgesehen, das seinerseits über wenigstens einen Wechselrichter mit dem Verbraucherstromkreis verbunden ist. Ein solches Gleichstrom-Verteilersystem kann in vorteilhafter Weise zur Energiespeicherung mit Batterien oder Akkumulatoren verbunden sein und/oder direkt Gleichstrom-Verbraucher mit elektrischer Leistung versorgen. Außerdem ist es über das Gleichstrom-Verteilersystem in besonders einfacher Weise möglich, eine Mehrzahl von Aggregaten mit dem Verbraucherstromkreis zu verbinden. In another preferred embodiment of the unit, the power converter is designed as a rectifier, which rectifies an alternating voltage generated by the generator. In this case, a DC distribution system is provided between the rectifier and the load circuit, which in turn is connected via at least one inverter to the load circuit. Such a DC distribution system may be advantageously connected to batteries or accumulators for energy storage and / or directly supply DC consumers with electrical power. In addition, it is possible via the DC distribution system in a particularly simple manner to connect a plurality of units with the load circuit.

Unter einer Wechselspannung wird hier und im Folgenden allgemein eine einphasige oder mehrphasige Wechselspannung, insbesondere eine dreiphasige Wechselspannung, verstanden. Entsprechend wird hier und im Folgenden unter einem Wechselstromkreis ein einphasiger oder mehrphasiger Stromkreis verstanden, insbesondere ein dreiphasiger Stromkreis, mithin ein Drehstromkreis. An alternating voltage is understood here and below generally to mean a single-phase or multi-phase alternating voltage, in particular a three-phase alternating voltage. Accordingly, an AC circuit here and hereinafter is understood to mean a single-phase or multi-phase circuit, in particular a three-phase circuit, and thus a three-phase circuit.

Die Synchronisiereinrichtung, welche bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Aggregats noch in der elektrischen Direktverbindung zwischen dem Generator und dem Verbraucherstromkreis vorgesehen ist, dient dagegen nicht einer Umrichtung des von dem Generator erzeugten Stroms, sondern vielmehr lediglich der Herstellung von Synchronisierbedingungen, die erfüllt sein müssen, bevor der Generator direkt mit dem Verbraucherstromkreis verbunden werden kann. Solche Synchronisierbedingungen sind insbesondere eine gleiche Höhe der Verbraucherstromkreisspannung und der von dem Generator erzeugten Spannung, eine gleiche Frequenz der Verbraucherstromkreisspannung und der Generatorspannung, einer gleichen Phasenlage des Generators mit dem Verbraucherstromkreis, und einer gleichen Phasenfolge. Die Synchronisiereinrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, um alle diese Synchronisierbedingungen und/oder weitere Synchronisierbedingungen herzustellen, bevor die elektrische Direktverbindung zwischen dem Generator und dem Verbraucherstromkreis hergestellt wird. Es ist möglich, dass die Synchronisiereinrichtung Teil der Umschalteinrichtung ist. Die Umschalteinrichtung ist bevorzugt ausgebildet, um ein Schalten in den ersten Schaltzustand erst dann zu bewirken, wenn alle genannten Synchronisierbedingungen und/oder weitere Synchronisierbedingungen erfüllt sind. The synchronizer, which is still provided in a preferred embodiment of the unit in the direct electrical connection between the generator and the load circuit, however, does not serve a reversal of the current generated by the generator, but rather only the production of Synchronisierbedingungen that must be met before the generator can be connected directly to the load circuit. Such synchronizing conditions are in particular an equal level of the load circuit voltage and the voltage generated by the generator, an equal frequency of the load circuit voltage and the generator voltage, a same phase position of the generator with the load circuit, and a same phase sequence. The synchronizer is preferably arranged to establish all of these synchronizing conditions and / or other synchronizing conditions before establishing the electrical direct connection between the generator and the load circuit. It is possible that the synchronizer is part of the switching device. The switching device is preferably designed so as to effect a shift to the first switching state only when all of the aforementioned synchronizing conditions and / or further synchronizing conditions are met.

Die Synchronisiereinrichtung ist bevorzugt auch ausgebildet, um den Stromrichter wieder einerseits mit dem Generator und andererseits mit dem Verbraucherstromkreis zu synchronisieren, bevor ein Schalten in den zweiten Schaltzustand bewirkt wird. Es ist aber auch möglich, dass der Stromrichter selbst eingerichtet ist, um sich vor einem Umschalten in den zweiten Schaltzustand mit beiden Seiten zu synchronisieren. The synchronizer is preferably also designed to synchronize the power converter again on the one hand with the generator and on the other hand with the load circuit before switching to the second switching state is effected. But it is also possible that the power converter itself is set up to switch from one to the to synchronize the second switching state with both sides.

Die Umschalteinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um eine Verbindung zwischen dem Stromrichter und dem Verbraucherstromkreis in dem ersten Schaltzustand zu unterbrechen. In diesem Fall besteht in dem ersten Schaltzustand nur noch ausschließlich die Direktverbindung zwischen dem Generator und dem Verbraucherstromkreis, wobei die elektrische Verbindung über den Stromrichter unterbrochen ist. Dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich, vielmehr kann der Stromrichter auch stromlos sein, ohne dass die elektrische Verbindung mit dem Verbraucherstromkreis tatsächlich unterbrochen wird. The switching device is preferably set up to interrupt a connection between the power converter and the load circuit in the first switching state. In this case, there is only the direct connection between the generator and the load circuit in the first switching state, wherein the electrical connection is interrupted via the power converter. However, this is not absolutely necessary, but the converter can also be de-energized without the electrical connection to the load circuit is actually interrupted.

Die Umschalteinrichtung ist bevorzugt ausgebildet zur Herstellung einer Verbindung zwischen dem Stromrichter und dem Verbraucherstromkreis in dem zweiten Schaltzustand. Dies spricht an, dass eine gegebenenfalls unterbrochene Verbindung zwischen dem Stromrichter und dem Verbraucherstromkreis wieder hergestellt werden kann, wenn die Umschalteinrichtung in den zweiten Schaltzustand geschaltet wird, also die Direktverbindung unterbrochen wird. The switching device is preferably designed for establishing a connection between the power converter and the load circuit in the second switching state. This suggests that an optionally interrupted connection between the power converter and the load circuit can be restored when the switching device is switched to the second switching state, ie the direct connection is interrupted.

Vorzugsweise ist die Umschalteinrichtung parameterabhängig schaltbar, insbesondere von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand und zurück. Sie ist dann insbesondere flexibel abhängig von den Betriebsbedingungen des Aggregats schaltbar. Als Parameter zum Schalten der Umschalteinrichtung wird vorzugsweise eine Ausgangsleistung des Generators und/oder eine Leistung des Aggregats verwendet. Preferably, the switching device can be switched depending on the parameter, in particular from the second switching state to the first switching state and back. It is then particularly flexibly switchable depending on the operating conditions of the unit. As a parameter for switching the switching device, an output power of the generator and / or a power of the unit is preferably used.

Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Aggregats bevorzugt, das sich durch eine Steuereinrichtung auszeichnet, die eingerichtet ist zum Schalten der Umschalteinrichtung in den ersten Schaltzustand in einem höheren Leistungsbereich des Aggregats, insbesondere in einem höheren Ausgangsleistungsbereich des Generators, und zum Schalten der Umschalteinrichtung in den zweiten Schaltzustand in einem niedrigeren Leistungsbereich des Aggregats, insbesondere in einem niedrigeren Ausgangsleistungsbereich des Generators. Dabei weist der höhere Leistungsbereich höhere Leistungswerte auf als der niedrigere Leistungsbereich. Auf diese Weise ist es möglich, das Aggregat in dem höheren Leistungsbereich unter Umgehung des Stromrichters direkt mit dem Verbraucherstromkreis zu verbinden, sodass der Stromrichter nicht eingerichtet sein muss, höhere Leistungen und insbesondere die volle Nenn- oder Maximalleistung des Generators zu übertragen. Dagegen kann das Aggregat in dem niedrigeren Leistungsbereich über den Stromrichter mit dem Verbraucherstromkreis verbunden werden, sodass es hier – mit den bereits eingangs erwähnten Vorteilen für den Teillastbereich – drehzahlvariabel betrieben werden kann. An embodiment of the assembly is also preferred, which is characterized by a control device which is set up for switching the switching device to the first switching state in a higher power range of the aggregate, in particular in a higher output power range of the generator, and for switching the switching device in the second Switching state in a lower power range of the unit, in particular in a lower output power range of the generator. The higher power range has higher power ratings than the lower power range. In this way, it is possible to connect the unit in the higher power range, bypassing the power converter directly to the load circuit, so that the power converter must not be set up to transfer higher power and in particular the full rated or maximum power of the generator. In contrast, the unit can be connected in the lower power range via the power converter with the load circuit, so that it can be operated variable speed - with the already mentioned for the partial load range - already mentioned.

Die Steuereinrichtung ist bevorzugt eingerichtet, um das Aggregat – und insbesondere den Generator – auf Synchrondrehzahl zu beschleunigen, bevor die Umschalteinrichtung in den ersten Schaltzustand geschaltet wird. Bei Verwirklichung der elektrischen Direktverbindung unter Umgehung des Stromrichters muss nämlich der Generator mit Synchrondrehzahl betrieben werden. Die Steuereinrichtung ist außerdem bevorzugt eingerichtet, um den Generator mit dem Verbraucherstromkreis zu synchronisieren, insbesondere alle zuvor genannten Synchronisierbedingungen, zu erfüllen. Insofern ist die Steuereinrichtung bevorzugt als Synchronisiereinrichtung ausgebildet, oder die Synchronisiereinrichtung ist Teil der Steuereinrichtung. Die Steuereinrichtung ist bevorzugt ausgebildet, um die Drehzahl des Aggregats, insbesondere des Generators, während des Betriebs in dem ersten Schaltzustand auf Synchrondrehzahl zu halten, und insbesondere eine dauerhafte Synchronisation des Aggregats mit dem Verbraucherstromkreis zu gewährleisten. The control device is preferably set up in order to accelerate the unit-and in particular the generator-to synchronous speed before the changeover unit is switched to the first switching state. When realizing the direct electrical connection, bypassing the power converter namely the generator must be operated at synchronous speed. The control device is also preferably configured to synchronize the generator with the load circuit, in particular to fulfill all the aforementioned synchronization conditions. In this respect, the control device is preferably designed as a synchronizer, or the synchronizer is part of the control device. The control device is preferably designed to keep the speed of the unit, in particular of the generator, during operation in the first switching state at synchronous speed, and in particular to ensure permanent synchronization of the unit with the load circuit.

Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, um in dem zweiten Schaltzustand einen drehzahlvariablen Betrieb des Aggregats, insbesondere der Brennkraftmaschine und damit zugleich des Generators, zu verwirklichen. Dabei folgt die Drehzahlvorgabe für das Aggregat bevorzugt einer vorgegebenen Generatorkennlinie, oder die Drehzahl wird abhängig von einem aktuellen Zustand der Brennkraftmaschine und/oder zu erwartenden Lastsprüngen und/oder Lastrampen vorgegeben. Ein hierzu geeignetes Verfahren, zu dessen Durchführung die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet ist, ist in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 076 073 A1 offenbart, auf welche insoweit verwiesen wird. Zur Steuerung des hier vorgeschlagenen Aggregats muss diese Drehzahl-Vorgabe lediglich derart abgeändert werden, dass in dem höheren Leistungsbereich die Synchrondrehzahl angesteuert wird. The control device is preferably designed to realize a variable-speed operation of the unit, in particular of the internal combustion engine and thus of the generator, in the second switching state. In this case, the speed specification for the unit preferably follows a given generator characteristic, or the speed is specified depending on a current state of the internal combustion engine and / or expected load jumps and / or load ramps. A method suitable for this purpose, for the implementation of which the control device is preferably set up, is disclosed in German Offenlegungsschrift DE 10 2011 076 073 A1 disclosed, to which reference is made. To control the unit proposed here, this speed specification must only be changed such that in the higher power range, the synchronous speed is controlled.

Es ist möglich, dass für die verschiedenen, hier definierten Aufgaben verschiedene Steuergeräte verwendet werden. Beispielsweise kann/können die Funktionalität der Steuereinrichtung, der Umschalteinrichtung und/oder der Synchronisiereinrichtung durch verschiedene speziell hierfür eingerichtete Steuergeräte übernommen werden. Es ist aber auch möglich, dass die verschiedenen Aufgaben durch ein gemeinsames Steuergerät übernommen werden, beispielsweise durch ein Generator-Steuergerät, oder aber durch das zentrale Motorsteuergerät der drehzahlvariablen Brennkraftmaschine des Aggregats (z.B. Engine Control Unit). Insbesondere ist es aber auch möglich, dass die hier beschriebene Steuereinrichtung nicht als Einzelsteuergerät ausgebildet ist, sondern eine Mehrzahl von Steuergeräten umfasst. It is possible that different controllers are used for the different tasks defined here. For example, the functionality of the control device, the switching device and / or the synchronization device can be / are taken over by various control devices specially set up for this purpose. But it is also possible that the various tasks are performed by a common control unit, for example by a generator control unit, or by the central engine control unit of the variable-speed internal combustion engine of the unit (eg engine control unit). In particular, it is also possible that the described here Control device is not designed as a single control unit, but comprises a plurality of control devices.

Schließlich ist es auch möglich, dass die Synchronisiereinrichtung eingerichtet ist, um die Funktionalität der Umschalteinrichtung zu übernehmen, also insbesondere von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand und zurück zu schalten. Dabei kann in besonders einfacher Weise sichergestellt werden, dass beim Schalten von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand die nötigen Synchronisierbedingungen erfüllt sind. Finally, it is also possible for the synchronizing device to be set up in order to take over the functionality of the switching device, that is to say in particular to switch from the first switching state to the second switching state and back. It can be ensured in a particularly simple manner that when switching from the second switching state to the first switching state, the necessary Synchronisierbedingungen are met.

Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Aggregats bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Stromrichter eine Nennleistung oder eine Maximalleistung aufweist, die kleiner – insbesondere signifikant kleiner – ist als die Nennleistung oder Maximalleistung des Generators, insbesondere kleiner als die maximale Ausgangsleistung des Generators. Bei dem hier vorgeschlagenen Aggregat ist es möglich, einen Stromrichter mit entsprechender verringerter Nenn- oder Maximalleistung zu verwenden, weil der Generator in dem ersten Schaltzustand direkt unter Umgehung des Stromrichters mit dem Verbraucherstromkreis verbunden werden kann. Der Stromrichter muss daher nicht die Nenn- oder Maximalleistung des Generators übertragen können. Hierdurch kann der Stromrichter kleiner, also insbesondere bauraumsparend, und kostengünstiger ausgestaltet sein als bei bekannten Aggregaten. Besonders bevorzugt beträgt die Nenn- oder Maximalleistung des Stromrichters von mindestens 30 % bis höchstens 70 %, vorzugsweise von mindestens 40 % bis höchstens 60 %, vorzugsweise 50 % der Nenn- oder Maximalleistung des Generators. Dies entspricht einer deutlichen und signifikanten Verkleinerung des Stromrichters sowohl bezüglich des Bauraums als auch bezüglich der Leistung. Somit sinken auch die mit dem Stromrichter verbundenen Kosten signifikant. An embodiment of the unit is also preferred, which is characterized in that the power converter has a nominal power or a maximum power, which is smaller - in particular significantly smaller - than the nominal power or maximum power of the generator, in particular smaller than the maximum output power of the generator. In the unit proposed here, it is possible to use a power converter with a corresponding reduced rated or maximum power, because the generator can be connected in the first switching state directly bypassing the power converter to the load circuit. The converter therefore does not have to be able to transmit the nominal or maximum power of the generator. As a result, the power converter can be designed to be smaller, that is, in particular space-saving, and less expensive than in known units. Particularly preferably, the nominal or maximum power of the power converter is from at least 30% to at most 70%, preferably from at least 40% to at most 60%, preferably 50% of the nominal or maximum power of the generator. This corresponds to a significant and significant miniaturization of the power converter both in terms of space and in terms of performance. Thus, the costs associated with the power converter also fall significantly.

Bevorzugt ist die Steuereinrichtung eingerichtet zum Schalten der Umschalteinrichtung in den ersten Schaltzustand, wenn eine momentane Ausgangsleistung des Generators einen vorbestimmten ersten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung eingerichtet zum Schalten der Umschalteinrichtung in den zweiten Schaltzustand, wenn die momentane Ausgangsleistung des Generators einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert erreicht oder unterschreitet. Dabei ist es möglich, dass der erste Schwellenwert und der zweite Schwellenwert identisch gewählt werden. Es ist aber auch möglich, den zweiten Schwellenwert von dem ersten Schwellenwert verschieden zu wählen und so quasi eine Hysterese im Schaltverhalten der Umschalteinrichtung zu verwirklichen. Insbesondere der erste Schwellenwert, bevorzugt aber auch der zweite Schwellenwert, entspricht ungefähr oder genau der Nenn- oder Maximalleistung des Stromrichters. Wird also ein Stromrichter mit einer bestimmten Nenn- oder Maximalleistung verwendet, die kleiner ist als die Nenn- oder Maximalleistung des Generators, wird das Aggregat in dem zweiten Schaltzustand betrieben, solange die momentane Ausgangsleistung des Generators kleiner ist als die Nenn- oder Maximalleistung des Stromrichters, wobei die von dem Generator erzeugte elektrische Leistung über den Stromrichter in den Verbraucherstromkreis eingespeist wird. Erreicht oder übersteigt die momentane Ausgangsleistung des Generators die Nenn- oder Maximalleistung des Stromrichters, wird der Betrieb des Aggregats von dem zweiten Schaltzustand in den ersten Schaltzustand umgeschaltet, und der Generator wird direkt unter Umgehung des Stromrichters mit dem Verbraucherstromkreis verbunden, sodass die elektrische Leistung, welche der Generator erzeugt, über die elektrische Direktverbindung in den Verbraucherstromkreis eingespeist wird. Aus Sicherheitsgründen wird der erste vorbestimmte Schwellenwert bevorzugt unter Berücksichtigung einer Sicherheitsmarge kleiner gewählt als die Nenn- oder Maximalleistung des Stromrichters, sodass die Umschaltung von dem zweiten auf den ersten Schaltzustand spätestens dann abgeschlossen ist, wenn die momentane Ausgangsleistung des Generators die Nenn- oder Maximalleistung des Stromrichters erreicht, sodass dieser jedenfalls vor einer zu hohen elektrischen Leistung geschützt wird. Preferably, the control device is set up for switching the switching device into the first switching state when an instantaneous output power of the generator reaches or exceeds a predetermined first threshold value. Preferably, the control means is arranged for switching the switching means in the second switching state, when the current output power of the generator reaches or falls below a predetermined second threshold value. It is possible for the first threshold value and the second threshold value to be selected identically. However, it is also possible to select the second threshold value different from the first threshold value and thus to realize a quasi hysteresis in the switching behavior of the switching device. In particular, the first threshold value, but preferably also the second threshold value, corresponds approximately or exactly to the nominal or maximum power of the power converter. So if a converter is used with a specific rated or maximum power, which is smaller than the rated or maximum power of the generator, the unit is operated in the second switching state, as long as the current output of the generator is smaller than the rated or maximum power of the converter , wherein the electric power generated by the generator is fed via the power converter in the load circuit. If the current output power of the generator reaches or exceeds the nominal or maximum power of the converter, the operation of the unit is switched from the second switching state to the first switching state, and the generator is connected directly to the load circuit bypassing the converter, so that the electrical power, which generates the generator, is fed via the direct electrical connection in the load circuit. For safety reasons, the first predetermined threshold value is preferably selected taking into account a safety margin smaller than the rated or maximum power of the converter, so that the switching from the second to the first switching state is completed at the latest when the current output power of the generator, the rated or maximum power of In any case, the converter is protected against excessively high electrical power.

Erreicht die momentane Ausgangsleistung des Generators den vorherbestimmten ersten Schwellenwert, wird das Aggregat vorzugsweise auf Synchrondrehzahl beschleunigt, vorzugsweise über die Synchronisiereinrichtung mit dem Verbraucherstromkreis synchronisiert, und schließlich durch Umschalten in den ersten Schaltzustand unter Umgehung des Stromrichters über die elektrische Direktverbindung direkt mit dem Verbraucherstromkreis verbunden. Es ist dann möglich, dass der Stromrichter von dem Verbraucherstromkreis getrennt wird, dies ist aber nicht zwingend erforderlich. Reduziert sich die momentane Ausgangsleistung des Generators wieder und sinkt insbesondere unter den vorbestimmten, zweiten Schwellenwert, wird der Stromrichter mit beiden Seiten, also dem Generator einerseits und dem Verbraucherstromkreis andererseits, synchronisiert und übernimmt die Stromleitung, bis die elektrische Direktverbindung – zumindest nahezu – stromlos ist. Anschließend erfolgt die Umschaltung von dem ersten Schaltzustand in den zweiten Schaltzustand, wobei die elektrische Direktverbindung unterbrochen wird. Sobald dies der Fall ist, wird der drehzahlvariable Betrieb des Aggregats aufgenommen, mithin kann die Synchrondrehzahl verlassen werden, um einen effizienten Teillastbetrieb durchzuführen. If the current output power of the generator reaches the predetermined first threshold value, the unit is preferably accelerated to synchronous speed, preferably synchronized via the synchronizer with the load circuit, and finally connected by switching to the first switching state bypassing the converter via the direct electrical connection directly to the load circuit. It is then possible that the power converter is disconnected from the load circuit, but this is not mandatory. Reduces the current output of the generator again and falls in particular below the predetermined second threshold, the converter with both sides, so the generator on the one hand and the load circuit on the other hand, synchronized and takes over the power line until the electrical direct connection - at least almost - is de-energized , Subsequently, the switching from the first switching state to the second switching state, wherein the direct electrical connection is interrupted. As soon as this is the case, the variable-speed operation of the unit is recorded, and thus the synchronous speed can be left to perform an efficient partial load operation.

Es wird auch ein Ausführungsbeispiel des Aggregats bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass die Umschalteinrichtung einen Bypass-Schalter zum Herstellen und Unterbrechen der Direktverbindung zwischen dem Generator und dem Verbraucherstromkreis aufweist. Mit dem Bypass-Schalter wird eine zugleich einfache, kostengünstige und zuverlässige Lösung bereitgestellt, um die elektrische Direktverbindung herzustellen und zu unterbrechen. An embodiment of the assembly is also preferred, which is characterized in that the switching means comprises a bypass switch for establishing and interrupting the direct connection between the generator and the load circuit. The bypass switch provides a simple, cost-effective and reliable solution to make and break the electrical connection.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Aggregats ist vorgesehen, dass die Umschalteinrichtung einen Stromrichterschalter zum Herstellen und Unterbrechen einer elektrischen Verbindung zwischen dem Stromrichter und dem Verbraucherstromkreis aufweist. In diesem Fall ist es möglich, in dem ersten Schaltzustand die Verbindung zwischen dem Stromrichter und dem Verbraucherstromkreis zu trennen, sodass diese vollständig elektrisch entkoppelt sind. Besonders bevorzugt weist die Umschalteinrichtung sowohl einen Bypassschalter als auch einen Stromrichterschalter auf. In a preferred embodiment of the unit, it is provided that the switching device has a power converter switch for establishing and interrupting an electrical connection between the power converter and the load circuit. In this case, it is possible in the first switching state to disconnect the connection between the power converter and the load circuit, so that they are completely electrically decoupled. Particularly preferably, the switching device has both a bypass switch and a power converter switch.

Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet. Insbesondere wenn die Brennkraftmaschine als Gasmotor ausgebildet ist, ist sie auch für den Einsatz in einem Blockheizkraftwerk zur stationären Energieerzeugung geeignet. Alternativ ist es bevorzugt möglich, dass die Brennkraftmaschine als Turbine, insbesondere als Gasturbine, ausgebildet ist. The internal combustion engine is preferably designed as a reciprocating engine. The internal combustion engine is preferably designed as a diesel engine, as a gasoline engine, as a gas engine for operation with natural gas, biogas, special gas or another suitable gas. In particular, when the internal combustion engine is designed as a gas engine, it is also suitable for use in a cogeneration plant for stationary power generation. Alternatively, it is preferably possible that the internal combustion engine is designed as a turbine, in particular as a gas turbine.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Stromnetz geschaffen wird, welches ein Aggregat zur Stromerzeugung mit einer drehzahlvariablen Brennkraftmaschine aufweist, wobei die Brennkraftmaschine mit einem Generator zu dessen Antrieb wirkverbunden ist. Dabei ist ein Stromrichter vorgesehen, über den der Generator mit einem Verbraucherstromkreis verbindbar ist, wobei der Generator als Synchronmaschine ausgebildet ist. Das Aggregat weist eine Umschalteinrichtung auf, die eingerichtet ist zur Herstellung einer elektrischen Direktverbindung zwischen dem Generator und dem Verbraucherstromkreis unter Umgehung des Stromrichters in einem ersten Schaltzustand, wobei die Umschalteinrichtung eingerichtet ist zur Unterbrechung der Direktverbindung in einem zweiten Schaltzustand. Insbesondere weist das Stromnetz ein Aggregat nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele auf. Das Stromnetz weist außerdem einen Verbraucherstromkreis auf, wobei das wenigstens eine Aggregat mit dem Verbraucherstromkreis verbunden ist. In Zusammenhang mit dem Stromnetz verwirklichen sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Aggregat beschrieben wurden. The object is also achieved by a power grid is provided which has an aggregate for generating electricity with a variable-speed internal combustion engine, wherein the internal combustion engine is operatively connected to a generator to its drive. In this case, a power converter is provided, via which the generator can be connected to a load circuit, wherein the generator is designed as a synchronous machine. The unit has a switching device, which is set up for establishing a direct electrical connection between the generator and the load circuit, bypassing the power converter in a first switching state, wherein the switching device is arranged to interrupt the direct connection in a second switching state. In particular, the power grid has an aggregate according to one of the previously described embodiments. The power grid also has a load circuit, wherein the at least one unit is connected to the load circuit. In connection with the power grid, the advantages already described in connection with the unit are realized.

Es ist möglich, dass es sich bei dem Stromnetz um ein landesweites oder länderverbindendes, insbesondere kontinentweites oder noch weiter ausgedehntes, elektrisches Versorgungsnetz handelt, wobei das Aggregat in diesem Fall insbesondere für eine Regelreserve oder als Notstromaggregat vorgesehen sein kann. It is possible that the power grid is a nationwide or country-connecting, in particular continental-wide or even more extensive, electrical supply network, the unit may be provided in this case, in particular for a control reserve or as an emergency generator.

Besonders bevorzugt wird allerdings ein Ausführungsbeispiel des Stromnetzes, bei welchem dieses als Inselnetz ausgebildet ist, wobei der Begriff „Inselnetz“ hier ein Stromnetz bezeichnet, welches in einem lokal begrenzten Bereich – insbesondere ohne elektrische Verbindung zu einem großräumigen Stromnetz – eine Anzahl von Verbrauchern mit elektrischer Leistung versorgt. Ein solches Inselnetz weist typischerweise eine einstellige Zahl von Aggregaten zur Stromerzeugung auf, insbesondere ein bis drei Aggregate. In einem solchen Inselnetz verwirklichen sich in besonderer Weise die Vorteile des Verfahrens, weil hier eine dem Aggregat abverlangte Leistung stärker variiert als in einem großräumigen Stromnetz. Dabei treten mit höherer Häufigkeit Teillast-Betriebszustände auf, bei denen sich die Vorteile der Möglichkeit eines drehzahlvariablen Betriebs des Aggregats verwirklichen. Insbesondere wenn in dem Inselnetz eine Mehrzahl von Aggregaten aus Redundanzgründen vorgesehen sind, laufen diese vielfach und über längere Zeit unter Teillast, sodass ein drehzahlvariabler Betrieb in einem niedrigen Leistungsbereich der Aggregate vorteilhaft ist. Particularly preferred, however, is an embodiment of the power grid, in which this is designed as an island grid, the term "island grid" here refers to a power grid, which in a local area - especially without electrical connection to a large-scale power grid - a number of consumers with electrical Power supplied. Such an island grid typically has a single-digit number of aggregates for power generation, in particular one to three units. In such a stand-alone grid, the advantages of the method are realized in a special way, because here a power demanded from the unit varies more than in a large-scale power grid. In this case occur at higher frequency partial load operating conditions in which realize the benefits of the possibility of variable speed operation of the unit. In particular, if a plurality of aggregates are provided in the island grid for reasons of redundancy, they run multiple and over a longer period under partial load, so that a variable-speed operation in a low power range of the aggregates is advantageous.

Es ist möglich, dass es sich bei dem Stromnetz um ein Bordstromnetz eines Kraftfahrzeugs handelt. Das Kraftfahrzeug kann insbesondere als Landfahrzeug oder als Wasserfahrzeug, ganz besonders als Schiff oder als Unterseeboot ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, dass das Stromnetz zur Versorgung eines stationären, lokal begrenzten Bereichs vorgesehen ist, beispielsweise zur Versorgung einer Bohrinsel oder zur autarken Stromversorgung einer Forschungsstation, eines Krankenhauses – beispielsweise in Wüstengebieten ohne Netzanschluss – oder einer anderen stationären Einrichtung. It is possible that the power grid is an on-board power system of a motor vehicle. The motor vehicle can be designed, in particular, as a land vehicle or as a watercraft, in particular as a ship or as a submarine. But it is also possible that the power grid is provided to supply a stationary, localized area, for example, to supply an oil rig or the self-sufficient power of a research station, a hospital - for example, in desert areas without network connection - or other inpatient facility.

Es wird ein Ausführungsbeispiel des Stromnetzes bevorzugt, das sich dadurch auszeichnet, dass der Verbraucherstromkreis als Wechselstromkreis ausgebildet ist, wobei der Stromrichter vorzugsweise als Umrichter ausgebildet ist. Es bedarf in diesem Fall keines Gleichstrom-Verteilersystems, sodass Komponenten für das Stromnetz eingespart werden können. An embodiment of the power grid is preferred, which is characterized in that the load circuit is formed as an AC circuit, wherein the power converter is preferably designed as a converter. In this case, there is no need for a DC distribution system so that components for the power grid can be saved.

Es ist aber auch möglich, dass das Stromnetz ein Gleichstrom-Verteilersystem aufweist, wobei in diesem Fall der Stromrichter bevorzugt als Gleichrichter ausgebildet ist, wobei er mit dem Gleichstrom-Verteilersystem verbunden ist. Das Gleichstrom-Verteilersystem ist wiederum mit einem Wechselstromkreis, welcher den eigentlichen Verbraucherstromkreis darstellt, über einen Wechselrichter verbunden. Dabei ermöglicht ein Gleichstrom-Verteilersystem in besonders einfacher Weise eine Zusammenschaltung mehrerer Aggregate, eine Zwischenspeicherung elektrischer Energie in Batterien oder Akkumulatoren, sowie den Anschluss von Gleichstrom-Verbrauchern. But it is also possible that the power grid has a DC distribution system, in which case the power converter is preferably designed as a rectifier, wherein it is connected to the DC distribution system. The DC distribution system is in turn with a AC circuit, which represents the actual load circuit, connected via an inverter. In this case, a DC distribution system allows in a particularly simple manner, an interconnection of multiple units, an intermediate storage of electrical energy in batteries or accumulators, as well as the connection of DC consumers.

Es ist möglich, dass eine Mehrzahl von Aggregaten einen gemeinsamen Stromrichter aufweist. Es ist also nicht zwingend erforderlich, dass jedem Aggregat ein separater Stromrichter zugeordnet ist. It is possible that a plurality of units has a common power converter. So it is not mandatory that each unit is assigned a separate power converter.

Auch in dem Fall, in welchem das Stromnetz ein Gleichstrom-Verteilersystem aufweist, ist der Generator in dem ersten Schaltzustand bevorzugt unmittelbar mit dem Wechselstromkreis über die Umschalteinrichtung verbunden. Der Generator erzeugt nämlich im Betrieb eine Wechselspannung, die – vorzugsweise über die Synchronisiereinrichtung – mit der Wechselspannung des Wechselstromkreises synchronisiert wird, wobei dann ohne Weiteres vorteilhaft eine unmittelbare Verbindung des Generators mit dem Wechselstromkreis geschaffen werden kann, wobei der Stromrichter umgangen wird. Even in the case in which the power grid has a DC distribution system, the generator in the first switching state is preferably connected directly to the AC circuit via the switching device. In operation, the generator generates an alternating voltage which is synchronized with the AC voltage of the AC circuit, preferably via the synchronizing device, in which case advantageously a direct connection of the generator to the AC circuit can be created, the converter being bypassed.

Der Verbraucherstromkreis ist vorzugsweise als mehrphasiger Wechselstromkreis ausgebildet, insbesondere als dreiphasiger Wechselstromkreis, also als Drehstromkreis. Alternativ ist es auch möglich, dass der Wechselstromkreis als einphasiger Stromkreis ausgebildet ist. The load circuit is preferably designed as a multi-phase AC circuit, in particular as a three-phase AC circuit, ie as a three-phase circuit. Alternatively, it is also possible that the AC circuit is formed as a single-phase circuit.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Kraftfahrzeug geschaffen wird, welches ein Stromnetz nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele und/oder ein Aggregat nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele aufweist. Dabei ergeben sich die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Aggregat und dem Stromnetz erläutert wurden. Insbesondere weist das Kraftfahrzeug bevorzugt ein Aggregat zur Stromerzeugung mit einer drehzahlvariablen Brennkraftmaschine auf, die mit einem Generator zu dessen Antrieb wirkverbunden ist, wobei ein Stromrichter vorgesehen ist, über den der Generator mit einem Verbraucherstromkreis verbindbar ist, wobei der Generator als Synchronmaschine ausgebildet ist. Dabei ist eine Umschalteinrichtung vorgesehen, die eingerichtet ist zur Herstellung einer elektrischen Direktverbindung zwischen dem Generator und dem Verbraucherstromkreis unter Umgehung des Stromrichters in einem ersten Schaltzustand, wobei die Umschalteinrichtung eingerichtet ist zur Unterbrechung der Direktverbindung in einem zweiten Schaltzustand. Außerdem weist das Kraftfahrzeug bevorzugt ein Stromnetz mit einem solchen Aggregat auf, wobei das wenigstens eine Aggregat mit einem Verbraucherstromkreis des Stromnetzes verbunden ist. The object is also achieved by providing a motor vehicle which has a power network according to one of the previously described embodiments and / or an assembly according to one of the previously described embodiments. This results in the advantages that have already been explained in connection with the unit and the power grid. In particular, the motor vehicle preferably has an aggregate for power generation with a variable-speed internal combustion engine, which is operatively connected to a generator to drive it, wherein a power converter is provided, via which the generator is connectable to a load circuit, wherein the generator is designed as a synchronous machine. In this case, a switching device is provided which is adapted to produce an electrical direct connection between the generator and the load circuit, bypassing the power converter in a first switching state, wherein the switching means is arranged to interrupt the direct connection in a second switching state. In addition, the motor vehicle preferably has a power grid with such an aggregate, wherein the at least one unit is connected to a load circuit of the power grid.

Es wird ein Kraftfahrzeug bevorzugt, bei welchem die Brennkraftmaschine von wenigstens einem Aggregat zusätzlich auch zum Antrieb des Kraftfahrzeugs eingerichtet ist. Die Brennkraftmaschine kann also zugleich den Generator antreiben und mechanisch oder elektrisch mit einer Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs wirkverbunden sein. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Brennkraftmaschine ausschließlich für den Antrieb des Generators vorgesehen ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Ausgestaltung des Kraftfahrzeugs, weil insbesondere ein drehzahlkonstanter Betrieb bei Synchrondrehzahl jedenfalls in Zusammenhang mit einer mechanischen Wirkverbindung zwischen der Brennkraftmaschine und einer Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs schwieriger zu realisieren ist. A motor vehicle is preferred in which the internal combustion engine is additionally set up by at least one unit to drive the motor vehicle. The internal combustion engine can thus simultaneously drive the generator and be mechanically or electrically operatively connected to a drive device of the motor vehicle. Alternatively, it is also possible that the internal combustion engine is provided exclusively for the drive of the generator. This allows a particularly simple embodiment of the motor vehicle, because in particular a constant-speed operation at synchronous speed at least in connection with a mechanical operative connection between the internal combustion engine and a drive device of the motor vehicle is more difficult to implement.

Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise als Landfahrzeug oder als Wasserfahrzeug ausgebildet, insbesondere als Schiff oder als Unterseeboot. Ist das Kraftfahrzeug als Landfahrzeug ausgebildet, kann es beispielsweise als Schienenfahrzeug, insbesondere als Lokomotive, Triebwagen oder Triebkopf, oder als vollständiger Zug ausgebildet sein. The motor vehicle is preferably designed as a land vehicle or as a watercraft, in particular as a ship or as a submarine. If the motor vehicle is designed as a land vehicle, it can be designed, for example, as a rail vehicle, in particular as a locomotive, railcar or power car, or as a complete train.

Es ist aber auch möglich, dass das Kraftfahrzeug als Luftfahrzeug ausgebildet ist. Das Aggregat kann dann beispielsweise als Hilfsaggregat, nämlich als sogenannte auxiliary power unit (APU) ausgebildet sein und der Bordstromversorgung des Luftfahrzeugs oder Flugzeugs dienen. But it is also possible that the motor vehicle is designed as an aircraft. The unit can then be designed, for example, as an auxiliary unit, namely as a so-called auxiliary power unit (APU) and serve the on-board power supply of the aircraft or aircraft.

Die Aufgabe wird auch gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben eines Aggregats zur Stromerzeugung geschaffen wird. Im Rahmen des Verfahrens wird das Aggregat in einem ersten Betriebszustand bei Synchrondrehzahl betrieben, wobei elektrische Ausgangsleistung eines als Synchronmaschine ausgebildeten Generators des Aggregats über eine elektrische Direktverbindung unter Umgehung eines Stromrichters des Aggregats in einen Verbraucherstromkreis eingespeist wird, wobei das Aggregat in einem zweiten Betriebszustand bei variabler Drehzahl betrieben wird, wobei die elektrische Ausgangsleistung des Generators über den Stromrichter in den Verbraucherstromkreis eingespeist wird. Bevorzugt wird im Rahmen des Verfahrens ein Aggregat nach einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele betrieben. Dabei verwirklichen sich in Zusammenhang mit dem Verfahren die Vorteile, die bereits in Zusammenhang mit dem Aggregat, dem Stromnetz und dem Kraftfahrzeug erläutert wurden. The object is also achieved by providing a method for operating an aggregate for power generation. In the process, the unit is operated in a first operating condition at synchronous speed, wherein electrical output of a synchronous machine designed as a generator of the unit via an electrical direct connection, bypassing a power converter of the unit is fed into a load circuit, the unit in a second operating state at variable Speed is operated, wherein the electrical output power of the generator is fed via the power converter in the load circuit. Preferably, in the context of the method, an assembly is operated according to one of the embodiments described above. In this case, realized in connection with the method, the advantages that have already been explained in connection with the unit, the power grid and the motor vehicle.

Die Synchrondrehzahl ist insbesondere bestimmt durch die Netzfrequenz des Verbraucherstromkreises und die Polzahl des Generators. Beispielsweise beträgt die Synchrondrehzahl bei einer Netzfrequenz von 50 Hz und der Verwendung eines vierpoligen Generators – also mit zwei Polpaaren – gerade 1500 U/min. The synchronous speed is determined in particular by the mains frequency of the load circuit and the number of poles of the generator. For example, the synchronous speed at a mains frequency of 50 Hz and the use of a four-pole generator - ie with two pole pairs - just 1500 U / min.

Im Rahmen des Verfahrens wird bevorzugt parametergesteuert von dem ersten Betriebszustand in den zweiten Betriebszustand umgeschaltet – und umgekehrt. Als Parameter wird vorzugsweise eine Leistung des Aggregats oder eine Ausgangsleistung des Generators, insbesondere eine momentane Ausgangsleistung des Generators, herangezogen. In the context of the method, it is preferable to switch over from the first operating state to the second operating state under parameter control - and vice versa. The parameter used is preferably a power of the unit or an output power of the generator, in particular a momentary output power of the generator.

Das Aggregat wird vorzugsweise in einem niedrigeren Leistungsbereich in dem zweiten Betriebszustand betrieben, wobei es in einem höheren Leistungsbereich in dem ersten Betriebszustand betrieben wird. Dabei weist der höhere Leistungsbereich insbesondere höhere Leistungswerte auf als der niedrigere Leistungsbereich. Somit ist es möglich, in dem ersten Betriebszustand den Stromrichter von einer Übertragung höherer elektrischer Leistung freizustellen, weil er nur in dem niedrigeren Leistungsbereich, mithin in dem zweiten Betriebszustand verwendet wird. Somit kann der Stromrichter kleiner bauen und kostengünstiger ausgebildet sein, als dies bei einem bekannten Betriebsverfahren der Fall ist. The unit is preferably operated in a lower power range in the second operating state, operating in a higher power range in the first operating state. In particular, the higher power range has higher power values than the lower power range. Thus, in the first operating state, it is possible to exempt the power converter from transmitting higher electric power because it is used only in the lower power range, and thus in the second operating state. Thus, the power converter can be made smaller and designed to be less expensive than is the case in a known operating method.

Das Betreiben des Aggregats bei variabler Drehzahl in dem zweiten Betriebszustand bedeutet insbesondere, dass das Aggregat auch mit variabler Frequenz der durch den Generator erzeugten Wechselspannung betrieben wird. Um diese in den Verbraucherstromkreis einzuspeisen, ist dann der Stromrichter erforderlich. Dagegen wird das Aggregat in dem ersten Betriebszustand bei Synchrondrehzahl betrieben und kann somit ohne weiteres über die elektrische Direktverbindung unmittelbar und unter Umgehung des Stromrichters mit dem Verbraucherstromkreis verbunden werden. The operation of the unit at variable speed in the second operating state means, in particular, that the unit is also operated with a variable frequency of the alternating voltage generated by the generator. To feed these into the load circuit, then the power converter is required. In contrast, the unit is operated in the first operating state at synchronous speed and can thus be connected directly via the direct electrical connection directly and bypassing the power converter to the load circuit.

In dem drehzahlvariablen Betrieb des Aggregats in dem zweiten Betriebszustand wird die Drehzahl vorzugsweise entsprechend einer vorbestimmten Generatorkennlinie oder abhängig von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine des Aggregats und/oder zu erwartenden Lastsprüngen und/oder Lastrampen vorgegeben. Eine hierzu geeignete Vorgehensweise ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 2011 076 073 A1 bekannt, wobei insoweit auf diese Schrift verwiesen wird. Im Rahmen des Verfahrens wird die entsprechende Drehzahlvorgabe lediglich insoweit abgeändert, dass vorzugsweise ab einer vorbestimmten Leistungsschwelle die Synchrondrehzahl angesteuert wird. In the variable-speed operation of the unit in the second operating state, the speed is preferably predetermined according to a predetermined generator characteristic or depending on a current operating state of the internal combustion engine of the unit and / or expected load jumps and / or load ramps. A suitable procedure is from the German patent application DE 2011 076 073 A1 known, reference being made in this regard to this document. In the context of the method, the corresponding speed specification is changed only to the extent that preferably from a predetermined power threshold, the synchronous speed is controlled.

Es ist möglich, dass die elektrische Leistung in dem ersten Betriebszustand über eine Synchronisiereinrichtung, welche von der elektrischen Direktverbindung umfasst ist, in den Verbraucherstromkreis eingespeist wird. Dabei stellt die Synchronisiereinrichtung eine direkte Synchronisierung beziehungsweise ein Erfüllen aller notwendigen Synchronisierbedingungen insbesondere vor dem Herstellen der elektrischen Direktverbindung mit dem Verbraucherstromkreis sicher. Dabei können Schäden an dem Generator oder der Brennkraftmaschine und auch in dem Verbraucherstromkreis vermieden werden, die sich daraus ergeben würden, dass der Generator nicht korrekt mit dem Verbraucherstromkreis synchronisiert ist. Eine fehlerhafte Synchronisierung kann dabei nicht nur zu einem unvorhergesehenen Einfluss auf die Netzfrequenz im Verbraucherstromkreis führen, sondern auch zum Auftreten sehr hoher Drehmomente in dem Generator, die gegebenenfalls zu einer Zerstörung desselben führen können. It is possible for the electrical power in the first operating state to be fed into the load circuit via a synchronizing device, which is included in the direct electrical connection. In this case, the synchronizer ensures direct synchronization or fulfillment of all necessary synchronization conditions, in particular before the direct electrical connection to the load circuit is established. In this case, damage to the generator or the internal combustion engine and also in the load circuit can be avoided, which would result from the fact that the generator is not correctly synchronized with the load circuit. A faulty synchronization can lead not only to an unforeseen influence on the mains frequency in the load circuit, but also to the occurrence of very high torques in the generator, which may possibly lead to the same destruction.

Im Rahmen des Verfahrens wird besonders ein Stromrichter verwendet, der eine Nenn- oder Maximalleistung aufweist, die kleiner ist als die Nenn- oder Maximalleistung des Generators, wobei die Nenn- oder Maximalleistung des Stromrichters vorzugsweise von mindestens 30 % bis höchstens 70 %, vorzugsweise von mindestens 40 % bis höchstens 60 %, vorzugsweise 50 %, der Nenn- oder Maximalleistung des Generators beträgt. Somit wird im Rahmen des Verfahrens vorteilhaft ein kleinbauender und kostengünstiger Stromrichter verwendet, was möglich ist, da keine hohen elektrischen Leistungen über den Stromrichter in den Verbraucherstromkreis eingespeist werden, weil diese vielmehr direkt über die elektrische Direktverbindung eingespeist werden können. As part of the method, a power converter is used which has a nominal or maximum power which is smaller than the rated or maximum power of the generator, wherein the nominal or maximum power of the power converter is preferably from at least 30% to at most 70%, preferably from at least 40% to at most 60%, preferably 50%, of the nominal or maximum power of the generator. Thus, a small-sized and cost-effective converter is advantageously used in the context of the method, which is possible because no high electrical power is fed via the power converter in the load circuit, because they can be fed directly via the direct electrical connection.

Es wird eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, die sich dadurch auszeichnet, dass der Betrieb des Aggregats von dem zweiten in den ersten Betriebszustand umgeschaltet wird, wenn ein vorbestimmter Schwellenwert einer Ausgangsleistung des Generators erreicht oder überschritten wird. In diesem Fall wird als Parameter zur Steuerung der Umschaltung zwischen den Betriebszuständen des Aggregats die Ausgangsleistung des Generators herangezogen. Dabei wird bevorzugt von dem ersten in den zweiten Betriebszustand zurückgeschaltet, wenn ein zweiter vorbestimmter Schwellenwert der Ausgangsleistung des Generators erreicht oder unterschritten wird. Es ist möglich, dass der erste Schwellenwert und der zweite Schwellenwert identisch gewählt werden. Es ist auch möglich, dass der zweite Schwellenwert von dem ersten Schwellenwert verschieden gewählt wird, insbesondere um eine Hysterese im Schaltverhalten des Aggregats zu verwirklichen. An embodiment of the method is preferred, which is characterized in that the operation of the unit is switched from the second to the first operating state, when a predetermined threshold value of an output power of the generator is reached or exceeded. In this case, the output power of the generator is used as a parameter for controlling the switching between the operating states of the unit. In this case, it is preferable to switch back from the first to the second operating state when a second predetermined threshold value of the output power of the generator is reached or undershot. It is possible that the first threshold and the second threshold are selected identically. It is also possible that the second threshold value is selected differently from the first threshold value, in particular in order to realize a hysteresis in the switching behavior of the aggregate.

Als vorbestimmter erster Schwellenwert und/oder als vorbestimmter zweiter Schwellenwert wird bevorzugt – gegebenenfalls unter Einhaltung einer Sicherheitsmarge – die Nenn- oder Maximalleistung des Stromrichters verwendet, welche kleiner ist als die Nenn- oder Maximalleistung des Generators. As a predetermined first threshold value and / or as a predetermined second threshold value, the nominal or maximum power of the power converter, which is smaller than the nominal or maximum power of the generator, is preferably used, if appropriate while maintaining a safety margin.

Im Rahmen des Verfahrens ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Brennkraftmaschine und der Generator in einem unteren Leistungsbereich des Aggregats mit variabler Frequenz betrieben werden, wobei die erzeugte elektrische Leistung über den Stromrichter über den Verbraucherstromkreis eingespeist wird. Dabei ist die Bemessungsleistung des Stromrichters signifikant kleiner gewählt als die des Aggregats. Erreicht nun die Ausgangsleistung des Generators die Maximalleistung des Stromrichters, so wird das Aggregat auf Synchrondrehzahl beschleunigt und vorzugsweise über eine Synchronisiereinrichtung im Bypass zum Stromrichter direkt über die elektrische Direktverbindung mit dem Verbraucherstromkreis verbunden. Es ist möglich, dass der Stromrichter in diesem Fall von dem Verbraucherstromkreis getrennt wird. Dies ist aber nicht zwingend erforderlich. In the context of the method is preferably provided that the internal combustion engine and the generator in a lower power range the variable frequency unit are operated, wherein the generated electrical power is fed via the converter via the load circuit. The rated power of the converter is chosen to be significantly smaller than that of the unit. Now reaches the output of the generator, the maximum power of the converter, the unit is accelerated to synchronous speed and preferably connected via a synchronizer in the bypass to the converter directly via the electrical direct connection to the load circuit. It is possible that the power converter is disconnected from the load circuit in this case. But this is not mandatory.

Verringert sich die Ausgangsleistung des Aggregats wieder, synchronisiert sich der Stromrichter mit beiden Seiten und übernimmt den Strom, bis ein Bypass-Schalter der Umschalteinrichtung des Aggregats – insbesondere nahezu – stromlos ist. Dann wird der Bypass-Schalter geöffnet, und der drehzahlvariable Betrieb kann wieder begonnen werden. If the output power of the unit decreases again, the converter synchronizes on both sides and takes over the current until a bypass switch of the switching device of the unit - in particular almost - is de-energized. Then the bypass switch is opened and the variable speed operation can be started again.

Die Synchronisierung des Generators mit dem Verbraucherstromkreis wird vorzugsweise durch eine Synchronisiereinrichtung durchgeführt, wobei diese zugleich auch die Umschalteinrichtung ansteuern oder als Umschalteinrichtung wirken kann. Es sind dann keine weiteren Hardwarekomponenten für die Steuerung notwendig. The synchronization of the generator with the load circuit is preferably carried out by a synchronizer, which at the same time also control the switching device or act as a switching device. There are then no further hardware components for the control necessary.

Die Beschreibung des Aggregats, des Stromnetzes, des Kraftfahrzeugs und des Verfahrens sind komplementär zueinander zu verstehen. Merkmale des Aggregats, des Stromnetzes und/oder des Kraftfahrzeugs, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Aggregats, des Stromnetzes und/oder des Kraftfahrzeugs. Verfahrensschritte des Verfahrens, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Aggregat, dem Stromnetz und/oder dem Kraftfahrzeug beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Dieses zeichnet sich bevorzugt durch wenigstens einen Verfahrensschritt aus, welcher durch wenigstens ein Merkmal des Aggregats, des Stromnetzes oder des Kraftfahrzeugs bedingt ist. Das Aggregat, das Stromnetz und/oder das Kraftfahrzeug zeichnet/zeichnen sich bevorzugt durch wenigstens ein Merkmal aus, welches durch wenigstens einen Verfahrensschritt einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens bedingt ist. The description of the unit, the power grid, the motor vehicle and the method are to be understood complementary to each other. Features of the unit, of the power grid and / or of the motor vehicle, which have been described explicitly or implicitly in connection with the method, are preferably individually or combined with one another Features of a preferred embodiment of the unit, the power grid and / or the motor vehicle. Method steps of the method which have been described explicitly or implicitly in connection with the unit, the power grid and / or the motor vehicle are preferably individually or combined with one another Steps of a preferred embodiment of the method. This is preferably characterized by at least one method step, which is due to at least one feature of the unit, the power grid or the motor vehicle. The aggregate, the power grid and / or the motor vehicle draws / distinguished by at least one feature, which is due to at least one step of a preferred embodiment of the method.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to the drawing. Showing:

1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Stromnetzes; 1 a schematic representation of a first embodiment of a power grid;

2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Stromnetzes; und 2 a schematic representation of a second embodiment of the power grid; and

3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens in Form eines Flussdiagramms. 3 a schematic representation of an embodiment of the method in the form of a flowchart.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Stromnetzes 1, das ein Aggregat 3 zur Stromerzeugung aufweist. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a power grid 1 that is an aggregate 3 to generate electricity.

Das Aggregat 3 weist eine drehzahlvariable Brennkraftmaschine 5 auf, die mit einem als Synchronmaschine ausgebildeten Generator 7 zu dessen Antrieb – hier über eine Welle 9 – wirkverbunden ist. Das Aggregat weist außerdem einen Stromrichter 11 auf, über den der Generator mit einem Verbraucherstromkreis 13 verbindbar ist. The aggregate 3 has a variable speed internal combustion engine 5 on, with a trained as a synchronous generator 7 to drive it - here via a shaft 9 - is actively connected. The unit also has a power converter 11 over which the generator is connected to a load circuit 13 is connectable.

Die Vorteile eines solchen drehzahlvariablen Aggregats 3 verwirklichen sich insbesondere im Teillastbetrieb, da hier Kraftstoff durch Reduzierung der Drehzahl – insbesondere im Vergleich zu einer Synchrondrehzahl, die durch die Netzfrequenz des Verbraucherstromkreises 13 einerseits und die Polzahl des Generators 7 andererseits bestimmt ist – eingespart werden kann. Es zeigt sich aber, dass der Stromrichter 11 einen großen Bauraum benötigt und teuer ist, wenn er die volle Ausgangsleistung des Generators 7, insbesondere dessen Nenn- oder Maximalleistung, an den Verbraucherstromkreis 13 durchleiten können soll. The advantages of such a variable-speed unit 3 realize especially in part-load operation, as here fuel by reducing the speed - especially in comparison to a synchronous speed, by the grid frequency of the load circuit 13 on the one hand and the number of poles of the generator 7 on the other hand is determined - can be saved. It turns out, however, that the power converter 11 Requires a large amount of space and is expensive if it has the full output of the generator 7 , in particular its nominal or maximum power, to the load circuit 13 should be able to pass.

Um eine deutliche Verkleinerung des Stromrichters 11 bezüglich des Bauraums und auch eine Reduzierung der mit dem Stromrichter verbundenen Kosten zu ermöglichen, weist das Aggregat 3 hier eine Umschalteinrichtung 15 auf, die eingerichtet ist zur Herstellung einer elektrischen Direktverbindung 17 des Generators 7 mit dem Verbraucherstromkreis 13 unter Umgehung des Stromrichters 11 – also insbesondere im Bypass zu dem Stromrichter 11 – in einem ersten Schaltzustand, wobei die Umschalteinrichtung 15 außerdem eingerichtet ist zur Unterbrechung der Direktverbindung 17 in einem zweiten Schaltzustand. To a significant reduction of the power converter 11 with respect to the installation space and also to allow a reduction in the costs associated with the power converter, the unit has 3 here a switching device 15 on, which is adapted to produce a direct electrical connection 17 of the generator 7 with the load circuit 13 bypassing the power converter 11 - So in particular in the bypass to the power converter 11 - In a first switching state, wherein the switching device 15 is also set up to interrupt the direct connection 17 in a second switching state.

Um die Direktverbindung 17 herstellen und unterbrechen zu können, weist die Umschalteinrichtung 15 vorzugsweise einen Bypass-Schalter 19 auf, der in der elektrischen Direktverbindung 17 zu deren Herstellung und Unterbrechung angeordnet ist. To the direct connection 17 can manufacture and interrupt, has the switching device 15 preferably a bypass switch 19 on, in the direct electrical connection 17 is arranged for their production and interruption.

Bevorzugt ist die Umschalteinrichtung 15 außerdem eingerichtet zur Unterbrechung einer elektrischen Verbindung 21 zwischen dem Stromrichter 11 und dem Verbraucherstromkreis 13 in dem ersten Schaltzustand, wobei sie eingerichtet ist zur Herstellung der elektrischen Verbindung 21 zwischen dem Stromrichter 11 und dem Verbraucherstromkreis 13 in dem zweiten Schaltzustand. Hierzu weist die Umschalteinrichtung 15 optional einen Stromrichter-Schalter 23 auf, der in der elektrischen Verbindung 21 zu deren Herstellung und Unterbrechung angeordnet ist. Preferably, the switching device 15 also set up to interrupt an electrical connection 21 between the power converter 11 and the load circuit 13 in the first switching state, wherein it is set up for Production of the electrical connection 21 between the power converter 11 and the load circuit 13 in the second switching state. For this purpose, the switching device 15 optionally a power converter switch 23 on that in the electrical connection 21 is arranged for their production and interruption.

Das Aggregat 3 weist außerdem eine Steuereinrichtung 25 auf, die eingerichtet ist zum parameterabhängigen Schalten der Umschalteinrichtung 15. Insbesondere ist die Steuereinrichtung bevorzugt eingerichtet zum Schalten der Umschalteinrichtung 15 in den ersten Schaltzustand in einem höheren Leistungsbereich des Aggregats 3, und zum Schalten der Umschalteinrichtung 15 in den zweiten Schaltzustand in einem niedrigeren Leistungsbereich des Aggregats 3. Dabei weist insbesondere der Stromrichter 11 eine Nenn- oder Maximalleistung auf, die kleiner ist als eine Nenn- oder Maximalleistung des Generators 7, wobei die Steuereinrichtung 25 bevorzugt eingerichtet ist zum Schalten der Umschalteinrichtung 15 in den ersten Schaltzustand, wenn eine momentane Ausgangsleistung des Generators 3 einen vorbestimmten ersten Schwellenwert, der insbesondere – vorzugsweise unter Einhaltung einer Sicherheitsmarge – der Nenn- oder Maximalleistung des Stromrichters 11 entspricht, erreicht oder überschreitet. Die Steuereinrichtung 25 ist außerdem eingerichtet zum Schalten der Umschalteinrichtung 15 in den zweiten Schaltzustand, wenn die momentane Ausgangsleitung des Generators 3 einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert, der mit dem ersten Schwellenwert identisch oder von diesem verschieden gewählt sein kann, erreicht oder unterschreitet. The aggregate 3 also has a controller 25 on, which is set up for the parameter-dependent switching of the switching device 15 , In particular, the control device is preferably set up for switching the switching device 15 in the first switching state in a higher power range of the unit 3 , and for switching the switching device 15 in the second switching state in a lower power range of the unit 3 , In particular, the power converter has 11 a rated or maximum power that is less than a nominal or maximum power of the generator 7 , wherein the control device 25 is preferably set up for switching the switching device 15 in the first switching state, if a current output power of the generator 3 a predetermined first threshold, in particular - preferably while maintaining a margin of safety - the nominal or maximum power of the converter 11 equals, reaches or exceeds. The control device 25 is also adapted to switch the switching device 15 in the second switching state, when the current output line of the generator 3 reaches or falls below a predetermined second threshold, which may be identical to or different from the first threshold.

Mithilfe der Umschalteinrichtung 15 ist es also möglich, das Aggregat 3 in dem niedrigeren Leistungsbereich, insbesondere bis zu einer Nenn- oder Maximalleistung des Stromrichters 11, drehzahlvariabel zu betreiben, wobei der Generator 7 über den Stromrichter 11 mit dem Verbraucherstromkreis 13 elektrisch verbunden ist. Übersteigt die momentane Ausgangsleistung des Generators 7 die Maximalleistung des Stromrichters 11, wird das Aggregat 3 auf Synchrondrehzahl beschleunigt, und der Generator 7 wird über die elektrische Direktverbindung 17 mit dem Verbraucherstromkreis 13 verbunden. Der Stromrichter 11 wird in diesem Fall leistungsfrei, sodass er nicht ausgelegt sein muss, um die maximale Ausgangsleistung des Generators 7 auf den Verbraucherstromkreis 13 zu übertragen. Er kann daher kleiner und kostengünstiger ausgestaltet sein, als dies bei einem herkömmlichen Aggregat der Fall ist. Using the switching device 15 So it is possible the aggregate 3 in the lower power range, in particular up to a nominal or maximum power of the power converter 11 To operate variable speed, the generator 7 over the power converter 11 with the load circuit 13 electrically connected. Exceeds the current output power of the generator 7 the maximum power of the converter 11 , the aggregate becomes 3 accelerated to synchronous speed, and the generator 7 is via the direct electrical connection 17 with the load circuit 13 connected. The power converter 11 In this case it becomes power-free, so it does not have to be designed to handle the maximum output power of the generator 7 on the load circuit 13 transferred to. It can therefore be designed smaller and cheaper than is the case with a conventional unit.

Vorzugsweise weist das Aggregat 3 noch eine Synchronisiereinrichtung 27 auf, die eingerichtet ist, um den Generator 7 mit dem Verbraucherstromkreis 13 zu synchronisieren und insbesondere zu gewährleisten, dass die elektrische Direktverbindung 17 erst dann hergestellt wird, wenn alle notwendigen Synchronisierbedingungen, erfüllt sind. Dadurch können Schäden an dem Generator 7 und/oder unvorhergesehene Auswirkungen auf die Netzfrequenz in dem Verbraucherstromkreis 13 vermieden werden. Preferably, the aggregate 3 another synchronization device 27 on which is set up to the generator 7 with the load circuit 13 to synchronize and in particular to ensure that the electrical direct connection 17 is produced only when all necessary Synchronisierbedingungen are met. This can damage the generator 7 and / or unforeseen effects on the line frequency in the load circuit 13 be avoided.

Es ist auch möglich, dass die Synchronisiereinrichtung 27 die Funktionalität der Umschalteinrichtung 15 übernimmt, wobei dann keine zusätzlichen Hardwarekomponenten notwendig sind. Es ist auch möglich, dass die Steuereinrichtung 25 die Funktionalität der Umschalteinrichtung 15 und/oder der Synchronisiereinrichtung 27 übernimmt. It is also possible that the synchronizer 27 the functionality of the switching device 15 takes over, in which case no additional hardware components are necessary. It is also possible that the control device 25 the functionality of the switching device 15 and / or the synchronizer 27 takes over.

Bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Stromrichter 11 als Gleichrichter 29 ausgebildet, wobei das Stromnetz 1 ein Gleichstrom-Verteilersystem 31 aufweist, mit dem der Generator 7 über den Gleichrichter 29 verbindbar ist. Das Gleichstrom-Verteilersystem 31 ist seinerseits wiederum über einen Wechselrichter 33 mit dem als Wechselstromkreis ausgebildeten Verbraucherstromkreis 13 verbunden. In dem ersten Schaltzustand wird der Generator 7 direkt unter Umgehung des Gleichrichters 29 und des Gleichstrom-Verteilersystems 31 über die elektrische Direktverbindung 17 mit dem Verbraucherstromkreis 13 verbunden. At the in 1 illustrated embodiment is the power converter 11 as a rectifier 29 trained, the power grid 1 a DC distribution system 31 has, with which the generator 7 over the rectifier 29 is connectable. The DC distribution system 31 is in turn via an inverter 33 with the load circuit formed as an AC circuit 13 connected. In the first switching state, the generator 7 directly bypassing the rectifier 29 and the DC distribution system 31 via the direct electrical connection 17 with the load circuit 13 connected.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des Stromnetzes 1. Gleiche und funktionsgleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insoweit auf die vorangegangene Beschreibung verwiesen wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist – abweichend von dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 – der Stromrichter 11 als Umrichter 35 ausgebildet, der die von dem Generator 7 erzeugte Wechselspannung zunächst in eine Gleichspannung und dann weiter in eine mit dem Verbraucherstromkreis 13 synchronisierte Wechselspannung umwandelt. Alternativ ist es möglich, dass der Stromrichter 11 als Direktstromrichter oder als Matrixstromrichter ausgebildet ist. Bei jedem dieser Ausführungsbeispiele entfällt das Gleichstrom-Verteilersystem, wobei der Stromrichter 11, hier insbesondere der Umrichter 35, vielmehr über die elektrische Verbindung 21 direkt mit dem Verbraucherstromkreis 13, der auch hier als Wechselstromkreis ausgebildet ist, verbunden ist. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the power grid 1 , Identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals, so that reference is made to the preceding description. In this embodiment is - deviating from the embodiment according to 1 - the power converter 11 as a converter 35 trained by the generator 7 AC voltage generated first in a DC voltage and then on into one with the load circuit 13 synchronized AC voltage converts. Alternatively, it is possible that the power converter 11 is designed as a direct converter or as a matrix converter. In each of these embodiments eliminates the DC distribution system, wherein the power converter 11 , in particular the inverter 35 , rather, over the electrical connection 21 directly with the load circuit 13 , which is also designed here as an AC circuit is connected.

Das Stromnetz 1 ist bevorzugt Teil eines hier nur grob schematisch angedeuteten Kraftfahrzeugs 37, das als Land-, Luft- oder Wasserfahrzeug ausgebildet sein kann. Insbesondere ist es möglich, dass das Kraftfahrzeug 37 als Schiff oder als Unterseeboot ausgebildet ist. Es ist aber auch möglich, dass das Stromnetz 1 ein großräumiges Stromnetz, oder ein stationäres, lokales Stromnetz oder Inselnetz, beispielsweise ein Stromnetz einer Bohrinsel, einer Forschungseinrichtung, eines Krankenhauses oder einer anderen geeigneten Einrichtung ist. The power grid 1 is preferably part of a vehicle only roughly schematically indicated here 37 , which may be designed as a land, air or water craft. In particular, it is possible that the motor vehicle 37 is designed as a ship or as a submarine. But it is also possible that the power grid 1 a large-scale power grid, or a stationary, local power grid or stand-alone grid, such as a power grid of a drilling rig, a research facility, a hospital or other suitable device.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des Verfahrens in Form eines Flussdiagramms. Dabei startet das Verfahren in einem Schritt S1. In einem zweiten Schritt S2 wird geprüft, ob eine momentane Ausgangsleistung des Generators 7 einen ersten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Ist dies der Fall, wird das Verfahren in einem dritten Schritt S3 fortgesetzt, in welchem zunächst das Aggregat 3 auf die durch die Netzfrequenz des Verbraucherstromkreises 13 einerseits und die Polzahl des Generators 7 andererseits bestimmte Synchrondrehzahl beschleunigt wird, wobei vorzugsweise weitere Synchronisierbedingungen zwischen dem Generator 7 und dem Verbraucherstromkreis 13 sichergestellt werden. Sind diese erfüllt, wird das Verfahren in einem vierten Schritt S4 fortgesetzt, in welchem die Umschalteinrichtung 15 in den ersten Schaltzustand geschaltet wird, wobei der Generator 7 über die elektrische Direktverbindung 17 mit dem Verbraucherstromkreis 13 verbunden wird. Die von dem Generator 7 erzeugte elektrische Leistung wird dann unter Umgehung des Stromrichters 11 direkt in den Verbraucherstromkreis 13 eingespeist. Es ist möglich, dass in dem vierten Schritt S4 auch eine elektrische Verbindung 21 des Stromrichters 11 zu dem Verbraucherstromkreis 13 getrennt wird. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the method in the form of a flow chart. The method starts in a step S1. In a second step S2, it is checked whether a current output power of the generator 7 reaches or exceeds a first threshold. If this is the case, the method is continued in a third step S3, in which first the aggregate 3 on the by the mains frequency of the load circuit 13 on the one hand and the number of poles of the generator 7 on the other hand, certain synchronous speed is accelerated, preferably further synchronizing conditions between the generator 7 and the load circuit 13 be ensured. If these are met, the method is continued in a fourth step S4, in which the switching device 15 is switched to the first switching state, wherein the generator 7 via the direct electrical connection 17 with the load circuit 13 is connected. The from the generator 7 generated electrical power is then bypassing the power converter 11 directly into the load circuit 13 fed. It is possible that in the fourth step S4 also an electrical connection 21 of the power converter 11 to the load circuit 13 is disconnected.

In einem fünften Schritt S5 wird dann das Aggregat 3 in seinem ersten Betriebszustand bei Synchrondrehzahl betrieben. In a fifth step S5 then the unit 3 operated in its first operating state at synchronous speed.

In einem sechsten Schritt S6 wird geprüft, ob die Ausgangsleistung des Generators 7 unter einen zweiten, vorbestimmten Schwellenwert sinkt oder diesen erreicht. Dabei ist es möglich, dass der zweite vorbestimmte Schwellenwert identisch gewählt ist zu dem ersten vorbestimmten Schwellenwert. Es ist aber auch möglich, dass diese Schwellenwerte verschieden gewählt werden, um eine Hysterese im Schaltverhalten des Aggregats zwischen den beiden Betriebszuständen zu bewirken. In a sixth step S6 it is checked whether the output power of the generator 7 falls below or reaches a second predetermined threshold. In this case, it is possible that the second predetermined threshold value is selected to be identical to the first predetermined threshold value. However, it is also possible that these threshold values are chosen differently in order to bring about a hysteresis in the switching behavior of the unit between the two operating states.

Liegt die Ausgangsleistung des Generators 7 oberhalb des zweiten vorbestimmten Schwellenwerts, wird das Verfahren weiter in dem fünften Schritt S5 fortgesetzt. Sinkt dagegen die momentane Ausgangsleistung des Generators 7 unter den zweiten vorbestimmten Schwellenwert oder erreicht sie diesen, wird das Verfahren in einen siebten Schritt S7 fortgesetzt, wobei das Verfahren auch dann in den siebten Schritt S7 gelangt, wenn in dem zweiten Schritt S2 festgestellt wird, dass die Ausgangsleistung des Verfahrens den ersten vorbestimmten Schwellenwert nicht erreicht oder überschreitet. Is the output power of the generator 7 above the second predetermined threshold, the process continues to the fifth step S5. On the other hand, the current output power of the generator decreases 7 below the second predetermined threshold or when it reaches this point, the method proceeds to a seventh step S7, and the method goes to the seventh step S7 even if it is determined in the second step S2 that the output of the method is the first predetermined threshold not reached or exceeded.

In dem siebten Schritt S7 synchronisiert sich der Stromrichter 11 einerseits mit dem Generator 7 und andererseits mit dem Verbraucherstromkreis 13 und übernimmt den Strom, bis die elektrische Direktverbindung 17 – vorzugsweise nahezu – stromlos ist. Anschließend wird das Aggregat 3 in den zweiten Betriebszustand geschaltet, beziehungsweise die Umschalteinrichtung 15 wird in den zweiten Schaltzustand geschaltet. Optional wird der Stromrichter 11 mit dem Verbraucherstromkreis 13 verbunden, falls diese Verbindung zuvor getrennt wurde. In the seventh step S7, the power converter synchronizes 11 on the one hand with the generator 7 and on the other hand with the load circuit 13 and takes over the electricity until the electrical direct connection 17 - Preferably almost - is de-energized. Subsequently, the aggregate 3 switched to the second operating state, or the switching device 15 is switched to the second switching state. Optionally, the power converter 11 with the load circuit 13 connected if this connection was previously disconnected.

In einem achten Schritt S8 wird nun das Aggregat 3 drehzahlvariabel betrieben, wobei die Drehzahl vorzugsweise entsprechend einer vorbestimmten Generatorkennlinie oder abhängig von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine 5 und/oder zu erwartenden Lastsprüngen und/oder -rampen vorgegeben wird. In an eighth step S8 will now be the aggregate 3 operated variable speed, the speed preferably in accordance with a predetermined generator characteristic or depending on a current operating state of the internal combustion engine 5 and / or expected load jumps and / or ramps is given.

In einem neunten Schritt S9 wird wiederum geprüft, ob die Ausgangsleistung des Generators 7 den ersten vorbestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Ist dies nicht der Fall, wird das Verfahren weiter in dem achten Schritt S8 fortgesetzt. In a ninth step S9, it is again checked whether the output power of the generator 7 reaches or exceeds the first predetermined threshold. If this is not the case, the method continues in the eighth step S8.

Erreicht oder überschreitet dagegen die momentane Ausgangsleistung des Generators 7 den ersten vorbestimmten Schwellenwert, wird das Verfahren nunmehr wiederum in dem dritten Schritt S3 fortgesetzt, es wird mithin das Umschalten in den ersten Betriebszustand beziehungsweise den ersten Schaltzustand vorbereitet. On the other hand, it reaches or exceeds the momentary output power of the generator 7 the first predetermined threshold value, the method is now continued again in the third step S3, it is therefore prepared to switch to the first operating state or the first switching state.

Es zeigt sich, dass dieses Verfahren ad infinitum fortgesetzt wird, solange die Brennkraftmaschine 5 beziehungsweise das Aggregat 3 läuft. It turns out that this process is continued ad infinitum, as long as the internal combustion engine 5 or the aggregate 3 running.

In 3 unten ist schematisch und insbesondere durch eine strichlierte Linie dargestellt, dass in jedem Schritt des Verfahrens bevorzugt geprüft wird, ob die Brennkraftmaschine 5 noch läuft, oder ob ein Stoppbefehl für die Brennkraftmaschine 5 ausgegeben wurde. Dies ist hier durch einen zehnten Verfahrensschritt S10 dargestellt. Ebenfalls schematisch ist durch einen strichlierten Pfeil dargestellt, dass das Verfahren fortgeführt wird, wenn kein solcher Stoppbefehl anliegt, oder wenn festgestellt wurde, dass die Brennkraftmaschine 5 noch läuft. In 3 below is shown schematically and in particular by a dashed line that is preferably checked in each step of the method, whether the internal combustion engine 5 is still running, or whether a stop command for the internal combustion engine 5 was issued. This is illustrated here by a tenth method step S10. Also schematically illustrated by a dashed arrow that the process is continued if no such stop command is present, or if it was determined that the internal combustion engine 5 still running.

Wurde die Brennkraftmaschine 5 dagegen gestoppt oder liegt ein Stoppbefehl für das Aggregat 3 vor, wird das Verfahren in einem elften Schritt S11 beendet. Was the internal combustion engine 5 on the other hand stopped or is a stop command for the unit 3 before, the process is ended in an eleventh step S11.

Insgesamt zeigt sich, dass mittels des Aggregats 3, des Stromnetzes 1, des Kraftfahrzeugs 37 und des Verfahrens ein für den Betrieb des drehzahlvariablen Aggregats 3 notwendiger Stromrichter 11 deutlich – beispielsweise auf die Hälfte – bezogen auf seine Nennleistung verkleinert werden kann. Dies verringert die Kosten und den Bauraum in Zusammenhang mit dem Stromrichter 11. Außerdem entfallen Verluste in dem Stromrichter 11 in einem oberen Leistungsbereich. Overall, it turns out that by means of the aggregate 3 , the electricity network 1 , the motor vehicle 37 and the method for the operation of the variable speed unit 3 necessary power converter 11 can be significantly reduced - for example, to half - based on its nominal power. This reduces the cost and installation space associated with the power converter 11 , In addition, losses in the power converter accounts 11 in an upper performance range.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011076073 A1 [0002, 0020]
DE 2011076073 A1 [0047]

Claims

Aggregate ( 3 ) for power generation, with - a variable speed internal combustion engine ( 5 ), which - with a generator ( 7 ) is operatively connected to the drive, and with - a power converter ( 11 ) over which the generator ( 7 ) with a load circuit ( 13 ), wherein - the generator ( 7 ) is formed as a synchronous machine, characterized by - a switching device ( 15 ), which is set up to produce a direct electrical connection ( 17 ) between the generator ( 7 ) and the load circuit ( 13 ) bypassing the power converter ( 11 ) in a first switching state, wherein - the switching device ( 15 ) is set up to interrupt the direct electrical connection ( 17 ) in a second switching state.

Aggregate ( 3 ) according to claim 1, characterized by a control device ( 25 ), which is set up for switching the switching device ( 15 ) in the first switching state in a higher power range of the unit ( 3 ), and for switching the switching device ( 15 ) in the second switching state in a lower power range of the unit ( 3 ).

Aggregate ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power converter ( 11 ) has a nominal or maximum power which is less than a nominal or maximum power of the generator ( 7 ), wherein preferably the control device ( 25 ) is arranged to switch the switching device ( 15 ) in the first switching state, if a current output power of the generator ( 7 ) reaches or exceeds a predetermined threshold.

Aggregate ( 3 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device ( 15 ) a bypass switch ( 19 ) for establishing and interrupting the direct electrical connection ( 17 ) between the generator ( 7 ) and the load circuit ( 13 ), and preferably a power converter switch ( 23 ) for establishing and interrupting an electrical connection ( 21 ) between the power converter ( 11 ) and the load circuit ( 13 ), having.

Power grid ( 1 ), characterized by at least one aggregate ( 2 ) according to any one of claims 1 to 4, wherein the at least one aggregate ( 3 ) with a load circuit ( 13 ) of the power grid ( 1 ) connected is.

Power grid ( 1 ) according to claim 5, characterized in that the load circuit ( 13 ) is formed as - in particular single-phase or multi-phase - AC circuit, wherein the power converter ( 11 ) as inverter ( 35 ) or the power grid ( 1 ) a DC distribution system ( 31 ), wherein the power converter ( 11 ) as a rectifier ( 29 ) and with the DC distribution system ( 31 ), wherein the DC distribution system ( 31 ) with the load circuit designed as an AC circuit ( 13 ) via an inverter ( 33 ) connected is.

Motor vehicle ( 37 ), characterized by a power grid ( 1 ) according to one of claims 5 and 6, and / or characterized by an aggregate ( 3 ) according to one of claims 1 to 4.

Method for operating an aggregate ( 3 ) for power generation, in particular an aggregate according to one of claims 1 to 4, wherein - the aggregate ( 3 ) is operated in a first operating state at synchronous speed, wherein the electrical output of a synchronous machine designed as a generator ( 7 ) of the aggregate ( 3 ) via an electrical direct connection ( 17 ) bypassing a power converter ( 11 ) in a load circuit ( 13 ), and wherein - the aggregate ( 3 ) is operated in a second operating state at variable speed, wherein the electrical output power of the generator ( 7 ) via the power converter ( 11 ) in the load circuit ( 13 ) is fed.

A method according to claim 8, characterized in that the operation of the unit is switched from the second operating state to the first operating state, when a predetermined threshold value of an output power of the generator ( 7 ) is reached or exceeded, wherein a nominal or maximum power of the power converter is preferably used as a predetermined threshold, which is smaller than a nominal or maximum power of the generator ( 7 ).