DE102017212572A1 - Elektrisches Energieerzeugungssystem und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems - Google Patents

Elektrisches Energieerzeugungssystem und Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems Download PDF

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Abstract

Elektrisches Energieerzeugungssystem (10), aufweisend:- einen Dieselmotor (1), der funktional mit einer Drehstrom-Generatoreinrichtung (2) gekoppelt ist;- wobei die Generatoreinrichtung (2) funktional mit einem elektrischen Zwischenkreis (30) gekoppelt ist,- wobei der elektrische Zwischenkreis (30) funktional mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung (40) gekoppelt ist;- wobei in den Zwischenkreis (30) ein passiver Gleichrichter (20) und ein Pulsgleichrichter (21) parallel geschaltet sind;- wobei eine elektrische Zwischenkreisspannung (u) des elektrischen Zwischenkreises (30) in definierter Weise vom passiven Gleichrichter (20) und vom Pulsgleichrichter (21) bereitstellbar ist;- wobei dem Pulsgleichrichter (21) ein Sollwert (u) der elektrischen Zwischenkreisspannung (u) zuführbar ist;- wobei mittels des Pulsgleichrichters (21) ein definierter Anteil der elektrischen Zwischenkreisspannung (u) bereitstellbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieerzeugungssystem. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt.
  • Insbesondere für Traktionszwecke im Bereich von Schienenfahrzeugen mit elektrischem Antrieb ist es erforderlich, eine elektrische Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern (z.B. umgesetzte Leistung, Fahrgeschwindigkeit, Hilfsbetriebeleistung, usw.) in weiten Grenzen frei einstellen zu können.
  • Betrachtet man die reine Traktionsaufgabe eines dieselelektrischen Fahrzeugs, wird die Aufgabe herkömmlicherweise dadurch gelöst, dass ein Dieselmotor direkt mit einem Gleichstromgenerator oder mit einem Drehstromgenerator mit nachgeschaltetem Diodengleichrichter gekoppelt ist. Die Drehzahl des Dieselmotors folgt dabei zum Beispiel einer sogenannten „Propellerkurve“.
  • Die Generatoren sind üblicher Weise elektrisch fremderregt. Somit ergibt sich ohne äußere Einflüsse eine elektrische Zwischenkreisspannung in etwa proportional zur Dieselmotordrehzahl, wobei diese Charakteristik gut zu den Anforderungen der Traktionsmotoren passt. Die Erregergeräte übernehmen dabei eine Feinregulierung und einen Lastausgleich.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes elektrisches Energieerzeugungssystem bereitzustellen. Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem elektrischen Energieerzeugungssystem, aufweisend:
    • - einen Dieselmotor, der funktional mit einer Drehstrom-Generatoreinrichtung gekoppelt ist;
    • - wobei die Generatoreinrichtung funktional mit einem elektrischen Zwischenkreis gekoppelt ist,
    • - wobei der elektrische Zwischenkreis funktional mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung gekoppelt ist;
    • - wobei in den Zwischenkreis ein passiver Gleichrichter und ein Pulsgleichrichter parallel geschaltet sind;
    • - wobei eine elektrische Zwischenkreisspannung des elektrischen Zwischenkreises in definierter Weise vom passiven Gleichrichter und vom Pulsgleichrichter bereitstellbar ist;
    • - wobei dem Pulsgleichrichter ein Sollwert der elektrischen Zwischenkreisspannung zuführbar ist;
    • - wobei mittels des Pulsgleichrichters in einem definierten Arbeitsbereich ein definierter Anteil der elektrischen Zwischenkreisspannung bereitstellbar ist.
  • Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Abhängigkeit einer Bereitstellung der elektrischen Zwischenkreisspannung durch die Drehzahl des Dieselmotors durchbrochen. Vorteilhaft kann dadurch ein effizienter Betrieb des Dieselmotors realisiert werden, wobei zu einem definierten Anteil eine Hochstellerfunktion des Pulsgleichrichters zur elektrischen Erzeugung der elektrischen Zwischenkreisspannung verwendet wird.
  • Auf diese Weise kann eine Dimensionierung der von der elektrischen Zwischenkreisspannung versorgten elektrischen Energieverbraucher, z.B. in Form von Hilfsbetriebe-Umrichtern und Zugenergieversorgungseinrichtungen vorteilhaft günstig erfolgen. Die genannten Elemente verlangen in der Regel idealerweise eine möglichst konstante elektrische Zwischenkreisspannung, die mit der erfindungsgemäßen Lösung auf effiziente Weise bereitgestellt wird.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems, wobei das elektrische Energieerzeugungssystem funktional mit einem elektrischen Zwischenkreis gekoppelt ist, wobei der elektrische Zwischenkreis funktional mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung gekoppelt ist, aufweisend die Schritte:
    • - Zuführen eines von der Verbrauchseinrichtung geforderten elektrischen Zwischenkreisspannungssollwerts an den Pulsgleichrichter; und
    • - Betreiben des Pulsgleichrichters derart, dass die geforderte elektrische Zwischenkreisspannung zu einem definierten Anteil unabhängig von einer Drehzahl des Dieselmotors mittels einer Hochstellfunktion des Pulsgleichrichters bereitgestellt wird.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen Energieerzeugungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass ein Pegel der elektrischen Zwischenkreisspannung, der größer als der Sollwert ist, ausschließlich von der Drehzahl des Dieselmotors abhängt. Dadurch ist unterstützt, dass auch höher geforderte Pegel der elektrischen Zwischenkreisspannung bereitgestellt werden können.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen Energieerzeugungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter leistungsmäßig auf einen definierten Anteil der mittels des Dieselmotors und der Generatoreinrichtung generierbaren elektrischen Leistung dimensioniert ist. Vorteilhaft kann auf diese Weise der Pulsgleichrichter kostengünstiger und technisch weniger aufwendig realisiert werden, wodurch auch eine Dimensionierung der nachgeschalteten elektrischen Verbrauchseinrichtung ebenso kostengünstiger und technisch weniger aufwendig realisiert werden kann.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der elektrischen Energieerzeugungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass der Pulsgleichrichter auf einen Bereich von ca. kleiner gleich 50% der mittels des Dieselmotors und der Generatoreinrichtung generierbaren elektrischen Leistung dimensioniert ist. Auf diese Weise wird ein guter Kompromiss zwischen elektrischer Leistungsfähigkeit und Kosteneffizienz des Pulsgleichrichters realisiert.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen Energieerzeugungssystems sieht vor, dass elektronische Schaltelemente des Pulsgleichrichters mit Dioden des passiven Gleichrichters funktional in einer Einheit verschaltet sind. Auf diese Weise können die Dioden des Pulsgleichrichters zugleich auch die Funktionalität des passiven Diodengleichrichters übernehmen.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen Energieerzeugungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter derart ansteuerbar ist, dass der Dieselmotor mittels der Generatoreinrichtung angetrieben wird. Auf diese Weise kann mittels einer Energierichtungsumkehr die Generatoreinrichtung vorteilhaft als elektrischer Starter für den Dieselmotor fungieren.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen Systems zeichnet sich dadurch aus, dass eine definierte, von der elektrischen Verbrauchseinrichtung angeforderte elektrische Eingangsspannung als Stellgröße für den Pulsgleichrichter verwendet wird. Dadurch wird ein Pegel der elektrischen Zwischenkreisspannung bereitgestellt, die alle Einzelelemente der elektrischen Verbrauchseinrichtung elektrisch ausreichend versorgt.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit Figuren näher erläutert werden.
    • 1 zeigt in prinzipieller Weise ein Blockschaltbild eines herkömmlichen elektrischen Energieerzeugungssystems;
    • 2 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines weiteren herkömmlichen elektrischen Energieerzeugungssystems;
    • 3 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ausführungsform eines vorgeschlagenen elektrischen Energieerzeugungssystems;
    • 4 zeigt ein Signaldiagramm mit einem Verlauf einer normierten elektrischen Zwischenkreisspannung über der normierten Dieselmotordrehzahl;
    • 5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems.
  • Betrachtet man die reine Traktionsaufgabe eines dieselelektrischen Fahrzeugs, kann die Aufgabe herkömmlicherweise dadurch gelöst werden, dass der Dieselmotor direkt mit einem Gleichstromgenerator oder mit einem Drehstromgenerator und nachgeschaltetem Diodengleichrichter gekoppelt ist.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Spannungserzeugungsvorrichtung 10 mit einem Dieselmotor 1, der funktional mit einer fremderregten Generatoreinrichtung (Drehstromgenerator) 2 gekoppelt ist. Eine Drehzahl nd der fremderregten Generatoreinrichtung 10 wird dabei vom Dieselmotor 1 bereitgestellt, wobei zum Bereitstellen einer definierten Drehzahl nd beispielsweise eine Dieseleinspritzmenge des Dieselmotors 1 entsprechend dosiert wird.
  • Die Generatoreinrichtung 2 wird von einer Erregereinrichtung 3 fremderregt und realisiert dadurch eine fremderregte Synchronmaschine. Dabei wird z.B. eine elektrische Spannung einer Bordnetzbatterie über einen Steller an die Generatoreinrichtung 2 zugeführt, wobei eine elektrische Spannung in Abhängigkeit von der generierten Dreiphasenspannung ausgebildet ist. Die dreiphasige elektrische Ausgangsspannung der Generatoreinrichtung 2 wird einer Gleichrichtereinrichtung 20 in Form eines passiven Diodengleichrichters zugeführt. Am Ausgang der Gleichrichtereinrichtung 20 steht in einem Zwischenkreis 30 mit einem Zwischenkreiskondensator eine gleichgerichtete elektrische Ausgangsspannung uZK (Zwischenkreisspannung) zur Verfügung, an die eine elektrische Last, in Form wenigstens eines Stromrichters einer elektrischen Verbrauchseinrichtung 40 anschließbar ist.
  • Stromrichter der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40 können als ein Traktionsstromrichter, Hilfsbetriebe-Stromrichter, Zugstromversorgung, usw. ausgebildet sein, wobei mittels der Hilfsbetriebe-Stromrichter elektrische Hilfsbetriebe des dieselelektrischen Fahrzeugs, wie zum Beispiel Klima, Heizung, Ansteuerung von Bremsen usw., elektrisch versorgt werden.
  • Von der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40 wird ein Signal einer Soll-Leistung PSoll und ein Signal einer geforderten minimalen elektrischen Zwischenkreisspannung uZK_min an die Spannungserzeugungsvorrichtung 10 zugeführt. Je nach Erfordernis der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40 bzw. der damit zusammenhängenden Belastung des Zwischenkreises 30 wird die Erregung für die Generatoreinrichtung 2 geändert. Grob wird für die Bereitstellung der Leistung des Zwischenkreises 30 die Drehzahl des Dieselmotors 1 eingestellt, wobei eine Feineinstellung mittels der Erregereinrichtung 3 durchgeführt wird.
  • Somit wird auf diese Weise ein Hybrid-Fahrzeug realisiert, dessen elektrische Energie mittels des Dieselmotors 1 und der Generatoreinrichtung 2 generiert wird.
  • Ab dem elektrischen Zwischenkreis 30 ist die Technik eines derartigen Hybridfahrzeugs weitgehend identisch mit einer reinen E-Lokomotive. Aus der elektrischen Zwischenkreisspannung uZK wird mittels wenigstens eines Wechselrichters eine elektrische Wechselspannung für die Erfordernisse des Betriebs des Hybridfahrzeugs generiert, z.B. für die Fahrmotoren, die Hilfsbetriebe, usw.
  • Der Gleichrichter 20 übernimmt in diesem Fall die volle elektrische Leistung des Zwischenkreises 30 für den wenigstens einen Stromrichter.
  • Die Drehzahl des Dieselmotors 1 folgt dabei z.B. der sogenannten Propellerkurve: n D i e s e l = P a k t u e l l / P N D i e s e l 2 × n Nenn_Diesel
    Figure DE102017212572A1_0001
    mit den Parametern:
    • nDiesel ...
    Drehzahl des Dieselmotors
    Paktuell ...
    bereitgestellte Leistung des Dieselmotors
    PN_Diesel ...
    Nennleistung des Dieselmotors
    nNenn_Diesel ..
    Nenndrehzahl des Dieselmotors
  • Aufgrund der Formel (1) ist zur Erreichung einer hohen Leistung in der Regel eine hohe Drehzahl des Dieselmotors 1 erforderlich, wobei die bereitgestellte Leistung Paktuell z.B. proportional zur dritten Potenz der Drehzahl nDiesel des Dieselmotors 1 ist. Die mit den Dieselmotoren angetriebenen Generatoreinrichtungen 2 sind üblicher Weise elektrisch fremderregt. Somit ergibt sich eine elektrische Zwischenkreisspannung uZK proportional zur Drehzahl des Dieselmotors 1. Diese Charakteristik passt gut zu den Anforderungen der Traktionsmotoren des dieselelektrischen Fahrzeugs. Die Erregereinrichtung 3 übernimmt dabei eine Feinregulierung und einen Lastausgleich des Drehstromgenerators 2.
  • Auch die Leistung wächst mit der Drehzahl des Dieselmotors 1, wobei aber ein Fall eintreten kann, dass zwar eine hohe elektrische Zwischenkreisspannung gefordert ist, nicht jedoch eine hohe elektrische Leistung, z.B. im Stillstand des dieselelektrischen Fahrzeugs. Aufgrund der Formel (1) erfordert dies aber herkömmlich immer eine hohe Drehzahl des Dieselmotors 1 mit den entsprechenden nachteiligen Wirkungen betreffend Primärenergieverbrauch und Emissionen des Dieselmotors 1.
  • Betrachtet man die Erfordernisse der Hilfsbetriebe und der Zugenergieversorgung (z.B. möglichst konstante elektrische Spannung im gesamten Drehzahlbereich des Dieselmotors 1), dann sind damit folgende Nachteile verbunden:
  • Umrichter und Transformatoren müssen für den Betrieb bei kleiner elektrische Zwischenkreisspannung uZK für hohe elektrische Ströme und für einen Betrieb bei hoher elektrischer Zwischenkreisspannung uZK für die hohe elektrische Zwischenkreisspannung uZK ausgelegt werden.
  • Alternativ können die internen Hilfsbetriebe des dieselelektrischen Fahrzeugs einen eigenen kleinen Umrichter erhalten und die Zugenergieversorgung mit ihrer höheren Leistung wird nur für einen eingeschränkten elektrischen Spannungsbereich ausgelegt. Dies hat jedoch nachteilig zur Folge, dass der Dieselmotor 1 bei eingeschalteter Zugenergieversorgung immer mit erhöhter bzw. hoher Drehzahl arbeiten muss.
  • Neuere Entwicklungen begegnen der oben genannten Problematik der Ankopplung eines Generators an einen Zwischenkreis 30 durch einen Einsatz eines Pulsgleichrichters, auch AFE (Active Front End) genannt.
  • 2 zeigt eine derartige herkömmliche Anordnung, wobei in diesem Fall die Generatoreinrichtung 2 als eine Asynchronmaschine oder eine mittels eines Dauermagneten permanenterregte Maschine ausgebildet ist. Bei derartigen Maschinen muss, um die gewünschte Ausgangsspannung zu realisieren, eine fehlende Magnetisierung durch einen Blindstrom auf der Leistungsseite eingestellt werden, wobei der elektrische Blindstrom mittels des Pulsgleichrichters 21 bereitgestellt wird. Dadurch kann die Generatoreinrichtung 2 magnetisiert oder entmagnetisiert werden.
  • Dadurch können auch die prinzipbedingt einfach aufgebauten Maschinentypen Asynchrongenerator und permanent erregter Synchrongenerator als Drehstromgenerator eingesetzt werden.
  • Nachteilig hierbei treten eine erhöhte Komplexität, Ausfallwahrscheinlichkeit und Investitionskosten im Stromrichter auf.
  • Vorgeschlagen wird, das Problem dadurch zu lösen, dass einer herkömmlichen Lösung mit einer Generatoreinrichtung 2 und passivem Gleichrichter 20 ein Pulsgleichrichter 21 definiert kleiner Leistung P1 parallel geschaltet wird.
  • Eine Ausführungsform eines derartigen Energieerzeugungssystems ist prinzipiell in 3 dargestellt. Man erkennt, dass das Anforderungssignal der minimalen elektrischen Zwischenkreisspannung uZK_min von der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40 in diesem Fall an eine Steuerungseinrichtung 22 zugeführt ist, mittels der der Pulsgleichrichter 21 zur Generierung eines definierten Anteils der elektrischen Zwischenkreisspannung uZK angesteuert wird. Vorteilhaft ist dabei dieser Anteil von der Drehzahl des Dieselmotors 1 unabhängig. Vorteilhaft ist auf diese Weise eine Entkopplung der Funktionalität Drehzahl und elektrische Zwischenkreisspannung erreicht, wodurch ein effizienter und ökonomischer Betrieb des Dieselmotors 1 unterstützt ist.
  • Alternativ (nicht in Figuren dargestellt) kann ein Pulsgleichrichter 21 mit stark ausgelegten Dioden und schwächer dimensionierten elektronischen Schaltelementen (z.B. Transistoren) eingesetzt werden. Auf diese Weise kann die Funktionalität des passiven Gleichrichters 20 und des Pulsgleichrichters 21 in einem einzigen Modul realisiert werden, wobei in diesem Fall die Dioden des Pulsgleichrichters 21 auch die Funktion des passiven Gleichrichters 20 übernehmen.
  • Im Bereich kleiner Leistung, d.h. P < P1 und kleiner Dieselmotordrehzahl setzt der Pulsgleichrichter 21 die elektrische Zwischenkreisspannung uZK auf die minimale Zwischenkreisspannung uZK min hoch. P repräsentiert dabei eine mittels des Dieselmotors 1 und der Generatoreinrichtung 2 erzeugbare elektrische Leistung. Übersteigt die geforderte Leistung P1, so geht der Leistungsfluss bei nicht mehr taktendem Pulsgleichrichter 21 wie bei der herkömmlichen Lösung gemäß 1 ausschließlich über den passiven Gleichrichter 20 in Form der Diodenbrücken. Dazu wird die Leistung P1 vorteilhaft derart gewählt, dass die natürliche Kennlinie der Generatoreinrichtung 2 bei P1 gerade die minimale elektrische Zwischenkreisspannung uZK min liefert. Bei Volllast wird dabei vorteilhaft der hohe Wirkungsgrad des passiven Gleichrichters 20 genutzt.
  • Gemäß den Prinzipien der Propellerkurve wird dabei der Pulsgleichrichters 21 z.B. bei einem gewählten uZK_min von 0,77 auf ca. die halbe Leistung der mit dem Dieselmotor 1 und der Generatoreinrichtung 2 erzeugten elektrischen Leistung dimensioniert.
  • Die erfindungsgemäße Lösung gemäß 3 ermöglicht bei verringertem Aufwand näherungsweise alle Vorteile einer Lösung mit einer Generatoreinrichtung 2 in Form einer Asynchronmaschine/permanent erregter Synchronmaschine und ausschließlich vorhandenem Pulsgleichrichter 21 zu nutzen.
  • Vorteilhaft kann dadurch die elektrische Zwischenkreisspannung uZK im kleinen Leistungsbereich angehoben werden, wodurch vorteilhaft eine wirtschaftliche Auslegung für die Hilfsbetriebe-Umrichter möglich ist.
  • Ein Sollwert uZK_min der elektrischen Zwischenkreisspannung wird dem Pulsgleichreicher 21 zugeführt und ein Sollwert der elektrischen Leistung PSoll der Spannungserzeugungsvorrichtung 10. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Entkopplung der Anforderungen an die Parameter elektrische Zwischenkreisspannung und Leistung an eine Drehzahl des Dieselmotors 1 erreicht werden. Eine Bereitstellung von elektrischer Leistung des Zwischenkreises erfolgt dabei nach wie vor ausschließlich über die Drehzahl des Dieselmotors 1.
  • Im Ergebnis kann der Dieselmotor 1 in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden, weil er vor allem zur Bereitstellung einer elektrischen Leistung betrieben wird, wobei eine Anforderung an eine Höhe der elektrischen Zwischenkreisspannung vom Pulsgleichrichter 21 erfüllt wird.
  • Ferner kann vorteilhaft der Pulsgleichrichter 21 gegenüber der herkömmlichen Lösung gemäß 2 deutlich kleiner dimensioniert werden.
  • Ferner fließen die elektrischen Kurzschlussströme des Drehstromgenerators 2 über die robuste Gleichrichterbrücke des passiven Gleichrichters 20 und wirken sich nicht dimensionierend auf den Pulsgleichrichter 21 aus.
  • Ein Starten des Dieselmotors 1 kann aus dem Zwischenkreis 30 durch eine Umkehrung des Energieflusses über den Pulsgleichrichter 21 und den Drehstromgenerator 2 erfolgen, sodass auf diese Weise der Drehstromgenerator 2 vorteilhaft als Starter für den Dieselmotor 1 fungieren kann.
  • Bei einem Ausfall des Pulsgleichrichters 21, außer im Falle eines Kurzschlusses, wenn kein Trennglied für den Pulsgleichrichter 21 vorgesehen ist, ist ein Notbetrieb möglich. Dazu muss nur die Drehzahl des Dieselmotors 1 immer größer als die zur natürlichen elektrischen Zwischenkreisspannung uZK min des Drehstromgenerators 2 gehörende Drehzahl nmin gehalten werden.
  • 4 zeigt einen prinzipiellen Verlauf der normierten elektrischen Zwischenkreisspannung uZK/uZK_nenn über der normierten Drehzahl n/nnenn des Dieselmotors 1. Erkennbar ist ein herkömmlicher, durchgezogener Verlauf einer linearen Abhängigkeit der elektrischen Zwischenkreisspannung uZK von der Drehzahl des Dieselmotors 1. Die elektrische Zwischenkreisspannung uZK min repräsentiert dabei einen Sollwert eines Verbrauchers der elektrischen Verbraucherrichtung 40. Bei mehreren Verbrauchern innerhalb der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40 mit unterschiedlichen Anforderungen an die elektrische Zwischenkreisspannung repräsentiert uZK_min den höchsten geforderten Wert der elektrischen Zwischenkreisspannung.
  • Der durchgezogene Verlauf zeigt einen typischen Verlauf einer elektrischen Zwischenkreisspannung uZK in Abhängigkeit von der Drehzahl, der in einem Bereich von ca. 1 : 3 liegt. Dies entspricht typischen Werten einer elektrischen Zwischenkreisspannung von z.B. 600 V bei einer Leerlaufdrehzahl von z.B. 600 U/min und z.B. 1.800 V bei einer Maximaldrehzahl von z.B. 1.800 U/min des Dieselmotors 1. Dies bewirkt einen recht großen Eingangsspannungsbereich für den nachgeschalteten Stromrichter der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40, was diesen technisch aufwendig und teuer machen kann. Dies bedeutet, dass herkömmlicherweise der Dieselmotor 1 mit einer relativ hohen Drehzahl betrieben werden muss, um die erforderliche elektrische Zwischenkreisspannung uZK bereitzustellen. Eine Anhebung der elektrischen Zwischenkreisspannung bei niedrigen Drehzahlen des Dieselmotors 1 entlastet somit den vom Zwischenkreis 30 elektrisch versorgten Stromrichter und macht diesen technisch weniger aufwendig und damit kostengünstiger.
  • Zu diesem Zweck wird bei der erfindungsgemäßen Lösung ein mittels eines Doppelpfeils angedeuteter, definierter Anteil der elektrischen Zwischenkreisspannung uZK von der Hochstellfunktion des Pulsgleichrichters 21 generiert, weil er vom Pulsgleichrichter 21 bereitgestellt wird und erst ab einem definierten Punkt K aufgrund der Drehzahl des Dieselmotors 1. Im Falle von 4 liegt dieser Wert beispielhaft bei ca. 0,77 der Nenndrehzahl des Dieselmotors 1.
  • Selbstverständlich kann dieser Punkt definiert festgelegt werden, sodass eine Erzeugung der elektrischen Zwischenkreisspannung 30 definiert zwischen dem Pulsgleichrichter 21 und dem passiven Gleichrichter 20 aufgeteilt werden kann. Ab dem Knickpunkt K übernimmt die Bereitstellung der elektrischen Zwischenkreisspannung uZK wieder ausschließlich der vom Dieselmotor 1 angetriebene Drehstromgenerator 2, dessen Spannung vom passiven Gleichrichter 20 gleichgerichtet wird. Der Doppelpfeil in 4 repräsentiert somit einen Anteil der Zwischenkreisspannung, der vom Pulsgleichrichter 21 vorteilhaft unabhängig von der Drehzahl des Dieselmotors 1 generiert wird.
  • Ab der Drehzahl des Dieselmotors 1 am Punkt K ist der Pulsgleichrichter 21 inaktiv, wobei ab diesem Zeitpunkt die elektrische Zwischenkreisspannung ausschließlich aufgrund der Drehzahl des Dieselmotors 1 mit der Gleichrichtfunktionalität des passiven Dioden-Gleichrichters 20 bereitgestellt wird.
  • Aus 4 ist erkennbar, dass aufgrund der Abhängigkeit der Leistung von der Drehzahl zur dritten Potenz der Pulsgleichrichter 21 wesentlich kleiner dimensioniert werden kann als jener gemäß 2. Im Falle von 4, wo Punkt K ca. 0,77 der Nenndrehzahl des Dieselmotors 1 repräsentiert, kann die Leistung des Pulsgleichrichters 21 auf 0,773, d.h. auf ca. 45 % der Leistung des Dieselmotors 1 ausgelegt werden. Im Falle, dass der Sollwert uZK_min der elektrischen Zwischenkreisspannung bei der halben Dieselmotordrehzahl liegt, muss der Pulsgleichrichter 21 nur noch auf 12 % der Leistung des Dieselmotors 1 ausgelegt werden. Der Doppelpfeil von 4 repräsentiert damit indirekt auch einen Leistungsaspekt für die Dimensionierung des Pulsgleichrichters 21.
  • Aus 4 wird somit klar, dass eine Dimensionierung des Pulsgleichrichters 21 deutlich kleiner als die Nennleistung des Dieselmotors 1 sein kann, wobei eine tatsächliche Dimensionierung vom Erfordernis der minimalen elektrischen Zwischenkreisspannung abhängt.
  • Mit 4 soll somit vor allem ein gewonnener Freiheitsgrad für die Bereitstellung der elektrischen Zwischenkreisspannung dargestellt werden.
  • Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Software gesteuert werden, die auf der Steuerungsvorrichtung 22 ausgeführt wird. Mit einer derartigen Implementierung ist vorteilhaft eine einfache Abänderung bzw. Anpassung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
  • 5 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems.
  • In einem Schritt 100 wird ein Zuführen einer von der Verbrauchseinrichtung 40 geforderten elektrischen Zwischenkreisspannung uZK_min an den Pulsgleichrichter 21 durchgeführt.
  • In einem Schritt 110 wird ein Betreiben des Pulsgleichrichters 21 derart durchgeführt, dass die geforderte elektrische Zwischenkreisspannung uZK_min unabhängig von einer Drehzahl des Dieselmotors 1 mittels einer Hochstellfunktion des Pulsgleichrichters 21 bereitgestellt wird.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims (9)

  1. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10), aufweisend: - einen Dieselmotor (1), der funktional mit einer Drehstrom-Generatoreinrichtung (2) gekoppelt ist; - wobei die Generatoreinrichtung (2) funktional mit einem elektrischen Zwischenkreis (30) gekoppelt ist, - wobei der elektrische Zwischenkreis (30) funktional mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung (40) gekoppelt ist; - wobei in den Zwischenkreis (30) ein passiver Gleichrichter (20) und ein Pulsgleichrichter (21) parallel geschaltet sind; - wobei eine elektrische Zwischenkreisspannung (uZK) des elektrischen Zwischenkreises (30) in definierter Weise vom passiven Gleichrichter (20) und vom Pulsgleichrichter (21) bereitstellbar ist; - wobei dem Pulsgleichrichter (21) ein Sollwert (uZK_min) der elektrischen Zwischenkreisspannung (uZK) zuführbar ist; - wobei mittels des Pulsgleichrichters (21) in einem definierten Arbeitsbereich ein definierter Anteil der elektrischen Zwischenkreisspannung (uZK) bereitstellbar ist.
  2. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pegel der elektrischen Zwischenkreisspannung (uZK), der größer als der Sollwert (UZK_min) ist, ausschließlich von der Drehzahl des Dieselmotors (1) abhängt.
  3. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter (21) leistungsmäßig auf einen definierten Anteil der mittels des Dieselmotors (1) und der Generatoreinrichtung (2) generierbaren elektrischen Leistung dimensioniert ist.
  4. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter (21) auf einen Bereich von ca. kleiner gleich 50% der mittels des Dieselmotors (1) und der Generatoreinrichtung (2) generierbaren elektrischen Leistung dimensioniert ist.
  5. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elektronische Schaltelemente des Pulsgleichrichters (21) mit Dioden des passiven Gleichrichters (20) funktional in einer Einheit verschaltet sind.
  6. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter (21) derart ansteuerbar ist, dass der Dieselmotor (1) mittels der Generatoreinrichtung (2) angetrieben wird.
  7. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte, von der elektrischen Verbrauchseinrichtung (40) angeforderte elektrische Eingangsspannung als Stellgröße für den Pulsgleichrichter (21) verwendet wird.
  8. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems (10), wobei das elektrische Energieerzeugungssystem (10) funktional mit einem elektrischen Zwischenkreis (30) gekoppelt ist, wobei der elektrische Zwischenkreis (30) funktional mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung (40) gekoppelt ist, aufweisend die Schritte: - Zuführen eines von der Verbrauchseinrichtung (40) geforderten elektrischen Zwischenkreisspannungssollwerts (uZK_min) an den Pulsgleichrichter (21); - Betreiben des Pulsgleichrichters (21) derart, dass die geforderte elektrische Zwischenkreisspannung (uZK_min) zu einem definierten Anteil unabhängig von einer Drehzahl des Dieselmotors (1) mittels einer Hochstellerfunktion des Pulsgleichrichters (21) bereitgestellt wird.
  9. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 8, wenn es auf einer elektronischen Steuerungsrichtung (22) zum Ansteuern eines Pulsgleichrichters (21) abläuft oder auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert ist.
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