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Anlage zur Stromerzeugung
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Bes chre i b u n g Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage
zur Stromerzeugur?g gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Bei herkömmlichen Energieerzeugungsanlagen der verschiedensten Art
wird allgemein die jeweils-gewonnene Energie bzw. Leistung in Jedem Augenblick voll
abgeführt. Beispielsweise erfolgt die Nutzung von P.tindenergie mittels Generatoren,
deren Leistung mit ihrer Drehzahl schwankt, weil die momentane Generatorspannung
davon abhängt, wie schnell der windgetriebene Rotor umlËÏuft.
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In Windkraftwerken treibt das möglichst hoch (z.B. auf einem Turm)
angeordnete Antriebs aggregat einen Generator, dessen Stromerzeugung zur Speisung
von Wärme speichern oder elektrischen Verbrauchern dient. Um die Unregelmäßigkeiten
der anfallenden Windenergie wenigstens teilweise auszugleichen, hat man solche Anlagen
mit Akkumulatoren ausgerüstet, die selbst bei Windstille eine gewisse Mindestenergie
abgeben sollen.
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Bekannt ist es, mittels Wasser- oder windkraftgetriebenen Asyzichrongeneratoren
elektrischen Strom zu erzeugen und ins öffentliche Netz einzuspeisen,-das die verfügbare
Energie abzunehmen hat. Bei Netzausfällen oder -abschaltungen bricht jedoch-wegen
fehlender Erregung die Spannung der Asynchrongeneratoren zusammen; daher müssen
derartige Anlagen dann zwangsläufig stillgesetzt werden, denn die nicht mehr abgenommene
Energie könnte zum Hochlaufen der Drehzahl und infolgedessen zu Beschädigungen führen.
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Man hat auch vorgeschlagen, statt der Einspeisung ins öffentliche
Netz oder zusätzlich hierzu kleinere Energiemengen direkt zu verheizen und in einer
vorhandenen Heizungsanlage verfügbar zu halten. Ein solches, beispielsweise in der
DE-OS 27 09 146 beschriebenes Verfahren liefert jedoch bei mangelnder Konstanz der
Generatordrehzahl keinen Strom von Netzqualität. Vielmehr ist die so erzeugte elektrische
Energie ausschließlich zu Heizzwecken brauchbar.
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Ähnlich gestattet es eine Anordnung gemäß der DE-OS 29 31 484, mittels
geeigneten Regler- und Schaltungssystemen je nach der augenblicklichen Generatorspannung
und/oder der Rangfolge des Energiebedarfs Heizelemente zu- oder abzuschalten. Eine
Gewinnung von Strom in Netzqualität ist auf diese Weise ebenfalls nicht möglich,
obwohl vor allem wichtige Verbraucher wie Heizungsanlagen (Ölbrenner, Umlaufpumpe
usw.), Kälteerzeuger (Kühltruhen) nur damit überhaupt arbeitsfähig bleiben könnten.
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Herkömmlich kann ein optimaler Wirkungsgrad an Kraftmaschinen bei
minimalem Aufwand nur mit konstanter Drehzahl erreicht werden. Diese Anforderungen
sind bislang nur bedingt gelöst, und zwar recht aufwendig und umständlich bzw. energietechnisch
schlecht. Mittels Turbinenreglern etwa läßt sich der Wasserdurchsatz von Turbinen
auf mechanischem oder hydraulischem Wege derart regeln, daß trotz unterschiedlicher
Belastung und unterschiedlicher Antriebsleistung ein quasi-drehzahlkonstanter
Betrieb
möglich ist. Nachteilig ist es hierbei, daß der Regelvorgang langsam und mit Uberschwingen
vor sich geht. Die Regler sind auch teuer, können aber eine Vergeudung von Energie
bei wenigen angeschlossenen Verbrauchern nicht verhindern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, bei Stromerzeugungs-Anlagen der eingangs
genannten Art mit einfachen, wirtschaftlichen Mitteln eine Anpassung zwischen Energieerzeugung
und -verbrauch bei möglichst konstanten Generatorbetriebsdaten - Drehzahl, Spannung,
Frequenz - zu erzielen. Die Anlage soll nach der Erfindung außerdem kompakt zu -bauen
und vielseitig einzusetzen sein.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist im kennzeichnenden Teil von Anspruch
1 angegeben. Hiernach wird nicht - wie üblich -die Antriebsleistung geregelt, sondern
umgekehrt der elektrische Verbrauch an die Antriebsleistung angepaßt. Dank der Regelanordnung
wird in jedem Augenblick die gerade zur Verfügung stehende Generatorleistung dem
Heizelement bzw. einer Anzahl von Heizelementen des Wärmespeichers zugeführt. Bevorzugt
ist die Regelanordnung aus elektronischen Komponenten aufgebaut, so daß eine trägheitslose
Regelung bei minimalen Kosten erreicht wird. Die Anlage kann mit Vorteil überall
dort eingesetzt werden, wo eine Naturkraft zur Verfügung steht und elektrischer
Strom zum direkten Eigenverbrauch erzeugt werden soll, was im frequenz-und spannungskonstanten
Inselnetzbetrieb möglich ist.
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Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis
15.
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Die Weiterbildungen gemäß den Ansprüchen 2 bis 5 gewährleisten, daß
die an das bzw. jedes Heizelement abgegebene Leistung stets dem Verbrauch entsprechend
dosiert wird. Steigt die Antriebsleistung z.B. mit Öffnung der Leitschaufeln einer
Wasserturbine an, so erhöht die Regelanordnung in gleichem Maße die elektrische
Belastung, so daß Drehzahl, Frequenz und Spannung des erzeugten Wechselstromes konstant
bleiben. Eine Anzeigeeinrichtung laut
Anspruch 6 ermöglicht es9
die am Heizelement anteilig gegebene elektrische Leistung ständig und unverzögert
zu erkennen.
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Die Art des Antriebs und der Anlagenaufbau können gemäß den Ansprüche
7 bis 10 ausgestaltet sein, um sowohl die Vielseitigkeit des Einsatzes zu steigern
als auch den Platzbedarf zu verringern und selbständige Inselnetze in besonders
wirtschaft licher Weise zu ermöglichen.
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Die Verbindung des Wärmespeichers mit einer vorhandenen Heizanlage
gemäß Anspruch 11 unterstützt die Einsparung von Primär energie zu Heizzwecken und
dient damit einer weiteren Steigerung der Wirtschaftlichkeit In den Weiterbildungen
laut den Ansprüchen 12 bis 15 sind Maßnahmen zur stufen- und trägheitslosen Regelung
angegeben.
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Erfindungsgemäß wird insbesondere die Frequenz des erzeugten Wechselstromes
trägheitslos erfaßt, vorzugsweise als analoge Spannung abgebildet und einem Soll-/Istwert-Vergleicher
tEomparator) zugeführt. Dieser schaltet namentlich über elektronische Wechselstromsteller
das bzw. jedes Heizelement ein und aus.
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Hierfür finden insbesondere dreiphasige Wechselstromsteller Verwendung,
die auch im Nulldurchgang schalten, so daß Netzstörungen wirksam unterdrückt werdenO
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung von Ausfuhrungsbeispielen anhand der Zeichnung Darin zeigene Fig. 1
ein Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Anlage, Fig. 2 ein vergleichbares Prinzip
schema einer Anlage nach der Erfindung mit schaltbaren Verbrauchern und Verbindung
zu einem Heizkreislauf, Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Regelanordnung,
Fig. 4 ein Prinzipschaltbild einer Pulsraster-Schaltung zur Verwendung in einer
erfindungsgemäßen Regelanordnung und Fig. 5 ein Diagramm des zeitlichen Spannungsverlaufes
mit Schaltimpulsen.
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Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist eine Antriebsmaschine A vorhanden,
die beispielsweise von Wind- oder Wasserkraft angetrieben wird und ihrerseits einen
Generator G antreibt. In der Generatoranlage 10 ist eine Regelanordnung 12 vorhanden,
die einen Wärmespeicher 14 ansteuert. Dieser enthält Heizelemente 16, 161, 16",
die einzeln von der Regelanordnung 12 angesteuert werden. Eine Leistungsanzeige
18 läßt erkennen, wie groß der Anteil der dem bzw. jedem Heizelement 16, 16', 168t
momentan zugeführten Leistung ist, verglichen mit dessen maximal möglicher Leistung.
Die Heizelemente 16, 16', 16" können Widerstandselemente oder andere Geräte sein,
z.B. Induktionsöfen, mit denen elektrische Energie in Wärmeenergie umgewandelt werden
kann, um letztere kontinuierlich oder bedarfsweise zu nutzen.
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Von diesem Grundaufbau geht die Gestaltung gemäß Fig. 2 gleichfalls
aus. Hier ist der Wärmespeicher 14 in Verbindung mit dem Heizkreislauf H einer vorhandenen
Heizungsanlage, die beispielsweise ein einzeln stehendes Fabrikgebäude, ein Wohnhaus
o.dgl.
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mit Wärmeenergie versorgt. Die Regelanordnung 12 verfügt über eine
Einrichtung zur Betätigung eines Unterbrechers 20, mit dem zusätzliche Verbraucher
(in Fig. 2 unten) an- und abschaltbar sind. Derartige Verbraucher können Motoren
M und Leuchten bzw.
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Lampen L sein, die über Schalter S nach Bedarf in Betrieb gesetzt
werden können.
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Wie Fig. 3 erkennen läßt, kann die Regelanordnung 12 eine Uberwachungseinrichtung
22 enthalten, mit der es möglich ist, bei Erreichen oder Überschreiten der verfügbaren
Generator-Vollast die den Verbrauchern L, M zugeführte Leistung anteilig herabzusetzen
bzw. bestimmte überzählige Verbraucher abzuschalten.
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Hierzu ist ein Soll-/Istwert-Vergleicher 24 vorgesehen, durch den
Stromsteller 26, 260 beaufschlagt werden, um das bzw. jedes Heizelement 16, 16',
16" des Wärmespeichers 14 entsprechend der augenblicklichen Generatorleistung anzusteuern.
Je nach der gerade vorhandenen Antriebsleistung ergibt sich ein Einschalttastverhältnis,
wobei
die Grundfrequenz der Tastung von der Restträgheit des Generators und der Ansprechgeschwindigkeit
der Regelanordnung abhängt. Das arithmetische Mittel zwischen Ein- und Ausschaltzeit
des bzw. jedes Heizelementes 16, 16, 16" ist bevorzugt der momentanen Antriebsleistung
proportional.
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Eine besonders schnelle Regelung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß das bzw. jedes Heizelement 16, 16', 16" gleichstromseitig durch einen geeigneten
Stromsteller getastet wird.
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Vor der Tastung wird also der vom Generator G bzw. G3 erzeugte Wechsel-
bzw. Drehstrom gleichgerichtet, so daß man das sonst bei Wechselstromstellern übliche
Ausschaltverhalten im Nulldurchgang vermeidet. Dank der schnellen Regelung eignen
sich die erfindungsgemäßen Anlagen zum Einsatz auch bei starken Schwankungen der
Antriebsleistung, etwa von Windkraftmaschinen oder langsamlaufenden Wasserrädern
mit hochübersetzendem Getriebe, wobei Unwuchten und Friktionen auszugleichen sind.
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Der in Fig. 4 schematisch veranschaulichte Frequenz-Spannungs-Wandler
28 gestattet eine sehr schnelle Frequenz-/Spannungs-Umsetzung mit einem für Drei-Phasen-Netzsysteme
neuartigen Samplingverfahren. Dies erlaubt die Erkennung einer Frequenz-Änderung
bereits nach Ablauf eines Bruchteils einer vollständigen Netzperiode; im gezeichneten
Beispiel kann dies der sechste Teil einer Periode sein, so daß die Regelungs-Totzeit
maximal 3,3 ms beträgt.
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Die-Grundschaltung gemäß Fig. 4 hat am Gleichspannungs-Eingang U einen
Stellwiderstand R, der in Verbindung mit einem Kondensator C1 einen Ausgleich von
Toleranz-Streubereichen und gegebenenfalls eine Zeitkonstanten-Einstellung erlaubt.
Die an CI anliegende Spannung kann mittels Schalter S1 zu Beginn einer Halbwelle
kurzzeitig entladen werden. Der Momentanwert der Spannung an C1 wird zum Ende dieser
Halbwelle über einen Schalter S2 und einen Impedanzwandler W1 an einen Kondensator
C2 weitergegeben, hinter dem am Ausgang eines Impedanzwandlers W2 die frequenzproportionale
Spannung einer Netzphase an Ausgangsklemmen abtlehmbar ist. Für weitere Phasen können
entsprechende
Schaltungen vorgesehen sein, wie punktiert angedeutet
ist, wobei die gemäß einer e-Funktion frequenzproportional abgebildeten Spannungsanteile
ausgangsseitig parallelgeschaltet sind. Die Stellwiderstände g gestatten es, Auswertetoleranzen
der einzelnen Phasen durch Beeinflussung des betreffenden RC-Gliedes auszugleichen.
Alternativ kann man durch Einsatz von Konstantstromquellen eine lineare Abbildung
der Frequenz auf die Spannung bewirken.
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Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung mit einem so gewonnenen
Pulsraster. In definierten Abständen zum Wechselspannungs-Nulldurchgang werden nacheinander
Steuerpulse erzeugt, welche die Schalter 51 und S2 so betätigen, daß die an C2 gespeicherte
Spannung eine Abbildung der Frequenz darstellt.
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Vorzugsweise enthält die Anlage 10 zur Frequenzüberwachung sowie für
Schutzfunktionen ein Frequenzrelais mit opto-elektronischer Frequenzanzeige. Über
zwei potentialfreie Wechselkontakte kann man überfrequenz und Unterfrequenzmeldungen
erhalten, beispielsweise bei 52 Hz und 48 Hz, um externe Steuerfunktionen wie Änderung
der Antriebsleistung oder Stillsetzung der Anlage 10 zu bewirken. Die an der Leistungsanzeige
10 bevorzugt eingesetzten LED-Leuchtmarken zeigen fortlaufend in Prozentwerten der
fest installierten Heizleistung an, welche Leistungsreserve momentan für den Gebrauch
zur Verfügung steht.
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Dieses System kann beispielsweise wie folgt ausgestattet und verwendet
werden. Beträgt die installierte Heizleistung 30 kW und steht die grünleuchtende
LED-Marke auf 50 96, so stehen für den Verbrauch noch 15 kW zur Verfügung. Nach
Zuschaltung dieser Leistung geht die Anzeige über eine gelbe Marke auf ein rotes
O-,4-Signal über. Bei-weiterer Belastung sinkt die Frequenz; wird die untere Frequenzgrenze,
z.B. 48 Hz, unterschritten, so schaltet ein internes Schütz bevorzugt sämtliche
Verbraucher ab, worauf die Frequenz dank dieser Entlastung wieder auf den Nennwert
von 50 Hz steigt. Sobald überzählige Verbraucher daraufhin abgeschaltet werden,
d.h. der Leistungsverbrauch auf höchstens 15 kW begrenzt wird, läßt sich durch Betätigen
des Hauptschalters -z.B. einer Taste "EIN" - der Betrieb wieder aufnehmen.
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Man erkennt, daß - bezogen auf die Antriebsmaschine A - die erfindungsgemäß
erzeugte Heizleistung als dynamische Bremse benutzt wird. Steigt die Antriebsleistung,
aus welchem Grunde auch immer, so erhöht die Regelanordnung 12 in gleichem Maße
die elektrische Belastung,- wodurch Drehzahl, Frequenz und Spannung des erzeugten
Wechsel stromes im wesentlichen konstant bleiben. Da die Leistungssteuerung insbesondere
vollelektronisch stattfindet, folgt die Regelung auch schnellen Lastschwankungen,
wie sie bei Windkraftmaschinen auftreten. Außerdem werden Uberschwing-Vorgänge vermieden,
die nach zu 8erz Stand der Technik bei Wasserturbinen kaum zu vermeiden waren.
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l Erfindungsgemäße Anlagen eignen sich insbesondere auch für kraftwärmegekoppelte
Antriebsmaschinen, wie sie vorzugsweise zur autonomen Stromversorgung dienen. Es
lassen sich also alle denkbaren Kraftantriebe wie Dieselmotor, Gasmotor, Dampfturbine
usw. verwenden. Während bei üblichen Notstromaggregaten die Drehzahl über die Kraftstoffzufuhr
gesteuert wird, gestattet es die Regelanordnung 12 der erfindungsgemäßen Generatoranlage10,
die Antriebsmaschine A mit ungehinderter Primärenergie bei optimalem Wirkungs- bzw.
Verbrennungsgrad arbeiten zu lassen.
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Dies gewährleistet einerseits eine hohe Lebensdauer, andererseits
das außerordentlich schnelle Ansprechen der Regelung auch in extremen Betriebsfällen.
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Dank der Erfindung ist es ferner möglich, bei Netzausfall automatisch
auf eine synchrone Notstromversorgung überzugehen. Hierzu kann ein ständig mitlaufender
Synchrongenerator vorhanden sein, dessen Leistung auf den Notstrombedarf ausgelegt
und der drehzahlmäßig so angepaßt ist, daß. seine Frequenz während Netzeinspeisung
stets unterhalb der Drehzahl-Regelschwelle liegt.
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Auf den angeschlossenen Wärmespeicher 14 wird daher im Normalbetrieb
keine Leistung abgegeben. Bei Netzausfall steigt jedoch die Frequenz des Synchrongenerators,
und ein Überfrequenz-Detektor steuert den Zufluß an Primärenergie soweit ab, daß
nun
die gewünschte Notstromleistung über die Regelanordnung 12 auf die Heizelemente
16, 16', 16" gelangen kann.
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Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden
Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten,
räumlicher Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch
in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Legende P 351 A Antriebsmaschine C1,C2 Kondensatoren G;G3~ Generator
H Heizkreislauf L Lampen/Leuchten M Motoren R (Stell-)Widerstände S;S1S3 Schalter
W1,W2 Impedanzwandler 10 Stromerzeugungs-/Generatoranlage 12 Regelanordnung 14 Wärme
speicher 16,16',16'' Heizelemente 18 Leistungsanzeige 20 Unterbrecher 22 Überwachungseinrichtung
24 Soll-/Istwert-Vergleicher 26,26o Stromsteller 28 Frequenz-Spannungs-Wandler