DE3151851C2

DE3151851C2 - Anlage zur Stromerzeugung

Info

Publication number: DE3151851C2
Application number: DE19813151851
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: CHRISTA EICHMANN HERSTELLUNG und VERTRIEB ELEKTRONISCHER GERAETE 6301 RABENAU DE
Current assignee: CHRISTA EICHMANN HERSTELLUNG und VERTRIEB ELEKTRONISCHER GERAETE 6301 RABENAU DE
Priority date: 1981-12-30
Filing date: 1981-12-30
Publication date: 1983-12-08
Also published as: DE3151851A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Stromerzeugung (10) mit einer Antriebsmaschine (A) für einen elektrischen Generator (G), der über eine Regelanordnung (12) wenigstens ein Heizelement (16, 16Δ, 16ΔΔ) eines Wärmespeichers (14) speist. Das bzw. jedes Heizelement (16, 16Δ, 16ΔΔ) des Wärmespeichers (14) ist auf den Höchstwert der damit verarbeitbaren elektrischen Leistung ausgelegt und durch die Regelanordnung (12) in jedem Augenblick lediglich mit der momentanen Generatorleistung beaufschlagt. Antriebsmaschine (A) und Generator (G bzw. G3 ~) arbeiten mit wenigstens genähert konstanter Drehzahl, selbst bei stark - z.B. zwischen Leerlauf und Vollast - schwankender Primär-Antriebsleistung. Die Gesamtleistung der angeschalteten Verbraucher wird so geregelt, daß sie stets kleiner als die momentane Generatorleistung oder ihr höchstens gleich ist. Eine Anzeigeeinrichtung (18) zeigt den von der Regelanordnung (12) an das bzw. jedes Heizelement (16, 16Δ, 16ΔΔ) abgegebenen Leistungsanteil fortlaufend an. Die Antriebsmaschine (A) kann von künstlichen oder Natur-Energiequellen gespeist und samt Generator (G; G3 ~) sowie Regelanordnung (12) in einer Baueinheit vereinigt sein. Der Wärmespeicher (14) ist mit einer vorhandenen Heizanlage ständig oder bedarfsweise verbindbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Stromerzeugung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei herkömmlichen Energieerzeugungsanlagen der verschiedensten Art wird allgemein die jeweils gewonnene Energie bzw. Leistung in jedem Augenblick voll abgeführt Beispielsweise erfolgt die Nutzung von Windenergie mitteis Generatoren, deren Leistung mit ihrer Drehzahl schwankt, weil die momentane Generatorspannung davon abhängt, wie schnell der windgetriebene Rotor umläuft In Windkraftwerken treibt das möglichst hoch (z. B. auf einem Turm) angeordnete Antriebsaggregat einen Generator, dessen Stromerzeugung zur Speisung von Wärmespeicherr. oder elektrischen Ve^rbrauchern 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.

Bekannt ist es, mittels wasser- oder windkraftgetriebenen Asynchrongeneratoren 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 zwangläufig stillgesetzt werden, denn die nicht mehr abgenommene Energie könnte zum Hochlaufen der Drehzahl und infolgedessen zu Beschädigungen führen.

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.

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.

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 hydrau-

lischem Wege derart regeln, daß trotz unterschiedlicher Belastung und unterschiedlicher Antriebsleistung ein luasi-drehzahlkonstanter Betrieb möglich ist Nachteilig ist es hierbei, daß der Regelvorgang langsam und mit Oberschwingen vor sich geht Die Regler sind auch teuer, können aber eine Vergeudung von Energie bei wenigen angeschlossenen Verbrauchern nicht verhindern.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei Siromerzeugungs-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.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst Hiernach wird nicht — wie üblich — die Antriebsleistung geregelt sondern umgekehrt der elektrische Verbrauch an dL· Antriebsleistung angepaß. 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

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10.

Die Verwendung eines Drehstromgenerators ist in Anspruch 2 vorgesehen.

Die Weiterbildungen gemäß den Ansprüchen 3 und 4 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 5 ermöglicht es, die am Heizelement anteilig gegebene elektrische Leistung ständig und unverzögert zu erkennen.

Die Art des Antriebs und der Anlagenaufbau können gemäß den Ansprüchen 6 bis 9 ausgestaltet sein, um sowohl die Vielseitigkeit des Einsatzes zu steigern als so auch den Platzbedarf zu verringern und selbständige Inselnetze in besonders wirtschaftlicher Weise zu ermöglichen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert Darin zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschema einer erfindungsgemäßen Anlage,

F i g. 2 ein vergleichbares Prinzipschema einer Anlage nach der Erfindung mit schaltbaren Verbrauchern und Verbindung zu einem Heizkreislauf,

Fi g. 3 eine schematische Darstellung einer Regelanordnung,

Fig.4 eine Prinzipschaltbild einer Pulsraster-Schaltung zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Regelanordnung und

F i g. 5 ein Diagramm des zeitlichen Spannungsverlaufes mit Schaltimpulsen.

Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist eine Antriebsmaschine A vorhanden, die beispielsweise von Windoder 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, 16', 15", die einzeln von der Regelanordnung 12 angesteuert werdea Eine Leistungsanzeige 18 läßt erkennen, wie groß der Anteil der dem bzw. jedem Heizelement 16, 16', 16" 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.

Von diesem Grundaufbau geht die Gestaltung gemäß Fig. 2 gleichfalls aus. Hier ist der Wärmespeicher 14 in Verbindung mit dem Heizkreislauf //einer vorhandenen Heizungsanlage, die beispielsweise ein einzeln stehendes Fabrikgebäude, ein Wohnhaus od. dgl. 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. Lampen L sein, die über Schalter 5 nach Bedarf in Betrieb gesetzt werden können.

Wie Fi g. 3 erkennen läßt, kann die Regelanordnung 12 eine Überwachungseinrichtung 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. Hierzu ist ein Soll-/Istwert-Vergleicher 24 vorgesehen, durch den Stromsteller 26, 26o 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 Einschalttastverhälinis, 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.

Eine besonders schnelle Regelung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das bzw. jedes Heizelement 16,16', 16" gleichstromseitig durch einen geeigneten Stromsteller getastet wird. Vor der Tastung wird also der vom Generator C 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.

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.

Die Grundschaltung gemäß Fig.4 hat am Gleichspannungs-Eingang U = einen Stellwiderstand R, der in Verbindung mit einem Kondensator Ci einen Ausgleich von Toleranz-Streubereichen und gegebenenfalls eine Zeitkonstanten-Einstellung erlaubt. Die an Ci anliegende Spannung kann mittels Schalter Si zu Beginn einer Halbwelle kurzzeitig entladen werden. Der Momentanwert der Spannung an Ci wird zum Ende dieser Halbwelle über einen Schalter 5i und einen Impedanzwandler W\ an einen Kondensator C2 weitergegeben, hinter dem am Ausgang eines Impedanzwandlers Wj die frequenzproportionale Spannung einer Netzphase an Ausgangsklemmen abnehmbar 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 R gestatten es, Auswertetoleranzen der einzelnen Phasen durch Beeinflussung des betreffenden /?C-Gliedes auszugleichen. Alternativ kann man durch Einsatz von Konstantstromquellen eine lineare Abbildung der Frequenz auf die Spannung bewirken.

F i g. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung mit einem so gewonnenen Pulsraster. In definierten Abständen zum Wechselspannungs-Nulldurchgang werden nacheinander Steuerimpulse erzeugt, welche die Schalter Si und & so betätigen, daß die an Ci gespeicherte Spannung eine Abbildung der Frequenz darstellt.

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, weiche Leistungsreserve momentan für den Gebrauch zur Verfügung steht.

Dieses System kann beispielsweise wie folgt ausgestattet und verwendet wenden. Beträgt die installierte Heizleistung 30 kW und steht die grünleuchtende LED-Marke auf 50%, so stehen für den Verbrauch noch 15 kW zur Verfugung. Nach Zuschaltung dieser Leistung geht die Anzeige über eine gelbe Marke auf ein rotes 0-%-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.

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 Wechselstromes im wesentlichen konstant bleiben. Da die Leistungssteuerung insbesondere vollelektronisch stattfindet, folgt die Regelung auch schnellen Lastschwankungen, wie sie bei Windkraftmaschinen auftreten. Außerdem werden Überschwing-Vorgänge vermieden, die nach dem Stand der Technik bei Wasserturbinen kaum zu vermeiden waren.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anlage zur Stromerzeugung (10) mit einem elektrischen Generator (G), der von einer Antriebsmaschine (A) mit stark schwankender Leistungsabgabe angetrieben ist, mii einer Regelanordnung (12), mit einem aus wenigstens einem Heizelement (16, 16', 16") eines Wärmespeichers (14) bestehenden ersten Verbraucher und zusätzlichen zweiten Verbrauchern, wobei die Verbraucher mittels der Regelanordnung derart vom Generator gespeist sind, daß die dem Wärmespeicher zugeführte momentane Generatorleistung höchstens gleich der mit dem Verbraucher verarbeitbaren elektrischen Leistung ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (G) cm spannungsgeregelter Wechselstromgenerator ist und daß mittels der Regelanordnung (12) Verbraucherleistung und Generatorleistung derart angepaßt werden, daß Antriebsmaschine (A) und Generator (G) mit wenigstens angenähert konstanter Drehzahl arbeiten.

2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator ein Drehstromgenerator (G3~)zut Erzeugung von drei Phasen konstanter Spannung (z. B. je 220 V) ist

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Generator (G; G3~) und Regelanordnung (12) ohne Beeinträchtigung von deren Betriebswerten (Drehzahl bzw. Spannung und Frequenz) die zweiten Verbraucher mit einer Gesamtleistung anschaltbar sind, die kleiner als die momentane Generatorleistung oder ihr höchstens gleich ist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelanordnung (12) eine Überwachungseinrichtung (22) enthält, durch welche bei Erreichen oder Überschreiten der verfügbaren Generator-Vollast die den Verbrauchern zugeführte Leistung anteilig herabsetzbar ist oder ausgewählte überzählige Verbraucher abschaltbar sind.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß cine Anzeigeeinrichtung (18) für die von der Regelanordnung (12) an das bzw. jedes Heizelement (16, 16', 16") abgegebene Leistung als Anteil seines Leistungs-Höchstwertes vorhanden ist

6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Regelanordnung (12) die Drehzahl des Generators (G; GZ-) bzw. die Frequenz des erzeugten Wechselstroms trägheitslos erfaßt, vorzugsweise als analoge Spannung abgebildet und diese einem elektronischen Soll-/Istwert-Vergleicher (24) zugeführt wird, von dem aus das bzw. jedes Heizelement (16, 16', 16") über Stromsteller (26) ein- und ausschaltbar ist.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß insbesondere bei einem seine Spannung selbstregelnden Drehstromgenerator dreiphasige Wechselstromsteller (26p) vorhanden sind, die auch im Nulldurchgang schalten.

8. Anlage nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. jedes Heizelement (16, 16', 16") mittels der Stromsteller (26, 26») gleichstromseitig schaltbar ist.

9. Anlage nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die bzw. jede Phase des erzeugten Wechsel- bzw. Drehstroms ein Frequenz-Spannungs-Wandler (28) vorgesehen ist (Fig.4), namentlich mit wenigsten¹; je einem ÄC-Glied und zwei Impedanzwandlern (Wu M^).

10. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmaschine (A, z. B. Turbine mit Getriebe), der Generator (G; G3~) und die Regelanordnung (12) in einer Baueinheit vereinigt sind.