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Stromerzeugungsanlage B e s c h r e i b u n g Die Erfindung betrifft
eine Stromerzeugungsanlage gemaß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Kleinanlagen zur Stromerzeugung sind meist Wind- und Laufwasser-Kraftwerke,
bei denen die Energie des fließenden Mediums z.B. durch eine Turbine in eine Drehbewegung
umgesetzt und damit ein Generator angetrieben wird. Die Leistung solcher Anlagen
ist durch das jeweils vorhandene Druckgefälle und die du shflußmenge begrenzt. Diese
beiden Einflußgrößen unterliegen starken, insbesondere auch jahreszeitlichen Schwankungen,
weshalb aufwendige Regelungen notwendig und üblich sind. So kann man bei fasserturbinen
mit nahezu konstantem Wirkungsgrad und gleichbleibender Drehzahl sowie Fallhöhe
mittels eines mechanischen Leitapparats die aufgenommene Wassermenge dosieren, Es
sind ferner ungeregelte Pumpenturbinen im Einsatz, aie bei fester Fallhöhe und bestimmter
Drehzahl einen Wirkungsgrad auch weisen, der demjenigen geregelter Turbinen vergleichbar
ist. ca
es sich um Serienartikel handelt, sind derartige Aggregate
erheblich billiger als geregelte Turbinenanlagen, die 10- bis 15mal soviel kosten.
Allerdings ist die Anpassung einer ungeregelten Turbine an ein schwankendes Primärenergie-Dargebot
problematisch. Sinkt z.B. das Wasserdargebot ab, so verringert sich bei konstanter
Drehzahl die Stauhöhe im Druckrohr der verwendeten Turbine bis auf einen Betrag,
bei dem das durch verminderten Druck reduzierte Wasserschluckvermögen (die Durchflußmenge
je Zeiteinheit) mit der Zulaufmenge übereinstimmt; damit erreicht die Wirtschaftlichkeit
des Turbinenbetriebes ihre Grenze.
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Es ist ein wichtiges Ziel der Erfindung, die Nachteile des Standes
der Technik mit wirtschaftlichen Mitteln zu überwinden und für ungeregelte Antriebsaggregate
eine preiswerte Drehzahlregelung zu schaffen, die eine gute Anpassung an veränderliche
Primärenergie-Verhältnisse, d.h. an ein variables Wind- bzw.
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Wasserdargebot, bei gleichzeitiger Optimierung des Wirkungsgrades
ermöglicht. Speziell soll die Antriebsmaschine mit gutem Wirkungsgrad bei unterschiedlichen
Drehzahlen arbeiten können, um mit einem von ihr angetriebenen Generator technischen
Wechsel- bzw.
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Drehstrom von konstanter Frequenz und konstanter Spannung zu liefern.
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Der Grundgedanke der Erfindung ist im kennzeichnenden Teil von Anspruch
1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 8.
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Die Erfindung sieht eine Regelung derart vor, daß die Antriebsmaschine
zum Zwecke der Optimierung ihres Wirkungsgrades mit unterschiedlichen Drehzahlen
arbeiten kann, wobei trotz variabler Generatordrehzahl technischer Wechsel- bzw.
Drehstrom mit konstanten Daten erzeugt wird. Die Antriebsmaschine kann eine Windturbine,
eine ungeregelte Wasserturbine ohne mechanische Leitvorrichtung, eine herkömmliche
Serienpumpe, eine Pumpe mit
Leitapparat usw. sein. Trotz schwankender
Primär-Antriebsleistung bzw. schwankenden Wasserdargebots werden durch die erfindungsgemäß
Anpassung der Turbinendrehzahl bei veränderlichem Druckgefälle und veränderlichen
Durchflußmengen in weitem Bereich optimale Wirkungsgradwerte erreicht. Beispielsweise
senkt eine Herabsetzung der Turbinendrehzahl das Schluckvermögen, und zwar ohne
größeren Abfall des Wirkungsgrades, weil sich die Fallhöhe beibehalten bzw. stabilisieren
läßt. Die vom Generator gelieferte Leistung kann in ein Verbundnetz eingespeist
oder z.B. in Anlagen gemäß der DE-PS 31 51 185 im Inselnetz verbraucht werden.
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Gemäß Anspruch 2 besteht eine wichtige Weiterbildung im Anschluß eines
Mikroprozessors, der einerseits mit Meßeinrichtungen der Antriebsmaschine sowie
des Generators und andererseits mit einer Regelanordnung verbunden ist, um die Drehzahl-Nachführung
der Antriebsmaschine zu regeln. Laut Anspruch 3 kann der Mikroprozessor mit verschiedenen
Meßumformern verbunden sein, so daß Einflußgrößen wie Staudruck bzw. Fallhöhe, Turbinen-Kennlinie
und -Istdrehzahl, Generator-Momentanleistung usw. eingegeben und verarbeitet werden
können. Der Mikroprozessor errechnet die unter den momentanen Bedingungen optimale
Drehzahl und bewirkt an der Antriebsmaschine die entsprechende Drehzahl-Nachführung.
Der Mikroprozessor kann gemäß Anspruch 4 einen Dreipunktregler aufweisen, dessen
Ausgang Stellpulse zur schrittweisen Erhöhung oder Absenkung der Drehzahl liefert.
Das Steuerprogramm kann vor Ort in einen Festwertspeicher (EPROM) eingelesen, also
an die örtlichen Verhältnisse angepaßt werden.
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Ist eine Inselnetz-Versorgung vorgesehen, so eigne t sich die Ausgestaltung
gemäß Anspruch 5, wobei eine .Regelarordnung gemäß der DE-PS 31 51 851 Verwendung
finden kann. Der erzeugte frequenz und spannungsvariable Drehstrom wird in wenigz.en.,
einem Heizelement eines Wärmespeichers anteilig verheizt; über einen rotierenden
oder statischen Wechselrichter mi Gleichstrom-Zwischenkreis erfolgt die Inselnetz-Versorgung
mit frequenz-und
spannungskonstantem Drehstrom. Man erkennt, daß
die vom Generator gelieferte elektrische Energie sich auf Heizung und Inselnetz
verteilt, wobei letzteres durch die Regelanordnung vorrangig versorgt wird.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 6 sieht die
Verwendung eines Drehstrom-Nebenschlußgenerators vor, so daß Generator und Regelanordnung
in einer Baueinheit vereinigt sind.
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Der Stellmotor des Nebenschlußgenerators wird von dem Mikroprozessor
gesteuert. Dies erlaubt eine Drehzahlregelung im Verhältnis 3 : 1; die Bürstenkränze
des läufergespeisten Drehstrom.
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Kommutatormotors können gegeneinander auf einfache Weise verstellt
werden, um die Phasenlage der abgegriffenen Spannung zu verändern. Bei treibender
Last erfolgt sowohl unter- als auch übersyrichron der uebergang vom Motor- in den
Generatorbetrieb, d.h. ohne Umschaltung, so daß eine Nutzbremsung mit Rückspeisung
ins Netz stattfindet. Die gewonnene elektrische Energie kann daher mit konstanter
Frequenz und konstanter Spannung an das Verbundnetz geliefert werden. Wiederum wird
die jeweilige Drehzahl-Nachführung durch die Stellbefehle des Mikroprozessors geregelt.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht gemäß Anspruch
7 darin, daß die Regelanordnung ein stufenlos stellbares Getriebe mit veränderlicher
Eingangsdrehzahl und konstanter Ausgangsdrehzahl aufweist bzw. bildet. Hierbei kann
eine ungeregelte Pumpenturbine Verwendung finden, und der Mikroprozessor führt einer
Stelleinrichtung für das stufenlose Getriebe die erforderlichen Stellbefehle für
die jeweils optimale Übersetzung zu.
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Für noch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stromerzeugungsanlage
ist laut Anspruch 8 vorgesehen, daß die Regelanordnung einen insbesondere statischen
bidirektionalen Frequenzumsetzer aufweist, der an einen zwischen Mikroprozessor
und Generator geschalteten Komparator angeschlossen ist. Diese
Anordnung
gestattet es, die weit fortgeschrittene Umrichtertechnik auszunutzen, so daß eine
zuverlässige Regelung in besonders großem Drehzahlbereich bewirkt wird.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung.
Darin zeigen: Fig. 1 ein Schema einer Stromerzeugungsanlage mit Regelanordnun für
Inselnetz-Versorgung, Fig. 2 ein Schema einer Anlage mit Drehstrom-Nebenschlußgenerat
für Verbundnetz-Speisung, Fig. 3 ein Schema einer Anlage mit stufenlos regelbarem
Getrieb Fig. 4 ein Schema einer Anlage mit Frequenzumsetzer-Regelung un Fig. 5 eine
schematische Darstellung einer Stromerzeugungsanlag mit Wasserturbine und Drehstrom-Nebenschlußgenerator.
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Im Schema der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel mit einer Antriebsmaschine
A dargestellt, die von Primärenergie getrieben wird und z.B. eine Wasserturbine
sein kann. Mit ihr steht ein Generator G3 in Antriebsverbindung. Dieser Drehstromgenerator
speist eine Regelanordnung 12 mit einem Wärmespeicher 14, der Heizelemente 16 aufweist.
Außerdem steht der Ausgang des Drehstr generators mit einem Gleichstrom-Zwischenkreis
33 in Verbindung, der einen Wechselrichter 40 beaufschlagt. Letzterer gibt ausgangsseitig
eine auf konstante Frequenz und konstante Amplitude eingeregelte Spannung an ein
Drehstrom-Inselnetz I ab.
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Kernstück der Anlage ist ein Mikroprozessor 30, der von einem (nicht
dargestellten) Kennliniengeber K und einem (ebenfalls nicht gezeichneten) Druck-Meßumformer
32 Eingabedaten erhält.
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Ein an der Antriebsmaschine A vorgesehener Drehzahl-Meßumformer und
ein am Generator G3 angeordneter Leistungs-Meßumformer 36 liefern weitere Meßdaten
an den Mikroprozessor 30. Dieser steuer nach einem vorgebbaren Programm die Regelanordnung
12. Diese teilt in der insgesamt mit 10 bezeichneten Anlage die erzeugte
Leistung
einerseits auf die Heizelemente 16 des Wärmespeichers 14, andererseits über den
Umrichter 38/40 auf die Versorgung des Inselnetzes I auf, wobei letztere durch entsprechende
Ausgestaltung der Regelanordnung 12 Vorrang erhält.
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Bei dem in Fig. 2 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist die Regelanordnung
mit dem Drehstromgenerator zu einer Baueinheit vereinigt. Letzterer ist als Drehstrom-Nebenschlußgenerator
44 ausgebildet, dessen (nicht gezeichneter) Stellmotor unmittelbar vom Ausgang des
Mikroprozessors 30 gesteuert wird. Die erzeugte elektrische Leistung kann örtlich
verbraucht und/oder in ein Verbundnetz V eingespeist werden.
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Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 steht die Antriebsmaschine, die eine
ungeregelte Pumpenturbine sein kann, mit einem stufenlos regelbaren Getriebe 48
in Antriebsverbindung, das abtriebsseitig mit dem Generator G3~ verbunden ist. Der
Mikroprozessor 30, welcher wiederum von Meßumformern 32, 34, 36 Eingabedaten bezüglich
Druck, Drehzahl und Leistung bekommt, steuert über ein (nicht gezeichnetes) Stellglied
das Getriebe 48 an, dessen Eingangsdrehzahl n1 veränderlich ist, während die Ausgangsdrehzahl
n2 konstant bleibt. Der Generator ist als Drehstrom-Asynchronmaschíne ausgebildet
und kann seine Leistung in ein Verbundnetz V einspeisen.
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Noch eine andere Anordnung ist in Fig. 4 schematisch veranschaulicht.
Diese Ausführungsform der Anlage 10 sieht als Antriebsmaschine A eine ungeregelte
Turbine vor, die mit einem Drehstrom-Asynchrongenerator G3 antriebsverbunden ist.
An diesem ist ein Drehzahl-Meßumformer oder Tachogenerator 34 angebracht. Dessen
Signal wird in einem Komparator 52 mit einem Signal verglichen, das vom Ausgang
eines vom Drehstromgenerator beaufschlagten Frequenzumsetzers 50 abgenommen wird.
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Letztere steht über einen Treiberbaustein 54 mit dem Mikroprozessor
30 in Verbindung. Außerdem ist ein durchstimmbarer Oszillator 56 vorgesehen, der
einerseits mit dem Komparator 52,
andererseits mit dem Mikroprozessor
30 in Verbindung steht.
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Die am Ausgang zu einem Verbundnetz erzeugte Leistung wird mittels
Stromwandlern in einem Meßumformer 36 erfaßt und dem Mikroprozessor 30 gemeldet.
Dessen Stellbefehle wirken über den Treiberbaustein 54 auf den Frequenzumsetzer
50 ein, durch den eine Regelung in besonders weitem Drehzahlbereich möglich ist.
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Das Schema der Fig. 5 zeigt die Anordnung einer erfindungsgemäße Anlage
10 als Laufwasser-Kraftwerk. Vom Oberwasser O gelangt die Zulaufmenge durch ein
Druckrohr 42 zur Antriebsmaschine A, die eine Wasserturbine ohne Leitapparat ist.
Sie treibt einen drehzahlvariablen Drehstrom-Nebenschlußgenerator 44, der Energie
an ein Verbundnetz V liefert. Die Regelung erfolgt wiederum mittels des Mikroprozessors
30, der mit einem Dreipunktregler 6C versehen ist. Die Eingabedaten kommen von einem
Druck-Meßumforme 32, der oberwasserseitig am Druckrohr 42 angebracht sein kann,
ferner vom Drehzahl-Meßumformer 34 am Generator 44 und, an desse Spannungsausgang,
über einen Stromwandler von einem Leistungs-Meßumformer 36. Der Mikroprozessor 30
steuert den Stellmotor 46 des Drehstrom-Nebenstromgenerators 44. Die Durchflußmenge
gelang in das Unterwass U. Man erkennt, daß die Fallhöhe gleich dem Abstand zwischen
Oberwasser- und Unterwasserspiegel (= 0 - U) ist. Der Regelungsvorgang vollzieht
sich prinzipiell nach Art der Anordnung von Fig. 2.
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Der Mikroprozessor 30 kann aus einer preisgünstig gefertigten Leiterkarte
mit Festwertspeicher bestehen. Vorzugsweise dient als Druck-Meßumformer 32 ein piezoelektrischer
Wandler mit integrierter Elektronikschaltung; der zu erfassende Druck- bzw.
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Fallhöhenbereich wird in ein entsprechend kalibriertes Stromsignal
von 0 bis 20 mA umgesetzt. Zur Erfassung der Turbinendrehzahl dient ein entsprechender
Meßumformer 34 mit vergleichbarem Signal-Strombereich. Der Leistungs-Meßumformer
36 benötigt je Netzphase einen Stromeingang. Auch hier wird zweckmäßig eine Ausführung
gewählt, welche die Drehstrom-Gesamtleistung zwischen
O und ihrem
Maximalwert in ein entsprechendes Stromsignal von O bis 20 mA umformt. Hierzu stehen
Ausführungsformen für gleichbelastete Dreileitersysteme und für ungleich belastete
Vierleitersysteme zur Verfügung. Bei der Einspeisung in ein Verbundnetz V hat man
ein symmetrisch belastetes Dreileitersystem, wobei der Nulleiter zur Vermeidung
von Flickererscheinungen nicht angeschlossen sein darf; der Meßumformer benötigt
nur den Stromanschluß von einer Netzphase. Bei der Versorgung durch Inselnetz I
ist ein unsymmetrisch belastetes Vierleitersystem zu verwenden, mit je einem Stromeingang
des Leistungs-Meßumformers 36 für Jede Netzphase.
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Zur Erläuterung der Arbeitsweise der Anlage 10 sei nachfolgend vom
geregelten Zustand ausgegangen, so daß die Turbine A die bei gegebener Fallhöhe
und Durchflußmenge maximal mögliche Leistung liefert. Der Rechner 30 registriert
den fallhöhenproportionalen sowie den leistungsproportionalen Eingangs strom in
festen Zeitabständen. Aufeinanderfolgende Meßwerte werden verglichen. Ubersteigen
die Abweichungen der laufenden Druckmeßwerte eine vorgegebene Toleranzschwelle,
so wird das eigentliche Regelprogramm abgerufen. Druckanstieg, d.h. gesteigerte
Wasserzufuhr, verursacht die Ausgabe zeitgestaffelter Stellbefehle zu entsprechender
Drehzahl-Erhöhung. Schluckvermögen und Turbinenleistung steigen, bis das Leistungsmaximum
überschritten wird. Nun wird die Drehzahl bis zum gespeicherten Höchstwert herabgesetzt
und beibehalten. In analoger Weise werden bei Druckabfall bzw. Wassermangel Stellbefehle
zur Drehzahl-Senkung abgegeben, bis auch in diesem Falle die optimale Leistung erreicht
ist.
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Die Erfindung ist in entsprechender Weise anwendbar, wo einphasiger
Wechselstrom genügt, so daß in den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Drehstromgenerator
G bei vereinfachtem Schaltungsaufwand durch einen Wechselstromgenerator ersetzt
wird.
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In den Rahmen der Erfindung fällt es ferner, daß nicht nur die Antriebsmaschine
A rechnergeführt drehzahlregelbar sein muß, sondern bedarfsweise auch der Generator
entsprechend geregelt werden kann. Auch in diesem Falle ist der Mikroprozessor 30
mit Vorteil einsetzbar. Auch können, wo erwünscht.
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Analog-/Digital-Wandler und andere elektronische Bausteine verwendet
werden. An zweckmäßiger Stelle kann ein Nullpunkt-Erfasser angeordnet werden.
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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 449 A Antriebsmaschine (Turbine) G Generator K Kennliniengeber
I Inselnetz V Verbundnetz O Oberwasserspiegel U Unterwasserspiegel nl Getriebe-Eingangsdrehzahl
n2 Getriebe-Ausgangsdrehzahl 10 Stromerzeugungsanlage 12 Regelanordnung 14 Wärmespeicher
16 Heizelemente 30 Mikroprozessor 32 Druck-Meßumformer 34 Drehzahl-Meßumformer 36
Leistungs-Meßumformer 38 Gleichrichter/Gleichstrom-Zwischenkreis 40 Wechselrichter
42 Druckrohr 44 Drehstrom-Nebenschlußgenerator 46 Stellmotor 48 stufenlos stellbares
Getriebe 50 Frequenzumsetzer 52 Komparator 54 Treiberbaustein 56 Oszillator 60 Dreipunktregler