DE3931800A1 - Verfahren und vorrichtung zur stabilisierung einer drehstromversorgung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung einer Drehstromversorgung.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Vorrichtung zur Stabilisierung einer Drehstromversorgung.

Bekannte Verfahren zur Stabilierung einer Drehstromver­ sorgung lassen sich insbesondere dann nicht zufriedenstel­ lend anwenden, wenn Energieversorgungen mit begrenzter Leistung im Inselbetrieb zur Speisung von optimal zu betrei­ benden Verbrauchern verwendet werden. Bei der Durchführung dieser Verfahren ist es nicht möglich, sowohl einen opti­ mierten Betrieb im Bereich der Drehstromversorgung als auch einen optimierten Betrieb im Bereich der Verbraucher zu gewährleisten. Darüber hinaus können keine dynamischen Über­ lastungen, wie sie zum Beispiel beim Anlauf von elektrischen Motoren auftreten, abgedeckt werden.

Bekannte Vorrichtungen zur Stabilisierung von Drehstomnetzen sind verbreitet so konstruiert, daß das Netz über einen Umrichter mit einer Batterie gekoppelt ist. Die Batterie nimmt aktuell nicht benötigte Energie auf und gibt sie zu Zeiten, in denen der Energiebedarf der Verbraucher die Leistungsfähigkeit der Drehstromversorgung übersteigt, wie­ der ab. Der Umrichter führt zum einen die Gleichrichtung der aus dem Drehstromnetz in die Batterie eingespeisten Ströme durch, zum anderen führt er die Rücktransformation der von der Batterie bei einer Netzspeisung abgegebenen Gleichströme in das Drehstromsystem durch. Die Verwendung derartiger Batterien ist jedoch mit einem erheblichen Investitionsauf­ wand verbunden. Darüber hinaus ist die Lebensdauer der Bat­ terien bei ständig wechselnden Be- und Entladevorgängen, insbesondere in Verbindung mit hohen Be- bzw. Entladeströ­ men, begrenzt. Zur Vermeidung einer Schädigung der Batterie kann auch nur eine durch die konstruktive Auslegung der Batterien vorgegebene begrenzte Leistung aus der Batterie entnommen werden. Dynamische Überlasten sind daher mit einer derartigen Konfiguration bei vertretbarem Aufwand nicht abzudecken.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Ver­ fahren der einleitend genannten Art so zu verbessern, daß ein Verbraucher bei zeitlich veränderlicher Leistungsauf­ nahme sowie kurzzeitigen Leistungsüberhöhungen und zeitlich veränderlicher Leistungsfähigkeit der Energieversorgung wir­ kungsgradgünstig betrieben werden kann.

Weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art so zu konstruieren, daß sie preis­ wert herstellbar ist und störungssicher betrieben werden kann.

Die erste Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine mit mindestens einer Synchronmaschine gekop­ pelte Schwungmasse mit der Differenz eines von der Dreh­ stromversorgung abgegebenen und von mindestens einem Ver­ braucher aufgenommenen Energieflusses beaufschlagt wird.

Die weitere Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mindestens eine mit mindestens einer Schwungmasse gekoppelte Synchron­ maschine einen die Energieversorgung mit mindestens einem Verbraucher verbindenden Netz parallelschaltbar angeordnet ist.

Die mechanische Speicherung der Energie als kinetische Ener­ gie der Schwungmasse gewährleistet eine störungsarme Durchführung des Verfahrens, da lediglich betriebssichere und robuste Bauelemente benötigt werden. Die Zwischenspei­ cherung aktuell nicht benötigter Energie ermöglicht eine optimale Auslegung der Drehstromversorgung im Bereich eines hohen Wirkungsgrades.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Verbraucher zeitlich getaktet mit der Energieversorgung verbunden. Die zeitliche Taktung kann in Abhängigkeit von der Drehzahl der Synchronmaschine erfolgen. Eine derartige Taktung weist den Vorteil auf, daß auch bei stark schwanken­ den Energieabgaben der Drehstromversorgung stets ein wir­ kungsgradgünstiger Betrieb der Verbraucher gewährleistet ist. Bei einer Leistungsabgabe der Drehstromversorgung, die geringer als die von den Verbrauchern benötigte Leistung ist, werden die Verbraucher zunächst vom Versorgungsnetz abgetrennt und die erzeugte Leistung vollständig der Syn­ chronmaschine zugeführt. Die Synchronmaschine beschleunigt während einer derartigen Aufladeperiode den Schwungrad­ speicher auf einen vorgegebenen maximalen Dreh­ zahlwert. Nach dem Abschluß dieses Aufladevorganges werden die Verbraucher zugeschaltet und parallel sowohl von der Energieversorgung als auch von der Synchronmaschine ge­ speist. Bei einer Mindestdrehzahl der Synchronmaschine, die durch die Frequenzabhängigkeit des Wirkungsgrades der Ver­ braucher festgelegt ist, werden die Verbraucher wiederum vom Netz getrennt und die gesamte von der Energieversorgung erzeugte Leistung erneut der Synchronmaschine zugeführt. Ein Betrieb der Verbraucher in Betriebsbereichen mit geringem Wirkungsgrad kann somit wirkungsvoll vermieden werden.

Zur Vermeidung einer mechanischen Beschädigung der Kombina­ tion aus Synchronmaschine und Schwungmasse darf konstruk­ tionsbedingt eine Höchstdrehzahl nicht überschritten werden. Ist der Energiespeicher auf diese Höchstdrehzahl aufgeladen, wird die überschüssige Energie den Verbrauchern zugeführt. Hierdurch wird zwar in Kauf genommen, daß sich der Wirkungs­ grad der Energieausnutzung im Bereich der Verbraucher ver­ mindert, insbesondere bei einem Inselbetrieb kann hierdurch aber anderweitig nicht verwendbare elektrische Energie ein­ gesetzt werden. Zur Minimierung dieser nicht wirkungsgradop­ timalen Betriebsphasen ist es jedoch möglich, zum einen die Kapazität des Energiespeichers geeignet auszulegen, zum anderen ist es auch möglich, mehrere parallel zuschaltbare Energiespeicher vorzusehen.

Die erfindungsgemäße Konstruktion der Vorrichtung ermöglicht die Verwendung von preiswerten und robusten Bauelementen. Sowohl Synchronmaschinen als auch Schwungmassen sind in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen zur Abdeckung eines großen Bandes an unterschiedlichen Betriebsbedingungen und Leistungsanforderungen erhältlich. Ein Betrieb der Vor­ richtung kann somit auch unter erschwerten Betriebsbedin­ gungen, beispielsweise bei einem Einsatz unter klimatisch belastenden Einflüssen, gewährleistet werden. Auch ohne ständige Verfügbarkeit von Servicepersonal kann somit ein langfristig zuverlässiger Betrieb gewährleistet werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Synchronmaschine einen Drehgeber auf, dessen Meßinforma­ tion einem das Drehstromnetz speisenden Umrichter zugeführt wird. Der Betrieb des Umrichters in Abhängigkeit von der Rotorlage der Synchronmaschine gewährleistet eine betriebs­ sichere Speisung des Schwungradspeichers. Eine mangelnde Synchronisation der in die Synchronmaschine eigespeisten Ströme in Relation zur Rotorlage der Synchronmaschine wird hierdurch zuverlässig vermieden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt ist.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 Eine Betriebsskizze einer Anordnung zur photovol­ taischen Versorgung einer Drehstromlast mit dem Netz parallelschaltbarem Energiespeicher,

Fig. 2 Ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Energieab­ gabe der Drehstromversorgung, des Energieflusses des Schwungradspeichers sowie der Energieaufnahme der Verbraucher.

Eine Vorrichtung zur Stabilisierung einer Energieversorgung (1) besteht im wesentlichen aus einer Synchronmaschine (2) und einer Schwungmasse (3). Die Synchronmaschine (2) ist über eine Kupplung (4) mit der Schwungmasse (3) verbunden. Die Kupplung (4) ist als starre Verbindung ausgebildet. Es ist aber auch möglich, die Kupplung (4) als lösbare Verbin­ dung auszubilden und mehrere Schwungmassen (3) vorzusehen, von denen mindestens eine über die Kupplung (4) mit der Synchronmaschine (2) verbunden ist.

Die Synchronmaschine (2) ist über Zuleitungen (5) mit einem Drehstromnetz (6) verbunden, das elektrische Energie von der Energieversorgung (1) in Richtung auf mindestens einen elek­ trischen Verbraucher (7) leitet. Der elektrische Verbraucher (7) ist als Asynchronmotor (8) ausgebildet, der eine Pumpe (9) antreibt. Es ist aber auch möglich, andersartige elek­ trische Verbraucher vorzusehen.

Die Energieversorgung (1) besteht aus einem Solargenerator (10) und einem Wechselrichter (11). Der Wechselrichter (11) ist als transistorisierter Pulswechselrichter (12) ausgebil­ det.

Im Bereich des Drehstromnetzes (6) ist eine Verzweigung (13) angeordnet, in deren Bereich das Drehstromentz (6) und die Zuleitungen (5) miteinander verbunden sind. In einem ver­ braucherseitigen Bereich (14) des Drehstromnetzes (6) ist ein den elektrischen Verbraucher (7) steuerbar von der Ener­ gieversorgung (1) abkoppelnder Schalter (15) angeordnet. Der Schalter (15) ist mit einer Steuervorrichtung (16) verbun­ den, die von einem Drehzahlgeber (17), der im Bereich der Synchronmaschine (2) angeordnet ist, gemessene Informationen auswertet. Die Steuervorrichtung (16) ist darüber hinaus den Wechselrichter (11) mit der Synchronmaschine (2) synchroni­ sierend mit diesem verbunden.

Im Bereich der Zuleitungen (5) ist ein die Kopplung der Synchronmaschine (2) steuernder Schalter (18) angeordnet. Der Schalter (18) wird von der Steuervorrichtung (16) in Abhängigkeit von den Meßdaten des Drehzahlgebers (17) ange­ steuert.

Die Synchronmaschine kann eine Erregerverluste vermeidende Permanenterregung aufweisen. Darüber hinaus ist es möglich, die Steuerung des Wechselrichters (11) derart durchzuführen, daß eine Belastung der Synchronmaschine (2) mit Blind­ leistung weitgehend vermieden wird.

In einem Betriebsbereich, in dem eine von der Energiever­ sorgung (1) abgegebene Generatorleistung (19) kleiner als eine wirkungsgradoptimale Verbraucherleistung (20) ist, wird der elektrische Verbraucher (7) zunächst durch den Schalter (15) von der Energieversorgung (1) getrennt und die gesamte Generatorleistung (19) der Synchronmaschine (2) zugeführt. Die Synchronmaschine (2) beschleunigt dabei die Schwungmasse (3) und wandelt die zugeführte Leistung in kinetische Ener­ gie (21) der Schwungmasse (3). Nach Erreichen einer oberen Drehzahl wird die kinetische Energie der Schwungmasse (3) in elektrische Energie zurückverwandelt. Aufgrund der kurzzei­ tigen hohen Überlastbarkeit der Synchronmaschine können die zum Betrieb eines als Asynchronmaschine (8) ausgebildeten elektrischen Verbrauchers (7) erforderlichen hohen Anlauf­ ströme problemlos bereitgestellt werden, ohne daß eine Über­ lastung des Wechselrichters (11) zu befürchten ist.

Nach einem Absinken der Drehzahl der Synchronmaschine auf eine vorgegebene minimale Drehzahl wird der elektrische Verbraucher (7) wiederum mittels des Schalters (15) vom Netz getrennt und der bereits beschriebene Vorgang erneut durchlaufen.

Claims (32)

1. Verfahren zur Stabilisierung einer Drehstromversorgung dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine mit mindestens einer Synchronmaschine (2) gekoppelte Schwungmasse (3) mit der Differenz eines von der Drehstromversorgung (1) abgege­ benen und von mindestens einem elektrischen Verbraucher (7) aufgenommenen Energieflusses beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwungsmasse (3) ein Anteil einer von der Energiever­ sorgung (1) erzeugten Leistung (19) zugeführt wird, der eine wirkungsgradgünstige Verbraucherleistung (20) übersteigt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwungmasse (3) ein Anteil der wirkungsgradgünsti­ gen Verbraucherleistung (20) entnommen wird, der die von der Energieversorgung (1) abgegebene Generatorleistung (19) übersteigt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (2) als Antrieb verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (2) als Generator verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus Synchronmaschine (2) und Schwungmas­ se (3) die Frequenz eines die Energieversorgung (1) mit dem elektrischen Verbraucher (7) verbindenden Drehstromnetzes (6) stabilisiert.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kombination aus der Synchronmaschine (2) und der Schwungmasse (3) die Spannung des Drehstromnetzes (6) stabi­ lisiert.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieversorgung (1) mindestens teilweise photovol­ taisch gespeist wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich eines Solargenerators (10) erzeugte Gleich­ ströme von einem Wechselrichter (11) in Drehströme transfor­ miert werden.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher (7) in einem wirkungsgrad­ günstigen Betriebsbereich getaktet von der Energieversorgung (1) gespeist wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zeitliche Taktung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Synchronmaschine (2) gesteuert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der elektrische Verbraucher (7) bei einer von seiner Wirkungsgradkennlinie festgelegten maximalen Drehzahl der Synchronmaschine (2) zugeschaltet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der elektrische Verbraucher (7) bei einer von seiner Wirkungsgradkennlinie bestimmten minimalen Drehzahl der Synchronmaschine (2) abgeschaltet wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Synchronmaschine (2) während einer Abschalt­ phase des elektrischen Verbrauchers (7) auf die maximale Drehzahl beschleunigt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Synchronmaschine (2) bei wirkungsgradgünstigem Betrieb des elektrischen Verbrauchers (7) durch die Energie­ versorgung (1) vom Drehstromnetz (6) getrennt werden kann.

16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeich­ net, daß der Wechselrichter (11) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Synchronmaschine (2) gesteuert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeich­ net, daß von der Energieversorgung (1) mindestens eine Asyn­ chronmaschine getaktet gespeist wird.

18. Vorrichtung zur Stabilisierung einer Drehstromversor­ gung, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine mit min­ destens einer Schwungmasse (3) gekoppelte Synchronmaschine (2) einen die Energieversorgung (1) mit mindestens einem elektrischen Verbraucher (7) verbindenden Drehstromnetz (6) parallelschaltbar angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Drehstromnetzes (6) ein den elektrischen Verbraucher (7) taktweise steuernder Schalter (15) angeord­ net ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 und 19, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Schalter (15) mit einer die Drehzahl der Synchronmaschine (2) auswertenden Steuervorrichtung (16) verbunden ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Bereich der Energieversorgung (1) ein pho­ tovoltaischer Solargenerator (10) angeordnet ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zwischen dem Solargenerator (10) und dem Dreh­ stromnetz (6) ein Umrichter angeordnet ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter als Wechselrichter (11) ausgebildet ist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,­ daß der Wechselrichter (11) als Pulswechselrichter (12) ausgebildet ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulswechselrichter (12) als Transistorstromrichter ausgebildet ist.

26. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 25, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Steuervorrichtung (16) den Wechselrichter (11) betriebsoptimal ansteuernd mit diesem verbunden ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 26, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Synchronmaschine (2) mit der Schwungmasse (3) mechanisch gekoppelt ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Kopplung als starre Kopplung ausgebildet ist.

29. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 28, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Bereich der die Synchronmaschine (2) mit dem Drehstromnetz (6) verbindenden Zuleitungen (5) ein die Kopplung der Synchronmaschine (2) steuernder Lastschalter (18) angeordnet ist, der mit der Steuervorrichtung (16) verbunden ist.

30. Vorrichtung nach Anspruch 19 bis 29, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der elektrische Verbraucher (7) als mindestens ein Asynchronmotor (8) ausgebildet ist.

31. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 30, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Synchronmaschine (2) elektrisch- oder per­ manenterregt ist.

32. Vorrichtung nach Anspruch 18 bis 31, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Bereich der Synchronmaschine (2) ein mit der Steuervorrichtung (16) verbundener Drehzahlgeber (17) angeordnet ist.