DE3931800C2 - Vorrichtung zur Stabilisierung einer Drehstromversorgung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Stabilisierung einer Drehstromversorgung, die mindestens eine mit mindestens einer Schwungmasse gekoppelte Synchronmaschine aufweist, wobei die Synchronmaschine mit der Differenz eines von der Drehstromversorgung abgegebenen und von mindestens einem elektrischen Verbraucher aufgenommenen Energieflusses beaufschlagbar ist, das Drehstromnetz eine von der Drehstromversorgung ausgebildete Energieversorgung mit dem elektrischen Verbraucher verbindet und im Bereich des Drehstromnetzes ein den elektrischen Verbraucher steuernder Schalter angeordnet ist, und im Bereich von die Synchronmaschine sowohl bei einem Motor- als auch bei einem Generatorbetrieb direkt mit dem Drehstromnetz verbindenden Zuleitungen ein die Kopplung der Synchronmaschine steuernder Lastschalter angeordnet ist, der mit der Steuervorrichtung verbunden ist.

Bekannte Verfahren zur Stabilisierung einer Drehstromversorgung lassen sich insbesondere dann nicht zufriedenstellend anwenden, wenn Energieversorgungen mit begrenzter Leistung im Inselbetrieb zur Speisung von optimal zu betreibenden Verbrauchern verwendet werden. Bei der Durchführung dieser Verfahren ist es nicht möglich, sowohl einen optimierten Betrieb im Bereich der Drehstromversorgung als auch einen optimierten Betrieb im Bereich der Verbraucher zu gewährleisten. Darüber hinaus können keine dynamischen Überlastungen, wie sie zum Beispiel beim Anlauf von elektrischen Motoren auftreten, abgedeckt werden.

Bekannte Vorrichtungen zur Stabilisierung von Drehstromnetzen 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, wieder 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 Drehstromnetz durch. Die Verwendung derartiger Batterien ist jedoch mit einem erheblichen Investitionsaufwand verbunden. Darüber hinaus ist die Lebensdauer der Batterien bei ständig wechselnden Be- und Entladevorgängen, insbesondere in Verbindung mit hohen Be- bzw. Entladeströmen, 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.

Aus der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden DE-OS 28 53 207 ist eine Vorrichtung zur Drehstromstabilisierung bekannt, bei der eine mit einer Schwungmasse koppelbare Synchronmaschine von einer gesonderten Umrichterschiene gespeist wird. Die Umrichterschiene ist vom Drehstromnetz trennbar. Zur Realisierung ist ein externes Drehstromnetz vorgesehen. Mit Hilfe dieser Vorrichtung ist es lediglich möglich, bei einem Netzausfall eine Notstromversorgung zu realisieren. Die Drehstrommaschine wird somit bei einem Generatorbetrieb nicht parallel zur Drehstromversorgung geschaltet, sondern substituiert diese. Die Dauer der möglichen Notstromversorgung wird von der in der Schwungmasse gespeicherten benötigten Energiemenge festgelegt.

Aus der DE-OS 25 46 777 ist ebenfalls eine Drehstromversorgung bekannt, bei der eine Synchronmaschine mit einem Schwungrad verbunden ist. Als Anwurfmotor für den Synchrongenerator ist ein Gleichstrommotor vorgesehen. Der Schwungradspeicher ist parallel zum Drehstromnetz betreibbar und kann Energie aufnehmen und abgeben. Es erfolgt jedoch keine unmittelbare Ankopplung an das Drehstromnetz, sondern es sind zum Anschluß zwei Stromrichter vorgesehen. Die Synchronmaschine wird ausschließlich als Synchrongenerator betrieben und eine Einspeisung von Energie in den Schwungradspeicher kann nur mit Hilfe einer Gleichstrommaschine erfolgen, die über einen Stromrichter gespeist wird. Es ist somit ein vergleichsweise hoher apparativer Aufwand erforderlich, der neben hohen Investitionskosten eine Reduktion des Wirkungsgrades zur Folge hat.

Aus der DE 33 11 299 A1 ist ein Verfahren zur Stabilisierung von Frequenz und Spannung einer Drehstromversorgung bekannt. Das Drehstromnetz verbindet eine von der Drehstromversorgung ausgebildete Energieversorgung mit einem elektrischen Verbraucher. Es ist ein steuerbares Antriebsaggregat vorgesehen, das über einen Generator an das Drehstromnetz angeschlossen ist. Zur Stabilisierung ist eine mit einer Schwungmasse gekoppelte Synchronmaschine vorgesehen, um bei einem Absinken einer Spannung des Drehstromnetzes Energie in das Drehstromnetz einzuspeisen. Die zur Synchronmaschine gehörende Erregerstromeinheit wird von einer Schaltlogik gesteuert, die abhängig von der im Drehstromnetz vorliegenden Spannung arbeitet. Als zusätzlicher Energiespeicher ist eine Batterie vorgesehen und der Energiespeicher wird bezüglich der Wirkungsleistung- und Blindleistungsübertragung gesteuert. Eine Kopplung des Energiespeichers mit dem Drehstromnetz erfolgt über Stromrichter und Schalteinrichtungen.

Aus der JP 01177833 A ist es bekannt, eine Steuerung eines Wechselstromsystems derart durchzuführen, daß eine Gleichstromversorgung unter Verwendung eines Inverters an das Wechselstromsystem gekoppelt wird. Ausgehend von einem sinusförmigen Signal wird unter Verwendung eines Multiplizierers ein modifziertes Signal zur Steuerung erzeugt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art so zu verbessern, daß ein Verbraucher bei zeitlich veränderlicher Leistungsaufnahme sowie kurzzeitigen Leistungsüberhöhungen und zeitlich veränderlicher Leistungsfähigkeit der Energieversorgung bezüglich des Betriebes der Energieversorgung wirkungsgradgünstig betrieben werden kann und daß die Vorrichtung preiswert herstellbar ist sowie störungssicher betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Steuerung des elektrischen Verbrauchers taktweise erfolgt, der Schalter mit einer von einem Drehzahlgeber, der im Bereich der Synchronmaschine angeordnet ist, gemessene Informationen auswertenden Steuervorrichtung verbunden ist und daß die Steuervorrichtung einen Wechselrichter der Energieversorgung in Abhängigkeit von der Drehzahl der Synchronmaschine derart steuert, daß eine Synchronisation zwischen dem Wechselrichter und der Synchronmaschine gegeben ist.

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

Gemäß der Erfindung werden die Verbraucher zeitlich getaktet mit der Energieversorgung verbunden. Die zeitliche Taktung erfolgt in Abhängigkeit von der Drehzahl der Synchronmaschine. Eine derartige Taktung weist den Vorteil auf, daß auch bei stark schwankenden Energieabgaben der Drehstromversorgung stets ein wirkungsgradgünstiger 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 Synchronmaschine zugeführt. Die Synchronmaschine beschleunigt während einer derartigen Aufladeperiode den Schwungradspeicher auf einen vorgegebenen maximalen Drehzahlwert. Nach dem Abschluß dieses Aufladevorganges werden die Verbraucher zugeschaltet und parallel sowohl von der Energieversorgung als auch von der Synchronmaschine gespeist.

Bei einer Mindestdrehzahl der Synchronmaschine, die durch die Frequenzabhängigkeit des Wirkungsgrades der Verbraucher festgelegt ist, werden die Verbraucher wiederum vom Netz getrennt und die gesamte von der Energieversorgung erzeugte Leistung erneut der Syn­ chronmaschine zugeführt. Ein Betrieb der Verbraucher in Betriebsbereichen mit geringem Wirkungsgrad kann somit wirkungsvoll vermieden werden.

Zur Vermeidung einer mechanischen Beschädigung der Kombi­ nation aus Synchronmaschine und Schwungmasse darf kon­ struktionsbedingt eine Höchstdrehzahl nicht über­ schritten werden. Ist der Energiespeicher auf diese Höchstdrehzahl aufgeladen, wird die überschüssige Energie den Verbrauchern zugeführt. Hierdurch wird zwar in Kauf genommen, daß sich der Wirkungsgrad der Ener­ gieausnutzung im Bereich der Verbraucher vermindert, insbesondere bei einem Inselbetrieb kann hierdurch aber anderweitig nicht verwendbare elektrische Energie ein­ gesetzt werden. Zur Minimierung dieser nicht wirkungs­ gradoptimalen Betriebsphasen ist es jedoch möglich, zum einen die Kapazität des Energiespeichers geeignet aus­ zulegen, zum anderen ist es auch möglich, mehrere parallel zuschaltbare Energiespeicher vorzusehen.

Die erfindungsgemäße Konstruktion der Vorrichtung er­ möglicht 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 Leistungsan­ forderungen erhältlich. Ein Betrieb der Vorrichtung kann somit auch unter erschwerten Betriebsbedingungen, beispielsweise bei einem Einsatz unter klimatisch be­ lastenden Einflüssen, gewährleistet werden. Auch ohne ständige Verfügbarkeit von Servicepersonal kann somit ein langfristig zuverlässiger Betrieb gewährleistet werden.

Gemäß der Erfindung weist die Synchronmaschine einen Drehgeber auf, dessen Meßinformationen einem das Drehstromnetz speisenden Um­ richter zugeführt wird. Der Betrieb des Umrichters in Abhängigkeit von der Rotorlage der Synchronmaschine gewährleistet eine betriebssichere Speisung des Schwungradspeichers. Eine mangelnde Synchronisation der in die Synchronmaschine eingespeisten Ströme in Re­ lation zur Rotorlage der Synchronmaschine wird hier­ durch zuverlässig vermieden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beige­ fügten Zeichnungen, in denen eine bevorzugte Ausfüh­ rungsform der Erfindung beispielsweise dargestellt ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Er­ findung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Betriebsskizze einer Anordnung zur photo­ voltaischen Versorgung einer Drehstromlast mit dem Netz parallelschaltbarem Energiespeicher,

Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Ener­ gieabgabe der Drehstromversorgung, des Ener­ gieflusses des Schwungradspeichers sowie der Energieaufnahme der Verbraucher.

Eine Vorrichtung zur Stabilisierung einer Energiever­ sorgung (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 mög­ lich, die Kupplung (4) als lösbare Verbindung auszu­ bilden 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 elektrischen Verbraucher (7) leitet. Der elektrische Verbraucher (7) ist als Asynchronmotor (8) ausgebildet, der eine Pumpe (9) antreibt. Es ist aber auch möglich, andersartige elektrische Verbraucher vorzusehen.

Die Energieversorgung (1) besteht aus einem Solar­ generator (10) und einem Wechselrichter (11). Der Wechselrichter (11) ist als transistorisierter Puls­ wechselrichter (12) ausgebildet.

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 verbraucherseitigen Bereich (14) des Drehstrom­ netzes (6) ist ein den elektrischen Verbraucher (7) steuerbar von der Energieversorgung (1) abkoppelnder Schalter (15) angeordnet. Der Schalter (15) ist mit einer Steuervorrichtung (16) verbunden, 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) synchronisierend mit diesem verbunden.

Im Bereich der Zuleitungen (5) ist ein die Kopplung der Synchronmaschine (2) steuernder Schalter (18) angeord­ net. Der Schalter (18) wird von der Steuervorrichtung (16) in Abhängigkeit von den Meßdaten des Drehzahl­ gebers (17) angesteuert.

Die Synchronmaschine kann eine Erregerverluste ver­ meidende Permanenterregung aufweisen. Darüber hinaus ist es möglich, die Steuerung des Wechselrichters (11) derart durchzuführen, daß eine Belastung der Synchron­ maschine (2) mit Blindleistung weitgehend vermieden wird.

In einem Betriebsbereich, in dem eine von der Energie­ versorgung (1) abgegebene Generatorleistung (19) kleiner als eine wirkungsgradoptimale Verbraucher­ leistung (20) ist, wird der elektrische Verbraucher (7) zunächst durch den Schalter (15) von der Energiever­ sorgung (1) getrennt und die gesamte Generatorleistung (19) der Synchronmaschine (2) zugeführt. Die Synchron­ maschine (2) beschleunigt dabei die Schwungmasse (3) und wandelt die zugeführte Leistung in kinetische Energie (21) der Schwungmasse (3). Nach Erreichen einer oberen Drehzahl wird die kinetische Energie der Schwungmasse (3) in elektrische Energie zurückver­ wandelt. Aufgrund der kurzzeitigen hohen Überlast­ barkeit der Synchronmaschine können die zum Betrieb eines als Asynchronmaschine (8) ausgebildeten elektrischen Verbrauchers (7) erforderlichen hohen An­ laufströme problemlos bereitgestellt werden, ohne daß eine Überlastung des Wechselrichters (11) zu befürchten ist.

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

Claims (14)

1. Vorrichtung zur Stabilisierung einer Drehstromversorgung, die mindestens eine mit mindestens einer Schwungmasse gekoppelte Synchronmaschine aufweist, wobei die Synchronmaschine mit der Differenz eines von der Drehstromversorgung abgegebenen und von mindestens einem elektrischen Verbraucher aufgenommenen Energieflusses beaufschlagbar ist, das Drehstromnetz eine von der Drehstromversorgung ausgebildete Energieversorgung mit dem elektrischen Verbraucher verbindet und im Bereich des Drehstromnetzes ein den elektrischen Verbraucher steuernder Schalter angeordnet ist, und im Bereich von die Synchronmaschine sowohl bei einem Motor- als auch bei einem Generatorbetrieb direkt mit dem Drehstromnetz verbindenden Zuleitungen ein die Kopplung der Synchronmaschine steuernder Lastschalter angeordnet ist, der mit der Steuervorrichtung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung des elektrischen Verbrauchers (7) taktweise erfolgt, der Schalter (15) mit einer von einem Drehzahlgeber (17), der im Bereich der Synchronmaschine (2) angeordnet ist, gemessene Informationen auswertenden Steuervorrichtung (16) verbunden ist und daß die Steuervorrichtung (16) einen Wechselrichter (11) der Energieversorgung (1) in Abhängigkeit von der Drehzahl der Synchronmaschine (2) derart steuert, daß eine Synchronisation zwischen dem Wechselrichter (11) und der Synchronmaschine (2) gegeben ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (2) als Antrieb geschaltet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (2) als Generator geschaltet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Energieversorgung (1) mindestens teilweise eine photovoltaische Speisung durch einen Solargenerator (10) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher (7) bei einer von seiner Wirkungsgradkennlinie festgelegten maximalen Drehzahl der Synchronmaschine (2) zuschaltbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher (7) bei einer von seiner Wirkungsgradkennlinie bestimmten minimalen Drehzahl der Synchronmaschine (2) abschaltbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Synchronmaschine (2) während einer Abschaltphase des elektrischen Verbrauchers (7) eine Beschleunigung auf die maximale Drehzahl vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (2) vom Drehstromnetz (6) trennbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (11) als Pulswechselrichter ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulswechselrichter als Transistorstromrichter ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (2) mit der Schwungmasse (3) mechanisch gekoppelt ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanische Kopplung als starre Kopplung ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Verbraucher (7) als mindestens ein Asynchronmotor (8) ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (2) elektrisch- oder permanenterregt ist.