DE4003972A1 - Unbegrenzt autonomes stromaggregat zum aufrechterhalten einer ununterbrochenen stromversorgung ohne hilfe von akkumulatorenbatterien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein unbegrenzt autonomes Stromaggregat zum Aufrechterhalten einer ununterbrochenen Stromversorgung ohne Hilfe von Akkumulatorenbatterien. Das Aggregat gewährleistet die elektrische Stromversorgung von Verbrauchern, bei denen eine wenn auch kurzzeitige Unter­ brechung der Stromversorgung schwere wirtschaftliche Einbußen oder gar den Verlust von Menschenleben herbei­ führen würde.

Die Verwendung eines solchen Aggregats ist unerläßlich für die Stromspeisung von unter Echtzeitbedingungen arbeitenden Rechnern und für die Stromversorgung von im öffentlichen Interesse wichtigen Einrichtungen wie z.B. Aufzügen, Beleuchtungseinrichtungen usw. in Krankenhäusern, auf Flugplätzen und in anderen Verkehrsbetrieben.

Das erfindungsgemäße Aggregat gewährleistet hier eine ununterbrochene und gleichmäßige Stromversorgung und ist dabei unbegrenzt autonom.

Für ein Aggregat der beschriebenen Art gibt es im wesent­ lichen drei verschiedene Einsatzfälle:

• 1. Den totalen Ausfall des Netzstroms, bei welchem die Stromversorgung innerhalb von höchstens dreißig Sekunden wiederhergestellt werden muß,
• 2. kurze Unterbrechungen des Netzstroms oder Absinken der Wechselstromfrequenz und/oder der Netzspannung unter jeweils vorbestimmte Werte über eine vorbestimmte Zeitspanne, und
• 3. Schwankungen der Wechselstromfrequenz und/oder der Netzspannung um wenigstens ±1% im ersteren Falle und um ±10%/-8% im letzteren Falle über eine vorbestimmte Zeit­ spanne.

Der erste Einsatzfall ist mit einem automatisch arbeitenden Notstromaggregat herkömmlicher Ausführung beherrschbar, welches bei einem Netzstromausfall selbsttätig anläuft und sich selbsttätig in die Stromversorgung einschaltet, sobald der Motor die notwendige Leistung abgibt. Der gesamte Vorgang darf nicht länger als dreißig Sekunden dauern, und dauert gewöhnlich mit Vorwärmen und Vorschmieren des Motors etwa vier bis zehn Sekunden.

Für die Beherrschung des etwas schwierigeren zweiten Einsatzfalls verwenden herkömmliche Aggregate ein mit dem Wechselstrommotor und dem Generator gekoppeltes Schwungrad, welches über eine Magnetkupplung mit einem Dieselmotor koppelbar ist. Im Normalbetrieb arbeitet das Aggregat als Frequenzwandler, wobei die Verbraucher am Generator des Aggregats angeschlossen sind und das Schwung­ rad dauernd mit dem Generator gekoppelt ist.

Bei einem Ausfall des Netzstroms wird ein Signal zum Anlassen des Dieselmotors erzeugt, aufgrund dessen der Motor etwa vier bis fünf Sekunden nach der Erzeugung des Signals seine Soll-Leistung abgeben kann.

Während dieser Zeit gibt das Schwungrad einen Teil der in ihm gespeicherten kinetischen Energie ab, was jedoch zu einer entsprechenden Verringerung seiner Drehzahl und damit zu einem Absinken der Frequenz des an die Verbraucher gelieferten Wechselstroms führt. Je nach der Masse des Schwungrads bleibt dieses Absinken der Frequenz sowie das Ausmaß desselben auf eine mehr oder weniger kurze Zeitspanne beschränkt. In Anbetracht der Tatsache, daß es sich bei einem Schwungrad für solche Zwecke gewöhnlich um ein geschmiedetes Teil handelt, ist seine Masse durch die Abmessungen der für seine Fertigung vorhandenen Gesenke und anderer Einrichtungen begrenzt, wobei außerdem die bei einem sehr schweren Schwungrad auftretenden hohen mechani­ schen Belastungen die Verwendung von besonders verstärkten Lagern usw. erforderlich machen.

Der dritte Einsatzfall, bei welchem ohne einen totalen Ausfall lediglich Frequenz- und/oder Spannungsschwankungen auszugleichen sind, ist bisher nur durch die Verwendung von elektrischen Akkumulatoren beherrschbar. Dabei gibt es für die Beherrschung dieses Einsatzfalles bisher ein dynamisches und ein statisches Verfahren.

Von diesen wurde das dynamische Verfahren allgemein bis etwa zum Jahre 1975 angewendet und wurde seitdem weitgehend durch das statische Verfahren ersetzt. Aufgrund der größeren Zuverlässigkeit des dynamischen Verfahrens besteht jedoch seit einiger Zeit in den meisten Industrieländern die Tendenz, sich stärker auf dieses Verfahren abzustützen.

Das dynamische Verfahren verwendet einen gesteuerten Gleich­ richter zum Aufrechterhalten des Ladezustands der Akkumula­ toren und für die Stromspeisung des den Generator antrei­ benden Motors.

Im Normalbetrieb wird der Netzstrom gleichgerichtet und der erhaltene Gleichstrom wird gesteuert einem Gleichstrom­ motor zugeführt, mit dessen Welle ein die kritischen Verbraucher speisender Dreiphasen-Wechselstromgenerator gekoppelt ist.

Bei Ausfall des Netzstroms wird der Strom für die Speisung des Gleichstrommotors von den Akkumulatoren geliefert, um die Drehzahl des Aggregats während einer durch die Kapazität der Akkumulatoren bestimmten Zeitspanne von gewöhnlich etwa zehn bis zwanzig Minuten unverändert aufrechtzuerhalten.

Bei dem statischen System ist das im dynamischen Verfahren verwendete Aggregat aus Motor und Generator durch einen z.B. aus Leistungs-Halbleiterelementen, z.B. Thyristoren oder Transistoren aufgebauten, drei- oder auch einphasigen Wechselrichter ersetzt. Dieser erzeugt einen Wechselstrom, dessen Frequenz, Spannung und Gehalt an harmonischen Schwingungen statisch und dynamisch auf wenigstens die meisten der angeschlossenen kritischen Verbraucher abge­ stimmt sind.

In beiden Verfahren ist die Autonomie des Systems durch die Kapazität der Akkumulatoren begrenzt, so daß eine zusätz­ liche Antriebsquelle, gewöhnlich ein Dieselmotor, uner­ läßlich ist.

Das im dynamischen Verfahren verwendete System arbeitet zwar zuverlässiger als das im statischen Verfahren verwen­ dete, erfordert dabei jedoch einen höheren Wartungsaufwand.

Aus der vorstehenden Analyse bekannter Anlagen und Verfah­ ren ist somit zu erkennen, daß eine wirklich autonome Anlage für die Beherrschung der verschiedenen Einsatzfälle bisher nicht verfügbar ist. Die Erfindung hat sich die Schaffung einer solchen Anlage zum Ziel gesetzt.

Zur Gewährleistung einer ununterbrochenen und gleichmäßigen Stromversorgung verfügt ein unbegrenzt autonomes Aggregat der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung über eine elektronische Steuerschaltung, welche bei einem Netzstrom­ ausfall ein Signal zum gleichzeitigen Aktivieren eines Dieselmotors und eines Hochdruck-Hydromotors erzeugt.

Der Hochdruck-Hydromotor gehört zu einer hydraulischen Bau­ einheit und ist aus einem Druckbehälter mit einem hydrau­ lischen Druckmittel gespeist.

Der Hydromotor ist über besonders ausgebildete Kupplungen derart mit dem Dieselmotor und dem Wechselstromgenerator gekoppelt, daß er beim Ansprechen der Steuerschaltung auf eine Unterbrechung des Netzstroms den Antrieb des Wechsel­ stromgenerators eingangs solange aufrechterhält, bis der Dieselmotor seinen normalen Betriebszustand erreicht hat, worauf dann der Antrieb des Wechselstromgenerators über besonders ausgebildete Kupplungen durch den Dieselmotor erfolgt, während der Hydromotor stillgesetzt wird, um unnötigen Verschleiß desselben zu vermeiden.

In einer Ausführungsform der Erfindung ist die hydraulische Hochdruckpumpe direkt mit dem Dieselmotor gekoppelt, wobei dann der Antrieb des Wechselstromgenerators bei einem Aus­ fall des Netzstroms allein durch den Hydromotor erfolgt, während der Dieselmotor die Hochdruckpumpe antreibt, um den für die Speisung des Hydromotors erforderlichen Druck im Druckbehälter aufrechtzuerhalten. Dabei arbeitet der Dieselmotor also nur dann, wenn dies zur Erhöhung des Drucks im Druckbehälter notwendig ist.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung eines Stromaggregats in einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine Fig. 1 entsprechende Darstellung eines Strom­ aggregats in einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Wie man in den Figuren der Zeichnung erkennt, ist ein Dreiphasen-Wechselstrommotor 1 über eine nicht lösbare Kupplung 16 mit einem Wechselstromgenerator 2 gekoppelt, welcher der Erzeugung eines Wechselstroms mit einem niedrigen Gehalt an unerwünschten harmonischen Schwingungen dient.

Bin am Wechselstromgenerator 2 vorgesehener, wahlweise elektronischer oder elektromagnetischer Regler 3 hält die Ausgangsspannung des Generators unabhängig von der jeweili­ gen Belastung im wesentlichen konstant.

Wenn es bei dem Aggregat auf eine hohe Frequenzstabilität ankommt, ist der verwendete Motor ein asynchron-synchronie­ sierter Synchronmotor, während in anderen Fällen, in denen es nicht so sehr auf die Einhaltung eines absoluten Werts der Frequenz in Abhängigkeit von der Belastung ankommt, ein Asynchronmotor verwendet werden kann.

Gemäß der Erfindung ist ein Hydomotor 8 einerseits über eine besonders ausgebildete Kupplung 9 mit dem Wechsel­ stromgenerator 2 und andererseits über eine entsprechende Kupplung 9 mit einem Dieselmotor 7 gekoppelt. Die Speisung des Hydromotors 8 mit einem hydraulischen Druckmittel ist über ein Steuerventil 10 steuerbar.

Der Wechselstrommotor 1 ist über eine Magnetkupplung 6 mit einer Hochdruckpumpe 5 verbindbar, welche dazu dient, den im Bedarfsfall für die Speisung des Hydromotors 8 notwen­ digen hydraulischen Druck in einem Druckbehälter 12 aufrecht zu erhalten. Die Hochdruckpumpe 5 sowie der Hydromotor 8 sind jeweils mit einem unter atmosphärischem Druck stehen­ den Vorratsbehälter 11 und dem Druckbehälter 12 strömungs­ verbunden, so daß ein geschlossener Hydraulikkreis entsteht. Eine der Anlage zugeordnete elektronische Steuerschaltung 4 spricht auf Unterbrechungen oder Ausfälle der Netzstrom­ versorgung an und bewirkt das sofortige Öffnen des Ventils 10 und gleichzeitig damit das Anlaufen des Dieselmotors 7. Dadurch wird die Drehzahl des Wechselstromgenerators 2 zunächst eingangs durch den Hydromotor konstant gehalten, bis der Dieselmotor 7 seinen normalen Betriebszustand erreicht hat, in welchem er die notwendige Leistung abzugeben vermag.

Zu diesem Zeitpunkt wird die Speisung des Hydromotors 8 eingestellt, und der Dieselmotor 7 übernimmt den Antrieb des Wechselstromgenerators 2, so daß die Anlage dann nach Art eines herkömmlichen Präzisions-Stromaggregats arbeitet.

Nach Wiederherstellung der Netzstromversorgung arbeitet die elektronische Steuerung 4 mit einer gewissen Verzöge­ rung, um sicherzustellen, daß die Werte des gelieferten Netzstroms den für den Betriebsstrom geforderten Werten entsprechen, worauf der Wechselstrommotor dann wieder an das Netz geschaltet und der Dieselmotor stillgesetzt wird, so daß die Anlage im Normalbetrieb weiterarbeitet.

Der Dieselmotor 7 hat eine herkömmliche Kühlanlage mit einem Kühler 14 und einem Ventilator 15.

Der vorstehend erwähnte Hydraulikkreis ist in den Figuren der Zeichnung gestrichelt angedeutet.

Im Normalbetrieb wird die hydraulische Hochdruckpumpe 5 nach Bedarf mittels der Magnetkupplung 6 an den Wechsel­ strommotor 1 angekoppelt, um ein hydraulisches Druckmittel aus dem Vorratsbehälter 11 anzusaugen und es dem Druck­ behälter 12 zuzuführen. Der dadurch bewirkte Druckanstieg im Druckbehälter bringt bei Erreichen eines vorbestimmten Werts einen Druckschalter zum Ansprechen um die Magnet­ kupplung zu lösen.

Der Druckbehälter 12 enthält im drucklosen Zustand ein Gasvolumen, welches die Druckspeicherung einer für den Antrieb des Wechselstromgenerators durch den Hydromotor 8 über eine Zeitspanne von etwa einer Minute ausreichenden Menge des hydraulischen Druckmittels ermöglicht.

Bei einem Ausfall der Netzstromversorgung erzeugt die Steuerschaltung 4 wie vorstehend angedeutet, ein Signal zum Öffnen des z.B. als Servoventil ausgebildeten Steuer­ ventils 10, so daß der Hydromotor 8 dann den Wechselstrom­ generator 2 solange mit im wesentlichen unveränderter Drehzahl antreibt, bis der durch ein gleichzeitiges Signal aktivierte Dieselmotor 7 angelaufen ist und die für den Betrieb notwendige Leistung abzugeben vermag. Dies dauert gewöhnlich etwa vier bis zehn Sekunden.

Der Hydromotor 8 bleibt nicht ständig in Betrieb, sondern nur solange, bis der Dieselmotor die benötigte Leistung abgibt, um damit einem vorzeitigen Verschleiß des Hydro­ motors vorzubeugen.

Für die Verbindung des Hydromotors mit dem Dieselmotor einerseits und dem Wechselstromgenerator andererseits sind besonders ausgebildete Kupplungen 9 vorgesehen, in denen die Wirkung einer Viskosekupplung mit der einer elastischen Kupplung kombiniert ist.

In einer in Fig. 2 dargestellten anderen Ausführungsform ist die Hochdruckpumpe 5 über eine nicht lösbare Kupplung 9 mit dem Dieselmotor 7 verbunden und dabei so ausgebildet, daß sie die volle Leistung des Dieselmotors aufzunehmen vermag. Die Hochdruckpumpe hat hier also wesentlich größere Abmessungen als die in der Ausführungsform nach Fig. 1 mit dem Wechselstrommotor gekoppelte Pumpe.

In der Ausführungsform nach Fig. 2 erfolgt die Übertragung des Antriebs vom Dieselmotor 7 zum Wechselstromgenerator 2 über gestrichelt angedeutete hydraulische Leitungen, welche den Einlaß der Hochdruckpumpe 5 mit dem Vorratsbehälter und ihren Druckauslaß mit dem Druckbehälter 12 verbinden.

In dieser Ausführungsform arbeitet der Dieselmotor 7 je nach Bedarf intermittierend, um den notwendigen Druck im Druckbehälter 12 aufrecht zu halten, d. h. um ausreichend Energie darin zu speichern, um den Antrieb des Generators zu gewährleisten, während der Dieselmotor anläuft und bis er die benötigte Leistung abgibt.

Wenn in dieser Ausführungsform die Steuerschaltung 4 auf einen Ausfall der Netzstromversorgung anspricht, wird das Steuerventil 10 betätigt, um den Hydromotor 8 zu speisen, so daß dieser dann den Wechselstromgegerator 2 über die Kupplung 9 mit gleichbleibender Drehzahl antreibt.

Der Dieselmotor 7 seinerseits bleibt nur solange in Betrieb, wie zur Aufrechterhaltung des für den ordnungsgemäßen Betrieb des Hydromotors 8 notwendigen Drucks im Druck­ behälter 12 notwendig ist.

In dieser zweiten Ausführungsform liefert also der Hydro­ motor 8 die für den Antrieb des Wechselstromgenerators 2 notwendige Energie, während der Dieselmotor 7 nur nach Bedarf arbeitet, um den notwendigen Druck im Druckbehälter 12 aufrecht zu erhalten bzw. zu ergänzen.

In beiden Ausführungsformen sind alle beschriebenen Komponenten jeweils gemeinsam auf einem Unterbau montiert, in welchen der Vorratsbehälter 11 und der Druckbehälter 12 sowie ein Treibstoffbehälter 13 für den Dieselmotor ein­ bezogen sind.

Die Steuerschaltung 4 enthält beispielsweise einen Mikro­ prozessor, welcher die verschiedenen Funktionen, z.B. das Ingangsetzen und Stillsetzen des Motors sowie das Zusammenspiel der verschiedenen Funktionen derart steuert, daß die Drehzahl des Wechselstromgenerators sowohl bei vorhandener Netzstromversorgung als auch bei einem Ausfall der Netzstromversorgung stets konstant gehalten wird. Zum Zweck der Fernsteuerung und/oder Fernüberwachung kann die Steuerschaltung über eine besondere Verkabelung oder über Mikroprozessor-Verbindungsleitungen des Standardtyps RS-232, RS-422 mit einer Fernsteuerungseinheit oder auch mit einem externen Rechnernetz verbunden sein.

Die gesamte Anlage kann auf einem einzigen Rahmen montiert sein, oder auch auf zwei mechanisch voneinander unabhängigen Rahmenteilen, welche über hydraulische und/oder elektrische Leitungen miteinander verbunden sind.

Dabei kann die Anlage von einem schalldämmenden Gehäuse umgeben und/oder auf einem gegebenenfalls motorisierten Fahrgestell montiert sein.

Claims (8)

1. Unbegrenzt autonomes Stromaggregat zum Aufrecht­ erhalten einer ununterbrochenen Stromversorgung, ohne die Hilfe von Akkumulatorenbatterien, von Verbrauchern, bei denen eine wenn auch nur kurze Unterbrechung der Strom­ versorgung erhebliche wirtschaftliche Einbußen oder gar den Verlust von Menschenleben zur Folge haben kann,
gekennzeichnet durch eine einen Wechselstrom­ motor (1) und einen fest mit diesem gekoppelten Wechsel­ stromgenerator (2) mit einem Spannungsregler (3) umfassende, als Frequenzwandler wirksame und auf einem Unterbau montierte Einheit,
durch einen auf dem Unterbau montierten, einerseits mit dem Wechselstromgenerator (2) und andererseits mit einem Diesel­ motor (7) gekoppelten hydraulischen Motor (8),
durch eine über eine Kupplung (6) mit dem Wechselstrommotor (1) gekoppelte Hochdruckpumpe (5) und
durch eine auf dem Unterbau angeordnete Steuerschaltung (4) zum Steuern der verschiedenen Funktionen des Aggregats, z.B. des Ingangsetzens, des Stillsetzens und des Zusammen­ spiels der verschiedenen Komponenten derart, daß die Drehzahl der aus dem Wechselstrommotor und dem Wechselstrom­ generator gebildeten Einheit sowohl bei Vorhandensein als auch bei einem Ausfall der Netzstromversorgung keinerlei Änderungen unterworfen ist.

2. Stromaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in den Unterbau ein Hochdruckbehälter (12) und ein Vorratsbehälter (11) einbezogen sind, mit welchen der hydraulische Motor (8) sowie die Hochdruckpumpe (5) zur Bildung eines energiespeichernden Druckkreises verbunden sind, und daß in den Unterbau ferner ein Brenn­ stoffbehälter (13) für die Versorgung des Dieselmotors (7) einbezogen ist.

3. Stromaggregat nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckbehälter (12) und dem hydraulischen Motor (8) ein Ventil (10) angeordnet ist, welches über die Steuerschaltung (4) derart steuerbar ist, daß bei einem Ansprechen der Steuer­ schaltung auf einen Ausfall der Netzstromversorgung der hydraulische Motor (8) und der Dieselmotor (7) gleichzeitig in Gang setzbar sind, wobei die Drehzahl des Wechselstrom­ generators (2) durch den hydraulischen Motor (8) konstant gehalten ist, bis der normale Betriebszustand des Diesel­ motors (7) erreicht und dieser zum Konstanthalten der Drehzahl des Wechselstromgenerators (2) mechanisch mit diesem gekoppelt ist.

4. Stromaggregat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Hoch­ druckpumpe (5) mit dem Wechselstrommotor (1) verbindende Kupplung (6) über einen mit dem Hochdruckbehälter (12) verbundenen Druckschalter derart steuerbar ist, daß sie bei Erreichen des für den normalen Betrieb des hydraulischen Motors (8) notwendigen Drucks im Druckbehälter (12) lösend betätigbar ist.

5. Stromaggregat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruck­ pumpe (5) direkt mit dem Dieselmotor (7) gekoppelt ist und daß der hydraulische Motor (8) bei einem Ausfall der Netz­ stromversorgung allein für das Konstanthalten der Drehzahl des Wechselstromgenerators (2) aktivierbar ist, wobei der Dieselmotor (7) über die elektronische Steuerschaltung nach Bedarf zum Ergänzen des Drucks im Druckbehälter (12) in Gang setzbar ist.

6. Stromaggregat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es von einem schalldämmenden Gehäuse umgeben ist und mit diesem eine kompakte geschlossene Einheit bildet.

7. Stromaggregat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Einheit auf einem gegebenenfalls motorisierten Fahrgestell montierbar ist.

8. Stromaggregat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es über eine herkömmliche Verkabelung, über eine Mikroprozessor-Verbin­ dungsleitung des Standard-Typs RS-232, RS-422 oder über andere Verbindungseinrichtungen mit einer Fernsteuer- und/oder Fernüberwachungseinrichtung oder mit einem externen Rechnernetz verbunden ist.