DE4003972C2 - Notstromaggregat für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Notstromaggregat für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit einem Wechselstrommotor und einem fest mit diesem gekoppelten Wechselstromgenerator als eine als Frequenzwandler wirksame Einheit, einem hydraulischen Motor, der mit dem Wechselstromgenerator gekoppelt ist, einem Dieselmotor, einer mit dem Wechselstrommotor gekoppelten Hochdruckpumpe, einer Steuerschaltung zum Steuern der verschiedenen Funktionen des Aggregats, einem Unterbau, auf dem die einzelnen Komponenten des Notstromaggregats angeordnet sind, und einem Hochdruckbehälter und einem Vorratsbehälter, die mit dem hydraulischen Motor und der Hochdruckpumpe zum Bilden eines energiespeichernden Druckkreises verbunden sind.

Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-OS 19 53 327 bekannt. Das bekannte Notstromaggregat weist eine mit dem Wechselstrom­ generator gekoppelte Hydraulikmaschine auf, die wahlweise als Motor, im Falle des Anlaufens des Notstromaggregats, oder als Pumpe, nach Erreichen der Solldrehzahl des Dieselmotors zum Aufladen des Druckspeichers, eingesetzt wird. Nach dem Anlaufen des Dieselmotors wird dieser als Hauptantrieb des Notstrom­ aggregats durch Einrücken einer Kupplung auf der Antriebswelle des Wechselstrommotors zugeschaltet. Gleichzeitig stellt die Hydraulikmaschine von Motor- auf Pumpenbetrieb um, wodurch der Druckspeicher aufgeladen wird. Nach Erreichen des Maximaldrucks im Druckspeicher fördert die Pumpe drucklos in den Vorratsbe­ hälter.

Aus Krausse: "Neue Wege zur Sofortbereitschaft", Elektrotechnik 67, H. 3, Feb. 1985, ist ebenfalls ein Notstromaggregat mit einer wahlweise als Pumpe oder Motor arbeitenden Hydraulikmaschine bekannt, bei dem zusätzlich noch, falls erforderlich, ein Schwungrad zwischen Dieselmotor und Wechselstrommotor angeordnet sein kann. Wenn der Druckspeicher seinen Sollwert erreicht hat, schwenkt die Pumpe auf Nullförderung und läuft sodann im Leerlauf mit.

Weiterhin ist aus der GB-PS 750 270 ein Notstromaggregat bekannt, das eine separate Anordnung von Hydraulikmotor und -pumpe zeigt. Die Pumpe wird zur Speisung des Druckspeichers über einen Elektromotor angetrieben, der mit dem Wechselstromgenerator in Verbindung steht.

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

• 1. den totalen Ausfall des Netzstroms, bei welchem die Stromversorgung innerhalb von höchstens 30 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 Netz­ spannung um wenigstens ±1% im ersteren Fall und um +10% bis -8% im letzteren Fall über eine vorbestimmte Zeitspanne.

Der erste Einsatzfall ist mit einem automatisch arbeitenden Notstromaggregat herkömmlicher Ausführung beherrschbar, welches bei einem Notstromausfall selbsttätig anläuft und sich selbsttätig in die Stromversorgung einschaltet, sobald der Motor die notwendige Leistung abgibt. Der gesamte Vorgang darf nicht länger als 30 Sekunden dauern und dauert gewöhnlich mit Vorwärmen und Vorschmieren des Motors etwa 4 bis 10 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 Schwungrad dauernd mit dem Generator gekoppelt ist.

Bei einem Ausfall des Netzstroms wird ein Signal zum Anlassen des Dieselmotors erzeugt, aufgrund dessen der Motor etwa 4 bis 5 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 mechanischen 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 Gleichrichter zum Aufrechterhalten des Ladezustands der Akkumulatoren und für die Stromspeisung des den Generator antreibenden Motors.

Im Normalbetrieb wird der Netzstrom gleichgerichtet und der erhaltene Gleichstrom wird gesteuert einem Gleichstrommotor 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 10 bis 20 Minuten unverändert aufrechtzuerhalten.

Bei dem statischen System ist das im dynamischen Verfahren verwendete Aggregat aus Motor und Generator durch einen z. B. aus Leistungs-Halbleiterelemente, 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 abgestimmt sind.

In beiden Verfahren ist die Autonomie des Systems durch die Kapazität der Akkumulatoren begrenzt, so daß eine zusätzliche Antriebsquelle, gewöhnlich ein Dieselmotor, unerläßlich ist.

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

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfach aufgebautes Notstromaggregat zu schaffen, das für die oben genannten verschiedenen Einsatzfälle verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einheit einen am Wechselstromgenerator angeordneten Spannungsregler aufweist, die Hochdruckpumpe direkt mit dem Dieselmotor gekoppelt ist, die Einheit allein durch den hydraulischen Motor bei einem Ausfall der Netzversorgung mit konstanter Drehzahl antreibbar ist und der Dieselmotor über die elektronische Steuerschaltung nach Bedarf zum Druckaufladen des Druckbehälters in Gang setzbar ist.

Diese Vorrichtung arbeitet durch den hydraulischen Antrieb des Frequenzwandlers sehr zuverlässig und gleichmäßig. Weiterhin ist sie zum Beherrschen der verschiedenen Einsatzfälle sehr gut geeignet und von relativ einfachem und durch die separate Anordnung des Dieselmotors flexiblem Aufbau.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Die einzige Figur zeigt eine schematisierte Darstellung eines Notstromaggregats in einer Ausführungsform der Erfindung.

In der Ausführungsform nach Fig. 1 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 aufrechtzuerhalten, 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 Wechselstromgenerator 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 Druckbehälter 12 notwendig ist.

In dieser Ausführungsform liefert also der Hydromotor 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 aufrechtzuerhalten bzw. zu ergänzen.

In dieser Ausführungsform sind alle beschriebenen Komponenten jeweils gemeinsam auf einen Unterbau montiert, in welchen der Vorratsbehälter 11 und der Druckbehälter 12 sowie ein Treibstoffbehälter 13 für den Dieselmotor einbezogen sind.

Die Steuerschaltung 4 enthält beispielsweise einen Mikroprozessor, 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.

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

Claims (6)

1. Notstromaggregat für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mit einem Wechselstrommotor (1) und einem fest mit diesem gekoppelten Wechselstromgenerator (2) als eine als Frequenzwandler wirksame Einheit, einem hydraulischen Motor (8), der mit dem Wechselstromgenerator (2) gekoppelt ist, einem Dieselmotor (7), einer mit dem Wechselstrommotor (1) gekoppelten Hochdruckpumpe (5), einer Steuerschaltung (4) zum Steuern der verschiedenen Funktionen des Aggregats, einem Unterbau, auf dem die einzelnen Komponenten des Notstromaggregats angeordnet sind, und einem Hochdruckbehälter (12) und einem Vorratsbehälter (11), die mit dem hydraulischen Motor (8) und der Hochdruckpumpe (5) zum Bilden eines energiespeichernden Druckkreises verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit einen am Wechselstromgenerator (2) angeordneten Spannungsregler (3) aufweist, die Hochdruckpumpe (5) direkt mit dem Dieselmotor (7) gekoppelt ist, die Einheit allein durch den hydraulischen Motor (8) bei einem Ausfall der Netzversorgung mit konstanter Drehzahl antreibbar ist und der Dieselmotor (7) über die elektronische Steuerschaltung (4) nach Bedarf zum Druckaufladen des Druckbehälters (12) in Gang setzbar ist.

2. Notstromaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckbehälter (12) und der Vorratsbehälter (11) sowie ein Brennstoffbehälter (13) zum Versorgen des Dieselmotors (7) in den Unterbau einbezogen sind.

3. Notstromaggregat nach Anspruch 1 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 Steuerschaltung auf einen Ausfall der Netzstromversorgung der hydraulische Motor (8) in Gang setzbar ist, wobei die Drehzahl des Wechselstromgenerators (2) durch den hydraulischen Motor (8) konstant gehalten ist.

4. Notstromaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es von einem schalldämmenden Gehäuse umgeben ist und mit diesem eine kompakte geschlossene Einheit bildet.

5. Notstromaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Einheit auf einem gegebenenfalls motorisierten Fahrgestell montierbar ist.

6. Notstromaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es über eine herkömmliche Verkabelung, über eine Mikroprozessor-Verbindungsleitung des Standard-Typs RS-232, RS-422 oder über andere Verbindungseinrichtungen mit einer Fernsteuer- und/oder Fernüberwachungseinrichtung oder mit einem externen Rechnernetz verbunden ist.