DE4030134A1 - Energiespeicherndes stromaggregat - Google Patents

Description

Aggregate zur Stromerzeugung sind als Blockheizkraftwerke bekannt. Blockheizkraftwerke bestehen im wesentlichen aus einem Gas- oder Dieselmotor als Antriebsmaschine und einem damit gekoppelten Stromgenerator, der bei konstanter Dreh­ zahl Netzwechselstrom erzeugt. Die Verlustwärme des Antriebsmotors wird für Heizzwecke genutzt. Ein Nachteil dieser Bauart ist der, daß die Anlagen gewöhnlich nur dann wirtschaftlich betrieben werden können, wenn der Über­ schußstrom in das öffentliche Netz eingespeist werden kann und wenn die Verbraucher, die ein Blockheizkraftwerk nutzen, während der Nichtheizperiode aus dem öffentlichen Netz mit Strom versorgt werden können. Ein anderer Nachteil ist der, daß die Motoren von Blockheizkraftwerken nicht die in der Großkraftwerkstechnik übliche Betriebsdauer von mindestens 20 Jahren erreichen.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Zu diesem Zweck läuft der Antriebsmotor des stromerzeugenden Heizaggre­ gates im Gegensatz zu den üblichen Blockheizkraftwerken intervallweise und lädt dabei ein Schwungrad als Energie­ speicher auf. Wenn der Schwungradspeicher seine zulässige Höchstdrehzahl, die durch die zulässigen Flieh- und Kreiselkräfte begrenzt wird, erreicht hat, wird der Antriebsmotor gestoppt und abgekuppelt. Der Elektro­ energiegenerator, der von dem Schwungrad angetrieben wird, und dessen Rotor zweckmäßigerweise mit diesem eine Baueinheit bildet, läuft dabei mit variabler Drehzahl, erzeugt also eine Spannung variabler Frequenz, die mit einem Frequenzwandler zu einer Spannung der gewünschten Frequenz, typischerweise also zu 220 V, 50 Hz gewandelt wird.

Dieses Konzept ermöglicht es, mit wesentlich höheren Drehzahlen als den für 50-Hz-Generatoren gebräuchlichen 1500 Upm oder 3000 Upm zu arbeiten. Bei höheren Frequenzen können Generatoren erheblich kleiner, d. h. kostengünstiger als 50 Hz-Generatoren sein.

Der Generator besteht aus mindestens einem, vorzugsweise aber mehreren, mit dem Schwungrad rotierenden Erreger­ magneten, die vorzugsweise als Permanentmagneten aus­ geführt sind, und mehreren Statorspulen.

Die in den Statorspulen erzeugten, im Vergleich zu 50 Hz hochfrequenten Spannungen werden gleichgerichtet und in einer Schaltvorrichtung so zusammengeschaltet, daß dabei eine gewünschte Ausgangsspannung, z. B. eine Wechsel­ spannung von 50 Hz, 240 V erzeugt wird.

Wenn, um eine Sinusspannung zu erzeugen, die Windungs­ zahlen von beispielsweise 6 Statorspulen dabei so gewählt werden, daß die Höhen der gleichgerichteten Spulenspan­ nungen dabei zum Beispiel im Verhältnis 1, 2, 4, 8, 16, 32 zueinander stehen, dann kann man, ohne daß ein Transfor­ mator erforderlich wäre, mittels dieser Schaltvorrichtung durch Auswahl einer bzw. Addition mehrerer dieser Gleich­ spannungen in schnell wechselnder Kombination eine Treppen­ spannung synthetisieren, die der Sinusform genauer als 2% angenähert ist.

Diese Methode hat gegenüber Schaltspannungswandlern, die eine Primärspannung zerhacken und mittels eines Transfor­ mators in eine Sekundärspannung wandeln, Vorteile. Zwar werden mehr Schalter benötigt, diese können aber relativ langsame Bipolartransistoren sein, von denen außerdem die meisten nur für relativ niedrige Sperrspannung ausgelegt sein müssen, wenn die Ansteuerung potentialfrei erfolgt.

Es wird jedoch kein Transformator benötigt. Da ein solcher Transformator bei einem Aggregat, das einen typischen Haushalt versorgen soll, für eine Spitzen­ leistung vom Vielfachen, beispielsweise dem Zehnfachen der Durchschnittsleistung ausgelegt sein müßte, würde der lastunabhängige Verlustleistungsanteil (Ummagneti­ sierungsverlust) des Transformators, auch wenn er nur wenige Prozent der Nennspitzenleistung betrüge, trotz­ dem unnötigerweise einen erheblichen Anteil an der insgesamt für den betreffenden Haushalt erzeugten Elektroenergie ausmachen.

Im Schwungradgenerator entstehen ebenfalls ständig Um­ magnetisierungsverluste. Diese können dadurch vermindert werden, daß im Schwachlastbetrieb weniger Eisen durch­ flutet wird, was man dadurch erreicht, daß die Stator­ spulen gegenüber dem Rotor mit den Erregermagneten so verschoben werden, z. B. in zur Rotordrehachse paralleler Richtung, daß im Schwachlastbetrieb weniger Eisen durch­ flutet wird.

Der Antriebsmotor ist eine zwecks langer Lebensdauer langsam laufende Wärmekraftmaschine, die über Über­ setzungsgetriebe und eine Magnetkupplung das Schwungrad antreibt. Wenn die Maximaldrehzahl erreicht ist, wird der Antriebsmotor ausgekuppelt und gestoppt. Wenn die Schwungraddrehzahl wieder auf eine Minimaldrehzahl heruntergegangen ist, wird der Motor wieder angelassen und eingekuppelt. Auf diese Weise ist die Betriebs­ stundenzahl des Motors über die Jahre geringer, und damit die Lebensdauer des Motors wesentlich länger als bei ständig durchlaufenden Blockheizkraftwerken.

Wenn die Magnetkupplung mindestens auf der einen Seite, z. B. auf der Motorseite, Magnetspulen trägt, die ein- und ausgeschaltet werden können, dann kann diese Magnet­ kupplung zugleich die Funktion eines Anlassers erfüllen.

Die mit dem Schwungrad rotierenden Magnete, z. B. Permanent­ magnete, auf der Schwungradseite der Kupplung erzeugen ein rotierendes Magnetfeld. Um den Motor anzulassen, schaltet man Ströme durch Spulen auf der anderen, der Motorseite der Kupplung zeitlich so an und aus, daß ein Magnetfeld entsteht, das mit dem Drehfeld auf der Schwungradseite der Kupplung derart zusammenwirkt, daß die Motorseite der Magnetkupplung von der rotierenden Schwungradseite mitgenommen wird.

Um während der Stillstandszeit des Motors auch bei der Magnetkupplung Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste zu vermeiden, kann bei Motorstillstand der Abstand zwischen Motorseite und Schwungradseite der Kupplung vergrößert werden, damit weniger Eisen durchflutet wird.

Claims (4)

1. Energiespeicherndes Stromaggregat, bestehend aus einer Wärmekraftmaschine, einer Kupplung, einer Energie­ speicherschwungmasse, einem Elektroenergiegenerator und einer Schaltvorrichtung zur Erzeugung einer Nutz-Ausgangsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Wärmekraftmaschine vorzugsweise inter­ vallweise erzeugte Bewegungsenergie über eine lösbare Kupplung in eine Schwungmasse geladen wird, mit der zusammen der Läuferteil eines Elektroenergiegenerators mit einem oder vorzugsweise mehreren Erregermagneten rotiert, dessen Statorteil mehrere Spulen hat, in denen Spannungen induziert werden, deren Amplituden von Spule zu Spule abgestuft, vorzugsweise binär abgestuft, sind, und daß diese Spannungen mit vorzugs­ weise gesteuerten Gleichrichtern gleichgerichtet und, ohne daß die mit dem Elektroenergiegenerator erzeugte Elektroenergie über einen Transformator zum Ausgang des Aggregates übertragen wird, in einer mit Schaltern, vorzugsweise mit Halbleiterschaltern, bestückten Schaltvorrichtung zu einer Nutz-Ausgangsspannung, vorzugsweise einer die Netzsinusspannung annähernden Treppenspannung zusammengeschaltet werden.

2. Energiespeicherndes Stromaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Eisenverluste bei geringer Last­ stromentnahme die Statorspulen des Elektroenergie­ generators gegenüber dem Rotor vorzugsweise in einer Richtung parallel zur Rotordrehachse so verschoben werden können, daß vom Erregermagnetfeld weniger ferromagnetisches Material als bei nicht verschobener Anordnung von Rotor und Statorspulen durchflutet wird.

3. Energiespeicherndes Stromaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplung zwischen Wärmekraftmaschine und Schwung­ masse eine Magnetkupplung ist, von der mindestens die eine Kupplungshälfte mit einer oder mehreren Magnet­ spulen bestückt ist, deren Stromfluß zeitlich gesteuert werden kann, so daß ein rotierendes Magnet­ feld entsteht, das mit dem Magnetfeld der anderen Kupplungshälfte derart zusammenwirkt, daß sowohl Bewegungsenergie von der Wärmekraftmaschine auf die Schwungmasse als auch von der Schwungmasse auf die Wärmekraftmaschine übertragen werden kann, und somit die Rotationsenergie der Schwungmasse auch zum Anlassen der Wärmkraftmaschine genutzt werden kann.

4. Energiespeicherndes Stromaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Ummagnetisierungsverluste während der Stillstandszeit der Wärmekraftmaschine der Abstand zwischen der Wärme­ kraftmaschinenseite und der Schwungmassenseite der Kupplung vergrößert werden kann, damit weniger ferro­ magnetischen Material durchflutet wird.