DE4428149A1

DE4428149A1 - Energiespeicher

Info

Publication number: DE4428149A1
Application number: DE19944428149
Authority: DE
Inventors: Rudolf Epple
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-08-09
Filing date: 1994-08-09
Publication date: 1996-02-15

Description

Die Erfindung betrifft einen Energiespeicher.

Es ist üblich, beispielsweise in einer Halle stehende Bearbeitungsmaschinen zu unterschiedlichen Zeiten einzu schalten. Bei jedem Einschalten der Bearbeitungsmaschine tritt eine Stromspitze auf, die zu einem erhöhten Strom verbrauch führt. Dieser Energieverlust führt zu erhöhten Maschinenkosten

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Energie speicher zu schaffen, mit dem der Spitzenstromverbrauch zumindest verringert werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Energiespeicher durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Energiespeicher hat das Schwungrad, das, da es drehfest mit der Welle der Drehstrom-Asyn chronmotors verbunden ist, drehen kann. Im drehenden Schwungrad ist Energie entsprechend der Beziehung E = m · v² gespeichert. Diese gespeicherte Energie kann dem jeweiligen Verbraucher, beispielsweise einer Bearbeitungsmaschine, im Bedarfsfall jederzeit zur Verfügung gestellt werden. Dem Zwischenkreis wird über den Strom richter aus dem Stromnetz ein 1-Phasen-Gleichstrom zuge führt. Aus diesem Zwischenkreis kann dem Drehstrom- Asynchronmotor Energie zugeführt und damit Energie ge speichert werden. Der Stromrichter sorgt auch dafür, daß die dem Energiespeicher entnommene Energie dem jeweili gen Verbraucher zugeführt wird.

Der Zwischenkreis wird durch die elektronische Regelung so geregelt, daß er bei einem vorgegebenen Spannungs wert, beispielsweise 220 V, bleibt. Wird Energie in Form von Spannung in den Energiespeicher eingebracht, dann wird über die elektronische Regelung und den Gleichspan nungs-Zwischenkreis die Drehzahl des Schwungrades so er höht, daß der Zwischenkreis wieder eine Gleichspannung von 220 V aufweist. Wird umgekehrt dem Energiespeicher Energie entnommen, wird über die elektronische Regelung und den Gleichspannungs-Zwischenkreis die Drehzahl des Schwungrades so weit herabgesetzt, daß die Spannung im Zwischenkreis wieder 220 V hat.

Der erfindungsgemäße Energiespeicher kann überall dort eingesetzt werden, wo Energie in Form von Strom benötigt wird. Darum ist das Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Energiespeichers sehr groß.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den wei teren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dar gestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Energiespeichers,

Fig. 2 teilweise in Ansicht und teilweise im Axial schnitt den Energiespeicher gem. Fig. 1,

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung und im Schnitt den Lagerbereich einer Welle des erfindungsgemäßen Energiespeichers,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Steuerung des erfin dungsgemäßen Energiespeichers,

Fig. 5 einen elektronischen Schaltplan der Steuerung des erfindungsgemäßen Energiespeichers.

Der Energiespeicher dient dazu, in Form von Strom ge speicherte Energie für den Bedarfsfall zur Verfügung zu stellen. Als Einsatzgebiete für den Energiespeicher kom men Bearbeitungsmaschinen, Bäckereimaschinen, Solarzel len und dergleichen in Betracht. Da mit dem Energiespei cher Strom gespeichert werden kann, ist es beispielswei se auch möglich, den billigen Nachtstrom zu speichern, damit er am Tage den entsprechenden Maschinen zur Verfü gung gestellt werden kann. Ebenso sind auch Anwendungen in ortswechselnden oder beweglichen Einsatzspezifikatio nen möglich.

Der Energiespeicher ist als Kreisel ausgebildet (Fig. 1) und hat ein Gehäuse 1, das kardanisch in einem Rahmen 2 aufgehängt ist. Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist das Ge häuse in bezug auf seine mittlere Radialebene 3 spiegel symmetrisch ausgebildet. Es wird darum im folgenden nur die eine Hälfte des Energiespeichers näher beschrieben.

Im Gehäuse 1 ist eine feststehende Nabe 4 (Fig. 2 und 3) vorgesehen, die fest mit dem Gehäuse 1 verbunden, vor zugsweise mit ihm verschraubt ist. In die Nabe 4 ist ei ne Welle 5 gesteckt, die mit wenigstens zwei mit axialem Abstand voneinander liegenden Lagern 6 und 7 in der Nabe 4 drehbar gelagert ist. Die Lager 6, 7 sind vorzugsweise Hochleistungs- Schrägkugellager, die nicht nur die im Betrieb auftretenden Belastungen einwandfrei aufnehmen, sondern darüberhinaus eine extrem geringe Reibung haben und eine lange Betriebsdauer aufweisen.

Mit der Welle 5 ist drehfest ein Schwungrad 8 verbunden (Fig. 2), das über die Welle 5 mit geringst möglicher Reibung drehbar gelagert ist. Das Schwungrad 8 ist über eine Scheibe 9 mit der Welle 5 drehfest verbunden. Die Scheibe 9 besteht vorteilhaft aus zwei zusammengesteck ten Ringteilen 10 und 11, von denen der radial äußere Ringteil 10 mit dem Schwungrad 8 und der radial innen liegende Ringteil mit der Welle 7 verbunden ist. Der Ringteil 11 ist vorteilhaft mit Schrauben 12 lösbar mit der Welle 5 verbunden. Dadurch läßt sich das Schwungrad 8 im Wartungs- oder Reparaturfalle einfach von der Welle 5 lösen.

Der innere Ringteil 11 ist an einem drehfest mit der Welle 5 verbundenen ringförmigen Halterungsteil 13 (Fig. 3) befestigt, der das untere Lager 7 axial abstützt. Wie Fig. 3 weiter zeigt, ist in den Halterungateil 13 ein Halterungsring 14 mit seinem unteren Ende gesteckt, auf dessen Außenwand 15 drehfest ein Rotor 16 sitzt. Der Halterungsring 14 umgibt mit einem Ringspalt 17 die Nabe 4. Der Halterungsring 14 ist am gegenüberliegenden Ende außenseitig mit einer Verdickung 18 versehen, durch wel che der Rotor 16 axial auf dem Halterungsring 14 gesi chert ist. Der Rotor 16 bildet einen Teil eines Motor/ Generator-Elementes 19, das im Gehäuse 1 untergebracht ist. Der Rotor 16 ist über den Halterungsring 14 und den Halterungsteil 13 auf der Welle 5 und dem Lager 7 befe stigt.

Der Rotor 16 wird unter Bildung eines kleinen Ringspal tes 20 (Fig. 3) von einem Stator 21 umgeben, der eben falls Bestandteil des Elementes 19 ist. Der Stator 21 ist an der Innenseite des Gehäuses 1 befestigt. Zur Auf nahme des Stators 21 ist das Gehäuse 1 mit einem zen trisch liegenden Aufnahmering 22 versehen, dessen Achse 23 (Fig. 2) die Achse des Gehäuses 1 bildet. Dieser Auf nahmering 22 wird mit Abstand vom Schwungrad 8 umgeben.

Das Element 19 mit dem Rotor 16 und dem Stator 21 bildet einen Teil eines Drehstromasynchronmotors, mit dem das Schwungrad 8 in noch zu beschreibender Weise nahezu ver lustreibungsfrei angetrieben werden kann.

Das Gehäuse 1 ist luftdicht ausgebildet und besteht aus zwei symmetrischen Gehäusehälften 24 und 25, die jeweils die beschriebenen Elemente in spiegelsymmetrischer An ordnung enthalten. Nach dem Zusammenbau des Energiespei chers wird das Gehäuse 1 evakuiert, um Verluste durch Luftreibung weitgehend zu vermeiden. Das Gehäuse 1 wird beispielsweise mit einem Vakuum von etwa 0,1 bar verse hen.

Die in den beiden Gehäusehälften 24, 25 untergebrachten Schwungräder 8 haben gegenläufigen Drehsinn. Dadurch wird das bei der Energie-Inhaltsveränderung entstehende Drehmoment aufgehoben.

Die im Motor/Generator-Element 19 entstehende Reibungs wärme wird über den Aufnahmering 22 des Gehäuses 1 nach außen abgeführt. Darüberhinaus kann die radial zur Welle 5 liegende Scheibe 9 mit Schaufeln oder dergleichen ver sehen sein, die bei der Rotation der Scheibe 8 eine Luftströmung innerhalb des Gehäuses 1 erzeugen und somit zu einer optimalen Kühlung der einzelnen Teile innerhalb des Gehäuses 1 führen.

Die beiden Schwungräder 8 könne Drehzahlen von mehr als 20 000 bis etwa 22 000/min aufweisen. Die Leistungselek tronik ist auf die Außenseite des Gehäuses 1 aufgesetzt, um keine unnötigen elektromagnetischen Strahlungen der elektrischen Impulse zu erzeugen. Zur Steuerelektronik führen lediglich Niedervolt-Steuerleitungen und Zwi schenkreis-Gleichstrom-Leitungen.

Zur elektronischen Steuerung des Energiespeichers wird ein Mikroprozessor herangezogen, der im System der Puls weitenmodulation die Steuerung verwaltet. Dieser Mikro prozessor ordnet entsprechend dem Phasenfortschritt die Pulsweiten den jeweiligen Strängen der Drehstromwicklun gen des Drehstrom-Asynchronmotors 19 zu. Die ausgegebe nen Werte werden von entsprechenden elektronischen Bau elementen strangseparat verarbeitet und Leistungshal bleitern, sogenannten IGBT′s, zugewiesen. Die Taktfre quenz der Steuerimpulse ist vorzugsweise 16 kHz, um den Geräuschpegel auf ein Minimum zu reduzieren.

Einem Zwischenkreis wird ein nahezu beliebiger Gleich strom zugeführt. Aus diesem Zwischenkreis wird der Mo tor/Generator-Einheit 19 des Energiespeichers Energie zugeführt, das heißt gespeicherte bzw. Energie entnom men. Ein getakteter Stromrichter liefert aus dem Zwi schenkreis Energie an den Verbraucher. Dies kann sehr gleichmäßig erfolgen, wenn der Zwischenkreis eine kon stante Spannung aufweist. Der Zwischenkreis wird von ei ner Elektronik überwacht und auf einem wählbaren Poten tial gehalten. Wird durch Energiezufuhr die Zwischen kreisspannung erhöht, führt die Elektronik die Kreisel drehzahl unmittelbar auf einen höheren Wert, bis das ge wünschte Potential wieder erreicht ist. Sinkt durch Energie-Abfuhr die Zwischenkreisspannung unter die ge wünschte Höhe ab, regelt die Elektronik die Speicher drehzahl herunter, bis durch die dadurch dem Zwischen kreis zugeführte Energie das gewünschte Potential wieder erreicht hat. Die Trägheit des gesamten Systems liegt im Bereich der Signal-Durchlaufzeit der Elektronik, also bei weniger als 1/1000 Sekunde.

Damit beim Drehen des Energiespeichers nur eine geringe Auftreibung auftritt, sind Gehäuse 1 und Schwungräder 8 entsprechend strömungstechnisch glatt ausgebildet. In nerhalb des Gehäuses 1 sind die Schwungräder 8 und die Lagerung der Wellen 5 so ausgebildet, daß der Schwer punkt der Schwungscheiben 8 mit der Drehachse 23 der La gerung zur Deckung kommt. Dadurch kann auch im Dauerbe trieb des Energiespeichers eine Unwucht nicht auftreten.

In den Energiespeicher wird Wechselspannung 26 (Fig. 4) eingegeben. Sie wird über einen Stromrichter 27, der vorzugsweise eine Diode ist, aber auch ein gesteuerter Thyristor sein kann, in Gleichspannung umgewandelt. Sie liegt im Zwischenkreis 28 an und wird einer Steuerung 29 zugeführt. Sie ist vorteilhaft ein Thyristor, kann aber auch jedes andere geeignete elektronische Bauteil sein, beispielsweise ein IGBT, ein MOSFET oder dergleichen. An die Steuerung 29 ist eine elektronische Regelung 30 an geschlossen, welche die Gleichspannung im Zwischenkreis 28 überprüft und ein entsprechendes Regelsignal an die Steuerung 29 liefern kann. Der Steuerung 29 ist das Mo tor/Generator-Element 19 nachgeschaltet, das durch die Welle 5, den Rotor 16 und den Stator 21 gebildet wird. Diese Einheit 19 ist ein Dreiphasenwechselstrommotor, der über die Scheibe 9 mit dem jeweiligen Speicher 8 in Form des Schwungrades verbunden ist.

Der Energiespeicher wird im Ausgangszustand in der Regel an das Stromnetz angeschlossen und eingeschaltet. Nun mehr entnimmt der Energiespeicher aus dem Stromnetz über den Stromrichter 27, den Zwischenkreis 28 und die Steu erung 29 Energie in Form von Strom. Die Welle 5 mit dem Rotor 16 dreht um ihre Achse 23, wobei ihre Drehzahl von Null aus ständig zunimmt, bis sie eine vorgegebene Grenzdrehzahl erreicht hat. Da die Schwungräder 8 über die Scheiben 9 drehfest mit den Wellen 5 verbunden sind, drehen auch die Schwungräder 8 in gleichem Maße mit. So bald die vorgegebene Drehzahl erreicht ist, ist der Energiespeicher gefüllt. Nunmehr steht die Energie auf grund der Beziehung E = m · v² zur Verfügung.

Bei weiterem Betrieb des Energiespeichers kann die überschüssige Energie in das Stromnetz zurückgeführt werden. Hierzu überwacht die elektronische Regelung 30 die Gleichspannung im Zwischenkreis 28. Sobald die Gleich spannung einen bestimmten Wert erreicht hat, ist dies ein Hinweis darauf, daß der Speicher gefüllt ist und nunmehr Energie entnommen werden kann. Gesteuert über die elektronische Regelung 30 kann Energie über einen weiteren Stromrichter 31, der die Gleichspannung wieder in Wechselspannung 32 umwandelt, in das Netz oder in ein separates Stromnetz abgegeben werden.

Die beschriebene Energieabgabe in das Netz kann, wenn der Energiespeicher gefüllt ist, vollautomatisch durch geführt werden. So kann beispielsweise das Stromnetz ab geschaltet oder die Stromnetzzuführung durch geeignete elektronische Bauteile verringert werden. Dies hat in jedem Fall einen Spannungsabfall im Zwischenkreis 28 zur Folge, der von der elektronischen Regelung 30 erfaßt wird. Dieser Spannungsabfall wird dadurch ausgeglichen, daß die Energie vom Speicher in der beschriebenen Weise über den Stromrichter 31 in das Netz abgegeben wird. Die Stromabgabe erfolgt so lange, bis die Gleichspannung im Zwischenkreis 28 der entsprechenden Stromzuführung ent spricht. Sobald die Gleichspannung der Höhe der Spannung des zugeführten Stromes entspricht, kann die Energieab gabe unterbrochen werden.

Es ist auch möglich, zu diesem Zeitpunkt das Netz wieder auf volle Stromstärke hochzuschalten oder aber bei dem verringerten Gleichspannungswert den Energiespeicher weiterzubetreiben.

Der Stromrichter 31 kann wie der Stromrichter 27 eine Diode, ein gesteuerter Thyristor oder dergleichen sein.

Die beschriebene Wirkungsweise des Energiespeichers be trifft den Fall, daß die gespeicherte Energie nicht ei nem Verbraucher, beispielsweise einer Bearbeitungsma schine, zugeführt wird. In Fig. 4 ist auch der Fall dar gestellt, daß die gespeicherte Energie zur Energiever sorgung wenigstens einer Last 33 über Stromleitungen zu geführt wird. Wie sich aus Fig. 4 ergibt, können mehrere Lasten 33 mit gespeicherter Energie versorgt werden. Die Energiezuführung zur Last 33 wird durch die elektroni sche Regelung 30 mitgeregelt. Die Last 33 kann eine Be arbeitungsmaschine, ein Aufzug, eine Pumpe oder derglei chen sein. Die Zuführung der Energie in den Speicher er folgt in der beschriebenen Weise. Diese gespeicherte Energie kann an die Last 33 abgegeben werden. Diese Last 33 hat einen entsprechenden Motor/Generator in Form eines Dreiphasenwechselstrommotors. Mit der elektronischen Regelung 30 wird die Gleichspannung im Zwischenkreis 28 in der beschriebenen Weise überwacht. Die Gleichspannung im Zwischenkreis 28 bildet das Bezugspotential für die elektronische Regelung. Sie erzeugt einen Dreiphasen wechselstrom und damit auch ein entsprechendes Drehfeld.

Ist die Drehgeschwindigkeit dieses Drehfeldes höher als die Drehzahl des Motors der Last 33, dann muß ihr Ener gie zugeführt werden. Dementsprechend wird über einen von der elektronischen Regelung 30 angesteuerten Steuer teil die Zuführung vom Zwischenkreis 28 zur Last 33 freigegeben, die somit aus dem Energiespeicher die er forderliche Energie abzieht. Durch die Energieaufnahme nimmt die Drehzahl des Motors der Last 33 wieder zu, bis ein Leistungsausgleich auf der mechanischen, das heißt auf der Motorseite, und der elektrischen Seite herrscht.

Es kann auch der Fall auftreten, daß die Drehzahl des Motors der Last 33 höher ist als die Drehgeschwindigkeit des Drehfeldes. Ein solcher Fall tritt beispielsweise dann auf, wenn ein Aufzug nach unten fährt. In diesem Fall kann vom Motor der Last 33 Energie wieder zurückge geben werden. Dies wird anhand von Fig. 5 noch näher er läutert werden.

Auf diese Weise können mehrere Lasten 33 durch die ein zige elektronische Regelung 30 mit Energie versorgt wer den.

Fig. 5 zeigt das Schaltbild eines konkreten Beispieles einer elektronischen Regelung 30 und einer zum Speicher gehörenden Steuerung, die aus einer Ansteuerelektronik 35 und einer Leistungselektronik 36 besteht.

Die elektronische Regelung 30 hat den Mikroprozessor 37, drei Speicher 38, 38′, 38′′ einen Decoder 39 und eine Ansteuerungseinheit 40. Der in Fig. 5 dargestellte Spei cher 38 ist für die Phase R des Motors vorgesehen. Die beiden anderen Speicher 38′ und 38′′, die in Fig. 5 durch strichpunktierte Linien angedeutet sind, sind für die Phasen S und T des Motors vorgesehen. Die Speicher 38, 38′, 38′′ sind somit den drei Phasen des Dreiphasen wechselstromes zugeordnet und sind programmierbare Zäh ler, in welche die jeweiligen Sinuswerte der Einschalt dauer der jeweiligen Phasen eingegeben werden können. Die Speicher 38, 38′, 38′′ sind an die entsprechenden Ausgänge des Microcomputers 37 angeschlossen. Der Deco dierer 39 hat die Aufgabe, einen der Speicher 38, 38′, 38′′ für die Programmierung durch den Mikroprozessor 37 auszuwählen. Im Mikroprozessor 37 sind die Sinuswerte der Einschaltdauer der Phasen in Form einer Datentabelle abgelegt.

Der Mikroprozessor 37 enthält einen Impulsgenerator, mit dem die Frequenz der Last 33 eingestellt werden kann. Dieser Impulsgenerator hat ein Zeitglied, mit dem die Impulsdauer des Impulsgenerators eingestellt werden kann. Das Ausgangssignal dieses Impulsgenerators wird einem im Mikroprozessor 37 vorhandenen Zwischenspeicher zugeführt, der die vom Impulsgenerator kommenden Signale für die Abfrage durch den Mikroprozessor 37 bereithält.

Der Mikroprozessor 37 lädt nun in jeden der drei Spei cher 38, 38′, 38′′ einen entsprechenden Sinuswert. So bald diese drei Sinuswerte nacheinander in den Speichern abgelegt sind, erhalten diese vom Mikroprozessor 37 ein entsprechendes Signal zum Beginn des Zählvorganges. Je der Speicher 38, 38′, 38′′ zählt vom eingegebenen Wert aus rückwärts bis 0. Beim Herunterzählen wird an den entsprechenden Ausgängen der Speicher ein Highsignal ab gegeben. Für den Speicher 38 ist dies der Bauteil 41, im Ausführungsbeispiel ein Vierfach-ODER-Gatter ist. Die anderen Speicher 38′, 38′′ senden ihre Highsignale an entsprechende, in Fig. 5 der Einfachheit halber nicht dargestellte Bauteile. Solange noch ein entsprechender Wert im jeweiligen Speicher 38, 38′, 38′′ vorhanden ist, legt am ODER-Gatter 41 ein Signal an, so daß das ODER- Gatter 41 ein Ausgangssignal einem XOR-Gatter 42 zu führt. Am Eingang 43 des XOR-Gatters 42 liegt somit ein Highsignal an. Erst wenn am ODER-Gatter 41 kein Signal mehr anliegt, liegt auch am Eingang 43 des XOR-Gatters 42 kein Signal mehr an. Der andere Eingang 44 des XOR- Gatters 42 ist mit einem Zwischenspeicher 45 verbunden, in dem die negative Halbwelle der Sinuskurve gespeichert wird. Am Eingang 43 des XOR-Gatters 42 liegt ein Signal so lange an, wie das ODER-Gatter 41 nicht Null bzw. Low ist. Am Eingang 44 des XOR-Gatters 42 liegt so lange ein Signal an, wie der entsprechende Wert im Zwischenspei cher 45 gespeichert ist. In diesem Fall liefert das XOR- Gatter 42 kein Ausgangssignal.

Die elektronische Regelung 30 ist ferner mit einem UND- Gatter 46 versehen. Sein Eingang 47 ist mit dem ODER- Gatter 41 und sein Eingang 48 mit dem Zwischenspeicher 45 verbunden. Das UND-Gatter 46 gibt ein Ausgangssignal ab, wenn an beiden Eingängen 47, 48 ein Signal anliegt.

Für die Phasen S und T sind die entsprechenden Bauteile vorgesehen. In Fig. 5 ist jedoch der Schaltaufbau ledig lich für die Phase R dargestellt, der in gleicher Weise aber auch bei den Phasen 5 und T vorgesehen ist.

Im Zwischenspeicher 45 ist die negative Halbwelle der Sinuskurve nur so lange gespeichert, wie sich der ent sprechende Zeiger für die Phase S im Bereich der positi ven Halbwelle der Sinuskurve befindet. Gelangt der Zei ger in den negativen Teil der Sinuskurve, dann ist im Zwischenspeicher 45 der Wert 1 gespeichert.

So lange der Speicher 38 nicht Null ist, liegt entweder am XOR-Gatter 42 oder am UND-Gatter 46 ein Ausgangsig nal an. Es wird der Ansteuerungseinheit 40 zugeführt, die Bauteile 49 oder 50 der Leistungselektronik 36 an steuert. Sie sind die schon erwähnten IGBT-Bauteile.

Steht am XOR-Gatter 42 ein Ausgangssignal an, wird der Bauteil 49 angesteuert. Steht am UND-Gatter 46 ein Aus gangssignal an, wird mit ihm der Bauteil 50 angesteuert. Diese Bauteile 49, 50 werden entsprechend dem Verlauf der Sinuskurve abwechselnd ein- und ausgeschaltet, wo durch das jeweilige Drehfeld im Dreiphasenwechselstrom erzeugt wird.

Auf die beschriebene Weise werden mittels der Speicher 38′ und 38′′ auch die Phasen S und T zur Erzeugung des Drehfeldes angesteuert.

Die elektronische Regelung 30 enthält eine Selbsthalte- und Löscheinrichtung, welche durch die Bauteile 51 bis 54 gebildet wird. Die Bauteile 50 und 51 sind NAND-Gat ter, während die Bauteile 53 und 54 ODER-Gatter sind. Das ODER-Gatter 54 ist über eine Leitung 55 mit einem Initialausgang 56 des Mikrocomputers 37 verbunden. Wenn in der beschriebenen Weise die entsprechenden Werte im Speicher 38 abgelegt sind, wird über diesen Initialaus gang 56 ein entsprechender Impuls an den Eingang 57 des ODER-Gatters 54 gegeben. Das ODER-Gatter 54 erzeugt an seinem Ausgang ein entsprechendes Highsignal, das dem NAND-Gatter 51 zugeführt wird. Da am ODER-Gatter 41 das Ausgangssignal ansteht, erhält auch der andere Eingang des NAND-Gatters 51 ein entsprechendes Signal. Dadurch liegt am Ausgang des NAND-Gatters 51 das entsprechend invertierte Signal vor. Es wird den Eingängen des nach folgenden NAND-Gatters 52 sowie einem Zählfreigabean schluß 58 des Speichers 38 zugeführt. Solange ein High signal an diesem Anschluß 58 des Speichers 38 anliegt, wird der Zählvorgang unterbrochen. Da über die beschrie bene Schaltung an diesem Eingang 58 jedoch ein inver tiertes Signal anliegt, beginnt der Speicher 38 seine Abwärtszählung bzw. setzt diese fort. Die Zählfolge, das heißt wie schnell die Werte im Speicher 38 herunterge zählt werden, wird durch ein Clocksignal gesteuert, das vom Mikrocomputer 37 über eine entsprechende Leitung 59 dem Speicher 38 zugeführt wird.

Da an den beiden Eingängen des NAND-Gatters 52 jeweils ein negatives Signal anliegt, steht am Ausgang dieses NAND-Gatters 52 ein positives Signal an, das dem Eingang 60 des ODER-Gatters 54 zugeführt wird. Über diesen Selbsthalte und Löschkreis 51 bis 54 wird somit selbst tätig das Herunterzählen des Speichers 38 so lange auf rechterhalten, bis er auf den Wert Null heruntergezählt hat. In diesem Augenblick steht am Ausgang des ODER-Gat ters 41 kein Signal mehr an, so daß der Ausgang des NAND-Gatters 51 high wird. Dadurch steht am Zählerabfrageanschluß des Speichers 38 ein Highsignal an, so daß er den Zählvorgang abbricht.

Sobald der zählerstand Null erreicht ist, steht am Aus gang des ODER-Gatters 41 kein Signal mehr an, so daß auch am Eingang 61 des ODER-Gatters 53 ein Lowsignal an liegt. Am anderen Eingang 62 des ODER-Gatters 53 steht seit Beginn des Zählvorganges ebenfalls kein Signal an, so daß der Ausgang des ODER-Gatters 53 Null ist somit der Reseteingang des Zwischenspeichers 45 gesetzt wird, das heißt die gespeicherten Werte werden gelöscht. An schließend beginnt der Lade- und Zählvorgang wieder von neuem.

Der Schaltungsablauf ist auch bei den beiden anderen Speichern 38′, 38′′ mit den entsprechenden zugehörigen Bauteilen in gleicher Weise vorgesehen.

Die Ansteuerungseinheit 40 wird vorzugsweise mit 20 V betrieben, während für sämtliche anderen Bauteile der elektronischen Regelung 30 5 V Versorgungsspannung ver wendet wird.

In den Mikroprozessor 37, der sämtlichen Speichern 38, 38′, 38′′ und den diesen zugeordneten Bauelementen ge meinsam ist, sind zwei Schwellwertgeber integriert, die vorzugsweise Schmitt-Trigger sind. Mit ihnen werden ein oberer und ein unterer Grenzwert der Gleichspannung im Zwischenkreis 28 eingestellt. Solange sich der Gleichspannungswert des Zwischenkreises 28 innerhalb dieser beiden Grenzwerte befindet, wird der Inhalt des Energie speichers nicht verändert. Sobald jedoch der Gleichspan nungswert des Zwischenkreises 28 außerhalb des einge stellten Bereiches liegt, gibt der Mikrocomputer 37 ein entsprechendes Ausgangssignal, mit dem der Drehstrom asynchronmotor des Energiespeichers gesteuert wird. Liegt die Spannung des Zwischenkreises 28 oberhalb des oberen Grenzwertes, wird die Geschwindigkeit der Schwung räder 8 bzw. des Motors 19 erhöht. Es erfolgt eine Energieaufnahme, die mit einem Abfall der Gleichspannung im Zwischenkreis 28 verbunden ist.

Liegt die Gleichspannung im Zwischenkreis 28 unterhalb des unteren Grenzwertes, wird die Geschwindigkeit des Asynchronmotors 19 des Energiespeichers verringert, so daß der Gleichspannungswert im Zwischenkreis 28 wieder erhöht wird.

Ist die Gleichspannung im Zwischenkreis 28 zu hoch, dann wird der auf die jeweiligen, im Mikrocomputer 37 gespei cherten Sinuswerte gerichtete Zeiger um einen Schritt erhöht. Dies hat zur Folge, daß beim nächsten Zählvor gang in die Speicher 38, 38′, 38′′ der nächsthöhere Wert gespeichert wird, ab dem in der beschriebenen Weise zu rückgezählt wird. Die Verschiebung des Zeigers um einen Wert bedeutet eine entsprechende Winkelverdrehung des mit der elektronischen Regelung erzeugten Drehfeldes. Auf diese Weise wird die Drehgeschwindigkeit des Dreh feldes erhöht. Dadurch nimmt die Spannung im Zwischen kreis 28 wieder ab.

Bei Unterschreiten des unteren Grenzwertes bleibt der Zeiger im Mikroprozessor 37 an der augenblicklichen Stelle stehen. Dadurch bleibt auch das erzeugte Drehfeld stehen, bis wieder eine Veränderung des Zeigers im Mi kroprozessor 37 stattfindet. Auf diese Weise kann die Drehgeschwindigkeit des Drehfeldes an die jeweilige Drehzahl der Schwungräder 8 des Energiespeichers selbst tätig angepaßt werden.

Im folgenden wird an einem Beispiel der Energieinhalt des Energiespeichers berechnet.

Der Energieinhalt ergibt sich aus der Beziehung:

E = ½ · ω² · (J₁ + J₂ + . . . + J_n).

Für J_n ergibt sich folgende Beziehung:

J_n = K · ρ · π · h · (R⁴ - r⁴).

Bei einer angenommenen Drehzahl von 22 000 min^-1 einer mittleren spezifischen Dichte von 2000 kg/m³, einer Hö he h der Scheibe 9 von 0,23 m, einem Außenradius R des Schwungrades 8 von 0,44 m und einem Innenradius r von 0,32 m ergibt sich:

J_n= 2000 kg/m³ · π 0,23 m (0,44⁴ - 0,32⁴) m⁴/2.

Der Energieinhalt E beträgt somit:

E = K (2304 s^-1)² · 19,51 kg m² = 5,18 · 10⁷ Nm = 14,4 kWh.

Bei zwei gegenläufigen Speicherhälften und einem Spei cheraußendurchmesser von 0,88 m beträgt die Gesamtspei cherkapazität E = 28,8 kWh.

Der beschriebene Drehstrom-Asynchronmotor des Energie speichers wirkt als Arbeitsmaschine, wenn Energie gela den wird, und als Kraftmaschine, wenn Energie entnommen wird. Der beschriebene Energiespeicher ist kompakt aus gebildet und besteht aus herkömmlichen Bauteilen, die eine einfache kostengünstige Fertigung des Energiespei chers ermöglichen.

Claims

1. Energiespeicher, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens ein dreh fest mit einer Welle (5) eines Drehstrom-Asynchronmotors (19) verbundenes Schwungrad (8) aufweist, und daß der Antrieb des Drehstrom-Asynchronmotors (19) durch eine elektronische Regelung (30, 34) er folgt, die den Drehstrom-Asynchronmotor (19) in Ab hängigkeit von der Spannung in einem Gleichspannungs-Zwischenkreis (28) steuert, dem wenigstens ein Stromrichter (27) vorgeschaltet ist, der die Wechselspannung in Gleichspannung umwandelt.

2. Energiespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrom-Asyn chronmotor (19) einen drehfest auf der Welle (5) sitzenden Rotor (16) aufweist, der von einem Stator (21) umgeben ist.

3. Energiespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (8) und der Drehstrom-Asynchronmotor (19) in einem gemein samen Gehäuse (1) untergebracht sind.

4. Energiespeicher nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) karda nisch aufgehängt ist.

5. Energiespeicher nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) spie gelsymmetrisch zu seiner Radialmittelebene (3) aus gebildet ist.

6. Energiespeicher nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in jeder Gehäusehälfte (24, 25) jeweils ein Schwungrad (8) und jeweils ein Drehstrom-Asynchronmotor (19) untergebracht ist.

7. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (8) den Drehstrom-Asynchronmotor (19) mit Abstand umgibt.

8. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwungrad (8) am radial äußeren Randbereich einer Scheibe (9) vorge sehen ist, die radial zur Welle (5) liegt und das Schwungrad (8) mit ihr verbindet.

9. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steu erung (30, 34) zumindest teilweise an der Außensei te des Gehäuses (1) angeordnet ist.

10. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) evaku iert ist.

11. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Steu erung (34) wenigstens einen Mikroprozessor (37) aufweist, der entsprechend dem Phasenfortschritt der Phasen (R, S, T) des Drehphasenwechselstromes die Pulsweiten den jeweiligen Strängen der Dreh stromwicklungen des Drehstrom-Asynchronmotors (19) zuordnet.

12. Energiespeicher nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Mikroprozessor (37) ausgegebenen Signale strangseparat verarbeitet und Leistungshalbleitern (49, 50) zugeführt werden.

13. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gleichspannungs- Zwischenkreis (28) ein 1-Phasen-Gleichstrom zuführ bar ist.

14. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehstrom-Asyn chronmotor (19) Spannung aus dem Gleichspannungs- Zwischenkreis (28) erhält.

15. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gleichspannungs- Zwischenkreis (28) Spannung vom Drehstrom-Asyn chronmotor (19) zuführbar ist.

16. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung im Gleich spannungs-Zwischenkreis (28) durch den Mikroprozes sor (37) einstellbar ist.

17. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei Spannungserhöhung im Gleichspannungs-Zwischenkreis (28) die elektro nische Regelung (30, 34) die Drehzahl der Welle (5) bzw. des Schwungrades (8) erhöht.

18. Energiespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß bei Spannungsabfall im Gleichspannungs-Zwischenspeicher (28) die elektro nische Regelung (30, 34) die Drehzahl der Welle (5) bzw. des Schwungrades (8) verringert.