DE69707704T2

DE69707704T2 - Hybridgeneratorvorrichtung

Info

Publication number: DE69707704T2
Application number: DE69707704T
Authority: DE
Inventors: Manuel Dos Santos Da Ponte; Lech Grzesiak; Wlodzimierz Koczara; Andrzej Niedzialkowski; Pawel Pospiech
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-19
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2017-12-20
Also published as: US6175217B1; DE69707704T3; CN1246216A; EP0947042A1; ES2167809T5; PL186824B1; DE69707704D1; KR100603245B1; WO1998028832A1; KR20000069651A; CA2275617C; MY124133A; CA2275617A1; AP9901605A0; ZA9711503B; AP1042A; JP2001507199A; PT947042E; AU5860298A; AU730833B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft Generatorgeräte, die zur Lieferung von Leistungen verwendet werden können, die erheblichen zeitlichen Veränderungen unterworfen sind.
In herkömmlichen elektrischen Generatorgeräten betreibt ein Motor oder anderer primärer Kraftlieferer einen synchronen Alternator mit nominell konstanter Drehzahl, die so berechnet ist, dass ein elektrischer Wechselstromausgang der richtigen Frequenz geliefert wird. Im praktischen Betrieb bleibt die Motordrehzahl nicht genau konstant, was zu unerwünschten Frequenzvariationen des elektrischen Ausgangs eines solchen Generatorgerätes ergibt.
Um die Maximumleistung erbringen zu können, muss ein solches Generatorgerät eine entsprechende Größe besitzen, und das kann sehr verschwenderisch sein auf Grund der Tatsache, dass die durchschnittliche Belastung typischerweise nur etwa 20% der Spitzenlast beträgt. Es gibt zahlreiche Anwendungen wie Schweißen, Batterieladen und der Startbetrieb elektrischer Motoren, wo die geforderte Leistung großen Schwankungen unterliegt und wo nur vorübergehend schwere Lasten des Generatorgerätes vorkommen. Es ist deshalb erwünscht, dass man ein Generatorgerät benutzt, welches in seiner Anwendung effizient unter leichten Belastungsbedingungen arbeiten kann.
Veränderliche Drehzahlgeneratorgeräte wurden vorgeschlagen, (siehe beispielsweise US Patent Nr. 5,563,802 von Plahn et al), die auf Änderungen des Lastbedarfs durch Drehzahländerung des Motors/Generators reagieren und die Batterien verwenden zur Lieferung der Leistung unter geringer Last. Systeme dieser Art leiden jedoch unter verschiedenartigen Einschränkungen, einschließlich eines beschränkten Motordrehzahlbetriebsbereiches, kurze Lebenserwartung der Batterien wegen der anspruchsvollen Betriebszyklen und schwache Leistung unter ungünstigen Lastbedingungen.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hybridgeneratorgerätes, welches erhebliche Lastschwankungen bewältigen kann bei gleichzeitig gutem Wirkungsgrad.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß besitzt ein Stromversorgungsgerät:
wenigstens eine zum Bereitstellen eines veränderlichen elektrischen Spannungs-und/oder Stromausgangs angeordnete steuerbare Quelle;
eine Entkopplungsumrichtereinrichtung zum Erzeugen eines Gleichstrom-Zwischenausgangs aus dem veränderlichen elektrischen Spannungs- und/oder Stromausgang der wenigstens einen steuerbaren Quelle, die im Wesentlichen unabhängig von Veränderungen im elektrischen Ausgang der Quelle ist;
eine Ausgangseinrichtung zum Erzeugen eines Wechselstrom- oder Gleichstromausgangs, um eine sich in der Zeit verändernden Last aus dem Gleichstrom-Zwischenausgang zu liefern;
eine Sensoreinrichtung zum Überwachen der Spannung und/oder des Stroms der wenigstens einen steuerbaren Quelle und des Gleichstrom- Zwischenausgangs und zum Erzeugen von diesen entsprechenden Ausgangssignalen; und
eine auf die Ausgangssignale ansprechfähige Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs der wenigstens einen steuerbaren Quelle, um den Stromausgang der Quelle dynamisch zu verändern und dadurch den von der sich in der Zeit verändernden Last benötigten Strom zu liefern.
Die steuerbare Quelle kann eine Brennstoffzelle oder eine andere Einrichtung wie ein Wasserkraft-Generator, eine Windturbine, ein Gasturbinen/Generator oder eine beliebige andere Einrichtung sein, die einen elektrischen Ausgang aus einem nichtelektrischen Eingang liefert.
Statt dessen kann die steuerbare Quelle einen Motor und einen Generator besitzen, der die Entkopplungsumrichtereinrichtung mit einem variablen Spannungsausgang beliefert.
Vorzugsweise ist der Generator ein Wechselstromgenerator, der eine veränderliche Spannung, einen Wechselstromausgang veränderlicher Frequenz an die Entkopplungsumrichtereinrichtung liefert, wobei die Vorrichtung Gleichrichtereinrichtungen zur Gleichrichtung des Wechselstromausgangs des Generators und der Entkopplungsumrichtereinrichtung besitzt mit einem Gleichstrom/Gleichstromumrichter zur Umwandlung des gleichgerichteten Wechselstromausgangs in einen Gleichstromzwischenausgang bei einer Spannung, die unter Bezugnahme auf eine Referenzspannung gesteuert wird.
Die Steuereinrichtung kann Sensoreneinrichtungen besitzen, die zur Überwachung der Belastung des Gleichstromzwischenausgangs der Umrichtereinrichtung und/oder der steuerbaren Quelle eingerichtet ist und um die Drehzahl des Motors zu erhöhen, falls die Belastung einen vorgegebenen Wert überschreitet.
In einer Ausführungsform der Steuereinrichtung wird diese so betrieben, dass der aus der steuerbaren Quelle entzogene Strom auf einem vorgegebenen Pegel oder innerhalb eines vorgegebenen Bereiches gehalten wird, wobei die Sensoreinrichtung einen Stromsensor besitzt, der die Ausgangsspannung beim Gleichstromzwischenausgang der Umrichtereinrichtung überwacht und die Drehzahl des Motors erhöht, um die Kraftlieferung der Umrichtereinrichtung zu erhöhen, wenn die Spannung des Gleichstromzwischenausgangs unterhalb eine erste Spannungsschwelle fällt.
In einer anderen Variante wird die Steuereinrichtung so betrieben, dass die Spannung des Gleichstromzwischenausgangs im Wesentlichen konstant bleibt, wobei die Sensoreinrichtung einen Strömungssensor besitzt, der die der steuerbaren Quelle entnommene Spannung überwacht und die Motordrehzahl erhöht, um die Kraftzufuhr an die Umrichtereinrichtung zu erhöhen, wenn der der steuerbaren Quelle entzogene Strom eine erste Stromschwelle überschreitet.
Die Vorrichtung kann wenigstens eine erste Energiespeichereinrichtung besitzen, die zum Laden des Gleichstromzwischenausgangs eingerichtet ist und zur Entladung von Energie in den Gleichstromzwischenausgang falls die Spannung des Gleichstromzwischenausgangs unter einen Nennwert fällt.
Statt dessen oder außerdem kann das Gerät eine Hilfslaststeuereinrichtung besitzen zur Feststellung eines Anschlusses einer schweren Hilfslast an die Ausgangseinrichtung und zur Steuerung der Kraftzufuhr an die Hilfslast, um dadurch übermäßige Belastung der Ausgangseinrichtung zu vermeiden.
Vorzugsweise besitzt das Gerät wenigstens eine zweite Energiespeichereinrichtung, einen Ladekreis zur Aufladung der zweiten Energiespeichereinrichtung aus dem Gleichstromzwischenausgang der Umrichtereinrichtung und einen Entladekreis zum Entladen der zweiten Energiespeichereinrichtung parallel zur ersten Energiespeichereinrichtung falls die Gleichstromzwischenausgangsspannung unter eine zweite Spannungsschwelle unterhalb der ersten Spannungsschwelle abfällt.
In einer Ausführungsform besitzt die Vorrichtung eine dritte Energiespeichereinrichtung, einen Ladekreis, der dazu eingerichtet ist, die dritte Energiespeichereinrichtung aus einer elektrischen Quelle aufzuladen und eine Hilfsumrichtereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, die dritte Energiespeichereinrichtung parallel mit der ersten und der zweiten Energiespeichereinrichtung zu entladen nachdem die zweite Energiespeichereinrichtung wenigstens teilweise entladen hat.
Die erste und zweite Energiespeichereinrichtungen sind vorzugsweise Kondensatoren und die dritte Energiespeichereinrichtung ist vorzugsweise eine Batterie.
Die Vorrichtung kann einen Drehzahlsensor besitzen zum Überwachen der Drehzahl des Motors/Generators und um dementsprechend ein Drehzahlausgangssignal zu liefern und eine Funktionsschaffungseinrichtung, um ein Stromsignal zu schaffen aus dem Drehzahlausgangssignal, wobei das Stromsignal eine Strom/Drehzahlkenngröße des Motors veranschaulicht und von der Steuereinrichtung zur Optimierung des Betriebs des Motors genutzt wird.
Die Vorrichtung kann ferner Umgebungsdruck- und Umgebungstemperatursensoren besitzen zum Überwachen von Umgebungsdruck und Umgebungstemperatur und zur Lieferung entsprechender Druck- und Temperaturausgangssignale, und kann ferner entsprechende Druck- und Temperaturfunktionsliefereinrichtungen umfassen, um Ausgangsgrößen zu liefern mit Motorleistungsverlustkenngrößen, um Schwankungen der herrschenden Druck- und Temperaturbedingungen auszugleichen.
Die Vorrichtung kann auch einen Abgastemperatursensor besitzen, um die Motorabgastemperatur zu überwachen und ein Abgastemperaturausgangssignal zu liefern, einen Abgastemperaturfunktionsgenerator zur Lieferung eines Abgastemperatur/Drehzahl-Belastungsgrößensignals aus dem Drehzahlausgangssignal und eine Steuerung, um ein Fehlersignal aus der Differenz zwischen dem Abgastemperaturausgangssignal und dem Abgastemperatur/Drehzahl-Ladungsgrößensignal zu liefern und dadurch für Faktoren, die die Motorabgastemperatur beeinflussen, zu kompensieren.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein äußerst vereinfachtes Schaltbild eines Hybridgeneratorgerätes gemäß der Erfindung mit einem Spannungssteuerschema;
Fig. 2 ist ein ähnliches Diagramm wie das gemäß Fig. 1 und zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung mit einem Stromsteuerschema;
Fig. 3 zeigt die Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit deren Ausgangsstromkreis einschließlich eines Belastungsvoraussagekreises in mehr Einzelheiten;
Fig. 4 zeigt einen weiteren Ausgangskreis der Vorrichtung;
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 1 mit ersten und zweiten Energiespeichereinrichtungen;
Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung ähnlich wie die gemäß Fig. 5, doch mit einer dritten Energiespeichereinrichtung;
Fig. 7a ist ein detailliertes schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem permanenten Magnetwechselstromgenerator, angetrieben von einem Verbrennungsmotor;
Fig. 7b ist ein Diagramm, welches die Beziehung zeigt zwischen verschiedenen Grenzwerten und Bezugsspannungen im Steuersystem der Vorrichtung gemäß Fig. 7a;
Fig. 8a-8c und 9a bis 9c sind graphische Darstellungen, die den Betrieb einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellen;
Fig. 10 und 11 zeigen weitere Varianten der Vorrichtung unter Verwendung von fortschrittlicheren Spannungsund Stromsteuerkreisen;
Fig. 12, 13 und 14 sind schematische Diagramme, die zusätzliche Steuerkreise zur Verwendung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Optimierung deren Betriebsweise beinhalten; und
Fig. 15 ist ein Blockdiagramm, welches einen Steuerkreis zeigt, für eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Brennstoffzelle als steuerbare Elektrizitätsquelle.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Fig. 1 zeigt die Anordnung einer erfindungsgemäßen Hybridgeneratorvorrichtung in einer höchst vereinfachten Blockdiagrammform. Die steuerbare Elektrizitätsquelle 10, die eine Motor/Generatorkombination beinhalten kann, eine Brennstoffzelle, ein solar-elektrisches System, einen hydroelektrischen Generator, eine Windturbine oder andere Quelle elektrischer Energie, deren Ausgang steuerbar ist, ist mit einem Entkopplungsumrichtergerät verbunden mit einem Gleichstrom/Gleichstromumrichter 12. Der Ausgang des Gleichstrom/Gleichstromumrichters sei hierin als Gleichstromzwischenausgang bezeichnet, mit einer Spannung VDC. Dieser Gleichstromzwischenausgang wird an eine "Last" 14 angelegt, in den meisten Ausführungsbeispielen ein Ausgangsumrichtergerät, z. B. ein Umrichter, der den Gleichstromzwischenausgang in eine Wechselstromwellenform umformt, um damit eine externe Last zu beliefern. In anderen Fällen kann die externe Last auch eine Gleichstromlast, oder beispielsweise ein Fahrzeugmotor sein.
Der Entkopplungsumrichter 12 hat die wichtige Aufgabe, den Gleichstromzwischenausgang zu entkoppeln oder zu isolieren von Schwankungen im Strom- und/oder Spannungsausgang der Quelle 10, damit die Steuerung des Gerätes in der Lage ist, erhebliche Ausgangsschwankungen der Quelle 10 aufzufangen. Zum Beispiel wenn die Quelle 10 ein Motor/Generatorgerät ist, gestattet die Entkopplungswirkung des Entkopplungsumrichtergerätes 12 den Betrieb des Motors/Generators über einen breiten Geschwindigkeitsbereich und trotzdem für den Gleichstromzwischenausgang den gewünschten Betriebsparameterbereich einzuhalten. Die Umrichtereinrichtung 12 sorgt auch dafür, dass die Quelle von Lastschwankungen entkoppelt oder isoliert wird.
Die Entkopplungsumrichtereinrichtung 12 kann verschiedene Formen annehmen, je nach der Art der gesteuerten Elektrizitätsquelle 10. Wenn der Ausgang der Quelle ein Gleichstromausgang ist, ist die Entkopplungseinrichtung zweckmäßigerweise ein Gleichstrom/Gleichstromumrichter. Im Falle einer Quelle 10 mit einem Wechselstromausgang, könnte ein Wechselstrom/Gleichstromumrichter verwendet werden. Im Wesentlichen erfüllen die Entkopplungsumrichtereinrichtungen 12 eine Umrichterfunktion, und verkraften einen breit schwankenden elektrischen Ausgangsbereich von der Quelle 10 und liefern daraus den Gleichstromzwischenausgang entsprechend den Steuersignalen eines Mess- und Steuerkreises.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 16 den Mess- und Steuerkreis. Dieser Kreis kann einen Analog- oder Digitalkreis beinhalten und kann ohne weiteres mittels eines über entsprechende Software gesteuerten Mikroprozessor betrieben werden. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung sei jedoch auf einen Mess- und Steuer"kreis" hingewiesen.
Ein erster Spannungssensor 18 überwacht den Wert des Gleichstromzwischenausgangs VDC und schöpft daraus ein Spannungssignal V_1, das dem Mess- und Steuerkreis 16 zugeführt wird. Ein zweiter Spannungssensor 20 misst den Spannungsausgang der Quelle 10 und schöpft ein zweites Spannungssignal V_2 , das dem Mess- und Steuerkreis 16 zugeführt wird. Zusätzlich misst ein Stromsensor 22 den Stromausgang der Quelle zum Gleichstrom/Gleichstromumrichter 12 und schöpft ein weiteres Signal I_2, das auf den Mess- und Steuerkreis 16 aufgelegt wird. Der Kreis 16 wird außerdem mit Spannungs- und Strombezugssignalen V_ref2 und I_ref2 beaufschlagt.
Der Ausgang V_1 des Spannungssensors wird auch auf einen Steuerkreis 24 aufgegeben, der eine Bezugsspannung V_ref1 aufgelegt bekommt und der ein elektrisches Ausgangssignal liefert, welches auf ein Steuersystem 26 der Quelle 10 aufgelegt wird. Je nach der Art der Quelle kann das Steuersystem 26 eine Kraftstoffinjektionssteuerung eines Verbrennungsmotors oder eine Steuereinrichtung sein, die eine Gas- (z. B. Wasserstoff und Sauerstoff) Strömung in beispielsweise einer Brennstoffzelle steuert.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 umfasst eine Energiespeichereinrichtung allgemein angedeutet durch die Bezugszahl 28, welche an den Gleichstromzwischenausgang des Kreises angeschlossen ist. In einer einfachen Ausführung der Erfindung kann die Energiespeichereinrichtung 28 einen Kondensator umfassen, der einfach parallel an den Gleichstromzwischenausgang angeschlossen ist, um eine kurzfristige Energiereserve zu liefern falls die dem Gleichstromzwischenausgang zugeführte Last plötzlich schwankt. In komplizierteren Ausführungen (siehe unten) kann die Energiespeichereinrichtung 28 durch eine oder mehrere verschiedene Energiespeichereinrichtungen ergänzt werden, mit entsprechenden Steuersystemen.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 wird mit einer Spannungssteuerschleife betrieben, die so angeordnet ist, dass der entkoppelnde Gleichstrom/Gleichstromumrichter 12 die Spannung VDC des Gleichstromzwischenausgangs wirksam steuert mit einer maximalen Spannung gemäß der Bezugsspannung V_ref2, so dass der Wert von VDC vom Steuerkreis entsprechend der Bezugsspannung geregelt wird ohne Rücksicht auf eine schwankende Eingangsspannung aus der Quelle 10.
Gleichzeitig in dieser Betriebsweise regelt der Umrichter 12 den Strom, welcher entsprechend des Referenzstromes I_ref2 durchgelassen wird, damit die Quelle 10 optimal belastet wird. Zum Beispiel im Falle eines Motor/Generatorgerätes wird der Motor falls der Motor/Generator im Rahmen seines veränderlichen Drehzahlbereiches betrieben wird, entsprechend einer gewünschten Kurve belastet, welche wenigstens annähernd einer optimalen Kraftlorehzahlbeziehung für den Motor entspricht. Sollte der Lastkraftbedarf plötzlich ansteigen, verhindert die vom Umrichter 12 angelegte Stromsteuerung eine Zulieferung des erhöhten Strombedarfs aus der Quelle. Dies bedeutet in der Praxis, dass der Gleichstromzwischenausgang einen Kraftverlust empfindet, wodurch die Last die Energie unmittelbar aus dem Energiespeichergerät 28 entzieht, welches den Gleichstromzwischenausgang ergänzt. Beim Energieentzug aus dieser Einrichtung sinkt die Ausgangsleistung dieser Einrichtung und somit die Spannung VDC aus dem Gleichstromzwischenausgang.
Sobald die Größe VDC vom ersten Spannungssensor 18 gemessen, unterhalb eine erste Spannungsschwelle fällt, wird die entsprechend auf den Steuerkreis 24 und das Regelsystem 26 angelegte Spannung V_1 dafür sorgen, dass die Quelle 10 ihre Kraftlieferung erhöht. Im Falle eines Motor/Generatorsystems wird das Regelsystem 26 die Motordrehzahl erhöhen, woraus sich eine entsprechende Erhöhung des Spannungsausgangs am Generator ergibt. Diese Spannungserhöhung erhöht die Stromzufuhr zum Umrichter 12 und befähigt dadurch den Umrichter, mehr Strom an den Gleichstromzwischenausgang zu liefern ohne den von der Bezugsgröße I_ref2 vorgegebenen Ausgangsstrom zu überschreiten. Die Quelle 10 genügt somit der Last und lädt die Energiespeicherungseinrichtung 28 auf. Die Spannung VDC des Gleichstromzwischenausgangs steigt bis dieser wieder auf den Spannungsschwellwert angehoben ist, der vom Spannungsbezugssignal V_ref1 vorgegeben wird, und sich die Quelle 10 auf den neuen höheren Ausgangskraftwert einspielt.
Sobald der Lastkraftbedarf sich verringert, wird das Gleichgewicht zwischen der Quelle und der Last wieder gestört. In dem Fall steigt die Spannung VDC an und der Spannungs-/Drehzahlsteuerkreis wird aktiv zur Verringerung der Ausgangsleistung der Quelle (z. B. der Motordrehzahl im Falle eines motorangetriebenen Generators), Verringerung der Ausgangsleistung und Spannung der Quelle und somit Gestattung des Umrichters 12, seine Ausgangsspannung zurück auf den Nennwert zu reduzieren.
In der oben beschriebenen Betriebsweise wird eine Art Stromsteuerung verwendet in Kombination mit dem Hauptspannungssteuerungssystem. Durch Kontrolle oder Beschränkung des der Quelle entzogenen Stromes wird verursacht, dass die Spannung VDC des Gleichstromzwischenausgangs sich mit Änderungen im Lastbedarf ändert innerhalb eines festgelegten über den Umrichter 12 und seines Steuerkreises 18 gestatteten Spannungsvariationsbereiches. Die Größe dieses Bereiches wird in der Praxis, u. a. durch die Wirkungsparameter des Lastenumrichters 14 bestimmt, sowie die Energiespeicherkapazität des Energiespeichergerätes 28 und die dynamische Wechselwirkung der elektrischen Quelle 10 mit ihrem Kontrollsystem 28.
Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 ist im Wesentlichen ähnlich wie die der Fig. 1, abgesehen davon, dass das verwendete Steuerschema im Wesentlichen ein Stromsteuerschema ist statt eines Spannungssteuerschemas. Gemäß des Stromsteuerschemas bewirkt der Umrichter 12 eine Steuerung der Spannung VDC des Gleichstromzwischenausganges entsprechend einer Referenzspannung V_ref2, so dass der Wert von VDC im Wesentlichen konstant gehalten wird, unabhängig von Variationen in der Eingangsspannung zum Umrichter 12.
Erhöht sich der Laststrombedarf (das Produkt der Gleichstromspannung und des Gleichstrom-Stromes am Gleichstromzwischenausgang) muss sich der Strom im Umrichter und somit der der Quelle 10 zugeführte Strom ebenso erhöhen, da VDC so gesteuert wird, dass es im Wesentlichen konstant bleibt. Der Umrichter 12 gestattet es dem Strom zuzunehmen oder abzunehmen je nach dem Laststrombedarf innerhalb der Grenzen für sicheren Betrieb.
Wenn sich die Größe der Last erhöht und da die Größe von VDC im Wesentlichen konstant gehalten wird, versucht der Umrichter 12, den Lastbedarf durch mehr Strom aus der Quelle 10 zu erfüllen. Der Stromsensor 22 fühlt diese Zunahme und schafft ein Ausgangssignal I_2, welches sowohl dem Mess- und Steuerkreis 16 als auch der Regelschlaufe 24 zugeführt wird. Über das Regelsystem 26 steuert der Steuerkreis 24 den Ausgang der Quelle zur Erhöhung der Kraftlieferung. Zum Beispiel, im Falle eines motorangetriebenen Generatorgerätes wird die Motordrehzahl und dadurch die Ausgangsspannung und Ausgangskraft des Generators erhöht. Die Zunahme an Ausgangsspannung der Quelle verursacht, dass der Umrichter 12 sein Spannungsumformungsverhältnis verringert. Beim Anstieg der Eingangsspannung wird der Eingangsstrom des Umrichters 12 verringert bis dieser auf die Stromschwelle zurückgebracht ist, die vom Strombezugssignal I_ref2 bestimmt wird und die Quelle 10 stabilisiert sich bei ihrer neuen Ausgangskraft (im Falle eines motorangetriebenen Generators stellt sich der Motor auf eine neue, höhere Drehzahl ein).
Umgekehrt, wenn der Laststrombedarf zurückgeht, verlangt der Umrichter 12 weniger Strom aus der Quelle. Wenn der Stromwert unterhalb des vorgegebenen Schwellenwertes I_ref2 zurückgeht, wird die Kraftlieferung der Quelle reduziert (z. B. die Motordrehzahl eines motorangetriebenen Generatorgerätes wird verringert). Die entsprechende Verringerung in der Quellenausgangsspannung verursacht dann, dass der Stromentzug aus der Quelle erhöht wird. Wenn der Strom auf den vom Vergleichsstrom I_ref2 bestimmten Wert eingestellt ist, stabilisiert sich die Quelle bei dieser neuen Kraftlieferung (z. B. die Drehzahl des Motors in einem motorangetriebenen Generator stabilisiert sich bei einer neuen, geringeren Geschwindigkeit).
In dieser Betriebsweise wird die Quelle vom Umrichter 12 geschützt, der den maximal aus der Quelle entziehbaren Strom beschränkt. Falls der Strom aus der Quelle auf einen Wert steigt, der als optimal betrachtet wird (z. B. falls der Ausgangsstrom eines motorangetriebenen Generators einen Wert erreicht, der dem optimalen Ausgangsdrehmoment des Motors entspricht) kann die strombegrenzende und mit Bezug auf das Spannungssteuerungsschema beschriebene Funktion in Betrieb gebracht werden. Bei weiteren Lastenbedarfszunahmen erfährt der Gleichstromzwischenausgang eine Kraftdrosselung, woraus sich ein entsprechender Rückgang in der Ausgangsspannung VDC des Gleichstromzwischenausgangs ergibt.
In beiden oben beschriebenen Steuersystemen erweist sich die Verwendung des Entkopplungsumrichters 12 als äußerst wichtig, da dieser die Verwendung von elektrischen Energiequellen mit ganz unterschiedlichen Eigenarten ermöglicht.
Zahlreiche Varianten und Abänderungen der oben beschriebenen basischen Vorrichtung sind möglich.
Zum Beispiel ist es möglich, zwei oder mehr Hilfsenergiequellen anstelle der Energiespeichereinrichtung 28 zu verwenden, um damit ein System zu schaffen, welches wirksamer sowohl auf kurze wie auf langfristige Spitzenlasten reagiert (siehe unten). In einigen anderen Fällen kann zusätzliche Energiespeicherung verhindert werden. Statt dessen lässt sich ein Belastungsvoraussagekreis einführen, um mit hohen Stoßströmen oder großen Belastungsstufen fertig zu werden. In Fig. 3 wird ein Gerät gezeigt, dass im Wesentlichen dem der Fig. 1 entspricht, worin die interne Last 14 einen Gleichstrom/Wechselstromumrichter besitzt, also einen Umrichter, der dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Wechselstromausgang einer Hauptlast 30 zuzuführen. Außerdem wird eine zweite schwere Hilfslast 32 berücksichtigt, welche Last eine vorübergehende oder zeitweilige Überbelastungssituation im Betrieb verursacht. Diese Last wird vom Umrichter 14 über einen Zwischenkreis 34 und einen Stromsensor 36 geliefert, der ein Ausgangsstromsignal I_4 einem Steuerelement 38 zuführt, entsprechend der Größe des Laststromes. Das Steuerelement 38 steuert den Betrieb des Zwischenkreises 34.
Beim Feststellen einer Last schneidet der Zwischenkreis 34 schnell die Last vom Umrichter 14 ab oder verringert die Frequenz und/oder die Spannung des Ausganges zur Last hin. Das Steuerelement 38 bewirkt ein Ausgangssignal Va2x, welches den Steuerkreis 24 beaufschlagt und verursacht, dass die Quelle 10 einen maximale Ausgangskraft liefert (im Falle eines motorangetriebenen Generators wird der Motor auf maximale Geschwindigkeit beschleunigt). Eine momentane Unterbelastungssituation tritt ein und der auf normale Last anpassende Kraftsteuerungskreis wird momentan umgangen. Falls das Zwischenkreissteuerelement 38 vom Ausgang V_2 des zweiten Spannungssensors 20 ableitet, dass der Ausgang der Quelle 10 sein Maximum erreicht hat, liefert das Steuerelement 38 ein Steuersignal V_ali an den Zwischenkreis 34 und verbindet dadurch die Hilfslast 32 mit dem Umrichter 14 gemäß vorausbestimmten Eigenarten des Zwischenkreises (z. B. An/Abschaltung, veränderbare Spannung/Frequenz oder Soft-Start). Nach der vorübergehenden Umgehung übernimmt das normale Lastanpassungssteuersystem wieder den Betrieb und der Kraftausgang der Quelle 10 wird stabilisiert, so dass dessen Ausgangskraft und der gesamte Lastbedarf wieder ausgeglichen sind.
Um ein Beispiel zu nennen, wenn die Hilfslast ein Gleichstrom-Nebenschlussmotor ist, dann liegt die Schnittstelle eine Spannung an die Nebenschlusswindung an und lässt dann die Spannung am Ankerkreis ansteigen bis zum Betriebsnennwert. Handelt es sich bei der Hilfslast um einen Wechselstrommotor, kann die Schnittstelle entweder die aufgelegte Spannung reduzieren wie in einem Soft-Startkreis oder die Spannungs- und Frequenzproportionalität verringern wie in einem verstellbaren Drehzahlantrieb (ASD). Die Hilfslast kann auch einfach abgeschnitten und wieder verbunden werden, wenn die Quelle ihr Maximumleistungsniveau erreicht hat.
Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die gemäß Fig. 3 (identische Teile wurden weggelassen, um Wiederholung zu vermeiden), mit der Ausnahme, dass die innere Last 14 ein Gleichstrom/Gleichstromumrichter ist, der eine Hauptgleichstromlast 40 liefert. Eine Hilfslast 42 (Gleichstrom oder Wechselstrom) wird über eine Schnittstelle 44 geliefert und der Stromsensor 36 wird unmittelbar vom Gleichstromzwischenausgang der Vorrichtung beaufschlagt.
Fig. 5 zeigt eine Variante der Vorrichtung, die im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß Fig. 1 entspricht, aber in welcher eine zweite Zusatzenergiespeichereinrichtung 46 vorgesehen ist. In dieser Anordnung besitzen die Energiespeichereinrichtungen 28 und 46 normalerweise einen oder mehr Kondensatoren oder Ultrakondensatoren. Statt dessen, insbesondere im Fall der zweiten Energiespeichereinrichtung 46, wo die Lastenzyklen weniger anspruchsvoll sind, kann eine Batterie oder andere Einrichtung wie ein Schwungradmotor/Generator angewandt werden. Der/die 46 Kondensator(en) sind mit dem Gleichstromzwischenausgang über einen zweiten Gleichstrom/Gleichstromumrichter 48 verbunden, der einen eigenen Mess- und Steuerkreis 50 besitzt. Der Steuerkreis 50 wird mit dem Ausgang V_1 des ersten Spannungssensors 18 beaufschlagt, entsprechend der Größe VDC als auch einer Ausgangsspannung V_3 eines dritten Spannungssensors 52 entsprechend der Anschlussspannung der Energiespeichereinrichtung 46 und einem Ausgang I_3 eines Stromsensors 54 entsprechend der Größe des Stroms zwischen der Zusatzenergiespeichereinrichtung und dem Umrichter 48.
Der Mess- und Steuerkreis 50 ist so angeordnet, dass er den Umrichter 48 ansteuert, um Energie aus der ersten Energiespeichereinrichtung 46 in den Gleichstromzwischenausgang zu speisen, wenn der Wert von VDC unter einen zweiten Schwellwert sinkt, der um etwas geringer ist als der erste Schwellwert, der von der Bezugsspannung V_ref1 bestimmt wird. Somit fällt im Falle einer starken Zunahme im Kraftbedarf der Last der Wert von VDC unter den zweiten Schwellwert und wird zusätzliche Energie aus den Kondensatoren 46 an die Last weitergegeben, im Wesentlichen parallel zur Energiezufuhr seitens der Kondensatoren 28 und des Hauptentkopplungsumrichters 12.
Um auch solchen Kondensatoren zu genügen, die veränderliche Spannungseinrichtungen sind (d. h. die Kontaktspannung eines Kondensators ändert sich mit dem Stand der Ladung) kann der Gleichstrom/Gleichstromumrichter 48 sowohl als aufwärts oder abwärts regelbarer Umrichter je nach Bedarf betrieben werden (abhängig von der Betriebsspannung der Kondensatoren), so dass er den Gleichstromzwischenausgang mit einer Spannung beschickt, deren Nennwert VDC entspricht. Diese Anordnung ermöglicht es, Hilfsenergiequellen mit erheblich unterschiedlichen Charakteristiken (z. B. höheren oder tieferen Betriebsspannungen) parallel zu verwenden.
Die in Fig. 6 gezeigte Anordnung ist ähnlich wie die gemäß Fig. 5, aber mit einer dritten Reserveenergiespeichereinrichtung in der Form einer Batterie 56. In diesem Fall sind die Energiespeichereinrichtungen 28 und 46 beide Ansammlungen von Kondensatoren. In dieser Anordnung ist die Batterie 56 so angeordnet, dass sie aus einer Energiequelle 58, die von der Hauptquelle 10 gespeist werden könnte, geladen wird oder die zum Beispiel eine Hilfshauptquelle sein könnte, eine Solarzellenplatte oder eine andere Energiequelle. Der Ausgang der Quelle 48 wird einem Umrichter 60 zugeführt, dessen Kenndaten von der Art der Quelle 58 bestimmt werden. Der Ausgang des Umrichters 60 wird über einen Stromsensor 62 der Batterie 56 zugeführt, und seine Betriebsweise wird von einem Mess- und Steuerkreis 64 bestimmt, der auf den Ausgang des Stromsensors 62, eines Spannungssensors 66 und auf ein Strom- und Spannungsbezugssignal V_ref4 und I_ref4 reagiert.
Die Batterie 46 ist über einen Schnittstellenkreis 68 mit dem Eingang des Gleichstrom/Gleichstromumrichters 48 verbunden, und dieser Verbindungspunkt spielt die Rolle eines zweiten Gleichstromzwischenausgangs der Vorrichtung, der von dem Hauptgleichstromzwischenausgang des Umrichters 48 isoliert oder entkoppelt ist.
Man sieht also, dass die oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung mit mehrfach steuerbaren elektrischen Quellen ein hybridisiertes Generatorsystem darstellt, welches eine oder mehr Lasten aus zwei oder mehr verschiedenen Quellen beliefern kann, je nach dem festgelegten Steuersystem. Somit schafft die vorliegende Erfindung große Flexibilität im Aufbau von Hybridgeneratorsystemen für bestimmte Anwendungen.
In der gezeigten Darstellung entlädt die erste Energiespeichereinrichtung 28 in die Last 14, wenn der Wert von VDC wegen eines erhöhten Lastbedarfs absinkt. Wenn die Höhe von VDC weiter unterhalb eines ersten Spannungsschwellenwertes sinkt, wird der Kraftsteuerkreis aktiviert wie bereits oben zu Fig. 1 beschrieben wurde. Die zweite Energiespeichereinrichtung 46 entlädt Energie in den Gleichstromzwischenausgang, wenn der Wert von VDC unterhalb eines zweiten Spannungsschwellenwertes absinkt, der geringer ist als der erste Schwellenwert. Die dritte Energiequelle (die Reservebatterie 56) entlädt, wenn die Spannung V_3, gemessen am Ausgang der zweiten Energiespeichereinrichtung 46, unterhalb der Anschlussspannung der Batterie 56 sinkt.
Obwohl die Batterie 56 so angeordnet sein könnte, dass sie den Gleichstromzwischenausgang mit Strom beliefert, sobald der Wert von VDC unterhalb eines dritten Schwellenwertes gefallen ist, der unter dem zweiten Schwellenwert liegt, ist es wichtig zu berücksichtigen, dass der Steuerkreis für die Reservebatterie darauf eingestellt werden kann, Kraft über die Schnittstelle 68 zu einem beliebigen Zeitpunkt zu liefern ohne Rücksicht auf den ersten und zweiten festgelegten Schwellenwert. Diese Flexibilität ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung.
In der Artordnung gemäß Fig. 6 ist die Batterie 56 normalerweise dazu da, die Last im Vergleich zu den Kondensatoransammlungen 28 und 46 verhältnismäßig selten zu beliefern. Dies ist wünschenswert, da der Einsatzzyklus der Batterie dann drastisch reduziert wird, da Kondensatoren eine sehr viel größere Anzahl von Lade/Entladezyklen im Vergleich zu Batterien aushalten können. Somit verleiht diese Anordnung dem Gerät erhebliche Flexibilität und Reserveenergiekapazität und fördert gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Lebenserwartung des Systems.
Anstelle von Kondensatoren oder einer Batterie können auch andere Arten von Energiespeichereinrichtungen wie Schwungradmotor-/generatoranordnungen verwendet werden. Der wichtige Maßstab, abgesehen von der Verwendung entsprechender Schnittstellen ist die Anpassung der Wahl der Art der Energiespeichereinrichtung an sowohl die vorübergehenden als auch die langfristigen Energieerfordernisse, die von den Hilfsspeichereinrichtungen erfüllt werden müssen.
Gemäß Fig. 7a wird jetzt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung in größeren Einzelheiten gezeigt. Diese Ausführung verwendet einen motorangetriebenen Generator als steuerbare elektrische Kraftquelle 10. Der im Prototyp verwendete Motor 70 war ein Dieselmotor mit Brennstoffeinspritzung während der Generator 72 ein Drehstromgenerator mit Dauermagneten war. Der Motor wird von einer Kraftstoffinjektionssteuereinrichtung 74 gesteuert, welche auf elektrische Steuersignale eines Motordrehzahlsteuerkreises 76 anspricht. Der Wechselstromausgang des Generators 72 wird auf einen Drehstromgleichrichterkreis 78 aufgelegt und von dort auf einen LC Filter 80 ehe er den Eingang eines Gleichstrom/Gleichstromumrichters 82 (entsprechend dem Entkopplungsumrichter 12 der vorigen Figur) erreicht. Der Umrichter wird als Aufwärtszerhacker betrieben. Der Ausgang des Generators 72 unterliegt sowohl hinsichtlich Spannung als auch Frequenz Veränderungen entsprechend der Drehzahl des Motors 70 und der Gleichstrom/Gleichstromumrichter 82 wandelt diese variable Ausgangsspannung um in den Gleichstromzwischenausgang, der zur Kraftversorgung der internen Last 14 (normalerweise ein Inverter) dient und der seinerseits eine externe Last 84 mit Kraft versorgt. Wie bereits oben beschrieben wurde, bewirkt der Gleichstrom/Gleichstromumrichter 82 die Entkopplung oder Isolierung des Generator/Gleichrichterausgangs, der seinerseits je nach der Drehzahl des Motors 70 erheblich von dem Gleichstromzwischenausgang abweicht.
Der Steuerkreis der Vorrichtung schließt einen Spannungssteuerkreis 86 ein, der mit einer Hauptreferenzeingangsspannung Vr10v aus einem Referenzspannungsfunktionsgenerator 88 beschickt wird und mit einer zweiten Eingangsspannung Va8 aus einem Spannungssensor 90, dessen Wert der Spannung VDC entspricht (d. h. der Spannung des Gleichstromzwischenausgangs). Der Wert von Va8 gibt die Variationen der Werte von VDC wieder, die auf die Variationen in der Größe der angewandten Last zurückzuführen sind. Der Spannungssteuerkreis 86 wirkt im Grunde genommen als Regler, der die gemessenen Werte von VDC mit der Hauptbezugsspannung Vr10v vergleicht. Im Falle von Betriebsbedingungen mit geringer Last entsprechend geringer Betriebsdrehzahl des motorangetriebenen Generators ist der Spannungsabfall im Lastenumrichter 14 geringer und die Hauptbezugseingangsspannung Vr10v wird vom Funktionsgenerator 88 verringert, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung unter Teillast verbessert wird.
Der Gleichstrom/Gleichstromumrichter 82 hat einen Strom/Spannungsumrichtersteuerkreis 92, der auch den Ausgang Va8 des Spannungssensors 90 empfängt als auch ein Bezugsstromsignal Vr9i aus einem Bezugsstromfunktionsgenerator 94 und ein Spannungsbezugssignal Vr9v. Außerdem wird die Strom/Spannungssteuerung 92 mit einem Eingangssignal Va5 beschickt, welches von der Größe des vom Gleichrichter 80 an den Gleichstrom/Gleichstromumrichter 82 gelieferten Stroms abhängt. Der Spannungssteuerkreis 86 generiert ein Bezugsdrehzahlsignal Vr11 abhängig von der gemessenen Variation von VDC, welche dem Motordrehzahlsteuergerät 76 zugeführt wird, gemeinsam mit einem Ausgangssignal Va2 des Drehzahlsensors 96. Die Drehzahlsteuerung 76 generiert ein Ausgangssignal Vr12, welches auf die Kraftstoffeinspritzsteuerung 74 aufgetragen wird, um die Drehzahl des Motors 70 zu beeinflussen.
Das Drehzahlsignal Va2 wird auch dem Bezugsstromfunktionsgenerator 94 zugeleitet, der das Bezugsstromsignal Vr9i als eine Funktion der Drehzahl steuert, entsprechend den Drehmoment-/Drehzahlkennwerten des Motors. In Festmagnetgeneratoren, wenn die Ausgangsspannung sich linear mit der Drehzahl ändert, entspricht der Generatorstrom dem Motordrehmoment. In Folge dessen steuert die Strom- /Spannungsteuerung 92 den Umrichter 82, wodurch dieser die Belastung des Motors 70 entsprechend seiner Drehmoment-/Drehzahlkenndaten anpasst und dadurch die Leistung über einen breiten Bereich sich ändernder Lasten optimiert.
Wird die Größe der Last 84 erhöht und dadurch auch das Spannungssignal Va8 einen Wert erhält, der geringer ist als die Bezugsspannung Vr10v, dem Dretizahlschwellwert, erhöht der Spannungssteuerkreis 86 den Wert des Ausgangssignals Vr11, so dass die Motordrehzahl erhöht wird. Der Strom- /Spannungsregler 92 passt den Betrieb des Gleichstrom/Gleichstromumrichters 82 so an, dass der Ausgangsstrom des Generators dem vom Bezugsstromsignal Vr9i festgelegten Wert entspricht. Da jedoch die Generatorspannung und somit die Eingangskraft zum Umrichter 82 mit der Drehzahl ansteigt, verursacht die dem Gleichstromzwischenausgang zugelieferte Kraftzufuhr eine Erhöhung des Wertes von VDC. Stabilität tritt ein, wenn der Wert von Va8 dem von Vr10v entspricht. Umgekehrt, wenn das Spannungssignal Va8 (entsprechend der Variation im Wert von VDC) größer ist als die Bezugsspannung Vr10v, verringert sich die Motordrehzahl. Falls der Motor seine Mindestbetriebsdrehzahl erreicht und der Wert von VDC immer noch größer bleibt als das Bezugsspannungssignal Vr9v (dessen Größe geringfügig größer ist als Vr10v) betreibt der Strom-/Spannungsregler 92 den Gleichstrom/Gleichstromumrichter 82 zur Verringerung seiner Ausgangsleistung, so dass das Stromsignal Va5 vermindert wird bis der Wert von VDC gleich dem der Bezugsspannung Vr9v ist.
Zusätzlich zur primären Energiespeichereinrichtung (Kondensator) 28, besitzt die Vorrichtung Hilfsenergiespeichereinrichtungen mit einem Kondensator C3 und einer Batterie BAT. Die Batterie ist vom Kondensator durch eine Diode D6 isoliert und bildet somit eine Hybridbatterie parallel zum Kondensator. Die Batteriespannung Vbat ist erheblich geringer als die Kondensatorspannung Vc3, so dass der Kondensator C3 bei der Entladung die Last mit einer erheblichen Kraft beliefern kann, wobei die Kontaktspannung von einem verhältnismäßig hohen, voll geladenen Spannungswert absinkt auf einen Wert, der schließlich die Kontaktspannung Vbat der Batterie erreicht. Wenn die Kondensatorkontaktspannung gleich dem Wert von Vbat ist, übernimmt die Batterie die Kraftlieferungsfunktion indem sie Energie durch die Diode D6 über einen Ladungs-/Entladungsumrichter 98 an den Gleichstromzwischenausgang liefert.
Der Ladungs-/Entladungsumrichter 98 besitzt ein Paar Transistoren T2 und T3, zusätzlich zu den Dioden D2 und D3 und einer Drosselspule L3. Der Transistor T3 und die Diode D3 werden über einen Ladungsregler 100 gesteuert und wirken gemeinsam mit der Drosselspule L3 als Abstiegszerhacker zum Laden des Kondensators C3 aus dem Gleichstromzwischenausgang. Der Transistor T2 und die Diode D2 werden von einem Entladungsregler 102 gesteuert und wirken als Aufstiegszerhacker gemeinsam mit der Drosselspule L3 zur Regelung der Entladung des Kondensators C3 in dem Gleichstromzwischenausgang. Die Reservebatterie BAT entlädt ebenfalls in den Gleichstromzwischenausgang über den Aufstiegzerhacker mit dem Transistor T2, der Diode D2 und der Drosselspule L3.
Der Entladeregler 102 wirkt entsprechend dem Wert der vorgegebenen Spannungsschwelle des Gleichstromzwischenausgangs und dem entsprechenden Entladungsstromrückkopplungssignal Ises, das, wie oben beschrieben, von einem Stromsensor 118 geliefert wird.
Der Laderegler 100 spricht auf ein Ladungsermöglichungssignal V21 einer Vergleichsschaltung 119 an, wenn das Gleichstromzwischenausgangsspannungssignal Va8 die Ladungsermöglichungsbezugsspannung Vr19vb überschreitet, die geringfügig höher ist als Vr18v. Er funktioniert u. a. entsprechend dem Ausgang eines Kondensatorbezugsstromfunktionsgeneratorkreises 104, welcher das Bezugsstromsignal als eine Funktion des vom Drehzahlsensor 96 gelieferten Drehzahlrückkopplungssignals Va2 ändert, um die Ladung des Kondensators C3 entsprechend der Motordrehzahl und verfügbaren Kraft zu optimieren.
Wegen des Vorhandenseins der Sperrdiode D5 kann die Reservebatterie BAT über den Lade/Entladeumrichter 98 nur entladen (und nicht geladen) werden. Deshalb wird zum Laden der Batterie ein zusätzlicher Ladeumrichter 106 vorgesehen, mit einem Transistor T4, einer Diode D4 und einer Drosselspule L4. Der Umrichter 106 wird von einem Laderegler 108 gesteuert und wirkt als Abstiegszerhacker zum Laden der Batterie gemäß eines von einer Batteriespannungsüberwachungseinrichtung 110 gelieferten Rückkopplungsbatteriespannungssignals Vbat, eines Rückkopplungsbatteriestromsignals Ibat, eines Batteriespannungsbezugssignals Vbat_ref und eines Ladestrombezugssignals Ibat.ref. Diese letzteren Bezugssignale werden von Batteriebezugsspannungs- und Batteriebezugsstromfunktionsgeneratoren 112 bzw. 114 geliefert. Ein Filter mit einem Kondensator C5 und einem Induktor L5 glättet den Ausgang des LadeUmrichters 106, um Beschädigung der Batterie infolge von hohen Kräuselspannungen und -strömen zu vermeiden.
Der Batteriebezugsspannungsfunktionsgenerator 112 ändert das Batteriebezugsspannungssignal Vbat.ref je nach der Batterietemperatur, um Gasabgabe beim Laden zu vermeiden. Der Batteriebezugsstromfunktionsgenerator ändert das Batteriebezugsstromsignal Ibat.ref je nach dem Drehzahlrückkopplungssignal Va2 zur Optimierung der Batterieladung entsprechend der verfügbaren Kraft.
Im gezeigten Beispiel wird die Energie für den Batterieladeumrichter 106 vom Gleichstromzwischenausgang geliefert, doch ist es klar, dass eine unabhängige Kraftquelle zum Laden der Batterie BAT, zum Beispiel Solarpaneele, verwendet werden könnte.
Da die Steuerkreise des Lade/Entladeumrichters 98 praktisch augenblicklich beim Feststellen eines Rückganges des Wertes VDC wegen einer plötzlichen Zunahme in der Größe der Last (d. h. einer vorübergehenden Überbelastungssituation) betrieben werden können, ist es nicht notwendig, den Motor 70 bei unwirtschaftlich hohen Drehzahlen zu fahren, um solchen Anforderungen gerecht zu werden. Statt dessen können die Hilfsenergiequellen genügend Energie liefern, um der Spitzenlastanforderung zu genügen bis die Motordrehzahl genügend hoch gefahren werden kann, um die volle Last zu liefern. Somit bietet die beschriebene Ausführungsform der Erfindung in der Praxis eine schnell wirksame, kurzfristige Energiequelle, die parallel zum variablen Drehzahl-/variablen Leistungsgeneratorgerät wirksam wird.
Fig. 7b zeigt die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Bezugsspannungen und Betriebsschwellwertspannungen im Schaltbild gemäß Fig. 7a. Falls die Spannung VDC des Gleichstromzwischenausganges entsprechend dem Signal Va8 des Spannungssensors 90 unter die zweite Schwellwertspannung Vr18v absinkt, pumpt der Umrichter 98 Strom aus dem Kondensator C3 in den Gleichstromzwischenausgang hinein, um dessen Wert auf dem zweiten Spannungsschwellwert Vr18v zu halten, ohne Rücksicht auf die fallende Kontaktspannung des Kondensators C3. Diese Kontaktspannung Vses ist die Eingangsspannung eines Spannungsüberwachers 116, der dem Laderegler 100 eine Ausgangsspannung liefert. Der Kondensatorentladestrom Ises wird über den Stromsensor 118 erhalten und wird ebenfalls dem Laderegler 100 sowie dem Entladeregler 102 zugeführt.
Der Entladeregler 102 beschränkt den Entladestrom entsprechend einem Bezugsstromwert Vr18i, um den Umrichter 98 gegen Überbelastung und den Kondensator C3 und die Batterie BAT gegen übermäßige Entladegeschwindigkeiten zu schützen.
Entladung über den Umrichter 98 wird vom Entladeregler 102 vereitelt, falls die Spannung Vses des Kondensators C3 unter einen dritten Schwellwert auf einen Wert absinkt, der einen schlechten Ladestand der Batterie BAT andeutet. Die Batterieschutzeinrichtung wird der Einfachheit halber in Fig. 7a nicht gezeigt. Es gibt dort jedoch keine unmittelbare Steuerung der Entladung der Batterie BAT. Falls die Kontaktspannung des Kondensators C3 unter die der Reservebatterie BAT sinkt, wird Strom aus der Batterie über die Diode D5 an den Kondensator C3 weitergeleitet und von dort über den Umrichter 98 an den Gleichstromzwischenausgang. Wegen des Spannungsabfalls über die Diode D5 wird die Spannung über den Kondensator C3 stabilisiert beim dritten Schwellwert unterhalb des zweiten Schwellwertes. Dieser Spannungspegel hängt ab von der Entladespannungskennzahl der Reservebatterie wenn diese vom Kondensator C3 die Kraftlieferungsfunktion übernimmt.
Obwohl man herkömmlicherweise annehmen würde, dass die Anbringung eines Gleichstrom/Gleichstromumrichters zwischen dem Ausgang eines Generators und einer Last den Wirkungsgrad des Gerätes verringern würde, da der Wirkungsgrad des Umrichters geringer ist als 100%, wird trotzdem eine vorteilhafte Wirkung erzielt. Die Zwischenschaltung des Gleichstrom/Gleichstromumrichters zwischen den Generator/Gleichrichter und die Last bewirkt eine "Entkopplung" oder Isolierung des Generatorausganges vom Gleichstromzwischenausgang des Systems, wodurch das System in die Lage versetzt wird, in einem sehr viel größeren Bereich an motorbetriebenen Generatordrehzahlen bei trotzdem gutem Wirkungsgrad betrieben zu werden. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung selbst unter geringer Last effizient betrieben werden im Vergleich zu Systemen gemäß Stand der Technik, die mit dem motorbetriebenen Generator bei geringer Last nicht effizient wirksam arbeiten können und statt dessen für diesen Zweck eine Batterie verwenden müssen. Der Kostenaufwand, der sich aus den Verlusten des Umrichters ergibt, ist vernachlässigbar im Vergleich zum erhöhten Kraftstoffwirkungsgrad und dem elektrischen Gesamtwirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die Fig. 8a bis 8c und 9a bis 9c sind graphische Darstellungen, die das Wirkungsprinzip des Drehzahl-/Leistungssteuerungssystems gemäß Fig. 7 illustrieren.
Gemäß Fig. 8a wird die Generatorausgangsleistung als Funktion der Motordrehzahl dargestellt. "A" ist die Mindestdrehzahl und "B" die Maximumbetriebsdrehzahl. Sowohl A als auch B sind Betriebspunkte bei konstanter Betriebsdrehzahl. Zwischen den Punkten A und B wird der Motor mit variabler Drehzahl betrieben. Die obere (gestrichelte) Linie zeigt die maximale Kraft/Drehzahlkennzahl des Motors und die untere Linie zeigt die gewünschte Lastkraftkurve, die immer unterhalb der Maximumkraftkurve des Motors liegt, damit es in jedem gegebenen Augenblick Reservekraft zur Beschleunigung gibt.
Beim Punkt für Mindestdrehzahlbetrieb (A) lässt man die Belastungskraft steigen bis Punkt 1 (siehe Fig. 8a). Beim weiteren Anstieg der Last lässt man den Motor beschleunigen, bis dieser seine maximale Betriebsdrehzahl bei Punkt 2 erreicht. Bei dieser konstanten Drehzahlbetriebsweise lässt man die Belastungskraft zunehmen bis die maximale Motorleistung (3) erreicht ist.
Die Verwendung des steuerbaren Entkopplungsumrichters zwischen dem Generator und dem Gleichstromzwischenausgang des Systems schafft die Möglichkeit, die Belastung des Motors im variablen Drehzahlbereich zwischen den Punkten A und B zu steuern. Die Steuerung wird erreicht indem man den dem Generator entzogenen Strom gemäß einer gewünschten Bezugsstromkennzahlkurve bestimmt. Fig. 8c zeigt die im Wesentlichen lineare Spannungs-/Drehzahlkennlinie für einen Dauermagnetgenerator. Wenn man voraussetzt, dass die Generatorbelastungskraft vom Produkt der gleichgerichteten Gleichstromspannung des Generators und dem Gleichstrom-Stromaustritt dargestellt wird, ergibt sich, dass bei der gegebenen Spannungskennkurve die Bezugsstromkurve berechnet werden kann, um eine Lastkraft zu ergeben, die der gewünschten Kraftkurve zwischen den Punkten 1 und 2 in Fig. 8a entspricht.
In Fig. 8b stellt die obere Linie den Strom dar, welcher, wenn man ihn mit der in Fig. 8c angegebenen Spannung multipliziert, die Maximumkraftkennlinie des Motors ergibt, dargestellt durch die obere Linie in Fig. 8a. Der Strom ist dem Drehmoment des Motors proportional. In ähnlicher Weise stellt die untere Linie in Fig. 8b den Strom dar, der erforderlich ist, die Lastkraftkennlinie gemäß der unteren Kurve in Fig. 8a zu ergeben. Man sieht, wie bei Minimumbetriebsdrehzahl der Generatorstrom bis Punkt 1 ansteigen gelassen wird. Zwischen den Punkten 1 und 2 wird der Generatorstrom so gesteuert, dass sich die gewünschte Kraftkennlinie ergibt. Bei maximaler konstanter Betriebsdrehzahl bei Punkt B lässt man den Strom wieder ansteigen bis Punkt 3, welcher zusammen mit der entsprechenden Spannung in Fig. 8c die maximale Kraftausbeute des Motors (entsprechend Punkt 3 in Fig. 8a) ergibt.
Die Fig. 9a bis 9c zeigen jeweils die Spannung, den Strom und die Drehzahl des Generators als Funktion der Lastkraft. Die Kurven gemäß Fig. 9a und 9c sind sich ähnlich wegen der linearen Spannungs- /Drehzahlkennlinien für einen Dauermagnetgenerator. Im konstanten Drehzahlbetrieb bleibt die Spannung konstant. Bei zunehmender Belastung und wenn diese den Wert gemäß Punkt A überschreitet, steigt die Motordrehzahl zwischen Punkt 1 und 2, so dass der Motor mit der erhöhten Last fertig wird. Punkt B stellt die maximale konstante Drehzahl dar, wobei die Drehzahl und Spannung zwischen den Punkten 2 und 3 konstant bleiben.
In Fig. 9b wird der Generatorausgangsstrom abgebildet, der für die benötigte Drehzahl-/Lastkraftkurve erforderlich ist. Man lässt den Laststrom linear bis Punkt 1 ansteigen. Zwischen den Punkten 1 und 2 wird der Strom in der gezeigten Weise gesteuert, so dass die gewünschte Drehzahl- /Kraftkennlinie erzielt wird. Bei weiterer Zunahme der Last, lässt man den Strom wiederum bei konstanter Drehzahlbetriebsweise ansteigen, bis die maximale Motorenleistungsgrenze bei Punkt 3 erreicht wird.
Die oben gezeigten Figuren stellen ein verhältnismäßig einfaches Steuerschema für den optimalen Betrieb eines Motors entsprechend seiner Leistungskennzeichen wie Kraft gegen Drehzahl, die Lastminderungsfaktoren etc. dar. Die Motordrehzahl wird zwischen einer Minimumbetriebsdrehzahl und einer Maximumbetriebsdrehzahl so variiert, dass ihre Last einer optimalen Kraft-/Drehzahlkurve entspricht, die man aus den Leistungskurven des Motors entnimmt, wobei man jeweils, wenn die Last erhöht wird, eine Reservekapazität für die Beschleunigung zulässt.
Betrachtet man die Kraft-/Drehzahlkennlinie eines Motors als gegeben und wenn man ferner berücksichtigt, dass die Ausgangsspannung eines Dauermagnetgenerators sich linear mit der Drehzahl ändert, wird eine verhältnismäßig einfache Steuerung des Stromes gemäß der Kennzahlkurve (Fig. 8b und 9b) dazu führen, dass der Motor unter optimalen Bedingungen bei Laständerungen gegen Zeit betrieben wird und dass die Motordrehzahl sich entsprechend des Kraft-/Drehzahlverhältnisses gemäß den Fig. 8a und 9a verändert.
In einem vereinfachten Steuersystem kann der Strom einfach konstant eingestellt werden während der Motor in seinem variablen Drehzahlbetriebsbereich arbeitet. In dem Fall wird die Strom-/Drehzahlkurve in Fig. 8b eine einfache waagrechte Linie zwischen Punkt eins und zwei, während die Kraft-/Drehzahlkurve in Fig. 9a der Spannungskurve in Fig. 9c folgen wird. Sollte die Kraft-/Drehzahlkennlinie des Motors erheblich von einer geraden Linie abweichen, wird selbstverständlich der Motor manchmal unter weniger als optimal belasteten Bedingungen arbeiten, selbst dann, wenn die Drehzahl als Funktion der Last geregelt wird. In vielen Fällen wird jedoch ein derart vereinfachtes Steuersystem vollkommen den Ansprüchen genügen.
Fig. 10 zeigt eine Variante des Steuerkreises der in Fig. 1 abgebildeten Art, wie er in Fällen benötigt wird, wo die Spannungskennzeichen der Kraftquelle nicht linear verlaufen wie in Fig. 8 und 9. Ein Drehzahlsensor 120 verschafft ein Drehzahlausgangssignal Va2, welches einem Kraftfunktionsgenerator 122 zugeführt wird, der ein entsprechendes Ausgangssignal P abgibt entsprechend der Ausgangskraft der Quelle 10 (d. h. der Kraft gegen Drehzahlkennlinie des Motors, der einen Generator antreibt). Dieses Signal wird gleichzeitig mit dem Signal V_2 eines Spannungssensors 20 auf einen Zerteilerkreis 124 angewandt, der das Referenzstromsignal I-ref2 abgibt, welches zum Mess- und Steuerkreis 16 weitergeleitet wird. Der Zerteilerkreis 124 teilt die Kraft-/Drehzahlkennlinie P durch das Spannungssignal V_2 in Sofortzeit und beliefert dadurch den Gleichstrom/Gleichstromumrichter mit einem abgewandelten Strombezugssignal, welches eine gewünschte Bezugskraftkurve entsprechend der Fig. 9a liefert.
In ähnlicher Weise wird gemäß Fig. 11 das Stromsteuersystem gemäß Fig. 2 abgeändert indem der Ausgang Va2 des Drehzahlsensors 120 in einen Kraftfunktionsgenerator 122 eingegeben wird, dessen Ausgang P durch das Spannungssignal V_2 im Tellerkreise 124 geteilt wird, um ein modifiziertes Strombezugssignal Iref_2x zu liefern, um dadurch die gewünschte Bezugskraftkurve zu liefern.
Fig. 12, 13 und 14 zeigen Stromkreise mittels derer der Betrieb des beschriebenen Gerätes verbessert werden kann. In Fig. 12 sind ein Umgebungsluftsensor 128 und ein Umgebungsdrucksensor 130 vorgesehen, deren Ausgänge entsprechende Funktionsgeneratorkreise 132 und 134 speisen. Der Temperatursensor 128 überwacht die Lufttemperatur beim Eintritt in den Motor und das Ausgangssignal KderI des Funktionsgenerators 132 ist proportional der Motorleistungsverlustkennzahl für den Betrieb bei hoher Umgebungstemperatur. In gleicher Weise überwacht der Drucksensor 130 den Luftdruck am Lufteingang zum Motor und liefert ein Drucksignal an den Umgebungsdruckfunktionsgenerator 134, der seinerseits ein Ausgangssignal Ader1 liefert, welches der Leistungsverlustkennzahl des Motors für Betrieb in großer Höhe entspricht. Ein Drehmomentbezugssignal T wird von einem Drehmomentfunktionsgenerator 136 geliefert aus einem Motordrehzahlssignal Va2, welches von einem Motordrehzahlsensor 120 geliefert wird, und alle drei Signale werden in einem Summierungsblock 138 summiert und liefern ein Ausgangsdruckbezugssignal I_ref2, welches der Motordrehmoment-/Drehzahlkennzahl proportional ist, angepasst an Standortsbedingungen, die von Standardbezugsbedingungen abweichen.
In Fig. 13 wird ein Temperatursensor 148 verwendet, um ein Abgastemperatursignal Kex1 zu liefern, welches in einem Abgastemperaturlastüberwachungselement 140 mit einem Motorabgastemperatur- /Drehzahllastkennzeichnungssignal Kex2 verglichen wird, wobei letzteres von einem Abgastemperaturfunktionsgenerator 142 aus dem Motordrehzahlsignal Va2 abgeleitet wird. Das Abgastemperaturüberwachungselement 140 generiert ein Ausgangssignal Kex3, welches von der Abweichung der wirklichen Abgastemperatur vom Bezugssignal abgeleitet wird. Dieses Fehlersignal Kex3 wird mit dem Ausgang T des Motordrehmoment- /Drehzahlfunktionsgenerators 136 im Summierungsblock 138 summiert und damit wird ein korrigiertes Strombezugssignal I_ref2 geliefert.
Die Abgastemperatur ist eine Bezugsgröße, welche der Umgebungstemperatur, Druck (einem Maß für die Höhe) Last und dem allgemeinen mechanischen Zustand des Motors und der Qualität des verwendeten Kraftstoffes proportional ist. Deshalb kann durch einfache Überwachung der Motorabgastemperatur und durch Korrektur für deren Variationen in Bezug auf ein Abgastemperaturbezugssignal die Leistungsherabsetzung des Motors bequem berücksichtigt werden indem man die Drehzahl für einen gegebenen Lastkraftbedarf erhöht, um für Bedingungen wie schlechte Treibstoffqualität, hohe Umgebungstemperatur, große Höhe oder schlechter Zustand oder Einstellung der Maschine zu kompensieren.
Gemäß Fig. 14 wird die Anordnung gemäß Fig. 13 weiter ausgebaut indem ein zweiter Ausgang Kex4 in dem Funktionsgenerator 142 vorgesehen wird, welcher mit der wahren Abgastemperatur Kex1 in einem zweiten Abgastemperaturüberwacher 144 verglichen wird, um ein Fehlersignal Kex5 zu liefern. Ein Maximumdrehzahlbezugssignal wird mit dem Fehlersignal Kex5 in einem zweiten Summierungsblock 146 summiert, um dadurch ein Ausgangsdrehzahlbezugssignal für den Motordrehzahlsteuerkreis zu liefern. Dadurch ergibt sich ein weiterer Steuerkreis, der die Motordrehzahl anhand der Abgastemperaturabweichung kontrolliert.
Das Motordrehmomentbezugssignal gemäß Fig. 12, 13 und 14 kann durch das abgewandelte Stromsignal I_ref2 ersetzt werden, welches die Motorkraft-/drehzahlkennzahl gemäß Fig. 10 darstellt. Man kann ferner sehen, dass die Leistungsherabsetzungsbestimmungen, die unter Bezugnahme auf Fig. 12, 13 und 14 beschrieben wurden, auch auf die beiden oben beschriebenen Spannungs- und Stromsteuerungssysteme zum Betreiben der Vorrichtung anwendbar sind.
Mit Bezugnahme auf Fig. 15 wird eine weitere elektrische Quelle gezeigt mit einem Brennstoffzellenstapel 150 anstelle des oben beschriebenen Motors/Generators. Wo dies passt, werden ähnliche Bezugszahlen verwendet wie in Fig. 1. Gedankenmäßig ist die Anordnung gemäß Fig. 15 sehr ähnlich wie die eines Dieselmotors, der einen Generator mit einem Spannungssteuerungssystem gemäß Fig. 1 besitzt. Der entkoppelnde Gleichstrom/Gleichstromumrichter 12 wird von seinem zweckgebundenen Steuerkreis 16 gesteuert unter Verwendung von zwei Bezugseingängen, nämlich einer Bezugsspannung V_1xref, welche den Wert von VDC des Gleichstromzwischenausgangs einstellt und einem Strombezugssignal I_2ref, einem Strombezugssignal, welches so angepasst ist, dass es die Brennstoffzellenleistungskennzeichen wiedergibt. Zwei Rückkopplungssignale sind vorgesehen, nämlich I_2 (den Brennstoffzellenausgangsstrom oder den Konvertereingangsstrom darstellend) und V_1 (die Spannung des Gleichstromzwischenausgangs).
Der Gleichstrom/Gleichstromumrichter 12 wird in ähnlicher Weise betrieben wie die Anordnung gemäß Fig. 1. Eine Hauptkraftsteuerung 152 überwacht die Spannung VDC des Gleichstromzwischenausgangs. Sobald diese Spannung unter die Bezugsspannung V_1xref sinkt, liefert das Steuerelement 152 ein Kraftbezugssignal P, welches die Hauptbrennstoffzellensteuerung 24 aktiviert. Es handelt sich um eine kompliziertere Steuereinrichtung, worin der Brennstoffzellenleistungsplan in eine Überwachungssoftware einprogrammiert ist. Diese überwacht die Brennstoffzellenausgangsspannung V_2 und den Strom I_2 und liefert ein Strombezugssignal I_2ref, welches über den Gleichstrom/G leichstromwandler und dessen Steuerelement die Kraftzulieferung an den Gleichstromzwischenausgang entsprechend der optimierten Leistungskennziffern und dem Kraftbedarfssignal Pref des Hauptkraftflusskontrollorgans 152 überwacht. Gleichzeitig liefert das Hauptbrennstoffzellenüberwachungselement 24 weitere zwei Ausgangssignale, nämlich Sauerstoff Vol_ref und Brennstoffdruck_ref Signale. Der Strom von Sauerstoff/Luft und der Brennstoffdruck sind die Kennzahlen, welche die nichtelektrischen Eingänge der Brennstoffzellen und damit der Ausgangskraft regulieren. Die Regelung des Kraftstoffdrucks und des Sauerstoffstromes ermöglichen es der Brennstoffzelle, wirtschaftlich bei Teilbelastung oder unter Lastbedingungen, die sich im Zeitverlauf ändern, betrieben zu werden.

Claims

Stromversorgungsgerät, umfassend:

1. wenigstens eine zum Bereitstellen eines veränderlichen elektrischen Spannungs-und/oder Stromausgangs angeordnete steuerbare Quelle;

eine Entkopplungsumrichtereinrichtung zum Erzeugen eines Gleichstromzwischenausgangs aus dem veränderlichen elektrischen Spannungs- und/oder Stromausgang der wenigstens einen steuerbaren Quelle, die im Wesentlichen unabhängig von Veränderungen im elektrischen Ausgang der Quelle ist;

eine Ausgangseinrichtung zum Erzeugen eines Wechselstrom- oder Gleichstromausgangs, um eine sich in der Zeit verändernden Last aus dem Gleichstromzwischenausgang zu liefern;

eine Sensoreinrichtung zum Überwachen der Spannung und/oder des Stroms der wenigstens einen steuerbaren Quelle und des Gleichstromzwischenausgangs und zum Erzeugen von diesen entsprechenden Ausgangssignalen; und

eine auf die Ausgangssignale ansprechfähige Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs der wenigstens einen steuerbaren Quelle, um den Stromausgang der Quelle dynamisch zu verändern und dadurch den von der sich in der Zeit verändernden Last benötigten Strom zu liefern.

2. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 1, wobei die steuerbare Quelle eine Brennstoffzelle, einen Wasserkraftgenerator, einen Windkraftgenerator, einen Gasturbinen/Generator oder eine andere Einrichtung umfasst, die einen elektrischen Ausgang aus einem nichtelektrischen Eingang erzeugt.

3. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 2, wobei die steuerbare Quelle einen Motor und einen Generator umfasst, der einen veränderlichen Spannungsausgang an die Entkopplungsumrichtereinrichtung liefert.

4. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 3, wobei der Generator ein Wechselstromgenerator ist, der einen Wechselstromausgang mit veränderlicher Spannung und veränderlicher Frequenz an die Entkopplungsumrichtereinrichtung liefert, wobei die Vorrichtung eine Gleichrichtereinrichtung zum Gleichrichten des Wechselstromausgangs aus dem Generator umfasst und die Entkopplungsumrichtereinrichtung einen Gleichstrom-Wechselstrom-Umrichter zum Umrichten des gleichgerichteten Wechselstromausgangs zu einem Gleichstromzwischenausgang mit einer Spannung umfasst, die in Bezug auf eine Referenzspannung gesteuert wird.

5. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 4, wobei die Steuereinrichtung eine Sensoreinrichtung umfasst, die zum Überwachen der Belastung des Gleichstromzwischenausgangs der Umrichtereinrichtung und/oder der steuerbaren Quelle und zum Erhöhen der Drehzahl des Motors eingerichtet ist, wenn die Belastung einen vorbestimmten Wert übersteigt.

6. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung so funktioniert, dass sie den aus der steuerbaren Quelle entnommenen Storm auf einem vorbestimmten Pegel oder innerhalb eines vorbestimmten Bereiches hält, wobei die Sensoreinrichtung einen Spannungssensor umfasst, der zum Überwachen der Ausgangsspannung an dem Gleichstromzwischenausgang der Umrichtereinrichtung und zum Erhöhen der Drehzahl des Motors angeordnet ist, um den an das Umrichtereinrichtung gelieferten Storm zu erhöhen, wenn die Spannung des Gleichstrom-Zwischenausgangs unter eine erste Spannungsschwelle abfällt.

7. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 5, wobei die Steuereinrichtung so funktioniert, dass sie die Spannung des Gleichstromzwischenausgangs im Wesentlichen konstant hält, wobei die Sensoreinrichtung einen Spannungssensor umfasst, der zum Überwachen des aus der steuerbaren Quelle entnommenen Stroms und zum Erhöhen der Drehzahl des Motors angeordnet ist, um den an die Umrichtereinrichtung gelieferten Strom zu erhöhen, wenn der aus der steuerbaren Quelle entnommene Strom eine erste Stromschwelle überschreitet.

8. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 6 oder 7, mit wenigstens einer ersten Energiespeichereinrichtung, die zum Aufnehmen einer Ladung aus dem Gleichstromzwischenausgang und zum Entladen von Energie in den Gleichstromzwischenausgang eingerichtet ist, wenn die Spannung des Gleichstromzwischenausgangs unter einen Nennwert abfällt.

9. Stromversorgungsgerät gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine Hilfslast-Steuereinrichtung, die zum Feststellen des Anschlusses einer schweren Hilfslast an die Ausgangseinrichtung und zur Steuerung der Kraftzufuhr an die Hilfslast angeordnet ist, um dadurch eine übermäßige Belastung der Ausgangseinrichtung zu vermeiden.

10. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 8, umfassend wenigstens eine zweite Energiespeichereinrichtung, einen Ladekreis, der zum Laden der zweiten Energiespeichereinrichtung aus dem Gleichstromzwischenausgang angeordnet ist, und einen Entladekreis, der zum Entladen der zweiten Energiespeichereinrichtung parallel mit der ersten Energiespeichereinrichtung angeordnet ist, wenn die Spannung des Gleichstromzwischenausgangs unter eine zweite Spannungsschwelle unter der ersten Spannungsschwelle abfällt.

11. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 10, umfassend eine dritte Energiespeichereinrichtung, einen Ladekreis, der zum Laden der dritten Energiespeichereinrichtung aus einer elektrischen Quelle angeordnet ist, und eine Hilfsumrichtereinrichtung, die zum Entladen der dritten Energiespeichereinrichtung parallel mit der ersten und der zweiten Energiespeichereinrichtung angeordnet ist, wenn die zweite Energiespeichereinrichtung wenigstens teilweise entladen hat.

12. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 11, wobei die ersten und zweiten Energiespeichereinrichtungen Kondensatoren sind und die dritte Energiespeichereinrichtung eine Batterie ist.

13. Stromversorgungsgerät gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, umfassend einen Drehzahlsensor zum Überwachen der Drehzahl des Motors/des Generators und zum Erzeugen eines darauf bezogenen Drehzahlausgangssignals, und eine Funktionsgeneratoreinrichtung zum Erzeugen eines Stromsignals aus dem Drehzahlausgangssignal, wobei das Stromsignal eine Strom-/Drehzahl-Kennkurve des Motors darstellt und von der Steuereinrichtung zur Optimierung des Betriebs des Motors genutzt wird.

14. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 13, umfassend Umgebungsdruck- und Umgebungstemperatursensoren zum Überwachen des Umgebungsdrucks und der Umgebungstemperatur und zum Erzeugen von jeweiligen Druck- und Temperaturausgangssignalen, und des Weiteren umfassend jeweilige Druck- und Temperaturfunktionsgeneratoren zum Erzeugen von Ausgängen, umfassend Motorleistungsverlustkenngrößen zum Ausgleichen von Schwankungen in Umgebungsbetriebsdruck und -temperatur.

15. Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 13, umfassend einen Abgastemperatursensor, der zum Überwachen der Temperatur der Motorabgase und zum Erzeugen eines Ausgangssignals für die Abgastemperatur angeordnet ist, einen Abgastemperatur- Funktionsgenerator zum Erzeugen eines Kennkurvensignals für die Abgastemperatur und die Drehzahllast aus dem Drehzahlausgangssignal, und ein Steuerelement zum Erzeugen eines Fehlersignals aus der Differenz zwischen dem Ausgangssignal für die Abgastemperatur und dem Kennkurvensignal für die Abgastemperatur- und die Drehzahllast, um dadurch die Motorabgastemperatur beeinflussende Faktoren auszugleichen.