DE69709781T2

DE69709781T2 - Unterbrechungsfreies elektrisches stromversorgungssystem

Info

Publication number: DE69709781T2
Application number: DE69709781T
Authority: DE
Inventors: Miguel Lopez Jimenez
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 2002-08-08
Anticipated expiration: 2017-04-12
Also published as: WO1997039511A1; ES2113314A1; ES2113314B1; EP0939477B1; DE69709781D1; US6320279B1; EP0939477A1; AU2510397A

Description

Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System, das die Versorgung mit elektrischer Energie ermöglicht, die bei Schwankungen oder Unterbrechungen der Versorgung mit elektrischer Energie aus dem öffentlichen oder privaten Stromversorgungsnetz, aufrecht erhalten werden muss; das System umfasst darüber hinaus Einrichtungen, die die Überlasten kompensieren.

STAND DER TECHNIK

Die spanischen Patentanmeldungen Es-A-8900495 (der dem britischen Patentanmeldung GB-A-2229329 entspricht) und Es-A- 9102561 (der dem britischen Patentanmeldung GB-A-2261778 entspricht) beschreiben Systeme, die eine Synchronmaschine umfassen, die aus Elektromotoren und Wechselstromerzeugungseinrichtung besteht. Der Motor wird normalerweise mit Energie aus dem Netz gespeist. Die Systeme umfassen außerdem einen Verbrennungsmotor, zum Beispiel einen Dieselmotor, der dazu dient, Energie für die Synchronmaschine vorzusehen, falls sich eine Störung im Netz ereignet, so dass die Wechselstromerzeugungseinrichtung weiterhin eine Last mit Energie speisen kann. Außerdem umfasst das in diesen Anwendungen beschriebene System einen Hydraulikmotor, der dazu dient, während des Zeitraums die notwendige Energie für die Synchronmaschine vorzusehen, der zwischen der Feststellung eines Ausfalls im Netz und dem Zeitpunkt, zu dem der Verbrennungsmotor die Synchronmaschine mit der notwendigen Energie versorgen kann, vergeht. Gleichzeitig kann der Hydraulikmotor dazu dienen, den Dieselmotor in Gang zu setzen. Im Dokument Es-A-9102561 dient der Hydraulikmotor außerdem dazu, Überlasten zu kompensieren.
Ein Nachteil des in den vorgenannten Patenten beschriebenen Systems besteht darin, dass der Hydraulikmotor eine gewisse Zeit braucht, um seinen Betrieb aufzunehmen und die Synchronmaschine mit der gewünschten Energie zu versorgen, da der Hydraulikmotor im Zustand des Nichtbetriebs still steht, damit keinerlei unnötige Abnutzung verursacht wird und um den Energieverbrauch zu reduzieren. Dies bedeutet, dass es erforderlich oder ratsam werden könnte, relativ große Schwungräder einzubeziehen, damit gewährleistet ist, dass die Frequenz am Ausgang der Wechselstromerzeugungseinrichtung innerhalb bestimmter Grenzen, die den festgelegten Toleranzniveaus entsprechen, gehalten werden kann. Diese Schwungräder implizieren hohe Kosten und diverse praktische Probleme, die jedem, der eine durchschnittliche Erfahrung auf diesem Gebiet hat, bekannt sind.
Das Dokument DE1438690 beschreibt ein nicht unterbrechbares System zur Energieversorgung, das die in der Präambel des Patentanspruches 1 des vorliegenden Anmeldungs enthaltenen Merkmalen aufweist.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In Grundzügen, besteht das System, das Gegenstand der Erfindung ist, aus einer Synchronmaschine, die die Funktionen eines synchronen Elektromotors und einer synchronen Wechselstromerzeugungseinrichtung ausführt, die über Verbindungseinrichtungen an einen Verbrennungsmotor, vorzugsweise einen Dieselmotor, gekoppelt sind. Gleichzeitig, und neben dem Verbrennungsmotor, umfasst das System, das Gegenstand der Erfindung ist, Einrichtungen zur Lieferung von Energie an die Synchronmaschine, wobei diese Einrichtungen eine Turbine umfassen. Diese Turbine umfasst eine Welle, eine Vielzahl von Düsen, Einrichtungen, um das Druckfluid von den Druckfluidakkumulationseinrichtungen zu den Düsen zu leiten, sowie Druckfluidauslasseinrichtungen, so dass das Fluid über die Düsen ausgestoßen wird. Die Düsen sind derart angeordnet, dass das durch sie ausgestoßene Fluid ein Drehmoment für die Welle vorsieht. Außerdem umfasst das System die Druckfluidakkumulationseinrichtungen und die Steuereinrichtungen (vorzugsweise elektronische Einrichtungen). Die Steuereinrichtungen umfassen Einrichtungen zur Steuerung des Ausstoßes von Fluid durch die Düsen. Beim Druckfluid kann es sich um ein flüssiges Fluid oder ein gasförmiges Fluid, beispielsweise Druckluft, handeln.
Alle Elemente des Systems werden vorzugsweise auf einem Gestell montiert.
Die Synchronmaschine wird vorzugsweise an ein Trägheitsschwungrad, oder ein Vielzahl von Trägheitsschwungrädern, gekoppelt.
Die Leistung des Verbrennungsmotors kann der Nennleistung des Systems entsprechen. Die Synchronmaschine kann eine oder mehrere Wechselstromerzeugungseinrichtungen umfassen, wobei jede dieser Wechselstromerzeugungseinrichtungen einer galvanisch unabhängigen Schaltung entspricht, deren Versorgung aufrecht erhalten wird. Für den Fall, dass mehrere Wechselstromerzeugungseinrichtungen vorhanden sind, werden diese Wechselstromerzeugungseinrichtungen mechanisch miteinander verbunden und, wahlweise, mit einen Trägheitsschwungrad verbunden. Die Wechselstromerzeugungseinrichtungen können mittels starrer Kopplungen zwischen ihren Wellen verbunden werden, oder mittels flexibler Kopplungen. Was das Trägheitsschwungrad betrifft, so kann dieses Schwungrad, aufgrund des Eingliederung der Turbine, reduzierte Abmessungen haben, im Vergleich zu den Schwungrädern der vorherigen Systeme. Das Schwungrad kann über Hochgeschwindigkeitsgetriebe an die Synchronmaschine gekoppelt werden.
Die Kopplungseinrichtungen zwischen dem Verbrennungsmotor und der Synchronmaschine bestehen vorzugsweise aus einer Freilaufkupplung.
Was die Turbine betrifft, so handelt es sich um eine Reaktionsturbine, die besonders vorteilhaft erscheint, wenn sehr leistungsstarke Systeme (normalerweise mit mehr als 800 kVa) eingesetzt werden. In diesem Fall drehen sich die Düsen mit der Turbinenwelle und dienen dazu, das Druckfluid zu beschleunigen, mit dem Ziel, die Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine innerhalb der festgelegten Grenzen halten. Diese Düsen, die radial, bezüglich des tangentialen Auslasses des Druckfluids, angeordnet sind, empfangen den Fluss, der, über die vorher erwähnten Leitungseinrichtungen, von den Druckfluidakkumulationseinrichtungen kommt. Im Falle der Funktionsweise mittels Reaktion, beschleunigen die Düsen das Druckfluid, das, über die Radialführungen, von einem zentralen Teil, der die Turbinenwelle umgibt und der ein Kugelgelenk umfasst, zur Turbine geliefert werden kann. Bei der Turbinenwelle kann es sich um einen integralen Teil der Welle der Synchronmaschine handeln, oder kann mit derselben über starre oder elastische Kopplungseinrichtungen, oder sogar über Getriebe mit verschiedenen Gängen, gekoppelt sein. Das zentrale Teil kann einen Druckfluidfluss empfangen, wenn die Druckfluidauslasseinrichtungen aktiviert werden, zum Beispiel wenn eine Reihe von Ventilen elektrisch aktiviert wird, die zwischen das genannte zentrale Teil und die Druckfluidakkumulationseinrichtungen geschaltet sind.
Vor allem dann, wenn die Lineargeschwindigkeiten der sich drehenden Düsen hoch sind, sind die Reaktionswirkungen, in der Regel, ausreichend. Dies kann für Systeme mit einem Durchmesser, der in einem Intervall von 1,5 bis 2,0 Metern liegt, gelten. (Der Durchmesser entspricht dem Durchmesser des imaginären Kreis, der durch die Düsen führt).
Die Durchmesser sind normalerweise proportional zu den Leistungen der Systeme.
Die Druckfluidauslass- und die Druckfluidakkumulationseinrichtungen (beim Fluid kann es sich zum Beispiel um Druckluft handeln), bestehen im wesentlichen aus mindestens einem Hochdruckkompressor, mindestens einem Akkumulationstank für Hochdruckfluid, mindestens einem Steuerventil für den Fluidstrom, sowie außerdem Leitungen, die eine Verbindung mit dem Ventil, mit dem Kompressor, sowie mit dem/den Hochdruckfluidtanks herstellen.
Obgleich das Ventil elektrisch gesteuert wird, kann der Betrieb des Druckfluidauslassventils über einen Servomechanismus erfolgen, der Druckfluid aus einem Niederdruckdepot empfängt, das mit dem Hochdruckfluidtank über einen Druckminderer verbunden ist.
Was die Steuereinrichtungen anbetrifft, bei denen es sich vorzugsweise um elektronische Steuereinrichtungen handelt, werden die zwei folgenden Aspekte unterschieden: Leistung und Steuerung.
Bezüglich der Steuerung der Leistung, wenn die Energieversorgung des öffentlichen oder privaten Netzes ordnungsgemäß erfolgt, empfängt das System, konkret die Synchronmaschine, elektrische Energie über Drosseleinrichtungen, die aus einer Drossel bestehen können. Die Drosseleinrichtungen können, günstigerweise, zwischen ersten Schalteinrichtungen, die sich ihrerseits zwischen den Drosseleinrichtungen und dem Netz befinden, und dritten Schalteinrichtungen, die sich ihrerseits zwischen den Drosseleinrichtungen und der Synchronmaschine befinden, geschaltet sein. Die Synchronmaschine kann mittels der genannten dritten Schalteinrichtungen und über die zweiten Schalteinrichtungen an die Last geschaltet sein, wobei sich die zweiten Schalteinrichtungen in Reihe zwischen den Drosseleinrichtungen und der Last befinden. Falls das System mehrere Wechselstromerzeugungseinrichtungen umfasst, können die genannten Wechselstromerzeugungseinrichtungen mittels dieser entsprechenden Schalteinrichtungen an die jeweiligen Lasten gekoppelt werden, konkret, an die jeweiligen Verbraucher von elektrischer Energie, die geschützt werden müssen. Die elektrische Spannung, mit der die Last versorgt wird, ist die korrekte, von der entsprechenden Wechselstromerzeugungseinrichtung erzeugte, zum Beispiel von der Synchronmaschine. Dies absorbiert Energie aus dem Netz, über die Drosseleinrichtungen, und agiert als sich drehender Spartransformator, der gleiche Wicklung verwendet, aufgrund der Spannung, die in diesen Drosseleinrichtungen abfällt.
Vorzugsweise, damit das System vom Netz abgeschaltet werden kann, wenn Revisionen oder Wartungsarbeiten oder Reparaturen des Systems, unter Abwesenheit von elektrischem Strom, durchgeführt werden müssen, werden vierte Schalteinrichtungen vorgesehen, mit denen die Last direkt an das Netz geschaltet werden kann, wenn das System vom genannten Netz über die dritten Schalteinrichtungen abgeschaltet ist.
Was die Steuerung des Systems betrifft, so erfolgt diese Steuerung über Steuereinrichtungen die, vorzugsweise, eine zentrale Steuereinheit umfassen, die separat an Einrichtungen zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit von, jeweils, Synchronmaschine und Verbrennungsmotors, sowie außerdem an Einrichtungen zur Feststellung der entsprechenden Variablen des elektrischen Netzes, geschaltet ist. Die zentrale Steuereinheit steuert das System, indem sie elektrische Betriebssignale an die unterschiedlichen Schalteinrichtungen, an die Einrichtungen zur Einstellung der Geschwindigkeit des Verbrennungsmotors, an die Einrichtungen für Start und Stop des Verbrennungsmotors, an die Einrichtungen zur Einstellung der elektrischen Spannung der Wechselstromerzeugungseinrichtung, an den Ansteuerungsregler der Wechselstromerzeugungseinrichtung, zum Korrigieren des Leistungsfaktors der elektrischen Gesamtanlage, an das überströmventil für das Druckfluid, an die Start- und Stoppeinrichtungen des Kompressors und, wahlweise, an eine Vorrichtung zum Vorheizen des Verbrennungsmotors, sendet. Die Steuereinrichtungen empfangen Informationen von den Messgeräten, die verschiedene Parameter, wie zum Beispiel die Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine und die Drehgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors, messen.
In Grundzügen kann gesagt werden, dass die Steuerung zwei Konzepte umfasst, bei denen es sich, konkret, um Hauptfunktionen und Sekundärfunktionen handelt.
Die Hauptfunktionen umfassen die Inbetriebnahme der Turbine zum korrekten Zeitpunkt, mit dem Ziel die Geschwindigkeit der Synchronmaschine zu jedem Zeitpunkt zu garantieren. Während der Abwesenheit des Netzes, agiert die Turbine als Unterstützung für den Verbrennungsmotor, wobei sie die Zuführung von neuen Lasten und/oder Überlasten kompensiert. Wenn im Netz eine Störung auftritt, dient die Turbine dazu, die Geschwindigkeit der Synchronmaschine aufrechtzuerhalten, bis sich der Verbrennungsmotor in Betrieb gesetzt hat und seine Nenngeschwindigkeit erreicht hat.
Hierzu ist notwendig, die Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine zu messen, was, zum Beispiel, mit Hilfe eines magnetischen Abnehmers, der auf einem Zahnrad sitzt, erfolgen kann. Die Steuereinrichtungen können derart programmiert werden, dass, wenn eine Verminderung der Nenngeschwindigkeit bei der Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine um 0,25% festgestellt wird, der Befehl zum Betrieb der Turbine erteilt wird, wobei die Druckfluidauslasseinrichtungen geöffnet werden. Mit Hilfe dieses Servomechanismus kann die Drehgeschwindigkeit innerhalb von Grenzen von annähernd +/- 1% gehalten werden (dies hängt selbstverständlich von der Trägheit der Einheit ab).
Die Sekundärfunktionen betreffen die elektrischen Automatismen des Ausfalls und Rückkehr des Netzes, der Umleitung bei Wartung, des Vorheizens des Verbrennungsmotors, der Inbetriebnahme des genannten Motors, des Stops des genannten Motors, des automatischen Nachladens der Druckbehälter (Akkumulatoren), der Informationselemente des Verbrennungsmotors, der Information der elektrischen Variablen, etc.
Bei Vorhandensein von elektrischer Energie aus dem öffentlichen oder privaten Netz, erreicht man, mittels des Systems der Erfindung, die Anpassung der von der Last empfangenen elektrischen Spannungswerte, und zwar derart, dass die genannte elektrische Spannung gewisse festgelegte Grenzen nicht überschreitet, vorzugsweise +/- 2% im stationären Betrieb und +/- 8% im Übergangsbetrieb (mit weniger als 150 Millisekunden), ganz gleich wie hoch die Eingangsspannung der elektrischen Energie aus dem Netz ist. Bei Vorhandensein des Netzes, und in der gewählten elektrischen Konfiguration der Energie, erhält die Synchronmaschine ihre Versorgung mit elektrischer Energie aus diesem Netz, und zwar derart, dass sie ihre Drehbewegung mit der Energie, die sie über eine Reihe von Drosseln erhält, die an diese Maschine geschaltet sind, aufrecht erhält. In diesem Fall verhält sich die der Synchronmaschine zugeordnete Wechselstromerzeugungseinrichtung wie ein sich drehender Spartransformator und erzeugt an seinen Anschlüssen die von der Last benötigte elektrische Nennspannung, innerhalb der gewünschten Toleranzgrenzen, mittels der adäquaten Auswahl der Wechselstromerzeugungseinrichtung. Die Vektordifferenz zwischen der von der Wechselstromerzeugungseinrichtung erzeugten elektrischen Spannung und der elektrischen Spannung, die vom Netz geliefert wird, verbleibt in den Anschlüssen der Drossel, die diesen Zweck erfüllt (sie kann einen Wert haben, der etwa einem Drittel des Wertes der Drossel der Wechselstromerzeugungseinrichtung entspricht). Auf diese Weise vermindert sich der Wirkungsgrad des elektrischen Systems nur um die ohmschen Verluste verursacht vom Material der Drossel, zum Beispiel Kupfer, sowie von den Wicklungen der Wechselstromerzeugungseinrichtung, um die Verluste in den beiden Eisenkernen von Drossel und Wechselstromerzeugungseinrichtung, sowie gewissen mechanischen Verlusten der Wechselstromerzeugungseinrichtung und die Verluste durch die Belüftung derselben. Auf diese Art und Weise werden Wirkungsgrade von mehr als 95% erreicht, d. h. Wirkungsgrade die die Wirkungsgrade von Systemen statischer Art mit Batterie übertreffen. Außerdem erlaubt das erfindungsgemäß System die Handhabung von Lasten mit nicht linearen Schwankungen (was schwierig ist, wenn ruhende UPS- Umformer verwendet werden, da diese eine beträchtliche Überdimensionierung erfordern) und die Wiedereinspeisung von harmonischen Komponenten in das Netz reduziert sich fast eine Größenordnung, verglichen mit der Wiedereinspeisung im Fall der Verwendung von ruhenden Gleichrichtern, wie zum Beispiel Thyristoren.
Andererseits, werden während der Abwesenheit des öffentlichen Netzes elektrische Werte erreicht, die im wesentlichen den elektrischen Werten ähneln, die bei Vorhandensein des Netzes vorliegen, abgesehen davon, dass die Frequenz, im permanentem Betrieb, bei etwa +/- 1% des Nennwertes gehalten wird, und bei einer höheren Grenze im Übergangsbetrieb (vorzugsweise < 0,5 Sekunden), was vom Wert der zu versorgenden Last abhängt, und was die spezifischen Charakteristiken der Bauform einer jeden technischen Lösung beeinflusst (Proportion der Trägheit des Schwungrades / Schwankungsbereich der Frequenz, etc.).
Wenn sich eine Abwesenheit des öffentlichen Netzes ereignet, oder wenn sich ein Kurzschluss nahe des Eingangs des Systems, oder eine jede andere Störung in der Versorgung der Synchronmaschine aus dem Netz ereignet, stellen die Steuereinrichtungen eine Tendenz zur Reduzierung der Drehgeschwindigkeit der Wechselstromerzeugungseinrichtung fest, und zwar mittels der hierzu vorhandenen Information, die von den entsprechenden Feststellungseinrichtungen (z. B. magnetischer Abnehmer) geliefert wird. Wenn diese Tendenz festgestellt wird, erteilen die Steuereinrichtungen den ersten Schalteinrichtungen die sachgemäßen Instruktionen um die Übertragung von Energie ins Netz zu verhindern, während sie gleichzeitig derart auf die Druckfluidauslasseinrichtungen einwirken (das Fluid kann z. B. Luft sein), dass die Turbine Energie an die Synchronmaschine liefert. Die Turbine kann fest mit der Welle der Synchronmaschine und/oder des Schwungrades verbunden sein, derart, dass sie sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit wie diese Welle dreht, derart, dass die Turbine, in einem kurzen Zeitraum, das erforderliche Drehmoment zur Aufrechterhaltung der Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine zur Verfügung stellen kann, während die Maschine gleichzeitig weiterhin adäquate Energie an die Last überträgt.
Gleichzeitig erteilen die Steuereinrichtungen Anweisungen an den Verbrennungsmotor, damit dieser die Energieversorgung für den korrekten Betrieb des Systems empfangen kann. Hier können mindestens die nachfolgend genannten Betriebsarten betrachtet werden:
Der Verbrennungsmotor kann sich während des normalen Betriebs des Systems im Stillstand befinden; in diesem Fall, wenn sich eine Störung im Netz ereignet, erteilen die Steuereinrichtungen einen Befehl, damit sich der Motor in Betrieb setzt, der elektrisch gestartet werden kann, mittels eines Druckfluids (zum Beispiel Luft) und/oder hydraulisch. Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Motor im Bereitschaftszustand, zum Beispiel bei 300/500 UPM, zu belassen. In diesem Fall erteilen die Steuereinrichtungen einem Geschwindigkeitsregler die passenden Anweisungen, damit der Verbrennungsmotor isochron zur Nenngeschwindigkeit übergeht.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Motor in einem Bereitschaftszustand bei einer Geschwindigkeit, die leicht unterhalb der Nenngeschwindigkeit liegt, zu belassen (jedoch ohne Energie an das System zu übertragen); in diesem Fall erteilen die Steuereinrichtungen die passenden Befehle damit der Motor isochron zur Nenngeschwindigkeit übergeht.
Auf der Grundlage dieser Betriebsmöglichkeiten des Verbrennungsmotors, kann das System auf verschiedene Arten konzipiert werden, ausgehend vom Blickwinkel der Resultate der Übergangsfrequenzen, die erzielt werden. Einige Faktoren, die bei der Wahl der Betriebsart in Betracht gezogen werden können sind, zum Beispiel, ob die maximale Stabilität der Frequenz nur für spezifische Augenblicke im Verlauf des Tages benötigt wird, ob das System keine 24 Stunden am Tag in Betrieb ist, ob die Überlasten nur während bestimmter Augenblicke auftreten, etc.
Das Steuersystem erlaubt die Programmierung der unterschiedlichen Betriebsarten für Perioden von Tagen, Wochen, etc.
Das System könnte auch vorübergehend als Kogenerator betrieben werden, um so die Spitzen zu verteilen, mit dem Ziel Kosten bei der Berechnung der Stromtarife zu sparen, aus Gründen der tatsächlichen installierten Leistung (die geringer sein kann als die in bestimmten Momenten angeforderte), oder, schließlich und endlich, aufgrund eines Berechnungsvorteils der kW für die Elektrizitätslieferungsgesellschaft.
Sobald der Verbrennungsmotor die Verantwortung für die Versorgung der Last übernommen hat, hält dieser Motor seine Geschwindigkeit konstant, dank eines Geschwindigkeitsreglers, der mechanisch oder elektrisch sein kann. Mit dem Ziel, die Antwort des Systems gegenüber plötzlichen Änderungen der Last zu verbessern, kann der Regler ein Modul zur Feststellung der Stromstärke der Wechselstromerzeugungseinrichtung haben, was eine schnellere Antwort des Reglers ermöglicht, wobei die Frequenzabweichungen innerhalb geringerer Spannen gehalten werden, wenn es zu diesen plötzlichen Änderungen kommt.
Unabhängig vom Vorhandensein dieses Moduls zur Feststellung der Stromstärke, bleibt der Betrieb des beschriebenen Unterstützungssystems während des hauptsächlichen Abwesenheit des Netzes auch während des Betriebs des Verbrennungsmotors als hauptsächlicher Energiequelle bestehen, derart, dass, falls es zu einem Frequenzabfall kommt, dessen Grad des Abfalls, nach Ansicht der Steuereinrichtungen bedeuten kann, dass der Verbrennungsmotor nicht in der Lage wäre die Frequenz innerhalb der tolerierten Grenzen zu halten, wie zum Beispiel im Fall einer beträchtlichen überlast, das System die Turbine in Betrieb setzen würde, wobei Energie für die Synchronmaschine vorgesehen wird, derart, dass die Geschwindigkeit der Wechselstromerzeugungseinrichtung innerhalb der korrekten Limit gehalten würde (vorausgesetzt, dass die von der Last geforderte Leistung nicht die Summe der Leistungen überschreitet, die die Turbine und der Verbrennungsmotor vorsehen können, zum Beispiel 200% der Nennleistung, die gewöhnlich an die Last angelegt wird. Das System kann derart programmiert werden, dass sich der Verbrennungsmotor in Betrieb setzt, wenn die Geschwindigkeit der Wechselstromerzeugungseinrichtung um, zum Beispiel, 0,25% abfällt; wobei sich simultan dazu die Turbine in Betrieb setzt.
Wenn sich bei Vorhandensein des Netzes eine Überlast ereignet, so ist der einzige davon betroffene Aspekt der Wert der elektrischen Spannung, da die Frequenz konstant bleibt, auch wenn die Überlast 150% erreichen sollte, vorausgesetzt, dieses Überlast dauert nicht länger als einige Sekunden. Falls die Überlast sehr groß oder sehr dauerhaft ist, kann die Synchronmaschine außerhalb des Gleichlaufes geraten, wobei sich die Drehgeschwindigkeit schlagartig reduziert. In diesem Moment würde eine Überlastung bezüglich der Stromstärke entstehen, die die Abschaltung der Synchronmaschine vom Netz, über die ersten Schalteinrichtungen, provozieren würde. In diesem Fall würden sich die Turbine und der Verbrennungsmotor in Gang setzen.
Allerdings könnte bei Abwesenheit des Netzes, oder mit anderen Worten, bei Betrieb des Verbrennungsmotors, jede Überlast den vorübergehenden Betrieb der Turbine auslösen, um das System zu stützen und um die Frequenz innerhalb der gewünschten Limits zu halten.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung kann das Steuersystem entsprechend angepasst werden, um die Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine und die Werte des Netzes zu messen, sowie um Entscheidungen bezüglich der Tätigkeit der Turbine und des Verbrennungsmotors zu treffen, was auf der Grundlage der genannten Messungen erfolgt, wobei adäquate Messeinrichtungen und Berechnungseinrichtungen eingesetzt werden.
Grundsätzlich setzt sich der Verbrennungsmotor in Gang, wenn er den Befehl zur Inbetriebnahme, der von den Steuereinrichtungen erteilt wird, erhält. Diese Einrichtungen können die Entscheidung zur Inbetriebnahme auf der Grundlage der Messung von, zum Beispiel, der nachfolgenden Daten vornehmen: Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine; positive oder negative Beschleunigung der Drehbewegung der Synchronmaschine (von den Steuereinrichtungen berechnet); Stromstärke in der Last; Stromstärke des Speisestroms; Stromstärke der Wechselstromerzeugungseinrichtung. Zur Bestimmung des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des Netzes, werden die Stärken der Ströme gemessen.
Auf der Grundlage dieser Messungen, funktionieren die Steuereinrichtungen auf die folgende Art und Weise:
1) Angesichts der festgestellten Tatsache der Abwesenheit des Netzes, die entweder auf der Feststellung einer Reduzierung der Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine oberhalb eines vorbestimmten Levels, oder auf den mittels der von den elektrischen Messungen erhaltenen Information basiert, setzt sich immer die Turbine in Betrieb.
2) Wenn sich die Turbine in Betrieb setzt, entscheiden die Steuereinrichtungen den Moment, an dem sich der Verbrennungsmotor in Betrieb setzt. Die Steuereinrichtungen können so programmiert werden, dass kein Befehl zur Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors erteilt wird, für den Fall, dass eine Unterbrechung von sehr kurzer Dauer stattfindet. Zu diesem Zweck, falls eine schnelle Rückkehr des Netzes, nach einem Ausfall, stattfindet, ist es möglich, dass der Motor keine Inbetriebnahme durchführt. Die Wartezeit vor Erteilung des Befehl zur Inbetriebnahme kann programmierbar sein, und kann, zum Beispiel, zwischen 0 und 60 Sekunden liegen.
Wenn mehr als nur eine Wechselstromerzeugungseinrichtung verwendet wird, existiert eine Hauptsynchronmaschine, deren Leistung höher ist als die Summe der Leistungen der übrigen Wechselstromerzeugungseinrichtungen. In diesem Fall agiert die Hauptsynchronmaschine teilweise als Motor und übermittelt mechanische Energie an die restlichen oder sekundären Wechselstromerzeugungseinrichtungen. In diesem Fall, versorgt jede einzelne der sekundären
Wechselstromerzeugungseinrichtungen eine galvanisch unabhängige Schaltung mit elektrischer Energie. Die sekundären Wechselstromerzeugungseinrichtungen können mit Frequenzen funktionieren, die unterschiedlich von der Frequenz der Hauptsynchronmaschine sind, in Abhängigkeit der Ziele und der Lasten, die versorgt werden müssen.
Mit dem Ziel, dass im Hochdruckfluidtank (das Fluid kann z. B. Druckluft sein) immer eine ausreichende Menge an Fluid vorhanden ist, beinhaltet diese Einrichtung zur Akkumulation von Druckfluid ein Nachladesystem das, günstigerweise, aus einem Motor (vorzugsweise einem Elektromotor) bestehen kann, der eine reversible, hydraulische Fluidpumpe antreibt, die in der Lage ist bei hohen Drücken zu funktionieren. Diese Pumpe besitzt Eingangs- und Ausgangssammelrohre, die an zwei Ölakkumulatoren angeschlossen werden (ein erster Akkumulator und ein zweiter Akkumulator), derart, dass die Pumpe das Öl zwischen diesen Ölakkumulatoren pumpen kann.
Jeder Ölakkumulator umfasst eine Trennmembrane, die das Öl von einem Abteil trennt, der von dem anderen Fluid eingenommen wird.
Die Steuereinrichtungen des Systems messen den Druck des Hochdruckfluidtanks und steuern den Betrieb der Pumpe. Die Pumpe arbeitet, wenn der Druck dieses Tanks unterhalb eines vorbestimmten Niveaus liegt, und sie kommt zum Stillstand, wenn der Druck dieses Niveau überschreitet; zu diesem Zweck, wird der Tank (oder die Tanks) mit den entsprechenden Einrichtungen zur Druckfeststellung versehen, die an die Steuereinrichtungen geschaltet sind.
Das Nachladesystem funktioniert auf der Grundlage der Extraktion von Fluid aus einem Fluideinlass (zum Beispiel einem Lufteinlass), durch einen Filter und ein Einwegeinlassventil, zum für das Fluid des ersten Ölakkumulators konzipierten Abteils, mittels des Pumpens von Öl von diesem ersten Akkumulator hin zum zweiten Ölakkumulator. Mit dem Pumpen des Öls zum zweiten Akkumulator, wird das Fluid, das sich im Abteil befindet, das für das Fluid des zweiten Akkumulators konzipiert ist, gezwungen aus diesem Abteil für das Fluid zu entweichen, und zwar mittels des Drucks, den das Öl ausübt, wobei das Fluid zum Tank (oder den Tanks) für Hochdruckfluid, durch ein Einwegauslassventil, fließt.
Danach kehrt sich der Zyklus um, wobei Öl vom zweiten Ölakkumulator zum ersten gepumpt wird, wobei Fluid aus dem Fluideinlass, und über ein Einwegeinlassventil zum zweiten Akkumulator, extrahiert wird, und wobei das im ersten Akkumulator enthaltene Fluid gezwungen wird, über ein Einwegauslassventil, zum Hochdruckfluidtank zu fließen.
Die Pumpzyklen werden solange wiederholt, bis der Druck des Hochdruckfluidtanks ein bestimmtes Niveau erreicht.
Die Ölakkumulatoren, der Hochdruckfluidtank, der an das Depot gekoppelte Druckminderer, und das Ventil, das Teil der Druckfluidauslasseinrichtungen bildet, können mittels Leitungen untereinander verbunden werden, die an einen Sammler angeschlossen sind, der aus einem Block, zum Beispiel einem Metallblock bestehen kann, der einen Innenraum hat, der mit dem Außenbereich über Gewindebohrungen verbunden ist, an die die Leitungen angeschlossen werden.
Falls sich das Nachladesystem unmittelbar nachdem sich eine Störung im Netz ereignet hat in Betrieb setzt, kann der Betrieb des Verbrennungsmotors aufrecht erhalten werden, sogar nach der Rückkehr des Netzes, solange, bis das Nachladesystem den Nachladezyklus beendet hat, d. h., bis der Druck im Hochdruckfluidtank den festgelegten Druck überschreitet, derart, dass das Nachladen des Tanks zum Stillstand kommt. Der Grund, warum der Verbrennungsmotor in Betrieb bleibt liegt darin, dass hierdurch das Risiko vermindert wird, dass das System nicht genug Druck hat, damit die Turbine für die Synchronmaschine einen adäquaten Druck vorsehen kann, für den Fall, das sich mehrere, aufeinander folgende Unterbrechungen ereignen.
Falls Luft aus der Atmosphäre als Fluid verwendet wird, muss beachtet werden, dass, aufgrund des hohen Drucks, dem die Luft der Atmosphäre ausgesetzt wird, normalerweise eine Kondensation des in dieser Atmosphärenluft befindlichen gelösten Wassers unvermeidlich ist, weshalb es notwendig ist, dass nach jedem Betriebszyklus des Nachladesystems ein Entleeren des genannten Kondenswassers stattfindet. Dieses Entleeren findet statt, wenn Luft aus dem Außenbereich absorbiert wird, da sich das dem Lufteinlass entsprechende 3 Einwegventil öffnet, wobei ermöglicht wird, dass das Wasser mittels Durchmischung mit der eintretenden Luft austritt, wenn der durch die Extraktion des Öls von der anderen Membranseite des entsprechenden Akkumulators erzeugte Unterdruck entsteht. Wie bereits vorher angezeigt wurde, wird der Verbrennungsmotor, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, mittels einer Freilaufkupplung an die Synchronmaschine gekoppelt. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise mehrere Systeme parallel funktionieren können, ohne die Notwendigkeit ein gemeinsames Steuersystem einzubeziehen, um zu gewährleisten, dass kein Phänomen der Rückleistung auftritt, d. h., um zu gewährleisten, dass es ausgeschlossen ist, dass der Motor Energie der Wechselstromerzeugungseinrichtung empfängt oder absorbiert, und dass er somit als Bremse für die Wechselstromerzeugungseinrichtung agiert. Da der Verbrennungsmotor mittels einer Freilaufkupplung an die Synchronmaschine gekoppelt wird, kann ein System gemäß der vorliegenden Erfindung im parallelen Betrieb mit anderen identischen oder ähnlichen Systemen funktionieren, ohne Gerät zur Beschleunigung des Verbrennungsmotors oder eines anderen Motors, und all dies ohne gemeinsame Steuereinrichtungen. Dies kann von Bedeutung sein, da auf diese Weise wirklich redundante Systeme hergestellt werden können; obgleich eine komplette Redundanz selbstverständlich nur dann existiert, wenn alle Komponenten, einschließlich der Steuereinrichtungen, unabhängig sind.
In diesem Sinn ist es auch möglich, die Turbine an die Synchronmaschine, mittels einer Freilaufkupplung, zu koppeln.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN

Nachfolgend wird im vorliegenden Dokument eine Beschreibung einer Ausführungsform der Erfindung zur Verfügung gestellt, die auf den nachfolgenden Figuren basiert:
Die Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des Systems. Die Fig. 1A ist eine symbolische Darstellung der Division der Synchronmaschine in Elektromotor und Wechselstromerzeugungseinrichtung.
Die Fig. 2 ist eine schematische Ansicht der an die Druckfluidakkumulationseinrichtungen gekoppelten Turbine.
Die Fig. 3 ist eine Vorderansicht, als Aufriss, der Turbine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Fig. 4A ist die Darstellung einer Funktionsweise mittels Reaktionswirkung.
Die Fig. 5 ist eine schematische Ansicht der Druckfluidakkumulationseinrichtungen und deren Anschluss an die Druckfluidauslasseinrichtungen.
Die Fig. 6 ist eine Seitenansicht, als Aufriss, einer spezifischen Ausführungsform des Systems.
Die Fig. 7 ist eine schematische Ansicht eines Systems, das sich aus einer Vielzahl von
Wechselstromerzeugungseinrichtungen zusammensetzt.
Die Fig. 8 ist eine schematische Ansicht einer Vielzahl von Systemen, gemäß der vorliegenden Erfindung, die parallel gekoppelt sind.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Fig. 1 ist eine schematische Ansicht des Systems, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform desselben, gemäß dem es sich beim Druckfluid um Druckluft handelt. Das System umfasst eine Synchronmaschine (1), die an ein Trägheitsschwungrad (6) und an einen Verbrennungsmotor (2) (vorzugsweise ein Dieselmotor) über erste mechanische Verbindungseinrichtungen (8) gekoppelt ist. Diese ersten mechanischen Verbindungseinrichtungen können eine Freilaufkupplung umfassen.
Die Synchronmaschine ist auch an eine Turbine (3) gekoppelt, über zweite mechanische Verbindungseinrichtungen (9). Die Turbine (3) ist dazu vorbereitet um Druckluft von Druckluftakkumulationseinrichtungen (4) zu empfangen. Die zweiten mechanischen Verbindungseinrichtungen (9), die die Turbine (3) und die Synchronmaschine (1) untereinander verbinden, können ganz einfach aus einer festen und soliden Verbindung zwischen der Welle (12) der Synchronmaschine (1) und der Welle (11) der Turbine bestehen. Tatsächlich kann die Welle (11) der Turbine Teil der Welle (12) der Synchronmaschine (1) oder der starren oder elastischen Kopplungen oder sogar von Getrieben mit verschiedenen Gängen sein. Was das Trägheitsschwungrad (6) betrifft, so kann dieses Schwungrad fest an die Welle (12) der Synchronmaschine (1) angeschlossen werden, oder kann, als Alternative, an die Synchronmaschine (1) mittels Getriebe mit verschiedenen Gängen gekoppelt werden. In einer möglichen Ausführungsform, kann die Turbine (3) fest mit dem Trägheitsschwungrad (6) verbunden werden.
Das System umfasst Steuereinrichtungen (5), bei denen es sich normalerweise um elektronische Steuereinrichtungen handelt.
Die Synchronmaschine wird derart an das Netz (10) angeschlossen, dass, wenn das öffentliche oder private Netz (10) korrekt mit elektrischer Energie versorgt, die Synchronmaschine (1) elektrische Energie über die Drosseleinrichtungen (L) erhält, die aus einer Drossel bestehen können. Die Drosseleinrichtungen (L) können zwischen die ersten Schalteinrichtungen (C1), die sich zwischen den Drosseleinrichtungen (L) und dem Netz (10) befinden, und den dritten Schalteinrichtungen (C3), die sich zwischen den Drosseleinrichtungen (L) und der Synchronmaschine (1) befinden, geschaltet werden. Die Synchronmaschine (1) kann über die genannten dritten Schalteinrichtungen (C3) und über die zweiten Schalteinrichtungen (C2) an die Last (7) geschaltet werden, wobei sich die zweiten Schalteinrichtungen (C2) in Reihe zwischen den Drosseleinrichtungen (L) und der Last (7) befinden. Die elektrische Spannung für die Last ist die korrekte elektrische Spannung, die von der Synchronmaschine (1) erzeugt wird. Dies absorbiert Energie aus dem Netz (10), über die Drosseleinrichtungen (L) und agiert als sich drehender Spartransformator, wobei die gleiche Wicklung verwendet wird, aufgrund der elektrischen Spannung, die in diesen Drosseleinrichtungen (L) abfällt.
Damit das System vom Netz abgeschaltet werden kann wenn Revisions- oder Wartungsarbeiten oder Reparaturen am System in Abwesenheit von elektrischem Strom durchgeführt werden müssen, wurden vierte Schalteinrichtungen (C4) vorgesehen, über die die Last (7) direkt an das Netz (10) geschaltet werden kann, wenn das System von diesem Netz über die dritten Schalteinrichtungen (C3) abgeschaltet wird.
Die Steuereinrichtungen (5) werden an die mit den unterschiedlichen Komponenten des Systems in bezug stehenden Erfassungs- und Betätigungselemente angeschlossen, wobei die Schaltungen durch die gestrichelten Linien der Fig. 1, 2 und 5 dargestellt werden. Unter anderem, werden die Steuereinrichtungen (5) an einen Abnehmer (47) zum Feststellen der Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine geschaltet.
Die Fig. 1A stellt in schematischer Darstellung die Art und Weise dar, in der die Synchronmaschine aus einem Elektromotor (1M) und einer Wechselstromerzeugungseinrichtung (lA) gebildet wird.
Die Fig. 2 stellt die Art und Weise dar, in der die Turbine (3) eine Welle (11), ein Schwungrad (13), oder ein ähnliches Element, und Druckluftauslasseinrichtungen (14) beinhaltet, die ein, zum Beispiel, elektrisch gesteuertes und über einen pneumatischen Servomechanismus betätigtes Ventil beinhalten können, um den Luftfluss zu steuern, der von den Druckluftakkumulationseinrichtungen (4) zu den Düsen der Turbine (nicht in der Fig. 2 dargestellt) fließt.
Die Turbine umfasst sich drehende Düsen. Die Verteilung von Luft auf die Düsen erfolgt mittels eines zentralen Teils (15), das die Welle (11) der Turbine (3) umschließt, und das ein Kugelgelenk umfasst.
Die Fig. 3 stellt eine Turbine (3) mit sich drehenden Düsen (16) dar, die Druckluft über Radialführungen (49) vom zentralen Teil (15) empfangen. Das zentrale Teil (15) kann einen Druckluftstrom empfangen, wenn die Druckluftauslasseinrichtungen (14) aktiviert werden, wobei der Druckluftstrom über ein in Reihe, zwischen diesem zentralen Teil (15) und den Druckluftakkumulationseinrichtungen (4), geschaltetes Ventil strömt.
Was die Turbine (3) betrifft, so entspricht diese Turbine einer Reaktionsturbine (siehe Fig. 3 und 4 A). Die Düsen (16) drehen sich mit der Welle (11) der Turbine und dienen dazu, die Druckluft zu beschleunigen, mit dem Ziel, die Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine (1) innerhalb der festgelegten Grenzen zu halten. Diese Düsen (16), die radial in bezug auf den tangentialen Auslass der Druckluft angeordnet sind (siehe Fig. 3) empfangen den von den Druckluftakkumulationseinrichtungen (4) kommenden, und über die vorher genannten Leitungseinrichtungen geführten, Fluss.
Die Düsen (16) werden derart an die Welle (11) gekoppelt, dass sich diese Düsen mit der genannten Welle (11) drehen, und zwar derart, dass der Ausstoß der Luft über die Düsen (16) ein Drehmoment für die Welle (11) auf der Grundlage einer Reaktionswirkung vorsieht.
Vor allem dann, wenn die Lineargeschwindigkeiten der sich drehenden Düsen hoch sind, teichen die Reaktionseffekte, prinzipiell, aus. Dies kann für Systeme mit Durchmessern zwischen 1,5 und 2,0 Metern gelten. (Der Durchmesser entspricht dem Durchmesser des imaginären Kreises, der durch die Düsen (16) gezogen wird.)
Normalerweise sind die Durchmesser proportional zu den Leistungen der Systeme.
Die Fig. 5 stellt in schematischer Form die Druckluftakkumulationseinrichtungen (4) und deren Verbindung mit den Druckluftauslasseinrichtungen (14) dar. Die Druckluftakkumulationseinrichtungen (4) umfassen ein Nachladesystem das, günstigerweise, aus einem Motor (22) (vorzugsweise einem Elektromotor) bestehen kann, der eine reversible hydraulische Fluidpumpe (23) antreibt, die bei hohem Druck arbeiten kann. Diese Pumpe (23) verfügt über Eingangs- und Ausgangssammelleitungen (24, 25), die an einen ersten Ölakkumulator (26)(28) und an einen zweiten Akkumulator (27) angeschlossen werden, derart, dass das Öl (28), mittels der Pumpe (23) zwischen den Ölakkumulatoren (26, 27) gepumpt werden kann.
Jeder Ölakkumulator (26, 27) umfasst eine Trennmembrane (29, 30), die das Öl (28) vom einem Luftabteil (31, 32) trennt.
Die Steuereinrichtungen (5) des Systems messen den im Hochdrucklufttank (33) vorhandenen Druck und steuern den Betrieb der Pumpe (23). Die Pumpe (23) arbeitet, wenn der Druck in diesem Hochdrucklufttank (33) unterhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, und die genannte Pumpe kommt zum Stillstand, wenn die Drücke bis oberhalb dieses Niveaus ansteigen; zu diesem Zweck, ist der Tank (oder die Tanks) (33) mit den entsprechenden Druckmessgeräten (34) ausgestattet.
Das Nachladesystem funktioniert auf der Grundlage der Extraktion von Luft aus einem Lufteinlass (35), über einen Filter (36) und ein Einwegeinlassventil (37), bis zum Luftabteil (31) des ersten Ölakkumulators (26), wobei Öl (28) vom genannten ersten Akkumulator (26) zum zweiten Ölakkumulator (27) gepumpt wird. Mit dem Pumpen des Öls (28) zum zweiten Ölakkumulator (27), wird die im Luftabteil (32) des zweiten Akkumulators (27) befindliche Luft gezwungen, aus dem zweiten Akkumulator (27) zu entweichen, aufgrund des Druckes den das Öl (28) über die Membrane (30) ausübt, wodurch die Luft, über ein Einwegauslassventil (39) in den/die Hochdrucklufttank (oder Tanks) (33) strömt.
Danach wird der Zyklus invertiert, wobei Öl (28) vom zweiten Ölakkumulator (27) zum ersten Akkumulator (26) gepumpt wird, wobei Luft aus dem Lufteinlass (35) und über ein Einwegeinlassventil (38), zum zweiten Akkumulator (27) extrahiert wird, wobei die im ersten Akkumulator (26) befindliche Luft gezwungen wird, über ein Einwegauslassventil (40) in den Hochdrucklufttank (33) zu strömen.
Die Ölakkumulatoren (26, 27), der Hochdrucklufttank (33) und die Druckluftauslasseinrichtungen (14) sind über Leitungen untereinander verbunden, die an einen Sammler (41) angeschlossen sind, der aus einem Block, zum Beispiel einem Metallblock, bestehen kann, der einen Innenraum hat, der mit dem Außenbereich über Gewindebohrungen, an die die Leitungen angeschlossen werden, verbunden ist.
Aufgrund des hohen Druckes, dem die Luft aus der Atmosphäre unterworfen wird, ist es normalerweise unvermeidbar, dass das in dieser Atmosphärenluft gelöste Wasser kondensiert, so dass es erforderlich ist, dass nach jedem Betriebszyklus des Nachladesystems ein Entleeren des genannten Kondenswassers stattfindet. Dieses Entleeren findet statt, wenn Luft aus dem Außenbereich absorbiert wird, da sich das dem Lufteinlass entsprechende Einwegventil (38, 39) öffnet, wobei ermöglicht wird, dass das Wasser mittels Durchmischung mit der eintretenden Luft austritt, wenn der Unterdruck entsteht, der durch die Extraktion des Öl (28) von der anderen Seite der Membrane (29, 30) des entsprechenden Akkumulators (26, 27) erzeugt wird.
Wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist, umfassen die Druckluftauslasseinrichtungen (14) ein Ventil (42), dass von den Steuereinrichtungen (5) gesteuert wird. Allerdings, obgleich eine elektrische Steuerung stattfindet, kann der Betrieb dieses Ventils über einen pneumatischen Servomechanismus (43) erfolgen, der Druckluft empfängt, die aus einem Niederdrucktank (44) stammt, der mit dem Hochdrucklufttank (33) über einen Druckminderer (45) verbunden ist.
Bei der Fig. 6 handelt es sich um eine Seitenansicht, als Aufriss, einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der die Synchronmaschine (1) zu sehen ist, angeschlossen an zwei Trägheitsschwungräder (6) und an die Turbine (3) mit deren zentralem Teil (15), Düsen (16) und Radialführungen (49), wobei all dies an einen Verbrennungsmotor (2) gekoppelt ist, und zwar über die ersten mechanischen Verbindungseinrichtungen (8), wobei diese Einrichtungen eine Freilaufkupplung (46) umfassen. Die unterschiedlichen Komponenten des Systems werden auf einem Gestell (48) montiert.
Die Steuereinrichtungen (5) die, vorzugsweise, aus einer zentralen Steuereinheit bestehen, werden separat an den Abnehmer (47) zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine und an die Einrichtungen zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit des Verbrennungsmotors (2) geschaltet, sowie außerdem an die Einrichtungen zur Feststellung der entsprechenden Variablen des elektrischen Netzes (10). Die zentrale Steuereinheit steuert das System, wobei elektrische Betätigungssignale an die unterschiedlichen Schalteinrichtungen (C1 - C4), an die Einrichtungen zur Regelung der Geschwindigkeit des Verbrennungsmotors (2), an die Einrichtungen für Start und Stop des Verbrennungsmotors (2), an die Einrichtungen zur Regelung der elektrischen Spannung der Wechselstromerzeugungseinrichtung, an den Ansteuerungsregler der Wechselstromerzeugungseinrichtung zum Korrigieren des Leistungsfaktors der elektrischen Gesamtanlage, an die Druckluftauslasseinrichtungen (14), an die Einrichtungen für Start und Stop des Elektromotors des Nachladesystems, und, wahlweise, an die Vorrichtung zum Vorheizen des Verbrennungsmotors, gesandt werden. Die Übertragungswege für Daten, Befehle und Informationen, zwischen den Steuereinrichtungen (5) und den unterschiedlichen Komponenten des Systems werden, in schematischer Form, in den Fig. 1, 2 und 5 dargestellt (siehe gestrichelte Linien).
Grundsätzlich kann gesagt werden, dass die Steuerung zwei Konzepte umfasst, bei denen es sich um die Hauptfunktionen und die Sekundärfunktionen handelt.
Die Hauptfunktionen entsprechen der Inbetriebnahme der Turbine (3) zum adäquaten Zeitpunkt, mit dem Ziel die Geschwindigkeit der Synchronmaschine (1) zu jedem Zeitpunkt zu gewährleisten. Während der Abwesenheit des Netzes (10) agiert die Turbine als Unterstützung des Verbrennungsmotors (2), wobei sie die Einführung von neuen Lasten und/oder Überlasten kompensiert. Wenn sich eine Störung im Netz (10) ereignet, dient die Turbine (3) dazu, die Geschwindigkeit der Synchronmaschine (1) aufrecht zu erhalten, bis sich der Verbrennungsmotor (2) in Gang gesetzt hat und seine Nenngeschwindigkeit erreicht hat.
Zu diesem Zweck ist es erforderlich, präzise die Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine (1) zu messen, was mittels des Abnehmers (47) erfolgen kann, bei dem es sich um einen magnetischen Abnehmer handeln kann, der auf einem Zahnrad angebracht ist.
In dem Moment, in dem sich eine Abwesenheit des Netzes (10) ereignet, oder wenn sich ein Kurzschluss in der Nähe des Eingangs zum System, oder jegliche andere Störung in der Versorgung der Synchronmaschine (1) aus dem Netz (10) ereignet, stellen die Steuereinrichtungen (1), mittels der Information die zu diesem Zweck vom Abnehmer (47) geliefert wird, eine Tendenz zur Reduzierung der Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine fest. Sobald diese Tendenz festgestellt wird, erteilen die Steuereinrichtungen (5) die entsprechenden korrekten Anweisungen an die ersten Schalteinrichtungen (C1), um die Übertragung von Energie in das Netz (10) zu verhindern, während sie gleichzeitig auf die Druckluftauslasseinrichtungen (14) einwirken, und zwar derart, dass die Turbine (3) elektrische Energie an die Synchronmaschine (1) liefert. Die Turbine (3) kann fest mit der Welle (12) der Synchronmaschine (1) verbunden sein, derart, dass sie sich stets mit der gleichen Geschwindigkeit wie diese Welle (12) dreht, und zwar so, dass die Turbine (3), in einem kurzen Zeitraum, das notwendige Drehmoment vorsehen kann, um die Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine (1) aufrecht zu erhalten, während die Maschine gleichzeitig weiterhin die adäquate Energie an die Last (7) leitet.
Die Steuereinrichtungen (S) erteilen simultan Anweisungen an den Verbrennungsmotor (2), derart, dass dieser Motor die Verantwortung für die Energieversorgung für einen korrekten Betrieb des Systems übernimmt.
Während der hauptsächlichen Abwesenheit des Netzes (10) agiert der Motor als Hauptenergiequelle. Falls sich ein Abfall der Frequenz ereignet, dessen Ausmaß des Abfalls, nach Ansicht der Steuereinrichtungen (5) bedeuten könnte, dass der Verbrennungsmotor (2) nicht in der Lage ist, die Frequenz innerhalb der Toleranzgrenzen zu halten, wie dies im Fall einer beträchtlichen Überlast geschehen kann, würde das System die Turbine (3) in Gang setzen, wobei Energie an die Synchronmaschine (1) geliefert wird, und zwar derart, dass die Geschwindigkeit der Wechselstromerzeugungseinrichtung innerhalb der korrekten Grenzen gehalten würde (vorausgesetzt, das die von der Last (7) benötigte Leistung nicht die Summe der Leistungen übersteigt, die die Turbine (3) und der Verbrennungsmotors (2) vorsehen können; zum Beispiel 200% der Nennleistung, die normalerweise an die Last angelegt wird). Bei der Fig. 7 handelt es sich um eine schematische Teildarstellung eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung, das sich aus einer Vielzahl von Wechselstromerzeugungseinrichtungen zusammensetzt, die an die gleiche Welle (12), ein Trägheitsschwungrad (9) und an eine Turbine (3) gekoppelt sind. Das System umfasst eine Hauptsynchronmaschine (1'), deren Leistung höher ist als die Summe der Leistungen der sekundären
Wechselstromerzeugungseinrichtungen (1", 1'''). In diesem Fall agiert die Hauptsynchronmaschine teilweise als Motor und überträgt mechanische Energie an die sekundären Wechselstromerzeugungseinrichtungen (1", 1''') und teilweise als Wechselstromerzeugungseinrichtung, um die entsprechende Last (7) zu speisen. In diesem Fall speist jede einzelne der sekundären Wechselstromerzeugungseinrichtungen eine galvanisch unabhängige Schaltung mit den entsprechenden Lasten (7", 7'''). Die sekundären Wechselstromerzeugungseinrichtungen (1", 1''') können mit Frequenzen funktionieren, die sich von den Frequenzen der primären Synchronmaschine unterscheiden, in Abhängigkeit von den Zielen und den Lasten (7", 7'''), die von ihnen gespeist werden müssen.
Bei der Fig. 8 handelt es sich um eine schematische Darstellung einer Vielzahl von Systemen gemäß der vorliegenden Erfindung, die parallel gekoppelt sind. Da die Verbrennungsmotoren (102', 102", 102''') mittels der Freilaufkupplungen (146", 146", 146''') an die Synchronmaschinen (101', 101", 101''') gekoppelt sind, können diese Systeme im parallelen Betrieb funktionieren, ohne dass das ein gemeinsames Steuersystem einbezogen werden müsste, um zu gewährleisten, dass sich kein Rückleistungseffekt ereignet, sondern vielmehr besitzt jedes System sein eigenes unabhängiges Steuersystem, das auf den entsprechenden Steuereinrichtungen (105', 105", 105''') basiert. Dies kann wichtig sein, da auf diese Weise wirklich redundante Systeme hergestellt werden können; obgleich, selbstverständlich, eine komplette Redundanz nur dann existiert, wenn alle Komponenten, einschließlich der Steuereinrichtungen (105', 105", 105'''), redundant und unabhängig sind.
In diesem Sinne ist es auch möglich, die Turbine (3) über eine Freilaufkupplung an die Synchronmaschine (1) zu koppeln.

Claims

1. System zur ununterbrochenen Versorgung mit elektrischer Energie mit:

Steuereinrichtungen (5),

einer Synchronmashine (1), die Elektromotoreinrichtungen (1M) und Wechselstromerzeugungseinrichtungen (1A) umfasst, wobei die Elektromotoreinrichtungen angeordnet sind, um über das Netz (10) versorgt zu werden, wobei die Elektromotoreinrichtungen (1M) mechanisch mit dem Wechselstromerzeugungseinrichtungen (TA) verbunden sind, um Energie für die Wechselstromerzeugungseinrichtung vorzusehen, während sie elektrische Energie aus dem Netz (10) erhalten.

ersten mechanischen Energieversorgungseinrichtungen, die einen Verbrennungsmotor (2) umfassen, der angeordnet ist, um unter der Steuerung der Steuereinrichtungen (5) mechanische Energie für die Synchronmaschine (1) vorzusehen, wobei der Verbrennungsmotor (2) über erste mechanischen Verbindungseinrichtungen (8) mit der Synchronmaschine verbunden ist.

zweiten mechanischen Energieversorgungseinrichtungen die derart über zweite mechanische Verbindungseinrichtungen (9) mit der Synchronmaschine verbunden ist, dass sie unter der Steuerung der Steuereinrichtungen (5) mechanische Energie für die Synchronmaschine (1) vorgesehen können.

Druckfluidakkumulationseinrichtungen, wobei das Fluid gasförmig oder flüssig ist,

wobei,

die zweiten mechanischen Energieversorgungseinrichtungen eine Turbine (3) umfassen, welche umfasst:

eine Welle (11), die mit der Synchronmaschine (1) über die zweiten mechanischen Verbindungseinrichtungen (9) verbunden ist,

eine Vielzahl von Düsen (16), eine Einrichtung zum Befördem des Druckfluids von der Druckfluidakkumlationseinrichtung zu den Düsen (16),

eine Einrichtung zum Auslassen des Druckfluid, so dass das Fluid durch die Düsen (16) ausgestoßen wird,

wobei die Düsen (16) derart angeordnet sind, dass das Ausstoßen des Fluids durch die Düsen (16) ein Drehmoment für die Welle (11) der Turbine (3) vorsieht, und wobei

die Steuereinrichtung (5) umfassen:

Einrichtungen zum Steuern des Ausstoßens des Fluids durch die Düsen (16),

dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (16) mir der Welle (11) der Turbine (3) derart verbunden sind, dass sie sich mit der Welle (11) drehen, wobei die Düsen (16) derart angeordnet sind, dass das Ausstoßen des Fluids durch die Düsen (16) aufgrund einer Reaktionswirkung ein Drehmoment für die Welle vorsieht.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfluidführungseinrichtungen einen sich drehenden Verteiler umfassen, der duch einen zentralen Teil (15), der die Welle (11) der Turbine umgibt, sowie durch Radialführungen (49) von dem zentralen Teil (15) nach oben zu den Düsen (16) gebildet wird, wobei der zentrale Teil (15) ein Kugelgelenk umfasst.

3. System nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen konvergente/divergente Düsen sind, die das Fluid auf Ultraschallgeschwindigkeiten beschleunigen können.

4. System nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüsche, dadurch gekkenzeichnet, dass es wenigstens ein Trägheitsschwundgrad (6) umfasst, das mit der Welle (12) der Synchronmaschine (1) verbunden ist.

5. System nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vielzahl von mechanisch miteinander verbundenen Wechselstromerzeugern (1', 1", 1''') umfasst, wobei jeder Wechselstromerzeuger (1', 1", 1''') einer galvanisch unabhängigen Schaltung entspricht, die versorgt werden muss.

6. System nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfluidauslasseinrichtungen jeweils wenigstens ein Ventil (42) umfassen, dass elektrisch durch die Steuereinrichtungen (5) gesteuert wird.

7. System nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtungen (5) einen Abnehmer (47) zum Feststellen der 5 Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine (1), Einrichtungen zum Feststellen und Angeben einer Reduktion der gennanten Geschwindigkeit über einem vorbestimmten Wert sowie Einrichtungen zum Aktivieren der Druckfluidauslasseinrichtungen bei einer derartigen Reduktion der Geschwindigkeit umfassen.

8. System nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abnehmer (47) zum Feststellen der Drehgeschwindigkeit der Synchronmaschine (1) einen magnetischen Abnehmer auf einem Zahnrad umfasst.

9. System nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine (T) über eine Reihenschaltung aus einer ersten Schalteirichtung (C1), einer Drosseleinrichtung (L) und einer dritten Schalteinrichtung (C1) mit dem Netz verbunden ist, wobei die erste Schalteinrichtung (C1) zwischen der Drosseleinrichtung (L) und dem Netz (10) geschalten ist und die dritte Schalteinrichtung (C3) zwischen der Drosseleinrichtung (L) und der Synchronmaschine (1) geschalten ist, wobei die Synchronmaschine mit einer Last (7) über die dritte Schalteinrichtung (C3) und zusätzlich über eine zweite Schalteinrichtung (C2) verbunden ist, die in Reihe zwischen der Drosseleinrichtung (L) und der Last (7) geschalten ist, wobei die Last (7) direkt über eine vierte Schalteinrichtung (C4), die zwischen dem Netz (10) und der Last (7) geschalten ist, mit der Last (7) verbunden ist, so dass die Last (7) direkt mit dem Netz (10) verbunden werden kann.

10. System nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfluidakkumulationseinrichtung umfasst:

wenigstens einen Hochdruckfluidtank, und eine Nachladesystem,

wobei das Nachladesystem umfasst:

einen Fluideinlass,

zwei Ölakkumulatoren (26, 27), wobei jeder Akkumulator eine Kammer für Öl (28) und einen andere Kammer für Fluid umfasst, wobei die Kammern für Öl (28) und die Kammern für Fluid durch entsprechende Membranen getrennt werden (29, 30),

einen Motor (22), der angeordnet ist, um eine reversible, hydraulische Fluidpumpe (23) zu betreiben, wobei die Pumpe (23) mit den Ölakkumulatoren (26, 27) derart verbunden ist, dass die Pumpe bei Betätigung durch den Motor (22) Öl von einem Ölakkumulator (26, 27) zu dem anderen Akkumulator (27, 26) pumpt, wobei die Fluidkammern der Ölakkumulatoren (26, 27) über Fluideinlassführungen mit dem Fluideinlass verbunden sind und wobei die Fluidkammern der Ölakkumulatoren über Fluidauslassführungen mit den Hochdruckfluidtanks verbunden sind, wobei die Fluideinlassführungen Einwegeinlassventile (37, 38) umfassen, welche den Fluss des Fluids in einer Richtung von dem Fluideinlass zu den Fluidkammern erlauben, und wobei die Fluidauslassführungen Einwegauslassventile (39, 40) umfassen, welche den Fluss des Fluids in einer Richtung von den Fluidkammern nach oben zu den Hochdruckfluidtank erlauben.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Einwegeinlassventile (37, 38) und die Fluideinlassführungen für ein automatisches Ablassen von kondensiertem Wasser derart angeornet sind, dass das kondensierte Wasser durch die Einwegeinlassventile (37, 38) austreten kann, wenn Luft durch die Einwegeinlassventile (37, 38) eintritt.

12. System nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) über eine Kopplung (46) des Schwundgradtyps mit der Synchronmaschine verbunden ist.

13. System zur ununterbrochenen Versorgung mit elektrischer Energie, das eine Vielzahl von parallel verbundenen Einrichtungen umfasst, wobei jede Einrichtung einen Verbrennungsmotor (102', 102", 102''') umfasst, der mit einer entsprechenden Synchronmaschine (101', 101", 101''') verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine derselben ein System gemäß einem der vorstehenden Ansprüche ist und dass die Verbrennungsmotoren (102', 102",102''') mit den entsprenchenden Synchronmaschinen (101', 101", 101''') über Kopplungen (146', 146", 146''') des Schwundgradtyps verbunden sind, um den parallelen Betrieb der Einrichtungen ohne gemeinsame Steuereinrichtung und ohne Risiko einer Rückleistung zu gestatten.

14. System nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckfluid gasförmig ist. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckfluid komprimierte Luft ist.