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Stromversorgungseinrichtung mit Schwungmasse zur Überbrückung von
begrenzten Netzausfallzeiten Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung
mit Schwungmasse zur Überbrückung von begrenzten Netzausfallzeiten und mit einer
Notstromversorgung für längere Ausfallzeiten. Bei derartigen Einrichtungen liegt
beispielsweise im Normalbetrieb ein mit einer Schwungmasse gekuppelter Wechselstrommotor
bzw. Drehstrommotor am Netz und läuft leer mit. Bei Netzausfall übernimmt er dann
für eine begrenzte Zeit, als Generator wirkend, die Spannungserzeugung. Ebenso ist
es auch möglich, die Speisung der Verbraucherstromkreise im Normalfall, gegebenenfalls
mit von der Netzfrequenz abweichender Frequenz, über einen Motor und einen damit
gekuppelten, mit einer Schwungmasse versehenen Generator vorzunehmen und auch hierbei
die Schwungmassenenergie zur Überbrückung begrenzter Netzausfallzeiten heranzuziehen.
Bei Netzausfall wird eine vom Netz unabhängige Antriebsmaschine zum Anlaufen gebracht,
die über eine selbsttätig lösbare Kupplung, z.B. elektromagnetisch oder hydraulisch,
mit der Schwungmasse verbunden ist und bei längerem Ausfall den weiteren Antrieb
des Generators übernimmt.
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Das Anlaufen der Antriebsmaschine, z. B. eines Diesel- oder eines
Preßluftmotors, nimmt immer eine gewisse Zeit in Anspruch, selbst wenn Schnellstarteinrichtungen
vorgesehen sind, so daß es erwünscht ist, den Energieinhalt der Schwungmasse möglichst
groß zu gestalten. Da der Energieinhalt einer Schwungmasse durch das Gewicht, das
Quadrat des Trägheitsdurchmessers und durch das Quadrat der Drehzahl bestimmt ist,
kann nur durch Vergrößerung eines dieser Faktoren der Energieinhalt erhöht werden.
Die Abmessungen sollen tunlichst klein bleiben. Die Vergrößerung des
Energieinhalts
kann daher im wesentlichen nur durch Erhöhung der Drehzahl erreicht werden.
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Bei Verwendung hochwertigsten Stahls ist es denkbar, bis zu einer
Umfangsgeschwindigkeit von 45o m/sec zu gehen, was z. B. bei einem Scheibendurchmesser
von etwa I m eine Drehzahl von 9ooo U/min bedeutet. Bei so großen Drehzahlen spielt
die Reibung der Schwungscheibe an der Luft eine ganz erhebliche Rolle, da die Luftreibungsverluste
mit der dritten Potenz des Scheibendurchmessers und mit dem Quadrat der Umfangsgeschwindigkeit
ansteigen. Es ist deshalb nicht nur aus Gründen der Materialersparnis und der damit
verbundenen Ersparnis an Anschaffungskosten ein möglichst kleiner Durchmesser der
Schwungscheibe anzustreben, sondern auch im Interesse der Niedrighaltung der Luftreibungsverluste.
Die Luftreibungsverluste sind jedoch noch recht hoch, so daß eine wesentliche Steigerung
der Drehzahl fraglich erscheint.
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Wasserstoffkühlung ist bei elektrischen Großmaschinen bekannt und
wurde beispielsweise bei Turbogeneratoren angewandt. Man hat dort schon einige Erfahrungen
sammeln können. Die Wasserstoffkühlung erfordert einen geringeren Energieaufwand
für den Kühlmittelumlauf und gestattet die Verwendung von kleinen Kühlern. Es zeigte
sich auch, daß sich wesentlich geringere Gasreibungsverluste ergeben. Bei den in
letzter Zeit bekanntgewordenen Energiespeichern für Fahrzeugbetrieb hat man ebenfalls
bereits zur Erhöhung der Schwungmassenenergie mit Erfolg diesen Weg beschritten.
Es muß also möglich sein, auch bei Stromversorgungseinrichtungen mit Schwungmassen
zur Überbrückung von begrenzten Netzausfallzeiten diesen Weg zu benutzen.
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Eine überschlägige Rechnung ergibt bei einem Schwungscheibendurchmesser
von I m und einer Drehzahl von 6ooo U/min unter Voraussetzung turbulenter Strömung
(was bei dieser Drehzahl zutrifft, da die kritische Reynoldsche Zahl als unterste
Grenze turbulenter Strömung weit überschritten ist) ein zur Deckung der Luftreibungsverluste
erforderliches Drehmoment von 4,4 mkg, was einer Verlustleistung von etwa 27 kW
entspricht. Bei Durchrechnung der vorerwähnten Schwungscheibe unter Anwendung von
Wasserstoff als umgebendes Medium ergibt sich eine fast genau zehnmal geringere
Verlustleistung durch die Gasreibung als in Luft. Es ist zwar die Dichte von Wasserstoff
gegenüber Luft etwa vierzehnmal kleiner, doch zeigt sich nur eine ungefähr zehnfache
Verbesserung der Reibung, da die kinetische Zähigkeit, welche in der Rechnung neben
der Dichte auch eine Rolle spielt, bei Wasserstoff etwa siebenmal so groß wie bei
Luft ist. Das bedeutet, daß die durch die Gasreibung in Wasserstoff aufzubringende
Verlustleistung nur etwa 2,7 kW beträgt. Es ergibt sich damit lediglich für die
Gasreibungsverluste der Schwungscheibe eine Einsparung von DM 2I 000 im Jahr bei
Annahme eines Strompreises von o,Io DM kWh und Dauerbetrieb. Bei gleichzeitigem
Betrieb des zugehörigen Motors, der auch als Generator zu arbeiten hat, in Wasserstoff
ergeben sich sowohl hinsichtlich des Wirkungsgrades wie auch an Anschaffungskosten
weitere Einsparungen.
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Das Wasserstoffgefäß muß gasdicht sein, und es müssen Vorkehrungen
getroffen werden, daß die Explosionsgefahr herabgemindert ist. Das kann aber verhältnismäßig
einfach erreicht werden, indem man bei der Gasfüllung weitgehend eine Knallgasbildung
vermeidet, z. B. dadurch, daß man zunächst eine CO2-Füllung und dann erst eine Wasserstofffüllung
vornimmt und im Schwungmassegefäß einen gewissen Überdruck aufrechterhält, der ständig
überwacht wird. Vorbilder hierzu hat man bei der Wasserstoffkühlung von Großmaschinen.
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Wesentliche Schwierigkeiten machen jedoch die erforderlichen gasdichten
Wellendurchführungen, wie sich dies auch bei den Großmaschinen gezeigt hat.
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Die Erfindung sieht daher vor, die Schwungmasse einschließlich des
zugehörigen Generators bzw. Motors in einem keine Wellendurchführungen aufweisenden
gasdichten Gehäuse anzuordnen und dem für die Notstromversorgung vorgesehenen, vom
Netz unabhängigen Antriebsmotor, z. B. Diesel- oder Preßluftmotor, einen besonderen
Generator zuzuordnen. Insbesondere soll dabei eine Schwungmasse sehr hoher Drehzahl
benutzt werden, die über ein Getriebe mit einem langsamer laufenden Motor bzw. Generator
in Verbindung steht. Eine solche Anordnung kommt auch den Forderungen der einzelnen
Anlagenteile hinsichtlich der Drehzahl entgegen, nämlich für die Schwungscheibe
die höchste, bis an die durch das Material bedingte Grenze gehende, für den Motor
bzw. Generator die durch die Frequenz bedingte höchste und für den Antriebsmotor
der Notstromversorgung die erwünschte möglichst kleine Drehzahl zu wählen. Bei den
bekanntgewordenen Energiespeichern für Fahrzeugbetrieb wurde bereits der Schwungmassensatz
in einem gasdichten, keine Wellendurchführungen aufweisenden Gehäuse angeordnet,
jedoch war dort auch keine Wellendurchführung erforderlich, da an keine Zuschaltung
einer weiteren Energiequelle an den Schwungmassensatz gedacht war.
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Um größtmögliche Sicherheit bezüglich einer gegebenenfalls möglichen
Explosion zu erhalten und um gleichzeitig Raum einzusparen, empfiehlt es sich, das
gasdichte Gehäuse versenkt anzubringen und den Schwungmassenmaschinensatz vorzugsweise
mit senkrecht stehender Achse und Spurzapfenlagerung, die z. B. magnetisch entlastet
sein kann, darin anzuordnen. Man wird im allgemeinen weiterhin bestrebt sein, alle
zusätzlichen Reibungsverluste klein zu halten.
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Als Beispiel mit der bereits durchgerechneten Schwungscheibe von i
m Durchmesser, die mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 314m/sec noch lange nicht
an der durch das Material bedingten Grenze liegt, ergibt sich z. B. der in der Zeichnung
dargestellte Aufbau. In einem gasdichten Gehäuse i, das versenkt angeordnet ist,
ist der .aus Motor bzw. Generator 2, Getriebe 3 und Schwungscheibe 4 bestehende
Schwungmassenmaschincnsatz senkrecht
stehend mit Spurzapfenlagerung
5 angeordnet. Die Schwungscheibe mache beispielsweise 6ooo U/min, das Getriebe übersetze
im Verhältnis 2 : I und sei fest mit einem zweipoligen Motor bzw. Generator mit
3ooo U/min gekuppelt. Das druckfeste Gehäuse I ist z. B. mit Wasserstoff gefüllt.
Es sind nicht dargestellte Mittel vorhanden, die den Gasdruck überwachen und einen
Überdruck sicherstellen.
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Der Notstrommaschinensatz, bestehend z. B. aus einem Dieselmotor 6
mit einem über die Kupplung 7 unmittelbar gekuppelten Generator 8, kann m@ Iooo
U/min oder weniger je nach Leistung arbeiten und unabhängig vom Schwungmassenmaschinensatz
an einem gesonderten Platz aufgestellt werden.