WO2016074008A1 - Verfahren zum betreiben einer vorrichtung zur energieversorgung eines elektrischen verbrauchers in einem inselbetrieb - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer vorrichtung zur energieversorgung eines elektrischen verbrauchers in einem inselbetrieb Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a device for powering an electrical load in a stand-alone operation with a controllable via its exciter current synchronous generator and a drive for the synchronous generator, wherein the device is controlled in response to the energy requirements of the consumer, and to a device for supplying energy to an electrical load in an island operation.
  • the drive is to be adapted in terms of its maximum power to the maximum consumer power, so that the consumer can not slow down the drive without limiting the load power.
  • batteries and other synchronous generators are known, such as those used as alternators in motor vehicles.
  • To adjust the generator voltage to the battery voltage of the excitation current must be controlled accordingly, in a wide speed range of the synchronous generator, which in turn adversely affects the efficiency.
  • the invention is therefore based on the object to be able to operate a device for supplying energy to an electrical load in an island operation so that a high efficiency can be ensured, with a comparatively low control and regulatory effort.
  • the invention solves the task by the fact that the speed of the synchronous generator is kept constant by controlling the excitation current and that the drive is driven in response to the voltage applied to the consumer electrical voltage.
  • the generator acts as a brake, wherein the braking torque is proportional to the generator current, which results in dependence on the generator internal resistance due to the voltage difference between the generator idling voltage and the voltage applied to the load.
  • An increase in the excitation current causes at constant speed an increase in the generator idling voltage and thus an increase in the generator current decisive voltage difference, which leads to a higher braking torque due to the larger generator current, so that the speed can be controlled by a corresponding control of the excitation current of the externally excited synchronous generator.
  • the exciter current is only dependent on a setpoint value via the control device for the synchronous generator which is connected to a speed sensor.
  • the drive for the synchronous generator can be designed as an internal combustion engine with a maximum power adapted to the maximum generator power. Different power requirements to the power source can thus be met in the extent of the performance of the drive, regardless of the load power, so even in case of overload.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention for the power supply of an electrical load in an isolated operation in a schematic block diagram
  • FIG. 1 corresponding representation of an embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 4 shows the generator current over the speed for different characteristics of
  • FIG. 5 shows the time course of a voltage applied to the battery terminals of a vehicle with an electric motor fed by a battery. tion for a given load course without and with a device according to the invention for power supply,
  • FIG. 6 shows a temporal speed profile of a vehicle with an electric motor fed by a battery and a device according to the invention for supplying energy
  • FIG. 7 shows the power requirement of the electric motor of a vehicle for the speed course according to FIG. 5 and the power provided via the synchronous generator, FIG.
  • 1 1 shows the time course of the manipulated variable for the power control of the internal combustion engine to provide the required consumer power, for example by means of a throttle valve adjustment,
  • Fig. 12 shows the speed curve at a speed control of the synchronous generator according to the invention for a power demand according to the Fig. 9 and
  • FIG. 13 shows the time profile of the excitation current for a speed control according to FIG. 12.
  • the device for powering an electrical load 1 in isolated operation has a separately excited synchronous generator 2, which is driven by a drive 3, preferably an internal combustion engine, for example a two-stroke engine.
  • a drive 3 preferably an internal combustion engine, for example a two-stroke engine.
  • an auxiliary exciter machine 4 is provided, which feeds the field winding 5 via a rectifier 6.
  • the excitation current is controlled by a control device 7, which includes a PID controller 8, which is acted upon by a nominal-actual value difference of the rotational speed.
  • an actual value generator 9 and a setpoint input 10 for the rotational speed are provided, which can thus be controlled via the exciting current as a manipulated variable to a constant value.
  • the power requirement of the load 1 must be covered by the power of the drive 3 operated at an advantageous deployment speed, which requires a corresponding power control of the drive 3 via a control device 11.
  • This control device 1 1 controls an actuator 12, for example, a throttle valve or an injection pump for the drive 3 forming internal combustion engine.
  • the respective load voltage can be used, with which the control device 1 1 is acted upon to drive the actuator 12 in response to the power requirement of the consumer 1 can. It can therefore the benefits of a constant speed for the efficiency, the noise level and -
  • Perception and the vibration behavior can be used advantageously, namely at simple control conditions.
  • the embodiment according to FIG. 2 differs from that according to FIG. 1 essentially in that the load 1 is connected to a battery 13, which is charged by the synchronous generator 2 when required. Accordingly, a rectifier 14 is provided between the battery 13 and the synchronous generator 2, via which the excitation winding 5 can be fed.
  • the exciter current which is controlled via the control device 7 as a function of the nominal / actual value difference of the rotational speed, in turn, serves as a control variable for the rotational speed control, so that nothing changes with regard to the control of the synchronous generator 2 in comparison to the exemplary embodiment according to FIG.
  • the drive 3 does not need to cover the full consumer power, which allows substantially simpler control conditions for the drive 3, because in the simplest case the drive only operates at a given power level as a function of falling short of a lower limit and exceeding an upper limit value Battery voltage on and off needs to be switched so that the battery 1 3 is loaded in response to their state of charge by the synchronous generator 2.
  • the rated speed can be set by a corresponding change of the exciter current I e between the characteristic curves 1 8 and 1 9.
  • the speed n of the synchronous generator 2 can be regulated to a constant value n n with the exciter current I e as the manipulated variable.
  • this also applies to synchronous generators 2 whose excitation current can only be changed in part because a part of the excitation current is made available by a permanent-magnet excitation.
  • FIG. 5 shows the voltage U v that can be tapped on the battery 1 3 during a time-related power requirement of the load 1 and that serves to control the drive 3.
  • This drive 3 is switched on at a lower limit voltage U e i n and switched off again at an upper limit voltage U aU s.
  • two power levels are provided for the drive 3, wherein when an upper threshold value U LI of the load voltage U v is exceeded, the drive power via the control device 1 1 is switched to a lower power level and falls below a lower threshold Ui_2 back to the higher power level. From the characteristic curve 21 of FIG. 5 it follows that due to the power requirement of the consumer 1, the battery 13 is discharged, which can be recognized by the falling consumer voltage U v .
  • the drive 3 Since the consumer voltage U V drops below the lower limit U e i n , however, the drive 3 is switched on via the control device 1 1, which leads in this embodiment to a voltage increase and thus to a charging of the battery 13. Since, according to this voltage increase, the upper threshold U u of the load voltage U v is exceeded, the drive 3 is operated in the lower power stage, which manifests itself in a flatter increase in the voltage curve. Since the lower threshold Ui_2 is undershot in the further course, the drive is again driven in the higher power level until the upper threshold Uu is exceeded again, which brings a flatter rise in the voltage curve 21 before the drive 3 when reaching the upper limit U is shut off.
  • FIGS. 6 to 8 illustrate the invention with reference to a powered by a battery-powered electric motor vehicle with a device according to the invention for power supply.
  • FIG. 6 shows a speed profile of the vehicle which is initially accelerated to a speed v and then braked to a speed v 2 before the vehicle is stopped.
  • the power requirement P v for this drive is shown in full lines by the characteristic curve 23. From Fig.
  • FIGS. 9 to 13 illustrate the conditions of the power supply of a load 1 according to FIG. 1 without the use of a battery.
  • the power P v required by the load 1 is represented by the dashed characteristic curve 29, while the power P g emitted via the synchronous generator 2 is shown in a full line 30.
  • the drive 3 an internal combustion engine, must be controlled accordingly, which takes place in the selected exemplary embodiment by an adjustment of the throttle valve via the actuating drive 12.
  • the respective throttle flap angle ⁇ can be taken from the characteristic curve 31.
  • the consumer load P v exceeds the deliverable power from the synchronous generator 2 P g from the time t- ⁇ .

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers (1) in einem Inselbetrieb mit einem über seinen Erregerstrom (Ie) steuerbaren Synchrongenerator (2) und mit einem Antrieb (3) für den Synchrongenerator (2) beschrieben, wobei die Vorrichtung in Abhängigkeit vom Energiebedarf des Verbrauchers (1) gesteuert wird. Um einen vorteilhafte Wirkungsgrad bei einfachen Steuerungsbedingungen zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Drehzahl (n) des Synchrongenerators (2) durch eine Steuerung des Erregerstroms (Ie) konstant gehalten wird und dass der Antrieb (3) in Abhängigkeit von der am Verbraucher (1) anliegenden elektrischen Spannung (Uv) angesteuert wird.

Description

Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb mit einem über seinen Erregerstrom steuerbaren Synchrongenerator und mit einem Antrieb für den Synchrongenerator, wobei die Vorrichtung in Abhängigkeit vom Energiebedarf des Verbrauchers gesteuert wird, sowie auf eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb. Stand der Technik
Um in einem Inselbetrieb nicht von der Kapazität einer Batterie abhängig zu sein, ist es bekannt, die Batterie in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand über einen Generator zu laden, dessen Antrieb beim Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellwerts des Ladezustands eingeschaltet wird, sodass sich die Betriebsdauer des angeschlossenen elektrischen Verbrauchers entsprechend verlängert. Als Generatoren kommen wegen ihres hohen Wirkungsgrads häufig permanenterregte Synchrongeneratoren mit dem Nachteil zum Einsatz, dass aufgrund der linearen Abhängigkeit der Leerlaufspannung von der Drehzahl eine Steuerung der abzugebenden, im Wesentlichen dem Generatorstrom proportionalen Leistung in einfacher Weise nur über die Drehzahl möglich ist, was schlechte Wirkungsgrade für den Antrieb bedingt, der ja insbesondere bei einer Ausbildung als Verbrennungskraftmaschine kaum in einem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden kann. Außerdem ist der Antrieb hinsichtlich seiner maximalen Leistung an die maximale Verbraucherleistung anzupassen, damit der Verbraucher den Antrieb nicht ohne Begrenzung der Verbraucherleistung abbremsen kann. Zum Laden von Batterien sind auch fremderregte Synchrongeneratoren bekannt, wie sie als Lichtmaschinen in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen. Zur Anpassung der Generatorspannung an die Batteriespannung muss der Erregerstrom entsprechend gesteuert werden, und zwar in einem weiten Drehzahlbereich des Synchrongenerators, was sich wiederum nachteilig auf den Wirkungsgrad auswirkt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb so betreiben zu können, dass ein hoher Wirkungsgrad sichergestellt werden kann, und zwar mit einem vergleichsweise geringen Steuer- und Regelungsaufwand.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Drehzahl des Synchrongenerators durch eine Steuerung des Erregerstroms konstant gehalten wird und dass der Antrieb in Abhängigkeit von der am Verbraucher anliegenden elektrischen Spannung angesteuert wird.
Aufgrund dieser Maßnahmen wirkt der Generator als Bremse, wobei das Bremsmoment proportional zum Generatorstrom ist, der sich in Abhängigkeit vom Generatorinnenwiderstand aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen der Generator- leerlaufspannung und der am Verbraucher anliegenden Spannung ergibt. Eine Erhöhung des Erregerstroms bewirkt bei gleichbleibender Drehzahl eine Erhöhung der Generatorleerlaufspannung und damit eine Vergrößerung der für den Generatorstrom maßgebenden Spannungsdifferenz, was zufolge des größeren Generatorstroms zu einem höheren Bremsmoment führt, sodass die Drehzahl über eine entsprechende Steuerung des Erregerstroms des fremderregten Synchrongenerators geregelt werden kann. Mit einer Leistungssteuerung des Antriebs in Abhängigkeit von der Verbraucherleistung, die über die Verbraucherspannung erfasst werden kann, können somit vorteilhafte Betriebsverhältnisse sichergestellt werden. Mit der Regelung der Drehzahl des Synchrongenerators auf einen konstanten Wert über den Erregerstrom als Stellgröße werden einfache Voraussetzungen geschaffen, den Antrieb in einem vorteilhaften Arbeitsbereich zu betreiben, was einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung des Wirkungsgrads darstellt, insbe- sondere beim Einsatz von Verbrennungskraftmaschinen. Die Erregerleistung, die vergleichsweise gering ist, verringert zwar den Wirkungsgrad, doch kann im Bereich der Nenndrehzahl, für die die Vorrichtung ausgelegt ist, ein erheblich größerer Wirkungsgrad über einen weiten Drehmoment- und damit Leistungsbereich erreicht werden, sodass ein entsprechend hoher Gesamtwirkungsgrad sichergestellt werden kann. Die konstante Drehzahl bringt außerdem Vorteile hinsichtlich der Schwingungsbekämpfung und des Geräuschverhaltens bzw. der Geräuschwahrnehmung mit sich, weil Geräuschänderungen eher wahrgenommen werden.
Für den Antrieb ergeben sich besonders einfache Steuerungsmöglichkeiten, wenn eine an den Verbraucher angeschlossene, durch den Synchrongenerator auflad- bare Batterie vorgesehen ist, weil in diesem Fall der Antrieb über seine Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung lediglich ein- und ausgeschaltet werden kann. Eine Verringerung der Verbraucherspannung unter einen vorgegebenen unteren Grenzwert bedingt ein Einschalten und das Übersteigen eines oberen Grenzwerts ein Ausschalten des Antriebs, wobei die Antriebsleistung zwischen diesen Grenzwerten stufenweise gesteuert werden kann, wenn der Antrieb in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung in wenigstens zwei Leistungsstufen betrieben wird. Mit der Steuerung des Antriebs in Abhängigkeit von der an den Batterieklemmen abgreifbaren Verbraucherspannung ergibt sich eine weitgehende Unabhängigkeit von der Art der eingesetzten Batterie und ihrer Alterung, weil mit dieser Verbraucherspannung der innere Batteriewiderstand automatisch berücksichtigt wird.
Um eine Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreiben zu können, ist lediglich über die an einen Drehzahlgeber angeschlossene Steuereinrichtung für den Synchrongenerator der Erregerstrom in Abhängigkeit von einer Soll-
Istwertdifferenz der Drehzahl des Synchrongenerators im Sinne einer Ausregelung der Soll-Istwertdifferenz zu steuern, wobei die Steuereinrichtung für den Antrieb des Synchrongenerators den Antrieb in Abhängigkeit von der am Verbraucher anliegenden elektrischen Spannung hinsichtlich seiner Leistung regelt. Ist dabei der Verbraucher an eine durch den Synchrongenerator ladbare Batterie angeschlos- sen, so kann der Antrieb für den Synchrongenerator durch die mit der Verbraucherspannung beaufschlagbare Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung ein- und ausgeschaltet werden. Eine solche Zweipunktregelung kann durch weitere Schwellwerte zwischen den Ein- und Ausschaltgrenzwerten ergänzt werden, um den Antrieb in unterschiedlichen Leistungsstufen, aber bei konstanter Drehzahl betreiben zu können.
Der Antrieb für den Synchrongenerator kann als Verbrennungskraftmaschine mit einer an die maximale Generatorleistung angepassten maximalen Leistung ausgebildet sein. Unterschiedliche Leistungsanforderungen an die Energiequelle können somit im Ausmaß der Leistungsfähigkeit des Antriebs erfüllt werden, und zwar unabhängig von der Verbraucherleistung, also auch bei Überlast.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers in einem Inselbetrieb in einem schematischen Blockschaltbild,
Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung einer Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 3 Kennlinien für die Leerlaufspannung des fremderregten Synchrongenerators in Abhängigkeit von der Drehzahl bei unterschiedlichen Erregerströmen,
Fig. 4 den Generatorstrom über der Drehzahl für unterschiedliche Kennlinien der
Leerlaufspannung des Synchrongenerators,
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf einer an den Batterieklemmen eines Fahrzeugs mit einem über eine Batterie gespeisten Elektromotor abgegriffenen Span- nung für einen vorgegebenen Belastungsverlauf ohne und mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung,
Fig. 6 einen zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf eines Fahrzeugs mit einem von einer Batterie gespeisten Elektromotor und einer erfindungsgemäßen Vor- richtung zur Energieversorgung,
Fig. 7 den Leistungsbedarf des Elektromotors eines Fahrzeugs für den Geschwindigkeitsverlauf nach der Fig. 5 und die über den Synchrongenerator zur Verfügung gestellte Leistung,
Fig. 8 den an den Batterieklemmen abgegriffenen zeitlichen Spannungsverlauf in Form der Spannungsdifferenz zwischen der Leerlaufspannung der Batterie und der Verbraucherspannung ohne und mit zugeschaltetem Synchrongenerator,
Fig. 9 ein weiteres Beispiel eines Leistungsbedarfs eines Verbrauchers über der Zeitachse im Vergleich zum Leistungsangebot einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung ohne Batterieeinsatz,
Fig. 10 den zeitlichen Verlauf der Verbraucherspannung in Form der Differenzspannung zu einer Sollspannung,
Fig. 1 1 den zeitlichen Verlauf der Stellgröße für die Leistungsregelung der Verbrennungskraftmaschine zur Bereitstellung der benötigten Verbraucher- leistung beispielsweise anhand einer Drosselklappenverstellung,
Fig. 12 den Drehzahlverlauf bei einer erfindungsgemäßen Drehzahlregelung des Synchrongenerators für einen Leistungsbedarf gemäß der Fig. 9 und
Fig. 13 den zeitlichen Verlauf des Erregerstroms für eine Drehzahlregelung gemäß der Fig. 12.
Weg zur Ausführung der Erfindung
Die Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers 1 im Inselbetrieb weist gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 einen fremderregten Synchrongenerator 2 auf, der von einem Antrieb 3, vorzugsweise einer Verbrennungskraftmaschine, zum Beispiel einem Zweitaktmotor, angetrieben wird. Zur Erregung des Synchrongenerators 2 ist eine Hilfserregermaschine 4 vorgesehen, die die Erregerwicklung 5 über einen Gleichrichter 6 speist. Der Erregerstrom wird über eine Steuereinrichtung 7 gesteuert, die einen PID-Regler 8 umfasst, der mit einer Soll-Istwertdifferenz der Drehzahl beaufschlagt wird. Zu diesem Zweck sind ein Istwertgeber 9 sowie eine Sollwertvorgabe 10 für die Drehzahl vorgesehen, die somit über den Erregerstrom als Stellgröße auf einen konstanten Wert geregelt werden kann.
Der Leistungsbedarf des Verbrauchers 1 muss durch die Leistung des bei einer vorteilhaften Auslegedrehzahl betriebenen Antriebs 3 abgedeckt werden, was einer entsprechenden Leistungsregelung des Antriebs 3 über eine Steuereinrichtung 1 1 bedarf. Diese Steuereinrichtung 1 1 steuert einen Stelltrieb 12 beispielsweise einer Drosselklappe oder einer Einspritzpumpe für die den Antrieb 3 bildende Verbrennungskraftmaschine. Als Maß für den Leistungsverbrauch kann die jeweilige Verbraucherspannung herangezogen werden, mit der die Steuereinrichtung 1 1 beaufschlagt wird, um den Stelltrieb 12 in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung des Verbrauchers 1 ansteuern zu können. Es können daher die Vorteile einer konstanten Drehzahl für den Wirkungsgrad, die Geräuschausbildung und -
Wahrnehmung sowie das Schwingungsverhalten vorteilhaft genützt werden, und zwar bei einfachen Regelungsbedingungen.
Das Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach der Fig. 1 im Wesentlichen dadurch, dass der Verbraucher 1 an eine Batterie 13 ange- schlössen ist, die vom Synchrongenerator 2 bei Bedarf geladen wird. Dementsprechend ist zwischen der Batterie 13 und dem Synchrongenerator 2 ein Gleichrichter 14 vorgesehen, über den auch die Erregerwicklung 5 angespeist werden kann. Der über die Steuereinrichtung 7 in Abhängigkeit von der Soll- Istwertdifferenz der Drehzahl angesteuerte Erregerstrom dient wiederum als Stell- große für die Drehzahlregelung, sodass sich hinsichtlich der Steuerung des Synchrongenerators 2 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach der Fig. 1 nichts ändert. Der Antrieb 3 braucht allerdings wegen der Batterie 13 nicht die volle Verbraucherleistung abzudecken, was wesentlich einfachere Steuerbedingungen für den Antrieb 3 ermöglicht, weil im einfachsten Fall der Antrieb bei einer vorgegebe- nen Leistungsstufe lediglich in Abhängigkeit vom Unterschreiten eines unteren und Überschreiten eines oberen Grenzwerts der Batteriespannung ein- und aus- geschaltet zu werden braucht, sodass die Batterie 1 3 in Abhängigkeit von ihrem Ladezustand durch den Synchrongenerator 2 geladen wird.
Wie der Fig. 3 zu entnehmen ist, in der die Generatorleerlaufspannung Ug0 über der Drehzahl n des Synchrongenerators 2 aufgetragen ist, ergibt sich zwischen der Generatorleerlaufspannung Ugo und der Drehzahl n ein linearer Zusammenhang, wobei die Steigung der Kennlinien von der Größe des jeweiligen Erregerstroms le abhängt. Die Kennlinien 1 5 und 1 6 zeigen den Verlauf der Generatorleerlaufspannung Ugo für den niedrigsten und den höchsten Erregerstrom le, während die Kennlinie 1 7 einem mittleren Erregerstrom le entspricht. Je nach der ge- wählten Kennlinie 1 5, 1 6, 1 7 der Generatorleerlaufspannung Ugo wird somit die Leerlaufspannung Ubo der Batterie 1 3 bei unterschiedlichen Drehzahlen n des Synchrongenerators 2 erreicht, was beim Überschreiten dieser Leerlaufspannung Ubo einen Generatorstrom lg zur Folge hat, wie dies die Kennlinien 1 8, 19 und 20 der Fig. 4 zeigen, die sich aus den Kennlinien 1 5, 1 6 und 1 7 für die Generatorleer- laufspannung ableiten. Legt man die Drehzahl n, bei der die Generatorleerlaufspannung Ugo beim unteren Grenzwert für den Erregerstrom le gemäß der Kennlinie 1 5 der Leerlaufspannung Ubo der Batterie 1 3 entspricht, als Nenndrehzahl nn fest, so kann für unterschiedliche Generatorströme lg und damit für unterschiedliche Belastungszustände die Nenndrehzahl durch eine entsprechende Än- derung des Erregerstroms le zwischen den Kennlinien 1 8 und 1 9 eingestellt werden. Dies bedeutet, dass mit dem Erregerstrom le als Stellgröße die Drehzahl n des Synchrongenerators 2 auf einen konstanten Wert nn geregelt werden kann. Dies gilt selbstverständlich auch für Synchrongeneratoren 2, deren Erregerstrom nur zum Teil veränderbar ist, weil ein Teil des Erregerstroms durch eine Perma- nenterregung zur Verfügung gestellt wird.
In der Fig. 5 ist die an der Batterie 1 3 während eines zeitlichen Leistungsbedarfs des Verbrauchers 1 abgreifbare Spannung Uv dargestellt, die zur Steuerung des Antriebs 3 dient. Dieser Antrieb 3 wird bei einer unteren Grenzspannung Uein ein- und bei einer oberen Grenzspannung UaUs wieder ausgeschaltet. Außerdem sind zwei Leistungsstufen für den Antrieb 3 vorgesehen, wobei beim Überschreiten eines oberen Schwellwertes U LI der Verbraucherspannung Uv die Antriebsleistung über die Steuereinrichtung 1 1 auf eine geringere Leistungsstufe und beim Unterschreiten eines unteren Schwellwerts Ui_2 wieder auf die höhere Leistungsstufe umgeschaltet wird. Aus der Kennlinie 21 der Fig. 5 ergibt sich, dass aufgrund des Leistungsbedarfs des Verbrauchers 1 die Batterie 13 entladen wird, was sich an der abfallenden Verbraucherspannung Uv erkennen lässt. Würde keine Energieversorgung über den Synchrongenerator 2 erfolgen, so ergäbe sich der strichliert gezeichnete Spannungsverlauf. An diesem Spannungsverlauf ist auffallend, dass sich zwischen den Zeitpunkten ti und t2 ein Spannungsanstieg ergibt, was auf eine kurzfristige Energierückführung vom Verbraucher 1 zur Batterie 13, beispielsweise zufolge der Rückgewinnung von Bremsenergie, schließen lässt.
Da sich die Verbraucherspannung Uv unter den unteren Grenzwert Uein absenkt, wird jedoch der Antrieb 3 über die Steuereinrichtung 1 1 eingeschaltet, was in diesem Ausführungsbeispiel zu einem Spannungsanstieg und damit zu einem Laden der Batterie 13 führt. Da zufolge dieses Spannungsanstiegs der obere Schwellwert Uu der Verbraucherspannung Uv überschritten wird, wird der Antrieb 3 in der geringeren Leistungsstufe betrieben, was sich in einem flacheren Anstieg des Spannungsverlaufs bemerkbar macht. Da im weiteren Verlauf der untere Schwellwert Ui_2 unterschritten wird, wird der Antrieb wieder in der höheren Leistungsstufe angesteuert, bis der obere Schwellwert Uu neuerlich überschritten wird, was einen flacheren Anstieg der Spannungskurve 21 mit sich bringt, bevor der Antrieb 3 beim Erreichen des oberen Grenzwerts Uaus abgeschaltet wird. Wird unmittelbar nach dem Einschalten des Antriebs 3 der Verbraucher 1 abgeschaltet, so ergibt sich an den Batterieklemmen ein Spannungsverlauf entsprechend der strichpunktiert dargestellten Kennlinie 22, die ein Laden der Batterie 13 bedingt. Die Fig. 6 bis 8 veranschaulichen die Erfindung anhand eines von einem batteriegespeisten Elektromotor angetriebenen Fahrzeugs mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energieversorgung. In der Fig. 6 ist ein Geschwindigkeitsverlauf des Fahrzeugs dargestellt, das zunächst auf eine Geschwindigkeit v beschleunigt und dann auf eine Geschwindigkeit v2 abgebremst wird, bevor das Fahrzeug an- gehalten wird. In der Fig. 7 ist der Leistungsbedarf Pv für diese Fahrt in vollen Linien durch die Kennlinie 23 dargestellt. Aus der Fig. 8, die den Spannungsverlauf an den Batterieklemmen anhand der an den Batterieklemmen abgegriffenen Verbraucherspannung Uv im Vergleich zur Leerlaufspannung Ubo der Batterie 13 zeigt, ergibt sich der an den Batterieklemmen abgreifbare Spannungsverlauf ohne Zuschaltung des Synchrongenerators 2 durch die in vollen Linien dargestellte Kennlinie 24. Die bei den Bremsungen des Fahrzeugs zu den Zeitpunkten ti und t2 zurückgewonnene Bremsenergie bedingt einen Anstieg der Verbraucherspannung Uv. Aus den in der Fig. 8 eingezeichneten oberen und unteren Grenzwerten Uein und UaUs sowie den Schwellwerten ULI und UL2 für die Ansteuerung des Antriebs 3 ergibt sich, dass beim Unterschreiten des unteren Grenzwerts Uein der Antrieb 3 für den Synchrongenerator 2 eingeschaltet und bei einer höheren Leistungsstufe betrieben wird, wie dies die strich- liert gezeichnete Kennlinie 25 in der Fig. 7 erkennen lässt. Die durch den Synchrongenerator 2 gemäß der Kennlinie 25 abgegebene Leistung Pg bedingt einen Anstieg der Verbraucherspannung Uv entsprechend der strichlierten Kennlinie 26 der Fig. 8. Mit der zum Zeitpunkt ti rückgewonnen Bremsenergie übersteigt die Verbraucherspannung Uv den Schwellwert ULI mit der Folge, dass der Antrieb 3 in einer niedrigeren Leistungsstufe betrieben wird. Die vom Synchrongenerator 2 abgegebene Leistung Pg sinkt daher gemäß Fig. 7 auf die Kennlinie 27 ab, was einen Verlauf 28 der Verbraucherspannung Uv bewirkt. Nach dem zum Zeitpunkt t2 eingeleiteten Stillstand des Fahrzeugs bleibt allerdings der Antrieb 3 noch solange eingeschaltet, bis die Spannung Uv den oberen Grenzwert UaUs erreicht.
In den Fig. 9 bis 13 sind die Bedingungen der Energieversorgung eines Verbrauchers 1 gemäß der Fig. 1 ohne Batterieeinsatz veranschaulicht. Die vom Verbraucher 1 benötigte Leistung Pv ist durch die strichlierte Kennlinie 29 dargestellt, wäh- rend die über den Synchrongenerator 2 abgegebene Leistung Pg in einer vollen Linie 30 eingezeichnet ist. Um diese Leistung Pg zur Verfügung stellen zu können, muss der Antrieb 3, eine Verbrennungskraftmaschine, entsprechend angesteuert werden, was im gewählten Ausführungsbeispiel durch eine Verstellung der Drosselklappe über den Stelltrieb 12 erfolgt. In der Fig. 1 1 ist der jeweilige Drossel- klappenwinkel α aus der Kennlinie 31 zu entnehmen. Im Ausführungsbeispiel übersteigt die Verbraucherlast Pv die vom Synchrongenerator 2 abgebbare Leistung Pg ab dem Zeitpunkt t-ι. Dies bedeutet, dass zur Konstanthaltung der Dreh- zahl n auf dem Wert nn gemäß der Fig. 12, der Erregerstrom le über die Steuereinrichtung 7 gegenüber der zur Drehzahlanpassung an die geänderte Last erforderlichen Änderung abgesenkt wird, wie dies der Fig. 1 3 zu entnehmen ist. Die Überlast führt daher zu keinem Einbruch der Drehzahl n. Es wird lediglich die Verbrau- cherspannung Uv gemäß Fig. 10 abgesenkt.
Sobald die Generatorleistung Pg gemäß der Fig. 9 die Verbraucherleistung Pv im Zeitpunkt t2 wieder übersteigt, was sich in einer Drehzahlerhöhung bemerkbar macht, wird der Erregerstrom le entsprechend der Fig. 13 angehoben, um die Drehzahl n konstant zu halten. Bei konstanter Drehzahl n tritt somit bei einer Über- last lediglich eine Spannungsabsenkung auf.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers (1 ) in einem Inselbetrieb mit einem über seinen Erregerstrom (le) steuerbaren Synchrongenerator (2) und mit einem Antrieb (3) für den Synchrongenerator (2), wobei die Vorrichtung in Abhängigkeit vom Energiebedarf des Verbrauchers (1 ) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl (n) des Synchrongenerators (2) durch eine Steuerung des Erregerstroms (le) konstant gehalten wird und dass der Antrieb (3) in Abhängigkeit von der am Verbraucher (1 ) anliegenden elektrischen Spannung (Uv) angesteuert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorsehen einer an den Verbraucher (1 ) angeschlossenen, durch den Synchrongenerator (2) aufladbaren Batterie (13) der Antrieb durch seine Steuereinrichtung (1 1 ) in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung (Uv) ein- und ausgeschaltet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3) in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung (Uv) in wenigstens zwei Leistungsstufen betrieben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchrongenerator (2) durch eine Verbrennungskraftmaschine in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung (Uv) angetrieben wird.
5. Vorrichtung zur Energieversorgung eines elektrischen Verbrauchers (1 ) in einem Inselbetrieb mit einem fremderregten Synchrongenerator (2), mit einem Antrieb (3) für den Synchrongenerator (2) und mit einer Steuereinrichtung (7, 1 1 ) einerseits für den Synchrongerator (2) und anderseits für den Antrieb (3), dadurch gekennzeichnet, dass die an einen Drehzahlgeber (9) angeschlossene Steuerein- richtung (7) für den Synchrongenerator (2) den Erregerstrom (le) in Abhängigkeit von einer Soll-Istwertdifferenz der Drehzahl (n) des Synchrongenerators (2) steuert und die Steuereinrichtung (1 1 ) für den Antrieb (3) des Synchrongenerators (2) den Antrieb (3) in Abhängigkeit von der am Verbraucher (1 ) anliegenden elektrischen Spannung (Uv) ansteuert.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (1 ) an eine durch den Synchrongenerator (2) ladbare Batterie (13) ange- schlössen ist und dass der Antrieb (3) für den Synchrongenerator (2) durch die mit der Verbraucherspannung (Uv) beaufschlagbaren Steuereinrichtung (1 1 ) in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung (Uv) ein- und ausschaltbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3) für den Synchrongenerator (2) durch die Steuereinrichtung (1 1 ) in we- nigstens zwei Leistungsstufen betreibbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (3) für den Synchrongenerator (2) als Verbrennungskraftmaschine mit einer an die maximale Generatorleistung angepassten maximalen Leistung ausgebildet ist.
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