DE19827259A1 - Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher, die einen Synchrongenerator (2), ein Schwungrad (4) und einen drehzahlveränderbaren Antrieb (6) mit einem Tachogenerator (44) aufweist. Erfindungsgemäß ist der Ständer (14) des Synchrongenerators (2) drehbar gelagert und mit einem Getriebe (8) versehen, ist jede Wicklung der mehrphasigen Wicklung (22) des Ständers (14) mittels eines Schleifringes (26) und einer Bürste (28) mit einem Klemmenanschluß (30) elektrisch leitend verbunden, ist der drehzahlveränderbare Antrieb (6) mit dem Getriebe (8) verbunden und ist der Läufer (12) mit einem weiteren Tachogenerator (46) versehen. Somit erhält man eine Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher, wobei kein Gleichstromzwischenkreisumrichter mit Anpaßtransformator mehr zwischen Generator (2) und Netz (24) benötigt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

In dem Aufsatz "Stromversorgungs-Anlagen mit Schwungrad- Speicher für die Nachrichtentechnik", abgedruckt in der DE-Zeitschrift "etz-B", Band 8, Heft 3, Seiten 85 bis 88, werden verschiedene Ausführungsformen einer Energieversorgungsanlage mit Schwungrad vorgestellt. Diese Energieversorgungsanlagen mit Schwungradspeicher teilen sich in zwei Gruppen, nämlich in Anlagen mit Motor-Generator und Anlagen mit Umkehrmaschi­ ne, auf.

Bei einer Stromversorgungsanlage mit Schwungradspeicher und Motor-Generator bezieht der Motor im normalen Netzbetrieb aus einem Drehstromnetz seine Leistung und treibt das Schwungrad samt dem Generator an. Außerdem weist diese Stromversorgungs­ anlage einen Regler, bestehend aus Drehtransformator und Öl­ druckregler, auf. Als Motor und Generator werden jeweils Asynchronmaschinen in der Ausführungsform als Kurzschluß­ läufer verwendet. Da Asynchrongeneratoren Blindstrom aufneh­ men, muß eine Kondensatorbatterie für die Erregung parallel geschaltet werden. Die Ausgangsspannung der Stromversorgungs­ anlage wird abgegriffen und dem Meßwerk des Öldruckreglers zugeführt, der den Drehtransformator verstellt, bis die Aus­ gangsspannung der Nennspannung entspricht. Spannungs- und Stromeinrichtungen gestalten die Überwachung der abgegebenen Energie.

Fällt die Netzspannung aus, so wird der Schwungradsatz die Spannung eine kleinere Zeit aufrechterhalten. Wie lange der Schwungradsatz dazu in der Lage ist, hängt vom Regelbereich des Drehtransformators und der Bemessung der Kondensatoren ab. Mit sinkender Drehzahl steigt der Blindstrombedarf so an, daß er durch die Kondensatoren nicht mehr gedeckt werden kann; die abgegebene Spannung bricht schnell zusammen.

Bei einer Stromversorgungsanlage mit Schwungradspeicher in der Ausführungsform mit Umkehrmaschine besteht das Schwung­ rad-Aggregat aus einem Schwungrad und einer Asynchronmaschi­ ne. Auch diese Anlage weist eine Kondensatorbatterie und ei­ nen Regler, bestehend aus Drehtransformator und Öldruckreg­ ler, auf. Bei Spannungsausfall arbeitet der Asynchronmotor als Generator und erhält seine Erregung von der Kondensator­ batterie und versucht, die Spannung im Ortsnetz aufrechtzuer­ halten.

Gegenüber der Anlage mit Motor-Generator ist bei der Umkehr­ maschine der Wirkungsgrad der Gesamtanlage höher, weil die Verbraucherenergie unmittelbar dem Netz entnommen wird und der Antriebsmotor lediglich seine Leerlaufverluste und den Energieverlust des leerlaufenden Schwungrads zu decken hat. Bei diesem System muß die Verbraucherspannung, die unmittel­ bar aus dem Netz bezogen wird, geregelt werden. Aus diesem Grund ist der Drehtransformator in die Verbraucherleitung ge­ schaltet und legt beim Generatorbetrieb die Kondensatorbatte­ rie ungeregelt elektrisch parallel zum Generator. Da jede Re­ gelung mehr oder weniger träge arbeitet, ist es nicht zu ver­ meiden, daß Spannungsstöße aus dem Netz zu den Verbrauchern gelangen. Auch der Übergang vom Netz- zum Generatorbetrieb und umgekehrt bei Spannungsausfall oder -wiederkehr geht nicht ganz stoßfrei vor sich, weil ja jeweils zwei verschie­ dene Netze, die nicht nur verschiedene Spannungen haben, son­ dern auch in der Frequenz und in der Phasenlage ganz erheb­ lich abweichen können, zusammenzuschalten sind. Die Aus­ gleichsströme verursachen Spannungsänderungen, die wegen der Trägheit der Regeleinrichtung in jedem Falle zu den Verbrau­ chern gelangen.

Aus der DE 39 19 421 A1 ist eine Generatorsteuerungsvorrich­ tung zur Steuerung des Antriebs eines Motor-Generators einer Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher bekannt. Die­ se Generatorsteuerungsvorrichtung ist mit einer Thyristor- Steuereinrichtung versehen. Diese Thyristor-Steuereinrichtung weist einen Transformator, einen netzseitigen Thyristorstrom­ richter, eine Gleichstrom-Reaktanzspule, einen maschinensei­ tigen Thyristorstromrichter und eine Wechselstrom-Reaktanz­ spule auf. Diese beiden Stromrichter sind umgekehrt parallel zueinander angeordnet. Wenn der Motor-Generator anläuft, wird die Drehzahl des Motor-Generators durch einen von dem Ener­ gieversorgungssystem über die Thyristor-Steuereinrichtung zu­ geführten Strom auf die Nenn-Drehzahl erhöht. Somit erfolgt die Energie zuvor aus dem elektrischen Energieversorgungssy­ stem zum Motor-Generator. Um die im Schwungrad gespeicherte Energie an das elektrische Energieversorgungsnetz zurückzu­ führen, wird der Motor-Generator einem Bremsvorgang ausge­ setzt. Dazu werden die beiden Stromrichter derart gesteuert, daß die Kathodenseite des netzseitigen Stromrichters und die Anodenseite des maschinenseitigen Stromrichters ein negatives Potential aufweisen und das Potential an der Kathodenseite des maschinenseitigen Stromrichters geringfügig höher einge­ stellt wird als das Potential an der Anodenseite des netzsei­ tigen Stromrichters.

Aus der DE 25 46 777 A1 ist eine Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher zur Abdeckung von seitlich auftretenden Leistungsspitzen in Netzen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Diese Energieversorgungsanlage weist einen Synchron­ generator, einen Umrichter, ein Schwungrad, einen fremderreg­ ten Motor und einen Transformator auf. Der Umrichter weist einen netzgeführten Stromrichter, einen Gleichstromzwischen­ kreis und einen statischen Gleichrichter auf. Dieser Gleich­ stromzwischenkreis-Umrichter ist mit seinem netzseitigen Stromrichter mittels des Transformators an ein Netz ange­ schlossen, wobei der statische Gleichrichter wechselspan­ nungsseitig mit dem Synchrongenerator verknüpft ist. Das Schwungrad ist auf einer Welle mit dem Synchrongenerator und einem fremderregten Gleichstrommotor als Anwurfmotor angeord­ net. Der Gleichstromzwischenkreis-Umrichter weist eine Ein­ richtung auf, mit der wahlweise der Motor aus dem Netz oder die im Schwungrad gespeicherte Energie mittels des Synchron­ generators ins Netz gespeist werden können. Der Synchrongene­ rator speist somit mittels des statischen Gleichrichters den Gleichstromzwischenkreis. Der netzgeführte Stromrichter, der als Wechselrichter betrieben wird, verbindet den Gleichstrom­ zwischenkreis mit dem frequenzstarren Netz. Zur Anpassung der Ausgangsspannung des netzseitigen Stromrichters an die Netz­ spannung dient der Transformator.

Eine Regeleinrichtung des Synchrongenerators sorgt während einer Speisephase dafür, daß der Synchrongenerator eine kon­ stante Leistung abgibt. Während der Speisephase wird der netzseitige Stromrichter mit einem konstanten Steuerwinkel betrieben. Das heißt, die Spannung im Zwischenkreis wird auf einen konstanten Wert eingestellt. Außerdem sorgt die Rege­ leinrichtung dafür, daß in der Ladephase der fremderregte Mo­ tor das Schwungrad mit konstantem Drehmoment entsprechend dem Nennwert beschleunigt. Ist die Enddrehzahl erreicht, so wird mittels dieser Regeleinrichtung die Drehzahl des Schwungrads konstant gehalten. Das heißt, im Gleichstromzwischenkreis- Umrichter fließt ein wesentlich kleinerer Gleichstrom als bei der Beschleunigung des Schwungrades. Dieser Wert wird von den Verlusten der Speichereinheit im stationären Lauf bei n Dreh­ zahl festgelegt. Soll nun die im Schwungrad gespeicherte Energie ins Netz zurückgespeist werden, muß der Gleichstrom­ zwischenkreis geschlossen werden, wobei die verwendeten Um­ schalter stromlos geschaltet werden. Deshalb muß nun die Re­ geleinrichtung den netzseitigen Stromrichter in die Wechsel­ richterendlage steuern.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher derart weiter zu gestalten, daß ein Gleichstromzwischenkreis-Umrichter mit Anpaßtransformator zwischen Generator und Netz nicht mehr be­ nötigt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den kennzeich­ nenden Merkmalen des Anspruchs l.

Dadurch, daß der drehzahlveränderbare Antrieb mittels eines Getriebes den drehbar gelagerten Ständer des Synchrongenera­ tors auf eine synchrone Drehzahl regelt und daß die Wicklun­ gen der mehrphasigen Wicklung des Ständers des Synchrongene­ rators jeweils mittels eines Schleifringes und einer Bürste mit einem Klemmenanschluß des Synchrongenerators elektrisch leitend verbunden ist, wird kein Gleichstromzwischenkreis- Umrichter mit Anpaßtransformator zwischen Generator und Netz mehr benötigt. Mittels des drehzahlveränderbaren Antriebs mit nachgeschaltetem Getriebe wird der Ständer des Synchrongene­ rators so lange beschleunigt, bis der Ständerdrehzahl-Istwert gleich einer synchronen Drehzahl ist. Die im Ständer indu­ zierte Polradspannung weist bei Ständerdrehzahl-Istwert gleich synchroner Drehzahl eine Frequenz und einen Betrag auf, der gleich der Netzfrequenz und die gleich dem Wert der Netzspannung sind. Bei diesem Synchronismus werden die Klem­ menanschlüsse des Synchrongenerators mit den Phasenleitungen eines Netzes verbunden, wobei am Sollwert-Eingang der Lei­ stungs-Regeleinrichtung ein Leistungs-Sollwert gleich Null ansteht. Dadurch ist sichergestellt, daß der Synchrongenera­ tor stoßfrei ans Netz geschaltet wird.

An diesen Synchronisiervorgang schließt sich ein Ladebetrieb an. Während dieses Ladebetriebes wird das Schwungrad auf eine gewünschte Drehzahl geregelt, wobei gleichzeitig die Ständer­ drehzahl so reduziert wird, daß der Synchrongenerator aus Sicht des Netzes im synchronen Betrieb bleibt. Hat das Schwungrad die gewünschte Drehzahl erreicht, liefert die Läu­ ferdrehzahl-Regeleinrichtung einen Leistungs-Sollwert, mit dem die Reibungsverluste des Schwungrades und des Läufers des Synchrongenerators gedeckt werden. Ist die gewünschte Dreh­ zahl des Schwungrades gleich der synchronen Drehzahl, so dreht sich der Ständer mit einer kleinen Drehzahl derart, daß der Lastwinkel so eingestellt wird, daß der Synchrongenerator motorisch so viel Leistung aus dem Netz aufnimmt, daß die Reibungsverluste gedeckt werden können.

Soll nun der Synchrongenerator die im Schwungrad gespeicherte Energie ins Netz speisen, so steht am Sollwert-Eingang des Leistungsreglers der Regeleinrichtung ein negativer Sollwert an. Dadurch wird der drehzahlveränderbare Antrieb so ge­ steuert, daß eine positive Lastwinkelveränderung sich ein­ stellt, wodurch eine Leistung ans Netz abgegeben wird. Mit Abgabe der im Schwungrad gespeicherten Leistung vermindert sich die Läuferdrehzahl. Damit der Synchrongenerator aus Sicht des Netzes im synchronen Betrieb bleibt, wird propor­ tional zur Abnahme der Läuferdrehzahl die Ständerdrehzahl derart erhöht, daß der positive Lastwinkel entsprechend einer konstanten Leistungsabgabe konstant gehalten wird. Theore­ tisch könnte die gesamte im Schwungrad gespeicherte Energie in ein Netz gespeist werden. In diesem Fall wäre die Läufer­ drehzahl gleich Null und die Ständerdrehzahl wie im Synchro­ nismus, gleich der synchronen Drehzahl, wogegen anstelle des Leerlaufbetriebs nun ein Lastbetrieb vorliegt.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Synchrongenera­ tors und des erfindungsgemäßen Betriebes des drehzahlverän­ derbaren Antriebs erhält man eine einfachere Energieversor­ gungsanlage mit Schwungrad, die einen größeren Regelbereich aufweist und preiswerter ist als die Energieversorgungsanlage gemäß Oberbegriff des Anspruchs l.

Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Energieversorgungsanlage sind den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genom­ men, in der ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage mit Schwungrad schematisch veran­ schaulicht ist.

Fig. 1 zeigt den mechanischen Aufbau der Energieversor­ gungsanlage mit Schwungrad gemäß der Erfindung, in

Fig. 2 ist ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Ener­ gieversorgungsanlage nach Fig. 1 dargestellt, in der

Fig. 3 ist ein Zeigerbild im stationären Starterbetrieb des Synchrongenerators dargestellt, wobei die

Fig. 4 ein Zeigerbild im stationären Generatorbetrieb des Synchrongenerators zeigt.

Die Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher gemäß der Fig. 1 weist einen Synchrongenerator 2, ein Schwungrad 4, ei­ nen drehzahlveränderbaren Antrieb 6 und ein Getriebe 8 auf. Das Schwungrad 4 ist auf eine Welle 10 mit dem Läufer 12 des Synchrongenerators 2 angeordnet. Der Ständer 14 des Synchron­ generators 2 ist drehbar gelagert. Das Getriebe 8, insbeson­ dere ein Schneckengetriebe, besteht aus einem abtriebsseiti­ gen Zahnrad 16 und einem antriebsseitigen Zahnrad 18. Das ab­ triebsseitige Zahnrad 16 umschließt den Ständer 14 des Syn­ chrongenerators 2 und ist mit dessen Mantelfläche kraft­ schlüssig verbunden. Das antriebsseitige Zahnrad 18 ist mit einem niederpoligen Asynchronmotor 20 des drehzahlveränderba­ ren Antriebs 6 kraftschlüssig verbunden. Der Vorteil des Schneckengetriebes liegt darin, daß es sich nicht dreht, wenn der drehzahlveränderbare Antrieb steht, obwohl auf das ab­ triebsseitige Zahnrad 16 bei drehendem Läufer 12 ein entspre­ chendes Gegenmoment einwirkt. Damit die Wicklungen der mehr­ phasigen Wicklung 22 des drehbaren Ständer 14 des Synchronge­ nerators 2 an Phasenleitungen eines Netzes 24 angeschlossen werden können, ist jede Wicklung mittels eines Schleifringes 26 und einer Bürste 28 mit einem Klemmenanschluß 30 des Syn­ chrongenerators elektrisch leitend verbunden. Eine derartige Synchronmaschine ist aus der nationalen älteren Patentanmel­ dung mit dem Aktenzeichen 197 52 940.2 bekannt.

Die Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher. Bei dieser Darstellung wurde das Schwungrad 4 und der niederpolige Asyn­ chronmotor 20 des drehzahlveränderbaren Antriebs 6 aus Über­ sichtlichkeitsgründen nicht dargestellt. Der drehzahlverän­ derbare Antrieb 6 weist neben diesem Asynchronmotor 20 auch noch als Stellglied einen Spannungszwischenkreis-Umrichter 32 auf. Dieser Umrichter 32 weist einen ungesteuerten netzseiti­ gen Stromrichter 34, einen Spannungszwischenkreis 36 und ei­ nen lastseitigen Pulsstromrichter 38 auf. Ein derartiger Um­ richter 32 mit nachgeschaltetem Asynchronmotor 20 ist aus der Antriebstechnik bekannt. Dieser Umrichter 32 ist mit seinem netzseitigen Stromrichter 34 mittels eines Lastschalters 40 mit dem Netz 24 verbunden, das außerdem mittels eines zweiten Lastschalters 42 mit den Klemmenanschlüssen 30 des Synchron­ generators 2 elektrisch leitend verbindbar ist. Der drehzahl­ veränderbare Antrieb 6 und der Läufer 12 des Synchrongenera­ tors 2 sind jeweils mit einem Tachogenerator 44 und 46 ver­ bunden, an deren Ausgänge ein Ständer- und Läuferdrehzahl- Istwert n_s und n_r anstehen. Ständerseitig weist der Synchron­ generator 2 eine Spannungs- und Strommeßwerterfassung 48 und 50 auf, mit denen die Ständerspannung u_1R,S,T und die Ständer­ ströme i_1R,S,T gemessen werden. Für die Messung der Netz- Phasenspannungen u_NR,S,T ist im Netz 24 eine Spannungs-Meß­ werterfassung 52 angeordnet.

Damit der drehzahlveränderbare Antrieb 6 des Synchrongenera­ tors 2 geregelt werden kann, ist eine Regeleinrichtung 54 vorgesehen, die ausgangsseitig eine Steuereinrichtung 56 auf­ weist. Diese Regeleinrichtung 54 weist eine Läufer- und Stän­ derdrehzahl-Regeleinrichtung 58 und 60, einen Betriebsart- Umschalter 62, eine Leistungs-Regeleinrichtung 64, einen Lei­ stungs-Istwertrechner 66 und einen Summierer 68 auf. Die Aus­ gänge der Ständerdrehzahl- und Leistungs-Regeleinrichtung 60 und 64 sind ausgangsseitig mittels des Summierers 68 mitein­ ander verknüpft. Ausgangsseitig ist dieser Summierer 68 mit dem Eingang der Steuereinrichtung 56 verbunden. Am Ausgang dieser Steuereinrichtung 56 stehen Steuersignale S_v für den lastseitigen Pulsstromrichter 38 des Spannungszwischenkreis- Umrichters 32 an. Diese Steuersignale S_v werden aus einem Summen-Stellsignal S_np generiert. Der Ständerdrehzahl-Regel­ einrichtung 60 ist ein Sollwert-Bildner 70 vorgeschaltet, an dessen Eingängen die gemessenen Netz-Phasenspannungen u_NR,S,T und ein ermittelter Ständerdrehzahl-Istwert n_r anstehen. Dem Leistungs-Istwertrechner 66 sind die gemessenen Ständerspan­ nungen u_1R,S,T und Ständerströme I_1R,S,T zugeführt, an dessen Ausgang ein berechneter Leistungs-Istwert P₁ ansteht.

Der Betriebsart-Umschalter 62 ist ausgangsseitig mit einem Sollwert-Eingang der Leistungs-Regeleinrichtung 64 verbunden. Dieser Betriebsart-Umschalter 62 weist eingangsseitig drei Eingänge auf, wobei ein Motor-Eingang 72 mit dem Ausgang der Läuferdrehzahl-Einrichtung 58 verknüpft ist. Am Generator- Eingang 74 steht mittels eines Begrenzers 74 ein Leistungs- Sollwert P*_gen für den Generatorbetrieb an. Am Eingang 78 steht ein Leistungs-Sollwert P* an, dessen Wert gleich Null ist. In Abhängigkeit eines nicht näher dargestellten Betriebs- Zustands-Signals wird einer der drei Eingänge 72, 74 und 78 auf den Ausgang des Betriebsart-Umschalters 62 geschaltet.

Der Sollwert-Bildner 70 weist eine Recheneinrichtung 80 und einen Vergleicher 82 auf, dessen nichtinvertierender Eingang mit einem Ausgang der Recheneinrichtung 80 verbunden ist. Der invertierende Eingang dieses Vergleichers 82 ist mit dem Aus­ gang des Tachogenerators 46 verknüpft, an dessen Ausgang ein Läuferdrehzahl-Istwert n_r ansteht. Am Ausgang des Verglei­ chers 82 steht ein Ständerdrehzahl-Sollwert n*_s an. Der Re­ cheneinrichtung 80 sind die gemessenen Netz-Phasenspannungen u_NR,S,T zugeführt. Aus diesen Netz-Phasenspannungen u_NR,S,T wer­ den zunächst Spannungen des Mitsystems eliminiert, deren Nulldurchgänge ausgewertet werden. Am Ausgang dieser Rechen­ einrichtung 80 steht dann ein Synchrondrehzahl-Sollwert n*_sy an.

Die Ständer-Drehzahl-Regeleinrichtung 60 weist einen Verglei­ cher 84 und einen Drehzahlregler 86 auf, der dem Vergleicher 84 nachgeschaltet ist. Der nichtinvertierende Eingang dieses Vergleichers 84 ist mit dem Ausgang des Vergleichers 82 des Sollwert-Bildners 70 und der invertierende Eingang dieses Vergleichers 84 ist mit dem Ausgang des Tachogenerators 44 verbunden, an dessen Ausgang ein gemessener Ständerdrehzahl- Istwert n_s ansteht. Dieser gemessene Ständerdrehzahl-Ist­ wert n_s wird mit einem ermittelten Ständerdrehzahl-Soll­ wert n*_s verglichen und aus einer ermittelten Regelabweichung mittels des Drehzahlreglers 86 eine Stellgröße S_n erzeugt.

Die Leistungs-Regeleinrichtung 64 weist einen Vergleicher 88 und einen Leistungsregler 90 auf, der dem Vergleicher 88 nachgeschaltet ist. Der nichtinvertierende Eingang dieses Vergleichers 88 ist mit einem Ausgang des Betriebsart-Um­ schalters 62 verbunden, wobei der invertierende Eingang des Vergleichers 88 mit dem Ausgang eines Leistungs-Istwert­ rechners 66 verknüpft ist. Dieser Leistungs-Istwertrechner 66 berechnet aus den anstehenden Istwerten i_1R,S,T und u_1R,S,T mit­ tels einer hinterlegten Gleichung einen Leistungs-Istwert P₁. Dieser berechnete Leistungs-Istwert P₁ wird mit einem bereit­ gestellten Leistungs-Sollwert P* verglichen und aus einer er­ mittelten Regelabweichung mittels des Leistungsreglers eine Stellgröße S_p generiert. Die beiden Stellgrößen S_p und S_n wer­ den mittels des Summierers 68 zum Summen-Stellsignal S_np überlagert.

Die Läuferdrehzahl-Regeleinrichtung 58 weist einen Verglei­ cher 92 und einen Drehzahlregler 94 auf, der dem Vergleicher 92 nachgeschaltet ist. Der nichtinvertierende Eingang dieses Vergleichers 92 ist mit einem Ausgang eines Begrenzers 96 und der invertierende Eingang mit einem Ausgang des Tachogenera­ tors 46, an dessen Ausgang ein gemessener Läuferdrehzahl- Istwert n_r ansteht, verknüpft. Dem Begrenzer 96 ist ein­ gangssseitig ein Läuferdrehzahl-Sollwert n*_r zugeführt. Der gemessene Läuferdrehzahl-Istwert n_r wird mit dem Läuferdreh­ zahl-Sollwert n*_r verglichen und aus einer ermittelten Regel­ abweichung wird mittels des Drehzahlreglers 94 ein Leistungs- Sollwert P*_mot für den Motorbetrieb des Synchrongenerators 2 erzeugt.

Anhand dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energie­ versorgungsanlage mit Schwungradspeicher soll nun deren Funk­ tionsweise näher erläutert werden:
Im Stillstand der erfindungsgemäßen Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher ist der Betriebsart-Umschalter 62 auf den Eingang 78 geschaltet, an dem ein Leistungs-Sollwert P* mit dem Wert Null ansteht. Die Läuferdrehzahl-Regeleinrich­ tung 58 ist gesperrt und am Sollwert-Bildner 70 stehen die gemessenen Netz-Phasenspannungen u_NR,S,T an, aus denen die Re­ cheneinrichtung 80 dieses Bildners 70 einen Synchrondrehzahl- Sollwert n*_sy ermittelt, der proportional der Netzwinkelge­ schwindigkeit ω_N ist. Dieser Synchrondrehzahl-Sollwert n*_sy entspricht der mechanischen Winkelgeschwindigkeit ω_m, die die relative Geschwindigkeit zwischen einem stehenden Ständer und rotierenden Läufer bei einer herkömmlichen Synchronmaschine angibt. Bei einer Polpaarzahl p = 2 und einer Netzfrequenz f = 50 Hz ist dieser Synchrondrehzahl-Sollwert n*_sy = 1500 1/min. Da der Ständer 14 des Synchrongenerators 2 noch still steht, ist der Ständerdrehzahl-Sollwert n; gleich die­ sem Synchrondrehzahl-Sollwert n*_sy. Da der Läufer 12 des Syn­ chrongenerators 2 bis zur Zuschaltung ans Netz 24 still steht, verändert sich der Ständerdrehzahl-Sollwert n*_s nicht. Da die Leistungs-Regeleinrichtung 64 ebenfalls nicht freige­ geben ist, steht an der Steuereinrichtung 56 ein Stellsignal S_n an, aus dem mittels der Steuereinrichtung 56 Steuersignale S_v generiert werden. Damit der Umrichter 32 den niederpoligen Asynchronmotor 20 mit Energie versorgen kann, ist der Lei­ stungsschalter 40 geschlossen. Mit Hilfe der Ständerdrehzahl- Regeleinrichtung 60 in Verbindung mit dem vorgeschalteten Sollwert-Bildner 70 wird der Ständer 14 des Synchrongenera­ tors auf den berechneten Synchrondrehzahl-Sollwert n*_sy ge­ bracht. Wenn der Ständer 14 mit dieser synchronen Drehzahl n*_sy dreht, hat die im Ständer 14 induzierte Polradspannung u _p eine Frequenz, die gleich der Netzfrequenz f_N ist. Mittels der nicht näher dargestellten Erregung des Synchrongenerators 2 wird auch der Betrag der induzierten Polradspannung u _p auf den Wert des Betrages der Netzspannung gebracht. Ist dieser Zustand erreicht, ist der Synchrongenerator 2 auf das Netz 24 synchronisiert. In diesem Zustand kann der Lastschalter 42 geschlossen werden, wodurch der Synchrongenerator 2 stoßfrei an das Netz 24 angeschlossen wird.

An diesen sogenannten Synchronisiervorgang schließt sich nun ein sogenannter Ladebetrieb an. In diesem Ladebetrieb wird das Schwungrad 4 auf die synchrone Drehzahl n*_sy beschleunigt. Ist die Enddrehzahl erreicht, so wird das Schwungrad 4 auf die Enddrehzahl gehalten.

Zu Beginn dieses Ladebetriebes wird die Läuferdrehzahl-Regel­ einrichtung 58 und die Leistungs-Regeleinrichtung 64 freige­ geben. Außerdem wird der Betriebsart-Umschalter 62 so betä­ tigt, daß sein Ausgang mit dem Motor-Eingang 72 verbunden ist. Zu Beginn des Ladebetriebes steht der Läufer 12 des Syn­ chrongenerators 2 noch still, d. h., der Läuferdrehzahl-Ist­ wert n_r ist Null und am Ausgang des Drehzahlreglers 94 der Läuferdrehzahl-Regeleinrichtung 58 steht ein positiver Lei­ stungs-Sollwert P*_mot für den Motorbetrieb des Synchrongenera­ tors 2 an, der in Abhängigkeit eines vorbestimmten Läufer­ drehzahl-Sollwertes n*_r bestimmt ist. Der Läuferdrehzahl-Soll­ wert n*_r kann Werte annehmen, die unter- oder übersynchron sind, jedoch innerhalb der am Begrenzer 96 eingestellten Grenzwerte liegt. Da zu Beginn des Ladebetriebes der Syn­ chrongenerator 2 unbelastet ist, errechnet der Leistungs- Istwertrechner 66 aus den gemessenen Ständerspannungen u_1R,S,T und -strömen i_1R,S,T einen Leistungs-Istwert P₁, dessen Wert Null ist. Dadurch wird aus dem Leistungs-Sollwert P*_mot zu Be­ ginn des Ladebetriebes eine Stellgröße S_p generiert, die der am Ausgang der Ständerdrehzahl-Regeleinrichtung 60 anstehen­ den Stellgröße S_n mittels des Summierers 68 überlagert wird. Aus der Summenstellgröße S_np werden mittels der Steuerein­ richtung 56 Steuersignale S_v für den Pulsstromrichter 38 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 32 des drehzahlveränderba­ ren Antriebs 6 erzeugt. Die Summenstellgröße S_np bewirkt eine Veränderung der relativen Position zwischen Läufer 12 und Ständer 14 des Synchrongenerators 2. Dies bewirkt wiederum eine negative Lastwinkeländerung, die eine Leistungsaufnahme aus dem Netz 24 zur Folge hat. Leistungsaufnahme aus dem Netz 24 bedeutet, daß der Synchrongenerator 2 im Motorbetrieb ist. Ein entsprechendes Zeigerbild vom Netzspannungs-Zeiger u _l und Polradspannungs-Zeiger u _p im Motorbetrieb ist in der Fig. 3 näher dargestellt. Die Läuferdrehzahl-Regeleinrichtung 58 und die unterlagerte Leistungs-Regeleinrichtung 64 erhöhen weiter den Lastwinkel δ des Synchrongenerators 2 in motorischer Richtung weiter, bis die gewünschte Läuferdrehzahl n*_r er­ reicht ist. Mit der Erhöhung des Läuferdrehzahl-Istwertes n_r wird mittels des Vergleicher 82 der Ständerdrehzahl-Sollwert n*_s derart verringert, daß der Ständerdrehzahl-Sollwert n*_s gleich der Differenz von synchroner Drehzahl n*_sy und Läufer­ drehzahl-Istwert n_r ist. Mittels der Ständerdrehzahl-Regel­ einrichtung 60 wird die Ständerdrehzahl n_s dem ständig sich ändernden Ständerdrehzahl-Sollwert n*_s nachgeführt. Bei diesen sich ablösenden Drehzahlregelungen von Ständer 14 und Läufer 12 des Synchrongenerators 2 befindet sich der Synchrongenera­ tor 2 für das angeschlossene Netz 24 immer im synchronen Be­ triebszustand. Am Ende des Ladebetriebes rotiert der Läufer 12 und damit das Schwungrad 4 mit der gewünschten Läuferdreh­ zahl n*_r. Ist dieser Läuferdrehzahl-Sollwert n*_r erreicht, so liefert die Läuferdrehzahl-Regeleinrichtung 58 einen Lei­ stungs-Sollwert P*_mot, dessen Wert gerade so groß ist, daß die Reibungsverluste der Synchronmaschine 2 und des Schwungrades 4 gedeckt werden.

Mittels eines Speisebetriebes wird die im Schwungrad 4 ge­ speicherte Energie teilweise oder ganz in das angeschlossene Netz 24 gespeist. Dieser Speisebetrieb kann dadurch ausgelöst werden, daß eine Leistungsspitze im Netz abgedeckt werden muß. Eine derartige Anforderung bewirkt eine Betätigung des Betriebsart-Umschalters 62 derart, daß sein Ausgang mit sei­ nem Generator-Eingang 74 verbunden ist. Am Generator-Eingang 74 steht ein negativer Leistungs-Sollwert P*_gen für den Genera­ tor-Betrieb des Synchrongenerators 2 an, der mittels des Be­ grenzers 76 dem Eingang 74 zugeführt wird. Damit steht am Sollwert-Eingang der Leistungs-Regeleinrichtung 64 ein nega­ tiver Wert an, der dafür sorgt, daß die Summenstellgröße S_np derart verändert wird, daß eine positive Lastwinkeländerung stattfindet. Ein positiver Lastwinkel δ zeigt den Generator­ betrieb des Synchrongenerators 2 an, wobei in der Fig. 4 ein entsprechendes Zeigerbild dargestellt ist. Entsprechend des gewünschten abzugebenden Leistungs-Sollwertes P*_gen stellt sich ein positiver Lastwinkel δ ein, der mittels des Sollwert- Bildners 70 und der Ständerdrehzahl-Regeleinrichtung 60 auf­ rechtgehalten wird. Mit Abgabe der im Schwungrad 4 gespei­ cherten Leistung ans Netz 24 verringert sich der Läuferdreh­ zahl-Istwert n_r. Mit dieser Verringerung des Läuferdrehzahl- Istwertes n_r erhöht sich der Ständerdrehzahl-Sollwert n*_s, der gleich der Differenz von synchroner Drehzahl n*_sy und Läufer­ drehzahl-Istwert n_r ist. Mittels der Ständerdrehzahl-Regel­ einrichtung 60 wird der Ständerdrehzahl-Istwert n_s diesem sich ständig verändernden Ständerdrehzahl-Sollwert n*_n nachge­ führt. Theoretisch kann dieser Speisebetrieb so lange auf­ rechterhalten werden, bis die gesamte im Schwungrad 4 gespei­ cherte Energie in das am Synchrongenerator 2 angeschlossene Netz 24 gespeist ist. In diesem Endzustand ist der Läufer­ drehzahl-Istwert n_r gleich Null und der Ständerdrehzahl-Ist­ wert n_s gleich der synchronen Drehzahl n*_sy. Während des ge­ samten Speisebetriebes befindet sich der Synchrongenerator 2 aus Sicht des Netzes 24 in synchronem Betrieb. Dies wird durch die erfindungsgemäßen ablösenden Drehzahlregelungen von Läufer 12 und Ständer 14 des Synchrongenerators 2 erreicht.

Diese Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher kann auch bei Kraftwerken angewendet werden. Dazu wird das Schwungrad 4 durch einen Turbosatz ersetzt. Eine Kraftwerk­ seinheit, bestehend aus mehreren Komponenten mit verschiede­ nen Teilwirkungsgraden, braucht nicht mehr nur für die syn­ chrone Drehzahl optimiert werden. Befindet sich das Optimum der Summe der Teilwirkungsgrade im Bereich der unter- oder übersynchronen Drehzahl, so kann bei der möglichen Drehzahl­ variabilität dieser Energieversorgungsanlage dies ausgenutzt werden. Jede Komponente kann dann kostengünstig dimensioniert werden. Das vorgeschlagene Energieversorgungsanlagenkonzept verbessert durch die direkte Lastwinkelregelung das Stabili­ tätsverhalten der Kraftwerkseinheiten.

Claims (6)

1. Energieversorgungsanlage mit Schwungradspeicher, wobei diese Anlage einen Synchrongenerator (2), ein Schwungrad (4), einen drehzahlveränderbaren Antrieb (6) mit Tachogenerator (44) und eine Regeleinrichtung (54) aufweist und wobei das Schwungrad (4) auf einer Welle (10) mit dem Läufer des Syn­ chrongenerators (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ständer (14) des Synchrongenerators (2) drehbar gela­ gert und mit einem Getriebe (8) versehen ist, daß jede Wick­ lung der mehrphasigen Wicklung (28) des Ständers (14) des Synchrongenerators (2) mittels eines Schleifringes (26) und einer Bürste (28) mit einem Klemmenanschluß (30) des Syn­ chrongenerators (2) elektrisch leitend verbunden ist, daß der drehzahlveränderbare Antrieb (6) mit dem Getriebe (8) verbun­ den ist, und daß der Läufer (12) des Synchrongenerators (2) mit einem weiteren Tachogenerator (46) versehen ist, der ebenfalls mit der Regeleinrichtung (54) verknüpft ist.

2. Energieversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der drehzahlveränderbare Antrieb (6) einen niederpoligen Asynchronmotor (20) und einen Spannungszwischenkreis-Umrich­ ter (32) aufweist.

3. Energieversorgungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Getriebe (8) ein Schneckengetriebe vorgesehen ist, dessen abtriebsseitiges Zahnrad (16) entlang des Umfangs des Ständers (14) angeordnet ist und antriebsseitiges Zahnrad (18) mit dem drehzahlveränderbaren Antrieb (6) verbunden ist.

4. Energieversorgungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (54) eine Ständerdrehzahl-Regelein­ richtung (60), eine Läuferdrehzahl-Regeleinrichtung (58), ei­ nen Betriebsart-Umschalter (62), eine Leistungs-Regeleinrich­ tung (64), einen Leistungs-Istwertrechner (66) und eine Steu­ ereinrichtung (56) aufweist, daß die Ständerdrehzahl- und Leistungs-Regeleinrichtung (60, 64) ausgangsseitig mittels eines Summierers (68) mit einem Eingang der Steuereinrichtung (56) verknüpft ist, daß die Läuferdrehzahl-Regeleinrichtung (58) ausgangsseitig mittels des Betriebsart-Umschalters (62) mit einem Sollwert-Eingang der Leistungs-Regeleinrichtung (64) verknüpft ist, dessen Istwert-Eingang mit einem Ausgang des Leistungs-Istwertrechners (66) verbunden ist, und daß der Ausgang des weiteren Tachogenerators (46) mit einem Istwert- Eingang der Ständer- und Läuferdrehzahl-Regeleinrichtung (60, 58) und der Ausgang des Tachogenerators (44) des drehzahlver­ änderbaren Antriebs (6) mit einem Istwert-Eingang der Stän­ derdrehzahl-Regeleinrichtung (60) verbunden sind.

5. Energieversorgungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ständerdrehzahl-Regeleinrichtung (60) eingangsseitig einen Sollwert-Bildner (70) aufweist.

6. Energieversorgungsanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert-Bildner (70) eine Recheneinrichtung (80) und einen Vergleicher (82) aufweist, dessen nichtinvertierender Eingang mit einem Ausgang der Recheneinrichtung (80) und des­ sen invertierender Eingang mit dem Ausgang des weiteren Ta­ chogenerators (46) verbunden ist.