DE102009054971A1

DE102009054971A1 - Generator-Netzeinspeiseschaltung

Info

Publication number: DE102009054971A1
Application number: DE200910054971
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. 33378 Bünte
Original assignee: LTI Drives GmbH
Current assignee: Keba Industrial Automation Germany GmbH
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Generator-Netzeinspeiseschaltung und ein Nachrüstverfahren für einen Stromgenerator, umfassend eine Generatoreinrichtung (02) zur Erzeugung einer Generatorwechselspannung in einem Generatorkreis (06), eine Gleichrichtereinrichtung (03) zum Umwandeln der Generatorwechselspannung des Generatorkreises (06) in eine Gleichspannung in einem Gleichspannungskreis (07) und eine Wechselrichtereinrichtung (04) zum Umwandeln der Gleichspannung des Gleichspannungskreises (07) in eine Netzwechselspannung in einem Netzkreis (08) für die Energieeinspeisung in einem Spannungsversorgungsnetz (05). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Gleichspannungskreis (07) zwischen Gleichrichtereinrichtung (03) und Wechselrichtereinrichtung (04) eine Gleichspannungswandlereinrichtung (12) angeordnet ist, die ausgelegt ist, das von der Gleichrichtereinrichtung (03) bereitgestellte Generator-Gleichspannungspotential U_GG des Generator-Gleichspannungskreises (26) in ein Netz-Gleichspannungspotential U_NG des Netz-Gleichspannungskreises (27) für die Versorgung der Wechselrichtereinrichtung (04) zu wandeln.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltung und ein Nachrüstverfahren für einen Stromgenerator zur Einspeisung der vom Generator erzeugten Spannung in ein Spannungsversorgungsnetz. Hierzu umfasst die Schaltung einer Generatoreinrichtung zur Erzeugung einer Generatorwechselschaltung in einem Generatorkreis, einer Gleichrichtereinrichtung zur Umwandlung der Generatorwechselspannung des Generatorkreises in eine Gleichspannung in einem Gleichspannungskreis und einer Wechselrichtereinrichtung zur Umwandlung der Gleichspannung des Gleichspannungskreises in eine Netzwechselspannung in einem Netzkreis für die Energieeinspeisung in einem lokalen oder öffentlichen Spannungsnetz.
Aus dem Stand der Technik sind Stromgeneratoren, insbesondere Notstromgeneratoren bekannt, bei denen ein Verbrennungsmotor mit einer konstanten Drehzahl von typischerweise 1500 bis 3000 Umdrehungen pro Minute einen Synchrongenerator antreiben, der am Ausgang eine Versorgungsspannung mit einer konstanten Frequenz bereitstellt, die der Netzfrequenz des einzuspeisenden Netzes, typischerweise 50 oder 60 Hz entspricht. Eine Anpassung der Spannung erfolgt zum einen durch eine entsprechende Auslegung des Synchrongenerators, der unmittelbar die erforderliche Netzspannung, typischerweise 230/400 V oder 120/210 V, liefern können. Zum anderen können Netztransformatoren eingesetzt werden, die die Generatorspannung zur Anpassung an die erforderliche Netzsspannung transformieren. Zur Bereitstellung der gewünschten Frequenz ist es notwendig, den Synchrongenerator lastunabhängig mit einer konstanten Drehzahl zu betreiben, wobei im Unterlastfall unnötige Leistungsverluste verursacht werden, und im Überlastfall ein schlagartiges Stillstehen des Generators auftreten kann.
Daher existieren Bemühungen, die Drehzahl und damit die bereitgestellte Ausgangsleistung des den Generator antreibenden Verbrennungsmotors lastabhängig zu steuern, beispielsweise in einem Drehzahlbereich von etwa 1000 bis 3000 Umdrehungen pro Minute. Hieraus ergeben sich unterschiedliche Generatorspannungen und Generatorfrequenzen, so dass zur Herstellung einer konstanten Versorgungsspannung und konstanten Netzfrequenz leistungselektronische Mittel eingesetzt werden. Grundsätzlich gibt es hierfür zwei verschiedene Lösungsmöglichkeiten:
Zum einem wird ein Generator an einen Wechselrichter gekoppelt, der aus der AC-Generatorspannung mittels gesteuerter Wechselrichtertätigkeit eine DC-Spannung im Gleichspannungskreis produzieren kann, diese wird zur Netzseite hin über einen Wechselrichter geführt, um die erforderliche AC-Netzspannung mit Netzfrequenz herzustellen. Der Aufwand beim Einsatz zweier Wechselrichter, einem generatorseitigen und einem netzseitigen Wechselrichter, erfordert einem hohen Bauteile- und Steuerelektronikaufwand hinsichtlich der Leistungselektronik, wobei insbesondere Leistungsverluste und zusätzliche Schaltverluste groß sind, und hohe Anforderung an die Kühlung der Leistungshalbleiter gestellt werden müssen. Gegebenenfalls muss am Generator ein Drehgeber eingesetzt werden, um die Generatordrehzahl zu erfassen und sowohl Drehzahl als auch Umrichtersteuerung entsprechend anpassen zu können.
Alternativ hierzu kann auf Generatorseite ein Brückengleichrichter eingesetzt werden, um eine DC-Spannung im Gleichspannungskreis zu erzeugen. Diese wird netzseitig über einen Wechselrichter geführt werden, um die erforderliche Netzfrequenz und Netzspannung herzustellen. Problematisch ist in diesem Fall, dass die DC-Spannung im Gleichspannungskreis proportional zur Generatordrehzahl schwankt und dabei so zu wählen ist, dass bei maximaler Drehzahl eine zuverlässige DC-Spannung im Gleichspannungskreis, die typischerweise über der Spitzenspannung des Einspeisenetzes liegen muss, nicht unterschritten werden darf. So liegen typische DC-Spannungen im Gleichspannungskreis bei 800 Volt bei üblichen Netzgeneratoren. Es besteht somit das Problem, das bei zu geringer Drehzahl des Generators die DC-Spannung im Gleichspannungskreis zu gering ausfällt, um die erforderliche Spitzenspannung der Netzspannung zur Verfügung zu stellen. Beispielsweise werden im Gleichspannungskreis lediglich 190 Volt zur Speisung eines 400-Volt-Dreiphasennetz erzeugt. Bei derartig geringen DC-Spannungen im Gleichspannungskreis ist eine direkte Bildung eines 400-Volt-Netzes mit jeweiligen 230 Volt Spitzenspannung pro Phase nicht möglich und daher ein Einsatz eines Transformators, entweder auf Generatorseite oder auf Netzseite zwingend erforderlich, wobei der Generator die gelieferte geringe Spannung auf die Netzspannung beispielsweise von 190 Volt AC auf 230 Volt AC anheben kann.
In der Regel wird zur Netzspannungsanpassung ein netzseitiger Anpassungstransformator eingesetzt, wobei aufgrund der zu geringen Ausgangsspannungen des netzseitigen Wechselrichters bei konstanter Leistung der notwendige Strom entsprechend groß wird, was wiederum sehr teure Halbleiter für den Brückengleichrichter und den Wechselrichter erfordert. Solche teuren Halbleiter und insbesondere der Einsatz eines Transformators treiben die Kosten für einen solchen Stromgenerator, insbesondere für einen Notstromgenerator in die Höhe. Dazu kommt bei mobilen Geräten insbesondere das mit dem Einsatz eines Transformators verbundene extrem hohe Eigengewicht des Generators.
Somit ergeben sich verschiedene Probleme aus dem Stand der Technik, wie beispielsweise der Einsatz sehr teurer und aufwendiger Leistungshalbleiterelektronik, die Verwendung eines zusätzlichen Transformators, die geringen Leistungsbereiche und die aufgrund der nicht angepassten Drehzahl des Verbrennungsmotors auftretenden Energieverluste bzw. die Gefahr einer ungenügenden Energiebereitstellung für ein Notstromaggregat. Im Falle einfach aufgebauter direkt einspeisender Generatoren wird die starre Kopplung von Netzspannung und Netzfrequenz zwischen Generator und Netzseite als problematisch angesehen, wobei der Stromgenerator nur unflexible eingesetzt werden kann.
Ausgehend von den vorgenannten Problemen ist es daher Aufgabe der Erfindung, eine einfache Schaltung für die Ankopplung eines Stromgenerators an ein zu speisendes Netz vorzuschlagen, bei dem spannungs- und frequenzunabhängig zwischen einer Generatorseite und einer Netzseite elektrische Energie unter Verwendung einfacher, günstiger Halbleiterelektronik bereitgestellt werden kann. Des Weiteren wird ein Konzept vorgeschlagen, wie bereits vorhandene Aggregate diesbezüglich nachgerüstet werden können.
Zur Lösung schlägt die Erfindung eine Schaltung für einen Stromgenerator vor, der eine Generatoreinrichtung zur Erzeugung einer Generatorwechselspannung in einem Generatorkreis, eine Gleichrichtereinrichtung zum Umwandeln der Gleichgeneratorwechselspannung des Generatorkreises in eine Gleichspannung in einem Gleichspannungskreis und eine Wechselrichtereinrichtung zum Umwandeln der Gleichspannung des Gleichspannungskreises in eine Netzwechselspannung in einem Netzkreis für die Energieeinspeisung in einem öffentlichen oder lokalen Spannungsversorgungsnetz umfasst. Hierbei ist unter dem Begriff Wechselspannung sowohl eine einphasige, zweiphasige oder auch dreiphasige Drehstromwechselspannung zu verstehen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass im Gleichspannungskreis zwischen Gleichrichtereinrichtung und Wechselrichtereinrichtung eine Gleichspannungswandlereinrichtung angeordnet ist, die ausgelegt ist, das von der Gleichrichtereinrichtung bereitgestellte Generator-Gleichstellungspotential U_GG des Generator-Gleichspannungskreises in einem Netz-Gleichspannungskreis-Potential U_NG des Netz-Gleichspannungskreises für die Versorgung der Wechselrichtereinrichtung zu wandeln. Mit anderen Worten betrifft die Schaltung ein Ankopplungskonzept zwischen Generator und zu speisendem lokalem oder öffentlichem Energieversorgungsnetz, beispielsweise einem öffentlichen Subnetz zur temporären Versorgung eines Wohngebietes oder einer Industrieanlage bei Reparatur einer Umspannstation oder einer lokales Energienetz, beispielsweise für die Versorgung einer temporär errichteten Anlage wie einem Festzelt oder einem Open-Air-Konzert, oder für einen dauerhaften Betrieb einer von einem öffentlichen Energienetzes weit entfernten Anlage. Hierzu umfasst die Schaltung typische Bauteile eines Stromgenerators wie Gleichrichtereinrichtung, Gleichspannungskreis und Wechseleinrichtereinrichtung. Der Gleichspannungskreis wird erfindungsgemäß in zwei Teile getrennt, in einen generatorseitigen Teil, dem Generator-Gleichspannungskreis mit Generator-Gleichspannungspotential U_GG, das direkt aus der Gleichrichtereinrichtung gewonnen wird, und einem netzseitigen Teil, dem Netz-Gleichspannungskreis mit Netz-Gleichspannungspotential U_NG, der zur Versorgung einer Wechseleinrichtung dient, die die Netzgleichspannung in eine Netzwechselspannung mit angepasster Netzspannung und Netzfrequenz wandelt. An der Verbindungsstelle zwischen Generator-Gleichspannungskreis und Netz-Gleichspannungskreis ist eine Gleichspannungswandlereinrichtung angeordnet, die das Potential des Generator-Gleichspannungskreises U_GG, das variabel mit der Drehzahl und der Ausführung des Generators variieren kann, in ein in der Regel konstantes Netz-Gleichspannungs-Potential U_NG des Netz-Gleichspannungskreises wandelt. Für eine konkrete Ausführung einer solchen Gleichspannungswandlereinrichtung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung, beispielsweise die Verwendung von unterstützenden Hilfsbatterien oder die Verwendung von aufladbaren Akkumulatoren oder Kondensatoren. Des Weiteren können, wie im Nachfolgenden beschrieben wird, besonders gut geeignete elektronische Schaltungen eingesetzt werden.
Mit Hilfe der Trennung zwischen Generator- und Netz-Gleichspannungskreis ist der Generator nicht starr über Brückengleichrichter und Wechselrichter an den Netzkreis gekoppelt, und muss daher nicht die Anforderung erfüllen, eine ausreichende Spannungshöhe mit mindestens der Spitzenamplitude der Netzspannung für den Betrieb der Wechselrichtereinrichtung zur Verfügung zu stellen. Diese beträgt beispielsweise bei einem 230/400 V Drehstromnetz 325 Volt Gleichspannung. Somit kann der Generator unabhängig von den Anforderungen des zu versorgenden Spannungsnetzes eine beliebige Frequenz und in den Grenzen der Gleichspannungswandlereinrichtung eine beliebige Spannungshöhe der erzeugten elektrische Energie zur Verfügung stellen, die in einer Generator-Gleichspannung auf die erforderliche Höhe zur Erzeugung einer netzangepassten Wechselspannung gewandelt wird, wobei die Gleichspannungswandlereinrichtung eine Anhebung bzw. Absenkung der elektrische Gleichspannung U_GG des Generator-Gleichspannungskreises bewirkt, so dass sie der Höhe des Netzgleichspannungspotentials U_NG, das zum Betrieb der Wechselrichtereinrichtung benötigt wird, bereitstellen kann. Diese entspricht zumindest der Höhe der Spitzenspannung der zum Spannungsversorgungsnetz zu liefernden Wechselspannung.
In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel umfasst die Schaltung eine Überwachungs- und Steuervorrichtung, die ausgelegt ist, Messwerte in den Generatorkreis und/oder dem Gleichspannungskreis und/oder dem Netzkreis zu erfassen, die die von der Generatoreinrichtung an das Spannungsversorgungsnetz abgegebene Strom- Spannungs- und/oder Leistungswerte charakterisieren. Eine Überwachungs- und Steuervorrichtung kann vornehmlich der Steuerung der Gleichspannungswandlereinrichtung dienen, insbesondere der Höhe des zu erhöhenden oder abzusenkenden Gleichspannungspotential U_NG – U_GG und benötigt hierzu zumindest Kenntnis über die Höhe des Generator-Gleichspannungs-Potentials U_GG, des Netz-Gleichspannungspotentials U_NG und/oder der abgegebenen Netzspannung. Besonders vorteilhaft können daneben die fließenden Ströme oder abgegebenen Leistungen gemessen werden, um festzustellen, ob die Gleichspannungswandlereinrichtung in der Lage ist, das zu überbrückende Spannungspotential anzuheben bzw. abzusenken oder ob ein Überlastfall auftritt (zu große Potentialdifferenz). Im Fall eines Überlastfalls kann grundsätzlich eine Abschaltung der Gleichspannungswandlereinrichtung erfolgen, wobei zum einen Trennung des Gleichspannungskreises oder eine direkte Verbindung von Generator- und Netz-Gleichspannungskreis die Folge sein kann, d. h. eine vollständige Abschaltung des Stromgenerators, oder eine unmittelbare Kopplung von Generator- und Netz-Gleichspannungskreis, mit der Folge, dass eine nicht angepasste Gleichspannung zur Verfügung gestellt wird. Daneben ist im Überlastfall ein unterbrechungsfreier Einsatz der Gleichspannungswandlereinrichtung denkbar, so dass die Gleichspannungswandlereinrichtung im Rahmen ihrer Möglichkeiten versucht, das Generator-Gleichspannungspotential U_GG an das Netz-Gleichspannungspotential U_NG anzupassen, so dass lediglich eine minimierte Spannungslücke bei Versorgung des Spannungsversorgungsnetzes entsteht.
Ist die Schaltung mit einer Überwachungs- und Steuervorrichtung vorgesehen, so ist es weiterhin vorteilhaft, einen steuerbaren Stromgenerator, insbesondere einen Stromgenerator mit Verbrennungsmotor als Generatoreinrichtung vorzusehen, wobei die elektrische Ausgangsleistung des Stromgenerators, insbesondere die Drehzahl eines Verbrennungsmotors mittels der Überwachung- und Steuervorrichtung gesteuert werden kann. Dabei kann grundsätzlich die Leistungsabgabe jedes steuerbaren Generators, der mechanische in elektrische Energie wandelt, beeinflusst werden, beispielsweise eine Gas- oder Dampfturbinengenerator, Diesel- oder Benzingenerator, etc. Somit kann die Überwachung- und Steuervorrichtung vorteilhaft dazu verwendet werden, die Gleichspannungswandlereinrichtung zum Angleichen des Generator-Gleichspannungspotentials U_GG an das Netz-Gleichspannungspotential U_NG zu steuern, und im Falle einer zu niedrigen (Überlastfall) oder einer zu hohen Generatorspannung, den Stromenergie produzierenden Stromgenerator derart zu steuern, dass die Spannung U_GG an die Spannung U_NG derart angeglichen werden kann, dass ein weiteres Angleichen mittels der Gleichspannungswandlereinrichtung möglich oder sogar unnötig ist. Somit lässt sich effizient die Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe eines steuerbaren Stromgenerators regeln, wobei dieser in gewissen Grenzen von der abzugebenden Energie an das Netz abweichen kann, und in diesen Grenzen die Gleichspannungswandlereinrichtung die Anpassung der beiden Spannungspotentiale vornehmen kann.
Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der vorgenannten Ausführungsform sieht vor, den steuerbaren Stromgenerator über eine Generatorsteuerleitung entsprechend der von der Generatoreinrichtung abgegebenen elektrischen Leistung zu steuern. Eine direkte Kopplung des steuerbaren Stromgenerators mit der Überwachungs- und Steuervorrichtung kann dazu dienen, den Stromgenerator entsprechend der Spannungsdifferenz U_NG – U_GG bzw. der zu liefernden und der abzugebenden Leistung derart zu steuern, dass eine verlässliche Bereitstellung elektrischer Energie der Generatoreinrichtung zur Einspeisung in das Netz erfolgen kann.
Des Weiteren ist es durchaus sinnvoll, die Überwachungs- und Steuervorrichtung in der Generatoreinrichtung zu integrieren. Hierdurch kann insbesondere eine direkte Steuerung des Stromgenerators mittels der Überwachungs- und Steuervorrichtung kompakt ausgeführt werden.
Des Weiteren ist es bei Überwachung der Generatorschaltung mittels einer Überwachungs- und Steuervorrichtung vorteilhaft, die Gleichspannungswandlereinrichtung über eine Gleichspannungswandler-Steuerleitung entsprechend der von der Generatoreinrichtung abgegebenen elektrischen Leistung zu steuern, insbesondere ein- und auszuschalten. Wird beispielsweise eine elektrische Spannung vom Stromgenerator mit einem Generator-Gleichspannungspotential U_GG geliefert, das ausreicht, um die Anforderung an das Netz-Gleichspannungs-Potential U_NG zu erfüllen, insbesondere so dass U_GG ≥ U_NG ≥ Û gilt (Û = Spitzenspannung der Netzwechselspannung), so kann die Gleichspannungswandlereinrichtung abgeschaltet werden, wobei die beiden Gleichspannungskreise galvanisch miteinander verbunden werden können. Im Falle dass das Generator-Gleichspannungspotential U_GG kleiner als das erforderliche Netz-Gleichspannungspotential U_NG ist, insbesondere wenn U_GG < Û gilt, ist es erforderlich, die Gleichspannungswandlereinrichtung mittels der Überwachungs- und Steuervorrichtung zu aktivieren. Ist jedoch die Differenz zwischen Generator-Gleichspannungspotential U_GG und Netz-Gleichspannungspotential U_NG so groß, dass die Gleichspannungswandlereinrichtung nicht in der Lage ist, zusätzliche Spannung bereitzustellen, so kann die Überwachungs- und Steuervorrichtung durch Erhöhung der Drehzahl und der abgegebenen Leistung des Stromgenerators erreichen, dass die Potentialdifferenz zumindest in einen Bereich gebracht werden kann, in dem die Gleichspannungswandlereinrichtung in der Lage ist, eine adaptive Anpassung der vom Stromgenerator an das Netz abgegebene elektrische Leistung zu bewirken.
Grundsätzlich kann die Gleichspannungswandlereinrichtung beliebig ausgeführt sein und beispielsweise zusätzliche Hilfsenergie-Spannungsquellen wie Akkumulatoren oder Batterien umfassen. Als besonders bevorzugt ist die Gleichspannungswandlereinrichtung jedoch als Gleichspannungs-Aufwärtswandler ausgelegt. Ein Aufwärtswandler, der auch als Hochsetzsteller, Boost-Konverter, Step-up-Konverter oder Aufwärtsregler bezeichnet wird, ist eine elektronische Schaltung zur Gleichspannungsumwandlung. Dabei ist der Betrag der Ausgangsspannung, die als Netz-Gleichspannungspotential U_NG an die Wechselrichtereinrichtung abgegeben werden kann, stets größer als der Betrag der Eingangsspannung U_GG des Generator-Gleichspannungspotentials. Grundsätzlich sind solche Aufwärtswandler durch die Zusammenschaltung einer Induktivität (Spule) in Reihe mit einer Freilaufdiode geschaltet, hinter der ein Ladekondensator die Ausgangsspannung aufsummiert. Die Spule wird durch einen Schalter, der in der Regel einen Halbleiterschaltelement wie GTO-Thyristor oder Transistor ist, gegen Masse geschaltet. An der Spule fällt nun die Eingangsspannung U_GG ab, wobei die Relation U_L = L· d / dtI_L gilt, mit U_L, I_L als Spannung und Strom der Induktivität und L dem Wert der Induktivität. Die Spule speichert dabei magnetische Energie in ihrem Magnetfeld. Wird der Schalter nun geöffnet, versucht die Spule der Lenzschen Regel folgend den Stromfluss aufrechtzuerhalten, so dass die Spannung am wechselrichterseitigen Ende sehr schnell ansteigt, bis sie die am Kondensator anliegende Spannung U_NG übersteigt und die Diode öffnet. Ein Strom fließt in diesem ersten Moment unverändert weiter und lädt den Kondensator weiter auf. Durch Aufrechterhaltung des Stromflusses baut sich das Magnetfeld der Spule ab und gibt seine Energie durch weitere Aufladung des Kondensators ab, in dem er den Strom durch die Diode in den Ladekondensator und zur Last treibt. Durch diese pulsförmige Aufladung des Ladekondensators ist ist die Ausgangspannung eines Aufwärtswandlers stets größer als die Eingangsspannung. Entsprechend der Dimensionierungen der Spule und des Kondensators können sehr hohe Spannungsunterschiede überschritten werden, sofern die energieeinspeisende Spannungsquelle, in diesem Fall der Stromgenerator, genügend Leistung zu Verfügung stellen kann. Statt einer Diode D kann ein weiterer Schalter eingesetzt werden, der in Verbindung mit einer Steuerlogik, die insbesondere von der Überwachungs- und Steuervorrichtung zur Verfügung gestellt werden kann, die Funktion der Diode gesteuert nachahmen kann, so dass auch die Funktion eines Abwärtswandlers mit Hilfe dieser Schaltungsanordnung und geeigneten schaltungstechnischen Maßnahmen nachgeahmt werden kann.
Wird nach obigem Ausführungsbeispiel als Gleichspannungswandlereinrichtung ein Aufwärtswandler verwendet, so ist es besonders vorteilhaft, dass der Aufwärtswandler eine Freilaufdiode und eine Spannungswandlerschalteinrichtung, insbesondere einen Hochleistungs-Halbleiterschalter wie IGBT oder ähnliches umfasst, wobei die für den Aufwärtswandlerbetrieb erforderliche Induktivität durch die Induktivität der Generatoreinrichtung selbst, insbesondere durch die Ständerwicklung eines in der Generatoreinrichtung umfassten Generators und die Ladekapazität des Ladekondensators durch einen Glättungskondensator des Gleichspannungskreises bereitgestellt werden kann. Aufgrund der schaltungstechnischen Konfiguration des Stromgenerators kann bei Ausführung der Gleichspannungswandlereinrichtung als Aufwärtswandler auf den Einsatz einer getrennten Induktivität, die durch Speicherung der magnetischen Energie und gezielter Abgabe der Energie an einen Ladekondensator eine Spannungserhöhung nach vorgestelltem Ablauf bereitstellen kann, verzichtet werden. Die notwendige magnetische Induktivität kann durch die bereits vorhandene Ständerwicklung des Stromgenerators, insbesondere die Ständerwicklungen eines Synchrongenerators realisiert werden. Hiermit lassen sich insbesondere Kosten für eine zusätzliche Induktivität sowie Gewicht sparen. Des Weiteren sind die Ständerwicklungen des Stromgenerators insbesondere für die hohen Leistungen, die von dem Stromgenerator abzugeben sind, ausgelegt und erfülleb somit die notwendige Spezifikation für die erforderliche Hochsetzsteller-Induktivität des Aufwärtsstellers.
Bei Verwendung der vorgenannten Bauteile zur vorteilhaften Ausführung eines Aufwärtswandlers ist es weiterhin vorteilhaft, dass die Gleichrichtereinrichtung und/oder die Gleichspannungswandlereinrichtung schnell schaltende Dioden, insbesondere Schottky- oder Siliziumcarbid-Dioden umfassen, um Taktfrequenzen des Aufwärtswandlers im Bereich bis zu 100 kHz zu ermöglichen. Somit müssen neben einem leistungsfähigen Ladekondensators des Aufwärtswandlers zuverlässige, langlebige und schnellschaltende Dioden für hohe Leistungen bereitgestellt werden. Der Einsatz von Schottky- oder Siliziumcarbid-Dioden ermöglichen extrem hohe Taktfrequenzen bei hohen Schaltleistungen im vorgenannten Frequenzbereich und ermöglichen dadurch die Überwindung von sehr großen Spannungsdifferenzen zwischen Generator-Gleichspannungspotential U_GG und Netz-Gleichspannungspotential U_NG.
Zur Erhöhung der Einschaltgeschwindigkeit und zur Überbrückung von kurzen Ausschaltphasen des Stromgenerators ist es vorteilhaft möglich, dass der Gleichspannungskreis des Weiteren eine Anlaufspannungsquelle umfasst, die dazu ausgelegt ist, in der Anlaufphase der Generatoreinrichtung ein Anlaufgleichspannungspotential U_NG, U_GG zumindest so lange in den Gleichspannungskreis einzuspeisen, bis die Gleichrichtereinrichtung ein ausreichendes Generator-Gleichspannungspotential U_GG im Generator-Gleichspannungskreis bereitstellen kann. Hierzu kann eine Anlaufspannungsquelle, insbesondere eine Batterie, Akkumulatoren oder sonstige Hilfsspannungsquellen entweder direkt in den Generator-Gleichspannungskreis ein Anlauf-Gleichspannungspotential U_NG oder, falls eine Netzgleichspannung von der Anlaufspannungsquelle bereitgestellt werden kann, die zumindest so groß wie die maximale Amplitude Û der Netzspannung ist, direkt in den Netz-Gleichspannungskreis eingespeist werden. Mittels dieser direkten Einspeisung von Spannung einer Anlaufspannungsquelle kann nach Aktivieren innerhalb kürzester Zeit eine Spannung erzeugt werden, bis der Stormgenerator eine so hohe Generatorgleichspannung liefern kann, dass zumindest mit Hilfe der Gleichspannungswandlereinrichtung eine genügend große generatorseitig lieferbare Netzgleichspannung bereitgestellt werden kann. Eine solche Anlaufspannungsquelle kann insbesondere beim Einsatz von unterbrechungsfreien Stromversorgungen, beispielsweise zur Herstellung der Netzsicherheit in Krankenhäusern, sonstigen medizinischen Einrichtungen oder beim Betrieb von Rechenzentren eingesetzt werden.
Umfasst die Schaltung eine Anlaufspannungsquelle, so ist es weiterhin vorteilhaft, dass zwischen der Anlaufspannungsquelle und dem Gleichspannungskreis eine weitere Gleichspannungswandlereinrichtung angeordnet ist, die ausgelegt ist, das Potential der Anlaufspannungsquelle in das Potential des Gleichspannungskreises, insbesondere in das Potential des Netz-Gleichspannungskreises zu wandeln. Somit kann es vorteilhaft möglich sein, neben der Gleichspannungswandlereinrichtung, die das Generator-Gleichspannungspotential U_GG in das Netz-Gleichspannungspotential U_NG wandelt, eine weiteren Gleichspannungswandlereinrichtung vorzusehen, die dazu dient, die Spannung der Anlaufspannungsquelle in die erforderliche Spannung des Generator-Gleichspannungskreises, insbesondere in das Potential des Netz-Gleichspannungskreises U_NG zu wandeln. Somit kann die Anlaufspannungsquelle beliebig und besonders kostengünstig durch Verwendung handelsüblicher Batterien oder Akkumulatoren ausgeführt sein und die Anpassung an die Höhe des Gleichspannungskreises kann mittels einer weiteren Gleichspannungswandlereinrichtung vorgenommen werden.
Wie bereits oben angesprochen, ist es dabei vorteilhaft denkbar, dass die Anlaufspannungsquelle als wiederaufladbare Anlaufspannungsquelle, insbesondere als wiederaufladbarer Akkumulator, Kondensator etc. ausgelegt ist. Mittels einer wiederaufladbaren Anlaufspannungsquelle wird eine wartungsarme und besonders langlebige Ausführung eines Stromgenerators zur Verfügung gestellt, der über extrem kurze Einschaltzeiten verfügen kann.
Umfasst die Stromgeneratorschaltung eine Anlaufspannungsquelle in Verbindung mit einer zweiten Gleichspannungswandlereinrichtung, so ist es bei wiederaufladbaren Anlaufspannungsquellen besonders vorteilhaft, dass die weitere Gleichspannungswandlereinrichtung eine Kombination aus einer Aufwärts- und einer Abwärtswandlerschaltung umfassen kann, die in der Regel mindestens zwei Freilaufdioden, eine Induktivität, eine Aufwärtswandlerschalteinrichtung und einer Abwärtswandlerschalteinrichtung umfasst, wobei die Gleichspannungswandlereinrichtung ausgelegt ist, zur Einspeisung des Potentials der Anlaufspannungsquelle in das Potential des Gleichspannungskreises zu wandeln und zur Aufladung das Potential des Gleichspannungskreises in das Potential der Anlaufspannungsquelle zu wandeln. Mit anderen Worten, ist es besonders vorteilhaft, zur Ankopplung einer wiederaufladbaren Anlaufspannungsquelle an den Gleichspannungskreis zwischen Brückengleichrichter und Wechselrichter des Stromgenerators sowohl eine Aufwärts- als auch eine Abwärtswandlerschaltung vorzusehen, wobei die Aufwärtswandlerschaltung dazu dient, die meist geringe Spannung der Anlaufspannungsquelle in die hohe Gleichspannung des Gleichspannungskreises zu überführen, und die Abwärtswandlerschaltung dazu dient, die hohe Spannung des Gleichspannungskreises, die während des Betriebs des Stromgenerators herrscht, auf eine niedrige Spannung der wiederaufladbaren Anlaufspannungsquelle zu wandeln, um diese mit dieser Spannung während des Betriebs des Stromgenerators aufladen zu können. Besonders kompakt und einfach kann eine kombinierte Auf- und Abwärtswandlerschaltung mittels zweier Freilaufdioden, einer Induktivität, einer Aufwärtswandlerschalteinrichtung (ein entsprechendes Schaltelement) und einer Abwärtswandlerschalteinrichtung (ein entsprechendes Schaltelement) ausgeführt werden, wobei durch gesteuerten Betrieb der Aufwandswandler- und Abwärtswandlerschalteinrichtung, insbesondere der darin enthaltenen Halbleiterschalter, die Aufwärtswandlung zur Versorgung des Gleichspannungskreises bzw. die Abwärtswandlung zur Aufladung der Anlaufspannungsquelle geregelt werden kann. Somit kann auf eine getrennte Aufladesteuerung der Anlaufspannungsquelle verzichtet werden und eine möglichst kompakte und einfache Bauform des Generators ermöglicht werden, wobei Induktivität sowie der ohnehin im Gleichspannungskreis befindliche Kondensator sowohl für die Aufwärts- als auch für die Abwärtswandlung genutzt werden kann.
Grundsätzlich können die vorgenannten Schaltungsvarianten mittels diskreter Bauteile realisiert werden. Aus dem Stand der Technik ist jedoch bereits ein vorkonfektioniertes Halbleiterleistungsmodul bekannt, das in der Regel zum Betrieb eines dreiphasigen Drehstrommotors dient und hierzu als wesentliche Elemente eine Brückengleichrichterschaltung, einen Wechselrichter und verschiedene Schaltelemente zum Betrieb einer Bremse eines Motors umfasst. Solche Module werden als CIB-Module (Converter, Inverter, Break)-Module vorkonfektioniert auf dem Markt zu einem günstigen Preis und in einem breitgefächerten Leistungsspektrum angeboten. Besonders vorteilhaft lassen sich solche vorkonfektionierten Halbleiterleistungsmodule, insbesondere CIB-Module innerhalb eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer Stromgeneratorschaltung einsetzen. So kann der darin enthaltene Brückengleichrichter als Gleichrichtereinrichtung und der Wechselrichter als Wechselrichtereinrichtung dienen, wobei die Bauteile der vorgesehenen Bremsenschaltung zumindest teilweise für die Gleichspannungswandlereinrichtung verschaltet werden können. Somit sind ein Großteil der erforderlichen Halbleiterbauelemente bereits in einem vorkonfektionierbaren und in hohen Stückzahlen verfügbaren Halbleiterleistungsmodulen enthalten, so dass die Herstellungskosten für eine erfindungsgemäß Stromgeneratorschaltung sehr gering ausfallen können.
In einem Nebenaspekt wird ein Nachrüstverfahren zur Nachrüstung eines Stromgenerators vorgeschlagen, wobei der Stromgenerator bereits eine Gleichrichtereinrichtung, einen Gleichspannungskreis und eine Wechselrichtereinrichtung umfasst. Das Nachrüstverfahren schlägt vor, den Stromgenerator mit einer Schaltung wie vorstehend beschrieben auszurüsten. Hierzu wird zumindest im Gleichspannungskreis zwischen Gleichrichtereinrichtung und Wechselrichtereinrichtung eine Gleichspannungswandlereinrichtung eingeschaltet, die ausgelegt ist, das von der Gleichrichtereinrichtung bereitgestellte Generator-Gleichspannungspotential U_GG des Generator-Gleichspannungskreises in ein Netz-Gleichspannungspotential U_NG des Netz-Gleichspannungskreises für die Versorgung der Wechselrichtereinrichtung zu wandeln. Insbesondere moderne Stromgeneratoren verfügen über einen Leistungselektronikschaltkreis, der einen Gleichspannungskreises (DC-Zwischenkreis) umfasst. Durch Auftrennung des Gleichspannungskreises und Einschaltung einer Gleichspannungswandlereinrichtung können bestehende Stromgeneratoren in einfacher Art und Weise kostengünstig in erfindungsgemäße Stromgeneratoren umgerüstet werden, und können somit alle Vorteile der Erfindung genießen.
Im Nachfolgenden soll die Erfindung anhand von lediglich Ausführungsbeispielen zeigenden Figuren näher erläutert werden. Dabei kann ein Fachmann, abweichend von den vorgestellten Ausführungsbeispielen, durch Kombination sinnvoller Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele zu weiteren Varianten der Erfindung kommen.
Es zeigen:
1: ein Schaltungsbeispiel eines Stromgenerators für ein Spannungsnetz des Stands der Technik;
2: eine weitere Stromgeneratorschaltung des Standes der Technik zur Versorgung eines Spannungsversorgungsnetzes;
3: ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromgeneratorschaltung;
4: ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromgeneratorschaltung;
5: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromgeneratorschaltung;
6: ein Leistungsdrehzahl- und Spannungsdiagramm in Abhängigkeit der abgegebenen Leistung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Überwachungs- und Steuervorrichtung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stromgenerators;
7: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromgeneratorschaltung;
8: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stromgeneratorschaltung;
9: eine Aufwärtswandler- und Abwärtswandlerschaltung aus dem Stand der Technik;
10: ein ausführliches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Stromgenerators;
11: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromgenerators;
12: die Grundkomponente eines DIP-CIB Moduls des Standes des Technik.
1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Stromgeneratorschaltung. Diese umfasst eine Generatoreinrichtung 02, die einen Drehstrom mittels dreier Generatorspulen erzeugen kann. Eine solche Generatoreinrichtung 02 besteht üblicherweise aus einem Stromgenerator, der mittels einer externen mechanischen Energiequelle, beispielsweise einem Windrad, einem Wasserrad oder einem Verbrennungsmotor, beispielsweise Dieselaggregat, Benzinaggregat oder Gasturbine betrieben werden kann. Die Generatoreinrichtung 02 liefert mittels eines Generatorkreises 06 die erzeugte dreiphasige Generatorspannung an eine Gleichrichtereinrichtung 03, die beispielsweise einen Dreibrückengleichrichter mit sechs Dioden umfassen kann. Mittels der Gleichrichtereinrichtung 03 wird aus dem Generatorwechselstrom eine Gleichspannung eines Gleichspannungskreises 07 erzeugt. Diese Gleichspannung wird einer Wechselrichtereinrichtung 04, die üblicherweise drei Wechselrichterbrücken mit sechs Halbleiterschaltelemente, insbesondere IGBTs umfasst, zugeführt. Diese kann daraus einen Drehstrom, bzw. im Falle einer einzigen Halbbrücke einen Wechselstrom erzeugen, der einen zu versorgendem Spannungsnetz 05 mit angeschlossenen Verbrauchern zugeführt werden kann. Im Falle der Generatorschaltung der 1 wird an die Generatorenrichtung die Forderung gestellt, zumindest eine so hohe Wechselspannung zu erzeugen, dass die maximale Spannungsamplitude ausreicht, um eine Wechselspannung des Netzkreises zu erzeugen, die die geforderte Maximalamplitude bereitstellen kann. Hierzu ist es erforderlich, dass die Generatoreinrichtung zumindest mit einer entsprechenden hohen Drehzahl betrieben wird, um eine möglichst ausreichende Spannung des Gleichspannungskreises bereitzustellen.
2 zeigt eine im Stand der Technik bekannte Weiterentwicklung der in 1 gezeigten Generatorschaltung. Dabei wird, ausgehend davon, dass die Generatoreinrichtung 02 nicht in der Lage ist, eine ausreichend hohe Generatorspannung im Generatorkreis 06 zu erzeugen, zwischen Generatoreinrichtung 02 und Gleichrichtereinrichtung 03 eine generatorseitige Transformatoreinrichtung 11 zwischengeschaltet, um die Spannung zwischen Generatoreinrichtung 02 und Gleichrichtereinrichtung 03 derart anzuheben, um ausreichend Spannung für den Gleichspannungskreis 07 entsprechend der maximalen Amplitude der in das Netz einzuspeisenden Spannung bereitzustellen. Des Weiteren ist im Gleichspannungskreis 07 ein Glättungskondensator vorgesehen, um die Restwelligkeit der aus der Gleichrichtereinrichtung 03 hervorgehenden Generatorspannung zu glätten.
3 stellt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Generatorschaltung 01 dar und entspricht in ihrem wesentlichen Aufbau der in 1 gezeigten Generatorschaltung des Stands der Technik. Sie umfasst eine Generatoreinrichtung 02, die mittels eines dreiphasigen Generatorkreises 06 elektrische Energie an eine Gleichrichtereinrichtung 03 liefert. Zwischen der Gleichrichtereinrichtung 03 und der Wechselrichtereinrichtung 04 ist eine Gleichspannungswandlereinrichtung 12 in den Gleichspannungskreis zwischengeschaltet, die den Gleichspannungskreis in einen Generator-Gleichspannungskreis 26 und in einen Netz-Gleichspannungskreis 27 aufspaltet. Die Gleichrichtereinrichtung 03 wandelt die Generatorwechselspannung in ein Generator-Gleichspannungspotential U_GG des Generator-Gleichspannungskreises 26 um. In dem Fall, in dem das Generator-Gleichspannungspotential U_GG kleiner bzw. größer als das notwendige Netz-Gleichspannungspotential U_NG ist, wandelt die zwischengeschaltete Gleichspannungswandlereinrichtung 12 das zu niedrige bzw. das zu hohe Gleichspannungspotential U_GG in das erforderliche Netz-Gleichspannungspotential U_NG um. Das Netz-Gleichspannungspotential U_NG wird wiederum einer Wechselrichtereinrichtung 04 zugeführt, die hieraus Wechsel- bzw. Drehstrom zur Versorgung des Netzes 05 erzeugt. Zwischen dem Netz 05 und der Wechselrichtereinrichtung 04 ist ein Netzkreis 08 geschaltet, der Filtereinrichtungen 09 sowie beispielsweise einen weiterhin zur Anpassung des Spannungspotentials verwendbaren Netztransformator 10 umfasst, der in diesem Fall als Dyn5-Transformator ausgelegt ist. Der Dyn5-Transformator ist oberspannungsseitig in Dreiecksschaltung und unterspannungsseitig in Sternschaltung mit herausgeführtem Nullleiter und einer Phasenverschiebung von 5 × 30° also 150° zwischen Primär- und Sekundärseite ausgelegt. Somit stehen am Ausgang des Netztransformators 10 die drei Phasen sowie der Nullleiter zur Versorgung des Netzes 05 zur Verfügung.
4a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromgeneratorschaltung 01, die wiederum eine Generatoreinrichtung 02, eine Gleichrichtereinrichtung 03 sowie eine Wechselrichtereinrichtung 04 umfasst, wobei der Gleichspannungskreis wiederum in einen Generator-Gleichspannungskreis 26 und einen Netz-Gleichspannungskreis 27 durch Zwischenschaltung einer Gleichspannungswandlereinrichtung 12 unterteilt ist. Aufbauend auf der Schaltung nach 3 umfasst die in 4a dargestellte Schaltung eine Steuer- und Überwachungseinrichtung 29, die die Eingangsspannungen im Generatorkreis 06 der Generatoreinrichtung 02 misst, und abhängig davon mittels einer Gleichspannungswandler-Steuerleitung 30 den Betrieb der Gleichspannungswandlereinrichtung 12 steuert. Reicht die Spannungshöhe der vom Generator 02 erzeugten Generatorspannung im Generatorkreis 06 aus, so wird die Gleichspannungswandlereinrichtung deaktiviert, so dass Generator-Gleichspannungskreis 26 und Netz-Gleichspannungskreis 27 galvanisch leitend miteinander verbunden sind. Weicht allerdings die vom Generator 02 gelieferte Generatorwechselspannung nicht aus, um das erforderliche Netzgleichspannungspotential U_NG bereitzustellen, so wird die Gleichspannungswandlereinrichtung 12 aktiviert, um das Generator-Gleichspannungspotential U_GG entsprechend anzuheben.
4b zeigt eine alternative Ausführung gegenüber 4a einer Stromgeneratorschaltung 01, wobei die Überwachungs- und Steuereinrichtung 29 nun dazu dient, einen steuerbaren Stromgenerator 02 zu steuern. Stellt die Überwachungs- und Steuereinrichtung 29 fest, dass die Spannung im Generatorkreis 06 nicht ausreicht, um selbst bei aktivierter Gleichspannungswandlereinrichtung 12 das erforderliche Netz-Gleichspannungspotential U_NG bereitzustellen, so bewirkt die Steuer- und Überwachungseinrichtung 29 mittels einer Generator-Steuerleitung 28 die Erhöhung der Drehzahl eines Verbrennungsmotor, der den Generator antreibt. Dies erfolgt durch eine gezielte Beeinflussung einer ECU (Electronic Control Unit) der Verbrennungsmaschine, so dass die Generatoreinrichtung 02 eine erhöhte Spannung im Generatorkreis 06 bereitstellt, wobei zumindest bei aktivierter Gleichspannungswandlereinrichtung 12 die notwendige Höhe des Netz-Gleichspannungspotentials U_NG 27 erreicht werden kann.
Schließlich zeigt 5 eine Variation der in 4a und 4b dargestellten Verschaltungsmöglichkeiten einer Steuer- und Überwachungseinrichtung 29 zur gezielten Steuerung sowohl der mechanischen Leistungserzeugung in der Generatoreinrichtung 02 als auch der Gleichspannungswandlereinrichtung 12. Hierzu ist die Steuer- und Überwachungseinrichtung 29 zur Überwachung des generatorseitigen Gleichspannungspotentials U_GG und des netzseitigen Gleichspannungspotentials U_NG an die beiden Teile 26, 27 des Gleichspannungskreises angeschlossen. Stellt die Steuer- und Überwachungseinrichtung 29 eine signifikante Abweichung der beiden Potentiale dar, so kann zum einen über die Generator-Steuerleitung eine Anpassung der erzeugten elektrischen Leistung der Generatoreinrichtung 02 durch Variation der Drehzahl und Leistung einer Verbrennungsmaschine angefordert werden, zum anderen durch die Gleichspannungswandler-Steuerleitung 30 der Betrieb der Gleichspannungswanderleinrichtung 12 derart verändert werden, dass das generatorseitige Gleichspannungspotential U_GG zumindest auf die Höhe des erforderlichen netzseitigen Gleichspannungspotentials U_NG zum Betrieb der Wechselrichtereinrichtung 04 für die Erzeugung einer ausreichenden Spannung zur Versorgung des Netzes 05 bereitgestellt werden kann.
7 zeigt ein Drehzahl/Leistungsdiagramm bzw. Spannung/Leistungsdiagramm, das zum Verständnis der Arbeitsweise der Steuer- und Überwachungseinrichtung 29 dient. Die Steuer- und Überwachungseinrichtung 29 kann im Falle einer geringen Leistungsabgabe P, die auf der Abszisse des Diagramms aufgezeichnet wird, die Generatoreinrichtung 02 mit einer geringen Drehzahl n₁ betreiben. Erhöht sich die abgegebene Leistung P, so nimmt zunächst der Lastwinkel cos(φ), d. h. der Winkel des Schlupfes zwischen Rotor und Statormagnetfeld zu, so dass die Gefahr besteht, dass der Rotor außer Tritt gerät. Erreicht der cos(φ) einen kritischen Wert, d. h. nähert sich der Synchrongenerator einem Überlastfall mit Abgabe einer kritischen Leistung P_limit, so bewirkt die Steuer- und Überwachungseinrichtung 29 eine Erhöhung der Drehzahl, d. h. eine Erzeugung mechanischer Leistung, wobei sich der Schlupf φ wieder verringert und der Generator ausreichend elektrische Leistung zur Verfügung stellen kann.
Des Weiteren ist in dem Diagramm nach 6 der Verlauf der Generator-Gleichspannung U_GG und demgegenüber der erforderlichen Netz-Gleichspannung U_NG dargestellt, die zu einer zuverlässige Versorgung des Netzes 05 mit einer Wechselspannung bereitgestellt werden muß. Im ersten Fall bei niedriger Drehzahl n₁ wird nur eine geringe Gleichspannung U_GG geliefert, die geringer als das Potential der Netz-Gleichspannung U_NG ist. Die grau-schraffierte Fläche kennzeichnet das Spannungspotential, das von der Gleichspannungswandlereinrichtung 12 zusätzlich bereitgestellt werden muss, um das Generator-Gleichspannungspotential U_GG auf das Netz-Gleichspannungspotential U_NG zu erhöhen. Bei Überschreiten des kritischen Leistungsabgabewertes P_limit wird die Drehzahl der Generatoreinrichtung von n₁ auf n₂ erhöht, so dass sich entsprechend die Höhe des Generator-Gleichspannungspotentials U_GG erhöht und die Höhe des Netzgleichspannungspotentials U_NG erreicht. In diesem Fall kann die Gleichspannungswandlereinrichtung abgeschaltet werden.
7 zeigt eine weitere Ausführungsvariante einer erfindungsgemäße Stromgeneratoreinrichtung 01, bei der eine Steuer- und Überwachungseinrichtung 29 sowohl das Verhalten der Generatoreinrichtung 02, insbesondere die Drehzahl einer Verbrennungsmaschine zum Betrieb der Generatoreinrichtung 02 steuert, zum anderen das Verhalten der Gleichspannungswandlereinrichtung 12 mittels der Gleichspannungswandler-Steuerleitung 30 steuert. Im Generator-Gleichspannungskreis 26 ist des Weiteren eine Anlaufspannungsquelle 13 vorgesehen, die dazu dient, im Falle eines schnellen Hochfahrens des Stromgenerators 02 bis zur Bereitstellung einer ausreichenden Generatorspannung im Generatorkreis 06 zunächst eine Anlaufspannung in den Generator-Gleichspannungskreis 26 einzuspeisen, die mittels der Gleichspannungswandlereinrichtung 12 auf die erforderliche Höhe des netzseitigen Gleichspannungspotentials U_NG eingestellt werden kann.
Alternativ hierzu zeigt 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Stromgeneratorschaltung 01 mit Einsatz einer Anlaufspannungsquelle 13, die mittels einer zweiten Gleichspannungswandlereinrichtung 12 unmittelbar die Spannung der Anlaufspannungsquelle 13 in die erforderliche Höhe des netzseitigen Gleichspannungspotentials U_NG umwandelt. Somit kann die Anlaufspannungsquelle 13 mit einer zweiten unabhängigen Gleichspannungswandlereinrichtung 12 betrieben werden und speist die erforderliche Gleichspannung unmittelbar zum Betrieb der Wechselrichtereinheit 04 in den Netz-Gleichspannungskreis 27 ein. Somit können beispielsweise die Anforderungen an die erste Gleichspannungswandlereinrichtung 12, die unterschiedlich zu der in der zweiten Gleichspannungswandlereinrichtung 12 sind, entsprechend der Spannung des Generators 02 bzw. der Anlaufspannungsquelle 13 angepasst werden.
9a zeigt einen Aufwärtswandler und 9b einen Abwärtswandler, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Der Aufwärtswandler 14 nach 9a umfasst eine Induktivität 17, die mittels eines elektronisch steuerbaren Schalters 19 direkt mit einem Gleichspannungs-Energiespeicher 16 verbunden werden kann. Wird der Schalter 19 geschlossen, so fließt durch die Induktivität 17 ein Strom, der ein magnetisches Energiefeld aufbaut. Ein Öffnen des Schalters 19 hat zur Folge, das zunächst weiterhin ein Strom durch die Induktivität 17 fließt, die, sofern die Summe der Spannungen des Gleichspannungs-Energiespeichers 16 und der Induktivität 17 höher als die Spannung an dem Ladekondensator 20 ist, durch die Freilaufdiode 18 geführt wird und zu einer weiteren Aufladung des Ladekondensators 20 und dementsprechend zur Erhöhung der Spannung am Ladekondensator 20 führt. Mit der hohen Spannung des Ladekondensators 20 kann eine Last 21 betrieben werden. Durch ein gepulstes Schaltverhalten des Schalters 19 kann so aus einer niedrige Spannung eines Gleichspannungs-Energiespeichers 16 eine hohe Spannung an einem Ladekondensator 20 erzeugt werden, sofern die Kapazität des Ladekondensators 20 und die Größe der Induktivität 17 ausreicht, sowie der Gleichspannungs-Energiespeicher 16 genügend Leistung zum Betrieb der Last 21 liefern kann.
Im Gegensatz hierzu stellt 9b einen ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannten Abwärtswandler dar, der es ermöglicht, aus einer hohen Spannung eines Gleichspannungs-Energiespeichers 16 eine niedrige Spannung zum Betrieb einer Last 21, die parallel zu einem Ladekondensator 20 angeschlossen ist, zu wandeln. Durch gezieltes Schalten des beispeislweise als Halbleiterschalters ajusgeführten Schalters 19 fliest ein Laststrom durch die Induktivität 17 und die Last 21, wobei die Freilaufdiode 18 sperrt. Ist der Schalter 19 geöffnet, so wird die in der Induktivität 17 gespeicherte magnetische Energie abgebaut und der Stromfluss erfolgt zunächst weiterhin in gleicher Richtung. Hierzu fließt der von der Induktivität 17 erzeugte Strom durch die Freilaufdiode 18 um entsprechend der Lenzschen Regel den Stromfluss aufrechtzuerhalten, wobei sich jedoch die Spannungspolung an der Induktivität 17 umkehrt und zu einer Verminderung der Spannung, die ursprünglich vom Gleichspannungs-Energiespeicher 16 bereitgestellt wurde, führt. Somit wird der Ladekondensator 20 mit einer Spannung geladen, die entsprechend dem Schaltzyklus des Schalters 19 geringer als die Spannung des Gleichspannungs-Energiespeichers 16 ist.
10 zeigt nun ein spezifisches Ausgestaltungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung, die einen Aufwärtswandlerschaltung entsprechend der 9a einsetzt. Hierzu ist im Gleichspannungskreis zwischen dem Generator-Gleichspannungskreis 26 und dem Netz-Gleichspannungskreis 27 die in 9a dargestellte Freilaufdiode 18, Spannungswandler-Schalteinrichtung 22, die die Funktion des Schalters 19 einnimmt und Ladekondensator 20 angeordnet. Die Last 21 wird durch die Wechselrichtereinheit 04 und das daran angeschlossene Spannungsversorgungsnetz 05 dargestellt. Die erforderliche Induktivität 17 des Aufwärtswandlers nach 9a wird durch die in der Generatoreinrichtung 02 enthaltenen Ständerwicklungen der Generator-Synchronmaschine bereitgestellt. Die Gleichrichtereinrichtung 03 stellt die Verbindung zwischen den Ständerwicklungen und den übrigen Teilen der Aufwärtswandlerschaltung her. Durch gezielte Ansteuerung der Spannungswandler-Schalteinrichtung 22 kann mit geringen Verlusten eine Erhöhung des generatorseitigen Gleichspannungspotentials U_GG auf ein netzseitig notwendiges Gleichspannungspotential U_NG erreicht werden. Dabei ist die Spannung des netzseitigen Gleichspannungspotentials U_NG des Aufwärtswandlers stets größer als die Gleichspannung des Generator-Gleichspannungspotentials U_GG. Die Schaltung in sich ist weder Kurzschluss- noch Leerlauffest. Im Prinzip ist die Ausgangsspannung U_NG unabhängig vom Laststrom, sobald dieser einen bestimmten Minimalwert überschreitet. Dennoch wird häufig die Pulsbreite zur Betätigung der Spannungswandler-Schalteinrichtung 22 durch eine Regelschaltung modelliert, insbesondere wenn die Ausgangsspannung U_NG variabel unter Belastung geregelt werden soll. Ein solcher Aufwärtswandler ist exzellent geeignet, um eine hohe Ausgangsspannung U_NG bei einer stark schwankenden oder zu geringen Eingangsspannung U_GG auszuregeln.
11 zeigt analog zu 10 als technisch detailliertere Darstellung der 8 ein Ausführungsbeispiel einer Stromgeneratorschaltung 01, die zum einen die Aufwärtswandlerschaltung unter Verwendung der Induktivität der Generatoreinrichtung 02 der 10 verwendet, zum anderen jedoch eine zusätzliche Aufwärts- und Abwärtswandlerschaltung für die Ankopplung einer Anlaufspannungsquelle 13 im netzseitigen Gleichspannungskreis 27 umfasst. Die Aufwärts- und Abwärtswandlerschaltung zur Anpassung der Spannung der Anlaufspannungsquelle an den Netz-Gleichspannungskreis 27 mit Potential U_NG umfasst eine Induktivität 17, zwei Freilaufdioden 18 sowie eine Aufwärtswandler-Schalteinrichtung 23 zum Betrieb der Aufwärtswandlung von der Spannung der Anlaufspannungsquelle 13 zur Spannung U_NG sowie eine Abwärtswandler-Schalteinrichtung 24 zur Abwärtswandlung des netzseitigen Gleichspannungspotentials U_NG in das Potential der Anlaufspannungsquelle 13 zur Aufladung dieser Spannungsquelle im Betrieb der Generatoreinrichtung 02. Durch einen gesteuerten Betrieb der Aufwärtswandler- und Abwärtswandler-Schalteinrichtungen 23, 24 kann sowohl eine schnelle Bereitstellung einer Anlaufspannung als auch eine Aufladung der Anlaufspannungsquelle 13 erreicht werden.
Schließlich zeigt 12 die in einem CIB-Modul des Stands der Technik integrierten Halbleiterbauelemente, die typischerweise zum Betrieb einer Synchronmaschine mit angeschlossener Bremse verwendet werden können. Diese umfassen in einer sog. Dual-Inline-Gehäusebauform (Dual Inline Package), d. h. in einer Gehäuseform mit zweireihigen Anschlusskontaktierungen, alle notwendigen Leistungshalbleiterbauteile für Konverter, Inverter und Breakmodul, d. h. eine Brückengleichrichterschaltung mit drei Gleichrichterbrücken, ein Wechselrichter mit drei Vollbrücken sowie ein Temperaturfühler (NTC-Widerstand) und eine Bremsenschaltung, die eine Diode und ein steuerbares Schaltelement umfasst. Die Bauteile der Bremsenschaltung (Diode und steuerbares Schaltelement können zur Realisierung des Aufwärtswandlers nach 10 eingesetzt werden. Somit stellt ein solches DIB-CIB Modul des Stands der Technik alle erforderlichen Halbleiterbauelemente bereit, um analog zu 10 einen Brückengleichrichter als Gleichrichtereinheit 03, einen Wechselrichter als Wechselrichtereinheit 04 sowie eine Freilaufdiode 18 und eine Spannungswandler-Schalteinrichtung 22 zur Realisierung des Aufwärtswandlers zur Verfügung zu stellen. Somit kann ein solches DIB-CIB Modul vorzüglich zur Realisierung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung herangezogen werden.

Claims

Schaltung für einen Stromgenerator umfassend eine Generatoreinrichtung (02) zur Erzeugung einer Generatorwechselspannung in einem Generatorkreis (06), eine Gleichrichtereinrichtung (03) zum Umwandeln der Generatorwechselspannung des Generatorkreises (06) in eine Gleichspannung in einem Gleichspannungskreis (07) und eine Wechselrichtereinrichtung (04) zum Umwandeln der Gleichspannung des Gleichspannungskreises (07) in eine Netzwechselspannung in einem Netzkreis (08) für die Energieeinspeisung in einem öffentlichen oder lokalen Spannungsversorgungsnetz (05), gekennzeichnet dadurch, dass im Gleichspannungskreis (07) zwischen Gleichrichtereinrichtung (03) und Wechselrichtereinrichtung (04) eine Gleichspannungswandlereinrichtung (12) angeordnet ist, die ausgelegt ist, das von der Gleichrichtereinrichtung (03) bereitgestellte Generator-Gleichspannungspotential U_GG des Generator-Gleichspannungskreises (26) in ein Netz-Gleichspannungspotential U_NG des Netz-Gleichspannungskreises (27) für die Versorgung der Wechselrichtereinrichtung (04) zu wandeln.
Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung eine Überwachungs- und Steuervorrichtung (29) umfasst, die ausgelegt ist, Messwerte in dem Generatorkreis (06) und/oder dem Gleichspannungskreis (07) und/oder dem Netzkreis (08) zu erfassen, die die von der Generatoreinrichtung (02) an das Spannungsversorgungsnetz (05) abgegebene Strom-, Spannungs- und/oder Leistungswerte charakterisieren.
Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Generatoreinrichtung (02) ein steuerbarer Stromgenerator, insbesondere ein Stromgenerator mit Verbrennungsmotor umfasst, wobei die elektrische Ausgangsleistung des Stromgenerators, insbesondere die Drehzahl des Verbrennungsmotors mittels der Überwachungs- und Steuervorrichtung (29) steuerbar ist.
Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungs- und Steuervorrichtung (29) den steuerbaren Stormgenerator (02) über eine Generator-Steuerleitung (28) entsprechend der von der Generatoreinrichtung (02) abgegebenen elektrischen Leistung steuern kann.
Schaltung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungs- und Steuervorrichtung (29) in der Generatoreinrichtung (02) angeordnet ist.
Schaltung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungs- und Steuervorrichtung (29) die Gleichspannungswandlereinrichtung (12) über eine Gleichspannungswandler-Steuerleitung (30) entsprechend der von der Generatoreinrichtung (02) abgegebenen elektrischen Leistung steuern, insbesondere ein- und ausschalten kann.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungswandlereinrichtung (12) ein Aufwärtswandler umfasst.
Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufwärtswandler eine Freilaufdiode (18) und eine Spannungswandlerschalteinrichtung (22), insbesondere einen Hochleistungs-Halbleiterschalter wie IGBT oder ähnliches umfasst, wobei die für den Aufwärtswandlerbetrieb erforderliche Induktivität durch die Induktivtät der Generatoreinrichtung (02), insbesondere durch die Ständerwicklungen eines in der Generatoreinrichtung (02) umfassten Generators und die Ladekapazität des Ladekondensators (20) durch einen Glättungskondensator des Gleichspannungskreises (07) bereitgestellt werden.
Schaltung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichtereinrichtung (03) und/oder die Gleichspannungswandlereinrichtung (12) schnell schaltende Dioden, insbesondere Schottky- oder Siliziumcarbid-Dioden umfassen, um Taktfrequenzen des Aufwärtswandlers im Bereich bis zu 100 kHz zu ermöglichen.
Schaltung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungskreis (07) des weiteren eine Anlaufspannungsquelle (13) umfasst, die dazu ausgelegt ist, in der Anlaufphase der Generatoreinrichtung (02) ein Anlauf-Gleichspannungspotential U_NG, U_GG zumindest solange in den Gleichspannungskreis (07) einzuspeisen, bis die Gleichrichtereinrichtung (03) ein ausreichendes Generator-Gleichspannungspotential U_GG im Generator-Gleichspannungskreis (26) bereitstellen kann.
Schaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Anlaufspannungsquelle (13) und dem Gleichspannungskreis (07) eine weitere Gleichspannungswandlereinrichtung (12) angeordnet ist, die ausgelegt ist, das Potential der Anlaufspannungsquelle (13) in das Potential des Gleichspannungskreises (07), insbesondere in das Potential des Netz-Gleichspannungskreises (27) zu wandeln.
Schaltung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufspannungsquelle (13) als wiederaufladbare Anlaufspannungsquelle (13), insbesondere als wiederaufladbarer Akkumulator, Kondensator etc. ausgelegt ist.
Schaltung nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Gleichspannungswandlereinrichtung (12) eine Kombination aus einer Aufwärts- (14) und einer Abwärtswanderschaltung (15) umfasst, die mindestens zwei Freilaufdioden (18), eine Induktivität (17), eine Aufwärtswandler-Schalteinrichtung (23) und ein Abwärtswandler-Schalteinrichtung (24) umfasst, wobei die Gleichspannungswandlereinrichtung (12) ausgelegt ist, zur Einspeisung das Potential der Anlaufspannungsquelle (13) in das Potential des Gleichspannungskreises (07) zu wandeln, und zur Aufladung das Potential des Gleichspannungskreises (07) in das Potential der Anlaufspannungsquelle (13) zu wandeln.
Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung ein vorkonfektioniertes Halbleiter-Leistungsmodul, insbesondere ein CIB Modul (Converter Inverter Brake) umfasst, wobei der darin enthaltene Brückengleichrichter in der Gleichrichtereinrichtung (03), der Wechselrichter in der Wechselrichtereinrichtung (04) und die Bremsenschaltung in der Gleichspannungswandlereinrichtung (12) verschaltet sind.
Nachrüstverfahren zur Nachrüstung eines Stromgenerators mit einer Gleichrichtereinrichtung (03), Gleichspannungskreis (07) und Wechselrichtereinrichtung (04) mit einer Schaltung nach einem der vorangegangenen Ansprüchen, wobei im Gleichspannungskreis (07) zwischen Gleichrichtereinrichtung (03) und Wechselrichtereinrichtung (04) eine Gleichspannungswandlereinrichtung (12) eingeschaltet wird, die ausgelegt ist, das von der Gleichrichtereinrichtung (03) bereitgestellte Generator-Gleichspannungspotential U_GG des Generator-Gleichspannungskreises (26) in ein Netz-Gleichspannungspotential U_NG des Netz-Gleichspannungskreises (27) für die Versorgung der Wechselrichtereinrichtung (04) zu wandeln.