DE19713555A1 - Verfahren zur Kompensation von Drehmomentenoberwellen dieselelektrischer Aggregate - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Drehmomentoberwellen dieselelektrischer Aggregate, die aus einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor, sowie einem elektrischen Drehfeldgenerator bestehen.

Bevorzugte Anwendungsgebiete sind der Einsatz in Notstromaggregaten, Konstantspannungsgeneratoren, Blockheizkraftwerken (BHKW) sowie in Wellengeneratoranlagen an Bord von Schiffen.

Es ist bekannt, zur elektrischen Energieerzeugung mittels Generatoren Dieselmotoren als Antriebsmaschinen in Blockheizkraftwerken (BHKW), Notstromversorgungen, Schiffsenergieanlagen u. a. einzusetzen.

Der Nachteil des Dieselmotors als Antriebsmaschine für Generatoren ist insbesondere darin zu sehen, daß aufgrund seiner diskontinuierlichen Arbeitsweise das von ihm entwickelte Drehmoment zeitlich nicht konstant ist. Es ist nur während des Arbeitstaktes eines Zylinders größer als null, so daß es einen impulsförmigen Verlauf hat.

Diese impulsförmigen Drehmomentänderungen bedingen periodische Spannungs- und Frequenzänderungen des Generators, was sowohl im Inselbetrieb als auch im Netzparallelbetrieb zu unerwünschten Betriebszuständen führen kann.

Deshalb werden die Dieselmaschinen mit relativ großen Schwungmassen zur Erzielung eines genügend großen Massenträgheitsmoments ausgerüstet und darüber hinaus mit kostenaufwendigen Drehschwingungsdämpfern.

Bei Netzparallelbetrieb wird deshalb auch eine Drehschwingungsdämpfung durch Verwendung von Drehstromasynchrongeneratoren mit einer Kurzschlußläuferwicklung aus Kupfer anstelle von Synchrongeneratoren (Konstantspannungs-Generatoren) auf elektromagnetischem Wege realisiert.

Der Nachteil der Verwendung von Asynchrongeneratoren mit Kurzschlußläufer besteht darin, daß sie bei Schaffung und Speisung von Inselnetzen bezüglich ihrer Erregung Zusatzeinrichtungen (z. B. Kondensatorerregung) benötigen, die sowohl im stationären als auch im dynamischen Betrieb eine hohe Drehzahlkonstanz seitens des Dieselmotors erfordern.

Das technische Problem der Erfindung besteht darin, die Drehschwingungen des Dieselmotors nicht nur teilweise, wie beim Drehstromasynchrongenerator mit Kurzschlußläufer, sondern vollständig zu kompensieren, und das auch bei nicht konstanter Drehzahl des Dieselmotors.

Das Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der elektrische Generator eine Drehstromasynchronmaschine mit Schleifringläufer ist und die in das elektrische Netz gespeiste elektrische Wirkleistung des Generators mittels eines leistungselektronischen Stellgliedes, das an den Läuferwicklungen des Generators angeschlossen ist, konstant gehalten wird. Die weitere Ausgestaltung der Erfindung erfolgt durch die Unteransprüche 2 bis 6.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß im eingeschwungenen Betrieb des Dieselaggregats die Wirklastoberschwingungen bei Speisung in das elektrische Netz vollständig kompensiert werden können.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß der Dieselmotor drehzahlvariabel in Abhängigkeit von seiner Belastung und demzufolge stets mit der optimalen Drehzahl in bezug auf höchsten Wirkungsgrad bzw. geringsten spezifischen Kraftstoffverbrauch betrieben werden kann. Gleichzeitig ist eine vollständige Entkopplung der Regelkreise des Antriebssystems Dieselmotor vom Generatorsystems bei gleichzeitiger absoluter Konstanz der elektrischen Ausgangsparameter bei dynamischen Betriebszustandsänderungen im Gesamtsystem, wie beispielsweise Lastauf- oder -abschaltungen möglich, obwohl der Dieselmotor Drehzahländerungen bei Laständerungen nur langsam ausgleicht.

Weiterhin erlaubt das Verfahren vorteilhaft die Verwendung leistungsmäßig wesentlich kleinerer statischer elektrischer Umrichter als die Nennleistung der Generatormaschine, und es kann die Blindleistung des Generators und/oder eines von ihm geschaffenen elektrischen Netzes bzw. des elektrischen Hilfsnetzes mittels des leistungselektronischen Stellgliedes erzeugt werden.

Darüber hinaus gestattet das leistungselektronische Stellglied das Anlassen des Dieselmotors über den Generator der mit Hilfe des leistungselektronischen Stellgliedes als Motor betrieben werden kann.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 die elektrischen Verbindungen des Generators mit dem elektrischen Netz und dem leistungselektronischen Stellglied

Fig. 2 ein Beispiel für die Gestaltung des leistungselektronischen Stellgliedes

Fig. 3 die Kopplung des elektrischen Netzes mit dem elektrischen Hilfsnetz.

Der Dieselmotor 1 ist mit dem Generator 2 mechanisch verbunden (s. Fig. 1). Die Ständerwicklungen 2a des Generators 2 sind dreisträngig mit dem elektrischen Netz 3 verbunden, die Läuferwicklungen 2b dreisträngig mit dem leistungselektronischen Stellglied 4.

Das leistungselektronische Stellglied 4 nn ein direkter oder indirekter Umrichter sein, dessen Energieflußrichtung entweder zum Generator 2 oder vom Generator 2 zeigt.

Das leistungelektronische Stellglied 4 ist drei- oder auch zweisträngig (s. Fig. 1 und 3) mit einem elektrischen Hilfsnetz 5 verbunden, je nachdem, ob das elektrische Hilfsnetz 5 ein Gleichspannungsnetz oder ein symmetrisches oder asymmetrisches Wechselspannungsnetz ist.

Das leistungselektronische Stellglied 4 möge beispielsweise (s. Fig. 2) aus einem Pulsgleichrichter/Pulswechselrichter 6 bestehen, der einen mittleren Schlupf des Generators 2 einstellt, der positiv oder negativ sein kann. Der Pulsgleichrichter/Pulswechselrichter 6 arbeitet dergestalt, daß er den Wirkstrom der Läuferwicklungen 2b konstant hält, indem er seinen Gleichstrom 9 konstant hält. Der Gleichstrom 9 des Pulsgleichrichters/Pulswechselrichters 6 fließt über einen Pufferkondensator 11, der mit dem elektrischen Hilfsnetz 5 verbunden ist.

Parallel zum Pulsgleichrichter/Pulswechselrichter 6 ist in Fig. 2 ein Gleichrichter 7 dargestellt, der über einen Gleichstrompulssteller/Chopper 8 ebenfalls auf den Pufferkondensator 11 arbeitet.

In diesem Falle regelt der Gleichstrompulssteller/Chopper 8 seinen Gleichstrom 10 derart, daß die Summe der Gleichströme 9 und 10 konstant ist, d. h., daß der Pulsgleichrichter/Pulswechselrichter 6 den Mittelwert des Schlupfes des Generators 2 konstant hält und die durch den Dieselmotor 1 bewirkten Oberschwingungen des Gleichstromes 9 des Pulsgleichrichters/Pulswechselrichters 6 vom Gleichstrompulssteller/Chopper 8 kompensiert werden.

Anstelle des Pulsgleichrichters/Pulswechselrichters 6 kann auch ein Gleichrichter 7 plus Gleichstrompulssteller/Chopper 8 verwendet werden, wenn auf den untersynchronen Betrieb des Generators 2 verzichtet wird.

In Fig. 3 ist dargestellt, daß das elektrische Hilfsnetz 5 parallel mit dem elektrischen Netz 3 arbeiten kann, wenn es dreisträngig mit diesem verbunden wird. Das bedeutet, daß beide Netze 3 und 5 identisch sein können.

Bezugszeichenliste

1 Dieselmotor
2 elektrischer Generator
2a Ständerwicklungen
2b Läuferwicklungen
3 elektrisches Netz
4 leistungselektronisches Stellglied
5 elektrisches Hilfsnetz
6 Pulsgleichrichter/Pulswechselrichter
7 Gleichrichter
8 Gleichstrompulssteller/Chopper
9 Gleichstrom des Pulsgleichrichters/Pulswechselrichters 6
10 Gleichstrom des Gleichrichters 7
11 Pufferkondensator

Claims (6)

1. Verfahren zur Kompensation von Drehmomentoberwellen dieselelektrischer Aggregate, die aus einem Verbrennungsmotor, insbesondere einem Dieselmotor 1, sowie einem elektrischen Drehfeldgenerator 2 bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Generator (2) eine Drehstromasynchronmaschine mit Schleifringläufer ist und die in das elektrische Netz (3) gespeiste elektrische Wirkleistung des Generators (2) mittels eines leistungselektronischen Steilgliedes (4), das an den Läuferwicklungen (2b) des Generators (2) angeschlossen ist, konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet, daß bei konstanter Amplitude und Frequenz der Spannungen an den Ständerwicklungen (2a) des Generators (2) die Effektivwerte der Wirkströme der Läuferwicklungen (2b) konstant gehalten werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurchgekennzeichnet, daß bei übersynchronem Betrieb des Generators (2) die Summe der gleichgerichteten Läuferströme (9; 10) konstant gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurchgekennzeichnet, daß bei untersynchronem Betrieb des Generators (2) die Summe der den Läuferwicklungen durch Wechselrichtung und/oder Gleichrichtung aufgeprägten Läuferströme (9; 10) konstant gehalten wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurchgekennzeichnet, daß die Blindleistung des Generators (2) und/oder des elektrischen Netzes in das der Generator (2) ständerwicklungsseitig einspeist, mittels des leistungselektronischen Stellgliedes (4) an den Läuferwicklungen (2b) erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das leistungselektronische Stellglied (4) entweder mit dem elektrischen Netz (3), in das der Generator (2) ständerwicklungsseitig einspeist, oder mit einem elektrischen Hilfsnetz (5), das unabhängig oder abhängig von dem elektrischen Netz (3), in das der Generator (2) ständerwicklungsseitig einspeist, existiert, verbunden ist.