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"Laststeuerung für Kleinkraftwerke"
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Die Erfindung betrifft eine Laststeuerung für Kleinkraftwerke mit
einem Wechselstromgenerator, dessen erzeugte Energie einer vorgegebenen Grundlastipedanz
und dessen Uberschußenergie einer zur Grundlastimpedanz parallelen Zusatzlastimpedanz
zugeführt wird, welche' in Abhängigkeit von den Schwankungen der zur Verfügung stehenden
natürlichen Antriebsenergie für den Wechselstromgenerator verändert wird.
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Der Wechselstromgenerator kann bei solchen Kleinkraftwerken so betrieben
werden, daß er vom öffentlichen Verbundnetz vollständig getrennt ist (Synchronbetrieb)
. Wenn dagegen der Wechselstromgenerator mit dem öffentlichen Netz verbunden ist
(Asynchronbetrieb) , kann der Generator Uberscußeergie in das Netz einspeisen, während
der Lastkreis bei nicht ausreichender Energie vorn Wechselstromgenerator die fehlende
Energie aus dem öffentlichen Netz zieht.
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Bei Synchronbetrieb besteht die Gefaìlr, daß die Spannung im Lastkreis
in Abhängigkeit von der veränderlichen natürlichen Antriebsenergie für den Wechselstromgenerator
und in Abhängigkeit von der Größe der eingeschalteten Zusatzlastimpedanz stark schwankt.
Bei Asynchronbetrieb besteht das Problem, daß der Inhaber des Kleinkraftwerkes für
in das öffentliche Netz eingespeisten Strom nur ein sehr geringes Entgelt erhält,
für aus dem Netz bezogenen Strom dagegen' zumeist einen viel höheren Preis als der
Normalverbraucher zahlen muß.
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Unter Kleinkraftwerken werden im vorliegenden Zusammenhang Kraftwerke
verstanden, die für den privaten Bedarf oder für die Versorgung kleiner handwerklicher
Betriebe, kleiner Sägewerke, landwirtschaftlicher Betriebe oder dgl.
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insb. an Bächen oder in zunehmendem Maße auch unter Ausnutzung der
Windkraft betrieben werden.
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Unter Berücksichtigung der durchschnittlichen Menge an natürlicher
Energie sind derartige Kraftwerke so ausgelegt, daß unter normalen Verhältnissen
die Grundenergie, wie sie für den Haushalt oder für wichtige Geräte des Betriebes
benötigt wird, durch den Wechselstromgenerator geliefert wird. Die für die Bemessung
dieser Grundenergie maßgeblichen Verbraucherstellen werden als Grundlastimpedanz
bezeichnet.
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Diese Grundlastimpedanz soll im Synchronbetrieb bei möglichst konstanter
Spannung und bei Asynchronbetrieb möglichst ohne Zuhilfenahme von Strom aus dem
öffentlichen Netz'
betrieben werden können.
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Aufgrund der Schwankungen der zur Verfügung stehenden natürlichen
Energie, also Schwankungen der in einem Bach geführten Wassermengen oder Schwankungen
des Windes, steht für den Wechselstromgenerator zeitweilig mehr natürliche Antriebsenergie
zur Verfügung, als dies für den Betrieb der Grundlastimpedanz notwendig ist, Diese
natürliche Antriebsenergie soll möglichst ausgenutzt und von dem Wechselstromgenerator
als überschußenergie zur Verfügung gestellt werden, und zwar für den Betrieb einer
zur Grundlastimpedanz parallelen Zusatzlastimpedanz. Bei Kleinkraftwerken kann diese
Zusatzlastimpedanz in einer elektrischen Batterie, in einer elektrischen Heizung,
in einer Wasser in ein Speicherbecken fördernden Pumpe oder einer anderen Energiespeichereinrichtung
bestehen.
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Den sich ständig ändernden Verhältnissen muß der Besitzer des Kleinkraftwerkes
durch ständige Überwachung und ständige mechanische Umschaltungen, sei es an einer
Turbine, sei es am Generator, oder sei es an den unterschiedlichen Verbraucherstellen,
Rechnung tragen. Das plötzliche Zuschalten einer weiteren Verbraucherstelle führte
bei Synchronbetrieb stets zu erheblichen SpanrlLlrlgsschwankungen und bei Rsynchrorlbetrieb
zu einem höheren Bedarf an Strom aus dem öfüentlichen Netz.
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Ein weiterer wesentlicher Nachteil besteht darin, daß hier eine ständige
Überwachung notwendig ist, und daß durch die häufigen mechanischen Verstell- und
Schaltvorgänge die mechanisch bewegten Teile einer starken Abnutzung unterliegen.
Häufig
gehen dabei auch erhebliche Mengen an zur Verfügung stehenden natürlichen Antriebsenergien
ungenutzt verloren, indem beispielsweise Überschußwasser abgelassen werden muß.
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Durch die auftretenden Spannungsschwankungen werden auch die einzelnen
Verbraucher z.Teil erheblich beansprucht.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Laststeuerung der einleitend genannten
Art so weiterzubilden, daß bei einem im Synchronbetrieb arbeitenden Kleinkraftwerk
die Überschußenergie bei konstanter Spannung an der Grundlastimpedanz weitgehend
verlustfrei ausgenutzt werden kann. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, bei einem
asynchron arbeitenden Kleinkraftwerk die Laststeuerung so weiterzuentwickeln, daß
bei konstanter Spannung an der Grundlastimpedanz eine Energieentnahme aus dem öffentlichen
Netz weitgehend vermieden wird.
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Bei einer Laststeuerung für ein synchrones Kleinkraftwerk kennzeichnet
sich die Erfindung dadurch aus, daß zur Einstellung der Zusatzimpedanz ein elektronischer
Regelkreis vorgesehen ist, bei welchem ein Meßglied aus einem zur Grundlastimpedanz
parallel geschalteten Spannungeteiler mit einem unterspannungsseitig verbundenen
Gleichrichter sowie einem daran angeschlossenen Potentiometer besteht, dessen abgegriffene
Gleichspannung einen Soll-Wert an einen Regler liefert, welcher einen mit der Zusatzlastimpedanz
in
Reihe geschalteten Wechselstromsteller über ein Koppelglied sowie einen veränderbaren
Wider stand eines zum Wechselstromsteller parallelen RC-Gliedes mit seinerseits
in Reihe geschalteten Elementen ansteuert, Durch das Meßglied wird eine zur Wechselspannung
an der Grundlast proportionale Gleichspannung erzeugt.
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Eine durch Hinzuschalten oder Abschalten eines Verbrauchers bedingte
Spannungsänderung an der Grundlastimpedanz wird vom Meßglied erfaßt und führt zu
einer entsprechenden Veränderung des Soll-Wertes am Potentiometer, Durch die Anderung
des Soll-Wertes erzeugt der Regler ein Signal zur Ansteuerung des Wechselstromstellers
derart, daß der durch die Zusatzlastimpedanz gießende Strom vermindert oder erhöht
wird und sich somit eine konstante Spannung an der Grundlastimpedanz einstellt.
Das Steuersignal für
den Wechselstromsteller wird am Kondensator
des RC-Gliedes abgenommen, welches als Proportionalglied mit Verzögerung erster
Ordnung wirkt. Das Koppelglied ist gleichspannungsseitig mit dem Regler und wechselspannungsseitig
mit dem als geregeltes Stellglied wirkenden veränderbaren Widerstand des RC-Gliedes
verbunden.
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Beim Einschalten eines weiteren Grundlastverbrauchers verringert die
Last steuerung den in die Zusatzlastimpedanz fließenden Strom übergangslos um die
vom Verbraucher benötigte Leistung. Wird der Verbraucher wieder ausgeschaltet, so
sorgt die elektronische Regelung für die Einspeisung der überschüssigen Energie
in die Zusatzlastimpedanz bei gleichbleibender Spannung an der Grundlastimpedanz.
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Zweckmäßig ist es, wenn der Spannungsteiler als Transformator ausgebildet
ist. Hierbei ist der Transformator primärseitig parallel zur Grundlastimpedanz und
sekundärseitig an den Gleichrichter geschaltet. Der Transformator ermöglicht eine
galvanische Trennung des elektronischen Regelkreises von dem Netz und dient somit
der Sicherheit der elektronischen Bauelemente. Gegenüber einem ohmschen Spannungsteiler
bietet der Transformator weiterhin den Vorteil einer geringeren Verlustleistung.
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Es ist zweckmäßig, wenn als Gleichrichter ein Zweiweg-Brückengleichrichter
mit einem gleichspannungsseitig zum Potentiometer parallelen Kondensator vorgesehen
ist. Wechselspannungsseitig steht der Gleichrichter mit dem Sekundäranschluß des
Transfer
mators in Verbindung. Durch die Zweiweg-Gleichrichtung
in Verbindung mit dem gleichspannungsseitig angeordneten Kondensator ergibt sich
eine geringe Welligkeit der Gleichspannung. Da das Potentiometer zum Kondensator
parallel geschaltet ist, läßt sich der Sollwert als Pührungsgröße des Regelkreises
einstellen.
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Bei einem asynchronen Kleinkraftwerk ist die Lösung der Aufgabe dadurch
gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Zusatzlastimpedanz ein elektronischer Regelkreis
vorgesehen ist, bei welchem ein zwischen dem Wechselstromgenerator und dem öffentlichen
Ne z angeordnetes Meßglied bei Energieentnahme aus dem öffentlichen Netz ein Steuersignal
an einen Regler liefert, welcher einen mit der Zusatzlastimpedanz in Reihe geschalteten
Wechselstromsteller über einen veränderbaren Widerstand eines zum Wechselstromsteller
parallelen RC-Gliedes mit seinerseits in Reihe geschalteten Elementen ansteuert.
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Diese Last steuerung unterscheidet sich von der Steuerung für eine
Synchronanlage dadurch, daß der Sollwert für den Regler nicht proportional zur Spannung
an der Grundlastimpedanz ist, sondern von der Richtung des elektrischen Stromes
zwischen dem öffentlichen Netz und dem Netz des Kleinkraftwerkes bestimmt wird.
Ziel einer derartigen Laststeuerung ist es, die bei Stromentnahme aus dem öffentlichen
Netz erforderlichen hohen Stromkosten für eine Zusatzlastimpedanz zu vermeiden.
Auch bei dieser Laststeuerung entsprechen der Regler sowie die dem Regler nachgeschalteten
Bauelemente
der vorgenannten Anordnung für den Synchronbetrieb.
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Beim asynchronen Betrieb ist es zweckmäßig, wenn als Meßglied ein
Elektrizitätszähler mit Induktionsmeßwerk vorgesehen ist, dessen Läuferscheibe als
Loch- oder Stroboskopscheibe ausgebildet ist und Steuersignale als Sollwerte an
den Regler liefert.
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Die Drehzahl dieser Läuferscheibe wird in Impulse umgewandelt, welche
als Sollwerte zur Steuerung des Reglers dienen. Auf diese Weise ist es möglich,
bei Energieentnahme aus dem öffentlichen Netz die Zusatzlastimpedanz abzuschalten.
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Sowohl für den asynchronen als auch für den synchronen Betrieb des
Kleinkraftwerkes empfiehlt es sich, daß der Regler von einem Transistor gebildet
ist, an dessen Basis-Emitter-Strecke die vom Potentiometer abgegriffene Spannung
über eine Zenerdiode gelegt ist und dessen Emitter und Kollektor mit dem Koppelglied
verbunden sind. Hierbei wird die Funktion des Transistors durch die Ansprechspannung
der Zenerdiode bestimmt. An den Emitter und Kollektor des Transistors sind die Gleichspannungspole
des .Koppelgliedes angeschlossen.
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Sofern das Koppelglied als Zweiweg-Brückengleichrichter ausgebildet
ist, sind die Gleichspannungspole des Brückengleichrichters mit dem Emitter und
Kollektor des Transistors verbunden.
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Ein derartiger Brückengleichrichter ist ein kostengnstiges, als Wechselschalter
wirkendes Bauelement.
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Es ist auch möglich, als Koppelglied einen Optokoppler vorzusehen.
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Derartige Bauelemente sind ebenfalls kostengünstig und bieten den
Vorteil einer galvanischen Trennung. Daneben ist eine weitere Ausführungsform möglich,
bei der das Koppelglied als monostabiler Multivibrator ausgeführt ist.
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Zweckmäßig ist es, wenn als Wechselstromsteller ein Tria.c eingesetzt
ist. Ein derartiges Bauelement ermöglicht eine kostengünstiw ge Phasenanschnittssteuerung
mit dem Vorteil, daß nur ein Steueranschluß vorhanden ist und damit wenige Bauelemente
zur Anst -erung des Triacs erforderlich sind.
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Neben dem Einphasenbetrieb der Last steuerung ist es auch möglich,
daß in einem Mehrphasennetz jeder Phase ein elektronischer Regelkreis zugeordnet
ist. Insbesondere in einem Drehstromnetz kann somit in jeder Phase eine Laststeuerung
durchgeführt werden.
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Die Erfindung wird anhand einfacher Prinzipscha,cbilder und eines
Ausführungsbeispiels für eine Synchronanlage nachstehend näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 das Prinzipschaltbild einer Last steuerung für
ein Kleinkraftwerk im Synchronbetrieb, Fig. 2 das Prinzipschaltbild einer Last steuerung
für ein Kleinkraftwerk im Asynchronbetrieb und
Fig. 3 das Schaltbild
einer Last steuerung für ein Kleinkraftwerk im Synchronbetrieb.
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Fig. 1 zeigt einen vom öffentlichen Verbundnetz getrennten Wechselstromgenerator
G, dessen erzeugte Energie einer vorgegebenen Grundlastimpedanz ZG und dessen Uberschußenergie
einer zur Grundlastimpedanz ZG parallelen Zusatzlastimpedanz ZL zugeführt wird.
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Die Zusatzlastimpedanz ZL liegt in Reihe mit einem Wechelstromsteller
W, welcher von den Signalen einer Steuerung S geschaltet wird. Sobald die Grundlastimpedanz
ZG durch Ein- oder Ausschalten eines Verbrauchers verändert wird, stellt sich an
der Grundlastimpedanz ZG eine Spannungsänderung ein, welche von einem Meßglied M
erfaßt und an die Steuerung S weitergegeben wird. Die Steuerung S steuert den Wechselstromsteller
W an, welcher seinerseits den Strom durch die Zusatzlastimpedanz ZL derart ändert
daß sich eine konstante Spannung an der Grundlastimpedanz G einstellt. Auf diese
Weise kann bei einem durch Wasserkraft angetriebenen Wechselstromgenerator G die
Uberschußenergie in einer Zusatzlastfi impedanz ZL eines Elektrowärmegerätes verbraucht
werden. Beim Einschalten eines weiteren Verbrauchers im Rahmen der Grundlast wird
die Grundlastimpedanz ZG verringert, wobei der dadurch bedingte Spannungsabfall
unverzüglich und automatisch durch die Laststeuerung ausgeglichen wird. Hierbei
wird der durch die Zusatzlastimpedanz ZL fließende Strom um den für die Grundlastimpedanz
ZG erforderlichen Anteil verringert. Beim Ausschalten eines Teils der Grundlastimpedanz
ZG wirkt die Laststeuerung in
umgekehrter Weise.
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Das Prinzip der automatischen Laststeuerung ist auch bei einem Kleinkraftwerk
möglich, bei welchem der Wechselstromgenerator G mit dem öffentlichen Netz N verbunden
ist, wie Fig. 2 zeigt.
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Zwischen dem Wechselstromgenerator G und der entsprechenden Phase
des öffentlichen Netzes N ist als Meßglied ein Elektrizit,StszShler geschaltet,
welcher bei Energieentnahme aus dem öffentlichen Netz N einen Sollwert an die Steuerung
S liefert, welche ihrerseits den Wechselstromsteller W ansteuert. Somit kann auch
hier beim Ei schalten eines zusätzlichen Verbrauchers im Rahmen der Grundlastimpedanz
ZG der Strom durch die Zusatzlastimpedanz ZL verringert werden, so daß eine Energieentnahme
aus dem öffentlichen Netz N vermieden wird. Erst nach dem Abschalten dieses Verbrauchers
kann die entsprechende Energie wieder der Zusatzlastimpedanz L zugeführt werden.
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Am Beispiel einer Last steuerung für ein Kleinkraftwerk mit einem
vom öffentlichen Verbundnetz getrennten Wechselstromgenerator G zeigt Fig. 3 insbesondere
die Schaltung für das Meßglied M sowie die Steuerung S. Das Meßglied M besteht hierbei
aus einem zur Grundlastimpedanz ZG parallel geschalteten Transformator TR , welcher
sekundärseitig mit einem Zweiweg-Brückengleichrichter G verbunden ist. Die Gleichspannungspole
des Gleichrichters G1 sind mit den Klemmen eines Kondensators C2 verbunden, zu welchem
ein Potentiometer RP parallel geschaltet ist. Am Abgriff des Potentiometers
Rp
steht eine geglättete Gleichspannung zur Verfügung, welche zur Wechselspannung an
der Grundlastimpedanz ZG proportional ist. Diese am Potentiometer Rp abgegriffene
Spannung stellt einen Sollwert dar und dient somit als Führungsgröße für den elektronischen
Regelkreis. Diese Sollspannung wird über eine Zenerdiode DZ an die Basis-Emitter-Strecke
eines als Regler wirkenden Transistors T geleitet. Ausgangsseitig steht der Transistor
T mit den Gleichspannungsklemmen eines Zweiweg-Brückengleichrichters G2 in Verbindung,
wobei dessen Kathode und der Emitter des Transistors T zusammengeschaltet sind.
Die Wechselspannungsseite des Gleichrichters G2 ist mit einem als Stellglied wirkenden
veränderbaren Widerstand R1 verbunden. Der Widerstand R1 ist seinerseits in Reihe
mit einem Kondensator cl geschaltet und bildet somit ein RC-Glied, welches als Proportionalglied
mit Verzögerung erster Ordnung wirkt. Das RC-Glied ist parallel zum Wechselstromsteller
W geschaltet, wobei die Parallelschaltung des Wechselstromstellers W mit dem RC-Glied
ihrerseits in Reihe zu der Zusatzlastimpedanz ZL angeordnet ist. Das am Kondensator
C1 des RC-Gliedes abgegriffene Signal wird über Schutzdioden D5 zum Steueranschluß
des als Triac ausgebildeten Wechselstromstellers W geleitet.
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Wie bereits am Beispiel von Fig. 1 erläutert, ermöglicht die in Fig.
3 dargestellte Last steuerung eine automatische Regelung des Stromes durch die Zusatzlastimpedanz
Z L mit dem Ziel einer konstanten Spannung an der Grundlastimpedanz Z bei deren
Veränderun.
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Bei einem mit Wasserkraft angetriebenen Wechselstromgenerator G braucht
somit das Uberschußwasser nicht überzulaufen, sondern kann zur Erzeugung von elektrischer
Energie, beispielsweise für eine Heizung, verwendet werden. Da die auf elektronischer
Basis arbeitende Lastausgleichsteuerung völlig wartungs- und verschleiß frei ist,
ist eine optimale Energieausnutzung bei konstanter Spannung an der Grundlast ohne
manuelle Maßnahmen möglich,.
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Durch die neue Laststeuerung erfolgt eine außerordentlich wirksame
Entlastung aller mechanischen Bauteile, da mechanische Schaltungen praktisch nicht
mehr oder nur in großen Abständen erfolgen. Die Verbraucherstellen werden außerordentlich
geschont, da bei Synchronbetrieb die Spannungsschwankungen in sehr engen Grenzen
gehalten werden können. Die zur Verfügung stehende natürliche Antriebsenergie wird
optimal ausgenutzt.
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Auch rasch auftretende Schwankungen der natürlichen Antriebsenergie,
wie sie inbs. bei Windkraftwerken auftreten, werden von der Laststeuerung so rasch
erfaßt, daß Spannangsschwankungen an der Grundlastimpedanz nur im zulässigen Maße
auftreten und bei asynchronem Betrieb der Bedarf an Strom aus dem öffentlichen Netz
außerordentlich gering gehalten werden kann, Die Laststeuerung ist nur aus wenigen
Teilen in sehr einfacher und wartungsfreier Weise aufgebaut und daher preiswert
und außerordentlich robust. Dies ist gerade bei Kleinkraftwerken von besonderer
Bedeutung, da die Inhaber solcher Kleinkraftwerke in der Regel kaum in der Lage
sind eine Laststeuerung .
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zu warten oder zu überwachen. Trotz des einfachen Aufbaus ist das
Ansprechvermögen der Laststeuerung außerordentlich hoch, so daß auch rasche und
häufige Zustandsänderungungen zuverlässig von der Laststeuerung ausgesteuert werden
können.
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L e e r s e i t e