EP3635855A1 - Elektrisches energieerzeugungssystem und verfahren zum betreiben eines elektrischen energieerzeugungssystems - Google Patents

Elektrisches energieerzeugungssystem und verfahren zum betreiben eines elektrischen energieerzeugungssystems

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Publication number
EP3635855A1
EP3635855A1 EP18727162.2A EP18727162A EP3635855A1 EP 3635855 A1 EP3635855 A1 EP 3635855A1 EP 18727162 A EP18727162 A EP 18727162A EP 3635855 A1 EP3635855 A1 EP 3635855A1
Authority
EP
European Patent Office
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electrical
intermediate circuit
pulse rectifier
diesel engine
rectifier
Prior art date
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Ceased
Application number
EP18727162.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Bernhard HÖSCHELER
Robert Schmid
Jürgen SCHURR
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Mobility GmbH
Original Assignee
Siemens Mobility GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Mobility GmbH filed Critical Siemens Mobility GmbH
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    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • Electric power generation system and method for operating an electric power generation system are Electric power generation system and method for operating an electric power generation system
  • the invention relates to an electrical Energymaschineungssys ⁇ tem.
  • the invention further relates to a method for operating an electric power generation system.
  • the invention further relates to a computer program product.
  • an electric intermediate circuit voltage as a function of various parameters (eg, converted power, speed, auxiliary operating power, etc.) can be set freely within wide limits.
  • the object is conventionally because ⁇ solved by that a diesel engine is directly coupled to a DC generator or an alternator with a downstream rectifier diodes.
  • the speed of the diesel engine follows, for example, a so-called "propeller curve".
  • the generators are usually electrically foreign-excited.
  • an electrical Zvi ⁇ link voltage results without external influences approximately proportional to the number Dieselmotor loft-, said characteristic fits well with the requirements of the traction motors.
  • the exciter devices take over a fine adjustment and load balancing.
  • an electric power generation system comprising:
  • a diesel engine operatively coupled to a three-phase generating device; wherein the generator means is operatively coupled to a elekt ⁇ step intermediate circuit,
  • the electrical intermediate circuit is operatively coupled to an electrical consuming device
  • an electrical intermediate circuit voltage of the electrical intermediate circuit is provided in a defined manner by the passive rectifier and the pulse rectifier;
  • the object is achieved with a method for operating an electric power generation system, wherein the electric power generation system is functionally coupled to an electrical intermediate circuit, wherein the electrical intermediate circuit is functional with a electrical consumption device is coupled, comprising the steps:
  • An advantageous development of the electrical power generation system is characterized in that a level of the electrical intermediate circuit voltage, which is greater than the setpoint value, depends exclusively on the speed of the diesel engine. This supports that even higher levels of the DC link voltage can be provided. Another advantageous development of the electrical
  • the pulse rectifier is dimensioned in terms of power to a defined proportion of the generated by means of the diesel engine and the generator means electrical power.
  • the pulse rectifier can be realized more cost-effectively and less technically in this way, as a result of which dimensioning of the downstream electrical consumption device can likewise be realized in a more cost-effective and technically less complicated manner.
  • a further advantageous development of the electrical power generation system is characterized in that the pulse rectifier is dimensioned to a range of approximately less than or equal to 50% of the electrical power that can be generated by means of the diesel engine and the generator device. In this way, a good compromise between electrical performance and cost-effectiveness of the pulse rectifier is realized.
  • a further advantageous development of the electric power generation system provides that electronic
  • Switching elements of the pulse rectifier with diodes of the passive rectifier are functionally interconnected in one unit. In this way, the diodes of the pulse rectifier can also take over the functionality of passive diode rectifier to ⁇ same.
  • Power generation system is characterized in that the pulse rectifier is controlled such that the diesel engine is driven by the generator means.
  • the generator device can advantageously act as an electric starter for the diesel engine by means of an energy direction reversal.
  • a further advantageous development of the electric Sys tems ⁇ is characterized in that a defined, requested by the electrical consumption of electrical input means voltage is used as a manipulated variable for the pulse rectifier. As a result, a level of the electrical intermediate circuit voltage is provided which supplies all the individual elements of the electrical consuming device with sufficient electrical power.
  • FIG. 1 shows in principle a block diagram of a conventional electric power generation system
  • FIG. 2 shows a schematic block diagram of another conventional electric power generation system
  • 3 shows a basic block diagram of an exporting ⁇ approximate shape of a proposed electrical Energyer generating system
  • FIG. 5 shows a basic sequence of an embodiment of the method according to the invention for operating an electric power generation system.
  • the task can traditionally be solved by ⁇ that the diesel engine is directly coupled to a DC generator or with an alternator and a diode rectifier downstream.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a voltage generating device 10 with a diesel engine 1, which is functionally coupled to a third-party excited generator device (alternator) 2.
  • a rotational speed n d of the externally excited generator device 10 is thereby provided by the diesel engine 1, where ⁇ for supplying a defined rotational speed n d, for example, a diesel injection quantity of the diesel engine 1 is dosed ⁇ accordingly.
  • the generating means 2 is externally excited by an excitation device 3, thereby realizing a separately excited Syn ⁇ chronmaschine.
  • an electrical voltage ei ⁇ ner vehicle electrical system battery is supplied via a controller to the generator 2, wherein an electrical voltage is formed in dependence on the generated three-phase voltage ⁇ .
  • the three-phase electrical output voltage of the generator ⁇ gate device 2 is supplied to a rectifier device 20 in the form of a passive diode rectifier.
  • At the output of the rectifier device 20 is in a DC link 30 with a DC link capacitor rectified electrical output voltage u ZK (Zwischennikspan ⁇ tion) available, to which an electrical load, in shape at least one power converter of an electrical consumption ⁇ device 40 is connected.
  • Power converters of the electrical consuming device 40 can be designed as a traction converter, auxiliary converter, traction power supply, etc., by means of the auxiliary mode converter electrical auxiliary equipment of the ⁇ selelektrischen vehicle, such as air conditioning, heating, control of brakes, etc., electrically powered become.
  • the technique of such a hybrid vehicle is largely identical to a pure electric locomotive.
  • the electrical intermediate circuit voltage u ZK is generated by means of at least one inverter, an electrical AC voltage for the requirements of Be ⁇ operation of the hybrid vehicle, eg for the Fahrmoto ⁇ ren, the auxiliary operations, etc.
  • the rectifier 20 takes on the full electrical power of the intermediate circuit 30 for the at least one power converter.
  • Due to the formula (1) is a high speed of the diesel engine 1 ER- conducive to achieving high performance in general, wherein the provided performance Paktueii for example, is proportional to the cube of the speed n D i eS ei of the ⁇ selmotors. 1
  • the generator devices 2 driven by the diesel engines are usually electrically foreign-excited.
  • an electrical intermediate circuit voltage u ZK results proportional to the speed of the diesel engine 1. This characteristic fits well with the requirements of the traction motors of the diesel-electric vehicle.
  • the excitation device 3 takes over a fine adjustment and a load ⁇ compensation of the alternator. 2
  • the power also increases with the speed of the diesel engine 1, but a case may occur that, although a high DC link voltage is required, but not a high electric power, e.g. at standstill of the electric vehicle.
  • this due to the formula (1), conventionally, this always requires a high rotational speed of the diesel engine 1 with the corresponding adverse effects concerning primary energy consumption and emissions of the diesel engine 1.
  • Converters and transformers must be designed for operation at lower electric intermediate circuit voltage U ZK high elekt ⁇ generic streams, and for operation at high electric intermediate circuit voltage U ZK for the high electrical ⁇ intermediate circuit voltage U ZK.
  • the internal auxiliary operations of the diesel electric ⁇ ⁇ rischen vehicle receive its own small inverter and the Glasenergiemakers with their higher performance is designed only for a limited electrical voltage range.
  • this has the disadvantage of the consequence that the diesel engine 1 must always work with increased supply power with increased or high speed.
  • the generator device 2 shows such a conventional arrangement, in which case the generator device 2 is designed as an asynchronous machine or a machine permanently excited by means of a permanent magnet.
  • the generator device 2 in order to realize the desired output voltage, a missing magnetization must be adjusted by a reactive current on the power side, whereby the reactive electrical current is provided by means of the pulse rectifier 21.
  • the generator device 2 can be magnetized or demagnetized.
  • a pulse rectifier 21 can be used with heavily designed diodes and weaker dimensioned electronic switching elements (eg transistors). In this way the functiona ⁇ formality of the passive rectifier 20 and the pulse rectifier ⁇ ters can be implemented in a single module 21, in which case the diodes of the pulse rectifier 21 also assume the function of the passive rectifier 20th
  • P represents here a generatable by means of the ⁇ selmotors 1 and the generating means 2 elekt ⁇ generic performance. If the required power exceeds PI, then the power flow at no longer pulsating pulse rectifier 21 as in the conventional solution according to FIG 1 is exclusively on the passive rectifier 20 in the form of diode bridges.
  • the power PI is advantageously chosen such that the natural characteristic curve of the generator device 2 at PI just delivers the minimum electrical intermediate circuit voltage u ZK min. At full load while the high efficiency of the passive rectifier 20 is advantageously used.
  • the pulse rectifier 21 is dimensioned, for example, at a selected ⁇ ZK min of 0.77 to approximately half the power of the electric power generated by the diesel engine 1 and the generator device 2.
  • the inventive solution according to FIG 3 allows to use approximately all the advantages of a solution with a generating means 2 in the form of an asynchronous / permanent-magnet synchronous machine and exclusively present pulse rectifier 21 at ver ⁇ ringertem effort.
  • the electrical intermediate circuit voltage u ZK can thereby be raised in the small power range, which advantageously makes possible an economical design for the auxiliary converter.
  • a desired value u ZK min of the electrical intermediate circuit voltage is supplied to the pulse equalizer 21 and a desired value of the electric power Psoii the voltage generating device 10. In this way, advantageously decoupling the An ⁇ requirements on the parameters DC link voltage and power to a speed of the diesel engine 1 can be achieved , Provision of electrical power of the intermediate circuit continues to take place exclusively via the rotational speed of the diesel engine 1.
  • the diesel engine 1 can be operated at an optimum operating point, because it is above all ready for use.
  • Position of an electrical power is operated, wherein a request for a level of the electrical DC link voltage is met by the pulse rectifier 21.
  • the pulse rectifier 21 can be dimensioned significantly smaller than the conventional solution according to FIG.
  • the electrical short-circuit currents flow the rotary current generator 2 via the robust rectifier bridge of the passive rectifier 20 and do not affect dimensioning ⁇ rend to the pulse rectifier 21 out.
  • a starting of the diesel engine 1 can be done from the intermediate circuit 30 by reversing the flow of energy through the pulse rectifier 21 and the alternator 2, so that in this way the alternator 2 can act advantageously as a starter for the diesel engine 1.
  • the pulse rectifier 21 except in the case of a short circuit, if no isolator for the pulse rectifier ⁇ 21 is provided, an emergency operation is possible.
  • only the rotational speed of the diesel engine 1 must always be kept greater than the rotational speed n m belonging to the natural electrical intermediate circuit voltage u ZK min of the alternator 2.
  • the electric intermediate circuit chip ⁇ voltage U ZK min represents one target value of a consumer ⁇ chers the electrical consumers direction 40. in several consumers within the electrical consumption device 40 with different requirements for the electric intermediate circuit voltage represents u ZK min the highest Shaped ⁇ derten value of Electrical DC link voltage.
  • the solid curve shows a typical course of an electrical intermediate circuit voltage u ZK as a function of the rotational speed, which lies in a range of approximately 1: 3.
  • the diesel engine 1 must be operated at a relatively high speed in order to provide the required DC link voltage U ZK .
  • An increase of the electrical intermediate circuit voltage at low speeds of the diesel engine 1 thus relieves the Zwi ⁇ circuit 30 is electrically powered converter and makes it technically less expensive and thus more cost-effective.
  • this point can be defined defined, so that a generation of the DC link voltage 30 defined between the pulse rectifier 21 and the passive rectifier 20 can be divided.
  • the supply of the electrical intermediate circuit voltage u ZK again takes over exclusively the three-phase generator 2 driven by the diesel engine 1, the voltage of which is rectified by the passive rectifier 20.
  • the double arrow in FIG 4 thus represents a proportion of Zvi ⁇ link voltage, the advantageous from the pulse rectifier 21 is generated independently of the speed of the diesel engine 1.
  • the pulse rectifier 21 From the rotational speed of the diesel engine 1 at the point K, the pulse rectifier 21 is inactive, the electric DC link voltage being provided exclusively from the rotational speed of the diesel engine 1 with the rectification functionality of the passive diode rectifier 20 from this point in time. From FIG 4 it can be seen that due to the dependence of the power of the speed to the third power of the pulse rectifier 21 can be dimensioned much smaller than that of FIG 2. In the case of FIG 4, where point K is about 0.77 of the rated speed of the diesel engine 1, the power of the pulse rectifier 21 can be designed to be 0.77 3 , ie about 45% of the power of the diesel engine 1.
  • the pulse rectifier 21 In the event that the target value u ZK min of the electrical allespispan ⁇ tion is at half the diesel engine speed, the pulse rectifier 21 must be designed only to 12% of the power of the diesel engine 1.
  • the double arrow of FIG 4 repre ⁇ advantage thus indirectly a power aspect for Di ⁇ dimensioning of the pulse rectifier 21st
  • FIG 4 is made thus clear that a dimensioning of the pulse rectifier 21 can be significantly smaller than the nominal power of the diesel engine 1, wherein an actual Dimension ⁇ dimensioning the requirement of minimum electric intermediate circuit voltage depends. With FIG 4 should therefore be shown above all a degree of freedom obtained for the provision of the electrical intermediate circuit voltage.
  • FIG. 5 shows a basic flow diagram of an embodiment of the method according to the invention for operating an electric power generation system.
  • a step 100 supplying an electric DC link voltage U ZK min required by the consuming device 40 to the pulse rectifier 21 is performed.
  • a step 110 an operation of the pulse rectifier 21 is performed such that the required electrical intermediate circuit voltage u ZK min is provided independently of a rotational speed of the diesel engine 1 by means of a raising function of the pulse ⁇ rectifier 21.

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Abstract

Elektrisches Energieerzeugungssystem (10), aufweisend: - einen Dieselmotor (1), der funktional mit einer Drehstrom-Generatoreinrichtung (2) gekoppelt ist; - wobei die Generatoreinrichtung (2) funktional mit einem elektrischen Zwischenkreis (30) gekoppelt ist, - wobei der elektrische Zwischenkreis (30) funktional mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung (40) gekoppelt ist; - wobei in den Zwischenkreis (30) ein passiver Gleichrichter (20) und ein Pulsgleichrichter (21) parallel geschaltet sind; - wobei eine elektrische Zwischenkreisspannung (uZK) des elektrischen Zwischenkreises (30) in definierter Weise vom passiven Gleichrichter (20) und vom Pulsgleichrichter (21) bereitstellbar ist; - wobei dem Pulsgleichrichter (21) ein Sollwert (uZK_min) der elektrischen Zwischenkreisspannung (uZK) zuführbar ist; - wobei mittels des Pulsgleichrichters (21) ein definierter Anteil der elektrischen Zwischenkreisspannung (uZK) bereitstellbar ist.

Description

Beschreibung
Elektrisches Energieerzeugungssystem und Verfahren zum Be- treiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Energieerzeugungssys¬ tem. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems. Die Erfin- dung betrifft ferner ein Computerprogrammprodukt.
Insbesondere für Traktionszwecke im Bereich von Schienen¬ fahrzeugen mit elektrischem Antrieb ist es erforderlich, eine elektrische Zwischenkreisspannung in Abhängigkeit von ver- schiedenen Parametern (z.B. umgesetzte Leistung, Fahrgeschwindigkeit, Hilfsbetriebleistung, usw.) in weiten Grenzen frei einstellen zu können.
Betrachtet man die reine Traktionsaufgabe eines dieselelekt- rischen Fahrzeugs, wird die Aufgabe herkömmlicherweise da¬ durch gelöst, dass ein Dieselmotor direkt mit einem Gleichstromgenerator oder mit einem Drehstromgenerator mit nachgeschaltetem Diodengleichrichter gekoppelt ist. Die Drehzahl des Dieselmotors folgt dabei zum Beispiel einer sogenannten „Propellerkurve".
Die Generatoren sind üblicher Weise elektrisch fremderregt. Somit ergibt sich ohne äußere Einflüsse eine elektrische Zwi¬ schenkreisspannung in etwa proportional zur Dieselmotordreh- zahl, wobei diese Charakteristik gut zu den Anforderungen der Traktionsmotoren passt. Die Erregergeräte übernehmen dabei eine Feinregulierung und einen Lastausgleich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbes- sertes elektrisches Energieerzeugungssystem bereitzustellen. Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt gelöst mit einem elektrischen Energieerzeugungssystem, aufweisend:
einen Dieselmotor, der funktional mit einer Drehstrom- Generatoreinrichtung gekoppelt ist; wobei die Generatoreinrichtung funktional mit einem elekt¬ rischen Zwischenkreis gekoppelt ist,
wobei der elektrische Zwischenkreis funktional mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung gekoppelt ist;
- wobei in den Zwischenkreis ein passiver Gleichrichter und ein Pulsgleichrichter parallel geschaltet sind;
wobei eine elektrische Zwischenkreisspannung des elektrischen Zwischenkreises in definierter Weise vom passiven Gleichrichter und vom Pulsgleichrichter bereitstellbar ist;
wobei dem Pulsgleichrichter ein Sollwert der elektrischen Zwischenkreisspannung zuführbar ist;
wobei mittels des Pulsgleichrichters in einem definierten Arbeitsbereich ein definierter Anteil der elektrischen Zwischenkreisspannung bereitstellbar ist.
Auf diese Weise wird vorteilhaft eine Abhängigkeit einer Be¬ reitstellung der elektrischen Zwischenkreisspannung durch die Drehzahl des Dieselmotors durchbrochen. Vorteilhaft kann da- durch ein effizienter Betrieb des Dieselmotors realisiert werden, wobei zu einem definierten Anteil eine Hochstellerfunktion des Pulsgleichrichters zur elektrischen Erzeugung der elektrischen Zwischenkreisspannung verwendet wird. Auf diese Weise kann eine Dimensionierung der von der elektrischen Zwischenkreisspannung versorgten elektrischen Energieverbraucher, z.B. in Form von Hilfsbetriebe-Umrichtern und Zugenergieversorgungseinrichtungen vorteilhaft günstig erfolgen. Die genannten Elemente verlangen in der Regel idealer- weise eine möglichst konstante elektrische Zwischenkreisspan¬ nung, die mit der erfindungsgemäßen Lösung auf effiziente Weise bereitgestellt wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems, wobei das elektrische Energieerzeugungssystem funktional mit einem elektrischen Zwischenkreis gekoppelt ist, wobei der elektrische Zwischenkreis funktional mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung gekoppelt ist, aufweisend die Schritte:
Zuführen eines von der Verbrauchseinrichtung geforderten elektrischen Zwischenkreisspannungssollwerts an den Puls- gleichrichter ; und
Betreiben des Pulsgleichrichters derart, dass die gefor¬ derte elektrische Zwischenkreisspannung zu einem definierten Anteil unabhängig von einer Drehzahl des Dieselmotors mittels einer Hochstellfunktion des Pulsgleichrich- ters bereitgestellt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen Energieerzeugungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass ein Pegel der elektrischen Zwischenkreisspannung, der größer als der Soll- wert ist, ausschließlich von der Drehzahl des Dieselmotors abhängt. Dadurch ist unterstützt, dass auch höher geforderte Pegel der elektrischen Zwischenkreisspannung bereitgestellt werden können. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen
Energieerzeugungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter leistungsmäßig auf einen definierten Anteil der mittels des Dieselmotors und der Generatoreinrichtung generierbaren elektrischen Leistung dimensioniert ist. Vor- teilhaft kann auf diese Weise der Pulsgleichrichter kostengünstiger und technisch weniger aufwendig realisiert werden, wodurch auch eine Dimensionierung der nachgeschalteten elektrischen Verbrauchseinrichtung ebenso kostengünstiger und technisch weniger aufwendig realisiert werden kann.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der elektrischen Energieerzeugungssystems zeichnet sich dadurch aus, dass der Pulsgleichrichter auf einen Bereich von ca. kleiner gleich 50% der mittels des Dieselmotors und der Generatoreinrichtung generierbaren elektrischen Leistung dimensioniert ist. Auf diese Weise wird ein guter Kompromiss zwischen elektrischer Leistungsfähigkeit und Kosteneffizienz des Pulsgleichrichters realisiert . Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen Energieerzeugungssystems sieht vor, dass elektronische
Schaltelemente des Pulsgleichrichters mit Dioden des passiven Gleichrichters funktional in einer Einheit verschaltet sind. Auf diese Weise können die Dioden des Pulsgleichrichters zu¬ gleich auch die Funktionalität des passiven Diodengleichrichters übernehmen. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen
Energieerzeugungssystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter derart ansteuerbar ist, dass der Dieselmotor mittels der Generatoreinrichtung angetrieben wird. Auf diese Weise kann mittels einer Energierichtungsumkehr die Ge- neratoreinrichtung vorteilhaft als elektrischer Starter für den Dieselmotor fungieren.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des elektrischen Sys¬ tems zeichnet sich dadurch aus, dass eine definierte, von der elektrischen Verbrauchseinrichtung angeforderte elektrische Eingangsspannung als Stellgröße für den Pulsgleichrichter verwendet wird. Dadurch wird ein Pegel der elektrischen Zwi- schenkreisspannung bereitgestellt, die alle Einzelelemente der elektrischen Verbrauchseinrichtung elektrisch ausreichend versorgt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit Figuren näher erläutert werden .
FIG 1 zeigt in prinzipieller Weise ein Blockschaltbild eines herkömmlichen elektrischen Energieerzeugungssystems;
FIG 2 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild eines weiteren herkömmlichen elektrischen Energieerzeugungssystems; FIG 3 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ausfüh¬ rungsform eines vorgeschlagenen elektrischen Energieer zeugungssystems ;
FIG 4 zeigt ein Signaldiagramm mit einem Verlauf einer normierten elektrischen Zwischenkreisspannung über der normierten Dieselmotordrehzahl;
FIG 5 zeigt einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems .
Betrachtet man die reine Traktionsaufgabe eines dieselelekt¬ rischen Fahrzeugs, kann die Aufgabe herkömmlicherweise da¬ durch gelöst werden, dass der Dieselmotor direkt mit einem Gleichstromgenerator oder mit einem Drehstromgenerator und nachgeschaltetem Diodengleichrichter gekoppelt ist.
FIG 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Spannungserzeugungsvor- richtung 10 mit einem Dieselmotor 1, der funktional mit einer fremderregten Generatoreinrichtung (Drehstromgenerator) 2 ge- koppelt ist. Eine Drehzahl nd der fremderregten Generatoreinrichtung 10 wird dabei vom Dieselmotor 1 bereitgestellt, wo¬ bei zum Bereitstellen einer definierten Drehzahl nd beispielsweise eine Dieseleinspritzmenge des Dieselmotors 1 ent¬ sprechend dosiert wird.
Die Generatoreinrichtung 2 wird von einer Erregereinrichtung 3 fremderregt und realisiert dadurch eine fremderregte Syn¬ chronmaschine. Dabei wird z.B. eine elektrische Spannung ei¬ ner Bordnetzbatterie über einen Steller an die Generatorein- richtung 2 zugeführt, wobei eine elektrische Spannung in Ab¬ hängigkeit von der generierten Dreiphasenspannung ausgebildet ist. Die dreiphasige elektrische Ausgangsspannung der Genera¬ toreinrichtung 2 wird einer Gleichrichtereinrichtung 20 in Form eines passiven Diodengleichrichters zugeführt. Am Aus- gang der Gleichrichtereinrichtung 20 steht in einem Zwischenkreis 30 mit einem Zwischenkreiskondensator eine gleichgerichtete elektrische Ausgangsspannung uZK (Zwischenkreisspan¬ nung) zur Verfügung, an die eine elektrische Last, in Form wenigstens eines Stromrichters einer elektrischen Verbrauchs¬ einrichtung 40 anschließbar ist.
Stromrichter der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40 können als ein Traktionsstromrichter, Hilfsbetriebe-Stromrichter, Zugstromversorgung, usw. ausgebildet sein, wobei mittels der Hilfsbetriebe-Stromrichter elektrische Hilfsbetriebe des die¬ selelektrischen Fahrzeugs, wie zum Beispiel Klima, Heizung, Ansteuerung von Bremsen usw., elektrisch versorgt werden.
Von der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40 wird ein Signal einer Soll-Leistung Psoii und ein Signal einer geforderten mi¬ nimalen elektrischen Zwischenkreisspannung uZK min an die Span- nungserzeugungsvorrichtung 10 zugeführt. Je nach Erfordernis der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40 bzw. der damit zusammenhängenden Belastung des Zwischenkreises 30 wird die Er¬ regung für die Generatoreinrichtung 2 geändert. Grob wird für die Bereitstellung der Leistung des Zwischenkreises 30 die Drehzahl des Dieselmotors 1 eingestellt, wobei eine Feinein- Stellung mittels der Erregereinrichtung 3 durchgeführt wird.
Somit wird auf diese Weise ein Hybrid-Fahrzeug realisiert, dessen elektrische Energie mittels des Dieselmotors 1 und der Generatoreinrichtung 2 generiert wird.
Ab dem elektrischen Zwischenkreis 30 ist die Technik eines derartigen Hybridfahrzeugs weitgehend identisch mit einer reinen E-Lokomotive . Aus der elektrischen Zwischenkreisspannung uZK wird mittels wenigstens eines Wechselrichters eine elektrische Wechselspannung für die Erfordernisse des Be¬ triebs des Hybridfahrzeugs generiert, z.B. für die Fahrmoto¬ ren, die Hilfsbetriebe, usw.
Der Gleichrichter 20 übernimmt in diesem Fall die volle elektrische Leistung des Zwischenkreises 30 für den wenigs tens einen Stromrichter. Die Drehzahl des Dieselmotors 1 folgt dabei z.B. der soge¬ nannten Propellerkurve: mMe i = ^Pak uelt/PNBtesel x nNenn_Diesei (1) mit den Parametern: nDiesei ··· Drehzahl des Dieselmotors
Paktueii · · · bereitgestellte Leistung des Dieselmotors PN Diesei · · · Nennleistung des Dieselmotors
nNenn Diesei · · Nenndrehzahl des Dieselmotors
Aufgrund der Formel (1) ist zur Erreichung einer hohen Leistung in der Regel eine hohe Drehzahl des Dieselmotors 1 er- forderlich, wobei die bereitgestellte Leistung Paktueii z.B. proportional zur dritten Potenz der Drehzahl nDieSei des Die¬ selmotors 1 ist. Die mit den Dieselmotoren angetriebenen Generatoreinrichtungen 2 sind üblicher Weise elektrisch fremderregt. Somit ergibt sich eine elektrische Zwischenkreisspan- nung uZK proportional zur Drehzahl des Dieselmotors 1. Diese Charakteristik passt gut zu den Anforderungen der Traktionsmotoren des dieselelektrischen Fahrzeugs. Die Erregereinrichtung 3 übernimmt dabei eine Feinregulierung und einen Last¬ ausgleich des Drehstromgenerators 2.
Auch die Leistung wächst mit der Drehzahl des Dieselmotors 1, wobei aber ein Fall eintreten kann, dass zwar eine hohe elektrische Zwischenkreisspannung gefordert ist, nicht jedoch eine hohe elektrische Leistung, z.B. im Stillstand des die- seielektrischen Fahrzeugs. Aufgrund der Formel (1) erfordert dies aber herkömmlich immer eine hohe Drehzahl des Dieselmotors 1 mit den entsprechenden nachteiligen Wirkungen betreffend Primärenergieverbrauch und Emissionen des Dieselmotors 1.
Betrachtet man die Erfordernisse der Hilfsbetriebe und der Zugenergieversorgung (z.B. möglichst konstante elektrische Spannung im gesamten Drehzahlbereich des Dieselmotors 1), dann sind damit folgende Nachteile verbunden:
Umrichter und Transformatoren müssen für den Betrieb bei kleiner elektrische Zwischenkreisspannung uZK für hohe elekt¬ rische Ströme und für einen Betrieb bei hoher elektrischer Zwischenkreisspannung uZK für die hohe elektrische Zwischen¬ kreisspannung uZK ausgelegt werden. Alternativ können die internen Hilfsbetriebe des dieselelekt¬ rischen Fahrzeugs einen eigenen kleinen Umrichter erhalten und die Zugenergieversorgung mit ihrer höheren Leistung wird nur für einen eingeschränkten elektrischen Spannungsbereich ausgelegt. Dies hat jedoch nachteilig zur Folge, dass der Dieselmotor 1 bei eingeschalteter Zugenergieversorgung immer mit erhöhter bzw. hoher Drehzahl arbeiten muss.
Neuere Entwicklungen begegnen der oben genannten Problematik der Ankopplung eines Generators an einen Zwischenkreis 30 durch einen Einsatz eines Pulsgleichrichters, auch AFE (Acti¬ ve Front End) genannt.
FIG 2 zeigt eine derartige herkömmliche Anordnung, wobei in diesem Fall die Generatoreinrichtung 2 als eine Asynchronma- schine oder eine mittels eines Dauermagneten permanenterregte Maschine ausgebildet ist. Bei derartigen Maschinen muss, um die gewünschte Ausgangsspannung zu realisieren, eine fehlende Magnetisierung durch einen Blindstrom auf der Leistungsseite eingestellt werden, wobei der elektrische Blindstrom mittels des Pulsgleichrichters 21 bereitgestellt wird. Dadurch kann die Generatoreinrichtung 2 magnetisiert oder entmagnetisiert werden .
Dadurch können auch die prinzipbedingt einfach aufgebauten Maschinentypen Asynchrongenerator und permanent erregter Synchrongenerator als Drehstromgenerator eingesetzt werden. Nachteilig hierbei treten eine erhöhte Komplexität, Ausfall¬ wahrscheinlichkeit und Investitionskosten im Stromrichter auf . Vorgeschlagen wird, das Problem dadurch zu lösen, dass einer herkömmlichen Lösung mit einer Generatoreinrichtung 2 und passivem Gleichrichter 20 ein Pulsgleichrichter 21 definiert kleiner Leistung PI parallel geschaltet wird. Eine Ausführungsform eines derartigen Energieerzeugungssys¬ tems ist prinzipiell in FIG 3 dargestellt. Man erkennt, dass das Anforderungssignal der minimalen elektrischen Zwischen- kreisspannung uZK min von der elektrischen Verbrauchseinrich¬ tung 40 in diesem Fall an eine Steuerungseinrichtung 22 zuge- führt ist, mittels der der Pulsgleichrichter 21 zur Generierung eines definierten Anteils der elektrischen Zwischen- kreisspannung uZK angesteuert wird. Vorteilhaft ist dabei dieser Anteil von der Drehzahl des Dieselmotors 1 unabhängig. Vorteilhaft ist auf diese Weise eine Entkopplung der Funktio- nalität Drehzahl und elektrische Zwischenkreisspannung erreicht, wodurch ein effizienter und ökonomischer Betrieb des Dieselmotors 1 unterstützt ist.
Alternativ (nicht in Figuren dargestellt) kann ein Puls- gleichrichter 21 mit stark ausgelegten Dioden und schwächer dimensionierten elektronischen Schaltelementen (z.B. Transistoren) eingesetzt werden. Auf diese Weise kann die Funktiona¬ lität des passiven Gleichrichters 20 und des Pulsgleichrich¬ ters 21 in einem einzigen Modul realisiert werden, wobei in diesem Fall die Dioden des Pulsgleichrichters 21 auch die Funktion des passiven Gleichrichters 20 übernehmen.
Im Bereich kleiner Leistung, d.h. P < PI und kleiner Dieselmotordrehzahl setzt der Pulsgleichrichter 21 die elektrische Zwischenkreisspannung uZK auf die minimale Zwischenkreisspannung uZK min hoch. P repräsentiert dabei eine mittels des Die¬ selmotors 1 und der Generatoreinrichtung 2 erzeugbare elekt¬ rische Leistung. Übersteigt die geforderte Leistung PI, so geht der Leistungsfluss bei nicht mehr taktendem Pulsgleichrichter 21 wie bei der herkömmlichen Lösung gemäß FIG 1 ausschließlich über den passiven Gleichrichter 20 in Form der Diodenbrücken. Dazu wird die Leistung PI vorteilhaft derart gewählt, dass die natürliche Kennlinie der Generatoreinrich¬ tung 2 bei PI gerade die minimale elektrische Zwischenkreis- spannung uZK min liefert. Bei Volllast wird dabei vorteilhaft der hohe Wirkungsgrad des passiven Gleichrichters 20 genutzt. Gemäß den Prinzipien der Propellerkurve wird dabei der Puls¬ gleichrichters 21 z.B. bei einem gewählten uZK min von 0,77 auf ca. die halbe Leistung der mit dem Dieselmotor 1 und der Generatoreinrichtung 2 erzeugten elektrischen Leistung dimensioniert .
Die erfindungsgemäße Lösung gemäß FIG 3 ermöglicht bei ver¬ ringertem Aufwand näherungsweise alle Vorteile einer Lösung mit einer Generatoreinrichtung 2 in Form einer Asynchronmaschine/permanent erregter Synchronmaschine und ausschließlich vorhandenem Pulsgleichrichter 21 zu nutzen.
Vorteilhaft kann dadurch die elektrische Zwischenkreisspan- nung uZK im kleinen Leistungsbereich angehoben werden, wodurch vorteilhaft eine wirtschaftliche Auslegung für die Hilfsbetriebe-Umrichter möglich ist.
Ein Sollwert uZK min der elektrischen Zwischenkreisspannung wird dem Pulsgleichreicher 21 zugeführt und ein Sollwert der elektrischen Leistung Psoii der Spannungserzeugungsvorrichtung 10. Auf diese Weise kann vorteilhaft eine Entkopplung der An¬ forderungen an die Parameter elektrische Zwischenkreisspannung und Leistung an eine Drehzahl des Dieselmotors 1 erreicht werden. Eine Bereitstellung von elektrischer Leistung des Zwischenkreises erfolgt dabei nach wie vor ausschließlich über die Drehzahl des Dieselmotors 1.
Im Ergebnis kann der Dieselmotor 1 in einem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden, weil er vor allem zur Bereit- Stellung einer elektrischen Leistung betrieben wird, wobei eine Anforderung an eine Höhe der elektrischen Zwischenkreis- spannung vom Pulsgleichrichter 21 erfüllt wird. Ferner kann vorteilhaft der Pulsgleichrichter 21 gegenüber der herkömmlichen Lösung gemäß FIG 2 deutlich kleiner dimensioniert werden.
Ferner fließen die elektrischen Kurzschlussströme des Dreh- Stromgenerators 2 über die robuste Gleichrichterbrücke des passiven Gleichrichters 20 und wirken sich nicht dimensionie¬ rend auf den Pulsgleichrichter 21 aus.
Ein Starten des Dieselmotors 1 kann aus dem Zwischenkreis 30 durch eine Umkehrung des Energieflusses über den Pulsgleichrichter 21 und den Drehstromgenerator 2 erfolgen, sodass auf diese Weise der Drehstromgenerator 2 vorteilhaft als Starter für den Dieselmotor 1 fungieren kann. Bei einem Ausfall des Pulsgleichrichters 21, außer im Falle eines Kurzschlusses, wenn kein Trennglied für den Pulsgleich¬ richter 21 vorgesehen ist, ist ein Notbetrieb möglich. Dazu muss nur die Drehzahl des Dieselmotors 1 immer größer als die zur natürlichen elektrischen Zwischenkreisspannung uZK min des Drehstromgenerators 2 gehörende Drehzahl nmin gehalten werden.
FIG 4 zeigt einen prinzipiellen Verlauf der normierten elektrischen Zwischenkreisspannung uZK/uZK nenn über der normierten Drehzahl n/nnenn des Dieselmotors 1. Erkennbar ist ein her- kömmlicher, durchgezogener Verlauf einer linearen Abhängigkeit der elektrischen Zwischenkreisspannung uZK von der Drehzahl des Dieselmotors 1. Die elektrische Zwischenkreisspan¬ nung uZK min repräsentiert dabei einen Sollwert eines Verbrau¬ chers der elektrischen Verbraucherrichtung 40. Bei mehreren Verbrauchern innerhalb der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40 mit unterschiedlichen Anforderungen an die elektrische Zwischenkreisspannung repräsentiert uZK min den höchsten gefor¬ derten Wert der elektrischen Zwischenkreisspannung. Der durchgezogene Verlauf zeigt einen typischen Verlauf einer elektrischen Zwischenkreisspannung uZK in Abhängigkeit von der Drehzahl, der in einem Bereich von ca. 1 : 3 liegt. Dies entspricht typischen Werten einer elektrischen Zwischenkreisspannung von z.B. 600 V bei einer Leerlaufdrehzahl von z.B. 600 U/min und z.B. 1.800 V bei einer Maximaldrehzahl von z.B. 1.800 U/min des Dieselmotors 1. Dies bewirkt einen recht gro¬ ßen Eingangsspannungsbereich für den nachgeschalteten Strom- richter der elektrischen Verbrauchseinrichtung 40, was diesen technisch aufwendig und teuer machen kann. Dies bedeutet, dass herkömmlicherweise der Dieselmotor 1 mit einer relativ hohen Drehzahl betrieben werden muss, um die erforderliche elektrische Zwischenkreisspannung uZK bereitzustellen. Eine Anhebung der elektrischen Zwischenkreisspannung bei niedrigen Drehzahlen des Dieselmotors 1 entlastet somit den vom Zwi¬ schenkreis 30 elektrisch versorgten Stromrichter und macht diesen technisch weniger aufwendig und damit kostengünstiger. Zu diesem Zweck wird bei der erfindungsgemäßen Lösung ein mittels eines Doppelpfeils angedeuteter, definierter Anteil der elektrischen Zwischenkreisspannung uZK von der Hochstellfunktion des Pulsgleichrichters 21 generiert, weil er vom Pulsgleichrichter 21 bereitgestellt wird und erst ab einem definierten Punkt K aufgrund der Drehzahl des Dieselmotors 1. Im Falle von FIG 4 liegt dieser Wert beispielhaft bei ca. 0,77 der Nenndrehzahl des Dieselmotors 1.
Selbstverständlich kann dieser Punkt definiert festgelegt werden, sodass eine Erzeugung der elektrischen Zwischenkreisspannung 30 definiert zwischen dem Pulsgleichrichter 21 und dem passiven Gleichrichter 20 aufgeteilt werden kann. Ab dem Knickpunkt K übernimmt die Bereitstellung der elektrischen Zwischenkreisspannung uZK wieder ausschließlich der vom Die- selmotor 1 angetriebene Drehstromgenerator 2, dessen Spannung vom passiven Gleichrichter 20 gleichgerichtet wird. Der Doppelpfeil in FIG 4 repräsentiert somit einen Anteil der Zwi¬ schenkreisspannung, der vom Pulsgleichrichter 21 vorteilhaft unabhängig von der Drehzahl des Dieselmotors 1 generiert wird .
Ab der Drehzahl des Dieselmotors 1 am Punkt K ist der Puls- gleichrichter 21 inaktiv, wobei ab diesem Zeitpunkt die elektrische Zwischenkreisspannung ausschließlich aufgrund der Drehzahl des Dieselmotors 1 mit der Gleichrichtfunktionalität des passiven Dioden-Gleichrichters 20 bereitgestellt wird. Aus FIG 4 ist erkennbar, dass aufgrund der Abhängigkeit der Leistung von der Drehzahl zur dritten Potenz der Pulsgleichrichter 21 wesentlich kleiner dimensioniert werden kann als jener gemäß FIG 2. Im Falle von FIG 4, wo Punkt K ca. 0,77 der Nenndrehzahl des Dieselmotors 1 repräsentiert, kann die Leistung des Pulsgleichrichters 21 auf 0,773, d.h. auf ca. 45 % der Leistung des Dieselmotors 1 ausgelegt werden. Im Falle, dass der Sollwert uZK min der elektrischen Zwischenkreisspan¬ nung bei der halben Dieselmotordrehzahl liegt, muss der Pulsgleichrichter 21 nur noch auf 12 % der Leistung des Dieselmo- tors 1 ausgelegt werden. Der Doppelpfeil von FIG 4 repräsen¬ tiert damit indirekt auch einen Leistungsaspekt für die Di¬ mensionierung des Pulsgleichrichters 21.
Aus FIG 4 wird somit klar, dass eine Dimensionierung des Pulsgleichrichters 21 deutlich kleiner als die Nennleistung des Dieselmotors 1 sein kann, wobei eine tatsächliche Dimen¬ sionierung vom Erfordernis der minimalen elektrischen Zwischenkreisspannung abhängt. Mit FIG 4 soll somit vor allem ein gewonnener Freiheitsgrad für die Bereitstellung der elektrischen Zwischenkreisspannung dargestellt werden.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Software gesteuert werden, die auf der Steuerungsvorrichtung 22 ausgeführt wird. Mit einer derartigen Implementierung ist vorteilhaft eine einfache Abänderung bzw. Anpassung des er¬ findungsgemäßen Verfahrens möglich. FIG 5 zeigt ein prinzipielles Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems .
In einem Schritt 100 wird ein Zuführen einer von der Verbrauchseinrichtung 40 geforderten elektrischen Zwischenkreis- spannung uZK min an den Pulsgleichrichter 21 durchgeführt. In einem Schritt 110 wird ein Betreiben des Pulsgleichrichters 21 derart durchgeführt, dass die geforderte elektrische Zwischenkreisspannung uZK min unabhängig von einer Drehzahl des Dieselmotors 1 mittels einer Hochstellfunktion des Puls¬ gleichrichters 21 bereitgestellt wird.
Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungs¬ beispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10), aufweisend: einen Dieselmotor (1), der funktional mit einer Drehstrom- Generatoreinrichtung (2) gekoppelt ist;
wobei die Generatoreinrichtung (2) funktional mit einem elektrischen Zwischenkreis (30) gekoppelt ist,
wobei der elektrische Zwischenkreis (30) funktional mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung (40) gekoppelt ist ;
wobei in den Zwischenkreis (30) ein passiver Gleichrichter (20) und ein Pulsgleichrichter (21) parallel geschaltet sind;
wobei eine elektrische Zwischenkreisspannung (uZK) des elektrischen Zwischenkreises (30) in definierter Weise vom passiven Gleichrichter (20) und vom Pulsgleichrichter (21) bereitstellbar ist;
wobei dem Pulsgleichrichter (21) ein Sollwert (uZK min ) der elektrischen Zwischenkreisspannung (uZK) zuführbar ist; wobei mittels des Pulsgleichrichters (21) in einem defi¬ nierten Arbeitsbereich ein definierter Anteil der elektrischen Zwischenkreisspannung (uZK) bereitstellbar ist.
2. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pegel der elektrischen Zwischenkreisspannung (uZK) , der größer als der Sollwert
(UZK min ) ist, ausschließlich von der Drehzahl des Dieselmotors (1) abhängt.
3. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter (21) leistungsmäßig auf einen definierten Anteil der mittels des Dieselmotors (1) und der Generatoreinrichtung (2) gene¬ rierbaren elektrischen Leistung dimensioniert ist.
4. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter (21) auf einen Bereich von ca. kleiner gleich 50% der mittels des Dieselmotors (1) und der Generatoreinrichtung (2) generierbaren elektrischen Leistung dimensioniert ist.
5. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass elekt¬ ronische Schaltelemente des Pulsgleichrichters (21) mit Dio¬ den des passiven Gleichrichters (20) funktional in einer Ein¬ heit verschaltet sind.
6. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsgleichrichter (21) derart ansteuerbar ist, dass der Dieselmotor (1) mittels der Generatoreinrichtung (2) angetrieben wird .
7. Elektrisches Energieerzeugungssystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte, von der elektrischen Verbrauchseinrichtung (40) angeforderte elektrische Eingangsspannung als Stellgröße für den Pulsgleichrichter (21) verwendet wird.
8. Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Energieerzeugungssystems (10), wobei das elektrische Energieerzeugungs¬ system (10) funktional mit einem elektrischen Zwischenkreis (30) gekoppelt ist, wobei der elektrische Zwischenkreis (30) funktional mit einer elektrischen Verbrauchseinrichtung (40) gekoppelt ist, aufweisend die Schritte:
Zuführen eines von der Verbrauchseinrichtung (40) geforderten elektrischen Zwischenkreisspannungssollwerts
(uZK min) an den Pulsgleichrichter (21);
Betreiben des Pulsgleichrichters (21) derart, dass die ge¬ forderte elektrische Zwischenkreisspannung (uZK min) zu ei¬ nem definierten Anteil unabhängig von einer Drehzahl des Dieselmotors (1) mittels einer Hochstellerfunktion des Pulsgleichrichters (21) bereitgestellt wird.
9. Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Aus¬ führung des Verfahrens nach Anspruch 8, wenn es auf einer elektronischen Steuerungsrichtung (22) zum Ansteuern eines Pulsgleichrichters (21) abläuft oder auf einem computerlesba¬ ren Datenträger gespeichert ist.
EP18727162.2A 2017-07-21 2018-05-07 Elektrisches energieerzeugungssystem und verfahren zum betreiben eines elektrischen energieerzeugungssystems Ceased EP3635855A1 (de)

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