NO309628B1 - Elektromekanisk anordning med reversibel energiomvandling og -lagring - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder en maskin eller innretning for reversibel lagring av elektrisk energi ved sin reversible omvandling til bevegelsesenergi i en elektrisk motor, idet den elektriske energi tas ut fra et vekselstrømsnett ved en forhåndsbestemt frekvens og føres tilbake til dette, og videre en fremgangsmåte for bruken av maskinen og dessuten bruk av en børsteløs elektronisk kommutert motor i flat utførelse (panne-kake- eller skivemotor) med permanentmagneter anordnet i rotoren og kjernefrie viklinger anordnet i statoren som et energilagringsmedium i den ovenfor nevnte reversible lagring av elektrisk energi.

Hvis ikke det er spesifisert annerledes forstås generelt i forbindelse med oppfinnelsen at den bevegelsesenergi som lagres i en elektrisk motor kan arte seg i flere former, nemlig i en mekanisk form og i en elektrisk form såvel som en kombinasjon og en sum av disse to energiformer.

Den mekaniske form av bevegelsesenergi som er lagret i den elektriske motor lagres i og med motorens dreiebevegelse. Den elektriske form av bevegelsesenergien lagret i den elektriske motor er knyttet til strømmen som går gjennom de deler av statorviklingene som tjener som en induksjonsspole eller dempe induktivitet (drossel). Det er velkjent for fagfolk innen mekanikk at en roterende rotor lagrer en mekanisk form av bevegelsesenergi i avhengighet av rotorens treghet og dens rotasjonshastighet, og det er likeledes velkjent for fagfolk innenfor elektrisk ingeni-ørteknikk at en drossel eller induksjonsspole er i stand til å lagre en elektrisk form av bevegelsesenergi i avhengighet av den strøm som går gjennom spolens vindinger (for ytterligere forklaring antas at det i kontrast til dette foregår en lagring av elektrisk energi i en kondensator i form av potensiell energi, hvilket har den virkning at man i en oscillator med induktivt og kapasitivt element (LC-krets) har en utveksling av energi fra elektrisk form mellom potensiell energi i kondensatoren og kinetisk energi i form av elektrisk energi i spolen). I forbindelse med denne oppfinnelse skal den mekaniske og den elektriske form av den kinetiske energi (bevegelsesenergien) imidlertid betraktes under ett.

For avbruddssikker tilførsel av energi til en belastning fra et vekselstrøms-nett - er det spesielt kjent at man som elektrisk energilagringsmedium for den reversible lagring av elektrisk energi kan bruke en likestrømsmotor som via tilførselssiden er koblet mot en omvandler til vekselstrømsnettet og via belastningssiden mot en bryter til lasten. Når man har med slike maskiner eller innretninger å gjøre må man alltid ha mulighet for omkobling hvis det skulle være behov for å koble lasten til veksel-strømsnettet eller til omvandleren på belastningssiden, eller omvendt, hvis det skulle være behov for dette ut fra spesielle forhold ved vekselstrømsnettet og/eller lasten. I denne sammenheng er det også kjent å korrigere mangler ved vekselstrømsnettet så som avvik eller forvrengninger av den leverte spenning, bølgeform, den frekvens nettet arbeider på, fasen etc, og reaksjoner fra lasten mot vekselstrømsnettet i form av elektrisk energi som tas fra likestrømsmotoren og føres via omvandleren på tilførselssiden og/eller omvandleren på belastningssiden, til vekselstrømsnettet hhv. lasten.

Fra den kjente teknikk skal vises til patentskriftet EP 0 220 713 Bl hvor det beskrives et såkalt svinghjulsanlegg for avbruddssikker strømforsyning, idet en roterende maskin utnytter den mekaniske opplagrede rotasjonsenergi til å holde i gang en strømforsyning, og for å forbedre og forenkle tidligere slike anlegg er det innført en hjelpeomvandler. Dermed forbedres den bakenforliggende teknikk som bl.a. representeres av patentskriftene JP-A-60-210 200 og US 4 065 711.

Av tilsvarende teknikk skal vises til DE 3 919 421 som beskriver en generatorstyreinnretning med tyristorstyring og hvor styringen er uavhengig av en motorgenerators turtall.

Endelig skal vises til US 5 005 115 som gjelder en vekselstrøms-omvandler som er koplet som en vekselstrømskilde mellom et forsyningsnett og en belastning, f.eks. en motor. Tre grupper med toveis vendere som styres selektivt i hver respektive gruppe sørger for å generere en tilnærmet firkantbølgeformet strøm i hver av omvandlerens tre utgangsledninger.

Imidlertid er det mange situasjoner hvor disse kjente tekniske løsninger ikke kan brukes i det hele tatt, bare i begrenset utstrekning eller med reservasjoner, særlig av kostnadsgrunner og/eller plasshensyn. Dette må man særlig ta hensyn til hvis man på belastningssiden har meget korte startforløp og nedbremsinger (det siste kan være tilfelle ved nøyaktig posisjonering), så som i heiser, transportører, elektrisk drevne biler, roboter etc.

Det er derfor et mål med denne oppfinnelse å foreslå, for de tilfeller hvor man har en innretning eller maskin for reversibel lagring av elektrisk energi, en løsning som er gunstigere enn det man har kunnet tilveiebringe hittil, særlig med hensyn til kostnader og plassbehov.

For å nå dette mål er det skaffet til veie en innretning eller maskin for reversibel energiomvandling og -lagring, av den type som fremgår av den innledende del av det etterfølgende patentkrav 1, og denne maskin er særlig kjennetegnet ved de trekk som fremgår av den karakteriserende del av dette krav. En fremgangsmåte for driften av en slik maskin er kjennetegnet ved den kombinasjon av prosesstrinn som er nærmere spesifisert i det etterfølgende patentkrav 7. Ytterligere utviklinger av maskinen og fremgangsmåten fremgår av de krav som er underordnet disse to hovedkrav.

I forbindelse med oppfinnelsen skal forstås at avtastingen eller samplingen av de enkelte spenninger og strømmer finner sted ved en repetisjonsfrekvens som er betydelig større enn driftsfrekvensen av vekselstrømsnettet, og i tilfelle dette arbeider ved 50 Hz (f.eks. hvis det dreier seg om industriell strøm fra et elektrisitetsverk) eller 400 Hz (i tilfelle det gjelder flyutmstning) vil samplingsrfekvensen typisk ligge mellom 20 og 100 kHz. Selv om samplingsrfekvenser under 20 kHz også kan brukes kan dette forårsake ubehag ved at frekvensen da kommer ned i det hørbare område, og frekvenser over 100 kHz kan naturligvis også brukes, men de tekniske problemer med kretsene vil da bli mer og mer vanskelig å løse etterhvert som frekvensen øker.

Det er også innenfor denne oppfinnelses ramme å bruke en børsteløs, elektronisk kommutert skivemotor med permanentmagneter anordnet i eller på rotoren og kjernefrie viklinger anordnet på eller i statoren, som et energilagringsmedium for den reverserbare energiomvandling og lagring av elektrisk energi til bevegelsesenergi i en skivemotor, idet den elektriske energi tas ut fra et vekselstrømsnett med gitt arbeidsfrekvens og også føres tilbake til dette. En børsteløs, elektronisk kommutert skivemotor er naturligvis kjent fra mange sammenhenger, f.eks. fra en artikkel av M. Salami i tidsskriftet "Antriebstechnik" 30/8 1991, og teknikken er kommersielt tilgjengelig. I forbindelse med permanentmagnetene som er anordnet på/i rotoren i skivemotoren og de kjernefrie viklinger på/i statoren i en slik skivemotor kan det vises til patentskriftene US 4 187 441, JP-61-185050, JP-01-253211, DE 21 43 752 og/eller DE 23 45 150.

I og med oppfinnelsen er det mulig, i tilfelle man har å gjøre med drivenheter for hybrid/elektriske biler eller kjøretøyer å anordne en meget effektiv og kompakt drivenhet ved hjelp av oppfinnelsens maskin eller innretning, og i tillegg et akkumulatorbatteri, kondensatorer og en forbrenningsmotor, hvilket med den eksisterende teknologi fører til en bil eller et kjøretøy som ikke er for tung/tungt.

Det er også mulig ved hjelp av oppfinnelsens konsept å kunne starte opp fastkilte transportbånd o.l. med en kort og meget kraftig energifrigjøring, særlig dersom fastkilingen er knyttet til hvilefriksjonen.

Videre vil man ved hjelp av oppfinnelsen kunne bevege en heis selv om det foreligger strømutfall, opp til etasjen over eller til nederste etasje.

Endelig tillater oppfinnelsen f.eks. mindre varmeanlegg

for hus eller blokker ved å koble energilagringsmediet utformet som en elektrisk motor til en mekanisk drivenhet, og dette kan gjøres til rimelig kostnad. Det samme gjelder for bruk som mindre kraftstasjoner og følgelig for tjeneste hvis man skulle ha slikt i den elektriske kraftforsyning, for nødkraftforsyning etc. På denne måte vil man også ved mindre kraftstasjoner som drives av vind eller vann kunne gjøre disse mindre og gi dem større virkningsgrad, særlig kan også nødstrømsaggregater brukes som bølgeform-modifikatorer og for fasekorreksjon i et vekselstrømsnett.

Oppfinnelsens kjerne ligger i den direkte og reversible omvandling mellom kinetisk energi som ligger lagret i en elektrisk motor og den elektriske energi ved en vilkårlig spenning eller frekvens. I prinsippet brukes viklingene i en elektrisk motor direkte som en lagringsinduktivitet slik at blir mulig å utføre dobbel omvandling (dvs. utført én vei og retur motsatt vei) for å omvandle vekselstrøm direkte til en annen vekselstrøm uten overgang via likestrøm eller omvandlere. Dette fører til betydelig besparelse både i kostnader og vekt.

I tillegg vil viklingene i en elektrisk motor kunne tåle korte overbelast-ninger eller tilførselsoverstrømmer som ellers omvandlere ikke er beregnet for. Den elektriske motor ifølge oppfinnelsen behøver derfor ikke være beregnet eller konstruert for store toppytelser, men i alt vesentlig bare gjennomsnittlige verdier og med et langt mindre forhold mellom spissytelsen og den gjennomsnittlige ytelse ved kontinuerlig drift enn det som er tilfelle for tidligere brukte systemer med elektriske motorer og omvandlere. Dette fører til en ytterligere betydelig reduksjon i kostnad og vekt.

Den bevegelsesenergi som er knyttet til dreiningen av den elektriske motors rotor øker proporsjonalt med kvadratet av rotorens omløpshastighet, slik at bruken ifølge oppfinnelsen av en børsteløs, elektronisk kommutert skivemotor med permanentmagneter anordnet på/i rotoren og kjernefrie viklinger anordnet på/i statoren fører til en betydelig reduksjon i kostnader og vekt for samme ytelse. En slik skivemotor er nemlig i stand til å arbeide ved meget store turtall og styringen av den lettes ved at rotoren har liten vekt og treghet og derfor raskt vil reagere på endringer i den elektriske energitilførsel, med tilsvarende forandringer i turtallet.

Innretningen eller maskinen ifølge oppfinnelsen og driftsfremgangsmåten for denne kan optimaliseres for forskjellige driftsmodi, f.eks. for konstant hastighet (turtall) eller konstant dreiemoment, eventuelt størst mulig dreiemoment på motor-akselen, best mulig kvalitet eller minst mulig reaksjon vis-å-vis vekselstrømsnettet (mht avvik eller forvrengninger av spenningen, bølgeformen, frekvensen, fasen etc.), størst mulig ytelse eller utgang, størst mulig virkningsgrad etc.

I det tilfelle man har faseforskyvningsdrift vil maskinen eller innretningen ifølge oppfinnelsen og dens driftsmåte være av interesse særlig i forbindelse med bruken av superledere, siden hovedsakelig alle tap som finner sted i en skivemotor skyldes den ohmske motstand i de kjernefrie viklinger i/på statoren. Det energitap som skyldes denne elektriske motstand og altså går over til varme må ledes bort, hvilket ved superledernes lave temperaturer generelt er meget komplisert, men i det tilfelle man har en skivemotor med kjernefrie viklinger som stator blir problemet langt mindre enn i konvensjonelle elektriske motorer.

I en driftsmodus for å oppnå størst mulig ytelse gjelder det at man omvandler så mye energi som mulig, reversibelt mellom den elektriske form og den kinetiske form av energien. Dette tilsvarer en feiltilstand og/eller en nøddrift, hvilket bare bør forekomme sjelden, hvoretter situasjonen gjerne følges av en lang avkjølingsfase. F.eks. kan man tenke seg en situasjon hvor en heis har stanset på grunn av overbelastning, og man ønsker å fortsette bevegelsen til nærmeste etasje, eller man kan ha en situasjon hvor man etter en lang stillestående periode i en transportør har en fastkiling av transportbåndet ved at et klebemiddel, harpiks eller lignende har størknet, eller at gummideler har herdet, hvorved båndet må startes med kraftig energitilførsel, eller man kan ha situasjoner i en vindkraftstasjon hvor en forsert ytelse må vare så lenge at man kan omstille retningen eller dreie vindpropellene. I slike tilfeller vil ytelsen være begrenset av den maksimalt tillatte verdi som kjennetegnes ved maksimal tillatt strøm i vekselstrømsnettet og i enhetene for elektronisk kommutering av skivemotorens rotor, maksimal tillatt temperatur av statorviklingene etc. Man kan da akseptere forvrengninger i fase- og bølgeform (så som strømspisser) som skyldes reaksjonene mot vekselstrømsnettet, og dessuten interferensutstrålinger, idet disse vanligvis ikke vil være særlig større enn de som skyldes stormer, lysbuedannelser, påslag og avslag av store elektriske maskiner, jordstrømfeil o.l. og bør i prinsippet kunne håndteres av kraftforsyningsnettet.

I en driftsmodus for å oppnå størst mulig brernsevkkning er oppgaven å forbruke så mye bevegelsesenergi som mulig ved omvandling av det til elektrisk form eller eventuelt til varme. Det å omvandle energien til varmeenergi anses her klart å være et nødstilfelle. I en slik maksimalytelsesmodus omdannes skivemotoren normalt til generatordrift og den elektriske energi som derved frembringes føres tilbake til vekselstrømsnettet. Om ønskelig kan den frembrakte energi føres via strømledere i et hjelpevekselstrømsnett til et batteri eller omvandles til varme i en motstand. Hvis imidlertid feilen er en krafttilførselssvikt er det ikke mulig å føre den frembrakte elektriske energi tilbake til vekselstrømsnettet, siden driftsspenningen vil falle til null, og følgelig vil nettet ikke kunne oppta noe effekt. På den annen side er en slik tilbakeføring også generelt hindret av reguleringskretser eller reguleringer. I et slikt spesielt tilfelle hvor energireturen ikke er mulig vil styringen av bryterelementene kunne utføres slik at forhold som er maksimalt ugunstige med hensyn til virkningsgrad fremkommer. F.eks. kan det være slik at den ene av rotorens viklinger genererer en strøm som føres med motsatt polaritet til en annen vikling for å motvirke dreiefeltet i skivemotoren, dvs. at den ene vikling bremser mens den andre vikling utøver fremdrift, hvilket i et normalt tilfelle ville være meningsløst. Bevegelsesenergien vil derved tapes som varme i viklingsmotstanden i skivemotoren og i bryterne (halvledersvitsjeelementer så som IGBT). De elementer som oppvarmes krever naturligvis en avkjølingsfase inntil driften kan gjenopptas, og slike spesielle tilfeller er f.eks. situasjoner hvor strømmen svikter når en heis er i bevegelse, hvorved oppfinnelsen gjør det mulig likevel å fortsette bevegelsen til den nærmeste etasje under bremsevirkning. Ellers kan det være situasjoner hvor et transportbelte må stoppes forsiktig eller brått ved en eventuell kraftforsyningssvikt, eller det kreves at en elektrisk bil fremdeles skal kunne bremse etter at batterisikringen er gått eller etter at en elektrisk hovedbryter er slått av, idet nødtilførselen til et antiblokkeirngssystem fremdeles ønskes opprettholdt. Ellers kan man ha situasjoner hvor en vindkraftstasjon under en vindbyge med fordel overfører elektrisk energi til varme i en kortere periode slik at rotoren ikke akselererer opp til utillatelig store hastigheter. I en driftsmodus for å oppnå minst mulige reaksjoner vis-å-vis vekselstrømsnettet (minst mulige avvik eller forvrengninger av spenning, bølgeform, frekvens, fase etc.) kan reguleringen av brytere og svitsjer utføres slik at viklingsområdet tjener som akkumuleringsspoler for midlertidig å kunne oppta effektspisser, spisser som altså ikke kan opptas av eller som heller ikke tilføres fra vekselstrømsnettet. Det aksepteres her at energi blir tapt som varme i viklingsmotstanden i skivemotoren og i bryterne (halvledersvitsjeelementer så som IGBT). I en slik driftsmodus vil irinretningen ifølge oppfinnelsen ikke gi respons så raskt som mulig overfor spenningsawik, men skivemotoren oppfører seg som om den var koblet med en relativt stor impedans til strømforsyningsnettet. Følgelig vil det ikke oppstå utillatelig store strømmer selv om man har visse fluktuasjoner i spenningen og/eller frekvensen. I isolert drift med flere mindre kraftstasjoner i kombinasjon vil innkoblingen av maskinen eller innretningen ifølge oppfinnelsen og med skivemotoren arbeidende som en generator være lett å utføre, idet vekselstrømsnettets tilførselsledninger ikke behøver tåle overstrømsverdier og derfor kan konstrueres for tilsvarende mindre strenge krav. Det aksepteres her at driften ikke da finner sted ved best mulig virkningsgrad, idet man tillater tilhørende energitap og oppvarming.

I en driftsmodus for å oppnå best mulig kvalitet med hensyn til vekselstrømsnettet når det gjelder avvik eller forvrengninger av spenning, bølgeform, frekvens, fase etc. kobles maskinen ifølge oppfinnelsen "hardt/fast" til vekselstrøms-nettet, slik at enhver forvrengning eller ethvert avvik motvirkes så raskt som mulig. Hvis f.eks. en forbrukende enhet frembringer en induktiv realcsjonsbelastning vil maskinen ifølge oppfinnelsen kompensere for den tilhørende awiksrespons eller de tilsvarende forvrengninger innenfor maskinens (naturlig begrensede) kapabilitet. Denne kompensasjon fører til mekaniske avvik eller forvrengninger når det gjelder dreiemoment og omløpshastighet og frembringer tilsvarende krefter som overføres til statoren i skivemotoren og opptas av den omsluttende kapsling. Det aksepteres her at kommandoene for en rippel på spenningen i vekselstrømsnettet må registreres og beskyttes overfor virkningen av oppfinnelsens maskin, siden denne ellers ville tolke disse kommandoer som forstyrrelser og i størst mulig grad ville undertrykke dem. Hvis det er ønsket kan den elektriske energi som er knyttet til interferensene bufires av et batteri via strømledere i en hjelpekraftforsyningsenhet for større nøyaktighet i det tilfelle man har relativt liten ytelse og omtrent helt til skivemotorens rotor er stillestående. Av særlig interesse i denne sammenheng er det faktum at oppfinnelsens maskin tillater at mindre varmeanlegg for hus eller blokker kan arbeide som tilsvarende små kraftstasjoner og følgelig ved svikt i kraftleveringen også kunne tjene som nødkraftforsyning: hvis slike mindre kraftstasjoner er sammenkoblet i et tilstrekkelig antall vil også en nødstrømskraftforsyning til hele linjeseksjoner kunne etableres over et bestemt tidsrom. Det følger videre at man grunnet reduksjonen av reaktiv effekt i kraftforsyningselementene vil ha mindre tap i linjene, hvilket fører til bedre stabilitet av laaftforsyningsspenningen på fjerntliggende steder med svake overføringslinjer.

Normal drift av innretningen ved maskinen ifølge oppfinnelsen må betraktes å være et kompromiss mellom de ovenfor nevnte og delvis motstridende funksjoner og forhold.

Utførelseseksempler av oppfinnelsen skal nå gjennomgås i nærmere detalj, idet det vises til tegningene, hvor fig. 1 viser det elektriske koblingsskjema for en typisk utførelse av en maskin ifølge oppfinnelsen, mens fig. 2 viser det tilsvarende koblingsskjema for en annen utførelse av samme.

Fig. 1 viser ved den stiplede blokk 101 generelt en børsteløs, elektronisk kommutert skivemotor, som er i og for seg kjent i prinsippet, slik det allerede er nevnt ovenfor. Skivemotoren 101 har permanentmagneter i rotoren og kjerneløse viklinger i/på statoren. Av denne grunn behøver en slik skivemotor ikke beskrives i nærmere detalj her. I den konstruksjon som er i henhold til fig. 1 har skivemotoren 101 trefaset oppbygging og har følgelig tre viklinger som skjematisk er angitt med 102. De enkelte viklinger 102 har hver to klemmer 112 og 122.

Det er klart at den trefasede konstruksjon av skivemotoren 101 (tre faser U, V, W) bare er et eksempel, siden motoren 101 like gjerne kunne ha et annet større antall faser og viklinger.

Et tilsvarende trefaset vekselstrømsnett 103 hvis arbeidsfirekvens er 50 Hz er skjematisk også vist på fig. 1 og er tilkoblet en brytrgruppe 116 via en ledning 103 med tre faseledere 104 som er ført sammen med en nøytral leder 105.

Det er klart at den trefasede oppbygging av vekselstrømsnettet (de tre faser R, S og T) og en nøytral leder N, ved frekvensen 50 Hz, er gitt som et eksempel, siden nettet naturligvis ellers kan ha et annet faseantall og kan arbeide ved en vilkårlig og hensiktsmessig frekvens, f.eks. også ved 400 Hz.

Videre skal det bemerkes at i dette eksempel er det ikke noen direkte sammenheng mellom antall faser i skivemotoren 101 og det antall faser som er angitt for vekselstrømsnettet 103.

Hver klemme 112 og 122 for hver vikling 102 kan være koblet via en tilordnet styrbar bryter 114, 124, 134 til hver av faselederne 104 for vekselstrømsnettet 103 og også til den nøytrale leder 105, og videre vil de to klemmer 112 og 122 for hver vikling 102 også være koblet sammen via en ytterligere styrbar bryter 115.

Det vises nå til fig. 2 hvor den stiplede blokk 203 skjematisk angir en børstefri, elektronisk kommutert skivemotor som tidligere. For bedre å vise oppfinnelsen med en annen utførelse er skivemotoren 201 i dette tilfelle en tofasemotor (faser U, V) og har to viklinger som er angitt med tallet 202. Viklingene 202 har hver to klemmer 212 og 222.

Fig. 2 viser videre en trefaset brytergruppe 216 som arbeider mot et vekselstrømsnett ved en frekvens på f.eks. 50 eller 400 Hz, og som er vist på figuren med en ledning 203 med tre faseledere 204 uten tilhørende nøytralleder.

Dette gjør det klart at det heller ikke i dette utførelseseksempel er noen direkte sammenheng mellom antallet faser for skivemotoren 201 og faseantallet for vekselstrømsnettet 203.

Hver klemme 212 og 222 for hver av viklingene 202 kan være koblet via en styrbar bryter 214, 224 til hver av faselederne 204, og i tillegg er det mellom klemmene 212 og 222 på begge viklinger 202 en sammenkoblingsmulighet via en ytterligere styrbar bryter 215. Bryterne 214, 215, 224 inngår i en komplett brytergruppe 216, men styres enkeltvis av en styreenhet 217 som i alt vesentlig utgjøres av en mikroprosessor eller i det minste omfatter en slik.

I en gruppe 240 av måleinstrumenter eller generelt parameteropptakere 241, 242, 243 kan f.eks. spenningen mellom de to klemmer 212, 222 og andre elektriske parametre knyttet til viklingene måles/registreres. Opptakerne drives av styreenheten 217 slik at man får en periodisk gjentatt sampling eller avtasting av disse parametre som helst vil være spenning og strøm, idet opptakerne da er spenningsmålere (voltmetere) hhv. strømmålere (amperemetere). Som allerede beskrevet er samplings-frekvensen betydelig høyere enn driftsfrekvensen for vekselstrømsnettet, og i tilfelle denne drifts frekvens er 50 Hz (industrielle maskiner knyttet til et standardnett), eller 400 Hz (f.eks. når det gjelder fly) kan samplingsrfekvensen typisk ligge mellom 20 og 100 kHz.

Opptakere av typen strøm- eller spenningsmålere 244 hører likeledes med i gruppen 240 og drives periodisk av styreenheten 217, for å måle strømmen eller spenningen i/mellom faselederne 204 fra vekselstrømsnettet 203, eller spenningen i forhold til en nøytral leder (ikke vist).

Utover den mikroprosessor som er nevnt (styreenheten 217) har gjerne en slik enhet også kretser som tillater at de avtastede momentane spenninger eller strømmer kan sammenlignes med hverandre og/eller med tilordnede terskelverdier og tillate de allerede nevnte brytere å styres i avhengighet av det momentane resultat av disse sammenligninger. Naturligvis er det klart at slike sammenligningskretser og styrekretser eller deler av disse også kan være utformet i selve mikroprosessoren og at deres funksjon kan utføres av denne.

Bryterne 114, 115, 124 og 134 nevnt i forbindelse med fig. 1 er deler av en komplett brytergruppe 116 og styres likeledes enkeltvis av en innretning av den type som er beskrevet: Imidlertid er denne innretning ikke vist på fig. 1 for å forenkle tegningen. Fig. 1 har likeledes måleinstrumenter og strøm/spenningsmålere av samme type som i det skjema som fremgår av fig. 2, men på fig. 1 er disse måleinstrumenter og strøm/spenningsmålere heller ikke tegnet inn for å forenkle denne tegning.

Hovedforskjellen mellom utførelsene vist på fig. 1 og 2 er at det i den siste utførelse også er anordnet et hjelpevekselstrømsnett 250 med strømledere 251. Hver klemme 212 og 222 for hver vikling 202 kan kobles til en tilordnet styrbar bryter 254 til hver av strømlederne 205 i hjelpenettet 250. Bryterne 254 er også en del av den komplette gruppe brytere 216 og blir også styrt enkeltvis av enheten 217.

I denne utførelsesform har hjelpenettet 250 to strømledere 251 som hver er koblet til en klemme 252 på et lagringsmedium 253 for elektrisk energi. I eksemplet er dette lagringsmedium 253 en kondensator 255 for opptak av elektrisk energi i form av statisk ladning, slik at de to strømledere 251 fra nettet 250 sammenkobles via kondensatoren 255. Det er imidlertid klart at mediet 253 også kan oppta elektrisk energi på annen måte, f.eks. i form av et akkumulatorbatteri.

I gruppen 240 som drives av enheten 217 er det også opptakere 264 for å måle f.eks. spenning mellom eller strøm gjennom lederne 251 fra hjelpenettet 250, enten spenningen til en annen faseleder 251 i nettet 250 eller i forhold til en nøytral leder (ikke tegnet) i dette.

For å gjøre oversikten lettere i forbindelse med beskrivelsen som nå følger for den fremgangsmåte for drift av irinretningen eller maskinen beskrevet ovenfor skal det påpekes at maskinen ifølge oppfinnelsen generelt drives slik at det ved hensiktsmessige tidspunkter når tilstandene for de enkelte spenninger og strømmer i perioden før det aktuelle tidspunkt tillater følgende: a) energi trekkes fra vekselstrømsnettet og lagres i den elektriske motor, eller

b) energi trekkes fra motoren og føres tilbake til nettet, eller

c) ingen energi overføres mellom den elektriske motor og nettet, idet dette

gjelder hvis:

d) energi trekkes fra den elektriske motoren og føres til energilagringsmediet som er forbundet med hjelpenettet, eller e) energi trekkes fra energilagirngsmediet forbundet med hjelpenettet og lagres tilbake i den elektriske motor, eller f) ingen energi overføres mellom den elektriske motor og energilagirngsmediet som er koblet til hjelpenettet.

For å oppfylle dette finner følgende mekanismer sted ved den allerede nevnte repetisjonsfrekvens og ved hjelp av de allerede nevnte måleinnretriinger: • en periodisk sampling av den momentane spenning på faselederne fra vekselstrømsnettet, i forhold til den nøytrale leder eller en annen faseleder og med påfølgende bestemmelse av den faseleder som har den største momentane positive eller negative spenningsverdi målt absolutt, • periodisk sampling av den momentane spenning over hver vikling, mellom viklingens to klemmer og med påfølgende bestemmelse av hvilken klemme av de to som i øyeblikket er positiv eller negativ i forhold til en nuUspenning, og • periodisk sampling av den momentane strøm i hver vikling og med påfølgende sammenligning mellom absoluttverdien av denne momentane strøm og en terskelverdi.

Den terskelverdi som er nevnt ovenfor for strømmen i hver vikling tilsvarer hovedsakelig med den nominelle verdi for den spesielle elektriske motor det gjelder og er spesifisert av motorfabrikanten. Som avvik fra dette kan også terskelverdien nevnt ovenfor settes til en høyere verdi f.eks. opp til den maksimalt tillatte strøm som gjelder for den bestemte elektriske motor, og en slik høyere terskelverdi kan f.eks. brukes når mikroprosessoren programmeres slik at den tillater at den tilsvarende strøm bare kan gå relativt kortvarig gjennom viklingene i den elektriske motor, hvoretter det må sørges for en tilstrekkelig kjøling av denne.

Det skal forstås at i dette tilfelle og når den gjelder den periodiske sampling av den momentane spenning over hver vikling, dvs. mellom de to tilhørende klemmer, kan det utføres enten en aktuell måling eller de relevante spenningsverdier kan beregnes f.eks. ved hjelp av en mikroprosessor, på basis av data fra en akselkodeenhet for absolutt vinkelmåling, motorens omløpshastighet og rotasjonsakselerasjon, og på basis av tabeller for mulige verdier for motorens parameter ved vilkårlig tidspunkt. Denne mulighet som her nevnes sekundært er langt mindre komplisert enn den første, men likevel tilstrekkelig til å oppnå det som ønskes ifølge oppfinnelsen.

På basis av resultatene fra samplingene, bestemmelsene og sammenligningene som er spesifisert ovenfor programmeres den enhet 217 som er angitt ovenfor, spesielt gjelder dette i forbindelse med fig. 2 for å utføre følgende prosess- eller fremgangsmåtetrinn som innebærer valgene: • Hvis absoluttverdien av den momentane strøm i en vikling blir mindre enn en terskelverdi, aktivering av bryterne for bryting av de etablerte forbindelser til de to klemmer som hører til den tilsvarende vikling og etablering av en forbindelse A mellom den klemme som i øyeblikket er positiv og til den faseleder som har den største momentane positive spenningsverdi i absolutt forstand, og fra den klemme som er negativ i samme øyeblikk og til den faseleder som har den største momentane negative spenning i absolutt forstand, og • hvis den absolutte verdi av den momentane strøm i en vikling er lik eller større enn terskelverdien, aktivering av bryterne for bryting av de etablerte forbindelser til de to klemmer som hører til den tilsvarende vikling og etablering av en forbindelse mellom de to klemmer og med de tilsvarende klemmer på en enhet for omvandling av energi i den elektriske motor i form av bevegelsesenergi til en annen energiform.

I en første utførelse av enheten for omvandling av energi i den elektriske motor i kinetisk form til en annen energiform består eller omfatter denne enhet rett og slett av viklingen i motoren og en kortslutning, dvs. at den relevante energiomvandling finner sted ved å etablere en forbindelse mellom de to klemmer for den aktuelle vikling, via den ytterligere bryter som er beskrevet ovenfor. Som et resultat av dette vil den mekaniske energi i den elektriske motor (når rotoren dreier rundt) omvandles til elektrisk energi (i form av strøm som går gjennom viklingen), og på denne måte opprettholdes bevegelsesenergien i motoren. Selv om man har ohmske motstander vil de ikke få noen vesentlig virkning i dette tilfelle, slik at den irreversible omvandling av kinetisk energi til varme ikke blir betydelig og derfor ikke behøver omtales i ytterligere detalj her. Strømmen gjennom viklingen vil påvirke dreiningen av motoren og følgelig strømmen gjennom de øvrige viklinger i samme, på en måte som bestemmes av mikroprosessoren, idet denne påvirker utvekslingen av energi mellom vekselstrøms-nettet og motoren.

I et annet eksempel på en utførelse av maskinen ifølge oppfinnelsen er forbindelsen mellom de to klemmer på en vikling ikke direkte via en ytterligere bryter, men via en bryter til hver av klemmene fra en og samme faseleder fra vekselstrømsnettet, og dette gir nøyaktig samme resultat. Også her er den enhet som er innrettet for å omvandle energien i enkleste form en direkte kortslutning mellom viklingens klemmer.

I nok en annen utførelse er det heller ingen direkte forbindelse mellom viklingens to klemmer, men forbindelsen skjer fra hver klemme via en bryter til sin respektive faseleder fra vekselstrømsnettet, og resultatet blir på ny det samme, nemlig ved at energi blir tilbakeført fra motoren til nettet, hvilket også gir en energiutveksling mellom disse. Omvandlerenheten som er nevnt ovenfor dannes her hovedsakelig av viklingen og generatoren som tilfører elektrisk energi til vekselstrømsnettet. I dette eksempel er den enhet 217 (fig. 2) som sørger for styringen fortrinnsvis programmert til å utføre følgende prosesstrinn og sørge for valg på basis av resultatene av samplingene, bestemmelsene og sammenligningene slik det er angitt ovenfor: Bestemmelse av en absolutt verdi av den momentane spenning mellom to faseledere fra vekselstrømsnettet,

bestemmelse av et par faseledere fra vekselstrømsnettet, knyttet til den minste absoluttverdi av den momentane spenning, og

forbindelse mellom en av de to klemmer til hver av faselederne i det fastlagte lederpar, fortrinnsvis ved å forbinde den klemme som er positiv i øyeblikket, til den faseleder som også er positiv i samme øyeblikk, og mellom den klemme som er negativ i samme øyeblikk med den faseleder som også er negativ i samme øyeblikk.

I den utførelse som er vist på fig. 2 og hvor det er sørget for et hjelpevekselstrømsnett er enheten 217 som er beskrevet ovenfor programmert for å utføre følgende prosesstrinn og sørge for valg på basis av resultatene av samplingene, bestemmelsene og sammenligningene angitt ovenfor:

• Sampling av den momentane spenning mellom et par strømledere i hjelpevekselstrømsnettet og sammenligning mellom en absoluttverdi av den momentane spenning med absoluttverdien av den momentane spenning mellom de to klemmer av en vikling, • hvis absoluttverdien av den momentane strøm i en vikling er mindre enn en terskelverdi, • og hvis absoluttverdien av den momentane spenning mellom de to klemmer på den aktuelle vikling er lik eller større enn absoluttverdien av den momentane spenning mellom de to tilsvarende faseledere fra vekselstrømsnettet, aktivering av bryterne for bryting av de etablerte forbindelser til de to klemmer som hører til den tilsvarende vikling og etablering av en forbindelse mellom klemmen for den aktuelle vikling og som har positiv eller negativ spenning i øyeblikket, og den tilsvarende positive eller negative strømleder i hjelpevekselstrømsnettet, • og hvis, på den annen side, absoluttverdien av den momentane spenning mellom de to klemmer for den aktuelle vikling er mindre enn absoluttverdien av den momentane spenning mellom de to tilsvarende faseledere fra vekselstrømsnettet, aktivering av bryterne for bryting av de etablerte forbindelser til de to klemmer som hører til den tilsvarende vikling og etablering av en forbindelse mellom klemmen på den aktuelle vikling og som er positiv i øyeblikket, og faselederen som har den største momentane positive spenningsverdi sett absolutt, og en forbindelse mellom denne klemme på den aktuelle vikling og som er negativ i samme øyeblikk, med faselederen som har den momentant absolutt største negative spenningsverdi; • hvis absoluttverdien av den momentane strøm i en vikling er lik eller større enn terskelverdien, • og hvis den samplede momentane spenning mellom de to klemmer for den aktuelle vikling også er mindre enn den samplede momentane spenning mellom de to tilsvarende strømledere i hjelpevekselstrømsnettet, aktivering av bryterne for bryting av de etablerte forbindelser til de to klemmer som hører til den tilsvarende vikling og etablering av en forbindelse mellom klemmen på den aktuelle vikling og som er positiv eller negativ i det aktuelle øyeblikk i forhold til den tilsvarende positive eller negative strømleder i hjelpevekselstrømsnettet, • og hvis, på den annen side, den samplede momentane spenning mellom de to klemmer på den aktuelle vikling også er lik eller større enn den samplede momentane spenning mellom de to tilsvarende strømledere i hjelpevekselstrømsnettet,

aktivering av bryterne for bryting av de etablerte forbindelser til de to klemmer som hører til den tilsvarende vikling og etablering av en forbindelse mellom de to klemmer og de tilsvarende klemmer på enheten for energiomvandling.

Her har maskinen for energiomvandling viklingen og hjelpenettet i tillegg til et lagringsmedium for opptak av elektrisk energi og tilkoblet hjelpenettet, og som allerede beskrevet kan dette medium være en kondensator eller et akkumulatorbatteri. I den viste utførelse er enheten 217 som er beskrevet ovenfor fortrinnsvis programmert til å sørge for energiomvandlingen på basis av resultatene av samplingene, bestemmelsene og sammenligningene som er angitt ovenfor, ved å etablere en forbindelse mellom den klemme på viklingen som er positiv i det aktuelle øyeblikk, og strømlederen i hjelpevekselstrømsnettet som i samme øyeblikk er negativ, og mellom den klemme på viklingen som er negativ i det samme øyeblikk, og den strømleder i hjelpenettet som er positiv i samme øyeblikk.

Det er klart for en fagkyndig person innenfor det område som oppfinnelsen gjelder at enkelte modifikasjoner i fremgangsmåtetrinnene og ytterligere prosesstrinn og virkemidler kan gjennomføres innenfor oppfinnelsens ramme og uten å avvike fra det som oppfinnelsen angir som et resultat.

Hvis lagringsmediet for elektrisk energi er et akkumulatorbatteri kan det være hensiktsmessig å ta forhåndsregler for ikke å overlagre dette. F.eks. kan lagring av et slikt batteri overvåkes av opptakerne 264 for spenning hhv. strøm i de aktuelle ledere 251 i hjelpevekselstrømsnettet 250 og av styreenheten 217 med eller som en mikroprosessor, og gruppen 216 av brytere kan styres av mikroprosessoren slik at lagringsbatteriet ikke blir overladet. I denne sammenheng kan det være praktisk å anordne at gruppen 216 brytere styres direkte av mikroprosessoren (enheten 217) slik at det ikke overføres elektrisk energi til hjelpekraftforsyningen 250 hvis absoluttverdien av den momentane spenning over strømlederne 215 inn til hjelpevekselstrømsnettet 215 blir større enn en forhåndsbestemt øvre terskel, og ingen elektrisk energi trekkes fra hjelpekraftforsyningen 215 hvis absoluttverdien av den momentane spenning over strømlederne 251 i hjelpenettet 250 blir mindre enn en forhåndsbestemt terskelverdi.

Claims (16)

1. Anorclning for reversibel lagring av elektrisk energi ved reversibel omvandling til bevegelsesenergi i en elektromotor, hvor den elektriske energi tas fra hhv. tilbakeføres til et vekselstrømsnett (103) som arbeider ved en forhåndsbestemt frekvens, karakterisert ved• at elektromotoren er utført som en børsteløs og elektronisk kommutert skivemotor (101) hvis rotor har permanentmagneter og hvis stator har kjernefrie viklinger (102), idet hver vikling har to klemmer (112, 122) som kan tilkoples minst én av nettets (103) ledere (104; R, S, T, 105; N) via en styrbar bryter (114,124,134), • innretninger (244) for gjentatt sampling av momentanverdien av spenningen mellom en av nettets faseledere (104; R, S, T) og dets nøytrale leder (105; N) eller en annen faseleder, • innretninger (243) for gjentatt sampling av momentanverdien av spenningen mellom de to klemmer (112, 122) på minst én vikling (102), • innretninger (241, 242) for gjentatt sampling av momentanverdien av strømmen i viklingene (102), og • en innretning (217) for sammenligning av de samplede momentanverdier for spenning hhv. strøm med hverandre og med tilsvarende terskelverdier, for dermed å kunne styre bryterne (114, 124,134) i avhengighet av resultatet av sammenligningen.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert vedat de to klemmene (112, 122) som hører til en vikling (102) kan koples sammen direkte via en ytterligere bryter (115).

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert vedat innretningen for sammenligning av de samplede momentanverdier for spenning hhv. strøm med hverandre og med tilsvarende terskelverdier, for dermed å kunne styre bryterne (114, 124, 134), omfatter en mikroprosessor (217).

4. Anordning ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert vedat klemmene (112, 122) i enden av hver vikling (102), i tillegg til muligheten for tilkopling til en av nettets (103) ledere (R, S, T, N) via bryteren (114, 124, 134), også via en ytterligere styrbar bryter (254) kan koples til minst én strømleder (251) i et hjelpevekselstrømsnett (250).

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert vedat hjelpenettet (250) omfatter minst to strømledere (251) som er sammenkoplet med hverandre via et lagringsmedium (253) for elektrisk energi.

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert vedat lagringsmediet (253) omfatter en kondensator (255) eller et akkumulatorbatteri.

7. Fremgangsmåte for drift av anordningen ifølge krav 1,karakterisert vedfølgende prosesstrinn: • sampling (244) av momentanverdien av spenningen mellom en av vekselstrømsnettets (103) faseledere (104) og dets nøytrale leder (105) eller en annen faseleder, og bestemmelse av hvilken faseleder som har størst absolutt momentanverdi, positiv eller negativ, • sampling (243) av momentanverdien av spenningen mellom de to klemmer (112, 122) på viklingene (102), og bestemmelse av hvilken av disse to klemmer for hver av viklingene, som i øyeblikket er positiv eller negativ, • sampling (241, 242) av momentanverdien av strømmen i hver av viklingene (102) og sammenligning mellom absoluttverdien av denne momentanverdi og en terskelverdi, og hvis absoluttverdien av momentanverdien av strømmen er mindre enn terskelverdien: aktivering av de styrbare brytere (114, 124, 134) for å bryte den eksisterende forbindelse mellom viklingenes klemmer (112, 122) og i stedet tilkople den av klemmene som har positiv spenning i øyeblikket, til den faseleder som har størst positiv momentanverdi, regnet absolutt, og tilkopling av den av klemmene som i øyeblikket er negativ til den faseleder som har den største momentane negative spenningsverdi, likeledes regnet som absolutt verdi, eller hvis absoluttverdien av momentanverdien av strømmen er større eller lik terskelverdien: aktivering av bryterne (114, 124, 134) for å bryte tilkoplingen av klemmene (112, 122) og i stedet kople dem til tilsvarende klemmer (252) på en enhet (253) for omvandling av den energi som er lagret i elektromotoren i form av bevegelsesenergi, til en annen form for energi, idet samplingen utføres ved en samplingsfrekvens som er vesentlig større enn vekselstrømsnettets frekvens.

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert vedat energiomvandlingen utføres ved å etablere en forbindelse (115) mellom de to klemmer (112,122) på viklingen (102,202).

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert vedat de to klemmene (112, 122) er koplet til en og samme faseleder (104; R, S, T) i vekselstrømsnettet (103) via sin respektive styrbare bryter (114, 124, 134).

10. Fremgangsmåte ifølge krav 8 for drift av en anordning i henhold til krav 2, karakterisert vedat de to klemmer (112, 122) på hver vikling (102) koples sammen via den ytterligere styrbare bryter (115), slik at viklingen (102) kortsluttes.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 8, karakterisert vedat de to klemmer (112, 122) på sin respektive vikling (102) koples til sin respektive faseleder (104; R, S, T) i vekselstrømsnettet (103).

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved: • bestemmelse av en absoluttverdi av momentanverdien av spenningen mellom to og to faseledere (104) i vekselstrømsnettet (103), • bestemmelse av de to faseledere i nettet som har den minste absoluttverdi av spenningens momentanverdi, og forbindelse av klemmene (112,122) til sin respektive faseleder av disse to ledere med minst absoluttverdi.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, karakterisert vedat den klemme som i øyeblikket er positiv koples til den faseleder som likeledes er positiv i samme øyeblikk, og at den klemme som i øyeblikket er negativ koples til den faseleder som likeledes er negativ i samme øyeblikk.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 7 for drift av en anordning ifølge ett av kravene 4-6, karakterisert ved: sampling (264) av den momentane spenningsverdi mellom et par strøm-ledere i hjelpenettet (250), og sammenligning av en absoluttverdi av denne momentan- verdi med absoluttverdien av momentanverdien for spenningen mellom de to klemmer (112, 122) i et klemmepar, hvis absoluttverdien av momentanverdien av strømmen i en vikling (102) er mindre enn terskelverdien, • og hvis absoluttverdien av momentanverdien av spenningen mellom de to klemmer (112, 122) er lik eller større enn den tilsvarende absoluttverdi for spenningen mellom de to tilsvarende faseledere i vekselstrømsnettet (103): aktivering av de styrbare brytere (114, 124, 134) for å bryte de etablerte forbindelser med klemmene (112, 122), og etablering av en forbindelse mellom den klemme som i øyeblikket er positiv hhv. negativ, med den tilsvarende positive hhv. negative strømleder i hjelpenettet (250), • og hvis, på den annen side, absoluttverdien av momentanverdien av spenningen mellom klemmene (112, 122) er mindre enn den tilsvarende absoluttverdi for spenningen mellom de to tilsvarende faseledere i vekselstrømsnettet (103): aktivering av de styrbare brytere (114, 124, 134) for å bryte de etablerte forbindelser med klemmene (112, 122), og etablering av en forbindelse mellom den i øyeblikket positive klemme og den faseleder som da har den største absoluttverdi av den positive spenningsverdi, og en forbindelse mellom den i øyeblikket negative klemme, med den faselederen som i samme øyeblikk har den største absluttverdi av den negative spenningsverdi, hvis derimot absoluttverdien av momentverdien av strømmen i en vikling (102) er større eller lik terskelverdien, • og hvis den samplede momentanverdi av spenningen mellom klemmene (112, 122) er mindre enn den tilsvarende samplede momentanverdi av spenningen mellom de to tilsvarende strømledere i hjelpenettet (250): aktivering av de styrbare brytere for å bryte den etablerte forbindelse med klemmene (112, 122), og etablering av en forbindelse med den i øyeblikket positive hhv. negative klemme, med den tilsvarende positive hhv. negative strømleder i hjelpenettet (250), og hvis, på den annen side, den samplede momentanverdi av spenningen mellom klemmene (112, 122) er større eller lik den samplede momentanverdi av spenningen mellom de to tilsvarende strømledere i hjelpenettet (250): aktivering av de styrbare brytere (114, 124, 134) for å bryte den etablerte forbindelse med klemmene og etablere en forbindelse med disse klemmer og klemmene (252) på enheten (253) for omvandling av energi.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert vedat energiomvandlingen utføres ved etablering av en forbindelse mellom den klemme (112 eller 122) som i øyeblikket er positiv, og den strømleder i hjelpenettet (250) som samtidig er negativ, og mellom den klemme (122 eller 112) som i øyeblikket er negativ, med den strømleder i hjelpenettet som samtidig er positiv.

16. Anvendelse av en børsteløs, elektronisk kommutert skivemotor (101, 201) med permanentmagneter anordnet på/i rotoren og kjernefrie viklinger (102, 202) anordnet på/i statoren, som energilagringsmedium ved reversibel lagring av elektrisk energi under reversibel omvandling til bevegelsesenergi i skivemotoren, idet den elektriske energi tas ut fra et vekselstrømsnett (103, 203) ved en forhåndsbestemt frekvens, hhv. føres tilbake til dette nett (103,203).