WO2013040720A1

WO2013040720A1 - Arrangement for converting mechanical energy into electric energy

Info

Publication number: WO2013040720A1
Application number: PCT/CH2012/000216
Authority: WO
Inventors: Franz Boeni
Original assignee: Cyoris Ag
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-03-28
Also published as: EP2758636A1

Abstract

The invention relates to an arrangement for converting mechanical energy into electric energy which can be fed to a load, in particular an accumulator (1) or a power supply grid, comprising: - an electric machine (10), which has at least one permanent magnet and at least one phase conductor (11-13) with at least one coil, and - a control circuit (20) for controlling the electric machine (10) as a generator. The control circuit is designed to alternately short-circuit and release the at least one phase conductor (11-13) such that the at least one coil forms a part of a boost converter. Furthermore, the control circuit (20) is designed to control the electric machine (10) as a motor in order to drive the rotor of the electric machine during a standstill.

Description

Anordnung zur Umwandlung von mechanischer Energie in Arrangement for the conversion of mechanical energy into

elektrische Energie electrical power

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1. The invention relates to an arrangement for the conversion of mechanical energy into electrical energy according to the preamble of patent claim 1.

Derartige Anordnungen werden z . B. in einer Wind- oder Wasserkraf anlage zur Stromerzeugung verwendet. Nachfolgend wird der Überbegriff "Fluid" verwendet, um eine gasförmige oder flüssige Substanz zu bezeichnen, deren Bewegung zur Gewinnung elektrischer Energie dient . Such arrangements are z. B. in a wind or hydropower plant used to generate electricity. Hereinafter, the term "fluid" is used to designate a gaseous or liquid substance whose movement serves to obtain electrical energy.

Die bekannten Anordnungen umfassen eine Elektromaschine sowie eine Steuerschaltung, mittels welcher die The known arrangements comprise an electric machine and a control circuit, by means of which the

Elektromaschine als Generator ansteuerbar ist . Ohne Electric machine can be controlled as a generator. Without

besonderen Vorkehrungen besteht bei kleinen special precautions are small

Fluidgeschwindigkeiten und somit bei tiefen Drehzahlen das Fluid velocities and thus at low speeds the

Problem, dass der Generator nicht die erforderliche Problem that the generator is not the required one

AusgangsSpannung erreicht, um die elektrische Energie an einen Akkumulator, ans Stromversorgungsnetz oder an eine andere Last abgeben zu können. Output voltage reached in order to deliver the electrical energy to an accumulator, the power grid or other load.

Um die gewünschte geregelte AusgangsSpannung zu erhalten, ist es bekannt, die Anordnung mit einem Gleichrichter und einem anschliessenden Aufwärtswandler zu versehen. Dieser zweistufige Aufbau hat jedoch den Nachteil, dass in beiden Teilstufen Verluste anfallen und daher der Wirkungsgrad vermindert ist. In order to obtain the desired regulated output voltage, it is known to provide the arrangement with a rectifier and a subsequent boost converter. However, this two-stage structure has the disadvantage that losses occur in both sub-stages and therefore the efficiency is reduced.

Eine verbesserte Lösung ist aus den Patentanmeldungen An improved solution is from the patent applications

WO 2011/034056 AI sowie US 2003/0071467 AI bekannt. Dort wird jeweils vorgeschlagen, die Steuerschaltung des WO 2011/034056 AI and US 2003/0071467 AI known. There is proposed in each case, the control circuit of the

Generators derart auszugestalten, dass dieser einen Teil des Aufwärtswandlers bildet und so eine Gleichrichtung und To design such generator that this part of the Up converter forms and so a rectification and

Aufwärtswandlung in einer einzigen Stufe durchführbar ist . Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass keine elektrische Energie erzeugbar ist, wenn die Geschwindigkeiten des Fluids zu gering sind. Um den Generator in Gang zu versetzen, ist zuerst eine höhere Fluidgeschwindigkeit erforderlich, als sie eigentlich zum Drehen des Rotors nötig wäre. Dies ist z. B. der Fall, wenn der Generator ein Rastmoment aufweist, das zuerst überwunden werden muss, bevor der Rotor zu drehen beginnt. Up conversion in a single stage is feasible. A disadvantage of this arrangement is that no electrical energy can be generated if the velocities of the fluid are too low. To start up the generator, a higher fluid velocity is initially required than would actually be needed to rotate the rotor. This is z. Example, the case when the generator has a cogging torque, which must be overcome first, before the rotor starts to rotate.

Untersuchungen haben gezeigt, dass z. B. bei Investigations have shown that z. B. at

Windkraftanlagen das Auftreten von eher geringen Wind turbines the appearance of rather small

Geschwindigkeiten relativ häufig ist. Gerade dieser Teil der vorhandenen Energie ist durch eine Anordnung gemäss Speeds is relatively common. Just this part of the existing energy is determined by an arrangement

WO 2011/034056 AI oder US 2003/0071467 AI nicht nutzbar. WO 2011/034056 AI or US 2003/0071467 AI not usable.

Andere Anordnungen sind bekannt aus der JP 2009-268180 A, welche eine X-Konfiguration aus Kondensatoren und Other arrangements are known from JP 2009-268180 A, which is an X configuration of capacitors and

Induktivitäten zur Aufwärtswandlung bei einem Hybridfahrzeug beschreibt, sowie aus der US 2006/0071477 AI, welche eine Brennstoffzelle mit einer als Motor sowie Generator Inductors for up-conversion in a hybrid vehicle describes, as well as from US 2006/0071477 AI, which a fuel cell with a motor and generator

wirkenden Gasturbineneinheit offenbart. Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine acting gas turbine unit disclosed. It is an object of the present invention to provide a

Anordnung anzugeben, welche die Gewinnung von elektrischer Energie in verbessertem Masse ermöglicht. Specify arrangement that allows the recovery of electrical energy in an improved mass.

Diese Aufgabe wird durch die Anordnung gemäss dem Anspruch 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche geben bevorzugte Ausführungen der erfindungsgemässen Anordnung sowie ein Verfahren und eine Anlage mit einer derartigen Anordnung an. Indem gemäss Anspruch l.die Steuerschaltung zur Ansteuerung der Elektromaschine als Motor eingerichtet ist, kann der Rotor bei Stillstand angetrieben und so auch bei kleineren Fluidgeschwindigkeiten elektrische Energie gewonnen werden. Im Generatorbetrieb bildet die Elektromaschine einen Teil des Aufwärtswandlers, was es erlaubt, eine einstufige This object is achieved by the arrangement according to claim 1. The other claims indicate preferred embodiments of the inventive arrangement as well as a method and a system with such an arrangement. By according to claim 1, the control circuit for controlling the electric machine is set up as a motor, the rotor can be driven at standstill and electrical energy thus obtained even at lower fluid velocities. In generator mode, the electric machine forms part of the boost converter, which allows a single stage

Gleichrichtung und Aufwärtswandlung vorzusehen und somit die Verluste zu reduzieren. Die erfingungsgemässe Anordnung ist u. a. einsetzbar, um auch kleinere Fluidgeschwindigkeiten, die besonders bei der Windkraft einen beträchtlichen Anteil ausmachen können, wirksam zur Stromerzeugung zu nutzen. Provide rectification and up-conversion and thus reduce the losses. The erfingungsgemäße arrangement is u. a. can be used to effectively use even smaller fluid velocities, which can make a significant contribution, especially in wind power, for power generation.

Weitere spezifische Konstruktionsmerkmale und deren Vorteile sind aus folgender Beschreibung und Zeichnungen von Other specific design features and their advantages are described in the following description and drawings of

Ausführungsbeispielen ersichtlich, in welchen Embodiments can be seen in which

Fig. 1 eine erfindungsgemässe Anordnung mit einer Fig. 1 shows an inventive arrangement with a

Elektromaschine und einer Steuerschaltung und Fig. 2 eine Variante einer erfindungsgemässen Anordnung darstellen. Electric machine and a control circuit and Fig. 2 represent a variant of an inventive arrangement.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung umfasst eine The arrangement shown in Fig. 1 comprises a

Elektromaschine 10 und eine Steuerschaltung 20. Die Electric machine 10 and a control circuit 20. The

Elektromaschine 10 ist mit einem oder mehreren Electric machine 10 is with one or more

Permanentmagneten sowie mit einer oder mehreren Spulen versehen. Im vorliegenden Beispiel umfasst die Permanent magnets and provided with one or more coils. In the present example, the

Elektromaschine 10 drei Phasenleiter 11-13 (nachfolgend vereinfachend "Phasen" genannt) mit drei Spulen, die in einer Stern- oder Dreieckschaltung miteinander verbunden sind. Die Elektromaschine 10 ist an eine mechanisch Electric machine 10 three phase conductors 11-13 (hereinafter referred to simply as "phases") with three coils, which are connected to each other in a star or delta connection. The electric machine 10 is connected to a mechanical

antreibbare Welle koppelbar und dient zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und somit zur Stromerzeugung. Die Welle ist z. B. mit den Rotorblättern einer Windkraftanlage verbunden oder an eine Wasserturbine gekoppelt. Nachfolgend wird die Geschwindigkeit des Fluids, welches die Welle antreibt, mit v bezeichnet. drivable shaft coupled and serves to convert mechanical energy into electrical energy and thus to Power generation. The wave is z. B. connected to the rotor blades of a wind turbine or coupled to a water turbine. Subsequently, the velocity of the fluid which drives the shaft is denoted by v.

■ ■

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein Akkumulator 1 vorgesehen, in welcher die von der Elektromaschine 10 erzeugte elektrische Energie gespeichert wird. Die Steuerschaltung 20 umfasst eine Schaltung mit einer ersten Leitung 21 und einer zweiten Leitung 22 sowie dazwischen angeordneten Paaren von Schaltern, Tl und T4 , T2 und T5 sowie T3 und T6. Im vorliegenden Beispiel ergeben sich dadurch drei Halbbrücken. Weiter umfasst die In the present embodiment, an accumulator 1 is provided, in which the electrical energy generated by the electric machine 10 is stored. The control circuit 20 comprises a circuit having a first line 21 and a second line 22 and interposed pairs of switches, Tl and T4, T2 and T5 and T3 and T6. In the present example, this results in three half-bridges. Next includes the

Steuerschaltung 20 einen Mikroprozessor 30 als zentrale Recheneinheit ("CPU"), an welche folgende Schaltungen gekoppelt sind: Control circuit 20 a microprocessor 30 as a central processing unit ("CPU"), to which the following circuits are coupled:

- eine Treiberschaltung 31 zur Ansteuerung der Schalter a driver circuit 31 for driving the switches

T1-T6, T1-T6,

- eine Shunt-Schaltung 32 mit mindestens einem^" Shunt- Widerstand und einem Verstärker und - a shunt circuit 32 with at least one ^"shunt resistor and an amplifier, and

- eine Filterschaltung 33. a filter circuit 33.

Nachfolgend bezeichnet j die Zahl eines der Schalter T1-T6, d. h. j = 1, 2 , ... , 6. Der jeweilige Schalter Tj ist vorzugsweise als Transistor ausgebildet, beispielsweise als Feldeffekttransistor (FET) . Im vorliegenden Hereinafter, j denotes the number of one of the switches T1-T6, d. H. j = 1, 2, ..., 6. The respective switch Tj is preferably formed as a transistor, for example as a field effect transistor (FET). In the present

Ausführungsbeispiel ist der jeweilige Schalter Tj als N- Kanal-MOSFET ausgebildet und weist drei Anschlüsse auf: einen Drain-Anschluss Dj , einen Source-Anschluss Sj und einen Gate-Anschluss Gj . Denkbar sind auch andere Embodiment, the respective switch Tj is formed as an N-channel MOSFET and has three terminals: a drain terminal Dj, a source terminal Sj and a gate terminal Gj. Also conceivable are others

Ausführungsformen, bei welchen der Schalter Tj ein Embodiments in which the switch Tj a

Schaltelement und eine parallel dazu geschaltete Diode aufweist . Die erste Leitung 21 ist mit den Drain-Anschlüssen Dl, D2 und D3 der Schalter T1-T3 und mit dem einem Pol des Has switching element and a parallel diode connected thereto. The first line 21 is connected to the drain terminals Dl, D2 and D3 of the switch T1-T3 and the one pole of the

Akkumulators 1 verbunden. Der andere Pol des Akkumulators 1 ist auf Masse gesetzt (in der Fig. 1 mit GND bezeichnet) . An der Leitung 21 ist auch eine Schaltung 34 mit einem DC-DC- Wandler angeschlossen. Über den Ausgang 34a dieser Schaltung 34 sind die einzelnen elektronischen Komponenten 30-33, Tl- T6 mit Energie aus dem Akkumulator 1 versorgbar. Ist die Steuerschaltung 20 in den Schlafzustand ("sleeping mode") versetzt, so wirkt die Schaltung 34 als elektronischer Accumulator 1 connected. The other pole of the accumulator 1 is grounded (denoted GND in FIG. 1). On the line 21 and a circuit 34 is connected to a DC-DC converter. Via the output 34a of this circuit 34, the individual electronic components 30-33, Tl-T6 can be supplied with energy from the accumulator 1. If the control circuit 20 in the sleeping state ("sleeping mode") offset, the circuit 34 acts as electronic

Schalter, um die nicht für den Betrieb notwendigen Switch to those not necessary for operation

Komponenten abzuschalten und entsprechend den Disconnect components and according to the

Energieverbrauch zu reduzieren. Reduce energy consumption.

Die zweite Leitung 22 ist mit den Source-Anschlüssen S , S5 und S6 der Schalter T4-T6 verbunden sowie mit dem Eingang der Shunt -Schaltung 32. Der Ausgang der Shunt -Schaltung 32 ist auf Masse gesetzt. The second line 22 is connected to the source terminals S, S5 and S6 of the switches T4-T6 and to the input of the shunt circuit 32. The output of the shunt circuit 32 is set to ground.

Zur Ansteuerung sind die Gate-Anschlüsse G1-G6 der To control the gate terminals G1-G6 are the

Transistoren T1-T6 an die Treiberschaltung 31 verbunden, welche hier als MOSFET-Gate-Treiber ausgebildet ist. Zwischen den Transistoren, die zur selben Halbbrücke Transistors T1-T6 connected to the driver circuit 31, which is designed here as a MOSFET gate driver. Between the transistors leading to the same half-bridge

gehören, befindet sich jeweils ein Knoten Kl, K2 bzw. K3 zum Anschluss der Elektromaschine 10. Der Knoten Kl ist mit dem Source-Anschluss Sl, dem Drain-Anschluss D4 sowie der ersten Phase 11 der Elektromaschine 10 verbunden. Entsprechend sind de Knoten K2 mit S2, D5 und der zweiten Phase 12 der Each node Kl is connected to the source terminal Sl, the drain terminal D4 and the first phase 11 of the electric machine 10. Accordingly, the nodes K2 with S2, D5 and the second phase 12 of the

Elektromaschine 10 und der Knoten K3 mit S3, D6 und der dritten Phase 13 der Elektromaschine 10 verbunden. Die Phasen 11-13 sind weiter mit der Filterschaltung 33 verbunden. Diese dient dazu, aus der Spannung, welche an einer Phase 11, 12, 13 anliegt, den Spannungsteil zu Electric machine 10 and the node K3 connected to S3, D6 and the third phase 13 of the electric machine 10. The phases 11-13 are further connected to the filter circuit 33. This serves to from the voltage which is applied to a phase 11, 12, 13, the voltage part

bestimmen, den der Permanentmagnet der Elektromaschine 10 in einer jeweiligen Spule induziert. Diese induzierte Spannung wird als Gegeninduktionsspannung bezeichnet und ist in Fig. 1 mit Ul, U2 bzw. U3 angegeben. determine the permanent magnet of the electric machine 10 induced in a respective coil. This induced voltage is referred to as a mutual induction voltage and is indicated in FIG. 1 by U1, U2 and U3, respectively.

Im Betrieb werden die Spannungen Ul, U2 und U3 der CPU 30 zugeführt. Aus Ul , U2 , U3 bestimmt die CPU 30 u. a. die Position des Rotors der Elektromaschine 10 und somit die Drehzahl. Dies erlaubt es, die Treiberschaltung 31 so ansteuern, dass die Transistoren T1-T6 in geeigneter Weise geschaltet werden. In operation, the voltages Ul, U2 and U3 of the CPU 30 are supplied. From Ul, U2, U3, the CPU determines 30 u. a. the position of the rotor of the electric machine 10 and thus the speed. This makes it possible to drive the driver circuit 31 so that the transistors T1-T6 are switched appropriately.

Je nach Auslegung der Anlage, in welcher die Schaltung 20 verwendet wird, ist es bis zu einem gewissen Grad auch möglich, aus Ul, U2 , U3 die aktuelle Geschwindigkeit des Fluids v zu bestimmen. Bei einer Windkraftanlage Depending on the design of the system in which the circuit 20 is used, it is also possible to some extent to determine from Ul, U2, U3 the current velocity of the fluid v. At a wind turbine

beispielsweise steht für- = 0 m/s der Rotor der For example, stands for- = 0 m / s, the rotor of

Elektromaschine 10 still. Setzt nun der Wind ein, so beginnen die Rotorblätter zu vibrieren. Diese Vibrationen erzeugen eine Gegeninduktionsspannung Ul, U2 , U3 in der Elektromaschine 10, aus welcher die aktuelle Electric machine 10 still. If the wind now starts, the rotor blades begin to vibrate. These vibrations generate a mutual induction voltage Ul, U2, U3 in the electric machine 10, from which the current

Windgeschwindigkeit in gewissen Grenzen bestimmt werden kann . Wind speed can be determined within certain limits.

Ist bei der Anlage der quantitative Zusammenhang zwischen Vibrationen und Fluidgeschwindigkeit v zu wenig genau bekannt, kann auch ein Geschwindigkeitsmesser 35 vorgesehen sein, der an die CPU 30 gekoppelt ist und zur direkten Erfassung der Fluidgeschwindigkeit v dient. Die Anordnung von Fig. 1 ist so ausgebildet, dass die If the quantitative relationship between vibrations and fluid velocity v is not known precisely enough in the system, it is also possible to provide a speedometer 35 which is coupled to the CPU 30 and serves for the direct detection of the fluid velocity v. The arrangement of FIG. 1 is designed such that the

Elektromaschine 10 sowohl als Generator als auch als Motor betreibbar ist. Als Elektromaschine 10 ist z. B. eine Electric machine 10 is operable both as a generator and as a motor. As electric machine 10 z. Legs

Transversalflussmaschine geeignet. Bei dieser Art von Transverse flux machine suitable. In this kind of

Maschine sind die Wicklungen der Spulen konzentrisch zur Drehachse angeordnet und es ist ein radialer sowie axialer Verlauf des magnetischen Flusses gegeben. Die Wicklungen bilden besonders wirksame Induktivitäten zur Machine, the windings of the coils are arranged concentrically to the axis of rotation and there is a radial and axial course of the magnetic flux. The windings form particularly effective inductances for

Energiespeicherung bei der Aufwärtswandlung. Energy storage during the up-conversion.

Nachfolgend wird die Funktionsweise der Steuerschaltung 20 von Fig. 1 anhand von Wind als Fluid erläutert. Die Hereinafter, the operation of the control circuit 20 of Fig. 1 will be explained with reference to wind as a fluid. The

Anordnung arbeitet für andere Fluidarten, z. B. Wasser, in analoger Weise. Arrangement works for other types of fluids, eg. As water, in an analogous manner.

Der Betriebszustand der Steuerschaltung 20 ist abhängig von der Geschwindigkeit v. The operating state of the control circuit 20 is dependent on the speed v.

1. Unnutzbarer Bereich (kein oder zu wenig Wind) : 1. unusable area (no or too little wind):

Für v = 0 /s bis zu einem ersten Wert vi befindet sich die CPU 30 im Schlafzustand, aus welchem sie For v = 0 / s up to a first value vi, the CPU 30 is in the sleep state from which it is

wiederkehrend aufwacht, die Hardware einschaltet und die Windgeschwindigkeit bestimmt. Im Schlaf zustand verbraucht die Elektronik. nur unwesentlich Energie, da die Hardware - bis auf einen Teil des Prozessorkerns - abgeschaltet ist. wakes up recurrently, turns on the hardware and determines the wind speed. Sleep state consumes the electronics. only a marginal amount of energy, because the hardware - except for a part of the processor core - is switched off.

2. Windgeschwindigkeit kommt in den Nutzbereich: 2. Wind speed comes into the working area:

Für v von vi bis zu einem zweiten Wert v2 ist zwar die gewinnbare Energie grösser als der Eigenverbrauch der For v from vi up to a second value v2, the recoverable energy is greater than the self-consumption of

Elektronik, jedoch ist die Geschwindigkeit v zu gering, um die Rotorblätter, wenn sie stillstehen, in Drehung zu versetzen. Es werden folgende Prozesse gestartet: a) Die Steuerschaltung 20 geht in den motorischen Betrieb über, so dass die Elektromaschine 10 als Motor wirkt . Electronics, however, the speed v is too low to rotate the rotor blades when they are stationary. The following processes are started: a) The control circuit 20 is in the engine operation, so that the electric machine 10 acts as a motor.

b) Die Rotorblätter werden mittels der b) The rotor blades are by means of

Elektromaschine 10 beschleunigt. Electric machine 10 accelerates.

c) Wenn die Rotorblätter drehen, geht die c) When the rotor blades turn, the

Steuerschaltung 20 in den generatorischen Betrieb über, so dass die Elektromaschine 10 als Generator wirkt . Control circuit 20 in the generator mode, so that the electric machine 10 acts as a generator.

d) Die Induktionsspannung der Elektromaschine 10 wird mittels der von den Spulen der Elektromaschine 10 herrührenden Induktivität und mittels der T1-T6 aufweisenden Brückenschaltung auf die höhere d) The induction voltage of the electric machine 10 by means of the resulting from the coils of the electric machine 10 inductance and by means of the T1-T6 having bridge circuit to the higher

Spannung des Akkumulators 1 transformiert. Der Ladevorgang des Akkumulators i beginnt. Transformed voltage of the accumulator 1. The charging process of the accumulator i begins.

Windgeschwindigkeit im Nutzbereich: Wind speed in the working area:

Die Induktionsspannung der als Generator arbeitenden Elektromaschine 10 ist tiefer als die Spannung des Akkumulators 1. Die Steuerschaltung 20 arbeitet als Aufwärtswandler wirkenden DC-DC Wandler. Vorzugsweise ist der Betriebspunkt so eingestellt, dass der The induction voltage of the electric machine 10 operating as a generator is lower than the voltage of the accumulator 1. The control circuit 20 operates as a DC / DC converter acting as an up-converter. Preferably, the operating point is set so that the

Ladevorgang mit optimalem Wirkungsgrad läuft. Charging process with optimal efficiency is running.

Windgeschwindigkeit über Nutzbereich: Wind speed over useful range:

Über dem Nutzbereich ist die gleichgerichtete Above the working area is the rectified one

Induktionsspannung der als Generator arbeitenden Induction voltage of working as a generator

Elektromaschine 10 höher als die Spannung des Electric machine 10 higher than the voltage of the

Akkumulators 1. Solange die Ladung des Akkumulators 1 nicht beendet ist, erfolgt eine passive Gleichrichtung der Induktionsspannung. Sobald der Akkumulator 1 voll geladen ist, werden T4 , T5 und T6 konstant Accumulator 1. As long as the charge of the accumulator 1 is not completed, there is a passive rectification of the induction voltage. As soon as the accumulator 1 is fully charged, T4, T5 and T6 become constant

eingeschaltet. Dadurch kann das Überladen des switched on. This may overload the

Akkumulators 1 verhindert werden. Im Detail erfolgt der Motor- und Generatorbetrieb der Accumulator 1 can be prevented. In detail, the motor and generator operation of the

Elektromaschine 10 wie folgt: Electric machine 10 as follows:

Motorbetrieb : Engine operation:

Zum Antreiben der Rotorblätter wird die Treiberschaltung 31 so betrieben, dass über die Schalter T1-T6 Energie vom To drive the rotor blades, the driver circuit 31 is operated so that via the switch T1-T6 energy from

Akkumulator 1 zur Elektromaschine 10 geleitet und deren Rotor in Bewegung versetzt wird. Die Elektromaschine 10 wird somit über eine elektronische Kommutierung angesteuert, wie sie bei bürstenlosen Elektromotoren eingesetzt wird. Um den Kommutierungszeitpunkt festzulegen, wird die jeweilige Lage des Rotors bestimmt. Dies geschieht z. B. sensorlos, indem die Gegeninduk ionsSpannungen Ul , U2 , U3 erfasst und Accumulator 1 passed to the electric machine 10 and the rotor is set in motion. The electric machine 10 is thus controlled via an electronic commutation, as used in brushless electric motors. To determine the commutation time, the respective position of the rotor is determined. This happens z. B. sensorless, by the GegenindukionsSpannungen Ul, U2, U3 detected and

ausgewertet werden. Es ist auch möglich, bei der be evaluated. It is also possible at the

Elektromaschine 10 eine Sensoreinrichtung vorzusehen, mittels welcher die Rotorposition erfasst werden kann. Electric machine 10 to provide a sensor device by means of which the rotor position can be detected.

Generatorbetrieb: Generator operation:

Im Generatorbetrieb ist die Elektromaschine 10 durch die Steuerschaltung 20 stufenlos belastbar. Dadurch wird eine Leistungsanpassung der Anordnung in jedem Betriebspunkt erreicht. Der jeweilige Betriebspunkt hängt von folgenden Parametern ab: In generator mode, the electric machine 10 is continuously loadable by the control circuit 20. As a result, a power adjustment of the arrangement is achieved at each operating point. The respective operating point depends on the following parameters:

- der Spannung Ua des Akkumulators 1, the voltage Ua of the accumulator 1,

- der induzierten Spannung Ui der als Generator arbeitenden Elektromaschine 10, the induced voltage Ui of the electric machine 10 operating as a generator,

- dem Ladestrom Ia des Akkumulators 1. - The charging current Ia of the accumulator. 1

Weitere Parameter zum Festlegen des optimalen Arbeitspunkts ergeben sich aus den Kennwerten der Elektromaschine 10 und/oder aus der gemessenen aktuellen Drehzahl w des Rotors, welche z. B. durch Auswertung der Gegeninduktionsspannungen Ul, U2 , U3 bestimmt wird. Die Steuerschaltung 20 weist einen Algorithmus als Programm auf, der anhand einer oder mehrerer der oben erwähnten erfassten Parameter eine optimale oder möglichst optimale Belastung der als Generator arbeitenden Elektromaschine 10 ermittelt, so dass der Energiefluss in den Akkumulator 1 optimal oder zumindest verbessert ist. Zum Festlegen des Algorithmus wird z. B. ein Modell mit freien Further parameters for determining the optimum operating point result from the characteristics of the electric machine 10 and / or from the measured current speed w of the rotor, which z. B. by evaluating the mutual induction voltages Ul, U2, U3 is determined. The control circuit 20 has an algorithm as a program, which determines on the basis of one or more of the above-mentioned detected parameters optimal or optimal load of the working as a generator electric machine 10, so that the energy flow into the accumulator 1 is optimal or at least improved. To set the algorithm is z. B. a model with free

Einstellparametern verwendet, die vor dem eigentlichen Setting parameters used before the actual

Einsatz der Steuerschaltung 20 mittels Messungen festgelegt werden. Use of the control circuit 20 are determined by means of measurements.

Der Generatorbetrieb weist einen Aufstrom- und eine The generator operation has an upstream and a

Abstromzustand auf. Das Umschalten zwischen den beiden Downstream state on. Switching between the two

Zuständen wird durch den Algorithmus festgelegt . Dazu erfasst die Steuerschaltung 20 die oben erwähnten Parameter Ua, Ui , Ia und/oder w und leitet das Abströmen ein, wenn der Kurzschlusstrom in der Elektromaschine 10 im berechneten Bereich fliesst. In einer einfacheren Ausführungsform ist es denkbar, dasStates are determined by the algorithm. For this purpose, the control circuit 20 detects the above-mentioned parameters Ua, Ui, Ia and / or w and initiates the outflow when the short-circuit current in the electric machine 10 flows in the calculated range. In a simpler embodiment, it is conceivable that

Umschalten zwischen Aufströmen und Abströmen nicht variabel, sondern mit einer konstanten Frequenz zu gestalten. Switching between inflow and outflow not variable, but to make a constant frequency.

Das Aufströmen und Abströmen geschieht wie folgt: The inflow and outflow is as follows:

Beim Aufströmen werden die Schalter T4, T5, T6 geschlossen, d. h. bei Transistoren, dass sie in den leitenden Zustand gebracht werden. Die Elektromaschine 10 ist kurzgeschlossen und es kommt ein Stromfluss durch die Phasen 11-13 zustande. Dieser Kurzschlussstrom ist typischerweise alternierend, z. B. sinusförmig. When flowing, the switches T4, T5, T6 are closed, d. H. in transistors, that they are put into a conducting state. The electric machine 10 is short-circuited and there is a current flow through the phases 11-13. This short circuit current is typically alternating, e.g. B. sinusoidal.

Beim Abströmen werden T4 , T5, T6 geöffnet, d. h. bei When flowing out, T4, T5, T6 are opened, i. H. at

Transistoren, dass sie in den sperrenden Zustand gebracht werden. Aufgrund der von den Spulen der Elektromaschine 10 herrührenden Induktivität fliesst der im Aufstromzustand erzeugte Strom weiter. Die Spannungen an den Phasen 11-13 steigen an und übersteigen schliesslich die Spannung am Akkumulator 1. Es kommt ein Stromfluss über die Diode von mindestens einem der Schalter T1-T3 zustande. Dieser Strom fliesst über den Akkumulator 1 und via die Shunt-Schaltung 32 sowie die Dioden der Schalter T4 , T5 , T6 zurück zur Transistors that put them in the blocking state become. Due to the inductance resulting from the coils of the electric machine 10, the current generated in the upflow state continues to flow. The voltages at the phases 11-13 increase and finally exceed the voltage at the accumulator 1. There is a current flow through the diode of at least one of the switches T1-T3. This current flows via the accumulator 1 and via the shunt circuit 32 and the diodes of the switches T4, T5, T6 back to

Elektromaschine 10. Die CPU 30 misst mittels des Shunt- Widerstands der Schaltung 32 den Ladestrom und die Spannung des Akkumulators 1 und kann so den Ladezustand des Electric machine 10. The CPU 30 measures by means of the shunt resistor of the circuit 32, the charging current and the voltage of the accumulator 1 and can thus the state of charge of the

Akkumulators 1 kontrollieren. Check accumulator 1.

Insgesamt wird die Induktivität der Elektromaschine 10 als Energiespeicher verwendet, um eine AusgangsSpannung zu erzeugen, die höher ist als die Induktionsspannung Overall, the inductance of the electric machine 10 is used as an energy storage to produce an output voltage that is higher than the induction voltage

("elektromotorische Kraft") der Elektromaschine 10 im ("electromotive force") of the electric machine 10 in

Generatorbetrieb. Für die Aufwärtswandlung benötigt somit die Steuerschaltung keine zusätzliche Ladeinduktivität und ist daher vereinfacht im Aufbau. Beim Abströmen wirken die Halbbrücken mit den Schaltern T1-T6 als Gleichrichter. Generator operation. Thus, the control circuit does not require any additional charging inductance for the up-conversion and is therefore simplified in design. When flowing out, the half-bridges with the switches T1-T6 act as rectifiers.

Sind die Schalter T1-T6 z. B. als MOSFET ausgebildet, so weisen sie jeweils eine eingebaute, d. h. innere Diode auf. Die inneren Dioden der Transistoren T1-T6 werden Are the switches T1-T6 z. B. formed as a MOSFET, they each have a built-in, d. H. inner diode on. The inner diodes of transistors T1-T6 become

"automatisch" leitend, wenn die Spannungen an den Phasen IIIS die Spannung am Akkumulator 1 übersteigen. Dadurch erfolgt eine passive Ladung des Akkumulator 1 durch die aufwärts gewandelte induzierte Spannung der Elektromaschine. "automatically" conductive when the voltages at the phases IIIS exceed the voltage at the accumulator 1. This results in a passive charge of the accumulator 1 by the up-converted induced voltage of the electric machine.

Die Verlustleistung ist reduzierbar, indem anhand der erfassten Niveaus der GegeninduktionsSpannungen Ul , U2 , U3 und/oder Strommessungen in den Phasen des Generators 10 die Transistoren T1-T6 so geschaltet werden, dass die eingebauten Dioden überbrückt werden. The power loss can be reduced by using the detected levels of the mutual induction voltages Ul, U2, U3 and / or current measurements in the phases of the generator 10 Transistors T1-T6 are switched so that the built-in diodes are bridged.

Fig. 2 zeigt eine Variante einer erfindungsgemässen Fig. 2 shows a variant of an inventive

Anordnung. Nebst einem DC-DC-Wandler zur Energieversorgung der Steuerschaltung 20 weist die Anordnung eine Arrangement. In addition to a DC-DC converter for powering the control circuit 20, the arrangement has a

Zeitgebereinheit 36 auf, welche ausserhalb der Timer unit 36, which outside the

Steuerschaltung 20 angeordnet ist und zum Schalten eines Relais 37 dient. An der ersten Leitung 21 ist eine weitere Leitung angeschlossen, welche mit einer Diode 38 versehen ist und welche zu einem Pol des Akkumulators 1 führt. An der weiteren Leitung sind parallel zur Diode 38 die Control circuit 20 is arranged and used to switch a relay 37. On the first line 21, a further line is connected, which is provided with a diode 38 and which leads to a pole of the accumulator 1. On the other line are parallel to the diode 38, the

Zeitgebereinheit 36 sowie ein über das Relais 37 schaltbarer Schalter 39 angeschlossen. Timer unit 36 and connected via the relay 37 switch 39 is connected.

Ist der Rotor der Elektromaschine 10 im Stillstand, so bestimmt die Steuerschaltung 20 anhand der erfassten If the rotor of the electric machine 10 is at a standstill, then determines the control circuit 20 based on the detected

Gegeninduktionsspannungen U1-U3 die Fluidgeschwindigkeit v. Liegt diese über dem oben genannten Wert vi, so bleibt der Schalter 39 geschlossen und die Elektromaschine 10 geht in den Motor- und anschliessend in den Generatorbetrieb über. Die Zeitgebereinheit 36 ist in der Lage festzustellen, ob sich die Elektromaschine 10 im stromerzeugenden Mutual induction voltages U1-U3 the fluid velocity v. If this is above the above-mentioned value vi, then the switch 39 remains closed and the electric machine 10 goes into the engine and then into the generator mode. The timer unit 36 is able to determine whether the electric machine 10 in the electricity generating

Generatorbetrieb befindet, indem sie den Schalter 39 öffnet und den Spannungsabfall über der Diode 38 misst. Erzeugt die Elektromaschine 10 keinen Strom mehr, so fliesst auch kein Strom mehr durch die Diode 38. Die Zeitgebereinheit erfasst einen derartigen Zustand und triggert eine Zeitspanne, nach welcher die Elektromaschine 10 wieder als Motor in Gang gesetzt wird. Generator operation is by opening the switch 39 and measures the voltage drop across the diode 38. If the electric machine 10 no longer generates power, then no current flows through the diode 38. The timer unit detects such a condition and triggers a period of time after which the electric machine 10 is set in motion again as an engine.

Es ist auch denbkar, zusätzlich einen Geschwindigkeitsmesser 35 vorzusehen, der zur Auswertung mit der Zeitgebereinheit 36 verbunden ist. Erfasst die Zeitgebereinheit 36 eine Geschwindigkeit über dem Wert vi, bleibt der Schalter 39 geschlossen und der Motor- und Generatorbetrieb werden eingeleitet. Stellt der Geschwindigkeitsmesser 35 ein It is also denbkar to additionally provide a speedometer 35 which is connected to the timing unit 36 for evaluation. Detects the timer unit 36 a Speed above the value vi, the switch 39 remains closed and the motor and generator operation are initiated. Sets the speedometer 35

Unterschreiten des Wertes vi fest, wird der Schalter 39 geöffnet. Falling below the value vi fixed, the switch 39 is opened.

Aus der vorangehenden Beschreibung sind dem Fachmann From the foregoing description, those skilled in the art

zahlreiche Abwandlungen zugänglich, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen, der durch die Ansprüche Numerous modifications accessible without departing from the scope of the invention, by the claims

definiert ist. is defined.

Anstelle der Shunt-Schaltung 32 oder ergänzend dazu sind andere Einrichtungen zur Strommessung denkbar, mit welcher die Ströme in den Phasen 11-13 und den Ladestrom des Instead of the shunt circuit 32 or in addition to other means for measuring current are conceivable, with which the currents in the phases 11-13 and the charging current of the

Akkumulators 1 bestimmbar sind. Accumulator 1 can be determined.

Z. B. kann bei einer Elektromaschine 10 mit drei Phasen die Einrichtung so ausgestaltet sein, dass mittels ihr der jeweilige Strom in zwei Phasen messbar ist. (Der Strom in der dritten Phase ergibt sich aus den beiden anderen For example, in the case of an electric machine 10 with three phases, the device can be configured such that the respective current can be measured in two phases by means of it. (The current in the third phase results from the other two

Strömen.) Eine derartige Strommessung erlaubt es auch, die oben erwähnte aktive Überbrückung der Dioden von T1-T6 vorzusehen, ohne dass es zu Fehlfunktionen kommen kann. Alternativ oder ergänzend kann ein Shunt -Widerstand in der zum Pluspol des Akkumulators 1 führenden Leitung vorgesehen sein, um den Strom in dieser Leitung zu messen. Dies erlaubt es, die Schaltung 20 vor einem Kurzschluss zu schützen, da in der Regel Kurzschlüsse gegenüber dem Minuspol (z. B. Such current measurement also allows the above-mentioned active bridging of the diodes of T1-T6 to be provided without causing malfunction. Alternatively or additionally, a shunt resistor can be provided in the line leading to the positive terminal of the rechargeable battery 1 in order to measure the current in this line. This makes it possible to protect the circuit 20 from a short circuit since, as a rule, short circuits with respect to the negative pole (eg.

Chassis) erfolgen. Chassis).

Anstelle eines Akkumulators 1 kann auch eine andere Instead of a rechargeable battery 1 can also another

vorgesehen sein. Beispielsweise ist die Anordnung be provided. For example, the arrangement

verwendbar, um die elektrische Energie in das Stromversorgungsnetz einzuspeisen. Dazu ist die Steuerschaltung ausgangsseitig mit einem Wechselrichter ergänzt, welcher die Gleichspannung in eine WechselSpannung umrichtet . usable to transfer the electrical energy into the Supply power grid. For this purpose, the control circuit is supplemented on the output side with an inverter, which converts the DC voltage into an AC voltage.

Zusätzlich zur Last, an welche die elektrische Energie zugeführt wird, kann auch eine separate Energiequelle vorgesehen sein, mittels welcher die Elektromaschine im Motorbetrieb und/oder die Steuerschaltung mit Energie versorgbar ist. In addition to the load to which the electrical energy is supplied, a separate energy source can also be provided, by means of which the electric machine can be supplied with energy during engine operation and / or the control circuit.

Die Anzahl der Spulen sowie die Anzahl der Phasenleiter der Elektromaschine kann eins, zwei oder mehr sein. Die Anzahl der Halbbrücken ist entsprechend so angepasst, dass die Elektromaschine als Generator sowie als Motor betreibbar ist. Weist die Elektromaschine z. B. einen Phasenleiter mit einer Spule auf, so werden zwei Halbbrücken mit insgesamt vier Schaltern verwendet . Bei zwei Phasenleitern mit zwei Spulen werden 4 Halbbrücken mit insgesamt acht Schaltern verwendet. The number of coils and the number of phase conductors of the electric machine may be one, two or more. The number of half bridges is adjusted accordingly so that the electric machine can be operated as a generator and as a motor. Does the electric machine z. B. a phase conductor with a coil, so two half-bridges are used with a total of four switches. Two phase conductors with two coils use 4 half bridges with a total of 8 switches.

Claims

Patentansprüche claims

1. Anordnung zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, die einer Last, insbesondere einem Akkumulator (1) oder einem Stromversorgungsnetz, zuführbar ist, umfassend 1. Arrangement for the conversion of mechanical energy into electrical energy, which is a load, in particular an accumulator (1) or a power supply network, supplied, comprising

eine Elektromaschine (10) , die mindestens einen an electric machine (10), the at least one

Permanentmagneten und mindestens einen Phasenleiter (11-13) mit mindestens einer Spule aufweist, und Permanent magnet and at least one phase conductor (11-13) having at least one coil, and

eine Steuerschaltung (20) zur Ansteuerung der a control circuit (20) for controlling the

Elektromaschine (10) als Generator, wobei die Electric machine (10) as a generator, wherein the

Steuerschaltung zum abwechselnden Kurzschliessen und Control circuit for alternating short-circuiting and

Freigeben des mindestens einen Phasenleiters (11-13) Releasing the at least one phase conductor (11-13)

eingerichtet ist, so dass die mindestens eine Spule einen Teil eines Aufwärtswandlers bildet, dadurch gekennzeichnet, dass is set up, so that the at least one coil forms part of an up-converter, characterized in that

die Steuerschaltung (20) zur Ansteuerung der the control circuit (20) for controlling the

Elektromaschine (10) als Motor eingerichtet ist, um den Rotor der Elektromaschine bei Stillstand anzutreiben. Electric machine (10) is arranged as a motor to drive the rotor of the electric machine at standstill.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung (20) eine erste Leitung (21) zur Verbindung mit der Last (1) und eine zweite Leitung (22) aufweist, welche über in Serie angeordnete Schalter (T1-T6) mit der ersten Leitung (21) verbunden ist, wobei die Schalter (T1-T6) mit Knoten (K1-K3) verbunden sind, an welche der mindestens eine Phasenleiter (11-13) angeschlossen ist. 2. Arrangement according to claim 1, wherein the control circuit (20) has a first line (21) for connection to the load (1) and a second line (22), which via series-arranged switch (T1-T6) with the first Line (21) is connected, wherein the switches (T1-T6) with nodes (K1-K3) are connected to which the at least one phase conductor (11-13) is connected.

3. Anordnung nach Anspruch 2, bei welcher der jeweilige Schalter (T1-T6) ein Schaltelement sowie eine parallel dazu geschaltete Diode umfasst. 3. Arrangement according to claim 2, wherein the respective switch (T1-T6) comprises a switching element and a diode connected in parallel thereto.

4. Anordnung nach Anspruch 3, bei welcher der jeweilige Schalter ein Transistor (T1-T6) ist, der vorzugsweise eine innere Diode aufweist, welche die zum Schaltelement parallel geschaltete Diode bildet, besonders bevorzugt ist der 4. Arrangement according to claim 3, wherein the respective switch is a transistor (T1-T6), preferably a having inner diode which forms the diode connected in parallel to the switching element, particularly preferred is the

Transistor ein MOSFET. Transistor a MOSFET.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei an der zweiten Leitung (22) mindestens ein Shunt-Widerstand (32) angeschlossen ist. 5. Arrangement according to one of claims 2 to 4, wherein at least one shunt resistor (32) is connected to the second line (22).

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Steuerschaltung (20) zum wiederkehrenden Erfassen des 6. Arrangement according to one of claims 3 to 5, wherein the control circuit (20) for the repetitive detection of the

Stromes im Phasenleiter (11-13) und/oder durch den Shunt- Widerstand (32) ausgelegt ist und im Betrieb dann, wenn der Phasenleiter (11-13) nach dem Kurzschliessen freigegeben wird, anhand des erfassten Stromwertes mindestens einen der Schalter (T1-T6) so schaltet, dass die Diode des Schalters (T1-T6) überbrückt wird. Current in the phase conductor (11-13) and / or by the shunt resistor (32) is designed and in operation when the phase conductor (11-13) is released after the short-circuit, based on the detected current value at least one of the switches (T1 -T6) so that the diode of the switch (T1-T6) is bypassed.

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Elektromaschine (10) , wenn diese als Motor betrieben wird, über die Last (1) als Energiequelle 7. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the electric machine (10), when operated as a motor, via the load (1) as an energy source

bestrombar ist . is currentable.

8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welcher die Steuerschaltung (20) eingerichtet ist zur 8. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the control circuit (20) is adapted to

Erfassung der Geschwindigkeit eines Fluids, dessen Bewegung als Quelle der mechanischen Energie dient, vorzugsweise weist die Steuerschaltung (20) einen Anschluss auf, an welchem ein Geschwindigkeitsmesser (35) anschliessbar ist. Detecting the speed of a fluid whose movement serves as a source of mechanical energy, preferably, the control circuit (20) has a port to which a speedometer (35) can be connected.

9. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (20) eingerichtet ist zum 9. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the control circuit (20) is adapted to

wiederkehrenden Erfassen der von der Elektromaschine (10) erzeugten Gegeninduktionsspannung . Recurring detection of the counter-induction voltage generated by the electric machine (10).

10. Anordnung nach Anspruch 9, wobei die Steuerschaltung (20) so eingerichtet ist, dass sie im Betrieb anhand der erfassten Gegeninduktionsspannung 10. Arrangement according to claim 9, wherein the control circuit (20) is arranged so that in operation based on the detected mutual induction voltage

die elektronische Kommutierung bei der Elektromaschine (20) festgelegt, wenn diese als Motor betrieben wird, und/oder the electronic commutation at the electric machine (20) defined when operating as a motor, and / or

die Geschwindigkeit des Fluids bestimmt. determines the speed of the fluid.

11. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuerschaltung (20) zum wiederkehrenden Erfassen von Parametern eingerichtet und mit einem Programm 11. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the control circuit (20) for the recurrent detection of parameters set up and with a program

ausgestattet ist, mittels welchem aus den erfassten equipped by means of which from the detected

Parametern der Wechsel zwischen Kurzschliessen und Freigeben des Phasenleiters (11-13) festlegbar ist, wobei die Parameters of the change between short-circuiting and releasing the phase conductor (11-13) can be specified, wherein the

Parameter mindestens einen der folgenden Parameter umfassen:Parameters include at least one of the following parameters:

- die Spannung über der Last (1) , the voltage across the load (1),

- die Induktionsspannung der Elektromaschine (10) beim - The induction voltage of the electric machine (10) during

Generatorbetrieb, Generator operation,

- der Strom, der beim Freigeben des Phasenleiters (11-13) zur Last (1) fliesst, the current flowing on release of the phase conductor (11-13) to the load (1),

- die Drezahl des Rotors der Elektromaschine (10) . - The speed of the rotor of the electric machine (10).

12. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche , wobei die Steuerschaltung (20) mindestens zwei Halbbrücken aufweist, wobei jede Halbbrücke zwei in Serie angeordnete Schalter (Tl, T4 ; T2 , T5; T3 , T6) umfasst . 12. Arrangement according to one of the preceding claims, wherein the control circuit (20) has at least two half-bridges, each half-bridge comprising two switches (T1, T4, T2, T5, T3, T6) arranged in series.

13. Verfahren zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie, bei welchem eine Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche verwendet wird. 13. A method for converting mechanical energy into electrical energy, in which an arrangement according to one of the preceding claims is used.

14. Anlage, mittels welcher Energie, die von der Bewegung eines Fluids herrührt, in elektrische Energie umwandelbar ist, wobei die Anlage eine Turbine und eine daran angekoppelte Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst . 14. Plant, by means of which energy, which results from the movement of a fluid, is convertible into electrical energy, wherein the plant is a turbine and one coupled arrangement according to one of claims 1 to 12 comprises.