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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Generatorgeräte, die zur Lieferung von Leistungen verwendet werden können, die erheblichen zeitlichen Veränderungen unterworfen sind.
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In herkömmlichen elektrischen Generatorgeräten betreibt ein Motor oder eine andere Antriebsvorrichtung einen synchronen Wechselstromgenerator mit nominell konstanter Drehzahl, die so berechnet ist, dass ein elektrischer Wechselstromausgang der richtigen Frequenz geliefert wird. Im praktischen Betrieb bleibt die Motordrehzahl nicht genau konstant, was zu unerwünschten Frequenzvariationen des elektrischen Ausgangs eines solchen Generatorgerätes führt.
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Um maximale Leistung erbringen zu können, muss ein solches Generatorgerät eine entsprechende Größe besitzen, was auf Grund der Tatsache, dass die durchschnittliche Belastung typischerweise nur etwa 20% der Spitzenlast beträgt, eine große Vergeudung bedeuten kann. Es gibt zahlreiche Anwendungen wie Schweißen, Batterieladen und Start/Betrieb elektrischer Motoren, wo die geforderte Leistung großen Schwankungen unterliegt und wo das Generatorgerät nur zeitweise starken Belastungen ausgesetzt ist. Es ist deshalb wünschenswert, ein Generatorgerät einzusetzen, das in seiner Anwendung effizient unter leichten Belastungsbedingungen arbeiten kann.
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Drehzahlvariable Generatorgeräte wurden vorgeschlagen, (siehe beispielsweise
US Patent Nr. 5,563,802 von Plahn et al), die auf Änderungen des Lastbedarfs durch Drehzahländerung des Motors/Generators reagieren und die zur Lieferung der Leistung unter geringer Last Batterien verwenden. Systeme dieser Art leiden jedoch unter verschiedenartigen Einschränkungen, einschließlich eines beschränkten Motordrehzahlbetriebsbereiches, kurzer Lebenserwartung der Batterien wegen der anspruchsvollen Betriebszyklen und schwacher Leistung unter ungünstigen Lastbedingungen.
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”Development of an Experimental Hybrid Power System Incorporating a Variable Speed Diesel Generator” (Entwicklung eines experimentellen Hybridstromversorgungssystems mit einem Dieselgenerator mit veränderlicher Drehzahl), Stein et al., vorgestellt anlässlich der American Wind Energy Conference (Amerikanische Windenergiekonferenz) 1994, offenbart ein Dieselsystem mit veränderlicher Drehzahl. In diesem System wird die Leistung eines Diesel- und Synchrongenerators über einen Gleichrichter einem Boost-Schaltkreis und danach über einen Inverter einer Ladung zugeführt. Der Synchrongenerator und der Boost-Schaltkreis sind jeweils spannungsgeregelt. Ein Steuerungsrechner reagiert auf die an der Ladung geforderte Energie, um die Drehzahl des Dieselmotors zu ändern.
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WO-A-96/23350 offenbart einen Generator mit einem Steuersystem zur Regulierung der Generatorleistung.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Hybridgeneratorgerätes, welches erhebliche Lastschwankungen bei gleichzeitig gutem Wirkungsgrad bewältigen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß ist ein Stromversorgungsgerät gemäß Anspruch 1 vorgesehen.
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Das Gerät kann wenigstens eine erste Energiespeichereinrichtung umfassen, die zum Laden aus dem Gleichstromzwischenausgang und zum Entladen von Energie in den Gleichstromzwischenausgang angeordnet ist, wenn die Spannung des Gleichstromzwischenausgangs unter einen Nennwert abfällt.
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Stattdessen oder außerdem kann das Gerät eine Zusatzlast-Steuereinrichtung umfassen, die zum Feststellen des Anschlusses einer schweren Zusatzlast an die Ausgangseinrichtung und zur Steuerung der Kraftzufuhr für die Zusatzlast angeordnet ist, um dadurch eine übermäßige Belastung der Ausgangseinrichtung zu vermeiden.
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Vorzugsweise umfasst das Gerät wenigstens eine zweite Energiespeichereinrichtung, einen Ladekreis, der zum Laden der zweiten Energiespeichereinrichtung aus dem Gleichstromzwischenausgang der Wandlereinrichtung angeordnet ist, und einen Entladekreis, der zum Entladen der zweiten Energiespeichereinrichtung parallel zur ersten Energiespeichereinrichtung angeordnet ist, wenn die Spannung des Gleichstromzwischenausgangs unter eine zweite Spannungsschwelle unter der ersten Spannungsschwelle abfällt.
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In einer Ausführungsform umfasst das Gerät eine dritte Energiespeichereinrichtung, einen Ladekreis, der zum Laden der dritten Energiespeichereinrichtung aus einer elektrischen Quelle angeordnet ist, und eine Zusatzwandlereinrichtung, die zum Entladen der dritten Energiespeichereinrichtung parallel zur ersten und zweiten Energiespeichereinrichtung angeordnet ist, wenn die zweite Energiespeichereinrichtung wenigstens teilweise entladen ist.
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Die ersten und zweiten Energiespeichereinrichtungen sind vorzugsweise Kondensatoren und die dritte Energiespeichereinrichtung ist vorzugsweise eine Batterie.
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Das Gerät kann einen Drehzahlsensor zum Überwachen der Drehzahl des Motors/Generators und zum Erzeugen eines darauf bezogenen Drehzahlausgangssignals umfassen, und eine Funktionsgeneratoreinrichtung zum Erzeugen eines Stromsignals aus dem Drehzahlausgangssignal, wobei das Stromsignal eine Leistungs-/Drehzahlkennlinie des Motors darstellt und von der Steuereinrichtung zur Optimierung des Motorbetriebes genutzt wird.
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Das Gerät kann ferner Umgebungsdruck- und Umgebungstemperatursensoren zum Überwachen des Umgebungsdrucks und der Umgebungstemperatur und zum Erzeugen von jeweiligen Druck- und Temperaturausgangssignalen umfassen, und kann des weiteren jeweilige Druck- und Temperaturfunktionsgeneratoren umfassen, zum Erzeugen von Ausgängen, umfassend Motorleistungsverlustkenngrößen zum Ausgleichen von Schwankungen in Umgebungsbetriebsdruck- und Umgebungstemperatur.
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Das Gerät kann auch einen Abgastemperatursensor umfassen, der zum Überwachen der Temperatur der Motorabgase und zum Erzeugen eines Ausgangssignals für die Abgastemperatur angeordnet ist, einen Abgastemperaturfunktionsgenerator zum Erzeugen eines Kennkurvensignals für die Abgastemperatur/Drehzahl-Last aus dem Drehzahlausgangssignal, und ein Steuerelement zum Erzeugen eines Fehlersignals aus der Differenz zwischen dem Ausgangssignal für die Abgastemperatur und dem Kennkurvensignal für die Abgastemperatur/Drehzahl-Last, um dadurch Faktoren auszugleichen, die die Motorabgastemperatur beeinflussen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein äußerst vereinfachtes Schaltbild eines Hybridgeneratorgerätes gemäß der Erfindung mit einem Spannungssteuersystem;
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2 ist ein ähnliches Diagramm wie das gemäß 1 und zeigt eine Ausführungsform des Gerätes mit einem Stromsteuersystem, welches nicht erfindungsgemäß ist;
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3 zeigt das Gerät gemäß 1 mit dessen Ausgangsstromkreis, einschließlich eines Belastungsvoraussagekreises in mehr Einzelheiten;
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4 zeigt einen weiteren Ausgangsschaltkreis des Gerätes;
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5 zeigt eine Ausführungsform des Gerätes gemäß 1 mit ersten und zweiten Energiespeichereinrichtungen;
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6 zeigt eine Ausführungsform des Gerätes ähnlich wie die gemäß 5, doch mit einer dritten Energiespeichereinrichtung;
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7a ist ein detailliertes schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einem Permanentmagnetwechselstromgenerator, angetrieben von einem Verbrennungsmotor;
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7b ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen verschiedenen Grenzwerten und Bezugsspannungen im Steuersystem des Gerätes gemäß 7a zeigt;
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8a–8c und 9a bis 9c sind graphische Darstellungen, die den Betrieb einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gerätes darstellen;
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10 und 11 zeigen weitere Varianten des Gerätes unter Verwendung von fortschrittlicheren Spannungs- und Stromsteuerkreisen, wobei 11 nicht erfindungsgemäß ist.
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12, 13 und 14 sind schematische Diagramme, die zusätzliche Steuerkreise zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Gerät zur Optimierung dessen Betriebsweise beinhalten.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt die Anordnung eines erfindungsgemäßen Hybridgeneratorgerätes in einer höchst vereinfachten Blockdiagrammform. Eine steuerbare Stromquelle 10, die eine Motor/Generatorkombination, eine Brennstoffzelle, ein solar-elektrisches System, einen hydroelektrischen Generator, eine Windturbine oder eine andere Quelle elektrischer Energie, deren Ausgang steuerbar ist, umfassen kann, ist mit einer Entkopplungswandlereinrichtung verbunden, das einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 aufweist. Der Ausgang des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers sei hierin als Gleichstromzwischenausgang bezeichnet, mit einer Spannung VDC. Dieser Gleichstromzwischenausgang wird an eine ”Last” 14 angelegt, in den meisten Ausführungsbeispielen eine Ausgangswandlereinrichtung, z. B. ein Wechselrichter, der den Gleichstromzwischenausgang in eine Wechselstromwellenform umformt, um damit eine externe Last zu beliefern. In anderen Fällen kann die externe Last auch eine Gleichstromlast, oder beispielsweise ein Fahrzeugmotor sein.
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Die Entkopplungswandlereinrichtung 12 hat die wichtige Aufgabe, den Gleichstromzwischenausgang von Schwankungen im Strom- und/oder Spannungsausgang der Quelle 10 zu entkoppeln oder zu isolieren, damit die Steuerung des Gerätes in der Lage ist, erhebliche Ausgangsschwankungen der Quelle 10 aufzufangen. Zum Beispiel, wenn die Quelle 10 ein Motor/Generatorgerät ist, gestattet die Entkopplungswirkung der Entkopplungswandlereinrichtung 12 den Betrieb des Motors/Generators über eine breiten Drehzahlbereich unter Aufrechterhaltung des Gleichstromzwischenausgangs innerhalb gewünschter Betriebsparameter. Die Wandlereinrichtung 12 sorgt auch dafür, dass die Quelle von Lastschwankungen entkoppelt oder isoliert wird.
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Die Entkopplungswandlereinrichtung 12 kann verschiedene Formen annehmen, je nach der Art der steuerbaren Stromquelle 10. Wenn der Ausgang der Quelle ein Gleichstromausgang ist, ist die Entkopplungseinrichtung zweckmäßigerweise ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler. Im Falle einer Quelle 10 mit einem Wechselstromausgang, könnte ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler verwendet werden. Im Wesentlichen erfüllt die Entkopplungswandlereinrichtung 12 eine Wandlerfunktion, und verkraftet einen breit schwankenden elektrischen Ausgangsbereich von der Quelle 10 und liefert daraus den Gleichstromzwischenausgang entsprechend Steuersignalen eines Mess- und Steuerkreises.
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In 1 bezeichnet das Bezugszeichen 16 den Mess- und Steuerkreis. Dieser Kreis kann einen Analog- oder Digitalkreis beinhalten und kann ohne weiteres mittels eines über entsprechende Software gesteuerten Mikroprozessors betrieben werden. Für die Zwecke der nachstehenden Beschreibung sei jedoch auf einen Mess- und Steuer”kreis” hingewiesen.
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Ein erster Spannungssensor 18 überwacht den Wert des Gleichstromzwischenausgangs VDC und schöpft daraus ein Spannungssignal V_1, das dem Mess- und Steuerkreis 16 zugeführt wird. Ein zweiter Spannungssensor 20 misst den Spannungsausgang der Quelle 10 und schöpft ein zweites Spannungssignal V_2, das dem Mess- und Steuerkreis 16 zugeführt wird. Zusätzlich misst ein Stromsensor 22 den Stromausgang der Quelle zum Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 12 und schöpft ein Stromsignal I_2, das auf den Mess- und Steuerkreis 16 aufgelegt wird. Der Kreis 16 wird außerdem jeweils mit Spannungs- und Strombezugssignalen V_ref2 und I_ref2 beaufschlagt.
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Der Ausgang V_1 des Spannungssensors wird auch auf einen Steuerkreis 24 aufgegeben, der eine Bezugsspannung V_ref1 aufgelegt bekommt und der ein elektrisches Ausgangssignal liefert, welches auf ein Steuersystem 26 der Quelle 10 aufgelegt wird. Je nach der Art der Quelle kann das Steuersystem 26 ein Kraftstoffeinspritzsteuerelement eines Verbrennungsmotors sein.
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Das Gerät gemäß 1 umfasst eine Energiespeichereinrichtung, allgemein angedeutet durch die Bezugszahl 28, welche an den Gleichstromzwischenausgang des Kreises angeschlossen ist. In einer einfachen Ausführung der Erfindung kann die Energiespeichereinrichtung 28 einen Kondensator umfassen, der auf einfache Weise parallel zum Gleichstromzwischenausgang angeschlossen ist, um eine kurzfristige Energiereserve zu liefern, falls die dem Gleichstromzwischenausgang zugeführte Last plötzlich schwankt. In komplizierteren Ausführungen (siehe unten) kann die Energiespeichereinrichtung 28 durch eine oder mehrere verschiedene Energiespeichereinrichtungen mit entsprechenden Steuersystemen ergänzt werden.
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Das Gerät gemäß 1 wird mit einer Spannungssteuerschleife betrieben, die so angeordnet ist, dass der Gleichstrom-Gleichstrom-Entkopplungswandler 12 die Spannung VDC des Gleichstromzwischenausgangs mit einer maximalen Spannung gemäß der Bezugsspannung V_ref2 wirksam steuert, so dass der Wert von VDC von der Steuerschleife entsprechend der Bezugsspannung, ohne Rücksicht auf eine schwankende Eingangsspannung aus der Quelle 10, geregelt wird.
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Gleichzeitig regelt der Wandler 12 in dieser Betriebsweise den Strom, welcher entsprechend des Bezugsstromes I_ref2 durchgelassen wird, damit die Quelle 10 optimal belastet wird. Zum Beispiel im Falle einer Motor/Generatoreinheit wird der Motor, falls der Motor/Generator im Rahmen seines veränderlichen Drehzahlbereiches betrieben wird, entsprechend einer gewünschten Kurve belastet, welche wenigstens annähernd einer optimalen Kraft-/Drehzahlbeziehung des Motors entspricht. Sollte der Lastkraftbedarf plötzlich ansteigen, verhindert die vom Wandler 12 angelegte Stromsteuerung, dass der erhöhte Strombedarf durch eine Erhöhung des aus der Quelle entnommenen Stroms erfüllt wird. Dies bedeutet in der Praxis, dass der Gleichstromzwischenausgang einen Kraftverlust empfindet, wodurch die Last Energie unmittelbar aus dem Energiespeichergerät 28 entzieht, welches den Gleichstromzwischenausgang ergänzt. Beim Energieentzug aus dieser Einrichtung sinkt die Ausgangsleistung dieser Einrichtung und somit die Spannung VDC aus dem Gleichstromzwischenausgang.
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Sobald die Größe VDC, gemessen vom ersten Spannungssensor 18, unterhalb eine erste Spannungsschwelle fällt, wird die entsprechend auf die Steuerschleife 24 und das Steuersystem 26 angelegte Spannung V_1 dafür sorgen, dass die Quelle 10 ihre Kraftlieferung erhöht. Im Falle eines Motor/Generators wird das Steuersystem 26 die Motordrehzahl erhöhen, woraus sich eine entsprechende Erhöhung des Spannungsausgangs am Generator ergibt. Diese Spannungserhöhung erhöht die Stromzufuhr zum Wandler 12 und befähigt dadurch den Wandler, mehr Strom an den Gleichstromzwischenausgang zu liefern, ohne den von der Bezugsgröße I_ref2 vorgegebenen Ausgangsstrom zu überschreiten. Die Quelle 10 genügt somit der Last und lädt die Energiespeicherungseinrichtung 28 wieder auf. Die Spannung VDC des Gleichstromzwischenausgangs steigt bis diese wieder auf den Spannungsschwellwert angehoben ist, der vom Spannungsbezugssignal V_ref1 vorgegeben wird, und sich die Quelle 10 auf die neue höhere Ausgangsleistung einspielt.
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Sobald sich der Lastkraftbedarf verringert, wird das Gleichgewicht zwischen der Quelle und der Last wieder gestört. In dem Fall steigt die Spannung VDC an und die Spannungs-/Drehzahlsteuerschleife wird aktiv zur Verringerung der Ausgangsleistung der Quelle (z. B. die Motordrehzahl im Falle einer Motor/Generatoreinheit), Verringerung der Ausgangsleistung und Spannung der Quelle, wodurch es dem Wandler 12 ermöglicht wird, seine Ausgangsspannung zurück auf den Nennwert zu reduzieren.
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In der oben beschriebenen Betriebsweise wird eine Art Stromsteuerung in Kombination mit dem Hauptspannungssteuerungssystem verwendet. Durch Steuerung oder Beschränkung des der Quelle entzogenen Stromes wird verursacht, dass die Spannung VDC des Gleichstromzwischenausgangs sich mit Änderungen im Lastbedarf ändert innerhalb eines festgelegten über den Wandler 12 und seines Steuerkreises 16 gestatteten Spannungsvariationsbereiches. Die Größe dieses Bereiches wird in der Praxis, u. a. durch die Wirkungsparameter des Lastwandlers 14 bestimmt, sowie die Energiespeicherkapazität des Energiespeichergerätes 28 und die dynamische Wechselwirkung der elektrischen Quelle 10 mit ihrem Steuersystem 26.
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Das Gerät gemäß 2 ist im Wesentlichen ähnlich wie das der 1, abgesehen davon, dass das verwendete Steuersystem im Wesentlichen ein Stromsteuersystem ist anstelle eines Spannungssteuersystems. Gemäß dem Stromsteuersystem bewirkt der Wandler 12 eine Steuerung der Spannung VDC des Gleichstromzwischenausganges entsprechend einer Bezugsspannung V_ref2, so dass der Wert von VDC im Wesentlichen konstant gehalten wird, unabhängig von Variationen in der Eingangsspannung zum Wandler 12.
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Erhöht sich der Laststrombedarf (das Produkt der Gleichstromspannung und des Gleichstrom-Stromes am Gleichstromzwischenausgang) muss sich der Strom im Wandler und somit der der Quelle 10 zugeführte Strom ebenso erhöhen, da VDC so gesteuert wird, dass sie im Wesentlichen konstant bleibt. Der Wandler 12 gestattet es dem Strom, zuzunehmen oder abzunehmen, je nach dem Laststrombedarf innerhalb der Grenzen für sicheren Betrieb.
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Wenn sich die Größe der Last erhöht, und da die Größe von VDC im Wesentlichen konstant gehalten wird, versucht der Wandler 12, den Lastbedarf durch mehr Strom aus der Quelle 10 zu erfüllen. Der Stromsensor 22 fühlt diese Zunahme und schafft ein Ausgangssignal I_2, welches sowohl dem Mess- und Steuerkreis 16 als auch der Steuerschleife 24 zugeführt wird. Über das Steuersystem 26 steuert die Steuerschleife 24 den Ausgang der Quelle 10 zur Erhöhung ihrer Kraftlieferung. Zum Beispiel, im Falle einer Motor/Generatoreinheit wird die Motordrehzahl und dadurch die Ausgangsspannung und Ausgangsleistung des Generators erhöht. Die Zunahme an Ausgangsspannung der Quelle verursacht, dass der Wandler 12 sein Spannungsumformungsverhältnis verringert. Beim Anstieg der Eingangsspannung wird der Eingangsstrom des Wandlers 12 verringert, bis dieser auf die Stromschwelle zurückgebracht ist, die vom Strombezugssignal I_ref2 bestimmt wird und die Quelle 10 sich bei ihrer neuen Ausgangsleistung stabilisiert (im Falle eines Motors/Generators stellt sich der Motor auf seine neue, höhere Drehzahl ein).
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Wenn umgekehrt der Laststrombedarf zurückgeht, verlangt der Wandler 12 weniger Strom aus der Quelle. Wenn der Stromwert unterhalb des vorgegebenen Schwellenwertes I_ref2 zurückgeht, wird die Kraftlieferung der Quelle reduziert (z. B. die Motordrehzahl einer Motor/Generatoreinheit wird verringert). Die entsprechende Verringerung in der Quellenausgangsspannung verursacht dann, dass der Stromentzug aus der Quelle erhöht wird. Wenn der Strom auf den vom Bezugsstrom I_ref2 bestimmten Wert zurückgebracht ist, stabilisiert sich die Quelle bei ihrer neuen Kraftlieferung (z. B. die Drehzahl des Motors in einer Motor/Generatoreinheit stabilisiert sich bei ihrer neuen, niedrigeren Drehzahl).
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In dieser Betriebsweise wird die Quelle durch den Wandler 12 geschützt, der den maximal aus der Quelle entziehbaren Strom beschränkt. Falls der Strom aus der Quelle auf einen Wert steigt, der als optimal betrachtet wird (z. B. wenn der Ausgangsstrom einer Motor/Generatoreinheit einen Wert erreicht, der dem optimalen Ausgangsdrehmoment des Motors entspricht) kann die mit Bezug auf das Spannungssteuerungssystem beschriebene Strom begrenzungsfunktion in Betrieb gebracht werden. Bei weiteren Lastenbedarfszunahmen erfährt der Gleichstromzwischenausgang eine Kraftdrosselung, woraus sich ein entsprechender Rückgang in der Ausgangsspannung VDC des Gleichstromzwischenausgangs ergibt.
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In beiden oben beschriebenen Steuersystemen erweist sich die Verwendung des Entkopplungswandlers 12 als äußerst wichtig, da dieser die Verwendung von veränderlichen elektrischen Energiequellen mit ganz unterschiedlichen Eigenarten ermöglicht.
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Zahlreiche Varianten und Abänderungen des oben beschriebenen basischen Gerätes sind möglich.
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Zum Beispiel ist es möglich, zwei oder mehr zusätzliche Energiequellen anstelle der Energiespeichereinrichtung 28 zu verwenden, um damit ein System zu schaffen, welches wirksamer sowohl auf kurze wie auf langfristige Spitzenlasten reagiert (siehe unten). In einigen anderen Fällen kann zusätzliche Energiespeicherung ausgeschlossen werden. Stattdessen lässt sich ein Belastungsvoraussagekreis einführen, um hohe Stoßströme oder große Belastungsstufen zu bewältigen. In 3 wird ein Gerät gezeigt, das im Wesentlichen dem der 1 entspricht, worin die interne Last 14 einen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler besitzt, (also einen Wechselrichter), der dazu eingerichtet ist, einen elektrischen Wechselstromausgang einer Hauptlast 30 zuzuführen. Außerdem wird eine zweite schwere Zusatzlast 32 berücksichtigt, von der zu erwarten ist, dass sie eine vorübergehende oder zeitweilige Überbelastungssituation im Betrieb verursacht. Diese Last wird vom Wechselrichter 14 über einen Schnittstellenkreis 34 und einen Stromsensor 36 geliefert, der einem Steuerelement 38 ein Ausgangsstromsignal I_4 zuführt, entsprechend der Größe des Laststromes. Das Steuerelement 38 steuert den Betrieb des Zwischenkreises 34.
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Beim Feststellen einer Last schneidet der Schnittstellenkreis 34 schnell die Last vom Wechselrichter 14 ab oder verringert die Frequenz und/oder die Spannung des Ausganges zur Last hin. Das Steuerelement 38 bewirkt ein Ausgangssignal Va2x, welches die Steuerschleife 24 beaufschlagt und verursacht, dass die Quelle 10 eine maximale Ausgangskraft liefert (im Falle einer Motor/Generatoreinheit wird der Motor auf eine maximale Drehzahl beschleunigt). Eine momentane Unterbelastungssituation tritt ein und die auf normale Last anpassende Leistungssteuerschleife wird momentan umgangen. Falls das Schnittstellensteuerelement 38 vom Ausgang V_2 des zweiten Spannungssensors 20 ableitet, dass der Ausgang der Quelle 10 sein Maximum erreicht hat, liefert das Steuerelement 38 ein Steuersignal V_ali an die Schnittstelle 34 und verbindet dadurch die Zusatzlast 32 mit dem Wechselrichter 14 gemäß vorbestimmten Eigenarten der Schnittstelle (z. B. An/Abschaltung, veränderbare Spannung/Frequenz oder Soft-Start). Nach der vorübergehenden Umgehung übernimmt das normale Lastanpassungssteuersystem wieder den Betrieb und der Kraftausgang der Quelle 10 wird stabilisiert, so dass deren Ausgangskraft und der gesamte Lastbedarf wieder ausgeglichen sind.
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Um ein Beispiel zu nennen, wenn die Zusatzlast ein Gleichstrom-Nebenschlussmotor ist, dann legt die Schnittstelle eine Spannung an die Nebenschlusswindung an und lässt dann die Spannung am Ankerkreis ansteigen bis zum Betriebsnennwert. Handelt es sich bei der Zusatzlast um einen Wechselstrommotor, kann die Schnittstelle entweder die aufgelegte Spannung reduzieren wie in einem Soft-Startkreis oder die Spannungs- und Frequenzproportionalität verringern wie in einem verstellbaren Drehzahlantrieb (ASD). Die Zusatzlast kann auch einfach abgeschnitten und wieder verbunden werden, wenn die Quelle ihr maximales Leistungsniveau erreicht hat.
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4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie die gemäß 3 (identische Teile wurden weggelassen, um Wiederholung zu vermeiden), mit der Ausnahme, dass die innere Last 14 ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler ist, der eine Hauptgleichstromlast 40 liefert. Eine Zusatzlast 42 (Gleichstrom oder Wechselstrom) wird über eine Schnittstelle 44 und den Stromsensor 36 unmittelbar vom Gleichstromzwischenausgang des Gerätes geliefert.
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5 zeigt eine Variante des Gerätes, die im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß 1 entspricht, aber in welcher eine zweite zusätzliche Energiespeichereinrichtung 46 vorgesehen ist. In dieser Anordnung besitzen die Energiespeichereinrichtungen 28 und 46 normalerweise einen oder mehr Kondensatoren oder Ultrakondensatoren. Stattdessen, insbesondere im Fall der zweiten Energiespeichereinrichtung 46, wo die Lastenzyklen weniger anspruchsvoll sind, kann eine Batterie oder andere Einrichtung wie ein Schwungradmotor/Generator angewandt werden. Der/die Kondensator(en) 46 ist/sind mit dem Gleichstromzwischenausgang über einen zweiten Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 48 verbunden, der einen eigenen Mess- und Steuerkreis 50 besitzt. Der Steuerkreis 50 wird mit dem Ausgang V_1 des ersten Spannungssensors 18 beaufschlagt, entsprechend der Größe von VDC als auch einer Ausgangsspannung V_3 eines dritten Spannungssensors 52, entsprechend der Anschlussspannung der Energiespeichereinrichtung 46 und einem Ausgang I_3 eines Stromsensors 54, entsprechend der Größe des Stroms zwischen der zusätzlichen Energiespeichereinrichtung und dem Wandler 48.
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Der Mess- und Steuerkreis 50 ist so angeordnet, dass er den Wandler 48 ansteuert, um Energie aus der ersten Energiespeichereinrichtung 46 in den Gleichstromzwischenausgang zu speisen, wenn der Wert von VDC unter einen zweiten Schwellwert sinkt, der um etwas geringer ist als der erste Schwellwert, der von der Bezugsspannung V_ref1 bestimmt wird. Somit fällt im Falle einer starken Zunahme im Kraftbedarf der Last der Wert von VDC unter den zweiten Schwellwert und wird zusätzliche Energie aus den Kondensatoren 46 an die Last weitergegeben, im Wesentlichen parallel zur Energiezufuhr seitens der Kondensatoren 28 und des Hauptentkopplungswandlers 12.
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Um auch solchen Kondensatoren zu genügen, die veränderliche Spannungseinrichtungen sind (d. h. die Kontaktspannung eines Kondensators ändert sich gemäß seinem Ladezustand), kann der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 48 sowohl als aufwärts oder abwärts regelbarer Wandler je nach Bedarf betrieben werden (abhängig von der Betriebsspannung der Kondensatoren), so dass er den Gleichstromzwischenausgang mit einer Spannung beschickt, deren Nennwert VDC entspricht. Diese Anordnung ermöglicht es, zusätzliche Energiequellen mit erheblich unterschiedlichen Charakteristiken (z. B. höhere oder niedrigere Betriebsspannungen) parallel zu verwenden.
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Die in 6 gezeigte Anordnung ist ähnlich wie die gemäß 5, aber mit einer dritten Reserveenergiespeichereinrichtung in der Form einer Batterie 56. In diesem Fall sind die Energiespeichereinrichtungen 28 und 46 beide Ansammlungen von Kondensatoren. In dieser Anordnung ist die Batterie 56 so angeordnet, dass sie aus einer Energiequelle 58, die von der Hauptquelle 10 gespeist werden könnte, geladen wird oder die zum Beispiel eine Zusatzstromquelle sein könnte, eine Solarzellenplatte oder eine andere Energiequelle. Der Ausgang der Quelle 58 wird einem Wandler 60 zugeführt, dessen Kenndaten von der Art der Quelle 58 bestimmt werden. Der Ausgang des Wandlers 60 wird über einen Stromsensor 62 der Batterie 56 zugeführt, und seine Betriebsweise wird von einem Mess- und Steuerkreis 64 bestimmt, der auf den Ausgang des Stromsensors 62, einen Spannungssensor 66 und ein Strom- und Spannungsbezugssignal V_ref4 und I_ref4 reagiert.
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Die Batterie 56 ist über einen Schnittstellenkreis 68 mit dem Eingang des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 48 verbunden, wobei dieser Verbindungspunkt, der durch den Wandler 48 vom Hauptgleichstromzwischenausgang isoliert oder entkoppelt ist, die Rolle eines zweiten Gleichstromzwischenausgangs des Gerätes spielt.
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Man sieht also, dass die oben beschriebene Ausführungsform der Erfindung mit mehrfach steuerbaren elektrischen Quellen ein Hybridgeneratorsystem darstellt, welches eine Last oder mehrere Lasten aus zwei oder mehreren verschiedenen Quellen beliefern kann, je nach dem festgelegten Steuersystem. Somit schafft die vorliegende Erfindung große Flexibilität im Aufbau von Hybridgeneratorsystemen für bestimmte Anwendungen.
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In der gezeigten Darstellung entlädt die erste Energiespeichereinrichtung 28 in die Last 14, wenn der Wert von VDC wegen eines erhöhten Lastbedarfs absinkt. Wenn der Wert von VDC weiter unterhalb eines ersten Spannungsschwellenwertes sinkt, wird die Leistungsteuerschleife aktiviert wie bereits oben zu 1 beschrieben wurde. Die zweite Energiespeichereinrichtung 46 entlädt Energie in den Gleichstromzwischenausgang, wenn der Wert von VDC unterhalb eines zweiten Spannungsschwellenwertes absinkt, der niedriger ist als der erste Schwellenwert. Die dritte Energiequelle (die Reservebatterie 56) entlädt, wenn die Spannung V_3, gemessen am Ausgang der zweiten Energiespeichereinrichtung 46, unter die Kontaktspannung der Batterie 56 absinkt.
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Obwohl die Batterie 56 so angeordnet sein könnte, dass sie den Gleichstromzwischenausgang mit Strom beliefert, sobald der Wert von VDC unterhalb eines dritten Schwellenwertes gefallen ist, der unter dem zweiten Schwellenwert liegt, ist es wichtig zu berücksichtigen, dass der Steuerkreis für die Reservebatterie darauf eingestellt werden kann, an einem beliebigen Punkt Strom über die Schnittstelle 68 zu liefern, ohne Rücksicht auf den ersten und zweiten festgelegten Schwellenwert. Diese Flexibilität ist ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung.
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In der Anordnung gemäß 6 ist die Batterie 56 normalerweise dazu da, die Last im Vergleich zu den Kondensatoransammlungen 28 und 46 verhältnismäßig selten zu beliefern. Dies ist wünschenswert, da der Einsatzzyklus der Batterie dann drastisch reduziert wird, während Kondensatoren eine sehr viel größere Anzahl von Lade/Entladezyklen im Vergleich zu Batterien aushalten können. Somit verleiht diese Anordnung dem Gerät erhebliche Flexibilität und Reserveenergiekapazität und fördert gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Lebenserwartung des Systems.
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Anstelle von Kondensatoren oder einer Batterie können auch andere Arten von Energiespeichereinrichtungen wie eine Schwungradmotor/generatoranordnung verwendet werden. Der wichtige Maßstab, abgesehen von der Verwendung entsprechender Schnittstellen, ist die Anpassung der Art der gewählten Energiespeichereinrichtung an sowohl die vorübergehenden als auch die langfristigen Energieerfordernisse, die von den zusätzlichen Speichereinrichtungen erfüllt werden müssen.
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Gemäß 7a wird jetzt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung in größeren Einzelheiten gezeigt. Diese Ausführung verwendet einen Motor/Generator als steuerbare elektrische Stromquelle 10. Der im Prototyp verwendete Motor 70 war ein Dieselmotor mit Kraftstoffeinspritzung während der Generator 72 ein Drehstromgenerator mit Dauermagneten war. Der Motor wird von einer Kraftstoffeinspritzsteuereinrichtung 74 gesteuert, welche auf elektrische Steuersignale eines Motordrehzahlsteuerkreises 76 anspricht. Der Wechselstromausgang des Generators 72 wird auf einen Drehstromgleichrichterkreis 78 aufgelegt und von dort auf einen LC Filter 80 ehe er den Eingang eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 82 (entsprechend dem Entkopplungswandler 12 der vorigen Figuren) erreicht. Der Wandler wird als Aufwärtszerhacker betrieben. Der Ausgang des Generators 72 unterliegt sowohl hinsichtlich Spannung als auch Frequenz Veränderungen entsprechend der Drehzahl des Motors 70, und der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 82 wandelt diese variable Ausgangsspannung um in den Gleichstromzwischenausgang, der zur Kraftversorgung der internen Last 14 (normalerweise ein Inverter) dient und der seinerseits eine externe Last 84 mit Kraft versorgt. Wie bereits oben beschrieben wurde, bewirkt der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 82 die Entkopplung oder Isolierung des Generator/Gleichrichterausgangs, der seinerseits je nach der Drehzahl des Motors 70 erheblich von dem Gleichstromzwischenausgang abweicht.
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Der Steuerkreis des Gerätes schließt einen Spannungssteuerkreis 86 ein, der mit einer Hauptbezugseingangsspannung Vr10v aus einem Bezugsspannungsfunktionsgenerator 88 beschickt wird und eine zweite Eingangsspannung Va8 aus einem Spannungssensor 90, dessen Wert der Spannung VDC entspricht (d. h. der Spannung am Gleichstromzwischenausgang). Der Wert von Va8 gibt die Variationen des Wertes von VDC wieder, die auf die Variationen in der Größe der angewandten Last zurückzuführen sind. Der Spannungssteuerkreis 86 wirkt im Grunde genommen als Regler, der die gemessenen Werte von VDC mit der Hauptbezugsspannung Vr10v vergleicht. Im Falle von Betriebsbedingungen mit geringer Last entsprechend geringer Betriebsdrehzahl des Motors/Generators ist der Spannungsabfall im Lastwandler 14 geringer und die Hauptbezugseingangsspannung Vr10v wird vom Funktionsgenerator 88 verringert, wodurch der Wirkungsgrad des Gerätes unter Teillast verbessert wird.
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Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 82 hat einen Strom/Spannungswandlersteuerkreis 92, der auch den Ausgang Va8 des Spannungssensors 90 empfängt als auch ein Bezugsstromsignal Vr9i aus einem Bezugsstromfunktionsgenerator 94 und ein Spannungsbezugssignal Vr9v. Außerdem wird die Strom/Spannungssteuerung 92 mit einem Eingangssignal Va5 beschickt, welches von der Größe des vom Gleichrichter 80 an den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 82 gelieferten Stroms abhängt. Der Spannungssteuerkreis 86 generiert ein Bezugsdrehzahlsignal Vr11, abhängig von der gemessenen Variation von VDC, welche dem Motordrehzahlsteuergerät 76 zugeführt wird, gemeinsam mit einem Ausgangssignal Va2 des Drehzahlsensors 96. Die Drehzahlsteuerung 76 generiert ein Ausgangssignal Vr12, welches auf die Kraftstoffeinspritzsteuerung 74 aufgetragen wird, um die Drehzahl des Motors 70 zu beeinflussen.
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Das Drehzahlsignal Va2 wird auch dem Bezugsstromfunktionsgenerator 94 zugeleitet, der das Bezugsstromsignal Vr9i als eine Funktion der Drehzahl steuert, entsprechend den Drehmoment-/Drehzahlkennwerten des Motors. In Festmagnetgeneratoren, wenn die Ausgangsspannung sich linear mit der Drehzahl ändert, entspricht der Generatorstrom dem Motordrehmoment. In Folge dessen steuert die Strom/Spannungsteuerung 92 den Wandler 82, wodurch dieser die Belastung des Motors 70 entsprechend seiner Drehmoment-/Drehzahlkenndaten anpasst und dadurch seine Leistung über einen breiten Bereich sich ändernder Lasten optimiert.
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Wird die Größe der Last 84 erhöht und das Spannungssignal Va8 erhält dadurch einen Wert, der geringer ist als die Bezugsspannung Vr10v, der Drehzahlschwellwert, erhöht der Spannungssteuerkreis 86 den Wert des Ausgangssignals Vr11, so dass die Motordrehzahl erhöht wird. Die Strom-/Spannungssteuerung 92 passt den Betrieb des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 82 so an, dass der Ausgangsstrom des Generators dem vom Bezugsstromsignal Vr9i festgelegten Wert entspricht. Da jedoch die Generatorspannung und somit die Eingangskraft zum Wandler 82 mit der Drehzahl ansteigt, verursacht die dem Gleichstromzwischenausgang entsprechende zugelieferte Kraftzufuhr eine Erhöhung des Wertes von VDC. Stabilität tritt ein, wenn der Wert von Va8 dem von Vr10v entspricht. Wenn umgekehrt das Spannungssignal Va8 (entsprechend der Variation im Wert von VDC) größer ist als die Bezugsspannung Vr10v, verringert sich die Motordrehzahl. Falls der Motor seine Mindestbetriebsdrehzahl erreicht und der Wert von VDC immer noch größer bleibt als das Bezugsspannungssignal Vr9v (dessen Größe geringfügig größer ist als Vr10v), betreibt die Strom-/Spannungssteuerung 92 den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 82 zur Verringerung seiner Ausgangsleistung, so dass das Stromsignal Va5 vermindert wird bis der Wert von VDC gleich dem der Bezugsspannung Vr9v ist.
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Zusätzlich zur primären Energiespeichereinrichtung (Kondensator) 28, besitzt das Gerät zusätzliche Energiespeichereinrichtungen mit einem Kondensator C3 und einer Batterie BAT. Die Batterie ist vom Kondensator durch eine Diode D6 isoliert und bildet somit eine Hybridbatterie parallel zum Kondensator. Die Batteriespannung Vbat ist erheblich geringer als die Kondensatorspannung Vc3, so dass der Kondensator C3 beim Entladen die Last mit einer erheblichen Kraft beliefern kann, wobei die Kontaktspannung von einem verhältnismäßig hohen, voll geladenen Spannungswert absinkt auf einen Wert, der schließlich die Kontaktspannung Vbat der Batterie erreicht. Wenn die Kondensatorkontaktspannung gleich dem Wert von Vbat ist, übernimmt die Batterie die Kraftlieferungsfunktion indem sie Energie durch die Diode D6 über einen Lade-/Entladewandler 98 an den Gleichstromzwischenausgang liefert.
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Der Lade-/Entladewandler 98 besitzt ein Transistorenpaar T2 und T3, zusätzlich zu den Dioden D2 und D3 und einer Drosselspule L3. Der Transistor T3 und die Diode D3 werden über einen Laderegler 100 gesteuert und wirken gemeinsam mit der Drosselspule L3 als Abstiegszerhacker zum Laden des Kondensators C3 aus dem Gleichstromzwischenausgang. Der Transistor T2 und die Diode D2 werden von einem Entladeregler 102 gesteuert und wirken als Aufstiegszerhacker gemeinsam mit der Drosselspule L3 zur Regelung des Entladens des Kondensators C3 in den Gleichstromzwischenausgang. Die Reservebatterie BAT entlädt ebenfalls in den Gleichstromzwischenausgang über den Aufstiegzerhacker mit dem Transistor T2, der Diode D2 und der Drosselspule L3.
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Der Entladeregler 102 wirkt entsprechend dem Wert der vorgegebenen Spannungsschwellen des Gleichstromzwischenausgangs und dem entsprechenden Entladungsstromrückkopplungssignal Ises, das, wie oben beschrieben, von einem Stromsensor 118 geliefert wird.
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Der Laderegler 100 spricht auf ein Ladeermöglichungssignal V21 einer Vergleichsschaltung 119 an, wenn das Gleichstromzwischenausgangsspannungssignal Va8 die Ladeermöglichungsbezugsspannung Vr19vb überschreitet, die geringfügig höher ist als Vr18v. Er funktioniert u. a. entsprechend dem Ausgang eines Kondensatorbezugsstromfunktionsgeneratorkreises 104, welcher das Bezugsstromsignal als eine Funktion des vom Drehzahlsensor 96 gelieferten Drehzahlrückkopplungssignals Va2 ändert, um das Laden des Kondensators C3 entsprechend der Motordrehzahl und verfügbaren Kraft zu optimieren.
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Wegen des Vorhandenseins der Sperrdiode D5 kann die Reservebatterie BAT über den Lade-/Entladewandler 98 nur entladen (und nicht geladen) werden. Deshalb ist zum Laden der Batterie ein zusätzlicher Ladewandler 106 vorgesehen, mit einem Transistor T4, einer Diode D4 und einer Drosselspule L4. Der Wandler 106 wird von einem Laderegler 108 gesteuert und wirkt als Abstiegszerhacker zum Laden der Batterie gemäß eines von einer Batteriespannungsüberwachungseinrichtung 110 gelieferten Rückkopplungsbatteriespannungssignals Vbat, eines Rückkopplungsbatteriestromsignals Ibat, eines Batteriespannungsbezugssignals Vbat_ref und eines Ladestrombezugssignals Ibat.ref. Diese letzteren Bezugssignale werden von Batteriebezugsspannungs- und Batteriebezugsstromfunktionsgeneratoren 112 bzw. 114 geliefert. Ein Filter mit einem Kondensator C5 und einem Induktor L5 glättet den Ausgang des Ladewandlers 106, um Beschädigung der Batterie infolge hoher Kräuselspannungen und -ströme zu vermeiden.
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Der Batteriebezugsspannungsfunktionsgenerator 112 ändert das Batteriebezugsspannungssignal Vbat.ref je nach der Batterietemperatur, um Gasabgabe beim Laden zu vermeiden. Der Batteriebezugsstromfunktionsgenerator ändert das Batteriebezugsstromsignal Ibat.ref je nach dem Drehzahlrückkopplungssignal Va2 zur Optimierung des Batterieladevorgangs entsprechend der verfügbaren Kraft.
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Im gezeigten Beispiel wird die Energie für den Batterieladewandler 106 vom Gleichstromzwischenausgang geliefert, doch ist es klar, dass eine unabhängige Kraftquelle zum Laden der Batterie BAT, zum Beispiel Solarpaneele, verwendet werden könnte.
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Da die Steuerkreise des Lade-/Entladewandlers 98 praktisch augenblicklich beim Feststellen eines Rückganges des Wertes VDC wegen einer plötzlichen Zunahme in der Größe der Last (d. h. einer vorübergehenden Überbelastungssituation) betrieben werden können, ist es nicht notwendig, den Motor 70 bei unwirtschaftlich hohen Drehzahlen zu fahren, um solchen Anforderungen gerecht zu werden. Stattdessen können die zusätzlichen Energiequellen genügend Energie liefern, um der Spitzenlastanforderung zu genügen bis die Motordrehzahl genügend hoch gefahren werden kann, um die volle Last zu liefern. Somit bietet die beschriebene Ausführungsform der Erfindung in der Praxis eine schnell wirksame, kurzfristige Energiequelle, die parallel zum variablen Drehzahl-/variablen Leistungsgeneratorgerät wirksam wird.
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7b zeigt die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Bezugsspannungen und Betriebsschwellwertspannungen im Schaltbild gemäß 7a. Falls die Spannung VDC des Gleichstromzwischenausganges entsprechend dem Signal Va8 des Spannungssensors 90 unter die zweite Schwellwertspannung Vr18v absinkt, pumpt der Wandler 98 Strom aus dem Kondensator C3 in den Gleichstromzwischenausgang hinein, um dessen Wert auf dem zweiten Spannungsschwellwert Vr18v zu halten, ohne Rücksicht auf die fallende Kontaktspannung des Kondensators C3. Diese Kontaktspannung Vses ist die Eingangsspannung eines Spannungsüberwachers 116, der dem Laderegler 100 eine Ausgangsspannung liefert. Der Kondensatorentladestrom Ises wird über den Stromsensor 118 erhalten und wird ebenfalls dem Laderegler 100 sowie dem Entladeregler 102 zugeführt.
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Der Entladeregler 102 beschränkt den Entladestrom entsprechend einem Bezugsstromwert Vr18i, um den Wandler 98 gegen Überbelastung und den Kondensator C3 und die Batterie BAT gegen übermäßige Entladegeschwindigkeiten zu schützen.
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Ein Entladen über den Wandler 98 wird vom Entladeregler 102 vereitelt, falls die Spannung Vses des Kondensators C3 unter einen dritten Schwellwert auf einen Wert absinkt, der einen schlechten Ladestand der Batterie BAT andeutet. Die Batterieschutzeinrichtung wird der Einfachheit halber in 7a nicht gezeigt. Es gibt dort jedoch keine unmittelbare Steuerung des Entladens der Batterie BAT. Falls die Kontaktspannung des Kondensators C3 unter die der Reservebatterie BAT sinkt, wird Strom aus der Batterie über die Diode D5 an den Kondensator C3 weitergeleitet und von dort über den Wandler 98 an den Gleichstromzwischenausgang. Wegen des Spannungsabfalls über die Diode D5 hinweg, wird die Spannung über den Kondensator C3 beim dritten Schwellwert, unterhalb des zweiten Schwellwertes, stabilisiert. Dieser Spannungspegel hängt ab von der Entladespannungskennzahl der Reservebatterie, wenn diese vom Kondensator C3 die Kraftlieferungsfunktion übernimmt.
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Obwohl man herkömmlicherweise annehmen würde, dass die Anbringung eines Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers zwischen dem Ausgang eines Generators und einer Last den Wirkungsgrad des Gerätes verringern würde, da der Wirkungsgrad des Wandlers geringer ist als 100%, wird trotzdem eine vorteilhafte Wirkung erzielt. Die Zwischenschaltung des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers zwischen den Generator/Gleichrichter und die Last bewirkt eine ”Entkopplung” oder Isolierung des Generatorausganges vom Gleichstromzwischenausgang des Systems, wodurch das System in die Lage versetzt wird, in einem sehr viel größeren Bereich von Motor-/Generatordrehzahlen bei trotzdem gutem Wirkungsgrad betrieben zu werden. Dadurch kann das erfindungsgemäße Gerät selbst unter geringer Last effizient betrieben werden im Vergleich zu Systemen gemäß Stand der Technik, die mit dem Motor/Generator bei geringer Last nicht effizient wirksam arbeiten können und stattdessen für diesen Zweck eine Batterie verwenden müssen. Der Kostenaufwand, der sich aus den Verlusten des Wandlers ergibt, ist vernachlässigbar im Vergleich zum erhöhten Kraftstoffwirkungsgrad und dem elektrischen Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Gerätes.
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Die 8a bis 8c und 9a bis 9c sind graphische Darstellungen, die das Wirkungsprinzip des Drehzahl-/Leistungssteuerungssystems gemäß 7 illustrieren.
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Gemäß 8a wird die Generatorausgangsleistung als Funktion der Motordrehzahl dargestellt. ”A” ist der Mindestdrehzahlbetriebspunkt und ”B” der maximale Drehzahlbetriebspunkt. Sowohl A als auch B sind Betriebspunkte bei konstanter Betriebsdrehzahl. Zwischen den Punkten A und B wird der Motor mit variabler Drehzahl betrieben. Die obere (gestrichelte) Linie zeigt die maximale Leistungs-/Drehzahlkennzahl des Motors und die untere Linie zeigt die gewünschte Lastkraftkurve, die immer unterhalb der maximalen Leistungskurve des Motors liegt, damit es in jedem gegebenen Augenblick Kraftreserven zur Beschleunigung gibt.
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Beim Punkt für Mindestdrehzahlbetrieb (A) lässt man die Lastkraft bis Punkt 1 steigen (siehe 8a). Beim weiteren Anstieg der Last lässt man den Motor beschleunigen, bis dieser seine maximale Betriebsdrehzahl bei Punkt 2 erreicht. Bei dieser konstanten Drehzahlbetriebsweise lässt man die Belastungskraft zunehmen bis die maximale Motorleistung (3) erreicht ist.
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Die Verwendung des steuerbaren Entkopplungswandlers zwischen dem Generator und dem Gleichstromzwischenausgang des Systems schafft die Möglichkeit, die Belastung des Motors im variablen Drehzahlbereich zwischen den Punkten 1 und 2 gemäß der gewünschten Kurve zu steuern, einschließlich der Grenzen an den Mindest- und Höchstdrehzahlbetriebspunkten A und B. Die Steuerung wird erreicht indem man den dem Generator entzogenen Strom gemäß einer gewünschten Bezugsstromkennzahlkurve bestimmt. 8c zeigt die im Wesentlichen lineare Spannungs-/Drehzahlkennlinie für einen Dauermagnetgenerator. Wenn man voraussetzt, dass die Generator-Lastkraft vom Produkt der gleichgerichteten Gleichstromspannung des Generators und dem Gleichstrom-Stromaustritt dargestellt wird, ergibt sich, dass bei der gegebenen Spannungskennkurve die Bezugsstromkurve berechnet werden kann, um eine Lastkraft zu ergeben, die der gewünschten Kraftkurve zwischen den Punkten 1 und 2 in 8a entspricht.
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In 8b stellt die obere Linie den Strom dar, welcher, wenn man ihn mit der in 8c angegebenen Spannung multipliziert, die maximale Kraftkennlinie des Motors ergibt, dargestellt durch die obere Linie in 8a. Der Strom ist dem Drehmoment des Motors proportional. In ähnlicher Weise stellt die untere Linie in 8b den Strom dar, der erforderlich ist, die Lastkraftkennlinie gemäß der unteren Kurve in 8a zu ergeben. Man sieht, wie man bei Mindestbetriebsdrehzahl den Generatorstrom bis Punkt 1 ansteigen lässt. Zwischen den Punkten 1 und 2 wird der Generatorstrom so gesteuert, dass sich die gewünschte Kraftkennlinie ergibt. Bei maximaler konstanter Betriebsdrehzahl bei Punkt B lässt man den Strom wieder ansteigen bis Punkt 3, welcher zusammen mit der entsprechenden Spannung in 8c die maximale Kraftausbeute des Motors (entsprechend Punkt 3 in 8a) ergibt.
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Die 9a bis 9c zeigen jeweils die Spannung, den Strom und die Drehzahl des Generators als Funktion der Lastkraft. Die Kurven gemäß 9a und 9c sind sich ähnlich wegen der linearen Spannungs-/Drehzahlkennlinien für einen Dauermagnetgenerator. Im konstanten Drehzahlbetrieb bleibt die Spannung konstant. Bei zunehmender Belastung und wenn diese den Wert am Punkt A überschreitet, steigt die Motordrehzahl zwischen Punkt 1 und 2, so dass der Motor die erhöhte Last bewältigen kann. Punkt B stellt die maximale konstante Drehzahl dar, so dass Drehzahl und Spannung zwischen den Punkten 2 und 3 konstant bleiben.
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In 9b wird der Generatorausgangsstrom abgebildet, der für die benötigte Drehzahl-/Lastkraftkurven erforderlich ist. Man lässt den Laststrom linear bis Punkt 1 ansteigen. Zwischen den Punkten 1 und 2 wird der Strom in der gezeigten Weise gesteuert, so dass die gewünschte Drehzahl-/Kraftkennlinie erzielt wird. Bei weiterer Zunahme der Last, lässt man den Strom wiederum bei konstanter Drehzahlbetriebsweise ansteigen, bis die maximale Motorenleistungsgrenze bei Punkt 3 erreicht wird.
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Die oben gezeigten Figuren stellen ein verhältnismäßig einfaches Steuersystem für den optimalen Betrieb eines Motors entsprechend seiner Leistungskennzeichen wie Kraft gegen Drehzahl, die Lastminderungsfaktoren etc. dar. Die Motordrehzahl wird zwischen einer Mindestbetriebsdrehzahl und einer Höchstbetriebsdrehzahl so variiert, dass ihre Last einer optimalen Kraft-/Drehzahlkurve entspricht, die man aus den Leistungskurven des Motors entnimmt, wobei man jeweils, wenn die Last erhöht wird, eine Reservekapazität für die Beschleunigung zulässt.
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Betrachtet man die Kraft-/Drehzahlkennlinie des Motors als gegeben und wenn man ferner berücksichtigt, dass sich die Ausgangsspannung eines Dauermagnetgenerators linear mit der Drehzahl ändert, wird eine verhältnismäßig einfache Steuerung des Stromes gemäß der Kennzahlkurve (8b und 9b) dazu führen, dass der Motor unter optimalen Bedingungen bei Laständerungen gegen Zeit betrieben wird und dass die Motordrehzahl sich entsprechend des Kraft-/Drehzahlverhältnisses gemäß den 8a und 9a verändert.
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In einem vereinfachten Steuersystem kann der Strom auf einfache Weise konstant eingestellt werden während der Motor in seinem variablen Drehzahlbetriebsbereich arbeitet. In dem Fall ist die Strom-/Drehzahlkurve in 8b eine einfache waagrechte Linie zwischen Punkt eins und zwei, während die Kraft-/Drehzahlkurve in 9a der Spannungskurve in 9c folgen wird. Sollte die Kraft-/Drehzahlkennlinie des Motors erheblich von einer geraden Linie abweichen, wird selbstverständlich der Motor manchmal unter weniger als optimal belasteten Bedingungen arbeiten, selbst dann, wenn die Drehzahl als Funktion der Last geregelt wird. In vielen Fällen wird jedoch ein derart vereinfachtes Steuersystem vollkommen den Ansprüchen genügen.
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10 zeigt eine Variante der Steuerschleife der in 1 abgebildeten Art, wie er in Fällen benötigt wird, wo die Spannungskennlinie der Kraftquelle nicht linear verläuft wie in 8 und 9. Ein Drehzahlsensor 120 verschafft ein Drehzahlausgangssignal Va2, welches einem Kraftfunktionsgenerator 122 zugeführt wird, der ein entsprechendes Ausgangssignal P abgibt entsprechend der Ausgangskraft der Quelle 10 (d. h. der Kraft gegen Drehzahlkennlinie des Motors, der einen Generator antreibt). Dieses Signal wird gleichzeitig mit dem Signal V_2 eines Spannungssensors 20 auf einen Teilerkreis 124 angewandt, der das Bezugsstromsignal I-ref2 abgibt, welches zum Mess- und Steuerkreis 16 weitergeleitet wird. Der Teilerkreis 124 teilt die Kraft-/Drehzahlkennlinie P durch das Spannungssignal V_2 in Echtzeit und beliefert dadurch den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit einem abgewandelten Strombezugssignal, welches eine gewünschte Bezugskraftkurve entsprechend der 9a liefert.
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In ähnlicher Weise wird gemäß 11 das Stromsteuersystem gemäß 2 abgeändert indem der Ausgang Va2 des Drehzahlsensors 120 in einen Kraftfunktionsgenerator 122 eingegeben wird, dessen Ausgang P durch das Spannungssignal V_2 im Teilerkreis 124 geteilt wird, um ein modifiziertes Strombezugssignal Iref_2x zu liefern, um dadurch die gewünschte Bezugskraftkurve zu liefern.
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12, 13 und 14 zeigen Stromkreise mittels derer der Betrieb des beschriebenen Gerätes verbessert werden kann. In 12 sind ein Umgebungsluftsensor 128 und ein Umgebungsdrucksensor 130 vorgesehen, deren Ausgänge entsprechende Funktionsgeneratorkreise 132 und 134 speisen. Der Temperatursensor 128 überwacht die Lufttemperatur beim Eintritt in den Motor und das Ausgangssignal KderI des Funktionsgenerators 132 ist proportional der Motorleistungsverlustkennzahl für den Betrieb bei hoher Umgebungstemperatur. In gleicher Weise überwacht der Drucksensor 130 den Luftdruck am Lufteingang zum Motor und liefert ein Drucksignal an den Umgebungsdruckfunktionsgenerator 134, der seinerseits ein Ausgangssignal Ader1 liefert, welches der Leistungsverlustkennzahl des Motors für Betrieb in großer Höhe entspricht. Ein Drehmomentbezugssignal T wird von einem Drehmomentfunktionsgenerator 136 aus einem Motordrehzahlsignal Va2 erzeugt, welches von einem Motordrehzahlsensor 120 geliefert wird, und alle drei Signale werden in einem Summierungsblock 138 summiert und liefern ein Ausgangsstrombezugssignal I_ref2, welches der Motordrehmoment-/Drehzahlkennzahl proportional ist, angepasst an Standortsbedingungen, die von Standardbezugsbedingungen abweichen.
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In 13 wird ein Temperatursensor 148 verwendet, um ein Abgastemperatursignal Kex1 zu liefern, welches in einem Abgastemperaturlastregler 140 mit einem Motorabgastemperatur-/Drehzahllastkennzeichnungssignal Kex2 verglichen wird, wobei letzteres von einem Abgastemperaturfunktionsgenerator 142 aus dem Motordrehzahlsignal Va2 abgeleitet wird. Der Abgastemperaturregler 140 generiert ein Ausgangssignal Kex3, welches von der Abweichung der wirklichen Abgastemperatur vom Bezugssignal abgeleitet wird. Dieses Fehlersignal Kex3 wird mit dem Ausgang T des Motordrehmoment-/Drehzahlfunktionsgenerators 136 im Summierungsblock 138 summiert, um ein korrigiertes Strombezugssignal I_ref2 zu erzeugen.
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Die Abgastemperatur ist eine Bezugsgröße, welche der Umgebungstemperatur, Druck (einem Maß für die Höhe), Last und dem allgemeinen mechanischen Zustand des Motors und der Qualität des verwendeten Kraftstoffes proportional ist. Deshalb kann durch einfache Überwachung der Motorabgastemperatur und durch Korrektur für deren Variationen in Bezug auf ein Abgastemperaturbezugssignal die Leistungsherabsetzung des Motors bequem berücksichtigt werden indem man die Drehzahl für einen gegebenen Lastkraftbedarf erhöht, um für Bedingungen wie schlechte Treibstoffqualität, hohe Umgebungstemperatur, große Höhe oder schlechter Zustand oder Einstellung des Motors zu kompensieren.
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Gemäß 14 wird die Anordnung gemäß 13 weiter ausgebaut indem ein zweiter Ausgang Kex4 in dem Funktionsgenerator 142 vorgesehen wird, welcher mit der wahren Abgastemperatur Kex1 in einem zweiten Abgastemperaturregler 144 verglichen wird, um ein Fehlersignal Kex5 zu liefern. Ein Höchstdrehzahlbezugssignal wird mit dem Fehlersignal Kex5 in einem zweiten Summierungsblock 146 summiert, um dadurch ein Ausgangsdrehzahlbezugssignal für den Motordrehzahlsteuerkreis zu liefern. Dadurch ergibt sich eine weitere Steuerschleife, die die Motordrehzahl anhand der Abgastemperaturabweichung steuert.
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Das Motordrehmomentbezugssignal gemäß 12, 13 und 14 kann durch das abgewandelte Stromsignal I_ref2 ersetzt werden, welches die Motorkraft-/drehzahlkennzahl gemäß 10 darstellt. Man kann ferner sehen, dass die Leistungsherabsetzungsbestimmungen, die unter Bezugnahme auf 12, 13 und 14 beschrieben wurden, auch auf die beiden oben beschriebenen Spannungs- und Stromsteuersysteme zum Betreiben des Gerätes anwendbar sind.