EP4655871A1 - Energieversorgung für einen multiphasenantrieb - Google Patents

Energieversorgung für einen multiphasenantrieb

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EP4655871A1
EP4655871A1 EP23840740.7A EP23840740A EP4655871A1 EP 4655871 A1 EP4655871 A1 EP 4655871A1 EP 23840740 A EP23840740 A EP 23840740A EP 4655871 A1 EP4655871 A1 EP 4655871A1
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EP
European Patent Office
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voltage
supply device
drive
multiphase
multiphase drive
Prior art date
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Pending
Application number
EP23840740.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Konrad Brandl
Jonathan Robinson
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Innomotics GmbH
Original Assignee
Innomotics GmbH
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • H02M7/42—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal
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    • H02M7/48—Conversion of DC power input into AC power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
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    • H02M3/158—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H02M3/1584—Conversion of DC power input into DC power output without intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load with a plurality of power processing stages connected in parallel
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    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/22—Multiple windings; Windings for more than three phases
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K2203/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the windings
    • H02K2203/09—Machines characterised by wiring elements other than wires, e.g. bus rings, for connecting the winding terminations

Definitions

  • the invention relates to a power supply device for a multiphase drive, the multiphase drive having an input voltage of less than 100 V and a rated power of more than 300 kW, in particular more than 1 MW.
  • the invention also relates to a multiphase drive system with such a power supply device and a multiphase drive.
  • the invention further relates to a ship, a wind turbine, a compressor system or a pump system with such a multiphase drive system.
  • stator bars are connected in such a way that they form windings and are connected to the phase connections.
  • the stator can also be formed by parallel conductors, particularly copper conductors, in a slot.
  • the designation of the bars also includes the designation with several or a large number of conductors in a respective slot.
  • An alternative design of an electrical machine consists in feeding each bar separately with a converter module.
  • the number of phases of such an electrical machine therefore corresponds to the number of slots in the stator.
  • the converter modules provided for feeding the individual slots form a converter that is directly connected to the electrical machine and forms a functional unit with it.
  • Such an electrical machine with a converter made up of converter modules is also called a multiphase drive. Its input voltage is often a direct current.
  • the magnetic field required for the operation of the electrical machine is generated by high currents in the stator bars at comparatively low voltages.
  • the invention is based on the object of improving the energy supply of a powerful multiphase drive.
  • a power supply device for a multiphase drive wherein the power supply device is set up to generate a direct voltage for feeding the multiphase drive from an input voltage present at a network connection point, in particular an alternating voltage of a power supply network, wherein the multiphase drive has an input direct voltage of less than 100 V and a rated power of more than 300 kW, in particular more than 1 MW, wherein the power supply device has a voltage converter, wherein the power supply device has a line section for transmitting electrical energy by means of direct voltage to the multiphase drive with a rated voltage of less than 100 V.
  • this object is achieved by a multiphase drive system with such an energy supply device and a multiphase drive with an input direct voltage of less than 100 V and a rated power of more than 300 kW, in particular more than 1 MW, wherein the energy supply device is electrically connected to the multiphase drive, in particular to connections of the multiphase drive.
  • a ship according to claim 11 a wind turbine according to claim 12, a compressor system according to claim 13 and a pump system according to claim 14 with such a multiphase drive system.
  • the invention is based, among other things, on the knowledge that a multiphase drive can be fed with low losses from a power supply network instead of from a battery using the proposed power supply device.
  • the low voltage on the rods of the multiphase drive results in correspondingly high currents for the required power range.
  • this rod alternating voltage is approximately 22 V at approximately 600 A rod alternating current.
  • the AC voltage level at a network connection point of an alternating current network for supplying electrical drives is 690 V for low voltage and typically 6 to 10 kV for high voltage. However, the voltage value can also assume any value in between, below or above this.
  • connection to the network connection point is preferably made at a voltage of 690 V or 5 kV. Any value in between or above is also possible. This means that the voltage of the power supply network at the network connection point is considerably higher than the voltage level with which the multiphase drive is fed.
  • the low voltages of the multiphase drive are a result of the principle that the electrical machine of the multiphase drive is designed with a half turn to feed the individual bars in the stator. A full turn corresponds to an arrangement of two bars as forward and return conductors.
  • the voltage at the grid connection point is converted to a lower voltage by means of the voltage converter, with which the multiphase drive can be fed.
  • a transformer, a DC-DC converter or a power converter can be used as a voltage converter.
  • the power converter can convert an alternating voltage from the power supply network into a direct voltage for direct feeding of the multiphase drive.
  • the power converter can then also be referred to as a rectifier.
  • a DC-DC converter is also called a DC-DC converter, DC/DC converter or DC/DC controller.
  • the on-board power system of a ship is often designed as a medium-voltage direct current system.
  • the multiphase drive system is therefore particularly suitable for a ship, as it can partially dispense with the need for conversion to a different on-board power system voltage. If, however, the ship's on-board power system is designed for a voltage of 690 V or 5 kV, for example, the voltage can be adjusted particularly easily using a direct current regulator.
  • the energy supply device can be arranged outside the multiphase drive.
  • the line section extends to the connections of the multiphase drive.
  • at least one voltage converter is arranged in the housing of the multiphase drive. This voltage converter is located on the side of the electrical machine .
  • the line section extends to the converter modules of the multiphase drive . The line section starts at the point where the intended voltage for the line section is less than 100 V .
  • the use of such a multiphase drive with the proposed energy supply device or such a multiphase drive system, as already described, is particularly advantageous for driving a ship. Due to the high power and the requirements for dynamic control over a large range of torque and speed, the use has proven to be advantageous. In addition, the power section with low voltage can be selected to be short. This makes it possible to use the advantages of the high dynamics and the large speed and torque range for the drive.
  • the multiphase drive system also meets the high demands on redundancy and reliability for watercraft.
  • the use in a wind turbine is also advantageous because here too the energy supply device can be arranged in close proximity to the multiphase drive, thus not only creating a low-loss drive, but the energy can also be fed redundantly into the energy supply network.
  • the use is also advantageous for compressor and pump systems. Not only does the reliability represent a significant competitive advantage, but the power supply to the individual rods of the electrical machine also allows for rapid response to changes in the operating parameters.
  • the line section has a length of less than 2 m.
  • the line section which is operated with a voltage of less than 100 V, to a length of less than 2 m.
  • the losses associated with the high currents can thus be a tolerable level.
  • the two units, multiphase drive and voltage converter are electrical components which, on the one hand, have to be protected with an appropriate housing due to the rotating parts and the high voltages.
  • the cable section represents the electrical connection or at least part of the electrical connection between these two units. Due to the low voltage of this connection, no measures need to be taken with regard to contact protection. This means that there is a very high degree of flexibility in the design of this connection.
  • connection can adapt to the conditions resulting from the installation of the two units, multiphase drive and voltage converter.
  • a special housing or cover is not required for the cable section.
  • the short length of the cable section means that the losses of the multiphase drive can be significantly reduced.
  • the energy supply device is arranged in the housing of the multiphase drive, in addition to the low losses, there is also only a small amount of disruptive magnetic fields.
  • the voltage converter is designed as a transformer or as a DC voltage converter.
  • the transformer When supplied from an AC voltage network, the transformer represents a simple and reliable way of changing or adapting an AC voltage. Due to its iron core, the transformer is very heavy. This places special demands on the installation location, for example special requirements on the foundation. Due to these special requirements, the installation of the transformer is not particularly flexible. This disadvantage can be avoided by the line section with only low voltage, which does not require any special precautions for contact protection. can be compensated in a simple manner, since the transformer can be flexibly connected to the multiphase drive by means of the cable section.
  • the voltage converter can be designed as a direct current converter.
  • the direct current converter converts a first direct current into a second direct current cost-effectively and reliably using semiconductors.
  • the direct current converter is preferably arranged in a control cabinet, among other things for reasons of contact protection.
  • the direct current converter can be arranged in close proximity to the network connection point. However, if this is located a great distance from the multi-phase drive, it can be advantageous to arrange the direct current converter close to the multi-phase drive in order to keep the line section that is operated at low voltage as short as possible. The energy is transferred from this control cabinet to the multi-phase drive at low voltage and over a short distance using the line section.
  • the line section is at least partially designed as a busbar.
  • Busbars have the advantage of being able to provide large cross-sections that have a high current-carrying capacity with low electrical losses. They are therefore particularly suitable for the design of the line section.
  • insulation to ensure contact protection can be dispensed with, since the voltage used is sufficiently low, particularly with regard to contact protection.
  • This is also advantageous for the use of busbars, since they usually have no insulation on their surface.
  • the lack of insulation also improves the heat dissipation that occurs due to electrical losses.
  • the heat can be dissipated directly from the material of the busbar, preferably copper, to the environment, without being hindered by an insulation layer. This therefore provides Due to the various advantages, the busbar represents a particularly advantageous embodiment of the line section, especially for use in a power supply device for the multi-phase drive.
  • the energy supply device has a further voltage converter. If the distance to be covered between the mains connection point and the multi-phase drive is large, a further voltage converter can be used to generate a further voltage level for the transmission of electrical energy.
  • the voltage converter can be designed as a further transformer when operating on an alternating voltage network, for example, or as a further direct voltage converter when operating on a direct voltage network.
  • a voltage between 100 V and 1000 V can be provided for a further line section. This further line section is particularly suitable for transmitting energy over a distance of more than 2 m with little loss.
  • the additional line section allows the length of the line section with a voltage of less than 100 V to be limited to an extension of less than 2 m.
  • the two voltage converters are arranged at the two ends of the additional line section.
  • the power supply device can be adapted to the conditions at the installation site in a particularly advantageous manner.
  • the multiphase drive can also be arranged away from the mains connection point.
  • the electrical losses are at an acceptable level.
  • the transmission paths do not have voltages above 1000 V, which would cause the cost of insulation to comply with contact protection to increase disproportionately. Thanks to the additional voltage converter, the energy supply system is particularly advantageous and can be flexibly adapted to the conditions at the installation site.
  • the energy supply device has a rectifier.
  • a rectifier in the energy supply device. This can be used to convert an alternating current that is present at the network connection point and is possibly converted via one or more voltage converters into a direct current to supply the multiphase drive. This means that the multiphase drive can also be supplied from an alternating current network with a high degree of efficiency.
  • the multiphase drive has converter modules, whereby the converter modules are each designed to feed the bars of the stator of the multiphase drive.
  • the current per bar can be set precisely. This makes it possible to determine and optimize the number of pole pairs depending on the operating point of the multiphase drive. This allows the multiphase drive to be operated with low losses at a favorable operating point.
  • the characteristic curve of the motor is increased, so that higher torques and higher speeds can be achieved.
  • the energy supply device has a rectifier, wherein the rectifier and at least parts of the multiphase drive are cooled using the same cooling principle.
  • a rectifier arranged in the energy supply device can be dispensed with if the multiphase drive already includes a rectifier in its functional unit. In this case, the multiphase drive can then be fed with an alternating voltage.
  • the cooling can be designed as a common cooling system for the rectifier and power converter. It has also proven to be advantageous if the rectifier and at least parts of the multiphase drive, such as the power converter, are cooled with the same type of cooling, for example the same air flow or the same fluid flow.
  • the rectifier and parts of the multiphase drive are cooled with a common cooling circuit. This saves the components for designing two cooling circuits.
  • the coolant can first cool the components with a lower temperature and then be directed in the cooling circuit to the components with a higher temperature. This means that the cooling circuit can be easily used for different components.
  • the voltage converter and the line section are arranged inside a housing of the multi-phase drive.
  • the electrical machine behaves like a motor with a connection voltage of significantly more than 100 V, for example a direct voltage of 690 V or an alternating voltage of over 1000 V.
  • the multi-phase drive then forms a structural unit which comprises the voltage converter and the line section with a voltage of less than 100 V.
  • the voltage conversion for example by a direct voltage converter or a power converter, then takes place directly in the housing of the multi-phase drive.
  • the voltage converter can therefore also be connected to the cooling circuit of the multi-phase drive.
  • An existing motor of conventional design can therefore be easily swapped out and replaced by the multi-phase drive system.
  • the multi-phase drive system forms a connection-compatible replacement for existing motors.
  • FIG 1 to FIG 4 show embodiments of the power supply device and the multiphase drive system
  • FIG 5 to FIG 7 Examples of the multiphase drive
  • FIG 8 a ship
  • FIG 9 a wind turbine
  • FIG 10 a compressor system or pump system.
  • FIG 1 shows a multiphase drive system 100 which has a power supply device 1 and a multiphase drive 10.
  • the power supply device 1 transmits electrical energy from a network connection point 2 of a power supply network to connections 13 of the multiphase drive 10.
  • a voltage converter 4 which is designed as a transformer 41.
  • a line section 3 between the voltage converter 6 and the terminals 13 of the multiphase drive 10 is designed such that the direct voltage present there assumes a value of less than 100 V.
  • the length of the line section 3 is less than 2 m in order to keep the electrical losses low.
  • the multiphase drive 10 has converter modules 11 which supply the individual bars of the stator with electrical energy.
  • the electrical energy is supplied to the multiphase drive 10 via the connections 13 of the multiphase drive 10.
  • the length of the line section between the connections 13 of the multiphase drive 10 and the converter modules 11 of the multiphase drive 10 is neglected due to its small size. This size is significantly smaller than the length of the line section 3.
  • transformer 41 and rectifier 5 The advantages of this arrangement lie in the fact that it is possible to specify and implement a cost-effective, reliable energy supply device 1 with the components shown, such as transformer 41 and rectifier 5.
  • the primary side of transformer 41 must be adapted to the voltage level available to the customer at the grid connection point 2, i.e. the primary winding must be designed for the respective supply voltage of, for example, 10 kV, 6 kV or 690 V.
  • the output voltage of the secondary winding on the other hand, must be adapted to the DC voltage level of the multi-phase drive 10.
  • the rectifier 5 can be attached to either the transformer 41 or the multi-phase drive 10, or integrated into them.
  • the components transformer 41, rectifier 5 and multiphase drive 10 can be arranged spatially in such a way that the high DC currents are transmitted by means of short busbars. From a technical point of view, this component arrangement is preferable because no measures need to be taken to reduce AC losses in the cables when transmitting the DC currents.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a multiphase drive system 100 with an alternatively designed energy supply device 1. To avoid repetition, reference is made to the description of FIG. 1 and to the reference symbols introduced there.
  • the energy supply device 1 essentially only has the voltage converter 4, which is designed as a rectifier 5, for example, if an alternating voltage is present at the mains connection point 2.
  • the voltage converter 4 can also comprise a plurality of rectifiers 5, which are arranged in a series circuit and/or parallel circuit, for example.
  • the voltage converter 4 can also be designed as a DC voltage converter 42, for example, if a direct voltage is present at the mains connection point 2.
  • the electrical energy is transmitted from this rectifier 5 to the connections 13 of the multi-phase drive 10 by means of the line section 3 of less than 2 m with low losses at a direct voltage of less than 100 V.
  • FIG. 3 shows a further exemplary embodiment of a multiphase drive system 100 with an alternatively designed energy supply device 1. To avoid repetition, reference is made to the description of FIGS. 1 and 2 and to the reference symbols introduced there.
  • two voltage converters 4, 6 are present.
  • a first of the voltage converters 4 is designed as a DC voltage converter 42.
  • the voltage converter 4 can also have several DC voltage converters 42. This converts a DC voltage, which was generated by another voltage converter 6 of the two voltage converters 4, 6, into a lower voltage with which the multiphase drive 10 is operated.
  • This arrangement is suitable when there is a greater distance, in particular a distance of more than 2 m, between the mains connection point 2 and the multi-phase drive 10.
  • the transformer 41 can, but not necessarily, be adapted on the primary side to the voltage level available to the customer. This means that the primary winding is designed for the respective supply voltage of, for example, 10 kV, 6 kV or 690 V.
  • the rectifier 5, designed as a medium-voltage rectifier, is arranged on the secondary side of the transformer 41. In an advantageous embodiment, the transformer 41 and rectifier 5 can form a structural unit.
  • the downstream direct-voltage converter 4, 42 also referred to as a DC transformer, takes over the voltage adjustment between the medium-voltage rectifier 5 and the multi-phase drive 10.
  • the direct-voltage converter 42 can be positioned directly on the multi-phase drive 10. This allows the electrical connection to be implemented, for example, as a cable connection from the rectifier 5 to the direct-voltage converter 42 in a conventional manner and without any particular spatial proximity.
  • FIG 4 shows a multiphase drive system 100 with a power supply device 1 which is connected to a network connection point 2 to which a direct voltage is applied.
  • the voltage converter 4 is designed as a DC-DC converter 42.
  • the energy supply device 1 comprises, in addition to the DC-DC converter 42, the line section 3, which electrically connects the DC-DC converter 42 to the terminals 13 of the multiphase drive 10.
  • the line section 3 has a voltage of less than 100 V and is low-loss due to its length of less than 2 m.
  • FIG. 4 also shows how the multiphase drive 10 can be supplied with energy from a medium-voltage network with direct voltage provided by the customer at the network connection point 2.
  • the optional transformer 41 and rectifier 5, designed as a medium-voltage rectifier are omitted.
  • the direct-voltage converter 42 can be arranged directly between the network connection point 2 and the multiphase drive 10.
  • FIG. 5 shows a multiphase drive 10. This has converter modules 11 in addition to the electric machine 12.
  • the converter modules 11 and the electric machine 12 are arranged in the structural unit of the multiphase drive 10.
  • Each bar of the stator of the electric machine 12 is supplied with electrical energy by means of converter modules 11.
  • the multiphase drive 10 is designed in such a way that the voltage and/or current of each bar of the stator can be controlled or regulated separately by one of the converter modules 11.
  • FIG. 6 shows the schematic structure of such a multiphase drive 10. Electrical energy is supplied to the converter modules 11 at the connections 13, which are preferably arranged on the housing.
  • the converter modules generate the voltages and/or currents required for the regulation or control for each bar of the electrical machine 12.
  • the voltage required for operation of the multiphase drive 10 is a direct voltage and the level of the direct voltage is less than 100 V .
  • FIG. 7 shows a further exemplary embodiment for the construction of a multiphase drive 10.
  • the multiphase drive 10 completely comprises the energy supply device 1.
  • the energy supply device 1 is part of the multiphase drive 10.
  • the mains connection point 2 is directly connected to the connections 13 of the multiphase drive 13.
  • a further voltage converter (not shown here) to be arranged between the mains connection point 2 and the connections 13 of the multiphase drive 10.
  • the multiphase drive 10 only partially comprises the energy supply device 1.
  • the line section 3 extends from the voltage converter 4, which is designed as a rectifier 5, to the power converter modules 11 of the multiphase drive 10.
  • FIG. 8 shows a ship 20, wherein the ship 20 is driven by the multiphase drive system 100.
  • the ship's propeller is connected to the drive shaft 101 of the electric machine 12 of the multiphase drive 10.
  • FIG 9 shows a wind turbine 21, whereby the wind turbine can feed the power absorbed by the wind into an energy supply network by means of the multiphase drive system.
  • the rotor blades are mechanically connected to the drive shaft 101 of the electric machine 12 of the multiphase drive 10. To avoid repetition Reference is made to the description of Figures 1 to 7 and to the reference symbols introduced therein.
  • FIG. 10 shows a compressor system 22 or a pump system. To drive the compressor 220 or the pump 230, these are mechanically connected to a drive shaft 101 of the electric machine 12 of the multiphase drive 10. To avoid repetition, reference is made to the description of FIGS. 1 to 7 and to the reference symbols used there.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung (1) für einen Multiphasenantrieb (10), wobei die Energieversorgungsvorrichtung (1) eingerichtet ist, aus einer an einem Netzanschlusspunkt (2) anliegenden Eingangsspannung, insbesondere einer Wechselspannung eines Energieversorgungsnetzes, eine Gleichspannung zur Speisung des Multiphasenantriebs (10) zu erzeugen, wobei der Multiphasenantrieb (10) eine Eingangsgleichspannung von weniger als 100 V und eine Nennleistung von mehr als 300 kW, insbesondere von mehr als 1 MW, 300 kW, insbesondere von mehr als 1 MW, aufweist, wobei die Energieversorgungeinrichtung (1) einen Spannungsumformer (4) aufweist, wobei die Energieversorgungsvorrichtung (1) einen Leitungsstreckenabschnitt (3) zur Übertragung von elektrischer Energie mittels Gleichspannung zu dem Multiphasenantrieb (10) mit einer Nennspannung von weniger als 100 V aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Multiphasenantriebssystem (100), aufweisend eine derartige Energieversorgungsvorrichtung (1) und einen Multiphasenantrieb (10) mit einer Ein- gangsspannung von weniger als 100 V und einer Nennleistung von mehr als 300 kW, insbesondere von mehr als 1 MW. Weiter betrifft die Erfindung ein Schiff (20), eine Windkraftanlage (21), ein Verdichtersystem (22) und ein Pumpsystem (23) mit einem derartigen Multiphasenantriebssystem (100).

Description

Beschreibung
Energieversorgung für einen Multiphasenantrieb
Die Erfindung betri f ft eine Energieversorgungsvorrichtung für einen Multiphasenantrieb, wobei der Multiphasenantrieb eine Eingangsspannung von weniger als 100 V und eine Nennleistung von mehr als 300 kW, insbesondere von mehr als 1 MW, aufweist . Ferner betri f ft die Erfindung ein Multiphasenantriebssystem mit einer derartigen Energieversorgungsvorrichtung und einem Multiphasenantrieb . Die Erfindung betri f ft weiter ein Schi f f , eine Windkraftanlage , ein Verdichtersystem oder ein Pumpsystem mit einem derartigen Multiphasenantriebssystem .
Derzeit sind am Markt eine Viel zahl elektrischer Maschinen verfügbar, die mit dreiphasigen Anschlüssen ausgebildet sind . Dabei sind die Statorstäbe derart verschaltet , dass diese Wicklungen bilden und mit den Phasenanschlüssen verbunden sind . Anstelle von Stäben kann der Stator auch durch parallel ausgerichtete Leiter, insbesondere Kupferleiter, in einer Nut gebildet werden . Im Folgenden umfasst die Bezeichnung der Stäbe auch die Ausgestaltung durch mehrere bzw . einer Vielzahl von Leitern in einer j eweiligen Nut .
Ein alternativer Aufbau einer elektrischen Maschine besteht darin, j eden Stab separat mit einem Stromrichtermodul zu speisen . Die Phasenzahl einer derartigen elektrischen Maschine entspricht damit der Anzahl der Nuten im Stator . Die für die Speisung der einzelnen Nuten vorgesehenen Stromrichtermodule bilden einen Stromrichter, der mit der elektrischen Maschine direkt verbunden ist und mit dieser eine Funktionseinheit bildet .
Eine derartige elektrische Maschine mit einem aus Stromrichtermodulen aufgebauten Stromrichter wird auch als Multiphasenantrieb bezeichnet . Seine Eingangsspannung bildet oftmals eine Gleichspannung . Das für den Betrieb der elektrischen Maschine notwendige magnetische Feld wird durch hohe Ströme in den Statorstäben bei gleichzeitig vergleichsweise niedrigen Spannungen erzeugt . Bekannte Anwendungen in der Größenordnung von etwa 50 kW entnehmen dabei die für den Betrieb erforderliche Leistung direkt einer Batterie .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde , die Energieversorgung eines leistungs fähigen Multiphasenantriebs zu verbessern .
Diese Aufgabe wird durch eine Energieversorgungsvorrichtung für einen Multiphasenantrieb gelöst , wobei die Energieversorgungsvorrichtung eingerichtet ist , aus einer an einem Netzanschlusspunkt anliegenden Eingangsspannung, insbesondere einer Wechselspannung eines Energieversorgungsnetzes , eine Gleichspannung zur Speisung des Multiphasenantriebs zu erzeugen, wobei der Multiphasenantrieb eine Eingangsgleichspannung von weniger als 100 V und eine Nennleistung von mehr als 300 kW, insbesondere von mehr als 1 MW, aufweist , wobei die Energieversorgungeinrichtung einen Spannungsumformer aufweist , wobei die Energieversorgungsvorrichtung einen Leitungsstreckenabschnitt zur Übertragung von elektrischer Energie mittels Gleichspannung zu dem Multiphasenantrieb mit einer Nennspannung von weniger als 100 V aufweist . Ferner wird diese Aufgabe durch ein Multiphasenantriebssystem mit einer derartigen Energieversorgungsvorrichtung und einem Multiphasenantrieb mit einer Eingangsgleichspannung von weniger als 100 V und einer Nennleistung von mehr als 300 kW, insbesondere von mehr als 1 MW, gelöst , wobei die Energieversorgungsvorrichtung elektrisch mit dem Multiphasenantrieb, insbesondere mit Anschlüssen des Multiphasenantriebs , verbunden ist . Diese Aufgabe wird weiter durch ein Schi f f nach Anspruch 11 , eine Windkraftanlage nach Anspruch 12 , ein Verdichtersystem nach Anspruch 13 und ein Pumpsystem nach Anspruch 14 mit einem derartigen Multiphasenantriebssystem gelöst . Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zugrunde , dass sich ein Multiphasenantrieb anstelle aus einer Batterie auch verlustarm aus einem Energieversorgungsnetz mittels der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung speisen lässt . Durch die geringe Spannung an den Stäben des Multiphasenantriebs ergeben sich für den geforderten Leistungsbereich entsprechend hohe Ströme . In einer typischen Anwendung beträgt diese Stabwechselspannung ca . 22 V bei ca . 600 A Stabwechselstrom . Die Versorgungsspannung des in dem Multiphasenantrieb integrierten Stromrichters auf der DC-Seite , d . h . auf der Gleichspannungsseite , ergibt sich dann in etwa zu VDC = 62 V . Das AC-Spannungsniveau an einem Netzanschlusspunkt eines Wechselspannungsnetzes zur Versorgung von elektrischen Antrieben liegt bei Niederspannung bei 690 V und für Hochspannung typischerweise bei 6 und 10 kV . Der Spannungswert kann aber auch j eden beliebigen Wert dazwischen, darunter oder darüber annehmen . Bei der Versorgung aus einem Gleichspan- nungsmetz erfolgt der Anschluss am Netzanschlusspunkt bei einer Spannung von vorzugsweise 690 V oder 5 kV . Auch j eder Wert dazwischen oder darüber sind möglich . Damit liegt die Spannung des Energieversorgungsnetzes am Netzanschlusspunkt erheblich über der Spannungsebene , mit welchem der Multiphasenantrieb gespeist wird .
Die geringen Spannungen des Multiphasenantriebs ergeben sich prinzipbedingt dadurch, dass die elektrische Maschine des Multiphasenantriebs durch die Speisung der einzelnen Stäbe im Stator mit einer halben Windung ausgeführt ist . Eine ganze Windung entspricht dabei eine Anordnung zweier Stäbe als Hin- und Rückleiter .
Ausgehend vom Netzanschlusspunkt des Energieversorgungsnetzes wird die Spannung am Netzanschlusspunkt mittels des Spannungsumformers auf eine niedrigere Spannung gewandelt , mit der der Multiphasenantrieb gespeist werden kann . Je nach Ausgestaltung des Energieversorgungsnetzes können als Spannungsumformer beispielsweise ein Trans formator, ein Gleichspannungswandler oder ein Stromrichter zum Einsatz kommen . Der Stromrichter kann dabei eine Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes in eine Gleichspannung zur direkten Speisung des Multiphasenantriebs umwandeln . Der Stromrichter kann dann auch als Gleichrichter bezeichnet werden .
Ein Gleichspannungswandler wird auch als Gleichspannungsstel- ler, DC/DC Wandler oder DC/DC Steller bezeichnet .
Das Bordnetz eines Schi f fes ist oftmals als Mittelspannungsgleichspannungssystem ausgebildet . Daher eignet sich das Multiphasenantriebssystem im besonderen Maße für ein Schi f f , da teilweise auf eine Umwandlung in eine andere Bordnetzspannung entfallen kann . I st das Bordnetz des Schi f fes hingegen beispielsweise auf eine Spannung von 690 V oder 5 kV ausgelegt , so kann eine Spannungsanpassung mit Hil fe eines Gleichspan- nungsstellers auf besonders einfache Weise erfolgen .
Die mit der vorgeschlagenen Lösung einhergehenden Vorteile im Multiphasenantriebssystem betref fen nicht nur die Energieversorgungsvorrichtung, sondern beziehen sich im Besonderen auch auf den Betrieb des Multiphasenantriebs . Eine vom Markt akzeptierte und für den Kunden attraktive Lösung ist ein positiver Ef fekt für den Erfolg des Multiphasenantriebs .
Die Energieversorgungsvorrichtung kann außerhalb des Multiphasenantriebs angeordnet sein . In diesem Fall erstreckt sich der Leitungsstreckenabschnitt bis zu den Anschlüssen des Multiphasenantriebs . Alternativ ist es möglich, die Energieversorgungsvorrichtung zumindest teilweise innerhalb des Multiphasenantriebs anzuordnen . In diesem Fall ist mindestens ein Spannungsumformer in dem Gehäuse des Multiphasenantriebs angeordnet . Dabei befindet sich dieser Spannungsumformer von den Anschlüssen des Multiphasenantriebs betrachtet auf der Seite der elektrischen Maschine . Dann erstreckt sich der Leitungsstreckenabschnitt bis zu den Stromrichtermodulen des Multiphasenantriebs . Der Leitungsstreckenabschnitt beginnt an dem Punkt , an dem die vorgesehene Spannung für den Leitungsabschnitt geringer ist als 100 V .
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz eines derartigen Multiphasenantriebs mit der vorgeschlagenen Energieversorgungsvorrichtung bzw . eines derartigen Multiphasenantriebssystems , wie bereits dargestellt , für den Antrieb eines Schi f fes . Aufgrund der hohen Leistung und den Anforderungen an eine dynamische Regelung über einen großen Bereich an Moment und Drehzahl hat sich der Einsatz als günstig erwiesen . Zudem kann der Leistungsstreckenabschnitt mit geringer Spannung kurz gewählt werden . Dies ermöglicht , die Vorteile der hohen Dynamik und des großen Drehzahl- und Momentenbereichs für den Antrieb zu nutzen . Ebenso genügt das Multiphasenantriebssystem den hohen Ansprüchen an die Redundanz und Aus fallsicherheit für Wasserfahrzeuge . Auch der Einsatz bei einer Windkraftanlage ist vorteilhaft , da auch hier Energieversorgungsvorrichtung in räumlicher Nähe zu dem Multiphasenantrieb angeordnet werden kann und somit nicht nur ein verlustarmer Antrieb entsteht , sondern die Energie auch redundant in das Energieversorgungsnetz eingespeist werden kann . Des Weiteren ist der Einsatz auch für Verdichter- und Pumpsysteme vorteilhaft . Nicht nur die Aus fallsicherheit stellen einen erheblichen Wettbewerbsvorteil dar, auch kann durch die Speisung der einzelnen Stäbe der elektrischen Maschine auf Änderungen in den Betriebsparameter schnell reagiert werden .
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Leitungsstreckenabschnitts eine Länge von weniger als 2 m auf . Um die Energieversorgungsvorrichtung verlustarm zu gestalten, wird vorgeschlagen, den Leitungsstreckenabschnitt , der mit einer Spannung von weniger als 100 V betrieben wird, auf eine Länge von weniger als 2 m zu beschränken . Die mit den hohen Strömen einhergehenden Verluste können damit auf ein tolerierbares Maß reduziert werden . Bei den beiden Einheiten Multiphasenantrieb und Spannungsumformer handelt es sich um elektrische Komponenten, die zum einen aufgrund der rotierenden Teile bzw . den hohen Spannungen mit einem entsprechenden Gehäuse geschützt werden müssen . Der Leitungsstreckenabschnitt stellt die elektrische Verbindung oder zumindest einen Teil der elektrischen Verbindung zwischen diesen beiden Einheiten dar . Aufgrund der geringen Spannung dieser Verbindung müssen keine Maßnahmen hinsichtlich des Berührschutzes getrof fen werden . Damit besteht eine sehr hohe Flexibilität in der Ausgestaltung dieser Verbindung . Diese können als Kabelverbindungen oder auch als eine Stromschiene ausgebildet sein . Dabei kann sich die Verbindung den Gegebenheiten anpassen, die sich aus der Aufstellung der beiden Einheiten, Multiphasenantrieb und Spannungsumformer, ergeben . Ein spezielles Gehäuse oder eine Abdeckung ist für den Leitungsstreckenabschnitt nicht erforderlich . Durch die kurze Ausdehnung des- Leitungsstreckenabschnitts können die Verluste des Multiphasenantriebs deutlich reduziert werden . Insbesondere , wenn die Energieversorgungsvorrichtung im Gehäuse des Multiphasenantriebs angeordnet ist , ergeben sich neben den geringen Verlusten auch nur eine geringe Ausbildung störender Magnetfelder .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Spannungsumformer als Trans formator oder als Gleichspannungswandler ausgebildet . Der Trans formator stellt bei der Versorgung aus einem Wechselspannungsnetz eine einfache und zuverlässige Möglichkeit dar, eine Wechselspannung zu verändern bzw . anzupassen . Aufgrund seines Eisenkerns hat der Trans formator ein hohes Gewicht . Dies stellt eine besondere Anforderung an den Aufstellungsort , beispielsweise besondere Anforderungen an das Fundament , dar . Aufgrund dieser besonderen Anforderungen ist die Aufstellung des Trans formators nicht besonders flexibel . Gerade durch den Leitungsstreckenabschnitt mit nur geringer Spannung, die keine besonderen Vorkehrungen zum Berührschutz bedarf , kann dieser Nachteil auf einfache Weise ausgeglichen werden, da mittels der Leitungsstreckenabschnitts der Trans formator flexibel mit dem Multiphasenantrieb verbunden werden kann .
Bei einem Gleichspannungsnetz kann der Spannungsumformer als Gleichspannungswandler ausgebildet sein . Der Gleichspannungswandler wandelt dabei mittels Halbleiter eine erste Gleichspannung in eine zweite Gleichspannung kostengünstig und zuverlässig um . Der Gleichspannungswandler ist dabei unter anderem aus Gründen des Berührschutzes vorzugsweise in einem Schaltschrank angeordnet . Dabei kann der Gleichspannungswandler in räumlicher Nähe zum Netzanschlusspunkt angeordnet sein . Sollte sich dieser j edoch im größeren Abstand zum Multiphasenantrieb befinden, kann es vorteilhaft sein, den Gleichspannungswandler in der Nähe des Multiphasenantriebs anzuordnen, um die Leitungsstrecke , die mit geringer Spannung betrieben wird, möglichst gering zu halten . Mittels des Leitungsstreckenabschnittes wird die Energie von diesem Schaltschrank zum Multiphasenantrieb bei geringer Spannung und über eine geringe Entfernung übertragen .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Leitungsstreckenabschnitt zumindest teilweise als Stromschiene ausgebildet . Stromschienen haben den Vorteil , auch hohe Querschnitte bereitstellen zu können, die eine hohe Stromtragfähigkeit bei niedrigen elektrischen Verlusten aufweisen . Sie eignen sich daher im Besonderen für die Ausgestaltung des Leitungsstreckenabschnitts . Gleichzeitig kann auf eine I solierung zur Sicherstellung des Berührschutzes verzichtet werden, da die verwendete Spannung insbesondere im Hinblick auf den Berührschutz hinreichend klein ist . Dies ist ebenfalls vorteilhaft für die Anwendung der Stromschienen, da diese meistens keine I solierung an ihrer Oberfläche aufweisen . Die nicht vorhandene I solierung verbessert auch die Wärmeabfuhr, die durch die elektrischen Verluste entsteht . Die Wärme kann direkt vom Material der Stromschiene , vorzugsweise Kupfer, an die Umgebung abgeführt werden, ohne dass diese durch eine I solationsschicht behindert werden . Somit stellt die Stromschiene gerade für die Anwendung in einer Energieversorgungsvorrichtung für den Multiphasenantrieb aufgrund der unterschiedlichen Vorteile eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Leitungsstreckenabschnitts dar .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Energieversorgungeinrichtung einen weiteren Spannungsumformer auf . I st die zu überwindende Strecke zwischen Netzanschlusspunkt und Multiphasenantrieb groß , so kann mit einem weiteren Spannungsumformer ein weiteres Spannungsniveau für die Übertragung der elektrischen Energie erzeugt werden . Dabei kann der Spannungsumformer beispielsweise bei einem Betrieb an einem Wechselspannungsnetz als weiterer Trans formator oder bei einem Betrieb an einem Gleichspannungsnetz als weiterer Gleichspannungswandler ausgebildet sein . Dabei kann für einen weiteren Leitungsabschnitt eine Spannung zwischen 100 V und 1000 V vorgesehen werden . Dieser weitere Leitungsabschnitt eignet sich insbesondere , eine Energieübertragung über eine Strecke von mehr als 2 m verlustarm aus zuführen .
Insbesondere erlaubt der weitere Leitungsabschnitt , die Länge des Leitungsstreckenabschnitts mit einer Spannung von weniger als 100 V auf eine Ausdehnung von weniger als 2 m zu begrenzen . Dazu werden die beiden Spannungsumformer an den beiden Enden des weiteren Leitungsabschnitts angeordnet .
Durch die Aufteilung in einen Leitungsstreckenabschnitt und einen weiteren Leitungsabschnitt kann die Energieversorgungsvorrichtung besonders vorteilhaft auf die Gegebenheiten am Installationsort angepasst werden . Dabei kann auch der Multiphasenantrieb entfernt vom Netzanschlusspunkt angeordnet werden . In der vorgeschlagenen Anordnung befinden sich die elektrischen Verluste in einem akzeptierbaren Maß . Darüber hinaus weisen auch die Übertragungswege keine Spannungen über 1000 V auf , bei denen der Aufwand für I solierung zur Einhaltung des Berührschutzes überproportional ansteigen würden . Durch den weiteren Spannungsumformer ist das Energieversorgungssystem besonders vorteilhaft und flexibel an die Gegebenheiten am Installationsort anpassbar .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Energieversorgungsvorrichtung einen Gleichrichter auf . Zur Speisung des Multiphasenantriebs mit Gleichspannung ist es vorteilhaft , einen Gleichrichter in der Energieversorgungsvorrichtung anzuordnen . Mit diesem kann eine Wechselspannung, die am Netzanschlusspunkt vorliegt und ggf . über einen oder mehrere Spannungsumformer gewandelt wird, in eine Gleichspannung zur Speisung des Multiphasenantriebs umgewandelt werden . Damit ist der Multiphasenantrieb auch aus einem Wechselspannungsnetz mit einem hohen Wirkungsgrad speisbar .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Multiphasenantrieb Stromrichtermodule auf , wobei die Stromrichtermodule j eweils zur Speisung der Stäbe des Stators des Multiphasenantrieb ausgebildet sind . Durch die Speisung der Stäbe durch die entsprechenden Stromrichtermodule kann der Strom pro Stab genau eingestellt werden . Dies ermöglicht , die Polpaarzahl abhängig vom Betriebspunkt der Multiphasenantriebs festzulegen und zu optimieren . Dadurch kann der Multiphasenantrieb in einem günstigen Betriebspunkt verlustarm betrieben werden . Gleichzeitig vergrößert sich damit die Kennlinie des Motors , so dass höhere Momente und höhere Drehzahlen realisierbar sind .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Energieversorgungsvorrichtung einen Gleichrichter auf , wobei der Gleichrichter und zumindest Teile des Multiphasenantriebs mit dem gleichen Kühlprinzip gekühlt werden . Auf einen in der Energieversorgungsvorrichtung angeordneten Gleichrichter kann verzichtet werden, wenn der Multiphasenantrieb in seiner Funktionseinheit bereits einen Gleichrichter umfasst . In diesem Fall ist der Multiphasenantrieb dann mit einer Wechselspannung speisbar . Darüber hinaus lässt sich der Gleichrichter wie der Stromrichter in das Gehäuse des Multiphasenantriebs integrieren . Insbesondere die Kühlung kann als gemeinsame Kühlung für Gleichrichter und Stromrichter ausgebildet sein . Dabei hat es sich auch als vorteilhaft erwiesen, wenn der Gleichrichter und zumindest Teile des Multiphasenantriebs wie beispielsweise der Stromrichter, mit der gleichen Kühlart , beispielsweise dem gleichen Luftstrom oder dem gleichen Fluidstrom, gekühlt werden .
Besonders vorteilhaft ist es , wenn der Gleichrichter und Teile des Multiphasenantriebs mit einem gemeinsamen Kühlkreislauf gekühlt werden . Das erspart die Komponenten für die Ausgestaltung zweier Kühlkreisläufe . Dabei kann das Kühlmittel zuerst die Komponenten mit niedrigerer Temperatur kühlen und dann im Kühlkreislauf zu den Komponenten mit höherer Temperatur geleitet werden . Damit kann der Kühlkreislauf auf einfache Weise für unterschiedliche Komponenten genutzt werden .
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Spannungsumformer und der Leitungsstreckenabschnitt im Innern eines Gehäuses des Multiphasenantriebs angeordnet . In diesem Fall verhält sich die elektrische Maschine wie ein Motor mit einer Anschlussspannung von deutlich mehr als 100 V, beispielsweise einer Gleichspannung von 690 V oder einer Wechselspannung von über 1000 V . Der Multiphasenantrieb bildet dann eine bauliche Einheit , die den Spannungsumformer und den Leitungsstreckenabschnitt mit einer Spannung von weniger als 100 V umfasst . Die Spannungsumwandlung, beispielsweise durch einen Gleichspannungswandler oder einen Stromrichter erfolgt dann direkt im Gehäuse des Multiphasenantriebs . Damit kann auch der Spannungsumformer mit dem Kühlkreislauf des Multiphasenantriebs verbunden sein . Somit kann ein vorhandener Motor herkömmlicher Bauart auf einfache Weise durch das Multiphasenantriebssystem getauscht und ersetzt werden . Mit anderen Worten bildet das Multiphasenantriebssystem einen anschlusskompatiblen Ersatz für bestehende Motoren . Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Aus führungsbeispiele näher beschrieben und erläutert . Es zeigen :
FIG 1 bis FIG 4 Aus führungsbeispiele der Energieversorgungsvorrichtung und des Multiphasenantriebssystems ,
FIG 5 bis FIG 7 Aus führungsbeispiele des Multiphasenantriebs ,
FIG 8 ein Schi f f ,
FIG 9 eine Windkraftanlage und
FIG 10 ein Verdichtersystem bzw . Pumpsystem .
Die FIG 1 zeigt ein Multiphasenantriebssystem 100 , das eine Energieversorgungsvorrichtung 1 und einen Multiphasenantrieb 10 aufweist . Die Energieversorgungsvorrichtung 1 überträgt elektrische Energie von einem Netzanschlusspunkt 2 eines Energieversorgungsnetzes an Anschlüsse 13 des Multiphasenantriebs 10 . In diesem Aus führungsbeispiel wird dabei in einem ersten Schritt mittels eines Spannungsumformers 4 , der als Trans formator 41 ausgebildet ist , eine Wechselspannung an dem Netzanschlusspunkt 2 in der Amplitude verändert . Ein weiterer Spannungsumformer 6 , in diesem Beispiel durch zwei parallel angeordnete Gleichrichter 5 gebildet , wandeln die durch den Trans formator 41 gebildete Wechselspannung in eine Gleichspannung um, mit der der Multiphasenantrieb 10 gespeist wird . Dabei ist ein Leitungsstreckenabschnitt 3 zwischen dem Spannungsumformer 6 und den Anschlüssen 13 des Multiphasenantriebs 10 derart ausgebildet , dass die dort vorhandene Gleichspannung einen Wert von weniger als 100 V annimmt . Zudem ist die Länge des Leitungsstreckenabschnitts 3 geringer als 2 m, um die elektrischen Verluste gering zu halten .
Der Multiphasenantrieb 10 weist neben der elektrischen Maschine 12 Stromrichtermodule 11 auf , die die einzelnen Stäbe des Stators mit elektrischer Energie speisen . Die elektrische Energie wird dem Multiphasenantrieb 10 über die Anschlüsse 13 des Multiphasenantriebs 10 zugeführt . Für die Betrachtung der durch die niedrige Spannung und den hohen Strömen verursachten Verluste wird die Strecke des Leitungsabschnitts zwischen den Anschlüssen 13 des Multiphasenantriebs 10 und den Stromrichtermodulen 11 des Multiphasenantriebs 10 aufgrund der geringen Ausdehnung vernachlässigt . Diese Ausdehnung ist deutlich geringer als die Länge des Leitungsstreckenabschnitts 3 .
Die Vorteile dieser Anordnung liegen nun darin, mit den dargestellten Komponenten wie Trans formator 41 und Gleichrichter 5 eine kostengünstige , zuverlässige Energieversorgungsvorrichtung 1 angeben und realisieren zu können . Dabei ist primärseitig der Trans formator 41 an das beim Kunden verfügbare Spannungsniveau am Netzanschlusspunkt 2 anzupassen, d . h . die Primärwicklung ist für die j eweilige Versorgungsspannung von z . B . 10 kV, 6 kV oder 690 V aus zulegen . Die Ausgangsspannung der Sekundärwicklung ist dagegen an die DC-Spannungsebene des Multiphasenantriebs 10 anzugleichen . Dabei kann der Gleichrichter 5 sowohl dem Trans formator 41 wie auch dem Multiphasenantrieb 10 angegliedert oder in diesen integriert werden . Durch die prinzipbedingten hohen Ströme ist in beiden Fällen eine kurze Leitungsstrecken vom Trans formator 41 zum Gleichrichter 5 ( Gleichrichter 5 am/ im Multiphasenantrieb 10 ) und/oder vom Gleichrichter 5 zum Multiphasenantrieb 10 (Gleichrichter 5 am/ im Trans formator 41 ) vorzusehen . Wichtig ist , dass der Leitungsstreckenabschnitt 3 mit einer Spannung von weniger als 100 V kurz , d . h . mit einer Länge von weniger als 2 m, ausgeführt wird . Idealerweise lassen sich die Komponenten Trans formator 41 , Gleichrichter 5 und Multiphasenantrieb 10 räumlich so anordnen, dass die hohen DC-Ströme mittels kurzer Stromschienen übertragen werden . Technisch ist diese Komponentenanordnung zu bevorzugen, da bei der Übertragung der DC-Ströme keine Maßnahmen zur Reduktion von Wechselstromverlusten in den Kabeln zu tref fen sind . Die Baugröße des Gleichrichters 5 ist mit der Baugröße der Stromrichtermodule 11 in dem Multiphasenantrieb 10 , beispielsweise aufgrund der ähnlichen Leistung, vergleichbar . Auch kann für den Gleichrichter 5 das gleiche Kühlprinzip angewendet werden . Die FIG 2 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Multiphasenantriebssystems 100 mit einer alternativ ausgeführten Energieversorgungsvorrichtung 1 . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zur FIG 1 sowie auf die dort eingeführten Bezugs zeichen verwiesen .
Die Energieversorgungsvorrichtung 1 weist in diesem Aus führungsbeispiel im Wesentlichen nur den Spannungsumformer 4 auf , der beispielsweise als Gleichrichter 5 ausgebildet ist , falls am Netzanschlusspunkt 2 beispielsweise eine Wechselspannung anliegt . Dabei kann der Spannungsumformer 4 auch mehrere Gleichrichter 5 umfassen, die beispielsweise in einer Reihenschaltung und/oder Parallelschaltung angeordnet sind . Alternativ kann der Spannungsumformer 4 auch als Gleichspannungswandler 42 ausgebildet sein, falls am Netzanschlusspunkt 2 beispielsweise eine Gleichspannung anliegt . Von diesem Gleichrichter 5 wird die elektrische Energie mittels des Leitungsstreckenabschnitts 3 von weniger als 2 m verlustarm bei einer Gleichspannung von weniger als 100 V an die Anschlüsse 13 des Multiphasenantriebs 10 übertragen .
Die FIG 3 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel eines Multiphasenantriebssystems 100 mit einer alternativ ausgeführten Energieversorgungsvorrichtung 1 . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 und 2 sowie auf die dort eingeführten Bezugs zeichen verwiesen .
In diesem Aus führungsbeispiel sind zwei Spannungsumformer 4 , 6 vorhanden . Dabei ist ein erster der Spannungsumformer 4 als Gleichspannungswandler 42 ausgebildet . Alternativ kann der Spannungsumformer 4 auch mehrere Gleichspannungswandler 42 aufweisen . Dieser wandelt eine Gleichspannung, die von einem weiteren Spannungsumformer 6 der zwei Spannungsumformer 4 , 6 erzeugt wurde , in eine niedrigere Spannung um, mit der der Multiphasenantrieb 10 betrieben wird . Diese Anordnung bietet sich an, wenn zwischen dem Netzanschlusspunkt 2 und dem Multiphasenantrieb 10 ein größerer Abstand, insbesondere ein Abstand von mehr als 2 m, besteht . Dann kann zwischen dem Gleichrichter 5 und dem Gleichspannungswandler 42 Energie mit einer höheren Spannung über weitere Entfernung übertragen werden, bevor die Gleichspannung durch den Gleichspannungswandler 42 auf eine Gleichspannung von weniger als 100 V herabgesetzt wird, mit der der Multiphasenantrieb 10 an seinen Anschlüssen 13 betrieben wird . Auch in diesem Fall kann sichergestellt werden, dass der Leitungsstreckenabschnitt 3 zwischen Gleichspannungswandler 42 und den Anschlüssen 13 des Multiphasenantriebs 10 mit einer Länge von maximal 2 m entsprechend kurz und verlustarm ausgeführt wird . Zusätzlich kann zwischen dem Gleichrichter 5 und dem Netzanschlusspunkt 2 auch noch ein Trans formator 41 angeordnet werden .
Dabei kann der Trans formator 41 , nicht notwendigerweise , primärseitig an das beim Kunden verfügbare Spannungsniveau angepasst werden . Das heißt , die Primärwicklung wird für die j eweilige Versorgungsspannung von beispielsweise 10 kV, 6 kV oder 690 V ausgelegt . Auf der Sekundärseite des Trans formator 41 ist der Gleichrichter 5 , ausgeführt als Mittelspannungsgleichrichter, angeordnet . Dabei können in einer vorteilhaften Ausgestaltung Trans formator 41 und Gleichrichter 5 eine bauliche Einheit bilden . Der nachgeschaltete Gleichspannungswandler 4 , 42 , auch als DC-Trans former bezeichnet , übernimmt die Spannungsanpassung zwischen Mittelspannungsgleichrichter 5 und Multiphasenantrieb 10 . Idealerweise kann der Gleichspannungswandler 42 unmittelbar an dem Multiphasenantrieb 10 positioniert werden . Damit lässt sich die elektrische Verbindung beispielsweise als Kabelverbindung vom Gleichrichter 5 zum Gleichspannungswandler 42 konventionell und ohne besondere räumliche Nähe aus führen .
Die FIG 4 zeigt ein Multiphasenantriebssystem 100 mit einer Energieversorgungsvorrichtung 1 , die mit einem Netzanschlusspunkt 2 verbunden ist , an dem eine Gleichspannung anliegt . In diesem Aus führungsbeispiel ist der Spannungsumformer 4 als Gleichspannungswandler 42 ausgebildet . Die Energieversorgungsvorrichtung 1 umfasst dabei neben dem Gleichspannungswandler 42 den Leitungsstreckenabschnitt 3 , der den Gleichspannungswandler 42 elektrisch mit den Anschlüssen 13 des Multiphasenantriebs 10 verbindet . Der Leitungsstreckenabschnitt 3 weist eine Spannung von weniger als 100 V auf und ist aufgrund seiner Länge von weniger als 2 m verlustarm .
Die FIG 4 zeigt zudem, wie bei einem kundenseitig gegebenen Mittelspannungsnetz mit Gleichspannung am Netzanschlusspunkt 2 der Multiphasenantrieb 10 mit Energie versorgt werden kann . Vergleichend mit der Ausgestaltung nach FIG 3 entfällt der optionale Trans formator 41 und Gleichrichter 5 , ausgeführt als Mittelspannungsgleichrichter . Der Gleichspannungswandler 42 kann direkt zwischen Netzanschlusspunkt 2 und Multiphasenantrieb 10 angeordnet werden . Besonders bei Schi f fsapplikationen sind diese für den Multiphasenantrieb 10 vorteilhaften Mittelspannungsnet ze anzutref fen .
Die FIG 5 zeigt einen Multiphasenantrieb 10 . Dieser weist neben der elektrischen Maschine 12 Stromrichtermodule 11 auf . Dabei sind die Stromrichtermodule 11 und die elektrische Maschine 12 in der baulichen Einheit des Multiphasenantriebs 10 angeordnet . Mittels Stromrichtermodule 11 wird j eder Stab des Stators der elektrischen Maschine 12 mit elektrischer Energie gespeist . Dabei ist der Multiphasenantrieb 10 derart ausgebildet , dass Spannung und/oder Strom j edes Stabes des Stators separat von einem der Stromrichtermodule 11 gesteuert oder geregelt werden kann .
Die FIG 6 zeigt den schematischen Aufbau eines derartigen Multiphasenantriebs 10 . An den vorzugsweise am Gehäuse angeordneten Anschlüssen 13 wird elektrische Energie den Stromrichtermodulen 11 zugeführt . Die Stromrichtermodule erzeugen für j eden Stab der elektrischen Maschine 12 die für die Regelung bzw . Steuerung benötigten Spannungen und/oder Ströme . Die für den Betrieb des Multiphasenantriebs 10 benötigte Spannung ist eine Gleichspannung und die Höhe der Gleichspannung beträgt weniger als 100 V .
Die FIG 7 zeigt ein weiteres Aus führungsbeispiel für den Aufbau eines Multiphasenantriebs 10 . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu FIG 6 und auf die dort eingeführten Bezugs zeichen verwiesen . In diesem Aus führungsbeispiel umfasst der Multiphasenantrieb 10 vollständig die Energieversorgungsvorrichtung 1 . Mit anderen Worten ist die Energieversorgungsvorrichtung 1 ein Teil des Multiphasenantriebs 10 . Der Netzanschlusspunkt 2 ist direkt mit den Anschlüssen 13 des Multiphasenantriebs 13 verbunden . Alternativ ist es auch möglich, dass ein hier nicht dargestellter weiterer Spannungsumformer zwischen dem Netzanschlusspunkt 2 und den Anschlüssen 13 des Multiphasenantriebs 10 angeordnet ist . In diesem Fall umfasst der Multiphasenantrieb 10 die Energieversorgungsvorrichtung 1 nur teilweise .
Der Leitungsstreckenabschnitt 3 erstreckt sich in diesem Ausführungsbeispiel von dem Spannungsumformer 4 , der als Gleichrichter 5 ausgebildet ist bis zu den Stromrichtermodulen 11 des Multiphasenantriebs 10 .
Die FIG 8 zeigt ein Schi f f 20 , wobei das Schi f f 20 mit dem Multiphasenantriebssystem 100 angetrieben wird . Dazu ist die Schi f fsschraube mit der Antriebswelle 101 der elektrischen Maschine 12 des Multiphasenantriebs 10 verbunden . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 bis 7 sowie auf die dort eingeführten Bezugs zeichen verwiesen .
Die FIG 9 zeigt eine Windkraftanlage 21 , wobei die Windenergieanlage die vom Wind aufgenommene Leistung mittels des Multiphasenantriebssystems in ein Energieversorgungsnetz einspeisen kann . Dazu sind die Rotorblätter mechanisch mit der Antriebswelle 101 der elektrischen Maschine 12 des Multiphasenantriebs 10 verbunden . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 bis 7 sowie auf die dort eingeführten Bezugs zeichen verwiesen .
Die FIG 10 zeigt ein Verdichtersystem 22 bzw . ein Pumpsystem . Zum Antreiben des Verdichters 220 bzw . der Pumpe 230 sind diese mechanisch mit einer Antriebswelle 101 der elektrischen Maschine 12 des Multiphasenantriebs 10 verbunden . Zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die Beschreibung zu den Figuren 1 bis 7 sowie auf die dort eingeführten Bezugs zeichen verwiesen .

Claims

Patentansprüche
1. Energieversorgungsvorrichtung (1) für einen Multiphasenantrieb (10) , wobei die Energieversorgungsvorrichtung (1) eingerichtet ist, aus einer an einem Netzanschlusspunkt (2) anliegenden Eingangsspannung, insbesondere einer Wechselspannung eines Energieversorgungsnetzes, eine Gleichspannung zur Speisung des Multiphasenantriebs (10) zu erzeugen, wobei der Multiphasenantrieb (10) eine Eingangsgleichspannung von weniger als 100 V und eine Nennleistung von mehr als 300 kW, insbesondere von mehr als 1 MW, aufweist, wobei die Energieversorgungeinrichtung (1) einen Spannungsumformer (4) aufweist, wobei die Energieversorgungsvorrichtung (1) einen Leitungsstreckenabschnitt (3) zur Übertragung von elektrischer Energie mittels Gleichspannung zu dem Multiphasenantrieb (10) mit einer Nennspannung von weniger als 100 V aufweist.
2. Energieversorgungsvorrichtung (1) , wobei der Leitungsstreckenabschnitts (3) eine Länge von weniger als 2 m aufweist.
3. Energieversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Spannungsumformer (4) als Transformator (41) oder als Gleichspannungswandler (42) ausgebildet ist.
4. Energieversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Leitungsstreckenabschnitt (3) zumindest teilweise als Stromschiene ausgebildet ist.
5. Energieversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Energieversorgungeinrichtung (1) einen weiteren Spannungsumformer (6) aufweist.
6. Energieversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Energieversorgungsvorrichtung (1) einen Gleichrichter (5) aufweist.
7. Multiphasenantriebssystem (100) , aufweisend eine Energieversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einen Multiphasenantrieb (10) mit einer Eingangsgleichspannung von weniger als 100 V und einer Nennleistung von mehr als 300 kW, insbesondere von mehr als 1 MW, wobei die Energieversorgungsvorrichtung (1) elektrisch mit dem Multiphasenantrieb (10) , insbesondere mit Anschlüssen des Multiphasenantriebs (10) , verbunden ist.
8. Multiphasenantriebssystem (100) , wobei der Multiphasenantrieb (10) Stromrichtermodule (11) aufweist, wobei die Stromrichtermodule (11) jeweils zur Speisung der Stäbe (120) des Stators des Multiphasenantrieb (10) ausgebildet sind.
9. Multiphasenantriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die Energieversorgungsvorrichtung (1) einen Gleichrichter (5) aufweist, wobei der Gleichrichter (5) und zumindest Teile des Multiphasenantriebs (10) mit dem gleichen Kühlprinzip, insbesondere mittels des gleichen Kühlkreislaufs, gekühlt werden.
10. Multiphasenantriebssystem (100) nach einem der Ansprüche
7 bis 9, wobei der Spannungsumformer (4) , die Stromrichtermodule (11) und/oder der Leitungsstreckenabschnitt (3) im Innern eines Gehäuses des Multiphasenantriebs (10) angeordnet sind .
11. Schiff (20) mit einem Multiphasenantriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10.
12. Windkraftanlage (21) mit einem Multiphasenantriebssystems (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10.
13. Verdichtersystem (22) , aufweisend einen Verdichter (220) und ein Multiphasenantriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Verdichter (220) mechanisch mit einer Antriebswelle (101) des Multiphasenantriebs (10) gekoppelt ist.
14. Pumpsystem (23) , aufweisend eine Pumpe (230) und ein Multiphasenantriebssystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Pumpe (230) mechanisch mit einer Antriebswelle (101) des Multiphasenantriebs (10) gekoppelt ist.
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