Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einer hydraulischen Maschine und wenigstens einem elektrischen Antriebssystem, wobei das elektrische Antriebssystem zum Regulieren der hydraulischen Maschine verwendet wird. Dazu umfasst die hydraulische Maschine eine Vielzahl von Schaufeln und ein Regelorgan zum Schwenken der Schaufeln, wobei das elektrische Antriebssystem zum Betätigen des Regelorgans mit demselben verbunden ist. Je nach Bauart der hydraulischen Maschine kann es sich bei den Schaufeln um Leitschaufeln und bei dem Regelorgan um einen Regelring des Leitapparates (Francis, Propeller oder Kaplan) oder bei den Schaufeln um Laufradschaufeln und bei dem Regelorgan um einen Kreuzkopf handeln (Kaplan).

In der Regel werden zur Regulierung von hydraulischen Maschinen von Wasserkraftanlagen Antriebssysteme mit öl hydraulischen Servomotoren in Form von Hydraulikzylindern verwendet. Im Schadensfall ergibt sich dadurch das Risiko der Verschmutzung des Gewässers durch das Hydrauliköl. Zur Lösung dieses Problems wurden im Stand der Technik elektrisch betriebene Servomotoren zur Regulierung von Wasserkraftanlagen vorgeschlagen.

Die WO 2016/145 541 A1 offenbart beispielsweise eine Wasserkraftanlage mit elektrischen Servomotoren zum Bewegen der Leitschaufeln. Die DE 464 551 A offenbart eine Wasserkraftanlage mit einem elektrischen Servomotor zum Bewegen der Laufradschaufeln.

Da die sicherheitsrelevanten Funktionalität, wie z.B. die Notschlussfähigkeit, der Regulierung einer hydraulischen Maschine einer Wasserkraftanlage unter allen Umständen gegeben sein muss, ergibt sich bei elektrisch betrieben Servomotoren das Problem der Gewährleistung der Funktionalität bei einem Stromausfall. In der Regel werden dazu elektrische Energiespeicher und die dazugehörige Ausstattung zur Überwachung und Ladung benötigt (vgl. die WO 2016/145 541 A1 ). Es sind jedoch noch weitere Ausfallursachen denkbar

Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, eine Wasserkraftanlage mit einer hydraulischen Maschine und einem elektrischen Antriebssystem zur Regulierung anzugeben, das ohne Hydrauliköl betrieben wird und eine höhere Betriebssicherheit aufweist, als die bekannten Wasserkraftanlagen mit einem elektrischen Antriebssystem.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine Wasserkraftanlage mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den davon abhängigen Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:

Figur 1 Gattungsgemäße Wasserkraftanlage;

Figur 2 Elektrisches Antriebssystem zum Regulieren der

hydraulischen Maschine einer erfindungsgemäßen

Wasserkraftanlage in einer ersten Ausführungsform;

Figur 3 Elektrisches Antriebssystem zum Regulieren der

hydraulischen Maschine einer erfindungsgemäßen

Wasserkraftanlage in einer weiteren Ausführungsform.

Figur 1 zeigt in sehr schematischer Darstellung eine gattungsgemäße Wasserkraftanlage gemäß dem Stand der Technik. Dabei ist die Wasserkraftanlage mit 1 bezeichnet. Die Wasserkraftanlage 1 umfasst eine hydraulische Maschine, welche mit 2 bezeichnet ist. Die hydraulische Maschine 2 umfasst wenigstens ein Regelorgan zum Regulieren der hydraulischen Maschine 2. Dabei ist das schematisch dargestellte Regelorgan mit 3 bezeichnet. Die hydraulische Maschine 2 umfasst eine Vielzahl von Schaufeln, von denen eine mit 4 bezeichnet ist, und welche mit dem Regelorgan 3 verbunden sind. Die hydraulische Maschine 2 umfasst ferner wenigsten ein elektrisches Antriebssystem zum Betätigen des Regelorganes 3, welches mit 5 bezeichnet und mit dem Regelorgan 3 verbunden ist. Durch die Betätigung des Regelorganes 3 reguliert das elektrische Antriebssystem 5 die hydraulische Maschine 2, indem durch die Betätigung des Regelorgans 3 die Schaufeln 4 geschwenkt werden.

Als Regelorgan kommen bei den bekannten Bauarten von hydraulischen Maschinen beispielsweise der Regelring eines Leitapparates (Francis, Propeller oder Kaplan) oder ein Kreuzkopf (Kaplan) in Frage. Dabei werden mit einen Regelring die Leitschaufeln und mit einen Kreuzkopf die Laufradschaufeln geschwenkt.

Figur 2 zeigt ein elektrisches Antriebssystem zum Regulieren der hydraulischen Maschine einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage in einer ersten Ausführungsform. Das elektrische Antriebssystem ist mit 5 bezeichnet. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst wenigstens eine Gewindespindel, welche mit 6 bezeichnet ist. Zum Betätigen des Regelorgans ist die Gewindespindel 6 mit dem Regelorgan verbunden. Figur 2 zeigt weder das Regelorgan noch die Verbindung der Gewindespindel 6 mit demselben. In Figur 2 sind jedoch durch die beiden kleinen Kreise die Angriffspunkte der Gewindespindel 6 angedeutet. Mit einem der Angriffspunkte wird die Gewindespindel 6 abgestützt, z.B. am einem Gehäuse oder Fundament, und mit dem anderen Angriffspunkt greift die Gewindespindel 6 am Regelorgan an. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst ferner wenigstens ein Getriebe, welches mit der Gewindespindel 6 verbunden und mit 7 bezeichnet ist. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst ferner wenigstens zwei elektrische Motoren mit je einer Antriebswelle, welche mit 10 und 11 bezeichnet sind. Dabei sind die Antriebswellen der Elektromotoren 10 und 11 so mit dem Getriebe 7 verbunden, dass beide Motoren die Gewindespindel 6 über das Getriebe 7 antreiben können. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst wenigstens eine mechanische Bremse, welche auf einer der Antriebswellen angeordnet und mit 8 bezeichnet ist. Die mechanische Bremse 8 ist vorzugsweise als Fliehkraftbremse ausgebildet. Die mechanische Bremse 8 fungiert als mechanische Drehzahlbegrenzung. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst ferner wenigstens zwei Steuereinheiten, welche mit 12 und 13 bezeichnet sind. Jede der Steuereinheiten umfasst einen Frequenzumrichter, welche mit 120 und 130 bezeichnet sind. Dabei stellen die Steuereinheiten 12 und 13 Sicherheitsfunktionen zur Verfügung (wenigstens SLS „safe limited speed" und SLP „safe limited Position"). Jede der Steuereinheiten 12 und 13 ist dabei jeweils so mit einem der Elektromotoren 10 und 11 elektrisch verbunden, dass die Steuereinheit den jeweiligen Elektromotor antreiben kann. Die Steuereinheiten werden im Normalbetrieb aus einem Stromnetz gespeist. Das elektrische Antriebssystem umfasst einen elektrischen Energiespeicher, welcher mit 9 bezeichnet ist. Der Energiespeicher 9 ist so ausgeführt und mit den Steuereinheiten 12 und 13 verbunden, dass er dieselben im Falle eines Stromausfalls speisen kann. Der Energiespeicher 9 ist dabei so ausgelegt, dass im Falle eines Stromausfalls wenigstens eine Schließfunktion des Regelorgans ausgeführt werden kann. Das elektrische Antriebssystem 5 umfasst ferner wenigstens zwei Positionserfassungseinheiten, welche mit 20 und 21 bezeichnet sind. Dabei ist jeweils eine Positionserfassungseinheit 20 bzw. 21 an je einem der Elektromotoren 10 bzw. 11 angeordnet. Optional kann auch die Gewindespindel 6 eine weitere Positionserfassungseinheit umfassen. Zur Erfassung und Überwachung der Positionsmesswerte sind die an den Elektromotoren 10 und 11 angeordneten Positionserfassungseinheiten 20 und 21 jeweils mit der zum jeweiligen Motor gehörigen Steuereinheit 12 bzw. 13, und die optionale an der Gewindespindel 6 angeordnete Positionserfassungseinheit 22 mit beiden Steuereinheiten 12 und 13 verbunden. Auf diese Weise bilden jeweils eine Steuereinheit und ein Elektromotor ein Antriebsmodul. Durch die redundante Ausführung der Module ergibt sich eine hohe Robustheit gegen einen Ausfall in einem der Module. Die Betriebssicherheit wird weiter durch die zwei- bzw. dreifache Redundanz der Positionserfassung und die dreifache Redundanz in der Sicherung gegen Überdrehzahl (mechanisch durch die Bremse und elektronisch in den Steuereinheiten) erhöht.

Figur 3 zeigt ein elektrisches Antriebssystem zum Regulieren der hydraulischen Maschine einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage in einer weiteren

Ausführungsform. Die Bezeichnungen entsprechen denen von Figur 2. Zusätzlich umfasst das elektrische Antriebssystem 5 eine weitere Gewindespindel, welche mit 16 bezeichnet ist und optional eine zusätzliche Positionserfassungseinheit umfasst, welche mit 23 bezeichnet ist. Ferner umfasst das elektrische Antriebssystem 5 ein weiteres Getriebe, welches mit 17 bezeichnet ist, und eine weitere mechanische Bremse, welche mit 18 bezeichnet ist. Die mechanische Bremse 18 ist vorzugsweise als Fliehkraftbremse ausgebildet. Dabei sind je ein Elektromotor 10 bzw. 11 mit je einem Getriebe 7 bzw. 17, und je eine Gewindespindel 6 bzw. 16 mit je einem Getriebe 7 bzw. 17 verbunden. Je eine mechanische Bremse 8 bzw. 18 ist dabei an der Antriebswelle von je einem Elektromotor 10 bzw. 11 angeordnet.

In der Ausführungsform gemäß Figur 3 bilden jeweils eine Steuereinheit, ein Elektromotor, eine mechanische Bremse, ein Getriebe und eine Gewindespindel ein Antriebsmodul. Die zusätzliche optionale Positionserfassungseinheit 23 ist dabei mit der zum selben Modul gehörigen Steuereinheit 13 verbunden. Durch die erhöhte Anzahl von redundanten Bauteilen erhöht sich die Betriebssicherheit weiter gegenüber der Ausführungsform gemäß Figur 2. Während dem Betrieb der hydraulischen Maschine kann es zu hohen hydraulischen Momenten kommen, welche das Regelorgan auf das elektrische Antriebssystem überträgt. Im Normalbetrieb bringen dabei die Frequenzumrichter den notwendigen Bremswiderstand auf, indem sie elektrische Energie ins Stromnetz oder in den elektrischen Energiespeicher einspeisen. Optional kann jeder Frequenzumrichter einen im Gleichstromzwischenkreis angeordneten Bremswiderstand umfassen, der ein Bremsen ermöglicht, auch wenn keine Rückspeisung ins Stromnetz oder in den Energiespeicher möglich sein sollte. In Figur 2 ist ein solcher Bremswiderstand schematisch angedeutet und mit 19 bezeichnet.