AT517397A1 - Anordnung mit einem Synchrongenerator und einer Asynchronmaschine - Google Patents

Anordnung mit einem Synchrongenerator und einer Asynchronmaschine Download PDF

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AT517397A1
AT517397A1 ATA442/2015A AT4422015A AT517397A1 AT 517397 A1 AT517397 A1 AT 517397A1 AT 4422015 A AT4422015 A AT 4422015A AT 517397 A1 AT517397 A1 AT 517397A1
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Abstract

Anordnung mit einem Synchrongenerator (1) zur Umwandlung von mechanischer Leistung in elektrische Leistung, mit einer vorgegebenen Polpaarzahl, einer Asynchronmaschine (2), mit ausgeprägter Läuferwicklung, die mit einem Rotor (3) des Synchrongenerators (1) mechanisch gekoppelt ist und eine um wenigstens 1 größere Polpaarzahl als der Synchrongenerator (1) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einem Synchrongenerator sowie ein Genset und ein Verfahren zum Betreiben eines Gensets.
Zur dezentralen Energieerzeugung werden häufig sogenannte Gensets eingesetzt, das sind mit einem Generator (meist einem Synchrongenerator) gekoppelte Brennkraftmaschinen. Für diese Anwendung gebräuchliche Brennkraftmaschinen können Leistungen bis 10 MW (Megawatt) Oder sogar darüber erzielen und weisen dementsprechende Abmessungen auf.
Im Betrieb laufen diese Brennkraftmaschinen bei einer von der Netzfrequenz vorgegebenen Drehzahl, beispielsweise 1000 Umdrehungen pro Minute bei 50 Hz Netzfrequenz und einer Polpaarzahl von 3. Üblicherweise wird die am Läufer benötigte Erregungsleistung der Synchronmaschine über eine bürstenlose Hilfsmaschine an den Läufer übertragen.
Zum allgemeinen Hintergrund sei beispielsweise auf die DE2235058 (A1) verwiesen, die eine Anordnung zur Erregung einer asynchron anlaufenden Synchronmaschine zeigt.
Zum Überwinden der hohen Anlaufmomente erfordert das Starten solcher Brennkraftmaschinen Startvorrichtungen mit großer Leistung. Fiir Brennkraftmaschinen über 5 MW werden in der Regel pneumatische Startvorrichtungen eingesetzt, darunter kommen meist elektrische Starter zum Einsatz. Insbesondere pneumatische Startvorrichtungen sind sehr kostspielig und erfordern viel Platz.
Es sind also sowohl fiir die Erregung des Synchrongenerators als auch zum Starten der Brennkraftmaschine teure Zusatzaggregate erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung mit einem Synchrongenerator, ein Genset bzw. ein Verfahren zum Betreiben eines Gensets anzugeben, welche bzw. welches die Nachteile aus dem Stand derTechnik umgeht.
Gelöst werden diese Aufgaben durch eine Anordnung nach Anspruch 1, ein Genset nach Anspruch 7 bzw. ein Verfahren nach Anspruch 9. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Durch eine Anordnung mit einem Synchrongenerator zur Umwandlung von mechanischer Leistung in elektrische Leistung, mit einer vorgegebenen Polpaarzahl einer Asynchronmaschine mit ausgeprägter Läuferwicklung, die mit einem Rotor des Synchrongenerators mechanisch gekoppelt ist und eine um wenigstens 1 größere Polpaarzahl als der Synchrongenerator aufweist, wird erreicht, dass die Asynchronmaschine bei einer vorgegebenen Drehzahl des Synchrongenerators gegenüber dem Synchrongenerator iibersynchron und damit selbst als Generator wirkend läuft, d.h. es wird eine Asynchronmaschine gleichzeitig als Erregermaschine des Synchrongenerators und als Startermotor verwendet.
An einem Zahlenbeispiel illustriert bedeutet dies, dass bei einer Polpaarzahl des Synchrongenerators von 3 die Asynchronmaschine beispielsweise eine Polpaarzahl von 4 aufweist, also 8 Pole hat. „Ausgeprägte Läuferwicklung“ bedeutet, dass es sich um eine gewickelte Spule und nicht um einen Kurzschlussläufer (Käfigläufer) handelt.
Bevorzugt ist die Asynchronmaschine in Bezug auf die elektrische Leistung wesentlich kleiner, zum Beispiel um einen Faktor 100, ausgebildet als der Synchrongenerator.
Bei einer als gegeben angesehenen Drehzahl des Synchrongenerators von beispielsweise 1000 Umin-1 läuft die Asynchronmaschine wegen der höheren Polpaarzahl mit konstanten Schlupf, also im generatorischen Betrieb. Schlupf wird üblicherweise mit „s“ abgekürzt, wobei ein negativer Schlupf einen generatorischen Betrieb bezeichnet. Der Betriebszustand lautet dem entsprechend s < 0.
Dies eröffnet die Möglichkeit, die Asynchronmaschine zur Versorgung der Erregerwicklung des Synchrongenerators mit elektrischer Leistung iiber den Rotor heranzuziehen.
ZurSteuerung dervon der Asynchronmaschine erzeugten Erregerspannung des Synchrongenerators sind verschiedene Varianten möglich:
So kann vorgesehen sein, dass am Läufer der Asynchronmaschine wenigstens eine gesteuerte, rotierende Gleichrichtereinheit angeordnet ist, vorzugsweise als rotierender Thyristorsatz ausgeführt. Das Steuersignal des Thyristorsatzes kann beispielsweise drahtlos mittels bekannten Systemen an den Läufer übertragen werden.
Damit kann aus der der induzierten Läuferspannung der Asynchronmaschine eine variable Erregerspannung fiir den Synchrongenerator erzeugt werden. Auf diese Weise lässt sich das Erregerfeld des Synchrongenerators gezielt regeln.
Gemäß einer anderen Variante kann vorgesehen sein, dass am Läufer der Asynchronmaschine wenigstens ein ungesteuerter Gleichrichter angeordnet ist.
Auf diese Weise lässt sich die Erregerspannung des Synchrongenerators durch Variation der Ständerspannung der Asynchronmaschine, beispielsweise über einen statischen Thyristorsatz steuern.
Besonders vorteilhaft an der Anordnung ist, dass eine so ausgebildete Asynchronmaschine auch zum Andrehen des Synchrongenerators, bzw., wenn der Synchrongenerator mit einer Antriebsmaschine, z.B. einer Hubkolbenmaschine (Brennkraftmaschine) verbunden ist, auch zum Starten der Antriebsmaschine verwenden lässt. In diesem Fall wird die Asynchronmaschine in herkömmlicher Weise als Elektromotor betrieben. Als Schlupf ausgedrückt, lautet der Betriebszustand dann 0 < s < 1.
Die Asynchronmaschine muss dazu fiir das zum Andrehen des Synchrongenerators und zum Starten der Antriebsmaschine aufzubringende Moment dimensioniert werden.
Auf diese Weise ist die Asynchronmaschine als Erregermaschine fiir den Synchrongenerator und gleichzeitig als Startermotor fiir die Antriebsmaschine nutzbar. Auf zusätzliche Startvorrichtungen und Erregermaschinen kann verzichtet werden.
Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist es, dass die Drehzahl der Anordnung bei Verwendung der Asynchronmaschine im motorischen Betrieb annähernd bis auf Schlupf s = 0 gesteigert werden könnte, also fast 750 U/min im erwähnten Zahlenbeispiel. Somit sind wesentliche höhere Startdrehzahlen als bei herkömmlichen Startermotoren erzielbar, womit ein gekoppelter Hubkolbenmotor leichter zu starten ist. Herkömmliche Startermotoren erreichen in der Regel wesentlich niedrigere Drehzahlen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei der Antriebsmaschine urn einen Hubkolbenmotor handelt, besonders bevorzugt urn einen stationären Gasmotor handelt. Die Erfindung eignet sich insbesondere fiir die Anwendung auf stationäre Brennkraftmaschinen, besonders Gasmotoren, insbesondere fiir Brennkraftmaschinen, die mit einem Synchrongenerator zu einem Genset zur dezentralen Energieversorgung gekoppelt sind.
Die Erfindung wird mit nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Figur 1 und 2 zeigen Anordnungen eines Synchrongenerators und einer Asynchronmaschine in zwei Varianten, die sich bezüglich der Spannungsregelung unterscheiden. Ausführungen zu Figur 1 gelten fiir Figur 2 und umgekehrt.
Gezeigt ist ein Synchrongenerator 1 und eine leistungsmäßig wesentlich kleinere Asynchronmaschine 2, die an einem gemeinsamen Rotor 3 angeordnet sind. Angedeutet ist weiters eine Antriebsmaschine 6, die mit dem als Welle ausgebildeten Rotor 3 verbindbar ist. Zu erkennen ist weiters die Erregerwicklung 4 des Rotors der Synchronmaschine 1 sowie die Läuferwicklung 7 der Asynchronmaschine 2.
In beiden Ausfiihrungsbeispielen weist der Synchrongenerator 1 drei Polpaare auf und die Asynchronmaschine 2 vier Polpaare auf. An dem als Welle ausgebildeten Rotor 3 kann beispielsweise eine Antriebsmaschine 6, etwa ein Hubkolbenmotor, iiber eine mechanische Kopplung 10 gekoppelt sein. Die Läuferwicklung 7 der Asynchronmaschine 2 ist elektrisch mit der Erregerwicklung 4 des
Synchrongenerators 1 verbunden, je nach Variante iiber einen gesteuerten Gleichrichter 13 (Fig. 1) oder ungesteuerten Gleichrichter 14 (Fig. 2). Für den motorischen Betrieb der Asynchronmaschine 2, d.h. während eines Startvorganges (die Asynchronmaschine 2 wirkt als Starter-Motor) ist die Läuferwicklung 7 optional mit einer verstellbaren Impedanz 11 beaufschlagt, um das Anzugsmoment zu erhöhen. Eine Steuereinrichtung 5 ist über Steuerleitungen (nicht gezeigt) mit den Wicklungen 4, 7, 8, 9, der Impedanz 11, der Antriebsmaschine 6 (falls vorhanden) und dem Rotor 3 verbindbar, vorzugsweise mittels kontaktloser Übertragung auf den Rotor.
In der gezeigten Variante von Figur 1 erfolgt die Spannungsregelung der Erregerspannung U2sy des Synchrongenerators 1 über eine gesteuerte, rotierende Gleichrichtereinheit 13, vorzugsweise mittels eines gesteuerten, rotierenden Thyristorsatzes.
In der Variante gemäß Figur 2 erfolgt die Spannungsregelung der Erregerspannung U2SY des Synchrongenerators 1 über eine ungesteuerte, rotierende Gleichrichtereinheit 14, vorzugsweise einen Diodengleichrichter, und einer statischen Spannungsregelung 15 der Asynchronmaschine 2, vorzugsweise mittels eines statischen Thyristorsatzes.
Zur Illustration der Leistungsverhältnisse zwischen dem Synchrongenerator 1 und der Asynchronmaschine 2 seien ganz beispielhaft Zahlenwerte für die Nennleistungen genannt: so kann die Nennleistung des Synchrongenerators 1 beispielsweise 12 MVA (Megavoltampere) betragen und die Nennleistung der Asynchronmaschine 2 ca. 50 kVA (Kilovoltampere).
Im Folgenden sei die Funktion der Asynchronmaschine 2 als Erregermaschine für den Synchrongenerator 1, das heißt die Funktion der Asynchronmaschine 2 im Generatorbetrieb erläutert. Das folgende Zahlenbeispiel ist selbstverständlich auch für andere als in Figur 1 und 2 gezeigte Ausführungsbeispiele anwendbar. Zunächst wird der Schlupf s der Asynchronmaschine 2 bestimmt. Die Asynchronmaschine 2 weise eine Nenndrehzahl Πν von 750 Umin-1 auf, die Betriebsdrehzahl n des
Synchrongenerators 1 sei 1000 Umin-1. Dann berechnet sich der Schlupf s der Asynchronmaschine 2 wie folgt:
Daraus ergibt sich eine im Läufer vorhandene Leistunq P? von:
mit Pm der mechanischen Antriebsleistung der Welle (Rotor 3).
Diese Leistung P2 kann am Rotor 3 mit der Frequenz f2 abgegriffen werden.
Die Läuferspannung der Asynchronmaschine 2 U2ASY liegt also mit der Frequenz f2 =16,66Hz an. Diese Spannung wird je nach Ausführungsvariante mittels gesteuerten Oder ungesteuerten, rotierenden Gleichrichtern gleichgerichtet und dient als Erregerspannung U2SY der Synchronmaschine.
Im Stator der Asynchronmaschine 2 ergibt sich folgende Leistung Pi die ins Netz gespeist werden kann, nach Abzuq der Verluste:
Im Folgenden sei die Funktion der Asynchronmaschine 2 im motorischen Betrieb erläutert:
Durch Zuschalten der stillstehenden Asynchronmaschine 2 an ein Drehstromnetz 12 ist diese als Elektromotor betreibbar. Durch die ausgeprägte Läuferwicklung 7 der Asynchronmaschine 2 wird der Anlaufstrom geringer ausfallen als bei einem Kurzschlussläufer, und das Anlaufdrehmoment grosser sein.
Zusätzlich kann zur Verbesserung des Startverhaltens (d.h. während des Motorbetriebs der Asynchronmaschine 2, also bei untersynchronen Drehzahlen) an der Läuferwicklung 7 der Asynchronmaschine 2 eine Hilfsimpedanz 11 statt der Erregerwicklung 4 geschaltet werden, wie in Fig. 1 und Fig. 2 angedeutet. So kann das Anlaufdrehmoment optimiert werden. Die Auslegung der Hilfsimpedanz 11 richtet sich nach den elektrischen und mechanischen Größen der Anordnung.
Wird die Asynchronmaschine 2 nun aus dem Netz 12 mit Leistung versorgt, beschleunigt die Asynchronmaschine 2 die Anordnung auf eine Drehzahl nahe der Nenndrehzahl nNASYM der Asynchronmaschine 2 (ca. 750rpm im genannten Zahlenbeispiel). Diese Drehzahl ist wesentlich höher als bei herkömmlichen Startersystemen, was sich vorteilhaft auf den Start einer Hubkolbenmaschine auswirkt. 1st an der Anordnung noch eine Brennkraftmaschine 6 vorgesehen, kann diese nun die Anordnung aus Synchrongenerator 1, Asynchronmaschine 2 und Antriebsmaschine 6 auf eine Nenndrehzahl des Synchrongenerators 1 (im genannten Beispiel 1000 Umin'1) weiter beschleunigen, wodurch die Asynchronmaschine 2 stufenlos in den vorhin beschriebenen Generatorbetrieb übergeht.
Zur Regelung der Erregerspannung des Synchrongenerators 1 bestehen zwei Varianten:
In einer ersten Variante, wie in Figur 1 dargestellt, bewirkt eine gesteuerte, rotierende Gleichrichtereinheit 13, vorzugsweise ein Thyristorsteuersatz, eine variable Erregerspannung U2sy des Synchrongenerators 1.
Bevorzugt wird die Gleichrichtereinheit 13 als gesteuerter, rotierender Thyristorsteuersatz ausgeführt, der eine besonders schnelle Regelung der Erregerspannung U2sy des Synchrongenerators 1 erlaubt, und außerdem ohne Verzögerung zu- und weggeschaltet werden kann.
Figur 2 zeigt eine Anordnung eines Synchrongenerators 1 und einer Asynchronmaschine 2 gemäß der zweiten Variante:
Hier erfolgt die Spannungsregelung der Erregerspannung U2sy des Synchrongenerators 1 durch Variieren der Statorspannung der Asynchronmaschine 2 vorzugsweise durch einen statischen Thyristorsteuersatz 15 im Ständer der Asynchronmaschine 2 und iiber einen ungesteuerten Gleichrichter 14 im Rotor 3. Dadurch wird die induzierte Läuferspannung U2asy verändert, und somit fiber den Gleichrichter 14 die Erregerspannung U2sy.
Diese Anordnung erlaubt eine Regelung der Erregerspannung U2sy des Synchrongenerators 1, für die keine Steuersignale im Rotor 3 erforderlich sind.
Zusätzlich kann der Thyristorsteuersatz 15 auch für einen Sanftanlauf der Asynchronmaschine 2 beim Starten der Antriebsmaschine 6 verwendet werden.
Die Vorteile dieser Variante sind die einfachere und günstigere Regelung als mit gesteuerten Thyristoren im Rotor und die Möglichkeit für einen Sanftanlauf der Asynchronmaschine 2 bei Startmodus. Nachteilig sind die längeren Regelzeiten der Erregerspannung des Synchrongenerators.
Liste der verwendeten Bezugszeichen: 1 Synchrongenerator 2 Asynchronmaschine 3 Rotor 4 Erregerwicklung des Synchrongenerators 1 5 Steuervorrichtung 6 Antriebsmaschine 7 Läuferwicklung der Asynchronmaschine 2 8 Statorwicklung des Synchrongenerators 1 9 Statorwicklung der Asynchronmaschine 2 10 mechanische Kopplung zur Antriebsmaschine 6 11 Hilfsimpedanz 12 Netz 13 gesteuerte, rotierende Gleichrichtereinheit (z.B. Thyristoren) 14 ungesteuerter, rotierender Gleichrichter (z.B. Dioden) 15 statische Spannungssteuerung (z.B. Thyristorsteuersatz) s Schlupf n Betriebsdrehzahl des Synchrongenerators 1 nN Nenndrehzahl der Asynchronmaschine 2
Pi von Asynchronmaschine 2 ins Netz 12 speisbare Leistung P2 Leistung im Läufer
Pm mechanische Antriebsleistung fi Netzfrequenz f2 Frequenz der Läuferspannung der Asynchronmaschine 2 U2asy Läuferspannung der Asynchronmaschine U2sy Erregerspannung des Synchrongenerators Z Impedanz
Innsbruck, am 3. Juli 2015

Claims (9)

  1. Patentansprüche
    1. Anordnung mit: - einem Synchrongenerator (1) zur Umwandlung von mechanischer Leistung in elektrische Leistung, mit einer vorgegebenen Polpaarzahl - einer Asynchronmaschine (2), mit ausgeprägter Läuferwicklung, die mit einem Rotor (3) des Synchrongenerators (1) mechanisch gekoppelt ist und eine urn wenigstens 1 größere Polpaarzahl als der Synchrongenerator (1) aufweist.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine Läuferwicklung eines Läufers der Asynchronmaschine (2) mit wenigstens einer Erregerwicklung (4) des Rotors des Synchrongenerators (1) elektrisch gekoppelt ist.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei eine Steuervorrichtung (5) zur Steuerung oder Regelung der in der wenigstens einen Erregerwicklung (4) des Rotors (3) des Synchrongenerators (1) durch die elektrische Kopplung anliegenden Spannung vorgesehen ist.
  4. 4. Anordnung nach Anspruch 2, wobei am Läufer der Asynchronmaschine (2) wenigstens eine gesteuerte, rotierende Gleichrichtereinheit (13) angeordnet ist.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 2, wobei am Läufer der Asynchronmaschine (2) wenigstens ein ungesteuerter, rotierender Gleichrichter (14) angeordnet ist.
  6. 6. Anordnung nach wenigstens einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Synchrongenerator (1) mechanisch mit einer Antriebsmaschine(6) zu einem Genset gekoppelt ist.
  7. 7. Genset nach Anspruch 6, wobei die Asynchronmaschine (2) als Startvorrichtung für die Antriebsmaschine (6) ausgebildet ist.
  8. 8. Genset nach Anspruch 7, wobei die Asynchronmaschine (2) dazu ausgebildet ist, nach Überschreiten einer vorgegebenen Drehzahl der Antriebsmaschine (6) als Generator zur Erzeugung der Erregerspannung des Synchrongenerators (1) zu wirken.
  9. 9. Verfahren zum Betreiben eines Gensets nach einem der Ansprüche 7 Oder 8, wobei die Asynchronmaschine (2) zum Anlassen der Antriebsmaschine (6) verwendet wird und nach Clberschreiten einer vorgegebenen Drehzahl der Antriebsmaschine (6) als Generator zur Erzeugung der Erregerspannung des Synchrongenerators (1) verwendet wird. Innsbruck, am 3. Juli 2015
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