DE2845930A1

DE2845930A1 - Anordnung zur wandlung kinetischer in elektrische energie

Info

Publication number: DE2845930A1
Application number: DE19782845930
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Loeffler; Hugo Ing Grad Muehloecker; Joachim Ing Grad Nachtigal
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-10-21
Filing date: 1978-10-21
Publication date: 1980-04-24
Also published as: DE2845930C2; JPS5556499A

Description

Anordnung zur Wandlung kinetischer in elektrische
Energie Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Wandlung kinetischer in elektrische Energie, bei der eine ständerseitig an einem frequenzkonstanten Netz hängende Asynchronmaschine von einer Turbine angetrieben wird.
Bei bekannten Anordnungen wird Wasserkraft oder Windkraft in Rotationsenergie umgewandelt, mit der dann elektrische Maschinen (Generatoren) angetrieben werden0 Als elektrische Maschinen werden vornehmlich Asynchron- und Synchron-Generatoren eingesetzt. Diese Maschinen verlangen, um in ein Netz mit konstanter Frequenz einspeisen zu können, eine entsprechend konstante Drehzahl. Diese wird durch die Turbinenregelung entsprechend der Forderung nach einer starren Netzfrequenz erreicht. Die Leistungsabgabe wird dabei durch MbrändErung des Schlupfes bzw. des Polradwinkels gegenüber der Netzfrequenz geregelt. Die in das Netz abgegebene Leistung ist dem Schlupf bzw. dem Polradwinkel proportional.
Bei Windkraft muß mit sehr unterschiedlichen Windgeschwindigkeiten und mit sehr langen Zeitkonstanten gerechnet werden, die eine Drehzahlkonstanz, wie sie für den Netzbetrieb erforderlich ist, nicht zustande kommen lassen, da die Drehzahl sich mit der Windgeschwindigkeit ändert. Dies trifft auch bei Wasserkraft mit stark schwankendem Gefälle, z.B. Gezeitenkraftwerken zu.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einspeisung elektrischer Energie mit konstanter Frequenz bei variabler Drehzahl einer Asynchronmaschine ins Netz zu ermöglichen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß darin, daß der Läufer der Asynchronmaschine über einen statischen Umrichter mit dem gleichen frequenzkonstanten Netz verbunden ist wie der Ständer, daß die Ausgangsspannung des Umrichters durch Aussteuerung der Thyristoren in der Frequenz derart geändert wird, daß die Summe aus der dem Läufer aufgedruckten Frequenz und der der variablen Läuferdrehzahl proportionalen Frequenz stets gleich der Netzfrequenz ist und daß gleichzeitig der Phasenwinkel des Läuferstromes durch die Umrichtersteuerung so geändert wird, daß bei einer Drehzahlerhöhung über die synchrone Drehzahl die Läuferleistung über den Umrichter ins Netz geliefert und bei einer Drehzahlverringerung unter die synchrone Drehzahl die Läuferleistung über den Umrichter aus dem Netz bezogen wird0 Auf diese Weise ist es möglich, die rlindleistung der Asynchronmaschine unabhängig von der Wirkleistung zu regeln und das sehr stark scharankende Energieangebot durch Zwischenspeicherung in den rotierenden Massen zu vergleichmäßigen. Ferner kann die Ausregelung von kleinen schnellen Änderungen des mechanischen Leistungsangebots durch Steuerung des Umrichters nach Frequenz und Phasenwinkel durch elektronische Regler verzögerungsfrei vorgenommen werden, so daß die trägen mechanischen Regler (Laufrad- und Blattverstellantriebe) nur bei großen Leistungsänderungen beansprucht werden.
Dadurch ergibt sich ein wesentlich geringerer Verschleiß der mechanischen Regeleinheiten.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt0 Fig. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild einer Anordnung zur Wandlung kinetischer in elektrische Energie, Fig. 2 ein Betriebsdiagramm der in Fig. 1 gezeigten Anordnung und Fig. 3 und 4 je ein Leistungsfluß-Diagramm zu Fig,2.
In Fig. 1 ist mit 1 ein frequenzkonstantes Netz bezeichnet, an das der Ständer 3 einer Asynchronmaschine über einen Leistungsschalter 2 angeschlossen ist.
Der Läufer 4 der Asynchronmaschine ist über je einen Leistungsschalter 8 und 12, einen statischen Umrichter 10 und einen Umrichtertransformator 11 mit dem gleichen frequenzkonstanten Netz 1 verbunden wie der Ständer 3. Die Welle der Asynchronmaschine wird von einer Turbine 5, die eine Wind- oder Wasserturbine sein kann, angetrieben0 Der augenblickliche Betriebszustand der Asynchronnaschine 3, 4 wird durch eine Leistungsmeßeinrichtung 13, eine Drehzahlmeßeinrichtung 15, 5 , eine Schlupffrequenzmeßeinrichtung 16 und eine Spannungsmeßeinrichtung 17 erfaßt und einem Leistungsregler 14, einem Spannungsregler 18 (oder Blindleistungsregler) und einem Drehzahlregler 19 in Form von analogen oder digitalen Meßsignalen zur Verfügung gestellt.
In Fig. 2 ist das Leistungsdrehzahl-Diagramm einer derartigen Asynchronmaschine dargestellt. Auf der Ordinate ist die Wirkleistung auf der Abszisse die Drehzahl eingetragen. Die Leistung der Windturbine kann in einem Regelbereich zwischen den Grenzen 25 und 26 unterhalb der Nennleistungskennlinie 21 der Asynchronmaschine entsprechend der von der Turbine angebotenen Leistung mit variabler Drehzahl betrieben werden. Der Betrieb ist dabei infolge der veränderbaren Drehzahl im Optimum 23 der jeweiligen Leistungskennlinie 24 möglich. Bei Überschreitung des oberen Drehzahl grenzwertes 26 wird der Läufer 4 der Asynchronmaschine vom Umrichter 11 getrennt und über den Widerstand 7 kurzgeschlossen, so daß die Maschine nach der Kennlinie 22 betrieben wird und reine Wirkleistung ans Netz liefert, die bremsend auf die Turbine wirkt.
Zur Drehzahlleistungsregelung wird die Ausgangsspannung des Umrichters 10 durch Aussteuerung seiner Thyristoren derart geändert, daß die Summe aus der dem Läufer 4 aufgedrückten Frequenz und der der variablen Läuferdrehzahl proportionalen Frequenz stets gleich der Netzfrequenz ist. Gleichzeitig wird der Phasenwinkel des Läuferstromes durch den Steuersatz 9 des Umrichters 10 so geändert, daß bei einer Drehzahlerhöhung über die synchrone Drehzahl die Läuferleistung über den Umrichter 10 ins Netz geliefert (Fig. 3) und bei einer Drehzahlverringerung unter die synchrone Drehzahl die Läuferleistung aus dem Netz bezogen wird (Fig. 4)o Die rotierenden Massen von Turbine 5, Getriebe und Asynchronmaschine 3, 4 wirken bei wechselnder Drehzahl infolge von Geschwindigkeitsänderungen des Antriebsmediums als Kurzzeitspeicher, so daß dem Netz 1 eine vergleichmäßigte Energieabgabe angeboten wird.
Dabei regelt der Leistungsregler 14 die Wirkleistung der Asynchronmaschine 3, 4 durch Beeinflussung des Steuersatzes 9 des Umrichters 10 entsprechend der von der Turbine 5 angebotenen Drehzahl und Wirkleistung durch Änderung von Schlupffrequenz und Phasenwinkel des Stromes im Läufer 4 der Asynchronmaschine.
Bei Über- bzw. Unterschreiten der vorgegebenen Drehzahlgrenzwerte 25 bzwO 26 (Fig. 2) wird über den Drehzahlregler 19 in den Verstellmechanismus der Turbine 5 eingegriffen, um die Asynchronmaschine im Arbeitsbereich 20 zu halten.
Die Blindleistung der läufergespeisten Asynchronmaschine 3, 4 ist durch den Spannungsregler 18 oder durch einen Blindleistungsregler einstellbar. Dabei kann sowohl nach Spannung als auch nach Blindleistung, in beiden Fällen unabhängig von der Wirkleistung, entsprechend den Anforderungen des Netzes 1 geregelt werden0 Beide Arten der Regelung können durch Eingriff in Steuersatz 9 des Umrichters 10 entsprechend dem Eingangssignal der Spamnangsmeieinrichtung 17 und der 5SXTirkleistungsmeßeinrichtung 13 gesteuert werden. Verändert wird dabei die Be tragshöhe des Stromes im Läufer 4 des Asvnchronmaschine.
Entsprechend den Meßsignalen der Wirkleistungsmeßeinrichtung 13, Drehzahlmeßeinrichtung 15 und Schlupffrequenzmeßeinrichtung 16 leitet der 1irkleistungsregler 14 bei Überschreiten des oberen Drehzahlgrenzwertes 26 nach Fig 2 durch Öffnen des Schalters 8 die Abtrennung des Umrichters 10 vom Läufer 4 ein. Gleichzeitig wird der .iiderstand 7 mit dem Schalter 6 in den Stromkreis des Läufers 4 eingeschaltet, so daß die Asynchronmaschine 3, 4 nun im übersynchronen Betrieb ohne Umrichter 10 über den Leistungsschalter 2 in das Netz 1 Wirkleistung entsprechend der Leistung der Turbine 5 liefert. Die Magnetisierungsblindleistung der Asynchronmaschine 3, 4 wird in diesem Betriebszustand ohne Eingriffsmöglichkeit des Spannungsreglers 18 oder Blindleistungsreglers vom Netz 1 bezogen.
Durch diese Umschaltmöglichkeit braucht die Asynchronmaschine bei kurzzeitigem Überschreiten der gewählten Grenzdrehzahl des Regelbereiches nicht vom Netz 1 getrennt zu werden. Sie liefert über den Ständer weiterhin mit der Drehzahl steigende N'rirk leistung ins Netz und verhindert durch die bremsende Wirkung des elektrischen Momentes eine unzulässige Drehzahlerhöhung der Turbine 5. Wenn die Drehzahlerhöhung innerhalb einer vorgewählten Zeit abklingt, kann die Asynchronmaschine nach entsprechender Aussteuerung des Umrichters 10 im Läuferkreis wieder synchronisiert werden0 Entsprechend dem Meßsignal der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung 27 des klbriebsmediums (Wind oder Wasser) wird der Läufer 4 der Asynchronmaschine beim Start des Maschinensatzes durch die Turbine 5 mit Hilfe des Drehzahlreglers 19 auf einen vorbestimmten Mindestwert unterhalb der synchronen Drehzahl, die von der Drehzahlmeßeinrichtung 15 erfaßt wird, hochgefahren. Bei Erreichen der vorgegebenen Mindestdrehzahl wird der Läufer 4 der Asynchronmaschine durch Eingriff in die Steuerung 9 des Umrichters 10 erregt und bezüglich Frequenz, Phasenlage und Spannungshöhe an das etz 1 angepaßt und mit dem Leistungsschalter 2 stoßfrei synchronisiert. Damit ist ein Synchronisieren des Maschinensatzes unterhalb der synchronen Drehzahl aber innerhalb des vorgesehenen Arbeitsbereichs 20 möglich.
Das Ausgangssignal der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung 27 des Antriebsmediums wirkt dabei auf den Wirkleistungsregler 14 und den Drehzahlregler der Turbine 19.
Das Meßsignal der Geschwindigkeitsmeßeinrichtung 27 des Antriebsmediums wird vorteilhafter Weise im Leistungsregler 14 so verarbeitet, daß die Turbine im Optimum des jeweiligen Geschwindigkeitsbereiches des Antriebsmediums arbeitet (Kennlinie 23 in Fig.2).
Dies wird durch einen besonderen Bauteil im Wirkleistungsregler 14 erreicht, Dieser Bauteil kann beispielsweise ein Kurvenzugrechner sein. Damit kann die Turbine im gesamten Betriebsbereich stets mit maximal möglichem Wirkungsgrad, d.h. mit höchster Energieausbeute, betrieben werden 4 Figuren 4 Patentansprüche

Claims

Patentansprüche 1. Anordnung zur Wandlung kinetischer in elektrische Energie, bei der eine ständerseitig an einem frequenzkonstanten Netz hängende Asynchronmaschine von einer Turbine angetrieben wird, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Läufer (4) der Asynchronmaschine über einen statischen Umrichter (10) mit dem gleichen frequenzkonstantem Netz (1) verbunden ist wie der Ständer (3), daß die Ausgangsspannung des Umrichters (10) durch Aussteuerung der Thyristoren in der Frequenz derart geändert wird, daß die Summe aus der dem Läufer (4) aufgedrückten Frequenz und der der variablen Läuferdrehzahl proportionalen Frequenz ste.ts gleich der Netzfrequenz ist und daß gleichzeitig der Phasenwinkel des Läuferstromes durch die Umrichtersteuerung (9) so geändert wird, daß bei einer Drehzahlerhöhung über die synchrone Drehzahl die Läufer leistung über den Umrichter (10) ins Netz (1) geliefert und bei einer Drehzahlverringerung unter die synchrone Drehzahl die Läuferleistung über den Umrichter (10) aus dem Netz (1) bezogen wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Blindleistung der läufergespeisten Asynchronmaschine (3, 4) durch einen Regler (18) einstellbar ist, der den Betrag des Läuferstromes so verändert, daß die Blindleistung bzwo die Spannung der Asynchronmaschine (3, 4) entsprechend den Anforderungen des Netzes (1) unabhängig von der Wirkleistung geregelt wird.
3. Anordnung nach einen der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei einer Drehzahlerhöhung über einen vorgegebenen Drehzahlregelbereich hinaus der Umrichter (10) vom Läufer (4) der Asynchronmaschine getrennt und der Läufer (4) über einen Widerstand (7) kurzgeschlossen wird.
4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Asynchronmaschine (3, 4) durch die Turbine (5) bei Erreichen der Anlaufwindgeschazindigkeit bzw. der Anlauffallhöhe durch Eingriff in den Drehzahlregler (19) der Turbine auf eine vorgesehene Drehzahl unterhalb der synchronen Drehzahl hochgefahren wird und dann durch entsprechende Aus steuerung des Umrichters (10) im Läuferkreis stoßfrei synchronisiert wird.