AT510096B1 - Wasserkraft-staudruckmaschine - Google Patents

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AT510096B1 ATA1195/2010A AT11952010A AT510096B1 AT 510096 B1 AT510096 B1 AT 510096B1 AT 11952010 A AT11952010 A AT 11952010A AT 510096 B1 AT510096 B1 AT 510096B1
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Kühnke Thorsten
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Maschf Kba Moedling Aktiengesellschaft
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Abstract

Wasserkraft-Staudruckmaschine (1) mit wenigstens einem Laufrad (3), das eine Nabe (4) und damit verbundene Schaufeln (5) aufweist, und das im Betrieb eine Wasserstandshöhe (d) als Differenz zwischen einem Oberwasserpegel (8) und einem Unterwasserpegel (9) festlegt, mit einer mit dem Laufrad (3) gekuppelten elektrischen Motor-Generator-Maschine (10), und mit einer Regeleinrichtung (11) zur Regelung des Oberwasserpegels (8), die mit der Motor-Generator-Maschine (10) verbunden ist, um durch Regelung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine (10) die Drehzahl (n1 ) des Laufrads (3) zur Einhaltung eines vorgegebenen Oberwasserpegels (8) zu regeln.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Wasserkraft-Staudruckmaschine mit wenigstens einem Laufrad, das eine Nabe und damit verbundene Schaufeln aufweist, und das im Betrieb eine Wasserstandshöhe als Differenz zwischen einem Oberwasserpegel und einem Unterwasserpegel festlegt, mit einer mit dem Laufrad gekuppelten elektrischen Motor-Generator-Maschine, und mit einer Regeleinrichtung zur Regelung des Oberwasserpegels.
[0002] Wasserkraft-Staudruckmaschinen sind aus der AT 404 973 B und der AT 501 575 A1 bekannt. Das Laufrad wird quer zur Strömungsrichtung in einem Gerinne angeordnet. Die Nabe des Laufrads kann ein Wehr ersetzen, worunter im Wasserbau eine Stauanlage verstanden wird, die einen Flussbereich abschließt. Je nach Ausführung können Wehre bei Bedarf überströmt bzw. durchströmt werden, wobei der Abschnitt des Gerinnes in Strömungsrichtung oberhalb des Wehres als Oberwasser und der Abschnitt des Gerinnes unterhalb des Wehres als Unterwasser bezeichnet wird. Früher wurden Wehre mit geringen Stauhöhen lediglich zur bedarfsweisen Aufstauung des Wassers vorgesehen; ausgehend davon wurde in der AT 404 973 B bzw. AT 501 575 A1 vorgeschlagen, den Staudruck zur Energiegewinnung zu nützen. Zu diesem Zweck treibt das einströmende Wasser die Schaufeln des Laufrads an, das mit der Motor-Generator- Maschine verbunden ist. Im Generatorbetrieb wird ein bremsendes Drehmoment aufgebaut, und es erfolgt eine Umsetzung der mechanischen Leistung in eine elektrische Nutzleistung, die einem Energiespeicher zugeführt oder in ein Stromnetz eingespeist wird. Dieser Typ Wasserkraftmaschine hat den Vorteil, dass der Antrieb des Generators über den Druck des strömenden Wassers erfolgt. Demnach wird im Sinne eines hohen Wirkungsgrads bei großem Schluckvermögen sowohl die Fließgeschwindigkeit des Gerinnes als auch die der Wasserstandshöhe entsprechende potentielle Energie zur Energiegewinnung genutzt.
[0003] Die abgegebene Leistung und der erzielbare Wirkungsgrad hängen wesentlich vom Oberwasserpegel ab, d.h. vom oberwasserseitigen Wasserstand des Gerinnes bezüglich der Nabe des Laufrads. Der Oberwasserpegel beeinflusst die zum Antrieb des Laufrads verfügbare Wassermenge. Es wurde auch bereits vorgeschlagen (http://de.wikipedia.org/wiki/ Staudruckmaschine), den Oberwasserpegel zu regeln, um den aktuellen Oberwasserpegel laufend an den Oberwasserpegel-Soll-Wert anzugleichen.
[0004] Zudem sind im Stand der Technik verschiedenste Regelungstechniken für herkömmliche Wasserturbinen bekannt.
[0005] In der JP 2004 183618 A wird eine Steuerung für eine Wasserkraftanlage beschrieben, bei welcher die Versorgungsleitung für eine Wasserturbine eingangs- bzw. ausgangsseitig jeweils mit einem Drucksensor verbunden ist, um die Differenzdruck zwischen Eingang und Ausgang der Turbine zu bestimmen. Zudem sind Mittel zur Erfassung der einströmenden Wassermenge vorhanden. Die Signale der Drucksensoren, ebenso wie das Signal des Durchflussmessgeräts, dienen als Eingangsgrößen für eine Steuereinheit, mit welcher die Anlage im Bereich des optimalen Arbeitspunkts der Turbine eingestellt wird. Bei Erreichen einer vorgegebenen Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang der Turbine den Generatorbetrieb einzuschalten; umgekehrt wird vom Generator keine Leistung geliefert, wenn die Druckhöhe einen bestimmten Wert für die Druckdifferenz unterschreitet.
[0006] Aus der DE 34 38 893 A1 ist weiters eine Stromerzeugungsanlage mit einer Wasserturbine bekannt, welche mit einem Drehstromgenerator verbunden ist. Zudem ist eine Drehzahlregelung vorgesehen, welche eine nach Betrag und Frequenz konstante Generatorspannung liefert. Hierfür werden die Signale von Druck-, Drehzahl- und Leistungs-Messumformern als Eingangsgrößen an einen Mikroprozessor übermittelt, der eine elektrische oder elektronische Regelanordnung ansteuert. Der Mikroprozessor kann mit Einflussgrößen wie Staudruck bzw. Fallhöhe, Turbinen-Kennlinie und -Istdrehzahl, Generator-Momentleistung beaufschlagt werden, um die für die jeweiligen Bedingungen optimale Drehzahl zu berechnen, welche mit der Regelanordnung eingestellt wird.
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Patentamt [0007] Die EP 230 636 A1 befasst sich mit einem Maschinensatz bestehend aus einer wassergetriebenen Turbine und einem Generator, der über einen Umrichter ein Netz konstanter Frequenz speist. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads wird dem Maschinensatz ein Drehzahlsollwert vorgegeben, welcher durch Mittel zur Nachbildung der Turbinenkennlinie in Abhängigkeit von Turbinen-Kenngrößen, speziell Leitrad- bzw. Düsenöffnung und Öffnung der Laufradschaufeln, bestimmt wird. Zudem kann der Oberwasser- bzw. Unterwasserpegel mittels eines Reglers auf einen gewünschten Sollwert eingestellt werden, wofür die genannten Turbinen-Kenngrößen als Stellsignale herangezogen werden.
[0008] Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Staudruckmaschine der eingangs angeführten Art eine einfach umzusetzende Einrichtung zur Regelung des Oberwasserpegels zu schaffen, die sensibel auf Schwankungen des Oberwasserpegels reagiert und auf zuverlässige Weise eine laufende Anpassung des Oberwasserpegels ermöglicht.
[0009] Diese Aufgabe wird bei der Staudruckmaschine der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, dass die Regeleinrichtung mit der Motor-Generator-Maschine verbunden ist, um durch Regelung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine die Drehzahl des Laufrads zur Einhaltung eines vorgegebenen Oberwasserpegels zu regeln.
[0010] Bei der Staudruckmaschine hängt die pro Zeiteinheit vom Oberwasser durch die Anlage in das Unterwasser strömende Wassermenge - üblicherweise als Schluckvermögen bezeichnet - von der Drehzahl des Laufrads ab. Da dem Wasserstrom zweckmäßigerweise keine Möglichkeit geboten wird, dem quer über das gesamte Gerinne angeordneten Laufrad auszuweichen, strömt der gesamte Wasserstrom durch die Staudruckmaschine. Eine Erhöhung der Drehzahl des Laufrads erhöht das Schluckvermögen der Staudruckmaschine, wobei eine größere Wassermenge durch die Schaufeln auf die Unterwasser-Seite transportiert wird und somit der Oberwasserpegel verringert wird; umgekehrt führt eine Verringerung der Drehzahl des Laufrads zu einem niedrigeren Schluckvermögen der Staudruckmaschine, so dass weniger Wasser durch die Staudruckmaschine strömt und in der Folge der Oberwasserpegel steigt. Zur Einhaltung des vorgegebenen Oberwasserpegels, welcher auf eine bestimmte Leistungsabgabe bzw. einen optimalen Wirkungsgrad abzielt, wird daher die Drehzahl des Laufrads geregelt. Zur Regelung der Drehzahl des Laufrads wird das bremsende Drehmoment der Motor-GeneratorMaschine laufend angepasst. Zur Verringerung der Drehzahl des Laufrads erhöht die Regeleinrichtung das bremsende Drehmoment des Generators. Um andererseits eine höhere Drehzahl des Laufrads zur Erzielung eines größeren Schluckvermögens der Staudruckmaschine zu erreichen, reduziert die Regeleinrichtung das bremsende Drehmoment der Motor-GeneratorMaschine.
[0011] Die Motor-Generator-Maschine ist vorzugsweise als Asynchronmaschine ausgeführt, die direkt oder über ein Getriebe mit dem Laufrad verbunden ist. Die unmittelbare Einflussnahme der Regeleinrichtung auf das bremsende Drehmoment der Motor-Generator- Maschine gewährleistet die präzise Einhaltung des vorgegebenen Oberwasserpegels. Durch die Regelung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine kann rasch und sensibel auf eine Zunahme bzw. eine Abnahme des zur Staudruckmaschine gelangten Volumenstroms reagiert werden. Vorteilhafterweise ist somit stets eine für die Leistungsausbeute optimale Wasserstandshöhe, die bei zweckmäßigen Ausführungen der Staudruckmaschine zwischen 1 Meter und 4 Meter beträgt, gewährleistet; die Staudruckmaschine ist daher besonders gut für einen selbsttätigen Betrieb auch in abgelegenen Seitenarmen bzw. kleineren Gerinnen geeignet.
[0012] Für die Regelung der Drehzahl des Laufrads ist es günstig, wenn die Regeleinrichtung einen vorzugsweise als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgebildeten Regler aufweist, der mit einer vorzugsweise als Frequenzumrichter ausgebildeten Einrichtung zur Beeinflussung des Drehmoments der Motor-Generator-Maschine verbunden ist. Die speicherprogrammierbare Steuerung stellt eine modulare Lösung dar, die flexibel an die Anforderungen der jeweiligen Staudruckmaschine angepasst werden kann und bei Bedarf auf einfache Weise umprogrammierbar ist. Zur Beeinflussung des Drehmoments der Motor-Generator-Maschine ist die Verwendung eines Frequenzumrichters zweckmäßig, welcher als Stellglied für eine vom
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Regler der Regeleinrichtung gelieferte Drehzahlvorgabe dient. Der Frequenzumrichter ermöglicht es, die Drehzahl der Motor-Generator-Maschine stufenlos einzustellen. Zu diesem Zweck ist der Frequenzumrichter in der Lage, beim Bremsen der Motor- Generator-Maschine Energie in einen Zwischenkreis zu übertragen, der zweckmäßigerweise zwischen einem eingangsseitigen Gleichrichter und einem aus dem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichter angeordnet ist. Die Energie aus dem Zwischenkreis des rückspeisefähigen Frequenzumrichters kann zur weiteren Nutzung gespeichert oder in ein angeschlossenes Netz übertragen werden. Der Einsatz des Frequenzumrichters zur Beeinflussung des bremsenden Drehmoments ist insbesondere in Verbindung mit einer Asynchronmaschine günstig; die Asynchronmaschine stellt insbesondere für kleinere Staudruckmaschinen eine kostengünstige und wartungsarme Ausführung der Motor-Generator-Maschine dar. Selbstverständlich sind jedoch verschiedenste Typen von elektrischen Motor-Generator-Maschinen denkbar, die zum Betrieb mit der Staudruckmaschine geeignet sind.
[0013] Um den Oberwasserpegel laufend zu überwachen, ist es von Vorteil, wenn die Regeleinrichtung ein Messelement zur Erfassung des Oberwasserpegels aufweist. Demnach kann das Messelement im Betrieb den Oberwasserpegel messen, der als Eingangsgröße für den Regelkreis dienen kann.
[0014] Zur Erfassung des Oberwasserpegels ist es insbesondere günstig, wenn als Messelement ein Ultraschallsensor vorgesehen ist. Ein solcher Ultraschallsensor ermöglicht eine kontinuierliche, berührungslose Messung des Oberwasserpegels. Die Messung des Oberwasserpegels beruht auf einer Laufzeitmessung eines von einem Ultraschallwandler des Sensors ausgesandten Ultraschall-Impulses, dessen an der Wasseroberfläche des Gerinnes reflektiertes Echo an einem Wandler des Sensors erfasst und vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors zur Ermittlung des Oberwasserpegels herangezogen wird. Die gemessene Laufzeit des UltraschallImpulses hängt in allgemein bekannter Weise mit der vom Impuls zurückgelegten Wegstrecke zusammen, aus der auf den Oberwasserpegel geschlossen werden kann. Selbstverständlich wären jedoch auch andere Arten von berührungslosen Oberwasserpegel-Messelementen denkbar, welche beispielsweise auf einem Aussenden und Erfassen von Mikrowellensignalen, optischen Signalen etc. beruhen.
[0015] Bei einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass als Messelement ein insbesondere hydrostatisches Füllstandsmessgerät vorgesehen ist. Die hydrostatische Füllstandsmessung beruht auf der Erfassung des hydrostatischen Drucks, der durch die Höhe der Flüssigkeitssäule, d.h. hier des Oberwasserpegels, erzeugt wird. Zwischen dem gemessenen hydrostatischen Druck und dem Oberwasserpegel besteht ein bekannter Zusammenhang, der zur Erfassung des Oberwasserpegels genutzt wird. Selbstverständlich wären alternativ auch verschiedenste andere Arten von mechanischen Füllstandsmessgeräten, wie Schwimmer oder dergl., denkbar.
[0016] Zur Regelung des Oberwasserpegels auf den vorgegebenen Wert ist es günstig, wenn die Regeleinrichtung aus einer Regeldifferenz zwischen einem gemessenen Ist-Wert des Oberwasserpegels und einem vorgegebenen Soll-Wert des Oberwasserpegels eine Stellgröße für die Drehzahl der Motor-Generator-Maschine bestimmt, welche mittels der Einrichtung zur Beeinflussung des Drehmoments der Motor-Generator-Maschine einstellbar ist. Bei dieser Ausführung wird der Oberwasserpegel laufend gemessen und mit dem vorgegebenen Soll-Wert des Oberwasserpegels verglichen. Der Regler ermittelt aus einer Regeldifferenz zwischen dem IstWert bzw. dem Soll-Wert des Oberwasserpegels die Drehzahlvorgabe für die Motor-GeneratorMaschine, die von der als Stellglied fungierenden Einrichtung zur Beeinflussung des Drehmoments der Motor-Generator-Maschine eingestellt wird. Wenn der Ist-Wert des Oberwasserpegels höher als der vorgegebene Soll-Wert ist, wird das bremsende Drehmoment der MotorGenerator-Maschine reduziert, um die Drehzahl der Motor-Generator-Maschine zu erhöhen, so dass ein höheres Durchflussvolumen durch die Staudruckmaschine erzielt wird. Wenn der IstWert des Oberwasserpegels den vorgegebenen Wert unterschreitet, bestimmt der Regler eine niedrigere Drehzahl der Motor-Generator-Maschine, wodurch das Schluckvermögen der Staudruckmaschine reduziert wird. Die Motor-Generator- Maschine ist vorzugsweise mit einem
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Getriebe verbunden, welches die vergleichsweise niedrige Drehzahl des Laufrads in eine zur Verwertung in der Motor-Generator-Maschine zweckmäßigere höhere Drehzahl übersetzt. Beispielsweise kann das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis zwischen der Laufrad-Seite und der Generator- Seite von 80 bis 180 aufweisen, wenn die Generator-Polpaarzahl zwei ist und die Synchrondrehzahl insbesondere ca. 1500 U/min beträgt. Bei Verwendung einer MotorGenerator-Maschine mit höherer Polpaarzahl ist das Übersetzungsverhältnis entsprechend geringer.
[0017] Um eine von der direkten Erfassung und Regelung des Oberwasserpegels unabhängige Regelung der Drehzahl des Laufrads zu ermöglichen, ist es günstig, wenn die Regeleinrichtung eine Drehmoment-Messeinrichtung zur Erfassung des Drehmoments der Motor-GeneratorMaschine aufweist. Die laufende Erfassung von Drehmoment und Drehzahl der MotorGenerator-Maschine ermöglicht es, im Betrieb auf eine direkte Messung des Oberwasserpegels zu verzichten, da durch Kenntnis von Drehzahl und Drehmoment auf den aktuellen Oberwasserpegel geschlossen werden kann. Zur Messung des Drehmoments werden vorzugsweise elektrische Betriebsparameter der Motor-Generator-Maschine, wie Strom, Spannung oder Drehstromfrequenz, erfasst, aus denen das Drehmoment bestimmt wird.
[0018] Zur Einhaltung des vorgegebenen Oberwasserpegels, insbesondere ohne laufende direkte Messung des Oberwasserpegels, ist es von Vorteil, wenn der Regler einen Speicher aufweist, in dem eine Kennlinie des Oberwasserpegels in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment der Motor-Generator-Maschine gespeichert ist, so dass der Oberwasserpegel indirekt durch die Erfassung von Drehmoment und Drehzahl der Motor-Generator-Maschine regelbar ist. Bei einer vollständig vermessenen Staudruckmaschine ist für jede Kombination von Drehzahl und Drehmoment der Motor-Generator- Maschine der zugehörige Wert des Oberwasserpegels bekannt. Diese Daten werden in Form einer Kennlinie im Speicher des Reglers abgelegt. Die laufende Überwachung von Drehmoment und Drehzahl der Motor-Generator-Maschine erlaubt es daher, indirekt Rückschlüsse auf den aktuellen Oberwasserpegel zu ziehen, der somit selbst nicht zwingenderweise gemessen werden muss. Den im Betrieb gemessenen IstWerten von Drehmoment und Drehzahl kann zumindest ein entsprechender Soll-Wert für die Drehzahl gegenübergestellt werden, der von der Einrichtung zur Beeinflussung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine eingestellt wird.
[0019] Um auf einen bekannten Zusammenhang zwischen Drehmoment bzw. Drehzahl der Motor-Generator-Maschine und dem Oberwasserpegel zurückgreifen zu können, ist es von Vorteil, wenn der Speicher zumindest eine in einem vollständigen Testlauf ermittelte Kennlinie enthält. Demnach kann die Staudruckmaschine beispielsweise bei der Inbetriebnahme vollständig vermessen werden, wobei den Messdaten für Drehzahl und Drehmoment der MotorGenerator-Maschine der jeweils entsprechende Oberwasserpegel zugeordnet wird. Aus diesen Messpunkten wird die Kennlinie erstellt, welche im Speicher des Reglers abgelegt wird. Im Betrieb ermittelt der Regler anhand der Kennlinie aus den Ist-Werten von Drehzahl und Drehmoment den aktuellen Oberwasserpegel, der mit dem vorgegebenen Soll-Wert des Oberwasserpegels verglichen und durch Regelung des bremsenden Drehmoments der Motor-GeneratorMaschine eingestellt wird.
[0020] Eine konstruktiv einfache Vorrichtung zur Messung des Oberwasserpegels wird zur Verfügung gestellt, wenn das Messelement zur Erfassung des Oberwasserpegels mit einem zur Lagerung des Laufrads vorgesehenen Rahmen verbunden ist. Das Messelement ist vorzugsweise mit einem oberen, im Betrieb im Wesentlichen horizontal angeordneten Rahmenteil verbunden. Das Messelement kann aber auch stationär, beispielsweise an einem stationären Maschinengestell oder an einem stationären Bauwerk des Gerinnes, in dem die Staudruckmaschine angeordnet ist, befestigt sein. Zudem kann ein weiteres Messelement vorhanden sein, das den Unterwasserpegel misst. Im Fall eines berührungslos messenden Messelements ist dafür zu sorgen, dass das Messsignal ungehindert zur Wasseroberfläche und zurück gelangen kann. Dies wird vorzugsweise durch eine stabförmige Aufhängung erreicht, die insbesondere frei auskragend am Rahmen oder am Maschinengestell angeordnet ist.
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Patentamt [0021] Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen in den Zeichnungen:
[0022] Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Staudruckmaschine mit einem ein Gerinne aufstauenden Laufrad, dessen Drehzahl zur Einhaltung eines vorgegebenen Oberwasserpegels regelbar ist;
[0023] Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Regeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl des Laufrads, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ein Messelement zur Erfassung des Oberwasserpegels aufweist;
[0024] Fig. 3 ein einfaches Blockschaltbild zur Veranschaulichung der in Fig. 2 dargestellten Regeleinrichtung;
[0025] Fig. 4 ein detaillierteres Blockschaltbild der aus den Fig. 2 und 3 ersichtlichen Regeleinrichtung;
[0026] Fig. 5 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Regeleinrichtung, bei der das Drehmoment der Motor-Generator-Maschine gemessen wird; und [0027] Fig. 6 ein Diagramm mit einer in einem Testlauf gemessenen Kennlinie des Laufrads.
[0028] In Fig. 1 ist eine Wasserkraft-Staudruckmaschine 1 gezeigt, die quer zu einer Strömungsrichtung 2' eines in Fig. 2 schematisch eingezeichneten Gerinnes 2 angeordnet ist. Die Staudruckmaschine 1 erstreckt sich über die gesamte Breite des Gerinnes 2, so dass der gesamte Wasserstrom gezwungen wird, die Staudruckmaschine 1 zu passieren. Die Staudruckmaschine 1 weist ein Laufrad 3 mit einer zylindrischen Nabe 4 auf, an der in regelmäßigen Winkelabständen Schaufeln 5 befestigt sind. In Fig. 1 ist auch die Drehrichtung des Laufrads 3 mit einem Pfeil 6 angedeutet.
[0029] Das Laufrad 3 legt im Betrieb eine Wasserstandshöhe d als Differenz zwischen einem Oberwasserpegel 8 und einem Unterwasserpegel 9 fest; demnach bildet die Staudruckmaschine 1 ein Wehr, welches das Gerinne 2 mit der festgelegten Wasserstandshöhe d aufstaut. Das Laufrad 3 ist mit einer (aus Fig. 1 nicht ersichtlichen) elektrischen Motor-Generator-Maschine 10 gekuppelt; entsprechend der jeweiligen Anordnung der Motor-Generator-Maschine 10 wird eine passende Transmission zwischen dem Laufrad 3 und der Motor- Generator-Maschine 10 vorgesehen. Im Generatorbetrieb wird das bremsende Drehmoment der Motor-GeneratorMaschine 10 dazu genützt, die Bewegungsenergie des Laufrads 3 in elektrische Energie umzusetzen. Die gewonnene Energie kann in einem Energiespeicher gespeichert oder in ein (nicht dargestelltes) Stromnetz eingespeist werden. Die Staudruckmaschine 1 zeichnet sich durch eine besonders effiziente Ausnützung der Wasserkraft aus, indem sowohl die Fließgeschwindigkeit des Gerinnes 2 als auch die potentielle Energie der Wasserstandshöhe d in elektrische Energie umgesetzt werden. Die gezeigte Staudruckmaschine 1 ist insbesondere zum Einsatz in kleineren Gerinnen 2 geeignet, die mit anderen Arten von Wasserkraftwerken kaum gewinnbringend zur Energiegewinnung genützt werden können. Die Staudruckmaschine 1 weist einen hohen Wirkungsgrad bei großem Schluckvermögen auf.
[0030] Auf der Oberwasser-Seite der Staudruckmaschine 1 wird ein Volumenstrom Qzu zugeleitet, der die Staudruckmaschine 1 als Volumenstrom Qab verlässt. Wenn der eingeleitete Volumenstrom Qzu dem abgeleiteten Volumenstrom Qab entspricht, bleibt die Wasserstandshöhe d konstant. Andererseits steigt die Wasserstandshöhe d, wenn mehr Wasser zu- als abgeleitet wird; umgekehrt führt eine Erhöhung des abgeleiteten Volumenstroms Qab zu einem Sinken der Wasserstandshöhe d. Der abgeleitete Volumenstrom Qab kann durch Erhöhung bzw. Erniedrigung des Schluckvermögens der Staudruckmaschine 1 eingestellt werden, das durch eine Drehzahl nj des Laufrads 3 bestimmt wird. Im Betrieb kann es aus verschiedensten Gründen zu Schwankungen der Wasserstandshöhe kommen, beispielsweise, wenn stromaufwärtige Schleusen geöffnet werden. Für den effizienten Betrieb der Staudruckmaschine 1 soll der
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Oberwasserpegel 8 auf einem vorgegebenen Niveau gehalten werden, das für die Erzielung der gewünschten Leistung bzw. eines optimalen Wirkungsgrads zweckmäßig ist.
[0031] Beim Stand der Technik sind zwar Regelungen des Oberwasserpegels vorgesehen, welche allerdings die Besonderheiten der Staudruckmaschine 1 nicht ausreichend berücksichtigen. Um sensibel und mit hoher Genauigkeit auf Schwankungen des zugeleiteten Volumenstroms Qzu reagieren zu können, ist bei der Staudruckmaschine 1 eine Regeleinrichtung 11 vorgesehen, die mit der Motor-Generator-Maschine 10 verbunden ist (vgl. Fig. 2). Zur Einhaltung eines vorgegebenen Oberwasserpegels 8 wird die Drehzahl des Laufrads 3 durch Einstellung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine 10 geregelt.
[0032] In Fig. 2 ist das Schema einer ersten Ausführung der Regeleinrichtung 11 veranschaulicht, bei welcher der Oberwasserpegel 8 laufend überwacht wird. Zu diesem Zweck ist ein Messelement 12 zur Erfassung des Oberwasserpegels vorgesehen. Zudem ist ein weiteres Messelement 12' vorgesehen, das den Unterwasserpegel 9 misst. Die Messelemente 12, 12' sind zweckmäßigerweise als Ultraschallsensoren 13 ausgebildet; es können jedoch auch andere Arten von Messelementen 12, 12' vorgesehen sein, beispielsweise (in den Fig. nicht dargestellte) hydrostatische Füllstandsmessgeräte. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Messelement 12 (und entsprechend das Messelement 12') am freien Ende einer stabförmigen Aufhängung 25 angeordnet, die an einem oberen Rahmenteil 26' eines das Laufrad 3 lagernden Rahmens 26 angebracht ist. Der Rahmen 26 ist in Höhenrichtung verstellbar in einem unbeweglichen Maschinengestell 27 angeordnet. Das Messelement 12 liefert den Wert des gemessenen Oberwasserpegels 8 an eine elektronische Regeleinheit 14, die mit der Motor-GeneratorMaschine 10 verbunden ist, um aus einem Vergleich mit dem vorgegebenen Wert für den Oberwasserpegel 8 eine Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10 durch Regelung des bremsenden Drehmoments zu regeln.
[0033] Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weist die elektronische Regeleinheit 14 einen Regler 15 mit einer Speicherprogrammierbaren Steuerung, nachstehend kurz SPS, 16 auf, die mit einer Einrichtung 17 zur Beeinflussung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine 10 verbunden ist, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Frequenzumrichter 18 gegeben ist. Der mittels des Ultraschallsensors 13 gemessene Oberwasserpegel 8 dient als Eingangsgröße für die SPS 16, in welcher der Soll-Wert für den Oberwasserpegel 8 abgespeichert wurde, der laufend mit dem Ist- Wert des Oberwasserpegels 8 verglichen wird. Aus der ermittelten Regeldifferenz zwischen dem Ist-Wert und dem vorgegebenen Soll- Wert des Oberwasserpegels 8 wird eine Drehzahlvorgabe nS0n für den Frequenzumrichter 18 bestimmt, die an der Motor-Generator- Maschine 10 eingestellt wird. Weiters ist eine Drehzahl-Messeinrichtung 19 vorgesehen, welche laufend den Ist-Wert der Motor-Drehzahl nist misst und an den Frequenzumrichter 18 überliefert, der den Ist-Wert nist der Drehzahl n2 mit dem von der SPS 16 gelieferten Soll-Wert nS0n der Drehzahl n2 vergleicht und entsprechend einstellt.
[0034] Fig. 4 zeigt den Regelkreis der vorstehend anhand von Fig. 2 und Fig. 3 erläuterten Regeleinrichtung 11 in größerem Detail. Demnach umfasst die durch einen strichlierten Rahmen veranschaulichte Regelstrecke das Laufrad 3, das über ein Getriebe 20 mit der MotorGenerator-Maschine 10 verbunden ist. Das Getriebe 20 übersetzt die Drehzahl des Laufrads 3 (in Umdrehungen pro Minute; [U/min]) in eine für die Motor-Generator-Maschine 10 geeignete höhere Drehzahl n2 [U/min], Analog dazu wird über das Getriebe 20 ein laufradseitiges Drehmoment M} (in Newtonmeter; [Nm]) in ein generatorseitiges Drehmoment M2 [Nm] umgesetzt. Die Motor-Generator-Maschine 10 stellt im Generatorbetrieb einen Strom I [A], angegeben in Ampere, mit einer Frequenz F [Hz], angegeben in Hertz, zur Verfügung. Der variable Volumenstrom Qzu [m3/s], angegeben in Kubikmeter pro Sekunde, wirkt als Störgröße d' auf den Oberwasserpegel 8, der die allgemein mit y bezeichnete Regelgröße H [m], angegeben in Metern, darstellt. Die Rückführung des Regelkreises umfasst das Messelement 12 zur Erfassung des Ist-Werts Hist des Oberwasserpegels 8, der mit dem Soll-Wert Hson des Oberwasserpegels 8 verglichen wird, um eine Regeldifferenz e als Differenz zwischen dem Ist-Wert H|S, des Oberwasserpegels 8 und dem Soll-Wert Hsoii des Oberwasserpegels 8 zu bestimmen, welche Regeldifferenz e an den Regler 15 der elektronischen Regeleinheit 14 geliefert wird. Im bevorzugt
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Patentamt als speicherprogrammierbare Steuerung 16 ausgebildeten Regler 15 ist eine Kennlinie für den Oberwasserpegel 8 in Abhängigkeit von der Drehzahl n2 [U/min] des Laufrads 3 abgelegt, aus der die in Fig.4 mit u bezeichnete Drehzahlvorgabe für die Motor-Generator-Maschine 10 ermittelt wird. Die als Steuergröße u auftretende Drehzahl wird an die Einrichtung 17 übermittelt, welche das bremsende Drehmoment der Motor-Generator-Maschine 10 beeinflusst. Die Einrichtung 17, d.h. insbesondere der Frequenzumrichter 18, bildet demnach das Stellglied des Regelkreises, wobei als Stellgröße uR die Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10 dient, für die laufend ein Stellwert vorgegeben wird.
[0035] In Fig. 5 ist schematisch eine alternative Ausführung der Regeleinrichtung 11 gezeigt, welche ohne direkte Erfassung des Oberwasserpegels 8 auskommt. Zur Einhaltung des vorgegebenen Oberwasserpegels 8 weist die elektronische Regeleinheit 14 einen Speicher 21 auf, in dem eine Kennlinie des Oberwasserpegels 8 in Abhängigkeit von Drehzahl n2 und Drehmoment M2 der Motor-Generator-Maschine 10 gespeichert ist. Das Drehmoment M2 der MotorGenerator-Maschine 10 wird laufend mittels einer Drehmoment- Messeinrichtung 22 erfasst; zur Messung des Drehmoments M2 werden zweckmäßigerweise elektrische Betriebsparameter (Strom, Spannung, Drehstromfrequenz etc.) der Motor-Generator-Maschine 10 verwendet. Aus der laufenden Erfassung von Drehmoment M2 und Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10 wird indirekt auf den Oberwasserpegel 8 geschlossen. Somit wird bei dieser Ausführung ausgenützt, dass der Oberwasserpegel 8 als Funktion von Drehmoment M2 und Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10 darstellbar ist. Der Zusammenhang zwischen den gemessenen Parametern Drehmoment M2 und Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10 und dem Oberwasserpegel 8 wird zweckmäßigerweise in einem Testlauf erhalten, bei dem die Kennlinie der Staudruckmaschine 1 aufgenommen wird. Der Regler 15 greift im Betrieb auf die im Speicher 21 abgelegte Kennlinie zurück, um die Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10, welche über das Getriebe 20 in die Drehzahl nj des Laufrads 3 untersetzt ist, zu regeln. Zur Beeinflussung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine 10 kann analog zur Regelung über die direkte Erfassung des Oberwasserpegels 8 der Frequenzumrichter 18 zum Einsatz kommen. Bei dieser Ausführung kann somit grundsätzlich auf die Messung des Oberwasserpegels 8 verzichtet werden, wenn der Zusammenhang zwischen den maßgeblichen Größen der Motor-Generator-Maschine 10, d.h. Drehzahl n2 und Drehmoment M2, und dem Oberwasserpegel 8 bekannt ist. Selbstverständlich ist es jedoch auch denkbar und in vielen Fällen bevorzugt, wenn der Oberwasserpegel 8 und das Drehmoment M2 der Motor-GeneratorMaschine 10 gleichzeitig vermessen werden, um möglichst vollständige Informationen über den Betriebszustand der Staudruckmaschine 1 zu gewinnen.
[0036] Fig. 6 zeigt schließlich ein Beispiel einer in einem Testlauf ermittelten Kennlinie, aus der schematisch der Zusammenhang zwischen dem auf der Ordinate aufgetragenen Drehmoment Mj [Nm] und der auf der Abszisse aufgetragenen Drehzahl nj [U/min] des Laufrads 3 ersichtlich ist. Demnach wird das größte Drehmoment Μϊ erzielt, wenn das Laufrad 3 stillsteht bzw. die Drehzahl nj Null ist. Je größer die Drehzahl nj des Laufrads 3 ist, umso größer werden Reibungs- und Verwirbelungsverluste, so dass das abgegebene Drehmoment Mj sinkt und schließlich bei einem bestimmten Wert für die Drehzahl verschwindet. Die dargestellte Messkurve wurde bei einer Wasserstandshöhe d von 2 Metern aufgenommen. Bei größeren Wasserstandshöhen d wurden im Verlauf ähnliche Messkurven ermittelt, die annähernd parallel hin zu höheren Werten für Drehmoment Μϊ und Drehzahl nj verschoben sind, wie in Fig. 6 mit Pfeil 23 angedeutet ist. Umgekehrt sind die Kennlinien für kleinere Wasserstandshöhen d der Staudruckmaschine 1 in Pfeilrichtung 24 zu niedrigeren Werten für Drehmoment Μϊ und Drehzahl des Laufrads 3 verschoben.
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Patentamt

Claims (10)

  1. Patentansprüche
    1. Wasserkraft-Staudruckmaschine (1) mit wenigstens einem Laufrad (3), das eine Nabe (4) und damit verbundene Schaufeln (5) aufweist, und das im Betrieb eine Wasserstandshöhe (d) als Differenz zwischen einem Oberwasserpegel (8) und einem Unterwasserpegel (9) festlegt, mit einer mit dem Laufrad (3) gekuppelten elektrischen Motor-Generator-Maschine (10), und mit einer Regeleinrichtung (11) zur Regelung des Oberwasserpegels (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) mit der Motor-GeneratorMaschine (10) verbunden ist, um durch Regelung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine (10) eine Drehzahl (n^ des Laufrads (3) zur Einhaltung eines vorgegebenen Oberwasserpegels (8) zu regeln.
  2. 2. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) einen vorzugsweise als Speicherprogrammierbare Steuerung (16) ausgebildeten Regler (15) aufweist, der mit einer vorzugsweise als Frequenzumrichter (18) ausgebildeten Einrichtung (17) zur Beeinflussung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine (10) verbunden ist.
  3. 3. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) ein Messelement (12) zur Erfassung des Oberwasserpegels (8) aufweist.
  4. 4. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Messelement (12) ein Ultraschallsensor (13) vorgesehen ist.
  5. 5. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Messelement (12) ein insbesondere hydrostatisches Füllstandsmessgerät vorgesehen ist.
  6. 6. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) aus einer Regeldifferenz (e) zwischen einem gemessenen Ist-Wert (Hist) des Oberwasserpegels (8) und einem vorgegebenen Soll-Wert (Hsoii) des Oberwasserpegels (8) eine Stellgröße (uR) für die Drehzahl (n2) der MotorGenerator-Maschine (10) bestimmt, welche mittels der Einrichtung (17) zur Beeinflussung des Drehmoments (M2) der Motor-Generator-Maschine (10) einstellbar ist.
  7. 7. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) eine Drehmoment-Messeinrichtung (22) zur Erfassung des Drehmoments (M2) der Motor-Generator-Maschine (10) aufweist.
  8. 8. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (15) einen Speicher (21) aufweist, in dem eine Kennlinie des Oberwasserpegels (8) in Abhängigkeit von Drehzahl (n2) und Drehmoment (M2) der Motor-Generator-Maschine (10) gespeichert ist, so dass der Oberwasserpegel (8) indirekt durch die Erfassung von Drehmoment (M2) und Drehzahl (n2) der Motor-Generator-Maschine (10) regelbar ist.
  9. 9. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (21) zumindest eine in einem vollständigen Testlauf ermittelte Kennlinie enthält.
  10. 10. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (12) zur Erfassung des Oberwasserpegels (8) mit einem zur Lagerung des Laufrads (3) vorgesehenen Rahmen (26) verbunden ist.
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