CN105164409A - 驱动设备和用于运行这样的驱动设备的方法 - Google Patents

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Abstract

能量产生设施的具有驱动轴(9)的驱动设备具有与电网(10)连接的电机(8)和差动传动装置(3)，所述差动传动装置具有三个驱动或从动装置，其中，一个第一驱动装置与驱动轴(9)连接，一个从动装置与电机(8)连接，并且一个第二驱动装置与差动驱动装置(6)连接，所述差动驱动装置通过变频器(7)和必要时变压器(5)连接至电网(10)。所述电机(8)能与变频器(7)连接并且由此可以在较小的风速时继续以全换流器模式运行。

Description

驱动设备和用于运行这样的驱动设备的方法
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的驱动设备和一种用于运行这样的驱动设备的方法。
背景技术
例如在大多数转速可变地运行的大型风力发电设施中，转速波动可以利用机电差动系统这样补偿，使得直接将电激励的同步发电机连接至电网。在此避开大量损耗的问题，所述问题在传统的低压全换流器解决方案中通过发电机功率转换为直流并且又转回为交流的两次转换而产生。
然而，可用的转速可变性被限制。这意味着，特别是低转速范围(在弱风中)通过这个原理不能被检测。现有技术根据EP2449258A通过如下方式达到转速扩大，即，将差动传动装置的传动比确定为1。在此，同步发电机从电网中移去，因为现在转速不再可能匹配于电网频率。然而，现在可以将在机电差动系统中供使用的差动驱动装置在全换流器运行中用作为发电机。然而，针对差动系统的优化尺寸所选择的差动驱动装置传动比在这种运行模式下不再起作用，由此针对差动驱动装置的尺寸所确定的转矩已经在相对低的转速时被达到并且由此实际上通过风而存在的功率供应仅仅部分被利用。
此外，按照EP2449258A的机电差动系统要求配备有离合器，差动驱动装置的传动比利用所述离合器可以确定为1，在构造方面要求附加的花费。附加地，在离合时必须注意发生同步，这意味着一定的调节技术的花费，因为过高的转速差可能导致离合器损坏。
发明内容
在此，本发明的任务在于，找到一种备选的解决方案，差动驱动装置利用所述解决方案可以作为唯一的发电机运行。
该任务借助具有权利要求1的特征的能量产生设施来解决。
此外，该任务借助具有权利要求12或者15的特征的方法来解决。
优选地，在能量产生设施中，在低驱动轴转速的情况下，差动驱动装置的转速确定为0。优选地，转速0主动地通过差动驱动装置本身运转(anfahren)。一旦差动驱动装置已达到该转速，差动驱动装置就通过制动装置固定(festhalten)。之后，可以将差动驱动装置与供电或者说电网分离。电机、例如同步发电机同样与电网分离并且转接到差动驱动装置的供电。因为差动驱动装置是三相电机，所述三相电机通过变频器和必要时变压器连接至电网，现在可以通过三相电机的变频器和变压器进一步运行同步发电机。
按照当前的转速和激励，由同步发电机产生电功率，但是现在所述电功率通过变频器和变压器以全换流器模式提供给电网。这个构思的优点是，在同步发电机转接到全换流器模式中时不需要同步，并且也不必将耗费的离合器集成到差动传动装置中。因为差动驱动装置具有转速0，现在可变的发电机转速与差动传动装置的固定的传动比有关。
根据本发明的驱动设备和根据本发明的方法也可以在泵、泵涡轮机、压缩机驱动设备等等的领域中的工业驱动解决方案中使用。
本发明的优选实施形式是从属权利要求的技术方案。
附图说明
本发明的其它特征和优点由本发明优选实施例的以下说明参照附图得出。
图中：
图1示出根据现有技术的差动传动装置连同电气差动驱动装置的原理，
图2示出电机如何可以连接至差动系统的换流器的第一实施形式，
图3示出电机如何可以连接至差动系统的换流器的第二实施形式，以及
图4示出电机为了与电网同步如何可以高负荷运转(hochfahren)的原理。
具体实施方式
图1示出根据现有技术的风力发电设施的系统。风力发电设施的转子1位于用于主传动装置2的驱动轴9上、所述转子驱动主传动装置2。主传动装置2是具有两个行星齿轮级和一个正齿轮级的三级传动装置。在主传动装置2和电机8、优选他励同步发电机之间，存在具有太阳轮或小齿轮11、行星齿轮架12和齿圈13的差动传动装置3。差动传动装置3由主传动装置2通过行星齿轮架12驱动。太阳轮11通过匹配传动级4由差动驱动装置6驱动。为了提高用于差动驱动装置6的输入转速，在所示的情况下选择二级差动传动装置，所述差动传动装置具有在差动传动装置3和差动驱动装置6之间以正齿轮级的形式的匹配传动级4。差动驱动装置6是通过变频器7和变压器5连接至电网10的三相电机。
电机8与差动传动装置3的齿圈13连接并由其驱动。差动驱动装置6的转速可以调节，以便一方面在转子1的转速可变的情况下保证电机8的恒定转速，并且另一方面调节在风力发电设施的整个动力系中的转矩。
该构思良好地适合于足够强的风，但是由于局限性的转速可变性特别是对于在弱风时的低转速范围遭受一定的限制。
除了按照本发明的改变以外，按照本发明的风力发电设施可以如结合图1所描述的那样构建。但动力系的其它构造同样是可能的，只要所述动力系具有各权利要求的根据本发明的特征。
根据本发明的改变在于，将差动驱动装置6与其供电(在目前情况下与变频器7和变压器5)分离，并且取而代之地，可以将同步发电机8通过变频器7和变压器5连接至电网10，而差动驱动装置6具有转速0。现在，同步发电机8可以通过变频器7和变压器5以可变的转速继续运行。
在图2中示出电路的第一实施形式，借助所述电路可以进行实施。图2示出一种构思，在该构思中，电机8、例如6.3kV的中间电压同步发电机通过连接导线20可以与变压器14、与变频器7和变压器5连接。如果同步发电机8具有与差动驱动装置6不同的额定电压，例如同步发电机8提供6.3kV的额定电压，但差动驱动装置6的电流供应装置5、7按照例如690V的额定电压来设计，则变压器14是必需的。其他的消耗器或者辅助驱动装置或者电流源也可以连接至变压器5，如通过导线21象征性地示出的那样。
在风力发电设施中优选使用他励中间电压同步发电机。于是当在同步发电机8与电网连接时应该避免变压器的空载损耗时，示出的开关17是有意义的。在任何情况下在该运行状态中，两个开关17或18之一是需要的，以便一旦变频器开始操控差动驱动装置6就将同步发电机8与该变频器7的电机侧的部分相分离。中间电压开关17的一个显著缺点是，该中间电压开关比低电压开关18明显更贵。备选地，也可以使用具有与变频器7电机侧部分相同的额定电压的低压同步发电机，由此可以省去变压器14和变频器5的大部分。
转换过程可以这样实现，首先同步发电机8利用一个开关15与电网10分离并且差动驱动装置6的转速为0，接着差动驱动装置6利用制动装置19固定。以此差动传动装置3获得恒定的传动比。然后，差动驱动装置6利用开关16与其供电5、7分离。随后，两个开关17、18(如果存在的话)闭合，同步发电机8通过变压器14与差动驱动装置6的较早的供电、亦即与变频器7的电机侧部分和变压器5连接。
同步发电机8现在可以以可变的转速将电流馈入到电网10中。
当风力又达到超过变频器7或者变压器5的负载极限的强度时，开关17、18(如果存在的话)又被打开，并且差动驱动装置6又利用开关16接通并且制动装置19被释放。随后，发电机8借助转速调节通过差动驱动装置6与电网10同步，并且然后闭合开关15。
一个备选的方法是，开关17和18(如果存在的话)暂时不打开并且发电机8借助变频器7与电网10同步，并且然后闭合开关15，随后或者同时打开开关17、18，并且最后闭合开关16和释放制动装置19。
同步发电机8和转子1必须既不在转换到换流器模式中时也不在转换到同步模式中时停止，在所述换流器模式中，同步发电机8通过变频器7和变压器5连接至电网10，在所述同步模式中，发电机8直接连接至电网10。
该电路的另外有利的应用情况是，同步发电机8现在也可以借助变频器7和在电压差时存在的变压器5为了例如维护任务而高负荷运转或者在系统启动时在差动模式下与电网10同步。同步发电机8如上文描述的那样借助变频器7和变压器5与电网10连接并且在这种情况下用作马达。一旦同步发电机8与电网同步地运行，开关15就闭合并且开关17和/或18打开。
在图3中示出本发明的另一种实施例，其中，同步发电机8具有与变频器7相似的或相同的额定电压，或者例如6.3kV的中间电压发电机这样被激励，使得发电机发电机输出电压处于变频器7的工作电压范围。由此，同步发电机8直接在没有变压器的情况下连接至差动驱动装置6的较早的供电、亦即变频器7和可能存在的变压器5。因此，也可以放弃图2实施形式的开关18或17。
此外，转换过程与对图2进行描述的所相类似地进行。
替代同步发电机，备选地也可以使用异步电机。根据本发明的驱动设备和根据本发明的方法也可以在泵、泵涡轮机、压缩机驱动设备等等的领域内的工业驱动解决方案中使用。原则上，与对图2和3所阐述的相同内容适用于此，其中，能量在“正常运行”中以相反的方向流动。参照图1，在这种情况下，具有驱动轴9的第一驱动装置将是第一从动装置，并且差动传动装置3的与电机8连接的从动装置将是第一驱动装置。与对图2描述的相同内容适用于运行模式“驱动装置的运动”，以用于例如维护任务或者电机8的“高负荷运转”和与电网同步。在此，对此存在的转矩基本上限制于变频器7的功率并且在直接耦接到驱动设备上的泵或者泵涡轮机的情况下可以限制用于高负荷运转所需的转矩，其方式为，例如压缩空气充入到泵室中或者将泵室与引水管断开。
对图2描述的用于在使用电机8作为驱动设备、特别是工业驱动设备的情况下与电网同步的备选方法在这种情况下在于，将电机8在开关17和18闭合时(如果存在的话)借助变频器7与电网10同步，并且随后闭合开关15，并且最后或者同时打开开关17和/或18。因此，电机8的每种类型可以无冲击地连接至电网10。在此，基于差动传动装置11至13的机械条件，差动驱动装置6的转速可以达到远超出其调节转速范围的值并且第一驱动装置9的转速可以接近零。在这种情况下，一旦差动驱动装置19的与小齿轮连接的驱动轴处于差动驱动装置6的调节转速范围内，差动驱动装置6才开始驱动装置的调节。转速范围是如下的转速范围，差动驱动装置6可以在该转速范围内工作以便能够实现在要驱动的工作电机的工作转速范围。在此，调节转速范围主要通过由制造商规定电压、电流、转速极限来确定。在这些极限之外，差动驱动装置6不能与电网10连接。
图4示出备选的实施形式。在该实施例中，同步发电机8借助辅助驱动装置22高负荷运转，该辅助驱动装置优选是三相电机并且优选可离合地与同步发电机8连接。辅助驱动装置22优选由变频器7驱动或者备选地由一个单独的变频器驱动或者也直接(需要时通过变压器5)连接到电网10。因为这样的用于高负荷运转同步发电机8的三相机可以是相对小的，所以造成的外部供电量(Strombezug)在电网直接耦合的情况下同样是相应小的。
最后也可以想到的是，代替提到的辅助驱动装置22，一个辅助绕组整合到同步发电机8中。
在对图1至4的描述中，大部分提到的是中间电压同步发电机，这些中间电压同步发电机也可以电动机式地驱动。对此的原因在于这样的电机的高效率和出色的电流质量，这在风力和水力发电应用中有特别意义。然而，在工业领域中(例如泵、压缩机、工业驱动设备等等)，大部分使用低电压异步电机或者中间电压异步电机。对此的原因在于，这样的电机价钱便宜并且鲁棒性好。但是，原则上也可以使用任意其他类型的电机。本发明基本上可应用于每种如下的驱动设备，在所述驱动设备中可扩大较小的运行转速范围和/或电机必须在其运行转速范围高负荷运行或必须与电网同步。这特别是适用于大量工业应用，诸如泵、压缩机、碾磨机和粉碎机的驱动设备等等。

Claims (20)

1.驱动设备，包括驱动轴(9)、与电网(10)连接的电机(8)并且包括差动传动装置(3)，所述差动传动装置具有三个驱动或从动装置，其中，一个驱动/从动装置与驱动轴(9)连接，一个从动/驱动装置与电机(8)连接，并且一个驱动装置与差动驱动装置(6)连接，所述差动驱动装置通过变频器(7)和必要时变压器(5)连接至电网(10)，其特征在于，所述电机(8)能与变频器(7)连接。
2.按照权利要求1所述的驱动设备，其特征在于，所述差动驱动装置(6)与制动装置(19)连接。
3.按照权利要求1或2所述的驱动设备，其特征在于，所述电机(8)通过另外的变压器(14)能与变频器(7)连接。
4.按照权利要求1至3之一所述的驱动设备，其特征在于，所述差动驱动装置(6)通过开关(16)与变频器(7)连接。
5.按照权利要求1至4之一所述的驱动设备，其特征在于，所述电机(8)通过开关(15)与电网(10)连接。
6.按照权利要求3至5之一所述的驱动设备，其特征在于，所述另外的变压器(14)能通过各一个开关(17、18)与电机(8)和变频器(7)连接，并且只有当将差动驱动装置(6)与变频器(7)相连接的开关(16)打开时，所述开关(17、18)才可以闭合。
7.按照权利要求4和5所述的驱动设备，其特征在于，所述电机(8)能通过开关(17、18)直接与变频器(7)连接。
8.按照权利要求1至7之一所述的驱动设备，其特征在于，所述电机(8)是能量产生设施、特别是风力发电设施或者水力发电设施的发电机。
9.按照权利要求1至7之一所述的驱动设备，其特征在于，所述电机(8)是泵、压缩机、工业驱动设备等等的马达。
10.按照权利要求1至9之一所述的驱动设备，其特征在于，所述电机(8)是同步发电机、优选是中间电压同步发电机并且被如此强地激励，使得所述电机的电压基本上相当于变频器(7)的电压。
11.按照权利要求1至10之一所述的驱动设备，其特征在于，所述电机具有能连接至变频器(7)的辅助绕组。
12.用于运行驱动设备的方法，所述驱动设备具有驱动轴(9)、与电网(10)连接的电机(8)并且具有差动传动装置(3)，所述差动传动装置具有三个驱动或从动装置，其中，一个驱动/从动装置与驱动轴连接，一个从动/驱动装置与电机(8)连接，并且一个驱动装置与差动驱动装置(6)连接，所述差动驱动装置通过变频器(7)和必要时变压器(5)连接至电网(10)，其特征在于，由一种不仅电机(8)而且差动驱动装置(6)与电网(10)连接的驱动类型转换为另一种仅电机(8)与电网(10)连接的驱动类型，其方式为，将所述电机(8)与电网分离，将差动驱动装置(6)与变频器(7)分离并且将电机(8)与变频器(7)连接。
13.按照权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述电机(8)与电网分离，并且将差动驱动装置(6)的转速调节为零，并且随后将差动驱动装置(6)与变频器(7)分离。
14.按照权利要求12或13所述的方法，其特征在于，在差动驱动装置的转速保持为零期间，将所述电机(8)与变频器(7)连接。
15.用于运行驱动设备的方法，所述驱动设备具有驱动轴(9)、与电网(10)连接的电机(8)并且具有差动传动装置(3)，所述差动传动装置具有三个驱动或从动装置，其中，一个驱动/从动装置与驱动轴连接，一个从动/驱动装置与电机(8)连接，并且一个驱动装置与差动驱动装置(6)连接，所述差动驱动装置能通过变频器(7)和必要时变压器(5)与电网(10)连接，其特征在于，在差动驱动装置(6)与电网分离并且电机(8)通过变频器(7)和必要时变压器(5)连接至电网(10)期间，将所述电机(8)置于运行中。
16.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，在所述差动驱动装置(6)的转速为零期间，将所述电机(8)置于运行中。
17.按照权利要求15或16所述的方法，其特征在于，将所述电机(8)出于维护目的而短暂地置于运行中。
18.按照权利要求15所述的方法，其特征在于，随后将所述电机与电网(10)连接并且将电机(8)与变频器(7)和必要时变压器(5)分离，并且将所述差动驱动装置(6)利用变频器(7)和必要时变压器(5)连接至电网(10)。
19.按照权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述电机(8)与变频器(7)和必要时变压器(5)分离之前，将电机(8)与电网(10)同步。
20.按照权利要求18所述的方法，其特征在于，在所述电机与变频器(7)和必要时变压器(5)分离之后，并且在所述电机与电网(10)连接之前，将所述电机(8)与电网(10)同步。
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