CS276478B6

CS276478B6 - Apparatus for electrical speed control of hydraulic turbine in a small hydro-electric power plant

Info

Publication number: CS276478B6
Application number: CS891937A
Authority: CS
Inventors: Zdenek Ing Csc Ledr
Original assignee: Pastor Zdenek Ing
Priority date: 1989-03-29
Filing date: 1989-03-29
Publication date: 1992-06-17
Also published as: CS193789A3; WO1993014561A1

Abstract

The apparatus consists of an asynchronous machine (4) with dual squirrel cage of the Boucherot system, designed for the same synchronous speed as the generator (2). The stator winding of the asynchronous machine (4) is coupled to the winding of a synchronous machine (6), designed for the same rated frequency and the same rated voltage as the asynchronous machine (4). The shaft (8) of the synchronous machine (6) is coupled to the shaft (8) of the direct-current machine (7), to the armature of which is coupled the accumulator battery (9).

Description

Vynález se týká zařízeni pro elektrickou regulaci otáček vodní turbíny v malé vodni elektrárně, kde 35 pro jednoduchost a nízkou cenu používá jednoduchá vodni turbíny bez natáčivých lopatek rozváděcího kola, které by umožňovaly regulaci otáček otvíráním a přivíráním vstupu vody do oběžného kola vodni turbiny a kde vodni turbina pohání generátor buň synchronní, nebo samostatný asynchronní vybuzený kondenzátorem a opatřený dvěma přesycenými tlumivkami.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to an apparatus for electrically controlling a turbine speed in a small hydroelectric power plant wherein, for simplicity and low cost, it uses simple water turbines without rotating blades of the guide wheel to enable speed control by opening and closing the water inlet to the turbine. the turbine drives a cell generator synchronous or separate asynchronous excited by a capacitor and provided with two supersaturated chokes.

V těchto případech vznikají obtíže v tom, že při změně zatížení těchto generátorů, čili při zračně zatíženi vodní turbiny dochází k velkým změnám otáček soustrojí vodni turbina-genarátor, a tím ke značným změnám kmitočtu, popřípadě napětí.In these cases, the difficulty arises in that when the load of these generators is changed, i.e. when the water turbine is visibly loaded, there is a large variation in the speed of the water turbine-generator set and thus a considerable change in frequency or voltage.

Nejnepřiznivějšim případem je odepnuti plného výkonu od generátoru, kdy vodou plně protékaná turbina začne probíhat do průběžných otáček, které mohou dosáhnout hodnoty 2 až 2,5-násobku jmenovitých otáček. Dosud se tyto obtíže řeěily neúspěšně samočinným připínáním a odpínáním činného odporu ke generátoru složitou kontaktní automatikou, ovládanou elektronikou, takže taková regulace byla velmi nespolehlivá a poruchová.The most unfavorable case is to disconnect the full power from the generator, when the fully flowing turbine starts running at continuous speed, which can reach 2 to 2.5 times the rated speed. Until now, these difficulties have been solved unsuccessfully by automatically switching on and off the active resistance to the generator by a complicated contact automatics controlled by electronics, so that such regulation was very unreliable and fault-free.

Tyto obtíže odstraňuje zařízeni pro elektrickou regulaci otáček vodní turbíny podle vynálezu, jehož podstatou je, že na hřídeli generátoru je umístěn asynchronní stroj s klečovou kotvou s dvojitou kleci soustavy Boucherotovy, upravený pro stejné jmenovité synchronní otáčky, jako má generátor, přičemž statorové vinuti asynchronního stroje je připojeno k synchronnímu stroji, upravenému pro stejný Jmenovitý kmitočet a stejné jmenovité napětí jako má asynchronní stroj a kde stejnosměrný stroj je připojen k akumulátorové baterii.These problems are overcome by the electric turbine speed control device according to the invention, which is based on an asynchronous double-cage anchor machine with a Boucherot system, arranged for the same rated synchronous speed as the generator, and the stator windings of the asynchronous machine. is connected to a synchronous machine adapted for the same rated frequency and the same rated voltage as the asynchronous machine, and wherein the DC machine is connected to a rechargeable battery.

Zařízení podlé vynálezu pracuje zcela plynule a bezkontaktním způsobem, takže je bezporuchové.The device according to the invention operates in a completely smooth and non-contact manner so that it is trouble-free.

Synchronní stroj a stejnosměrný stroj mohou být provedeny pro podstatně vyšší jmenovité otáčky, než má při stejném kmitočtu generátor a asynchronní stroj, takže soustrojí synchronní stroj-stejnosměrný stroj vyjde typově malé.The synchronous machine and the DC machine can be made at a substantially higher rated speed than the generator and the asynchronous machine have at the same frequency, so that the synchronous machine-DC machine sets come out of type small.

V případě, že se použije převodu mezi hřídelem generátoru a hřídelem asynchronního stroje tak, aby jmenovité otáčky asynchronního 3troje byly vyšši než j3cu jmenovité otáčky generátoru, může mít asynchronní 3troj menši typovou velikost, než by měl při přímém spojeni s hřídelem generátoru. Na připojeném výkresu je na obr. 1 naznačena dispozice jednotlivých strojů a akumulátorové baterie a jejich vzájemné elektrické spojení.In the case where a gear is used between the generator shaft and the asynchronous machine shaft so that the rated speed of the asynchronous machine is higher than the rated generator speed, the asynchronous machine may be smaller in size than it would be directly connected to the generator shaft. The attached drawing shows in Fig. 1 the layout of the individual machines and the accumulator battery and their electrical connection to each other.

Budicí soustava generátoru a synchronního stroje není pro přehlednost naznačena. Trojfázové spojovací vedeni a trojfázová vinuti jsou pro přehlednost nakresleny jednofázově.The excitation system of the generator and synchronous machine is not indicated for the sake of clarity. Three-phase connecting lines and three-phase windings are drawn in a single-phase form for clarity.

Na obr. 1 je příkladně naznačen případ, že turbina i a generátor 2 mají společný hřídel i když je možné mezi turbínu a generátor vložit převod. Na obr. 2 je naznačena charakteristika 10 vodní turbíny a charakteristika 20 asynchronního stroje .3, tj. průběh jejich momentu na otáčkách a výsledná charakteristika 30 soustrojí vodní turbina-asynchronni stroj, tj. závislost otáček vodni turbíny na jejím momentu při funkci zařízeni pro elektrickou regulaci otáček vodní turbiny, podle vynálezu. Z charakteristiky 30 je patrno, že otáčky soustrojí vodni turbina-generátor jsou samočinně a plynule vyregulovány tak, že mezi plným zatížením vodni turbíny daném jejím jmenovitým momentem M_n a jejím plným odlehčením, dochází jen k malé změně otáček e tim kmitočtu. Na obr. 1 značí 1 jednoduchou vodní turbinu, tj. bez vlastni regulace otáček, 2 značí generátor buň synchronní, nebo samostatný asynchronní, 3 je asynchronní stroj na hřídeli generátoru, například motor s klečovou kotvou e dvojitou kleci soustavy Boucherotovy, upravený pro stejné jmenovité synchronní otáčky jako má generátor 2, 4 jo synchronní stroj mechanicky spojený se stejnosměrným strojem 5 na společné základní desce 6, elektricky připojeným k akumulátorové baterii 7. Synchronní stroj 4 je upraven pro stojný jmenovitý a stojné jmenovité napětí jako má asynchronní stroj 3.Fig. 1 shows by way of example the case that the turbine 1 and the generator 2 have a common shaft although a transmission can be inserted between the turbine and the generator. Fig. 2 shows the characteristics of the water turbine 10 and the characteristics 20 of the asynchronous machine 3, i.e. their torque at rpm and the resulting characteristic 30 of the water turbine-asynchronous machine set, i.e. the dependence of the water turbine speed on its torque speed control of the water turbine according to the invention. It can be seen from characteristic 30 that the speed of the water turbine-generator set is automatically and continuously regulated such that there is little change in the speed of the e-frequency between the full load of the water turbine given by its nominal torque M _n and its full relief. In Fig. 1, 1 denotes a single water turbine, i.e. without its own speed control, 2 denotes a cell generator synchronous or standalone asynchronous, 3 is an asynchronous machine on the generator shaft, for example a cage-arm motor and a double cage Boucherot system a synchronous machine such as a generator 2, 4 is a synchronous machine mechanically coupled to a DC machine 5 on a common motherboard 6, electrically connected to a battery 7. The synchronous machine 4 is adapted to stand-by nominal and stand-by rated voltage as the asynchronous machine 3.

Pří plném výkonu vodni turbíny _1 s charakteristikou 10, tj. při synchronních otáčkách n a při jmenovitém mommentu M_n je asynchronní stroj 3 magnetován ze synchronního stroje 4, běžícího jako generátor, poháněný stejnosměrným strojem 5, běžícím jako motor, napájený z akumulátorové baterie 7.At full power water turbine _1 with the characteristic 10, i.e. at a synchronous speed for at nominal momment M _n is an asynchronous machine 3 is magnetized from the synchronous machine 4, running as a generator driven by a DC machine 5, running as a motor, supplied from a battery on the 7th

CS 276 478 86 2EN 276 478 86 2

Při synchronních otáčkách n_g nevyvíjí asynchronní stroj 3 točivý moment. V případě odlehčeni generátoru 2, tj. i při odlehčeni vodní turbiny JL zvětší so jejich dosavadní synchronní otáčky da> nadsynchronnich. otáček stroje 2 i stroje a asynchronní stroj 3 se stane asynchronním generátorem, který začne brzdit vodní turbínu 1 svým brzdným momentem daným charakteristikou 20, přičemž dodává činný výkon do zdroje, z nějž js magnetován, tj. do synchronního stroje 4, který se stone synchronním motorem, pohánějícím stejnosměrný stroj 5, který pracuje nyni jako dynamo a nabízí akumulátorovou baterii 7.At synchronous speed n _{g, the} asynchronous machine 3 does not generate torque. If the generator 2 is relieved, i.e. even when the water turbine is relieved, its current synchronous speed rises above the synchronous speed. the machine speed 2 and the machine and the asynchronous machine 3 become an asynchronous generator which starts to brake the water turbine 1 with its braking torque given by the characteristic 20, supplying active power to the source from which it is magnetized, i.e. to the synchronous machine 4 a motor driving a DC machine 5, which now operates as a dynamo and offers a rechargeable battery 7.

Charakteristika 20 brzdného momentu asynchronního stroj 3 se sčítá o charakteristikou 10 vodní turbiny JL na charakteristiku 30, z níž jo patrno, že dává jen malou změnu otáček při změně momentu Vodní turbiny _1. Aby charakteristika 30 dávala jen malou změnu otáček při změně momentu vodní turbíny JL je nutné, aby charakteristika 20 asynchronního stroje 3 v jeho nadsynchronni oblasti, dávala při průběžných otáčkách n_Q vodní turbíny 1 velký brzdný moment a aby lineární část charakteristiky 20 byla co nejstrmějši. To splňuje asynchronní stroj 3 s klečovou kotvou s dvojitou klecí soustavy Boucherotovy. V připadě zvýšeného zatíženi vodní turbiny 1. momentem větším než je moment jmenovitý M_n, klesnou otáčky pod hodnotu synchronních otáček n_g. Asynchronní stroj 3 se stane motorem, napájeným ze synchronního stroje 4, který se 3tane generátorem, poháněným stejnosměrným strojem 5, který pracuje jako motor, napájoný z akumulátorové baterie 7. Otáčky soustrojí 1-2 klesnou potom méně než bez funkce zařízení pro elektrickou regulaci otáček vodní turbiny. Tato funkce zařízeni neni pro jednoduchost v obr. 2 zakreslena.The braking torque characteristic 20 of the asynchronous machine 3 is summed by the characteristic 10 of the water turbine 11 to the characteristic 30, from which it can be seen that it gives only a small speed change when the torque of the water turbine 1 changes. In order for the characteristic 30 to give only a small speed change when the torque of the water turbine 11 changes, it is necessary that the characteristic 20 of the asynchronous machine 3 in its supsynchronous region give a high braking torque at continuous speed _nQ . This is achieved by the asynchronous machine 3 with the double cage of the Boucherot system. In the event of an increased load of the water turbine by a moment 1 greater than the rated torque M _n , the speed drops below the value of synchronous speed n _g . The asynchronous machine 3 becomes a motor powered by a synchronous machine 4, which is powered by a generator driven by a DC machine 5, which operates as a motor powered by a battery 7. The engine speed 1-2 then drops less than without the electric speed control device. water turbines. This function of the device is not shown for simplicity in FIG. 2.

Zařízeni pro elektrickou regulaci otáček vodní turbiny v malé vodní elektrárně podle vynálezu jo jednoduché a proto spolehlivé. Brzděni vodní surbiny je elektrická asynchronním strojem. Odbrzděná energie se vrací do akumulátorové baterie, respektive se z ní odbiró, když asynchronní stroj přejde do motorové oblasti a pomáhá vodní turbině. Zařízení podle vynálezu pracuje zcela plynule,' bezkontaktním způsobem, takže je bezporuchové.The apparatus for electric speed control of a water turbine in a small hydroelectric power plant according to the invention is simple and therefore reliable. Braking of the water feedstock is an electric asynchronous machine. The discharged energy is returned to the rechargeable battery or discharged from it when the asynchronous machine moves into the engine area and helps the water turbine. The device according to the invention operates in a completely continuous, non-contact manner so that it is fault-free.

Možnosti využiti zařízeni podle vynálezu jsou zejména u tzv. drobných zdrojů s výkonem pod 1 MW a u tzv. mikrozdrojů s výkonem pod 100 klV, kde by bylo neekonomické použiti vědních turbin s natáčivými lopatkami rozváděcího kola, vyžadujících složitá a drahá elektrohydraulická regulační zařízeni.Possibilities of utilization of the device according to the invention are especially in so-called small sources with output below 1 MW and in so-called micro sources with output below 100 klV, where it would be uneconomical to use science turbines with swivel blades of guide wheel requiring complex and expensive electrohydraulic control devices.

Claims

Apparatus for electrically controlling a water turbine speed in a small hydroelectric power plant, consisting of a single water turbine, a generator and aoynchronic 3 on a common shaft, a synchronous machine mechanically coupled to a DC machine on a common motherboard and a accumulator battery. a generator (2) is provided with an asynchronous machine (3) with a cage anchor and a double cage of the Boucherot system, adapted for the same rated synchronous speed as the generator (2), the stator winding of the asynchronous machine (3) being connected to the synchronous machine (4) adapted for the same rated frequency and the same rated voltage as the asynchronous machine (3) and wherein the DC machine (5) is connected to a rechargeable battery (7).