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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Leistungsschalter-Vorrichtungen
für rotierende Generatoren,
vorzugsweise Synchrongeneratoren, mit welchen Generatoren einer
hohen Leistung im Bereich von mehreren 1 MW bis 2000 MW innerhalb kürzester
Zeitspannen auf das Netz verbunden respektive von diesem getrennt
werden können.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Betrieb
derartiger Vorrichtungen. Generator und Netz sind dabei Mehrphasen-Wechselstrom-Systeme.
Das Netz besteht aus Stromverbrauchern, Stromerzeugern und verbindenden
Leitungen.
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Typischerweise
wird ein Generator, welcher zur Erzeugung von elektrischer Energie
betrieben wird, über
einen Generatorschalter (zwischen Generator und Transformator),
einen Transformator und einen Netzschalter (zwischen Transformator
und Netz) mit einem Netz verbunden. Es ist bekannt, den Generatorschalter
einzuschalten, wenn die drei Synchronisierbedingungen Spannungsphasenfolge
und Spannungsphasenlage, Spannungsamplitude und Schlupf erfüllt sind.
Die Zuschaltung erfolgt dabei mit gleichzeitigem Schliessen der
Schalter jeder Phase der Verbindung zwischen Generator und Netz.
Für ein übliches
Dreiphasensystem ist also jede der drei Phasenklemmen des Generators
mit der entsprechenden Phasenklemme des Netzes verbunden. Es ist
dabei belanglos, ob dies mit einem Schalter auf Generatorspannungsebene
(zwischen Generator und Transformator, d.h. über den Generatorschalter) oder
auf Hochspannungsebene (zwischen Trafo und Netz, d.h. über den
Netzschalter) erfolgt.
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Einfachere
Kraftwerke weisen gar keinen Schalter zwischen Generator und Transformator
auf, der Netzschalter übernimmt
alle Funktionen. Kleinere Generatoren und Höchstspannungsgeneratoren (Powerformer)
sind sogar ohne Transformator über
einen Schalter mit dem Netz verbunden.
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Bei
starken Störungen
im Netz wird der Generator durch Öffnen des Generatorschalters
unmittelbar hinter den Generatorklemmen oder durch Öffnen des
Netzschalters vom Netz getrennt. Registriert ein Sensor einen Fehler
im Netz, welcher sich typischerweise in einem Spannungsabfall oder
einer entsprechenden Veränderung
des Stromes äussert, öffnet ein
derartiger Leistungsschalter eine oder mehrere der drei Phasen und
verhindert dadurch starke Überströme. Eine
derartige Störung
kann beispielsweise in einem Leitungskurzschluss bestehen. Infolge
Trägheit
des Leistungsreglers der Turbine beschleunigt in einer ersten Phase
die nunmehr vom Netz getrennte Turbinen-Generator-Einheit ihre Drehzahl.
Dadurch erhöht
sich die Generatorfrequenz und es entsteht ein zunehmender Fehlwinkel sowie
ein zunehmender Schlupf zwischen Generatorspannung und Netzspannung.
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Das
erneute Zuschalten des Generators erfolgt automatisch resp. selbsttätig. Es
bleiben typischerweise 100 bis 200 ms, höchstens 300 ms Zeit (so genannte
Critical Clearing Time), innerhalb derer notfalls Fehlwinkel und
Schlupf noch toleriert werden können.
Die dynamischen Ausgleichsvorgänge
beim Wiederzuschalten sind dann gerade noch vertretbar, und die
Stabilität
ist gerade noch gewährleistet.
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Typischerweise
kommen als derartige Schalter Leistungsschalter zur Anwendung, welche
als mechanische Schalter ausgebildet sind. Die Dimensionierung wird
im wesentlichen durch die maximale Ausschaltleistung bestimmt, die
bis zu mehreren 1000 MVA betragen kann. Der Schalter nutzt die periodisch
auftretenden Stromnulldurchgänge
zum Abschalten. Trotzdem treten beim Trennen der Kontakte so genannte
Lichtbögen
auf. Um diese Entladungen kontrolliert abbauen zu können, sind
die eigentlichen mechanischen Kontakte normalerweise in einer Schalterkammer
angeordnet, wobei diese mit einem elektrisch isolierenden Gas wie
beispielsweise SF6 gefüllt
ist. Ein derartiger Aufbau ist beispielsweise in der ABB-Review 3/2002
(S. 34–40)
beschrieben. Ein derartiger Leistungsschalter kann auch als Wiedereinschalter
verwendet werden, um die stromtragenden Kontakte wieder zu verbinden.
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Aus
der
EP 0984552 ist es
bekannt, mit Ersatzwiderstandslasten die Wiederzuschaltungslimite nach
Wegschalten von Netzstörungen
zu erweitern. Dazu wird bei Abtrennung des Generators vom Netz eine
der vorausgegangenen Netzlast äquivalente
Widerstandslast auf den Generator zugeschaltet, um den beschriebenen
Aufbau eines Fehlwinkels zu minimieren. Insbesondere wird dabei
als Widerstandslast ein einstellbarer Widerstand, beispielsweise
in Form einer Mehrzahl von unabhängig
zuschaltbaren Teilwiderständen
vorgeschlagen. Die einzelnen Widerstände werden über antiparallel angeordnete
Thyristoren zugeschaltet.
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DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine schnelle Vorrichtung
zum Trennen und/oder zum Verbinden von Phasen einer Quelle von Phasen
einer Last zur Verfügung
zu stellen. Mit anderen Worten geht es darum, eine neue Vorrichtung
zur Verbindung und Trennung von m Phasen einer Wechselstrom-Quelle
(z.B. Wechselstrom-Generator, ggf. mit nachgeschaltetem Transformator)
von n Phasen einer Wechselstrom-Last (z.B. Wechselstrom-Netz, ggf.
mit vorgeschaltetem Transformator) vorzuschlagen. Insbesondere soll
eine derartige Vorrichtung geeignet sein, eine Quelle wie z.B. einen Generator
nach Klärung
von Netzstörungen
schnell wieder automatisch resp. selbsttätig mit dem Netz zu verbinden,
und damit die Stabilität
des Netzes zu erhalten.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, dass eine Vorrichtung vorgeschlagen
wird, in welcher jede der m Phasen der Quelle jeweils unabhängig über wenigstens
einen Leistungsschalter mit jeder der n Phasen einer Last in einer
m × n
Matrix verbunden ist, wobei erste Messanordnungen zur Überwachung
der m Phasen der Quelle sowie zweite Messanordnungen zur Überwachung
der n Phasen der Last vorgesehen sind, und wobei eine Schalteinheit
vorgesehen ist, welche den Schaltzustand des wenigstens einen Leistungsschalters
in Abhängigkeit des
Zustandes der m Phasen der Quelle und der n Phasen der Last kontrolliert.
Die überwachte
Grösse ist
vorzugsweise die Spannung. Ferner sorgt bevorzugte die Schalteinheit
dafür,
dass die n auf die Last zugeschalteten Phasen der Quelle unter sich
spannungsmässig
symmetrisch verteilt sind.
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Die
Erfindung sieht eine Schaltung vor, bei welcher die Möglichkeit
besteht, eine Zuschaltung vorzunehmen, ohne jedes Mal den vollen
Phasenzyklus (im Extremfall bis 360°) abwarten zu müssen. Die
vorgeschlagene Vorrichtung, d.h. die entsprechende Schaltungsanordnung,
erlaubt zum Beispiel auch bei einem Fehlwinkel in der Nähe von 120° oder 240° ein Zuschalten,
wobei dann zum Beispiel Generatorphase u mit Netzphase n2 bzw. Netzphase
n3 verbunden wird, und die anderen Phasen sinngemäss weiterwandern
(d.h. Generatorphase v wird mit Netzphase n3 bzw. n1 verbunden und
Generatorphase w mit Netzphase n1 bzw. n2). Damit ergibt sich die selbe
Fehlwinkelbedingung wie bei 0°.
Wenn zum Beispiel der Generator als Quelle bei plötzlicher
Fortschaltung vom Netz als Last die Drehzahl beschleunigt, muss
für ein
Wiederzuschalten nicht ein Wiedererscheinen von 360° = 0° abgewartet
werden, sondern es kann zu früheren
Zeitpunkten zugeschaltet werden.
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Daraus
ergibt sich eine wesentlich erhöhte Stabilität der Betriebsweise.
Die resultierenden zusätzlichen
Gelegenheiten ermöglichen
eine Vergrösserung
des Zeitfensters für
das Wiederzuschalten. Es hat sich gezeigt, dass das resultierende
leicht vergrösserte
Mass an Fehlschlupf toleriert werden kann. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung
kann unter Bedingungen, wie sie beispielsweise von einem Generator
als Quelle mit einer Leistung ab 1 MW, sogar mit einer Leistung
im Bereich oberhalb von 50 MW bis sogar oberhalb von 2000 MW herrschen,
verwendet werden.
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Gemäss einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung handelt es sich bei der Quelle um einen Generator
und bei der Last um ein Netz. Die Schaltvorrichtung kann dabei im
Sinne eines Generatorschalters zwischen Generator und einem Transformator
(Netztransformator) angeordnet sein, sie kann aber auch im Sinne
eines Transformatorschalters zwischen dem Netz und dem Netztransformator
angeordnet sein. Zwischen der vorgeschlagenen Vorrichtung und dem
Generator kann somit auch ein Transformator angeordnet sein, und
in diesem Fall handelt es sich bei der Quelle um einen Generator
mit nachgeschaltetem Transformator. Alternativ ist es möglich, zwischen
der vorgeschlagenen Vorrichtung und der Last einen Transformator
anzuordnen, in diesem Fall handelt es sich bei der Last um ein Netz
mit vorgeschaltetem Transformator.
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Die
Vorrichtung kann auch, wie bereits ausgeführt, bei gewissen Generatoren
den Generator direkt mit dem Netz verbinden.
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Der
Generator kann mit einer Statorwicklung in Dreiecksschaltung oder
in Sternschaltung ausgeführt
sein. Ist die Wicklung für
Dreiecksschaltung ausgelegt, so sind die Statorwicklungen der einzelnen
Phasen an beiden Enden über
Schaltergruppen mit jeweils n Leistungsschaltern auf die n Phasen
des Netzes verbunden. Es liegen somit doppelt so viele Schaltergruppen
wie Statorwicklungen vor. Demnach kann dann sogar in 60° Schritten
zugeschaltet werden.
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Ist
der Generator mit einer Statorwicklung in Sternschaltung ausgelegt,
so ist jede der m Statorwicklungen beidseitig jeweils über einen
Leistungsschalter auf den Sternpunkt und jeweils über einen Leistungsschalter
zu den Phasen des Netzes verbunden. Dabei ist zwischen den zusammengeführten Leistungsschaltern
zu den Phasen des Netzes jeder Statorwicklung und den Phasen des
Netzes jeweils eine Schaltergruppe mit n Leistungsschaltern angeordnet,
welche individuelle Verbindungen zu den einzelnen Phasen des Netzes
erlaubt. Dies ermöglicht auch
in Sternschaltung eine Zuschaltung in 60° Schritten.
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Die
Leistungsschalter können
als konventionelle mechanische Leistungsschalter ausgelegt sein. Vorzugsweise
ist aber wenigstens einer, insbesondere sind sämtliche Leistungsschalter als
elektronische Leistungsschalter ausgebildet. Jeder Schalter ist
mit Vorteil eine antiparallele Thyristor-Anordnung, speziell eine
solche Anordnung integriert in einem Scheibengehäuse, wie sie zum Beispiel von
ABB Semiconductors unter der Bezeichnung "Bi-directional Control Thyristor" angeboten wird.
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Möglich sind
ausserdem Leistungsschalter, bei welchen wenigstens zwei gegenläufig in
Serie geschaltete IGBT-Elemente (Insulated Gate Bipolar Transistor) und/oder
GTO-Thristor-Elemente (Gate Turn-Off Thyristor) angeordnet sind,
insbesondere in Form von SiC-GTO-Elementen, mit jeweils antiparallel
dazu liegenden Dioden. Solche Elemente ermöglichen Unterbrechung des Momentanwertes
des Stromes, zum Beispiel beim Überschreiten
des zweifachen Generator-Nennstroms. Dies kann Vorteile für den Generator
(elektrodynamische Kräfte
und Momente) und für
das Netz (Begrenzung der Kurzschluss-Leistung) bieten.
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Die
vorgeschlagene Schaltung kann beispielsweise auch teilweise oder
vollständig
in den Generator integriert werden (Generatorschalter). Dabei ist
es zusätzlich
möglich,
wenigstens einen Teil der Leistungsschalter oder sogar die gesamte
Schaltung im Maschinengehäuse
des Generators unterzubringen und durch unabhängige Kühlungsmittel insbesondere in
Form eines eigenständigen
Kühlkreislaufes
zu kühlen.
Es ist auch möglich,
die Leistungsschalter im Maschinengehäuse unterzubringen und in das
Kühlsystem
von Stator und/Rotor zu integrieren.
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Ebenso
ist es möglich,
die vorgeschlagene Schaltung in den Transformator zu integrieren.
Es kann dann vorteilhaft sein, die 60°-Schritt Synchronisiermöglichkeit
mittels offener Transformatorwicklungen zu erzeugen. Der Generator
kann in diesem Fall konventionell ausgeführt sein. Bei der Integration
in den Transformator kann diese Schaltung auf der Netzseite oder
der Generatorseite durchgeführt
sein. Auch hier kann entweder eine Integration in die Kühlung des
Transformators vorteilhaft sein, es kann aber auch vorteilhaft sein,
für die
Schaltung eine separate Kühlung
in Form eines Kühlkreislaufs
vorzusehen.
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Typischerweise
verfügt
der Generator über
3 Phasen, es kann aber auch eine grössere Zahl von Generatorphasen
angeschlossen werden. Die Synchronisiermöglichkeiten steigen proportional.
Besonders prädestiniert
für grosse
Phasenzahl ist die Ausführung
der Generatorwicklung als Ringwicklung. Die Realisierung kann bei
einer 2-Schicht-Stabwicklung durch Dreiecksschaltung und gleichmässig verteilte Anschlüsse an die
Stabverbindungen erzielt werden.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
verfügt
die Vorrichtung zusätzlich über einen Überspannungsschutz.
Als Überspannungsschutz
kann zum Beispiel eine Diodenbrücke
vorgesehen werden, welche Überspannungsenergien auf eine
Bedämpfungskapazität umleitet.
Realisiert werden kann dies, indem jede der Generatorphasen sowie
jede der Netzphasen über
eine Diodenbrücke
mit einer RC-Last (R für
Widerstand, C für
Kapazität)
verbunden ist.
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Gemäss einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind zusätzlich
Mittel zur Reduktion von Einschaltpendelungen vorgesehen. Diese
können beispielsweise
in Form von transient zuschaltbaren Widerständen in jeder der Generatorphasen
vorgesehen werden. Die Widerstände
werden beim Wiederzuschalten nach einer Netzstörung seriell in die Verbindung
zum Netz geschaltet, und sind so dimensioniert, dass mechanische
Drehschwingungen der Welle gedämpft
werden. Nach ca. 1/2–1
sec. werden diese Widerstände überbrückt.
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Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Trennung und/oder
zur Verbindung von m Phasen einer Quelle von n Phasen einer Last. Das
Verfahren ist vorzugsweise dadurch gekennzeichnet, dass jede der
m Phasen der Quelle, d.h. beispielsweise des Generators, unabhängig über wenigstens
einen Leistungsschalter mit jeder der n Phasen der Last, zum Beispiel
eines Netzes, in einer m × n
Matrix verbunden wird, wobei immer höchstens n Schalter geschlossen
oder geöffnet
werden (und im angeschlossenen Zustand geschlossen sind), dass erste
Messanordnungen zur Überwachung
der m Phasen der Quelle sowie zweite Messanordnungen zur Überwachung
der n Phasen der Last vorgesehen sind, und dass eine Schalteinheit
den Schaltzustand der Schalter in Abhängigkeit des Zustandes der
m Phasen der Quelle und der n Phasen der Last kontrolliert. Die Überwachung
erfolgt vorzugsweise über die
Spannungen.
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Der
Zustand kann auch über
die Erfassung einer quellenseitigen (z.B. generatorseitigen) und
einer lastseitigen (z.B. netzseitigen) Referenzphase erfolgen, wobei
das Raster für
die Zuschaltbarkeit in einem Überwachungsmittel
(Messanordnungen, Schalteinheit) gebildet wird.
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Vorzugsweise
werden durch die Schalteinheit die n auf die Last geschalteten Phasen
der Quelle unter sich symmetrisch verteilt (Spannungssymmetrie).
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Vorzugsweise
wird das Verfahren derart ausgestaltet, dass ein Auftreten von Kurzschlüssen verhindert
wird. Dies beispielsweise indem eine Verriegelungslogik vorgesehen
wird, welche verhindert, dass Leistungsschalter zwischen Netzphasen und/oder
Generatorphasen, welche nicht zu den ausgewählten symmetrischen Systemen
gehören,
Kurzschlüsse
erzeugen.
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Gemäss einer
bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens erfolgt die Zuschaltung in dem Moment, in welchem
eine Generatorphase (allgemeiner: Phase der Quelle) in Spannungsdeckung
mit der am nächsten
liegenden Netzphase (allgemeiner: Phase der Last) ist, oder wenn
sie bereits etwas voreilend zur am nächsten liegenden Netzphase
ist. Das m-phasige Generatorsystem ist ein ganzzahliges Vielfaches
von den n Phasen des Netzes. Damit ist jederzeit ein symmetrisches
n-phasiges Generatorsystem
verfügbar.
Alternativ kann ein n-phasiges Netzsystem ein ganzahliges Vielfaches
von den m Phasen des Generators sein.
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Bei
einer Gruppe von n geschlossenen Leistungsschaltern (von verschiedenen
Schaltergruppen) werden vorzugsweise, sobald der netzseitige Strom einen
Schwellenwert überschreitet
und/oder die netzseitige Spannung einen Schwellenwert unterschreitet,
im wesentlichen alle n Schalter gleichzeitig oder in einer geregelten
kurzen Folge geöffnet.
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Entsprechend
umgekehrt wird für
das Zuschalten eine Gruppe von n Leistungsschaltern automatisch,
gegebenenfalls nach einer vorgegebenen Verzögerung, nach einem Öffnungsvorgang
wieder geschlossen, sobald die netzseitige Spannung einen Schwellenwert
wieder überschreitet
und die Fehlwinkelbedingung durch eine Netz- und eine Generatorphase
erfüllt
werden.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Vorrichtung respektive des Verfahrens zum Betrieb einer derartigen
Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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KURZE ERLÄUTERUNG
DER FIGUREN
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang
mit den Figuren näher
erläutert
werden. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
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1 eine
Grundschaltung mit 9 Schaltern;
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2 a) eine Grundschaltung bei welcher 18 Schalter
vorhanden sind, über
welche die offene Dreiphasenwicklung des Generators in Dreiecksschaltung
auf das Netz verbunden ist; b) eine Grundschaltung bei welcher 21
Schalter vorhanden sind, bei welcher die offene Dreiphasenwicklung
des Generators in Sternschaltung auf das Netz verbunden ist;
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3 eine
Grundschaltung mit einem Generator mit 18-phasiger Wicklung, wobei
jede Phasenverbindung individuell auf die Netzphasen über Schalter
verbunden wird;
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4 eine
Grundschaltung mit Überspannungsbegrenzung;
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5 eine
Grundschaltung mit 18 Schaltern, bei welcher die offene Dreiphasenwicklung
eines Transformators in Dreiecksschaltung auf den Generator verbunden
ist;
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6 eine
Grundschaltung, bei welcher der Generator in Dreiecksschaltung verbunden
ist, und bei welcher zusätzliche
Elemente zur Dämpfung
vorgesehen sind; und
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7 eine
Schaltung, bei der die erfindungsgemässe Schaltergruppe mit einem
konventionellen Leistungsschalter kombiniert ist.
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WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER
ERFINDUNG
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1 zeigt
einen Generatorschalter, welcher gewissermassen als Matrixschaltung
aufgebaut ist. Eine als Generator 1 ausgebildete Wechselstrom-Quelle
mit drei Statorwicklungen 20 verfügt über drei Generatorphasen u,
v, und w, welche aus einer in Stern geschalteten Statorwicklung
hervorgehen. Jede dieser Generatorphasen ist jeweils über eine
Schaltergruppe 16 mit drei Phasen n1, n2 sowie n3 einer
Last, d. h. hier des Netzes 3, verbindbar. Jede dieser
Schaltergruppen 16 verfügt über drei Leistungsschalter 9,
mit welchen die jeweilige Generatorphase u, v, oder w je nach Situation
an eine der drei Netzphasen n1, n2, oder n3 angeschlossen werden
kann.
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Wie
in der vergrösserten
Darstellung sichtbar, kann es sich beim Leistungsschalter 9 um
antiparallel geschaltete Thyristoren 10 handeln, oder zum
schalten von grossen Leistungen um Serie-und/oder Parallelanordnungen
von antiparallel geschalteten Thyristoren 10. Auch können die
bereits genannten "Bi-Directional
Control Thyristors" verwendet
werden.
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Eine
Schalteinheit 6 erfasst die Spannungen von Generator 1 und
Netz 3 und steuert über
eine Steuerleitung 7 die bestdeckenden Leistungsschalter 9 an.
Dies wird realisiert, indem die Generatorphasen u, v, und w über entsprechende
Anordnungen von Messwandlern 4 überwacht werden, und indem
die Netzphasen n1, n2, und n3 ebenfalls über Anordnungen von Messwandlern 5 überwacht
werden. Die Messwandler überwachen
vorzugsweise die Spannungen der Generatorphasen und der Netzphasen.
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Die
von den Messanordnungen 4, 5 ermittelten Messwerte
werden von der Schalteinheit 6 aufgenommen und von dieser
ausgewertet. Die Schalteinheit 6 vergleicht die relativen
Spannungs-Verhältnisse
der Generatorphasen und der Netzphasen und bestimmt, welche Gruppe
von Schaltern in der vorliegenden Situation geeignet ist, die schnellstmögliche Zuschaltung
des Generators 1 zum Netz 3 vorzunehmen.
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Generell
ist es betrieblich von Vorteil, wenn die Zuschaltung dann erfolgt,
wenn die Generatorphase in Spannungsdeckung mit der nächstliegenden
Netzphase ist, oder wenn sie winkelmässig etwas voreilend zur nächstliegenden
Netzphase ist. Ein erster Leistungsimpuls geht dann erwünschtermassen
in Richtung Netz. Je nach Bedingungen wird also entweder die Schaltung
u – n1;
v – n2;
w – n3; oder
die Schaltung u – n2;
v – n3;
w – n1;
oder aber die Schaltung u – n3;
v – n1;
w – n2
vorgenommen. Entsprechend muss auch im Extremfall nicht der volle
Phasenzyklus abgewartet werden, bis das Netz wieder aufgeschaltet
werden kann, sondern es reicht im Maximum, ein Drittel des Phasenzyklus
abzuwarten. Dies erlaubt zum Beispiel auch bei klassischem Fehlwinkel
120° oder
240° ein
Zuschalten. Wenn beispielsweise der Generator bei plötzlicher
Fortschaltung vom Netz die Drehzahl beschleunigt, muss für ein Wiederzuschalten
nicht ein Wiedererscheinen von 360° = 0° abgewartet werden, sondern
es kann zu früheren
Zeitpunkten zuge schaltet werden. Dies führt zu einer erhöhten Stabilität, dabei
früherem
Zuschalten auch der Schlupf noch nicht stark entwickelt und somit
kleiner ist, bzw. es kann für
vorgegebenen, limitierten Schlupf eine erweiterte Zuschaltzeit freigegeben
werden.
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Der
Schalteraufbau kann vorteilhaft baulich in den Generator integriert
werden. Es kann dabei zum Beispiel eine Kühlung, wie sie in der
DE 10310307 A1 beschrieben
ist, zur Anwendung gelangen. Der Generator wird dann die übliche Anzahl Klemmen
zum Transformator aufweisen.
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An
Stelle von Thyristoren können
aktiv abschaltbare Halbleiterelemente verwendet werden, wie z.B.
GTO's. Diese können im
Falle einer Kurzschlussabschaltung aktiv abgeschaltet werden, dies zur
Schonung des Wellenstranges. In allen übrigen Betriebsfällen werden
die GTO's wie Thyristoren
nur bei Nulldurchgängen
stromlos gemacht. Allenfalls können
GTO's pulspaket-gesteuert
als Frequenzwandler zum Hochfahren mit dem Generator als Motor zur
Anwendung kommen.
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Wie
in 2a dargestellt, ist es auch möglich, den Generatorsternpunkt
aufzutrennen, und die Phasen beidseitig auf Leistungsschalter zu
führen. Es
liegt dann eine so genannte Dreiecksschaltung des Generators 1a vor.
Mit dieser durch Brückenschaltungen
erweiterten Matrixschaltung unter Verwendung von nicht mehr nur
9 Leistungsschaltern, sondern 18 Leistungsschaltern 9,
kann dann sogar in 60°-Schritten zugeschaltet
werden.
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2b zeigt
eine Variante, bei welcher die einzelnen Generatorwicklungen auf
einen Sternpunkt 21 geführt
sind, d.h. einen Generator 1b, dessen Statorwicklungen 20 in
Sternschaltung verbunden sind. Auch hier ist die erfindungsgemässe Vorrichtung
verwendbar, es sind dann aber 21 Leistungsschalter notwendig, wobei
jeweils pro Generatorwicklung 20 eine Schaltergruppe 16 mit
drei Leistungsschaltern 9 für die Verbindung zu den Netzphasen
n1, n2 sowie n3 vorgesehen werden. Weiterhin ist jede Generatorwicklung 20 über vier
Leistungsschalter 8a, 8a', 8b, 8b' in Abhängigkeit
der Polarität
mit dem Sternpunkt 21 verbindbar.
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Die
zwei verschiedenen Schaltungsmöglichkeiten
sind in der obersten Darstellung schematisch durch eine ausgezogene
Linie (Schalter 8a und 8a' geschlossen, Schalter 8b und 8b' offen) bzw.
durch eine gepunktete Linie (Schalter 8a und 8a' offen, Schalter 8b und 8b' geschlossen)
angedeutet.
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Wie
in 3 schematisch dargestellt, kann der Generator 1 auch
mit einer Statorwicklung in Ringschaltung mit m Anzapfungen (in 3 handelt es
sich konkret um 18 Anzapfungen, auch z.B. 21 Anzapfungen sind möglich) ausgeführt sein.
Die Matrix weist m × n
Leistungsschalter auf (in 3 60 Schalter).
Der Materialaufwand nimmt entsprechend zu, dafür ist hier auch ein längerdauernder
elektrischer Schlupfbetrieb mit kleinem Schlupf denkbar, indem wiederholend
in Zeitschritten von Spannungsperioden oder einer Vielzahl davon
in einer erweiterten Zuschaltlogik entschieden wird, wann vom Netz
abgetrennt und auf eine um einige Winkelgrade verschobene Anzapfung
weitergeschaltet wird. In Unterschied zu einem Matrixumrichter wird
hier mit einer Vollwellenansteuerung gearbeitet.
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Wie
in 4 dargestellt, ist es möglich, die vorgeschlagene Schaltungsanordnung
mit einem Überspannungsschutz 12 in
so genannter Summenbeschaltung zu kombinieren. Dabei dient eine
zusätzlich
vorgesehene Diodenbrücke
mit Dioden 13, welche sowohl mit den Generatorphasen u,
v, w als auch mit jeder der Netzphasen n1, n2, n3 verbunden ist,
als Überspannungsschutz 12.
Mit der Diodenbrücke
ist wenigstens eine als Kondensator ausgebildete Dämpfungskapazität 14 verbunden,
vorzugsweise in Kombination mit einem parallel dazu angeordneten Widerstand 15 im
Sinne einer RC-Last 22.
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Der
Kondensator ist im Normalbetrieb auf Scheitelwert der verketteten
Spannung aufgeladen. Die Kapazität
bestimmt sich aus der Energie, welche beim Abschalten der beteiligten
Induktivitäten
frei wird, und der erlaubten Überspannung,
welche am Kondensator mit der Übernahme
dieser Energie auftritt. Der Widerstandswert des Widerstandes 15 richtet
sich nach der gewünschten
Erholzeit, um den Kondensator auf Normalspannung zurückzubringen.
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5 illustriert,
wie die vorgeschlagene Schaltung an einen als Netztransformator
ausgebildeten Transformator 2 angebaut oder in einen solchen
baulich integriert werden kann (dies analog zu den bekannten Stufenschaltern).
Es ist dargestellt, wie die Schaltungsanordnung beim Transformator 2 generatorseitig
angeordnet werden kann. Selbstverständlich ist es auch möglich, die
Schaltungsanordnung netzseitig anzuordnen. Die einzelnen Wicklungen 17 des
Transformators 2 auf der Seite der Schaltungsanordnung
sind in Brückenschaltung
ausgerüstet,
wobei die Wicklungen 17 wiederum beidseitig über Schaltergruppen 16 auf
jede der Generatorphasen u, v, w verbunden sind.
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6 illustriert,
wie ausserdem Dämpfungselemente 18 zur
Dämpfung
von Einschaltpendelungen vorgesehen werden können. Dazu werden transient
zuschaltbare Widerstände 19 in
jeder Generatorphase angeordnet. Die erforderliche Grösse der Widerstände kann
aus der bekannten Abhängigkeit von
Rotorträgheitskonstante,
Generator und Netzinduktivitäten
auf aperiodische Dämpfung
ermittelt werden. Typische Widerstandswerte liegen im Bereich von
5% der Generator-Nennimpedanz.
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7 zeigt
die kombinierte Verwendung der erfindungsgemässen Schaltergruppe 16 mit
einem konventionellen Leistungsschalter 23, welcher auf Generatorseite
oder Netzseite des Transformators liegen kann. In diesem Fall kann
der Leistungsschalter 23 für Kurzschluss-Abschaltung und
Wiederzuschaltung auf das Netz sorgen. Die Schalter 9 müssen dann
nicht Störströme schalten,
sondern nur leitend führen.
Die stromlose beste Selektion der Phasenlage für das Wiederzuschalten erfolgt
mit Schaltern 9. Die Schalter 9 können damit
weniger aufwändig
dimensioniert werden.
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Zur
Absicherung wird bei der Betriebsweise die Programmierung der Schalteinheit 6 derart
eingestellt, dass keine Kurzschlüsse
möglich
sind. Entsprechend wird eine inhärente
unabhängige
Verriegelungslogik vorgesehen, welche verhindert, dass zum Beispiel
Schalter zwischen Netzphasen oder Generatorphasen Kurzschlüsse erzeugen
können.
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- 1
- Quelle,
Generator
- 1a
- Generätor in Dreieckschaltung
- 1b
- Generator
in Sternschaltung
- 2
- Transformator
- 3
- Last,
Netz
- 4
- Messanordnung,
Messwandler, Generator-Spannungswandler
- 5
- Messanordnung,
Messwandler, Netz-Spannungswandler
- 6
- Schalteinheit,
Zuschaltlogik
- 7
- Steuerleitung
- 8a,
8b, 8a', 8b'
- Leistungsschalter
für unterschiedliche
Sternschaltung
- 9
- Leistungsschalter
- 10
- Thyristor
- 11
- Matrix
- 12
- Überspannungsschutz
- 13
- Diode
- 14
- Dämpfungskapazität
- 15
- Widerstand
- 16
- Schaltergruppe
- 17
- Wicklung
von 2
- 18
- Dämpfungselement
- 19
- Widerstand
- 20
- Statorwicklung
von 1
- 21
- Sternpunkt
- 22
- RC-Last
- 23
- konventioneller
Leistungsschalter
- u,
v, w
- Phasen
der Quelle, Phasen des Generators, Generatorphasen
- n1,
n2, n3
- Phasen
der Last, Phasen des Netzes, Netzphasen