DE102012224188A1

DE102012224188A1 - Verfahren zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs für ein Wasserschütz mit einer elektrischen Maschine, Betriebsschaltung, Wasserschütz-Antrieb und Wasserkraftanlage

Info

Publication number: DE102012224188A1
Application number: DE102012224188.4A
Authority: DE
Inventors: Andreas Janssen; Heinrich Uphoff
Original assignee: Wobben Properties GmbH
Current assignee: Wobben Properties GmbH
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-06-26
Also published as: BR112015014225A2; US9758940B2; JP2016502006A; AU2013360689B2; AR094215A1; MX2015007552A; RU2015129698A; CA2893796C; TW201441451A; ZA201503923B; KR20150096526A; WO2014096113A3; CL2015001780A1; US20150330047A1; CA2893796A1; CN104870716A; WO2014096113A2; AU2013360689A1; RU2627999C2; EP2935700A2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs (200) für ein Wasserschütz (100), insbesondere für ein Wasserrollschütz, vorzugsweise bei einer Wasserkraftanlage (1000), wobei der Antrieb eine elektrische Maschine aufweist, insbesondere eine Asynchronmaschine (210) aufweist, insbesondere einen Asynchron- Motor/Generator. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass – die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine (210), eine Lüfterbremse (230) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Lösen der Lüfterbremse (230) für den Fall, dass eine unzureichende Stromversorgung angezeigt wird, – selbsttätiges Betreiben der elektrischen Maschine, insbesondere Asynchronmaschine (210), wobei die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, im generatorischen Inselbetrieb betrieben wird, bei dem ein Drehfeld selbsttätig erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs für ein Wasserschütz, insbesondere für ein Wasserrollschütz, vorzugsweise bei einer Wasserkraftanlage, wobei der Antrieb eine Asynchronmaschine aufweist, insbesondere einen Asynchron-Motor/Generator. Weiter betrifft die Erfindung eine Betriebsschaltung zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs für ein Wasserschütz. Weiter betrifft die Erfindung einen Wasserschütz-Antrieb und eine Wasserkraftanlage.
Eine Wasserkraftanlage, dient zur Umwandlung einer Lageenergie von Wasser in elektrische Energie. Dazu wird aufgestautes oder fließendes Wasser in einer Wassererfassung über einen Geschiebefang und einen Einlaufrechen einer üblicherweise in einem Turbinenrohr, (z.B. Saugrohr oder Druckrohr) angeordneten Turbine in Strömungsrichtung zugeführt und treibt die Turbine dadurch an. Das die Turbine verlassende Wasser wird über einen Auslauf dem weiteren Wasserablauf zugeführt. Je nach Fallhöhe zwischen Wassererfassung und Auslauf unterscheidet man zwischen Nieder- Mittel- und Hochdruckwasserkraftanlagen; eine Fallhöhe kann dabei regelmäßig im Bereich zwischen 1m und bis zu 10m, in Einzelfällen sogar oberhalb von 15m, liegen. Je nach Fallhöhe können unterschiedliche Turbinenarten zum Einsatz kommen, wie eine beispielsweise in EP 1 440 240 B1 beschrieben ist. Unabhängig von der konkreten Ausführung einer Turbine zeigt sich, dass diese lastabhängig betrieben werden sollte; beispielsweise kann ein lastabhängiger Betrieb einer Turbine dadurch erreicht werden, dass eine Turbinengeometrie veränderlich eingestellt wird, z. B. indem ein Pitchwinkel von Turbinenschaufeln verändert wird. Es kann darüberhinaus aber erforderlich sein, eine Notschluss-Situation zu erkennen und dazu ein auch zum Schutz einer Wasserkraftanlage vorgesehenes Wasserschütz zu schließen; beispielsweise kann dies den Fall einer vollständig geöffneten Turbinengeometrie betreffen, auch in Normalbetriebs- oder Test-Situationen; z.B. bei aus der Strömung heraus gepitchten Turbinenschaufeln (Turbine auf Durchgang). Dies kann auch echte Notsituationen betreffen; beispielsweise bei Eindringen von gegebenenfalls nachteilig für eine Turbine wirkenden Geschiebes oder falls bei technischen Problemen der Wasserkraftmaschine und/oder Turbine einer Wasserkraftanlage ein Wasserabfluss gestoppt werden sollte. Unter einer Notschluss-Situation wird im vorliegenden Fall somit ganz allgemein jede Betriebssituation verstanden, in der es erforderlich oder sinnvoll ist, das Wasserschütz vor der Turbine bzw. vor dem Turbinenrohr der Turbine zu schließen.
Unter einem Wasserschütz ist vorliegend allgemein ein Teil einer Wehranlage, insbesondere bei einer Wasserkraftanlage, zu verstehen, die eine bewegbare Schützvorrichtung, insbesondere eine Schütztafel, zur Regelung des die Wehranlage durchströmenden Wassers aufweist, insbesondere bei einer Wasserkraftanlage. Eine Schütztafel kann beispielsweise in Nischen von Wehrpfeilern geführt sein, die in der Wehranlage verankert sind. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen einem Gleitschütz und einem Rollschütz, je nachdem, ob die Schütztafel in Gleitschienen beweglich ist und/oder mit Hilfe von Lenkrollen wie Lauf- und Führungsrollen einer Rollenanordnung geführt wird. Unter einem Wasserschütz-Antrieb ist ganz allgemein jeder Antrieb zu verstehen, der geeignet ist, ggfs. in Kombination mit einem Getriebe, die Schütztafel direkt oder über eine Rollenanordnung wie Lauf- und Führungsrollen in Bewegung zu versetzen oder eine Bewegung zu hemmen.
Problematisch bei einer Betriebssituation, insbesondere Notschluss-Situation ist, dass zum einen eine Schützvorrichtung wie eine Schütztafel mit vergleichsweise hoher Gewichtskraft zügig in Bewegung gesetzt werden muss. Eine Gewichtskraft der Schütztafel ist dem Initiieren der Bewegung zunächst zwar grundsätzlich vorteilhaft. Aber zum anderen sind auch durch die Gewichtskraft erzeugte erhebliche Widerstandskräfte zur Bewegung einer Schütztafel zu überwinden. Die Widerstandskräfte sind vor allem als auf die Führung der Schütztafel wirkende Reibräfte, insbesondere zudem infolge der Wasserkraft zurückzuführen. Schütztafeln können Gewichtskräfte von gegebenenfalls mehreren Tonnen bis in den zweistelligen Tonnen-Bereich aufweisen.
Zum einen kann eine Schütztafel oder dergleichen Schützvorrichtung bei einer Betriebssituation wie einer Notschluss-Situation in gegebenenfalls kürzester Zeit gegen Trägheitskräfte und vor allem Reibkräfte in Bewegung zu versetzen sein, um Schäden zu vermeiden, insbesondere im schlimmsten Fall eine Zerstörung der Turbinenanlage und/oder der Wasserkraftmaschine (insbesondere umfassend einen Generator oder dergleichen elektrische Wasserkarftmaschine, insbesondere auch umfassend ein etwaiges Getriebe oder dergleichen Antriebsstrangkomponenten und/oder Stromformer-Komponenten) der Wasserkraftanlage zu vermeiden.
Vor allem aber kann eine Bewegung einer Schütztafel und die dem vorgelagerte Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs besonders dann kritisch sein, wenn die Notschluss- Situation mit einer Situation zusammenfällt, bei welcher keine Stromversorgung mehr für den Wasserschütz-Antrieb zur Verfügung steht; insbesondere erweist sich diese Situation als problematisch für den Fall, dass eine elektrische Maschine, also ein elektrischer Motor/Generator, beim Wasserschütz-Antrieb vorgesehen ist. Denn bei der zuvor erläuterten Notschluss-Situation ohne Stromversorgung stehen dann übliche Maßnahmen zum Abbremsen der elektrischen Maschine beim Wasserschütz-Antrieb nur bedingt zur Verfügung infolge der fehlenden Stromversorgung.
In einer solchen Situation wäre damit zu rechnen, dass eine ungehindert in einer Notschluss-Situation einfahrende Schütztafel eines Wasserschützes zum Aufschlagzeitpunkt am Grund der Führung der Schütztafel massive Schäden hervorrufen würde; dies aufgrund der Trägheitskräfte einer einschlagenden Schütztafel mit hohem Gewicht. Beispielsweise können Kräfte einer 30t-Schütztafel bei einer Fallhöhe von 10m die Zerstörung wenigstens der Führung und des Bodens des Wasserschützes sowie ggfs. der Schütztafel selbst zur Folge haben. Insbesondere kann auch ein Verklemmen derselben in der Führung die unerwünschte Folge sein.
Im Ergebnis ist somit in einer Notschluss-Situation selbst bei fehlender Stromversorgung nicht nur eine zügige Bewegung der Schütztafel zu gewährleisten, sondern darüber hinaus eine angemessene Steuerung des Wasserschütz-Antriebs, um ein ungehindertes Einschlagend der Wasserschütztafel am Grund zu verhindern.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs mit einem Asynchron-Motor für ein Wasserschütz anzugeben, insbesondere für ein Wasserrollschütz, das bei einem Notschluss ein Einfahren der Schütztafel passive, d. h. insbesondere ohne Stromversorgung, selbst ohne Netzstromversorgung und selbst ohne unterbrechungsfreie Stromversorgungssicherung, gewährleistet und dabei gleichwohl verhindert, dass die Schütztafel ungebremst oder anderweitig unkontrolliert stoppt.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebes, vorzugsweise im Betrieb, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind, wenigstens aber eines der oben beschriebenen Probleme zu adressieren.. Zumindest soll eine alternative Lösung zu einer im Stand der Technik bekannten Lösung vorgeschlagen werden. Insbesondere sollte eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben werden, mittels denen in einer Notschluss-Situation zuverlässig und gleichzeitig sicher unter Vermeidung von weiteren Schäden zu reagieren ist.
Die Aufgabe betreffend das Verfahren wird durch ein Verfahren des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Asynchron-Motor mit einer Lüfterbremse ausgestattet ist und das Verfahren nach Erkennen einer Notschluss-Situation erfindungsgemäße Schritte aufweist:

– Lösen der Lüfterbremse für den Fall, dass eine unzureichende Stromversorgung angezeigt wird,
– selbsttätiges Betreiben der elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine im generatorischen Inselbetrieb betrieben wird, bei dem ein Drehfeld selbsttätig erzeugt wird.

Die elektrische Maschine (Motor/Generator) ist insbesondere eine Asynchronmaschine.
Bevorzugt ist zur Verwendung ein Asynchron-Motor/Generator (Asynchronmaschine) beim Wasserschütz-Antrieb vorgesehen. Zwar erweist sich eine Asynchronmaschine zur Verwendung in einem Wasserschütz-Antrieb als grundsätzlich vorteilhaft, da diese robust und vergleichsweise wartungsarm ist; dies liegt vor allem daran, dass eine Betriebsweise ohne Bürsten möglich ist. Beim Drehstrom-Asynchron-Motor beruht die Wirkungsweise auf einem Drehfeld, das von der Ständerwicklung des feststehenden Teils des Asynchron-Motors, nämlich dem Ständer oder Stator, erzeugt wird. In der durch die Ständerwicklung realisierten Primärseite des Drehstrom-Asynchron-Motors befindet sich ein rotierender Kurzschlussläufer (auch Käfig genannt), welcher die Sekundärseite darstellt. Der sich einstellende Strom hängt von der Drehzahl ab. Der Läufer des Asynchron-Motors dreht sich üblicherweise immer langsamer als das Drehfeld an den Spulen der Primärseite. Die Steuerung der Asynchronmaschine, insbesondere Asynchron-Motors, erfolgt zumeist über elektromechanische Schütze. Man kann die Maschinendrehzahl, insbesondere Motordrehzahl, über Umrichter, wie z. B. Frequenzumrichter steuern, indem man die Frequenz erhöht oder reduziert. Das ist insbesondere sinnvoll bei einer Anlage wie der eines Wasserschütz-Antriebs, die gegebenenfalls eine variable Drehzahl benötigt, ohne dass ein verstellbares Getriebe eingesetzt werden soll. Bevorzugt ist bei einer Wasserschütz-Antriebs-Anlage auch ein Getriebe zur Betätigung der Rollenanordnung, insbesondere mit wenigstens einer Umlenkrolle, zur Bewegung eines Wasserrollschützes vorgesehen.
Das Verfahren gemäß dem Konzept der Erfindung erweist sich als ausreichend zuverlässig und gleichzeitig durchführbar, insbesondere ohne Vermeidung weiterer Schäden, selbst für den Fall einer fehlenden Stromversorgung. Vorteilhaft ist vor allem die zuverlässige und schadensfreie Durchführung des Verfahrens in einer Notschluss-Situation selbst dann möglich, wenn eine Netzstromversorgung fehlt und auch eine unterbrechungsfreie Stromversorgung nicht zur Verfügung steht.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist das Verfahren, insbesondere nach dem Erkennen einer Notschluss-Situation, auch die Schritte auf: Erkennen einer unzureichenden, insbesondere fehlenden, Stromversorgung. Insbesondere kann auf ein Fehlen eines Netzstromes bzw. einer Netzspannung und/oder ein Fehlen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung erkannt werden. Das Fehlen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung kann auch dadurch gegeben sein, dass eine Anlage (USV) zur unterbrechungsfreien Stromversorgung nicht installiert ist – ein Vorzug des hier beschriebenen Konzepts der Erfindung besteht darin, dass vorteilhaft das Vorsehen einer Anlage (USV) zur unterbrechungsfreien Stromversorgung nicht erforderlich ist, da das Konzept der Erfindung einen sicheren Betrieb des Wasserschütz-Antriebs auch in einer Notschluss-Situation ohne Netzstrom bzw. ohne Netzspannung möglich macht; dies führt zu einer Bauteil- und Kosten-Ersparnis.
Das Konzept der Erfindung führt auch auf eine Betriebsschaltung des Anspruchs 13, zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs für ein Wasserschütz insbesondere für ein Wasserrollschütz, vorzugsweise bei einer Wasserkraftanlage, wobei der Antrieb eine Asynchronmaschine, insbesondere einen Asynchron-Motor/Generator, aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass

– die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, eine Lüfterbremse (230) aufweist, wobei
– die Betriebsschaltung einen ersten Stromstrang, insbesondere für einen Normalbetrieb, und einen zweiten Stromstrang, insbesondere für einen Notbetrieb, aufweist, wobei
– der zweite Stromstrang ausgebildet ist, die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, im generatorischen Inselbetrieb selbsttätig zu betreiben, wobei ein Drehfeld selbsttätig erzeugbar ist.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist ein Drehfeld selbsttätig erzeugbar, insbesondere mit wenigstens einer ersten Stufe von Lastwiderständen für eine erste Steuer- und/oder Regel-Stufe und einer zweiten Stufe von Lastwiderständen für eine zweite Steuer- und/oder Regel-Stufe. Vorteilhaft können darüber unterschiedliche Bremswiderstände realisiert werden.
Das Konzept der Erfindung führt auch auf einen Wasserschütz-Antrieb des Anspruchs 14. Insbesondere ist der Wasserschütz-Antrieb zur Steuerung einer Asynchronmaschine für ein Wasserschütz ausgebildet., vorzugsweise in Form eines Wasserrollschütz-Antriebs für ein Wasserrollschütz gebildet.
Das Konzept der Erfindung führt auch auf eine Wasserkraftanlage des Anspruchs 23 mit einem Wasserschütz-Antrieb der vorgenannten Art. Bei der Wasserkraftanlage ist der Wasserschütz-Antrieb ausgebildet zur Steuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, für ein Wasserschütz, insbesondere für ein Wasserrollschütz, wobei die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, eine Lüfterbremse aufweist.
Die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, weist erfindungsgemäß eine Lüfterbremse auf und weiter eine Signalisierungseinheit. Die Signalisierungseinheit ist vorteilhaft ausgebildet, eine Notschluss-Situation, insbesondere zudem einen Ausfall eines Versorgungsstromes bzw. einer Versorgungsspannung, zu erkennen und/oder anzuzeigen;

– eine Aktuatoreinheit, die ausgebildet ist ein Lösen der Lüfterbremse umzusetzen, insbesondere für den Fall, dass eine fehlende Stromversorgung angezeigt ist;
– eine Betriebsschaltung zum selbsttätigen Betreiben der Asynchronmaschine, wobei die Betriebsschaltung ausgebildet ist, die Asynchronmaschine (als Asynchron-Generator) im generatorischen Inselbetrieb zu betreiben, wobei ein Drehfeld selbsttätig erzeugbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, dass oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung, sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
In einer weiterbildenden Variante ist das Verfahren auch anwendbar, wenn eine Stromversorgung erkannt wird. In dem Fall eigenen sich insbesondere die strombasierten Maßnahmen zum Abbremsen des Asynchron-Motors und damit der Schütztafel wie eine Gegenstrombremsung, Senk- oder Nutzbremsung oder Gleichstrombremsung des Asynchron-Motors.
Insbesondere für den Fall, dass eine ausreichende Stromversorgung angezeigt wird, ist vorgesehen: Erkennen der Stromversorgung, insbesondere einer Stromversorgung aus einem Stromnetz und/oder einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), wobei die elektrischen Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, mit der Stromversorgung betrieben wird. Die elektrischen Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, kann dann mit variablen Drehgeschwindigkeiten betrieben werden, insbesondere für den Fall, dass eine ausreichende Stromversorgung angezeigt wird. Insbesondere kann für diesen Fall vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine, insbesondere die Asynchronmaschine, zum langsamen Schließen des Wasserschützes betrieben wird und/oder eine elektrische Stopprampe für die Asynchronmaschine gefahren wird. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass eine ausreichende Stromversorgung angezeigt wird, insbesondere unter elektrischem Regeln der Asynchronmaschine und/oder eines Frequenzumrichters.
Zusätzlich oder alternativ kann sowohl im Falle eines Erkennens einer unzureichenden, insbesondere fehlenden, Stromversorgung – z. B. eine unzureichende Stromversorgung aus einem Stromnetz und/oder eine unzureichende Stromversorgung einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) –, insbesondere zusätzlich im Falle des Erkennens einer Notschluss-Situation, vorgesehen sein, dass eine elektromechanische Stopprampe für den Asynchron-Motor unter Regeln und/oder bevorzugt Steuern der Lüfterbremse gefahren wird. Allgemein kann eine an sich bekannte Lüfterbremse vorgesehen sein. Insbesondere im Rahmen einer Weiterbildung eine Lüfterbremse derart vorgesehen sein, dass in spannungslosen Zustand ein Asynchron-Motor/Generator oder dergleichen elektrische Maschine mechanisch gehalten ist. Beispielsweise können dazu Bremsfedern axial bewegliche Ankerscheiben eines Rotors an einen Reibbelag gegen den Stator drücken. Beispielsweise kann das Bremsmoment über eine Passfederverbindung eines Reibbelagträgers bzw. einer verzahnten Mitnehmerscheibe auf eine Welle übertragen werden. Wird eine Gleichspannung an die Bremsspule gelegt, lüftet die Ankerscheibe mit Bremsbelag, so dass der Motor hochlaufen kann. Diese beispielhafte Beschreibung einer Lüfterbremse dient nur zur Verdeutlichung eines möglichen Lüfterbremse-Wirkprinzips – die Erfindung ist nicht beschränkt auf eine bestimmte Ausführungsform einer Lüfterbremse.
Im Rahmen einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens bei Erkennen einer Notschluss-Situation, erfolgt das Lösen der Lüfterbremse unter automatischem und selbstbetätigtem Abheben der Lüfterbremse. Insbesondere kann dann unter Schwerkrafteinwirkung des Wasserschützes, insbesondere der Schütztafel, der Asynchron-Motor angetrieben werden/beispielsweise in dem die Schütztafel an dem Zugstrang der Lenkrollen zieht und die Kraft des Zugstrangs über das Getriebe an die Asynchronmaschine weitergegeben wird. Konkret kann unter Einwirkung einer Gewichtskraft einer Schütztafel des Wasserschützes die Asynchronmaschine angetrieben werden. Insbesondere kann dies über eine Kondensatoranordnung von Erregungskondensatoren erfolgen. In dem Fall erzeugt der Asynchron-Motor oder dergleichen elektrische Maschine ein Drehfeld selbsttätig im generatorischen Inselbetrieb.
Insbesondere kann selbst im Fall einer unzureichenden Stromversorgung die Asynchronmaschine oder dergleichen elektrische Maschine mit unterschiedlichen, insbesondere weitgehend vorgegebenen festen, ersten und zweiten Drehgeschwindigkeiten betrieben werden, insbesondere für den Fall, dass eine unzureichende Stromversorgung angezeigt wird, insbesondere ohne Stromversorgung betrieben werden. Konkret kann wenigstens eine Steuer- und/oder Regel-Stufe, insbesondere eine erste Steuer- und/oder Regel-Stufe als Bremsstufe und eine zweite Steuer- und/oder Regel-Stufe als Stoppstufe für die Asynchronmaschine unter Lastschalten der Lüfterbremse gefahren werden.
Besonders bevorzugt kann eine Bremsung der Asynchronmaschine (in dem Fall des im Inselbetrieb betriebenen Asynchron-Generators) durch Zuschalten einer ersten Stufe von Lastwiderständen erfolgen. Eine Bremsregelung der Asynchronmaschine kann insbesondere spannungsabhängig und/oder abhängig von einer Position des Wasserschützes erfolgen. Es hat sich als besonders bevorzugt erwiesen, dass die Asynchronmaschine wenigstens in zwei Drehzahlstufen geregelt wird. Dazu hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine erste und eine zweite Stufe von Lastwiderständen spannungsabhängig und/oder abhängig von einer Position des Wasserschützes zuzuschalten, insbesondere eine erste und eine zweite Stufe von Lastwiderständen zuzuschalten.
Bei einem Wasserschütz-Antrieb hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, dass die Aktuatoreinheit einen Gasfederspeicher aufweist, mittels dem die Lüfterbremse lösbar ist. Bevorzugt weist die Aktuator-Einheit dazu ein stromgeschlossenes (d. h. im Regelbetrieb mit Netzstromversorgung oder mit einer Stromversorgung aus einer unterbrechungsfreien Stromschaltung) Regelventil in einer Aktuator-Druckleitung zwischen dem Gasfederspeicher und der Lüfterbremse auf. Da das Regelventil damit stromlos offen ist, sichert die Aktuator-Einheit durch Öffnen des stromlos offenen Regelventils in der Aktuator-Druckleitung zwischen dem Gasfederspeicher und der Lüfterbremse eine Zuführung von Gasdruck zur Lüfterbremse. Unter dem Gasdruck kann die Lüfterbremse gegen eine Federkraft einer Bremsfeder der Lüfterbremse automatisch und selbsttätig öffnen und damit den Rotor der Elektromaschine für eine Rotation im Stator freigeben; also zur Erzeugung des Drehfeldes.
Bevorzugt weist die Betriebsschaltung eine Anzahl von Kondensatoren und wenigstens eine erste Anzahl zuschaltbarer Lastwiderstände auf. Eine Anzahl zuschaltbarer Lastwiderstände ist bevorzugt spannungsabhängig und/oder abhängig von einer Position des Wasserschützes zuschaltbar, insbesondere kann ein einzelner oder eine Anzahl von zwei drei oder mehr Lastwiderstände einzeln oder in Gruppen zugeschaltet werden. Bevorzugt kann ein elektromechanisches Schütz zwischen Kondensator und Lastwiderstand vorgesehen sein, um die Anzahl zuschaltbarer Lastwiderstände zuzuschalten, vorzugsweise spannungsabhängig und/oder abhängig von einer Position des Wasserschützes. Grundsätzlich kann auch zusätzlich oder alternativ zu einer Spannungsabhängigkeit und/oder Positionsabhängigkeit ein anderes Mittel einer Abhängigkeit zur Zuschaltung etabliert sein (beispielsweise eine Zeitsteuerung oder ein anderes Abhängigkeits-Regel- oder Steuermittel), um einen Bremswiderstand für das Wasserschütz zu realisieren, insbesondere unter Zuschalten einer Anzahl zuschaltbarer Lastwiderstände. Ein elektromechanisches Schütz weist bevorzugt dazu eine elektrische Steuerleitung und eine elektrische Lastleitung, insbesondere als Drei-Phasen-Leitung auf.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Betriebsschaltung eine Steuerung aufweist, die ausgebildet ist eine erste Anzahl zuschaltbarer Lastwiderstände und/oder eine zweite Anzahl zuschaltbarer Lastwiderstände zuzuschalten, insbesondere spannungsabhängig und/oder abhängig von einer Position des Wasserschützes und/oder abhängig von einem anderen Abhangigkeitsmittel zuzuschalten. Die Weiterbildung hat erkannt, dass ein Einfahren einer Schütztafel des Wasserschützes mit besonderem Vorteil versehen mit einer Zwei- oder Mehr-Stufen-Steuerung und/oder -Regelung versehen werden kann. Eine erste Stufe einer Steuerung und/oder Regelung kann insbesondere dazu ausgelegt sein, die eine Schütztafel besonders zugig in Bewegung zu versetzen. Eine zweite Stufe der Steuerung und/oder Regelung kann bevorzugt ausgelegt sein, das Abbremsen der Schütztafel effektiv umzusetzen. So kann eine elektromechanische Stopprampe für die Asynchronmaschine derart ausgelegt sein, dass für einen Großteil des Weges der Schütztafel eine erste Anzahl zuschaltbarer Lastwiderstände den möglichst effektiven Antrieb des Wasserschütz-Antriebs und damit das möglichst effektive Einfahren der Schütztafel, gewährleisten. Für einen geringeren Teil des Weges kann die elektromechanische Stopprampe für die Asynchronmaschine dazu ausgebildet sein, den Wasserschütz-Antrieb möglichst effektiv abzubremsen und damit möglichst effektiv eine Abbremsung der Schütztafel zu gewährleisten. Beispielsweise kann ein Großteil des Weges zwischen 50 % und 95 % des Einfahrweges der Schütztafel ausmachen. Beispielsweise kann ein geringerer Teil des Weges zwischen 50 % und 5 % des Einfahrweges der Schütztafel ausmachen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung im Vergleich zum Stand der Technik, welcher zum Teil ebenfalls dargestellt ist, beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung, sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im Folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele, sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in:
1 eine beispielhafte Ansicht eines Wasserschütz und eines Wasserschütz-Antriebs, wobei das Wasserschütz als ein Rollschütz einer Wehranlage bei einer Wasserkraftanlage gebildet ist;
2 schematisch einen Wasserschütz-Antrieb mit einem Wasserrollschütz und einer Asynchronmaschine, die eine Lüfterbremse aufweist, sowie mit einer Signalisierungseinheit, einer Aktuator-Einheit und einer Betriebsschaltung einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Wasserschütz-Antriebs verbindbar ist;
3 die Zusammenschau eines Wasserschütz-Antriebs gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einem ersten Teil einer Betriebsteuerung zum regulären Betrieb einer Asynchronmaschine mit einer Stromversorgung am Stromnetz jedoch gemäß der bevorzugten Ausführungsform ohne unterbrechungsfreie Stromversorgung sowie mit einem zweiten Teil einer Betriebsteuerung, passiv ausgebildet, für eine zuverlässige und schadensfreie Funktionsweise, wobei eine Signalisierungseinheit eine Aktuator-Einheit und ein zweiter Stromstrang für den zweiten Teil der Betriebsteuerung vorgesehen ist;
4 schematisch ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs für ein Wasserschütz mit einer Asynchronmaschine bei Erkennen einer Notschluss-Situation.
1 zeigt ausschnittsweise eine beispielhafte Konstruktion eines Wasserrollschützes für eine in 2 näher gezeigte Wasserkraftanlage 1000. Das Wehr weist zur Darstellung des Wasserschützes 100 – hier ein Wasserrollschütz – an einem Übertragungs-Rollwerk 130 eine Schütztafel 110 in einer Schützlagerung 120 auf. Die Schützlagerung 120 hat eine erste Lagerschiene 121 und eine zweite Lagerschiene 122, die mit einer Nut jeweils zur Ausbildung einer Gleitschiene ausgeführt sind; die Schütztafel 110 ist beidseitig in der
Nut der ersten und zweiten Lagerschiene 121, 122 gleitend gelagert. Gehalten wird die Schütztafel 110 von einem Zugstrang 131 des Übertragungs-Rollwerk 130 der 2, wobei der Zugstrang 131 – vorliegend in Form eines Seils – von der Schütztafel 110 über Lenkrollen – nämlich über eine Umlenkrolle 132 und über eine Seiltrommel 133 an einem Gerüst 101 des Übertragungs-Rollwerks 130 – geführt wird. Die Seiltrommel wird über ein Getriebe 220 von einer Asynchronmaschine 210 eines Wasserschütz-Antriebs 200 angetrieben, wobei der Asynchronmaschine 210 eine Lüfterbremse 230 zugeordnet ist. 1 zeigt dazu die Anordnung der Asynchronmaschine 210 des Getriebes 220 und der Seiltrommel 133 mit dem Zugstrang 131 des Wasserschützes 100 in Form des Wasserrollschützes.
Die Schütztafel 110 kann – hier beispielsweise vorliegend ein Gewicht von 32 t – ein ganz erhebliches Gewicht im Tonnen-Bereich aufweisen und eine Fallhöhe in der Führung der Schützlagerung 120 kann mehrere Meter, beispielsweise bis zu 10m oder 15m betragen. Bei einem ungedämpften Aufprall der Schütztafel 110 in der in 1 gezeigten unteren Position – d. h. im Schlussfall – würde wenigstens die Schütztafel 110 und deren Lagerung zerstört werden, was im schlimmsten Fall das Wasserschütz 100 unbrauchbar macht; es sind deshalb geeignete Mittel zum passiven und gleichzeitig kontrollierten Bewegen und Abbremsen der Schütztafel 110 in der unteren Position vorzusehen.
Ein Notschluss des Wasserrollschützes kann sich ergeben bei der Gefahr eines Durchgehens der Wasserturbine (also beispielsweise beim Rauspitchen der Turbinenblätter oder Turbinenschaufeln oder dergleichen). Ein anderer weniger wahrscheinlicher Fall kann ein drohender Eintrag von Fremdsubstanzen sein, beispielsweise aus dem Geschiebe, wenn diese ein Geschiebefang oder einen Einlaufrechen überwunden haben sollten. Ein Wasserschütz 100 in der in 1 gezeigten Form oder in der in 2 gezeigten Form kann unmittelbar, wie gezeigt, vor einem Turbinenrohr einer schematisch dargestellten Turbine 400 angeordnet sein. Hier dient eine Schütztafel 110 des Rollschützes als Verschlusstor vor einem Wasserlauf 500 des Wasserkraftwerks 1000. Ein Wasserschütz 100 kann jedoch auch in einer dem Turbinenrohr vorgelagerten Position, beispielsweise als Teil des Rechensystems oder als Teil des Geschiebefangs (hier nicht gezeigt) gebildet sein.
Weiter Bezug nehmend auf 2 ist dort im Einzelnen schematisch gezeigt ein vorderer und hinterer Teil 123, 124 einer Führung der Schützlagerung 120 mit der Schütztafel 110 am Zugstrang 131. Die Schütztafel 110 ist wiederum in der unteren Position – hier Notschlussposition – gezeigt, d. h. aufliegend auf der unteren Begrenzung 301 und anliegend an einer oberen Begrenzung 302 des Turbinenrohrs 300 vor der Turbine 400. Für die Strecke des unteren Absenkbereich B10 unmittelbar oberhalb der unteren Begrenzung 301 ist ein besonderer, gemäß der weiteren Ausführungsform erläuterter zweiter Regelbereich zur Abbremsung der Schütztafel 110 mit dem Rollschütz-Antrieb 200 vorgesehen. Für die Strecke des darüber liegenden Fahrbereichs B90 wird mit dem hier im Weiteren beschriebenen bevorzugten ersten Teil einer Steuerung und/oder Regelung des Wasserschütz-Antriebs 200 geregelt.
Der Wasserschütz-Antrieb 200 weist weiter Bezug nehmend auf 2 neben der als Motor oder Generator betreibbaren Asynchronmaschine 210 mit variabler Drehzahl n und dem Getriebe 220 auch die der Asynchronmaschine 210 zugeordnete Lüfterbremse 230 auf, welche auf einer gemeinsamen Welle 201 mit einem Rotor der Asynchronmaschine 210 sitzt. Konkret ist die Lüfterbremse 230 in dieser Ausführung dadurch gebildet, dass der Rotor der Asynchronmaschine 210 reibschlüssig mit dem Stator der Asynchronmaschine 210 verbindbar ist. Es ist vorgesehen, dass eine Aktuator-Einheit 240 gegen die Kraft einer Bremsfeder 250 wirkt; dies über geeignete Verbindungsmittel 260. Die Bremsfeder 250 hat die Wirkung, dass ohne Betätigung der Aktuator-Einheit 240 ein Rotor reibschlüssig mit dem Stator der Asynchronmaschine 210 kraftschlüssig im Reibschluss befindlich ist. Ohne Betätigung der Aktuator-Einheit 240 greift die Lüfterbremse 230 und die Asynchronmaschine 210 sitzt fest.
In einem ersten in 2 nicht gezeigten Haltezustand wird die Schütztafel 110 in einer oberen Position gehalten unter Freigabe des Turbinenrohres 300 zur Durchströmung des Turbinenrohres 300 mit Wasser 500, so dass die Turbine 400 angetrieben wird. Die Lüfterbremse braucht nicht die Gewichtskraft der Schütztafel 110 aufzunehmen; diese kann durch andere, hier nicht näher gezeigte Konstruktionsmittel arretiert und/oder gehalten sein.
Durch einen in 2 gezeigten ersten Pfeil ist die Halteposition HP1 symbolisiert. Über einen in 2 gezeigten zweiten Pfeil kann die Schütztafel 110 in einen zweiten festsitzenden Zustand – wie er in 2 dargestellt ist –, d. h. in eine untere Halteposition HP2 überführt werden nachdem die Aktuator-Einheit 240 die Lüfterbremse 230 freigegeben hat. Dazu wird der Druck der Bremsfeder 250 auf den Rotor zur Darstellung eines Reibschlusses zwischen Rotor und Stator infolge der Kraftwirkung der Aktuator-Einheit 240 auf die Bremsfeder 250 zurückgenommen. In dem Fall kann der Rotor der Asynchronmaschine 210 im Stator gedreht werden und zwar in Richtung eines generatorischen Betriebs gemäß Drehzahl n für selbsttätige Erzeugung eines Drehfeldes.
Im Einzelnen ist die Wirkungsweise des Wasserschütz-Antriebs 200 in 3 gezeigt. Dazu wird im Einzelnen auf identische oder ähnliche Merkmale oder Merkmale identischer oder ähnlicher Funktion mit gleichem Bezugszeichen Bezug genommen, so dass auf die vorgehende Beschreibung betreffend diese Bezugszeichen verwiesen werden kann.
Die Aktuator-Einheit 240 ist im vorliegenden Fall der Ausführungsform der 3 konkret ausgebildet mit einem Druckspeicher 241, der über eine Aktuator-Druckleitung 242 und einem in diesem angeordneten Regelventil 243 zu einem Gasfederspeicher 244 geöffnet werden kann. Eine Signalisierungseinheit 270 ist vorgesehen, über eine Signalleitung 271 das Signal einer Notschluss-Situation an einen Steueranschluss 243.1 des Regelventils 243 zu geben. Der Steueranschluss 243.1 kann beispielsweise eine Magnetspule zur Bewegung eines Ventilkolbens 243.2 des Regelventils 243 sein. Ist der Gasfederspeicher 244 mit Druckmittel beaufschlagt, kann dieser die Bremsfeder 250 lösen; dies mit einer Gegenkraft GK entgegen der Druckkraft DK der Bremsfeder 250. Damit kann ein Rotor in einem Stator der Asynchronmaschine 210 zu einer beweglichen Position geführt werden und sich in dieser bewegen – dies entspricht dem Lösen der Lüfterbremse 230.
Das mechanische Wirkungsprinzip des Rollschütz-Antriebs 200 ergibt sich wie folgt. Das Windensystem, hier als Übertragungs-Rollwerk 130 von Lenkrollen, wird von einem Zugstrang 131 auf einer Seiltrommel 133 gespeist. Die Seiltrommel wird von dem Wasserschütz-Antrieb 200 angetrieben, nämlich komplett von der Asynchronmaschine 210, die als Motor arbeitend das Getriebe 220 antreibt und darüber die Umlenkrolle 133. So kann die Schütztafel 110 des Rollschützes als Verschluss für den Wasserlauf 500 oder das Turbinenrohr 300 des Wasserkraftwerks 1000 dienen.
Im Regelbetrieb steht ein Stromnetz 600 zur Darstellung eines Drei-Phasen-Stroms I zur Verfügung, der hier mit Leitungen für drei Phasen I₁, I₂, I₃ gezeigt ist. Ohne eine unterbrechungsfreie Stromversorgung und nur über einen Frequenzumrichter 712 in einem ersten Teil einer Betriebsschaltung 700 kann der Strom über einen ersten Stromstrang 710 der Asynchronmaschine 210 zugeführt werden. Im energielosen Zustand eines Relais oder dergleichen elektro-mechanischen Schützes 720 – hier in Form eines Normalbetriebsschützes – sind die Phasen I₁, I₂, I₃ der Stromleitung I mit der Asynchronmaschine 210 elektrisch verbunden, sodass diese antreibbar ist. Das Normalbetriebs-Schütz 720 befindet sich dazu in einer elektrischen Zweigleitung 713 zur Verbindung zur Netzleitung 711 über den Frequenzumrichter 712; dies im energielosen – d. h. nicht angezogenen – Zustand des Normalbetriebs-Schützes. Der Frequenzumrichter 712 ist ein Drei-Phasen-Frequenzumrichter mit Bremswiderständen. Die unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlage kann vorliegend vorgesehen sein; dies beispielsweise für eine Betriebsspannung von 400 V bei drei Phasen, mit einer entsprechenden Anzahl von Batterien und einem Bypass. Die Lüfterbremse 230 kann wie vorliegend über einen Bremsdruck wirken, der vorliegend über eine Bremsfederkraft der Bremsfeder 250 zur Verfügung gestellt wird.
Im ohne Steuerstrom beaufschlagten Zustand des Normalbetriebs-Schützes 720 öffnet dieses und trennt die elektrische Zweigleitung 713. Eine entsprechende Steuersignalleitungen 720 ist zum Normalbetriebs-Schütz 720 geführt. Dieser Zustand entspricht einem Zustand der Asynchronmaschine 210 ohne Stromversorgung, sei es eine Stromversorgung von Stromnetz 600 oder eine Stromversorgung von einer hier grundsätzlich nicht vorgesehenen aber im Einzelfall vorhandenen unterbrechungsfreien Stromversorgung USV. Die Asynchronmaschine 210 kann bei beispielsweise 400 V und mit einer Frequenz zwischen beispielsweise 3 und 50 Hz bei entsprechender Wechselspannung betrieben werden. In dem für den Notbetrieb vorgesehenen zweiten Teil einer Betriebsschaltung 700 ist die Betriebsschaltung 700 in einem zweiten Stromstrang 730 für einen generatorischen Inselbetrieb in besonderer Weise ausgelegt. Im Inselbetrieb ist die Asynchronmaschine 210 für den Betrieb eines Generators im Inselbetrieb ausgelegt.
Die Gewichtskraft G einer Schütztafel 110 des Wasserschützes 100 erzeugt bei oben beschriebenem Lösen der Lüfterbremse 230 eine Drehbewegung des Rotors im Stator der Asynchronmaschine 210 und sorgt so für eine Eigenversorgung der Steuerung und/oder Regelung des Antriebs 200. Eine Kondensatorenanordnung 731 von Erregungskondensatoren, eine erste Anordnung 732, eine Anzahl von Lastwiderständen wiederum für die drei Phasen I₁, I₂, I₃ und eine zweite Anordnung 733 von Lastwiderständen wiederum für die drei Phasen I₁, I₂, I₃ einer elektrischen Notbetriebsleitung 714 sind über geeignete Lastschütze für den Notbetriebsteil 730 zuschaltbar. Ein erstes Lastschütz ist beispielsweise mit einem durch die Blindleistung und das Drehfeld der Erregungskondensatoren erzeugten Steuerstrom schaltbar. Das zweite Notbetriebsschütz 716 ist ebenfalls über das Drehfeld und den so erzeugten Strom als Steuerstrom schaltbar. Entsprechende Steuersignalleitungen 721‘, 722‘ sind zu den Notbetriebs-Schützen 721, 722 geführt.
Grundsätzlich kann eine Asynchronmaschine 210 als Generator unter eingeschränkten Bedingungen im Inselbetrieb, d. h. ohne Anschluss am Stromnetz 600, beispielsweise als Notstromaggregat betrieben werden. Eine bevorzugte Möglichkeit für den Inselbetrieb ist die des Betriebs als selbsterregter Asynchron-Generator. Ohne Anschluss an ein externes Drehstromnetz 600, das in der Lage ist, induktive und/oder kapazitive Blindleistung zur Magnetisierung bereitzustellen, kann die Blindleistung durch eine parallel geschaltete Kondensatorbatterie 731 zur Verfügung gestellt werden, die selbst kapazitive Blindleistung abgibt; insbesondere erzeugt der Motor induktive Blindleistung.
Beim Inselbetrieb wird die Frequenz durch einen Frequenzumrichter 712 insbesondere konstant vorgegeben. Die Spannungsamplitude kann unter Berücksichtigung der maximalen Strangstromamplitude geregelt werden. Bei Überlastung kann die Spannungsamplitude bei Bedarf gesenkt werden. Mit einer geeigneten Regel- oder Steuerelektronik lässt sich ein qualitativ hochwertiger Inselbetrieb mittels des Asynchron-Generators durchführen, wie dies hier vorgeschlagen ist. Dazu ist eine Anzahl von Erregungskondensatoren 731.1, 731.2, 731.3, eine erste Anzahl von zuschaltbaren Lastwiderständen 732.1, 732.2, 732.3 und eine zweiten Anzahl von zuschaltbaren Lastwiderständen 733.1, 733.2, 733.3; jeweils drei für eine erste zweite und dritte Phase des zweiten Stromstrangs 730.
Grundsätzlich bedarf es keiner unterbrechungsfreien Stromversorgung im ersten Teil der Betriebsschaltung des ersten Stromstrangs 710 am Stromnetz 600; der Vorteil der hier dargestellten Ausführungsform liegt darin, dass diese entbehrlich ist. Grundsätzlich werden unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV) eingesetzt, um bei Störungen im Stromnetz 600 die Versorgung kritischer elektrischer Lasten sicherzustellen. Gleichwohl kann bei einfachen Ausführungen einer unterbrechungsfreien Stromversorgung USV die Stromversorgung für einen kurzen Zeitraum, z. B. einige Millisekunden, unterbrochen werden, der von den angeschlossenen Verbrauchern ohne Funktionseinbußen toleriert wird.
4 zeigt im einzelnen den Ablauf eines Notschlusssteuerverfahrens für den Wasserschütz-Antrieb 200 über die Betriebsschaltung 700, bzw. konkret über den zweiten Teil der Betriebsschaltung 700, nämlich zur Notbetriebsschaltung unter Nutzung des zweiten Stromstranges 730
Zu Beginn des Verfahrens in einem ersten Schritt VS1 befindet sich die Betriebsschaltung 700 im Normalbetrieb, d. h. das Normalbetriebs-Schütz 720 ist strombeaufschlagt und damit geschlossen – so wie es in 3 gezeigt ist. Die Asynchronmaschine 210 ist über eine Stromversorgung des Stromnetzes 600 als Motor betreibbar über den Frequenzumrichter 712 und das Normalbetriebs-Schütz 720. Wird in einem zweiten Verfahrensschritt VS2 eine Notschluss-Situation erkannt, kann grundsätzlich die Ansteuerung des Wasserschutzantriebs 200 über die Frequenzumrichter 712 mit der Stromversorgung aus dem Stromnetz 600 erfolgen. Es kann im Normalbetrieb über den Frequenzumrichter 712 mit verschiedenen und ggfs. variablen Geschwindigkeiten gearbeitet werden; dies z.B. zum langsamen Heben der Schütztafel 110 mit Start- und Stopp-Rampen oder zum langsamen Senken derselben mit Start- und Stopp-Rampen. Auch kann im Prinzip bei verfügbarem Stromnetz 600 ein Not-Schluss mit einer gezielten Stopprampe vorgenommen werden. Dies kann insbesondere auch gängige elektrische Abbremsverfahren durch einen generatorischen Betrieb der Asynchronmaschine 210 umfassen.
Wird in einem weiteren Verfahrensschritt VS3 darauf erkannt, dass eine Stromversorgung aus dem Stromnetz 600 nicht möglich ist (Y-Pfad), bietet das vorliegende Steuerungsverfahren des Wasserschütz-Antriebs 200 den Vorteil, dass dieses passiv realisierbar ist. D.h. das Steuerungsverfahren des Wasserschütz-Antriebs 200 ist in dem Fall ohne externe Energieversorgung aus dem Stromnetz 600 und auch ohne Energieversorgung aus einer neben den Frequenzumrichtern 712 ggfs. vorhandenen unterbrechungsfreien Stromversorgung USV durchführbar.
Es kann in einer Abwandlung der in 3 gezeigten Ausführungsform eine USV vorgesehen sein; das hier vorgestellte passive Verfahren bietet jedoch den Vorteil, dass kostenaufwendige unterbrechungsfreie Stromversorgungsanlagen eingespart werden können.
Ist durch eine Zusammenschau der Verfahrensschritte VS2, VS3 die Situation gegeben, dass ein Notschluss des Wasserschützes 100 auch ohne Stromversorgung erforderlich wird, kann dies durch die Signalisierungseinheit 270 erkannt und angezeigt werden. In einem vierten Verfahrensschritt VS4 kann durch die beispielhaft vorbeschriebene Aktuator-Einheit 240 eine Lüfterbremse 230 gelöst werden.
In dem Fall folgt ein entsprechend der Gewichtskraft G der Schütztafel 110 ausgelöstes Antreiben der Asynchronmaschine 210 als Generator – damit wird im Verfahrensschritt VS5 ein Drehfeld mittels der Stufe 731 von Erregungskondensatoren 731.1, 731.2, 731.3 erzeugt. Eine entsprechende Spannung und ein damit erzeugter Steuerstrom in einer Steuerstromleitung 720' kann zum Öffnen der Normalbetriebs-Relais 720 genutzt werden soweit dieses nicht selbsttätig öffnet, wenn es als energielos angezogenes Relais ausgebildet ist.
Ein in einer Steuerstromleitung 721‘ vorgesehener Steuerstrom kann spannungsabhängig und/oder abhängig von einer Position des Wasserschützes bzw. bei einer ersten Drehzahl n- die erste Stufe 732 von Lastwiderständen 732.1, 732.2, 732.3 zuschalten; dies um beispielsweise eine zwischen 50 % und 95 % der Strecke einfahrende Schütztafel 110 angemessen zu bremsen – d.h. im in 2 angezeigten Fahrbereich B90.
Bei einer noch weiter gesteigerten höheren Drehzahl n+ bzw. einer zweiten erreichten Steuerspannung in einer zweiten Steuerspannungsleitung 722‘ kann das zweite Notbetriebs-Schütz 722 geschaltet werden, um die zweite Stufe 733 von Lastwiderständen 733.1, 733.2, 733.3 zuzuschalten. Es kann zusätzlich oder alternativ zur Schaltung die Position des Rollstützes ausschlaggebend sein. Diese kann in einer zweiten steileren Stopprampe eine erhebliche Restabbremsung der Schütztafel 110 im in 2 angezeigten Absenkbereich B10 bewirken. So lässt sich im Verfahrensschritt VS6 eine erste Stopprampe über die erste Einheit 732 von Lastwiderständen und im Verfahrensschritt VS7 eine zweite Stopprampe über die zweite Einheit 733 von Lastwiderständen realisieren. Im Notbetrieb kann somit über den zweiten Teil der Betriebsschaltung, nämlich den zweiten Stromstrang 730, eine erste und zweite Stopprampe passiv gefahren werden. Dadurch kann ein sicheres Abbremsen der Schütztafel 110 auch ohne Stromnetz und/oder ohne Frequenzumrichter 712 umgesetzt werden; auch ein passives Anfahren der Schütztafel 110 kann über die zuvor erläuterte Aktuator-Einheit 240 mit dem stromlos offenen Regelventil 243 umgesetzt werden.
Bei einer auch im Notschluss-Fall vorhandenen Stromversorgung aus dem Stromnetz 600 und bei funktionierendem Frequenzumrichter 712 (N-Pfad) können gleichwohl die Verfahrensschritte VS4 und VS5 durchführbar sein. Ein Einfahren der Schütztafel 110 kann jedoch stromgesteuert erfolgen in dem Verfahrensschritt VS9. Das Verfahren endet mit eingefahrener Schütztafel im Schritt VS8.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1440240 B1 [0002]

Claims

Verfahren zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs (200) für ein Wasserschütz (100), insbesondere für ein Wasserrollschütz, vorzugsweise bei einer Wasserkraftanlage (1000), wobei der Antrieb eine elektrische Maschine aufweist, insbesondere eine Asynchronmaschine (210) aufweist, insbesondere einen Asynchron-Motor/Generator, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine (210), eine Lüfterbremse (230) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: – Lösen der Lüfterbremse (230) für den Fall, dass eine unzureichende Stromversorgung angezeigt wird, – selbsttätiges Betreiben der elektrischen Maschine, insbesondere Asynchronmaschine (210), wobei die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, im generatorischen Inselbetrieb betrieben wird, bei dem ein Drehfeld selbsttätig erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 für den Fall, dass eine ausreichende Stromversorgung angezeigt wird, weiter aufweisend den Schritt: – Erkennen der Stromversorgung, insbesondere einer Stromversorgung aus einem Stromnetz (600) und/oder einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV), wobei die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine (210), mit der Stromversorgung betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (210) mit variablen Drehgeschwindigkeiten betrieben wird, insbesondere für den Fall, dass eine ausreichende Stromversorgung angezeigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (210) zum langsamen Schließen des Wasserschützes betrieben wird und/oder eine elektrische Stopprampe für die Asynchronmaschine gefahren wird, insbesondere für den Fall, dass eine ausreichende Stromversorgung angezeigt wird, insbesondere unter elektrischem Regeln der Asynchronmaschine (210) und/oder eines Frequenzumrichters (712).
Verfahren nach Anspruch 1 weiter aufweisend die Schritte: – Erkennen einer Not-Schluss-Situation und/oder – Erkennen einer unzureichenden, insbesondere fehlenden, Stromversorgung.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass eine unzureichende Stromversorgung aus einem Stromnetz (600) und/oder eine unzureichende Stromversorgung einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (210) mit unterschiedlichen, insbesondere weitgehend vorgegebenen festen, ersten und zweiten Drehgeschwindigkeiten betrieben wird, insbesondere für den Fall, dass eine unzureichende Stromversorgung angezeigt wird, insbesondere ohne Stromversorgung betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösen der Lüfterbremse (230) unter automatischem und selbsttätigen Abheben der Lüfterbremse (230), insbesondere eines Rotors von einem Stator der Asynchronmaschine (210), erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Einwirkung einer Gewichtskraft (G) einer Schütztafel (110) des Wasserschützes (100) die Asynchronmaschine (210) angetrieben und das Drehfeld, insbesondere über eine Kondensatoranordnung (731) von Erregungskondensatoren (731.1, 731.2, 731.3), erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Steuer- und/oder Regel-Stufe, insbesondere eine erste Steuerund/oder Regel-Stufe (VS6) (vorzugsweise als Bremsstufe) und eine zweite Steuerund/oder Regel-Stufe (VS7) (vorzugsweise als Stoppstufe), für die Asynchronmaschine (210), insbesondere unter Lastschalten der Lüfterbremse (230), gefahren wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste Stufe (732) von Lastwiderständen (732.1, 732.2, 732.3) zugeschaltet wird, vorzugsweise eine erste und eine zweite Stufe (733) von Lastwiderständen (733.1, 733.2, 733.3) zugeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Asynchronmaschine (210) wenigstens in zwei Drehzahlstufen geregelt wird, insbesondere eine erste Drehzahlstufe spannungsabhängig und/oder abhängig von einer Position des Wasserschützes gewählt wird und/oder eine zweite Drehzahlstufe spannungsabhängig und/oder abhängig von einer Position des Wasserschützes gewählt wird.
Betriebsschaltung (700) zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs (200) für ein Wasserschütz (100) insbesondere für ein Wasserrollschütz, vorzugsweise bei einer Wasserkraftanlage (1000), wobei der Antrieb eine elektrische Maschine, insbesondere eine Asynchronmaschine (210), aufweist, insbesondere einen Asynchron-Motor/Generator, dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine (210), eine Lüfterbremse (230) aufweist, wobei – die Betriebsschaltung (700) einen ersten Steuerstrang, insbesondere für einen Normalbetrieb, und einen zweiten Steuerstrang, insbesondere für einen Notbetrieb, aufweist, wobei – der zweite Steuerstrang ausgebildet ist, die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, im generatorischen Inselbetrieb selbsttätig zu betreiben, wobei ein Drehfeld selbsttätig erzeugbar ist, insbesondere mit wenigstens einer ersten Stufe (732) von Lastwiderständen für eine erste Steuer- und/oder Regel-Stufe (VS6) und einer zweiten Stufe (733) von Lastwiderständen für eine zweite Steuer- und/oder Regel-Stufe (VS7).
Wasserschütz-Antrieb (200) für ein Wasserschütz (100) zur Steuerung einer Asynchronmaschine (210), insbesondere Wasserrollschütz-Antrieb für ein Wasserrollschütz, vorzugsweise bei einer Wasserkraftanlage (1000), dadurch gekennzeichnet, dass – die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine (210), eine Lüfterbremse (230) aufweist, und weiter aufweisend: – eine Aktuatoreinheit (240), die ausgebildet ist, ein Lösen der Lüfterbremse (230) umzusetzen, insbesondere für den Fall, dass eine unzureichende Stromversorgung angezeigt ist; – eine Betriebsschaltung (700) zur Steuerung eines Wasserschütz-Antriebs (200) für das Wasserschütz (100) zum selbsttätigen Betreiben der elektrischen Maschine, insbesondere der Asynchronmaschine (210), wobei die Betriebsschaltung (700) ausgebildet ist, die elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine (210), im generatorischen Inselbetrieb zu betreiben, wobei ein Drehfeld selbsttätig erzeugbar ist, insbesondere mit wenigstens einer ersten Stufe (732) von Lastwiderständen und einer zweiten Stufe (733) von Lastwiderständen.
Wasserschütz-Antrieb (200) nach Anspruch 14 weiter aufweisend: – eine Signalisierungseinheit (270), die ausgebildet ist, eine Notschlusssituation zu erkennen und/oder anzuzeigen.
Wasserschütz-Antrieb (200) nach Anspruch 14 oder 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (240) einen Gasfederspeicher (244) aufweist, mittels dem eine Bremsfeder (250) der Lüfterbremse (230) lösbar ist.
Wasserschütz-Antrieb (200) nach einem der Ansprüche 14 bis 16 dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatoreinheit (240) ein bestromt geschlossenes und stromlos offenes Regelventil (243) in einer Aktuatordruckleitung (242) zwischen einem Druckspeicher (241) und einem Gasfederspeicher (244) aufweist, insbesondere zur Betätigung einer Bremsfeder (250) der Lüfterbremse (230).
Wasserschütz-Antrieb (200) nach einem der Ansprüche 14 bis 17 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsschaltung (700), insbesondere in einem zweiten Steuerstrang (720), eine Anzahl von Erregungskondensatoren (731.1, 731.2, 731.3) und wenigstens eine erste Anzahl zuschaltbarer Lastwiderstände (732.1, 732.2, 732.3) aufweist.
Wasserschütz-Antrieb (200) nach einem der Ansprüche 14 bis 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsschaltung (700), insbesondere in einem zweiten Steuerstrang (720), eine erste Anzahl zuschaltbarer Lastwiderstände (732.1, 732.2, 732.3) und eine zweite Anzahl zuschaltbarer Lastwiderstände (733.1, 733.2, 733.3) aufweist.
Wasserschütz-Antrieb (200) nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsschaltung (700) ausgebildet ist, insbesondere in einem zweiten Steuerstrang (720), eine erste Stufe (732) zuschaltbarer Lastwiderstände und/oder eine zweite Stufe (733) zuschaltbarer Lastwiderstände spannungsabhängig und/oder abhängig von einer Position des Wasserschützes zuzuschalten, insbesondere über ein erstes und/oder zweites Relais oder dergleichen elektro-mechanisches Schütz (721, 722).
Wasserschütz-Antrieb (200) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsschaltung (700) ausgebildet ist, insbesondere in einem ersten Steuerstrang (710), eine Asynchronmaschine (210) mit variabler Drehgeschwindigkeit über eine reguläre Steuerstromversorgung, insbesondere eines Stromnetzes (600), elektrisch zu steuern.
Wasserschütz-Antrieb (200) nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsschaltung (700), insbesondere in einem ersten Steuerstrang (710), frei von einer Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) ist.
Wasserkraftanlage (1000) mit einem Wasserschütz-Antrieb (200) nach einem der Ansprüche 14 bis 22 zur Steuerung einer elektrischen Maschine, insbesondere Asynchronmaschine (210), für ein Wasserschütz (100), insbesondere für ein Wasserrollschütz, wobei die Asynchronmaschine (210) eine Lüfterbremse (230) aufweist.