DE1488773C - Elastischer Netzkupplungsumformer fur mehrphasige Netze mit geringem Fre quenz unterschied - Google Patents

Description

wird Leistung von dem einen Netz in das andere übertragen. Dieser Leistung entspricht ein Drehmoment an der Welle der Asynchronmaschine. Zur Verdrehung des Rotors wird die Hilfsmaschine B verwendet.

Der Leistungsfluß ist in der Zeichnung angegeben. Dabei ist der Einfachheit halber von den Verlusten abgesehen. Vom Netz I fließt die Leistung P in die Statorwicklung. Der Rotor der Asynchronmaschine A

dreht sich mit der Drehzahl η — — (/ι—Λ), worin ρ

die Polpaarzahl bedeutet. Bei f_x = /₂ ist η — 0; d. h. der Rotor steht still. Die synchrone Drehzahl des

Stators ist n_s = — f_x und der Schlupf der Asynchronmaschine ist

15

s =

n$

A
/i '

Die Schlupfleistung s · P = -^- ■ P fließt in das Netz II. Die Differenz zwischen P und s · P, d. h. · P fließt über die Hilfsmaschine B je nach

Schaltung in das Netz I oder in das Netz II. Bei Leistungsumkehr kehren sich die Pfeile um, außerdem, wenn /₂ > J₁ ist. Wenn die in der Zeichnung dargestellten Verhältnisse zugrunde gelegt werden, ergibt eine Phasenverdrehung des Rotors im Umlaufsinn des Statordrehfeldes, d. h. im mechanischen Drehsinn, eine Vergrößerung der Leistung, eine Phasenverdrehung im umgekehrten Sinn eine Verkleinerung.

Setzen wir die Leistung des Umformers gleich 300 MW, die Frequenz gleich 60 Hz, 2 ρ = 2. Ein Turbogenerator solcher Leistung hätte einen Rotordurchmesser in der Größenordnung von 1000 mm, wofür die Zentrifugalkräfte für das massive Eisen bereits unangenehm hoch sind. Ein solcher Durchmesser wäre für eine Asynchronmaschine mit geblechtem Rotor schon gar nicht diskutabel. Beim Umformer kann der Durchmesser unbedenklich größer gewählt werden, z. B. 2000 mm oder mehr. In einem solchen Rotor kann die Wicklung gut untergebracht werden. Die Kühlung der Blechpakete und der Wicklung im Stator und im Rotor kann bequem mit modernen Mitteln durchgeführt werden, z. B. mit Wasserstoff oder mit Flüssigkeit (z. B. Wasser oder Öl). Mit Vorteil wird Wasser wegen der hervorragenden Kühlwirkung verwendet. Dichtungsprobleme bestehen kaum, insbesondere deswegen, weil sich der umlaufende Teil sehr langsam dreht.

Die Zuführung zur Rotorwicklung erfolgt über Schleifringe. Es können Bürsten mit geringem Widerstand, z. B. mit hohem Kupfergehalt, verwendet werden, da die Reibungsverluste infolge der niedrigen Drehzahl sehr klein sind. Die niedrige Umfangsgeschwindigkeit der Schleifringe hat einen geringen Abrieb der Bürsten zur Folge. Dadurch ist es möglich, eine hohe Spannung für die Schleifringe zu wählen, z. B. etwa 10 000 Volt verkettet oder mehr. Man kann ohne weiteres die Kriechwege zwischen den Schleifringen vergrößern und Trennwände einbauen. Bei der geringen Drehzahl ist es sogar leicht möglich, eine komplette isolierende Trennung durchzuführen, da man einen feststehenden Teil auf einem rotierenden unmittelbar schleifen lassen kann.

Die Leistung der Hilfsmaschine B würde bei dem vorliegenden Beispiel und einer maximalen Differenz von 2% zwischen den Frequenzen der beiden Netze 300 000-0,02 = 600OkW betragen. Die maximale Drehzahl wäre 2% d^er synchronen Drehzahl, also 3600 · 0,02 = 72 U/min. Das Drehmoment beträgt 81 000 kpm. Das ist zwar nicht gering, würde aber bei traditioneller Ausführung der Asynchronmaschine mit 24 Polen den 12fachen Wert erreichen, nämlich 980 000 kpm. Ein solches Drehmoment könnte nur durch eine enorm schwere und aufwendige Konstruktion beherrscht werden. Eine geringe Polzahl ist sehr vorteilhaft, da durch diese Maßnahme ein Umformer für große Leistung wirtschaftlich ausführbar ist.

Dadurch, daß als Hilfsmaschine eine Asynchronmaschine mit Käfiganker benutzt wird, ergibt sich im Zusammenhang mit ihrer Steuerung folgender sehr wesentlicher Vorteil. Die Steuerung erfolgt nämlich derart, daß der Fluß der Hilfs-Asynchronmaschine konstant bleibt, unabhängig von den Frequenzänderungen der Netze und der Übergabeleistung des Umformers. Auf diese Weise ergibt sich die Möglichkeit, die Leistung des Umformers in einfacher und wirtschaftlicher Weise zu regeln. Man braucht nur noch den Strom der Hilfs-Asynchronmaschine als Steuergröße einzuführen, da die Leistung des Umformers bei diesen Bedingungen zu dem genannten Strom proportional ist. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung kommt besonders bei Umformern für große Übergabeleistung zur Geltung, d. h: für solche von mindestens 200 MW und höchstens vierpoliger Haupt-Asynchronmaschine. Eine kleinere Typenleistung der Hilfsmaschine erhält man durch Erhöhung ihrer Drehzahl, zu welchem Zweck ein Zahnradgetriebe angeordnet wird.

Die Blindleistungsübertragung des Umformers kann nur durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses zwischen den Spannungen beider Netze beeinflußt werden. Der Blindleistungsaustausch wird durch Änderung des Übersetzungsverhältnisses eines Transformators oder weiterer Transformatoren gesteuert, wobei diese Transformatoren zwischen dem Stator und dem einen Netz oder zwischen dem Rotor und dem anderen Netz geschaltet sein können.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 Rotor auf das andere Netz geschaltet und mit einer Patentansprüche: Hilfsmaschine gekuppelt ist. Als Hilfsmaschine hat man Kommutatormaschinen für deich- oder Wechsel-

1. Elastischer Netzkupplungsumformer großer strom vorgeschlagen. Diese haben aber den Nachteil, Leistung von mindestens 200 MW für mehrphasige 5 daß im Synchronismus beider Netze, der einen Still-Netze mit geringem Frequenzunterschied, beste- stand des Umformers zur Folge hat, die Kohlebürsten hend aus einer Asynchronmaschine, die mit dem auf den gleichen Stellen am Kommutator der HilfsStator auf das eine Netz und mit dem Rotor auf maschine verharren. Dies kann zu großen Schwierigdas andere Netz geschaltet ist, höchstens vier Pole keiten führen, da lokale Erwärmungen des Kommuhat, und mit einer Hilfsmaschine gekuppelt ist, io tators auftreten und im Fall der Verwendung von dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselstrom dauernd eine Lamellenspannung über Hilfsmaschine (B) als Asynchronmaschine mit die Bürsten kurzgeschlossen wird, wodurch Kurz-Käfiganker ausgeführt ist und über einen Um- schlußströme über die Bürsten entstehen, die Verrichter (U) gespeist wird, der so steuerbar ist, daß brennungen von Lamellen verursachen können. Man einerseits der Fluß der Hilfsmaschine (B) konstant 15 hat als Hilfsmaschine auch eine über einen Kommuist und daß andererseits durch Steuerung des tatorfrequenzwandler gespeiste Asynchronmaschine Stromes der Hilfsmaschine (B) die Leistung des vorgeschlagen. Die Schwierigkeit liegt in der letzteren Umformers regelbar ist. ' · Maschine, die nur für eine bescheidene Leistung gebaut

2. Elastischer Netzkupplungsumformer nach An- werden kann. Da sie keine Wendepole hat, müssen spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Blind- 20 schmale Bürsten verwendet werden, so daß die Anzahl leistungsaustausch zwischen den beiden Netzen der Bürsten außerordentlich groß ist. Diese Notdurch Änderung des Übersetzungsverhältnisses wendigkeit ist aber sehr störend, da die ganze von der mindestens eines zwischen Asynchronmaschine (.4) Hilfsmaschine benötigte Leistung über den Kommu- und Netz gesteuerten Transformators steuerbar ist. tator und die Bürsten geführt werden muß. Auf einem

25 solchen Prinzip können somit nur Netzkupplungsumformer für eine geringe Leistung gebaut werden.

. Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hilfsmaschine vorzusehen, die so steuerbar ist, daß eine sehr einfache und wirtschaftliche Regelung der Um-

Die Standardausführung eines rotierenden Umfor- 30 formerleistung erreicht wird.

mers zur elastischen Kupplung von Netzen besteht aus Die Erfindung bezieht sich auf einen elastischen

einer Synchronmaschine, die auf das eine Netz ge- Netzkupplungsumformer großer Leistung von min-

schaltet ist, und einer mit ihr gekuppelten Asynchron- destens 200 MW für mehrphasige Netze mit geringem

maschine, die auf das andere Netz geschaltet ist. In Frequenzunterschied, bestehend aus einer Asynchron-

Kaskade mit der Asynchronmaschine liegt eine Korn- 35 maschine, die mit dem Stator auf das eine Netz und

mutatormaschine, z. B. eine Scherbius- oder Lydall- mit dem Rotor auf das andere Netz geschaltet ist,

maschine. Sie dient zur verlustlosen Übertragung der höchstens vier Pole hat und mit einer Hilfsmaschine

Schlupfleistung und zur Steuerung der Wirk- und gekuppelt ist. Die vorstehend genannte Aufgabe wird

Blindleistung der Asynchronmaschine. In der Regel erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hilfsmaschine

wird sie mit der Asynchronmaschine gekuppelt; sie 40 als Asynchronmaschine mit Käfiganker ausgeführt ist

kann aber auch separat aufgestellt und mit einer Hilfs- und über einen Umrichter gespeist wird, der so steuer-

maschine gekuppelt werden. Ein solcher Umformer bar ist, daß einerseits der Fluß der Hilfsmaschine

ist sehr geeignet für Kupplung eines einphasigen Bahn- konstant ist und daß andererseits durch Steuerung des

netzes von 16²/₃ Hz mit dem dreiphasigen Landes- Stromes der Hilfsmaschine die Leistung des Umfor-

versorgungsnetz von 50 Hz. Man hat derartige Um- 45 mers regelbar ist.

former bis zu einer Leistung von 30 MW gebaut. An Hand der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel Selbstverständlich kann man den beschriebenen Um- der Erfindung näher erläutert. Mit A ist die Hauptformer auch einsetzen, wenn zwei Netze mit gleicher Asynchronmaschine bezeichnet. Ihre Statorwicklung Frequenz von z. B. 50 oder 60 Hz oder von nur wenig ist auf das Netz I und ihre Rotorwicklung auf das verschiedenen Frequenzen von z. B. 50 und 60 Hz 50 Netz II geschaltet. Zwischen der Asynchronmaschine miteinander gekuppelt werden sollen. Der Aufwand und dem einen oder anderen Netz oder beiden können ist dann aber groß, weil die zwei Maschinen, nämlich Transformatoren geschaltet sein. Mit dem Rotor der die Synchronmaschine und die Asynchronmaschine, Haupt-Asynchronmaschine ist direkt oder über ein für die volle Durchgangsleistung bemessen werden Zahnradgetriebe die Hilfs-Asynchronmaschine B gemüssen. Außerdem sind beide Maschinen mit Ver- 55 kuppelt, die über einen Umrichter U vom Netz I oder lusten behaftet. vom Netz II gespeist wird.

Solche Umformer für elastische Netzkupplung, bei Wenn die beiden Netze synchron miteinander sind, denen die Abweichung der Netzfrequenzen vonein- verharrt die Asynchronmaschine A in derjenigen Stelander klein ist, werden sehr aufwendig, wenn die Über- lung, in welcher die Statorwicklung und die Rotorgabeleistung groß ist.' Zum Beispiel müßte man für 60 wicklung mit den zugehörigen Netzen gleichphasig 200 MW die Maschinen 16polig ausführen; die Dreh- sind. Die Asynchronmaschine wirkt dann wie ein zahl des Umformers wäre 375 U/min unter der An- Transformator. Entsprechen die effektiven Windungsnahme, daß die Synchronmaschine an einem 50-Hz- zahlen dem Übersetzungsverhältnis von der einen Netz liegt. , Netzspannung zur anderen, wird durch die Asynchron-Eine weitere bekannte Lösung (deutsche Patent- 65 maschine weder Wirk- noch Blindleistung übertragen, schrift 270 071) besteht darin, daß als Umformer eine Verdreht man den Rotor aus dieser Stellung, entsteht Asynchronmaschine verwendet wird, die mit dem in der Asynchronmaschine eine Wirkleistung, so daß Stator auf das eine mehrphasige Netz und mit dem die Asynchronmaschine als Umformer arbeitet. Es