DE19502664A1 - Verfahren zum Betrieb einer rotierenden elektrischen Synchronmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb ei­ ner rotierenden elektrischen Synchronmaschine, insbesondere eines Generators, deren Nenndrehzahl (n₃) oberhalb der ersten kritischen Drehzahl bei erregtem Rotor liegt.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus der DE-OS 40 02 201 bekannt. Aus dieser Druckschrift ist auch das Problem bekannt, bei einer überkritisch betriebenen ro­ tierenden elektrischen Maschine das Durchfahren von kriti­ schen Drehzahlen derart zu gestalten, daß die mechanische Be­ lastung der Maschine möglichst gering gehalten wird. Beim Stand der Technik wird dieses Problem durch schlagartiges än­ dern der kritischen Drehzahlen durch das Zu- bzw. Abschalten einer steifen Lagerabstützung erreicht.

Dies wird beim Stand der Technik zusätzlich durch das Zu- oder Abschalten der Erregung vor oder nach der Betätigung der Stützelemente unterstützt, um die Verschiebung der kritischen Drehzahlen zu vergrößern.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art das Durchfahren von kritischen Drehzahlen unter Vermeidung eines zusätzlichen konstruktiven Aufwandes so zu gestalten, daß die mechanische Belastung für die Maschine möglichst gering ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei ei­ ner Abbremsung oder Beschleunigung der Synchronmaschine, ins­ besondere mit Hilfe einer Hilfsmaschine, jeweils vor dem Durchfahren einer Resonanzdrehzahl (n₂) des entregten Rotors die Erregung eingeschaltet und jeweils vor dem Durchfahren einer Resonanzdrehzahl (n₁) des erregten Rotors die Erregung abgeschaltet wird.

Bei der Erfindung wird der Umstand ausgenutzt, daß bei einer rotierenden elektrischen Synchronmaschine der einseitige ma­ gnetische Zug, der auf den Rotor wirkt, von der Erregung ab­ hängig ist. Eine Änderung des einseitigen magnetischen Zugs bewirkt somit eine Änderung der biegekritischen Drehzahlen (Resonanzdrehzahl für Biegeschwingungen). Durch den einseiti­ gen magnetischen Zug wirkt auf den Rotor eine Kraft, die bei einer Abweichung des Rotors aus der Mittelachse eine Vergrö­ ßerung dieser Abweichung bewirkt. Diese magnetische Anordnung wirkt somit umgekehrt wie eine mechanische Feder, das heißt wie eine Feder mit negativer Charakteristik.

Somit bewirkt der magnetische Zug bei eingeschalteter Erre­ gung des Rotors quasi eine weichere Lagerung des Rotors, als dies bei abgeschalteter Erregung der Fall ist.

Die Zuschaltung der Erregung hat somit eine Verschiebung der kritischen Drehzahlen zu niedrigeren Frequenzen hin zur Folge, während die Abschaltung der Erregung eine entspre­ chende Verschiebung der biegekritischen Drehzahlen zu höheren Frequenzen bewirkt.

Eine nicht selbstanlaufende Synchronmaschine, das heißt, ins­ besondere ein Generator wird üblicherweise mittels eines Hilfsmotors (Ponymotor) oder mittels der angekoppelten Tur­ bine hochgefahren. Bei überkritisch betriebenen Synchronma­ schinen muß dabei wenigstens eine Resonanzdrehzahl des er­ regten Rotors durchfahren werden. Die Nenndrehzahl der Ma­ schine kann beispielsweise auch zwischen einer Resonanzdreh­ zahl des erregten Rotors und der entsprechenden Resonanzdreh­ zahl des entregten Rotors liegen.

Üblicherweise wird der Rotor der Synchronmaschine gemäß dem Stand der Technik erst im Bereich der Nenndrehzahl erregt.

Gemäß der Erfindung wird beispielsweise beim Hochfahren einer Synchronmaschine vor dem Erreichen der Resonanzdrehzahl des entregten Rotors bereits die Erregung eingeschaltet, so daß zunächst die Resonanzdrehzahl bei erregtem Rotor, die unter­ halb der Resonanzdrehzahl ohne Erregung liegt, mit entregtem Rotor durchfahren wird und danach die Erregung eingeschaltet wird. Dann wird die Resonanzdrehzahl für entregten Rotor mit eingeschalteter Erregung durchfahren.

Beim Abbremsen einer Synchronmaschine wird entsprechend die Erregung erst nach dem Passieren der Resonanzdrehzahl des entregten Rotors abgeschaltet. Somit wird in beiden Fällen das Durchfahren der Resonanzdrehzahl des entregten Rotors mit ausgeschalteter Erregung und das Durchfahren von Resonanz­ drehzahlen des erregten Rotors mit eingeschalteter Erregung vermieden.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Ein/Ausschaltung der Erregung bei einer Drehzahl (n₄)vorgenommen wird, die im Bereich zwischen der Resonanz­ drehzahl des entregten und der des erregten Rotors, insbeson­ dere im Bereich des Schnittpunktes der Resonanzkurven des er­ regten und des entregten Rotors liegt.

Durch diese Ausgestaltung der Erfindung wird erreicht, daß beim Einschalten bzw. Abschalten der Erregung und dem Über­ springen von einer Resonanzkurve auf eine andere der Wert der Antwortfunktion des ersten schwingenden Systems mit Erregung etwa gleich dem Wert der Antwortfunktion des zweiten schwin­ genden Systems ohne Erregung ist, so daß ruckartige Verände­ rungen im Schwingungsverhalten des Systems vermieden werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels in einer Zeichnung gezeigt und anschließend beschrie­ ben.

Dabei zeigt die Figur schematisch ein Diagramm, bei dem auf der Abszisse die Drehzahl, auf der Ordinate die Antwortfunk­ tion des Schwingungssystems aufgetragen ist. Es ergeben sich somit zwei alternativ geltende Resonanzkurven.

Die durchgezogene Linie stellt die Antwortfunktion des aus Stator und Rotor bestehenden Schwingungssystems einer rotie­ renden elektrischen Maschine mit eingeschalteter Erregung dar.

Die gestrichelt gezeichnete Linie stellt die entsprechende Antwortfunktion des Schwingungssystems mit entregtem Rotor dar.

Da durch die Einschaltung der Erregung die Lagerung des Ro­ tors im Stator weicher wird, ist die Resonanzdrehzahl mit eingeschalteter Erregung (erregter Rotor) niedriger als die Resonanzdrehzahl mit entregtem Rotor (ausgeschaltete Erre­ gung) n₁ bezeichnet in dem Diagramm die Resonanzdrehzahl oder kritische Drehzahl mit eingeschalteter Erregung, n₂ die Reso­ nanzdrehzahl bzw. kritische Drehzahl mit ausgeschalteter Er­ regung, n₃ bezeichnet die Nenndrehzahl der elektrischen Ma­ schine.

Beim Hochfahren einer Synchronmaschine ergibt sich erfin­ dungsgemäß folgendes Verfahren:

Zunächst wird mittels einer Hilfsmaschine die Synchronmaschi­ ne (Motor oder Generator) bei entregtem Rotor bis zu der Drehzahl n₄ hochgefahren, bei der sich die beiden Resonanz­ kurven schneiden. Bis zu diesem Punkt gilt also die gestri­ chelte Resonanzkurve, so daß keine Resonanzdrehzahl durchfah­ ren wird.

Nach Erreichen der Drehzahl n₄ wird nun die Erregung einge­ schaltet, so daß jetzt die durchgezogene Resonanzkurve gilt. Danach wird die Synchronmaschine weiter bis zur Nenndrehzahl hochgefahren, wobei ebenfalls keine Resonanzdrehzahl durch­ fahren werden muß.

Tatsächlich wird von dem Schwingungssystem die Resonanzdreh­ zahl während des Einschaltens oder Ausschaltens der Erregung passiert, da dies nur mit endlicher, allerdings möglichst ho­ her Geschwindigkeit vor sich geht, wobei die Resonanzdrehzahl sich ebenfalls mit endlicher Geschwindigkeit von n₂ nach n₁ oder umgekehrt verschiebt und somit die augenblicklich vor­ liegende Drehzahl passiert. Dieser Vorgang geschieht jedoch so schnell, daß ein Aufschwingen des Systems vermieden wird.

Beim Abbremsen eines Synchronmaschine ergibt sich erfindungs­ gemäß folgendes Vorgehen:
Die Maschine wird von der Nenndrehzahl n₃ bei eingeschalteter Erregung bis zur Drehzahl n₄ abgebremst und danach wird die Erregung abgeschaltet. Darauf wird die Maschine weiter bis zum Stillstand abgebremst.

Die Erfindung kann auch beim Durchgehen einer Synchronmaschi­ ne zu höheren Drehzahlen benutzt werden, derart, daß jeweils beim Passieren einer kritischen Drehzahl der Rotor entweder erregt oder entregt wird, je nachdem ob eine kritische Dreh­ zahl bei entregtem oder erregtem Rotor vorliegt.

Es können auch mehrere kritische Drehzahlen unterhalb der Nenndrehzahl bzw. der Durchgangsdrehzahl liegen, so daß die Erregung beim Hochfahren und Abbremsen der Maschine in der beschriebenen Weise mehrmals ein- und ausgeschaltet wird.

Claims (2)

1. Verfahren zum Betrieb einer rotierenden elektrischen Syn­ chronmaschine, insbesondere eines Generators, deren Nenn­ drehzahl (n₃) oberhalb der ersten kritischen Drehzahl (n₂) bei erregtem Rotor liegt, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Abbremsung oder Beschleunigung der Synchronmaschi­ ne, insbesondere mit Hilfe einer Hilfsmaschine, jeweils vor dem Durchfahren einer Resonanzdrehzahl (n₂) des entregten Ro­ tors die Erregung eingeschaltet und jeweils vor dem Durchfah­ ren einer Resonanzdrehzahl (n₁) des erregten Rotors die Erre­ gung abgeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein/Ausschaltung der Erregung bei einer Drehzahl (n₄)vorgenommen wird, die im Bereich zwischen zwei Resonanz­ drehzahlen des entregten (n₂) und des erregten (n₁) Rotors, insbesondere im Bereich des Schnittpunktes der Resonanzkurven des erregten und des entregten Rotors liegt.