DE19533950A1

DE19533950A1 - Generator mit Ausgangsspannung konstanter Frequenz

Info

Publication number: DE19533950A1
Application number: DE1995133950
Authority: DE
Inventors: Guenter Fella
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-09-14
Filing date: 1995-09-14
Publication date: 1997-03-20

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wechsel- oder Drehstromgenerator, vorzugsweise zur Verwendung in Kraftwerken, mit einem Rotor, der von einer An triebswelle drehbar ist, und einem Stator, von dem die erzeugte elektrische Leistung zum Ausgang des Generators geleitet wird, sowie einem Umrichter, der einen Wechselstrom beliebiger Frequenz in einen Wechselstrom vorgegebener Frequenz umwandelt, auf der einen Seite mit dem Ausgang des Generators ver bunden ist und unabhängig von der Drehzahl der An triebswelle eine Ausgangswechselspannung konstanter Sollfrequenz erzeugt.

Bei der Erzeugung von Wechsel- oder Drehstrom mit tels einer Turbine und einem von ihr angetriebenen Generator besteht stets das Problem, die Frequenz des erzeugten Stromes unabhängig von der Drehzahl der Turbine konstant zu halten, insbesondere wenn eine Einspeisung in das öffentliche Stromnetz vor gesehen ist. In erhöhtem Maße ist diese Anforderung bei kleinen Wasserkraftwerken gegeben, da die zur Verfügung stehende Wassermenge sowie der Energiebe darf, beispielsweise in Abhängigkeit von der Jah reszeit, erheblich schwanken.

Im Stande der Technik sind zwei unterschiedliche Lösungsansätze für diese Aufgabe bekannt, wobei entweder die Drehzahl des Generators konstant ge halten wird oder eine Frequenzumsetzung der erzeug ten Spannung erfolgt.

Bei fester Drehzahl von Turbine und Generator ist die Frequenz des erzeugten Stromes konstant. Zum Antrieb werden in diesem Fall entweder Francistur binen eingesetzt, die über einen breiten Bereich von Volumenströmen bei fester Drehzahl einen mäßi gen Wirkungsgrad aufweisen, oder Kaplanturbinen mit feststehenden Schaufeln, deren maximaler Wirkungs grad deutlich höher ist, aber nur in einem schmalen Bereich von Volumenströmen erreicht wird, d. h. die Turbine ist bei wechselnden Wassermengen unbrauch bar.

Ferner ist es bekannt, Kaplanturbinen mit verstell baren Schaufeln zu verwenden, die in einem breiten Bereich einen hohen Wirkungsgrad aufweisen. Die er forderliche aufwendige Steuerungsmechanik ist je doch nur bei großen Kraftwerken wirtschaftlich und daher für kleinere Anlagen unzweckmäßig.

Wird eine variable Drehzahl zugelassen, so verbrei tert sich bei einer vorgegebenen Turbine der Be reich von Volumenströmen mit gutem Wirkungsgrad er heblich, da mit steigender Durchströmungsgeschwin digkeit auch die Laufradgeschwindigkeit anwächst, so daß der Anströmungswinkel stets konstant ist. Folglich besteht keine Notwendigkeit von verstell baren Schaufeln. In diesem Fall wird im Stator des Generators jedoch ein Strom veränderlicher Frequenz induziert, die von der Drehzahl der Turbine ab hängt. Mit dem Ziel, eine Ausgangswechselspannung konstanter Sollfrequenz zu erzeugen, umfaßt der Ge nerator daher einen Umrichter, der den primär er zeugten Wechselstrom variierender Frequenz in einen Wechselstrom vorgegebener Frequenz umwandelt, der am Ausgang des Generators abgreifbar ist. In der Regel wird der Strom dabei zunächst gleichgerichtet und aus dem Gleichstrom ein Wechselstrom der Soll frequenz erzeugt.

Mit Ausnahme sehr aufwendiger Turbinen mit ver stellbaren Schaufeln sind die gebräuchlichen Kombi nationen aus Turbinen und Generatoren durch einen schlechten Wirkungsgrad gekennzeichnet, der entwe der in einer schlechten Ausnutzung der Strömungs energie des Arbeitsmediums bei einer Turbine mit konstanter Drehzahl begründet ist oder infolge der Umfromungsverluste entsteht, die bei einer Fre quenzumwandlung auftreten. Somit besteht bei einer Turbine von einfachem Aufbau, wie sie bei kleinen Kraftwerken aus Kostengründen erforderlich ist, im Stande der Technik keine Möglichkeit einer Ausnut zung der mechanischen Energie des strömenden Medi ums mit hohem Wirkungsgrad.

Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, einen Generator zu entwickeln, der bei variabler Drehzahl der Antriebswelle einen Wechselstrom vorgegebener Frequenz mit einem hohen Wirkungsgrad erzeugt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Stator unmittelbar mit dem Ausgang des Ge nerators verbunden ist, der Umrichter auf der ande ren Seite mit einer Wicklung verbunden ist, die auf den Rotor aufgebracht ist, der Umrichter eine Steuerung aufweist, die die Umdrehungsfrequenz des Rotors erfaßt und davon abhängig die wicklungssei tige Frequenz regelt und die wicklungsseitige Fre quenz die Summe aus der Sollfrequenz des Generators und der Abweichung der Umdrehungsfrequenz des Ro tors von der Sollfrequenz ist.

Der vorgeschlagene Generator ist mit einem Rotor versehen, auf den mit dem Umrichter in Verbindung stehende Wicklungen aufgebracht sind. Auf der ande ren Seite ist der Umrichter mit dem Ausgang des Ge nerators verbunden. Der Umrichter weist eine Steue rung auf, die die Umdrehungsfrequenz des Rotors er faßt und in Abhängigkeit davon die wicklungsseitige Frequenz regelt. Dies geschieht in der Weise, daß die Rotorwicklungen mit einer Frequenz beaufschlagt sind, die von der Sollfrequenz des Generators um einen Ausgleichswert abweicht. Der Ausgleichswert ist die Differenz der Umdrehungsfrequenz des Rotors von der Sollfrequenz des Generators; gegebenenfalls ist dabei das Verhältnis von Rotor- und Generator frequenz zu berücksichtigen, wenn bei einer Umdre hung des Rotors mehrere Phasendurchläufe erfolgen. Infolge dieser Voraussetzungen läßt sich der Stator unmittelbar, d. h. ohne Zwischenschaltung eines Um richters, mit dem Ausgang des Generators verbinden.

Die vom Generator abgegebene Leistung setzt sich dabei additiv aus den Beiträgen des Stators sowie des Rotors zusammen. Der letztere Anteil wird durch den Umrichter auf die Sollfrequenz des Ausganges umgeformt und kann je nach Betriebsbedingungen po sitiv oder negativ sein. In bezug auf die Funkti onsweise lassen sich drei Betriebszustände unter scheiden:
Entspricht die Frequenz des Rotors der Sollfrequenz des Generators, so ist der Umrichter funktionslos, d. h. dem Rotor wird keine Leistung zugeführt oder entnommen. Weicht die Drehzahl des Rotors dagegen von ihrem Sollwert ab, so wird durch Entnahme bzw. Einspeisung eines Stroms geeigneter Frequenz in den Rotor bewirkt, daß der Stator stets die am Ausgang abgreifbare Sollfrequenz des Generators erzeugt.

Ist die Drehzahl des Rotors geringer als es der Sollfrequenz des Generators entspricht, so wird ein Teil der im Stator erzeugten Energie über den Um richter in den Rotor eingespeist. Die Frequenz des Speisestroms ist dabei um den Betrag gegenüber der Sollfrequenz des Generators erhöht, den die Rotor drehzahl von diesem Wert abweicht. Im Mittel dreht sich damit das Magnetfeld, das den Rotor umgibt und die Spannung im Stator induziert, entsprechend der Sollfrequenz des Generators.

Umgekehrt wird die Frequenz der Rotorwicklung ver mindert, wenn die Drehzahl der Antriebswelle den der Sollfrequenz entsprechenden Wert übersteigt. In diesem Fall ist der Rotorwicklung Energie entnehm bar, deren Frequenz über den Umrichter auf die Sollfrequenz gewandelt wird.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Generators be steht darin, daß bei geringen Abweichungen von der Sollfrequenz, die im praktischen Betrieb der Regel fall sind, nur ein kleiner Teil der erzeugten Ener gie über den Umrichter umgeformt wird und damit Verlusten unterliegt. Zweckmäßig wird dieser Anteil unter Verwendung einer geeigneten Übersetzung bzw. eines Getriebes zwischen Turbine und Generator auf etwa 10-20% begrenzt. Der größte Teil der erzeug ten Energie wird hingegen unmittelbar zum Ausgang des Generators geführt, wobei keinerlei Umwand lungsverluste entstehen. Damit wird im Vergleich zu herkömmlichen Generatoren variabler Drehzahl, deren gesamte Ausgangsleistung über einen Umrichter aus gekoppelt wird, der Wirkungsgrad erheblich vergrö ßert.

Mit Ausnahme der Wicklung des Rotors und dem mit ihr verbundenen Umrichter kann der Generator in seinem Aufbau sowohl einem herkömmlichen Synchron als auch einem Asynchrongenerator entsprechen. Letzterer zeichnet sich durch einen sehr einfachen Aufbau und damit geringe Herstellungskosten aus.

Aufgrund des hohen Wirkungsgrades der Energieum wandlung und der konstanten Frequenz des erzeugten Wechselstroms ist der vorgeschlagene Generator in hervorragender Weise zum Antrieb durch eine Turbine mit feststehenden Schaufeln geeignet. Durch ihren Betrieb bei variabler Drehzahl wird eine Umwandlung der Strömungsenergie des ausgenutzten Mediums in die Rotationsenergie der Turbine über einen weiten Bereich unterschiedlicher Volumenströme realisiert und somit ein ausgezeichneter Gesamtwirkungsgrad der Kombination von Turbine und Generator erzielt. Ferner ist es im Gegensatz zu Turbinen konstanter Drehzahl möglich, die Rotationsgeschwindigkeit und damit den Durchsatz des strömenden Mediums entspre chend dem Angebot zu verändern. In der Folge ist insbesondere bei einem Wasserkraftwerk die im Ver lauf eines Jahres erzeugte Energie deutlich stei gerbar, weil auch in Zeiträumen sehr hoher oder ge ringer Wassermengen eine vollständige Umwandlung des Angebotes in elektrische Energie erreichbar ist.

Zweckmäßig ist speziell die Verwendung einer Kaplanturbine, die sich über einen weiten Bereich von Volumenströmen durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet. Weiterhin ist ihr Aufbau vergleichs weise einfach, so daß sich die Investitionskosten bei Neubau oder Instandsetzung eines Kraftwerkes erheblich verringern.

Insbesondere bei einem Wasserkraftwerk treten häu fig Schwankungen der Menge des die Turbine durch strömenden Arbeitsmediums auf, d. h. die für die Stromerzeugung zur Verfügung stehende mechanische Leistung variiert beständig. Um aus ihr mit maxima lem Wirkungsgrad, der seinerseits, wie oben erläu tert, drehzahl- und leistungsabhängig ist, elektri sche Energie zu erzeugen, wird vorgeschlagen, die vom Generator erzeugte elektrische Leistung zu er fassen. Eine Regelvorrichtung verändert die Dreh zahl des Generators, bis seine elektrische Leistung und entsprechend sein Wirkungsgrad maximal ist. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise das im Inneren des Stators befindliche Magnetfeld in seiner Stärke oder Phasenlage beeinflußt, wozu beispielsweise zu sätzliche Spulen des Stators einsetzbar sind oder die den Umrichter durchfließende Leistung und somit der Strom durch die Rotorwicklung variiert wird. Eine Variation der Drehzahl hat eine Änderung des Drehmoments zur Folge.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu tert wird. Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Generator mit Turbine.

In ihrem grundsätzlichen Aufbau besteht die darge stellte Vorrichtung aus einer Turbine (1), die über eine Antriebswelle (2) den Rotor (3) des Generators in Bewegung versetzt, der sich in einem Staor (4) dreht. Die im Stator (4) abgegriffene elektrische Leistung wird über Leitungen (5) zum Ausgang (6) des Generators geführt, der beispielsweise an das öffentliche Stromnetz angeschlossen ist, wobei die Zahl der dargestellten Adern der Leitungen (5) der Zahl der übertragenen Phasen entsprechen. Des wei teren weist der Rotor (3) Wicklungen auf, die über eine weitere Leitung (7) mit einem zweiteiligen Um richter (8, 9) in Verbindung stehen, der an den Aus gang (6) des Generators sowie den Stator (4) ange schlossen ist. Beide Teile des Umrichters (8, 9) sind sowohl in der Lage, einen Gleichstrom in einen Wechselstrom vorgegebener Frequenz umzuwandeln, als auch dazu geeignet, Wechselströme gleichzurichten. Über die Stufe eines entlang der Zwischenleitung (10) geführten Gleichstromes ist es daher möglich, dem Rotor (3) über die Leitung (7) Energie zuzufüh ren und zu entnehmen, wobei die Frequenz der Ströme auf der ausgangsseitigen Leitung des Umrichters (9) der Sollfrequenz des Generators entspricht, während sie rotorseitig veränderlich ist. Zu diesem Zweck ist der Umrichter (8, 9) mit einer Steuerung (11) versehen, die die Frequenz der Leitung (7), die den Rotor (3) kontaktiert, in Abhängigkeit von dessen Drehzahl regelt, wobei letztere sowohl durch am Ro tor (3) oder der Antriebswelle (2) befestigte Sen soren als auch aus der Frequenz der erzeugten Ströme ermittelbar ist.

Vorzugsweise entspricht die Drehzahl des Rotors (3) der Sollfrequenz des Generators f_g, wobei ggf. Fre quenzabweichungen beim Asynchronbetrieb zu berück sichtigen sind. In diesem Fall läßt sich die ge samte erzeugte elektrische Energie wie bei einem herkömmlichen Drehstromasynchrongenerator am Stator (4) abgreifen und unmittelbar dem Ausgang (6) zu führen. Zweckmäßig weist die Turbine (1) eine Über setzung auf, so daß die Drehfrequenz f_n der An triebswelle (2) bei dem mittleren Volumenstrom Q gleich f_g ist. Insbesondere bei einem Wasserkraft werk variiert der Volumenstrom Q(t) durch die Tur bine (1) jedoch zeitabhängig mit dem zur Verfügung stehenden Wasserangebot, so daß sich auch die Dreh frequenz f_n abhängig von Q(t) verändert. Um weiter hin im Stator (4) einen Strom zu induzieren, dessen Frequenz f_g ist, muß sich das im Stator befindliche Magnetfeld im Mittel weiterhin mit der Frequenz f_g drehen. Zu diesem Zweck wird der Rotor (3) über die Leitung (7) mit der Frequenz 2f_g - f_n beaufschlagt. Je nach dem Vorzeichen der Drehfrequenzabweichung der Antriebswelle (2) stellen sich dabei unter schiedliche Betriebszustände des Rotors (3) ein. Ist f_n kleiner als f_g, d. h. die Drehfrequenz des Rotors (3) geringer als es der Sollfrequenz des Ge nerators entsprich, ist die Drehfrequenz des magne tischen Feldes im Stator (4) gegenüber der Drehzahl des Rotors (3) zu erhöhen. In diesem Fall ist der Rotor (3) motorisch angetrieben, d. h. ihm wird zu sätzliche elektrische Energie zugeführt, die von dem zum Ausgang (6) geleiteten Strom abgezweigt wird. Ist f_n dagegen größer als f_g, ist der Betrieb des Rotors (3) generatorisch, d. h. über den Umrich ter (8, 9) wird dem Ausgang (6) des Generators zu sätzliche elektrische Leistung zugeführt.

Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Generator mit Umrichter wird bei geringen Abweichungen von der Sollfrequenz der größte Teil der elektrischen Lei stung unmittelbar zum Ausgang (6) geleitet, so daß keinerlei Verluste im Umrichter (8, 9) entstehen. Lediglich der durch den Rotor (3) fließende Teil strom, der mit zunehmender Annäherung an die Soll drehzahl gegen Null geht, unterliegt diesen Verlu sten. In der Folge erhöht sich der Wirkungsgrad im Vergleich zu einem herkömmlichen Generator mit ei ner Ausgangsspannung konstanter Frequenz erheblich.

Claims

1. Wechsel- oder Drehstromgenerator, vorzugsweise zur Verwendung in Kraftwerken, mit einem Rotor, der von einer Antriebswelle drehbar ist, und einem Sta tor, vdn dem die erzeugte elektrische Leistung zum Ausgang des Generators geleitet wird, sowie einem Umrichter, der einen Wechselstrom beliebiger Fre quenz in einen Wechselstrom vorgegebener Frequenz umwandelt, auf der einen Seite mit dem Ausgang des Generators verbunden ist und unabhängig von der Drehzahl der Antriebswelle eine Ausgangswechsel spannung konstanter Sollfrequenz erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Stator (4) unmittelbar mit dem Ausgang (6) des Generators verbunden ist,
- der Umrichter (8, 9) auf der anderen Seite mit ei ner Wicklung verbunden ist, die auf den Rotor (3) aufgebracht ist,
- der Umrichter (8, 9) eine Steuerung (11) aufweist, die die Umdrehungsfrequenz des Rotors (3) erfaßt und davon abhängig die wicklungsseitige Frequenz regelt
- und die wicklungsseitige Frequenz die Summe aus der Sollfrequenz des Generators und der Abweichung der Umdrehungsfrequenz des Rotors (3) von der Soll frequenz ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß Rotor (3) und Stator (4) einen Drehstroma synchrongenerator bilden.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Antrieb durch eine Turbine (1) mit feststehenden Schaufeln erfolgt.

4. Generator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die Turbine (1) eine Kaplanturbine ist.

5. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrich tung die vom Generator erzeugte elektrische Lei stung mittels einer Meßeinheit erfaßt und die Dreh zahl des Generators variiert, bis seine Leistung maximal ist.