DE1955628A1 - Hydroelektrische Anlage - Google Patents

Description

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2I8/I3227 DE 31. Oktober I969

Pat entanmeldung

der Firma

ATELIERS DE CONSTRUCTIONS MECANIQUES DE YEVEY S.A.

Vevey (Schweiz)

Hydroelektrische Anlage

In den meisten hydroelektrischen Anlagen variert der Oberwasserspiegel öfters und bewirkt dadurch relativ grosse Gefällsänderungen im Verhältnis zum Gefälle. Für eine gegebene Maschine, sei es eine Wasserturbine, Pumpe oder Turbinenpumpe mit bestimmender Drehzahl, hängt der hydraulische Wirkungsgrad hauptsächlich vom Gefälle ab. Da die Schwankungen desselben vielfach ganz beträchtlich sind, ergeben sich durch den damit bedingten hydraulischen Wirkungsgradabfall Produkt ions aus f alle. ids ist daher zweckmässig, alles zu unternehmen, damit die Maschine mit einem guten hydraulischen Wirkungsgrad funktioniert, trotz den natürlichen Schwankungen des Gefälles.

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Verschiedene Lösungen wurden vorgeschlagen, um dieses Ziel zu erreichen. So ist es bekannt, elektrische Maschinen zu bauen, " wie Motoren oder synchron dreiphasige Motorgeneratoren, die mit mindestens zwei verschiedenen Drehzahlen laufen können, obwohl der Speisewechselstrom eine konstante Frequenz besitzt. In Wirklichkeit entspricht für jeden Gefällswert eine andere Drehzahl, für welche der hydraulische Wirkungsgrad ein Optimum ist. Mit einer solchen Maschine kann man die Drehzahl der hydroelektrischen Gruppe wählen, die sich am besten eignet für das vorhandene Gefälle zu einem bestimmten Zeitpunkt. Die Ausführung der elektrischen Maschine ist jedoch schwierig und die Auswahl, betreffs Drehzahlstufen sehr beschränkt. In der Regel sind die nur zwei zur Verfügung stehenden Drehzahlen ungenügend, hauptsächlich dort, wo die relativen Gefällsschwankungen gross sind.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft die Ausführung von hydroelektrischen Maschinen, die mit jeder gewünschten Drehzahl arbeiten können, was erlaubt, den Wirkungsgrad der Anlage zu jeder Zeit optimal zu halten, unabhängig vom tatsächlichen Gefälle im bestimmten Zeitpunkt. Die Erfindung betrifft eine hydroelektrische Anlage, wenigstens an eine elektrische Gleichstromleitung angeschlossen, bei welcher das Gefälle beträchtlicher Schwankungen unterworfen ist, umfassend eine Wasserturbine, Pumpe oder Turbinenpumpe, wobei der Rotor an die Welle einer Synchron-Wechselstrommaschine angekuppelt ist, die als Generator bzw. Motor arbeitet, die Anlage umfasst im weitern, im Falle bei

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^urbinenbetrieb, wenigstens eine Anzahl Gleichrichter für die Umwandlung des vom Generator erzeugten Wechselstromes in Gleichstrom; im Falle von Pumpenbetrieb, wenigstens ein Stromwandler, der den vom Hetz herkommenden Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und den Motor speist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage eine Steuerung besitzt, die die Durchflussmenge der Turbine reguliert, beziehungsweise die Frequenz des Ausgangsstromes aus dem Stromwandler, damit in jedem Zeitpunkt die Drehzahl des Rotors der Maschine an das vorhandene Gefälle angepasst wird, und zwar derart, dass der Wirkungsgrad der Maschine praktisch auf dem Optimum bleibt, trotz Gefällsänderungen.

Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung betrifft reversierbare Maschinen, wie Turbinenpumpen, welche zusätzlich zu den natürlichen Gefällsänderungen noch anderen Variationen unterworfen sind, nach der Art und Weise, wie sie betrieben werdenj während die hydraulische Maschine als Turbine arbeitet, ist das zur Verfügung stehende Nettogefälle zwischen Eintritt und Austritt der Turbine gleich dem Bruttogefälle, vermindert um die Reibungsverluste des Wassers in der Druckrohrleitung. Dagegen, wenn die Maschine als Pumpe arbeitet, muss diese einen Druck aufbringen, der gleich dem Bruttogefälle entspricht, vermehrt um die Reibungsverluste des Wassers in der Leitung. Daraus folgt, dass für ein und dasselbe natürliche Gefälle, das zur "Verfügung stehende Gefälle während dem Turbinenbetrieb verschieden ist von der Förderhöhe, die während dem Pumpenbetrieb aufzubringen ist. Die Differenz ist, in groben Zügen

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gesehen, gleich dem doppelten Wert der Summe der Reibungsverluste des Wassers in allen Leitungen.

Die Zusammenhänge, die für eine hydraulische Maschine zwischen Wassermenge und Gefälle bestehen, sind bekannt; jedermann -weiss, dass je schneller eine Pumpe läuft, umso höher ist ihre Förderhöhe. Diese¹ Besonderheit wird in der vorliegenen Erfindung verwendet .

Bisher war es nicht möglich, eine elektrische Maschine mit gutem Wirkungsgrad von grosser Leistung herzustellen, die durch eine Hochspannungsleitung gespeist oder eine Hochspannungsleitung speisend und fähig ist, mit einem ganzen Drehzahlbereich zu arbeiten und endlich keine aussergewöhnliche Unterhaltsarbeiten verlangt. Dagegen kann bei Verwendung einer elektrischen Synchronmaschine, d.h. eines konventionnellen Motors oder Generators, die alle obengenannten Eigenschaften besitzt, das gesuchte Ziel erreicht werden. In der Tat, die in letzter Zeit gemachten Fortschritte auf dem Gebiet der Gleichrichter, d.h. das Umwandeln von Wechselstrom in Gleichstrom und in der Konstruktion von Stromwandler, die die umgekehrte Operation vollziehen, erlauben, die Verwendung solcher Apparate vorzusehen, welche ekonomisch und sicher arbeiten, sogar bei sehr hohen Spannungen und grossen Leistungen. Durch das Zwischensehalten von solchen Apparaten, d.h. ein Gleichrichter und ein Stromwandler zwischen eine elektrische Synchron-Wechselstrom-Maschine und ein Wechselstromnetz, trennt man die Frequenzen, diejenige der Maschine kann verschieden sein von derjenigen des Netzes.

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Die elektrische Verbindung dient nur noch für die Uebertragung der Leistung d.h. der Energie, die Synchronisierung der Maschine auf das Netz existiert nicht mehr. Diese Trennung erlaubt der hydroelektrischen Maschine mit einer anderen Drehzahl zu drehen als diejenige, die die Synchronisierung des Netzes erfordert, d.h. auf der optimalen Drehzahl, die ihr erlaubt, den optimalen Wirkungsgrad zu halten, trotz den Gefallsänderungen.

Die beiliegende Zeichnung zeigt schematisch und beispielhaft eine AusfUhrungsform der Anlage gemäss vorliegender Erfindung, Diese hydroelektrische Anlage ist aus den folgenden Hauptelementen zusammengesetzt :

1. oberes Staubecken

2. Zuführungsleitung im Falle von Turbinenbetrieb, Förderleitung, im Falle von Pumpenbetrieb

3· hydraulische Turbine, Pumpe, Turbinenpumpe

4. Saugrohr

5. unteres Becken, Sammelbecken im Falle von Turbinenbetrieb, Saugbecken im Falle von Pumpenbetrieb

6. Leitapparat für die Regulierung der Wassermenge der Turbine

7. Servomotor für die Betätigung des Leitapparates

8. Regulator

9. Regler, der einen Regelimpuls abgibt, in Funktion der Differenz zwischen tatsächlicher Drehzahl des Rotors der Gruppe und der gewünschten Drehzahl

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10. Welle des Rotors, die die elektrische und hydraulische Maschine verbindet

11. Drehzahlgeber-Organ für Turbinenbetrieb

12. Drehzahlgeber-Organ für Pumpenbetrieb

13. Regulator im Pumpenbetrieb funktionierend, der einen Regelimpuls abgibt in Funktion der Differenz zwischen der tatsächlichen Frequenz der Yertiadungsleitung 15 und der gewünschten Frequenz

14. Elektrische Maschine, Generator, bzw. Synchronmotor

15. Elektrische Wechselstrom-Yerbindungsleitung 16 Λ

17·/Trennschalter

18.)

19· Stromwandler der Gruppe

20. Gleichrichter der Gruppe

22.)Gleichstromleitungen

23.\..

24. Gleichrichter des Netzes
25· Stromwandler des Netzes

26.V

J Trennschalter
27.)

28. Wechselstromnetz

29. Direktes Wechselstromnetz

30. Steuerorgan des Stromwandlers des Netzes 25

31. Regelknopf für das Einführen eines Regelimpulses der

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gewünschten Drehzahl

32. Regelknopf für das Einführen eines Regelimpulses der gewünschten Frequenz.

Die Wirkungsweise der Anlage ist wie folgt: Nehmen wir an, die Maschine funktioniere als Turbine. Das im Staubecken enthaltene Wasser speist, durch die Leitung 2 die Turbine\ und tritt durch das Saugrohr aus, welches es an das Sammelbecken £ abgibt. Die Wassermenge wird entsprechend der Stellung des Leitapparat.es jS reguliert.

Die Wasserturbine treibt über die Welle 10 den Rotor des Synchrongenerators 14 an und die so produzierte Energie tritt über die elektrische Verteilleitung 2J5 aus. Der Trennschalter 12 ist geschlossen, dagegen sind die Trennschalter 16_ und 18 offen. Alsdann, durchfliesst diese Energie den Gleichrichter 2JD, welcher den Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt und das Gleichstrom-Verteilnetz 221 speist.

Die HochspannungDenergie-Uebertragungsanlagen auf grosse Distanzen in Gleichstrom, werden heute immer zahlreicher, weil mit dieser Stromart die Spannungsverluste in den Leitungen geringer sind, als diejenigen der bestehenden Anlagen in Wechselstrom. Es ist auch möglich, diese Energie, die in Form von Gleichstrom vorhanden ist, zu verwenden, und diese in Form von Wechselstrom zu verbrauchen, wie es heute für die meisten Verbraucher der Fall ist. Um dies zu bewerkstelligen, genügt es, den Trennschalter 22 zu schliessen, 2β_

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offen zu lassen, was den Stromwandler des Netzes 2£ in Betrieb setzt, der den Gleichstrom des aus dem Gleichrichter der Gruppe 20 fliesst, in Wechselstrom umwandelt. Die Anlage kann ein zusätzliches Reguliersystem ^P. enthalten, das den Stromwandler des Netzes 22 in der Weise steuert, dass die Frequenz, die diese Wandler hält genau der Frequenz des Netzes 28 entspricht.

Diese Anordnung lässt erkennen, dass die Frequenzen zwischen den ^ Netzen 28 und l£ verschieden sein können und dies in sehr grossen Abständen.

Der Regler j? misst die Drehzahl der Gruppe mittels des Drehzahl-Geberorgans JJL und betätigt mit Hilfe des Regulators 8, den Servomotor χ, den leitapparat 6> in der Weise, dass die Drehzahl des Rotors 10 der Gruppe genau der Drehzahl entspricht, bei der die Maschine mit optimalem Wirkungsgrad arbeitet in Berücksichtigung des vorhandenen Gefälles im angenommenen Augenblick. Es ist klar, dass diese Drehzahl variert, sobald das Gefälle variert und dass sie mehr oder weniger kontinuierlich angepasst werden kann, je nach dem Fall.

Im allgemeinen ist die Geschwindigkeit der Gefällsa*nde3?ung sehr klein da sie praktisch gleich ist wie die Geschwindigkeit der Aenderung des Wasserspiegels. In den meisten Fällen genügt ein Handeingriff auf den Küopf ^l. Man könnte diesen Eingriff auch automatisieren, indem man den Gefällswert auf den Regelkopf ^l überträgt, was automatisch die gewünschte Drehzahl der Gruppe den Geifillsschwankungen

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anpasst. Durch, die dauernde Einwirkung der Reglerschaltung 7, 8, 2» bleibt die tatsächliche Drehzahl gleich der gewünschten Drehzahl .

Im Falle des Pumpenbetriebes sind die Trennschalter 17, 18. und 22 offen, dagegen ist der Trennschalter 16 zu. Die Energie, ob sie nun von der Gleichstrom-Verteilleitung 21 oder vom Wechselstromnetz _28 herkommt, indem sie über den Trennschalter 2£ fliesst, der geschlossen ist und über den Gleichrichter des Netzes 2^, speist durch Zwischenschaltung eines Stromwandlers 12, die elektrische Maschine 1^. Die Anlage enthält im weitern einen Regulator 1^, der den Stromwandler so beeinflusst, dass die Frequenz, des aus diesem austretenden elektrischen Stromes geregelt wird, in Abhängigkeit der gewünschten Frequenz, d.h. genau nach dem Gefalle und dies auf gleiche Weise wie der Regler % k^ei Turbinenbetrieb. Tatsächlich ist die Drehzahl der Gruppe direkt abhängig für eine elektrische Synchronmac3chine von der Frequenz des Speisestromes 1£. Um die Drehzal der Welle der Pumpe 10 zu bestimmen, genügt es, die Ausgangsfrequenz des Stromwar,dlers I^ zu führen. Der Regulator 1J5 erhält vom Organ 12 einen realen Frequenzimpuls und vom Knopf _3_2 einen Impuls für die gewünschte Frequenz. JBr gibt ein Regelimpuls, welcher abhängig isfc von ihrer Differenz und regelt die Frequenz des Stromwandlers derart, dass die Drehzahl der Pumpe die günstigste wird, in Berücksichtigung des Wertes der aufzubringenden Förderhöhe. Die Pumpe, auf ihrer richtigen Drehzahl drehend, 3augt das Waaoer aus dem unteren Becken £ und pumpt es durch die Leitung

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2! in das obere Staubecken 1. .

Wie im Falle des Turbinenbetriebes, kann das System automatisiert werden, das Gefälle wird direkt auf das Organ Γ3 übertragen, um die Ausgangsfrequenz des Stromwandlers zu ändern.

Aus dem Schema ersieht man auch die Möglichkeit, eine direkte Verbindung zu erhalten durch das Einschalten der Leibung 2^ und des Trennschalters 18, was erlaubt, wenn nötig, die elektrische Ma-

■ ■ schine 14 direkt mit dem Netz zu verbinden, für den Fall, wo die Drehzahl der Welle, die einen optimalen Wirkungsgrad erlaubt, genau auf dieser Drehzahl wäre, wenn sie mit dem Netz synchronisiert wäre. Wenn die zwei Netze über dem Trennschalter 18 und die Leitung _29_ untereinander verbunden sind, sind die andern Trennschalter 16 und 17 sowie 26, und _27 geöffnet. -

Der Betrieb mit einer Pumpenturbine ist genau gleich, je nach dem Fall, entsprechend dem einen oder anderen beschriebenen Funktionsprinzip.

Die obige Beschreibung bezieht sich auf den Fall Wechselstrom-Maschinen und Netze, es ist klar, dass es sich um ßinphasen-, Dreiphasen- oder Mehrphasenstrom handeln kann. Gleichzeitig könnte man auch elektrische Maschinen anführen, die eine andere Phasenzahl haben, alo das Netz, hauptsächlich grosser, was die Wirkung der Gleichrichter beträchtlich verbessern würde.

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Claims (6)

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   218/13227 DE 51. Oktober 1969

   Patentanmeldung
   der Firma

   ateliers de constructions
   mecaniqu.es de vevey s.a.

   Vevey (Schweiz)

   Pat entansprttche

   Mj Hydroelektrische Anlage, mindestens an eine elektrische Gleichstrom-Leitung angeschlossen, bei welcher das Gefälle beträchtlichen Schwankungen unterworfen ist, umfassend eine hydraulische Maschine, Wasserturbine, Pumpe oder Turbinenpumpe, wobei der Rotor an die Welle einer elektrischen Wechselstrom- Synchronmaschine angekuppelt ist, die als Generator bzw. als Motor arbeitet, die Anlage umfasst im weitern, im Falle bei Turbinenbetrieb wenigstens eine Anzahl Gleichrichter für die Umwandlung des vom Generator erzeugten Wechselstromes in Gleichstrom; und im Falle von Pumpenbetrieb wenigstens ein Stromwandler, der den, der elektrischen Leistung gelieferten Gleich-

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   strom in. Wechselstrom -umformtund den Motor speist, dadurch g ekennzeich.net, dass die Anlage eine Steuerung 9, 13 besitzt., welche das Organ 6 betätigt, das die durch die Turbine fliessende Wassermenge regelt, beziehungsweise während des Pumpenbetriebes die Frequenz des aus dem Stromwandler 19 ausfliessenden Stromes, damit in jedem Leitpunkt die Drehzahl des Rotors 10 der Maschine in Punktion des Gefälles angepasst wird und zwar derart, dass der Wirkungsgrad, der Maschine praktisch auf dem Optimum bleibt, trotz Gefällsänderungen.
2. 2. Anlage nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Gleichstromleitung 21 über mindestens eine Anzal Gleichrichter 24 vom elektrischen Wechselstromnetz 22 gespiesen ist, beziehungsweise ein Wechselstromnetz 28 über wenigstens ein Stromwandler 25 speist.
3. 3· Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydroelektrische Anlage und die Gleichrichter, die die elektrische Gleichstromleitung speisen am gleichen Standort angeordnet sind.
4. 4. Anlage nach Anspruch 1 dadurch gek 3nn zeichnet, dass die elektrische Wechselstrommaschine mehrphasig ist.
5. 5. Anlage nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichne t, dass das elektrische Wechselstrom-Netz, welches über eine Anzahl Gleichrichter die elektrische Gleichstromlei.tung speist, mehrphasig ist.·

   - 3 -..09845/0 1. ;2
6. 6. Anlage nach den Ansprüchen 1, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Phasen des elektrischen Netzes 28, üas die G-leichstromleitung speist, verschieden ist von der Anzahl der Phasen 15 der elektrischen Wechselstrommaschine» '

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