DE19817412A1

DE19817412A1 - Leistungselektronische Stelleinheit zur Realisierung eines drehzahlvariablen Betriebes von Asynchrongeneratoren mit Kurzschlußläufer

Info

Publication number: DE19817412A1
Application number: DE1998117412
Authority: DE
Inventors: Rainer Thamm
Original assignee: GFE GES fur ENERGIEELEKTRONIK
Current assignee: GFE GES fur ENERGIEELEKTRONIK
Priority date: 1998-04-18
Filing date: 1998-04-18
Publication date: 1999-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine mikroprozessorgesteuerte leistungselektronische Stelleinheit zur Realisierung eines drehzahlvariablen Betriebes von Asynchrongeneratoren mit Kurzschlußläufer, die sonst mit einer starren Drehzahl arbeiten, sofern sie nicht polumschaltbar sind, mit einer Drehzahlvarianz zwischen null und etwa doppelter Nenndrehzahl. DOLLAR A Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine mikroprozeßgesteuerte leistungselektronische Stelleinheit zur Realisierung eines drehzahlvariablen Betriebes von Asynchrongeneratoren mit Kurzschlußläufer im Bereich zwischen null und etwa doppelter Nenndrehzahl zu schaffen, die einen kostensparenden, automatisierten Betrieb mit hohem energenetischen Wirkungsgrad bei Drehzahlen zwischen null und doppelter Nenndrehzahl erlaubt. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird die Asynchronmaschine im generatorischen Betrieb mit einer mikroprozessorgesteuerten leistungselektronischen Stelleinheit betrieben, die aus ständerseitiger Erregereinrichtung für den Asynchrongenerator zur Führung des Blindstromes des Asynchrongenerators, ständerseitigem Gleichrichter zur Führung des Wirkstromes des Asynchrongenerators, Netzrückspeise-Einrichtung zur Energieübertragung vom Asynchrongenerator in das Netz und ggf. einem Gleichspannungswandler zwischen Gleichrichter und Netzrückspeise-Einrichtung, wenn weder der Gleichrichter noch die Rückspeise-Einrichtung in der Lage sind, eine Gleichspannungssteuerung zwischen beiden zu realisieren, ...

Description

Die Erfindung betrifft eine mikroprozessorgesteuerte leistungselektronische Stelleinheit zur Realisierung eines drehzahlvariablen Betriebes von Asynchrongeneratoren mit Kurzschlußläufer, die sonst mit einer starren Drehzahl arbeiten, sofern sie nicht polumschaltbar sind, mit einer Drehzahlvarianz zwischen null und etwa doppelter Nenndrehzahl.

Als elektrische Generatoren werden im wesentlichen Drehfeldmaschinen in Form von Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen verwendet.

Asynchronmaschinen mit Kurzschlußläufer können grundsätzlich nur über die Ständerwicklungen erregt werden, entweder von einem bestehenden Netz, auf das sie mit annähernd konstanter Drehzahl arbeiten, sofern die Netzfrequenz konstant ist, oder mittels Kondensatoren, wenn sie im Inselbetrieb arbeiten sollen, ebenfalls mit konstanter Drehzahl.

Drehzahlvariabler generatorischer Betrieb läßt sich lediglich dadurch realisieren, daß die Asynchronmaschine über einen Frequenzumrichter von einem Netz aus gespeist wird, von Speisung über einen Maschinenumformer abgesehen.

Während die erstgenannten Verfahren den Nachteil haben, daß die Asynchronmaschine nicht mit variabler Drehzahl generatorisch betrieben werden kann, hat die Frequenzumrichtervariante zur Realisierung eines drehzahlvariablen Generatorbetriebes den Nachteil des hohen leistungselektronischen Aufwandes für den Frequenzumrichter. So muß z. B. der generatorseitige Wechselrichter den gesamten betriebsmäßig auftretenden Strom der Asynchronmaschine führen und kommutieren können.

Der im Patentanspruch 1 angegegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine mikroprozeßgesteuerte leistungselektronische Stelleinheit zur Realisierung eines drehzahlvariablen Betriebes von Asynchrongeneratoren mit Kurzschlußläufer im Bereich zwischen Null und etwa doppelter Nenndrehzahl zu schaffen, die einen kostensparenden, automatisierten Betrieb mit hohem energenetischen Wirkungsgrad bei Drehzahlen zwischen Null und doppelter Nenndrehzahl erlaubt und somit den leistungselektronischen Aufwand zur Realisierung eines drehzahlvariablen Betriebes des Asynchrongenerators minimiert.

Erfindungsgemäß wird das Problem dadurch gelöst, daß die Asynchronmaschine im generatorischen Betrieb mit einer mikroprozessorgesteuerten leistungselektronischen Stelleinheit betrieben wird, die aus

- ständerseitiger Erregereinrichtung für den Asynchrongenerator zur Führung des Blindstromes des Asynchrongenerators,
- ständerseitigem Gleichrichter zur Führung des Wirkstromes des Asynchrongenerators,
- Netzrückspeise-Einrichtung zur Energieübertragung vom Asynchrongenerator in das Netz,
- und ggf. einem Gleichspannungswandler zwischen Gleichrichter und Netzrückspeise-Einrichtung, wenn weder der Gleichrichter noch die Rückspeise-Einrichtung in der Lage sind, eine Gleichspannungssteuerung zwischen beiden zu realisieren, besteht.

Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß mit geringem leistungselektronischem Aufwand entweder dieselelektrische Anlagen mit drehzahlvariablem Betrieb energie-, geräusch- und emissionsarm bzw. -optimiert gefahren werden können oder Windkraftanlagen drehzahlvariabel mit billigen und robusten Drehstromasynchronmaschinen mit und insbesondere auch ohne Getriebe realisierbar sind.

Weitere Vorteile sind:

- Absolute Vermeidung des Übergangs des Asynchrongenerators in motorischen Betrieb mit entsprechender Energieaufnahme aus dem Netz,
- vollständige elektrische Dämpfung von Strom- und Spannungsoberschwingungen, hervorgerufen durch Drehmomentoberwellen auf der Antriebsseite des Generators,
- Nachrüstbarkeit in bestehenden Energieerzeugeranlagen mit Asynchrongeneratoren,
- Berücksichtigung spezifischer Wünsche von Energieanlagen-Betreibern durch Mikroprozessorsteuerung und -anpassung.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden: Es zeigen:

Fig. 1 das Gesamtblockschaltbild des Asynchrongenerators (AG) in Verbindung mit der leistungselektronischen Stelleinheit,

Fig. 2 eine Schaltungsvariante einer Erregereinrichtung für den Asynchrongenerator zur Führung seines Blindstromes.

Entsprechend Fig. 1 sind die Stränge L1, L2, L3 des AG 1 sowohl mit dem Erregerstromrichter 2 als auch mit dem Gleichrichter 3 verbunden. Der Erregerstromrichter 2 tauscht im eingeschwungenen Zustand der Selbsterregung mit 12-facher Maschinenfrequenz eine Blindleistung mit dem AG 1 aus.

Der entsprechende Blindstrom zwischen beiden ist proportional der Spannung und umgekehrt proportional der Frequenz bzw. der Hauptreaktanz des AG 1 und kann folglich über die Drehzahl und über die Spannung des AG 1 beeinflußt werden.

Der Gleichrichter 3, in Fig. 1 ungesteuert dargestellt, überträgt lediglich die Wirkleistung des AG 1 auf die Netzrückspeise-Einrichtung 4, die ihrerseits in ein Netz einspeist.

Zur evt. gewünschten steuerbaren Spannungsdifferenz zwischen der Netzrückspeise- Einrichtung 4 und dem Eingang des Gleichrichters 3 können entweder der Gleichrichter 3 oder die Netzrückspeise-Einrichtung 4 gesteuert ausgeführt werden, oder es wird ein an sich bekannter Gleichspannungswandler 5 zwischen Gleichrichter 3 und Netzrückspeise- Einrichtung 4 eingesetzt.

Sofern keine Netzrückspeise-Einrichtung 4 benutzt werden soll, kann die Wirkleistung des AG 1 in bekannter Weise in Widerständen 6 bis 10 umgesetzt werden.

Die Erregereinrichtung 2 ist gemäß Fig. 2 eine Schaltungsanordnung, die aus gesteuertem Ventilsatz 11 mit abschaltbaren Ventilen besteht und drehstromseitig mit den Strängen des AG 1 und gleichstromseitig mit einer Reihenschaltung aus Speicherinduktivität 12 und Freilaufdiode 13 verbunden ist.

Zur einmaligen und kurzzeitigen Anregung des Selbsterregungsvorganges des AG 1 wird zweckmäßigerweise dem AG 1 über den Ventilsatz 11 und die Speicherinduktivität 12 aus einer Fremdstromquelle 14 bei einer definierten Drehzahl des AG 1 ein Strom mit einer der Drehzahl entsprechenden Frequenz aufgeprägt.

Bezugszeichenliste

1

Asynchrongenerator (AG)

2

Erregerstromrichter

3

Gleichrichter

4

Netzrückspeise-Einrichtung

5

Gleichspannungswandler

6

bis

10

Widerstände

11

Ventilsatz

12

Speicherinduktivität

13

Freilaufdiode

14

Fremdstromquelle

Claims

1. Leistungselektronische Stelleinheit zur Realisierung eines drehzahlvariablen Betriebes von Asynchrongeneratoren mit Kurzschlußläufer, die aus

- ständerseitiger Erregereinrichtung (2) für den Asynchrongenerator (1) zur Führung des Blindstromes des Asynchrongenerators (1),
- ständerseitigem Gleichrichter (3) zur Führung des Wirkstromes des Asynchrongenerators (1),
- Netzrückspeise-Einrichtung (4) zur Energieübertragung vom Asynchrongenerator (1) in das Netz,
- und ggf. einem Gleichspannungswandler (5) zwischen Gleichrichter (3) und Netzrückspeise-Einrichtung (4), wenn weder der Gleichrichter (3) noch die Netzrückspeise-Einrichtung (4) in der Lage sind, eine Gleichspannungs- Steuerung
zwischen beiden zu realisieren, besteht.

2. Leistungselektronische Stelleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkleistung des Asynchrongenerators (1) zusätzlich oder lediglich in elektrischen Widerständen (6 bis 10) umgesetzt wird.

3. Leistungselektronische Stelleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregereinrichtung (2) aus einem Ventilsatz (11) mit abschaltbaren Ventilen bzw. selbstlöschenden Ventilen besteht und gleichstromseitig mit einer Reihenschaltung aus Speicherinduktivität (12) und Freilaufdiode (13) verbunden ist.

4. Leistungselektronische Stelleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Selbsterregungsvorgang des Asynchrongenerators (1) über die Erregereinrichtung (2) aus einer Fremdstromquelle (14) angeregt wird.