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Synchronmaschineneinheit mit verinderbarer Drehzahl Die erfindung
betrifft eine Synchronmaschineneinheit nit veränderbarer Drehzahl insbesondere zur
Kupplung mit einer Pumpturbine, sowie ein Verfahren zum Betrieb der Synchronmaschineneinheit.
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Beim Einsatz von Synchronmaschinen, sei es, dass sie motorisch oder
generatorisch betrieben werden, kann das starre Verhältnis von Drehzahl zu Netzfrequenz
unerwünscht sein, z.B. weil eine Veränderbarkeit der Drehzahl gewisse Vorteile bringt
oder sogar betrieblich notwendig ist. Ein typischer Fall dieser Art ist die Betriebsweise
einer mit einer Synchronmaschine gekuppelten Pumpturbine eines Pumpspeicherwerks.
Die Pumpendrehzahl kann in solchen Anlagen oft aus wirtschaftlichen.Gründen anders,
insbesondere höher, liegen als die Turbinendrehzahl. Auch mit Rücksicht auf Variation
des Gefälles könnte eine Veränderbarkeit der Drehzahl
bei Pump-
oder bei Turbinenbetrieb erwünscht sein.
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In manchen Anwendungsfällen, z.B. bei besonders grossen oder neuartigen
Pumpturbinen, sollte oft eine nachträgliche Aenderung der Drehzahl zur Optimierung
der Anlage möglich sein.
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Um diesen Schwierigleiten zu begegnen, setzt nan seit längerer Zeit
polumschaltbare Synchronmaschinen ein. Derartige Maschinen sind jedoch kompliziert.
Sie haben itn Stator una Foto eine über den Umfang unregelmässige Bauart. h Eine
andere Möglichkeit der Dreazahl'nderun-,, die insbesondere dei grossen Synchronmaschinen
angewendet wird, besteht darin, einen Frequenzumformer zwischen Netz und Maschine
zu schalten.
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Als Frequenzumformer bieten sich Weehselstror-Ur.richter an, wie sie
beispielsweise für Kupplungen von Netzen unterschiedlicher Frequenz benutzt. werden.
Der @achteil derartiger Anordnungen ist darin zu sehen, dass der Frequenzumformer
die gleiche Leistung wie die an ihn gekoppelte Synchronmaschine aufweisen muss und
damit aufwendig und kostspielig ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, die Mängel des Bekannten zu beheben
und eine Synchronmaschineneinheit anzugeben, bei der bei gegebener Blockleitung
und unter Verwendung normaler Synchronmaschinen der Aufwand erheblich reduziert
wird.
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Die vergenannte Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass
die Synchronmaschineneinbeit aus zwei starr miteinander gekuppelten Synchronmaschinen
besteht, die verschiedene Polzahlen aufweisen und auf c'.as gleiche letz arbeiten,
und dass ein Frequenzumformer vorgesehen ist, der wahlweise zwischen einer der beiden
Synchronmaschin@n und der. Netz eir.geschaltet ist.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels beschrieben. Alle für die Frfindung nicht wesentlichen Details
sind fortgelassen worden.
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Es zeigt: Fig. 1 eir.e der.. Stand der Technik entsprechende Einzelsynchronmaschine
Fig. 2 eine aus zwei Synchronmaschinen mit gemeinsamer Welle bestehende Synchronmaschineneinheit
und Pumpturbine Fig. 3 ein Blockschaltbild einer Synchronmaschineneinheit mit einem
Synchron-Synchron-Umformer als Frequenzumformer Fig. 4 ein Blockschaltbild einer
Synchron..aschineneinheit mit einem rotierenden Netzkupplungsumformer als Frequenzumformer
Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Synchronmaschineneinheit mit einem Zwischenkreisumrichter
als Frequenzumformer.
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Zur Erläuterung des Erfindungsgegenstandes möge als Beispiel eime
Synchronmaschineneinheit von 500 MVA, 50 Hz dienen. Die optimale Pumpdrehzahl möge
bei 150 U/min, die optimale Turbinendrehzahl bei 125 U/min liegen. In Fig. 1 ist
eine Synchronmaschine 01 von 500 MVA, 125 U/min entsprechend 48 Polen, init vertikaler
Welle dargestellt. Sie. wird in zwei Maschinen a 250 MVA mit gemeinsamer Welle zerlegt.
Die neue Synchronmaschineneinheit, im folgenden auch Doppelsynchronmaschineneinheit
bezeichnet, zeigt Fig. 2, die im Masstab mit Fig. 1 übereinstimmt.
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Die Synchronmaschine 1 hat 40 Pole, also eine Drehahl von 150 U/min
bei 50 fz, die Synchronmaschine 2 hat 48 Pole, also eine Drehzahl von 125 U/min
bei 50 Hz. Mit der gemeinsamen Welle 3 der beiden Einzelmaschinen ist eine Pumpturbine
4 starr ekuppelt. Für die Synchronmaschineneinheit wird nur unwesentlich mehr Material
benötigt als für die Eineachnaschne; das aktive Gewicht ist etwa gleich. Die Grundfläche,
die in erster Linie für die Baukosten massgebend ist, kann kleiner gehalten werden;
in der liöhe wird um den Betrag der Ausladung von zwei Wickelköpfen mehr Platz beansprucht.
Die Betriebsweise dieser Maschine ist wie folgt: Wenn im Pumnbetrieb (Doppelsynchronmaschine
motorisch) eine Drehzahl vo 150 U/min benötigt wird, ist die 2:0 polige Maschine
1 direkt auf das Netz geschaltet. Die 48-polige Maschine 2 hat dann 60 Hz. Diese
Frequenz wird durch einen vorgeschalteten Frequenzumformer auf 50 Hz umgeformt,
wodurch ein Parallellauf mit der anderen Synchronmaschine 1 möglich ist.
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Wenn im Turbinenbetrieb (Doppelsynchronmaschine generatorisch, im
ent@egengesetzten Drehsinn) eine Drehzahl von 125 benötigt wird, ist die 48-polige
Maschine 2 direkt auf das Netz geschaltet. Die 40-polige Maschine 1 hat dann 41
2/2 Hz. Diese Frequenz wird durch den vorgeschalteten Frequenzumformer auf 50 Hz
umgeformt, wodurch ein Parallellauf mit der anderen Synchronmaschine 2 möglich ist.
In beiden Fällen muss der Frequenzumformer - abgesehen von den Verlusten - nur 250
!WA übertragen. Wenn statt der Doppelsynchronmaschine eine einfache verwendet würde,
müsste sie und der Frequenzumformer für 500 !VA ausgeführt werden. Der Vorteil der
Anordnung ist offensichtlich, da Aufwand und Kosten des Frequenzumformers für die
Erstellung der Anlage ausschlaggebend sind. Uebrigens müssen die beiden Synchronmaschinen
nicht gleichzeitig in Parallelschaltung benützt werden. Ein Vorteil der neuen Anordnung
besteht nämlich auch darin, dass stets eine.
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Maschine von 250 NVA für die richtige Frequenz bzw. Drehzahl zur Verfügung
steht. Darüber hinaus ermöglicht der Frequenzumformer eine Drehzahlvariation der
48-poligen Maschine von 100 -150 U/min und eine Drehzahlvariation der 40-poligen
Maschine von 125 - 175 U/min.
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Wie anhand des Ausführungsbeispiels dargestellt ist, wird der Parallelbetrieb
der Synchronmaschinen dadurch ermöglicht, dass bei Betrieb Mit höherer Drehzahl
die Synchronmaschine mit kleinerer Polzahl direkt und die Synchronmaschine mit grösserer
Polzahl über den Frequenzumformer auf das Netz geschaltet ist,
während
bei Betrieb mit niedriger Polzahl die Synchronmaschine mit grösserer Polzahl direkt
auf die Synchronmaschine mit kleinerer Polzahl über den Frequenzumformer auf das
Netz geschaltet ist.
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Der Frequenzumformer kann als Synchron-Synchron-Umformer ausgeführt
sein, wie er beispielsweise in Brown, floveri Mitt. Bd. 39 (1952), Nr. 7, S. 249,..263
beschrieben ist Für das behandelte Ausführungsbeispiel könnte -der Umformer aus
Synchronmaschinen 6,7 mit 10 bzw. 12 Polen bestehen, Schaltung gemäss Fig. 3aund
3b. war die Synchronmaschineneinheit stehen be Parallellauf der Einzelmaschinen
die Drehzahlen 125 und 150 U/min zur Verfügung. Es ist zweckmässig, die Verdrehbarkeit
des Stators einer Synchronmaschine des Umformers vorzusehen. Dann kann man leicht
die richtige gegenseitige Phasenlage der Spannungen der beiden Teilmaschinen ein@@stellen.
Ausserdem kann man die Lastverteilung auf die Einzelmaschinen nach Belieben vornehmen.
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Bei Einzelbetrieb der@Teilmaschinen gibt es noch folgende Möglichkeiten:
Wenn in der Schaltung Fig. 3a der Umformer vor die 40-polige Synchronmaschine geschaltet
wird, läuft diese mit 18C Ulmin.
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Wenn in der Schaltung Fig. 3b der Umformer vor die 48-polige Synchronmaschine
geschaltet wird, läuft diese mit 104 U/min. an kann die Drehzahlen 104 - 125 - i50
Ulinin als Stufen für einen asynchronen Hochlauf der Pumpe bei geschlosse@em Schieber
verwenden.
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Der Frequenzumformer kann auch als rotierender Netzkupplungsumformer
ausgeführt werden. Ein solcher Umformer ist beispielsweise in Brown, Boveri Mitt.
54 (1967), Nr. 9, S. 554 ... 565 beschrieben und wird dort mit Rotierender Transformator
bezeichnet. Ein aus einem rotierenden Netzkupplungsumformer bestehender Frequenzumformer
ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Der rotierende Netzkupplungsumformer 8 ist
im Prinzip eine doppelgespeiste Asynchronmaschine 9, die mit einer Hilfsmaschine
10 gekuppelt ist, durch welche das Frequenzverhältnis bzw. die Durchgangsleistung
einrestellt werden kann. Die Fi. 4 zeigt ein Schema, das den Verhältnissen des zuvor
behandelten Beispiels entspricht. In der einfachsten Ausführungsform kann man die
IIilfsmaschine 10 als Synchronmaschine bauen. Dann wird durch den Rotier@nden Transformator
ein starres Frequenzverhältnis erzwungen wie mit einem Synchron-Synchron-Umformer.
Bei einer Nennleistung von 250 MVA benötigt er eine Magnetisierungsleistung von
etwa 50 MVar, die durch die Synchronmaschineneinheit oder/und durch eine Kondensatorbatterie
aufgebracht werden kann. Wenn. man die Drehzahl der Hilfsmaschine 10 veränderbar
macht, kann man die Durchgangsleistung des Rotierenden Transformators und damit
die Leistungsverteilung der Einzelsynchronmaschinen steuern. Ferner hätte man ein
Mittel zur Drehzahländerung einer einzelnen an das Netz angeschlossenen Einzelmaschine
oder zur Erleichterung des Hochlaufs für Pumpenbetrieb.
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Wenn man für den Frequenzumformer eine statische Lösung, also
einen
Wechselstrom-Umrichter (so bezeichnet nach DIN-Entwurf 41750, B1.2) wählt, wird
man ihn vorzugsweise mit Gleichstrom-Zwischenkreis ausführen. In dem zuvor behandelten
Fall wäre er für Pumpenbetrieb an die 48-polige Synchrornnaschine (Fig. 5a) für
Turbinenbetriet an die 40-polige Synchronmaschine (Fig. 56) anschliessen. Fig. 5a
und 5b zeigen diese Lösung schematisch.
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Der Wechselstrom-Umrichter 11 weist einen Gleichrichterteil 12 upd
einen Wechselrichterteil 13 auf. Im ersten Zustand (Fig. 5a) fliesst die Leistung
von der Maschine in das tietz, im zweiten (Fig. 5b) umgekehrt. Man kann den Gleichrichterteil
12 des Zwische@-kreis-Umrichters 11 mit Dioden ausführen; für den Wechselrichterteil
13 benötigt man Thyristoren. Die Anschlüsse des Zwischenkreis-Umrichters 11 wird
man beim Uebergang von der einen Betriebsart zur anderen umkehren, was die Fig.
5a und 5b veranschaulichen. Ein Zwischenkreis-Umrichter von 250 MW benötigt ein
Blindleistung von ungefähr 250 MVar, die durch die Synchronmaschineneinheit oder/und
eine Kondensatorenbatterie aufgebracht werden kann. Ueber die Thyristoren kann man
die Einzelmaschinen synchronisieren, ihre Lastverteilung regeln, ihre Drehzahl stufenlos
einstellen, steueren oder regeln. Bei Verwendung eines Zwischenkreis*Urarichters
ist der Hochlauf für Pumpbetrieb besonders einfach. Man kann den Zwischenkreisumrichter
bei geschlossenem Schieber zum Frequenzanlauf der 48-poligen Maschine bis zur synchronen
Drehzahl der 40-poligen Maschine benutzen, deren Synchronisierung dann sehr einfach
ist. Das Drehmoment für Losbrechen
und 3eschleunigell kann durch
die Thyristoren bequem. gesteuert werden. bs ist möglich, das Drehmoment während
des Hochlaufs auf dem maximal zulässigen Wert zu halten, wobei das Netz von Wirk-
und Blindleistungsstössen verschont bleibt. Ein schneller Hochlauf ist für rasche
Betriebsbereitschaft sehr wichtig. Er wird noch verkürzt, wenn man gleichzeitig
mit der 40-poligen Synchronmaschine einen asynchronen Anlauf macht. Die passende
Verteilung des Drehmomentes auf die tiaschinen während des Anlaufs lässt sich über
die Thyristoren erreichen. Nach einem solchen Anlauf ist ein Synchronisieren nicht
nötig. Die zuletzt beschriebene Hochlaufmethode ist auch bei geöffnetem Schieber
möglich, wobei man die 40 polige IIIaschine nicht bereits bei Stillstand einzuschalten
braucht, sondern erst bei einer nützlich erscheinenden Drehzahl.
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I)er Wechselstrom-Umrichter bringt eine elegante Lösung. Da sein Aufwand
für die Erstellung der Anlage von bedeutendem Einfluss ist, fällt die Ersparnis
durch die oben beschriebene-Anordnung schwer ins Gewicht. Der Wechselstrom-Umrichter
ist nämlich nur noch halb so gross wie bei Verwendung einer Einfach-Synchronmaschine
von voller Leistung.