DE2110747A1

DE2110747A1 - Anfahrumrichter

Info

Publication number: DE2110747A1
Application number: DE19712110747
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr Fork; Adolf Dipl-Ing Haboeck
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1971-03-06
Filing date: 1971-03-06
Publication date: 1972-09-21
Also published as: ZA721465B; US3764815A; DE2110747B2; JPS4725616A; CH538216A; SU648150A3

Description

Das Anfahren von Gasturbinensätzen und Pumpspeicherv/erken wird in der Regel vermittels Anvrarfmotoren mit Drehmomentwandlern vorgenomman. Diese Anwurfmotoren müssen während des Anfahrvorganges der Gasturbinensätzo oder der von Pumpenturbinen angetriebenen Pumpspeichersätze mit diesen Turbinensätzen gekuppelt werden, was eine bedeutende Verlängerung des Wellenstranges der Turbinensätze erfordert und einen erheblichen Mehrbedarf an Fundamenten und umbautem Kaum mit sich bringt.

Der vorliegendenErfindung liegt die Überlegung zugrunde, daß die Verwendung von Amvurfmotoren, welche beim Anlauf eine hohe EinschaltStromspitze verursachen, völlig entbehrlich ist, wenn man den Generator des Turbinensatzes während des Anlaufe selbst als Mo lor be:; treibt und das Hochfahren durch einen statischen Umrichter besorgt.

Qei'iüß bezieht sich die Erfindung auf einen Anfahrunirichter, insbesondere für. Gasturbinen- und Pumpspeiehersätze, zum Hochfahren des Generators auf Ablöse- bzw. Synchronürehzahl, und die Erfindung besteht darin, daß der an die Turbine angekuppelte Generator während des Hoch!Jaufs als Motor betrieben und über den Umrichter gespeist ist.

I)OU Hochfahren des Generators kann bis zur Ablöse- bzw. SynchrondrohzehJ durchgeführt wei-dun. Durch Takten dos Wechselrichters verni.ittO-l ο ο inet- mit der Gonoratorwelle gekuppelten Polradlagegebors wird gewährleistet, daß der Generator stets synchron zum speisenden 'tfechsclrich tor !IKaCt.

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Der Vorteil der erfinderischen Maßnahme ist in dem schon erwähnten Wegfall eines besonderen Anwurfaggregates gelegen, was/ wiederum eine räumliche Freizügigkeit und eine gute Anpassungsfähigkeit an die erforderliche und verfügbare Anfahrleistung mit sich bringt. Im Einzelbetrieb kann der netzgeführte Teil des Umrichters als Haupterregerstromrichter für den Generator verwendet v/erden,· es können aber auch mehrere Generatoren nacheinander mit einem und demselben Umrichter angefahren v/erden. Durch die·Verwendung des Umrichters ist es darüber hinaus auch möglich, den Generator im Bedarfsfälle abzubremsen, um einen schnellen Übergang vom Generatorbetrieb zum Pumpbetrieb oder vom Phasenschieberbetrieb zum Generatorbetrieb bei Gasturbinensätzen sicherzustellen.

Der Umrichter besteht aus einem Gleichrichterteil und einem Wechselrichterteil, die über einen Gleichstromzwischenkreis miteinander verbunden sind. Der Wechselrichterteil kann als selbotgeführter Wechselrichter mit Löscheinrichtung ausgeführt sein. Zur Kommutierung des Wechselrichters bei fehlender Kommutierungsspannung, z.B. bei sehr kleiner Drehzahl des Generators, kann aber tauch der Zwischenkreisstrcm zu Null gebracht werden.

AusführungsbeispieHo der Erfindung seien anhand von drei Figuren näher erläutert, wobei die Pig. 1 die Prinzipschaltung, die Pig. 2 die Steuer- und Regeleinrichtungen und die Piß. 3 die Schaltung des Umrichters veranschaulichen.

l\^Tach Pig. 1 wird der Generator G beim Anfahren als Stromrichtermotor, also als stroiurichtergoopeiste Synchronmaschine betrieben, die durch (in Pig. 1 nicht veranschaulichte) Taktung des Stromrichters (Umrichters u1, u2) in Abhängigkeit von der Lage einen nicht dargestellten Polradlapegebers gesteuert wird und damit -die Eigenschaften einer G'l eichü lromnia:.u:hine annimmt. Der.· lo'aft-

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schlüssig auf der Welle des Turbogenerators befestigte Polradlagegeber gibt dem Wechselrichter u2 des Umrichters u1 , u2 die· Kommutierungsbefehle in der Heise, daß durch das Erregerfeld (Erregerwicklung E) und die Ankerdurehfiutung des Generators G ein Drehmoment in der gewünschten Richtung gebildet wird.

Durch den Polradlagegeber wird die Ankerdurchflutung weitergeschaltet, sobald das Polrad des Generators G einen Winkel von 60° durchlaufen hat. Die Punktion des masehinengetakteten Stromrichters entsj)richt damit der des Kommutators einer Gleichstrommaschine, der die Ankerdurchflutung lauferstellungsabhän.gig weiterschaltet. Somit ist sichergestellt,'daß der Generator G stets synchron zum speisenden Stromrichter läuft und Schwierigkeiten hinsichtlich der Stabilität der Energieübertragung nicht auftreten können. Nach dem Erreichen einer Drehzahl, von der an .die Turbine den Turbosatz beschleunigen kann, wird der Umrichter u1, u2 von der Maschine getrennt und der netzgeführte Stromrichter als Erregerstromrichter auf die Erregerwicklung E des Generators G geschaltet. Der Generator G wird damit nach Erreichen der Synchrondrehzahl auf volle Spannung erregt.

Dem Wechselrichter u2, der den Generator G speist, wird Gleichstromenergie aus einem Gleichstromswischenkreis K1 zugeführt. Dieser Gleichstromzwischenkreis wird aus dem Drehstromnetz über einen Stromrichtertransformator m3 und einen netzgeführten Stromrichter (Gleichrichter) u1 gespeist. Der zugehörige Wechselrichter u2 kann eine löscheinrichtung 1 (Pig. 3) enthalten, welche den Stromübergang von einem Wicklungsstrang U, V, W zum nächsten bewirkt, solange der Generator selbst die erforderliche Kommutierungsspannung nicht abzugeben vermag. Die im Wechselrichter u2 enthaltenen Loschkondensatoren werden vor dem Hochlauf über eine nicht näher veranschaulichte Hilfseinrichtung auf die erforderliche Spannung aufgeladen. Der Gleichrichter u1,

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der Wechselrichter u2" sowie der Gleichstromzwischenkreis mit der Drossel K1 sind im einzelnen in der Fig. 3 veranschaulicht. Gleichrichter u1 und Wechselrichter u2 sind in Pig. 3 in einer sechspulsigen Brückenschaltung dargestellt. Bei geringen dynamischen Forderungen kann die Weiterschaltung der Durchflutung des Generators G auch durch Takten des Zwischenkreises K1 vorgenommen werden.

Während des Anlaufes des Generators G wird die Erregerwicklung E aus einer Hilfsgldchspannungsquelle (Erregergleichrichter) u3 erregt, und zwar zunächst etwa mit dem Nennerregerstrom, um das Anfahrmoment groß zu machen. Damit der Anfahrumrichter u1, u2 nicht für die volle Generatorspannung bemessen v/erden muß, greift nach Erreichen der zulässigen Ausgangsspannung des Wechselrichters u2 eine Spannungsregelung ein, welche den Erregerstrom des Generators G soweit vermindert, daß dieser Spannungswert nicht überschritten wird. Auf diese Weise wird der Generator G auf halbe Kenndrehzahl beschleunigt, von wo an die Turbine den gesamten Turbinensatz auf Synchrondrehzahl beschleunigen kann. Ist diese Drehzahl erreicht, so wird der Generator G vom Umrichter u1, u2 getrennt und der Gleichrichterteil u1 des Umrichters u1, u2 anstelle des Hilfserregerstromrichters u3 als Erregerstromrichter auf die Erregerwicklung E geschaltet. Damit speist der Generator G über den Generatorschalter a2, den Blocktransformator m1 und den Schalter al in das Netz N ein. Zwischen dem Blocktransformator m1 und dem Generatorschalter a2 ist die Speiseleitung für den Eigenbedarfstransformätor m2 angeschlossen, welcher über die Schalter a3 und a4 den Stromrichtertransformator m3 für den Umrichter u1, u2 versorgt. Der Ausgang des GleichrichterteiD-s u1 des Umrichters u1, u2 ist über den Schalter a6 mit dem Zwischenkreis K1 und der Wechselrichterteil u2 über den Schalter a5 mit dem Generator G verbunden; außerdem ist der Ausgang des Gleichrichters u1 über den Schalter a9 an die Erregerwicklung E anschließbar. Die Fig. 1 veranschau«

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licht weiterhin die Sehwarzstartanordnung Sch, bestehend aua dem Dieselantrieb D und dem Hilfsgenerator HG-, dessen Ausgang über Schalter al 1 und a7 den Eigenbedarfstransformator m5 zu speisen vermag, welcher über den Schalter a8 ausgangsseitig über den Erregergleichrichter u3·und den Schalter alO die Erregerwicklung E speisen kann. Die Stoßstellen der Schalter a3 und a4 sowie a11 und a7 sind miteinander verbunden.

Die Pig. 2 veranschaulicht die Steuer- und Regelungsanordnung für den prinzipiellen Aufbau nach Pig. 1. Gleiche Bausteine in beiden Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Gemäß Pig» 2 wird der Wechselrichter u2in Abhängigkeit von der Lage des Polrades des Generators G getaktet, wozu da3 Wellenende des Generators G mit dem Polradlagegeber P besetzt ist, v/elcher aus einem optischen oder induktiven Geber aber auch z.B. aus magnetisieren Scheiben bestehen kann, die von Hallsonden abgetastet werden. Die Signale des Polradlagegebers P werden einerseits über den Frequenz/Spannungsumsetzer u6 der Anlauf steuerung u7 und andererseits über den Impulsverteiler u5 dem Wechselrichterteil u2 des Umrichters u1, u2 eingegeben. Aus Gründen der Stabilität kann es vorteilhaft sein die Impulslage des Polradlagegebers P in Abhängigkeit von der Drehzahl und/oder dem Polradwinkel des Generators G zu verschieben.

Der Gleichrichter u1 des Umrichters u1, u2 erhält seine Steuerimpulse aus dem Steuersatz u8, dessen Impulslage in Bezug auf die Netzspannung bestimmt wird. Als Steuerspannung wird die AusgangBspannung des Ankerstromreglers u10 verwendet, dem ein konstanter Sollwert entsprechend dem zulässigen Strom vorgegeben wird; der Gleichrichter für den Stromistwert ist mit u11 bezeichnet.

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Im Erregerkreis des Generators G ist während des Anlaufes eine Ankerspannungsregelung u14 wirksam, und eine Strombegrenzungs-" regelung u15 sorgt dafür, daß ein eingestellter zulässiger Strom Ip. nicht überschritten werden kann. Bei Generatorbetrieb de3 Generators G wird die Regelung des Erregergleichrichters u3 mit Hilfe des elektronischen Schalters u9 auf Ankerspannungsregelung mit dem Regler u12 in Verbindung mit einer Strombegrenzungsregelung vermittels des Ankerstromreglers u10 umgeschaltet.

Pur die Umschaltung vom Anfahrbetrieb auf Generatorbetrieb sorgt eine zentrale Anlaufsteuerung u7» welche auch die Umschaltung der Spannungs- und Stromgrenzwerte vornimmt, welche bei der UmschaUung von Hilfserregung auf Haupterregerbetrieb erforderlich ist. Der Befehl für die Umschaltung wird aus der Drehzahlüberwachung (Prequenz/Spannungsumsetzer) u6 gewonnen. Der AnkerSpannungsistwert wird vermittels der Sonde S (Spannungswandler) ermittelt und in dem Gleichrichter u17 gleichgerichtet. Der Erregerstromistwert wird durch die Sonde T (Stromwandler) erfaßt und in dem Gleichrichter ui6 gleichgerichtet. Der Steuersatz für den Erregergleichrichter u3 ist mit u13 bezeichnet. Die Sonde U (Stromwandler) ermittelt den Ankerstromistwert, welcher in dem Gleichrichter u11 gleichgerichtet wird.

Zur Durchführung eines HochlaufVorganges werden vor dem Einschalten der Hauptstromkreise vermittels der Schalter a4 und a8 die Stromversorgungen für die Regelung und Steuerung vermittels der Schalter al , a 3 und a7 eingeschaltet und die Regler u10 und uH gesperrt, so daß die Stromrichter u1 und u3 in den Y/echselrlchterbetrieb ausgesteuert sind. Zum Anfahren werden zuerst die Schalter a5, a6 und a3 für den HauptStromkreis sowie die Schalter a10 und a8 für die Erregung eingeschaltet. Nach Freigabe der Erregung des Erregergleichrichters u3 durch Prei-

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gäbe des Ankerspannungsreglers u14 für den Anlauf wird der Schalter a4 geschlossen und damit der Stromrichter u1 freigegeben. Durch den nunmehr fließenden Ankerstrom wird der erregte Generator G beschleunigt, wobei der Ankerstrom für den gesamten Hochlaufτorgang konstant auf dem für den Stromrichter zulässigen Höchstwert gehalten wird, uei das.Anfahrmoment im Hinblick auf kurze Hochlaufzeiten so hoch wie möglich zu halten. Der Erregerstrom entspricht zunächst etwa dem Nennerregerstrom. Sobald die Spannung des Generators G infolge der zunehmenden Winkelgeschwindigkeit auf den für den Wechselrichter u2 höchstens zulässigen Wert gestiegen ist, greift die Anlaufspannungsregelung u14 ein und vermindert bei weiterem Hochlaufen den Erregerstrom des Generators so weit, daß die Spannung TJt. konstant bleibt. Aus Stabilitätsgründen kann es zweckmäßig sein, die Lage der V/echselrichterimpulse drehzahl- oder polradwinkelabhängig stufig oder kontinuierlich verschieben. Ist die höchste erforderliche Drehzahl erreicht - etwa 0,5 n^ -» so wird von der Anlaufsteuerung u7 von Anfahrbetrieb auf Generatorbetrieb umgeschaltet, wobei zuerst die Stromrichter u1 und u3 gesperrt und die Schalter a5, a6, a4 sowie a8 und a10 stromlos geöffnet und hierauf die Schalter a9 und a4 geschlossen werden. Damit wird der Stromrichter u1 wieder freigegeben.

Statt der bisher wirksamen Ankerstromregelung durch den Regler u10 greift jetzt der Ankerspannungsregler u12 mit ablösender Stromregelung über den Steuersatz u8 auf den Haupterregerstromrichter ü1 ein. Die Regelung des HilfserregerStromrichters u3 bleibt, wie dieser selbst, gesperrt. Zum schnelleren Anfahren ist es möglich, diese Umschaltung nicht schon bei einer Drehzahl von 0,? n« zu vollziehen, sondern den Umrichter u1, u2 zur Unterstützung der Turbine mit aus Gründen der Kommutierung vermindertem Strom bis zu höheren Frequenzen hochzufahren und dann erst umzuschalten. Am Vorgang selbst wird dadurch nichts ge-

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ändert, lediglich der Ankerstromsollwert I*_# muß entsprechend den Kommutierungsverhältnissen vermindert werden. Der Turbosatz wird daraufhin/von der Turbine weiter beschleunigt und nach Erreichen der Synchrondrehzahl synchronisiert, indem der Schalter a2 geschlossen wird.

Pur einen Phasenschieberbetrieb muß der Generator bei abgekuppelter Turbine bis etwa 5$ über Ifennfrequenz mit Hilfe dees Umrichters u1, u2 beschleunigt werden, wenn der Umrichter für eine·kleinere Spannung als die Greneratornennspannung bemessen ist. Die Umschaltung vom Anfahrbetrieb auf den Phasenschieberbetrieb muß dann während des Auslaufens des Generators von dieser Überdrehzahl auf die Synchrondrehzahl vorgenommen werden. Ist die Synchrondrehzahl erreicht, so wird der Generator synchronisiert. Ist der Umrichter u1, u2 jedoch für die Generatornennspannung bemessen, so kann unmittelbar während des Hochlaufs mit Hilfe des Umrichters synchronisiert werden.

Der Umrichter u1, u2 kann beim Auslaufen des Generators als Bremseinrichtung mitverwendet werden, indem der Y/echselrichter u2 als Gleichrichter und der Gleichrichter u1 als Wechselrichter gesteuert werden. - '

Die Fig. 3 veranschaulicht eine Ausführungsform des Umrichters _s dessen Gleichrichterteil u1 ~ vom Stromrichtertransformator in3. gespeist - die Thyristorengruppe Th1 bis Th6 umfaßt. Der Gleichstromzwischenkreis ist durch die Drossel Ki gebildet und der Wechselrichterteil u2 umfaßt die Thyristorengruppe T1 bis T6. Die Löscheinrichtung L besteht aus den Thyristoren Ti1 bis TiG und den Kondensatoren 01 bis G3»

Die Erfindung kann sowohl bei Ga3turbinensätzen, bei Wasser- oder Dampfturbineii3ätzen bzw. bei Pumpspeiehersätζen angewendet

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werden. Bei PumpSpeichersätzen ist es angebracht, den Generator bis zur Synchrondrehzahl oder über die synchrone Drehzahl hinaus zu beschleunigen, damit der Generator im Auslaufen synchronisiert werden kann.

7 -Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

(1.JAnfahrumrichter, insbesondere für Gasturbinen- und Pumpspeichersätze, zum Hochfahren auf Ablösedrehzahl bzw. Synchrondrehzahl des Generators, dadurch gekennzeichnet, daß der an die Turbine angekuppelte Generator (G) während des Hochlaufs als Motor betrieben und über den Umrichter (u1,u2) gespeist ist.
2. Anfahrumriehter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (u2)des Umrichters (u1,u2) von einem mit der Generatorwelle gekuppelten Polradlagegeber (P) getaktet wird.
3. Anfahrurarichter nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter aus einem Gleichrichter (u1) und einem Wechselrichter (u2) besteht, die über einen Gleichstromz\vischenkrei3 (K1) miteinander verbunden sind.
4· Anfahrumriehter nach Anspruch 3, dadurch gekennselehnet, daß der Gleichrichterteil (u1) des Umrichters nach Beendigung desHochlaufs als Erregerstromquelle für den Generator (G) dient
5. Anfahrumriehter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichter als Bremseinrichtung beim Auslauf des Generators (G) dient.
6. Anfahrumriehter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (u2) als selbafcgeführter Wechselrichter mit Löscheinrichtung (L) ausgeführt ist.
7. Anfahrumriehter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kommutierung des Wechselrichters (u2) bei fehlender Kon.mutieruugospannung der- Zwischtmkreissiroin (ig-j) ^:iU Null gebracht wird.

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