DE2112548A1 - Verfahren fuer Temperaturregelung von rotierenden elektrischen Maschinen,die Lastschwankungen unterworfen sind - Google Patents

Description

• Vorfahren für Temperaturregelung von rotierenden elektriscen Maschinen, die Lastschwankungen unterworfen sind.
• Rotierende elektrische Maschinen, wie Generatoren, Motoren und Synchronkompensatoren, sind während dem ihrer Funktion entsprechenden Betrieb mehr oder weniger starken Lastschwanktl7rgen unterworfen. Diese Lastschwankungen wirken sich auf dr verschiedenen Maschinenteile als Temperaturschwankungen und folglich als Dehnungen aus. Die Nachstehende Beschreibunt, obwohl sie für verschiedene Maschinenarten gültig ist, oezieht sich in erster Linie auf Synchronkompensatoren deren Normalbetrieb die grössten und häufigsten Lastschwankungen \& weist.
• Fùs diese Beschreibung wurde ein Synchronkompensator mit einer Rückkühlung des KUhlwassers durch Kühltürme gewählt.
• Die Lastschwankungen erstrecken sich von maximaler Last im übererregten Betrieb (Rotorkupfer mit maximaler Erwärmung) bis zur Maximum der Untererregung (Rotorkupfer mit sehr kleinr Erwärmung). Der Uebergang von einem Betriebspunkt zum andrn wird mit Hilfe von ultrarapiden Spannungsreglern in Pruchteilen von Minuten oder sogar einigen Sekungen bewerk-Qetligt. Diese rasche Spannungs-, und-was gleichbedeutend ist, Lastregulierung kann mit den heute zur Verfügung stehend-n Reglern leicht erreicht werden.
• figur 3 zeigt eine Synchronkompensator-Anlage mit einer Anlage fUr RUckkUhlung des KUhlwassers durch KEhltUrme. Die KUhlüng dieser Art von Maschinen wird fUr Einheiten Uber ca.
• 40 MVAr normalerweise mit Wasserstoff gemacht. Der Stator (3) und der Rotor (2) sind in einemkomplett dichten Gehäuse (1) untergebracht, das auch einen oder mehrere Wasser-Wassersto£f-KUhler (4) enthält. Das Kühlwasser wird mit Hilfe der Umwälzpumpe (12) durch diese Kühler in den Oberteil der Kuhiturme (7) gedrUckt, von wo es durch die KUhlk.örper in den Behälter (9) zurUckfliesst. Die Kilhileistung wird in diesen Anlagen in Funktion der Last und somit der resultierenden Verluste eingestellt, indem die Anzahl der sich in Betrieb befindlichen Ventilatoren (8) oder deren Drehzahl verändert wird. Im Falle von Fig. 3 wurde angenommen, dass jeder der 2 Ventilatoren mit einem polumschaltbaren Motor (2 Drehzahlen) angetrieben ist. Es ist weiter möglich, Jeden der 2 Motoren abzustellen.
• Es ist bekannt, dass die KUhlleistung indirekt entsprechend der Verluste der Maschine eingestellt wird. Es werden hiefUr die Ventilatoren mit Hilfe der Thermostaten (10) in Abhängigkeit der KUhlwassertemperatur betätigt. Wenn also die Temperatur steigt, dann wird die Durchlüftung der KUhltUrme verstärkt. Es ist ebenralls bekannt, die KUhlleistung in Abhängigkeit der Gastemperatur in der Maschine zu steuern, indem versucht wird, diese Temperatur so konstant als möglich zu halten.
• Die raschen und grossen Last schwankungen, die Isolation der elektrischen Leiter, die Wärmekapazität von Maschine und Wasservolumen haben aber zur Folge, dass der Steuerbefehl rur eine Aenderung der KUhileistung mit Verspätung an die Steuerorgane gegeben wird. Die KUhlleistung wird deshalb den abzufUhrenden Verlusten mit einer mehr oder weniger grossen Verspätung angepasst. Fig. 1 zeigt in groben ZUgen, in punktierten Linien, diese Art von bekannter Steuerung: Die Temperaturen des Wassers (1') und des Gases (2') sind tiefer bei kleiner Last als bei grosser Last. kiese mit zunehmender Last ansteigende Kennlinie Uberträgt sich grossomodo auf die Temperaturen der Maschinenteile, ie gekUhlt werden mUssen. Es sind dies die Statorwicklung (3') und die Rotorspulen (4'). Man ersieht, dass selbst bei Regelung auf konstante Temperatur des KUhlgases (2') diese Teile zwischen Vollast und Nullast bedeutende Temperaturunterschiede aufweisen. - Die gemäss punktierten Linien mehrmals pro Tag auftretenden TemperatursprUnge, als Folge von raschen Last schwankungen, rufen starke Dehnungen und Beanspruchungen in Statorwicklung und Rotorspulen hervor. Es können daraus schwere Schäden wie "Creeping" der Statorwicklung und starke Beschädigungen am Rotor auftreten. Wenn diese Erscheinungen radikal verhindert werden sollen, dann genUgt es nicht, wegen der bedeutenden Wärmekapazität der Maschine, eine Steuerung oder Regelung aut konstante Wasser- oder KUhlgastemperatur vorzunehmen.
• Mit vorliegender Erfindung werden gegenUber den bekannten Regelarten zwei Vorteile erzielt. Der erste ist eine starke Erhöhung der thermischen Regelgeschwindigkeit auf eine Geschwindigkeit, die fast derjenigen der elektrischen Last schwankungen gleichkommt. Der zweite Vorteil ist, dass sich die Sühllelstung für jeden Betriebspunkt so anpasst, dass die Dehnungen rur Statorwicklung und besonders fUr Rotorspulen so klein als mbglich bleiben. Das Resultat ist in Fig. 1 in ausgezogenen Linien eingezeichnet: Die Kennlinien der KUhlmedien Wasser (1) und Gas (2) haben eine gegenUber bekannten Regelarten gegenläufige Neigung.
• Auf Fig. 3 wird eine Vorrichtung fUr die Anwendung des Verfahrens gezeigt: Ein Heizwiderstand (11) ist im Behälter (9) tinmittelbar unterhalb der Thermostate (10) montiert. Dieser Widerstand wird durch einen vom Stromwandler (13) herrUhrenden Strom durchflossen. Dieser StromXist dem Statorstrom proportional und heizt das um die Thermostate liegende Wasser mit einer Leistung, die den Kupferverlusten von Stator und Rotor der elektrischen Maschine ungefähr proportional ist. Ein dem Betrieb entsprechendes Einstellen der Thermostate erlaubt die gewünschte Kennlinie zwischen Null- und Volllast zu erhalten. Auf diese Weise nehmen die zu kUhlenden Maschinenteile unabhängig von der Last einen fasthorizontalen Temperaturverlauf ein. Die Fig. 1 trägt Ubrigens den TemperatursprUngen, die von den verschiedenen Stufen der RUckkühlanlage hervorgerufen werden, nicht Rechnung.
• Auf Fig. 2 sind die KUhlungskennlinien eines Synchronkompensators bder eines Generators zwischen Vollast und Nullast schematisch dargestellt. Diese Figur illustriert die gemäss Fig. 3 beschriebene Anwendung. Kurve (2) in Figur 2 zeigt -die Totalverluste in Funktion der Last. Bei Nullast bleiben die Eisenverluste, Leerlauferregung, Lager- und Ventilationsverluste bestehen. Kurve (1) zeigt den Verlauf der KEhlleistung, wie sie vom Statorstrom diktiert wird (FUhrungsgrösse), und Kurve (3) zeigt den Verlauf des KUhlgases, wie dieser aus (1) und (2) resultiert. Kurve (4) zeigt den Verlauf der Temperatur des Statorkupfers und (5) denjenigen der Rotorspulen.
• Das gewählte Beispiel beschreibt eine Anlage mit KUhltUrmen, in welcher bei abgestellten Ventilatoren eine RestkUhlwirkung bestehen bleibt. Diese wird erzeugt durch Verdunstung infolge des natürlichen Zuges und durch Konvektion. Die Verluste im Leerlauf werden teilweise durch diese KUhlung und teilweise durch Abstrahlung des Statorgehäuses abgefUhrt.
• Fig. 2 trägt im Verlauf der Kurve (1) dieser Abstrahlung nicht Rechnung. Bei Leerlauf oder kleiner Last (unter- oder übererregt) wird, weil RestkUhlung und Verluste natUrlich nicht im Gleichgewicht sind, die Temperaturregelung mit Hilfe der kleinsten Ventilatorstufe als Zweipunktregelung durchgeführt.
• Wenn die Kurven der zwei Figuren 1 und 2 nach links weiter ausgezeichnet werden, könnte der untererregte Betrieb dargestellt werden. Bei maximal untererregtem Betrieb fällt der Rotorstrom auf Null. In gewissen Fällen kann es von Interesse sein, die KUhlleistung vom Temperaturverlauf der Rotorwicklung oder vom Erregerstrom abhängig zu machen. Ein gemischter Einfluss von Statorstrom und Rotorstrom oder deren Auswirkungen (z.B. Heizung) kann auch in Betracht gezogen werden. Es wäre dann möglich, die Temperatur des KUhlgases derart zu regeln, dass die Temperatur der Rotorspulen unabhängig von ihrer Erwärmung Uber den ganzen Arbeitsbereich praktisch konstant gehalten werden kann. Je nach Maschine muss dem Rotorkupfer eine mit abfallender Last leicht fallende Kennlinie belassen werden, damit z.B. bei untererregtem Betrieb die Temgeratur des Statorkupfers nicht zu hoch getrieben werden muss.
• B muss hier von Pall zu Fall entschiedeTa tWerdeBr Die gemäss Fig. 3 beschriebene Vorrichtung hat im Vergleich zu einer konventionellen Regelung z.B. auf konstante KUhl gastemperatur noch folgenden Vorteil: Durch den sofortigen Einsatz der vollen KUhlleistung bei raschem Anstieg auf Volllast kann einer grossen Temperaturerhöhung speziell in den Rotorspulen rechtzeitig entgegengesteuert werden. Dies hat speziell bei Synchronkompensatoren grosse Bedeutung, wo nicht selten eine kurzzeitigeueberlastbarkeit von z.B. 20% Uber Nennlast verlangt wird. Beachtenswert ist weiter, dass aus diesem frühen Eingreifen ein Gewinn auf das allgemeine Temperaturniveau in der Maschine resultiert. In der Tat kommt die bei steigender Last zuletzt eingeschaltete Ventilatorstufe frUher zur Wirkung als bei der herkömmlichen Steuerung, bei der sich die höhere Last zuerst durch die grösseren Verluste in der Temperatur des Systemwassers bemerkbar machen muss.
• FUr eine gegebene Maschine und KUhleinrichtung ist es also möglich, eine tiefere Temperatur der zu kühlenden Maschinenteile zu erhalten, oder die Maschine kann entsprechend höher belastet werden.
• Wenn das KUhlwasser nach dem Durchfluss der MaschinenkUhler verloren ist, dann kann die jeweils benötigte Durchflussmenge des KUhlwassers mit Hilfe eines motorbetätigten Regulierventils eingestellt werden. Die Oeffnung dieses Ventils wird gesteuert, teilweise von der KUhlwassertemperatur und teilweise durch einen direkten Einfluss der Maschinenleistung. Man erhält auf diese Weise eine KUhlung der Maschinenteile gemäss Figo 1 ausgesogene Linien.
• Abschliessend seinnochmai unterstrichen, bass elektrisches Maschinen, die grossen und raschen Lastschwankungen unterworfen sind, immer mit ultrarapiden Reglern ausgerüstet werden. - Die beschriebene Erfindung bezweckt, für diese Maschinen eine passende thermische Regelung zu schaffen. Die zwei Hauptmerkmale dieser neuartigen Regelung sind, erstens eine grosse Regelgeschwindigkeit, die mit der Geschwindigkeit der Lastschwankungen vergleichbar ist, und zweitens der Erhalt einer Kennlinie des KUhlmediums, die gegenüber dem bekannten Verlauf eine gegenläufige Neigung aufweist. Bei sinngemässer Anwendung, entsprechend den Maschinentypen und der Art der KUhlung, wird es möglich sein, an Rotoren und Statoren schwere Schäden zu verhüten.

Claims (13)

1. Patentansprüche

   Verfahren für Temperaturregelung von rotierenden elektrischen Maschinen, die Lastschwankungen unterworfen sind, ausgerüstet mit einer Kühleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rotor zugeordnete KUhlleistung verringert wird, wenn sich die Last verringert, derart, dass die Temperatur des Rotor-Kühlmediums von einem Minimalwert entsprechend der Maximallast der Maschine ansteigt, bis zu einem Maximalwert entsprechend dem Leerlauf, wobei dieser Maximalwert für das Funktionieren der anderen Maachinenteile nicht zu hoch ist, und derart, dass die Temperatur des Rotorkupfers im Leerlauf möglichst gleich derjenigen bei Vollast ist.
2. 2. Verfahren nach Patentanspruch 1, angewendet an einer elektrischen Maschine, deren Kühleinrichtung einen geschlossenen Wasserkreislauf enthält, dessen Wasser durch mindestens einen künstlich belüfteten Kühlturm fliesst, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung verändert wird durch Veränderung der Drehzahl oder der Anzahl der sich in Betrieb befindlichen Ventilatoren.
3. 3. Verfahren nach Patentanspruch 1, angewendet an einer elektrischen Maschine, deren Kühlsystem von Wasser durchflossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlleistung durch Veränderung des WasserdurchflUsses eingestellt wird.
4. 4. Verfahren nach Patentanspruch 1, angewendet an einer offenen elektrischen Maschine, deren Kühlung mit durch die Maschine forcierter Lut bewerkstelligt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man den Luftdurchfluss durch die Maschine verändert.
5. 5. Verfahren nach Patentanspruch 1, angewendet an einer offenen oder geschlossenen elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, dass die direkte Abhängigkeit der KUhlleistung von der elektrischen Last der Maschine durch Einwirkung auf im Kühlgas plazierte Thermostate oder Temperaturfühler einer Temperaturregelung geschieht.
6. 6. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, auf einen Synchronkompensator, der täglich auftretenden, starken Lastschwankungen unterworfen ist.
7. 7. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch 6, auf eine elektrische Synchronmaschine mit ihrer Synchron-Erregermaschine und rotierenden Gleichrichtern, gekühlt durch die gleiche Kühleinrichtung wie die Hauptmaschine.
8. 8. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Steuervorrichtung für die Leistung der Kühleinrichtung besitzt, deren Betätigung direkt von der elektrischen Last erfolgt.
9. 9. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerorgane der Kühlleistung von einem proportionalen Wert des Statorstromes betätigt werden, welcher Wert von einem Stromwandler geliefert wird.
10. 10. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerorgane der KUhlleistung von der Grdsse des Erregerstromes der Erregermaschine oder vom Anspreisungsstrom des Spannungsreglers, der auf den Erregerstrom wirkt, betätigt werden.
11. 11i Vorrichtung gemäss Patentanspruch 8 u,sd 65 dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerorgane der Kühlleistung im wesentlichen aus Thermostaten bestehen, die in das die Kühltürme durchfliessende Wasser eintauchen und die Steuerorgane der Ventilatoren betätigen, und Widerständen, die unmittelbar unter dem Thermostaten plaziert und von einem mit der Last proportional ansteigenden Strom durchflossen sind, wobei zusätzlich die ganze Vorrichtung so eingeregelt wird, dass bei minimalem Erregerstrom das Wasser am Austritt der Kühltürme einen maximal möglichen Wert erreicht, der für die mechanischen Teile der Maschine hinsichtlich Betriebssicherheit zulässig ist, während eine Erhöhung der Wärmeerzeugung der Widerstände, wenn sich der Strom erhöht, mittels der Thermostate, eine Erhöhung des Luftzuges in den Kühltürmen durch die Ventilatoren und demzufolge eine Verringerung der Temperatur des Kühlwassers verursacht.
12. 12. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermostate der Aussenluft oder des indirekten Einflusses des Systemwassers ausgesetzt sind und einem oder mehreren Heizwiderständen, die von einer Einrichtung beaufschlagt werden, welche direkt von der elektrischen Last abhängt.
13. 13. Vorrichtung gemäss Patentanspruch 8, 9, und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerorgane der Kühleinrichtung durch Relais betätigt werden, die ron einem dem Statorstrom oder dem Rotorstrom proportionalen Strom durchflossen sind.

    L e e r s e i t e