DE3005561A1

DE3005561A1 - Verfahren zum unterdruecken von schwingungen eines rotierenden systems

Info

Publication number: DE3005561A1
Application number: DE19803005561
Authority: DE
Inventors: Herman Helgesen
Original assignee: ELPROGRESS I LUND AB; Sab Industri AB
Current assignee: ELPROGRESS I LUND AB; Sab Industri AB
Priority date: 1979-02-14
Filing date: 1980-02-14
Publication date: 1980-08-28
Also published as: GB2042224B; US4326158A; WO1982003707A1; CA1153808A; JPS55123035A; SE7901293L; FR2449238B1; IT8019888A0; FR2449238A1; SE424232B; GB2042224A; IT1140579B

Description

Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen eines rotierenden Systems.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen eines rotierenden Systems, mit einem rotierenden Antriebselement und einem angetriebenen rotierenden Element, das mit dem Antriebselement in Drehverbindung steht, wobei Schwingungen durch das Eingangsdrehmoment des Systems induziert werden, das von dem Wert abweicht, welcher dem Drehmoment entspricht, das bei einer bestimmten Drehzahl für das angetriebene rotierende Element erforderlich ist.

In einem solchen System kann das Antriebselement eine durch Wasser oder Wind angetriebene Turbine, eine Verbrennungskraftmaschine oder eine andere Antriebsmaschine sein, während als angetriebenes Element ein elektrischer Generator (Dynamo) oder eine andere Vorrichtung vorgesehen sein kann, die ohne wesentliche Schwankungen genau auf einer vorbestimmten Drehzahl gehalten werden soll.

Obgleich die Erfindung allgemein für jedes derartige System anwendbar ist, ist sie besonders für Windkraftanlagen geeignet. Bei solchen Windkraftanlagen ist der Generator vorzugsweise ein Synchrongenerator, der mit der Synchrondrehzahl angetrieben werden sollte, damit elektrische Energie bei einer vorbestimmten Frequenz erzeugt wird, üblicherweise 50 oder 60 Umdrehungen pro Sekunde bzw. Hz. Bei einem Synchrongenerator wird die Drehzahl auf dem Wert gehalten, der der Frequenz des Netzes entspricht, an welches der Generator angeschlossen ist-, jedoch kann es auf Grund schneller und abrupter Änderungen der Windgeschwindigkeit und - richtung sowie der Generatorlast

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nicht vermieden werden, daß in dem rotierenden System dadurch Schwingungen auftreten, daß das von der Turbine gelieferte Eingangsdrehmoment von dem Wert abweicht, der dem Drehmoment entspricht, das für den Generator bei der tatsächlichen Drehzahl und Last erforderlich ist. Solche Schwingungen erzeugen Übergangsströme im Generatorkreis, die mit Energieverlust verbunden sind.

Dm in einem rotierenden System dieser Art und insbesondere in einem rotierenden System mit siner Windturbine von einem von dieser angetriebenen Synchrongenerator Schwingungen zu eliminieren oder wenigstens in erheblichem Umfange zu reduzieren, ist das erfindungsgemäße Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen. Dabei wird zum Unterdrücken von Schwingungen eine Beschleunigung oder Verzögerung des Systems festgestellt. Bei einer Beschleunigung wird eine Wirbelstrombremse dem rotierenden System zugeschaltet. Bei einer Verzögerung wird dem System Rotationsenergie von einer Rotationsenergiequelle zugeführt.

Eine beispielsweise Ausführungsform nach der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.Es zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Ansicht ein rotierendes System mit einer Turbine und einem von dieser angetriebenen Generator;

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Vorrichtung zum Unterdrücken der Schwingungen;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Schwingungsverlaufs des elektrodynamischen Drehmoments des Generators über der Zeit bei einem Eingangsdrehmoment ohne «Jegliche Unterdrückung der Schwingungen;

Fig. 4 ane graphische Darstellung des augenblicklichen Wertes des Generatorstroms über der Zeit, wenn das Generatordrehmoment entsprechend Fig. 3 schwankt und keine 030035/0768

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- 5 Unterdrückung der Schwingungen vorgesellen ist;

Fig. 5 eine graphische Darstellung der Ableitung des Lastwinkels des Generators über der Zeit entsprechend den Bedingungen der Fig. 3 und 4-;

Fig. 6 eine Darstellung wie die in Fig. 3, wenn die Schwingungen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterdrückt werden;

Fig. 7 eine Darstellung wie Fig. 4 entsprechend den Bedingungen von Fig. 6;

Fig. 8 eine Darstellung wie Fig. 5 entsprechend den Bedingungen von Fig. 6 und

Fig. 9 eine graphische Darstellung, die die Verringerung des Drehmoments über der Zeit wiedergibt.

In Fig. 1 ist eine Turbine 10, z. B. eine Windturbine, wie etwa eine Turbine mit einem Propeller oder einer Luftschraube, mit einer Welle 11 verbunden, die in einer üblichen Art und Weise drehbar gelagert ist. Ein Generator 12, beispielsweise ein Synchrongenerator, ist ebenfalls mit dieser Welle 11 verbunden. Zur Aufrechterhaltung einer vorbestimmten Drehzahl der Welle 11 kann ein nicht dargestellter, üblicher Drehzahlregler vorgesehen werden, der die Drehzahl feststellt und dij Turbine in Abhängigkeit von der Drehzahl steuert, beispielsweise durch Einstellen des Winkels der Schaufelblätter der Luftschraube (Langzeitsteuerung). Die Drehzahl des Generators kann auch durch ein an den Generator angeschlossenes Netz überwacht werden, damit die Synchrondrehzahl aufrechterhalten wird, wi.e dies ansich bekannt ist.

Zum Unterdrücken solcher Schwingungen in dem rotierenden System, die auf Grund starker und abrupter Änderungen der Windgeschwindigkeit und Windrichtung oder der Generatorlast auftreten können

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(Kurzzeitsteuerung), weist das rotierende System Einrichtungen auf, ir.it denen das erfindungsgemäße Verfahren ausgeführt werden kann. Diese Einrichtungen umfassen eine Wirbelstrombremse 13 mit einem rotierenden Element 14-, das mit der Welle 11 verbunden ist, und einem stationären Element 15» welches das rotierende Element umgibt und in einem nicht dargestellten Rahmen angebracht ist.

Ferner kann auch eine Energiespeichervorrichtung 16 mit einen Schwungrad 17 vorgesehen werden, das mittels Lagern 18 drehbar um seine Achse gelagert ist, so daß es sich relativ zur Welle 11 und unabhängig von deren Drehbewegungen drehen kann. Das Schwungrad 17 kann jedoch von der Welle über ein Getriebe 19 angetrieben werden, dessen Eingangselement mit der Welle 11 verbunden ist, während das Ausgangselement dieses Getriebes mit dem einen Teil 20 einer Wirbelstromkupplung in Verbindung steht, deren anderes Teil 21 mit dem Schwungrad 17 verbunden ist. Wenn die Wirbelstromkupplung 20, 21 eingeschaltet ist, steht das Schwungrad 17 niit der Welle 11 in Wirkverbindung, so daß es von dieser in Drehung versetzt wird. Das Getriebe übersetzt die Drehzahl der Welle, wobei das Übersetzungsverhältnis z. B. 1:2 auf das Schwungrad 17 sein kann, so daß dieses mit einer Drehzahl angetrieben wird, die doppelt so groß wie die der Welle 11 ist.

Eine zweite Wirbels tr omkuppliing umfaßt ein Teil 22, das mit dem Schwungrad an dessen Aussenumfang verbunden ist, und ein anderes Teil 23, das mit der Welle 11 in Verbindung steht« Wenn diese Kupplung eingeschaltet wird, kann ein zusätzliches Drehmoment mittels des umlaufenden Schwungrades auf die Welle 11 aufgebracht werden. Die Wirbelstromkupplungen 20, 21 und 22, 23 werden abwechselnd ein - und ausgeschaltet, so daß die Welle 11 jeweils nur über eine Kupplung mit dem Schwungrad in Verbindung steht.

Auf der 'Schwungradachse ist ein Satz; von Schleifringen 24 angeordnet, die zur Verbindung der Kupplungen mit einer elektrischen

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Spamrongsquelle dienen, wobei das Ein- und Abschalten der Kupplungen sowie der Bremse durch das in Fig. 2 wiedergegebene System gesteuert wird.

Das Schwungrad 17 kann anstelle des Antriebs über das Getriebe 19 auch durch einen getrennten rlotor angetrieben werden, der einen beliebigen Aufbau haben kann.

Die Punktion der Wirbelstrombremse 13 kann insbesondere für kleinere DrehmomentSchwankungen bzw. - schwingungen von der für den Antrieb vorgesehenen Wirbelstromkupplung 20, 21 übernommen werden, die in einem solchen Falle als Bremse wirkt. Die Wirbelstrombremse 13 kann in speziellen Fällen insgesamt weggelassen werden.

In Fig. 2 ist die Welle 11 durch einen Kreis angedeutet. Auf die Turbine 10 wird durch den Wind, wie durch einen Pfeil angedeutet, ein Drehmoment My aufgebracht, welche dieses Drehmoment abzüglich der vorhandenen Verluste über die Welle 11 an den Generator 12 gibt, dessen Eingangsdrehmoment durch einen Pfeil M_G bezeichnet ist. Die Bremse 13 und die Energiespeichervorrichtung 16 stehen in Wirkverbindung mit der Welle 11, wie dies durch +/- Pfeile angedeutet ist, wobei ein Moment von der Welle absorbiert bzw. ein zusätzliches Moment auf die Welle aufgebracht wird, um das Drehmoment M^ für den Generator 12 zu verringern oder zu erhöhen.

Die Ableitung bzw» das Differential des Lastwinkels <£ des Generators, wobei das Differential mit S bezeichnet ist, wird durch eine nicht dargestellte, bekannte Einrichtung festgestellt und es stellt eine Beschleunigung oder eine Verzögerung der Welle 11 dar. Wie durch einen Pfeil £ angedeutet, wird ein das Differential des Lastwinkels darstellendes Signal an einen Komparator 25 gegeben, der zwei Ausgänge 26 und 27 aufweist, damit ein Ja- oder Nein- Signal entsprechend der Beziehung σ>0 an den Ausgang 26 bzw. den Ausgang 27 gegeben werden kann. Wenn der Wert von &* positiv ist, wird ein Signal über den Aus-

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gang 26 an einen Proportionalintegrator 28 gegeben und wenn der Wert negativ ist, wird ein Signal über den Ausgang 27 an einen Proportionalintegrator 29 gegeben. Jeder Integrator ist so ausgelegt, daß er die Bremse 13 bzw. die Energiespeichervorrichtung 16 entsprechend einem vorbestimmten Verhältnis in Abhängigkeit von dem Differential des Lastwinkels S einschaltet, um eine Beschleunigung oder eine Verzögerung der welle zu kompensieren, welche Schwingungen der Welle in der einen oder anderen Richtung verursachen. Ein positives Differential des Lastwinkels (Beschleunigung) löst das Einschalten der Bremse 13 aus, um die Welle 11 zu verzögern, während ein negatives Differential des Lastwinkels £ (Verzögerung) ein Abschalten der Kupplung 20, 21 und ein Einschalten der Kupplung 22, 23 zur Folge hat, damit die Welle 11 mittels des rotierenden Schwungrades 17 beschleunigt wird, dessen Drehzahl höher ist als die Drehzahl der Welle.

In Fig. 3 ist der Verlauf des Generatordrehmomentes über der Zeit wiedergegeben, wobei das Drehmoment M an der vertikalen Achse und die Zeit an der horizontalen Achse aufgetragen ist. Diese Darstellung erläutert die Bedingungen, wenn keine Unterdrückung von Schwingungen an dem rotierenden System mit Turbine und Generator vorgesehen ist. Diese Darstellung zeigt, daß das Generatordrehmoment auf Grund eines einmaligen Eingangsdrehmomentes bis zu einem beträchtlichen Ausmaß in Schwin gungen versetzt wird. Diese Schwingungen zeigen sich in dem augenblicklichen Wert des Generatorstroms, wie es die Fig. 4-zeigt, wobei auf der vertikalen Achse der Strom und auf der horizontalen Achse die Zeit aufgetragen ist. Beschleunigung und Verzögerung der Welle können mittels einer Einrichtung zum Messen des Differentials des Lastwinkels S festgestellt werden, der in Fig. 5 wiedergegeben ist, wobei auf der vertikalen Achse die Grade pro Sekunde und auf der horizontalen Achse die Zeit aufgetragen ist.

» Wenn das Differential des Lastwinkels S zum Unterdrücken der

Schwingungen mittels des beschriebenen Systems und der be-

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schriebenen Verfahrens verwendet wird, kann das Generatoreingangsdrehmoment nach nur einer Schwingtmg auf einen konstanten Wert gebracht werden, wie es die'Pig. 6 zeigt, wobei sich eine entsprechende Einstellung des augenblicklichen Wertes des Generatorstroms ergibt, wie es die Fig. 7 zeigt. Es ist offensichtlich, daß die Schwingungen durch Erhöhen der Größe des Unterdrückungsdrehmomentes vollständig reduziert werden können. Fig. 8 erläutert, daß das Differential des Lastwinkels S, des Generators eliminiert und somit der Lastwinkcl auf einen konstanten Wert gebracht wird. Die Fifr. 9 zeigt das zum Unterdrücken der.Schwingungen verwendete Drehmoment über der Zeit, wobei zu bemerken ist, daß in diesem Falle nur die Bremse 13 wirksam wurde und nicht die Energiespeichervorrichtung

Der Lastwinkel <£ und seine Ableitung bzw. sein Differential <S können nicht nur von der Wellendrehzahl und deren Änderungen abgenommen werden, sondern auch als Alternative von der elektrischen Leistung oder dem Strom vom Generator oder auch dem mechanischen Wellenmoment, das am Generator oder an der Turbinenwelle gemessen wird.

Das in Fig. 1 wiedergegebene System kann auch Einrichtungen mitumfassen, welche die Wirkung der Bremse und der Energiespeichervorrichtung begrenzen.

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Claims

Dr. F. Zumstein sen. - Dr. E. Assmann - Dr. R. Koenigsberger Dipl.-Phys. R. Holzbauer - Dipl.-ing. F. Kiingseisen - Dr. F. Zumstein jun.

PATENTANWÄLTE

80OO München 2 - Bräuhausstraße 4 - Telefon Sarmmel-Nr 22 53 41 - Telegramme Zumpat ■ Telex 529979

Non 360
40/AC

SAB Industri AB, Instrumentgatan 15 S-261 24 LANDSKRONA / Schweden

Elprogress i Lund AB, Kulgränden 2 S-222 49 LUND / Schweden

Patentansprüche

Verfahren zum Unterdrücken von Schwingungen eines rotierenden Systems, mit einem rotierenden Antriebselement (10) und einem angetriebenen rotierenden Element (12), das mit dem Antriebselement in Drehverbindung stellt, wobei Schwingungen durch das Eingangsdrehmoment des Systems eingeleitet werden, das von dem Wert abweicht, der dem Drehmoment entspricht, das für das angetriebene rotierende Element bei einer bestimmten Drehzahl erforderlich ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beschleunigung des rotierenden Systems (10, 11, 12) festgestellt und eine Wirbelstrombremse (13) in Abhängigkeit von der Beschleunigung eingeschaltet wird, um Rotationsenergie von dem rotierenden System durch diese Bremse abzuziehen und/oder

daß eine Verzögerung des rotierenden Systems (10, 11, 12) festgestellt und eine Wirbelstromkupplung (22, 23^ in Abhängigkeit von der Verzögerung eingeschaltet wird, um dem System Rotationsenergie von einer Rotationsenergiequelle (16) über diese Kupplung zuzuführen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das rotierende System eine Turbine (10) und einen von dieser angetriebenen Generator (12)

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umfasst, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschleunigung und Verzögerung durch Feststellen der Ableitung des Lastwinkels ( S ) des Generators(12) ermittelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein die Ableitung des Lastwinkels (S) wiedergebendes Signal integriert und proportional verstärkt wird, bevor es zur Steuerung der Bremse (1J) bzw. der Kupplung (22,2$) weitergegeben wird.

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