DE3425330A1

DE3425330A1 - Anlage zur versorgung eines drehstromnetzes unter verwendung eines wellengenerators

Info

Publication number: DE3425330A1
Application number: DE19843425330
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl.-Ing. Angermaier; Hans-Jürgen Ing.(grad.) 2000 Hamburg Hagemann; Wolfgang Dipl.-Ing. 2000 Wedel Lösekann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1984-07-10
Filing date: 1984-07-10
Publication date: 1986-01-16

Description

"Anlage zur Versorgung eines Drehstromnetzes unter Verwendung eines
Wellengenerators" Die Erfindung betrifft eine Anlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Zur Versorgung eines Drehstromnetzes mit konstanter Frequenz wird üblicherweise ein mit konstanter Drehzahl angetriebener Synchrongenerator eingesetzt. Werden hierfür Wellengeneratoren verwendet, die von einer Hauptmaschine mit veränderlicher Drehzahl angetrieben werden, so sind verschiedene mechanische und elektrische Lösungen bekannt, bei einer variablen Eingangsdrehzahl eine konstante Ausgangsfrequenz zu erhalten.
Bevorzugte Anwendungsgebiete derartiger Stromversorgungsanlagen sind Wellengeneratoren auf Schiffen, Windkraftwerke sowie Wasserkraftwerke.
In der Zeitschrift "Hansa" 1982, Seiten 1401 ff wird ein Generatorantrieb für seegehende Schiffe beschrieben, der mit hydrostatischem Getriebe arbeitet. Bei dieser Lösung wird die niedrige Drehzahl der Hauptmaschine oder Propellerwelle mittels eines Beschleunigungsgetriebes auf eine höhere Drehzahl fiir das hydrostatische Getriebe übersetzt. Dieses Getriebe, dessen Fördermenge regelbar ist, gleicht die schwingungs- und seegangsbedingten Drehzahlschwankungen aus und hält somit die Drehzahl eines Synchrongenerators innerhalb gesetzter Grenzen. Durch ständigen Vergleich der Generatordrehzahl mit der Betriebsdrehzahl einer Hydropumpe wird die Schluckmenge eines verstellbaren Axialkolbenmotors geregelt. Die Drehzahl dieses Motors und damit die Frequenz des Bordnetzes wird über eine Elektronik geregelt. Diese Lösung hat den Nachteil, daß der ständige Parallellauf mit Dieselgeneratoren Schwierigkeiten bereitet.
Ein Beispiel für eine elektrische Lösung ist in der Zeitschrift "Hansa" 1969, Seiten 905 ff beschrieben. Ein Synchrongenerator als Wellengenerator wird von der Hauptmaschine oder der Propellerwelle mit variabler Frequenz angetrieben. Ein nachgeschalteter Gleichstromzwischenkreisumrichter gibt an seinem Ausgang eine konstante Frequenz ab. Der statische Umrichter für die Frequenzwandlung liefert mit erheblichen Oberwellen behaftete Ströme in das Bordnetz. Es ist daher ein beträchtlicher Aufwand an Filtern zu treiben. Außerdem ist ein leerlaufender Drehstrom-Synchronmotor Blindleistungsmaschine in der Größenordnung der Wellenmaschine auf der Netzseite vorzusehen, der für den netzgeführten Wechselrichter de Kommutierungs-und Steuerblindleistung sowie die notwendige Netzblindleistung zur Verfügung stellt und fiir einen ausreichend hohen Strom im Kurzschlußfall sorgt.
Schließlich ist auch die Verwendung von doppelt gespeisten Asynchronmaschinen bekannt, wie in der Siemens-Energietechnik Nr. 1,1979, Seiten 443 ff für das Windkraftwerk "Growian" beschrieben. Der von einer Windturbine angetriebene Asynchrongenerator ist mit Schleifringen und einem Wechselrichter im Läuferkreis versehen. Dem Rotor wird ein Strom mit der Differenzfrequenz zwischen der Drehfrequenz und der Netzfrequenz eingeprägt. Das kann über rotierende Umformer oder auch statische Umrichter erfolgen, die aus dem Netz versorgt werden. Das bedeutet, daß solche Anlagen ohne ein vorhandenes Netz nicht anlauffähig sind. Darüber hinaus kann der Asynchrongenerator keinen ausreichenden Kurzschlußstrom liefern, da im Kurzschlußfall die Umrichter bzw. Umformer nicht mehr versorgt werden. Die Anlage muß nach dem Kurzschluß mit einem Hilfsnetz wieder angefahren werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsversorgung für Bordnetze zu schaffen, die,nach einem technisch einfachen Konzept kostengünstig aufgebaut, einen netzunabhängigen Anlauf der Anlage und im Netzstörungsfall die Lieferung eines ausreichenden Kurzschlußstromes gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Anlage nach der Erfindung weist den Vorteil auf, daß eine zusätzliche Blindleistungsmaschine entbehrlich ist. Für den Anlauf reicht eine Hilfsspannung von 24 V aus und der Umrichter ist nur für einen Teil der Generatorleistung auszulegen.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteranspriichen angegeben.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt.
Gemäß Fig. 1 treibt eine Hauptmaschine 1 über eine mechanische Verbindung z.B. Getriebe 2 den Läufer eines Asynchrongenerators 3 mit variabler Drehzahl an, die unter der synchronen Drehzahl der Netzfrequenz liegt . Dem Läufer des Asynchrongenerators 3 wird durch einen Wechselrichter 4 über Schleifringe ein mitlaufendes Drehfeld mit der Differenzfrenuenz zwischen Netz und Generatordrehfrequenz eingeprägt. Das resultierende Drehfeld induziert im Ständer eine Spannung mit der Netzfrequenz. Die Höhe dieser Spannung kann mit dem Rotorstrom über den Wechselrichter 4 eingestellt werden. Versorgt wird der Wechselrichter 4 über einen Gleichrichter 5 von einem Synchrongenerator 6, der mit dem Asynchrongenerator 3 gekuppelt ist.
Der Svnchrongenerator kann als selbsterregter Generator ausgelegt werden.
Die Spannung kann mit seiner Spannungsregelung auf die jeweils für das Rotorfeld des Asynchrongenerators erforderliche Höhe voreingestellt werden.
Eine endgültige Regelung erfolgt über den Wechselrichter 4 durch eine Spannungs- und Frequenzregelung 7 des Asynchrongenerators. Die Wirklastregelung der Wellengeneratoranordnung wird über die Frequenzregelung, d.h.
über die einstellbare Läuferfrequenz des Asynchrongenerators 6 vorgenommen.
Der Asynchrongenerator ist ca. 15 % größer als die Generatornennleistung auszulegen, da bei kleinen Drehzahlen, d.h. bei höheren Rotorfreauenzen Stromverdrängungsverluste auftreten.
Für die Rotorleitung und damit auch für die Umrichter und Synchrongeneratorleistung eilt SR = SN s, worin SR = Rotorscheinleistung SSN = Statornennscheinleistung s = Schlupf bedeuten.
Wird die Anlage für einen Arbeitsbereich von 60 % bis 100 % Drehzahl ausgelegt, so ernibt sich s = 0,4 und SR=S R SN 0,4 Da Schleifringläufer in der Größenordnung von 1000 kVA (interessanter Leistungsbereich) etwa eine Läuferstillstandsspannung von 1300 V haben, errechnct sich für die Spannung bei 60 % Drehzahl UR = URSS x s UR = 1300 V x 0,4 = 520 Diese Spannung ist mit einem Umrichter mit normalen Thyristoren zu beherrschen.
Durch die relativ hohe Spannung ergibt sich ein geringer Strom von ca.
450 A, der für die i)imensionierung des Umrichters bestimmend ist.
Für die Rotorleitung von 0,4 SSN muß der Synchrongenerator ausgelegt werden, allerdings bei einer Frequenz von f = (1 - s) N fN = Nennfrenuenz Die bedeutet, daß der Generator für eine Leistung von 0,66 x SsN ausgelegt werden muß, bezogen auf Nennfrequenz des Asynchrongenerators.
Anstatt eines Umrichter gemäß Fig. 1 kann auch ein Synchrongenerator 6 direkt mit dem Läufer des Asynchrongenerators 3 verbunden werden Fig. 2.
Angetrieben wird dieser Synchrongenerator 6 über ein Verstellgetriebe 8 von der Asynchrongeneratorwelle. Über die Erregung 9 wird der Strom und über das Getriebes 8 die Drehzahl des Synchrongenerators 6 verstellt. Damit kann mit einer Einrichtung 10 eine Spannungs- und Frequenzregelung des Asynchrongenerators 3 vorgenommen werden.
Das Getriebe 8 ist bei einem angenommenen Verstellbereich für ein Drehmoment von mdG = 0,4 mdN mdN = Nenndrehmoment des Asynchrongenerators und für eine Maximaldrehzahl von n = 0,4 n max N auszulegen.
Alle übrigen Komponenten werden, wie oben beschrieben, ausgelegt. Es sind andere Kombinationen der Frequenzen von Asynchron- und Synchrongenerator bei beiden Varianten möglich, wenn unterschiedliche Polpaarzahlen gewählt werden.
Für einen take-home-Betrieb bei ausgefallener iiauptmaschine 1 kann diese durch eine Kupplung 1 Fig. 1 von der Propellerwelle abgetrennt werden. Die Asynchronmaschine 5 wird vom Netz eingespeist. Sie treibt die Propellerwelle an. Line Drehzahlregelung wird über den Umrichter 4 und 5 als untersynchrone Kaskadenschaltung vorgenommen. Die Läuferschlupleistung wird über Schalter 12 in das Netz zurückgespeist.

Claims

Patentansprüche 1. Anlage zur Versorgung eines Netzes mit konstanter Frequenz unter Verwendung eines Asynchrongenerators, der mit variabler Drehzahl angetrieben und dessen Läufer mit einem Drehstrom variabler Frequenz gespeist wird, dadurch gekennzeichnet, daß von der gleichen Welle wie der Asynchrongenerator (3) ein Synchrongenerator (6) angetrieben wird, der dem Läufer des Asynchrongenerators (t) ein Drehfeld einprägt, dessen Frequenz der Differenz aus der Drehfrequenz des Asynchrongenerators (3) und der Netzfrequenz entspricht und dessen Strom zur Einstellung der Klemmenspannung der Ständerwicklung des ksvnchrongenerators dient.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Generatoren (3, 6) direkt mit der Hauptantriebswelle verbunden sind.
3. Anlage nach Anspruch t, dadurch gekennzeichnet, daß die Generatoren (3, 6) über Getriebe (2, 8) an der Ilauptantriebswelle angeschlossen sind.
4. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Läufer des Asynchrongenerators (3) direkt durch einen Synchrongenerator (6) versorgt wird, daß über die Erregung (9) des Synchrongenerators (6) die Einstellung des Läuferstromes des Asynchrongenerators (3) erfolgt, und daß über ein Regelgetriebe (8) zwischen den beiden Generatoren (3, 6) die Drehzahl des Läufers des Asynchrongenerators (3) eingestellt wird.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Notbetrieb (takehome) der Asynchrongenerator (3) bei abgekuppelter Hauptantriebsmaschine (1) vom Netz gespeist wird und als Asynchronmotor die Schiffswelle antreibt, und daß die Schlupfleistung des Rotors über einen Umrichter (4, 5) in das Netz zurückgeführt wird.