DE3711657C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Generator/Motorvorrichtung mit veränderbarer Drehzahl nach dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs, die auch bei einer Störung des Wechselstromnetzes stabil weiterarbeiten kann.

Eine derartige Generator/Motorvorrichtung ist aus der JP 50-28 613 bekannt. Danach ist zum Erfassen eines Synchronsi­ gnals, das mit der Frequenz des Netzes in Phase ist, für die Zündwinkelsteuerung eines als Frequenzwandler dienenden Thyri­ stors die Sekundärwicklung einer Modellmaschine (Induktions­ motor mit gewickeltem Läufer) auf einer Achse mit der Sekun­ därwicklung der Drehstrommaschine (Generator/Motor) angeord­ net, und die Primärwicklung der Modellmaschine ist mit dem Energieversorgungsnetz in der gleichen Weise wie die Primär­ wicklung der Drehstrommaschine verbunden. Das Signal von der Sekundärwicklung der Modellmaschine wird als das Synchronsi­ gnal gewonnen. Nach diesem Verfahren sind die Modellmaschine zum Erfassen der Phase und die Drehstrommaschine mit derselben Energieversorgung verbunden, so daß bei einer Störung, bei­ spielsweis bei einem Frequenzabfall, die als Phasendetektor dienende Modellmaschine einen Schlupf feststellt und dann die Ausgangsfrequenz der Drehstrommaschine herabsetzt, wodurch die Störung noch verschlimmert wird.

Eine ähnliche Generator/Motorvorrichtung mit einer dop­ peltgespeisten Asynchronmaschine ist aus der US-PS 40 19 104 bekannt. Danach ist im Läuferkreis der Asynchronmaschine ein Zwischenkreisumrichter vorgesehen. Der läuferseitige Strom­ richter des Umrichters wird über läuferfrequente Synchronsi­ gnale angesteuert, die an einer netzgespeisten Asynchron-Mo­ dellmaschine an den Schleifringen abgenommen werden.

Der Einsatz derartiger Generator/Motorvorrichtungen mit veränderbarer Drehzahl in Wasserkraftwerken, wobei der Motor/ Generator direkt mit einer Pumpe/Wasserturbine als Last/Kraft­ maschine gekoppelt ist, ist in der US-PS 44 81 455 beschrie­ ben. Danach kann unabhängig von der Frequenz des Energiever­ sorgungssystems die Drehzahl der Pumpe/Wasserturbine so ge­ wählt werden, daß sich ein maximaler Arbeits-Wirkungsgrad er­ gibt.

Um die obengenannten Schwierigkeiten aufgrund eines Fre­ quenzabfalls bei derartigen Generator/Motorvorrichtungen zu vermeiden, wird in der JP 57-50 429 am Beispiel eines Wechsel­ strom/Gleichstrom-Wandlers für ein Gleichstromnetz ein Impuls­ phasen-Steuersystem mit einem Spannungsregeloszillator vorge­ schlagen. Dieser Spannungsregeloszillator wird mit der Span­ nung eines Wechselstromnetzes als Eingangsspannung versorgt, die am Wechselstrom/Gleichstrom-Wandler liegt, und erzeugt ein mit der Eingangsspannung gleichphasiges Synchronsignal. Dieses System erzeugt einen Zündimpuls mit einer Phase, die dem Steu­ ersignal entspricht, speichert ein Signal, das der Phase der Spannung unmittelbar vor einer eventuell auftretenden Störung des Wechselstromnetzes entspricht, und benutzt dieses gespei­ cherte Signal während des Andauerns der Störung des Wechsel­ stromnetzes dazu, den Spannungsregeloszillator zu versorgen.

Auch aus der DE-OS 24 30 780 ist eine "Speicherschaltung" bekannt, die im Normalbetrieb eine netzsynchrone Spannung be­ reitstellt und auch bei einem Netzausfall (Kurzschluß) diese Spannung mit gleicher Frequenz und Phasenlage weiterliefert. Dies erfolgt über einen spannungsgesteuerten Oszillator, der über einen Phasenvergleicher mit der Netzspannung synchroni­ siert wird und bei einem Netzausfall mit Hilfe eines Speicher­ glieds Frequenz und Phasenlage beibehält.

Aus der DE-AS 10 02 876 ist eine Anordnung zur Überbrüc­ kung kurzzeitiger Stromausfälle mit einer Synchronisierein­ richtung bekannt. Danach ist eine Netzkupplung aus einem Asyn­ chronmotor, einem Synchrongenerator und einer Schwungmasse vorgesehen.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Generator/Mo­ torvorrichtung mit veränderbarer Drehzahl zu schaffen, bei der ein Frequenzwandler bei kurzzeitigen Netzausfällen unterbre­ chungsfrei angesteuert wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit einer Generator/Mo­ torvorrichtung entsprechend dem Patentanspruch, wonach eine Synchroneinrichtung mit einer elektrischen Anlaufmaschine, ei­ nem netzgespeisten Synchronmotor und einem Synchrongenerator vorgesehen ist, die auf derselben Achse angeordnet sind, wo­ bei der Synchrongenerator eine netzsynchrone Spannung für die Speisung der Drehstrom-Ständerwicklung der Modellmaschine er­ zeugt. Die Drehstrom-Läuferwicklung der Modellmaschine gibt dann ein Läufer-Synchronsignal ab, relativ zu dem der Phasen­ winkel des Frequenzwandlers gesteuert wird.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen be­ schrieben. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild eines Ausführungsbei­ spiels der Erfindung,

Fig. 2 ein Diagramm der Startabfolge einer Synchroneinrichtung, die gemäß der Er­ findung vorgesehen ist,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Synchronein­ richtung,

Fig. 4 ein Diagramm zur Erläuterung des Ar­ beitsprinzips der Synchroneinrichtung und

Fig. 5 ein Diagramm zur Erläuterung, in welcher Weise ein stabiler Betrieb durch die erfindungsgemäße Vorrichtung fortge­ setzt werden kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in ihrer Anwendung bei einem Pumpspeicherwerk mit veränderbarer Drehzahl ist in Fig. 1 dargestellt. Die Ständerwicklung (Primärwicklung) 1 P einer Drehstrom­ maschine 1 ist mit einem Energieversorgungsnetz über einen Leistungsschal­ ter 11 und einen Haupttransformator 21 verbunden. Die Läuferwicklung (Sekun­ därwicklung) 1 S der Drehstrommaschine 1, ist mit dem Haupt­ transformator 21 über eine Erregungsschaltung 200 ver­ bunden, die einen Frequenzwandler 4, einen Erregungs­ transformator 23 und einen Leistungsschalter 13 enthält. Die Drehstrommaschine ist direkt mit einer Wasserturbine/Pumpe 6 gekoppelt. Der Frequenz­ wandler 4 wird über ein Signal 131 von einer automatischen Phasenschiebesteuerung 3 gesteuert. Die Phasenschiebesteuerung erhält als Eingangssignal ein Steuerspannungssignal 130, das durch eine Steuereinrichtung 133 aus einem von außen vor­ gegebenen Signal Ld bestimmt wird, und ein Läufer-Synchronsignal (Bezugspha­ sensignal) 132. Eine als Geber bzw. Phasendetektor arbeitende Modellmaschine 2, die in der gleichen Weise wie die Drehstrommaschine 1 ausgebildet ist, wird an ihrer Primärwicklung 2 P über einen Hilfstransformator 22, ei­ nen Leistungsschalter 12 und eine Synchroneinrichtung 7 mit der Spannung des Wechselstromnetzes 5 versorgt. Kennzeichnend für die erfindungsgemäße Ausbildung ist die Synchroneinrichtung 7, die auf der Seite der Pri­ märwicklung, d. h. der Ständerwicklung 2 P angeordnet und beispielsweise so aus­ gebildet ist, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. In Fig. 3 ist die Synchroneinrichtung 7 von einer strichpunktierten Linie umgeben und enthält eine Anlaufgleichstrommaschine 31 und zwei Synchronmachinen 32 und 33 mit der gleichen Anzahl von Polen und der gleichen relativen Anordnung der Statorwicklung und der Magnetpole. Im folgenden wird der Fall erläutert, in dem Energie vom Netz zur Modellmaschine (Geber) 2 fließt.

Die Wechselspannung vom Hilfstransformator 22 wird in einem Gleichrichter 34 gleichgerichtet, um eine Ausgangsgleichspannung auf den Ausgangsleitungen a und b zu erzeugen. Diese Ausgangs­ gleichspannung liegt an der Anlaufgleichstrommaschine 3 über einen Schal­ ter SW 1 und an den Erregungswicklungen EX 1, EX 2 der Synchronmaschinen 32, 33 über die Schalter SW 2, SW 3.

Die Hauptwicklung des Synchronmotors 32 wird über den Leistungsschalter 12 mit einer Wech­ selspannung versorgt. Die in der Hauptwicklung des Syn­ chrongenerators 33 erzeugte Ausgangswechselspannung liegt an der Primärwicklung 2 P des Phasendetektors bzw. der Modellmaschine 2.

Die Fig. 2A und 2B zeigen eine Abfolge zum Anlaufen der Synchroneinrichtung 7 in Fig. 2. In den Fig. 2A und 2B sind mit AX 1, AX 2, AX 3 Hilfsrelais zum Ansteuern der Schal­ ter SW 1, SW 2 und SW 3 und mit 12 C die Schließspule des Leistungsschalters 12 bezeichnet. Ein Anlaufbefehl 100 schließt die Kontakte 105. Das Hilfsrelais AX 1 wird über den als Öffner ausgebildeten Kontakt 101 b er­ regt, der öffnet, wenn die Synchronmaschinen 32, 33 angelaufen sind. Der Schalter SW 1 wird ge­ schlossen, um die Anlaufgleichstrommaschine 31 an­ zuschalten. Gleichzeitig wird über den geschlos­ senen Schalter SW 1 a die Schließspule 12 C erregt, um den Leistungsschalter 12 zu schließen. Wenn die Dreh­ zahl einen Wert erreicht, bei dem die Synchronmaschinen 32, 33 zugeschaltet werden können, werden der als Schließer ausgebildete Kontakt 101 a und damit der Schalter SW 2 durch das Hilfsrelais AX 2 geschlos­ sen, und der Synchronmotor 32 wird erregt. Damit ist das Hoch­ fahren des Synchronmotors abgeschlossen. Zum Zeit­ punkt des Schließens des Kontaktes 101 a wird der Kontakt 101 b geöffnet. In dieser Weise beendet die Anlaufgleich­ strommaschine 31 ihre Arbeit. Auf eine Erregung des Hilfsrelais AX 2 wird der Kontakt SW 2 a geschlossen und das Hilfsrelais AX 3 erregt, so daß dessen Schalter SW 3 geschlossen wird, um den Synchrongenerator 33 zu erregen. Die Synchronmaschinen 32 und 33 sind so ausgebildet, daß die Frequenz und die Phase des Energieversorgungsnetzes 5 mit der Fre­ quenz und der Phase der Wechselspannung des Synchrongenerators zusammenfallen.

Gleichzeitig mit der Synchroneinrichtung 7 wird die Drehstrommaschine 1 durch die Pumpe/Wasserturbine 6 in Betrieb gesetzt und bis etwa auf die Synchrondreh­ zahl beschleunigt. Die Pri­ märwicklung des Phasendetektors 2 wird durch die Ausgangs­ spannung des Synchrongenerators 33 erregt, und der Frequenzwandler 4 wird durch die Schlupffrequenz gesteuert, die in der Sekundärwicklung des Phasendetektors 2 er­ zeugt wird. Wenn die Drehstrommaschine 1 in dieser Weise mit Energie versorgt wird, wird eine Spannung, die gleichphasig mit der des Versorgungsnetzes 5 ist, in der Primärwicklung der Drehstrommaschine 1 erzeugt. Der Leistungsschalter 11 wird dann geschlossen. Die Drehstrommaschine arbeitet als Generator.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie oben beschrie­ ben wurde, arbeitet im Fall einer Störung des Energie­ versorgungsnetzes in der folgenden Weise. Fig. 4 zeigt eine Spannung V _A , die in der Hauptschaltung 100 erzeugt wird, wenn zum Zeitpunkt t ₀ ein Fehler im Energiever­ sorgungsnetz 5 auftritt und die Unterbrechung zum Zeitpunkt t ₁ wieder behoben wird. Während des Zeitintervalls von t ₀ bis t ₁ bleibt die Netzspannung V _A im wesentlichen auf dem Wert 0 und geht das Bezugsphasensignal verloren, das für die auto­ matische Phasenschiebesteuerung 3 benötigt wird. Nach dem Zeitpunkt t ₁ wird die Spannung mit der gleichen Frequenz und Phase, wie vor dem Fehler, wiederhergestellt. Der Grund dafür besteht darin, daß das Energieversorgungsnetz 5 eine so große elektrische Trägheit hat, daß die Phase während eines kurzen Zeitintervalls nahezu unverändert bleibt. Wenn das Signal V _B mit der gleichen Frequenz und Phase wie vor dem Zeitpunkt t ₀ zwischen den Zeitpunkten t ₀ und t ₁ sichergestellt wird, ist es daher möglich, die automatische Phasenschiebe­ steuerung 3 zur Zündsteuerung ununterbrochen so­ wohl nach dem Zeitpunkt t ₁, nach dem die Spannung V _A wieder hergestellt wird, sowie zwischen den Zeitpunkten t ₀ und t ₁ zu verwenden. Zu diesem Zweck muß der in Fig. 3 dargestellte Aufbau eine ausreichend große mechanische Trägheit haben.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung, wie die unterbrechungsfreie Steuerung si­ chergestellt werden kann. Fig. 5A zeigt schematisch die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung und die an den ver­ schiedenen Teilen erzeugten Frequenzen. Fig. 5B zeigt die Frequenzschwankungen an den verschiedenen Teilen, die dann hervorgerufen werden, wenn diese Vorrichtung zum Zeitpunkt des schlimmsten Fehlers während des Energie­ erzeugungsbetriebes vom Energieversorgungsnetz abge­ trennt wird. In diesem Fall ist die Wasserturbine last­ frei. Daher nimmt ihre Drehzahl und somit die Fre­ quenz f allmählich - von beispielsweise 58 Hz vor dem Feh­ ler - zu. Die Ausgangsfrequenz der Synchroneinrichtung 7 wird im Gegensatz dazu auf dem Nennwert von 60 Hz ge­ halten, und der Phasendetektor (Modellmaschine) 2 erzeugt ein Signal für den Frequenzunterschied, wobei sich die Anfangs­ frequenzdifferenz von 2 Hz auf 0 Hz ändert und dann in die negative Richtung verschiebt. Mit diesem Signal als Bezugssignal wird das Zünden gesteuert, was zur Folge hat, daß die Frequenz f ₂, die identisch mit der Fre­ quenz der Sekundärwicklung 2 P der Modellmaschine 2 ist, in der Sekundärwicklung 1 S der Drehstrommaschine 1 auf­ tritt. Die Frequenz f ₁ der Primärwicklung 1 P der Drehstrommaschine 1 ist die Summe der Frequenz f ₂ seiner Sekundärwick­ lung 1 S und der Frequenz f, die von der Dreh­ zahl N abhängt. Die Frequenz f ₁ liegt fest bei 60 Hz. Somit bleibt dann, wenn das Versorgungsnetz 5 zum Zeitpunkt t ₁ wieder abgeschlossen wird, der syn­ chrone Zustand erhalten, so daß der folgende Be­ trieb nicht behindert ist. Fig. 5C zeigt die Frequenzen an den verschiedenen Teilen in Verbindung mit einem Fehler, der während des Pumpbetriebes auftreten kann. In diesem Fall verliert die Pumpe 6 ihren Antrieb, und die Drehzahl N beginnt abzufallen. Selbst unter die­ sen Umständen erzeugt die Synchroneinrichtung 7 weiter die gleiche Frequenz wie vor dem Fehler, so daß die Fre­ quenz f ₁ auf dem Nennwert gehalten wird, wie es sich aus der obigen Beschreibung ergibt.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, daß die erfindungsge­ mäße Vorrichtung außer Phase weiterarbeiten kann, wenn eine Störung im Energieversorgungsnetz auftritt, so daß die Störung des Versorgungsnetzes gedämpft und daher die Netzstabilität verbessert wird.

Claims (2)

1. Generator/Motorvorrichtung mit veränderbarer Drehzahl mit

   • a) einer Drehstrommaschine (1) mit einer netzgespeisten Stän­ derwicklung (1 P) und einer Läuferwicklung (1 S);
   • b) einem Frequenzwandler (4), der zwischen dem Netz (5) und der Läuferwicklung (1 S) liegt;
   • c) einer Modellmaschine (2),
     • c1) deren Drehstrom-Ständerwicklung (2 P) mit einer netzsyn­ chronen Spannung gespeist wird,
     • c2) deren Drehstrom-Läuferwicklung (2 S) ein Läufer-Synchron­ signal (132) abgibt, und
     • c3) deren Läufer mit dem Läufer der Drehstrommaschine (1) auf einer gemeinsamen Welle sitzt; und
   • d) einer Einrichtung (3) zur Steuerung des Phasenwinkels des Frequenzwandlers (4) relativ zu der durch das Läufer-Syn­ chronsignal (132) vorgegebenen Lage;
2. gekennzeichnet durch eine Synchroneinrichtung (7), die eine elektrische Anlaufmaschine (31), einen netzgespeisten Synchronmotor (32) und einen Synchrongenerator (33) aufweist, die auf derselben Achse angeordnet sind, wobei der Synchron­ generator (33) die netzsynchrone Spannung erzeugt.