DE4438186A1

DE4438186A1 - Anordnung zum Betrieb einer Synchronmaschine

Info

Publication number: DE4438186A1
Application number: DE19944438186
Authority: DE
Inventors: Jan-Erik Bertilsson
Original assignee: ABB Management AG
Current assignee: ABB Schweiz Holding AG
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 1996-05-02

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Betrieb einer Synchronmaschine nach dem Oberbegriff des ersten An spruchs.

Stand der Technik

Eine solche Anordnung offenbart bereits die Europäische Patentanmeldung EP-A1-0 556 481: Eine Gasturbine ist, al lenfalls über ein Getriebe, mit einer Synchronmaschine mechanisch gekoppelt. Die Synchronmaschine ist elektrisch direkt mit einem Spannungsversorgungsnetz verbunden.

Aus historischen Gründen existieren zwei Arten von Span nungsversorgungsnetzen: einerseits solche mit einer Wech selspannung von 60 Hz und andere mit 50 Hz. Da die Syn chronmaschinen oder Turbogeneratoren bei Leistungen von 70 MW und mehr direkt von der Turbine angetrieben werden und die Generatoren ihrerseits direkt an das Netz ange schlossen sind, wird die Drehzahl der Turbine von der Netzfrequenz bestimmt.

Damit die Turbine dennoch bei einer optimalen Drehzahl betrieben werden kann, müssen für 50 Hz und 60 Hz Netze unterschiedliche Turbinen gebaut werden. Dies bedingt je doch eine Doppelentwicklung und zieht dementsprechend hohe Entwicklungskosten mit sich. Außerdem müssen bezüg lich der optimalen Drehzahl und damit dem maximal er reichbaren Wirkungsgrad der Turbine immer Abstriche ge macht werden.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung zum Betrieb einer Synchronmaschine anzugeben, bei welcher die Turbine unabhängig von einer vorgegebenen Netzfrequenz mit der optimalen Drehzahl betrieben werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs ge nannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs ge löst.

Kern der Erfindung ist es also, daß die Synchronmaschine elektrisch über einen Frequenzwandler mit dem Spannungs versorgungsnetz gekoppelt ist. Die Frequenz der in der als Turbogenerator arbeitenden Synchronmaschine erzeugten Spannung kann somit an die vorgegebene Netzfrequenz angepaßt werden, z. B. auch wenn die Drehzahl der Turbine leicht variiert.

Der Frequenzwandler umfaßt gemäß einem erprobten Aus führungsbeispiel einen Umrichter mit Strom- oder Span nungszwischenkreis.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung kann ganz auf ein mechanisches Getriebe zwischen der Turbine und der Syn chronmaschine verzichtet werden. Außerdem ermöglicht die erfindungsgemäße Anordnung die Verwendung nur eines Tur binentyps sowohl für 50 Hz als auch für 60 Hz Netze, und die Turbine kann dauernd mit der optimalen Drehzahl be trieben werden. Insgesamt ergeben sich daraus drastische Kosteneinsparungen, nicht nur durch den Wegfall eines allfälligen mechanischen Getriebes, sondern auch dadurch, daß Doppelentwicklungen vermieden werden können. Zudem erlaubt der Betrieb bei optimaler Drehzahl der Turbine eine Steigerung des gesamten Wirkungsgrades. Der Wir kungsgrad wird aber auch durch die Elimination der Verlu ste im Getrieben erhöht.

Die Kosten einer Gasturbine sind maßgeblich von der Drehzahl abhängig. Hohe Drehzahlen führen zu kleineren Abmessungen. Nach der Erfindung kann die Gasturbine auch bei höheren Drehzahlen betrieben werden, so daß auch aus diesem Grund Kosten gespart werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei spielen im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläu tert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Anordnung zum Betrieb einer Synchronma schine nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 Eine Anordnung zum Betrieb einer Synchronma schine nach der Erfindung;

Fig. 3 Ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Fre quenzwandler;

Fig. 4 Ein zweites Ausführungsbeispiel für einen Fre quenzwandler.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und de ren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Anordnung zum Betrieb einer Synchron maschine 1 nach dem Stand der Technik. Mit 2 ist eine Turbine, insbesondere eine Gasturbine, bezeichnet, welche allenfalls über ein Getriebe 8 mit der Synchronmaschine 1 mechanisch gekoppelt ist. Die Turbine 2 treibt die Syn chronmaschine 1, welche in diesem Fall als Turbogenerator arbeitet, an, so daß an den Klemmen der Synchronmaschine 1 eine z. B. dreiphasige Wechselspannung mit einer der Drehzahl der Synchronmaschine entsprechenden Frequenz er zeugt wird. Die Synchronmaschine 1 ist nach dem Stand der Technik elektrisch direkt, allenfalls über einen Schalter 9, mit einer Spannungsversorgungsnetz 3 verbunden. Das Spannungsversorgungsnetz 3 weist eine feste Spannung U1 mit einer festen Frequenz f1 (z. B. 50 Hz oder 60 Hz auf). Demzufolge diktiert das Netz 3 die Frequenz der in der Synchronmaschine 1 erzeugten Spannung und damit aufgrund der mechanischen Kopplung zwischen Synchronmaschine 1 und Turbine 2 auch die Drehzahl der Turbine 2. Aus den ein gangs erwähnten Gründen ist dieses feste Vorgeben der Drehzahl der Anordnung jedoch unerwünscht.

Im Unterschied zum Stand der Technik ist nach der Erfin dung ein Frequenzwandler 4 vorgesehen (siehe Fig. 2). Dieser ist zwischen die Synchronmaschine 1 und das Netz 3 geschaltet und wandelt eine von der Synchronmaschine 1 erzeugte Spannung U2 der Frequenz f2 in eine dem Netz angepaßte Spannung U1 mit der Netzfrequenz f1 um.

Dadurch kann die Turbine 2 mit einer frei vorgebbaren Drehzahl laufen. Insbesondere kann sowohl für ein 50 Hz Netz wie auch für ein 60 Hz Netz dieselbe Turbine verwen det werden. Ein Getriebe zwischen Turbine 2 und Synchron maschine 1 ist nicht mehr notwendig. Dies ergibt, wie vorstehend bereits erläutert wurde, zahlreiche Vorteile bezüglich Kosten und Wirkungsgrad.

Der Frequenzwandler 4 umfaßt nach einem erprobten Aus führungsbeispiel einen Umrichter 5 entweder mit Span nungs- oder Stromzwischenkreis (Fig. 3 und 4). Beiden Arten von Umrichtern ist gemeinsam, daß die von der Syn chronmaschine 1 erzeugte Spannung U2 zunächst einmal gleichgerichtet wird. Die Energie dieser Gleichspannung wird beim Umrichter mit Stromzwischenkreis in einer In duktivität 6 gespeichert, bei einem Umrichter mit Span nungszwischenkreis entsprechend in einer Kapazität 7. Die Gleichspannung wird anschließend in einem Wechselrichter in eine dem Netz 3 angepaßte Spannung U1 mit der Netz frequenz f1 umgewandelt.

Handelt es sich beim Umrichter um einen sog. Vierqua dranten-Steller, wie er z. B. aus der Antriebstechnik be kannt ist, - ein solcher läßt Gleichrichtung bzw. Wech selrichtung sowohl netzseitig als auch maschinenseitig zu und ermöglicht somit einen Energiefluß von der Maschine ins Netz (Generatorbetrieb) als auch vom Netz zur Ma schine (Motorbetrieb) - kann die Synchronmaschine 1 außerdem zum Anlassen der Turbine 2 als Motor wirken, wobei die benötigte Spannung vom Netz 3 geliefert wird und im Umrichter 5 frequenzmäßig angepaßt gesteuert wird. Da durch kann auf eine spezielle Anordnung zum Anlassen der Turbine verzichtet werden.

Insgesamt steht also mit der Erfindung eine Anordnung zum Betrieb einer Synchronmaschine zur Verfügung, welche be züglich Kosten und Wirkungsgrad große Vorteile bietet.

Bezugszeichenliste

1 Synchronmaschine
2 Turbine
3 Spannungsversorgungsnetz
4 Frequenzwandler
5 Umrichter
6 Induktivität
7 Kapazität
8 Getriebe
9 Schalter

Claims

1. Anordnung zum Betrieb einer Synchronmaschine (1), welche einerseits mechanisch mit einer Turbine (2), insbesondere einer Gasturbine, gekoppelt ist, und andererseits elektrisch mit einem Spannungsversor gungsnetz (3) mit einer ersten Spannung U1 und einer festen ersten Frequenz f1 gekoppelt ist, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Frequenzwandler (4) vorgese hen ist, welcher die Synchronmaschine (1) an das Spannungsversorgungsnetz (3) koppelt und eine zweite, der Synchronmaschine (1) zugeordnete Span nung U2 variabler Frequenz f2 an die feste erste Frequenz f1 anpaßt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler (4) einen Umrichter (5) mit Stromzwischenkreis umfaßt.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzwandler (4) einen Umrichter (5) mit Spannungszwischenkreis umfaßt.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronmaschine (1) zum Anlassen der Turbine (2) als Motor wirkt und eine dazu benötigte Spannung vom Netz (3) bezieht, wobei der Frequenzwandler (4) diese Spannung entsprechend steuert.