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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Turbinengeneratorvorrichtung, die einen
Synchrongenerator vom Permanentmagnettyp aufweist, der durch eine
Gasturbine angetrieben wird, um elektrischen Strom zu erzeugen.
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Beschreibung der verwandten
Technik
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Ein
Turbinengenerator mit einer Gasturbine, beispielsweise einer Mikro-Gasturbine, die mit
einem Synchrongenerator direkt verbunden ist, verwendet eine Generatorfrequenz,
die das Produkt aus der Drehzahl der Turbine (kann nachfolgend als
Anzahl der Umdrehungen bezeichnet werden) und der Anzahl der Polpaare
des Generators ist, und erzeugt einen elektrischen Strom bei einer
Frequenz oberhalb der Netzfrequenz (50 oder 60 Hz). Beispielsweise
erzeugt ein Generator mit zwei Polen (die Anzahl der Polpaare beträgt 1), der
direkt mit einer Turbine von 60000 U/min verbunden ist, einen Strom
von 1 kHz. Weiter wird bei einem derartigen Generator hoher Drehzahl,
um eine Festigkeit gegenüber
Zentrifugalkräften
zu gewährleisten
und die Abgabeleistungsdichte als Kleingenerator zu vergrößern, ein
Generator verwendet, der einen Permanentmagneten aus einem festen
Seltenerdeelement für
die Magnetpole des Rotors verwendet. Und zwar ist der Synchrongenerator
vorn Permanentmagnettyp, anders als ein Generator, der eine magnetische
Wicklung aufweist, ein Generator, bei dem die magnetische Feldstärke nicht
gesteuert werden kann und bei dem die Generatorspannung nicht gesteuert
werden kann. Um die Generatorabgabeleistung zu nutzen, muss diese
auf Netzfrequenz (50 oder 60 Hz) und -spannung (beispielsweise 3-Phasen,
220 V) umgewandelt werden. Die herkömmliche Technik einer Vorrichtung
zu Durchführung
dieser Stromumrichtung verwendet eine Struktur zur Umwandlung des
Stromes in einen Gleichstrom, und zwar zunächst mittels einer Gleichrichterschaltung
und dann durch erneutes Umwandeln des Gleichstromes in einen Wechselstrom
gewünschter
Frequenz und Spannung durch einen Wechselrichter (beispielsweise
japanische Patentoffenlegungsschrift
11-356097 , die
EP
963035 A2 entspricht).
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12 ist
ein Blockdiagramm, das die Struktur der herkömmlichen Technik zum Zeitpunkt
eines Generatorbetriebs darstellt. Eine Gasturbine 111 treibt
einen Synchrongenerator 112 vom Permanentmagnettyp, und
die Abgabeleistung des Generators 112 wird durch eine Gleichrichterschaltung 113,
die durch eine Diodenbrücke
realisiert ist, in einen Gleichstrom umgewandelt, und der Gleichstrom
wird in eine Netzspannung von beispielsweise 220 V und beispielsweise
eine Frequenz von 50 oder 60 Hz umgerichtet, und zwar durch einen
Umrichter 114 zum Durchführen einer Pulsweitenmodulation
(PWM).
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13 ist
ein Blockdiagramm, welches die Struktur der in 12 dargestellten
herkömmlichen Technik
zum Zeitpunkt eines Anlaufbetriebs darstellt. Der Strom von einem
System 115 zur Versorgung mit Netz-Wechselstrom wird durch
die Gleichrichterschaltung 113 in Gleichstrom umgewandelt,
durch den Umrichter 114 in eine für den Generator 112 geeignete
Frequenz von beispielsweise 1 bis 1,6 kHz umgerichtet, und dem Generator 112 zugeführt. Dadurch
arbeitet der Generator 112 als Motor und treibt die Gasturbine 111 an
und versetzt diese in Drehung. Der Gasturbine 111 wird
Kraftstoff zugeführt
und gezündet,
und mit zunehmender Abgabeleistung der Gasturbine 111 wird
die Abgabeleistung des Generators abgeleitet.
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Bei
der in 12 und 13 dargestellten herkömmlichen
Technik beträgt
die Frequenz für
die Pulsweitenmodulation des Umrichters 114, wie zuvor erwähnt, 50
bis 60 Hz zum Zeitpunkt des Systemanschlusses, wie in 12 dargestellt,
und 1 bis 1,6 kHz zum Zeitpunkt des Anlaufens, wie dargestellt in 13.
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Weiter
weist die Gasturbine allgemein die Eigenschaft auf, dass, wenn die
abgegebene Leistung geringer als die Nennleistung ist, ein Betrieb
mit einer geringeren Drehzahl als der Nenndrehzahl den Wirkungsgrad
verbessert, und wenn ein Betrieb der Gasturbine bei ernsthafter
Berücksichtigung
des Wirkungsgrades erfolgen soll, muss die Drehzahl gemäß der Abgabeleistung
verändert
werden. Andererseits weist der durch die Gasturbine angetriebene
Synchrongenerator die Eigenschaft auf, dass die induzierte Spannung
proportional zur Drehzahl ist, und bei einem Generator, der, wie
der zuvor erwähnte Synchrongenerator
vom Permanentmagnettyp, nicht zum Steuern des Magnetfeldes fähig ist,
wird auch die Spannung in Abhängigkeit
von der Drehzahl verändert.
Daher wird, um den Turbinengenerator, ungeachtet von Frequenzänderungen
und Spannungsänderungen
des erzeugten Stromes, effizient zu betreiben, ein Stromrichter
benötigt,
der in der Lage ist, den Strom auf eine feste Spannung und Frequenz umzurichten.
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Die
zuvor erwähnte
herkömmliche
Technik, die in 12 und 13 dargestellt
ist, weist die Struktur auf, dass der erzeugte Strom zunächst durch die
Gleichrichterschaltung 113 in einen Gleichstrom umgewandelt
wird, und dann der Gleichstrom erneut in einen Wechselstrom von
erforderlicher Frequenz und Spannung umgewandelt wird, und die Gleichrichterschaltung 113 ist
als passive Diodengleichrichterschaltung ausgebildet. Daher ändert sich
die Gleichspannung nach dem Gleichrichten proportional zur Generatorspannung.
Weiter kann, wenn der Umrichter 113 vom Pulsweitenmodulations-(PWM)-Typ
verwendet wird, die abgegebene Spannung in einem gewissen Ausmaß durch
die PWM-Rate gesteuert werden. Jedoch ist deren Bereich eingeschränkt, und
wenn die Spannung des Gleichstromglieds, dem die Ausgangsgröße der Gleichrichterschaltung 113 zugeführt wird,
stark verändert
wird, kann die abgegebene Spannung nach dem Wechselrichten durch
den Umrichter 114 nicht auf einem festen Wert gehalten
werden. Und zwar ist, wenn die Spannung des Gleichstromglieds zunimmt, obschon
es möglich
ist, den Tastgrad eines jeden PWM-Impulses (das Intervall, bei dem
der Impuls während
einer einzigen Perioden AN ist) kleiner zu machen, der Einstellbereich
eingeschränkt.
Wenn die Spannung des Gleichstromglieds unter einen gewissen Wert
verringert wird, kann, sogar wenn der Tastgrad von jedem PWM-Impuls
maximiert wird, die abgegebene Spannung nicht gehalten werden. Weiter wird,
wenn umgekehrt die Spannung des Gleichstrornglieds die Grenze überschreitet,
eine Spannung oberhalb der Durchbruchspannung dem Leistungsschalttransistor
des Umrichters 114 zugeführt wird und der Leistungstransistor
wird zerstört.
Daher ist, um eine feste Spannung vom Umrichter auszugeben, die
Drehzahl des Generators 112 entsprechend der Beschränkung des
Spannungsbereiches des Gleichstromglieds beschränkt.
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Ein
Verfahren zum Vergrößern des
Drehzahlbereichs des Generators 112, das fähig ist,
eine vorbestimmte Abgabespannung des Umrichters 114 zu
erzielen, ist wie nachfolgend angegeben. Als Erstes wird die induzierte
Spannung des Generators 111 hoch ausgelegt, und sogar wenn
die Drehzahl gering ist, ist die Spannung gewährleistet. Dann wird die Durchbruchspannung
des Leistungstransistors des Umrichters 114 so vergrößert, dass
der Leistungstransistor einem Spannungsanstieg bei Nenndrehzahl
des Generators 112 standhält. In diesem Fall wird während des
Betriebs bei Nenndrehzahl der PWM-Tastgrad so verringert, dass eine
vorbestimmte Spannung erzeugt wird. Dann tritt das Problem auf, dass
lediglich ein Teil der Leistungsfähigkeit des Leistungstransistors
genutzt wird.
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Das
zuvor erwähnte
Problem, dass lediglich ein Teil des Leistungsvermögens des
Leistungstransistors genutzt wird, wird gelöst, wenn ein Gleichrichtverfahren
verwendet wird, bei dem das Gleichstromglied innerhalb eines weiten
Drehzahlbereiches auf einer konstanten Spannung gehalten wird. Diesbezüglich gibt
es eine herkömmliche
Technik, die als PWM-Stromrichter bezeichnet wird. Bei der herkömmlichen
Technik wird die Transistorbrücke
gemäß der Spannung
des Generators mittels PWM geschaltet, und ist dadurch gekennzeichnet,
dass die Gleichspannung nach der Umwandlung gesteuert werden kann.
Daher ist als Stromrichtverfahren entsprechend Änderungen der Generatorfrequenz
und -spannung des Generators, eine Struktur möglich, bei der ein PWM-Stromrichter
und ein PWM-Umrichter über
das Gleichstromglied kombiniert werden.
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Jedoch
beträgt,
bedingt durch die Einschränkung
bezüglich
der Ansprechgeschwindigkeit des aktuellen Leistungstransistors,
die maximale PWM-Frequenz in der Praxis ca. 10 kHz. Weiter tritt,
wenn die Generatorfrequenz beispielsweise größer als 1 kHz ist, wenn ein
Mikrocomputer die PWM steuert, bedingt durch die Einschränkung betreffend
die Ansprechgeschwindigkeit des Mikrocomputers, das wei tere Problem
auf, dass es schwierig ist, die PWM-Zeitsteuerung an die Generatorspannung
anzupassen.
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Ein
Ziel der Erfindung besteht darin, eine Turbinengeneratorvorrichtung
bereitzustellen, um einen abgegebenen hochfrequenten Strom eines
Synchrongenerators veränderlicher
Frequenz und Spannung in stabiler Weise auf eine gewünschte Frequenz
und Spannung umzuwandeln und diese auszugeben.
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INHALT DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung,
wie definiert durch Anspruch 1, weist eine Turbinengeneratorvorrichtung auf:
(a) einen Turbinengenerator, der eine Gasturbine, deren Abgabeleistung
durch einen Treibstoffdurchsatz gesteuert werden kann, und einen
Synchrongenerator vom Permanentmagnet-Typ beinhaltet, der mit der
Gasturbine verbunden ist, (b) einen Stromrichter, der mit dem Turbinengenerator
verbunden ist, (c) einen Wechselrichter, der zwischen den Stromrichter
und ein Wechselstromanschlusssystem geschaltet ist, und (d) eine
Steuereinheit, welche die Turbinengeneratorvorrichtung so steuert,
dass während
eines Systemanschluss-Betriebsmodus der Gasturbine ein Treibstoff
bei einem Treibstoffdurchsatz zugeführt wird, der einer vorbestimmten
Last entspricht, wobei der Stromrichter ein Pseudo-System erzeugt,
dessen Frequenz mit einer eingestellten Drehzahl der Gastturbine
bei der vorbestimmten Last übereinstimmt,
und einen abgegebenen Strom des Generators in einen Gleichstrom
umwandelt, und zwar in einen Zustand, bei dem eine Drehzahl der Gasturbine
dadurch bestimmt ist, dass der Generator synchron zu dem Pseudo-System
betrieben wird, eine zu entnehmende Leistung in Abhängigkeit
von einer Größe einer
Turbinenausgabeleistung gesteuert wird, und der Wechselrichter eine
von denn Stromrichter ausgegebene Gleichspannung durch eine Pulsweitenmodulation
in eine Wechselspannung umwandelt, und zwar bei einer Systemspannung
und einer Systemfrequenz, so dass die vom Stromrichter ausgegebene
Gleichspannung auf einer vorbestimmten Spannung gehalten wird.
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Beispielsweise
wird der abgegebene Strom des Synchrongenerators, der mit Dreiphasen-
oder Einphasen-Spannung und -Frequenz erzeugt wird, durch die Wirkung
des Stromrichters und des Umrichters beispielsweise in die Systemspannung
und -frequenz des kommerziellen Netzes umgewandelt. Der abgegebene
Strom des Stromrichters kann einer Gleichstromspannungsquelle zugeführt werden,
d. h. zwischen der Gleichstromspannungsquelle und dem Ausgangsanschluss
des Synchrongenerators ist der Stromrichter installiert. Weiter
ist zwischen dem Dreiphasen- oder Einphasen-Ausgangsanschluss zum Ausgeben
von Strom gewünschter
Spannung und Frequenz an das System und die Gleichspannungsquelle,
der Umrichter installiert. Durch die Pulsweitenmodulationsoperation
des Stromrichters wird, unter Verwendung der synchronisierenden
Leistung des Synchrongenerators, die Ausgangsanschlussspannung und
-frequenz des Generators eingestellt. Beispielsweise wird ein Muster
von Ausgangsspannung und -frequenz vorbestimmt, und gemäß dem Muster
wird der Tastgrad eingestellt und eine Pulsweitenmodulationssteuerung
durchgeführt.
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Während des
Systemanschlussbetriebs wird die erzeugte Leistung des durch die
Gasturbine angetriebenen Synchrongenerators durch einen Strom entnommen,
der in die Gleichstromspannungsquelle, wie beispielsweise ein Stromspeicherelement, über den
Stromrichter fließt.
Der in die Gleichstromspannungsquelle fließende Strom wird durch den
Umrichter in die Systemspannung und die Systemfrequenz umgewandelt
und abgeleitet. Die Gleichstromspannungsquelle bringt die Leistung
durch den vom Synchrongenerator fließenden Strom mit der abgegebenen
Leistung in Gleichgewicht, wodurch deren/dessen Gleichspannung konstant
gehalten wird.
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Durch
Anbringen des Stromspeicherelementes kann eine Änderung der Spannung unterdrückt werden,
jedoch kann das Stromspeicherelement weggelassen werden. Das Stromspeicherelement kann
durch eine Speicherbatterie oder einen Kondensator realisiert sein.
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Eine
Leistungssteuerung eines Motors, bei dem es sich um eine Gasturbine
handelt, demgemäß also eine
Steuerung des der Gasturbine zugeführten Kraftstoffdurchsat zes,
wird gemäß der erforderlichen Last
durchgeführt.
Die für
die Erzeugung der erforderlichen Leistung geeignete Drehzahl wird
auf Basis der Eigenschaft der Gasturbine eingestellt, und die der
Drehzahl entsprechende Frequenz liegt am Ausgangsanschluss des Synchrongenerators
an.
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Ein
hochfrequentes Pseudo-System durch den Synchrongenerator wird erzeugt,
und die Gasturbine wird durch die synchronisierende Leistung des Synchrongenerators
synchron betrieben, und die erzeugte Leistung wird entnommen. Die
Gasturbine weist die Eigenschaft auf, dass während eines Betriebs mit einer
Abgabeleistung unterhalb der Nennleistung, durch Betreiben bei einer
Drehzahl unterhalb der Nenndrehzahl ein höherer Wirkungsgrad erzielt
werden kann. Dadurch muss, um einen Betrieb bei ernsthafter Berücksichtigung
des Wirkungsgrades durchzuführen,
die Drehzahl gemäß der Abgabeleistung
verändert
werden. Gemäß dem ersten
Aspekt der Erfindung kann eine Funktion realisiert werden, welche
durch Änderungen
der Drehzahl bedingte Änderungen
der Gleichspannung verhindert und die Gleichspannung stabilisiert.
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Die
Generatoranschlussspannung eines schnell laufenden Synchrongenerators
wird durch einen Stromrichter eingestellt, der beispielsweise durch
eine Transistorbrücke
zum Umwandeln von Wechselstrom und Gleichstrom realisiert werden kann,
den Generator damit synchronisiert, und dadurch erzeugten Strom
entnimmt und diesen in Gleichstrom umwandelt. Bei diesem System
wird weiter Gleichstrom in Wechselstrom vorbestimmter Frequenz und
Spannung des Umrichtersystems umgewandelt, und dadurch wird der
erzeugte Strom des schnell laufenden Generators umgewandelt. Wenn sich
der Ausgang des Umrichters unter Systemanschluss befindet, führt der
Umrichter die PWM-Steuerung durch, um die Spannung des Gleichspannungsglieds
konstant zu halten, und führt die
Leistungssteuerung durch Vergleichen des Kraftstoffdurchsatzes der
Gasturbine mit dem Soll-Leistungswert durch.
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Weiter
wird, nicht nur im Fall eines Systemanschlusses, sondern auch im
Fall eines unabhängigen
Betriebes, eine optimale Drehzahl gemäß der Last gewählt, und
die Frequenz der Anschlussspannung des Generators, die durch den
Stromrichter er zeugt wird, wird gesteuert. Der Stromrichter ist
ein PWM-Stromrichter, so dass, wenn die Frequenz durch den Permanentmagnet-Generator
verändert wird,
insbesondere auch, wenn die erzeugte Spannung zum Zeitpunkt einer
geringen Drehzahl abfällt, die
Spannung des Gleichspannungsglieds konstant gehalten werden kann.
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Die
synchronisierende Leistung wird nachfolgend beschrieben. Wenn der
Generator Strom erzeugt, eilt die Phase der induzierten Spannung
des Generators derjenigen der Anschlussspannung vor, und ein Strom,
wobei die Differenz zwischen der induzierten Spannung und der Anschlussspannung durch
die Wicklungsimpedanz des Generators entfernt wird, fließt vom Generatoranschluss
zum Stromrichter. Die Impedanz beinhaltet die Induktivität und den
Widerstand der Wicklung, den Wirbelstromverlust und den Hystereseverlust
des Statoreisenkerns und des Rotors sowie den Effekt des Magnetfeldes (Ankergegenwirkung),
der durch einen durch die Wicklung fließenden Strom ausgeübt wird.
Durch die Wechselwirkung von Strom und Magnetfeld wirkt ein abbremsendes
Drehmoment auf den Rotor des Generators, und wenn das abbremsende
Drehmoment und die Leistung des Motors im Gleichgewicht sind, führt der
Generator eine Stromerzeugung in stabilem Zustand fort. Wenn das
Antriebsdrehmoment des Motors bei diesem Zustand abnimmt, steigt
das elektrische Abbremsdrehmoment an, und der Rotor des Generators
wird abgebremst, und die Phase der induzierten Spannung gegen die
vom Stromrichter erzeugte Spannung wird verringert. Als Ergebnis
wird der vom Generator zum Stromrichter fließende Strom verringert, und
das Drehmoment für
ein elektromagnetisches Abbremsen des Rotors wird ebenfalls verringert,
und ein neuer Gleichgewichtszustand mit geringerer erzeugter Leistung
wird realisiert.
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Wenn
das Antriebsdrehmoment des Motors, bei dem es sich um eine Gasturbine
handelt, umgekehrt vergrößert wird,
wird das Antriebsdrehmoment des Motors größer als das elektrische Abbremsdrehmoment,
und der Rotor des Generators wird beschleunigt, und die Phase der
induzierten Spannung des Generators wird gegenüber der vom Stromrichter erzeugte
Spannung wird verringert. Als Ergebnis wird der Strom, der vom Generator
zum Stromrichter fließt,
vergrößert, und
das Abbremsdrehmoment, welches elektromagnetisch auf den Rotor einwirkt, wird
eben falls vergrößert, und
ein neuer Gleichgewichtszustand mit vergrößerter erzeugter Leistung wird
realisiert.
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Wie
zuvor erwähnt,
erfolgt gemäß der Phasendifferenz
zwischen der induzierten Spannung und der durch den Stromrichter
festgelegten Anschlussspannung im Generator ein elektrisches Erzeugen
eines Beschleunigungsdrehmomentes oder eines Abbremsdrehmomentes.
Dies wird als synchronisierende Leistung bezeichnet, welche auf
die vom Stromrichter erzeugte Spannungsfrequenz einwirkt, um ein Abweichen
der Drehzahl des Generators zu verhindern. Und zwar wird die Frequenz
der Anschlussspannung des Generators, die durch den Stromrichter
festgelegt wird, in einem stationären Zustand vergrößert oder
verringert, und somit kann die Betriebsdrehzahl der Turbine dieser
folgend vergrößert oder verringert
werden.
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Außerdem ist,
wenn das Drehmoment der Gasturbine zum Antreiben des Generators
niedrig ist, die Phase der induzierten Spannung des Generators gegenüber derjenigen
der Anschlussspannung des Generators verzögert, so dass umgekehrt zum
Zeitpunkt der Erzeugung ein Strom vom Anschluss zum Generator fließt, und
der Generator arbeitet als Motor, und ein elektrisches Drehmoment
wird erzeugt, so dass die Rotation beschleunigt wird.
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Wie
zuvor erwähnt,
kann durch das Stromrichtersystem der Erfindung, aus dem Zustand,
bei dem der Generator als Motor rotiert, in den Zustand, bei dem
Strom aus dem Generator entnommen wird, die Rotation des Generators
kontinuierlich ohne Stoppen gesteuert werden. Dadurch kann, in dem gleichen
Ausgabezustand, eine optimale Drehzahl ausgewählt und betrieben werden.
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Die
synchronisierende Leistung, welche ermöglicht, dass der Generator
der Frequenz der durch den Stromrichter erzeugten Anschlussspannung
des Generators folgt, ist begrenzt, und der Generator kann plötzlichen Änderungen
der Frequenz nicht folgen. Weiter wirkt, wenn versucht wird, bei
einer niedrigen erzeugten Frequenz eine große Leistung zu entnehmen, das
Antriebsdrehmoment jenseits der Drehmomentgrenze, die elektrisch
erzeugt werden kann, und die Drehzahl des Ge nerators kann in ähnlicher
Weise der Anschlussspannung und -frequenz nicht folgen. Dieses Phänomen wird
als "Außer-Tritt-Geraten" bezeichnet. Um ein
Außer-Tritt-Geraten zu
verhindern, werden die Anschlussspannung und -frequenz in Übereinstimmung mit
dem Antriebsdrehmoment der Turbine gesteuert oder Kraftstoff wird
innerhalb des Bereich der Leistung gesteuert, die bei der Drehzahl
entsprechend der eingestellten Anschlussspannung und -frequenz erzeugt
werden kann, und somit werden Stromrichtersteuerung und Turbinensteuerung
verbunden, wodurch der Stromrichteffekt der Erfindung erzeugt wird.
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Als
Größen zum
Spezifizieren der Anschlussspannung des Generators gibt es eine
Frequenz und eine Spannung. Die Frequenz wird festgelegt, um die
Rotation des Generators zu spezifizieren, hingegen spezifiziert
die Spannung das Verhältnis
des Leistungsfaktors am Generatoranschluss zur synchronisierenden
Leistung für
die Phasendifferenz zwischen der induzierten Spannung und der Anschlussspannung.
Eine Spannung für
einen Leistungsfaktor von 1 ist am Generatoranschluss vorhanden.
Wenn die Anschlussspannung höher
als dies festgelegt ist, wird die synchronisierende Leistung vergrößert, hingegen
wird der Leistungsfaktor verringert, und der Generatorwirkungsgrad
wird schlechter, und wenn die Anschlussspannung niedriger als diese eingestellt
ist, wird die synchronisierende Leistung verringert, und der Leistungsfaktor
wird ebenfalls verringert. Um ein Außer-Tritt-Geraten zu verhindern, wird
der Generator so gesteuert, dass im Übergangszustand die Spannung
vergrößert wird
und im stabilen Zustand der Leistungsfaktor auf 1 eingestellt wird.
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Wenn
der Ausgang des Umrichters mit dem System verbunden ist, wird die
Ausgangsspannung durch das System gesteuert. Der Umrichter sendet die
Energie an das System. In diesem Fall kann der Umrichter die Spannung
nicht steuern, und die Spannungssteuerung ist nicht erforderlich,
und der Umrichter steuert die auszugebende Leistung. Beispielsweise
wird (1) bei einer Ausführungsform
der Kraftstoff des Motors so gesteuert, dass eine vorbestimmte Leistung
an den Umrichter ausgegeben wird, die Drehzahl gemäß der Leistung
durch den Stromrichter eingestellt wird, und die resultierende Änderung
der Spannung der Gleichstromquelle gesteuert wird. (2) Oder bei
einer weiteren Ausführungsform
Kraftstoff entsprechend e lektrischer Energie dem Motor zugeführt wird,
und die Drehzahl gemäß der Leistung durch
den Stromrichter eingestellt wird, und der Umrichter den Transistor
so steuert, dass die Spannung der Gleichstromquelle festliegt.
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Die
Erfindung stellt die Spannung am Ausgangsanschluss des Generators
durch den Stromrichter ein, wodurch ermöglicht wird, dass die Rotationsfrequenz
des Generators dieser folgt, und zwar unter Verwendung der synchronisierenden
Leistung des Generators, und entnimmt elektrischen Strom entsprechend
der Leistung, die durch den Motor erzeugt wird, bei dem es sich
um eine Gasturbine handelt. Und zwar ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass die Stromumrichtoperation nicht in Abhängigkeit von der erzeugten
Spannung durchgeführt
wird, und umgekehrt spezifiziert der Stromrichter die Spannung und
die Frequenz, und ermöglicht, dass
die Rotation des Generators dieser folgt, und somit wird der Strom
umgerichtet.
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Im
Fall eines unabhängigen
Betriebes steuert der Umrichter die Ausgangsspannung so, dass sie
festliegt. Der Umrichter erfasst eine Änderung der Last von dem Ausgang
von diesem und steuert den Kraftstoff gemäß der Last. Während des
unabhängigen
Betriebs muss die Frequenz und die Spannung konstant gehalten werden,
und zwar ungeachtet der Last, und aus diesem Grund steuert der Umrichter die
Ausgangsspannung und -frequenz so, dass diese festliegt. Die ausgegebene
Leistung ändert
sich mit der Last. Um einer Änderung
der Last zu entsprechen, wird die Abgabeleistung des Motors, bei
dem es sich um eine Gasturbine handelt, verändert. Wenn die Abgabeleistung
des Motors einer vorübergehenden Änderung
der Last nicht folgen kann, wird ein Stromspeicherelement, beispielsweise
eine Speicherbatterie oder ein Kondensator, in der Gleichspannungsquelle
installiert, und die gespeicherte Energie ermöglicht, dass die Abgabeleistung
des Motors einer vorübergehenden
Leistungsänderung
folgt.
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Ein
Energiespeicherelement kann zwischen dem Stromrichter und dem Umrichter
installiert sein.
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Außerdem kann
die Steuereinheit die Turbinengeneratorvorrichtung so steuern, dass
während des
Anlaufens der Umrichter einen Strom des Systems in einen Gleichstrom
umwandelt, und zwar mittels einer Pulsweitenmodulation bei einer
Frequenz des Systems, der Stromrichter eine Frequenz mit der Zeit
vergrößert und
er die Frequenz an den als Synchronmotor arbeitenden Synchrongenerator
liefert, und zwar durch Vornehmen einer Pulsweitenmodulation eines
vom Umrichter ausgegebenen Gleichstroms und der Kraftstoffdurchsatz,
welcher der Gasturbine geliefert wird, im Verlauf der Erhöhung der Frequenz
mit der Zeit vergrößert wird,
wodurch ein Strom, der zum Synchrongenerator hin fließt, invertiert
wird, so dass er aus dem Synchrongenerator heraus fließt.
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Außerdem kann
eine Steuereinheit die Turbinengeneratorvorrichtung so steuern,
dass während des
Anhaltens der der Gasturbine gelieferte Kraftstoffdurchsatz mit
der Zeit verringert wird, und der Stromrichter verringert mit der
Zeit die Pulsweitenmodulation des Gleichstroms, der an den Umrichter
auszugeben ist, und zwar im Verlauf des Verringerns des Kraftstoffdurchsatzes.
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Wenn
die Frequenz der durch den Stromrichter erzeugten Spannung zunimmt,
arbeitet der Generator als Motor, und die Drehzahl steigt der Frequenz der
Spannung folgend, die durch den Stromrichter erzeugt wird. In diesem
Verlauf wird, wenn Kraftstoff zugeführt und gezündet wird, der Motor gestartet. Wenn
die Kraftstoffmenge kontinuierlich vergrößert wird und die Drehzahl
gleichzeitig vergrößert wird,
erzeugt der Motor Leistung mittels eines unabhängigen Zustands und der mit
diesem verbundene Generator erzeugt elektrischen Strom. Der Strom,
der in dem als Motor arbeitenden Generator zuerst von der Gleichspannungsquelle über den
Stromrichter fließt, kehrt
die Richtung in Übereinstimmung
mit einer Erzeugung von elektrischem Strom durch den Generator um
und fließt
vom Generator zur Gleichspannungsquelle. Und zwar steht vorn Beginn
eines Laufens als stationärer
Generator ein kontinuierliches Laufen zur Verfügung. Zum Anhalten kann eine
kontinuierliche Operation in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden.
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Der
Stromrichter kann beinhalten: eine Stromrichter-Brückenschaltung,
die ein Stromrichter-Schaltelement mit einem Steueranschluss für eine Schaltoperation
zum An- oder Ausschalten des Stroms aufweist; und eine Stromrichter-Steuerschaltung,
die ein Steuersignal für
die Schaltoperation dem Steueranschluss des Stromrichter-Schaltelementes
zuführt.
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Der
Umrichter kann beinhalten: eine Umrichter-Brückenschaltung, die ein Umrichter-Schaltelement
mit einem Steueranschluss für
eine Schaltoperation zum An- oder Ausschalten des Stroms aufweist;
und eine Umrichter-Steuerschaltung, die ein Steuersignal für die Schaltoperation
dem Steueranschluss des Umrichter-Schaltelementes zuführt.
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Der
Stromrichter und der Umrichter können eine
Brückenschaltung
aufweisen, und die Brückenschaltung
besteht beispielsweise aus Schaltelementen, wie z. B. einem Transistor,
und demgemäß können Operationen
im Fall eines Systemanschlussbetriebs oder eines unabhängigen Betriebs,
bei dem vom Turbinengenerator dem System oder der Last elektrischer
Strom zugeführt
wird, und in einem Fall, bei dem vom System dem Synchrongenerator
elektrischer Strom zugeführt
wird, um ein Anlaufen durchzuführen,
problemlos ausgeführt
werden. Bei weiteren Ausführungsformen
der Erfindung können
der Stromrichter und der Umrichter einen anderen Aufbau haben, anstelle
der Brückenschaltung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematisches Blockdiagramm, das den Gesamtaufbau einer Ausführungsform
der Erfindung darstellt;
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, welches den Aufbau während eines
Systemanschlussbetriebs darstellt, wenn die Turbinengeneratorvorrichtung
und das in 1 dargestellte System verbunden
sind;
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3 ist
ein schematisches Blockdiagramm der Turbinengeneratorvorrichtung
während
eines Systemanschlussbetriebs;
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4 ist
ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Turbinengeneratorvorrichtung
zum Steuern des Stromrichters während
eines Systemanschlussbetriebs darstellt;
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5 ist
ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Turbinengeneratorvorrichtung
zum Steuern des Umrichters während
eines Systemanschlussbetriebs darstellt;
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6 ist
ein schematisches Blockdiagramm, welches den Aufbau der Turbinengeneratorvorrichtung
zum Steuern während
eines unabhängigen
Betriebs darstellt;
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7 ist
ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der in 6 dargestellten
Turbinengeneratorvorrichtung zum Steuern des Stromrichters während eines
unabhängigen
Betriebes darstellt;
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8 ist
ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der in 6 dargestellten
Turbinengeneratorvorrichtung zum Steuern des Umrichters während eines
unabhängigen
Betriebes darstellt;
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9 ist
ein Ablaufdiagramm, welches die Funktionsweise der in der Steuereinrichtung
enthaltenen Verarbeitungsschaltung beim Anlaufen der Turbinengeneratorvorrichtung
erläutert;
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10 ist
ein Ablaufdiagramm, welches die Funktionsweise der in der Steuereinrichtung
enthaltenen Verarbeitungsschaltung zum Zeitpunkt des Stoppens des
Betriebs der Turbinengeneratorvorrichtung erläutert;
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11 ist
ein Wellenformdiagramm, welches die Pulsweitenmodulationsoperation
der Stromrichter-Brückenschaltung
des Stromrichters darstellt;
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12 ist
ein Blockdiagramm, welches den Aufbau beim Stand der Technik zum
Zeitpunkt einer Stromerzeugung darstellt;
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13 ist
ein Blockdiagramm, welches einen Aufbau des in 12 dargestellten
Standes der Technik zum Zeitpunkt des Anlaufens darstellt.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Wie
in 1 dargestellt, beinhaltet ein Turbinengenerator 1 eine
Gasturbine 2 und einen Synchrongenerator 3 vom
Permanentmagnettyp. Kraftstoff wird der Gasturbi ne 2 von
einer Kraftstoffquelle 4 zugeführt, um über einen Gasverdichter 5 zum Steuern
des Kraftstoffdurchsatzes und weiter über ein Absperrventil 6 Treibstoffgas
zuzuführen.
Die Gasturbine 2 ist mit einer Zündkerze 7 versehen,
um Kraftstoff mittels einer Zündkerze
zu zünden.
Durch Steuern des Kraftstoffdurchsatzes wird die Abgabeleistung
der Gasturbine 2 gesteuert, und die Drehzahl kann gesteuert
werden.
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Der
Synchrongenerator 3 vom Permanentmagnettyp beinhaltet einen
Rotor mit Permanentmagnet und einen Stator mit Magnetspule und wird durch
den Rotor, der mit der Abtriebswelle der Gasturbine 2 direkt
verbunden ist, angetrieben und in Drehung versetzt. Dadurch wird
eine induzierte Spannung erzeugt, deren Frequenz der Drehzahl entspricht.
Weiter arbeitet, wenn eine Versorgung und Erregung der Magnetspule
mittels Wechselstrom erfolgt, der Synchrongenerator 3 vom
Permanentmagnettyp als Synchronmotor, er erzeugt ein Drehmoment
und kann die Rotation der Gasturbine 2 starten.
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Die
Magnetspule des Generators 3 ist beispielsweise vom Sternvierer-(Star-Quad)-Typ und ist mit einem
Stromrichter 14 über
Leitungen 11, 12 und 13 verbunden. Der
Stromrichter 14 weist eine Stromrichter-Brückenschaltung 17 auf,
die zwischen Leitungen 15 und 16 geschaltet ist.
Die Stromrichter-Brückenschaltung 17 beinhaltet
Schalttransistoren Q1c und Q2c, Q3c und Q4c, und Q5c und Q6c für jede Phase,
die in Reihe zwischen die Leitungen 15 und 16 geschaltet
sind, und ist mit den Leitungen 11, 12 und 13 verbunden.
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Zwischen
den Leitungen 15 und 16 ist ein Gleichspannungsglied 18 installiert
und weiter ist ein Umrichter 19 installiert. Der Umrichter 19 weist
eine Umrichter-Brückenschaltung 20 auf,
die zwischen die Leitungen 15 und 16 geschaltet
ist. Die Umrichter-Brückenschaltung 20 ist ähnlich der
zuvor erwähnten
Stromrichter-Brückenschaltung 17,
weist Umrichter-Schalttransistoren Q1i und Q2i, Q3i und Q4i, und
Q5i und Q6i auf, die für
jede Phase in Reihe geschaltet sind, und ist mit Leitungen 21, 22 und 23 verbunden.
Die Schalttransistoren Q1c bis Q6c und Q1i bis Q6i können durch
andere Schaltelemente als Transistoren realisiert sein, die Steueranschlüsse zum
Durchführen
der An-/Aus-Schaltoperationen aufweisen.
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Die
Leitungen 21, 22 und 23 sind über eine Drossel 24,
eine Stromstoß-Schutzschaltung 25 und einen
Schutzschalter (Stromkreisunterbrecher) 26 mit einem Wechselstromnetz 27 verbunden.
Der Turbinengenerator 1, der Stromrichter 14,
das Gleichspannungsglied 18, der Umrichter 19,
die Drossel 24, die Stromstoß-Schutzschaltung 25, und der
Stromkreisunterbrecher 26 bilden eine Turbinengeneratorvorrichtung 29 als
Ausführungsform
der Erfindung. Die Turbinengeneratorvorrichtung 29 ist
mit dem Stromnetz 27 über
Leitungen 31, 32 und 33 verbunden. Eine
Steuerstromquelle 34 ist mit den Leitungen 31, 32 und 33 verbunden.
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Von
den Leitungen 11 bis 13, welche den Turbinengenerator 1 und
den Stromrichter 14 verbinden, sind in den Leitungen 11 und 12 Stromsensoren 43 und 44 vorgesehen
und erfassen Ströme,
die durch die Leitungen 11 und 12 fließen. Von
den Leitungen 21 bis 23, welche eine Verbindung
zwischen dem Umrichter 19 und der Drossel 24 herstellen,
sind in den Leitungen 21 und 22 Stromsensoren 46 und 47 vorgesehen,
welche Ströme
erfassen, die durch die Leitungen 21 und 22 fließen. Mit
den Leitungen 31 bis 33, welche den Stromkreisunterbrecher 26 und das
Stromnetz 27 verbinden, ist ein Spannungssensor 49 zum
Erfassen einer Zwischenleitungs-Spannung verbunden. Mit den Leitungen 15 und 16 des Gleichspannungsglieds 18 ist
ein Spannungssensor 51 zum Erfassen der Spannung des Gleichspannungsglieds 18 verbunden.
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2 ist
ein schematisches Blockdiagramm, welches den Aufbau darstellt, bei
dem die Turbinengeneratorvorrichtung 29 und das in 1 dargestellte
Stromnetz 27 während
eines Systemverbindungsbetriebs verbunden sind. Mit den Leitungen 31, 32 und 33 ist
eine elektrischen Strom verbrauchende Last 35 verbunden.
Dreiphasiger Wechselstrom von der Turbinengeneratorvorrichtung 29 und/oder
dreiphasiger Wechselstrom vom Stromnetz 27 werden der Last 35 zugeführt. Dadurch
kann ein Systemanschlussbetrieb für die Turbinengeneratorvorrichtung 29 durchgeführt werden.
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3 ist
ein schematisches Blockdiagramm der Turbinengeneratorvorrichtung 29 während eines Systemanschlussbetriebs.
Der Stromrichter 14 beinhaltet eine Stromrichtersteuerschaltung 37,
die ein Steuersignal an die Gate- oder Basisanschlüsse liefert,
welches Steueranschlüsse
für die
Schaltoperation zum An- oder Ausschalten der Stromrichter-Schalttransistoren
Q1c bis Q6c sind, die die Stromrichter-Brückenschaltung 17 bilden.
Das Gleichspannungsglied 18 kann Stromspeicherelemente 40,
wie beispielsweise eine Speicherbatterie 38 und einen Kondensator 39 beinhalten,
die zwischen die Leitungen 15 und 16 geschaltet
sind. Die Erfindung kann durch einen Aufbau realisiert sein, dass
das Stromspeicherelement 40, wie beispielsweise die Speicherbatterie 38,
weggelassen ist, und der Stromrichter 14 und der Umrichter 19 sind
durch die Leitungen 15 und 16 verbunden.
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Der
Umrichter 19 beinhaltet eine Umrichter-Steuerschaltung 41,
welche ein Steuersignal für die
Schaltoperation an die Umrichter-Brückenschaltung 20 und
die Gate- oder Basisanschlüsse für die Schaltoperation
zum An- oder Ausschalten der Umrichter-Schalttransistoren Q1i bis
Q6i liefert, welche die Umrichter-Brückenschaltung 20 bilden.
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4 ist
ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Turbinengeneratorvorrichtung 29 zum Steuern
des Stromrichters 14 während
eines Systemanschlussbetriebs darstellt. Eine Lasteinstelleinrichtung 53 stellt
eine Last ein, die von der Turbinengeneratorvorrichtung 29 an
das Stromnetz 27 ausgegeben werden soll, beispielsweise
einen Wert von 20 kW, führt
ein Signal, welches die eingestellte Last anhebt, einer Leitung 54 zu,
und liefert dieses einer Subtrahiereinrichtung 55. Eine
Ausgangsgröße der Lasterfassungseinrichtung 56 wird
der Subtrahiereinrichtung 55 zugeführt. Die Lasterfassungseinrichtung 56 dient
dazu, ein Produkt aus einem Strom vom Umrichter 19, der
durch die Stromsensoren 46 und 47 erfasst wird,
und einer Ausgangsspannung, die durch den Spannungssensor 49 erfasst
wird, zu berechnen und eine Last zu erfassen. Die Ausgangsgröße der Subtrahiereinrichtung 55 wird
einer Steuerschaltung 57 zugeführt, um eine PI-Regelung durchzuführen. Dadurch
wird von einer Leitung 58 zu einen Gasverdichter 5 (siehe 1)
ein Kraft stoffsteuersignal zum Steuern des Kraftstoffdurchsatzes,
das der Gasturbine 2 zuzuführen ist, zugeführt. Auf
diese Weise wird der Kraftstoffdurchsatz, welcher der Gasturbine 2 zuzuführen ist,
so eingestellt, dass die durch die Lasterfassungseinrichtung 56 erfasste
Last mit der durch die Lasteinstelleinrichtung 53 eingestellten
Last übereinstimmt.
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Die
Ausgangsgröße der Lasteinstelleinrichtung 53 wird über die
Leitung 54 auch einer Steuerschaltung 59 zugeführt. Die
Steuerschaltung 59 beinhaltet einen Speicher, der eine
Abbildung der Turbineneigenschaft speichert, welche die Drehzahl
eines guten Betriebswirkungsgrades in Entsprechung zur Last der
Gasturbine 2 angibt, und leitet ein Signal her, welches
die Drehzahl zum Antreiben des Generators 3 der Gasturbine 2 entsprechend
der durch die Lasteinstelleinrichtung 53 eingestellten
Last angibt. Dadurch leitet die Steuerschaltung 59 ein
Signal, welches eine durch den Generator 3 erzeugte Spannung V
angibt, zu einer Leitung 61, leitet ein Signal zu, welches
die Frequenz der Spannung angibt, die vom Generator 3 entsprechend
der Drehzahl abgeleitet wird, und führt dieses einem Pulsweitenmodulations-(PWM)-Generator 63 zu.
Der PWM-Generator 63 führt
den Gate- oder Basisanschlüssen
der Schalttransistoren Q1c bis Q6c, welche die Umrichter-Brückenschaltung 17 bilden,
ein Steuersignal zu. Auf diese Weise führt der Stromrichter 14 eine
Pulsweitenmodulation des abgegebenen Stroms des Generators 3 mit
einer Frequenz f entsprechend der Drehzahl der Gasturbine 2 bei
der durch die Lasteinstelleinrichtung 53 eingestellten
Last durch, wandelt diesen in einen ausgegebenen Gleichstrom um,
und liefert den ausgegebenen Gleichstrom über das Gleichspannungsglied 18 an
den Umrichter 19.
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5 ist
ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der Turbinengeneratorvorrichtung 29 zum Steuern
des Umrichters 19 während
eines Systemanschlussbetriebs darstellt. Ein Signal, welches die durch
einen Gleichspannungsbefehl 66 eingestellte Spannung angibt,
wird einer Subtrahiereinrichtung 68 über eine Leitung 67 zugeführt. Die
Spannung des Gleichspannungsglieds 16 zwischen den Leitungen 15 und 16 wird
durch den Spannungssensor 51 erfasst, und ein Signal, welches
die erfasste Spannung angibt, wird der Subtrahiereinrichtung 68 über eine Leitung 69 zuge führt. Die
Ausgangsgröße der Subtrahiereinrichtung 68 wird
einer PI-Regelschaltung 71 zugeführt, und
ein Signal, um die vom Spannungssensor 51 erfasste Spannung
mit der durch die Gleichspannungs-Einstelleinrichtung 66 eingestellten
Gleichspannung zur Übereinstimmung
zu bringen, wird einer Subtrahiereinrichtung 73 über eine Leitung 72 zugeführt.
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Ein
Signal, welches die Ausgangsgröße angibt,
die von den Stromsensoren 46 und 47 zum Erfassen
des Ausgangsstroms des Umrichters 19 erfasst wird, wird
einer dq-Achsen-Umwandlungsschaltung 75 zugeführt und
in einen Wirkstrom Iq und einen Blindstrom Id umgewandelt. Ein den
Wirkstrom Iq angebendes Signal wird der Subtrahiereinrichtung 73 über die
Leitung 76 zugeführt.
Die Ausgangsgröße der Subtrahiereinrichtung 73 wird
einer P-Regelschaltung 77 zugeführt, und ein Signal, welches
eine Wirkspannung Vq angibt, wird einer q-Achsen-Invers-Umwandlungsschaltung 78 zugeführt. Die dq-Achsen-Umwandlungsschaltung 78 führt den Gate-Anschlüssen der
Schalttransistoren Q1i bis Q6i der Umrichter-Brückenschaltung 20 ein
Steuersignal zu. Der Leistungsfaktor des Stroms, der vom Umrichter 19 über die
Leitungen 21 bis 23 auf diese Weise zugeführt wird,
wird als 1 genommen, und der Gleichstrom des Gleichspannungsglieds 19 stimmt
mit der Spannung und der Frequenz des Stromnetzes 27 überein,
wird mit der gleichen Phase zugeführt, und wird der Last 35 zugeführt.
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Ein
Signal, welches den von der dq-Achsen-Umwandlungsschaltung 75 zugeführten Blindstrom
Id angibt, wird einer Subtrahiereinrichtung 81 von einer
Leitung 79 zugeführt.
Die Ausgangsgröße einer
Einstellschaltung 82, die den Blindstrom auf 0 einstellt,
wird ebenfalls der Subtrahiereinrichtung 81 zugeführt. Die
Subtrahiereinrichtung 81 leitet ein Signal ab, um den erfassten
Blindstrom Id auf 0 zu setzen, und erzeugt ein Steuersignal der
Umrichter-Brückenschaltung 20 durch
eine PI-Regelschaltung 83 in der
dq-Achsen-Invers-Umwandlungsschaltung 78, so dass die Blindspannung
Vd des elektrischen Stroms vorn Umrichter 19, der von den
Leitungen 21 bis 23 zugeführt wird, auf 0 gesetzt wird.
Auf diese Weise wandelt der Umrichter 19 die Gleichspannung des
Gleichspannungsglieds 19 mittels Pulsweitenmodulation in
eine Wechselspannung um, und zwar mit der Spannung des Strom netzes 27 und
der Frequenz des Stromnetzes 27, so dass die vom Stromrichter 14 ausgegebene
Gleichspannung durch den Gleichspannungsbefehl 66 auf einer
vorbestimmten Spannung gehalten wird.
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6 ist
ein schematisches Blockdiagramm, welches den Aufbau der Turbinengeneratorvorrichtung 29 für eine Steuerung
bei einem unabhängigen Betrieb
darstellt. Ein unabhängiger
Betrieb wird durchgeführt,
wenn beim Stromnetz 27 mit den Leitungen 31 bis 33 ein
Stromausfall vorliegt. Während des
unabhängigen
Betriebs führt
die Turbinengeneratorvorrichtung 29 der Last 35 elektrischen
Strom mit den gleichen Spannungs- und Frequenzwerten des Stromnetzes 27 wie
bei normalem Betrieb zu.
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7 ist
ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der in 6 dargestellten
Turbinengeneratorvorrichtung 29 zum Steuern des Stromrichters 14 bei
einem unabhängigen
Betrieb darstellt. Die Lasterfassungseinrichtung 56 erfasst,
wie zuvor erwähnt, eine
Last durch das Produkt aus dem Strom vom Umrichter 19,
der durch die Stromsensoren 46 und 47 erfasst
wird, und aus der durch den Spannungssensor 49 erfassten
Spannung. Ein Signal, welches die erfasste Last angibt, wird einer
Steuerschaltung 89 zugeführt. Die Steuerschaltung 89 weist
den gleichen Aufbau wie die zuvor erwähnte Steuerschaltung 59 auf
und beinhaltet einen Speicher, der eine Abbildung der Turbineneigenschaft
speichert, welche die Drehzahl der Gasturbine 2 in Entsprechung
zur erfassten Last angibt. In Übereinstimmung
mit der Drehzahl, die der von der Steuerschaltung 89 erfassten
Last entspricht, wird ein Signal, welches die Spannung und die Frequenz
f des Generators 3 angibt, den Leitungen 61 und 62 zugeführt und
dem Pulsweitenmodulations-(PWM)-Generator 63 zugeführt, und
somit werden die Schalttransistoren Q1c bis Q6c gesteuert, die in
der Stromrichter-Brückenschaltung 17 vorgesehen
sind.
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Auf
diese Weise führt
der Stromrichter 14 eine Pulsweitenmodulation des ausgegebenen Stroms
des Generators 3 bei einer Frequenz f durch, die der Drehzahl
der Gasturbine 2 bei der von der Lasteinstelleinrichtung 56 erfassten
Last entspricht, und wandelt diesen in einen ausgegebenen Wechselstrom
um. Ein Signal, welches eine Frequenz f des vom Generator 3 erzeugten
elektrischen Stroms angibt, wird in der Leitung 62 einer
Zähleinrichtung 91 zugeführt, mit
einem vorbestimmten Koeffizienten k multipliziert, und einer Addiereinrichtung 93 über eine Leitung 92 zugeführt. Die
Ausgangsgröße des Addierers 93 wird
dem Gasverdichter 5 über
die Leitung 58 zugeführt,
und somit wird der Kraftstoffdurchsatz, welcher der Gasturbine 2 zuzuführen ist,
in Übereinstimmung
mit der von der Lasterfassungseinrichtung 56 erfassten
Last bestimmt.
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Außerdem stellt
die Gleichspannungs-Einstelleinrichtung 66 die Spannung
des Gleichspannungsglieds 18 ein, und ein Signal, welches
die eingestellte Spannung angibt, wird der Subtrahiereinrichtung 68 über die
Leitung 67 zugeführt.
Der Spannungssensor 51 erfasst die Spannung zwischen den Leitungen 15 und 16 des
Gleichspannungsglieds 18 und liefert ein Signal, welches
die erfasste Spannung angibt, der Subtrahiereinrichtung 68 über die
Leitung 69. Die Ausgangsgröße der Subtrahiereinrichtung 68 wird
einer PI-Steuerschaltung 85 zugeführt. Dadurch wird ein Signal,
um die durch den Spannungssensor 51 erfasste Spannung mit
der durch die Gleichspannungs-Erfassungseinrichtung 66 eingestellte
Spannung in Übereinstimmung
zu bringen, der Addiereinrichtung 93 zugeführt. Auf
diese Weise wird der der Gasturbine 2 zugeführte Kraftstoffdurchsatz
ebenfalls so gesteuert, dass die vom Stromrichter 14 ausgegebene
Gleichspannung auf der durch die Gleichspannungs-Einstelleinrichtung 66 eingestellten Spannung
gehalten wird.
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8 ist
ein Blockdiagramm, welches den Aufbau der in 6 dargestellten
Turbinengeneratorvorrichtung 29 zum Steuern des Stromrichters 14 während eines
unabhängigen
Betriebs darstellt. Eine von den Leitungen 31 bis 33 ausgegebene
Wechselspannung wird durch eine Wechselspannungs-Einstelleinrichtung 97 eingestellt,
und ein Signal, welches die eingestellte Wechselspannung angibt,
wird einer Subtrahiereinrichtung 98 zugeführt. Die
eingestellte Wechselspannung kann beispielsweise 220 V betragen,
wie zuvor erwähnt.
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Ein
Signal, welches eine von den Leitungen 31 bis 33 ausgegebene
Spannung angibt, wird vom Spannungssensor 49 während eines
unabhängigen Betriebs
einer dq- Achsen-Umwandlungsschaltung 99 zugeführt, und
ein Signal, welches die Wirkspannung Vq von dieser angibt, wird
der Subtrahiereinrichtung 98 zugeführt. Die Subtrahiereinrichtung 98 gibt
ein Signal, um die Wirkspannung Vq mit der durch die Wechselspannungs-Einstelleinrichtung 97 eingestellten
Wechselspannung in Übereinstimmung zu
bringen, an eine PI-Reglerschaltung 101 aus. Die Ausgangsgröße der Steuerschaltung 101 wird
der dq-Achsen-Invers-Umwandlungsschaltung 78 zugeführt. Weiter
wird die Ausgangsgröße von einer
Einstelleinrichtung 102 zum Einstellen der von den Leitungen 31 bis 33 zugeführten Blindspannung
Vd ebenfalls der dq-Achsen-Invers-Umwandlungsschaltung 78 zugeführt. Die
dq-Achsen-Invers-Umwandlungsschaltung 78 liefert
ein Steuersignal an die Gate- oder Basisanschlüsse der Schalttransistoren Q1i
bis Q6i der Umrichter-Brückenschaltung 20.
Dadurch führt
der Umrichter 19, um die Wechselspannung, die vom Umrichter 19 ausgegeben
und durch den Spannungssensor 49 erfasst wird, auf einer durch
die Wechselspannungs-Einstelleinrichtung 97 vorbestimmten
Spannung Vs zu halten und die Frequenz f der durch den Spannungssensor 49 erfassten
Wechselspannung auf der Frequenz des Stromnetzes 27 im
normalen Zustand wie beispielsweise 50 Hz oder 60 Hz zu halten,
ein Umwandeln der Gleichspannung, die vom Stromrichter 14 an
das Gleichspannungsglied 18 ausgegeben wird, in eine Wechselspannung
mittels Pulsweitenmodulation durch.
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Wie
in 1 dargestellt, beinhaltet eine Gate-Ansteuerschaltung 104 den
Pulsweitenmodulations-(PWM)-Generator 63 und die dq-Achsen-Invers-Umwandlungsschaltung 78,
welche zuvor erwähnt
wurden. Eine in 1 dargestellte Steuerschaltung 105 beinhaltet
die zuvor erwähnten,
in 4 bis 8 dargestellten Komponenten,
welche Signale an die Gate-Ansteuerschaltung 104 liefern, und
beinhaltet weiter einen Mikrocomputer 106. Der Mikrocomputer 106 liefert
auch Signale an die Gate-Ansteuerschaltung 104.
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9 ist
ein Ablaufdiagramm, welches die Funktionsweise der in der Steuereinrichtung 105 enthaltenen
Verarbeitungsschaltung 106 beim Anlaufen der Turbinengeneratorvorrichtung 29 erläutert. Beim Fortschreiten
von Schritt a1 auf Schritt a2, zum Start-Zeitpunkt, liefert die
Verarbeitungsschaltung 106 ein Signal an die Gate- Ansteuerschaltung 104, führt die
Schaltoperation der Schalttransistoren Q1i bis Q6i durch, die in
der Umrichter-Brückenschaltung 20 des
Umrichters 19 vorgesehen sind, wandelt den Strom des Netzes 27 in
einen Gleichstrom mittels Pulsweitenmodulation um, und zwar bei
der Frequenz des Stromnetzes 27, und führt den Strom vom Stromnetz 27,
der durch den Umrichter 19 in Gleichstrom umgewandelt wird,
dem Gleichspannungsglied 18 zu. Bei Schritt a3 wird die
Spannung der Speicherbatterie 38 vergrößert, die im Gleichspannungsglied 18 vorgesehen
ist.
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Bei
Schritt a4 wird, durch Durchführen
der Schaltoperation der Schalttransistoren Q1c bis Q6c, die in der
Stromrichter-Brückenschaltung 17 des Stromrichters 14 vorgesehen
sind, vom Stromrichter 14 die Frequenz des Wechselstroms,
welcher den Leitungen 11 bis 13 zugeführt wird,
mit der Zeit vergrößert, so
dass der Generator 3 als Synchronmotor arbeitet, und zwar
durch Pulsweitenmodulieren des Gleichstroms, um an das Gleichspannungsglied 18 vom
Umrichter 19 ausgegeben zu werden. Im Verlauf der Erhöhung der
Frequenz des Wechselstroms, der durch den Stromrichter 14 dem
Generator 3 zuzuführen
ist, wird bei Schritt a5 die Gasturbine 2 durch Zuführen und
Zünden
von Kraftstoff gestartet, und bei Schritt a6 wird der der Gasturbine 2 zuzuführende Kraftstoffdurchsatz
mit der Zeit durch den Gasverdichter 5 vergrößert und
gezündet.
Auf diese Weise wird bei Schritt a7 der Strom, der vom Stromrichter 14 zum
Generator 3 fließt,
mit zunehmender Drehzahl der Gasturbine 2 und demzufolge
des Generators 3, invertiert, so dass er vom Generator 3 zum Stromrichter 14 fließt. Auf
diese Weise erfolgt ein automatisches Anlaufen der Turbinengeneratorvorrichtung 29.
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10 ist
ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung
der Funktionsweise der in der Steuereinrichtung 105 vorgesehenen
Verarbeitungsschaltung 106, wenn der Betrieb der Turbinengeneratorvorrichtung 29 gestoppt
werden soll. Die Funktionsweise der Verarbeitungsschaltung 106 zum
Stoppen des Betriebes ist im Wesentlichen urgekehrt zur Operation
zum Startzeitpunkt, der in 9 dargestellt
ist. Bei Fortschreiten von Schritt b1 auf Schritt b2 wird der der Gasturbine 2 gelieferte
Kraftstoffdurchsatz mit der Zeit durch den Gasverdichter 5 verringert.
Bei Schritt b3 erfolgt, im Verlauf des Verringerns des Kraftstoffdurchsatzes
bei Schritt b2, durch den Stromrichter 14 mit der Zeit
eine Verringerung der Frequenz für
die Pulsweitenmodulation des Gleichstroms, der an den Umrichter 19 auszugeben
ist. Auf diese Weise wird der Turbinengenerator 1 gestoppt
und die Schalttransistoren Q1c bis Q6c sowie Q1i bis Q6i, die und Stromrichter 14 und
dem Umrichter 19 vorgesehen sind, werden geöffnet.
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11 ist
ein Wellenformdiagramm zur Erläuterung
der Pulsweitenmodulationsoperation der Stromrichter-Brückenschaltung 17 des
Stromrichters 14. Während
eines Systemanschlussbetriebs wird die in 11(1) dargestellte
Spannung den Leitungen 11 bis 13 vom Generator 3 zugeführt. Die
Periode der Ausgangsspannung des Generators 3 ist durch
Bezugszeichen T1 bezeichnet und deren Frequenz beträgt beispielsweise
1 bis 1,6 kHz.
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11(2) zeigt die Schaltzustände der Schalttransistoren
Q1c bis Q6c der Stromrichter-Brückenschaltung 17.
In einem festen Zeitraum T2 (T2 < T1)
sind eine AN-Dauer
T21 und eine AUS-Dauer T22 (T2 = T21 + T22) in Übereinstimmung mit der Spannung
des Gleichspannungsglieds 18 eingestellt, d. h. ein Tastgrad
D (= T21/T2) ist eingestellt. Dies kann mit der Umrichter-Brückenschaltung 20 des Umrichters 19 verwirklicht
werden.
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Gemäß der Erfindung
kann, wenn der Ausgang des Umrichters an das System angeschlossen ist,
elektrischer Strom unter der Bedingung ausgegeben werden, dass ein
ausgegebener hochfrequenter Strom des Synchrongenerators von veränderlicher Frequenz
und Spannung, und zwar von einem durch ein Gasturbine angetriebenen
Synchrongenerator vom Permanentmagnettyp, in stabiler Weise in eine benötigte Frequenz
und Spannung umgewandelt wird. Weiter kann, sogar wenn die Drehzahl
des Synchrongenerators absinkt, ungeachtet von Änderungen des Ausgangsstroms
des Synchrongenerators, eine Umwandlung zum Herleiten eines stabilen
ausgegebenen Stroms realisiert werden.
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Weiter
kann gemäß der Erfindung
während eines
unabhängigen
Betriebs, durch Verändern
der Abgabeleistung der Gasturbine, die ausgegebene Spannung und
Frequenz des Umrichters konstant gehalten werden.
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Weiter
wird gemäß der Erfindung
zum Zeitpunkt eines Anlaufens, der Synchrongenerator als Motor betrieben,
und dadurch kann eine automatische Anlaufoperation durchgeführt werden,
und vom Anlaufen bis zum Laufen als stationärer Generator kann ein kontinuierlicher
Betrieb durchgeführt
werden, und ein Stoppen des Betriebs kann durch eine kontinuierliche
Operation ermöglicht
werden.