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TECHNISCHES GEBIET
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Diese
Erfindung betrifft das technische Gebiet der Turbogenerator-/-Motorsteuerungen
und insbesondere ein Verfahren zum Steuern eines Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors
und einen Controller für
einen Dauermagnet-Turbogenerator/Motor.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Ein
Dauermagnet-Turbogenerator/Motor umfasst im Allgemeinen einen Rotoraufbau
mit mehreren gleich beabstandeten Magnetpolen mit abwechselnder
Polung um den äußeren Umfang
des Rotors, oder, in jüngeren
Zeiten, eine solide Struktur aus Samariumkobalt oder Neodym-Eisen-Bor.
Der Rotor ist innerhalb eines Stators drehbar, der im Allgemeinen
mehrere Windungen und Magnetpole mit abwechselnder Polung aufweist.
In einem Generatormodus verursacht das Drehen des Rotors, dass die Dauermagnete
an den Statorpolen und Wicklungen vorbeilaufen und dadurch das Fließen eines
elektrischen Stroms in jeder der Wicklungen induzieren. Wenn ein
elektrischer Strom durch die Statorwindungen geht, verursachen die
erregten Windungen das Drehen des Rotors, so dass der Generator
als ein Motor funktioniert.
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Eine
der Anwendungen eines Dauermagnetgenerators/-Motors wird Turbogenerator
genannt, der einen Antriebskopf aufweist, der auf der gleichen Welle
installiert ist wie der Dauermagnetgenerator/Motor und auch einen
Vergasungsbrenner und einen Wärmeaustauscher
aufweist. Der Antriebskopf des Turbogenerators würde normalerweise einen Verdichter,
eine Gasturbine und einen Lagerrotor aufweisen, durch den die Zugstange
des Dauermagnetgenerators/-Motors geht. Der Verdichter wird von
der Gasturbine angetrieben, die erhitzte Abgase von dem Vergasungsbrenner
empfängt,
der mit vorgewärmter
Luft von dem Wärmeaustauscher
versorgt wird.
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Ein
Dauermagnet-Turbogenerator/-Motor kann verwendet werden, um elektrische
Leistung für eine
umfangreiche Reihe von Elektrizitäts-Versorungsunternehmen-,
Handels- und Industrieanwendungen bereitzustellen. Während ein
einzelner Dauermagnet-Turbogenerator/-Motor nur 24 bis 50 Kilowatt
erzeugt, sind Antriebsaggregate bis zu 500 Kilowatt oder mehr möglich, indem
zahlreiche Dauermagnet-Turbogeneratoren/Motoren untereinander verbunden
werden. Notstromversorgung, Spitzenbedarfsausgleichleistung und
Leistung für
entfernte Lagen sind nur einige der potenziellen Einsatzbereiche, bei
welchen sich diese leichten, geräuscharmen, kostengünstigen,
umweltfreundlichen und wärmetechnisch
effizienten Einheiten als nützlich
erweisen können.
Um die strengen Forderungen der Elektrizitäts-Versorgungsunternehmen erfüllen zu
können, und
insbesondere, wenn der Dauermagnet-Turbogenerator/-Motor als ein
Zusatz für
Elektrizitäts-Versorgungsunternehmensleistung
betrieben werden soll, ist jedoch eine präzise Steuerung des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors
erforderlich.
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Um
den Turbogenerator/Motor zu starten, wird elektrischer Strom zu
den Statorwindungen des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors zugeführt, um
den Dauermagnetgenerator/-Motor als einen Motor zu betreiben und
dadurch die Gasturbine des Turbogenerators zu beschleunigen. Während dieser
Beschleunigung werden in der richtigen Reihenfolge zu dem Vergasungsbrenner
Funken und Kraftstoff zugeführt,
und sich selbst erhaltende Gasturbinenbedingungen werden erreicht.
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Ein
Beispiel für
ein Startsystem für
Turbogenerator/Motor ist in der
U.S.
Patentanmeldung Nr. 837 600 beschrieben, eingereicht am
21. April 1997 von Edward C. Edelmann mit dem Titel „Gas Turbine Engine
With Fixed Speed Light-Off System and Method". Diese Anmeldung wurde als
US 6 062 016 ausgestellt.
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In
diesem Punkt wird der Wechselrichter von dem Dauer magnetgenerator/Motor
abgetrennt, neu auf einen gesteuerten 50/60-Hertzmodus konfiguriert,
und liefert dann entweder geregelte 50/60 Hertz-Drehstromspannung
zu einer Einzellast oder phasenverriegelt sich mit dem Versorgungsbetrieb oder
anderen ähnlichen
Controllern, um als ein Zusatz zu dem Versorgungsbetrieb zu funktionieren. Bei
dieser Betriebsart wird die Leistung für den Wechselrichter von dem
Dauermagnetgenerator/Motor über
Hochfrequenz-Gleichrichterbrücken
abgezweigt. Ein Mikroprozessor kann die Turbinenbedingungen überwachen
und den Kraftstofffluss zu dem Gasturbinen-Vergasungsbrenner steuern.
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Ein
Beispiel für
ein solches Steuersystem für Turbogenerator/Motor
ist in der
U.S. Patentanmeldung
Nr. 924 966 , eingereicht am 8. September 1997 von Everett
R. Geis und Brian W. Peticolas mit dem Titel „Turbogenerator/Motor Controller" beschrieben. Diese
Anmeldung wurde als
US 5 903
116 ausgestellt.
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Ein
typischer Gasturbinenmotor eines Turbogenerators/-Motors funktioniert
mit konstanter Drehzahl. Der Gasturbinenmotor wird auf die maximale sich
selbst erhaltende Betriebsdrehzahl beschleunigt und nach Bedarf
belastet. Eine elektronische Spannungsregulierung hält die konstante
Spannung aufrecht. Das Betreiben des Turbogenerators/-Motors mit einer
konstanten Drehzahl ergibt jedoch keine maximale Betriebseffizienz
für den
Gasturbinenmotor.
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EP-A-0 837 231 offenbart
ein Verfahren zum Steuern eines Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors
mit den folgenden Schritten:
- a) Bereitstellen
elektrischer Leistung zu dem Dauermagnet-Turbogenerator/Motor über einen Wechselrichter
zum Starten des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors zum Erzielen
von sich selbst erhaltendem Betrieb,
- b) Abtrennen der elektrischen Leistung von dem Wechselrichter,
sobald der sich selbst erhaltende Betrieb erzielt ist, und
- c) Liefern von Spannung von dem Dauermagnet-Turbogenerator/Motor.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zum Steuern eines Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors
mit den folgenden Schritten bereit:
- a) Bereitstellen
elektrischer Leistung zu dem Dauermagnet-Turbogenerator/Motor über einen Wechselrichter
zum Starten des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors zum Erzielen
von sich selbst erhaltendem Betrieb,
- b) Abtrennen der elektrischen Leistung von dem Wechselrichter,
sobald der sich selbst erhaltende Betrieb erzielt ist, und
- c) Liefern von Spannung von dem Dauermagnet-Turbogenerator/Motor,
gekennzeichnet durch Aufrechterhalten der Abgastemperatur von dem Dauermagnet-Turbogenerator/-Motor
auf einen im Wesentlichen konstanten Wert während des Lieferns der Spannung.
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Die
Erfindung weist auch einen Controller für einen Dauermagnet-Turbogenerator/-Motor
auf, der Folgendes umfasst:
einen Wechselrichter zum betreibbaren
Zuordnen zu dem Dauermagnet-Turbogenerator/Motor,
Mittel zum
Verbinden einer Stromversorgung mit dem Dauermagnet-Turbogenerator/Motor über den
Wechselrichter zum Starten des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors,
um sich selbst erhaltenden Betrieb zu erzielen und
die Stromversorgung
von dem Wechselrichter abzutrennen, sobald der sich selbst erhaltende
Betrieb des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors
erzielt ist, und
Mittel, um Spannung von dem Dauermagnet-Turbogenerator/Motor
zu liefern, gekennzeichnet durch
Mittel zum Aufrechterhalten
der Abgastemperatur von dem Dauermagnet-Turbogenerator/Motor auf
einem im Wesentlichen konstanten Wert, während der Dauermagnet-Turbogenerator/Motor
Spannung liefert.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nach
dieser allgemeinen Beschreibung der Erfindung wird nun auf die begleitenden
Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
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1 eine
perspektivische Ansicht im teilweisen Abriss eines Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors
ist, der das Verfahren und den Controller der Erfindung verwenden
kann,
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2 ein
Betriebsblockschaltbild der Schnittstelle zwischen dem Dauermagnet-Turbogenerator/Motor
der 1 und einer Ausführungsform eines Controllers
der Erfindung ist,
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3 ein
Betriebsblockschaltbild des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motor-Controllers
der 2 ist,
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4a ein
Betriebsblockschaltbild der Kraftstoffsteuerschleife des Controllers
ist und
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4b ein
Betriebsblockschaltbild der Stromsteuerschleife des Controllers
ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein
Dauermagnet-Turbogenerator/-Motor 10 ist in 1 als
ein Beispiel für
einen Turbogenerator/Motor veranschaulicht, der das Verfahren und
den Controller der Erfindung verwendet. Der Dauermagnet-Turbogenerator/-Motor 10 weist
im Allgemeinen einen Dauermagnetgenerator 12, einen Antriebskopf 13,
einen Vergasungsbrenner 14 und einen Rekuperator (oder
Wärmeaustauscher) 15 auf.
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Der
Dauermagnetgenerator 12 weist einen Dauermagnetrotor oder
Mantel 16 auf, in dem ein Dauermagnet angeordnet ist, der
drehbar innerhalb eines Dauermagnetstators 18 von einem
Paar beabstandeter Achslager getragen wird. Radiale Dauermagnetstatorkühlrippen 25 sind
in einem äußeren zylindrischen
Mantel 27 enthalten, um einen ringförmigen Luftflussdurchgang zu
bilden, der den Dauermagnetstator 18 kühlt und dadurch die Luft vorheizt,
die auf ihrem Weg zu dem Antriebskopf 13 durchgeht.
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Der
Antriebskopf 13 des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors 10 umfasst
einen Verdichter 30, eine Gasturbine 31, und einen
Lagerrotor 36, durch den die Zugstange 29 durchgeht.
Der Verdichter 30 mit einem Verdichterlaufrad oder Rad 32,
das vorgewärmte
Luft von dem ringförmigen
Luftflussdurchgang in dem zylindrischen Mantel 27 um den Dauermagnetstator 18 empfängt, wird
von der Gasturbine 31 mit dem Turbinenrad 33 angetrieben,
das erhitzte Abgase von dem Vergasungsbrenner 14 empfängt, der
mit Luft von dem Wärmeaustauscher 15 versorgt
wird. Das Verdichterrad 32 und das Turbinenrad 33 werden
drehend von der Lagerwelle oder dem Rotor 36 gestützt, und
haben sich radial erstreckende Lagerrotor-Druckscheiben 37.
Der Lagerrotor 36 wird drehend von einem einzelnen Achslager innerhalb
des Mittenlagergehäuses
gestützt,
während
die Lagerrotor-Druckscheibe 37 an dem Verdichterende des
Lagerrotors 36 drehend von einem zweiseitigen Drucklager
getragen wird. Die Lagerrotor-Druckscheibe 37 befindet
sich neben der Druckseite an dem Verdichterende des Mittenlagergehäuses, während eine
Lagerdruckplatte an dem entgegen gesetzten Ende der Lagerrotor-Druckscheibe 37 in
Bezug zu der Mittengehäuse-Druckseite
angeordnet ist.
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Die
Einlassluft wird von dem Verdichter durch den Dauermagnetgenerator 12 30
gesaugt, der den Druck der Luft steigert und sie in den Wärmeaustauscher 15 zwingt.
In dem Wärmeaustauscher wird
Abgashitze von der Gasturbine 31 verwendet, um die Luft
vorzuwärmen,
bevor sie in den Vergasungsbrenner 14 eintritt, wo die
vorgewärmte
Luft mit Kraftstoff gemischt und verbrannt wird. Die Verbrennungsgase
werden dann in der Gasturbine 31 ausgedehnt, die den Verdichter 30 und
den Dauermagnetrotor 16 des Dauermagnetgenerators 12 antreibt,
der auf die gleiche Welle wie die Gasturbine 31 montiert ist.
Die ausgedehnten Turbinenabgase werden dann durch den Wärmeaustauscher 15 geleitet,
bevor sie aus dem Turbogenerator/Motor 10 ausgelassen werden.
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Ein
Betriebsblockschaltbild der Schnittstelle zwischen dem Generatorcontroller 40 und
dem Dauermagnet-Turbogenerator/Motor 10 für den Einzelbetrieb
ist in 2 veranschaulicht. Der Generatorcontroller 40 empfängt Leistung 41 von
einer Quelle, wie zum Beispiel einem Versorgungsbetrieb, um den Dauermagnetgenerator 12 als
einen Motor zu betreiben, um die Turbine 31 des Antriebskopfs 13 zu
starten. Während
der Startsequenz wird die Versorgungsbetriebsleistung 41 gleichgerichtet,
und eine gesteuerte Frequenzrampe wird zu dem Dauermagnetgenerator 12 geliefert,
der den Dauermagnetrotor 16 und das Verdichterlaufrad 32,
den Lagerrotor 36 und das Turbinenlaufrad 33 beschleunigt.
Diese Beschleunigung liefert ein Luftkissen für die Luftlager und Luftstrom
für den
Verbrennungsprozess. Bei etwa 14.000 U/Min. werden Funken und Kraftstoff
geliefert, und der Generatorcontroller 40 unterstützt das Beschleunigen
des Turbogenerators 10 bis zu einer Solldrehzahl von etwa
30.000 U/Min., um die Startsequenz zu vervollständigen. Das Kraftstoffsteuerventil 44 wird
auch von dem Generatorcontroller 40 reguliert, der den
Kraftstoff reduziert, um die Turbinenabgastemperatur auf einen Sollwert
zwischen 600 und 900 Grad Fahrenheit zu regulieren (etwa 315 und 482
Grad Celsius).
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Sobald
dieser anfängliche
sich selbst erhaltende Betrieb erzielt ist, wird der Dauermagnet-Motor abgeschaltet,
und der Generatorcontroller 40 wird neu konfiguriert. Für Versorgungsnetz-Anschlussanwendungen
wird der Ausgang 42 mit dem Eingang 41 verbunden,
und diese Anschlüsse
sind dann der Einzelversorgungsnetzanschluss.
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Unter
Bezugnahme auf 3 verbindet der Generatorschütz 53 den
Dauermagnetgenerator 12 mit dem Wechselrichter 49 während der
Startsequenz. Der anfängliche
Startstrom ist dem Nennbetriebsstrom während etwa 2 Sekunden ähnlich und sinkt
dann während
des Rests der Beschleunigungsperiode auf einen niedrigeren Wert.
Nach dem Abschließen
der Startsequenz erzeugt der Generator 12 genug Ausgangsspannung
an den Ausgangsklemmen des Generator-Gleichrichters 54,
um einen regulierten Drehstromausgang von dem Wechselrichter 49 bereitzustellen,
so dass sowohl der Startschütz 46 als
auch der Generatorschütz 53 geöffnet werden
und das System sich dann selbst erhält.
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Während des
Hochlaufens des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors 10 sind sowohl der Startleistungsschütz 46 als
auch der Generatorschütz 53 geschlossen,
und der Ausgangsschütz 52 ist
offen. Sobald der sich selbst erhaltende Betrieb erreicht ist, werden
der Startleistungsschütz 46 und
der Generatorschütz 53 geöffnet, und
der Pulsbreitenmodulations-Wechselrichter 49 wird auf einen
gesteuerten 50/60-Hertzmodus
neu konfiguriert. Nach dem Neukonfigurieren des Pulsbreitenmodulations-Wechselrichters 49 wird
der Ausgangsschütz 52 geschlossen,
um den Wechselstromausgang 42 zu verbinden. Der Startleistungsschütz 46 und
der Generatorschütz 53 bleiben
offen.
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Die
Funktionsblöcke
innerhalb des Generatorcontrollers 40 sind in 3 veranschaulicht.
Der Generatorcontroller 40 weist nacheinander den Startleistungsschütz 46,
den Gleichrichter 47, DC-Buskondensatoren 48,
den impulsbreitenmodulierten (PWM) Wechselrichter 49, das
AC-Ausgangsfilter 51, den Ausgangsschütz 52, den Generatorschütz 53 und
den Dauermagnetgenerator 12 auf. Der Generatorgleichrichter 54 ist
von zwischen dem Gleichrichter 47 und den Buskondensatoren 48 zu
zwischen dem Generatorschütz 53 und
dem Dauermagnetgenerator 12 verbunden. Der AC-Leistungsausgang 42 wird von
dem Ausgangsschütz 52 abgenommen,
während
das Nullpotenzial von dem AC-Filter 51 abgenommen wird.
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Der
Steuerlogikabschnitt besteht aus einer Steuerleistungsversorgung 56,
einer Steuerlogik 57 und geschalteten Halbleiter-Antrieben,
die als integrierte Bipolar-Transistor (IGBT)-Antriebe 58 veranschaulicht
sind, die aber beliebige Hochgeschwindigkeits-Halbleiterschaltvorrichtungen
sein können.
Die Steuerlogik 57 empfängt
ein Temperatursignal 64 und ein Stromsignal 65,
während
die IGBT-Antriebe 58 ein Spannungssignal 66 empfangen.
Die Steuerlogik 57 sendet Steuersignale zu der Kraftstoffabschaltspule 62,
dem Kraftstoffsteuerventil 44, dem Zünder 60 und dem Auslassventil 61.
Wechselstrom 41 wird sowohl zu dem Startleistungsschütz 46 als auch,
in bestimmten Fällen,
direkt zu der Steuerleistungsversorgung 56 in dem Steuerlogikabschnitt
des Generatorcontrollers 40 wie in gestrichelten Linien angezeigt,
bereitgestellt.
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Die
Versorgungsbetrieb-Startleistung 41 (zum Beispiel 208 Wechselspannung,
3-phasig, 60 Hertz) ist mit dem Startleistungsschütz 56 über Sicherungen
(nicht gezeigt) verbunden. Der Startleistungsschütz 46 kann aus einem
ersten normalerweise offenen Relais und einem zweiten normalerweise geschlossenen
Relais bestehen, wobei beide beim Starten entregt sind. Alternativ
können
beide Relais normalerweise offen sein, und die Steuerleistungsversorgung 56 erhält ihren
Eingang direkt von dem Versorgungsbetriebleistungseingang 41.
Flammensichere Leistungswiderstände
können
zu diesen Relais parallel sein, um einen reduzierten Strom bereitzustellen
(etwa maximal 10 Ampere), um die internen Buskondensatoren 48 über den
Gleichrichter 47 langsam aufzuladen, um es zu vermeiden,
von dem Versorgungsbetrieb einen übermäßigen Einschaltstromstoß abzu nehmen.
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Sobald
die Buskondensatoren 48 im Wesentlichen aufgeladen sind
(auf etwa 180 Volt Gleichstrom oder 80 Prozent der Nennleistung),
beginnt die Steuerleistungsversorgung 56, logische Pegel
mit niedriger Spannung zu der Steuerlogik 57 bereitzustellen.
Sobald der Steuerlogikmikroprozessor die Selbsttests abgeschlossen
hat, wird die Windungsleistung zu dem ersten normalerweise offenen
Relais des Startleistungsschützes 46 bereitgestellt,
um die Buskondensatoren 48 auf volle Spitzenleitungsspannung
aufzuladen. Die Buskondensatoren 48 können zum Hochfrequenzfiltern
durch zusätzliche
Schichtkondensatoren (trocken) ergänzt werden.
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Der
pulsbreitenmodulierte Wechselrichter 49 funktioniert in
zwei grundlegenden Betriebsarten: eine variable Spannung (0-190V
Leitung zu Leitung), variable Frequenz (0-700 Hertz) konstante Spannung
pro Hertz, Drehstrommodus zum Antreiben des Dauermagnetgenerators/-Motors 12 zum
Starten oder Abkühlen,
wenn der Generatorschütz 52 geschlossen
ist; oder eine konstante Spannung (120V Leitung zu Nullpotenzial
pro Phase), Drehstrom-50/60-Hertzmodus mit konstanter Frequenz. Die
Steuerlogik 57 und die IGBT-Antriebe 58 empfangen
Feedback über
das Stromsignal 65 und das Spannungssignal 66 während der
Turbinengenerator die Drehzahlrampe hochläuft, um die Startfrequenz abzuschließen. Der
pulsbreitenmodulierte Wechselrichter 49 wird dann neu konfiguriert,
um Leistung zu 50/60 Hertz bereitzustellen, entweder als Stromquelle
für Versorgungsnetzanschluss
oder als eine Spannungsquelle.
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Der
pulsbreitenmodulierte Wechselrichter 49 ist ein echter
Doppelfunktionswechselrichter, der sowohl verwendet wird, um den
Dauermagnet-Turbogenerator/-Motor 10 zu starten als auch
um den Ausgang des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors zu Versorgungsleistung,
entweder fünfzig
oder sechzig Hertz, Drehstrom für
Einzelanwendungen umzuwandeln oder als eine Stromquellenvorrichtung.
Mit dem Startleistungsschütz 46 geschlossen,
wird Einphasen- oder Drehstrom-Versorgungsbetriebsleistung durch
den Startleistungsschütz 46 gebracht,
um in einen Brückengleichrichter 47 zu
betreiben und vorgeladene Leistung bereitzustellen und dann Startspannung
für die
Buskondensatoren 48, die mit dem pulsbreitenmodulierten
Wechselrichter 49 verbunden sind, bereitzustellen. Das
erlaubt es dem pulsbreitenmodulierten Wechselrichter 49,
als herkömmlicher einstellbarer
Antriebsmotorstarter zu funktionieren, um den Dauermagnet-Turbogenerator/Motor 10 auf eine
Rampe zu einer Drehzahl hochlaufen zu lassen, die ausreicht, um
die Gasturbine 31 zu starten.
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Der
Generatorgleichrichter 54, der von dem Ausgang des Dauermagnet-Turbogenerators/-Motors 10 funktioniert,
akzeptiert die Drehstrom-Wechselspannung von dem Dauermagnetgenerator/Motor 12,
die bei voller Drehzahl 1600 Hertz beträgt und als eine schnelle Diodengleichrichterbrücke eingestuft ist.
Sechs Diodenelemente, die in einer herkömmlichen Brückenkonfiguration angeordnet
sind, bilden diesen Hochfrequenzgleichrichter 54, der DC-Ausgangsleistung
liefert.
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Wenn
der pulsbreitenmodulierte Wechselrichter 49 den Dauermagnet-Turbogenerator/Motor 10 auf
Drehzahl gebracht hat, wirken die Kraftstoffspule 62, das
Kraftstoffsteuerventil 44 und der Zünder 60 zusammen,
um das Starten des Verbrennungsprozesses zu erlauben. Unter erneutem
Einsatz des einstellbaren Antriebsabschnitts des pulsbreitenmodulierten
Wechselrichters 49, wird der Dauermagnet-Turbogenerator/Motor 10 dann
auf eine Geschwindigkeit beschleunigt, bei der die Gasturbine 31 zum
sich selbst erhaltenden Betrieb fähig ist.
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Das
Neukonfigurieren oder das Umwandeln des pulsbreitenmodulierten Wechselrichters 49 zum Funktionieren
als Strom quelle synchron mit dem Versorgungsnetz erfolgt, indem
zuerst der pulsbreitenmodulierte Wechselrichter 49 gestoppt
wird. Der Wechselstromausgang oder der Versorgungsnetzanschlusspunkt
wird mit einem getrennten Satz von Logiküberwachung überwacht, um den pulsbreitenmodulierten
Wechselrichter 49 synchronisiert hochzubringen. Der Generatorschütz 53 funktioniert,
um zu schließen
und nur zu verbinden, wenn der pulsbreitenmodulierte Wechselrichter 49 den
Dauermagnet-Turbogenerator/Motor 10 speisen muss, was während des
Startbetriebs und während
des Herunterfahrens der Fall ist. Der Ausgangsschütz 52 wird nur
aktiviert, um den pulsbreitenmodulierten Wechselrichter 49 mit
dem Versorgungsnetz zu verbinden, sobald sich der pulsbreitenmodulierte
Wechselrichter 49 mit der Versorgungsnetzspannung synchronisiert hat.
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Bei
einer Drehzahl für
den sich selbst erhaltenden Betrieb ist die Gasturbinenabgastemperatur auf
eine maximale Temperatur beschränkt,
und der Dauermagnet-Motor wird abgeschaltet, der Kraftstromfluss
wird schnell angehoben, um die Gasturbine auf eine Drehzahl zu beschleunigen,
bei der Leistung extrahiert werden kann. Diese Drehzahl wird von
der Wechselspannung des Dauermagnetgenerators/-Motors 12 bestimmt,
die erforderlich ist, um eine Mindest-DC-Busspannung zu erzeugen.
Die Mindest-DC-Busspannung ist die Spannung, die erforderlich ist,
um Leistung durch den pulsbreitenmodulierten Wechselrichter 49 bei
der Wechselstrom-Sollwertausgangsspannung an den Ausgangsklemmen 42 zu
erzeugen.
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Sobald
diese ausgewählte
Busspannung und die entsprechende Drehzahl erreicht sind, wird der
Generatorcontroller 40 neu konfiguriert, um 50/60 Hertz,
Dreiphasen-Wechselstrom aus dem gleichgerichteten Hochfrequenz-Wechselstromausgang
des Hochgeschwindigkeits-Dauermagnet-Turbogenerators 10 zu
erzeugen. In diesem Punkt steuern die integralen proportionalen
Steuerschleifen, die in den 4a und 4b veranschaulicht
sind, den Betrieb des Turbogenerators. Die Kraftstoffsteuer-Steuerschleife 70 der 4a weist
einen Leistungskomparator 71 auf, der ein aktuelles Leistungssignal
mit einem Leistungssollwert vergleicht und ein Signal zu einer integralen
leistungsproportionalen Steuerung 72 liefert, die eine
Abtastzeit von 500 Millisekunden hat.
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Das
Ausgangssignal von dieser integralen leistungsproportionalen Steuerung 72 wird
zu einem Drehzahlkomparator 73 über einen Drehzahlsollwertbegrenzer 74 bereitgestellt.
Der Drehzahlkomparator 73 vergleicht den Drehzahlsollwert
mit einem aktuellen Drehzahlsignal und liefert ein Signal zu der
integralen drehzahlproportionalen Steuerung 75. Das Signal
von der integralen drehzahlproportionalen Steuerung 75,
das eine Abtastzeit von 20 Millisekunden hat, liefert ihr Signal
zu einem Auswähler 76,
der auch ein Signal von einer proportionalen integralen Mindest-DC-Busspannungssteuerung 78 empfängt, die
ebenfalls eine Abtastzeit von 20 Millisekunden hat. Diese proportionale
integrale Mindest-DC-Busspannungssteuerung 78,
die ein Signal von einem Mindest-DC-Busspannungskomparator 77 empfängt, der
ein aktuelles Busspannungssignal mit einem Busspannungssollwert
vergleicht, steuert während
des lastfreien Betriebs, um die Drehzahl aufrechtzuerhalten und
daher die Busspannung auf einem Mindestpegel, der aufrecht erhalten
werden muss, aufrecht zu erhalten. Der Auswähler 76 wählt das
Signal mit dem höchsten
Wert entweder von der drehzahlproportionalen integralen Steuerung 75 oder der
proportionalen integralen Mindest-DC-Busspannungssteuerung 78 aus
und liefert es zu dem Kraftstoffbegrenzer 79, der ein Kraftstoffsteuersignal
zu dem Kraftstoffsteuerventil 44 liefert.
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Die
Ausgangsstrom- oder Stromsteuer-Steuerschleife 80 ist in 4b veranschaulicht.
Der Abgastemperaturkomparator 81 vergleicht das aktuelle Abgastemperatursignal
mit einem Abgastemperatursollwert, um ein Signal zu einer abgastempe raturproportionalen
integralen Steuerung 82 mit einer 60 Millisekunden-Abtastzeit
zu liefern. Ein Busspannungssollwertbegrenzer 83 empfängt das
Signal von der abgastemperaturproportionalen integralen Steuerung 82 und
liefert ein Signal zu dem Spannungskomparator 84, der auch
ein aktuelles Busspannungssignal empfängt. Das Signal von dem Spannungskomparator 84 wird
zu einer proportionalen integralen niedrigeren Busspannungssteuerung 85 geliefert,
die eine Abtastzeit von 1 Millisekunde hat, um ein Ausgangsstromsignal
zu erzeugen.
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Das
Gasturbinensteuersystem ist konzipiert, um den Betrieb des Dauermagnet-Turbogenerator/Gasturbinenmotors
zu regulieren, wobei die Abgastemperatur auf einem konstanten Wert
gehalten wird, um über
einen großen
Bereich von Leistungseinstellungen für hohe Effizienz zu sorgen.
Die Abgastemperatur wird nur verringert, wenn die Busspannung ihr
Mindestlimit erreicht und das Sinken der Abgastemperatur forciert.
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Zum
Steigern des Leistungsausgangs des Turbogenerators wird ein gesteigerter
Leistungssollwert geliefert, und der Drehzahlsollwert der Gasturbine
wird über
die leistungsproportionale integrale Steuerung 72 erhöht. Dann
wird Kraftstoff gesteuert (hinzugefügt), um die Drehzahl und das
Leistungsausgangspotenzial des Systems zu erhöhen. Vorübergehend wird die Abgastemperatur
erhöht,
während
der Kraftstoff zu der Gasturbine hinzugefügt wird. Sobald jedoch die
Beschleunigung beginnt und die Gasturbinendrehzahl erhöht wird,
steigt der Luftfluss durch die Turbine und verringert dadurch die Abgastemperatur
der Gasturbine. Die abgastemperaturproportionale integrale Steuerung 82 verringert den
DC-Busspannungssollwert in den Busspannungskomparator 84,
und der Leistungsausgang des Turbogeneratorsystems wird angehoben,
wenn die proportionale integrale niedrigere Busspannungssteuerung 85 mehr
Ausgangsstrom steuert, um den Unterschied in dem Wert des Komparators 84 zu
verringern.
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Zum
Verringern des Leistungsausgangs des Turbogenerators wird ein verringerter
Leistungssollwert bereitgestellt, und der Drehzahlsollwert der Gasturbine
wird über
die leistungsproportionale integrale Steuerung 72 verringert.
Dann wird Kraftstoff gesteuert (verringert), um die Drehzahl und
das Leistungsausgangspotenzial des Systems zu verringern. Vorübergehend
wird die Abgastemperatur verringert, während Kraftstoff zu der Gasturbine
erhöht
wird. Sobald jedoch die Verzögerung
beginnt und die Gasturbinendrehzahl verringert wird, sinkt der Luftfluss durch
die Turbine und erhöht
dadurch die Abgastemperatur der Gasturbine. Die abgastemperaturproportionale
integrale Steuerung 82 steigert den DC-Busspannungssollwert
in dem Busspannungskomparator 84, und der Leistungsausgang
des Turbogeneratorsystems wird verringert, wenn die proportionale
integrale niedrigere Busspannungssteuerung 85 weniger Ausgangsstrom
steuert, um den Unterschied in dem Wert des Komparators 84 zu
verringern.
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Die
Steuerschleifenabtastzeiten sind wesentlich, wenn in Serie mehrere
proportionale integrale Steuerungen verwendet werden. Die leistungsproportionale
integrale Steuerung 72 muss zum Beispiel auf eine niedrigere
Rate reagieren, um es der drehzahlproportionalen integralen Steuerung 75 zu erlauben,
den aktuellen Drehzahlsollwert zu erreichen, bevor durch 72 ein
neuer Sollwert bereitgestellt wird. Ein ähnliches Beispiel ergibt sich,
wenn die abgastemperaturproportionale integrale Steuerung 82 und
eine proportionale integrale niedrigere Busspannungssteuerung 85 in
Serie sind.
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Das
Timing zwischen den Reihen proportionaler integraler Steuerungen
in den 4a und 4b ist
zum Stabilisieren des Steuersystems wesentlich. Da die Abgastemperatur
eine Beziehung mit der Kraftstoffsteuerung zu der Gasturbine hat,
muss sie innerhalb einer passenden Zeitmenge reagieren, um den Abgastemperatursollwert
aufrechtzuerhalten.
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Das
Schleifentiming der leistungsproportionalen integralen Steuerung 72 ist
ebenfalls kritisch. Die Steuerung hängt von der Reaktionszeit der
Drehzahl- und Abgastemperatursteuerungen 75 und 82 ab.
Der Ausgang der Gasturbine hängt
mit der Drehzahl und Temperatur zusammen. Diese Parameter müssen daher
stabilisiert werden, bevor die leistungsproportionale integrale
Steuerung ihr nächstes Feedbacksignal
erhält.
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Die
Stabilität
des Gasturbinensteuersystems wird daher durch Einstellen der Abtastzeiten
auf unterschiedliche proportionale integrale Steuerungen in unterschiedlichen
Zeitpunkten erzielt. Die hohe Abtastrate der drehzahl- und spannungsproportionalen
integralen Steuerungen erlauben es dem System, sich auf einen stationären Betrieb
einzulaufen, bevor ein neuer Drehzahlsollwert von der leistungsproportionalen
integralen Steuerung gesteuert wird. Das koppelt effektiv die Störung der
Leistungsschleife von der niedrigeren Busspannungsschleife ab.
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Die
Effizienz des Gasturbinenmotors wird signifikant durch das Aufrechterhalten
der Abgastemperatur auf einem konstanten Wert verbessert. Das Multieingangs-Multiausgangssystem
steuert effektiv den Turbogeneratorbetrieb, um maximale Leistung und
Effizienz zu erzielen.
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Ausführungsformen
des Turbogenerator-/Motorcontrollers weisen einen auf Mikroprozessor
basierenden Wechselrichter mit mehreren Betriebsarten und mehrere
proportionale integrale Steuerschleifen auf, darunter eine Kraftstoffsteuer-Steuerschleife und
eine Stromsteuer-Steuerschleife. Die Abgastemperatur der Gasturbine
wird auf einem konstanten Wert gehalten, während die Stabilität durch Variieren
der Abtastzeiten der verschiedenen proportionalen integralen Steuerungen
innerhalb der Steuerschleifen erzielt wird.
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Während spezifische
Ausführungsformen der
Erfindung veranschaulicht und beschrieben wurden, ist es klar, dass
diese beispielhaft gegeben werden, und dass die Erfindung nicht
als auf sie, sondern nur durch den entsprechenden Geltungsbereich
der folgenden Ansprüche
eingeschränkt
betrachtet werden darf.