DE861893C

DE861893C - Electric power transmission for hydraulic pumping and power systems with strongly changing pressure levels

Info

Publication number: DE861893C
Application number: DES21127A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dipl-Ing Simon
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1950-12-05
Filing date: 1950-12-05
Publication date: 1953-01-08

Description

Elektrische Kraftübertragung für hydraulische Pump-und Kraftanlagen,init stark wechselnden Druckhöhen In der Technik tritt oft das Bedürfnis auf, große Wassermengen bei stark wechselnden Druckhöhen zu heben oder in Kraftwerken auszunutzen. Der erste Fall liegt z. B. oft vor bei Entwässerungsanlagen und in großem Maßstab bei Schiffahrtskanälen mit mangelndem natürlichem Wasserzufluß, bei welchem zur Füllung der Schleusenkammern Wasser jeweils von der unteren Haltung in die Kammer gepumpt werden muß. Der zweite Fall liegt z. B. vor bei Gezeitenkraftwerken.Electric power transmission for hydraulic pumps and power plants, init Strongly changing pressure levels In technology there is often a need to dispose of large amounts of water to lift or to use in power plants in the case of strongly changing pressure levels. The first Case is z. B. often before in drainage systems and on a large scale in shipping canals with a lack of natural water inflow, with which to fill the lock chambers Water must be pumped into the chamber from the lower section. The second Case is z. B. in front of tidal power plants.

Die Kupplung der hydraulischen Maschinen mit Drehstrommaschinen führt bei stark wechselnden Druckhöhen zu großen Verlusten, da die Drehstrommaschine an eine feste synchrone Drehzahl gebunden ist, die hydraulische Maschine aber, je nach der Druckhöhe, 'mit- stark wechselnden Umdrehungszahlen laufen müßte, um. richtig und wirtschaftlich zu arbeiten.The coupling of the hydraulic machines with three-phase machines leads high losses in the case of strongly changing pressure levels, since the three-phase machine is switched on a fixed synchronous speed is bound, the hydraulic machine however, depending on the pressure altitude, 'would have to run at strongly changing speeds. correct and to work economically.

Mit hydraulischen Maschinen mit verstellbaren Leit- und Laufradschaufeln läßt sich die oben gekennzeichnete Aufgabe auch nicht befriedigend lösen, da bei gleichbleibender Höchstdrehzahl die Schaufelverstellung einen wirtschaftlichen Betrieb nur innerhalb bestimmter Grenzen der Druckhöheschwankungen erlaubt, nicht aber zwischen den Grenzen Null und Höchstwert.With hydraulic machines with adjustable guide and impeller blades the problem identified above can also not be solved satisfactorily because at With a constant maximum speed, the blade adjustment ensures economical operation only allowed within certain limits of the pressure head fluctuations, but not between the limits zero and maximum value.

Man könnte an dieVerwendungvon polumschaltbaren Maschinen denken, was die Verhältnisse zwar etwas verbessern, aber wegen der Polumschaltung während des Betriebes zu Unzuträglichkeiten führen würde.One could think of the use of pole-changing machines which improves the situation a bit, but because of the pole changing during of the operation would lead to inconveniences.

Eine weitere Möglichkeit könnte in der Anwendung von Gleichstrommaschinen gesehen werden, welche über -einen _ zugehörigen.. Regelsatz .. (Umformer, be= stehend aus einem D-rehstrommotör und- einem regetbaren Gleichstromgenerator) einzeln mit einem Drehstromnetz verbunden sind.-. Dieser. Weg wäre technisch gangbar, aber wirtschaftlich wegen der hohen Bau- und Betriebskosten praktisch unmöglich. Aber was nicht mit jedem einzelnen Maschinensatz gemacht werden kann, ist wirtschaftlich durchführbar, wenn eine Vielzahl von Maschinensätzen zusammengefaßt und in einem gemeinschaftlichen System betrieben wird. Dies ist die Aufgabe der dem Erfindungsgedanken - zugrunde liegenden Anordnung.Another possibility could be in the use of DC machines be seen which via -a _ associated .. rule set .. (Converter, consisting of a rotary current motor and a controllable direct current generator) are individually connected to a three-phase network. This. Way would be technically feasible, but practically impossible because of the high construction and operating costs. But what cannot be done with every single machine set is economical feasible if a large number of machine sets are combined and in one community system is operated. This is the task of the inventive idea - underlying arrangement.

Drehzahl und Drehmoment der hydrodynamischen Maschinen (Schleuderpumpen und Turbinen) sind abhängig von der hydraulischen Druckhöhe, unter welcher sie arbeiten. Die mit ihnen gekuppelten Gleichstrommaschinen müssen also so betrieben werden, daß sie sich diesen Drehzahlen und Drehmomenten anpassen. Dies geschieht dadurch; daß deren magnetische Felder, also die Erregung dieser Gleichstrommaschinen, geregelt werden, und zwar in Abhängigkeit von dem jeweiligen hydraulischen Druck, während die Stromstärke im Anker @bzw. im Kraftstromkreis konstant gehalten wird.Speed and torque of the hydrodynamic machines (centrifugal pumps and turbines) are dependent on the hydraulic pressure head under which they work. The DC machines coupled to them must therefore be operated in such a way that that they adapt to these speeds and torques. This is done by; that their magnetic fields, i.e. the excitation of these DC machines, are regulated depending on the respective hydraulic pressure, while the amperage in the armature @ or. is kept constant in the power circuit.

Dies letztere geschieht durch die Primärmaschine im. Kreis,- welche mit einer bestimmten Drehzahl angetrieben wird und z. B. für die Pumpenmotoren die elektrische Arbeit liefert und deren Feld so geregelt wird, daß sie dem Stromkreis jeweils eine solche Spannung aufdrückt, daß die Betriebsstromstärke im Kraftstromkreis konstant bleibt. Auf diese Weise liefert die Primärmaschine die erforderliche richtige Spannung für die Pumpenmotoren.This is done by the primary machine in the. Circle, - which is driven at a certain speed and z. B. for the pump motors supplies electrical work and its field is regulated in such a way that it is connected to the circuit each presses such a voltage that the operating current in the power circuit remains constant. This way, the primary machine will provide the correct one that is needed Voltage for the pump motors.

Die Konstanthaltung der Stromstärke im Kraftstromkreis ist so zu verstehen, daß dieselbe. innerhalb bestimmter Grenzen in Abhängigkeit von der Spannung an den Klemmen der Primärmaschine schwanken kann, -etwa wie unter dem Einfiuß- des Reglers die Drehzahl einer Kraftmaschine in Abhängigkeit . von der Belastung derselben.Keeping the current in the power circuit constant is to be understood as that same. within certain limits depending on the voltage on the Clamping of the primary machine can fluctuate, for example as under the influence of the controller the speed of a prime mover as a function. from the burden of the same.

Wie oben schon erwähnt, wird auch ein eindeutiges Verhältnis eingehalten zwischen der Erregung der mit den hydraulischen Maschinen gekuppelten Gleichstrommaschinen und der jeweiligen Druckhöhe. Am einfachsten ist dies zu erreichen in vorliegender-Fall, indem man diese Gleichstrommaschinen mit Hauptstromfeldwicklungen versieht, denen Regelwiderstände. parallel :geschaltet .werden.As mentioned above, a clear relationship is also maintained between the excitation of the DC machines coupled to the hydraulic machines and the respective pressure height. The easiest way to achieve this is in the present case, by providing these DC machines with main current field windings that Control resistors. parallel: switched.

Diese Gleichstrommaschinen könnten auch mit Nebenschlußwicklungen versehen oder diese Erregerwicklungen könnten von besonderen Erregermaschinen gespeist werden, wenn dafür gesorgt wird, daß ein eindeutiges Verhältnis zwischen der Erregung und der jeweiligen Druckhöhe eingehalten wird.These DC machines could also have shunt windings provided or these excitation windings could be fed by special excitation machines if it is ensured that there is a clear relationship between the excitation and the respective pressure level is adhered to.

. Die Zusammenfassung der einzelnen, im Betriebszustand voneinander voneinander unabhängigen Maschinen in einem einheitlichen System wird dann dadurch erreicht, daß dieselben in einem Gleichstromkreis alle hintereinandergeschaltet werden.. The summary of each, in the operating state of each other independent machines in a unified system is then thereby achieves that the same in a DC circuit are all connected in series will.

Ein Gleichstromreihenschlußsystem ist schon Ende des vergangenen Jahrhunderts durch den Schweizer Ingenieur Thury in der Westschweiz und Frankreich zur Kräftübertragung auf weite Entfernungen angewendet -worden. Es -verdarikt seine Entstehung dem Bedürfnis, mit hohen Gleichspannungen (5o bis zoo kV) große Entfernungen zu überwinäen. Dies ist nur mit. Reihenschaltung der Maschinen (Generatoren und Motoren)- zu erreichen. Nicht benutzte Maschinen wurden kurzgeschlossen. Wegen der Reihenschaltung mußte eine bestimmte Stromstärke aufrechterhalten werden. Diese Starrheit cl es Systems war für den damaligen Zweck (normale Kraftübertragung, wobei die angetriebenen Motoren trotz veränderlicher Leistung gleichbleibende Drehzahl haben sollten) ein großer Nachteil und führte bald zur Aufgabe des Thury-Systems zugunsten des Drehstroms. Es sind nur wenige Anlagen gebaut worden.A direct current series connection system is already at the end of the last century by the Swiss engineer Thury in western Switzerland and France to transfer power Applied over long distances. It -daricates its emergence to the need to win long distances with high DC voltages (50 to zoo kV). this is only with. Series connection of machines (generators and motors) - to be achieved. Machines that were not in use were short-circuited. Because of the series connection had to a certain amperage can be maintained. This rigidity of the system was for the purpose at that time (normal power transmission, with the driven motors should have a constant speed despite variable performance) a large one Disadvantage and soon led to the abandonment of the Thury system in favor of three-phase current. Only a few plants have been built.

Nach dem Erfindungsgedanken wird indessen das Gleichstromreihenschlußsystem für einen neuartigen Sonderfall, nämlich für ausgesprochene Regelbetriebe (Drehzahlregelung) in Verbindung mit besonderen Maßnahmen angewendet.According to the idea of the invention, however, the direct current series connection system for a new special case, namely for pronounced control operations (speed control) used in conjunction with special measures.

Der Erfindungsgedanke sei an Hand eines Beispieles, und zwar an Hand des Betriebes eines Schifffahrtskanals bzw. von dessen Schleusen ohne Verbrauch von, Zusatzwasser beschrieben.The idea of the invention is based on an example, namely on the basis the operation of a shipping canal or its locks without consumption of, additional water described.

An den einzelnen Schleusen seien je eine Schleuderpumpe und eine Turbine aufgestellt, die mit je einer Gleichstrommaschine mit Hauptstromfel;lwicklung gekuppelt sind. Die einzelnen Schleusen sind durch eine Gleichstromleitung miteinander verbunden, durch die alle diese Gleichstrommaschinen hintereinandergeschaltet sind.There is a centrifugal pump and a turbine at each of the locks set up, each coupled to a DC machine with a main current field winding are. The individual locks are connected to one another by a direct current line, through which all these DC machines are connected in series.

Im Nebenschluß zu den Hauptstromfeldwicklungen der Gleichstrommaschinen sind. Regelwiderstände angeordnet, mit deren Hilfe die magnetischen Felder der Gleichstrommaschinen beliebig eingeregelt werden können. Die Stromstärke in der Hauptstromleitung werde auf gleicher Höhe gehalten.Shunted to the main current field windings of the DC machines are. Variable resistors arranged, with the help of which the magnetic fields of the DC machines can be adjusted as required. The amperage in the main power line will be kept at the same level.

Ist nun eine Schleusenkammer zu füllen, so fördert die Pumpe Wasser aus der -unteren Haltung in die Kammer, Zwobei das magnetische Feld des Pumpenantriebsmotors durch den Regelwiderstand so eingestellt wird, däß das Diehhiöment bzw. die Drehzahl der Pumpe jederzeit der veränderlichen Förderhöhe (von Null bis. zum--Höchstwert) angepaßt wird, so daß der Pumpensatz bei jedem Betriebszustand theoretisch richtig mit dem besten Wirkungsgrad arbeitet.If a lock chamber has to be filled, the pump delivers water from the lower position into the chamber, with the magnetic field of the pump drive motor is set by the control resistor so that the diehhiöment or the speed the pump at any time of the variable delivery head (from zero to the maximum value) is adjusted so that the pump set is theoretically correct in every operating condition works with the best efficiency.

Gleichzeitig läuft aus der oberen Haltung durch die Turbine Wasser in die Kammer, wobei elektrische Energie in den Gleichstromkreis geliefert wird, die mit zur Speisung des Pumpensatzes verwendet wird. Die Regelvorgänge entsprechen hierbei denen des Pumpenbetriebes.At the same time, water runs through the turbine from the upper section into the chamber, with electrical energy being supplied to the DC circuit, which is also used to feed the pump set. The control processes correspond here those of the pump operation.

Soll die Schleusenkammer wiederentleert werden, so fördert die Pumpe die Hälfte des Kammerinhaltes in die obere Haltung, und die andere Hälfte läuft durch die Turbine in die untere Haltung.If the lock chamber is to be emptied again, the pump delivers half of the chamber contents in the upper section, and the other half runs through the turbine to the lower section.

Der Energieverbrauch der Pumpe bei diesen Vorgängen entspricht der halben Wassermenge der Kammer, -multipliziert mit der halben höchsten (mittleren) Förderhöhe. Entsprechendes gilt für die Energielieferung der Turbine.The energy consumption of the pump during these processes corresponds to half the amount of water in the chamber, -multiplied by half the highest (middle) Delivery head. The same applies to the energy supply to the turbine.

Wenn man im vorliegenden Fall die hydraulischen Maschinen mit Drehstrommaschinen verbinden würde, dann würden sich energiewirtschaftlich sehr ungünstige Verhältnisse ergeben. Im Interesse der Sicherheit eines solchen Betriebes könnte man nur hy'raulische Maschinen mit festen Leit- und Laufradschaufeln verwenden. In diesem Fall arbeiten cie hydraulischen Pumpen mit Drehstromantrieb unter sehr ungünstigen Betriebsverhältnissen, da sie an eine nahezu unverän--_'erliche Höchst:-irehzahl gebunien sind. Praktisch wirkt sich das dann so aus, daß die Wassermenge für eine Kammerfüllung auf die volle Hubhöhe gefördert werden muß. Turbinenbetrieb mit Energierückgewinnung' ist praktisch ausgeschlossen bei den Druckhöheschwankungen zwischen Null und einem Höchstwert.If, in the present case, the hydraulic machines with three-phase machines would connect then the energy industry would be very unfavorable Relationships result. In the interests of the safety of such an operation could only use hydraulic machines with fixed guide and impeller blades. In this case the hydraulic pumps with three-phase drive work under very high unfavorable operating conditions, as they have an almost unchangeable maximum: -irehzahl are bound. In practice this has the effect that the amount of water for one Chamber filling must be conveyed to the full lifting height. Turbine operation with energy recovery ' is practically impossible with the pressure head fluctuations between zero and one Maximum value.

Beim Gleichstrombetrieb nach dem vorliegenden Vorschlag ist mithin der Energieverbrauch beim Pumpen nur halb so. groß wie bei Drehstrombetrieb, wobei etwa die Hälfte dieses Energieverbrauches wiederum durch die Rücklieferung der Turbinen gedeckt wird.With direct current operation according to the present proposal is therefore the energy consumption when pumping is only half as much. large as with three-phase operation, whereby around half of this energy consumption is due to the return of the turbines is covered.

Es ist ein wesentlicher Teil des Erfindungsgedankens, daß die Regelung der magnetischen Felder der einzelnen Gleichstrommaschinen, also deren,Drehzahl, selbsttätig erfolgt durch eine Regelvorrichtung, welche vom jeweiligen Wasserdruck, also der jeweiligen Förderhöhe, gesteuert wird. Dadurch wird erreicht, daß das jeweilige Drehmoment der Gleichstrommaschine in zwangsläufigen Zusammenhang gebracht wird mit der jeweiligen hydraulischen Druckhöhe im Interesse der Stabilität im Reihenschlußstromkreis. Die einzelnen Maschinen können dann ohne besonderen Anlaßvorgang, nur durch Betätigung eines einfachen Schalters bzw. der Absperrorgane, welche den Wasserfluß lenken, an- und abgestellt werden. Hierzu ist kein besonders geschultes Personal erforderlich, was für die Wirtschaftlichkeit eines Kanal- bzw. Schleusenbetriebes von großer Bedeutung ist.It is an essential part of the concept of the invention that the scheme the magnetic fields of the individual DC machines, i.e. their speed, takes place automatically by a control device, which depends on the respective water pressure, i.e. the respective head, is controlled. This ensures that the respective Torque of the DC machine is inevitably related with the respective hydraulic pressure level in the interest of stability in the series circuit. The individual machines can then be operated without a special starting process a simple switch or shut-off devices that direct the flow of water, can be turned on and off. No specially trained staff is required for this, which is of great importance for the profitability of a canal or lock operation is.

Bei einem solchen Kanalbetrieb können für den Betrieb der Schleusen Leistungen benötigt werden, welche mit einer Gleichstromanlage auf größere Entfernungen nicht ohne weiteres übertragen werden können, da die Übertragungsspannung begrenzt ist, im Gegensatz zu Drehstrom. Die mit einem Anker einer Gleichstrommaschine erzeugbare Spannung ist bestimmt durch die höchstzulässige Lamellenspannung und die Zahl der Stromwenderstege. Bei den bekannten Thuryschen Anlagen hatte man sich dadurch geholfen, daß man eine Anzahl von Gleichstrommaschinen hintereinandergeschaltet hat, wobei man gezwungen war, die Gleichstrommaschinen, also auch deren Gehäuse, zu isolieren. Eine solche Maßnahme verbietet sich bei einer Großkraftanlage, wo Maschineneinheiten in Sonderbauart von iooo kW und mehr in Frage kommen, die dabei noch unter beschränkten Raumverhältnissen einzubauen sind. Aus Gründen der Einfachheit und Betriebssicherheit wird man die Spannung gegen Erde nicht höher wählen, als es die Isoliertechnik bei trockener Isolation und bei Berücksichtigung der Gleichstrombauart erlaubt, das sind etwa 25 ooo Volt. Bis zu dieser Grenze (Teilspannung) können dann die Anker der Gleichstrommaschinen hintereinandergeschaltet sein. Es gehört nun zu dem Erfin Aungsgeaanken, trotz dieser Gegebenheit höhere Spannungen (Summenspannungen) zu ermöglichen da-'urch, daß zwischen einzelnen Maschinengruppen, z. B. zwischen hintereinan_'erliegenaen Gleichstrommotoren, Maschinensätze .eingeschaltet wer'en, welche c'ie verbrauchte o'er auch erzeugte Teilspannung wieder aufbauen o a er abbauen, j e nach 3 em, ob die einzelnen Maschinengruppen als Motoren Spannung verbrauchen oder als Generatoren Spannung erzeugen. Diese Maschinensätze (Motorgeneratoren) sind zweckmäßig mit einem leistungsfähigen Drehstromnetz gekuppelt, welches sowohl Energie liefern als auch aufnehmen kann.In such a canal operation, power may be required for the operation of the locks which cannot easily be transmitted over long distances with a direct current system, since the transmission voltage is limited, in contrast to three-phase current. The voltage that can be generated with an armature of a DC machine is determined by the maximum permissible lamella voltage and the number of commutator bars. With the well-known Thury systems one helped one another by connecting a number of direct current machines one behind the other, whereby one was forced to isolate the direct current machines, thus also their housings. Such a measure is forbidden in a large power plant, where machine units of special design of 100 kW and more come into question, which still have to be installed under limited space conditions. For the sake of simplicity and reliability you will not choose the voltage to ground higher than it allows the insulation with dry insulation and consideration of the DC type, which is about 25 thousand volts. The armatures of the DC machines can then be connected in series up to this limit (partial voltage). It is now part of the invention to allow higher voltages (total voltages) despite this fact, that between individual machine groups, e.g. B. between one behind the other DC motors, machine sets. Switched on, which c'ie used or also generated partial voltage build up again or reduce, depending on whether the individual machine groups consume voltage as motors or generate voltage as generators . These machine sets (motor generators) are appropriately coupled to a powerful three-phase network that can both supply and absorb energy.

In dem Fall, in welchem dem Stromkreis Energie nur zugeführt wird, kann der regelnde Generator auch mit einer Kraftmaschine, z. B. einer Wasserturbine, gekuppelt sein.In the case in which energy is only added to the circuit, the regulating generator can also be connected to a prime mover, e.g. B. a water turbine, be coupled.

Die Erkenntnis, daß die viel angewendete Regelanordnung (Regelgenerator-Motor) durch Anwendung in der Reihenschaltung ausgedehnt werden kann auf eine Mehrzahl von Gleichstrommotoren,. die unabhängig voneinander regelbar sind, und daß sie in Verbindung mit den beschriebenen Sondermaßnahmen zum Betriebe von hydraulischen Kraftanlagen mit stark wechselnden Druckhöhen (Schleuderpumpen oder Turbinen) verwendet werden kann, erlaubt somit die wirtschaftliche Lösung einer bisher unbefrieMgend gelösten Aufgabe im Sinne einer großen Energieersparnis und großer Einfachheit im Aufbau und Betrieb.The realization that the often used control arrangement (control generator engine) can be expanded to a plurality by application in series of DC motors ,. which can be regulated independently of each other, and that they are in Connection with the special measures described for the operation of hydraulic Power plants with strongly changing pressure heads (centrifugal pumps or turbines) are used thus allows the economical solution of a previously unsatisfactory solved task in terms of great energy savings and great simplicity in Construction and operation.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Electric power transmission for hydraulic Pumping and power plants with strongly changing pressure heads, at which the electric Motors or generators connected in series in a direct current circuit are, characterized in that the magnetic fields of the individual electrical Machines are regulated so that the torque or the speed of the electrical machines adjust themselves in such a way that they correspond to the current pressure level on the hydraulic machines (pumps, turbines) coupled to them and result in the most favorable operating conditions of the hydraulic machines.

2. Electric power transmission according to claim i, characterized in that the magnetic Fields of the individual machine sets working under changing hydraulic pressure by automatically acting control devices, which are controlled by the respective hydraulic Pressure can be controlled, adjusted according to the hydraulic pressure.

3. Electrical power transmission according to claim i and 2, characterized in that the electrical power additionally consumed or generated in excess in the direct current circuit Work is delivered or taken up by one or more machine sets, their field or speed is suction regulated that in the DC circuit Maintaining a constant current strength and thus the DC circuit is stabilized.

4. Electrical power transmission according to claim x to 3, characterized characterized in that to achieve low partial voltages with a high total voltage and several stabilizing machine sets for the economical transmission of high outputs are distributed over the DC circuit in such a way that those of the machines in between consumed or generated voltages can be built up or released again.