EP2593668A2 - Wasserkraft-staudruckmaschine - Google Patents

Wasserkraft-staudruckmaschine

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Publication number
EP2593668A2
EP2593668A2 EP11738388.5A EP11738388A EP2593668A2 EP 2593668 A2 EP2593668 A2 EP 2593668A2 EP 11738388 A EP11738388 A EP 11738388A EP 2593668 A2 EP2593668 A2 EP 2593668A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
water level
motor
machine
generator
dynamic pressure
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11738388.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Sternecker
Dietmar Ulm
Thorsten KÜHNKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hpsa Hydropower Systems GmbH
Original Assignee
MASCHINENFABRIK KBA-MOEDLING AG
KBA MOEDLING AG MASCHF
Maschinenfabrik Kba-Modling AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MASCHINENFABRIK KBA-MOEDLING AG, KBA MOEDLING AG MASCHF, Maschinenfabrik Kba-Modling AG filed Critical MASCHINENFABRIK KBA-MOEDLING AG
Publication of EP2593668A2 publication Critical patent/EP2593668A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F03B15/02—Controlling by varying liquid flow
    • F03B15/04—Controlling by varying liquid flow of turbines
    • F03B15/06—Regulating, i.e. acting automatically
    • F03B15/08—Regulating, i.e. acting automatically by speed, e.g. by measuring electric frequency or liquid flow
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B7/00—Water wheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F03B15/02—Controlling by varying liquid flow
    • F03B15/04—Controlling by varying liquid flow of turbines
    • F03B15/06—Regulating, i.e. acting automatically
    • F03B15/14—Regulating, i.e. acting automatically by or of water level
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
    • H02P9/04—Control effected upon non-electric prime mover and dependent upon electric output value of the generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2101/00—Special adaptation of control arrangements for generators
    • H02P2101/10—Special adaptation of control arrangements for generators for water-driven turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a hydro-dynamic pressure machine with at least one impeller having a hub and associated blades, and which defines in operation a water level as the difference between an upper water level and an underwater level, with an electric motor-generator machine coupled to the impeller, and with a control device for regulating the headwater level.
  • Hydropower dynamic pressure machines are known from AT 404 973 B and AT 501 575 AI.
  • the impeller is arranged transversely to the flow direction in a channel.
  • the hub of the impeller can replace a weir, which in hydraulic engineering is understood to mean a reservoir that closes off a flow region.
  • weirs can be overflowed or flowed through as required, the section of the channel in the direction of flow above the weir being referred to as the upper water and the section of the channel below the weir being referred to as underwater.
  • Swallowing capacity used both the flow velocity of the channel and the potential level corresponding to the water level for energy production.
  • the output power and the achievable efficiency depend substantially on the headwater level, ie on the upstream water level of the channel relative to the hub of the impeller.
  • the headwater level affects the amount of water available to drive the impeller. It has already been proposed (http://de.wikipedia.org/wiki/Staudruckmaschine) to regulate the upper water level in order to constantly adjust the current upper water level to the upper water level target value.
  • JP 2004 183618 A describes a control system for a hydropower plant, in which the supply line for a water turbine is connected at the input side or at the output side respectively to a pressure sensor in order to determine the differential pressure between the input and the output of the turbine.
  • a pressure sensor in order to determine the differential pressure between the input and the output of the turbine.
  • means for detecting the inflowing water are present.
  • the signals from the pressure sensors, as well as the flowmeter signal serve as input to a control unit that adjusts the system to the optimal operating point of the turbine.
  • a power plant with a water turbine which is connected to an alternator.
  • a speed control is provided, which supplies a constant generator voltage according to magnitude and frequency.
  • the signals from pressure, speed and power transmitters are transmitted as input to a microprocessor that controls an electrical or electronic control device.
  • the microprocessor may be supplied with factors such as back pressure and drop height, turbine characteristic and -Istmos ⁇ figure, generator torque performance wel ⁇ surface is adjusted with the control arrangement in order to calculate the optimum for the respective conditions of speed.
  • EP 230 636 AI deals with a set of machines consisting of a water-driven turbine and a generator that feeds a network of constant frequency via an inverter.
  • a Dreh ⁇ number setpoint is given, which by means of replication the turbine characteristic curve in dependence on turbine characteristics, in particular stator or nozzle opening and opening of the impeller blades, is determined.
  • the upper water or underwater level can be adjusted by means of a controller to a desired setpoint, for which purpose the turbine parameters mentioned are used as control signals.
  • control device is connected to the motor-generator machine to regulate the speed of the impeller to maintain a predetermined upper water level by controlling the braking torque of the motor-generator machine.
  • the amount of water flowing from the upper water through the system into the underwater per unit of time - usually referred to as swallowing capacity - depends on the speed of the impeller. Since the water flow is expediently not offered a possibility to avoid the impeller arranged across the entire channel, the entire water flow flows through the dynamic pressure machine.
  • An increase in the speed of the impeller increases the absorption capacity of the dynamic pressure machine, with a larger amount of water is transported by the blades on the underwater side and thus the head water level is reduced; conversely, a reduction in the rotational speed of the impeller results in a lower absorption capacity of the Staudruckma ⁇ machine, so that less water flows through the back-pressure machine, and increases in the wake of the upstream water level.
  • the speed of the impeller is controlled.
  • the braking torque of the motor-generator machine is continuously adjusted.
  • the control device the braking torque of the generator.
  • the control device reduces the braking torque of the motor-generator machine.
  • the motor-generator machine is preferably designed as an asynchronous machine, which is connected directly or via a gear to the impeller.
  • the direct influence of the control device on the braking torque of the motor-generator machine ensures the precise compliance with the specified head water level.
  • By controlling the braking torque of the motor-generator machine can be reacted quickly and sensitively to an increase or decrease in the volume flow reached to the dynamic pressure machine.
  • the dynamic pressure machine is therefore particularly well suited for automatic operation even in remote side arms or smaller channels.
  • the control device has a preferably designed as a programmable logic controller (PLC) controller which is connected to a preferably designed as a frequency converter means for influencing the torque of the motor-generator machine.
  • PLC programmable logic controller
  • the programmable logic controller is a modular solution that can be flexibly adapted to the requirements of the respective dynamic pressure machine and, if necessary, can be easily reprogrammed.
  • a frequency converter is useful, which serves as an actuator for a supplied by the controller of the controller speed specification.
  • the frequency converter allows to adjust the speed of the Mo ⁇ tor-generator machine continuously.
  • the frequency converter is able to transmit energy during braking of the motor-generator machine in a DC circuit, which is advantageously arranged between an input side rectifier and an inverter fed from the DC link.
  • the energy from the DC link of the regenerative frequency converter can be used further stored or transferred to a connected network.
  • the use of the frequency converter for influencing the brem ⁇ send torque is particularly favorable in conjunction with an asynchronous;
  • the asynchronous machine is a cost-effective and low-maintenance version of the motor-generator machine, especially for smaller dynamic pressure machines.
  • the control device has a measuring element for detecting the upper water level. Accordingly, the measuring element can measure the upper water level during operation, which can serve as an input variable for the control loop.
  • an ultrasonic sensor is provided as the measuring element.
  • Such an ultrasonic sensor allows a continuous, non-contact measurement of the headwater level.
  • the measurement of the upper ⁇ water level based on a transit time measurement and its reflected on the surface of the channel echo is detected at a transducer of the sensor, and preferably used by a microprocessor to determine the upper water level of an emitted by an ultrasonic transducer of the sensor ultrasonic pulse.
  • Upper water level can be closed.
  • other types of non-contact upper water level measuring elements ren conceivable, however, that, for example, on a
  • a particular hydrostatic level gauge is provided as a measuring ⁇ element.
  • the hydrostatic level measurement is based on the detection of the hydrostatic pressure, which is generated by the height of the liquid column, ie here the upper water level. Between the measured hydrostatic pressure and the surface There is a well-known connection between the water level, which is used to record the upper water level.
  • the water level which is used to record the upper water level.
  • the control device from a control difference between a measured actual value of the head water level and a predetermined target value of the head water level determines a manipulated variable for the speed of the motor-generator machine, which by means of Device for influencing the torque of the motor-generator machine is adjustable.
  • the head water level is continuously measured and compared with the preset target value of the headwater level.
  • the controller ermit ⁇ telt from a control difference between the actual value or the target value of the upper water level, the speed setting for the motor-generator machine that is set by the acting as an actuator device for influencing the torque of the motor-generator machine , If the actual value of the upper water level is higher than the predetermined target value, the
  • the motor-generator machine is preferably connected to a transmission which translates the comparatively low speed of the impeller into a higher speed which is more expedient for utilization in the motor-generator machine.
  • the transmission may comprise an over ⁇ reduction ratio between the rotor-side and the generator side of 80 to 180 when the generator pole pairs is two, and the synchronous rotational speed is in particular about 1500 U / min.
  • the gear ratio is correspondingly ge ⁇ ringer.
  • the control device has a torque-measuring device for detecting the torque of the motor-generator machine.
  • the continuous detection of torque and speed of the motor-generator machine makes it possible to dispense during operation on a direct measurement of the head water level, as can be concluded by knowing the speed and torque on the current head water level.
  • electrical operating parameters of the motor-generator machine such as current, voltage or three-phase frequency, are preferably detected, from which the torque is determined.
  • the controller has a memory in which a characteristic of the head water level is stored as a function of speed and torque of the motor-generator machine, so that the Upper water level is indirectly controlled by the detection of torque and speed of the motor-generator machine.
  • the associated value of the upper water level is known for each combination of speed and torque of the motor-generator machine.
  • These data are stored in the form of a characteristic in the memory of the controller.
  • the continuous monitoring of torque and speed of the motor-generator machine therefore makes it possible to indirectly draw conclusions about the current upper water level, which therefore does not necessarily have to be measured.
  • the actual values of torque and rotational speed measured during operation can be compared with at least one corresponding desired value for the rotational speed, which is set by the device for influencing the braking torque of the motor-generator machine.
  • the memory contains at least one characteristic curve determined in a complete test run. Accordingly, the dynamic pressure machine can be completely measured, for example, during commissioning, wherein the measurement data for speed and torque of the motor-generator-machine is assigned to the respective corresponding upper water level. From these measuring points, the characteristic is created, which is stored in the memory of the controller. In operation, the controller determines on the basis of the characteristic curve of the actual values of speed and torque is compared with the pre give ⁇ NEN target value of the upper water level and adjusted by regulating the braking torque of the motor-generator machine current upper water level.
  • a structurally simple device for measuring the head water level is provided when the measuring element for detecting the head water level is connected to a frame provided for supporting the wheel.
  • the measuring element is preferably with an upper in operation substantially
  • the measuring element can also be stationary, for example, on a stationary machine frame or on a stationary structure of the channel, in which the dynamic pressure machine is arranged to be attached.
  • a further measuring element may be present, which measures the underwater level. In the case of a non-contact measuring
  • Measuring element is to ensure that the measurement signal can pass unhindered to the water surface and back. This is preferably achieved by a rod-shaped suspension, which is in particular cantilevered on the frame or on the machine frame.
  • Figure 1 is a perspective view of a storage jam ⁇ printing machine according to the invention with a churning impeller whose speed is adjustable to maintain a predetermined headwater level.
  • Figure 2 is a schematic representation of a control device for controlling the rotational speed of the impeller, which has according to one embodiment of the invention ⁇ a measuring element for detecting the upper water level.
  • Fig. 3 is a simple block diagram for illustrating the in Fig. 2 control device shown
  • Fig. 4 is a more detailed block diagram of the control device shown in Figs. 2 and 3;
  • Fig. 5 is a representation corresponding to Fig 2 from another ⁇ guide die of the control device, wherein the torque of the motor-generator machine is measured.
  • FIG. 6 shows a diagram with a characteristic curve of the impeller measured in a test run.
  • a hydro-dynamic pressure machine 1 is shown, which is arranged transversely to a flow direction 2 'of a schematically drawn in Fig. 2 channel 2.
  • the dynamic pressure machine 1 extends over the entire width of the channel 2, so that the entire water flow is forced to pass through the dynamic pressure machine 1.
  • the dynamic pressure machine 1 has an impeller 3 with a cylindrical hub 4, on which blades 5 are fixed at regular angular intervals.
  • the rotation ⁇ direction of the impeller 3 is indicated by an arrow 6.
  • the impeller 3 defines in operation, a water level d is the Diffe ⁇ ence between an upper water level 8 and a lower water level 9 in solid form; Accordingly, the dynamic pressure machine 1 forms a weir, which damming the channel 2 with the specified water level height d.
  • the impeller 3 is coupled to an electric motor-generator machine 10 (not shown in FIG. 1); According to the respective arrangement of the motor-generator machine 10, a suitable transmission between the impeller 3 and the motor-generator machine 10 is provided.
  • the braking torque of the motor-generator machine 10 is used to convert the kinetic energy of the impeller 3 into electrical energy.
  • the energy obtained can be stored in an energy storage ⁇ or fed into a (not shown) power grid.
  • the dynamic pressure machine 1 is characterized by a particularly efficient utilization of water power by both the flow velocity of the channel 2 and the po ⁇ tentielle energy of the water head height d are converted into electrical energy.
  • the illustrated dynamic pressure machine 1 is in particular These are suitable for use in smaller channels 2, which can hardly be profitably used for energy generation with other types of hydroelectric power plants.
  • the dynamic pressure machine 1 has a high efficiency with high absorption capacity.
  • a volume flow Q is supplied to , leaving the dynamic pressure machine 1 as a flow Q from .
  • the water level height d remains constant.
  • the water level d increases when more water is added than discharged; conversely, an increase in the volume flow Q derived from leads to a fall in the water level d.
  • the derived volume flow Q ab can be adjusted by increasing or decreasing the absorption capacity of the dynamic pressure machine 1, which is determined by a rotational speed n : of the impeller 3.
  • fluctuations in water level may occur for a variety of reasons, such as when upstream locks are opened.
  • the upper water level 8 should be kept at a predetermined level, which is expedient for achieving the desired power or optimum efficiency.
  • a control device 11 is provided in the dynamic pressure machine 1, which is connected to the motor-generator ⁇ tor-machine 10 (see Fig. 2).
  • the speed n 2 of the impeller 3 is controlled by adjusting the braking torque of the motor-generator machine 10.
  • Fig. 2 the scheme of a first embodiment of the control device 11 is illustrated, in which the upper water level 8 is monitored continuously.
  • a measuring element 12 is provided for detecting the upper water level.
  • a further measuring element 12 ' is provided, which measures the underwater level 9.
  • the measuring elements 12, 12 ' are expediently used as ul traschallsensoren 13 formed; However, other types of measuring elements 12, 12 'may be provided, for example (not shown in the figures) hydrostatic Gresmess ⁇ devices.
  • the measuring member 12 (and accordingly the measuring element 12 ') arranged at the free end of a rod-shaped hanger 25 at an upper Rah ⁇ menteil 26' overlying the impeller of a frame 3 is mounted 26th
  • the frame 26 is arranged vertically adjustable in a stationary machine frame 27.
  • the measuring element 12 delivers the value of the measured upper water level 8 to an elec ⁇ tronic control unit 14 which is connected to the motor-generator machine 10 to a comparison with the predetermined value for the upper water level 8, a speed n 2 of the motor-generator -Machine 10 by regulating the braking torque to re ⁇ rules.
  • the electronic control unit 14 has a controller 15 with a programmable logic controller, hereinafter referred to as PLC, 16, which is connected to a device 17 for influencing the braking torque of the motor-generator machine 10 shown in FIG Embodiment is given by a frequency converter 18.
  • PLC programmable logic controller
  • the measured by means of the ultrasonic sensor 13 upstream water level 8 serves as a ⁇ input variable for the PLC 16 in which the target value for the upper water level 8 has been stored, which is continuously compared with the actual value of the upper water level.
  • a speed setting which is set to the motor-generator machine 10 is so n n from the determined control difference between the actual value and the predetermined target value of the upper water level 8 intended for the frequency converter 18.
  • a speed-Messein ⁇ device 19 is provided which continuously the actual value of the Mo ⁇ tor speed n is measured, and to the frequency converter 18
  • the n n iEt the actual value of the speed: n with the current supplied by the PLC 16 so desired value of the rotational speed n n; compares and adjusts accordingly.
  • FIG. 4 shows the control circuit of the control device 11 explained above with reference to FIGS. 2 and 3 in greater detail.
  • the illustrated by a dashed frame controlled system includes the impeller 3, which via a gear 20 with the motor-generator machine 10 is connected.
  • the transmission 20 translates the speed n l of the impeller 3 (in revolutions per minute [rpm]) into a higher speed n 2 [rpm] suitable for the motor-generator machine 10.
  • an impeller-side torque M x in Newton meters [Nm]
  • the motor-generator machine 10 provides in generator operation a current I [A], expressed in amperes, with a frequency F [Hz], indicated in Hertz.
  • variable volume flow Q at [m 3 / s], expressed in cubic meters per second, acts as a disturbance d 'on the upper water level 8, which represents the control variable H [m], generally denoted by y, in meters.
  • the feedback of the control loop comprises the measuring element 12 for
  • Detecting the actual value of H is the upper water level 8, which is to the upper water level is compared to 8 to the set value H to a control difference e as the difference between the actual value of H is the upper water level 8 and the set value H to the upper water level 8 to determine which control difference e is supplied to the controller 15 of the electronic control unit 14.
  • the controller 15 which is preferably designed as a programmable logic controller 16
  • a characteristic curve for the head water level 8 is stored as a function of the rotational speed n 2 [rpm] of the rotor 3, from which the speed specification for the engine generator shown in FIG. Machine 10 is determined.
  • the speed occurring as a control variable u is transmitted to the device 17, which influences the braking torque of the motor-generator machine 10.
  • the device 17, ie in particular the frequency converter 18, thus forms the actuator of the control loop, wherein the manipulated variable u R is the speed n : the motor-generator-machine 10, for which a control value is continuously specified.
  • FIG. 5 an alternative embodiment of the control device 11 is shown schematically, which manages without direct detection of the upper ⁇ water level 8.
  • the electronic control unit 14 has a memory 21 in which a characteristic of the head water level 8 in dependence on speed n : and torque M of the motor-generator ⁇ tor machine 10 is stored.
  • the torque M : of the motor-generator machine 10 is continuously detected by means of a torque-measuring device 22; for measuring the torque M :: expediently electrical operating parameters (current, voltage, three-phase frequency, etc.) of the motor-generator machine 10 is used. From the current detection of torque M 2 and speed n 2 of the motor-generator machine 10 is indirectly closed to the upper water level 8.
  • the upper water level 8 as a function of torque M 2 and speed n 2 of the motor-generator machine 10 can be displayed.
  • the relationship between the measured parameters torque M 2 and speed n 2 of the motor-generator machine 10 and the upper water level 8 is advantageously obtained in a test run, in which the characteristic of the dynamic pressure machine 1 is received.
  • the controller 15 uses the characteristic stored in the memory 21 to regulate the speed n 2 of the motor-generator-machine 10, which is geared down into the rotational speed n x of the rotor 3 via the gear 20.
  • the frequency converter 18 can be used analogously to the control via the direct detection of the head water level 8.
  • the measurement of the head water level 8 can basically be dispensed with if the relationship between the relevant variables of the motor-generator machine 10, ie speed n 2 and torque M 2 , and the head water level 8 is known.
  • the relevant variables of the motor-generator machine 10 ie speed n 2 and torque M 2
  • the head water level 8 is known.
  • FIG. 6 shows an example of a characteristic curve determined in a test run, from which the relationship between the torque M] [Nm] plotted on the ordinate and the rotational speed r.sub.j [rpm] of the impeller 3 plotted on the abscissa can be seen is. Accordingly, the largest torque Mi is achieved when the impeller 3 is stationary or the speed ni is zero. The higher the speed n ! is the impeller 3, the greater friction and Verwirbelungszee, so that the submitge ⁇ bene torque i decreases and finally disappears at a certain value for the speed nj.
  • the measured curve shown was taken at a water level d of 2 meters.

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Abstract

Wasserkraft-Staudruckmaschine (1) mit wenigstens einem Laufrad (3), das eine Nabe (4) und damit verbundene Schaufeln (5) aufweist, und das im Betrieb eine Wasserstandshöhe (d) als Differenz zwischen einem Oberwasserpegel (8) und einem Unterwasserpegel (9) festlegt, mit einer mit dem Laufrad (3) gekuppelten elektrischen Motor-Generator-Maschine (10), und mit einer Regeleinrichtung (11) zur Regelung des Oberwasserpegels (8), die mit der Motor-Generator-Maschine (10) verbunden ist, um durch Regelung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine (10) die Drehzahl (n1) des Laufrads (3) zur Einhaltung eines vorgegebenen Oberwasserpegels (8) zu regeln.

Description

Wasserkraft-Staudruckmaschine
Die Erfindung betrifft eine Wasserkraft-Staudruckmaschine mit wenigstens einem Laufrad, das eine Nabe und damit verbundene Schaufeln aufweist, und das im Betrieb eine Wasserstandshöhe als Differenz zwischen einem Oberwasserpegel und einem Unterwasserpegel festlegt, mit einer mit dem Laufrad gekuppelten elektrischen Motor-Generator-Maschine, und mit einer Regeleinrichtung zur Regelung des Oberwasserpegels.
Wasserkraft-Staudruckmaschinen sind aus der AT 404 973 B und der AT 501 575 AI bekannt. Das Laufrad wird quer zur Strömungsrichtung in einem Gerinne angeordnet. Die Nabe des Laufrads kann ein Wehr ersetzen, worunter im Wasserbau eine Stauanlage verstanden wird, die einen Flussbereich abschließt. Je nach Ausführung können Wehre bei Bedarf überströmt bzw. durchströmt werden, wobei der Abschnitt des Gerinnes in Strömungsrichtung oberhalb des Wehres als Oberwasser und der Abschnitt des Gerinnes unterhalb des Wehres als Unterwasser bezeichnet wird. Früher wurden Wehre mit geringen Stauhöhen lediglich zur bedarfsweisen Aufstauung des Wassers vorgesehen; ausgehend davon wurde in der AT 404 973 B bzw. AT 501 575 AI vorgeschlagen, den Staudruck zur Energiegewinnung zu nützen. Zu diesem Zweck treibt das einströmende Wasser die Schaufeln des Laufrads an, das mit der Motor-Generator- Maschine verbunden ist. Im Generatorbetrieb wird ein bremsendes Drehmoment aufgebaut, und es erfolgt eine Umsetzung der mechanischen Leistung in eine elektrische Nutzleistung, die einem Energiespeicher zugeführt oder in ein Stromnetz eingespeist wird. Dieser Typ Wasserkraftmaschine hat den Vorteil, dass der Antrieb des Generators über den Druck des strömenden Wassers erfolgt. Demnach wird im Sinne eines hohen Wirkungsgrads bei großem
Schluckvermögen sowohl die Fließgeschwindigkeit des Gerinnes als auch die der Wasserstandshöhe entsprechende potentielle Energie zur Energiegewinnung genutzt.
Die abgegebene Leistung und der erzielbare Wirkungsgrad hängen wesentlich vom Oberwasserpegel ab, d.h. vom oberwasserseitigen Wasserstand des Gerinnes bezüglich der Nabe des Laufrads. Der Oberwasserpegel beeinflusst die zum Antrieb des Laufrads verfügbare Wassermenge. Es wurde auch bereits vorgeschlagen (http://de.wikipedia.org/wiki/Staudruckmaschine), den Oberwasserpegel zu regeln, um den aktuellen Oberwasserpegel laufend an den Oberwasserpegel-Soll-Wert anzugleichen.
Zudem sind im Stand der Technik verschiedenste Regelungstechniken für herkömmliche Wasserturbinen bekannt.
In der JP 2004 183618 A wird eine Steuerung für eine Wasserkraftanlage beschrieben, bei welcher die Versorgungsleitung für eine Wasserturbine eingangs- bzw. ausgangsseitig jeweils mit einem Drucksensor verbunden ist, um die Differenzdruck zwischen Eingang und Ausgang der Turbine zu bestimmen. Zudem sind Mittel zur Erfassung der einströmenden Wassermenge vorhanden. Die Signale der Drucksensoren, ebenso wie das Signal des Durchfluss- messgeräts, dienen als Eingangsgrößen für eine Steuereinheit, mit welcher die Anlage im Bereich des optimalen Arbeitspunkts der Turbine eingestellt wird. Bei Erreichen einer vorgegebenen Druckdifferenz zwischen Eingang und Ausgang der Turbine den Generatorbetrieb einzuschalten; umgekehrt wird vom Generator keine Leistung geliefert, wenn die Druckhöhe einen bestimmten Wert für die Druckdifferenz unterschreitet.
Aus der DE 34 38 893 AI ist weiters eine Stromerzeugungsanlage mit einer Wasserturbine bekannt, welche mit einem Drehstromgenerator verbunden ist. Zudem ist eine Drehzahlregelung vorgesehen, welche eine nach Betrag und Frequenz konstante Generatorspannung liefert. Hierfür werden die Signale von Druck-, Drehzahl- und Leistungs-Messumformern als Eingangsgrößen an einen Mikroprozessor übermittelt, der eine elektrische oder elektronische Regelanordnung ansteuert. Der Mikroprozessor kann mit Einflussgrößen wie Staudruck bzw. Fallhöhe, Turbinen-Kennlinie und -Istdreh¬ zahl, Generator-Momentleistung beaufschlagt werden, um die für die jeweiligen Bedingungen optimale Drehzahl zu berechnen, wel¬ che mit der Regelanordnung eingestellt wird.
Die EP 230 636 AI befasst sich mit einem Maschinensatz bestehend aus einer wassergetriebenen Turbine und einem Generator, der über einen Umrichter ein Netz konstanter Frequenz speist. Zur Verbesserung des Wirkungsgrads wird dem Maschinensatz ein Dreh¬ zahlsollwert vorgegeben, welcher durch Mittel zur Nachbildung der Turbinenkennlinie in Abhängigkeit von Turbinen-Kenngrößen, speziell Leitrad- bzw. Düsenöffnung und Öffnung der Laufradschaufeln, bestimmt wird. Zudem kann der Oberwasser- bzw. Unterwasserpegel mittels eines Reglers auf einen gewünschten Sollwert eingestellt werden, wofür die genannten Turbinen-Kenngrößen als Stellsignale herangezogen werden.
Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Staudruckmaschine der eingangs angeführten Art eine einfach umzusetzende Einrichtung zur Regelung des Oberwasserpegels zu schaffen, die sensibel auf Schwankungen des Oberwasserpegels reagiert und auf zuverlässige Weise eine laufende Anpassung des Oberwasserpegels ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei der Staudruckmaschine der eingangs angeführten Art dadurch gelöst, dass die Regeleinrichtung mit der Motor-Generator-Maschine verbunden ist, um durch Regelung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine die Drehzahl des Laufrads zur Einhaltung eines vorgegebenen Oberwasserpegels zu regeln.
Bei der Staudruckmaschine hängt die pro Zeiteinheit vom Oberwasser durch die Anlage in das Unterwasser strömende Wassermenge - üblicherweise als Schluckvermögen bezeichnet - von der Drehzahl des Laufrads ab. Da dem Wasserstrom zweckmäßigerweise keine Möglichkeit geboten wird, dem quer über das gesamte Gerinne angeordneten Laufrad auszuweichen, strömt der gesamte Wasserstrom durch die Staudruckmaschine. Eine Erhöhung der Drehzahl des Laufrads erhöht das Schluckvermögen der Staudruckmaschine, wobei eine größere Wassermenge durch die Schaufeln auf die Unterwasser-Seite transportiert wird und somit der Oberwasserpegel verringert wird; umgekehrt führt eine Verringerung der Drehzahl des Laufrads zu einem niedrigeren Schluckvermögen der Staudruckma¬ schine, so dass weniger Wasser durch die Staudruckmaschine strömt und in der Folge der Oberwasserpegel steigt. Zur Einhaltung des vorgegebenen Oberwasserpegels, welcher auf eine bestimmte Leistungsabgabe bzw. einen optimalen Wirkungsgrad abzielt, wird daher die Drehzahl des Laufrads geregelt. Zur Regelung der Drehzahl des Laufrads wird das bremsende Drehmoment der Motor-Generator-Maschine laufend angepasst. Zur Verringerung der Drehzahl des Laufrads erhöht die Regeleinrichtung das bremsende Drehmoment des Generators. Um andererseits eine höhere Drehzahl des Laufrads zur Erzielung eines größeren Schluckvermö¬ gens der Staudruckmaschine zu erreichen, reduziert die Regeleinrichtung das bremsende Drehmoment der Motor-Generator-Maschine. Die Motor-Generator-Maschine ist vorzugsweise als Asynchronmaschine ausgeführt, die direkt oder über ein Getriebe mit dem Laufrad verbunden ist. Die unmittelbare Einflussnahme der Regeleinrichtung auf das bremsende Drehmoment der Motor-Generator- Maschine gewährleistet die präzise Einhaltung des vorgegebenen Oberwasserpegels. Durch die Regelung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine kann rasch und sensibel auf eine Zunahme bzw. eine Abnahme des zur Staudruckmaschine gelangten Volumenstroms reagiert werden. Vorteilhafterweise ist somit stets eine für die Leistungsausbeute optimale Wasserstandshöhe, die bei zweckmäßigen Ausführungen der Staudruckmaschine zwischen 1 Meter und 4 Meter beträgt, gewährleistet; die Staudruckmaschine ist daher besonders gut für einen selbsttätigen Betrieb auch in abgelegenen Seitenarmen bzw. kleineren Gerinnen geeignet.
Für die Regelung der Drehzahl des Laufrads ist es günstig, wenn die Regeleinrichtung einen vorzugsweise als speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) ausgebildeten Regler aufweist, der mit einer vorzugsweise als Frequenzumrichter ausgebildeten Einrichtung zur Beeinflussung des Drehmoments der Motor-Generator-Maschine verbunden ist. Die speicherprogrammierbare Steuerung stellt eine modulare Lösung dar, die flexibel an die Anforderungen der jeweiligen Staudruckmaschine angepasst werden kann und bei Bedarf auf einfache Weise umprogrammierbar ist. Zur Beeinflussung des Drehmoments der Motor-Generator-Maschine ist die Verwendung eines Frequenzumrichters zweckmäßig, welcher als Stellglied für eine vom Regler der Regeleinrichtung gelieferte Drehzahlvorgabe dient. Der Frequenzumrichter ermöglicht es, die Drehzahl der Mo¬ tor-Generator-Maschine stufenlos einzustellen. Zu diesem Zweck ist der Frequenzumrichter in der Lage, beim Bremsen der Motor- Generator-Maschine Energie in einen Zwischenkreis zu übertragen, der zweckmäßigerweise zwischen einem eingangsseitigen Gleichrichter und einem aus dem Zwischenkreis gespeisten Wechselrichter angeordnet ist. Die Energie aus dem Zwischenkreis des rückspeisefähigen Frequenzumrichters kann zur weiteren Nutzung gespeichert oder in ein angeschlossenes Netz übertragen werden. Der Einsatz des Frequenzumrichters zur Beeinflussung des brem¬ senden Drehmoments ist insbesondere in Verbindung mit einer Asynchronmaschine günstig; die Asynchronmaschine stellt insbesondere für kleinere Staudruckmaschinen eine kostengünstige und wartungsarme Ausführung der Motor-Generator-Maschine dar.
Selbstverständlich sind jedoch verschiedenste Typen von elektrischen Motor-Generator-Maschinen denkbar, die zum Betrieb mit der Staudruckmaschine geeignet sind.
Um den Oberwasserpegel laufend zu überwachen, ist es von Vor¬ teil, wenn die Regeleinrichtung ein Messelement zur Erfassung des Oberwasserpegels aufweist. Demnach kann das Messelement im Betrieb den Oberwasserpegel messen, der als Eingangsgröße für den Regelkreis dienen kann.
Zur Erfassung des Oberwasserpegels ist es insbesondere günstig, wenn als Messelement ein Ultraschallsensor vorgesehen ist. Ein solcher Ultraschallsensor ermöglicht eine kontinuierliche, berührungslose Messung des Oberwasserpegels. Die Messung des Ober¬ wasserpegels beruht auf einer LaufZeitmessung eines von einem Ultraschallwandler des Sensors ausgesandten Ultraschall-Impulses, dessen an der Wasseroberfläche des Gerinnes reflektiertes Echo an einem Wandler des Sensors erfasst und vorzugsweise mittels eines Mikroprozessors zur Ermittlung des Oberwasserpegels herangezogen wird. Die gemessene Laufzeit des Ultraschall-Impul¬ ses hängt in allgemein bekannter Weise mit der vom Impuls zurückgelegten Wegstrecke zusammen, aus der auf den
Oberwasserpegel geschlossen werden kann. Selbstverständlich wä¬ ren jedoch auch andere Arten von berührungslosen Oberwasserpegel-Messelementen denkbar, welche beispielsweise auf einem
Aussenden und Erfassen von Mikrowellensignalen, optischen Signa¬ len etc. beruhen.
Bei einer alternativen Ausführung ist vorgesehen, dass als Mess¬ element ein insbesondere hydrostatisches Füllstandsmessgerät vorgesehen ist. Die hydrostatische Füllstandsmessung beruht auf der Erfassung des hydrostatischen Drucks, der durch die Höhe der Flüssigkeitssäule, d.h. hier des Oberwasserpegels, erzeugt wird. Zwischen dem gemessenen hydrostatischen Druck und dem Oberwas- serpegel besteht ein bekannter Zusammenhang, der zur Erfassung des Oberwasserpegels genutzt wird. Selbstverständlich wären alternativ auch verschiedenste andere Arten von mechanischen Füll¬ standsmessgeräten, wie Schwimmer oder dergl . , denkbar.
Zur Regelung des Oberwasserpegels auf den vorgegebenen Wert ist es günstig, wenn die Regeleinrichtung aus einer Regeldifferenz zwischen einem gemessenen Ist-Wert des Oberwasserpegels und einem vorgegebenen Soll-Wert des Oberwasserpegels eine Stellgröße für die Drehzahl der Motor-Generator-Maschine bestimmt, welche mittels der Einrichtung zur Beeinflussung des Drehmoments der Motor-Generator-Maschine einstellbar ist. Bei dieser Ausführung wird der Oberwasserpegel laufend gemessen und mit dem vorgegebenen Soll-Wert des Oberwasserpegels verglichen. Der Regler ermit¬ telt aus einer Regeldifferenz zwischen dem Ist-Wert bzw. dem Soll-Wert des Oberwasserpegels die Drehzahlvorgabe für die Motor-Generator-Maschine, die von der als Stellglied fungierenden Einrichtung zur Beeinflussung des Drehmoments der Motor-Generator-Maschine eingestellt wird. Wenn der Ist-Wert des Oberwasserpegels höher als der vorgegebene Soll-Wert ist, wird das
bremsende Drehmoment der Motor-Generator-Maschine reduziert, um die Drehzahl der Motor-Generator-Maschine zu erhöhen, so dass ein höheres Durchflussvolumen durch die Staudruckmaschine er¬ zielt wird. Wenn der Ist-Wert des Oberwasserpegels den vorgegebenen Wert unterschreitet, bestimmt der Regler eine niedrigere Drehzahl der Motor-Generator-Maschine, wodurch das Schluckvermö¬ gen der Staudruckmaschine reduziert wird. Die Motor-Generator- Maschine ist vorzugsweise mit einem Getriebe verbunden, welches die vergleichsweise niedrige Drehzahl des Laufrads in eine zur Verwertung in der Motor-Generator-Maschine zweckmäßigere höhere Drehzahl übersetzt. Beispielsweise kann das Getriebe ein Über¬ setzungsverhältnis zwischen der Laufrad-Seite und der Generator- Seite von 80 bis 180 aufweisen, wenn die Generator-Polpaarzahl zwei ist und die Synchrondrehzahl insbesondere ca. 1500 U/min beträgt. Bei Verwendung einer Motor-Generator-Maschine mit höhe¬ rer Polpaarzahl ist das Übersetzungsverhältnis entsprechend ge¬ ringer .
Um eine von der direkten Erfassung und Regelung des Oberwasserpegels unabhängige Regelung der Drehzahl des Laufrads zu ermög- liehen, ist es günstig, wenn die Regeleinrichtung eine Drehmoment-Messeinrichtung zur Erfassung des Drehmoments der Motor-Generator-Maschine aufweist. Die laufende Erfassung von Drehmoment und Drehzahl der Motor-Generator-Maschine ermöglicht es, im Betrieb auf eine direkte Messung des Oberwasserpegels zu verzichten, da durch Kenntnis von Drehzahl und Drehmoment auf den aktuellen Oberwasserpegel geschlossen werden kann. Zur Messung des Drehmoments werden vorzugsweise elektrische Betriebsparameter der Motor-Generator-Maschine, wie Strom, Spannung oder Drehstromfrequenz, erfasst, aus denen das Drehmoment bestimmt wird.
Zur Einhaltung des vorgegebenen Oberwasserpegels, insbesondere ohne laufende direkte Messung des Oberwasserpegels, ist es von Vorteil, wenn der Regler einen Speicher aufweist, in dem eine Kennlinie des Oberwasserpegels in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment der Motor-Generator-Maschine gespeichert ist, so dass der Oberwasserpegel indirekt durch die Erfassung von Drehmoment und Drehzahl der Motor-Generator-Maschine regelbar ist. Bei einer vollständig vermessenen Staudruckmaschine ist für jede Kombination von Drehzahl und Drehmoment der Motor-Generator- Maschine der zugehörige Wert des Oberwasserpegels bekannt. Diese Daten werden in Form einer Kennlinie im Speicher des Reglers abgelegt. Die laufende Überwachung von Drehmoment und Drehzahl der Motor-Generator-Maschine erlaubt es daher, indirekt Rückschlüsse auf den aktuellen Oberwasserpegel zu ziehen, der somit selbst nicht zwingenderweise gemessen werden muss. Den im Betrieb gemessenen Ist-Werten von Drehmoment und Drehzahl kann zumindest ein entsprechender Soll-Wert für die Drehzahl gegenübergestellt werden, der von der Einrichtung zur Beeinflussung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine eingestellt wird.
Um auf einen bekannten Zusammenhang zwischen Drehmoment bzw. Drehzahl der Motor-Generator-Maschine und dem Oberwasserpegel zurückgreifen zu können, ist es von Vorteil, wenn der Speicher zumindest eine in einem vollständigen Testlauf ermittelte Kennlinie enthält. Demnach kann die Staudruckmaschine beispielsweise bei der Inbetriebnahme vollständig vermessen werden, wobei den Messdaten für Drehzahl und Drehmoment der Motor-Generator-Maschine der jeweils entsprechende Oberwasserpegel zugeordnet wird. Aus diesen Messpunkten wird die Kennlinie erstellt, welche im Speicher des Reglers abgelegt wird. Im Betrieb ermittelt der Regler anhand der Kennlinie aus den Ist-Werten von Drehzahl und Drehmoment den aktuellen Oberwasserpegel, der mit dem vorgegebe¬ nen Soll-Wert des Oberwasserpegels verglichen und durch Regelung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine eingestellt wird.
Eine konstruktiv einfache Vorrichtung zur Messung des Oberwasserpegels wird zur Verfügung gestellt, wenn das Messelement zur Erfassung des Oberwasserpegels mit einem zur Lagerung des Laufrads vorgesehenen Rahmen verbunden ist. Das Messelement ist vorzugsweise mit einem oberen, im Betrieb im Wesentlichen
horizontal angeordneten Rahmenteil verbunden. Das Messelement kann aber auch stationär, beispielsweise an einem stationären Maschinengestell oder an einem stationären Bauwerk des Gerinnes, in dem die Staudruckmaschine angeordnet ist, befestigt sein. Zudem kann ein weiteres Messelement vorhanden sein, das den Unterwasserpegel misst. Im Fall eines berührungslos messenden
Messelements ist dafür zu sorgen, dass das Messsignal ungehindert zur Wasseroberfläche und zurück gelangen kann. Dies wird vorzugsweise durch eine stabförmige Aufhängung erreicht, die insbesondere frei auskragend am Rahmen oder am Maschinengestell angeordnet ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert. Im Einzelnen zeigen in den Zeichnungen:
Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht einer erfindungsgemäßen Stau¬ druckmaschine mit einem ein Gerinne aufstauenden Laufrad, dessen Drehzahl zur Einhaltung eines vorgegebenen Oberwasserpegels regelbar ist;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Regeleinrichtung zur Regelung der Drehzahl des Laufrads, die gemäß einer Ausführungs¬ form der Erfindung ein Messelement zur Erfassung des Oberwasserpegels aufweist;
Fig. 3 ein einfaches Blockschaltbild zur Veranschaulichung der in Fig. 2 dargestellten Regeleinrichtung;
Fig. 4 ein detaillierteres Blockschaltbild der aus den Fig. 2 und 3 ersichtlichen Regeleinrichtung;
Fig. 5 eine Fig. 2 entsprechende Darstellung einer weiteren Aus¬ führungsform der Regeleinrichtung, bei der das Drehmoment der Motor-Generator-Maschine gemessen wird; und
Fig. 6 ein Diagramm mit einer in einem Testlauf gemessenen Kennlinie des Laufrads.
In Fig. 1 ist eine Wasserkraft-Staudruckmaschine 1 gezeigt, die quer zu einer Strömungsrichtung 2' eines in Fig. 2 schematisch eingezeichneten Gerinnes 2 angeordnet ist. Die Staudruckmaschine 1 erstreckt sich über die gesamte Breite des Gerinnes 2, so dass der gesamte Wasserstrom gezwungen wird, die Staudruckmaschine 1 zu passieren. Die Staudruckmaschine 1 weist ein Laufrad 3 mit einer zylindrischen Nabe 4 auf, an der in regelmäßigen Winkelabständen Schaufeln 5 befestigt sind. In Fig. 1 ist auch die Dreh¬ richtung des Laufrads 3 mit einem Pfeil 6 angedeutet.
Das Laufrad 3 legt im Betrieb eine Wasserstandshöhe d als Diffe¬ renz zwischen einem Oberwasserpegel 8 und einem Unterwasserpegel 9 fest; demnach bildet die Staudruckmaschine 1 ein Wehr, welches das Gerinne 2 mit der festgelegten Wasserstandshöhe d aufstaut. Das Laufrad 3 ist mit einer (aus Fig. 1 nicht ersichtlichen) elektrischen Motor-Generator-Maschine 10 gekuppelt; entsprechend der jeweiligen Anordnung der Motor-Generator-Maschine 10 wird eine passende Transmission zwischen dem Laufrad 3 und der Motor- Generator-Maschine 10 vorgesehen. Im Generatorbetrieb wird das bremsende Drehmoment der Motor-Generator-Maschine 10 dazu genützt, die Bewegungsenergie des Laufrads 3 in elektrische Energie umzusetzen. Die gewonnene Energie kann in einem Energie¬ speicher gespeichert oder in ein (nicht dargestelltes) Stromnetz eingespeist werden. Die Staudruckmaschine 1 zeichnet sich durch eine besonders effiziente Ausnützung der Wasserkraft aus, indem sowohl die Fließgeschwindigkeit des Gerinnes 2 als auch die po¬ tentielle Energie der Wasserständshöhe d in elektrische Energie umgesetzt werden. Die gezeigte Staudruckmaschine 1 ist insbeson- dere zum Einsatz in kleineren Gerinnen 2 geeignet, die mit anderen Arten von Wasserkraftwerken kaum gewinnbringend zur Energiegewinnung genützt werden können. Die Staudruckmaschine 1 weist einen hohen Wirkungsgrad bei großem Schluckvermögen auf.
Auf der Oberwasser-Seite der Staudruckmaschine 1 wird ein Volumenstrom Qzu zugeleitet, der die Staudruckmaschine 1 als Volumenstrom Qab verlässt. Wenn der eingeleitete Volumenstrom Qzu dem abgeleiteten Volumenstrom Qab entspricht, bleibt die Wasserstandshöhe d konstant. Andererseits steigt die Wasserstandshöhe d, wenn mehr Wasser zu- als abgeleitet wird; umgekehrt führt eine Erhöhung des abgeleiteten Volumenstroms Qab zu einem Sinken der Wasserstandshöhe d. Der abgeleitete Volumenstrom Qab kann durch Erhöhung bzw. Erniedrigung des Schluckvermögens der Staudruckmaschine 1 eingestellt werden, das durch eine Drehzahl n: des Laufrads 3 bestimmt wird. Im Betrieb kann es aus verschiedensten Gründen zu Schwankungen der Wasserstandshöhe kommen, beispielsweise, wenn stromaufwärtige Schleusen geöffnet werden. Für den effizienten Betrieb der Staudruckmaschine 1 soll der Oberwasserpegel 8 auf einem vorgegebenen Niveau gehalten werden, das für die Erzielung der gewünschten Leistung bzw. eines optimalen Wirkungsgrads zweckmäßig ist.
Beim Stand der Technik sind zwar Regelungen des Oberwasserpegels vorgesehen, welche allerdings die Besonderheiten der Staudruck¬ maschine 1 nicht ausreichend berücksichtigen. Um sensibel und mit hoher Genauigkeit auf Schwankungen des zugeleiteten Volumenstroms Qzu reagieren zu können, ist bei der Staudruckmaschine 1 eine Regeleinrichtung 11 vorgesehen, die mit der Motor-Genera¬ tor-Maschine 10 verbunden ist (vgl. Fig. 2) . Zur Einhaltung eines vorgegebenen Oberwasserpegels 8 wird die Drehzahl n2 des Laufrads 3 durch Einstellung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine 10 geregelt.
In Fig. 2 ist das Schema einer ersten Ausführung der Regeleinrichtung 11 veranschaulicht, bei welcher der Oberwasserpegel 8 laufend überwacht wird. Zu diesem Zweck ist ein Messelement 12 zur Erfassung des Oberwasserpegels vorgesehen. Zudem ist ein weiteres Messelement 12' vorgesehen, das den Unterwasserpegel 9 misst. Die Messelemente 12, 12' sind zweckmäßigerweise als Ul- traschallsensoren 13 ausgebildet; es können jedoch auch andere Arten von Messelementen 12, 12' vorgesehen sein, beispielsweise (in den Fig. nicht dargestellte) hydrostatische Füllstandsmess¬ geräte. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Messelement 12 (und entsprechend das Messelement 12') am freien Ende einer stabförmigen Aufhängung 25 angeordnet, die an einem oberen Rah¬ menteil 26' eines das Laufrad 3 lagernden Rahmens 26 angebracht ist. Der Rahmen 26 ist in Höhenrichtung verstellbar in einem unbeweglichen Maschinengestell 27 angeordnet. Das Messelement 12 liefert den Wert des gemessenen Oberwasserpegels 8 an eine elek¬ tronische Regeleinheit 14, die mit der Motor-Generator-Maschine 10 verbunden ist, um aus einem Vergleich mit dem vorgegebenen Wert für den Oberwasserpegel 8 eine Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10 durch Regelung des bremsenden Drehmoments zu re¬ geln .
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, weist die elektronische Regeleinheit 14 einen Regler 15 mit einer Speicherprogrammierbaren Steuerung, nachstehend kurz SPS, 16 auf, die mit einer Einrichtung 17 zur Beeinflussung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine 10 verbunden ist, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel durch einen Frequenzumrichter 18 gegeben ist. Der mittels des Ultraschallsensors 13 gemessene Oberwasserpegel 8 dient als Ein¬ gangsgröße für die SPS 16, in welcher der Soll-Wert für den Oberwasserpegel 8 abgespeichert wurde, der laufend mit dem Ist- Wert des Oberwasserpegels 8 verglichen wird. Aus der ermittelten Regeldifferenz zwischen dem Ist-Wert und dem vorgegebenen Soll- Wert des Oberwasserpegels 8 wird eine Drehzahlvorgabe nson für den Frequenzumrichter 18 bestimmt, die an der Motor-Generator- Maschine 10 eingestellt wird. Weiters ist eine Drehzahl-Messein¬ richtung 19 vorgesehen, welche laufend den Ist-Wert der Mo¬ tor-Drehzahl nist misst und an den Frequenzumrichter 18
überliefert, der den Ist-Wert niEt der Drehzahl n: mit dem von der SPS 16 gelieferten Soll-Wert nson der Drehzahl n; vergleicht und entsprechend einstellt.
Fig. 4 zeigt den Regelkreis der vorstehend anhand von Fig. 2 und Fig. 3 erläuterten Regeleinrichtung 11 in größerem Detail. Demnach umfasst die durch einen strichlierten Rahmen veranschaulichte Regelstrecke das Laufrad 3, das über ein Getriebe 20 mit der Motor-Generator-Maschine 10 verbunden ist. Das Getriebe 20 übersetzt die Drehzahl nl des Laufrads 3 (in Umdrehungen pro Minute; [U/min]) in eine für die Motor-Generator-Maschine 10 geeignete höhere Drehzahl n2 [U/min] . Analog dazu wird über das Getriebe 20 ein laufradseitiges Drehmoment Mx (in Newtonmeter; [Nm] ) in ein generatorseitiges Drehmoment M2 [Nm] umgesetzt. Die Motor-Generator-Maschine 10 stellt im Generatorbetrieb einen Strom I [ A ] , angegeben in Ampere, mit einer Frequenz F [Hz], angegeben in Hertz, zur Verfügung. Der variable Volumenstrom Qzu [m3/s] , angegeben in Kubikmeter pro Sekunde, wirkt als Störgröße d' auf den Oberwasserpegel 8, der die allgemein mit y bezeichnete Regelgröße H [m] , angegeben in Metern, darstellt. Die Rückführung des Regelkreises umfasst das Messelement 12 zur
Erfassung des Ist-Werts Hist des Oberwasserpegels 8, der mit dem Soll-Wert Hsoll des Oberwasserpegels 8 verglichen wird, um eine Regeldifferenz e als Differenz zwischen dem Ist-Wert Hist des Oberwasserpegels 8 und dem Soll-Wert Hsoll des Oberwasserpegels 8 zu bestimmen, welche Regeldifferenz e an den Regler 15 der elektronischen Regeleinheit 14 geliefert wird. Im bevorzugt als speicherprogrammierbare Steuerung 16 ausgebildeten Regler 15 ist eine Kennlinie für den Oberwasserpegel 8 in Abhängigkeit von der Drehzahl n2 [U/min] des Laufrads 3 abgelegt, aus der die in Fig. 4 mit u bezeichnete Drehzahlvorgabe für die Motor-Generator-Maschine 10 ermittelt wird. Die als Steuergröße u auftretende Drehzahl wird an die Einrichtung 17 übermittelt, welche das bremsende Drehmoment der Motor-Generator-Maschine 10 beein- flusst. Die Einrichtung 17, d.h. insbesondere der Frequenzumrichter 18, bildet demnach das Stellglied des Regelkreises, wobei als Stellgröße uR die Drehzahl n: der Motor-Generator-Maschine 10 dient, für die laufend ein Stellwert vorgegeben wird.
In Fig. 5 ist schematisch eine alternative Ausführung der Regeleinrichtung 11 gezeigt, welche ohne direkte Erfassung des Ober¬ wasserpegels 8 auskommt. Zur Einhaltung des vorgegebenen
Oberwasserpegels 8 weist die elektronische Regeleinheit 14 einen Speicher 21 auf, in dem eine Kennlinie des Oberwasserpegels 8 in Abhängigkeit von Drehzahl n: und Drehmoment M der Motor-Genera¬ tor-Maschine 10 gespeichert ist. Das Drehmoment M: der Motor-Generator-Maschine 10 wird laufend mittels einer Drehmoment- Messeinrichtung 22 erfasst; zur Messung des Drehmoments M:: werden zweckmäßigerweise elektrische Betriebsparameter (Strom, Spannung, Drehstromfrequenz etc.) der Motor-Generator-Maschine 10 verwendet. Aus der laufenden Erfassung von Drehmoment M2 und Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10 wird indirekt auf den Oberwasserpegel 8 geschlossen. Somit wird bei dieser Ausführung ausgenützt, dass der Oberwasserpegel 8 als Funktion von Drehmoment M2 und Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10 darstellbar ist. Der Zusammenhang zwischen den gemessenen Parametern Drehmoment M2 und Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10 und dem Oberwasserpegel 8 wird zweckmäßigerweise in einem Testlauf erhalten, bei dem die Kennlinie der Staudruckmaschine 1 aufgenommen wird. Der Regler 15 greift im Betrieb auf die im Speicher 21 abgelegte Kennlinie zurück, um die Drehzahl n2 der Motor-Generator-Maschine 10, welche über das Getriebe 20 in die Drehzahl nx des Laufrads 3 untersetzt ist, zu regeln. Zur Beeinflussung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine 10 kann analog zur Regelung über die direkte Erfassung des Oberwasserpegels 8 der Frequenzumrichter 18 zum Einsatz kommen. Bei dieser Ausführung kann somit grundsätzlich auf die Messung des Oberwasserpegels 8 verzichtet werden, wenn der Zusammenhang zwischen den maßgeblichen Größen der Motor-Generator-Maschine 10, d.h. Drehzahl n2 und Drehmoment M2, und dem Oberwasserpegel 8 bekannt ist. Selbstverständlich ist es jedoch auch denkbar und in vielen Fällen bevorzugt, wenn der Oberwasserpegel 8 und das Drehmoment M der Motor-Generator-Maschine 10 gleichzeitig vermessen werden, um möglichst vollständige Informationen über den Betriebs zustand der Staudruckmaschine 1 zu gewinnen.
Fig. 6 zeigt schließlich ein Beispiel einer in einem Testlauf ermittelten Kennlinie, aus der schematisch der Zusammenhang zwischen dem auf der Ordinate aufgetragenen Drehmoment M] [Nm] und der auf der Abszisse aufgetragenen Drehzahl r\ j [U/min] des Laufrads 3 ersichtlich ist. Demnach wird das größte Drehmoment Mi erzielt, wenn das Laufrad 3 stillsteht bzw. die Drehzahl ni Null ist. Je größer die Drehzahl n! des Laufrads 3 ist, umso größer werden Reibungs- und Verwirbelungsverluste, so dass das abgege¬ bene Drehmoment i sinkt und schließlich bei einem bestimmten Wert für die Drehzahl nj verschwindet. Die dargestellte Messkurve wurde bei einer Wasserstandshöhe d von 2 Metern aufgenommen. Bei größeren Wasserstandshöhen d wurden im Verlauf ähnliche Messkur- ven ermittelt, die annähernd parallel hin zu höheren Werten für Drehmoment Mx und Drehzahl rii verschoben sind, wie in Fig. 6 mit Pfeil 23 angedeutet ist. Umgekehrt sind die Kennlinien für kleinere Wasserstandshöhen d der Staudruckmaschine 1 in Pfeilrichtung 24 zu niedrigeren Werten für Drehmoment : und Drehzahl n! des Laufrads 3 verschoben.

Claims

Patentansprüche :
1. Wasserkraft-Staudruckmaschine (1) mit wenigstens einem Laufrad (3), das eine Nabe (4) und damit verbundene Schaufeln (5) aufweist, und das im Betrieb eine Wasserstandshöhe (d) als Differenz zwischen einem Oberwasserpegel (8) und einem Unterwasserpegel (9) festlegt, mit einer mit dem Laufrad (3) gekuppelten elektrischen Motor-Generator-Maschine (10), und mit einer Regeleinrichtung (11) zur Regelung des Oberwasserpegels (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) mit der Motor-Generator-Maschine (10) verbunden ist, um durch Regelung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine (10) eine
Drehzahl (ni) des Laufrads (3) zur Einhaltung eines vorgegebenen Oberwasserpegels (8) zu regeln.
2. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) einen vorzugsweise als Speicherprogrammierbare Steuerung (16) ausgebildeten Regler (15) aufweist, der mit einer vorzugsweise als Frequenzumrichter (18) ausgebildeten Einrichtung (17) zur Beeinflussung des bremsenden Drehmoments der Motor-Generator-Maschine (10) verbunden ist .
3. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) ein Messelement
(12) zur Erfassung des Oberwasserpegels (8) aufweist.
4. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Messelement (12) ein Ultraschallsensor
(13) vorgesehen ist.
5. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass als Messelement (12) ein insbesondere hydrostatisches Füllstandsmessgerät vorgesehen ist.
6. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) aus einer Regeldifferenz (e) zwischen einem gemessenen Ist-Wert (Hist) des Oberwasserpegels (8) und einem vorgegebenen Soll-Wert (Hsoll) des Oberwasserpegels (8) eine Stellgröße (uR) für die Drehzahl (n2) der Motor-Generator-Maschine (10) bestimmt, welche mittels der Einrichtung (17) zur Beeinflussung des Drehmoments (M2) der Motor-Generator-Maschine (10) einstellbar ist.
7. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (11) eine Drehmoment-Messeinrichtung (22) zur Erfassung des Drehmoments (M2) der Motor-Generator-Maschine (10) aufweist.
8. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (15) einen Speicher (21) aufweist, in dem eine Kennlinie des Oberwasserpegels (8) in Abhängigkeit von Drehzahl (n2) und Drehmoment (M2) der Motor-Generator-Maschine (10) gespeichert ist, so dass der Oberwasserpegel (8) indirekt durch die Erfassung von Drehmoment (M2) und Drehzahl (n2) der Motor-Generator-Maschine (10) regelbar ist.
9. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (21) zumindest eine in einem vollständigen Testlauf ermittelte Kennlinie enthält.
10. Wasserkraft-Staudruckmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (12) zur Erfassung des Oberwasserpegels (8) mit einem zur Lagerung des Laufrads (3) vorgesehenen Rahmen (26) verbunden ist.
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