NL8202757A - Netkoppelstelsel voor windmolens met een asynchrone generator. - Google Patents

Description

ί- ^

Netkoppelstelsel voor windmolens met een asynchrone generator

De uitvinding heeft betrekking op een netkoppelstelsel voor windmolens met asynchrone generator, dat een netsychronisatienetwerk omvat om de molen bij het bereiken van het synchrone toerental op het net te schakelen en beneden dit toerental weer van het electri-5 citeitsnet af te schakelen.

Een dergelijk netkoppelstelsel is algemeen bekend en wordt voor windmolens met een vermogen in de orde van grootte van 10-20 kW toegepast. Boven deze vermogens wordt van windmolens gebruik gemaakt, die van een synchrone generator zijn voorzien.

10 Bij een dergelijk netkoppelstelsel wordt de blindstroom bij het overschakelen van de asynchrone generator op het draaistroom-net om een bekrachtigingsveld te verkrijgen door dit draaistroomnet zelf geleverd, hetgeen het nadeel met zich meebrengt dat dit met een stroomstoot gepaard gaat. Het bereiken van het synchrone toerental 15 van de asynchrone generator kan bijvoorbeeld met een toerentalteller, alsmede met een Hall generator, een fotocel of op andere wijze bijvoorbeeld met behulp van infrarode straling worden gemeten. Wanneer de koppeling eenmaal tot stand is gekomen wordt de synchrone generator oversychroon aangedreven en wordt er vermogen terug in het net 20 geleverd.

Behalve het optreden van een stroomstoot bij het koppelen van de asynchrone generator op het net wordt bij deze bekende met het net gekoppelde windmolens een probleem door het veelvuldige bij lage; windsnelheden op- en afschakelen van de molen op het openbare licht-25 of krachtnet gevormd. Dit vindt zijn oorzaak in het feit dat de molen onbelast naar het toerental aanloopt, waarbij netsynchronisatie plaats vindt, daarna vermogen moet gaan leveren en daardoor weer beneden het synchrone toerental komt, waardoor de molen weer van het* net wordt afgeschakeld. Deze cyclus blijft zich herhalen totdat de 30 wind een dusdanige kracht heeft bereikt dat de molen boven het synchrone toerental blijft draaien en dus gekoppeld blijft.

Naast de net gekoppelde molen komt ook het zogenaamde eilandbedrijf voor. Dit houdt in dat door de asynchrone generator onafhanke- 8202757 * - 2 - lijk van het licht- of krachtnet een stroom aan een belasting wordt geleverd. Dit is mogelijk door op iedere veldwikkeling van de asynchrone generator een condensator aan te sluiten. Bij een bepaald toerental gaat de asynchrone generator dan z'n eigen blindstroom op-5 wekken. Op een dergelijke volgens het eilandbedrijf werkzame windmolen wordt bij voorkeur om het beste rendement te verkrijgen een verwarmingsapparaat aangesloten. De grootte van het toerental waarbij de asynchrone generator een spanning gaat leveren hangt van de grootte van de condensatoren af en ligt in de praktijk voor een gebruikelijke als asynchrone 10 generator toegepaste motor in een toerentalbereik van 500-1400 omw/min.

De uitvinding heeft ten doel om een netkoppelstelsel voor windmolens met een asynchrone generator van de boven omschreven soort te verschaffen, die de nadelen van de tot nog toe bekende netkoppelstelsels mist en waarbij om deze nadelen op te heffen tendele van het eiland-15 bedrijf wordt gebruik gemaakt. Het netkoppelstelsel volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat het stelsel verder uit een condensatoren omvattende belasting is samengesteld en het netsynchronisatie-netwerk een door een besturingsschakeling bestuurde hoofdschakelaar omvat, waardoor de asynchrone generator onder het synchrone toerental met de 20 genoemde belasting is verbonden en er boven met het net, alsmede een direct of indirect met deze besturingsschakeling verbonden frequentie-en fasevergelijker, waarvan een eerste ingang met de asynchrone generator is verbonden en een tweede ingang op het electriciteitsnet is aangesloten, en een eveneens met de genoemde besturingsschakeling 25 verbonden terugstroomautomaat, waarvan de ingang via een netbelastings-aftastketen op het electriciteitsnet is aangesloten. De condensatoren van de belasting zijn zo berekend, dat de generator ver beneden het synchrone toerental spanning gaat opwekken. Met deze spanning kan een boiler worden gevoed of accu's worden opgeladen. De molen draait dan 30 belast. De frequentie van de door de generator opgewekte spanning wordt nu met dc frequentie van het licht- of krachtnet vergeleken. Beide spanningen worden aan een frequentie- en fasevergelijker toegevoerd. Zodra de frequentie en fase van de generator en het net aan elkaar gelijk zijn, wordt de generator op het net gekoppeld en worden de 35 condensatoren tegelijkertijd afgeschakeld.

8202757

« I

% - 3 -

Bij voorkeur wordt het netkoppelstelsel volgens de uitvinding zodanig uitgevoerd dat voor de hoofdschakelaar van een electro-nische schakelaar wordt gebruik gemaakt, hetgeen het voordeel met zich meebrengt dat de bekrachtigingsstroomstoot voor het veld van 5 de generator niet door het net geleverd behoeft te worden omdat de molen dit veld reeds zelf heeft opgewekt. Dit betekend dus een mindere belasting van het net.

Door de belasting groter of kleiner te maken kan de windsnelheid worden bepaald, waarbij de molen met het net wordt gekoppeld.

10 Een bijzondere uitvoeringsvorm van het netkoppelstelsel voor windmolens met een asynchrone generator volgens de uitvinding wordt gekenmerkt doordat de ene ingang van de fase- en frequentie\ergelijker via een vertragingsschakeling met de asynchrone generator is verbonden en doordat tussen de terugstroomautomaat en de netbelastings-15 aftastketen eveneens een vertragingsschakeling is opgenomen. Hierdoor worden bereikt dat de tijd instelbaar is, waarna de molen met het net wordt gekoppeld, dit wil zeggen de molen moet eerst een bepaalde tijd bewijzen dat deze vermogen kan leveren voordat er gekoppeld wotdt.

20 Verder wordt hiermee bereikt dat het moment waarop de molen door de terugstroomautomaat van het net wordt afgekoppeld instelbaar is. Deze terugstroomautomaat bevat een speciale transformator en zodra de molen stroom uit het net gaat trekken, dus zodra het net de molen gaat aandrijven zal dit door de terugstroomtransformator 25 worden geregistreerd en zal de molen via de genoemde vertragingsschakeling van het net worden afgekoppeld. Nadat de molen van het net is afgeschakeld wordt deze weer op de condensatoren omvattende belasting aangesloten en begint de cyclus van voren af aan.

Het bovenstaande kan in het kort worden samengevat doordat 30 bij een molen die volgens het tot nog toegepaste stelsel werkt, door de wind het toerental wordt bepaal, waarbij de molen met het net wordt gekoppeld. Bij het stelsel volgens de uitvinding kan het toerental door middel van de belasting door de gebruiker zelf worden bepaald, zodat de molen pas met het net wordt gekoppeld als aan bepaalde 35 voorwaarden is voldaan. Dit heef t minder schakelacties en minder net- 8202757 ' - 4 - vervuiling tot resultaat.

De uitvinding zal thans aan de hand van de figuren nader worden toegelicht.

Fig. 1 geeft een blokschema van het netkoppelstelsel volgens de 5 uitvinding weer; en fig. 2 geeft een meer gedetailleerd schema van het netkoppel-stelsel volgens de uitvinding weer.

In het blokschema van fig. 1 wordt de asynchrone generator 1 mechanisch door de wind aangedreven en is electrisch met een omschakel-10 bare hoofdschakelaar 2_ gekoppeld, die in de getekende stand met de condensatoren omvattende belasting 3 is verbonden. In de andere gestippeld aangegeven stand geeft de hoofdschakelaar 2 een doorverbinding van de asynchrone generator via de transformator 4 van de terugstroom-automaat T.S.A. met het licht- of krachtnet van 380 Volt.

15 Het toerental waarbij de hoofdschakelaar 2_ moet worden omge schakeld wordt door middel van een door 5 aangeduide frequentie- en fasevergelijker F.F.V. gemeten, die enerzijds via een vertragings-schakeling 6 op de uitgang van de asynchrone generator 1 is aangesloten en anderzijds op het net. Deze frequentie- en fasevergelijker 5 kan 20 direct met een besturingsschakeling 7 zijn verbonden, hetgeen gestippeld is aangegeven of indirect via een terugstroomautomaat 8. Door middel van de besturingsschakeling 7 wordt de hoofdschakelaar 1_ bediend.

De vertragingsschakeling 6 is variabel en kan bijvoorbeeld op 30 secondaiworden ingesteld, waarbij deze vertragingsschakeling dienst 25 doet om het inwerking treden van de F.F.V. 5 gedurende een bepaalde tijd te vertragen, zodat er de zekerheid bestaat dat door de molen min of meer continu vermogen wordt opgewekt en de molen continu wordt belast.

Anderzijds is de terugstroomautomaat 8 via een vertragings-30 schakeling 9 met de bij de T.S.A behorende transformator 4 verbonden, waarbij door deze transformator wordt gemeten of de stroom in of uit het net vloeit. Hiertoe is de transformator van een spanningsspoel, een stroomspoel en een meetspoel voorzien,.hetgeen in het onderstaande nog nader zal worden besproken. Het kan worden toegestaan dat door de molen 35 50 Watt of 100 Watt uit het net wordt opgenomen, zodat de terugstroom- 8202757 «r ^ - 5 - automaat dan op deze waarde wordt ingesteld. Dit dient tevens om het aanbal schakelakties te beperken.

Volgens een voorschrift van de electriciteitbedrijven mag een net niet door windmolens worden gevoed, als er geen netspanning aan-5 wezig is, en om met dit voorschrift rekening te houden is het netkoppel-stelsel volgens de uitvinding zodanig geschakeld dat hiermee ook een netbewakingsfunctie 10 kan worden uitgevoerd, waartoe enerzijds de spanning van het net wordt gemeten en anderzijds de besturingsschake-ling 7 wordt beïnvloedt om de hoofdschakelaar op de condensatoren om-10 vattende belasting 3 te schakelen wanneer er geen netspanning aanwezig is.

Het met behulp van geïntegreerde schakelingen uitgevoerde net-koppelstelsel volgens, de uitvinding is meer gedetailleerd in fig. 2 afgebeeld, waarin de aan de hand van fig. 1 besproken schakelingen 15 met dezelfde verwijzingscijfers zijn aangeduid.

De asynchrone generator 1 is via de beweegbare schakelcontac-ten a1 t/m a4 van de door de bekrachtigingsspoel A bediende hoofd-.schakelaar 2 op de condensatoren C1, C2 en C3 omvattende belasting _3 aangesloten, die verder de parallel aan deze condensatoren geschakel-20 de belastingsweerstanden R1, R2 en R3 bevat. Wanneer de generator door de wind in draaiing wordt gebracht, zal deze zelf beneden het synchrone toerental een vel gaan opwekken en een spanning afgeven. Deze spanning wordt aan de belastingsweerstanden R1, R2 en R3 toegevoerd.

De op de F.F.V. 5 aangesloten vertragingsschakeling 6 is via 25 een transformator T1_ op een fase en de nulleiding van de generator 1 aangesloten en bestaat verder uit een door een condensator C4 en een instelbare weerstand R4 gevormde tijdconstanteketen, waaraan door middel van de diode D1 uit de transformator T1_ een gelijk gerichte spanning wordt toegevoerd en een relais B bevat, dat parallel aan de 30 condensator C4 is geschakeld. Wanneer de generator gedurende een bepaalde tijd, die met R4 instelbaar is spanning geeft, zal de spanning op de condensator C4 zo hoog worden, dat het relais B wordt bekrachtigd. Hierdoor wordt via het contact b1 van het relais B en via de tussen een 8202757 ' - 6 - fase en de nulleiding geschakelde transformator T1__ de generator-wisselspanning aan een in de F.F.V. 5 opgenomen Schmitt-trekkerketen 51 toegevoerd. De netspanning wordt via een tussen de fase S en de nulleiding van het net geschakelde transformator T2 aan een tweede 5 Schmitt-trekkerketen 52 van de F.F.V. toegevoerd. Door deze Schmitt-trekkerketens worden blokspanningen afgegeven, die aan hier achter geschakelde bistabiele relaxatieschakelingen of zogenaamde D-flip-flops 53 en 54 worden toegevoerd, die door middel van dé EN-poort 55 teruggesteld kunnen worden.

10 Op de uitgangen van de bistabiele relaxatieschakelingen 53 en 54 zijn twee EN-poorten 56 en 57 geschakeld, waarvan de tweede ingangen met de uitgang van de desbetreffende andere poort zijn verbonden. Zodra de frequentie en fase van de generator gelijk aan de frequentie en fase van het licht- of krachtnet zijn, zullen de poorten 56 en 58 15 worden omgeschakeld en zal er op de uitgang van de poort 56 en ,,J_" komen te staan.

De terugstroomautomaat 8 bestaat uit een EN-poort 81, waarvan de ene ingang via twee tussenketens 82 en 83 met de uitgang van de op het licht- of krachtnet aangesloten vertragingsschakeling 9 is aan-20 gesloten, terwijl de tweede ingang met de uitgang van de EN-poort 56, dit wil zeggen met de uitgang van de F.F.V. 5 is verbonden. De uitgang van de EN-poort 81 is via een tussenketen 84 met de basis van een transistor TR1 verbonden, en tevens via de diode D2 weer met de tweede ingang van de EN-poort 81.

25 In de collectorketen van de transistor TR1 is een relais C op genomen, dat verder op de + pool van een plaatspanningsapparaat 11 is aangesloten.

De vertragingsschakeling 9_ bestaat uit een door een condensator C5 en een instelbare weerstand R5 gevormde tijdconstanteketen, die via 30 een gelijkrichtdiode D3 op de meetspoel 4c van de terugstroomautomaat-transformator 4 is aangesloten. Parallel aan de condensator is een potentiometer R6 geschakeld, om aan de ene ingang van de EN-poort 83 een gelijkspanning van het vereiste niveau te kunnen aanleggen. De tweede ingang van de EN-poort 83 is direct met de + pool van het 35 plaatspanningsapparaat 11 verbonden.

8202757 - 7 -

•C

wanneer

De terugstroomautomaat 8 werkt zodanig dat'er behalve op de tweede met de F.F.V. verbonden ingang ook op de ene ingang een "1" staat er op de uitgang van de tussenketen 84 "1" komt te staan, waarbij er dan door de diode D2 voor wordt gezorgd, dat de "1" op de tweede 5 ingang van de EN-poort 81 blijft gehandhaafd. Wanneer er een 'Ί" op de uitgang van de tussenketen 84 dus op de uitgang van de T.S.A. staat, zal het relais C via de transistor TR1 worden bekrachtigd, waardoor het contact C1 ervan wordt gesloten en de magneetspoel A van de hoofdschakelaar wordt bekrachtigd, zodat de generator op het net wordt 10 geschakeld.

De terugstroomautomaat-transformator 4 omvat de in de fase R geschakelde stroomspoel 4a, de tussen de fase R en de nulleider 0 geschakelde spanningsspoel 4b en de meetspoel 4c. De stroomspoel 4a is zo gewikkeld dat wanneer door de generator energie aan het net wordt 15 geleverd, het veld van 4a met het veld van de spanningsspoel 4b meewerkt, en dat wanneer door de generator stroom uit het net wordt opgenomen, het veld van 4a het veld van 4b tegenwerkt. Zodra de generator als motor gaat werken, dus stroom uit het net opneemt, zal de spanning op de condensator C5 in de vertragingsschakeling 9 dalen en zal de 20 uitgang van de tussenketen 82 een "O" worden, waardoor het relais C afvalt, hetgeen tot gevolg heeft dat het contact C1 wordt geopend en de magneetspoel A buiten bekrachtiging komt, zodat de generator weer op de condensatoren C1, C2 en C3 wordt geschakeld. Het behulp van de instelbare weerstand R5 kan de ontlading van de condensator C5 en zo-25 doende de vertraging van het afschakelen van de windmolen worden geregeld.

De netbewakingsfunctie 10 is als volgt gerealiseerd. Indien er op de fase R van het licht- of krachtnet geen spanning staat, staat er op de spoel 4b van de transformator 4 geen spanning en zal de T.S.A.

30 8 niet werken zodat de generator niet op het net kan worden gekoppeld.

Indien er op de fase S van het licht- of krachtnet geen spanning staat, staat er op de primaire wikkeling van de transformator T2 geen meetspanning, waardoor de hele schakeling niet werkt en er niet gekoppeld kan worden.

35 Wanneer er op de fase T van het licht- of krachtnet geen 8202 757 - 8 - spanning staat, wordt de magneetspoel A niet bekrachtigd, omdat deze tussen de fase T en de nulleider is geschakeld. Dit heeft tot gevolg dat er ook in dit geval niet kan worden gekoppeld.

Met behulp van het stelsel volgens de uitvinding zijn de 5 problemen verholpen, die zich bij windmolens voordoen, die door middel van een gebruikelijk stelsel met het licht- of krachtnet worden gekoppeld, namelijk het veelvuldig op- en afschakelen van de windmolen op dit net.

Bij een gebruikelijk stelsel loopt de windmolen onbelast naar 10 het synchrone toerental van de generator. Het toerental van de molenas of van de generator wordt gemeten en als dit met het synchrone toerental van deze generator overeenkomt, wordt de molen op het net geschakeld. Hierna moet de molen stroom gaan leveren, waardoor het toerental dan weer beneden het synchrone toerental gezakt, zodat de molen weer wordt 15 afgeschakeld. Dit doet zich veelvuldig vooral aan het begin en het einde van een windperiode voor.

Met het stelsel volgens de uitvinding kan de molen van tevoren worden belast en kan het schakelmoment worden vertraagd, zodat de hoofdschakelaar niet op windvlagen in de aanloopperiode reageert, maar 20 pas omgeschakeld wordt als de wind "interesant" wordt. De molen wordt pas op het net aangesloten wanneer deze aan bepaalde voorwaarden voldoet, dit wil zeggenWa/nele molen in staat is om vermogen te leveren en dit ook gedurende een bepaalde tijd presteert. Ook het afschakelen wordt vertraagd, zodat de generator niet onmiddelijk van het net wordt 25 afgeschakeld wanneer het toerental ervan beneden het synchrone toerental komt.

Op het moment van koppelen van een synchroon draaiende asynchrone generator moet door het licht- of krachtnet de stroomstoot voor het bekrachtigen van het veld worden geleverd. Wanneer in het stelsel 30 volgens de uitvinding de magneetspoel A en het relais C door TRIACS worden vervangen, kan het opbouwen van het bekrachtigingsveld en dus het optreden van de bekrachtigingsstroomstoot worden vermeden, omdat de generator reeds zijn eigen veld heeft opgebouwd. Dit leidt zodoende tot minder netvervuiling.

8202757

Claims (9)

1. Netkoppelstelsel voor windmolens met een asynchrone generator, dat een netsynchronisatienetwerk omvat om de molen bij het bereiken van het synchrone toerental op het net te schakelen en beneden dit toerental weer van het electriciteitsnet af te schakelen, 5 met het kenmerk, dat het stelsel verder uit een condensatoren omvattende belasting is samengesteld en het netsynchronisatienetwerk een door een besturingsschakeling bestuurde hoofdschakelaar omvat, waardoor de asynchrone generator onder het synchrone toerental met de genoemde belasting is verbonden en er boven met het net, alsmede een 10 direct of indirect met deze besturingsschakeling verbonden frequentie-en fasevergelijker, waarvan een eerste ingang met de asynchrone generator is verbonden en een tweede ingang op het electriciteitsnet is aangesloten, en een eveneens met de genoemde besturingsschakeling verbonden terugstroomautomaat, waarvan de ingang via een netbelastings-15 aftastketen op het electriciteitsnet is aangesloten.

2. Netkoppelstelsel voor windmolens met een asynchrone generator volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de aansluitingen van de netbelastingsaftastketen van de terugstroomautomaat, alsmede de tweede ingang van de fase- en frequentievergelijker,, de omschakel-20 magneetspoel van de hoofdschakelaar en een gelijkstroomvoedingsapparaat voor de verschillende electronische schakelingen van het netsynchronisatienetwerk bij een uit drie fasen bestaand electriciteitsnet op de verschillende fasen ervan zijn aangesloten, waardoor een bewakings-functie wordt gerealiseerd, zodat de besturingsschakeling of de hoofd-25 schakelaar bij geen netspanning op één van de fasen niet in werking wordt gesteld.

3. Netkoppelstelsel voor windmolens met een asynchrone generator volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat de ene ingang van de frequentie- en fasevergelijker via een vertragingsschakeling 30 met de asynchrone generator is verbonden en dat tussen de terugstroomautomaat en netbelastingsaftastketen eveneens een vertragingsschakeling is opgenomen.

4. Netkoppelstelsel voor windmolens met een asynchrone generator volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de genoemde ver- 8202757 -10- tragingsschakelingen uit een transformator bestaan, waarvan de primaire wikkeling op een van de fasai van de generator of het electriciteitsnet en de nulleider is aangesloten, en waarvan de secundaire wikkeling via een gelijkrichter met een R-C keten is verbonden.

5. Netkoppelstelsel voor windmolens met een asynchrone genera tor volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de frequentie- en fase vergelijker uit twee bistabiele reLaxatieketens is samengesteld, waarvan door de ingangen tevens de ingangen van de vergelijker worden gevormd, waarbij de ruststanduitgangen ervan op een 10 eerste EN-poort zijn aangesloten, waarvan de uitgang met de terugstel-ingangen van deze bistabiele reLaxatieketens is verbonden, en waarbij de werkstanduitgangen . ervan op een tweede respectievelijk derde EN-poort zijn aangesloten, waarvan de tweede ingangen op de betreffende uitgangen van de andere poort zijn aangesloten; en dat de terugstroomautomaat uit 15 een vierde EN-poort bestaat, waarvan de ene ingang via een gelijkricht schakeling zoals bijvoorbeeld de genoemde vertragingsschakeling, op de netbelastingaftastketen is aangesloten, en de tweede ingang op de uitgang van de tweede EN-poort is aangesloten, welke via een betreffende bistabiele leLaxatieketen bij de ingang van de frequentie- en fasevergelijker 20 behoort, die met de asynchrone generator is verbonden, terwijl tussen dezé tweede ingang en de uitgang van de vierde EN-poort een diode is geschakeld om in het geval van een bekrachtigd niveau van deze uitgang het verbindingspunt tussen de uitgang van de frequentie- en fasevergelijker en de genoemde tweede ingang op hetzelfde bekrachtigingsniveau 25 te houden, en door de uitgang van de vierde EN-poort de uitgang van de terugstroomautomaat wordt gevormd, die met de besturingsschakelirig is verbonden.

6. Netkoppelstelsel voor een windmolen met een asynchrone generator volgens conclusie 3, 4 of 5, met het kenmerk, dat de besturings-30 schakeling uit een relaisschakeling met een tweetal relais en hierbij behorende contacten bestaat, waarbij het eerste relais hiervan via een versterker op de uitgang van de terugstroomautomaat is aangesloten en het contact van dit relais voor het al of niet bekrachtigen van een omschakelmagneetspoel voor de genoemde hoofdschakelaar dienst doet, ter-35 wijl het tweede relais op de uitgang van de vertragingsschakeling is aan- 8202 757 5' - 11 - gesloten, die tussen de asynchrone generator en de frequentie- en fasevergelijker is opgenomen, en het contact hiervan in de op deze frequentie- en fase vergelijker aangesloten ingangsleiding is geschakeld, die zonder meer direct met de asynchrone generator is verbonden.

7. Netkoppelstelsel voor een windmolen met een asynchrone gene rator volgens één van de conclusies 3-6, met het kenmerk, dat in de ingangsketens van de frequentie- en fasevergelijker Schmitttrekker-ketens zijn opgenomen, waarvan de ingangen via aanpassingstransformatoren op een fase en de nulleider van de asynchrone generator respectievelijk 10 van het electriciteitsnet zijn aangesloten.

8. Netkoppelstelsel voor een windmolen met een asynchrone generator volgens één van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de genoemde hoofdschakelaar en het relais voor het inschakelen van de magneetspoel van de hoofdschakelaar als snelle electronische schakelaars 15 zoals bijvoorbeeld TRIACS zijn uitgevoerd.

9. Netkoppelstelsel in hoofdzaak zoals beschreven in de beschrijving en/of afgebeeld in de figuren. /êfr' 8202757