NL8800426A

NL8800426A - Coupling appts. for induction generator to AC power lines - has compensating circuit for increasing firing pulse duration to half cycle time of mains voltage

Info

Publication number: NL8800426A
Application number: NL8800426A
Authority: NL
Original assignee: Electro Drive B V
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1988-02-19
Publication date: 1989-09-18

Abstract

The coupling device comprises semiconductor switching elements for connecting the induction generator to the ac power mains. A firing circuit provides firing pulses to the semiconductor switching elements and an enabler provides an enabling signal to the firing circuit preferably at a predetermined rotational speed of the shaft of the induction generator below the synchronous speed. The fjring circuit comprises device for forming a single firing pulse for each semiconductor switching element for each half cycle of the mains voltage. The duration of each firing pulse increases from a phase angle of 180 degrees of the corresponding phase voltage to a predetermined smaller phase angle of this phase voltage. Further an adjusting element is provided for setting the predetermined smaller phase angle where each firing pulse starts, and a current detection circuit is provided for comparing the firing pulse duration with the period during which a current flows through the corresponding semiconductor switching element.

Description

9 NL 35.263-dV/tk9 NL 35.263-dV / tk

Inrichting voor het koppelen van een asynchrone draaistroom-generator met het elektriciteitsnetDevice for coupling an asynchronous three-phase generator to the mains

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het koppelen van een asynchrone draaistroomgenerator met het elektriciteitsnet, in het bijzonder voor toepassing bij windturbines.The invention relates to a device for coupling an asynchronous three-phase generator to the electricity grid, in particular for use in wind turbines.

5 Asynchrone draaistroommotoren en -generatoren, die met het elektrische net zijn gekoppeld, nemen stroom uit dit net op of leveren stroom aan dit net. Afhankelijk van de belasting vloeit daarbij een stroom, die bij volle belasting nominaal is. Bij de bekende inrichtingen van de bovengenoemde 10 soort wordt wel een zogenaamde magneetschakelaar of mechanische schakelaar gebruikt voor het koppelen van de draaistroomgenerator met het net, waardoor een veelvoud van de nominale startstroom gaat vloeien en zeer grote mechanische belastingen optreden. Dit kan nadelige gevolgen 15 hebben voor het elektriciteitsnet, de draaistroomgenerator en het mechanisme, waarmee de motor/generator is gekoppeld.5 Asynchronous AC motors and generators, which are coupled to the electrical grid, draw power from or supply power to this grid. Depending on the load, a current flows which is nominal at full load. In the known devices of the above-mentioned type, a so-called magnetic switch or mechanical switch is used for coupling the three-phase generator to the mains, as a result of which a multiple of the nominal starting current flows and very large mechanical loads occur. This can have adverse consequences for the mains, the three-phase generator and the mechanism with which the motor / generator is coupled.

In motorbedrijf zijn voor deze problemen verschillende oplossingen bekend, zoals bijvoorbeeld een 20 ster-driehoekschakelaar, aanloopweerstanden en het verlagen van spanning door middel van een transformator of thyristors. Dergelijke bekende oplossingen zijn echter in generatorbe-drijf, in het bijzonder voor windturbines, niet afdoende.In motor operation, various solutions are known for these problems, such as, for example, a star-delta switch, starting resistors and voltage reduction by means of a transformer or thyristors. However, such known solutions are not sufficient in generator operation, in particular for wind turbines.

De uitvinding beoogt een inrichting van de in de 25 aanhef genoemde soort te verschaffen, waarmede de bovengenoemde problemen van de bekende inrichtingen worden ondervangen en waarmee het voorts mogelijk is de stroom, de spanning en de generator te bewaken en tevens bij deellast-bedrijf een rendementsverbetering wordt bereikt.The object of the invention is to provide a device of the type mentioned in the preamble, with which the above-mentioned problems of the known devices are obviated and with which it is furthermore possible to monitor the current, the voltage and the generator and also an efficiency improvement during part-load operation. is reached.

30 Hiertoe wordt de inrichting van de in de aanhef genoemde soort, waarbij de generator door middel van thyristors met het elektriciteitsnet is gekoppeld en een ontstekingsschakeling voor de thyristors is aangebracht, gekenmerkt door middelen voor het zodanig sturen van de 35 gate-elektroden van da thyristors, dat de thyristors onder .8800420 \ -2 - alle omstandigheden in geleiding gaan bij een toerental, dat vlak onder het synchrone toerental ligt.For this purpose, the device of the type mentioned in the preamble, in which the generator is coupled to the mains by means of thyristors and an ignition circuit for the thyristors is provided, characterized by means for controlling the gate electrodes of the thyristors in such a way that the thyristors will conduct under all conditions at 8800420 \ -2 at a speed just below the synchronous speed.

De uitvinding wordt hierna nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin een uitvoeringsvoorbeeld 5 schematisch is weergegeven.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing, in which an embodiment 5 is schematically shown.

Fig. 1-3 tonen enkele diagrammen ter toelichting van de werking van de inrichting volgens de uitvinding.Fig. 1-3 show some diagrams to explain the operation of the device according to the invention.

Fig. 4 geeft schematisch een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding weer.Fig. 4 schematically shows an embodiment of the device according to the invention.

10 Fig. 5-6 tonen enkele diagrammen ter toelichting van de werking van de inrichting volgens de uitvinding.FIG. 5-6 show some diagrams for explaining the operation of the device according to the invention.

Fig. 7 geeft schematisch een bewakingsschakeling weer, die bij de inrichting volgens de uitvinding kan worden toegepast.Fig. 7 schematically shows a monitoring circuit which can be used in the device according to the invention.

15 Bij de inrichting volgens de uitvinding wordt de draaistroomgenerator op op zichzelf bekende wijze via thyristors met het elektriciteitsnet gekoppeld. In motorbedrijf zouden de thyristors op conventionele wijze met startinpulsen kunnen worden ontstoken. Een dergelijke 20 sturing van de thyristors is echter voor generatorbedrijf niet geschikt. Dit wordt veroorzaakt door de verschuiving van de stroom I ten opzichte van de spanning U, welke schematisch in fig. 1 is aangeduid. In motorbedrijf varieert deze verschuiving phi van nul tot nagenoeg 90°. Bij 90° is 25 het toerental "synchroon". Onder deze omstandigheden vloeit alleen de bekrachtigingsstroom in de generator. Bij windturbines worden hogere toerentallen gerealiseerd, waardoor de stroom nog verder verschuift. Deze stroomverschuiving treedt zeer snel op. De bekende ontstekingsschakelingen voor 30 de thyristors met ontstekingsimpulsen kunnen deze stroomverschuiving niet volgen, waardoor de stroom gemist wordt en de stroom als het ware de ontstekingsimpulsenreeks mist, zoals in fig. 2 is weergegeven. Aangezien de stroom I door nul gaat en geen ontstekingsimpulsen worden geleverd, zal de 35 thyristor niet ontsteken en de met een streeplijn aangeduide stroom niet gaan lopen.In the device according to the invention, the three-phase generator is coupled in a manner known per se to the electricity network via thyristors. In motor operation, the thyristors could be ignited in a conventional manner with starting pulses. Such a control of the thyristors is, however, not suitable for generator operation. This is caused by the displacement of the current I with respect to the voltage U, which is schematically indicated in Fig. 1. In motor operation, this shift phi varies from zero to almost 90 °. At 90 °, the speed is "synchronous". Under these conditions, only the excitation current flows into the generator. Higher speeds are achieved with wind turbines, which means that the current shifts even further. This current shift occurs very quickly. The known ignition circuits for the thyristors with ignition pulses cannot follow this current shift, so that the current is missed and the current, as it were, lacks the ignition pulse series, as shown in Fig. 2. Since the current I passes through zero and no ignition pulses are supplied, the thyristor will not ignite and the current indicated by a broken line will not run.

In fig. 3 is het ontstekingsprincipe volgens de uitvinding weergegeven. Zoals uit fig. 3 blijkt, wordt volgens de uitvinding een relatief lang durende ontstekings- .8800426Fig. 3 shows the ignition principle according to the invention. As shown in FIG. 3, according to the invention, a relatively long-lasting ignition 8800426

-3 - J-3 - J

impuls geleverd, die een hoge aanvangswaarde heeft, zodat ontsteking van de thyristor wordt gewaarborgd en vervolgens tot een lagere waarde wordt verlaagd, ten einde thermische overbelasting van de thyristor te voorkomen. Zoals uit fig.impulse, which has a high initial value, so that ignition of the thyristor is ensured and then reduced to a lower value, to avoid thermal overload of the thyristor. As shown in fig.

5 3 blijkt, heeft de ontstekingsimpuls een zodanige lengte, dat ook bij een snelle verschuiving van de fase van de stroom, de stroom door nul gaat op het moment dat nog een ontstekingsimpuls aan de thyristor wordt geleverd, zodat ontsteking van de thyristor is gewaarborgd.3, the ignition pulse has such a length that, even with a rapid shift of the phase of the current, the current passes through zero the moment an ignition pulse is supplied to the thyristor, so that ignition of the thyristor is ensured.

10 Zoals in fig. 4 is weergegeven wordt de gate- elektrode van de thyristor gestuurd via een zogenaamde optocoupler. Voor elke gate-elektrode is een bijbehorende elektronische voeding aangebracht waardoor het synchronisatie- en aansturingsdeel van de schakeling niet 15 wordt belast.As shown in Fig. 4, the gate electrode of the thyristor is controlled via a so-called optocoupler. An associated electronic power supply is provided for each gate electrode, so that the synchronization and control part of the circuit is not loaded.

Ten einde de juiste thyristor op het juiste moment te ontsteken, wordt bij de inrichting volgens de uitvinding uitgegaan van detectie van de gekoppelde spanning, dat wil zeggen de spanning tussen de fasen R, s, T. Dit heeft het 20 praktische voordeel, dat bij een driefasenet geen nul nodig is. Bovendien kan bij een dergelijke detectie op eenvoudige wijze het ontstekingstijdstip over de volle 180° van de sinusvormige spanning worden bepaald. De gekoppelde spanning wordt gemeten aan de secundaire zijde van de transformators 25 van de elektronische voeding. Van de gedetecteerde fasehelft wordt een zaagtandspanning gemaakt, zoals in fig. 5 is afge-beeld. Deze zaagtand wordt via een comparator vergeleken met een gewenste ontsteekhoek, waarbij het resultaat van de vergelijking via een selectieschakeling met versterker wordt 30 geleverd aan de optocoupler. Door middel van eigen voeding en optocoupler wordt een zeer goede galvanische scheiding gewaarborgd.In order to ignite the correct thyristor at the right time, the device according to the invention is based on detection of the coupled voltage, ie the voltage between the phases R, s, T. This has the practical advantage that at a three-phase grid does not require zero. Moreover, with such a detection, the ignition time over the full 180 ° of the sinusoidal voltage can be determined in a simple manner. The coupled voltage is measured on the secondary side of the transformers 25 of the electronic power supply. A sawtooth voltage is made from the detected phase half, as shown in FIG. This sawtooth is compared to a desired firing angle through a comparator, the result of the comparison being supplied to the optocoupler via an amplifier selection circuit. Very good galvanic isolation is ensured by means of its own power supply and optocoupler.

In fig. 5 is de zaagtandspanning afgebeeld, waarbij de ontstekingshoeken 0° en 180° zijn aangegeven en 35 voor het afgebeelde geval de gewenste ontsteekhoek met een dikke lijn is aangeduid.Fig. 5 shows the sawtooth voltage, the ignition angles being indicated 0 ° and 180 ° and the desired ignition angle indicated by a thick line for the illustrated case.

Kenmerkend voor de inrichting volgens de uitvinding is de continue sturing van elke gate-elektrode, waarbij de vorm van de ontstekingsimpuls van groot belang .8800426 ff \ “4 - is. Zoals in fig. 3 is aangegeven wordt een eenmalige startpiek toegepast en een begrensde continue gatestroom tijdens de rest van de onstekingsimpuls. Deze eenmalige startpiek is vooral in deellastbedrijf belangrijk. Ten einde 5 de thermische belasting van de thyristors zo laag mogelijk te houden, dient de thyristor in zeer korte tijd volledig te worden opengestuurd. Wanneer de thyristor eenmaal open is, dan blijft de thyristor open door de reeds vloeiende thyristorstroom. Eventuele korte spannings- of storingspieken 10 zullen de thyristor niet dicht sturen tijdens de duur van de ontstekingsimpuls door de nog steeds vloeiende gate-stroom.Characteristic for the device according to the invention is the continuous control of each gate electrode, the shape of the ignition pulse of which is of great importance. As shown in FIG. 3, a one-time starting peak is applied and a limited continuous gate current during the remainder of the ignition pulse. This one-off starting peak is especially important in part load operation. In order to keep the thermal load on the thyristors as low as possible, the thyristor must be fully opened in a very short time. Once the thyristor is open, the thyristor remains open due to the already flowing thyristor current. Any short voltage or disturbance peaks 10 will not close the thyristor during the ignition pulse duration due to the still flowing gate current.

Wanneer de stroom door het naijlen het begin van de ontstekingsimpuls passeert, zal de thyristor toch onmiddellijk worden ontstoken. Zelfs bij toepassing van een 15 impulsreeks kan het passeren van een ontstekingsimpuls tot lastige effekten leiden, doordat de thyristor dan korte tijd stroomloos is, zoals in fig. 6 schematisch is aangegeven.When the current passes through the start of the ignition impulse, the thyristor will be immediately ignited. Even when using an impulse sequence, passing an ignition impulse can lead to troublesome effects, because the thyristor is then briefly de-energized, as schematically shown in Fig. 6.

Voor het koppelen van de windturbine-generator met het elektriciteitsnet, worden de thyristors verder op 20 gebruikelijke wijze van 180° naar 0’ opengestuurd. Hierbij is de inrichting zodanig uitgevoerd, dat het inschakeltijd-stip van de thyristors net iets onder, maar beslist niet boven het synchrone toerental ligt. Voorts is het van belang dat de snelheid van de spanningsopbouw groter moet zijn dan 25 de versnelling van de generator. Deze snelheid of "stijghoek" is met behulp van een potentiometer instelbaar.In order to couple the wind turbine generator to the electricity grid, the thyristors are further opened in the usual manner from 180 ° to 0 '. The device is designed in such a way that the switch-on time of the thyristors is slightly below, but certainly not above, the synchronous speed. It is also important that the speed of the voltage build-up must be greater than the acceleration of the generator. This speed or "rise angle" is adjustable with the help of a potentiometer.

Het in werking stellen van de generator met een beperkte spanningsopbouw heeft de volgende voordelige eigenschappen: 30 - De toerendetectie kan eenvoudig zijn, wanneer maar met zekerheid kan worden vastgesteld dat inschakeling onder het synchrone toerental ligt.Operating the generator with a limited voltage build-up has the following advantageous features: 30 - The speed detection can be simple, as long as it can be determined with certainty that start-up is below the synchronous speed.

- De generator zal bij lage windsnelheden een hoger rendement hebben, doordat de lagere spanning een 35 kleinere bekrachtigingsstroom tot gevolg heeft. Het spanningsniveau is met een potentiometer instelbaar.The generator will have a higher efficiency at low wind speeds, because the lower voltage results in a smaller excitation current. The voltage level is adjustable with a potentiometer.

- Een langzame spanningsopbouw is niet nodig.- A slow voltage build-up is not necessary.

- Een instelbare ruststroom voorkomt condens-vorming in de generator.- An adjustable quiescent current prevents condensation in the generator.

.8800426 ..-5 -.8800426 ..- 5 -

Nadat de generator in werking is gesteld met behulp van de thyristorschakeling, moet de thyristorschakeling worden overbrugd bij toename van de wind en de stroom met behulp van bijvoorbeeld een magneetschakelaar. Hiertoe 5 is in de beschreven inrichting een zogenaamde "bypass"-schakeling opgenomen.After the generator has been operated using the thyristor circuit, the thyristor circuit must be bridged with increasing wind and current using, for example, a contactor. To this end, a so-called "bypass" circuit is included in the described device.

Deze bypass kan op volle spanning plaatsvinden. Zodra de generator volledig via de beschreven thyristor-schakeling met het net is gekoppeld, wordt een potentiaal-10 vrij wisselkontakt geschakeld. Dit kontakt kan een magneetschakelaar bekrachtigen. Door het meten van de uitstuurhoek kan worden bepaald wanneer de generator op volle spanning is.This bypass can take place at full voltage. As soon as the generator is fully coupled to the mains via the described thyristor circuit, a potential-10 free changeover contact is switched. This contact can energize a magnetic switch. By measuring the steering angle, it can be determined when the generator is at full voltage.

De bypass kan ook op stroom plaatsvinden. De stroom wordt gemeten door drie in de thyristorcircuits 15 opgenomen stroomtransformators. Door middel van een potentiometer kan het niveau worden ingesteld voor de maximaal toelaatbare stroom door de thyristors. Afhankelijk van de mate van stroomoverschrijding wordt na een instelbare tijd per potentiometer het bypasskontakt geschakeld.The bypass can also take place on current. The current is measured by three current transformers included in the thyristor circuits. The level for the maximum allowable current through the thyristors can be adjusted by means of a potentiometer. Depending on the degree of overcurrent, the bypass contact is switched per potentiometer after an adjustable time.

20 De werking van de bypass-schakeling kan naar keuze op spanning of stroom worden ingesteld.20 The operation of the bypass circuit can be set to voltage or current.

Het systeem zal niet funktioneren indien een netfase ontbreekt. Het is derhalve noodzakelijk te controleren of alle drie netfasen aanwezig zijn. Hiertoe is 25 een comparator aangebracht, die de stroomwaarde van de gebufferde spanning van de elektronische voeding vergelijkt met de minimale waarde van de ongebufferde spanning (zie fig. 7). Als alle drie de fasen aanwezig zijn, zal op het punt voor de diode de spanning altijd 0,7 V hoger zijn dan 30 na de diode. Bij wegvallen van een fase zal voor de diode een dal ontstaan, dat gemeten wordt en via geschikte middelen, zoals een led en een kontakt wordt gesignaleerd. Voorts kan hiermede worden voorkomen dat de thyristors worden uitgestuurd.The system will not function if a mains phase is missing. It is therefore necessary to check whether all three mains phases are present. For this purpose, a comparator is provided, which compares the current value of the buffered voltage of the electronic supply with the minimum value of the unbuffered voltage (see Fig. 7). If all three phases are present, at the point before the diode the voltage will always be 0.7 V higher than 30 after the diode. When a phase is lost, a diode will form for the diode, which is measured and signaled by suitable means, such as an LED and a contact. Furthermore, this can prevent the thyristors from being triggered.

35 Behalve asymetrieën in de spanning kunnen ook door verschillende oorzaken stroomasymetrieën optreden. Het signaal van de reeds eerder genoemde drie stroomtransformators wordt zeer nauwkeurig gelijkgericht en gemiddeld. De topwaarden van minimum en maximum signaal zijn bij normaal .8800426 Ϋ \ -6 - bedrijf aan elkaar gelijk. Bij het wegvallen of veranderen van één of twee van de signalen zullen minimum en maximum verschillend zijn. Dit wordt gemeten en op geschikte wijze gesignaleerd.In addition to voltage asymmetries, current asymmetries may also occur for various reasons. The signal from the three current transformers mentioned earlier is very precisely rectified and averaged. The peak values of minimum and maximum signal are the same in normal .8800426 Ϋ \ -6 operation. When one or two of the signals are dropped or changed, minimum and maximum will be different. This is measured and signaled in an appropriate manner.

5 Voorts is in de schakeling een stroomomvormer opgenomen. Het gemiddelde stroomsignaal (spanning) wordt met behulp van een operationele versterker en een transistor omgezet in een signaal met geringe stroomsterkte in de orde van enkele mA. Dit signaal is evenredig met de gemiddelde 10 stroom door de generator en kan als kontrole worden gebruikt.Furthermore, a current converter is included in the circuit. The average current signal (voltage) is converted into a low current signal of the order of a few mA by means of an operational amplifier and a transistor. This signal is proportional to the average current through the generator and can be used as a control.

In het algemeen is in de generator een thermistor-pakket gemonteerd. Deze temperatuurgevoelige weerstand neemt bij een bepaalde thermische waarde zeer progressief toe. De temperatuur van de generator is dan te hoog. Deze weerstands-15 toename van het thermistorpakket wordt bewaakt door vergelijking met een weerstand van 2,7 kfi en op geschikte wijze gesignaleerd.Generally, a thermistor pack is mounted in the generator. This temperature-sensitive resistance increases very progressively at a certain thermal value. The temperature of the generator is then too high. This resistance increase in the thermistor pack is monitored by comparison with a 2.7 kfi resistor and appropriately signaled.

Kortsluiting in de generator of aansluitleidingen tussen de beschreven inrichting en de generator kan leiden 20 tot vernieling van de thyristors. Ter beveiliging kunnen zeer snelle zekeringen worden aangebracht.Short circuits in the generator or connecting lines between the described device and the generator can lead to destruction of the thyristors. Very fast fuses can be fitted for protection.

.880042«.880042 «

Claims

-7-, * Device for coupling an asynchronous three-phase generator to the mains, wherein the generator is coupled to the mains by thyristors and an ignition circuit for the five thyristors is provided, characterized by means for controlling the gate electrodes of the thyristors, that the thyristors will conduct under all conditions at a speed just below the synchronous speed. 8800426