NL8800426A - Electronische schakel- en stuurunit om a-synchrone draaistroomgeneratoren, o.a. voorwindturbines, zacht op het elektriciteitsnet te schakelen, en in het lagere deellastgebied op een verlaagde spanning zodat een hoger rendement verkregen wordt. - Google Patents

Description

9 NL 35.263-dV/tk

Inrichting voor het koppelen van een asynchrone draaistroom-generator met het elektriciteitsnet

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het koppelen van een asynchrone draaistroomgenerator met het elektriciteitsnet, in het bijzonder voor toepassing bij windturbines.

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.

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.

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.

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.

De uitvinding wordt hierna nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin een uitvoeringsvoorbeeld 5 schematisch is weergegeven.

Fig. 1-3 tonen enkele diagrammen ter toelichting van de werking van de inrichting volgens de uitvinding.

Fig. 4 geeft schematisch een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding weer.

10 Fig. 5-6 tonen enkele diagrammen ter toelichting van de werking van de inrichting volgens de uitvinding.

Fig. 7 geeft schematisch een bewakingsschakeling weer, die bij de inrichting volgens de uitvinding kan worden toegepast.

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 fig. 3 is het ontstekingsprincipe volgens de uitvinding weergegeven. Zoals uit fig. 3 blijkt, wordt volgens de uitvinding een relatief lang durende ontstekings- .8800426

-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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

- 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.

- Een langzame spanningsopbouw is niet nodig.

- Een instelbare ruststroom voorkomt condens-vorming in de generator.

.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.

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.

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.

20 De werking van de bypass-schakeling kan naar keuze op spanning of stroom worden ingesteld.

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.

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.

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.

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.

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.

.880042«

Claims (1)

1. -7- ,* Inrichting voor het koppelen van een a-synchrone draaistroomgenerator met het elektriciteitsnet, waarbij de generator door middel van thyristors met het elektriciteitsnet is gekoppeld en een ontstekingsschakeling voor de 5 thyristors is aangebracht, gekenmerkt door middelen voor het zodanig sturen van de gate-elektroden van de thyristors, dat de thyristors onder alle omstandigheden in geleiding gaan bij een toerental dat vlak onder het synchrone toerental ligt. .8800426