NL8803049A

NL8803049A - Inrichting voor het koppelen van een inductiegenerator met het elektriciteitsnet.

Info

Publication number: NL8803049A
Application number: NL8803049A
Authority: NL
Original assignee: Electro Drive B V
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1988-12-13
Publication date: 1989-09-18
Also published as: EP0329258A1

Description

f> NL 35.264-dV/pa 4

Inrichting voor het koppelen van een inductiegenerator met het elektriciteitsnet.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het koppelen van een inductiegenerator met het elektriciteitsnet, in het bijzonder voor toepassing bij windturbines, voorzien van halfgeleiderschakelelementen voor het aan-5 sluiten van de inductiegenerator op het elektriciteitsnet, een ontstekingsschakeling voor het leveren van ontstekings-impulsen aan de halfgeleiderschakelelementen en een toeren-detector, die bij een voorafbepaald toerental van de as van de inductiegenerator beneden het synchrone toerental een 10 vrijgeefsignaal aan de ontstekingsschakeling levert.

Inductiegeneratoren of asynchrone draaistroomgene-ratoren, die in windturbines zijn aangebracht, kunnen als motor of als generator werkzaam zijn, afhankelijk van het toerental van de generator. Bij snelheden groter dan de 15 synchrone snelheid van de inductiegenerator is de generator in generatorbedrijf en levert stroom aan het net. Bij snelheden beneden de synchrone snelheid is de generator in motor-bedrijf en neemt stroom uit het net op. Onder alle omstandigheden vloeit daarbij afhankelijk van de belasting een stroom, 20 die bij volle belasting nominaal is. De bovengenoemde inrichting dient de koppeling van de inductiegenerator met het elektriciteitsnet zodanig te doen plaatsvinden, dat de inductiegenerator zo min mogelijk in motorbedrijf is. Hiertoe dient de ontstekingsschakeling juist onder het synchrone toe-25 rental ontstekingsimpulsen aan de halfgeleiderschakelelementen te leveren, teneinde de inductiegenerator met het elektriciteitsnet te koppelen. Hierbij doet zich het probleem voor, dat tijdens het op snelheid komen van de windturbine bij het overschrijden van het synchrone toerental de stroom 30 zeer snel in fase verschuift ten opzichte van de spanning.

De bekende inrichtingen, waarbij de ontstekingsschakeling een gebruikelijke ontstekingsimpuls of impulsreeks levert, kunnen deze faseverschuiving van de stroom niet volgen, waardoor de halfgeleiderschakelelementen niet in geleiding 35 gaan en grote instabiliteiten en mechanische belastingen kunnen optreden.

.8803049 11 -2 -

De uitvinding beoogt een inrichting van de in de aanhef genoemde soort te verschaffen, waarbij onder alle omstandigheden wordt gewaarborgd, dat de inductiegenerator zonder instabiliteiten met het elektriciteitsnet wordt 5 gekoppeld.

Hiertoe heeft de inrichting volgens de uitvinding het kenmerk, dat de ontstekingsschakeling middelen omvat voor het vormen van een enkele ontstekingsimpuls voor elk halfgeleiderschakelelement per halve cyclus van de netspan-10 ning, waarbij de duur van elke ontstekingsimpuls vanaf een

O

180 fasehoek van de bijbehorende fasespanning toeneemt naar een voorafbepaalde kleinere fasehoek van deze fasespanning.

Op deze wijze wordt bereikt, dat op de gate-elek-trode altijd een ontstekingsimpuls aanwezig is, wanneer de 15 stroom door nul gaat, zodat de halfgeleiderschakelelementen altijd in geleiding zullen gaan.

Bij voorkeur vormen de genoemde middelen elke ontstekingsimpuls met een relatief hoge aanvangswaarde en een lagere waarde gedurende het overige deel van de ontstekings-20 impuls. Hierdoor wordt de gate van de halfgeleiderschakelele-menten als het ware snel in verzadiging gebracht, terwijl voor het overige deel van de ontstekingsimpuls een thermische overbelasting van de halfgeleiderschakelelementen wordt voorkomen, doch niettemin het in geleiding gaan wordt gewaar-25 borgd.

Bij windsnelheden, die tot een toerental van de inductiegenerator leiden, dat rond het synchrone toerental ligt, treden bij het ontkoppelen van de generator oscillaties op. Teneinde deze oscillaties te elimineren is volgens een 30 gunstige uitvoeringsvorm van de uitvinding een tweede instel-orgaan aangebracht voor het instellen van de voorafbepaalde kleinere fasehoek waar elke ontstekingsimpuls aanvangt en is een stroomdetectieschakeling aangebracht, die de ontstekings-impulsduur vergelijkt met de tijd, gedurende welke een stroom 35 door het bijbehorende halfgeleiderschakelelement loopt, waarbij de genoemde middelen een compensatietrap omvatten, die ontstekingsimpulsduur vergroten tot de halve cyclustijd van de netspanning.

De uitvinding wordt hierna nader toegelicht aan de . 8803049 i -3 - hand van de tekening, waarin een uitvoeringsvoorbeeld van de inrichting volgens de uitvinding schematisch is weergegeven.

Fig. 1 toont de aansluiting van een inductiegenera-tor op het driefasenet.

5 Fig. 2 is een sterk vereenvoudigd blokschema van een uitvoeringsvorm van de inrichting volgens de uitvinding.

Fig. 3 is een diagram, waarin enkele signalen ter toelichting van de werking van de inrichting volgens fig. 2 zijn weergegeven.

10 Fig. 4 toont twee spanning/stroomdiagrammen met een ontstekingsimpuls volgens de uitvinding.

In de fig. 1 en 2 is een blokschema van een inrichting voor het koppelen van een drie-fase inductiegenerator 1 met een drie-fase elektriciteitsnet weergegeven, waarvan de 15 aansluitleidingen met R, S, en T zijn aangeduid. De inrichting omvat voor elke fase twee in tegengestelde richting geschakelde thyristors 2 en 3. Voorts wordt elk thyristorpaar 2, 3 overbrugd door een contact van een elektromagnetische schakeleenheid 4, zoals met streeplijnen is aangeduid. Ten-20 slotte is in elke fase-aansluiting van de inductiegenerator 1 een schematisch aangeduide stroomtransformator 5 opgenomen.

Zoals in fig. 2 schematisch is aangeduid zijn de faseleidingen R, S en T aangesloten op transformatoren 6, die de netspanning op een geschikte lage waarde brengen. De 25 beschreven inrichting omvat een ontstekingsinrichting voor het ontsteken van de verschillende thyristors 2, 3. Teneinde de juiste thyristor 2 of 3 op het juiste tijdstip te ontsteken, wordt in fasedetectoren 7 van de gekoppelde spanning, dat wil zeggen de spanning tussen de fasen R, S, T, een blok-30 golf gemaakt. In fig. 3 is bij a een gekoppelde spanning en het bijbehorende uitgangssignaal van de fasedetector 7 afge-beeld. De uitgang van de fasedetector 7 is aangesloten op een zaagtandgenerator 8, die van het blokgolfsignaal een zaag-tandsignaal maakt, dat in fig. 3 bij c is afgebeeld. Dit 35 signaal wordt toegevoerd aan de positieve ingang van een comparator 9.

De ontstekingsschakeling is voorzien van een vrijgeef -ingang 10, waarop een niet-weergegeven toerendetector is aangesloten, die bij een vooraf bepaald toerental, dat in .8803049 * -4 - ί elk geval juist onder het synchrone toerental van de induc-tiegenerator 1 ligt, de ontstekingsschakeling vrijgeeft door een positieve spanning aan de ingang 10 te leveren. De ingang 10 is aangesloten op een integratortrap 11, waarvan de uitgang derhalve bij vrijgegeven ingang 10 een in de tijd toe-5 nemende spanning levert, welke in fig. 3 bij d is aangeduid.

De integratortrap 11 heeft twee instelorganen 12 resp. 13, waarmee de maximale waarde van het uitgangssignaal resp. de snelheid waarmee deze maximale waarde wordt bereikt kunnen worden ingesteld. De integratortrap 11 is aangesloten 10 op een compensatietrap 14, welke via een invertor 15 op de negatieve ingang van de comparator 9 is aangesloten. Het uitgangssignaal van de invertor 15 is in fig. 3 bij e aangeduid, terwijl het uitgangssignaal van één comparator 9 bij f is weergegeven.

15 De onderdelen 7, 8 en 9 zijn voor elke fase in tweevoud aanwezig, waarbij elke comparator 9 op een selectie-schakeling 16 is aangesloten, die voor het kiezen van de juiste twee thyristors 2 en 3 zorgt. De selectieschakeling 16 is via niet-weergegeven optocouplers gekoppeld met 20 impulsvormers 17, die een differentiërende werking hebben, waardoor de bij g in fig. 3 aangeduide impulsvorm ontstaat, welke impulsen aan de gate-elektrode van de thyristors 2, 3 wordt geleverd. Door de relatief hoge aanvangswaarde van de ontstekingsimpulsen wordt een snelle verzadiging van de gate 25 van de thyristors 2, 3 bereikt, terwijl de lagere waarde gedurende het overige deel van de impuls een thermische overbelasting voorkomt, doch niettemin een in geleiding gaan van de thyristor waarborgt. De impulsvormers 17 hebben een van het overige deel van de beschreven schakeling onafhanke-30 lijke voeding, waardoor een zeer goede galvanische scheiding wordt bereikt.

Zoals in fig. 4 is weergegeven, wordt door de relatief langdurende ontstekingsimpuls bereikt, dat ook bij een snelle verschuiving van de fase van de stroom, de stroom 35 door nul gaat op het moment, dat nog een ontstekingsimpuls aan de thyristor wordt geleverd, zodat de ontsteking van de thyristor is gewaarborgd. Hierdoor worden instabiliteiten en hoge mechanische belastingen van de windturbine vermeden.

<8803049 -5 - 9 i

Wanneer het instelorgaan 12 is ingesteld op een

O

met een fasehoek 0 overeenkomende eindwaarde voor de uit-gangsspanning van de integratortrap 11, worden de thyristors O o op gebruikelijke wijze van 180 naar 0 opengestuurd. Daarbij 5 is het instelorgaan 13 zodanig ingesteld, dat de stijgsnel-heid altijd groter is dan de versnelling van de inductiegene-rator 1.

Nadat de inductiegenerator 1 volledig met het elektriciteitsnet is gekoppeld, kunnen de thyristors 2, 3 worden 10 overbrugd door de schakeleenheid 4. Hiertoe is een bewakings-schakeling 18 aangebracht, die de uitgangsspanning van de integratortrap 11 bewaakt en wanneer deze de maximale, met

O

een uitstuurhoek van 0 overeenkomende waarde heeft bereikt, de schakeleenheid 4 bekrachtigt.

15 Als alternatief kan het bekrachtigen van de scha keleenheid 4 en daarmede het overbruggen van de thyristors 2, 3 ook plaatsvinden door de stroom door de thyristors 2, 3 te bewaken. Hiertoe zijn de stroomtransformatoren 5 eveneens op de bewakingsschakeling 18 aangesloten. Wanneer de maximaal 20 toelaatbare stroom door de thyristors 2, 3 is bereikt, wordt na het verstrijken van een instelbare tijd de schakeleenheid 4 bekrachtigd.

Het bekrachtigen van de schakeleenheid 4 door bewakingsschakeling 18 kan naar keuze in afhankelijkheid van de 25 volledige uitsturing van de thyristors 2, 3 of op maximale stroom door deze thyristors plaatsvinden.

Tijdens proefnemingen met de beschreven schakeling is gebleken, dat de inductiegenerator 1 zonder instabilitei-ten en onnodige mechanische belastingen met het elektrici-30 teitsnet wordt gekoppeld. De compensatietrap 14 behoeft daarbij nog niet te worden toegepast. Het ontkoppelen van de inductiegenerator 1 vindt daarbij in feite plaats via de toerenschakelaar, doordat deze bij een beneden het synchrone toerental gelegen toerental opent, zodat de uitgangsspanning 35 van de integratortrap 11 afneemt. De bewakingsschakeling 18 schakelt afhankelijk van de instelling door de af nemende stroom of uitstuurhoek de schakeleenheid 4 af, terwijl door de dalende spanning op de uitgang van de integratortrap 11 de thyristors 2, 3 geleidelijk worden gesloten.

.8803049 -6 - *

In de praktijk blijken juist bij het uitschakelen bij windsnelheden rond het synchrone toerental oscillatiever-schijnselen te kunnen optreden. Volgens de uitvinding kunnen deze oscillatieverschijnselen worden opgeheven door middel 5 van de compensatietrap 14, die wordt bestuurd door een stroomdetectieschakeling 19.

De stroomdetectieschakeling 19, die voor elke fase R, S, T is aangebracht, is enerzijds aangesloten op de bijbehorende stroomtransformator 5 en anderzijds op de bijbehoren-10 de uitgangen van de comparators 9. De stroomdetectieschakeling 19 vergelijkt daarbij de duur van de ontstekingsimpulsen met de tijd, gedurende welke feitelijk een stroom door de thyristors 2, 3 loopt. Indien de duur van de ontstekingsimpulsen langer is dan deze tijd, wordt een stuursignaal aan 15 de compensatietrap 14 geleverd, waardoor volgens een eerste

O

alternatief de impulsduur tot de maximale waarde van 0 wordt verhoogd. Hierdoor blijken de oscillatieverschijnselen volledig te worden geëlimineerd. Een nadeel van deze oplossing is, dat de volledige bekrachtigingsstroom aan de inductiegenera-20 tor 1 wordt geleverd, zodat het rendement enigszins wordt verlaagd. Volgens een tweede alternatief kan de stroomdetectieschakeling 19 de compensatietrap 14 zodanig besturen, dat de duur van de ontstekingsimpulsen althans nagenoeg gelijk wordt gemaakt aan de tijd, gedurende welke daadwerkelijk een 25 stroom door de thyristors 2, 3 loopt. Hierdoor wordt het rendement verbeterd, doch anderzijds moeten maatregelen worden genomen om netvervuiling door de "aangesneden" bekrachtigingsstroom te voorkomen.

Bij toepassing van de stroomdetectieschakeling 19 30 en de compensatietrap 14 wordt de eindwaarde voor de uit-gangsspanning van de integratortrap 11 niet ingesteld op een

O

met 0 overeenkomende maximumwaarde, maar bijvoorbeeld op

O

een maximum van 120 , zodat een regelbereik voor de compensatietrap 14 beschikbaar is. De bewakingsschakeling 18 is in 35 dit geval ingesteld op bewaking van de stroom door de thyristors 2, 3.

De beschreven inrichting zal niet funktioneren indien een netfase ontbreekt. Het is derhalve noodzakelijk te controleren of alle drie netfasen aanwezig zijn. Hiertoe con- c8803049 -7 - Λ' Ψ troleert de bewakingsschakeling 18 de aanwezigheid van de drie netfasen en wordt het wegvallen van een fase via geschikte middelen gesignaleerd. Voorts kan hierdoor worden voorkomen dat de thyristors 2, 3 worden uitgestuurd.

5 Behalve asymmetrieën in de spanning kunnen ook door verschillende oorzaken stroomasymmetrieën optreden. Het signaal van de reeds eerder genoemde drie stroomtransformators 5 wordt in de bewakingsschakeling 18 zeer nauwkeurig gelijkgericht en gemiddeld. De topwaarden van minimum en maximum 10 signaal zijn bij normaal 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 het algemeen is in de inductie generator 1 een 15 thermistorpakket gemonteerd. Deze temperatuurgevoelige weerstand neemt bij een bepaalde thermische waarde zeer progressief toe. De temperatuur van de generator is dan te hoog.

Deze weerstandstoename van het thermistorpakket wordt bewaakt en op geschikte wijze gesignaleerd.

20 Kortsluiting in de generator 1 of aansluitleidingen tussen de beschreven inrichting en de generator kan leiden tot vernieling van de thyristors 2, 3. Ter beveiliging kunnen zeer snelle zekeringen worden aangebracht, hetgeen in fig. 1 met een streeplijn is aangeduid.

25 De uitvinding is niet beperkt tot de in het voor gaande beschreven uitvoeringsvoorbeelden, die binnen het kader der uitvinding op verschillende manieren kunnen worden gevarieerd.

t .61103 049

Claims

1. Inrichting voor het koppelen van een inductie-generator met het elektriciteitsnet, voorzien van halfgelei-derschakelelementen voor het aansluiten van de inductiegene-rator op het elektriciteitsnet, een ontstekingsschakeling 5 voor het leveren van ontstekingsimpulsen aan de halfgeleider-schakelelementen en een toerendetector, die bij een vooraf-bepaald toerental van de as van de inductregenerator beneden het synchrone toerental een vrijgeefsignaal aan de ontstekingsschakeling levert, met het kenmerk, dat de 1Ö ontstekingsschakeling middelen omvat voor het vormen van een enkele ontstekingsimpuls voor elk halfgeleiderschakelelement per halve cyclus van de netspanning, waarbij de duur van elke O ontstekingsimpuls vanaf een 180 fasehoek van de bijbehorende fasespanning toeneemt naar een voorafbepaalde kleinere fase- 15 hoek van deze fasespanning.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de genoemde middelen elke ontstekingsimpuls vormen met een relatief hoge aanvangswaarde en een lagere waarde gedurende het overige deel van de ontstekingsim- 20 puls.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, m e t het kenmerk, dat een instelorgaan is aangebracht voor het instellen van de snelheid waarmee de impulsduur toeneemt.

4. Inrichting volgens één der voorgaande conclu sies, met het kenmerk, dat een tweede instelorgaan is aangebracht voor het instellen van de voorafbepaalde kleinere fasehoek waar elke ontstekingsimpuls aanvangt en dat een stroomdetectieschakeling is aangebracht, die de ont- 30 stekingsimpulsduur vergelijkt met de tijd, gedurende welke een stroom door het bijbehorende halfgeleiderschakelelement loopt, waarbij de genoemde middelen een compensatietrap omvatten, die ontstekingsimpulsduur vergroten tot de halve cyclustijd van de netspanning.

5. Inrichting volgens conclusie 4, m e t het kenmerk, dat de compensatietrap omschakelbaar is in een stand, waarin de ontstekingsimpulsduur wordt verkleind . 8603049 i -9 - « tot een met de tijd, gedurende welke een stroom door het bijbehorende halfgeleiderschakelelement loopt, overeenkomende waarde.

6. Inrichting volgens één der voorgaande conclu- 5 sies 1-4, met het kenmerk, dat een bewakingsschakeling is aangebracht, die een schakeleenheid kan bedienen, welke de halfgeleiderschakelelementen overbrugt, waarbij de bewakingsschakeling de schakeleenheid sluit, zodra de ont-stekingsimpulsdliur overeenkomt met de halve cyclustijd van 10 de netspanning.

7. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat een bewakingsschakeling is aangebracht, die een schakeleenheid kan bedienen, welke de halfgeleiderschakelelementen overbrugt, waarbij de bewakingsschakeling 15 de schakeleenheid sluit wanneer de stroom door de halfgeleiderschakelelementen een voorafbepaalde maximumwaarde overschrijdt. .88 03 049