NO128354B - - Google Patents

Description

Synkronmaskinenhet for pumpekraftverk.

Oppfinnelsen vedrorer en synkronmaskinenhet med foranderlig turtall for pumpekraftverk, bestående av to stivt sammenkoblede synkronmaskiner som har ulike poltall og arbeider på samme nett.

Ved anvendelse av synkronmaskiner, enten de er motor- eller generatordrevet, kan det faste forhold mellom turtall og nettfre-kvens være uonsket, f.eks. når et foranderlig turtall er drifts-messig fordelaktig eller endog nodvendig. Et typisk slikt tilfelle er driftsmåten for en pumpeturbin for et pumpekraftverk som er koblet til en synkronmaskin. Pumpeturtallet kan i slike anlegg av okonomiske grunner ligge på en hoyere verdi enn tur-binturtallet. Også med henblikk på variasjoner i fallhoyden kan foranderlighet av turtallet være onskelig ved pumpe- og turbindrift. Ved enkelte anvendelsestilf elle, f.eks. ved spesielt store pumpeturbiner, bor forandringer av turtallet etter at anlegget er tatt i bruk være mulige for optimal innstilling av anlegget.

For å mestre disse vanskeligheter har man i lengre tid benyttet seg av polomkoblingsbare synkronmaskiner. Slike maskiner er imidlertid kompliserte. De har en uregelmessig omkretskonstruk-sjon i stator og rotor.

En annen kjent mulighet for turtall-forandring som spesielt benyttes ved store synkronmaskiner, består i at man kobler inn en frekvensomformer mellom nettet og maskinen. Som frekvensomfor-mere velges gjerne vekselstrom-omformere, f.eks. ev det slag som benyttes for sammenkobling av nett med forskjellige frekven-ser. En ulempe ved slike anordninger ligger i at frekvensomformeren må ha samme effekt som den tilkoblede synkronmaskin og dermed blir omfattende og kostbar.

For turtallforandring ved pumpekraftverk er det videre kjent at to synkronmaskiner som har forskjellige poltall blir stivt sam-menkoblet og tilkoblet samme nett (sveitsisk patent 155 238). Ved denne kjente anordning benyttes imidlertid til enhver tid bare en av de to synkronmaskiner, dvs. brukes som motor til drift av pumpen hhv. som generator, drevet av turbinen, slik at hver maskin må være dimensjonert for full effekt ved pumpe- eller turbindrift.

Til grunn for oppfinnelsen ligger den oppgave å tilveiebringe

en synkronmaskinenhet for pumpekraftverk, hvor oppbudet for opp-nåelse av to turtall for pumpe- og turbindrift vesentlig reduse-res ved en gitt blokkeffekt og ved bruk av normale synkronmaskiner.

Denne oppgave loses ved en synkronmaskinenhet av innledningsvis omtalte art ifolge oppfinnelsen ved at det er anordnet en frekvensomformer som valgfritt kan kobles inn mellom en av de to synkronmaskiner og nettet.

Oppfinnelsen skal i det folgende beskrives nærmere under henvis-ning til et utforelseseksempel som er vist i tegningen. Alle detaljer som er uvesentlige for oppfinnelsen er utelatt på tegningen. Fig. 1 viser en enkeltsyrikronmaskin som svarer til teknikkens stilling. Fig. 2 viser en synkronmaskinenhet som består av to synkronmaskiner med felles aksel, og en pumpeturbin. Fig. 3 er et koblingsskjema for en synkronmaskinenhet med en synkron-synkron-omformer som frekvensomformer. Fig. 4 er et koblingsskjema for en synkronmaskinenhet med en roterende nettkoblingsomformer som frekvensomformer. Fig. 5 viser et koblingsskjema for en synkronmaskinenhet med en mellomkretsomformer som frekvensomformer.

Som et utforelseseksempel til belysning av oppfinnelsens gjen-stand benyttes en synkronmaskinenhet på 5oo MVA, 5o Hz. Det op-timale pumpeturtall forutsettes som 15o omdr./min og det opti-male turbinturtall forutsettes å være 125 omdr./min. I fig. 1 er det vist en synkronmaskin 01 på 5oo MVA, 125 omdr./min til-svarende. 48 poler, med vertikal aksel. Den oppdeles i to maskiner a 25o MVA med felles aksel. Den nye synkronmaskinenhet, i det folgende også kalt dobbeltsynkronmaskinenhet, er vist i fig.

2 i samme målestokk som fig. 1. Synkronmaskin 1 har 4o poler, dvs. et turtall på 15o omdr./min ved 5o Hz, synkronmaskin 2

har 48 poler, dvs. et turtall på 125 omdr./min ved 5o Hz.

En pumpeturbin 4 er stivt koblet til den felles aksel 3 for de to enkeltmaskiner. For synkronmaskinenheten benyttes uvesentlig mer materiale enn for enkeltmaskinen; den aktive vekt er om-trent lik. Grunnflaten, som i forste rekke er avgjbrende for konstruksjonsomkostningene, kan gjores mindre. I hoyden kreves så meget mer plass som utlading av to viklingshoder krever. Driftsmåten for denne maskin er som folger: Når "det i pumpedriften (dobbeltsynkronmaskin, motordrevet) kreves et turtall på 15o omdr./min, er 4o-pol-maskinen 1 direkte koblet til nettet. 48-pol-maskinen 2 har da 6o Hz. Denne frekvens omformes til 5o Hz av en seriekoblet frekvensomformer, slik at parallellgang med den andre synkronmaskin 1 muliggjores.

Når det i turbindriften (dobbeltsynkronmaskin, generatordrevet,

i motsatt dreieretning) kreves et turtall på 125, er 48-pol-maskinen 2 direkte koblet til nettet. 4o-pol-maskinen 1 har da 41 2/3 Hz. Denne frekvens omformes tii 5o Hz av den serie-koblede frekvensomformer, slik at parallellgang med den andre synkronmaskin 2 muliggjores. I begge tilfelle må frekvensomformeren - bortsett fra tap - bare overfore 25o MVA. Hvis det i stedet for dobbeltsynkronmaskinen bare ble benyttet en enkelt synkronmaskin, måtte den og frekvensomformeren konstrueres for 5oo MVA. Fordelen ved den nye anordning er åpenlys, idet plass og omkostninger for frekvensomformeren er utslagsgivende for anlegget. For ovrig må de to synkronmaskiner ikke benyttes samtidig i parallellkobling. En fordel ved den nye anordning består nemlig også i at det til enhver tid disponeres en maskin på

25o MVA for den rette frekvens hhv. det rette turtall. Dussuten muliggjor frekvensomformeren en turtall-variasjon for 48-pol-maskinen fra loo - 15o omdr./min og en turtall-variasjon for 4o-pol-maskinen på 125 175 omdr./min.

Som vist ved utforelseseksemplet, muliggjores parallelldriften av synkronmaskinene ved at man ved drift med hoyere turtall kobler synkronmaskinen med lavere poltall direkte og synkronmaskinen med hoyere poltall via frekvensomformeren til nettet, mens man ved drift med lavere turtall kobler synkronmaskinen med hoyere poltall direkte og synkronmaskinen med lavere poltall via frekvensomformeren til nettet.

Frekvensomformeren kan være utfort som synkron-synkron-omformer, som f.eks. beskrevet i Brown, Boveri Mitt. bd. 39 (1952), nr. 7, s. 249...263.

For det omtalte utforelseseksempel kunne omformeren bestå av synkronmaskiner 6,7 med lo hhv. 12 poler. Kobling ifolgé fig. 3a og 3b. For synkronmaskinenheten vil det ved parallelgang av enkeltmaskinene disponeres turtall 125 og 15o omdr./min. Det er hensiktsmessig å anordne forskyvbarhet (Verdrehbarkeit)

av statoren for en synkronmaskin i omformeren. Det blir da lett

å innstille korrekt gjensidig' fasestilling for spenningene i de to delmaskiner. Dessuten kan man foreta belastningsfordeling etter valg på de to enkeltmaskiner.

Ved enkeltdrift av delmaskinene foreligger også folgende mulig-heter: Hvis omformeren ved kobling ifolge fig. 3a kobles foran 4o-pol-synkronmaskinen, går denne med 18o omdr./min. Hvis omformeren ved kobling som i fig. 3b kobles foran 48-pol-synkronmaskinen, går denne med lo4 omdr./min. Man kan bruke turtallene lo4 -125 - 15o omdr./min som trinn for en asynkron hoyeffekt (Hochlauf) av pumpen ved lukkede skyvere.

Frekvensomformeren kan også utfores som roterende nettkoblingsomformer. En slik omformer er f.eks. beskrevet i Brown, Boveri Mitt. 54 (1967), nr. 9, s. 554...565, og betegnes der som roterende transformator. En frekvensomformer som består av en roterende nettkoblingsomformer er skjematisk gjengitt i fig. 4. Den roterende nettkoblingsomformer 8 er i prinsippet en dobbelt-matet asynkronmaskin 9, som er koblet sammen med en hjelpemas-kin, gjennom hvilken frekvensforholdet hhv. gjennomgangseffekten kan innstilles. Fig. 4 viser et skjema som svarer til for-holdene ved det ovenfor omtalte eksempel. I den enkleste ut-forelsesform kan hjelpemaskinen lo være en synkronmaskin. Det vil da ved den roterende transformator fremtvinges et stivt frekvensforhold på samme måte som med en synkron-synkron-omformer. Ved en nominell effekt på 25o MVA trenger den en mag-netiseringseffekt på ca. 5o MVar, som kan fremskaffes av synkronmaskinenhet en eller/og ved et kondensatorbatteri. Hvis man gjor hjelpmaskinens lo turtall foranderlig, kan man styre gjennomgangseffekten for den roterende transformator og dermed effektfordelingen på de enkelte synkronmaskiner. Videre har man et middel til turtallforandring hos en enkeltmaskin som er koblet til nettet eller til å lette hoyeffekten (Hochlauf) for pumpedrift.

Hvis' man velger en statisk losning for frekvensomformeren,

dvs. en vekselstrom-omformer (betegnelse ifolge DIN-Entwurf 4175o, bl.2), utfores den fortrinnsvis med likestrom-mellomkrets. I det ovenfor omtalte tilfelle kobles den for pumpe-

drift til 48-pol-synkronmaskinen (fig. 5a), og for turbindrift til 4o-'pol-synkronmaskinen (fig. 5b). Figurene 5a og 5b viser losningen skjematisk. Vekselstrom-omformeren 11 omfatter en likeretterdel 12 og en vekselretterdel 13. I forste tilstand (fig. 5a) går effekten fra maskinen til nettet, i den annen (fig. 5b) omvendt. Man kan utfore mellomkrets-omformerens 11 likeretterdel 12 med dioder. For vekselretterdelen 13 kreves tyristorer. Tilkoblingene for mellomkrets-omformeren 11 rever-seres ved overgangen fra en driftsmåte til en annen, som illu-strert ved fig. 5a og 5b. En mellomkrets-omformer på 25o MW krever en blindeffekt på ca. 25o MVar, som kan tilveiebringes ved synkronmaskinenheten eller/og et kondensatorbatteri. Via tyristorene kan enkeltmaskinene synkroniseres, deres belastningsfordeling kan reguleres og deres turtall kan innstilles, styres eller reguleres trinnlost. Ved bruk av en mellomkrets-omformer er hoyeffekten (Hochlauf) for pumpedrift særdeles hoy . Man kan bruke mellomkrets-omformeren ved lukket skyver til frekvens-start av 48-pol-maskinen til den synkrone turtall for 4o-pol-maskinen, hvis synkronisering deretter er meget enkel. Dreiemomentet for igangsetting og akselerasjon kan lett styres ved tyristorene. Det er mulig å holde dreiemomentet på maksimalt 'tillatte verdi under hoyfrekvens(Hochlauf), slik at nettet skånes for reell effekt- og blindeffektstot. Hurtig hoyfrekvens er meget viktig for hurtig driftberedskap". Overgangsperioden avkortes ytterligere, hvis man samtidig foretar en asynkron igangsetting med 4o-pol-synkronmaskinen. Passende fordeling av dreiemomentet på maskinene under igangsetting kan oppnås med tyristorene. Etter en slik igangsetting er synkronisering ikke nodvendig. Den sist omtalte metode er også mulig ved åpen skyver, og 4o-pol-maskinen må da ikke allerede kobles inn ved stillstand, men forst ved et turtall som synes nyttig.

Vekselstrom-omformeren gir en elegant losnLng. Da den får av-gjorende betydning for anleggets omkostning, vil de besparel-ser som oppnås ved ovenfor omtalte anordning veie tungt på vektskålen. Vekselstrom-omformeren er nemlig bare halvparten så stor som ved bruk av en enkelt-synkronmaskin med full effekt.

Claims (5)

1. Synkronmaskinenhet med foranderlig turtall for pumpekraftverk, bestående av to stivt sammenkoblede synkronmaskiner som har forskjellige poltall og er koblet til samme nett, karakterisert ved at det er anordnet en frekvens-omf ormer som-valgfritt kan kobles inn mellom en av de to synkronmaskiner (1,2) og nettet.

2. Synkronmaskinenhet som angitt i krav 1, karakterisert ved at frekvensomformeren er en synkron-synkronomformer.(5).

3. Synkronmaskinenhet som angitt i krav 1, karakterisert ved at frekvensomformeren er en roterende nettkoblingsomformer (8).

4. Synkronmaskinenhet som angitt i krav 1, karakterisert ved at frekvensomformeren er en vekselstrom-omf ormer (11) .

5. Synkronmaskinenhet som angitt i krav 3 eller 4, karakterisert ved at frekvensomformeren har et foranderlig frekvensforhold.