NO324561B1

NO324561B1 - Synkronmaskin

Info

Publication number: NO324561B1
Application number: NO20035707A
Authority: NO
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Aloys Wobben
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2007-11-19
Also published as: JP2004531194A; MXPA03011714A; EP1402616A1; AU2002345008B2; ES2269725T3; CA2450302C; PL368381A1; CN1518789A; SK287699B6; US20060192445A1; JP4790677B2; WO2003001649A1; PL205351B1; MA26115A1; DK1402616T3; BRPI0210565B1; US7259490B2; NO20035707D0; DE50208014D1; CN100454723C

Description

Oppfinnelsen angår en synkronmaskin med fortrinnsvis utpregede poler med polviklinger som er galvanisk forbundet med hverandre. Videre angår oppfinnelsen et vindkraftanlegg og en fremgangsmåte for overvåking av en synkronmaskin i et vindkraftanlegg.

Synkronmaskiner er generelt kjent. Én konstruksjonstype er utforming av enten rotoren eller statoren med (utpregede) poler, idet hver pol oppviser minst én polvikling gjennom hvilken det flyter en magnetiseringsstrøm. Denne magnetiseringsstrøm er ved synkronmaskiner alltid en likestrøm.

Polviklingene til alle eller flere av de enkelte utpregede poler er her galvanisk forbundet med hverandre. Da polviklingene imidlertid fremstilles og monteres enkeltvis, skjer denne forbindelse ved hjelp av passende forbindelsesordninger, så som klemmer, loddeforbindelser, etc. Spesielt disse forbindelsessteder, men også andre steder hvor f.eks. viklingstråden er skadet, er utsatt for faren for en avbrytelse av den galvaniske forbindelse, f.eks. som følge av vibrasjonene ved drift av maskinen.

Ved denne avbrytelse kan det som følge av den høye strømstyrke dannes seg en lysbue som på grunn av materialfjerning forstørrer avbrytelsen og således også selv blir større og kan bli flere centimeter lang. Det er derved fare for at materialet i omgivelsene antennes og det således oppstår en brann som ødelegger maskinen.

Formålet med oppfinnelsen er derfor å videreutvikle en synkronmaskin og en fremgangsmåte for drift av en synkronmaskin på en slik måte at faren for en brann reduseres.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt en synkronmaskin som omfatter de særtrekk som er angitt i patentkrav 1. Videre er det tilveiebrakt et vindkraftanlegg som omfatter en slik synkronmaskin, og et vindkraftanlegg som omfatter de særtrekk som er angitt i krav 11 hhv. i kravene 2-5.

Ifølge oppfinnelsen er det også tilveiebrakt en fremgangsmåte for overvåking av driften av en synkronmaskin ifølge oppfinnelsen hvor fremgangsmåten omfatter de trekk som er angitt i krav 7.

Ved en fremgangsmåte hhv. en synkronmaskin ifølge oppfinnelsen oppnås det ovenfor angitte formål ved at den galvaniske forbindelse (av minst en) av polviklingene overvåkes, og at magnetiseringsstrømmen i det minste reduseres ved avbrytelse av den galvaniske forbindelse. Ved hjelp av overvåkingen av den galvaniske forbindelse kan en avbrytelse registreres i rett tid. Reduksjonen av magnetiseringsstrømmen forhindrer da dannelsen av en lysbue, slik at faren for en antennelse av materiale i omgivelsene effektivt reduseres.

Ved en foretrukket utførelse av oppfinnelsen frakoples magnetiseringsstrømmen fullstendig, for på sikker måte å slukke en muligens tilstedeværende lysbue. Derved er det ved rettidig registrering av en avbrytelse mulig å forhindre at det oppstår en brann på grunn av en lysbue.

I en særlig foretrukket utførelse av oppfinnelsen, f.eks. ved parallellkoplede grupper av polviklinger, frakoples bare den gruppe i hvilken avbrytelsen er oppstått. Derved blir bare polviklingene i denne gruppe ikke lenger forsynt med strøm, men de øvrige grupper gjennomflytes imidlertid fremdeles av magnetiseringsstrøm, slik at synkronmaskinen videre kan forbli i drift.

For på enkel måte å kunne registrere en avbrytelse og spesielt en lysbue, påvirkes en leder som ligger nær opp til den galvaniske forbindelse, med et forutbestemt signal, og tilstedeværelsen av signalet overvåkes. Dersom det dannes en lysbue, avbrytes også den nærliggende leder på grunn av denne lysbue. Dermed er signalet avbrutt, og i overensstemmelse med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan synkronmaskinen styres tilsvarende.

For å utforme den mekaniske oppbygning på enklest mulig måte, kan det være anordnet en leder (overvåkingsleder) som forløper parallelt med eller skruelinjeformet rundt den galvaniske forbindelse, henholdsvis er viklet rundt den galvaniske forbindelse eller er anbrakt på eller fastklebet til denne.

I en særlig foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er overvåkingslederen en elektrisk leder, f.eks. en vanlig isolert kobbertråd. Denne er prisgunstig tilgjengelig og kan anbringes på enkel måte ifølge oppfinnelsen. Også innmatingen av et forutbestemt signal er ved en elektrisk leder mulig med små omkostninger. I en alternativ utførelsesform er overvåkingslederen en optisk leder. Ved denne krever imidlertid påvirkningen med signaler en høyere omkostning, men til gjengjeld er signalene ufølsomme overfor elektromagnetiske påvirkninger og oppviser således en høyere forstyrrelsessikkerhet.

For å øke funksjonssikkerheten ved fremgangsmåten og synkronmaskinen ifølge oppfinnelsen, kan spesielt en første innretning for påvirkning av overvåkingslederen med et signal og en andre innretning for overvåking av signalet være anordnet på redundant måte. Ved bortfall av en komponent kan derved dennes funksjon overtas fra en redundant tilstedeværende komponent.

I det følgende skal oppfinnelsen beskrives nærmere under henvisning til tegningene, der

fig. 1 viser et seksjonsformet utsnitt av et polhjul,

fig. 2 viser en forstørret detaljfremstilling av fig. 1,

fig. 3 viser en forenklet fremstilling av en leder i en første utførelse av oppfinnelsen med en elektrisk leder,

fig. 4 viser en alternativ utførelsesform av en overvåking med en optisk leder,

fig. 5 viser en overvåking uten noen ytterligere leder, og

fig. 6 viser en fremstilling av et vindkraftanlegg med en strømskinne som er omviklet av en sikringstråd.

Fig. 1 viser forenklet en seksjon eller et utsnitt av et polhjul i en synkronmaskin (generator). Henvisningstallet 10 betegner de enkelte polsko av de utpregede poler, mens henvisningstallet 12 betegner de på polbenene anordnede polviklinger.

Disse polviklinger 12 er forbundet med hverandre ved hjelp av en galvanisk forbindelse 14, slik at polviklingene 12 er koplet i serie og således alle gjennomflytes av den samme strøm. Da polviklingene 12 fremstilles enkeltvis, skjer en forbindelse av tilkoplingene med hverandre f.eks. ved hjelp av forbindelseshylser 16.

Fig. 2 viser et forstørret detaljriss av fig.l og viser to polsko 10 med polviklinger 12 som er anordnet bak disse. Mellom polviklingene 12 består en galvanisk forbindelse 14. Denne fremstilles ved at lederen 14 av hvilken polviklingen 12 er viklet, på et forbindelsessted 16 forbindes med lederen i den tilgrensende polvikling 12, f.eks. med en forbindelseshylse 16 eller ved hjelp av en loddeforbindelse eller en annen passende forbindelse. Slike forbindelsessteder 16 befinner seg også på nytt mellom de to på denne figur viste polviklinger 12 og disses respektive tilgrensende (men ikke viste) polviklinger 12. Spesielt disse forbindelsessteder 16 er imidlertid strukturelt svake punkter i denne galvaniske forbindelse 14, slik at det der kan oppstå en avbrytelse, f.eks. som følge av vibrasjonene som opptrer under drift av synkronmaskinen.

Rundt den galvaniske forbindelse 14 og forbindelsesstedet 16 er det vist en skruelinjeformet viklet leder 18 som overvåkingsanordning hhv. overvåkingsleder.

Dersom en avbrytelse oppstår, f.eks. på grunn av vibrasjon på forbindelsesstedet 16, danner det seg der en lysbue på grunn av at avbrytelsen i begynnelsen er meget liten og magnetiseringsstrømmen er forholdsvis høy. På grunn av lysbuen fjernes materiale, og derved forstørres avbrytelsen. Denne materialfjerning på grunn av lysbuen avbryter imidlertid også lederen 18, slik at denne avbrytelse ved hjelp av en passende overvåking av lederen 18 kan registreres, og man dermed kan slutte seg til en avbrytelse av den galvaniske forbindelse 14 og dannelsen av en lysbue. Deretter kan det tas passende forholdsregler, så som fråkopling av magnetiseringsstrømmen, for å slukke lysbuen og således hindre at en brann oppstår.

På fig. 3 er det på forenklet måte vist en mulighet for overvåking med en leder 18. Denne leder 18 er på den ene side koplet til jordpotensial. På den andre side av lederen er det anordnet et koplingselement 20, i dette tilfelle et relé, som påvirkes med en tilstrekkelig spenning til at det kan trekke til. Dette relé oppviser en åpner 22 som således er åpnet ved tiltrukket relé 20. Dersom det nå oppstår en avbrytelse av lederen 18, faller reléet 20 og åpneren lukker. Denne lukning kan detekteres f.eks. ved tilkoplingsklemmene 24 ved hjelp av en etter-innkoplet anordning, og vurderes eller utnyttes tilsvarende.

Anordning av reléet på den andre side av lederen 18 er selvsagt også mulig. Lederen blir da forsynt med en passende spenning som lar reléet 20 trekke til, og også da faller selvsagt reléet 20 så snart lederen 18 avbrytes, hvilket umiddelbart kan føre til fråkopling av magnetiseringsstrømmen.

På fig. 4 er det vist en alternativ utførelsesform til den på fig. 3 viste overvåking. Lederen 18 er på fig. 4 en lysbølgeleder. I denne lysbølgeleder 18 blir det fra en lyskilde 30, her fremstilt som lysdiode, tilført et optisk signal som ved den andre ende mottas ved hjelp av en mottaker 32, i det foreliggende eksempel en fotomotstand som igjen kan være en bestanddel av en brokopling.

Så lenge det fra lyskilden 30 utsendte lys overføres gjennom lederen 18, har mottakeren 32 en bestemt motstandsverdi. Dersom en avbrytelse av lederen 18 oppstår, ankommer det fra lyskilden 30 innmatede lys ikke lenger til mottakeren 32, denne endrer sin motstandsverdi og dermed kan avbrytelsen av lederen 18 detekteres.

Mottakeren kan selvsagt også eksempelvis være utformet som fototransistor, eller som ethvert vilkårlig annet, lysømfintlig element.

En alternativ form for overvåkingen av den galvaniske leder 14 er vist på fig. 5.1 et innkoplingspunkt 36 blir det her, i tillegg til den flytende magnetiseringsstrøm, over-lagret en vekselspenning med liten amplitude og forutbestemt frekvens. Denne vekselspenning overvåkes ved utkoplingspunktet 38. Utkoplingen kan her skje f.eks. kapasitivt eller induktivt. På figuren er det for dette formål anordnet et belegg 40 på en kondensator. Det andre belegg kan f.eks. dannes ved hjelp av selve den galvaniske forbindelse 14.

Ved hjelp av en passende, etter-innkoplet krets kan også her den av konden-satoren 40 utkoplede vekselspenning overvåkes. Dersom det oppstår en avbrytelse av den galvaniske forbindelse 14, transporteres riktignok magnetiseringsstrømmen fremdeles ved hjelp av lysbuen, men imidlertid ikke lenger den overlagrede vekselspenning, slik at denne heller ikke lenger kan utkoples i utkoplingspunktet 38. Derved kan avbrytelsen av den galvaniske forbindelse 14 detekteres.

Når flere polviklinger er sammenført til en gruppe, og det er anordnet flere grupper av slike polviklinger, er det hensiktsmessig for hver gruppe å utforme en egen anordnet sikringstråd, slik at bare magnetiseringsstrømmen i vedkommende gruppe reduseres eller frakoples ved avbrytelse av sikringstråden, slik at de øvrige grupper kan drives videre som vanlig, for å muliggjøre en videre drift av generatoren.

Dersom det altså., for hver polviklingsgruppe er anordnet en egen sikringstråd (selvsagt med den tilsvarende innmatings- og overvåkingsinnretning), gir dette en entydig tilordning av polviklingsgruppen og den aktuelle sikringstråd, og tilsvarende kan påvirkningen av polviklingsgruppen avbrytes ved oppsplitting av sikringstråden. En ytterligere mulighet er anvendelse av en eneste sikringstråd for polviklingen for hele polhjulet, og fråkopling av magnetiseringsstrømmen i tilfelle av en avbrytelse av sikringstråden. Dersom denne avbrytelse, som må bibeholdes i et forutbestemt tidsrom for å slukke lysbuen på sikker måte, oppheves på nytt, kan det igjen flyte en tilsvarende magnetiseringsstrøm. Unntak fra dette er da bare den polviklingsgruppe i hvilken avbrytelsen har opptrådt. Ved denne løsning er det imidlertid iblant en ulempe at sikringstråden da er avbrutt, slik at enten driften må forsettes uten sikringstråd eller av driftssikkerhetsgrunner ikke kan fortsettes.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til for eksempel bare overvåking av generatoren i vindkraftanlegget, men kan også anvendes på andre deler av vindkraftanlegget. Således opptrer eksempelvis problemet med lysbueforekomst ikke bare ved avbrytelse av polviklingen, men kan også oppstå ved avbrytelse av likestrømsskinner med hvilke den av generatoren frembrakte elektriske energi overføres fra gondolen til effektkoplingsskapene som vanligvis er anordnet ved foten av tårnet eller utenfor tårnet. Disse likestrømsskinner består vanligvis av et metall, eksempelvis aluminium, og festes til og nedføres langs tårnveggen i tårnets indre. Da tårnet også beveger seg på grunn av den totale vindbelastning på vindkratfanlegget (i området for gondolen kan denne bevegelse i sin amplitude lett ligge i området fra 0,5 m til 2 m), blir også strømskinnene tilsvarende beveget og belastet, hvilket i det ugunstige tilfelle, når bevegelsene er altfor sterke eller det ikke har skjedd en riktig forlegning av strømskinnene, kan føre til en avbrytelse av strømskinnene, slik at det likeledes kan danne seg en lysbue mellom de avbrutte deler, og da det på dette sted kan noteres meget høye energistrømmer, kan dette føre til en meget stor skade på vindkraftanlegget, særlig da det også er mulig at den oppståtte lysbue kan springe over på det jordede tårn, slik at også utbrudd av en brann ikke kan utelukkes.

Den på fig. 6 viste utførelse viser i delutsnitt omviklingen av en treleder-strømskinne med en sikringstråd, hvor de på fig. 3-5 viste overvåkingsanordninger kan benyttes for overvåkingen av sikringstråden. Dersom avbrytelsen av en strømskinne opptrer, fører dette også til avbrytelse av sikringstråden, og i et slikt tilfelle blir hele anlegget for egenbeskyttelse frakoplet og ikke drevet videre, spesielt da strømskinnene (likestrømskinnene) likevel ikke bare må repareres, men iblant også utskiftes, for å sikre en sikker videre drift. Strømskinnene tjener i det viste eksempel som vanlig til å lede den elektriske effekt fra generatoren i vindkraftanleggets gondol til tårnfoten eller de der anordnede, elektriske innretninger, så som vekselrettere og/eller transformatorer.

Claims

1. Synkronmaskin omfattende en rotor som oppviser et antall poler som er hver er forsynt med minst én polvikling, idet polviklingene for flere poler er galvanisk forbundet med hverandre ved hjelp av en første leder gjennom hvilken det flyter en magnetiserings-strøm, karakterisert ved at det i hovedsaken parallelt med den første leder er lagt en overvåkingsleder som er påvirket eller påvirkbar med et forutbestemt signal, at overvåkingslederen er koplet til eller forbundet med en innretning for registrering av signalet, og at en avbrytelse av den første leder fastslås eller kan fastslås ved hjelp av en signalendring i overvåkingslederen, og innretningen for registrering av signalet er koplet til en styreanordning som da i det minste reduserer og fortrinnsvis frakopler magnetiseringsstrømmen gjennom den første leder.

2. Synkronmaskin ifølge krav 1, karakterisert ved en overvåkingsleder som forløper skruelinjeformet rundt den galvaniske forbindelse.

3. Synkronmaskin ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at overvåkingslederen er utformet som elektrisk leder og/eller optisk leder.

4. Synkronmaskin ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at innretningen for påvirkning av overvåkingslederen med et signal er redundant utformet, og fortrinnsvis består av en første og en andre innretning for påvirkning av lederen med et signal.

5. Synkronmaskin ifølge krav 4, karakterisert ved at den første og andre innretning for påvirkning av overvåkingslederen med et signal danner en strukturell enhet.

6. Vindkraftanlegg med en synkronmaskin ifølge ett av de foregående krav.

7. Fremgangsmåte for overvåking av driften av en synkronmaskin som oppviser en rotor som består av flere poler med en polvikling, hvor polviklingene for flere poler er galvanisk forbundet med hverandre og det gjennom polviklingene flyter en magnetiseringsstrøm, idet det er anordnet midler for overvåking av den galvaniske forbindelse av polviklingene, idet det som midler for overvåkingen av den galvaniske forbindelse er anordnet en overvåkingsleder og en avbrytelse av den galvaniske forbindelse fastslås ved hjelp av en signalendring i overvåkingslederen, og magnetiseringsstrømmen deretter det minste reduseres og fortrinnsvis frakoples.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at magnetiseringsstrømmen, ved flere parallellkoplede grupper av polviklinger, frakoples i gruppen av polviklinger med den galvaniske avbrytelse, men derimot fortrinnsvis opprettholdes i andre grupper.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 7 eller 8, karakterisert ved at det på magnetiseringsstrømmen, for gjenkjennelse av den- galvaniske avbrytelse, ved minst én forutbestemt første posisjon av den galvaniske forbindelse overlagres en vekselspenning med forutbestemt frekvens og/eller amplitude, og tilstedeværelsen av denne vekselspenning ved i det minste en andre forutbestemt posisjon overvåkes ved hjelp av en tilsvarende overvåkingsanordning.

10. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 7-9, karakterisert ved at eri overvåkingsleder som ligger på en forutbestemt avstand fra den galvaniske forbindelse, for gjenkjennelse av en galvanisk avbrytelse påvirkes med et forutbestemt signal, og at tilstedeværelsen av det forutbestemte signal overvåkes og en styreanordning ved bortfall eller en forutbestemt endring av det forutbestemte signal bringes til å redusere magnetiseringsstrømmen og/eller fullstendig frakople denne.

11. Vindkraftanlegg omfattende en rotor og en til denne koplet generator som ved drift av vindkratfanlegget produserer en elektrisk effekt som ved hjelp av strømskinner fra generatoren overføres fra området for gondolen til tårnets fotoområde og der behandles for innmating i et forsyningsnett, idet det i hovedsaken parallelt med strømskinnen er lagt en overvåkingsleder som er påvirket eller påvirkbar med et forutbestemt signal, idet overvåkingslederen (sikringstråd) er koplet til eller forbundet med en innretning for registrering av signalet, og idet en avbrytelse av strømskinnen fastslås eller kan fastslås ved hjelp av en signalendring i overvåkingslederen, og innretningen for registrering av signalet er koplet til en styreanordning som da i det minste reduserer og fortrinnsvis frakopler strømmen gjennom denne strømskinne.

12. Vindkraftanlegg omfattende særtrekkene ifølge ett av kravene 2-5.

13. Vindkraftanlegg ifølge krav 11, karakterisert ved at overvåkingslederen er viklet rundt en eneste strømskinne eller en rundt en gruppe av strømskinner og i størst mulig grad forløper parallelt fra begynnelsen til slutten av strømskinnen.