NO325645B1 - Synkrongenerator - Google Patents

Description

Langsomt roterende elektriske maskiner, eksempelvis ringgeneratorer slik de blir brukt i vindkraftanleggene til firma Enercon av typene E-33, E-40, E-12 og E-66 trenger svært stor magnetiseringsytelse. Den påkrevde magnetiseringsytelsen stiger her med antall poler, med økende luftspalte og med størrelsen av den reaktive effekten.

Ringgeneratorer av den foran nevnte arten har eksempelvis 72 eller 84 poler. Virkningsgraden for direktedrevne generatorer for anvendelse innen området vindkraft skal være høyest mulig da disse helst er i drift 24 timer i døgnet.

Langsomt løpende ringgeneratorer for vindkraftanlegg, som f.eks. de av typen E-66 fra firmaet Enercon, arbeider i omdreiningstallområdet fra 10 til 22 rpm. En slik ringgenerator er f.eks. bygd med 72 poler (36 polpar) og skaper her en frekvens på 6 til 13,2 Hz.

En slik ringgenerator består av en rotor, hvor magnetiseringsytelsen blir bygd opp gjennom dens viklinger, og en stator som omgir rotoren. Kompensasjonen for den reaktive effekten eller en overkompensasjon av stator med kondensatoren er til dette meget krevende da frekvensen, som beskrevet ovenfor, en meget lav.

Kondensatorstrømmen beregnes generelt eter formelen ic = C ■ du/dt.

For sinusformede spenninger (som for kjente generatorer) fremkommer her en kondensatorstrøm av ic = U • 2 • U • f • C.

Kondensatorstrømmen blir altså bestemt av spenningen, kapasiteten på kondensatoren og den aktuelle frekvensen.

Med en generatorfrekvens på f.eks. 6 til 13,2 Hz innstiller det seg dessverre bare en liten kondensatorstrøm i forhold til en konvensjonell frekvens på 50 eller 60 Hz. Denne sinusformede kondensatorstrømmen har riktignok en faseforskyvning på 90° i forhold til arbeidsstrømmen, men strømmer her over et område på 180° og forårsaker her økede kobbertap i statorviklingen.

Fra DE 42 18 298 er et permanentmagnetisk generatorsystem kjent, hvor en synkrongenerator har et roterende magnetfelt som gjennom en spenningsdetektor til å fange opp utgangsspenningen på den permanentmagnetiske synkrongeneratoren om en komparator til sammenligningen av spenningen fanget opp ved hjelp av spenningsdetektoren med en referansespenning som er regulerbar ved hjelp av en spenningsinnstillingsinnretning.

Fra US-A 5 773 964 er en regulering til en billysmaskin kjent.

Det skal videre vises til følgende dokumenter:

DE 19729034 & NO 321270 Bl

KUNDU P; TANDON A K: "CAPACITOR SELF-EXITED DOUBLE-ARMATURE SYNCRONOUS GENERATOR FOR ENHANCED POWER OUTPUT"

MOHAMADEIN A L; YOUSEF H A; DESSCOUKY G; "SERIES-CONNECTED SELF-EXITED SYNCHRONOUS GENERATOR: STEADY STATE AND TRANSIENT BEHAVIOURS"

Oppgaven til den foreliggende oppfinnelsen består i å forbedre virkningsgraden for direkte drevede generatorer av den arten som tidligere er beskrevet og å unngå de ulempene som er beskrevet ovenfor.

Til løsning av oppgaven er det ifølge oppfinnelsen tilveiebrakt en langsomt roterende synkrongenerator som angitt i krav 1. Fordelaktige videreutforminger er beskrevet i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen beror på den teknologiske oppstilling, at en del av magnetiseringsytelsen på generatoren blir frembrakt, ikke som hittil bare av rotoren (h.h.v. dens viklinger), men også av generatoren h.h.v. dens trefase vekselstrømvikling.

Fortrinnsvis blir statoren her magnetisert med en kapasitiv strøm.

Spenningen indusert i statoren er her ikke utformet i sinusform, men i form av et trapes (figur 3). Den kapasitive kondensatorstrømmen strømmer så med den trapesformede spenningen bare under den positive eller negative flanken for spenningen ifølge formelen: ic = C ■ du/dt.

Strømimpulsene som oppstår her har en frekvens på ca. 100 til 180 Hz, fortrinnsvis 130 Hz. Dermed blir det en strømamplitude som er ca. en faktor 10 høyere enn for en sinusformet spenning.

En annen tungtveiende fordel med generatoren ifølge oppfinnelsen er det også at den kapasitive strømmen strømmer ved begynnelsen av hele halvsvingningen. Dette betyr at den kapasitive strømmen med 100 % tilsvarer en magnetiseringsstrøm som rotoren dermed kan bli redusert tilsvarende. Videre belaster denne strømmen statorviklingen bare når ingen stor strømlast belaster viklingen (figur 4).

Hensiktsmessig blir det foreslått å utforme generatorstatoren med (minst) to trefasevekselstrømviklinger som hver igjen består av en trefasevikling. Her er vekselstrømviklingene forskjøvet med en fasevinkel på 30° (figur 5).

Med denne anordningen starter etter hver 30° den neste fasen med en ny svingning. Figur 6 viser denne sammenhengen over 360°.

Figur 7 viser på en tidsakse de kapasitive magnetiseringsstrømmene i staioren for de to trefasevekselstrømsystemene. Man ser at for hver 30° blir det levert elektrisk en ny strømpuls fra kondensatorene (se figur 5). Dette filteret er slik utlagt at det leverer de kapasitive strømtoppene for generatorstatoren, og i tillegg de nødvendige strømmene for oversvingninger, som likeretteren trenger.

Fordelene ved løsningen ifølge oppfinnelsen kan bli vist gjennom sammen-ligninger med de nåværende generatorene, hvor magnetiseringsytelsen blir dannet bare av rotoren. Gjennom den nåværende løsningen for å danne magnetiseringsytelsen gjennom rotoren alene gir det induksjonstap på ca. 20 %. Dette betyr ifølge formelen P = i<2> • R

(100 % + 20 % = 1,2) tap på 1,2<2>. Denne tapsdelen kan man på nåværende generatorer generelt ikke forhindre, for polskoene kan ikke ha en uendelig stor avstand fra hverandre og tapet på 20 % blir dannet gjennom polskoene som står ved siden av hverandre, da magnetisk tap går fra en polsko direkte til den andre over luftspalten mellom polskoene.

Men blir nå magnetiseringsytelsen også dannet gjennom statoren så opptrer det ikke lenger slike tap for denne dannede delen av magnetiseringsytelsen. Det betyr også at den delen av magnetiseringsytelsen som er dannet gjennom statoren bidrar 100 % til magnetiseringen. Alt i alt kan man altså ta tilbake noe av magnetiseringsytelsen til rotoren, slik at tapsdelen allerede gjennom statormagnetiseringsytelsen går tilbake på grunn av at det ikke er tap her. Men gjennom å ta tilbake magnetiseringsytelse fra rotoren blir også strøinduktiviteten redusert, slik at 20 % tapsandelen som hittil har oppstått enda en gang blir redusert. Figur 8 viser et blokkdiagram for et vindkraftanlegg med en synkronmaskin og en etterkoplet vekselretter. Figur 9 viser et blokkdiagram for et vindkraftanlegg ifølge oppfinnelsen, hvor et kapasitetsnettverk i stjernepunktkopling er tilknyttet viklingene på et enkelt trefasevekselstrømsystem.

En annen fordel ved løsningen ifølge oppfinnelsen fremgår også av figur 14.

Figur 14 viser den nødvendige magnetiseringsstrømmen for hver av de avgitte effektene for generatoren. Den øvre kurven viser magnetiseringsbehovet uten filter. Den nedre kurven med ca. 20 % redusert magnetiseringsstrøm viser driften med løsningen ifølge oppfinnelsen.

En reduksjon av magnetiseringsstrømmen på ca. 20 % danner en ca. 36 % mindre magnetiseringsytelse i polhjulet. Dette representerer en stor reduksjon av tapsytelsen for polhjulet. Dermed er det mulig å øke generatoreffekten. For med generatorer med et oppgitt omdreiningstall på ca. 20 o/min bestemmer hovedsaklig omdreiningstallet og dermed dO/dt eller induksjonen B i luftspalten byggestørrelsen. Dermed kan effekten som er bestemt for nåværende generatorer slik som for vindkraftanlegg av type E-66 fra firma Enercon (bestemt effekt 1,5 MW) bli økt til 1.800 kW. Figur 1 viser en generator (synkronmaskin SM) med et trefasevekselstrømsystem, hvor det er tilkoplet en likeretter. I trefaseledningssystemet er det tilkoplet et kapasitetsnettverk som består av tre kapasiteter i trekantkopling. Mellom de enkelte lederne for trefasevekselstrømviklingen ligger spenningen UG. Med en sinusformet lederspenning blir det dannet en forskjøvet sinusformet strøm ic, slik dette er vist i figur 2. Figur 3 viser kondensatorstrømmen med en trapesformet spenning. Figur 4 viser forløpet for kondensatorstrømnmen ic og også forløpet for strømlasten iL i strøm/tid-diagrammet. Figur 5 viser oppbygningen av en synkrongenerator (ringgenerator) som består av minst to trefasevekselstrømsystemer, hvor hvert enkelt trefasevekselstrømsystem omfatter tre trefasevekselstrømviklinger. Begge vekselstrømsystemer er forskjøvet ca. 30° mot hverandre. Dette blir også vist ved hjelp av figurene 10 og 11. Figur 10 viser i snitt et delutsnitt av en langsomt roterende synkrongenerator. Her roterer rotoren inne i statoren.

Videre er - se også figur 11 - to uavhengige trefasevekselstrømviklinger Uj, Vl5 Wi og også U2, V2, W2 utformet i statoren. Effekten av generatoren blir således delt på de to vekselstrømviklingene (vekselstrømsystemene), slik at hvert vekselstrømsystem bare må overta 50 % av hele effekten. De to vekselstrømsystemene er forskjøvet med en elektrisk vinkel på 30° og derved elektrisk og mekanisk (romlig) isolert fra hverandre. Dermed er også reaktansen XD omtrent fordoblet og derved også kortslutningsstrømmen halvert. Det har den fordelen at ved en eventuell kortslutning i et trefaseveksel-strømsystem kan bare halve kdrtslutningseffekten virke. Dermed er en redusering av det maksimale kortslutningsmomentet (kortslutning av to faser, f.eks. mellom Ui og Vi) med 50 % til en systemanordning fra teknikkens stand mulig. Figur 11 viser i en enkel oversikt anordningen av hver enkelt fase i de forskjellige trefasevekselstrømsystemene over et større statorområde. Figur 12 viser den magnetiske strømmen i generatoren ifølge oppfinnelsen (rotor- > stator). Her forløper den magnetiske strømmen direkte fra polhodet på rotoren til statoren jevnt mellom sporene. Figur 13 viser i snitt et vindkraftanlegg ifølge oppfinnelsen med en synkrongenerator ifølge oppfinnelsen. Her er rotoren flenset til generatorens rotor, og rotorene er lagret på en akseltapp. Rotoren er uten drivverk og uten aksel forbundet direkte med generatorrotoren på synkrongeneratoren. Generatorrotoren ligger inne i generatorstatoren som er flenset direkte til aksetappen. Aksetappen og hele drivanordningen som er lagret på den holdes i tillegg til generatoren av en maskinbærer.

Gjennom utformingen av to trefasevekselstrømviklinger på generatoren er midler utformet som begrenser kortslutningsdreiemomentet, som i tilfelle av en kortslutning opptrer på en statorvikling, hele tiden til det maksimale fire ganger det oppgitte dreiemomentet, fortrinnsvis til det dobbelte av det oppgitte momentet. Kortslutningsdreiemomentet kan også hele tiden være mindre enn det dobbelte av det oppgitte dreiemomentet. Det er også mulig å utforme rotoren uten et demperbur h.h.v. uten en dempervikling.

Claims (6)

1. Langsomt roterende synkrongenerator (SM), særlig ringgenerator, for et vindkraftanlegg, omfattende: - en rotor - en stator som omgir løperen, hvor statoren har minst en trefasevekselstrømvikling (Ui, Vi, Wi; U2, V2, W2), og spenningene (Ug) indusert i statoren har i spenningsdiagrammet i det vesentlige trapesform, karakterisert ved eh kompensasjonsenhet, bestående av kondensatorer, induktiviteter og dempningsmotstander som er forbundet med statoren for påtrykking av en kapasitiv strøm (ic) inn i statoren og/eller for generering av en del av magnetiseringsytelsen for generatoren (SM) med en kapasitiv strøm (ic) hvor kompenseringsenheten tilveiebringer en likeretter som er etterkoplet generatoren (SM) med en oversvingingsytelse.

2. Synkrongenerator ifølge krav 1, karakterisert ved at synkrongeneratoren (SM) er en flerfasegenerator, og at det mellom de enkelte faseledere i statorviklingen er anordnet midler for redusering av magnetiseringsstrømmen.

3. Synkrongenerator ifølge krav 2, karakterisert ved at midlene for reduserting av magnetiseringsstrømmen er dannet av kondensatorer og/eller filterkoplinger for tilveiebringelse av en statorstrøm.

4. Synkrongenerator ifølge foregående krav, karakterisert ved at statorviklingen består av minst to trefasevekselstrømsystemer (Ui, Vj, Wi; U2, V2, W2) som hver er forskjøvet 30° fra hverandre.

5. Synkrongenerator ifølge krav 1, karakterisert ved at kompensasjonsenheten tilfører en sjette strømoversvingning for statoren.

6. Vindkraftanlegg med en synkrongenerator (SM) ifølge foregående krav.