SE514818C2 - Constant frequency machine with varying / variable speed and procedure for such machine - Google Patents
Constant frequency machine with varying / variable speed and procedure for such machineInfo
- Publication number
- SE514818C2 SE514818C2 SE9901553A SE9901553A SE514818C2 SE 514818 C2 SE514818 C2 SE 514818C2 SE 9901553 A SE9901553 A SE 9901553A SE 9901553 A SE9901553 A SE 9901553A SE 514818 C2 SE514818 C2 SE 514818C2
- Authority
- SE
- Sweden
- Prior art keywords
- machine
- converter
- winding
- variable
- frequency
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims description 33
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 267
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 29
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 22
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 11
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 11
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 25
- 238000013461 design Methods 0.000 description 22
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 17
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 description 12
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 11
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 10
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 10
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 9
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 8
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 description 7
- 239000003570 air Substances 0.000 description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000000819 phase cycle Methods 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 4
- 239000000543 intermediate Substances 0.000 description 4
- 238000012552 review Methods 0.000 description 4
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 4
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 4
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000010304 firing Methods 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000341910 Vesta Species 0.000 description 1
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 1
- 239000012080 ambient air Substances 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 235000005911 diet Nutrition 0.000 description 1
- 230000037213 diet Effects 0.000 description 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 1
- 239000012636 effector Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 description 1
- 238000010291 electrical method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 1
- 230000001172 regenerating effect Effects 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
- H04B5/20—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by the transmission technique; characterised by the transmission medium
- H04B5/24—Inductive coupling
- H04B5/26—Inductive coupling using coils
- H04B5/266—One coil at each side, e.g. with primary and secondary coils
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
- H02H1/00—Details of emergency protective circuit arrangements
- H02H1/0061—Details of emergency protective circuit arrangements concerning transmission of signals
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K19/00—Synchronous motors or generators
- H02K19/16—Synchronous generators
- H02K19/26—Synchronous generators characterised by the arrangement of exciting windings
- H02K19/28—Synchronous generators characterised by the arrangement of exciting windings for self-excitation
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K19/00—Synchronous motors or generators
- H02K19/16—Synchronous generators
- H02K19/36—Structural association of synchronous generators with auxiliary electric devices influencing the characteristic of the generator or controlling the generator, e.g. with impedances or switches
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
- H02P9/00—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output
- H02P9/14—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field
- H02P9/26—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices
- H02P9/30—Arrangements for controlling electric generators for the purpose of obtaining a desired output by variation of field using discharge tubes or semiconductor devices using semiconductor devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Control Of Eletrric Generators (AREA)
- Control Of Ac Motors In General (AREA)
- Stopping Of Electric Motors (AREA)
Abstract
Description
35 40 3 - 300 MW. Motordrifter på upp till 100 MW och högre kan tillverkas. 35 40 3 - 300 MW. Motor drives up to 100 MW and higher can be manufactured.
Maskineffekter både under och över rfámnda effektområden kan med fördel komma till användning.Machine effects both below and above the mentioned power ranges can be used to advantage.
Maskinen kan komma till användning i samband med vattenkraftsmaskiner, pumpkraftverk, vindkraftverk, gas- och ångturbiner samt som faskompensator, effektflödesregulator och transmissionslänk i kraftnätssammanhang, och som drivkälla för olika motordrifter.The machine can be used in connection with hydropower machines, pumped storage power plants, wind turbines, gas and steam turbines as well as as a phase compensator, power fate regulator and transmission link in power grid contexts, and as a power source for various motor drives.
De redovisade utföringsexemplen av uppfinningen och redogörelsen för teknikens ståndpunkt visar s k radialflödesmaskiner. Maskinen kan också helt eller delvis utföras med en eller flera axialflödesmaskiner.The reported embodiments of the invention and the description of the state of the art show so-called radial fate machines. The machine can also be fully or partially made with one or more of your axial fate machines.
När det gäller maskiner för generering av elektrisk effekt finns ett flertal vedertagna begrepp som elgenerator, elkraftgenerator, vattenkraftgenerator, hydrogenerator m fl. I denna patentskrift kommer dessa ”generatorer” att omtalas som ”elgenerator” om det inte av sarrnnanhanget är nödvändigt med en närmare specificering.When it comes to machines for generating electrical power, there are a number of accepted concepts such as electricity generator, electric power generator, hydropower generator, hydrogen generator etc. In this patent specification, these “generators” will be referred to as “electric generators” unless a more detailed specification is necessary for the purpose.
TEKNIKENS STÅNDPUNKT, PROBLEMEN Generellt gäller för växelströmsmaskiner att de kan användas för både generatordrift och motordrift, men att de optimala utföringsformema skiljer sig något. Det fmns således en "teknikens ståndpunkt" som är specifik för de båda driftfallen. i Vid generatordrift är maskinens uppgift att alstra elektrisk effekt. För att kunna göra detta drivs elgeneratorn av en drivanordning varvid mekanisk effekt omvandlas till elektrisk effekt. Eftersom generering av elektrisk effekt i regel är förknippad med kraftnät ställs specifika krav på konstanthållande av både spänning och frekvens samt på styming och reglering av både aktiv och reaktiv effekt. Nedan följande beskrivning av teknikens ståndpunkt, när det gäller generatordrift, kommer följaktligen att till stor del handla om hur man förfar för att uppnå önskade prestanda avseende dessa parametrar.STATE OF THE ART, THE PROBLEMS In general, it applies to AC machines that they can be used for both generator operation and motor operation, but that the optimal embodiments differ somewhat. There is thus a "state of the art" which is specific to the two operating cases. i During generator operation, the task of the machine is to generate electrical power. To be able to do this, the electricity generator is driven by a drive device whereby mechanical power is converted into electrical power. Since the generation of electrical power is generally associated with power grids, special requirements are placed on the constant maintenance of both voltage and frequency, as well as on the control and regulation of both active and reactive power. The following description of the state of the art, with respect to generator operation, will consequently largely be about how to proceed to achieve the desired performance regarding these parameters.
Då en växelströmsmaskin används i en motordrift omvandlas elektrisk effekt till mekanisk effekt där omvandlingen i växande andel är förknippad med varvtalsreglering av utgående axel, dvs av maskinens varvtal. Detta gäller .-\ 20 25 30 .___. -_ , . . ' . e ._ ,. .r .. . _ -- .- _ ._ < .. _ . .When an AC machine is used in a motor operation, electrical power is converted to mechanical power where the conversion in growing proportion is associated with speed control of the output shaft, ie of the machine's speed. This applies .- \ 20 25 30 .___. -_,. . '. e ._,. .r ... _ - .- _ ._ <.. _. .
L- ...i . f. .L- ... i. f.
N-s sNÅ.. n. u... . l . _. . . . . . -. a _ . f. .. H speciellt vid tillämpning av rubricerade uppfinning. Beskrivningen av teknikens ståndpunkt nedan när det gäller rnotordrifter kommer följaktligen huvudsakligen att handla om varvtalsreglerade motordrifter. Främst avser motordrifter reglering av moment och varvtal hos utgående axel.N-s sNÅ .. n. U .... l. _. . . . . . -. a _. f. .. H especially when applying headlined inventions. The description of the prior art below with respect to motor drives will consequently mainly be about speed-controlled motor drives. Mainly motor drives refer to regulation of torque and speed of the output shaft.
Motordrifter är dock på samma sätt som generering även förknippat med styrning och reglering av både aktiv och reaktiv effekt.However, in the same way as generation, engine operation is also associated with control and regulation of both active and reactive power.
Ett väsentligt problemområde när det gäller motordrifter med växelströmsmaskiner är deras start, dvs uppköming från noll varvtal till aktuellt regleroniråde runt synkront varvtal. Redogörelsen för teknikens ståndpunkt kommer också att innefatta beskrivning av befintlig startmetodik för att kunna påvisa de förbättrade startförfaranden som står till buds med växelströmsniaslciner enligt uppfinningen.A significant problem area when it comes to motor drives with AC machines is their start, ie running from zero speed to the current control range around synchronous speed. The description of the state of the art will also include a description of existing starting methodologies in order to be able to demonstrate the improved starting methods available with alternating current machines according to the invention.
Som omtalat under "TEKNISKT OMRÅDE" kommer uppfinningen att innefatta en strömriktare. Beskrivningen av teknikens ståndpunkt både när det gäller generatordrift och motordrift kommer därför huvudsakligen att referera till utföringsformer där ströniriktare ingår. Ur elektrisk synpunkt beskrivs aktuella strömriktare med hjälp av etablerade grundläggande symboler enligt figur 1 som entydigt beskriver deras funktion, dvs enligt ñg la som avser omvandling från AC till DC, vs-ls-omvandling, enligt fig lb som avser omvandling från DC till AC, ls-vs-omvandling, enligt fig lc som avser en vs-vs-omvandling, och enligt fig ld som avser omvandling från en likspänning till en arman likspänning.As discussed under "TECHNICAL FIELD", the invention will include a converter. The description of the state of the art both in terms of generator operation and motor operation will therefore mainly refer to embodiments where stream directers are included. From an electrical point of view, current converters are described by means of established basic symbols according to Figure 1 which unambiguously describe their function, ie according to ñg la which refers to conversion from AC to DC, vs-ls conversion, according to Fig. 1b which refers to conversion from DC to AC, ls-vs-conversion, according to fi g lc which refers to a vs-vs-conversion, and according to fi g ld which refers to conversion from a direct voltage to another arm voltage.
De vs-vs-omvandlare som kommer i fråga för utförandet av uppfinningen benärrms enligt engelsk terminologi ”ac-to-ac bidirectional converters” och förklaras i Websters El. Eng. Handbook, Wiley 1999, under avsnittet AC- AC POWER CONVERTERS, skrivet av Rik W. De Doncker, Aachen University of Technology. Det engelska begreppet ”converter” översätts till « svenska omväxlande med strömriktare, omriktare och omvandlare. Med begreppet vs-vs-omvandlare förstås i detta sammanhang omvandling av frekvens och/eller amplitud. ' Strömriktarkopplin gar för stora effekter utförs för närvarande mest med kiselbaserade tyristorer. Dessa kopplingar kräver ofta stora reaktiva effekter p g a att vs-nätets strömmar får stor fasförskjutning relativt dess spänningar.The vs-vs converters which are used for carrying out the invention are referred to according to English terminology as "ac-to-ac bidirectional converters" and are explained in Webster's El. Eng. Handbook, Wiley 1999, under the section AC- AC POWER CONVERTERS, written by Rik W. De Doncker, Aachen University of Technology. The English term "converter" is translated into Swedish as alternating with converters, converters and converters. In this context, the term vs-vs converter is understood to mean conversion of frequency and / or amplitude. 'Converters for large effects are currently mostly made with silicon-based thyristors. These connections often require large reactive effects due to the fact that the currents of the VS network have a large phase shift relative to their voltages.
Detta innebär att dimensioneringen a? maskiner för strömriktarbaserade system och av strörnriktare måste ta hänsyn till reaktiva effektflöden, dvs till reaktiva förluster i maskiners och vs-näts reaktanser och till behov av faskompensering, således inte enbart till de rent aktiva effektflödena med mer eller rnindre försumbara aktiva förluster.This means that the dimensioning a? machines for inverter-based systems and of inverters must take into account reactive power fl fates, ie reactive losses in machine and vs-network reactances and the need for phase compensation, thus not only the purely active power fl fates with more or less negligible active losses.
Ur mekanisk synpunkt byggs enligt teknikens ståndpunkt strömriktare som kommer till användning i sammanhang som rör elektriska maskiner normalt såsom enheter, som står vid sidan av maskinen eller monteras fast på dess stator. Under de senaste decenniema har man börjat montera strömriktare fast på de roterande delarna, dvs i eller på den roterande delen, exempelvis som delar av ett roterande borstlöst system för likströmsmagnetisering av synkronmaskiner enligt nedan. I vissa sammanhang förekommerockså strömriktarstyrda rotormotstånd.From a mechanical point of view, according to the state of the art, converters are built which are used in contexts which normally concern electrical machines, such as units, which stand next to the machine or are mounted on its stator. In recent decades, converters have begun to be mounted on the rotating parts, ie in or on the rotating part, for example as parts of a rotating brushless system for direct current magnetization of synchronous machines as below. In some contexts, converter-controlled rotor resistors also occur.
En strömriktarkoppling som är mycket viktig i rubricerade sammanhang är en koppling enligt figur lc, dvs en koppling som avser frekvens- eller vs-vs-omvandling. Funktionen hos en vs-vs-omvandlare kan åstadkommas på flera olika sätt. Ett principiellt sätt är att omvandlingen sker med vs-ls-vs- omvandling, dvs med ls-mellanled. Ett annat sätt är att omvandlingen åstadkoms med direkt vs-vs-omvandling som kan ske i olika utföringsformer. Exempel på sådana är omvandling med s k cykloconverters med nätkommuterade dubbelströnrriktare eller med s k rnatrisomriktare med sj älvkommuterade dubbelriktade krafthalvledare.A converter connection that is very important in headline contexts is a connection according to Figure 1c, ie a connection that refers to frequency or vs-vs conversion. The function of a vs-vs converter can be accomplished in fl your different ways. A principled way is that the conversion takes place with vs-ls-vs- conversion, ie with ls intermediate. Another way is that the conversion is achieved with direct vs-vs conversion which can take place in different embodiments. Examples of such are conversion with so-called cycloconverters with mains-commutated double-current converters or with so-called nan-converters with self-commutated bi-directional power semiconductors.
Eftersom det i detta sammanhang endast är huvudfunktionema som energiomvandlare som är aktuella kommer detaljbeskrivning och styrning, skydd, reglering m m av strörnriktare samt kommunikation av signaler till och från roterande delar inte att beröras i denna skrift. ^ Både när det gäller generatordrift och motordrift av växelströmsmaskiner förekommer ett välkänt begrepp som benämnes synkront varvtal. Det finns ett entydigt samband mellan rotoms rotationshastighet (n, , r/min), maskinens poltal (p) och frekvens (fs, Hz) hos maskinens spänning.Since in this context only the main functions as energy converters are relevant, detailed description and control, protection, regulation etc. of the rectifier and communication of signals to and from rotating parts will not be touched on in this publication. ^ Both in terms of generator operation and motor operation of AC machines, there is a well-known concept called synchronous speed. There is a clear relationship between the rotational speed of the rotor (n,, r / min), the pole number (p) of the machine and the frequency (fs, Hz) of the machine voltage.
Sambandet vid synkron drift redovisas oftast som: nr =(2/P) ' fs' 60 (1) 20 25 30 40 :_ , V' ' , - _ , m t. f. f , . , ß 51 t* r v ._ - <1' I~< -1 (- ... 1. .. ' - i . '_ f. _ ö ' “ Den närmast följande delen av teknikens ståndpunkt handlar om växelströrnsmaskiners användning som elgenerator.The connection in synchronous operation is usually reported as: nr = (2 / P) 'fs' 60 (1) 20 25 30 40: _, V '', - _, m t. F. F,. , ß 51 t * rv ._ - <1 'I ~ <-1 (- ... 1. ..' - i. '_ f. _ ö' “The next part of the state of the art concerns the use of AC machines as electricity generator.
Man utgår från ett elgenererande aggregat i form av en elgenerator och en till denna mekaniskt kopplad drivanordning i form av en turbin, drivmotor av något slag eller liknande. För att elgeneratorn skall kunna kopplas till ett kraftnät och bidra till kraftnätets elförsörjning krävs att elgeneratoms spänning, eventuellt via en transformator, anpassas till kraftnätets spärming samt att spänningens frekvens överensstämmer med kraftnätets frekvens.It is based on an electricity-generating unit in the form of an electricity generator and a drive device mechanically connected thereto in the form of a turbine, drive motor of some kind or the like. In order for the electricity generator to be able to be connected to a power grid and contribute to the power grid's electricity supply, it is required that the electricity generator's voltage, possibly via a transformer, is adapted to the power grid's voltage and that the frequency corresponds to the power grid frequency.
För att åstadkomma den önskade och konstanta frekvensen krävs således, med givet poltal, att aggregatet roterar med ett konstant varvtal vilket innebär att drivanordningen måste ha någon form av reglerutrustning för olika belastningsförhållande med mera. Varierande vattenflöde, fallhöjd och nätpendlingar kräver både statisk och dynamisk noggrannhet hos frekvensregleringen av vattenkraftsgeneratorer.In order to achieve the desired and constant frequency, it is thus required, with a given pole number, that the unit rotates at a constant speed, which means that the drive device must have some form of control equipment for different load conditions and more. Varying water fate, drop height and mains commuting require both static and dynamic accuracy in the frequency control of hydropower generators.
Inledningsvis skall ges en kortfattad beskrivning av hur magnetiseringssystemen för elgeneratorer som roterar med "konstant" _ varvtal är utformade enligt dagens teknik. Detta sker delvis med s k borstlös magnetisering med hjälp av en medroterande matare och strörnriktare.Initially, a brief description will be given of how the excitation systems for electric generators rotating at "constant" speeds are designed according to current technology. This is done in part with so-called brushless magnetization with the help of a co-rotating feeder and agitator.
Ett exempel på en utformning av en borstlös matare framgår av ABB- broschyren "Brushless exciter", SEGEN/HM 8-001. Av broschyren framgår att mataren är en växelströmsmaskin vars stator är försedd med utpräglade poler och vars rotor har en trefas växelströmslindrring för matning av ovan närrmda strömriktare, företrädesvis en sexpuls strörnriktarbrygga.An example of a brushless feeder design can be found in the ABB brochure "Brushless exciter", SEGEN / HM 8-001. The brochure states that the feeder is an AC machine whose stator is provided with pronounced poles and whose rotor has a three-phase AC relief for feeding the above-mentioned inverters, preferably a six-pulse inverter bridge.
Strömriktarens likspänning, ls, ansluts sedan till elgeneratoms fältlindning.The DC DC voltage, ls, is then connected to the electric generator's field winding.
Elgeneratoms spänningsreglering sker genom att påverka matarens magnetisering via dess statorlindning (fältlindning). Att ha en medroterande strömriktare för vs-ls-omvandling och likströmsmagnetisering av polsystemet hos elgeneratorer med "konstant" varvtal är således känd teknik. _ Figur 2 visar principiellt hur en borstlös matare kommer till användning i konventionella elgeneratorer, dvs med spänningar upp till 25 kV. Här visas en vertikalaxlad elgenerator 1 som på den gemensamma axeln 2 är anordnad med elgeneratoms rotor med lindning 3, matarens roterande växelströmslindning 4, medroterande strömriktare 5 och drivanordning i form av en turbin 6. Elgeneratoms stator 7 är via en step-up- transformator 8 ansluten till ett högspänningsnät. Av figur 2 framgår även matarens 10 20 25 30 35 i s r. ~ '»' - ' _ f . v. f <-« _. .- _ . f f <- u - ..The voltage regulator of the electric generator takes place by influencing the supply's magnetization via its stator winding (field winding). Thus, having a co-rotating converter for vs-1s conversion and DC magnetization of the pole system of "constant" speed generators is known in the art. Figure 2 shows in principle how a brushless feeder is used in conventional electricity generators, ie with voltages up to 25 kV. Shown here is a vertical axis electric generator 1 which on the common shaft 2 is arranged with the generator of the electric generator with winding 3, the rotating alternator 4 of the feeder, co-rotating converter 5 and drive device in the form of a turbine 6. The stator 7 is via a step-up transformer 8 connected to a high voltage network. Figure 2 also shows the feeder's 10 20 25 30 35 in s r. ~ '»' - '_ f. v. f <- «_. .- _. f f <- u - ..
-V .-. .~ a . f- _ _ m» <<< _ _ ff t.. , . « t . . -» t , _ f. rt stationära faltlindning 9. Figur 3 visar motsvarande utföringsform av magnetiseringssystemet där elgeneratöm är utfonnad som en högspänningsgenerator enligt WO 97/45919. Någon transformator för anslutning till ett högspänningsnät behövs då inte. Hänvisningssiffrorna är i övrigt desamma som i figur 2. I figur 4 visas motsvarande utföringsform av rnagnetiseringssystemet där elgeneratom enligt WO 97/45907 är utformad som en högspänningsgenerator med 2x3-fas för matning av en HVDC-anläggning 10 med 12-pulskoppling. Hänvisningssiffrorna är i övrigt desamma som i figur 2.-V .-. . ~ a. f- _ _ m »<<< _ _ ff t ..,. «T. . Stationary field winding 9. Figure 3 shows a corresponding embodiment of the excitation system where the electric generator is designed as a high voltage generator according to WO 97/45919. No transformer for connection to a high-voltage network is then required. The reference numerals are otherwise the same as in Figure 2. Figure 4 shows the corresponding embodiment of the magnetization system where the electricity generator according to WO 97/45907 is designed as a high-voltage generator with 2x3 phase for supplying an HVDC system 10 with 12-pulse connection. The reference numerals are otherwise the same as in Figure 2.
En speciell utföringsform av likströmsmagnetisering hos en med konstant varvtal roterande elmaskin beskrivs i en patentansökan PCT/EP 98/007744, för ”Power flow control” i en transmissionslinje. Elmaskinens statorlindningar är här inkopplade i serie med transmíssionslinj ens ledare utan hopkopplad neutralpunkt. Elmaskinens rotor är försedd med två/tre 90/ 120 grader elektriskt förskjutna likströmsrotorlindningar för reglering av amplitud och fas hos elmaskinens spänning. Matning av rotorlindningarna sker via en medroterande magnetiseringsmatare och strömriktare/vs-ls- omvandlare för var och en av rotorlindningarna.A special embodiment of direct current magnetization of an electric machine rotating at a constant speed is described in a patent application PCT / EP 98/007744, for "Power fl ow control" in a transmission line. The stator windings of the electrical machine are here connected in series with the transmission line even conductor without interconnected neutral point. The rotor of the electric machine is equipped with two / three 90/120 degrees electrically displaced direct current rotor windings for regulating the amplitude and phase of the voltage of the electric machine. The rotor windings are fed via a co-rotating excitation feeder and converter / vs-ls converter for each of the rotor windings.
Enligt IEC 34-1/2 finns normerade tillåtna frekvens- och spännings- avvikelser för elgeneratorer. För att klara elgeneratoms skenbara märkeffekt skall elgeneratoms arbetspunkt ligga inom en s k A-zon som (i stort) begränsas av +/- 2 % vad frekvens beträffar och +/- 5 % vad spänning beträffar. Arbetspunkten tillåts dock få ligga inom en s k B-zon som (i stort) begränsas av +3 och -5 % vad frekvens beträffar och +/- 8 % vad spänning beträffar.According to IEC 34-1 / 2, there are standardized permissible frequency and voltage deviations for electricity generators. In order to cope with the apparent rated power of the electric generator, the operating point of the electric generator must be within a so-called A-zone which is (largely) limited by +/- 2% in terms of frequency and +/- 5% in terms of voltage. However, the working point is allowed to be within a so-called B-zone which (largely) is limited by +3 and -5% in terms of frequency and +/- 8% in terms of voltage.
För konventionella elgeneratorer med likströmsmagnetiserade poler gäller som anförts ovan ett givet och fast förhållande mellan den genererade spärmingens frekvens och rotationshastighet hos rotorn vid givet poltal. Att ansluta en elgenerator till ett styvt kraftnät där elgeneratoms synkrona hastighet/frekvens avviker från nätets frekvens innebär väsentligt ökade förluster hos elgeneratom. Om nu ett normalt arbetande 50 Hz-lcraftriät av olika skäl håller 2 % lägre frekvens kommer en ansluten elgenerator ändå att arbeta med en synlcron frekvens om rotoms rotationshastighet är 2 % lägre än nominell hastighet. Även om man på detta sätt under vissa förutsättningar kan få synkrona förhållanden innebär varierande varvtal hos en ansluten elgenerator stora problem, speciellt som det kan vara svårt nog att tillåta varvtalsvariationema så stora som tekniskt-ekonomiskt önskvärda +/-10 %. e.. 10 20 25 30 35 40 » A5 <1 ga 7 För att lösa dessa problem har frekvensregleringen hos elgeneratorer med varierande rotationshastighet fått lösaš på andra sätt. För detta ändamål finns enligt teknikens ståndpunkt olika utföringsfonner av vilka ett antal skall redovisas nedan.For conventional electric generators with DC-magnetized poles, as stated above, a given and fixed ratio applies between the frequency of the generated bias and the rotational speed of the rotor at a given pole number. Connecting an electric generator to a rigid power grid where the electric generator's synchronous speed / frequency deviates from the grid's frequency means significantly increased losses of the electric generator. If, for various reasons, a normally operating 50 Hz power triatt has a 2% lower frequency, a connected power generator will still operate at a synchronous frequency if the rotational speed of the rotor is 2% lower than the nominal speed. Although synchronous conditions can be obtained in this way under certain conditions, varying speeds of a connected electricity generator present major problems, especially as it can be difficult enough to allow the speed variations as large as technically and economically desirable +/- 10%. e .. 10 20 25 30 35 40 »A5 <1 ga 7 To solve these problems, the frequency control of electric generators with varying rotational speeds has had to be solved in other ways. For this purpose, according to the state of the art, there are various embodiments, a number of which are to be reported below.
Principiellt är ett av de enklaste sätten att åstadkomma rätt frekvens för nätanslutning av en elgenerator, vars varvtal varierar inom ovan anförda gränser, att mellan generator och kraftnät ansluta en vs-vs-omvandlare enligt figur lc. Ur ekonomisk synpunkt är detta dock ett mycket tveksamt utförande eftersom vs-vs-omvandlaren måste dimensioneras för full effekt.In principle, one of the simplest ways to achieve the correct frequency for mains connection of an electricity generator, the speed of which varies within the limits stated above, is to connect a vs-vs converter according to figure 1c between generator and power grid. From an economic point of view, however, this is a very dubious design because the vs-vs converter must be dimensioned for full effect.
De utföringsformer som enligt teknikens ståndpunkt har kommit till användning är dock huvudsaldigen baserade på en annan inom elläran för sådana maskiner känd princip, se t ex nedan nämnda artikel i Hitachi Review, Principen skall här exemplifieras med hjälp av ett sifferexempel med utgångspunkt från en elgenerator som skall generera en spänning med frekvensen 50 Hz. Ett typiskt Vattenkraftverk dimensioneras för ett basvarvtal på 375 r/min och har följaktligen, enligt ekvation (1) 16 poler.However, the embodiments which according to the state of the art have been used are mainly based on another principle known in electrical engineering for such machines, see for example the article in Hitachi Review mentioned below. shall generate a voltage with a frequency of 50 Hz. A typical hydropower plant is dimensioned for a base speed of 375 rpm and consequently, according to equation (1) has 16 poles.
Om aggregatet av olika skäl drivs av turbinen att rotera med 360 r/min skulle elgeneratoms synkrona frekvens vid likströmsmagnetisering av rotorpolerna enligt ekvation ( 1) generera en spänning med frekvensen 48 Hz.If, for various reasons, the unit is driven by the turbine to rotate at 360 rpm, the synchronous frequency of the electric generator during direct current magnetization of the rotor poles according to equation (1) would generate a voltage with a frequency of 48 Hz.
Om man utformar rotorlindningen som en vs-lindning och matar denna lindning med en spänning med skillnadsfrekvensen mellan den synkrona frekvensen f, vid 360 r/min och den önskade frekvensen 50 Hz, dvs med fc = 2 Hz, kommer frekvensen hos elgeneratom att vara fs = 50 Hz. Generellt gäller att ekvation (1) omvandlas till n, = (Zlp) ' (fs + fc) ' 60 (2) där fc är den aktuella skillnadsfrekvensen. Ett system för konstanthållande av elgeneratorns frekvens skall således se till att, oberoende av aktuellt varvtal hos drivanordningen, rotorlindningen förses med en spänning med aktuell skillnadsfrekvens både vad avser undersynkron och översynkron drift. Denna princip tillämpas på olika sätt eller med olika utföringsformer.If one designs the rotor winding as a vs winding and supplies this winding with a voltage with the difference frequency between the synchronous frequency f, at 360 r / min and the desired frequency 50 Hz, i.e. with fc = 2 Hz, the frequency of the electric generator will be fs = 50 Hz. In general, equation (1) is converted to n, = (Zlp) '(fs + fc)' 60 (2) where fc is the current difference frequency. A system for keeping the frequency of the electric generator constant must thus ensure that, regardless of the current speed of the drive device, the rotor winding is supplied with a voltage with the current difference frequency both in terms of sub-synchronous and su-synchronous operation. This principle is applied in different ways or with different embodiments.
Typiskt för kända utföringsformer är att rotoranslutningarna sker via trefas släpringar, som överför hela axeleffekten eller en stor del av densamma.Typical of known embodiments is that the rotor connections take place via three-phase slip rings, which transmit the entire shaft power or a large part thereof.
I US 5,742,5 15, "Asynchronous conversion method and apparatus for use with variable speed turbine hydroelectric generation", beskrivs ett 10 15 20 25 30 35 40 ' p, ' ' r L. .v . “ _ - n, v_f~<.c . f.~ f. f- fr. _ _ :w - -. t, <- r »_ f . > n o i . < C . _ ,. _ . , free :r- ~ ff- N r K v , = K fr' :r ' i hydroelektriskt kraftgenereringssystem som genererar elektrisk effekt till ett kraftnät. Sammanfattningsvis kan deñ elgenererande delen av systemet beskrivas med utgångspunkt från figur 5 där ingående delar är ritade med samma figursymboler och hänvisningssiffror som i figurerna 2 - 4. Systemet innefattar, enligt patentkrav 19 i nämnda US-patent, (för att förtydliga hänvisningen till US-patentet används här hydro-lturbin, - generator, -maskin osv) "en vattendriven hydroturbin 6 med en hydrogenerator 1 för alstring av hydroelektrisk effekt och en roterande omformare ll kopplad till hydromaskinen för överföring av hydromaskinens elektriska effekt till kraftnätet. Den roterande omformaren innefattar en rotorlindning 12 och en statorlindning 13 av vilka rotorlindningen eller statorlindningen är kopplad till hydroturbinenheten och den andra via en transformator 8 till det högspända kraftnätet ...... ..”. Av beskrivningen i övrigt framgår att hydrogeneratorn 1 innefattar en axel 2 som är anordnad med hydrogeneratorns rotor med lindning 3 och en matares roterande växelströmslindning 4. Det framgår inte av figurer eller text i patentet om ”exciter power supply" (fig 1A, 62) är en medroterande strömríktare eller om likströmsmagnetiseringen sker via en stationär strömríktare och överföring via två släpringar. Principiellt är detta likvärdiga lösningar men för jämförelse med övriga utföranden anges i figur 5 att magnetiseringen sker via en medroterande strömríktare 5. Av figur 5 framgår även rnatarens stationära fältlindning 9 samt hydrogeneratorns statorlindning 7. Denna del av figur 5 är som det framgår identisk med figur 2.US 5,742.5 15, "Asynchronous conversion method and apparatus for use with variable speed turbine hydroelectric generation", describes a 10 “_ - n, v_f ~ <.c. f. ~ f. f- fr. _ _: w - -. t, <- r »_ f. > n o i. <C. _,. _. , free: r- ~ ff- N r K v, = K fr ': r' in hydroelectric power generation system that generates electric power to a power grid. In summary, the power generating part of the system can be described starting from Figure 5 where the components are plotted with the same symbol symbols and reference numerals as in Figures 2 to 4. The system includes, according to claim 19 of said U.S. patent, (to clarify the reference to U.S. Pat. the patent is used here as a hydro-turbine, generator, machine, etc. rotor winding 12 and a stator winding 13 of which the rotor winding or stator winding is connected to the hydroturbine unit and the other via a transformer 8 to the high-voltage power grid ...... .. ”. arranged with the rotor 3 of the hydrogenator with winding 3 and a rotating alternating current winding of a feeder 4. It does not appear from the figures or text in the patent whether the exciter power supply (fi g 1A, 62) is a co-rotating converter or whether the direct current excitation takes place via a stationary converter and transmission via two slip rings. In principle, these are equivalent solutions, but for comparison with other embodiments, it is stated in Figure 5 that the excitation takes place via a co-rotating converter 5. Figure 5 also shows the stationary field winding 9 of the generator and the stator winding of the hydrogenator 7. This part of Figure 5 is identical to Figure 5. 2.
Av beskrivningen i övrigt framgår att, i enlighet med figur 5, hydrogeneratorns statoreffekt överförs via släpringar 14 på den roterande omformaren ll till dennas rotorlindning 12. Den i omformarens statorlindning 13 inducerade spänningen är kopplad via en transformator 8 till kraftnätet. Omformarens ll uppgift är således att förse systemet med den skillnadsfrekvens som är nödvändig för att systemet skall kunna leverera en spänning med rätt frekvens till kraftnätet vid varierande varvtal hos hydromaskinen. I praktiken innebär detta att om hydromaskinen roterar med sitt synkrona varvtal kommer omformaren att vara stillastående, dvs fungera som en stationär transformator. Beroende på aktuellt varvtal hos hydromaskinen kommer således omformarens rotor att behöva en drivkälla M/G 15 i form av en motor eller generator med vs-vs-omvandlare 16. Det kan således konstateras att ornforrnaren 11 måste dimensioneras för i stort sett sarrmia effekt som hydrogeneratorn och att släpringarna måste kunna 9 överföra full effekt. Ornforrnaren 11 roterar med den låga skillnads- i frekvensen vilket innebär att omformaren måste ha forcerad kylning med stor effektförlust.From the description otherwise it appears that, in accordance with Figure 5, the stator power of the hydrogenator is transmitted via slip rings 14 on the rotary converter 11 to its rotor winding 12. The voltage induced in the stator winding 13 of the converter is connected via a transformer 8 to the power grid. The function of the converter 11 is thus to supply the system with the difference frequency which is necessary for the system to be able to supply a voltage with the correct frequency to the power grid at varying speeds of the hydromachine. In practice, this means that if the hydromachine rotates at its synchronous speed, the converter will be stationary, ie function as a stationary transformer. Depending on the current speed of the hydromachine, the rotor of the converter will thus need a drive source M / G 15 in the form of a motor or generator with vs-vs converter 16. It can thus be stated that the transformer 11 must be dimensioned for substantially the same power as the hydrogenator and that the slip rings must be able to transmit full power. The furnace former 11 rotates with the low difference in frequency, which means that the converter must have forced cooling with a large power loss.
Spänningsregleringen hos en hydrogenerator 1 enligt US-patentskriften sker genom ovan nämnda likströmsmagnetisering. Den roterande omformaren 11 har i sin rotorlindning 12 och i sin statorlindníng 13 läckreaktanser som förbrukar reaktiv effekt och orsakar spänningsfall. Dessa kan kompenseras med ökad likströmsmagnetisering i generatoms rotorlindning 3 eller kan, enligt den med ovan anförda US-patentet associerade ansökan EP 0749190 A2, kompenseras av seriekondensatorer. Av EP-ansökan framgår även att en typisk märkspänning för släpringarna är 15 kV. Märkströmmen för en sådan 100 MVA-maskin blir således ca 4 kA och för en 300 MVA-maskin blir den 12 kA. Ett väsentligt problem med sådana maskiner blir följaktligen att utföra, nyttja och underhålla släpringar för dessa spänningar och strömmar. ' I ABB Review 3/ 1996, pp 33 - 38 redovisas en anläggning där "ABB Varspeed generator boosts efficiency and operating flexibility of hydropower plant". Optimeringen sker genom att man låter turbin och elgenerator gå med variabelt varvtal. För att ändå kunna ansluta elgeneratom till ett kraftnät med given och i huvudsak fast frekvens anpassas i elgeneratoms frekvens till nätfrekvens med hjälp av en s k under/översynkron strömriktarkaskad. För att lättare kunna jämföra denna generatordrift med övriga redovisade utföranden har den aktuella delen av figur 4 i nämnda ABB-publikation återgivits i figur 6 och ritats med samma figursymboler och hänvisningssiffror som i figurerna 2 - 4 i rubricerade patentskrift. Här finns således en vattendriven turbin 6 med en elgenerator 1 (G2) för alstring av hydroelektrisk effekt. Elgeneratom 1 innefattar en axel 2 som är anordnad med hydrogeneratoms rotor med lindning 3. I figur 6 visas även elgeneratoms statorlindning 7. Frekvensanpassningen till aktuell nätfrekvens sker med hjälp av den under/översynkrona strömriktarkaskaden 17 (CC), som i själva verket är en sk cykloconverter/frekvensomvandlare.The voltage regulation of a hydrogen generator 1 according to the US patent specification takes place by the above-mentioned direct current magnetization. The rotary converter 11 has leakage reactances in its rotor winding 12 and in its stator winding 13 which consume reactive power and cause voltage drops. These can be compensated by increased direct current magnetization in the rotor winding 3 of the generator or can, according to the application associated with the above-mentioned US patent EP 0749190 A2, be compensated by series capacitors. The EP application also shows that a typical rated voltage for the slip rings is 15 kV. The rated current for such a 100 MVA machine is thus about 4 kA and for a 300 MVA machine it is 12 kA. Consequently, a significant problem with such machines becomes to perform, utilize and maintain slip rings for these voltages and currents. 'ABB Review 3/1996, pp 33 - 38 reports a plant where "ABB Varspeed generator boosts efficiency and operating fl exibility of hydropower plant". The optimization is done by letting the turbine and electric generator run at variable speed. In order to still be able to connect the electricity generator to a power grid with a given and substantially fixed frequency, the frequency of the electricity generator is adapted to the mains frequency with the aid of a so-called sub / oversynchronous converter cascade. In order to be able to more easily compare this generator operation with the other reported embodiments, the current part of Figure 4 in the said ABB publication has been reproduced in Figure 6 and drawn with the same Figure symbols and reference numerals as in Figures 2-4 in the heading patent specification. Thus, here is a water-powered turbine 6 with an electric generator 1 (G2) for generating hydroelectric power. The electric generator 1 comprises a shaft 2 which is arranged with the rotor 3 of the hydrogen atom with winding 3. Figure 6 also shows the stator winding of the electric generator 7. The frequency adjustment to the current mains frequency takes place by means of the sub / synchronous converter cascade 17 (CC), which is cycloconverter / frequency converter.
Mätningen till dess nätsida sker via en transformator 18 (TR) och den aktuella skillnadsfrekvensen matas in till elgeneratoms rotorlindning 3 via släpringar- 19. Den således med rätt frekvens alstrade spänningen matas sedan via en transformator 8 till kraftnätet. En sådan frekvensanpassning hos en elgenerator som drivs av ett variabelt varvtal är en s k Static Scherbiusdrift, se nedan under redovisningen av teknikens ståndpunkt vad avser motordrifter. e ' '_ .~ ~. s. se -f-t: f 1. f; .- I . -,-_- . ;.~_°. - z < . . . =. y _: z . r 1 - i - 1 * ' Nm t.. . 4, ff (f. f . -> f .f i . r . f . ,. <1 För att kontinuerligt och under olika driftförutsättningar kunna åstadkomma ' rätt skillnadsfrekvens krävs ett frekvehsreglersystem. I det utföringsexempel av teknikens ståndpunkt som visas i figur 5 skall frekvensreglersystemet se till att omformarens rotor roterar med rätt varvtal med hjälp av en styrsignal 16a till M/Gzs styrdon och i det exempel som visas i figur 6 skall frekvensreglersystemet ge rätt styrsignal 17a till vs-vs-omvandlaren 17.The measurement to its mains side takes place via a transformer 18 (TR) and the current difference frequency is fed into the rotor winding 3 of the electric generator via slip rings 19. The voltage thus generated with the correct frequency is then fed via a transformer 8 to the power grid. One such frequency adjustment of an electric generator that is driven by a variable speed is a so-called Static Scherbius operation, see below under the presentation of the state of the art with regard to motor drives. e '' _. ~ ~. s. se -f-t: f 1. f; .- I. -, -_-. ;. ~ _ °. - z <. . . =. y _: z. r 1 - i - 1 * 'Nm t ... 4, ff (f. F. -> f .fi. R. F.,. <1 In order to be able to continuously and under different operating conditions the correct difference frequency is required, a frequency control system is required. the frequency control system ensures that the rotor of the converter rotates at the correct speed by means of a control signal 16a to the M / Gz control device and in the example shown in Figure 6, the frequency control system shall give the correct control signal 17a to the vs-vs converter 17.
Frekvensreglersystemen ligger dock utanför ramen för denna uppfinning och kommer således ej att närmare beskrivas.However, the frequency control systems are outside the scope of this invention and will thus not be described in more detail.
För anslutning till ett kraftnät krävs förutom någon fonn av frekvens- reglering även en spänningsreglering till amplitud och fasvinkel. Spännings- reglersystemen ligger på samma sätt som ovan utanför ramen för denna uppfinning.For connection to a power grid, in addition to some form of frequency control, a voltage control to amplitude and phase angle is also required. In the same way as above, the voltage control systems are outside the scope of this invention.
Beroende på aktuellt reglerområde både vad frekvens och spänning beträffar kommer vid släpringade växelströmsmaskiner effekt att cirkulera internt via den krets som innefattar stator, rotor, släpringar, transformator och strömrildare. Effektdimensioneringen av dessa delar ligger också utanför ramen för denna uppfmning även om en relativ jämförelse mellan olika utföringsformer kommer att visas under redogörelsen för uppfinningen för att påvisa de fördelar som utföranden enligt uppfinningen besitter relativt teknikens ståndpunkt.Depending on the current control range, both in terms of frequency and voltage, in the case of slip-ringed alternating current machines, power will circulate internally via the circuit which includes the stator, rotor, slip rings, transformer and current grooves. The power dimensioning of these parts is also outside the scope of this invention, although a relative comparison between different embodiments will be shown during the description of the invention in order to demonstrate the advantages that embodiments according to the invention possess relative to the state of the art.
I SU 1746474 Al redovisas en ”Asynchronised Synchronous Machine having Reversive Excitation System”. Detta är en elektrisk maskin med konventionell trefas statorlíndning kopplad till ett kraftnät. Rotom är försedd med galvaniskt skilda faslindningar. Var och en av dessa är kopplade till var sin medroterande dubbelströmriktare. Dessa är utförda med tyristorer och matas från en medroterande magnetiseringsmatare. Strömiiktarna är således maskinkommuterade från magnetiseringsniataren och är anordnade så att de kan förse respektive rotorlindning med växelspärming med en frekvens som motsvarar rnaskinens eftersläpningsfrekvens. Det är uppenbart att det fmns problem vid byte av strömriktning i rotorlindningarna. För att säkerställa övergången och för att undvika stora kortslutningsströmmar då magnetiseringsströmmen skall byta riktning har man fått tillgripa ett speciellt kopplingsarrangemang för anslutningen av dubbelströrmiktarna.In SU 1746474 Al an "Asynchronized Synchronous Machine having Reversive Excitation System" is reported. This is an electric machine with conventional three-phase stator winding connected to a power grid. The rotor is equipped with galvanically separated phase windings. Each of these is connected to a co-rotating dual-current converter. These are made with thyristors and are fed from a co-rotating excitation feeder. The current meters are thus machine-commutated from the excitation magnet and are arranged so that they can supply the respective rotor windings with alternating current with a frequency which corresponds to the lag frequency of the machine. It is obvious that there are problems when changing the current direction in the rotor windings. In order to ensure the transition and to avoid large short-circuit currents when the excitation current is to change direction, a special coupling arrangement has had to be used for the connection of the double-current converters.
Detta består i att varje rotorlindning är försedd med ett extra uttag ett antal lindningsvarv från varje änduttag. - 20 25 30 35 _- .' I* 'w 21” . ., ¿_ Z . r ,. ._ ,. _ - - , « _ t 1 _ f 4 , r e e <- . ._ a t i t. . i . » Nr:- uf- r f < nu 1 « - _, , _ ,,- . . . ._ . . « _ t. .This consists in that each rotor winding is provided with an extra socket a number of winding turns from each end socket. - 20 25 30 35 _-. ' I * 'w 21 ”. ., ¿_ Z. r,. ._,. _ - -, «_ t 1 _ f 4, r e e <-. ._ a t i t.. i. »Nr: - uf- r f <nu 1« - _,, _ ,, -. . . ._. . «_ T..
För att vid varierande vindhastighet kunna anpassa frekvensen hos ett vindkraftverks elgenerator till ett anslñtet kraftnäts frekvens finns ett borstlöst system, OPTI-SLIP®, framtagen av Vestas Danish Wind Technol.In order to be able to adapt the frequency of a wind turbine's electricity generator to the frequency of a connected power grid at varying wind speeds, a brushless system, OPTI-SLIP®, was developed by Vestas Danish Wind Technol.
AIS, Danmark, beskrivet i en artikel ”Semi-Variable speed operation-a comprorrxíse?”, presenterad vid Proceedings of 17 Annual Conference, British Wind Energy Association. 19-21 July 1995, Warwick, UK. Principen för regleringen är baserad på den välkända metoden med förlustreglering med hjälp av varierande yttre rotormotstånd anslutna via släpringar till elgeneratorns rotorlindning. Till skillnad från den välkända släpringsmetoden är OPTI-SLIP®-anläggningen anordnad med en medroterande vs-ls-ls-omriktare och medroterande fasta rotormotstånd direkt anslutna till rotorlindningen. Vs-ls-omvandlingen är utförd med en diodlikriktare, somi sin tur kortsluts av en ls-ls-omvandlare.AIS, Denmark, described in an article “Semi-Variable speed operation-a comprorrxíse?”, Presented at the Proceedings of the 17th Annual Conference, British Wind Energy Association. 19-21 July 1995, Warwick, UK. The principle of the control is based on the well-known method of loss control by means of varying external rotor resistors connected via slip rings to the rotor winding of the electricity generator. Unlike the well-known slip ring method, the OPTI-SLIP® system is provided with a co-rotating vs-ls-ls converter and co-rotating fixed rotor resistors directly connected to the rotor winding. The Vs-ls conversion is performed with a diode rectifier, which in turn is short-circuited by an ls-ls converter.
Vindkraftverkets hastighetsreglering sker via en inre rotorströmsreglering.The wind turbine's speed control takes place via an internal rotor current control.
Den med regleringen förknippade förlusteffekten utvecklas således i det medroterande rotor-motståndet för att sedan avges till omgivande luft. Av konferensuppsatsen framgår det att varvtalet kan vara upp till 4 % över det synkrona med påföljden att lika många procent effekt förloras som förluster i rotorkretsen.The loss power associated with the control is thus developed in the co-rotating rotor resistor and then discharged to ambient air. The conference paper states that the speed can be up to 4% above the synchronous with the consequence that as many percent power is lost as losses in the rotor circuit.
Uppkörning av elgeneratorer till aktuellt reglerorriråde sker på samma sätt som för konstantvarviga generatorer, dvs att turbinen accelererar elgeneratom till området för möjlig synkronisering.Run-up of electricity generators to the current control area takes place in the same way as for constant-speed generators, ie the turbine accelerates the electricity generator to the area for possible synchronization.
Den närmast följande delen av teknikens ståndpunkt behandlar växelströmsmaskiners användning som motor med varierbart varvtal med ett mer eller mindre begränsat varvtalsreglerområde omkring ett av växelströmsnätets frekvens och huvudmaskinens poltal enligt ekvation (1) bestämt synkront varvtal.The next part of the prior art deals with the use of alternating current machines as a variable speed motor with a more or less limited speed control range around one of the frequencies of the alternating current network and the number of synchronous speeds of the main machine according to equation (1).
Varvtalsstyrda/-reglerade motordrifter har funnits i ca 100 år. De allra första var s k Ward-Leonard-drifter, dvs likströmsmotordrifter. Något senare tillkom olika motordrifter baserade på växelströmsmaskiner. Dessa motordrifter är ofta benänmda efter sina respektive uppfinnare Kramer, Scherbius, Schrage m fl. Kännetecknande för dessa maskiner är att de är försedda med lindad rotor samt borstar och släpringar eller kommutator.Speed-controlled / -regulated motor drives have been around for about 100 years. The very first were so-called Ward-Leonard drives, ie DC motor drives. Somewhat later, various motor drives were added based on AC machines. These engine drives are often named after their respective inventors Kramer, Scherbius, Schrage m fl. Characteristic of these machines is that they are equipped with a wound rotor as well as brushes and slip rings or commutator.
Typiskt är också att de är anordnade för att föra tillbaka elektrisk effekt från de roterande delarna till stillastående anläggningsdelar som t ex rotor- motstånd eller att de är reglerade med maskiner som ställdon. 10 20 25 30 35 ~ j '_: b. <<= r t» w ' < ,. - -- .ax t ., f .i . . . - _ -,,-( _. .- i /r- . _ ., » (_. U (ut. .i _ , _ _ . . . , , _ i r . ._ « Efter strömriktarnas tillkomst har intresset för varvtalsreglerade motordrifter' med växelströmsmaskiner rent allmänt fått förnyad aktualitet. De senaste årens forskning har fokuserats på s k "borstlösa växelströmsmaskiners" varvtalsreglering via i huvudsak två principer, nämligen genom att variera statorfrekvensen med vs-vs-omvandlare, s k statoromriktare för full effekt, och under de senaste decenniema ofta genom s k fältvektorreglering, dvs uppdelning i flödes- och momentbildande strömmar.It is also typical that they are arranged to return electrical power from the rotating parts to stationary system parts such as rotor resistors or that they are regulated with machines as actuators. 10 20 25 30 35 ~ j '_: b. << = r t »w' <,. - - .ax t., f .i. . . - _ - ,, - (_. .- i / r-. _., »(_. U (ut. .i _, _ _...,, _ ir. ._« After the advent of the converters, the interest in Speed-controlled motor drives' with alternating current machines have generally gained renewed relevance. the last decades often through so-called field vector regulation, ie division into fl fate and torque-forming currents.
Tillkomsten av strömriktare har även medfört att de klassiska Kramer- och Scherbiusdrifterna, vilka följer ekvation (2) ovan, har fått förnyad aktualitet _ och benänms numera ofta som "Static Kramer" respektive "Static Scherbius". Den fömyade aktualiteten avser främst motordrifter med effekter i MW-klassen. Det är dessa motordrifter som närmast är att betrakta som teknikens ståndpunkt relativt rubricerade uppfmning. Des sa finns beskrivnai ett stort antal skrifter, bl a kortfattad i IEE Proc, Vol. 131, Pt. A, No. 7, September 1984, pp 535-536, "Electrical variable-speed drives", av B. L. Jones m fl.The advent of converters has also meant that the classic Kramer and Scherbius drives, which follow equation (2) above, have gained renewed relevance - and are now often referred to as "Static Kramer" and "Static Scherbius", respectively. The renewed topicality mainly refers to motor drives with effects in the MW class. It is these engine drives that are most closely regarded as the state of the art relative to the invented invention. Des sa is described in a large number of writings, including briefly in IEE Proc, Vol. 131, Pt. A, no. 7, September 1984, pp. 535-536, "Electrical variable-speed drives", by B. L. Jones et al.
En statisk Kramerdrift omtalas oftast som en undersynkron strömriktarkaskad och har en principiell koppling enligt figur 7. Den horisontalaxlade motorns statorlindning 20 är kopplad till ett kraftnät.A static Kramer operation is most often referred to as a sub-synchronous converter cascade and has a basic connection according to Figure 7. The stator winding 20 of the horizontal-axis motor is connected to a power grid.
Rotorlindningen 21 är via släpringar 22 kopplad till en likriktare 23, vars spänning blir proportionell mot eftersläpningen. Denna spänning kopplas mot av spänningen från en till samma kraftnät via en transformator 24 kopplad växelriktare 25. Växelriktarens spänning är en trigonometrisk funktion av dess styrvinkel och bestämmer på detta sätt motoms varvtal.The rotor winding 21 is connected via slip rings 22 to a rectifier 23, the voltage of which becomes proportional to the lag. This voltage is connected to the voltage from an inverter 25 connected to the same power grid via a transformer 24. An inverter voltage is a trigonometric function of its control angle and in this way determines the speed of the motor.
Hos en statisk Kramerdrift blir på detta sätt eftersläpningeffekten matad tillbaka till nätet genom fi-ekvensomvandling i två steg via ett likströmsmellaiiled.In a static Kramer operation, in this way the lag effect is fed back to the grid by fi-sequence conversion in two steps via a direct current intermediate line.
När det gäller en drift enligt »figur 7 kan effekt överföras endast i en riktning via likriktare men i båda riktningarna om likriktaren 23 utförs som strömriktare med tyristorer. För att ändra rotationsriktrlingen behöver motoranslutningens fasföljd skiftas.In the case of an operation according to »fi gur 7, power can be transmitted only in one direction via rectifiers but in both directions if the rectifier 23 is designed as a converter with thyristors. To change the direction of rotation, the phase sequence of the motor connection needs to be changed.
En statisk Kramerdrift kan karakteriseras som en strömstyrd motordrift.A static Kramer drive can be characterized as a current-controlled motor drive.
En statisk Scherbiusdrift framgår av figur 8. Motoms statorlindning 20 är på . samma sätt som i figur 7 kopplad till ett kraftnät. Rotorlindningen 21' är via släpringar 22 kopplad till en, till kraftnätet via en transformator 24 ansluten, 20 25 30 35 40 i =;;w:í«f;x 13 cykloconverter/ frekvensomvandlare 26. Det specifika för en Scherbiusdrift är att varvtalet styrs via rotoranslutriirtgen med cykloconverterns spänning vars arnplitud, fas och frekvens kan ändras oberoende av varandra. För styrningen behövs en återkoppling från motorn för att upprätthålla rätt frekvens samt arnplitudkvoten och fasförhållandet mellan rotorspänning och styrspänning.A static Scherbius drive is shown in Figure 8. The motor's stator winding 20 is on. the same way as in Figure 7 connected to a power grid. The rotor winding 21 'is connected via slip rings 22 to a 13 cycloconverter / frequency converter 26, connected to the power grid via a transformer 24. The specificity of a Scherbius operation is that the speed is controlled via the rotor connector with the voltage of the cycloconverter whose core amplitude, phase and frequency can be changed independently of each other. The control requires feedback from the motor to maintain the correct frequency as well as the torque ratio and the phase ratio between rotor voltage and control voltage.
En fördel hos Scherbiusdriften relativt Kramerdriften är att frekvensomvandlaren kan förse maskinen med en rotorström även vid synkron drift vilket medför att driften utan extra elektronik kan övergå från undersynkron till översynkron drift. Dessutom kan en Scherbiusdrift, eftersom frekvensomvandlaren är regenerativ, bromsa både vid under- och översynkron hastighet. Den kan också kontinuerligt arbeta vid synkron drift utan att krafthalvledama överbelastas. Släpringarna kan dock bli osymmetriskt belastade med viss risk för överhettning när driften är synkron.An advantage of the Scherbius operation relative to the Kramer operation is that the frequency converter can supply the machine with a rotor current even in synchronous operation, which means that the operation can be switched from sub-synchronous to su-synchronous operation without additional electronics. In addition, since the frequency converter is regenerative, a Scherbius drive can brake at both sub-synchronous and su-synchronous speeds. It can also operate continuously in synchronous operation without overloading the power semiconductors. However, the slip rings can be asymmetrically loaded with a certain risk of overheating when the operation is synchronous.
En statisk Scherbiusdrift kan karakteriseras som en frekvens- och spänningsstyrd motordrift.A static Scherbius drive can be characterized as a frequency and voltage controlled motor drive.
I Hitachi Review Vol. 44 (1995), No. 1, pp 55 - 62 beskrivs en "400-MW Adjustable-Speed Pumped-Storage Hydraulic Power Plant" som baseras på Scherbius-principen där den vertikalaxlade varvtalsreglerade växel- strömsrriaskinen används som pumpmotor nattetid och som elgenerator dagtid. Bortsett fiån axelns montageriktning är växelströrnsmaskinens principiella utförande, koppling och funktionella beskrivning således den samma som för figurema 6 och 8. Intressanta siffror i sammanhanget är att i generatordrift är märkeffekten 395 MVA vid ett varvtalsorrrråde på 330 - 354 r/min och vid motordrift är märkeffekten 380 MW vid ett varvtalsregleroniråde 330 - 390 r/min. Den behövliga cykloconvertems effekt för dessa reglerområden är 72 MVA, dvs den ligger mellan 18 och 22 % av respektive märkeffekter.I Hitachi Review Vol. 44 (1995), no. 1, pp 55 - 62 describes a "400-MW Adjustable-Speed Pumped-Storage Hydraulic Power Plant" which is based on the Scherbius principle where the vertically axled speed-controlled alternator is used as a pump motor at night and as an electric generator during the day. Apart from the mounting direction of the shaft, the AC machine's basic design, coupling and functional description are thus the same as for fi guras 6 and 8. Interesting figures in this context are that in generator operation the rated power is 395 MVA at a speed range of 330 - 354 rpm and at the opposite word. 380 MW at a speed control range 330 - 390 rpm. The power of the required cycloconverter for these control areas is 72 MVA, ie it is between 18 and 22% of the respective rated powers.
De redovisade utförandena med släpringar och strömriktare både vad gäller elgenerator- och motordrift är behäftade med vissa nackdelar/problem som uppfimiingen avser att i stor utsträckning eliminera respektive reducera.The reported embodiments with slip rings and converters both in terms of electric generator and motor operation are subject to certain disadvantages / problems which the design intends to largely eliminate and reduce, respectively.
Den största nackdelen med dessa drifter, och som förorsakar flest problem och fel, är släpringarna och deras anslutningar, borstar m m. Dessa delar av en växelströmsdrift är de som har kortast livslängd och kräver mest ' underhåll, speciellt som de skall överföra väsentliga effekter, järnför t ex i 10 20 25 30 35 40 nämnda utförande enligt US 5,742,5l5 där hela maskineffekten skall- överföras via släpringarna. 9 Vid släpringade växelströrrismaskindrifter cirkulerar effekt internt både i statorkretsen, rotorkretsen och luftgapet samt via den yttre transformatorn och vs-vs-omvandlaren. Den cirkulerande effekten kan vara både aktiv och reaktiv. Den reaktiva effekten förbrukas internt i transformatorn, i strömriktaren samt i växelströmsmaskinens rotor och stator. Detta ökar typeffekten för den elektromagnetiska kretsen, dvs den dimensionerande produkten av märkspänning vid tomgång och märkström vid full last.The main disadvantage of these drives, and which cause most problems and faults, are the slip rings and their connections, brushes, etc. These parts of an AC drive are those which have the shortest service life and require the most maintenance, especially as they are to transmit significant effects. iron, for example in the embodiment according to US 5,742.5l5, where the entire machine power is to be transmitted via the slip rings. 9 In slip-ringed AC machine operations, power circulates internally both in the stator circuit, the rotor circuit and the air gap, as well as via the external transformer and the vs-vs converter. The circulating effect can be both active and reactive. The reactive power is consumed internally in the transformer, in the converter and in the rotor and stator of the AC machine. This increases the type power of the electromagnetic circuit, ie the dimensioning product of rated voltage at idle and rated current at full load.
Samtidigt innebär detta också att strömriktarnas typeffekt blir större än vad som behövs pga den cirkulerande reaktiva effekten.At the same time, this also means that the type power of the converters will be greater than what is needed due to the circulating reactive power.
Växelströnismotordiifterna har f n av olika skäl en praktisk övre effektgräns på ca 25 MW. Detta beror huvudsakligen på de problem som uppstår i samband med start och acceleration av motordrifterna på relativt svaga . kraftnät. Om man skulle starta en synkronmaskin med direktstargdvs med direkt inkoppling till lqafmätet utan att på något sätt försöka reducera rotorströmmarna, skulle startströmmen kunna uppgå till 3 - 6 gånger märkström och startförlustema kommer huvudsakligen att utvecklas i de roterande delarna där de under start-/accelerationsförloppet lagras adíabatiskt. För att start skall kunna ske på .ett mer kontrollerad sätt tillgrips olika förfaranden som serie/parallell koppling av statorlindningarna, med hjälp av starttransformator eller med en förkopplad reaktor eller motstånd.The AC motor diets currently have a practical upper power limit of approx. 25 MW for various reasons. This is mainly due to the problems that arise in connection with starting and acceleration of the motor drives on relatively weak. power grid. If you were to start a synchronous machine with direct stargdvs with direct connection to the lqaf meter without trying to reduce the rotor currents in any way, the starting current could amount to 3 - 6 times rated current and the starting losses will mainly develop in the rotating parts where they are stored during the starting / acceleration process. adiabatic. In order to be able to start in a more controlled way, different procedures are used such as series / parallel connection of the stator windings, by means of a starting transformer or with a pre-connected reactor or resistor.
Start av släpringade växelströmsmaskiner kan ske med full statorspänning med till rotorlindningen via släpringarna anslutet rotormotstånd RS som succesivt minskas när maskinen går i gång. En sådan startanordning framgår av figur 9.Starting of slip-ringed alternating current machines can take place with full stator voltage with rotor resistor RS connected to the rotor winding via the slip rings, which is gradually reduced when the machine starts. Such a starting device is shown in Figure 9.
Brornsnín g eller retardation av växelströmsmaskiner fiån reglerområdet runt synkront varvtal till stillastående enligt teknikens ståndpunkt sker på ett för fackmannen välkänt sätt. Bromsníng är ett transient förlopp och är på samma sätt som start associerat med förändringar i det roterande systemets rörelsenergi. Den enklaste elektriska metoden att bromsa är den s k motströrnsbromsningen, som sker genom att byta två faser i den till statorlindningen anslutna växelspärniingen. Den med det transienta förloppet associerade förändringen av rörelseenergin orsakar förlustenergi i rotorkretsen, som därför klassiskt utförs med släpringar och yttre a» rotormotstånd för att föra bort förlustenergin från växelströmsmaskinens inre på samma sätt som vid start. 10 20 25 30 35 40 15 REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN, FÖRDELAR 9 Som angivits inledningsvis består uppfinningen av en elektrisk roterande växelströmsmaskin somi sitt basutförande innefattar en huvudmaskin och en reglerrnaskin med gemensam mekanisk axel och en med axeln roterande strömriktare. Uppfinningen innefattar även ett förfarande vid användning av den medroterande strömriktaren.Wrenching or deceleration of AC machines regler from the control range around synchronous speed to standstill according to the state of the art takes place in a manner well known to those skilled in the art. Braking is a transient process and, in the same way as starting, is associated with changes in the kinetic energy of the rotating system. The simplest electrical method of braking is the so-called counter-current braking, which takes place by changing two phases in the alternating voltage connected to the stator winding. The change in kinetic energy associated with the transient process causes loss of energy in the rotor circuit, which is therefore classically performed with slip rings and external rotor resistors to dissipate the loss energy from the interior of the AC machine in the same manner as at start-up. DISCLOSURE OF THE INVENTION, ADVANTAGES 9 As stated in the introduction, the invention consists of an electrically rotating AC machine whose basic embodiment comprises a main machine and a control machine with a common mechanical shaft and a converter rotating with the shaft. The invention also includes a method of using the co-rotating inverter.
Kännetecknande för huvudmaskinen är att den är utformad med vs- lindningar i både stator och rotor samt att den kan arbeta både som el generator och motor.Characteristic of the main machine is that it is designed with windings in both stator and rotor and that it can work both as an electric generator and motor.
Reglermaskinen har flera funktioner. Den skall förse huvudmaskinens rotorlindning med reglereffekt/-frekvens för aktuellt reglerornråde och den skall också kunna fungera som Startmotor för konstantfrekvensmaskinen eller kunna överföra huvudmaskinens startförluster till yttre motstånd. .The control machine has funktioner your functions. It shall provide the rotor winding of the main machine with control power / frequency for the current control range and it shall also be able to function as a starter motor for the constant frequency machine or be able to transmit the main losses of the main machine to external resistors. .
Strömriktaren har också flera funktioner. Dess huvuduppgift är att under drift fungera som en vs-vs-omvandlare enligt tidigare given definition. v Under start skall den kunna fungera som en vs-flerfaskopplare eller som en vs-fasvinkel-/spänningsregulator eller som en vs-kortslumingskopplare för reglermaskinens rotorlindning. Vid kontrollerad brornsning och/eller stopp skall strömriktaren kunna fungera som en vs-fasvínkel-/spänningsregulator eller som en vs-flerfaskopplare. Uppñnningen innefattar även ett förfarande vid användning av den medroterande strömriktaren i enlighet med ovan- stående.The converter also has fl your functions. Its main task is to function during operation as a vs-vs converter according to the previously given definition. v During start-up, it must be able to function as a VS-phase phase switch or as a VS phase angle / voltage regulator or as a VS short-circuit switch for the rotor winding of the control machine. During controlled firing and / or stopping, the inverter must be able to function as a vs-phase angle / voltage regulator or as a vs-fl phase switch. The invention also includes a method of using the co-rotating inverter in accordance with the above.
Anläggningsutförandena då maskinen arbetar som elgenerator respektive motor skiljer sig dock något främst vad avser märkeffekter, märkspänningar och startmetoder. I vissa sammanhang kan dock maskinen komma till användning både som elgenerator och motor.The system designs when the machine works as an electric generator or motor, however, differ somewhat mainly in terms of rated effects, rated voltages and starting methods. In some contexts, however, the machine can be used both as an electric generator and a motor.
Inledningsvis behandlar redogörelsen för uppfinningen utformningen av huvudmaskinens statorlindning, som i stora drag är gemensam för maskinen _.. både som elgenerator och motor. Sedan följ er en beskrivning av maskinen då den kommer till användning som elgenerator med variabelt varvtal och då den används som motor med varierande varvtal. Därefter redogörs i stora drag för reglermaskinens samt även i viss utsträckning vs-vs-omvandlarens utformning. Avslutningsvis anges de fördelar som en maskin enligt uppfinningen besitter relativt teknikens ståndpunkt. 10 '20 25 30 35 _- ,- i, _. -._« _ ' '- '_ : árh f. :_ ff H - « _c.;r r z «« I - ' , r r< .ce < i _ va» <~< . U-v . _ _ .r . f < r _ . t. 16 Det har i generella ordalag anförts ovan att huvudrnaskinens statorlindning ansluts till ett transmissions- eller distiibutionskraftnät med mellan- eller högspärining. Anslutningen kan som anförts på bifogade figurer vara transformatorlös eller via krafttransfonnatorer. Anslutningen kan också ske mot strömriktare för frekvensomvandling, för faskompensering, för filtrering av övertoner osv.Initially, the disclosure of the invention deals with the design of the stator winding of the main machine, which is broadly common to the machine both as an electric generator and a motor. Then follow a description of the machine when it is used as a variable speed electric generator and when it is used as a motor with varying speeds. Then the design of the control machine and also to some extent the vs-vs converter is described in broad outline. Finally, the advantages which a machine according to the invention possesses are stated relative to the state of the art. 10 '20 25 30 35 _-, - i, _. -._ «_ '' - '_: árh f.: _ Ff H -« _c.; R r z «« I -', r r <.ce <i _ va »<~ <. U-v. _ _ .r. f <r _. t. 16 It has been stated in general terms above that the stator winding of the main machine is connected to a transmission or distribution power network with medium or high voltage. The connection can, as stated on the enclosed urer gures, be transformerless or via power transformers. The connection can also be made to converters for frequency conversion, for phase compensation, for filtering harmonics, etc.
För direktanslutning till ett högspänningsnät är statorlindningen hos en maskin enligt uppfinningen lindad med en högspänningskabel. En föredragen utföringsform av kabeln innefattar en strömförande ledare som består av transponerade, både oisolerade och isolerade, kardeler. Runt ledaren finns ett inre halvledande skikt som är omgivet av minst ett extruderat isolationslager vilket i sin tur är omgivet av ett yttre halvledande skikt. För att undvika inducerade strömmar och därmed förknippade förluster i det yttre halvledande skiktet är detta delat i ett antal avskuma delar. Var och en av dessa avskuma delar är sedan ansluten till jord varvid det yttre halvledande skiktet kommer att befinna sig på jordpotential eller åtminstone nära jordpotential. Detta innebär att inga stora slumpvis fördelade, med ledargeometrin varierande elektriska fältkoncentrationer kan uppstå hos maskinens statorlindning. En fylligare beskrivning av en sådan kabel och lindning samt de fördelar som en sådan kabel och lindning medger ' i roterande maskiner ges i WO 97/45919.For direct connection to a high-voltage network, the stator winding of a machine according to the invention is wound with a high-voltage cable. A preferred embodiment of the cable comprises a live conductor consisting of transposed, both uninsulated and insulated, strands. Around the conductor there is an inner semiconducting layer which is surrounded by at least one extruded insulating layer which in turn is surrounded by an outer semiconducting layer. To avoid induced currents and associated losses in the outer semiconductor layer, this is divided into a number of skimming parts. Each of these scum parts is then connected to earth, the outer semiconductor layer being focused on earth potential or at least close to earth potential. This means that no large randomly distributed, with the conductor geometry varying electric field concentrations can occur at the stator winding of the machine. A fuller description of such a cable and winding as well as the advantages which such a cable and winding allows in rotating machines is given in WO 97/45919.
Som angivits ovan skall redogörelsen för uppfmningen först beskriva hur maskinen kommer till användning som en elgenerator med varierande. varvtal. Ett utföringexempel av basutförandet visas i figur 10 som vad genererad spänning beträffar avser en konventionell elgenerator, dvs en elgenerator avsedd för spärmingar upp till 25 kV. För att enkelt kunna jämföra uppfinningen med den redovisade teknikens ståndpunkt harfigur 10 i möjligaste mån samma figursymboler och hänvisningssiffror som tidigare redovisade figurer. Det finns således en huvudrnaskin/elgenerator 1, en på en gemensam axel anordnad reglermaskin 27 och en på axeln monterad strömriktare 28 i form av en vs-vs-omvandlare. Av figur 10 framgår i övrigt att reglerrnaskínens växelströmsrotorlindning 29 är ansluten till vs-vs- omvandlarens "nätsida" och att dess utgång är ansluten till elgeneratoms växelströmsrotorlíndning 3. Reglermaskinens statorlindning 30 kan på samma sätt som för tidigare omtalade borstlösa matare vara utformad med utpräglade poler. Som det framgår av den följande redovisningen kan' även annan utformning komma till användning. Huvudmaskinen/elgeneratom och 20 25 30 35 40 17 reglermaskinen drivs på tidigare 'omtalat sätt via en turbin 6. Elgeneratoms i statorlindningen 7 genererade spänning ansluts som ovan via en step-up- transformator 8 till ett högspänningskraftnät.As stated above, the description of the invention must first describe how the machine will be used as an electric generator with varying. speed. An exemplary embodiment of the basic embodiment is shown in Figure 10 which, as far as generated voltage is concerned, refers to a conventional electricity generator, ie an electricity generator intended for voltages up to 25 kV. In order to be able to easily compare the invention with the state of the art reported, Figure 10 has as far as possible the same symbols and reference numerals as previously reported figures. There is thus a main machine / electric generator 1, a control machine 27 arranged on a common shaft and a converter 28 mounted on the shaft in the form of a vs-vs converter. Figure 10 otherwise shows that the AC machine's rotor winding 29 of the control machine is connected to the "mains side" of the vs-vs converter and that its output is connected to the AC rotor winding 3. The control machine's stator winding 30 can be designed in the same way as previously mentioned brushless feeders. . As can be seen from the following report, another design can also be used. The main machine / generator and the control machine are driven in the manner previously described via a turbine 6. The voltage generated by the generator generated in the stator winding 7 is connected as above via a step-up transformer 8 to a high voltage power grid.
Principen för frekvensregleringen vid varierande varvtal på drivanordningen är densamma som tidigare redovisats, dvs att man tillför elgeneratoms växelströmsrotorlindning 3 en spänning med den skillnadsfrekvens som behövs för att vid aktuellt varvtal erhålla den önskade frekvensen hos den genererade statorspänningen. Frekvensreglersystemets styrsignal 28a till den roterande vs-vs-omvandlaren kan skapas på olika sätt som ligger utanför , ramen för denna uppfmning. Detsamma gäller systemets spännings- reglering, vad avser amplitud och fasvinkel.The principle of the frequency control at varying speeds on the drive device is the same as previously reported, ie that the voltage generated by the alternator 3 of the electric generator is supplied with a voltage with the difference frequency needed to obtain the desired frequency of the generated stator voltage at the current speed. The control signal 28a of the frequency control system to the rotary vs-vs converter can be created in various ways outside the scope of this invention. The same applies to the system's voltage regulation, in terms of amplitude and phase angle.
Det skall uppmärksammas att då elgeneratom drivs med ett varvtal som, med givet poltal, motsvarar synkronisering till krafmätets frekvens, så kommer vs-vs-omvandlarens anslutning till rotorlindningen att ske med frekvensen noll, dvs med likström. I Till skillnad från teknikens ståndpunkt med släpringad överföring av effekt/skillnadsfrekvens till rotorlindningen och till skillnad från den specialkoppling av rotorlindningen med galvaniskt skilda lindningar med extra uttag som behövs med den maskinkommuterade dubbelströmriktaren ' som redovisas i SU 1746474 Al, sker nu enligt uppfinningen överföring av effekt/skillnadsfrekvens till en konventionell rotorlindning med en självkommuterad dubbelströmriktare som i en föredragen utföringsform består av en matrisomvandlare. Eftersom det nu är fråga om effektöverföring ' till/från lcraftnätet måste reglermaskin och strömriktare dimensioneras för det aktuella reglerområdet både vad moment och varvtal beträffar samt även beträffande s k kommuteringsöverlappningar pga "svagt nåd-karaktär hos de roterande lindningarna. Som exempel på sådan dimensionering anges enligt ovan cycloconvertems effekt relativt märkeffekten i Hitachifallet. För att illustrera detta har, till skillnad från figur 2, 3 m fl där mataren enbart skall förse elgeneratom med likströmsmagnetiseringseffekt, reglermaskinen 27 ritats mera proportionellt korrekt relativt elgeneratoms effekt.It should be noted that when the electric generator is operated at a speed which, with a given pole number, corresponds to synchronization to the frequency of the power meter, the connection of the vs-vs converter to the rotor winding will take place with the frequency zero, ie with direct current. In contrast to the state of the art with slip ring transfer of power / difference frequency to the rotor winding and in contrast to the special coupling of the rotor winding with galvanically separated windings with extra sockets required with the machine-commutated dual converter 'reported in SU 1746474 A1, transmission according to the invention now takes place power / difference frequency to a conventional rotor winding with a self-commutated double-converter which in a preferred embodiment consists of a matrix converter. Since it is now a question of power transfer to / from the power grid, the control machine and converters must be dimensioned for the current control range both in terms of torque and speed as well as in so-called commutation overlaps due to the "weak grace nature of the rotating windings. To illustrate this, in contrast to Figure 2, 3 and others where the feeder is only to supply the electric generator with direct current magnetizing power, the control machine 27 has been drawn more proportionally correctly relative to the power of the electric generator.
Problem i samband med strömriktares kommutering kan reduceras på olika sätt. I ABB Review 2/97 pp 25-33 beskrivs ett sätt med ”Capacitor commuted convertors for HVDC-system”. Artikeln beskriver hur kommuteringsmarginalen förbättras och hur reaktiva effektbehovet sjunker med seriekondensatorer i vs-anslutningen, dvs mellan den nätkommuterade 20 25 30 35 40 18 strömriktaren och dess transfomiator, när strömriktaren arbetari växehiktardrift. En motsvarande teknik kommer till användning i samband med beskrivningen och utföringsfonrier av den i uppfinningen integrerade vs-vs-omvandlaren.Problems related to inverter commutation can be reduced in various ways. ABB Review 2/97 pp 25-33 describes a method with "Capacitor commuted converters for HVDC systems". The article describes how the commutation margin is improved and how the reactive power demand decreases with series capacitors in the vs connection, ie between the mains-commutated converter and its transformer, when the converter operates in plant hitter operation. A corresponding technique is used in connection with the description and execution phonographs of the vs-vs converter integrated in the invention.
Konstantfrekvensmaskinen med variabelt varvtal enligt uppfinningen kan självfallet utformas för anpassning till olika genererande applikations- alternativ. Detta gäller speciellt för både huvudmaskinens och regler- maskinens lindningsutföranden och därmed även för vs-vs-omvandlarens utformning. Som exempel på alternativa utföringsformer när det gäller statorlindningen hos elgeneratom kan den också, förutom den i figur 10 visade utföringsformen för "konventionell" högspänningsnivå vad elgeneratorer beträffar, utformas som den i WO 97/45919 redovisade elgeneratom för än högre spänningar enligt figur lla som är en motsvarighet till figur 3. Figur llb visar en axiell ändvy av en sektor/poldelning hos en huvudmaskin enligt uppfinningen och kommer att närmare redovisas under beskrivningen av utföringsformer. Motsvarigheten till figur 4, dvs där elgeneratom är utformad som en högspäimingsgenerator enligt WO 97/45907 med 2x3-fas statorlindningar för matning av en HV DC-anläggning med l2-pulsspänning, är också en högst aktuell utföringsform.The variable frequency machine with variable speed according to the invention can of course be designed for adaptation to different generating application alternatives. This applies in particular to both the winding designs of the main machine and the control machine and thus also to the design of the vs-vs converter. As an example of alternative embodiments with regard to the stator winding of the electric generator, it can also, in addition to the embodiment shown in Figure 10 for "conventional" high voltage level as far as electric generators are concerned, be designed as the electric generator reported in WO 97/45919 for even higher voltages according to an equivalent to Figure 3. Figure 11b shows an axial end view of a sector / pole division of a main machine according to the invention and will be described in more detail during the description of embodiments. The equivalent of Figure 4, ie where the electricity generator is designed as a high-voltage generator according to WO 97/45907 with 2x3-phase stator windings for supplying an HV DC system with I2 pulse voltage, is also a highly current embodiment.
Uppköming/ start av konstantfrekvensmaskinen till aktuellt reglerornråde för' ' drift som elgenerator sker genom att turbinen accelererar huvudmaskin och reglermaskin till dess att maskinen själv kan överta regleringen.Running up / starting of the constant frequency machine to the current control area for operation as an electric generator takes place by the turbine accelerating the main machine and control machine until the machine itself can take over the control.
En växelströirismaskin enligt uppfinningen har också ett stort , applikationsområde när det gäller motordrifter med varierande varvtal. Ett basutförande när det gäller motordrifter skall beskrivas med utgångspunkt från figur 12.An alternator according to the invention also has a large, application range for motor drives with varying speeds. A basic design with regard to motor drives shall be described on the basis of Figure 12.
På samma sätt som angivits för utföringsexemplet med basutförandet av elgeneratorn skall även här, för jämförelse av uppfmningen med den redovisade teknikens ståndpunkt, i möjligaste mån samma figursymboler och hänvisningssiffror komma till användning som i tidigare redovisade figurer vad avser motordiifter, dvs figurema 7 och 8. Det finns således enligt figur 12 en huvudmaskin/elmotor 1 med en statorlindning 20 och en rotorlindning 21, en på en gemensam axel anordnad regleraskin 27 och en strömriktare 28 i form av en vs-vs-omvandlare. Reglermaskinen är försedd med en rotorlindning 29 och en statorlindning 30. Av figur 12 framgår i övrigt att reglermaskinens rotorlindning 29 är ansluten till 20 25 30 40 afrssvee 19 vs-vs-omvandlarens "nätsida" och att dess utgång är ansluten till huvudmaskinens/elmotoms växelströms rotorlindning 21. Reglerrnaskinens statorlindning 30 kan på samma sätt som tidigare omtalade borstlösa matare vara utformad med utpräglade poler men även här kan andra utföringsforrner förekomma. Elmotorn och reglennaskinen driver gemensamt den (icke visade) mekaniska lasten.In the same way as stated for the exemplary embodiment of the basic design of the electricity generator, here too, for comparison of the invention with the state of the art reported, the same urs gur symbols and reference numerals shall be used as far as possible in previously reported urer gurms with regard to motor dips, ie fi guras 7 and 8. Thus, according to Figure 12, there is a main machine / electric motor 1 with a stator winding 20 and a rotor winding 21, a control machine 27 arranged on a common axis and a converter 28 in the form of a vs-vs converter. The control machine is provided with a rotor winding 29 and a stator winding 30. Figure 12 also shows that the rotor winding 29 of the control machine is connected to the "mains side" of the afsssvee 19 vs-vs converter and that its output is connected to the main machine / electric motor's alternating current. rotor winding 21. The stator winding 30 of the control machine can, in the same way as previously mentioned brushless feeders, be designed with pronounced poles, but here too other embodiments can occur. The electric motor and the control machine jointly drive the mechanical load (not shown).
Principen för att variera varvtalet hos motordrifter vid växelströmsmatning med ”konstant” nätfrekvens är densamma som tidigare redovisats för elgeneratorer, dvs att enligt figur 12 huvudmaskinens växelströms- rotorlindning 21 tillförs en spänning med den skillnadsfrekvens som behövs för att de av strömmarna i statorlindningen 20 och rotorlindningen 29 skapade mrnk- och flödesvågoma skall rotera synkront i elmotoms 1 luftgap.The principle for varying the speed of motor drives during alternating current supply with "constant" mains frequency is the same as previously reported for electric generators, ie according to Figure 12 the AC rotor winding 21 of the main machine is supplied with the difference frequency needed for the currents in the stator winding 20. The 29 mrnk and fl fate waves must rotate synchronously in the electric motor's 1 air gap.
Varvtals-/frekvensreglersystemets styrsignal 28a kan skapas på olika sätt.The control signal 28a of the speed / frequency control system can be created in different ways.
Det beror på krav på dynamik, effektfaktor, nätspänningens nivå relativt dess nominella osv. På samma sätt som för synkron drift av elgeneratom redovisats ovan får strömmen i elmotorns 1 rotorlindning 21 frekvensen noll vid synkron drift, dvs det blir åter ett specialfall med likström i huvudmaskinens växelströms rotorlindning.It depends on requirements for dynamics, power factor, the level of the mains voltage relative to its nominal, etc. In the same way as for synchronous operation of the electric generator reported above, the current in the rotor winding 21 of the electric motor 1 has the frequency zero during synchronous operation, ie there will again be a special case with direct current in the rotor winding of the main machine.
Vid redogörelsen för uppñnningen både vad gäller generator- och motordrift har angivits att reglermaskinens rotorlindning skall vara en växelströmslindning och att statorlindningen kan vara utformad med utpräglade poler men att andra utföringsformer kan, beroende på olika tillämpningar, bli aktuella. Den närmast följande delen av redogörelsen beskriver alternativa utföringsfomier.In describing the invention in terms of both generator and motor operation, it has been stated that the rotor winding of the control machine shall be an alternating current winding and that the stator winding may be designed with pronounced poles, but that other embodiments may be relevant, depending on different applications. The next part of the report describes alternative embodiments.
Reglerrnaskinen skapar ett lokalt växelströmsnät till vilket endast vs-vs-omvandlaren är ansluten. Dess poltal kan således väljas relativt fritt.The control machine creates a local AC network to which only the vs-vs converter is connected. Its pole number can thus be chosen relatively freely.
För att hålla dess fysiska dimensioner så små som möjligt för en given varvtalsvariation utförs reglennaskinen företrädesvis med fler poler än huvudrnaskinen.In order to keep its physical dimensions as small as possible for a given speed variation, the control machine is preferably made with more poles than the main machine.
Utfornmingen med utpräglade poler kan också ske på olika sätt. Den föredragna utföringsformen består av ”utpräglade poler” med en likströmslindning. Därvid skapas ett stillastående luftgapsflöde i regler- maskinen som medger en anläggningstekriiskt attraktiv styrmöjlighet genom att variera luftgapsflödets storlek via likströmmens värde. Utföringsformen utpräglade poler i reglerrnaskinens stator innefattar även att luftgapsflödet skapas av permanenta magneter, vilket dock innebär ett i stort sett konstant 10 15 20 25 30 35 40 Å f: Cl i | f. t- I* ~ - l luftgapsflöde. Utfominingen med utpräglade poler hos reglennaskinens stator är huvudsakligen aktuell då uppfinningen kommer till användning vid olika generatordrifter.The design with pronounced poles can also take place in different ways. The preferred embodiment consists of "pronounced poles" with a direct current winding. This creates a stationary air gap fate in the control machine that allows a facility-critical control option by varying the size of the air gap fate via the value of the direct current. The embodiment of distinct poles in the stator of the control machine also comprises that the air gap fl fate is created by permanent magnets, which, however, means a substantially constant 10 15 20 25 30 35 40 Å f: Cl i | f. t- I * ~ - l luftgaps fl öde. The design with pronounced poles of the stator of the control machine is mainly relevant when the invention is used in various generator operations.
Re glermaskinens statorlindning kan också utformas som en växelströmslindning varvid det skapas ett roterande luftgapsflöde i reglermaskinen. Ett sådant utförande medger främst tillförsel av magnetiseringseffekt under drift, dock kombinerad med viss in-/utmatning av axeleffekt. Denna kan elimineras genom att mata in likström i en del av eller genom omkoppling av växelströmslindningen. En annan stor fördel med en växelströmslindning i statom är att startförutsättrtingama förbättras väsentligt då maskinen enligt uppfmningen används som motor.The stator winding of the control machine can also be designed as an alternating current winding, whereby a rotating air gap flow is created in the control machine. Such an embodiment mainly allows the supply of excitation power during operation, however, combined with a certain input / output of shaft power. This can be eliminated by feeding direct current into a part of or by switching the alternating current winding. Another great advantage of an AC winding in the stator is that the starting conditions are significantly improved when the machine according to the invention is used as a motor.
De vs-vs-omvandlare som enligt teknikens ståndpunkt används i samband med varvtalsreglering via matande varierande frekvens har en konstant infrekvens bestämd av elkraftnätet. En maskin enligt uppfinningen ställer högre krav på vs-vs-omvandlaren. Detta beror på att vs-vs-omvandlarens inspänning/infrekvens, som alstras av reglermaskinens rotorlindning, varierar och är, för given maskindesign och elkraftnät beroende av och direkt proportionell mot axelns variabla/varierande varvtal. Dessutom skall vs-vs- omvandlarens utspänning/utfrekvens till huvudmaskínens rotorlindning vad frekvens beträffar vara proportionell mot varvtalsskillnaden mellan huvudmaskínens synkrona och aktuella varvtal. Detta medför att kvoten mellan vs-vs-omvandlarens in- och utfrekvens kommer att variera.The vs-vs converters which, according to the state of the art, are used in connection with speed control via supply varying frequency have a constant infrequency determined by the electric power grid. A machine according to the invention places higher demands on the vs-vs converter. This is because the input / frequency of the vs-vs converter, which is generated by the rotor winding of the control machine, varies and is, for a given machine design and electric power grid, dependent on and directly proportional to the variable / varying speed of the shaft. In addition, the output voltage / output frequency of the vs-vs converter to the rotor winding of the main machine in terms of frequency shall be proportional to the difference in speed between the synchronous of the main machine and the current speeds. This means that the ratio between the input and output frequency of the vs-vs converter will vary.
Den i uppfinningen integrerande vs-vs-omvandlarens utformning och . ingående komponenter kommer att närmare redovisas i beskrivningen av utföringsfonner. Generellt gälleri övrigt att vs-vs-omvandlaren kan vara utförd som en matrisomvandlare eller som en cyklokonverter, dvs en spänningsstyv direktomvandlare med antiparallellkopplade tyristorbryggor.The design of the vs-vs converter integrating in the invention and. Incoming components will be described in more detail in the description of embodiments. In general, the vs-vs converter can be designed as a matrix converter or as a cyclo-converter, ie a voltage-rigid direct converter with anti-parallel-connected thyristor bridges.
Vs-vs-omvandlaren kan också utföras med likspärmings- eller likströmsmellanled. Den skall dimensioneras så att den tål största uppträdande tomgångsspänning och största möjliga belastningsströmi rotorlindningarna. 20 25 30 35 40 2::;;¿. t' 21 Växelströmsmaskindrifter enligt uppfinningen har ett väsentligt antal fördelar jämfört med motsvarande drifter utformade enligt teknikens ståndpunkt: Styrning/reglering av växelströmsmaskinen sker borstlöst.The Vs-vs converter can also be made with DC or DC intermediates. It must be dimensioned so that it can withstand the largest occurring idle voltage and the largest possible load current in the rotor windings. 20 25 30 35 40 2 :: ;; ¿. 21 'AC machines according to the invention have a significant number of advantages over corresponding drives designed according to the state of the art: Control / regulation of the AC machine takes place without a brush.
Eftersom det vid dessa borstlösa växelströmsmaskiner inte cirkulerar effekt runt via statorkretsen innebär detta ungefär en halvering av nödvändiga strömriktareffekter.Since these brushless AC machines do not circulate power around via the stator circuit, this roughly halves the required converter power.
En växelströmsmaslcin enligt uppfinningen kan både som motor och generator komma till användning för generering av reaktiv effekt till kraftnätet eller åtminstone inte dra någon reaktiv effekt från maskinen.An AC machine according to the invention can be used both as motor and generator for generating reactive power to the power grid or at least not draw any reactive power from the machine.
Kraftelektroniska strömriktare minskar huvudkretsarnas förluster och fysiska storlek. ' Eftersom vare sig aktiv eller reaktiv cirkulerande effekt belastar statoms lindning kommer också förlustema att väsentligt minska relativt motsvarande för teknikens ståndpunkt.Power electronic converters reduce the losses and physical size of the main circuits. Since neither active nor reactive circulating power loads the winding of the stator, the losses will also be significantly reduced relative to the prior art.
Både huvudrnaskinens och reglermaskinens rotorlindningar kan utföras med lägre och därmed billigare spänningsnivåer, eftersom det inte längre finns några begränsande, yttre kriterier från släpringar, utbredda skenstråk och kablage. Övertoner i strömriktarkretsarna stannar väsentligen inne i den roterande maskinen och fortplantas således ej till kraftnätet.Both the rotor windings of both the main machine and the control machine can be made with lower and thus cheaper voltage levels, since there are no longer any limiting, external criteria from slip rings, wide rail tracks and cabling. Harmonics in the converter circuits remain substantially inside the rotating machine and thus do not propagate to the power grid.
Maskinen kan utformas för en, två eller flera högeffektsansluminugar till matande nät. ^ För att ytterligare redovisa fördelarna med en konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt uppfirmingen visas i följande tabell en relativ effektjämförelse med utgångspunkt från en given skenbar märkeffekt Sn för de redovisade utföringsformerna. Jäinförelsen avser summaeffekt för de roterande maskinema, ROT, summaeffekt för ingående transformatorer, TRAFO, summaeffekt för ingående strömriktare, SR, summan av via_ 10 20 25 30 35 40 5 i =:r n, . f: i 22 släpringar Överförd effekt, SL samt uteffekt, UB. (T.S.) respektive (U.F.) betyder att figuren tillhör teknikens ståndpunkt eller uppfinningen.The machine can be designed for one, two or two of your high-power feeders. ^ To further report the advantages of a constant frequency machine with varying / variable speed according to the inventory, a relative power comparison is shown in the following table based on a given apparent rated power Sn for the reported embodiments. The introduction refers to the sum power for the rotating machines, ROT, sum power for the input transformers, TRAFO, sum power for the input converters, SR, the sum of via_ 10 20 25 30 35 40 5 i =: r n,. f: in 22 slip rings Transmitted power, SL and output power, UB. (T.S.) and (U.F.) respectively means that the uren gure belongs to the state of the art or the invention.
Maskin enligt ROT TRAFO SR SL UE Figur 2 (T.S.) Sn Sn 0,05 Sn 0 Sn Figur 3 (T.S.) Sn 0 0,05'Sn 0 Sn Figur 5 (T.S.) 2,2 Sn Sn 0,2 Sn 1,15 Sn 1,1 Sn Figur 6 (T.S.) 1,3 Sn 1,4 Sn 0,4 Sn 0,4 Sn 1,1 Sn Figur 9 (U.F.) 1,3 Sn Sn 0,3 Sn 0 1,1 Sn Figur 10 (U .F.) 1,3 Sn 0 0,3 Sn 0 1,1 Sn Maskin enligt figur 2: Samtliga ”större” tillverkare av elgeneratorer kan tillverka _ konstantvarvsmaskiner med fulleffekts step-up-transformator med borstlös matare. I en anläggning enligt figuren utförs elkraftgeneratorn 1 och step-up- transformatom 8 för samma skenbara märkeffekt Sn.Machine according to ROT TRAFO SR SL UE Figure 2 (TS) Sn Sn 0.05 Sn 0 Sn Figure 3 (TS) Sn 0 0.05'Sn 0 Sn Figure 5 (TS) 2.2 Sn Sn 0.2 Sn 1, 15 Sn 1.1 Sn Figure 6 (TS) 1.3 Sn 1.4 Sn 0.4 Sn 0.4 Sn 1.1 Sn Figure 9 (UF) 1.3 Sn Sn 0.3 Sn 0 1.1 Sn Figure 10 (U .F.) 1.3 Sn 0 0.3 Sn 0 1.1 Sn Machine according to Figure 2: All “larger” manufacturers of electric generators can manufacture _ constant-speed machines with a full-power step-up transformer with a brushless feeder. In a plant according to fi guren, the electric power generator 1 and the step-up transformer 8 are designed for the same apparent rated power Sn.
Standardkonceptet för en anläggning är att för det borstlösa utförandet använda en medroterande matare med strömiiktare/vs-ls-omvandlare 5 för att mata fältlindningen 3 i rotom. Strömriktarens typeffekt blir till viss del beroende av spärmingsregleringens dynamiska krav. Typiska värden är dock att den dimensioneras för 5 % av elgeneratorns effekt. Maskinen har inga släpringar för överföring av likströmsmagnetiseringen till fáltlindningen.The standard concept for a plant is to use a co-rotating feeder with current converter / vs-1 converter 5 for feeding the field winding 3 in the rotor for the brushless design. The type effect of the inverter becomes to some extent dependent on the dynamic requirements of the voltage control. Typical values, however, are that it is dimensioned for 5% of the electricity generator's power. The machine has no slip rings for transmitting the direct current magnetization to the field winding.
Maskin enligt figur 3: Detta är en maskin enligt tidigare redovisade WO 97/45919, dvs en elgenerator 1 för högspänning där anläggningen ej behöver någon step-up- transfomiator. Den medroterande strömnktarens typeffekt blir som ovan, dvs ca 5 % av den skenbara märkeffekten. Magnetiseringen kan ske utan släpringar. I Maskin(-er) enligt figur 5: En uppskattning av summan av den skenbara märkeffekten för de roterande maskinema ger vid handen att den blir ca 2,2 'Sn . Utan att närmare specificera underlaget för denna bedömning kan konstateras att eftersom maskinen/omfonnaren 11 skall ha märkeffekten Sn , likväl som transformatom 8, så måste maskin 1 dimensioneras för samma effekt plus den reaktiva effekt som maskin 11 förbrukar. Summan av de roterande 10 20 25 30 35 40 5 i i&ïï»3t5f:;:t% :y , ' 23 maskinemas effekt måste dessutom innefatta den effekt som går åt för att driva maskin 15, dvs omvandlarens drivkälla.Machine according to Figure 3: This is a machine according to previously reported WO 97/45919, ie an electric generator 1 for high voltage where the system does not need a step-up transformer. The type effect of the co-rotating current generator will be as above, ie about 5% of the apparent rated power. The magnetization can take place without slip rings. In Machine (s) according to Figure 5: An estimate of the sum of the apparent rated power of the rotating machines indicates that it is approx. 2.2 'Sn. Without specifying the basis for this assessment, it can be stated that since the machine / switch 11 must have the rated power Sn, as well as the transformer 8, machine 1 must be dimensioned for the same power plus the reactive power that machine 11 consumes. The sum of the power of the rotating machines must also include the power consumed to drive machine 15, i.e. the drive source of the converter.
Summa strömriktareffekt för vs-vs-omvandlaren 16 och för likströmsmagnetisering av maskin 1 uppskattas till ca 0,2 ' Sn.Total converter power for the vs-vs converter 16 and for DC magnetization of machine 1 is estimated at about 0.2 'Sn.
Total effekt genom släpringarna blir den från maskin 1 till maskin ll överförda skenbara effekten som uppskattas till ca 1,15 'Sn utgående från en kortslutningsreaktans hos maskin 11 på 0,15 pu. Seriekondensatorema som nämns i EP 0749190 får också värdet 0,15 pu. Som tidigare redovisats ställs det mycket höga krav på släpringarrias effektöverföringsförmåga.Total power through the slip rings is the apparent power transmitted from machine 1 to machine 11, which is estimated to be about 1.15 'Sn based on a short-circuit reactance of machine 11 of 0.15 pu. The series capacitors mentioned in EP 0749190 also have the value 0.15 pu. As previously reported, very high demands are placed on the power transmission capacity of the towing ring.
Maskin enligt figur 6: Som tidigare redovisats är detta ett system baserat på Scherbius-kaskaden där den roterande elmaskinen/elgeneratorn 1 antas vara utförd med släpringar 19 till kaskaden. Vs-'vs-omvandlaren 17, dvs strömriktareni » kaskaden, dimensioneras för aktuellt reglerområde samt för den reaktiva effekt som den förbrukar. Den installerade märkeffekten för strömriktaren kan således uppskattas till ca 0,4 'Sn vilket också motsvarar den totala effekten genom släpringarna. Den roterande maskinens skenbara märkeffekt kommer följaktligen att bli ca 1,3 'Sn och den totalt installerade märkeffekten för transformatorerna ca 1,4 'Sw Maskiner enligt figurema 10, lla och llb : Dessa figurer representerar en maskin enligt rubricerade uppfinning, dvs en ”Konstantfrekvensmaskin med variabelt/varierbart varvtal”. Samman-. fattningsvis innefattar maskinen en första elmaskin 1 kallad huvudmaskin och en andra elmaskin 27 kallad reglermaskin med en gemensam mekanisk axel 2 och en medroterande strömriktare/vs-vs-omvandlare 28.Machine according to Figure 6: As previously reported, this is a system based on the Scherbius cascade where the rotating electric machine / generator 1 is assumed to be made with slip rings 19 to the cascade. The Vs-'vs converter 17, ie the converter in the cascade, is dimensioned for the current control range and for the reactive power it consumes. The installed rated power of the converter can thus be estimated at about 0.4 'Sn, which also corresponds to the total power through the slip rings. The apparent rated power of the rotating machine will consequently be about 1.3 'Sn and the total installed rated power of the transformers about 1,4' Sw Machines according to Figures 10, 11a and 11b: These figures represent a machine according to the classified invention, ie a with variable / variable speed ”. Together-. In essence, the machine comprises a first electric machine 1 called main machine and a second electric machine 27 called control machine with a common mechanical shaft 2 and a co-rotating converter / vs-vs converter 28.
Huvudmaskinen 1 kan enligt figur 10 utföras med för elgeneratorer » _ ”konventionell” högspänning, dvs upp till 25 kV och step-up-transforniator 8 eller den kan enligt figur 11a utföras med högspärmingslindníng varvid step-up-transformatorn elimineras. Eftersom det inte intemt cirkulerar reaktiv effekt via huvudmaskinens stator blir typeffekten för vs-vs-omvandlaren för samma reglerområde som för maskinen enligt figur 6 mindre, uppskattningsvis ca 0,3 'Sn . Reglermaskinens märkeffekt blir följaktligen också 0,3 'Sn och den roterande maskinens totala skenbara märkeffekt 1,3 'Sn . Transformatorns 8 märkeffekt i figur 10 blir 1,0 ' Sn .According to Figure 10, the main machine 1 can be designed with a "conventional" high voltage for electric generators, ie up to 25 kV and a step-up transformer 8, or it can be designed according to Figure 11a with high-voltage winding, eliminating the step-up transformer. Since reactive power does not circulate intimately via the stator of the main machine, the type power of the vs-vs converter for the same control range as for the machine according to fi gur 6 becomes smaller, approximately approx. 0.3 'Sn. Consequently, the rated power of the control machine also becomes 0.3 'Sn and the total apparent rated power of the rotating machine is 1.3' Sn. The rated power of the transformer 8 in 10 gur 10 becomes 1.0 'Sn.
Maskiner enligt uppfinningen innefattar således inga släpringar. ' 20 25 30 35 40 24 En konstantfrekvensmaskin enligt uppfinningen har till skillnad från de under teknikens ståndpunkt redovisade utföringsformerna en fördel som innebär att start- och accelerationsförutsättningarna väsentligt förbättras. Det har tidigare redovisats att reglermaskinens statorlindning kan utformas som en växelströmslindning för att, t ex via en hjälplindning i huvudmaskinens stator, medge tillförsel av magnetiseringseffekt för reglermaskinen under drift. Det antyds också i det sammanhanget att en växelströrnslindning i reglennaskinens stator förbättrar startförutsättrlingarna då konstantfrekvens- maskinen används som motor. Om reglerrnaskinens statorlindning utfonnas som en trefaslindning kan under startförloppet yttre varierbart motstånd anslutas till lindningens anslutningar för att styra startströmmens storlek och till huvudsakligen resistiv fasvinkel samt för att föra bort med startförloppet förknippade förluster hos huvudmaskinen. Detta kan ske genom att koppla strömriktaren som en vs-flerfaskopplare. I princip kan start även ske på så sätt att reglennaskinens statorlindning ansluts direkt till ett kraftnät och att rotorlindninganra hos reglerrnaskin och huvudmaskin via strömriktaren. kopplas ihop och att yttre varierbart motstånd ansluts till huvudmaskinens statorlindning. Genom att under startförloppet styra den medroterande strörmiktaren som vs-fasvinkel-/spänningsregulator kan det yttre motståndet vara ett fast motstånd. Både huvudmaskinen och reglennaskinen fungerar i en sådana kopplingar som roterande transformatorer. En närmare beskrivning av startkopplingar kommer att redovisas under beskrivningen av' utföringsformer.Machines according to the invention thus do not comprise slip rings. A constant frequency machine according to the invention has, in contrast to the embodiments reported in the prior art, an advantage which means that the starting and acceleration conditions are significantly improved. It has previously been reported that the stator winding of the control machine can be designed as an alternating current winding to allow, for example via an auxiliary winding in the stator of the main machine, the supply of magnetizing power for the control machine during operation. It is also suggested in this context that an alternating current winding in the stator of the control machine improves the starting conditions when the constant frequency machine is used as the motor. If the stator winding of the control machine is designed as a three-phase winding, external variable resistance can be connected to the connections of the winding during the starting process to control the size of the starting current and to mainly resistive phase angle and to remove losses of the main machine. This can be done by connecting the inverter as a vs- fl phase switch. In principle, starting can also take place in such a way that the stator winding of the control machine is connected directly to a power grid and that the rotor winding of the control machine and main machine is via the converter. connected and that external variable resistor is connected to the stator winding of the main machine. By controlling the co-rotating diffuser as a phase-angle / voltage regulator during the starting process, the external resistance can be a fixed resistance. Both the main machine and the control machine operate in such connections as rotating transformers. A more detailed description of starting connections will be presented in the description of embodiments.
För ett normalt varvtalsreglerområde och normal kapacitet avseende reaktiv effekt hos konstantfrekvensmaskinen dirnensioneras reglermaskinen för ca 30 % av huvudmaskinens effekt. Detta medger en möjlighet att vid start använda reglermaskinen som en Startmotor vars statorlindning matas från en separat frekvensomriktare. En förutsättning är då att den medroterande strömriktaren är kopplad som en vs-kortslutare av reglermaskinens - rotorlindnin gar. En sådan koppling kommer också att redovisas under beskrivningen av utföringsformer.For a normal speed control range and normal capacitance for reactive power of the constant frequency machine, the control machine is rated for about 30% of the power of the main machine. This allows an opportunity to use the control machine at start-up as a starter motor whose stator winding is fed from a separate frequency converter. A prerequisite is then that the co-rotating converter is connected as a VS short-circuit of the control machine's rotor windings. Such a connection will also be reported in the description of embodiments.
Dessa altematíva starlmetoder medför att övre effektgräns för motordrifter vid start på svaga kraftnät kan höjas till minst 40 MW. 10 20 25 30 35 40 25 Tekniskt sett fungerar huvudrnaskinens stator- och rotorlindningar med respektive stator- och rotorkärnor som en enhet som O O skapar moment och roterande rörelse anpassar inkommande hög-/mellanspänning till mellan-/lågspänning som är optimal för för såväl den medroterande vs-vs-omvandlaren som reglerrnaskinen bildar en ”step-down”ïeffekttransformator mellan elkraftnätet och kraftelektroniken med högspänningskabel i statom kan ha ett omsättningsförhållande mellan statorspärmingen och rotorspärmingen som kan uppgå till 100 - 300 gånger utan att kapacitivt orsakade förstärkningar av högfrekventa spärmingar från/till elkrafmätet eller hj älpktaftlindningen uppträder ' med huvudmaskinens lindningar och kärnor filtrerar de i vs-vs- omvandlaren alstrade och mot huvudmaskinen vända under-/övertoner i _ ström och förhindrar således dessa från att överföras till elkraftnätet via huvudmaskinens statorlindning.These alternative starl methods mean that the upper power limit for motor drives when starting on weak power grids can be increased to at least 40 MW. 10 20 25 30 35 40 25 Technically, the stator and rotor windings of the main machine with the respective stator and rotor cores function as a unit that OO creates torque and rotary motion adjusts incoming high / medium voltage to medium / low voltage which is optimal for both the co-rotating the vs-vs converter as the control machine forms a "step-down" power transformer between the mains and the power electronics with high voltage cable in the stator can have a conversion ratio between the stator bias and the rotor bias that can amount to 100 - 300 times without capacitively causing high frequency amplifications The electric power meter or auxiliary power winding occurs with the windings and cores of the main machine, filters the undertones / harmonics generated in the vs-vs converter and faces the main machine in current, thus preventing them from being transmitted to the mains via the stator winding of the main machine.
Tekniskt sett fungerar reglermaskinens stator- och rotorlindningar med respektive stator- och rotorkärnor som en enhet som O via lämpligt val av poltal skapar en högre frekvens, 50 - 150 Hz, än det matande kraftnätet och därvid vid normal drift ger förutsättningar för en bra sinusform för den via vs- vs-omvandlaren alstrade rotorströmmen hos huvudmaskinen med reglermaskinens lindnin gar och kärnor vid normal drift filtrerar de i vs-vs-omvandlaren alstrade och mot reglennaskinen vända under- /övertoner i ström och förhindrar således dessa från att överföras via reglerrmaskinens statorlindning och hj älpspänningslindningen på huvudmaskinen till elkrafmätet respektive via re glermaskinens statorlindning till extem matningskälla 10 20 25 30 35 _. “ 0 vid transienta förlopp som start och kontrollerad bromsning och stopp fungerar som en ”roterande transformator” som leder de därvid associerade förlustema från de roterande delarna av huvudmaskinen till yttre motstånd.Technically, the stator and rotor windings of the control machine with the respective stator and rotor cores function as a unit that 0 via a suitable selection of pole numbers creates a higher frequency, 50 - 150 Hz, than the supply power grid and thereby in normal operation provides conditions for a good sine shape for the rotor current of the main machine generated via the vs-vs-converter with the windings and cores of the control machine during normal operation filters the undertones / harmonics generated in the vs-vs-converter and facing the control machine and thus prevents them from being transmitted via the stator winding of the control machine and the auxiliary voltage winding on the main machine to the electric power meter and via the stator winding of the control machine to the external supply source 10 20 25 30 35 _. "0 in transient processes such as start and controlled braking and stopping acts as a" rotating transformer "which leads the associated losses from the rotating parts of the main machine to external resistance.
En beskrivning av de tekniska funktionerna hos den medroterande strömriktaren redovisas under beskrivningen av utföringsforrner.A description of the technical functions of the co-rotating inverter is presented under the description of embodiments.
RITNINGSFÖRTECKNIN G Figur 1 visar blockscheman över de strömriktare som förekommeri beskrivningen.DRAWING LIST Figure 1 shows block diagrams of the converters that appear in the description.
Figur 2 visar principiellt hur borstlösa matare för likströms magnetisering kommer till användning i samband med konventionella elgeneratorer, dvs med spänning upp till 25 kV. ' Figur 3 visar principiellt hur borstlösa magnetiseríngsmatare kommer till _ användning i samband med elgeneratorer utfonnade enligt WO 97/45 9 19, dvs med än högre spärmingar.Figure 2 shows in principle how brushless feeders for direct current magnetization are used in connection with conventional electricity generators, ie with voltages up to 25 kV. Figure 3 shows in principle how brushless magnetization feeders are used in connection with electric generators invented according to WO 97/45 9 19, ie with even higher voltages.
Figur 4 visar principiellt hur borstlösa magnetiseríngsmatare kommer till användning i samband med elgeneratorer utformade enligt WO97/45907, dvs som en högspänningsgenerator med 2x3-fas för matning av en HVDC- anläggning.Figure 4 shows in principle how brushless magnetization feeders are used in connection with electric generators designed according to WO97 / 45907, ie as a high-voltage generator with 2x3 phase for feeding an HVDC system.
Figur 5 visar principiellt den elkraftgenererande delen av en anläggning som framgår av US 5,742,5 15, "Asynchronous conversion method and apparatus for use with Variable speed turbine hydroelectric generation".Figure 5 shows in principle the electric power generating part of a plant as shown in US 5,742.5 15, "Asynchronous conversion method and apparatus for use with Variable speed turbine hydroelectric generation".
Figur 6 visar principiellt den elkraftgenererande delen av en anläggning som framgår av en artikel där "ABB Varspeed generator boosts efficiency and operating flexibility of hydropower plant".Figure 6 shows in principle the electric power-generating part of a plant which appears from an article where "ABB Varspeed generator boosts efficiency and operating fl exibility of hydropower plant".
Figur 7 visar principiellt hur en 'statisk Kramerdrift är utformad.Figure 7 shows in principle how a 'static Kramer operation is designed.
Figur 8 visar principiellt hur en statisk Scherbiusdrift är utformad. 20 25 30 35 27 Figur 9 visar hur yttre rotormotstånd ansluts till rotorlindningen via släpringar under ett startförlopp.Figure 8 shows in principle how a static Scherbius operation is designed. Figure 9 shows how external rotor resistors are connected to the rotor winding via slip rings during a starting process.
Figur 10 visar en principiell utföringsform av en maskin enligt uppfmningen använd som elgenerator för konventionell högspänning, dvs för spärmingar upp till 25 kV.Figure 10 shows a basic embodiment of a machine according to the invention used as a power generator for conventional high voltage, ie for voltages up to 25 kV.
Figur lla visar en principiell utföringsfonn av en maskin enligt uppfinningen använd som elgenerator utformad enligt WO 97/45919, dvs med än högre spänningar.Figure 11a shows a basic embodiment of a machine according to the invention used as an electricity generator designed according to WO 97/45919, ie with even higher voltages.
Figur llb visar en utföringsform av en axiell ändvy av en maskin enligt uppfinningen använd som el generator för högspännin g med motsvarighet till maskiner enligt WO 97/45919.Figure 11b shows an embodiment of an axial end view of a machine according to the invention used as an electric generator for high voltage corresponding to machines according to WO 97/45919.
Figur 12 visar en principiell utföringsform av en maskin enligt uppfinningen använd som motor för konventionell högspänning, dvs för spänningar upp till 25 kV.Figure 12 shows a basic embodiment of a machine according to the invention used as a motor for conventional high voltage, ie for voltages up to 25 kV.
Figur 13 visar ett principiellt kopplingsschema för både huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar med den medroterande strömrilctaren i form av en matrisomvandlare med dubbehiktade ventiler.Figure 13 shows a basic circuit diagram for both the windings of the main machine and the control machine with the co-rotating current relic in the form of a matrix converter with double-hinged valves.
Figur 14 visar exempel på alternativa dubbelriktade styrbara/släckbara ventiler.Figure 14 shows examples of alternative bidirectional controllable / extinguishable valves.
Figur 15 visar ett principiellt kopplingsschema för både huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar med den medroterande strömriktaren i form av en spänningsstyv direktomvandlare med antiparallellkopplade tyristorbryggor.Figure 15 shows a basic circuit diagram for the windings of both the main machine and the control machine with the co-rotating converter in the form of a voltage-rigid direct converter with antiparallel-connected thyristor bridges.
Figur 16 visar ett principiellt kopplingsschema för huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar samt indikering av den medroterande strömriktarens olika funktioner.Figure 16 shows a basic wiring diagram for the windings of the main machine and the control machine as well as an indication of the various functions of the co-rotating converter.
Figur 17 visar ett principiellt kopplingsschema för huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar samt indikering av den medroterande strömriktarens funktion då ett yttre varierbart motstånd är anslutet till re glerrnaskinens statorlindning. ' 20 25 30 35 40 1514; " g: »iíí flíï i i ' Figur 18 visar ett principiellt kopplingsschema för start med yttre motstånd anslutet till reglermaskinens statorlindning och med strörnriktaren i form av en matrisomvandlare nyttjad som en vs-flerfaskopplare.Figure 17 shows a basic circuit diagram for the windings of the main machine and the control machine as well as an indication of the function of the co-rotating converter when an external variable resistor is connected to the stator winding of the control machine. '20 25 30 35 40 1514; "g:» iíí flíï i i 'Figure 18 shows a basic circuit diagram for starting with external resistance connected to the stator winding of the control machine and with the current converter in the form of a matrix converter used as a water phase switch.
Figur 19 visar ett principiellt kopplingsschema för start med yttre motstånd anslutet till reglermaskinens statorlindnin g och med strörmiktaren i form av antiparallellkopplade tyristorbryggor nyttjade som en vs-flerfaskopplare.Figure 19 shows a basic wiring diagram for starting with external resistance connected to the stator winding of the control machine and with the stirrer in the form of anti-parallel thyristor bridges used as a reverse phase coupler.
Figur 20 visar en startkoppling av huvudmaskinen med reglermaskinen som Startmotor vars statorlindning matas från en separat frekvensomriktare.Figure 20 shows a starting connection of the main machine with the control machine as the starter motor whose stator winding is fed from a separate frequency converter.
Figur 21 visar hur huvudmaskinens stator är försedd med en lindning för hjälpspänningsmatning av reglerrnaskinens stator.Figure 21 shows how the stator of the main machine is provided with a winding for auxiliary voltage supply of the stator of the control machine.
BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Den i konstantfrekvensmaskinen enligt uppfmningen för huvudfunktionen ingående kraftelektroniken finns i de roterande delarna av maskinen.DESCRIPTION OF EMBODIMENTS The power electronics included in the constant frequency machine according to the invention for the main function are located in the rotating parts of the machine.
Optimala spänningsnivåer i rotorkretsarnas lindningar bestäms, oberoende av nätspänningen, främst av krafthalvledarnas maximalt tillåtna spärmingsnivåer och aktuell koppling samt med och utan seriekopplade halvledare. När det gäller huvudmaskinens statorlindning finns däremot inga sådana begränsningar. Den kan därför tillverkas för direkt anslutning till högspända elkrafmät. Detta möjliggörs genom att statorlindningen tillverkas/lindas med högspänningskablar, bl a enligt WO 97/45 919. Statoms lamínerade magnetkrets skall därför först beskrivas med utgångspunkt från användning av högspänningskablar i statorlindningen.Optimal voltage levels in the windings of the rotor circuits are determined, independently of the mains voltage, mainly by the maximum permissible voltage levels of the power semiconductors and the current connection, as well as with and without series-connected semiconductors. With regard to the stator winding of the main machine, however, there are no such limitations. It can therefore be manufactured for direct connection to high-voltage electric power meters. This is made possible by the stator winding being manufactured / wound with high-voltage cables, among other things according to WO 97/45 919. The laminated magnetic circuit of the stator must therefore first be described on the basis of the use of high-voltage cables in the stator winding.
Exempel på utföringsform av en axiell ändvy 31 hos en sektor/poldelning hos en huvudmaskin enligt uppfinningen för högspänning framgår av 11b. Varje sektor/poldelning är på konventionellt sätt sammansatt av sektorformade elplåtar. Maskinemas stator kommer således att bestå av ett antal sektorer/poldelningar som tillsammans bildar en laminerad statorkärna.Examples of embodiments of an axial end view 31 of a sector / pole division of a main machine according to the invention for high voltage are shown in 11b. Each sector / pole division is composed in a conventional manner of sector - shaped electrical sheets. The stator of the machines will thus consist of a number of sectors / pole divisions which together form a laminated stator core.
Från ett radiellt ytterst beläget ryggparti 32 av kärnan sträcker sig ett antal tänder 33 radiellt in mot rotorn. Mellan tänderna fmns ett motsvarande antal spår 34. Användning av ovan nänmda högspänningskabel 35 medför bl a att spårens djup för högspänningsmaskiner görs större än vad som har krävts - enligt teknikens ståndpunkt. Spåret har ett mot rotom avtrappat tvärsnitt eftersom behovet av kabelisolation blir lägre för varje lindningsskikt in mot 20 25 30 35 40 29 rotom. Som det framgår av figuren består spåret av i huvudsak ett cirkulärt ' tvärsnitt 36 kring varje skikt hos lindningen med smalare midjepartier 37 mellan skikten. Ett sådant spårtvärsnitt kan med viss rätt omtalas som ett "cykelkedj espår". Eftersom det i en sådan högspänningsmaskin kommer att behövas ett relativt stort antal skikt och tillgången på aktuella kabeldimensioner vad isolation och yttre halvledare beträffar är begränsat, kan det i praktiken bli svårt att åstadkomma en önskvärd kontinuerlig avtrappning av kabelisolationen respektive statorspåret. I det i figur llb visade utföringsexemplet användes kablar med tre olika dimensioner på kabelisolationen, anordnade i tre i överensstämmelse därmed dimensionerade sektioner 38, 39 och 40, dvs i praktiken kommer man att ha I ett modifierat cykelkedjespår. Av figuren framgår också att statortanden kan utformas med en praktiskt taget konstant radiell bredd utmed hela spårets djup. Statorn kan vara försedd med en lindning 41 för hjälpkraftsmatning, t ex för reglermaskinens statorlindning.From a radially outermost back portion 32 of the core, a number of teeth 33 extend radially towards the rotor. Between the teeth there is a corresponding number of grooves 34. The use of the above-mentioned high-voltage cable 35 means, among other things, that the depth of the grooves for high-voltage machines is made greater than what has been required - according to the state of the art. The groove has a cross-section stepped towards the rotor as the need for cable insulation becomes lower for each winding layer towards the rotor. As can be seen from the fi guren, the groove consists essentially of a circular cross-section 36 around each layer of the winding with narrower waist portions 37 between the layers. Such a track cross-section can with some right be referred to as a "bicycle chain track". Since such a high voltage machine will require a relatively large number of layers and the availability of current cable dimensions in terms of insulation and outer semiconductors is limited, it can in practice be difficult to achieve a desired continuous phasing of the cable insulation and stator groove. In the embodiment shown in Figure 11b, cables with three different dimensions are used on the cable insulation, arranged in three sections 38, 39 and 40 dimensioned accordingly, ie in practice you will have a modified cycle chain track. The också gure also shows that the stator tooth can be designed with a practically constant radial width along the entire depth of the groove. The stator may be provided with a winding 41 for auxiliary power supply, for example for the stator winding of the control machine.
Eftersom även rotorn är försedd med en vs-lindning kommer dess kärna att bestå av ett, med ett från från statorn något skilt spårtal, utförande av ett antal larninerade sektorer/poldelningar med rotorspår 42 för rotorlindningen 43. Rotorlindningen skall matas från vs-vs-omvandlaren 44 med en spänning med den aktuella skillnadsfrekvensen. Rotorlindningens spänningsdimensionering blir då i huvudsak bestämd av de högsta tillåtna spärmingsnivåerna i de i vs-vs-omvandlaren ingående krafthalvledarna.Since the rotor is also provided with a vs-winding, its core will consist of a, with a track number slightly different from the stator, design of a number of laminated sectors / pole divisions with rotor grooves 42 for the rotor winding 43. The rotor winding must be fed from vs-vs- the converter 44 with a voltage with the current difference frequency. The voltage dimensioning of the rotor winding is then mainly determined by the highest permissible voltage levels in the power semiconductors included in the vs-vs converter.
Detta blir i sin tur bestärmnande för utformningen av rotorlindníngen. Den kan således utformas enligt känd teknik för konventionella hög- /mellanspärmingsmaskiner eller som den ovan anförda med högspänningskabel, dvs enligt WO 97/45919.This in turn determines the design of the rotor winding. It can thus be designed according to known technology for conventional high / medium shielding machines or as the one mentioned above with high voltage cable, ie according to WO 97/45919.
Den i figur 1 la visade medroterande vs-vs-omvandlaren 44 skall kunna omvandla den relativt höga frekvensen, 50 - 150 Hz, hos den i rotorlindningen hos reglermaskinen genererade spänningen till skillnadsfrekvensen, 0 - 10 Hz, beroende på aktuellt reglerornråde. Om omvandlaren utförs med kiselbaserade krafthalvledare/ventiler med en ventil I i omvandlarens grenar kommer huvudmaskinens och reglermaskinens rotorlindningar att dimensioneras för 1 - 3 kV. Om omvandlaren utförs med kiselkarbidbaserade krafthalvledare/ ventiler med en ventil i omvandlarens grenar blir motsvarande spänningsnivåer däremot 10 - 30 kV.The co-rotating vs-vs converter 44 shown in Figure 1a must be able to convert the relatively high frequency, 50 - 150 Hz, of the voltage generated in the rotor winding of the control machine to the difference frequency, 0 - 10 Hz, depending on the current control range. If the converter is made with silicon-based power semiconductors / valves with a valve I in the branches of the converter, the rotor windings of the main machine and control machine will be dimensioned for 1 - 3 kV. If the converter is made with silicon carbide-based power semiconductors / valves with a valve in the branches of the converter, the corresponding voltage levels will be 10 - 30 kV.
Dimensionerande vad avser spänning för huvudmaskinens och - reglermaskinens rotorlindningar blir tillgång till, val av och koppling, dvs utan eller med seriekoppling, av krafthalvledare för 20 25 30 35 40 i :är 1:: =;; i 30 vs-vs-omvandlaren.Dimensioning in terms of voltage for the rotor windings of the main machine and control machine becomes access to, selection of and connection, ie without or with series connection, of power semiconductors for 20 25 30 35 40 i: is 1 :: = ;; in the 30 vs-vs converter.
Figur 13 visar ett principiellt kopplingsschema för både huvudmaskinens och reglennaskinens lindningar med den medroterande vs-vs-omvandlaren i form av en matrisomvandlare med dubbelriktade ventiler. I det visade exemplet är både huvudmaskinens statorlindning 45 och rotorlindning 46 ritade som Y-kopplade trefaslindningar. Matrisomvandlaren 47, med nödvändiga shuntkondensatorer för att skapa en högfrekvensmässigt lågirnpediv slinga där strömmen enkelt kan kommutera mellan faserna i reglermaskinens rotorlindning, är kopplad mellan huvudmaskinens växelströmsrotorlindriing och reglermaskinens växelströmsrotorlindning 48.Figure 13 shows a basic circuit diagram for the windings of both the main machine and the control machine with the co-rotating vs-vs converter in the form of a matrix converter with bidirectional valves. In the example shown, both the stator winding 45 of the main machine and the rotor winding 46 are drawn as Y-coupled three-phase windings. The matrix converter 47, with the necessary shunt capacitors to create a high-frequency low-impedance loop where the current can easily commutate between the phases in the rotor winding of the control machine, is connected between the AC rotor winding of the main machine and the AC rotor winding 48 of the control machine.
De ovan nämnda ”kommuteringsöverlappningarna pga ”svagt nät”-karaktär hos de roterande lindningar-na” elimineras med matrisomvandlaren och dess i shuntkondensatorer. Reglermaskinen kan därmed utföras för lägre typeffekt.The above-mentioned "commutation overlaps due to the" weak network "character of the rotating windings" are eliminated with the matrix converter and its in shunt capacitors. The control machine can thus be designed for lower type power.
Reglermaskinens statorlindning 49 är i den visade utföringsfonnen visad som en trefaslindning.The stator winding 49 of the control machine is shown in the embodiment shown as a three-phase winding.
Figur 14a, 14b och 14c anger alternativa dubbelriktade ventileri matrisomvandlaren. Den följande identifieringen kräver viss fackkunskap.Figures 14a, 14b and 14c indicate alternative bidirectional valves in the matrix converter. The following identification requires some expertise.
Figur 14a visar en dubbelriktad ventil i form av två GTO-tyristorer eller två IGCT-er. Figur 14b visar en dubbelriktad ventil med två IGBT:er. Figur 14c visar en dubbelriktad ventil med en IGBT.Figure 14a shows a bidirectional valve in the form of two GTO thyristors or two IGCTs. Figure 14b shows a bidirectional valve with two IGBTs. Figure 14c shows a bidirectional valve with an IGBT.
Figur 15 visar ett principiellt kopplingsschema för både huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar med den medroterande vs-vs-omvandlaren i form av en spänningsstyv direktomvandlare med antiparallellkopplade tyristorbryggor. På samma sätt som i figur 13 är både huvudmaskinens statorlindning 45 och rotorlindning 46 ritade som Y-kopplade trefaslindningar. Den spänningsstyva direktomvandlaren med antiparallellkopplade tyristorer 50 är kopplad mellan huvudmaskinens växelströmsrotorlindning och reglermaskinens växelströmsrotorlindning 48.Figure 15 shows a basic circuit diagram for the windings of both the main machine and the control machine with the co-rotating vs-vs converter in the form of a voltage-rigid direct converter with antiparallel-connected thyristor bridges. In the same way as in Figure 13, both the stator winding 45 of the main machine and the rotor winding 46 are drawn as Y-coupled three-phase windings. The voltage rigid direct converter with anti-parallel thyristors 50 is connected between the AC rotor winding of the main machine and the AC rotor winding 48 of the control machine.
På samma sätt som för matrisomvandlaren kan, för att underlätta kommuteringen, även här kondensatorer serie- eller shuntkopplas mellan reglermaskinens rotorlindning och vs-vs-omvandlaren respektive mellan huvudmaskinens rotorlindning och vs-vs-omvandlaren. De kan också anslutas i serie och/eller parallellt till inre uttag inne i reglennaskinens rotorlindning. Inkoppling av kondensatorer på detta sätt innebär att reglermaskinen kan utföras för lägre typeffekt. Reglermaskinens statorlindning 49 är i den visade utföringsformen även här visad somen trefaslindning. 20 25 30 35 31 Som det har omtalats tidigare finns inom ramen för uppfinningen ett flertal olika alternativa utföringsfonner för både huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar.In the same way as for the matrix converter, in order to facilitate the commutation, capacitors can also be connected in series or shunt between the rotor winding of the control machine and the vs-vs converter and between the rotor winding of the main machine and the vs-vs converter. They can also be connected in series and / or in parallel to internal sockets inside the rotor winding of the control machine. Connection of capacitors in this way means that the control machine can be designed for lower type power. In the embodiment shown here, the stator winding 49 of the control machine is also shown here as a three-phase winding. As has been mentioned previously, within the scope of the invention there are a number of different alternative embodiments for both the windings of the main machine and the control machine.
När det gäller huvudmaskinens statorlindning är en föredragen utföringsform en trefaslindning som den i figurerna 13 och 15 visade, dvs en konventionell Y-kopplad lindning. Då maskinen är aktuell i en HVDC- anläggning kommer statorlindningen att utformas med 2x3-faslindning med 30 graders fasförskjutning som bl a framgår av figur 4. Andra lindningsformer, t ex l-fas, 2-fas och flerfas, 2x2-fas m fl kan bli aktuella för specifika ändamål. Vad statorlindningens spänningsnivå beträffar kan maskinen dimensioneras för konventionell ”maskin”-högspänning, dvs upp till 25 kV, eller den kan med högspänningskabel dimensioneras för väsentligt högre spänningar. I vissa applikationssamrnanhang kan statom förses med en extra lindning för alstring av hjälpkraft till t ex reglermaskinens styming/reglering m m vilket bl a visas i figur 21.In the case of the stator winding of the main machine, a preferred embodiment is a three-phase winding such as that shown in Figures 13 and 15, i.e. a conventional Y-coupled winding. When the machine is relevant in an HVDC system, the stator winding will be designed with 2x3 phase winding with a 30 degree phase shift, as shown in Figure 4. Other winding forms, eg 1-phase, 2-phase and fl phase, 2x2 phase m fl can become relevant for specific purposes. As far as the voltage level of the stator winding is concerned, the machine can be dimensioned for conventional "machine" high voltage, ie up to 25 kV, or it can be dimensioned with high voltage cable for significantly higher voltages. In certain application contexts, the stator can be provided with an extra winding for generating auxiliary power for, for example, the control / regulation of the control machine, etc., which is shown in Figure 21, among other things.
I en föredragen utföringsform är också huvudmaskinens växelströmsrotorlindning en Y-kopplad trefaslindning, som de i figurema 13 och 15 visade. Även här kan av olika skäl trefaslindningen D-kopplas, lindningen kan utformas som en 2x3-faslindning och andra tidigare omtalade lindningsfonner kan vara aktuella. Även när det gäller reglermaskinens växelströmsrotorlindning är den i figurerna 13 och 15 visade Y-kopplade trefaslindningen en föredragen utföringsform, men kan utföras D-kopplat eller med t ex l-fas, 2-fas och flerfas, 2x3-fas, 2x2-fas m fl. Vs-vs-omvandlaren kan också matas med enfas växelström från reglermaskinens rotorlindning. Andra lindningsformer kan vara aktuella i samband med specifika applikationer.In a preferred embodiment, the AC rotor winding of the main machine is also a Y-coupled three-phase winding, as shown in Figures 13 and 15. Here too, for various reasons, the three-phase winding can be D-connected, the winding can be designed as a 2x3 phase winding and other previously mentioned winding shapes may be relevant. Also with regard to the AC rotor winding of the control machine, the Y-coupled three-phase winding shown in Figures 13 and 15 is a preferred embodiment, but can be made D-coupled or with eg 1-phase, 2-phase and fl phase, 2x3-phase, 2x2-phase m fl. The Vs-vs converter can also be supplied with single-phase alternating current from the rotor winding of the control machine. Other winding shapes may be relevant in connection with specific applications.
Av figurerna 13 och 15 framgår att reglermaskinens statorlindning också kan utformas som en Y-kopplad trefaslindning. Som omtalat tidigare kan reglermaskinens stator vara utformad med utpräglade poler för likströmsmagnetisering och den kan även vara utformad med permanenta magneter. Även om statorlindningen består av en trefaslindning kan den genom viss ornkoppling användas för likströmsmagnetisering. Utformningen av reglermaskinens statorlindning bestäms ofta av hur maskinen skall startas från stillestånd upp till aktuellt varvtalsorriråde. 20 25 30 35 40 32 Gemensamt för aktuella tillämpningar med konstantfrekvensmaskinen är att ' lasten endast har behov av ett begränsat reglerområde kring huvudmaskinens synkrona varvtal.Figures 13 and 15 show that the stator winding of the control machine can also be designed as a Y-coupled three-phase winding. As mentioned earlier, the stator of the control machine can be designed with pronounced poles for direct current magnetization and it can also be designed with permanent magnets. Although the stator winding consists of a three-phase winding, it can be used for direct current magnetization via a certain circuit. The design of the stator winding of the control machine is often determined by how the machine is to be started from a standstill up to the current speed range. 20 25 30 35 40 32 Common to current applications with the constant frequency machine is that the load only needs a limited control range around the synchronous speed of the main machine.
En växelströmsmaskin enligt uppfinningen har ett stort antal tillämpningsområden vad gäller motordrifter. Det finns processer med motordrifter som av olika skäl för närvarande inte använder varvtalsstyming men som med växelströmsmaskiner enligt uppfinningen skulle kunna väsentligt förbättras.An AC machine according to the invention has a large number of application areas in terms of motor drives. There are processes with motor drives which for various reasons do not currently use speed control but which with AC machines according to the invention could be significantly improved.
Maskinens statorlindning kan dimensioneras för anslutning till matande kraftnät med spänning från etablerad lågspänning upp till klassiska högspärmingsnivåer. Bestämrnande för aktuell spärming på statorlindningen är i stort sett tillgänglig nätspänning och aktuellt effektorrtråde.The machine's stator winding can be dimensioned for connection to the power supply network with voltage from established low voltage up to classic high voltage levels. Determining the current voltage on the stator winding is largely available mains voltage and current effector wire.
För motoreffekter på enstaka megawatt ansluts statorlindningen företrädesvis till en mellanspänningsnivå mellan 1 och 36 kV.For motor powers of single megawatts, the stator winding is preferably connected to an intermediate voltage level between 1 and 36 kV.
Vid märkeffekter över 10 MW kan maskinens anslutning till matande nät företrädesvis dimensioneras för 50 kV eller högre, t ex 130 kV, dvs anslutas till transmissions- och distributionsnät. Genom anslutning till dessa nätspänningsnivåer undviks framför allt höga strömkrafter och spänningsfall i kraftnätet under startförloppet.At rated powers above 10 MW, the machine's connection to the supply network can preferably be dimensioned for 50 kV or higher, eg 130 kV, ie connected to the transmission and distribution network. By connecting to these mains voltage levels, above all, high current forces and voltage drops in the power grid during the starting process are avoided.
Som omtalat i ingressen till redogörelsen för uppfmningen är den medroterande strömriktaren ornkopplingsbar för flera olika funktioner.As mentioned in the preamble to the description of the invention, the co-rotating inverter can be connected to your various functions.
Förutom funktionen som vs-vs-omvandlare under drift kan den också kopplas för flera funktioner i samband med start och kontrollerad stopp av konstantfrekvensmaskinen. I figur 16 visas den föredragna utföringsformen vad avser lindningarnas utfornming vid driftpsamt en sammanfattning av strömriktarens 51 funktioner både under drift, start och stopp. Kontrollerad brornsning och stopp beskrivs senare. Slrömriktarens funktioner vid reglerad drift och start är som följer: 0 Strömriktarens funktion 51a motsvarar dess funktion under drift, dvs som en vs-vs-omvandlare enligt tidigare given definition. 0 Strörnriktarens funktion Slb motsvarar dess funktion under start som vs-flerfaskopplare som elektroniskt sammankopplar in- och utgående anslutningar för hopkoppling av huvudmaskinens och reglermaskinens 20 25 30 35 33 rotorlindningar då yttre varierbart motstånd 52 är anslutet till reglennaskinens statorlindning enligt figur 17. 0 Strömriktarens funktion 5 lc motsvarar dess funktion under start som vs-fasvinkel-/spänningsregulator mellan huvudmaskinens- och reglennaskinens rotorlindningar då yttre fast motstånd är anslutet till reglennaskinens statorlindning. 0 Strömriktarens funktion 5 ld motsvarar dess funktion under start som vs-kortslutningskopplare av reglennaskinens rotorlindningar vid direkt anslutning av reglermaskinens statorlindning till ett kraftnät enligt figur 1 8 .In addition to the function as a vs-vs converter during operation, it can also be connected for funktioner your functions in connection with the start and controlled stop of the constant frequency machine. Figure 16 shows the preferred embodiment with regard to the design of the windings in an operational summary of the functions of the converter 51 both during operation, start and stop. Controlled firing and stopping are described later. The functions of the inverter at regulated operation and start are as follows: 0 The function 51a of the inverter corresponds to its function during operation, ie as a vs-vs converter according to the previously given definition. The function of the rectifier Slb corresponds to its function during start-up as a phase coupler which electronically interconnects input and output connections for interconnecting the rotor windings of the main machine and control machine 20 when external variable resistor 52 is connected to the stator winding of the control machine according to Figure 17. 5 lc corresponds to its function during start-up as vs-phase angle / voltage regulator between the rotor windings of the main machine and the control machine when external fixed resistance is connected to the stator winding of the control machine. The function 5 ld of the converter corresponds to its function during start-up as a vs short-circuit coupler of the rotor windings of the control unit when directly connecting the stator winding of the control machine to a power network according to 1 gur 1 8.
Figur 18 visar i övrigt ett principiellt kopplingsschema för start av konstantfrekvensmaskinen genom direktansluming av huvudmaskinen till ett kraftnät. Start sker på tidigare omtalat sätt med yttre trefasigt reglerbart- motstånd 52 kopplat till reglennaskinens trefasiga statorlindning., Strömriktaren är nu kopplad som en vs-flerfaskopplare enligt 51b som sammanbinder varje fasansluming hos huvudmaskinens rotorlindning direkt till motsvarande fasanslutning hos reglennaskinens rotorlindning. i Huvudmaskinens startförluster kopplas nu transformatoriskt till reglermaskinen som sedan via sin statorlindning överför förlustema till de yttre motstånden.Figure 18 otherwise shows a basic wiring diagram for starting the constant frequency machine by direct connection of the main machine to a power grid. Start takes place in the manner previously mentioned with external three-phase controllable resistor 52 connected to the three-phase stator winding of the control machine. The starting losses of the main machine are now transformatively connected to the control machine, which then transmits the losses to the external resistors via its stator winding.
Funktionen hos strörnriktaren då den skall fungera som vs-flerfaskopplare kan åstadkommas på olika sätt. Figuren 18 visar i detalj hur strömriktaren är anordnad som flerfaskopplare med matrisomvandlare. Denna funktion erhålles genom att ”tända” en ventil, den grovmarkerade, i varje gren. Figur 19 visar funktionen som vs-flerfaskopplare med strömriktaren i fonn av i “ antiparallellkopplade tyristorbryggor 50a och 50b. Som det framgår det nu I lämpligt att huvudmaskinens rotorlindning består av 2x3-faslindningar 46a i och 46b för 6-puls-kopplade tyristorbryggor där varje brygga behöver förses I med ett par antiparallellkopplade, grovmarkerade, tyristorer och med motsvarande rotorlindningar 48a och 48b hos reglermaskinen.The function of the inverter when it is to function as a v-phase coupler can be achieved in different ways. Figure 18 shows in detail how the converter is arranged as a phase switch with a matrix converter. This function is obtained by "lighting" a valve, the coarsely marked one, in each branch. Figure 19 shows the function as vs- fl phase coupler with the converter in the form of in “antiparallel connected thyristor bridges 50a and 50b. As can be seen, it is now convenient that the rotor winding of the main machine consists of 2x3 phase windings 46a i and 46b for 6-pulse connected thyristor bridges where each bridge needs to be provided with a pair of antiparallel-connected, coarsely marked thyristors and with corresponding rotor windings 48a and 48b of the control machine.
För ett normalt varvtalsreglerområde hos konstantfrekvensmaskinen dimensioneras reglennaskinen för ca 30 % av huvudmaskinens effekt. Detta medger en möjlighet att vid start använda reglerrnaskinen som en Startmotor . vars statorlindning matas från en separat, ej medroterande, frekvens- i omriktare 53. En förutsättning då är att den medroterande strömriktaren är 20 25 30 35 40 v, kopplad som en vs-kortslutningskopplare, dvs som funktionen 51d, av reglermaskinens rotorlindningar. Ett sådant startkoppling med frekvensomriktaren 53 visas principiellt i figur 20.For a normal speed control range of the constant frequency machine, the control machine is dimensioned for about 30% of the power of the main machine. This allows an opportunity to use the control machine as a starter motor at start-up. whose stator winding is fed from a separate, non-co-rotating, frequency converter 53. A condition then is that the co-rotating converter is 40 v, connected as a vs-short-circuit coupler, ie as the function 51d, of the rotor windings of the control machine. Such a starting connection with the drive 53 is shown in principle in Figure 20.
Kontrollerad brornsning från reglerornrådet till stillastående utförs med samma huvudkretsar som för start, dvs som figurema 18 och 19. Därvid nyttjas den medroterande strömriktaren som 0 vs-flerfaskopplare, dvs som 5 lb ovan, mellan huvudmaskinens- och reglermaskinens rotorlindningar för styrning av aktiv och reaktiv effekt genom direkt hopkoppling av lindningama med och/eller utan skifte av fasföljden. Förloppet utförs genom s k motströmsbromsning och den med det transienta förloppet associerade effektutvecklingen sker i yttre variabelt motstånd 52. Dessutom får ett byte av fasföljd ske hos den till huvudmaskinens statorlindning anslutna våxelspänníngen eller som 0 vs- fasvinkel-lspänningsregulaton dvs som 51c ovan, varvid det yttre motståndet är fast och styrningen sker genom den andel av rotorkretsens växelström som släpps igenom. Även här måste ett byte av fasföljd ske hos den till huvudmaskinens statorlindning anslutna växelspänningen. 6 en vs-kortslutningskopplare, dvs som 51d ovan, för kontrollerad brornsning med hjälp av en frekvensomvandlare 53 i figur 20. Byte av fasföljd för anslutningen till reglermaskinens statorlindning från frekvensomvandlaren måste ske. Frekvensomvandlaren måste kunna återmata energi till krafmätet eller utveckla bromsenergin i yttre motstånd.Controlled combustion from the control range to stationary is performed with the same main circuits as for start, ie as ur guras 18 and 19. The co-rotating converter is used as 0 vs- fl phase coupler, ie as 5 lb above, between the main machine and control machine rotor windings for controlling active and reactive effect by direct interconnection of the windings with and / or without shifting of the phase sequence. The process is carried out by so-called countercurrent braking and the power development associated with the transient process takes place in externally variable resistor 52. In addition, a change of phase sequence may take place at the alternating voltage connected to the stator winding of the main machine or as the resistance is fixed and the control takes place through the proportion of the alternating current of the rotor circuit that is passed through. Here, too, a change of phase sequence must take place at the alternating voltage connected to the stator winding of the main machine. 6 a vs short-circuit coupler, ie as 51d above, for controlled bridging by means of a frequency converter 53 in fi gur 20. Change of phase sequence for the connection to the stator winding of the control machine from the frequency converter must take place. The frequency converter must be able to replenish energy to the power meter or develop the braking energy in external resistance.
I figur 21 visas hur huvudmaskinens stator är försedd med en lindning 54 för hj älpspänningsmatning av re glennaskinens stator med likström via en styrd strömriktare 56. Vid likströmsmagnetisering av reglennaskinens statorlindning måste en av faslindningarna vändas jämfört med anslutning till trefas växelströmsnät.Figure 21 shows how the stator of the main machine is provided with a winding 54 for auxiliary voltage supply of the stator of the regulating machine with direct current via a controlled converter 56.
Ett exempel på en motordrift som med fördel skulle använda en maskin enligt uppfinningen är s k rafñnördrifter. Enligt nuvarande teknik framställs t ex tidningspapper med konstantvarviga synkrona motorer som begränsas till ca 25 MW p g a problemet med start mot svaga kraftnät. En motordrift enligt uppfmningen skulle dessutom kunna medföra ökad ' produktionshastighet i befmtliga anläggningar. 10 20 25 30 35 40 ' _. ._ s fï. _-. I ~ -f 'r .«. < ~« - _ . _ WR '( c _ . . v ' , .t .rt . .. - IN oc: nu :l -"_ ' '* 1 t. _ N « r a - f - - 35 Släpringade statiska Kramer- och Scherbiusdrifter för pumpar och fläktar skulle med fördel kunna ersättas av maskiner enligt uppfinningen.An example of an engine operation which would advantageously use a machine according to the invention are so-called electrical operations. According to current technology, for example, newsprint is produced with constant-speed synchronous motors that are limited to about 25 MW due to the problem of starting against weak power grids. An engine operation according to the invention could also lead to an increased production speed in existing plants. 10 20 25 30 35 40 '_. ._ s fï. _-. I ~ -f 'r. «. <~ «- _. _ WR '(c _.. V', .t .rt. .. - IN oc: nu: l - "_ '' * 1 t. _ N« ra - f - - 35 Släpringade statiska Kramer- och Scherbiusdrifter för pumps and fans could advantageously be replaced by machines according to the invention.
Vindtunneldrifter är ett exempel på högeffektanläggningar på över 100 MW som är väl lämpade för växelströmsmaskiner enligt uppfinningen. Dessa utförs f n som varvtalsreglerade system med synkronmaskiner med utpräglade poler och strömmellanledsströrrniktare för full effekt.Wind tunnel operations are an example of high-power plants of over 100 MW that are well suited for AC machines according to the invention. These are currently designed as speed-controlled systems with synchronous machines with pronounced poles and full-joint current regulators for full power.
Reglermaskinen statorlindning kan under drift vara ansluten till ett lågeffekts likströmsnät eller till ett växelströms en- eller trefasnät. Dessa nät kan anordnas genom att nyttja den ovan nämnda hjälpkraftlindníngen i huvudmaskinens stator. Detta innebär att konstantfrekvensmaskinen har en enda anslutning till matande kraftnät varvid man spar en transformator. Om inte yttre motstånd kommer till användning under startförloppet kan reglennaskinen utföras med permanenta magneter.During operation, the stator winding control machine can be connected to a low-power DC network or to an AC single- or three-phase network. These networks can be arranged by using the above-mentioned auxiliary power winding in the stator of the main machine. This means that the constant frequency machine has a single connection to the power supply network, saving a transformer. If external resistance is not used during the starting process, the control machine can be made with permanent magnets.
Parallellkoppling av krafthalvledare respektive parallellkoppling av strömriktarmoduler för t ex 2x3-fas är att föredra för drifter utförda med maskiner enligt uppfinningen. Om rotorspämiingen väljs inom området 1 - 15 kV, dvs om lindningama är utformade som plock- eller formhärvlindníngar, erhålls god fyllfaktor för maskinernas rotorspår. Än högre rotorspänningar på upp till flera tiotals kV, dvs för maskiner enligt WO 97/45919, kan bli aktuella då krafthalvledarna för vs-vs-omvandlaren kommer upp till sådana nivåer.Parallel connection of power semiconductors and parallel connection of converter modules for eg 2x3 phase is preferred for operations performed with machines according to the invention. If the rotor voltage is selected in the range 1 - 15 kV, ie if the windings are designed as picking or forming winding windings, a good filling factor is obtained for the rotor grooves of the machines. Even higher rotor voltages of up to fl tens of kV, ie for machines according to WO 97/45919, may be relevant when the power semiconductors for the vs-vs converter reach such levels.
Claims (34)
Priority Applications (18)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE9901553A SE514818C2 (en) | 1999-04-30 | 1999-04-30 | Constant frequency machine with varying / variable speed and procedure for such machine |
SE9903044A SE521391C2 (en) | 1999-04-30 | 1999-08-27 | AC machine has converter connected in between main and regulating machines, operated as an AC polyphase coupler or AC phase angle/voltage regulator or AC short circuit coupler during starting |
SE9904478A SE514068C2 (en) | 1999-04-30 | 1999-12-08 | Rotary power system stabilizer |
EP00929974A EP1175718A1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-14 | Power converter with rotating/stationary communication/processing means |
PCT/SE2000/000707 WO2000067355A1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-14 | Power converter with rotating/stationary communication/processing means |
AU47879/00A AU4787900A (en) | 1999-04-30 | 2000-04-14 | Power converter with rotating/stationary communication/processing means |
CA002367386A CA2367386A1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-14 | Power converter with rotating/stationary communication/processing means |
EA200100961A EA003628B1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-14 | Power converter with rotating/stationary communication/processing means |
PCT/SE2000/000724 WO2000067363A1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-17 | A constant-frequency machine with a varying/variable speed |
CA002367389A CA2367389A1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-17 | A constant-frequency machine with a varying/variable speed |
EA200100962A EA200100962A1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-17 | MACHINE CONSTANT FREQUENCY WITH VARIABLE / ADJUSTABLE SPEED OF ROTATION |
EP00928031A EP1192701A1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-17 | A constant-frequency machine with a varying/variable speed |
AU46325/00A AU4632500A (en) | 1999-04-30 | 2000-04-17 | A constant-frequency machine with a varying/variable speed |
EA200100866A EA003265B1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-26 | Rotating power system stabilizer |
CA002367398A CA2367398A1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-26 | Rotating power system stabilizer |
EP00929985A EP1177606A1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-26 | Rotating power system stabilizer |
AU47887/00A AU4788700A (en) | 1999-04-30 | 2000-04-26 | Rotating power system stabilizer |
PCT/SE2000/000781 WO2000067358A1 (en) | 1999-04-30 | 2000-04-26 | Rotating power system stabilizer |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SE9901553A SE514818C2 (en) | 1999-04-30 | 1999-04-30 | Constant frequency machine with varying / variable speed and procedure for such machine |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
SE9901553D0 SE9901553D0 (en) | 1999-04-30 |
SE9901553L SE9901553L (en) | 2000-10-31 |
SE514818C2 true SE514818C2 (en) | 2001-04-30 |
Family
ID=20415407
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SE9901553A SE514818C2 (en) | 1999-04-30 | 1999-04-30 | Constant frequency machine with varying / variable speed and procedure for such machine |
Country Status (6)
Country | Link |
---|---|
EP (2) | EP1175718A1 (en) |
AU (2) | AU4787900A (en) |
CA (2) | CA2367386A1 (en) |
EA (1) | EA200100962A1 (en) |
SE (1) | SE514818C2 (en) |
WO (2) | WO2000067355A1 (en) |
Families Citing this family (22)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6670721B2 (en) | 2001-07-10 | 2003-12-30 | Abb Ab | System, method, rotating machine and computer program product for enhancing electric power produced by renewable facilities |
DE10259068A1 (en) * | 2002-12-17 | 2004-07-15 | Siemens Ag | Double-fed asynchronous machine without slip ring |
DE10261453B4 (en) * | 2002-12-31 | 2010-04-15 | Danfoss Drives A/S | motor control |
DE102004004350B3 (en) * | 2004-01-29 | 2005-09-01 | Nordex Energy Gmbh | Method for reducing the speed of a drive train in a wind turbine and wind turbine with at least two rated speeds |
DE102004054581B4 (en) * | 2004-11-11 | 2007-02-08 | Siemens Ag | Measuring system with rotating detection device, in particular for a motor or a generator |
DE102005007371A1 (en) * | 2005-02-17 | 2006-08-24 | Siemens Ag | Electric machine |
CN101278453B (en) | 2005-08-30 | 2012-09-05 | Abb研究有限公司 | Wind mill power flow control with dump load and power converter |
US8384605B2 (en) | 2009-02-25 | 2013-02-26 | Sikorsky Aircraft Corporation | Wireless communication between a rotating frame of reference and a non-rotating frame of reference |
EP2786480B1 (en) | 2011-11-28 | 2020-07-22 | ABB Schweiz AG | Rotating electrical machine |
US9325229B2 (en) * | 2013-03-15 | 2016-04-26 | Hamilton Sundstrand Corporation | Generator architecture with PMG exciter and main field rotating power converter |
WO2014147702A1 (en) * | 2013-03-18 | 2014-09-25 | 株式会社日立製作所 | Rotating electric machine system and control method for same |
DE102013208552A1 (en) | 2013-05-08 | 2014-11-13 | Lenze Drives Gmbh | drive system |
JP6134787B2 (en) * | 2013-05-10 | 2017-05-24 | 株式会社日立製作所 | Rotating electrical machine system or wind power generation system |
US9813004B2 (en) * | 2015-01-16 | 2017-11-07 | Abb Schweiz Ag | Systems and methods concerning exciterless synchronous machines |
JP6375967B2 (en) * | 2015-01-26 | 2018-08-22 | スズキ株式会社 | Rotating electric machine |
US10075106B2 (en) * | 2015-04-10 | 2018-09-11 | Hamilton Sundstrand Corporation | DC synchronous machine |
US10033252B2 (en) | 2015-04-14 | 2018-07-24 | Hamilton Sundstrand Corporation | Sensorless control of a DC synchronous machine |
RU2647882C2 (en) * | 2016-02-24 | 2018-03-21 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Новосибирский Государственный Технический Университет" | Power supply of asynchronous motor |
JP2017212827A (en) * | 2016-05-26 | 2017-11-30 | 株式会社日立製作所 | Radio communication device and power generation system |
GB2560314B (en) * | 2017-03-06 | 2022-03-30 | Safran Electrical & Power | An electrical machine |
CA3027957A1 (en) | 2017-12-20 | 2019-06-20 | Tti (Macao Commercial Offshore) Limited | Portable power generator with power monitor and control |
EP4239866A1 (en) * | 2022-03-02 | 2023-09-06 | BSH Hausgeräte GmbH | Electric machine, axial flux motor, power supply unit, and household appliance |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3671850A (en) * | 1970-11-19 | 1972-06-20 | Walter E Mehnert | Electric generator control system with radio feedback loop |
US4625160A (en) * | 1984-12-17 | 1986-11-25 | Sundstrand Corporation | Variable speed constant frequency generating system |
US4723106A (en) * | 1986-08-29 | 1988-02-02 | General Electric Company | Brushless generator exciter using hybrid rectifier |
DE19507760A1 (en) * | 1995-03-06 | 1996-09-12 | Siemens Ag | Method and arrangement for transmitting a data value between a fixed and a rotating communication module |
US5742515A (en) * | 1995-04-21 | 1998-04-21 | General Electric Co. | Asynchronous conversion method and apparatus for use with variable speed turbine hydroelectric generation |
SE9602079D0 (en) * | 1996-05-29 | 1996-05-29 | Asea Brown Boveri | Rotating electric machines with magnetic circuit for high voltage and a method for manufacturing the same |
-
1999
- 1999-04-30 SE SE9901553A patent/SE514818C2/en not_active IP Right Cessation
-
2000
- 2000-04-14 AU AU47879/00A patent/AU4787900A/en not_active Abandoned
- 2000-04-14 CA CA002367386A patent/CA2367386A1/en not_active Abandoned
- 2000-04-14 WO PCT/SE2000/000707 patent/WO2000067355A1/en not_active Application Discontinuation
- 2000-04-14 EP EP00929974A patent/EP1175718A1/en not_active Withdrawn
- 2000-04-17 AU AU46325/00A patent/AU4632500A/en not_active Abandoned
- 2000-04-17 EP EP00928031A patent/EP1192701A1/en not_active Withdrawn
- 2000-04-17 CA CA002367389A patent/CA2367389A1/en not_active Abandoned
- 2000-04-17 EA EA200100962A patent/EA200100962A1/en unknown
- 2000-04-17 WO PCT/SE2000/000724 patent/WO2000067363A1/en not_active Application Discontinuation
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
AU4787900A (en) | 2000-11-17 |
WO2000067363A1 (en) | 2000-11-09 |
AU4632500A (en) | 2000-11-17 |
EP1175718A1 (en) | 2002-01-30 |
CA2367389A1 (en) | 2000-11-09 |
EA200100962A1 (en) | 2002-04-25 |
SE9901553D0 (en) | 1999-04-30 |
EP1192701A1 (en) | 2002-04-03 |
SE9901553L (en) | 2000-10-31 |
WO2000067355A1 (en) | 2000-11-09 |
CA2367386A1 (en) | 2000-11-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
SE514818C2 (en) | Constant frequency machine with varying / variable speed and procedure for such machine | |
US9837824B2 (en) | Connection system for power generation system with DC output | |
JP5972169B2 (en) | Power conversion system and method | |
US9667232B2 (en) | System and method for parallel configuration of hybrid energy storage module | |
US8587141B2 (en) | Frequency converter | |
RU2608085C2 (en) | Method and system for hydro-turbines controlling | |
US7576443B2 (en) | Method and apparatus for generating electric power | |
CN101304234B (en) | Power converters | |
SE518121C2 (en) | Electric power system based on renewable energy sources | |
KR20110077027A (en) | A distributed electrical generation system | |
EP2374192B1 (en) | Method for operation of a permanent magnet synchronous machine, and a device in an electric system comprising such a machine | |
WO2015183353A1 (en) | Electric power generation and distribution for islanded or weakly-connected systems | |
US4481455A (en) | Method of starting variable-speed induction motor | |
KR101724783B1 (en) | Power transmissions systems | |
Janning et al. | Next generation variable speed pump-storage power stations | |
Shukla et al. | Power electronics applications in wind energy conversion system: A review | |
EP1385259A2 (en) | A system for high power drives | |
CN107888118A (en) | Suitable for the asynchronous generator rectifier power system of short-circuit protection | |
CN204258295U (en) | Switching magnetic-resistance wind-driven generator direct current exports Cuk buck-boost type electrical conversion systems | |
Chakraborty et al. | A new series of brushless and permanent magnetless synchronous machines | |
CN204258685U (en) | The reversible electrical conversion systems of switching magnetic-resistance wind-driven generator average anode current | |
CN204258296U (en) | Switching magnetic-resistance wind-driven generator direct current exports booster type electrical conversion systems | |
CN204258294U (en) | Switching magnetic-resistance wind-driven generator direct current exports Zeta buck-boost type electrical conversion systems | |
Hau | Electrical System | |
He et al. | Review on Technology of Seawater Variable Speed Pumped Storage Generator Unit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
NUG | Patent has lapsed |