SE521391C2

SE521391C2 - 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

Info

Publication number: SE521391C2
Application number: SE9903044A
Authority: SE
Inventors: Lars Gertmar; Arne Nysveen
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1999-04-30
Filing date: 1999-08-27
Publication date: 2003-10-28
Also published as: SE9903044L; SE9903044D0

Abstract

Converter is connected between main machine with stator and rotor windings (45,46) and regulating machine with stator and rotor windings (49,48). Converter is operated as an AC-AC converter (51a) during operation and is operated as an AC polyphase coupler (51b) or AC phase angle/voltage regulator (51c) or AC short circuit coupler (51d) during starting and controlled braking and stopping of operation. An Independent claim is also included for the method of using a converter.

Description

l0 15 20 25 30 35 40 521 šïVl - att de kan arbeta i generator- och/eller motordrift Det finns en ”teknikens ståndpunkt” som är specifik för de båda utföringsformerna. Vs-maskiner, som huvudsakligen är utformade för generatordrift, kan dock, t ex under start, arbeta som motor. Det är också så att vs-maskiner som huvudsakligen är utformade för motordrift kan kortvarigt, t ex under under ett stopp-/bromsförlopp arbeta som generator. l0 15 20 25 30 35 40 521 šïVl - that they can work in generator and / or motor operation There is a “state of the art” that is specific to the two embodiments. However, plumbing machines, which are mainly designed for generator operation, can, for example during start-up, work as motors. It is also the case that VS machines that are mainly designed for engine operation can briefly, for example during a stop / brake process, work as a generator.

Det är också känt att vs-maskiner kan utformas för både generator- och motordrift, exempelvis som för generatordrift under dagtid och motordrift för pumpverk under nattetid.It is also known that vs machines can be designed for both generator and motor operation, for example as for generator operation during the day and motor operation for pumping stations during the night.

Vs-maskiner som är avsedda att rotera med konstant varvtal utförs som s k synkronmaskiner varvid rotorns magnetisering sker med likström. Detta innebär att det magnetiska flödet i maskinen är stationärt relativt rotom.Vs machines which are intended to rotate at a constant speed are designed as so-called synchronous machines, in which case the magnetization of the rotor takes place with direct current. This means that the magnetic flux in the machine is stationary relative to the rotor.

Därvid kommer rotorn att rotera med en s k synkron hastighet som är bestämt av statorlindningens poltal och frekvensen hos statorlindningens ström. Sambandet mellan rotationshastigheten hos en växelströmsmaskins rotor, maskinens poltal och spänningens frekvens beskrivs utförligt i svenska patentansökan SE 9901553-9, "Konstantfrekvensmaskin”. Där beskrivs också hur man förfar för att vid varierande varvtal hos en elektrisk maskin kunna åstadkomma en konstant (nät-)frekvens.Thereby, the rotor will rotate at a so-called synchronous speed which is determined by the pole number of the stator winding and the frequency of the current of the stator winding. The relationship between the rotational speed of an AC machine's rotor, the machine's pole number and the frequency of the voltage is described in detail in Swedish patent application SE 9901553-9, "Constant frequency machine". frequency.

Synkronmaskinen är den helt dominerande vs-maskinen som används både i vattenkraft- och termiska verk. Det finns ett flertal orsaker till att så är fallet, bl a synkronmaskinens höga verkningsgrad, dess förmåga att kunna operera i separat drift, dvs i kraftnät utan andra synkronmaskiner, samt dess robusta och kostnadseffektiva rotoruppbyggnad.The synchronous machine is the completely dominant vs machine used in both hydropower and thermal plants. There are several reasons why this is the case, including the high efficiency of the synchronous machine, its ability to operate in separate operation, ie in power networks without other synchronous machines, and its robust and cost-effective rotor construction.

Den huvudspänningsmatning som vs-maskiner i motordrift och den hjälpspänningsmatning som vs-maskiner i generatordrift behöver sker numera i allt högre grad med Strömriktare. För styrning och reglering av vs- maskiner med tillhörande Strömriktare används numera huvudsakligen digitala datorer. Strömriktare har hittills som regel placerats stillastående och kopplats mellan vs-maskinen och aktuellt kraftnät, dvs strömriktaren har i huvudsak varit stationär. Detsamma gäller även för de datorer som sköter styrningen och regleringen.The main voltage supply that vs machines in motor operation and the auxiliary voltage supply that vs machines in generator operation need to take place are now increasingly taking place with converters. Digital computers are now mainly used for control and regulation of vs machines with associated converters. Until now, converters have as a rule been placed stationary and connected between the VS machine and the current power grid, ie the converter has mainly been stationary. The same also applies to the computers that handle the control and regulation.

Med axeln roterande strörnriktare i form av vs-ls-omvandlare har funnits på marknaden sedan en tid som borstlösa iii-aware för fältlindningen hos en vs- maskins rotor. Ett exempel på en sådan matare framgår av ABB-broschyren 10 15 20 25 30 35 40 . , < l .Q ~-.,-= 521 591 ”Brushless exciter” SEGEN/HM 8-001. Av broschyren framgår att den medroterande strörnriktaren huvudsakligen/oftast är utförd med dioder och fältströmmen styrs via en medroterande matare via matarens statorström. En nackdel med en borstlös matare enligt den beskrivna med strömriktare baserad på dioder är magnetiseringssystemets långsamma dynamik. Vid användning av en s k ”Power System Stabilizer” förutsätts att magnetiseringssystemet har en tillräckligt kort reaktionstid. Detta erhålles om vs-ls-omfonnaren utförs som en tyristorströmriktare. En sådan strömriktare kommer till användning i en utrustning som framgår av US 367,l850 ”Electric generator control system with radio feedback loop”.Axis-rotating inverters in the form of vs-ls converters have been on the market for some time as brushless iii-aware of the field winding of a vs-machine rotor. An example of such a feeder can be found in the ABB brochure 10 15 20 25 30 35 40. , <l .Q ~ -., - = 521 591 ”Brushless exciter” SEGEN / HM 8-001. The brochure states that the co-rotating current rectifier is mainly / usually made of diodes and the field current is controlled via a co-rotating feeder via the stator current of the feeder. A disadvantage of a brushless feeder according to that described with diodes based on diodes is the slow dynamics of the excitation system. When using a so-called "Power System Stabilizer", it is assumed that the excitation system has a sufficiently short reaction time. This is obtained if the vs-ls converter is designed as a thyristor converter. Such a converter is used in equipment as described in US 367, 1850 "Electric generator control system with radio feedback loop".

För styrning av den roterande tyristorströmriktarens tändpulser används radiokommunikation och styrsystemet är i övrigt baserat på analog teknik.Radio communication is used to control the ignition pulses of the rotating thyristor inverter and the control system is otherwise based on analog technology.

Det finns här ingen dynamik eller mätning av parametrar som ingår i regleringen, somt ex rotorlindningens temperaturberoende resistans m m.There is no dynamics or measurement of parameters included in the control, such as the temperature-dependent resistance of the rotor winding, etc.

I den svenska patentansökan SE 9901553-9 ““Konstantfrekvensmaskin” beskrivs en elmaskin som utgöres av en växelströmsmaskin som i sitt basutförande innefattar en huvudmaskin och en reglerrnaskin med gemensam mekanisk axel på vilken en strörnriktare är anordnad medroterande. Huvudmaskinen är utformad med vs-lindningar i både stator och rotor. Reglerrnaskinens huvuduppgift är att förse huvudmaskinens rotorlindning med reglereffekt/-frekvens för aktuellt reglerområde vad beträffar elmaskinens rotationshastighet, frekvens och spänning.The Swedish patent application SE 9901553-9 ““ Constant frequency machine ”describes an electric machine which consists of an alternating current machine which in its basic design comprises a main machine and a control machine with a common mechanical shaft on which a current rectifier is arranged co-rotating. The main machine is designed with VS windings in both stator and rotor. The main task of the control machine is to provide the rotor winding of the main machine with control power / frequency for the current control area in terms of the rotational speed, frequency and voltage of the electric machine.

Reglermaskinen kan också utnyttjas för ett flertal bifunktioner som t ex Startmotor för huvudmaskinen samt för bortföring av huvudmaskinens startförluster till yttre motstånd. Den medroterande strömriktaren har också flera funktioner som närmare beskrivs i nämnda svenska patentansökan.The control machine can also be used for a number of secondary functions, such as the starter motor for the main machine and for removing the starter machine's starting losses to external resistance. The co-rotating converter also has several functions which are described in more detail in the said Swedish patent application.

Sammanfattningsvis gäller att dess huvuduppgift är att under drift fungera som en vs-vs-omvandlare. Under ett startförlopp skall den kunna fungera som en vs-ﬂerfaskopplare eller som en vs-fasvinkel-/spänningsregulator eller som en vs-kortslutningskopplare för reglermaskinens rotorlindning.In summary, its main task is to function as a vs-vs converter during operation. During a start-up process, it must be able to function as a vs-ﬂ phase phase coupler or as a vs-phase angle / voltage regulator or as a vs-short-circuit coupler for the rotor winding of the control machine.

Vid kontrollerad bromsning och/eller stopp skall strömriktaren kunna fungera som en vs-fasvinkel-/spännningsregulator eller som en vs- flerfaskopplare. Kommunikationen av data till och från rotom beskrivs dock inte.In the case of controlled braking and / or stopping, the inverter must be able to function as a vs-phase angle / voltage regulator or as a vs-multiphase coupler. However, the communication of data to and from the rotor is not described.

En speciell utföringsforrn av roterande elmaskiner beskrivs i WO 97/45919, Den högspända statorlindningen är baserad på kabelteknik. Någon transformator för anslutning till ett högspänningsnät behövs då inte. 10 15 20 25 30 35 40 t t f . i n 521 3391 Maskiner utförda med denna typ av statorlindning kännetecknas av att den har mycket låg strömtäthet i statorledarna och av att kylningen väsentligen sker på jordpotential i statoms plåtpaket. Maskinen har, genom lämpligt utförande av rotoms lindningars area och/eller skydd, god förmåga att tillfälligt, under tiotals rninuter och i bland upp till flera timmar, generera myckert stor reaktiv effekt och rotorström. Ett utförande av ett skydd i detta sammanhang beskrivs i WO 98/34312. I detta skydd avbildas rotorns temperatur i ett i anläggningen placerat reläskydd. Kommunikationen av data till och från rotorn beskrivs dock inte.A special embodiment of rotary electric machines is described in WO 97/45919. The high voltage stator winding is based on cable technology. No transformer for connection to a high-voltage network is then required. 10 15 20 25 30 35 40 t t f. Machines made with this type of stator winding are characterized by the fact that it has a very low current density in the stator conductors and by the fact that the cooling takes place substantially at ground potential in the stator plate package. The machine has, by suitable design of the area of the rotor windings and / or protection, a good ability to temporarily, for tens of minutes and sometimes up to several hours, generate a very large reactive power and rotor current. An embodiment of a protection in this context is described in WO 98/34312. In this protection, the temperature of the rotor is depicted in a relay protection located in the system. However, the communication of data to and from the rotor is not described.

En speciell utföringsforrn 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 transmissionslinjens 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 rotorlindningen sker via en medroterande magnetiseringsmatare och strön1riktare/vs-ls- omvandlare för var och en av rotorlindningarna. I samma patentansökan beskrivs vidare en mera utvecklad ”Power Flow Control” med, en till samma axel som den första elmaskinen, i shunt till transmissionslinjen, kopplad andra elmaskin med en medroterande strörnriktare/vs-ls- omvandlare. Kommunikationen av data till och från rotom beskrivs dock inte.A special embodiment of DC magnetization of an electric machine rotating at a constant speed is described in a patent application PCT / EP 98/007744, for "Power Flow Control" in a transmission line. The stator windings of the electrical machine are here connected in series with the conductors of the transmission line without a connected neutral point. The rotor of the electric machine is equipped with two / three 90/120 degrees electrically offset direct current rotor windings for regulating the amplitude and phase of the voltage of the electric machine. Feeding of the rotor winding takes place via a co-rotating excitation feeder and current converter / vs-ls converter for each of the rotor windings. The same patent application further describes a more developed "Power Flow Control" with, one to the same axis as the first electric machine, in shunt to the transmission line, connected second electric machine with a co-rotating current converter / vs-ls converter. However, the communication of data to and from the rotor is not described.

Det har under senare årtionden funnits en tydlig trend att rniniatyrisera elektronik för Signalbehandling. Telekommunikation kan sägas vara nästan helt digital i dag i sina väsentliga delar. Strömriktarteknikens Signalbehandling i styr- och reglerkretsar har på samma sätt miniatyriserats så att det finns ”chip” med intern digital Signalbehandling speciellt utvecklade för strörnriktare, både som vs-ls-omvandlare och som vs-vs- omvandlare. Att utföra sådana kretsar med analog teknik medför inget mervärde, eftersom den digitala upplösningen både vad amplitud och tid beträffar är tillräckligt stor, samtidigt som möjligheterna att ställa in och trimma reglerkretsamas parametrar på distans, t ex via digital kommunikationslänk, är mycket enklare.In recent decades, there has been a clear trend to modernize electronics for signal processing. Telecommunications can be said to be almost completely digital today in its essential parts. The inverter technology's signal processing in control and regulation circuits has in the same way been miniaturized so that there is a “chip” with internal digital signal processing specially developed for inverters, both as vs-ls converters and as vs-vs converters. Performing such circuits with analog technology does not add value, as the digital resolution in terms of both amplitude and time is large enough, while the possibilities of setting and tuning the control circuits' parameters remotely, eg via digital communication link, are much simpler.

Hos elmaskindrifter med medroterande strörnriktare finns ett problemi form av ett stort behov av att medroterande kunna utföra en mängd mer eller mindre komplicerade operationer så som beräkningar, beslut, lagring av 10 15 20 25 30 35 40 5213391 data, styming, reglering m m. Enligt uppfinningen bemästras dessa uppgifter m h a en medroterande dator och där all Signalbehandling sker digitalt. Dessutom finns ett problem i form av ett stort behov av att med hög precision och säkerhet kunna kommunicera mellan den medroterande datom och med en stationär dator för överföring av data i båda riktningama. Denna kommunikation sker enligt uppfinningen genom att utnyttja en ny teknik, s k telemetri, som hittills har använts för trådlös kommunikation mellan huvudsakligen stationära enheter. Överföring av data av olika slag har under lång tid utförts med trådburen kommunikation. Telemetri är vetenskapsområdet och tekniken att trådlöst automatiskt överföra data mellan två terminaler. Tekniken med telemetri kom till användning redan för 20 - 30 år sedan. I en översiktsartikel av J . E.In electric machine operations with co-rotating inverters, there is a problem in the form of a great need for co-rotating to be able to perform a number of more or less complicated operations such as calculations, decisions, storage of data, control, regulation, etc. According to According to the invention, these tasks are mastered by means of a co-rotating computer and where all signal processing takes place digitally. In addition, there is a problem in the form of a great need to be able to communicate with high precision and security between the co-rotating computer and with a desktop computer for transmitting data in both directions. This communication takes place according to the invention by utilizing a new technology, so-called telemetry, which has hitherto been used for wireless communication between mainly stationary units. Transmission of data of various kinds has for a long time been performed with wired communication. Telemetry is the field of science and technology to automatically transfer data wirelessly between two terminals. The technology of telemetry came into use already 20 - 30 years ago. In a review article by J. E.

Blalock m fl i Instruments and Control Systems, Vol. 51, No. 6 June 1978, p 45-48, ”Telemetry - an easy way to check out rotating machinery” sammanfattades den tidens teknik. I en uppsats av S. T. Chow och C. H.Blalock et al in Instruments and Control Systems, Vol. 51, no. 6 June 1978, pp. 45-48, "Telemetry - an easy way to check out rotating machinery" summarized the technology of the time. In an essay by S. T. Chow and C. H.

Chew i Conference Proc. TENCON 84, an Int. Conf. on Consumer & Industrial Electronics & Applications, IEEE, New York, NY, USA, 1984, p. 3 - 5, ”Radio telemetry system for vibratíon measurement of rotating machinery” beskrivs hur resonansfrekvensen hos turbinblad varierar med rotationshastigheten. Signalema från trådtöjningsgivare på rotorbladen i turbinen förstärktes, modulerades och sändes från roterande delar till stillastående mät- och analysinstrument med frekvensmodulering, dvs s k FM.Chew and Conference Proc. TENCON 84, an Int. Conf. on Consumer & Industrial Electronics & Applications, IEEE, New York, NY, USA, 1984, pp. 3 - 5, “Radio telemetry system for vibration measurement of rotating machinery” describes how the resonant frequency of turbine blades varies with the rotational speed. The signals from wire strain gauges on the rotor blades in the turbine were amplified, modulated and transmitted from rotating parts to stationary measuring and analysis instruments with frequency modulation, ie so-called FM.

När det gäller elektriska maskiner så användes kontaktlösa mätsystem för överföring av temperatursignaler från rörliga delar i transformatorer i mätningen av tyska järnvägama redan för 25 år sedan enligt en artikel ”A contactless measurement system for continuous recording of temperatures on rotating parts, especially in electrical rnachines” i Sci. Translation Service, Santa Barbara , CA, USA, Aug. 1974, 22 pp., av W. Raasch och D.In the case of electrical machines, contactless measuring systems for the transmission of temperature signals from moving parts in transformers were used in the measurement of German railways already 25 years ago according to an article "A contactless measurement system for continuous recording of temperatures on rotating parts, especially in electrical rnachines" and Sci. Translation Service, Santa Barbara, CA, USA, Aug. 1974, 22 pp., By W. Raasch and D.

Schein.Sheen.

I en artikel ”The measurement of strain on a larninated disc flywheel” av A.In an article "The measurement of strain on a larninated disc flywheel" by A.

Owens och P. Williams, publicerad i Intemational Power Generation, Vol. 6, No. 6, July-Aug. 1983, p. 24 - 27 beskrivs hur man använder dator i samband med överföring av information från roterande trådtöjningsgivare på svänghjul. 10 15 20 25 30 35 40 521 IW För att möjliggöra trådlösa förbindelser med upp till 100 meters räckvidd mellan person- och fickdatorer samt mellan mobila telefoner och tillhörande periferienheter har under de senaste decennierna trådlös kommunikation för detta ändamål utvecklats i ett högt tempo. Det finns f n licensfria frekvensband, t ex 433 MHz och 2,45 GHz, exempel på s k Industrial- Scientific-Medical (ISM) band, som nyttjas för kortvägskommunikation och som fungerar i elektromagnetiskt störda miljöer. IEEE arbetar f n för standardiserad kommunikation även på ca 5 GHz (IEEE 802.11).Owens and P. Williams, published in Intemational Power Generation, Vol. 6, no. 6, July-Aug. 1983, pp. 24 - 27 describes how to use a computer in connection with the transfer of information from rotating wire strain gauges on flywheels. 10 15 20 25 30 35 40 521 IW To enable wireless connections with a range of up to 100 meters between personal and pocket computers as well as between mobile phones and associated peripherals, wireless communication for this purpose has been developed at a rapid pace in recent decades. There are currently license-free frequency bands, such as 433 MHz and 2.45 GHz, examples of so-called Industrial-Scientific-Medical (ISM) bands, which are used for short-distance communication and which work in electromagnetically disturbed environments. IEEE currently works for standardized communication also at about 5 GHz (IEEE 802.11).

Artikeln ”Bluetooth-the universal radio interface for ad hoc, Wireless connectivity” i Ericsson-Review, Vol. 75, No. 3, 1998, p. 110-117, är författad av J. Haartsen och beskriver kommersiellt nyligen tillgänglig teknik för digital kommunikation. Typiska data är 1 Mbit/s samt möjligheten att bygga upp s k piconet, dvs kommunikation med kort (< 100 m) räckvidd mellan olika stationära enheter samt anslutning till trådbaserade Local Area Networks (LAN). Förbindelsema är s k Asynchronous Connections Links (ACL), som medger symmetrisk och/eller asymmetrisk överföring av data på mellan en masterenhet och upp till sju slavenheter. Data kan överföras med något olika hastighet beroende på valet av sätt att förpacka och skydda datameddelanden.The article “Bluetooth-the universal radio interface for ad hoc, Wireless connectivity” in Ericsson-Review, Vol. 75, no. 3, 1998, pp. 110-117, is authored by J. Haartsen and describes commercially available digital communication technology. Typical data is 1 Mbit / s and the possibility to build up the so-called piconet, ie communication with short (<100 m) range between different stationary devices and connection to wired Local Area Networks (LAN). The connections are so-called Asynchronous Connections Links (ACL), which allow symmetrical and / or asymmetrical transmission of data between one master unit and up to seven slave units. Data can be transferred at a slightly different speed depending on the choice of way to package and protect data messages.

Eftersom strömriktares emissioner av störningar är låga i GHz-området och kommunikationslänkar enligt de-facto-stanclarden Bluetooth eller organisationsstandarden IEEE 802 är starkt immuna mot elektromagnetiska störningar, så kan trådlös kommunikation med upp till 721 kbit/s säkerställas mellan roterande och stillastående delar i den aktuella effektomvandlaren.Since inverter transmitters of interference are low in the GHz range and communication links according to the de-facto standard Bluetooth or the IEEE 802 organization standard are highly immune to electromagnetic interference, wireless communication of up to 721 kbit / s can be ensured between rotating and stationary parts in the current power converter.

Det finns några exempel på utföringsformer och problembeskrivningar på hur man digitalt kan utföra mätningar på roterande delar och där datorer ingår för både analys och kommunikation av inforrnationsdata. Ett exempel på detta i samband med mätningar av både mekaniska och elektriska storheter på rotorer hos vattenkraftgeneratorer beskrivs i en artikel ”Unique sensor applications for hydroelectric generator rotor-mounted sensor scanning technology” av J. D. Edmonds och T. L. Churchill i IEEE Technical Applications Conference. Northcon/96. Conference Record (Cat.There are some examples of embodiments and problem descriptions of how to digitally perform measurements on rotating parts and where computers are included for both analysis and communication of information data. An example of this in connection with measurements of both mechanical and electrical quantities on rotors in hydropower generators is described in an article "Unique sensor applications for hydroelectric generator rotor-mounted sensor scanning technology" by J. D. Edmonds and T. L. Churchill at the IEEE Technical Applications Conference. Northcon / 96. Conference Record (Cat.

No. 96CH35928). IEEE, New York, NY, USA; p. 73-77. Av artikeln framgår att vattenkraftgeneratoms rotonnonterade avsökare använder en uppsättning av sensorer för att mäta de kritiska arbetsparametrarna hos statom. Man mäter utstrålande termisk energi, luftgap mellan stator och 10 15 20 25 30 35 40 521 391 rotor, radiofrekvensstrålning och magnetiskt ﬂöde. Den kombinerade informationen från hela generatorn medger en kontinuerlig utvärdering av generatorns tillstånd samt långtidsanalys för underhållsplanering. Vidare hävdas att för att framgångsrikt kunna mäta parametrar hos en höghastighetsroterande kropp, för överföring av inforrnationsdata till en central dator samt för presentation av värdefull information till användaren, så krävs samordning av ett ﬂertal systemdelar som t ex anordning för montage av sensorema, matning av på rotom anordnad elektronik, telemetri för tvåvägs kommunikation, en datorstyrenhet samt mjukvara för kontroll, dataomvandling, analys- och användarbildskärrn. I tillägg måste underhållssystemen fungera tillfredsställande i en kärv omgivning som inkluderar höga centrifugalkrafter, stora temperaturvariationer, mekanisk vibration, motriktade elektriska och magnetiska fält samt relativt höga hastigheter mellan sensorema och mätobjekten.No. 96CH35928). IEEE, New York, NY, USA; pp. 73-77. The article shows that the hydropower generator's roton-mounted scanners use a set of sensors to measure the critical working parameters of the stator. Radiant thermal energy, air gap between the stator and the rotor, radio frequency radiation and magnetic de are measured. The combined information from the entire generator allows a continuous evaluation of the generator's condition and long-term analysis for maintenance planning. It is further claimed that in order to successfully measure parameters of a high-speed rotating body, for transmitting information data to a central computer and for presenting valuable information to the user, coordination of a number of system parts is required, such as a device for mounting the sensors, feeding on rotom arranged electronics, telemetry for two-way communication, a computer control unit and software for control, data conversion, analysis and user image display. In addition, maintenance systems must function satisfactorily in a harsh environment that includes high centrifugal forces, large temperature variations, mechanical vibration, opposing electric and magnetic fields, and relatively high speeds between the sensors and measuring objects.

REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN, FÖRDELAR Som angivits inledningsvis består uppfinningen av en effektomvandlare i form av en elektrisk maskin med en mekanisk axel, samt minst en med axeln roterande digital processor, som tillsammans med minst en stationär digital processor, digitalt styr och reglerar minst en med axeln roterande strömriktare och att det finns minst en digital kommunikationslänk mellan roterande och stationära delar.DISCLOSURE OF THE INVENTION, ADVANTAGES As stated in the introduction, the invention consists of a power converter in the form of an electric machine with a mechanical shaft, and at least one shaft rotating digital processor, which together with at least one stationary digital processor, digitally controls and regulates at least one shaft. rotary converters and that there is at least one digital communication link between rotating and stationary parts.

Den digitala processom innefattar en dator som förutom interna styr- och minnesfunktioner är försedd med processanpassad programvara för aktuellt driftfall/arbetssätt.The digital processor includes a computer which, in addition to internal control and memory functions, is equipped with process-adapted software for the current operating mode / mode of operation.

Den digitala kommunikationslänken innefattar en med axeln medroterande mottagare/sändare för mottagning/transmission av digitala data, ansluten till den medroterande processom, en med axeln medroterande antenn och en stationär antenn för den trådlösa digitala överföringen och en stationär mottagare/sändare för mottagning/transmission av nämnda digitala data, ansluten till den stationära processorn.The digital communication link includes a shaft co-rotating receiver / transmitter for receiving / transmitting digital data, connected to the co-rotating processor, a shaft co-rotating antenna and a stationary antenna for the wireless digital transmission and a stationary receiver / transmitter for receiving / transmitting said digital data, connected to the desktop processor.

Med hjälp av en effektomvandlare enligt uppfinningen kan med effektomvandlingen associerade storheter som moment, varvtal, aktiv effekt, reaktiv effekt m fl borstlöst styras och regleras. Det är också möjligt att, relativt teknikens ståndpunkt, öka stabiliteten i de elkraftsystem till 10 15 20 25 30 35 40 521 391 vilka effektomvandlaren ansluts. Ytterligare fördelar med uppfinningen är att man kan åstadkomma kontrollerad start, drift, stopp och bromsning av den elektriska maskinen samt trimning i samband med igångkörning.With the help of a power converter according to the invention, quantities associated with torque such as torque, speed, active power, reactive power, etc. can be brushlessly controlled and regulated. It is also possible, relative to the state of the art, to increase the stability of the electric power systems to 10 15 20 25 30 35 40 521 391 to which the power converter is connected. Further advantages of the invention are that it is possible to achieve controlled start, operation, stop and braking of the electric machine as well as tuning in connection with commissioning.

I övrigt gäller också att effektomvandlingen enligt uppfinningen innefattar att - den trådlösa dataöverföring sker i en föredragen utföringsform med radiofrekventa, digitala signaler - kommunicerande datas relevans säkras genom kombinationer av modeller, estimeringar, expertsystem, komprimering, filtrering och felkorrigering - behovet av bandbredd vid kommunikationen kan reduceras genom att endast förändringarna i vissa av de dataöverförda signalerna kommuniceras.In addition, the power conversion according to the invention includes that - the wireless data transmission takes place in a preferred embodiment with radio frequency, digital signals - the relevance of communicating data is ensured through combinations of models, estimates, expert systems, compression, filtering and error correction - the need for bandwidth in communication can is reduced by communicating only the changes in some of the transmitted signals.

Effektomvandlingen har ett integrerat kontroll- och reglersystem som innefattar nämnda roterande och stationära digitala processorer med borstlös digital kommunikation samt givare för mätning och övervakning av aktuella storheter. Processorema arbetar normalt i ett master/slav förhållande med den roterande processorn som slav. I huvudsak styr den stationära processorn effektomvandlingen, mäter och övervakar storheter associerade med den elektriska maskinens stator samt kommunicerar med andra yttre styr- och reglersystem. Den roterande processoms huvuduppgift är att styra den med den elektriska maskinens axel roterande strömriktaren samt mäta och övervaka storheter associerade med maskinens rotor.The power conversion has an integrated control and regulation system that includes the said rotating and stationary digital processors with brushless digital communication as well as sensors for measuring and monitoring current quantities. The processors normally operate in a master / slave relationship with the rotating processor as a slave. The stationary processor mainly controls the power conversion, measures and monitors quantities associated with the stator of the electrical machine and communicates with other external control and regulation systems. The main task of the rotating process is to control the converter rotating with the shaft of the electric machine and to measure and monitor quantities associated with the rotor of the machine.

Den roterande processorn är programmerad så att den vid upprepade och svåra störningar i den trådlösa digitala kommunikationen under en tid autonomt kan styra, reglera m m effektomvandlaren.The rotary processor is programmed so that in the event of repeated and severe disturbances in the wireless digital communication for a time it can autonomously control, regulate, etc. the power converter.

Igångköming av anläggningar med elmaskiner där strömriktare ingår sker traditionellt genom att trimma/ justera parametrar i reglersystem m m vid idrifttagningen. Uppfinningen medger stora fördelar i detta sammanhang eftersom detta kan ske via kommunikation av informationsdata med hjälp av trådlös överföring till roterande delar. En uppdatering och justering av inställda parametrar kan också ske kontinuerligt efterhand som iii-an erhåller 10 15 20 25 30 35 40 521 391 - . 1 . v 4 v ökade kunskaper om ingående anläggningsdelar samt med förändringar i anslutna elkraftsystem under anläggningens livslängd.Commissioning of systems with electric machines where converters are included is traditionally done by tuning / adjusting parameters in control systems, etc. during commissioning. The invention allows great advantages in this context because this can be done via communication of information data by means of wireless transmission to rotating parts. An update and adjustment of set parameters can also take place continuously as the iii receives 10 15 20 25 30 35 40 521 391 -. 1. v 4 v increased knowledge of constituent parts of the plant and with changes in connected electric power systems during the life of the plant.

Som det har framgått är det således mycket viktigt för att i samband med elmaskiner associerade med denna uppfinning kunna köra igång, trimma och sedan styra, reglera och skydda med axeln roterande strömriktare. Mera specifikt gäller det att bestämma tidpunkter då de halvledare som ingår i strömriktarna skall börja/sluta leda ström huvudsakligen för att omvandla mekanisk effekt till aktiv elektrisk effekt och/eller generering av reaktiv elektrisk effekt och tvärtom.As has been seen, it is thus very important to be able to start, tune and then control, regulate and protect with the shaft rotary converters in connection with electric machines associated with this invention. More specifically, it is a matter of determining times when the semiconductors included in the converters should start / stop conducting current mainly to convert mechanical power to active electrical power and / or generation of reactive electrical power and vice versa.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER En utföringsform av uppfinningen framgår av bifogade figur.DESCRIPTION OF EMBODIMENTS An embodiment of the invention is shown in the accompanying figure.

Effektomvandlaren enligt uppfinningen kan komma till användning som elgenerator eller som en elektrisk motor. I en föredragen utföringsform innefattar effektomvandlaren en roterande elmaskin i form av en huvudmaskin 1 och en reglerrnaskin 2 med en gemensam mekanisk axel 3. I figuren är elmaskinen visad som en vertikalaxlad elmaskin men kan självfallet utformas som en horisontalaxlad elmaskin. På den gemensamma axeln är anordnad medroterande en strömriktare 4 i form av - en vs-vs-omvandlare som kan utformas som matrisomvandlare, cycloconverter eller vs-omvandlare med dc-mellanled för vs-matning av rotorlindningar (SE 9901553-9) eller den kan också vara utforrnad som - en vs-ls-omvandlare för ls-matning av rotorlindning(ar) t ex med godtyckligt fasläge relativt rotorn (FCT/EP 98/007744).The power converter according to the invention can be used as an electric generator or as an electric motor. In a preferred embodiment, the power converter comprises a rotating electric machine in the form of a main machine 1 and a control machine 2 with a common mechanical shaft 3. In the figure, the electric machine is shown as a vertical-axis electric machine but can of course be designed as a horizontal-axis electric machine. Arranged on the common shaft is a co-rotating a converter 4 in the form of - a vs-vs converter which can be designed as a matrix converter, cycloconverter or vs-converter with dc intermediate for vs-feeding of rotor windings (SE 9901553-9) or it can also be designed as - a vs-ls converter for ls supply of rotor winding (s), for example with any phase position relative to the rotor (FCT / EP 98/007744).

Huvudmaskinen är utformad med en statorlindning 5 lämpligen dimensionerad för s k mellanspänning, dvs upp till 30 kV. För anslutning till ett högspänningsnät tillkommer en transformator 6. Om maskinen utformas i enlighet med den i WO 97/4519 beskrivna maskinen kan statorlindningen 5 dimensioneras för högspänning varvid transformatorn 6 bortfaller. Huvudmaskinens rotorlindning 7 är i den visade utföringsformen utformad som en vs-lindning som från vs-vs-ornformaren matas med den skillnadsfrekvens, se svenska patentansökan SE 9901553-9, som behövs för att få den önskade frekvensen hos maskinen då den arbetar som generator, 10 15 20 25 30 35 40 521 391 10 respektive få den önskade rotationshastigheten hos elmaskinens rotor då den arbetar som motor.The main machine is designed with a stator winding 5 suitably dimensioned for so-called intermediate voltage, ie up to 30 kV. For connection to a high-voltage network, a transformer 6 is added. If the machine is designed in accordance with the machine described in WO 97/4519, the stator winding 5 can be dimensioned for high-voltage, whereby the transformer 6 is omitted. In the embodiment shown, the rotor winding 7 of the main machine is designed as a vs-winding which is fed from the vs-vs-shape former with the difference frequency, see Swedish patent application SE 9901553-9, which is needed to obtain the desired frequency of the machine when operating as a generator. 10 15 20 25 30 35 40 521 391 10 and get the desired rotational speed of the rotor of the electric machine when it works as a motor.

Reglerrnaskinens rotorlindning 8 matar den medroterande vs-vs- omvandlaren. Mätningen är i figuren indikerat att ske med en 3-fasspänning. Inom ramen för uppfinningen ingår att mätningen kan ske på ett ﬂertal olika sätt som t ex 2x3-fas-, 2-fas-, 2x2-fas-, eller generellt med N-fasspänning. Reglermaskinens statorlindning 9 är i den visade utföringsforrnen avsedd att matas med likström från en styrbar strömriktare 10 med separat matning, exempelvis via en hjälptransformator 11 ansluten till elkraftnätet. Statorlindningen kan också alternativt utformas som vs- lindning för användning i samband med start av elmaskinen.The rotor winding 8 of the control machine feeds the co-rotating vs-vs converter. The measurement is indicated in the figure to take place with a 3-phase voltage. Within the scope of the invention, it is included that the measurement can take place in a number of different ways, such as 2x3-phase, 2-phase, 2x2-phase, or generally with N-phase voltage. In the embodiment shown, the stator winding 9 of the control machine is intended to be supplied with direct current from a controllable converter 10 with a separate supply, for example via an auxiliary transformer 11 connected to the electric power grid. The stator winding can also alternatively be designed as a winding for use in connection with the start of the electric machine.

Den medroterande strörnriktaren 4 nyttjas i kombination med reglermaskinen 2 samt till reglermaskinens stator anslutna yttre organ för start, stopp och broms enligt SE 9901553-9.The co-rotating inverter 4 is used in combination with the control machine 2 and external means connected to the stator of the control machine for starting, stopping and braking according to SE 9901553-9.

Som det framgår av redogörelsen för uppfinningen och patentkraven _ innefattar effektomvandlaren en med axeln hos elmaskinen medroterande digital processor 12 och en stationär digital processor 13. Dessa båda kommunicerar med varandra via en, altemativt två eller flera redundanta trådlösa digitala kommunikationslänkar. En kommunikationslänk innefattar en med axeln medroterande mottagare/sändare 14 för mottagning/transmission av digitala data, ansluten till den medroterande processorn 12, en med axeln medroterande antenn 15 och en stationär antenn 16 för den trådlösa digitala överföringen och en stationär mottagare/sändare 17 för mottagning/transmission av närnnda digitala data, ansluten till den stationära processorn 13. Den stationära processorn har lämpligen kommunkation med andra stationära enheter för gemensam styning, skydd m m, indikerat med in-/utpilen 18.As is apparent from the description of the invention and the claims, the power converter comprises a digital processor 12 co-rotating with the shaft of the electric machine and a stationary digital processor 13. These two communicate with each other via one, alternatively two or more redundant wireless digital communication links. A communication link includes a shaft co-rotating receiver / transmitter 14 for receiving / transmitting digital data, connected to the co-rotating processor 12, a shaft co-rotating antenna 15 and a stationary antenna 16 for the wireless digital transmission and a stationary receiver / transmitter 17 for receiving / transmitting said digital data, connected to the stationary processor 13. The stationary processor suitably has communication with other stationary units for common control, protection etc., indicated by the input / output arrow 18.

Processorernas uppgift har i stora drag redovisats under redogörelsen för uppfinningen. Detaljutformningen av alla dessa funktioner som styrning, reglering, skydd, m m ligger utanför ramen för denna uppfinning. I den bifogade figuren har dock indikerats ett antal mätorgan, t ex för strömmätning 19, 20 och 21 av vs-vs-omvandlarens in-/utström, respektive huvudmaskinens strörn/spänning och temperaturmätning 22 och 23 av huvudmaskinens rotor-/statorlindning. 10 15 20 25 30 35 40 ll I figuren har också med pilar på strömförande ledare indikerats effektflödenas riktning. Så har t ex ledaren mellan huvudmaskinens statorlindning 5 och transformator 6 försetts med tvåvägsriktade pilar indikerande att elmaskinen kan arbeta både som elkraftgenerator och motor.The task of the processors has been broadly reported in the description of the invention. The detailed design of all these functions such as control, regulation, protection, etc. is outside the scope of this invention. In the attached figure, however, a number of measuring means have been indicated, for example for current measurement 19, 20 and 21 of the input / output current of the vs-vs converter, respectively the current / voltage of the main machine and temperature measurement 22 and 23 of the rotor / stator winding of the main machine. 10 15 20 25 30 35 40 ll In the figure, the direction of the power flows is also indicated by arrows on live conductors. For example, the conductor between the stator winding 5 of the main machine and the transformer 6 has been provided with two-way arrows indicating that the electric machine can operate both as an electric power generator and a motor.

På samma sätt har även signalförande ledare/antenn försetts med pilar indikerande respektive signalers överföringsriktning.In the same way, signal-conducting conductors / antennas have also been provided with arrows indicating the transmission direction of the respective signals.

Claims

10 15 20 25 30 35 521 391 ll PATENT REQUIREMENTS

Power converter with a rotating electric main machine (1), which main machine has a rotor shaft (3), a rotor winding (7) and an alternating current stator winding (5) for connection to a power grid, a converter rotating with the rotor shaft (4), a rotor shaft rotating first control equipment (12) for the converter, an alternating voltage source (2), a stationary second control equipment (13), and a digital wireless communication link (14, 15, 16, 17) between the first and the second control equipment, characterized by that the rotor winding of the main machine is an AC winding, that the AC power source is a regulating machine (2) with a rotor rotating with the rotor shaft of the main machine and with a rotor winding (8) consisting of a ﬂ phase AC winding, that the converter is a vs-vs converter (4) the rotor windings of the control machine and the main machine, and that the first control equipment comprises a programmable first digital processor (12) programmed with software for to, via control to the amplitude and frequency of the voltage applied to the rotor winding of the main machine, control the power converter in dependence on guide values supplied from the other control equipment via the communication link.

Power converter according to claim 1, characterized in that the first digital processor is programmed with software for controlling the converter to - during operation work as a vs-vs converter, - during start-up work as either vs-multi-phase coupler, as vs-phase angle - / voltage regulator or as a vs-short-circuit switch, and - during controlled braking work as either a vs-ﬂ phase switch, as a vs-phase angle / voltage regulator or as a vs-short-circuit switch.

Power converter according to one of the preceding claims, characterized in that the first digital processor is programmed with software to be able to autonomously control the power converter for a period of time in the event of repeated and severe disturbances in the wireless digital communication.

Power converter according to any one of the preceding claims, characterized in that the second control equipment comprises a programmable second digital processor (13). . ,. i, 0 "! l '\): å rv I ß: __)., -.,. / 3 with software for generating said lead values in dependence on measured values of quantities associated with the power converter, and for communicating with superior control systems.

A method of power conversion with a power converter with a rotating electric main machine (1), which main machine has a rotor shaft (3), a rotor winding (7) and an alternating current stator winding (5) for connection to a power grid, a converter rotating with the rotor shaft (4), a rotor shaft rotating shaft first control equipment (12), an AC power source (2), a stationary second control equipment (13), and a digital wireless communication link (14, 15, 16, 17) between the first and the second the control equipment, the rotor winding of the main machine being an AC winding, the AC power source a control machine (2) with a rotor rotating with the rotor shaft of the main machine and with a rotor winding (8) consisting of a multiphase AC winding, the converter a vs-vs converter regulator (4) the rotor windings of the main machine, and the first control equipment comprises a programmable first digital processor (12), characterized in that the power control is supplied to the first control equipment from the second control equipment via the communication link, and that the first digital processor is programmed with software to control the power converter by controlling the amplitude and frequency applied to the amplitude and frequency of the main machine rotor winding and frequency controlling the main machine rotor winding. depending on said guide values.