SE525570C2

SE525570C2 - Rotating synchronous electric machine e.g. power production generator, monitoring method, involves estimating temperature using theoretical machine model and determined stator and rotor winding current and stator winding voltage

Info

Publication number: SE525570C2
Application number: SE0202343A
Authority: SE
Inventors: Haakan Swahn; Bertil Svensson
Original assignee: Sydkraft Ab
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2005-03-08
Also published as: SE0202343D0; SE0202343L

Abstract

The method involves determining a stator winding current, a stator winding voltage and a rotor winding current. Temperature in two positions in a rotating synchronous electric machine is determined using a theoretical model of the machine and the determined current and the voltage values. The rotor speed is measured and the temperature estimates are effected in dependence on the measured speed. Independent claims are also included for the following: (a) an apparatus for monitoring a rotating synchronous electric machine (b) a memory medium on which a computer program is stored for controlling a rotating synchronous machine.

Description

20 25 30 35 r fw F P* f? f\ _ .X .. 2 förutbestämda förutsättningar. Märkdata definierar hur mycket ström som kan drivas genom maskinen utan att maskinens livslängd eller funktion äventyras. 20 25 30 35 r fw F P * f? f \ _ .X .. 2 predetermined conditions. Rated data defines how much current can be driven through the machine without compromising the service life or function of the machine.

På grund av förluster i elektriska maskiner värms de upp under drift. Den alstrade värmemängden måste kylas bort för att maskinen inte skall överhettas. Här förekommer olika kylmedier och kylsystem beroende på maskinens storlek, tillämpning och konstruktion. För små maskiner är luftkylning dominerande. För slutna luftkylda maskiner finns ofta en värmeväxlare där ett kylmedium, exempelvis vatten, kyler den luft som cirkulerar i och kyler maskinen. Med växande storlek blir kylsystemen alltmer sofistikerade och komplicerade. Stora generatorer för kraftproduktion är ofta direkt vattenkylda och/eller indirekt vattenkylda. Direkt Vattenkylning förekommer exempelvis för både rotor och stator, men även kombina- tioner vatten/luft och vatten/vätgas är vanliga, varvid luft/vätgas kyls av vatten för att sedan kyla generatorn.Due to losses in electrical machines, they heat up during operation. The amount of heat generated must be cooled down so that the machine does not overheat. There are different cooling media and cooling systems depending on the size, application and construction of the machine. For small machines, air cooling is dominant. For closed air-cooled machines, there is often a heat exchanger where a cooling medium, such as water, cools the air circulating in and cools the machine. With increasing size, cooling systems are becoming increasingly sophisticated and complicated. Large generators for power production are often directly water-cooled and / or indirectly water-cooled. Direct water cooling occurs, for example, for both rotor and stator, but combinations of water / air and water / hydrogen are also common, whereby air / hydrogen is cooled by water and then cooled by the generator.

Maskinens kylmedie(r) kan i sin tur kylas via värme- växlare av vatten från någon primär kylkälla som exempel- vis kan vara ett kyltorn, en flod, en sjö eller ett hav.The machine's coolant (s) can in turn be cooled via heat exchangers of water from any primary cooling source, such as a cooling tower, a river, a lake or a sea.

Värmeväxlare kan exempelvis vara av typen kylmedium/ vatten, kylmedium/luft eller vatten/vätgas. Kylningen sker genom att kylmedium från den primära kylkällan tillförs värmeväxlare pà primärsidan medan sekundärsidan är kopplad till en kylkrets i den elektriska maskinen.Heat exchangers can, for example, be of the type coolant / water, coolant / air or water / hydrogen gas. The cooling takes place by supplying cooling medium from the primary cooling source to the heat exchanger on the primary side, while the secondary side is connected to a cooling circuit in the electrical machine.

Alternativt kan en mellankylkrets finnas som då även kan användas för kylning av andra system såsom exempelvis magnetiseringssystem.Alternatively, there may be an intermediate cooling circuit which can then also be used for cooling other systems such as, for example, magnetization systems.

På grund av störningar i elnätets normala drift upp- står ibland ett behov av snabbt tillgänglig och reglerbar reaktiv effekt. För att tillgodose detta behov dimension- eras synkronmaskiner för produktion av viss mängd reaktiv effekt. I Sverige kräver Svenska Kraftnät att generatorer direkt eller indirekt anslutna till stamnätet kontinuer- ligt ska kunna producera reaktiv effekt motsvarande en tredjedel av den aktiva effekten. Detta gör att genera- 2004-10-26 16:02 V:\__I~1oOrganis-ation\OKC-í AB\PATENT\__täoE'an1ily\SE\2011366\2OJ1366 ApplicationtextToInstructor MSD 2004-10-04 1.doc 10 15 20 25 30 35 torerna under sà gott som hela sin drifttid får arbeta vid en icke optimal driftpunkt, dvs maskinerna drivs med en statorström som är lägre än den maximalt möjliga strömmen och en rotorström som är lägre än den maximalt möjliga vilket resulterar i att temperaturen i maskinerna är lägre än temperaturen i märkdrift.Due to disruptions in the normal operation of the electricity grid, there is sometimes a need for a quickly accessible and controllable reactive effect. To meet this need, synchronous machines are dimensioned for the production of a certain amount of reactive power. In Sweden, Svenska Kraftnät requires that generators directly or indirectly connected to the main grid must be able to continuously produce reactive power corresponding to one third of the active power. This causes genera- 2004-10-26 16:02 V: \ __ I ~ 1oOrganis-ation \ OKC-í AB \ PATENT \ __ täoE'an1ily \ SE \ 2011366 \ 2OJ1366 ApplicationtextToInstructor MSD 2004-10-04 1.doc 10 15 The motors must operate at almost a non-optimal operating point, ie the machines are operated with a stator current which is lower than the maximum possible current and a rotor current which is lower than the maximum possible which results in the temperature in the machines are lower than the temperature in rated operation.

Detta medför att det finns outnyttjade marginaler i generatorn under huvuddelen av tiden. Det skulle vara önskvärt att kunna kombinera förmågan avseende reaktiv effektproduktion med normal drift vid en mer optimal driftpunkt. Det skulle även vara önskvärt att kunna till- godose kortvariga behov av större mängder reaktiv effekt utan att ha stora outnyttjade marginaler i generatorn under huvuddelen av tiden.This means that there are unused margins in the generator for most of the time. It would be desirable to be able to combine the capability of reactive power production with normal operation at a more optimal operating point. It would also be desirable to be able to meet short-term needs for larger amounts of reactive power without having large unused margins in the generator for most of the time.

I det amerikanska patentet US 5,32l,308 beskrivs en styrmetod och en styranordning för en generator.U.S. Patent No. 5,321,308 discloses a control method and a control device for a generator.

I patentet beskrivs hur man maximerar produktionen av reaktiv effekt från en generator. Emellertid förutsätter ökningen av reaktiv effekt samtidigt att produktionen av aktiv effekt minskar.The patent describes how to maximize the production of reactive power from a generator. However, the increase in reactive power at the same time presupposes that the production of active power decreases.

I ”Dynamic Thermal Ratings Realize Circuit Load Limits, IEEE Computer Applications in Power, pp 38-43, January 2000” beskrivs hur man kortvarigt kan utnyttja eldistributionssystemet bättre. I nämnda skrift nämns det emellertid ingenting om vare sig roterande maskiner eller hur man kompenserar för kortvariga störningar i elnätet, vilka störningar kräver ökad produktion av reaktiv effekt.' Det skulle således vara önskvärt att kunna kompen- sera för tillfälliga behov av mer reaktiv effekt utan att den tillgängliga aktiva effekten påverkas. Det är även önskvärt att kunna utnyttja den synkrona elektriska maskinen effektivare utan att man nämnvärt påverkar dess livslängd. Det är också önskvärt att optimera verknings- graden pà befintliga och nya synkrona elektriska maskin- er."Dynamic Thermal Ratings Realize Circuit Load Limits, IEEE Computer Applications in Power, pp 38-43, January 2000" describes how to make short-term use of the electricity distribution system. However, the said document does not mention anything about either rotating machines or how to compensate for short-term disturbances in the electricity grid, which disturbances require increased production of reactive power. ' It would thus be desirable to be able to compensate for temporary needs for a more reactive effect without affecting the available active effect. It is also desirable to be able to use the synchronous electric machine more efficiently without significantly affecting its service life. It is also desirable to optimize the efficiency of existing and new synchronous electrical machines.

Sammanfattning av uppfinningen 2004-10-26 16:02 V:\_No«1>rganisation\tJKG AB\PATEriT\_l~JoFan1ily\SE\20ll366\2011366 Applicationtextfrolnstrucitoz: NISD 2064-10-04 Ldoc' 10 15 20 25 30 35 fo” ~.__' _- .f rfv. 4 Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att till- handahàlla en anordning, ett förfarande och en anläggning som löser åtminstone ett av ovan nämnda problem.Summary of the invention 2004-10-26 16:02 V: \ _ No «1> rganisation \ tJKG AB \ PATEriT \ _l ~ JoFan1ily \ SE \ 20ll366 \ 2011366 Applicationtextfrolnstrucitoz: NISD 2064-10-04 Ldoc '10 15 20 25 30 35 fo ”~ .__ '_- .f rfv. An object of the present invention is to provide a device, a method and a plant which solves at least one of the above-mentioned problems.

Ett ytterligare ändamål med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en anordning eller ett förfarande som tillåter en större årsmedeleffekt i en roterande synkron elektrisk maskin som kyls med olika kylmedier utan att maskinen behöver modifieras.A further object of the present invention is to provide a device or method which allows a larger annual average power in a rotating synchronous electric machine which is cooled with different cooling media without the need for the machine to be modified.

Uppfinnarna har gjort den överraskande insikten att det är bättre att övervaka och styra en roterande synkron elektrisk maskin och dess kylning utgående från skattning av åtminstone en temperatur i maskinen, baserat på ström och spänning i maskinen och en teoretisk modell av maskinen, än att reglera den med utgångspunkt fràn statiska gränsvärden på ström och effekt enligt tidigare känd teknik.The inventors have made the surprising realization that it is better to monitor and control a rotating synchronous electric machine and its cooling based on estimating at least one temperature in the machine, based on current and voltage in the machine and a theoretical model of the machine, than to regulate it. based on static limit values for current and power according to prior art.

En anordning, ett förfarande och en anläggning en- ligt uppfinningen definieras i de oberoende patentkraven.A device, a method and a plant according to the invention are defined in the independent claims.

Ytterligare särdrag hos uppfinningen framgår av de bero- ende patentkraven.Further features of the invention appear from the dependent claims.

I det följande kommer olika aspekter av uppfinningen att beskrivas tillsammans med de fördelar man uppnår med uppfinningen.In the following, various aspects of the invention will be described together with the advantages achieved by the invention.

Ett förfarande enligt uppfinningen för övervakning av en roterande synkron elektrisk maskin innefattande en rotor med en rotorlindning och en stator med en stator- lindning, varvid den elektriska maskinen kyls av åtminstone ett kylmedium, innefattar stegen att bestämma strömmen genom statorlindningen, att bestämma spänningen över statorlindningen, att bestämma strömmen genom rotorlindningen, att mäta temperaturen pà kylmediet och att uppskatta åtminstone en temperatur i den elektriska maskinen med hjälp av en teoretisk modell av den elektriska maskinen, de bestämda ström- och spännings- värdena och den uppmätta temperaturen på kylmediet. 2004-10-26 16:02 V:“xjloffrganisationwišß AB\PATEt~ïT\_tQoF=ar=1ily!SEXEO1 13692011366 ApplicationtextTolzistructor MSD 2üfJ4-lO-D4 Ldoc. 10 15 20 25 30 35 f- n r- r- r* _ - i 1 \..- .__ .J x-J . *J 5 Med ett sådant förfarande möjliggörs en bättre kontroll av temperaturen i maskinen. Detta kan användas för att bättre utnyttja maskinen.A method according to the invention for monitoring a rotating synchronous electric machine comprising a rotor with a rotor winding and a stator with a stator winding, the electric machine being cooled by at least one cooling medium, comprising the steps of determining the current through the stator winding, determining the voltage across the stator winding , to determine the current through the rotor winding, to measure the temperature of the coolant and to estimate at least one temperature in the electric machine by means of a theoretical model of the electric machine, the determined current and voltage values and the measured temperature of the coolant. 2004-10-26 16:02 V: “xjloffrganisationwišß AB \ PATEt ~ ïT \ _tQoF = ar = 1ily! SEXEO1 13692011366 ApplicationtextTolzistructor MSD 2üfJ4-lO-D4 Ldoc. 10 15 20 25 30 35 f- n r- r- r * _ - i 1 \ ..- .__ .J x-J. * J 5 Such a procedure enables better control of the temperature in the machine. This can be used to make better use of the machine.

Med bestämma menas i det här sammanhanget att in- direkt eller direkt mäta eller uppskatta. Exempelvis är det möjligt att bestämma strömmen genom rotorlindningen med hjälp av den bestämda storleken av strömmen genom statorlindningen och den bestämda storleken av spänningen över statorlindningen och deras inbördes fasskillnad.By determining is meant in this context to indirectly or directly measure or estimate. For example, it is possible to determine the current through the rotor winding by means of the determined magnitude of the current through the stator winding and the determined magnitude of the voltage across the stator winding and their mutual phase difference.

Det är möjligt att uppnå en noggrannare uppskattning av temperaturen genom att göra den även i beroende av en uppmätt temperatur i en punkt i maskinen.It is possible to achieve a more accurate estimate of the temperature by doing so even depending on a measured temperature at a point in the machine.

Den temperaturmätning som görs i maskinen kan göras var som helst i maskinen. Det är även möjligt att göra mätningen indirekt genom att exempelvis mäta temperaturen på det utgående kylmediet från maskinen.The temperature measurement made in the machine can be done anywhere in the machine. It is also possible to make the measurement indirectly by, for example, measuring the temperature of the outgoing refrigerant from the machine.

En bättre uppskattning av temperaturen hos maskiner med variabelt varvtal kan även uppnås genom att mäta rotorns rotationshastighet och att uppskatta temperaturen även med hjälp av den uppmätta rotationshastigheten.A better estimate of the temperature of machines with variable speed can also be achieved by measuring the rotational speed of the rotor and estimating the temperature also with the aid of the measured rotational speed.

Enligt en ytterligare aspekt av uppfinningen till- handahålles ett förfarande för styrning av åtminstone en storhet i en roterande synkron elektrisk maskin, vilken innefattar en rotor med en rotorlindning och en stator med en statorlindning, och den elektriska maskinen kyls med åtminstone ett kylmedium. Förfarandet innefattar stegen att bestämma strömmen genom statorlindningen, att bestämma spänningen över statorlindningen, att bestämma strömmen genom rotorlindningen, att mäta temperaturen på kylmediet och att uppskatta åtminstone en temperatur i den elektriska maskinen med hjälp av en teoretisk modell av den elektriska maskinen i beroende av de bestämda ström- och spänningsvärdena och den uppmätta temperaturen, och att styra nämnda åtminstone en storhet i beroende av den uppskattade temperaturen.According to a further aspect of the invention, there is provided a method of controlling at least one quantity in a rotating synchronous electric machine, which comprises a rotor with a rotor winding and a stator with a stator winding, and the electric machine is cooled with at least one cooling medium. The method comprises the steps of determining the current through the stator winding, determining the voltage across the stator winding, determining the current through the rotor winding, measuring the temperature of the coolant and estimating at least one temperature in the electric machine by means of a theoretical model of the electric machine. determining the current and voltage values and the measured temperature, and controlling said at least one quantity in dependence on the estimated temperature.

I fallet att maskinen är en generator uppnås med ett förfarande enligt uppfinningen fördelen att mer effekt 2004 ~l0--26 16:02 V:\_NoOrganisation\OKC-; AB\PATEbIT\_NoFamily\SEE011366M011366 ApplicatiorrcextToInstructor MSD 2004-10-04 Ldoc' lO 15 20 25 30 35 rf~r rfvn 6 kan fås ur generatorn än vad som är möjligt då generatorn styrs med hjälp av märkdata, vilka definierar hur mycket aktiv effekt som kan alstras i generatorn under vissa förutbestämda förutsättningar, vilket bland annat inbe- griper att maximal mängd aktiv effekt och reaktiv effekt alstras i generatorn samtidigt, samt att kylmedietempera- turen är den maximalt tillåtna.In the case that the machine is a generator, with a method according to the invention the advantage is achieved that more power 2004 ~ l0--26 16:02 V: \ _ NoOrganisation \ OKC-; AB \ PATEbIT \ _NoFamily \ SEE011366M011366 ApplicatiorrcextToInstructor MSD 2004-10-04 Ldoc '10 15 20 25 30 35 rf ~ r rfvn 6 can be obtained from the generator than is possible as the generator is controlled by means of label data, which define how much active power which can be generated in the generator under certain predetermined conditions, which among other things means that the maximum amount of active power and reactive power is generated in the generator at the same time, and that the coolant temperature is the maximum allowed.

I fallet att maskinen är en motor uppnås med ett förfarande enligt uppfinningen fördelen att mer effekt kan fâs ur motorn än vad som är möjligt då motorn styrs med hjälp av märkdata, som definierar hur mycket aktiv effekt som motorn kan belastas med under vissa förut- bestämda förutsättningar, vilket bland annat inbegriper att maximal mängd aktiv effekt omvandlas samtidigt som maximal mängd reaktiv effekt alstras i motorn, samt att kylmedietemperaturen är den maximalt tillåtna.In the case that the machine is an engine, the method according to the invention achieves the advantage that more power can be obtained from the engine than is possible when the engine is controlled by means of rating data, which defines how much active power the engine can be loaded with under certain predetermined conditions, which among other things means that the maximum amount of active power is converted at the same time as the maximum amount of reactive power is generated in the engine, and that the coolant temperature is the maximum allowed.

I fallet att maskinen är en varvtalsstyrd motor upp- nås med ett förfarande enligt uppfinningen fördelen att mer effekt kan fås ur motorn än vad som är möjligt då motorn styrs med hjälp av märkdata, vilka definierar hur mycket aktiv effekt som motorn kan belastas med under vissa förutbestämda förutsättningar. Förutsättningarna inbegriper att maximal mängd aktiv effekt omvandlas sam- tidigt som maximal mängd reaktiv effekt alstras i motorn, samt att kylmedietemperaturen är den maximalt tillåtna.In the case that the machine is a speed-controlled motor, a method according to the invention achieves the advantage that more power can be obtained from the motor than is possible when the motor is controlled by means of rating data, which defines how much active power the motor can be loaded with during certain predetermined conditions. The conditions include that the maximum amount of active power is converted at the same time as the maximum amount of reactive power is generated in the engine, and that the coolant temperature is the maximum permitted.

Märkdata anges vanligen för några olika värden på rota- tionshastigheten.Rated data are usually given for a few different values of the rotational speed.

I fallet att maskinen är en synkronkompensator upp- nås med ett förfarande enligt uppfinningen fördelen att mer reaktiv effekt kan fås ur synkronkompensatorn än vad som är möjligt då synkronkompensatorn styrs med hjälp av märkdata, som definierar hur mycket reaktiv effekt som kan alstras i synkronkompensatorn under vissa förutbe- stämda förutsättningar, vilket bland annat inbegriper att maximal mängd reaktiv effekt alstras i synkronkom- pensatorn samt att kylmedietemperaturen är den maximalt tillåtna. 2604-10-26 16:02 V:\_NeOzga.r1isation\OKG AB\PATENT\_NcFanxily\SE\2011366\2011366 App-li-:catioritextToïnstruc-tor MSD 2004-10-04 Ldoc 10 15 20 25 30 35 r^r tvn 7 I fallet att maskinen är en frekvensomformare uppnås med ett förfarande enligt uppfinningen fördelen att mer effekt kan överföras i frekvensomformaren än vad som är möjligt då frekvensomformaren styrs med hjälp av märk- data, som definierar hur mycket aktiv effekt som kan överföras i frekvensomformaren under vissa förutbestämda förutsättningar, vilket bland annat inbegriper att maxi- mal mängd aktiv effekt och reaktiv effekt överförs i frekvensomformaren samtidigt, samt att kylmedietempera- turen är den maximalt tillåtna.In the case that the machine is a synchronous compensator, a method according to the invention achieves the advantage that more reactive power can be obtained from the synchronous compensator than is possible when the synchronous compensator is controlled by means of label data, which defines how much reactive power can be generated in the synchronous compensator. predetermined conditions, which includes, among other things, that the maximum amount of reactive power is generated in the synchronous compensator and that the coolant temperature is the maximum permitted. 2604-10-26 16:02 V: \ _ NeOzga.r1isation \ OKG AB \ PATENT \ _NcFanxily \ SE \ 2011366 \ 2011366 App-li-: catioritextToïnstruc-tor MSD 2004-10-04 Ldoc 10 15 20 25 30 35 r ^ In the case that the machine is a frequency converter, the method is achieved with a method according to the invention that more power can be transmitted in the frequency converter than is possible when the frequency converter is controlled by means of rating data, which defines how much active power can be transmitted in the frequency converter. under certain predetermined conditions, which includes, among other things, that the maximum amount of active power and reactive power are transmitted in the frequency converter at the same time, and that the coolant temperature is the maximum permitted.

Mer effekt kan alstras i respektive matas in till en elektrisk maskin enligt uppfinningen än i en maskin som enligt den kända tekniken styrs med hjälp av märkdata eftersom uppfinningen möjliggör styrning efter verkliga förhållanden, dvs man kan styra den elektriska maskinen i beroende av den verkliga kyleffekten, exempelvis beroende på kylmedietemperatur, kylmedieflöde eller kylmedietryck.More power can be generated in or fed into an electric machine according to the invention than in a machine which according to the prior art is controlled by means of rating data because the invention enables control according to real conditions, ie one can control the electric machine depending on the real cooling power. for example depending on coolant temperature, coolant flow or coolant pressure.

Genom användandet av en modell av maskinen för att styra densamma möjliggörs erhållande av en uppskattning av temperaturer i en eller flera olika punkter i den elektriska maskinen baserat på mätning och/eller beräk- ning av ström och spänning i maskinen samt tillgänglig kyleffekt. Enligt en utföringsform uppskattas tempera- turerna i punkterna. I en annan utföringsform används gränsvärden för punkterna som inte får överskridas, varvid de använda gränsvärdena säkerställer att tempera- turen inte överstiger den tillåtna i någon punkt i den elektriska maskinen.By using a model of the machine to control it, it is possible to obtain an estimate of temperatures at one or more different points in the electrical machine based on measurement and / or calculation of current and voltage in the machine and available cooling power. According to one embodiment, the temperatures in the points are estimated. In another embodiment, limit values are used for the points that must not be exceeded, the limit values used ensuring that the temperature does not exceed the permissible point at any point in the electrical machine.

När temperaturen i en elektrisk maskin varierar ut- vidgas olika delar i maskinen olika mycket. Detta leder till mekaniskt slitag jldri a4n¿¿.¿Y1§' aïï W som medför en snabbare maskinen. Enligt en utföringsform styrs den elektriska maskinen så att åtminstone en uppskattad temperatur hålls väsentligen konstant. Detta ger fördelen att livslängden på den elektriska maskinen förlängs på grund av att det mekaniska slitaget minskar. 2004-IG-26 16:02 V:\_NoOrganisation\OKG AB\PATENT\_NoFamily\SE\20ll366\2011365 Appli-.rationt-sxtTolnstructor MSD 'S004 ~ 10-04 l . dot' 10 15 20 25 30 35 rrﬂr r fr* n k... _.. u. t; 8 Enligt en utföringsform styrs den elektriska maskin- en samt kyleffekten så att vid normal drift uppskattad åtminstone en temperatur i maskinen hålls väsentligen "konstant.When the temperature in an electric machine varies, different parts of the machine expand to varying degrees. This leads to mechanical wear jldri a4n¿¿.¿Y1§ 'aïï W which results in a faster machine. According to one embodiment, the electrical machine is controlled so that at least one estimated temperature is kept substantially constant. This has the advantage that the service life of the electrical machine is extended due to the reduction in mechanical wear. 2004-IG-26 16:02 V: \ _ NoOrganisation \ OKG AB \ PATENT \ _NoFamily \ SE \ 20ll366 \ 2011365 Appli-.rationt-sxtTolnstructor MSD 'S004 ~ 10-04 l. dot '10 15 20 25 30 35 rr ﬂ r r fr * n k ... _ .. u. t; According to one embodiment, the electrical machine and the cooling power are controlled so that during normal operation at least one temperature in the machine estimated is kept substantially "constant".

Enligt en utföringsform hålls åtminstone en upp- skattad temperatur väsentligen konstant, dock tillåts den öka till ett förvalt värde för att utnyttja maskinen maximalt under viss begränsad tid varvid styrning av maskin och kyleffekt anpassas till denna driftform.According to one embodiment, at least one estimated temperature is kept substantially constant, however, it is allowed to increase to a preselected value in order to utilize the machine maximally for a certain limited time, whereby control of machine and cooling power is adapted to this mode of operation.

Den elektriska maskinen kyls med åtminstone ett kylmedium. Detta kylmedium kan vara luft, men ofta är det någon vätska eller någon gas, såsom exempelvis vätgas, som i sin tur, vanligen via en värmeväxlare kyls med vatten från en kylkälla. Enligt en utföringsform mäts temperaturen pà kylmediet från den primära kylkällan och görs styrningen av den elektriska maskinen även i bero- ende av tillgänglig kyleffekt hos kylmediet. Genom att göra den här mätningen blir det möjligt att maximera effektuttaget från maskinen genom att utnyttja variation- erna i temperaturen hos den primära kylkällan. Således blir det möjligt att utnyttja t ex det kallare havs- vattnet pà vintern till att höja effektuttaget. Enligt tidigare känd teknik har effektuttaget från en maskin styrts av märkdata, varvid en konstant maximal temperatur hos kylmediet har förutsätts. Enligt en utföringsform mäts temperaturen på kylmediet och görs styrningen av den elektriska maskinen genom att använda kunskaperna om temperaturvariationerna hos den primära kylkällan i kom- bination med tillgängligt regleromrâde i maskinens kyl- system. Genom sådan styrning kan en lägre temperatur i maskinen erhållas. En lägre temperatur i maskinen ger lägre lindningsresistanser vilket ger lägre förluster.The electric machine is cooled with at least one cooling medium. This cooling medium can be air, but often it is some liquid or some gas, such as for example hydrogen gas, which in turn, usually via a heat exchanger, is cooled with water from a cooling source. According to one embodiment, the temperature of the coolant is measured from the primary cooling source and the control of the electric machine is also made depending on the available cooling power of the coolant. By making this measurement, it becomes possible to maximize the power output from the machine by utilizing the variations in the temperature of the primary cooling source. Thus, it will be possible to use, for example, the colder seawater in winter to increase power output. According to prior art, the power output from a machine has been controlled by rating data, whereby a constant maximum temperature of the coolant has been assumed. According to one embodiment, the temperature of the refrigerant is measured and the control of the electrical machine is done by using the knowledge of the temperature variations of the primary cooling source in combination with the available control area in the cooling system of the machine. Through such control, a lower temperature in the machine can be obtained. A lower temperature in the machine results in lower winding resistances, which results in lower losses.

Enligt en annan utföringsform mäts temperaturen på den primära kylkällan och görs styrningen av aktiv och reaktiv effekt i den elektriska maskinen i beroende av temperaturen hos den primära kylkällan. 2004-10-26 16:02 V-.\_Ho-'_>r<_:ar1isation\Ol ApplicationtextTolnstrucﬁtor MSD 2004-10-04 'Ldocﬁ 10 l5 20 25 30 35 9 Reglering av kyleffekten kan exempelvis göras genom varvtalsreglering av pumpar, genom reglering av en ventil som reglerar hur mycket av det utgående kylvattnet som skall föras in som ingående kylvatten eller genom regler- ing av gastrycket i en maskin som åtminstone delvis kyls med gas.According to another embodiment, the temperature of the primary cooling source is measured and the control of active and reactive power in the electric machine is made dependent on the temperature of the primary cooling source. 2004-10-26 16:02 V -. \ _ Ho -'_> r <_: ar1isation \ Ol ApplicationtextTolnstruc ﬁ tor MSD 2004-10-04 'Ldoc ﬁ 10 l5 20 25 30 35 9 9 Control of the cooling effect can be done, for example, by speed control of pumps , by regulating a valve that regulates how much of the outgoing cooling water is to be introduced as incoming cooling water or by regulating the gas pressure in a machine that is at least partially cooled with gas.

Modellens noggrannhet kan för vissa driftfall för- bättras genom att modellen kalibreras mot en i maskinen mätt temperatur.The accuracy of the model can be improved for certain operating cases by calibrating the model to a temperature measured in the machine.

I fallet att den elektriska maskinen är en generator görs styrningen av generatorn enligt en utföringsform av uppfinningen genom styrning av åtminstone endera av den aktiva och den reaktiva effekten från generatorn.In the case that the electric machine is a generator, the control of the generator is done according to an embodiment of the invention by controlling at least either of the active and the reactive power from the generator.

Enligt en utföringsform av uppfinningen görs styr- ningen av generatorns reaktiva effekt genom att styra strömmen till rotorn.According to an embodiment of the invention, the reactive power of the generator is controlled by controlling the current to the rotor.

Vanligtvis är generatorn direkt eller indirekt ansluten till en eller flera turbiner.Usually the generator is directly or indirectly connected to one or more turbines.

Enligt en utföringsform av uppfinningen sker styr- ningen med hjälp av en första tillåten temperatur och en andra tillåten temperatur, varvid styrningen sker så att nämnda uppskattade temperatur tillåts uppnå den första tillåtna temperaturen stationärt och så att nämnda upp- skattade temperatur tillåts uppnå den andra tillåtna temperaturen endast under en förutbestämd tidsperiod.According to an embodiment of the invention, the control takes place by means of a first permissible temperature and a second permissible temperature, the control taking place so that said estimated temperature is allowed to reach the first permissible temperature stationary and so that said estimated temperature is permitted to reach the second permissible temperature. the temperature only for a predetermined period of time.

Enligt en utföringsform av uppfinningen används en flytande kapabilitetskurva som definierar hur mycket aktiv effekt och reaktiv effekt som kan tas ur maskin- en, i beroende av varandra och tillgänglig kyleffekt.According to one embodiment of the invention, a floating capacity curve is used which defines how much active power and reactive power can be taken out of the machine, depending on each other and available cooling power.

Den elektriska maskinen styrs i det här fallet så att kombinationen av reaktiv och aktiv effekt inte över- skrider kapabilitetskurvan. Man kan givetvis definiera de tillåtna effektkombinationerna på något annat sätt, men detta är ett praktiskt sätt att definiera tillåtna effekter. Detta motsvarar styrning med en första tillåten temperatur. 2004-10-26 16:02 V:\__NoOr<_xar;isation\OKG ABAPATENT\_I\1oFa1níly\SE\201l3ö6\20l1366 AppíicationtextToInstructor MSD 2004-10-04 Ldoc 10 15 20 25 30 35 r- m 'f v” f? 51 Q . ~J 10 Enligt en utföringsform av uppfinningen används en flytande dynamisk kapabilitetskurva för att styra den elektriska maskinen och dess kylning. Den dynamiska kapabilitetskurvan definierar hur mycket reaktiv effekt man kan få ut fràn den elektriska maskinen i beroende av den aktiva effekten då man tillåter temperaturen i maskinen att överstiga den temperatur som ges av märk- data. Den elektriska maskinen och dess kylning styrs så att kombinationen av reaktiv och aktiv effekt inte över- skrider den dynamiska kapabilitetskurvan. Den dynamiska kapabilitetskurvan definierar tillåtna kombinationer av aktiv och reaktiv effekt under en kort tidsperiod.The electric machine is controlled in this case so that the combination of reactive and active power does not exceed the capacity curve. You can of course define the permissible power combinations in some other way, but this is a practical way of defining permissible effects. This corresponds to control with a first permissible temperature. 2004-10-26 16:02 V: \ __ NoOr <_xar; isation \ OKG ABAPATENT \ _I \ 1oFa1níly \ SE \ 201l3ö6 \ 20l1366 AppíicationtextToInstructor MSD 2004-10-04 Ldoc 10 15 20 25 30 35 r- m 'fv ”f ? 51 Q. According to one embodiment of the invention, a floating dynamic capability curve is used to control the electric machine and its cooling. The dynamic capability curve defines how much reactive power can be obtained from the electrical machine depending on the active power when allowing the temperature in the machine to exceed the temperature given by the rating data. The electric machine and its cooling are controlled so that the combination of reactive and active power does not exceed the dynamic capability curve. The dynamic capability curve defines permissible combinations of active and reactive power over a short period of time.

Temperaturen i den elektriska maskinen överstiger inte en förutbestämd högsta tillåten temperatur så länge den dynamiska kapabilitetskurvan inte överskrids. Detta mot- svarar den ovan beskrivna styrningen med hjälp av en andra tillåten temperatur.The temperature of the electric machine does not exceed a predetermined maximum permissible temperature as long as the dynamic capacity curve is not exceeded. This corresponds to the control described above by means of a second permissible temperature.

Enligt en utföringsform styrs en generator med en flytande kapabilitetskurva i beroende av tillgänglig kyl- effekt. Då en störning kräver en högre effekt under en kort period kan en dynamisk kapabilitetskurva användas för att styra generatorn under en kort period, vilken dynamisk kapabilitetskurva är beroende av vilken tempera- tur man tillåter maskinen att nå. Tillåten temperatur kan vara anpassad efter exempelvis isolationens verkliga tem- peraturtàlighet eller väljas av maskinens användare- Det är givetvis möjligt att driva den elektriska maskinen med enbart en dynamisk kapabilitetskurva och således endast utnyttja isolationens temperaturtàlighet kortvarigt och inte utnyttja det extra utrymme som kyl- vattnets temperatur medger.According to one embodiment, a generator is controlled with a floating capacity curve depending on the available cooling power. Since a disturbance requires a higher power for a short period, a dynamic capacity curve can be used to control the generator for a short period, which dynamic capacity curve depends on which temperature the machine is allowed to reach. Permissible temperature can be adapted to, for example, the actual temperature resistance of the insulation or selected by the user of the machine. admits.

Enligt en andra aspekt av uppfinningen tillhanda- hålls en styranordning för styrning av en roterande synkron elektrisk maskin. Styranordningen utmärkes av att den innefattar signalingångar för statorström, statorspänning och kylmediumtemperatur, och av att styranordningen är anordnad att skicka ut styrsignaler '2004-10-26 16:02 V:\__NoOrganisation'\OKG AB\FATENT\__NoFan1ily\SE\2Ol1.369.2011366 ApplicatirantextToInstructor MSD 2004-10-04 Ldoc 10 15 20 25 30 35 ll för styrning av åtminstone en storhet i den elektriska maskinen i beroende av signalerna pà signalingàngarna och med hjälp av en teoretisk modell av den elektriska maskinen, vilken modell uppskattar åtminstone en temperatur i den elektriska maskinen.According to a second aspect of the invention, there is provided a control device for controlling a rotating synchronous electric machine. The control device is characterized in that it comprises signal inputs for stator current, stator voltage and coolant temperature, and in that the control device is arranged to send out control signals '2004-10-26 16:02 V: \ __ NoOrganisation' \ OKG AB \ FATENT \ __ NoFan1ily \ SE \ 2Ol1. 369.2011366 Applicator TextToInstructor MSD 2004-10-04 Ldoc 10 15 20 25 30 35 ll for controlling at least one quantity in the electrical machine depending on the signals at the signal inputs and by means of a theoretical model of the electrical machine, which model estimates at least one temperature in the electrical machine.

En sådan styranordning realiseras lämpligen med en eller flera datorer som programmeras pà lämpligt sätt, men kan givetvis även realiseras med dedicerad elektronik såsom exempelvis med en eller flera ASIC (tillämpnings- specifik integrerad krets). Givetvis kan en styranordning enligt uppfinningen även anordnas för utförande av något av de ovan beskrivna särdragen med ekvivalenta fördelar till de som beskrivits i samband med vart och ett av särdragen.Such a control device is suitably realized with one or more computers which are programmed in a suitable manner, but can of course also be realized with dedicated electronics such as, for example, with one or more ASICs (application-specific integrated circuit). Of course, a control device according to the invention can also be arranged for carrying out any of the above-described features with equivalent advantages to those described in connection with each of the features.

En anordning enligt uppfinningen för övervakning eller styrning av en roterande synkron maskin kan givet- vis även innefatta ett lagringsorgan och/eller ett pre- sentationsorgan.A device according to the invention for monitoring or controlling a rotating synchronous machine can of course also comprise a storage means and / or a presentation means.

Enligt en ytterligare aspekt av föreliggande upp- finning tillhandahålls ett minnesmedium på vilket det finns lagrat ett datorprogram för styrning av en roter- ande synkron elektrisk maskin, vilken innefattar en rotor med en rotorlindning och en stator med en statorlindning.According to a further aspect of the present invention, there is provided a memory medium on which is stored a computer program for controlling a rotating synchronous electric machine, which comprises a rotor with a rotor winding and a stator with a stator winding.

Då datorprogrammet exekveras på en dator bringar det datorn att mottaga en insignal med information om ström- men genom statorlindningen, att mottaga en insignal med information om spänningen över statorlindningen, att mottaga en insignal med information om strömmen genom rotorlindningen och att mottaga en insignal med information om kylmediumtemperaturen. Vidare bringar programmet datorn att upp katta åtminstone en temperatur i den elektriska maskinen med hjälp av en teoretisk modell av den elektriska maskinen och informationen i de mottagna insignalerna.When the computer program is executed on a computer, it causes the computer to receive an input signal with information about the current through the stator winding, to receive an input signal with information about the voltage across the stator winding, to receive an input signal with information about the current through the rotor winding and to receive an input signal with information about the coolant temperature. Furthermore, the program causes the computer to raise at least one temperature in the electrical machine by means of a theoretical model of the electrical machine and the information in the received input signals.

Enligt en ytterligare aspekt av uppfinningen till- handahàlls en elkraftproducerande anläggning, innefatt- ande en eller flera turbiner och därtill kopplade en iüßà-10-26 16:02 V:\_RoOrganisatíon\0KG AB\PATENT\_NoFamily\SE\30l1366\2011366 ApplicationtextToInstructor MSD 2004-10-G4 1.doc 10 15 20 25 30 35 12 eller flera generatorer, vilken styrs med en styranord- ning enligt ovan.According to a further aspect of the invention there is provided an electric power generating plant, comprising one or more turbines and connected thereto an application. MSD 2004-10-G4 1.doc 10 15 20 25 30 35 12 or more generators, which is controlled by a control device as above.

Ett förfarande enligt uppfinningen kan användas i en anläggning för alstring av elektrisk energi, vilken innefattar en turbin och en generator.A method according to the invention can be used in a plant for generating electrical energy, which comprises a turbine and a generator.

Den elproducerande anläggningen kan användas i kraftverk av ett stort antal olika slag såsom exempelvis gasturbinkraftverk, kärnkraftverk, oljekraftverk och Vattenkraftverk.The electricity-producing plant can be used in power plants of a large number of different types, such as gas turbine power plants, nuclear power plants, oil power plants and hydroelectric power plants.

Där mätning omnämns i detta dokument kan mätsignalen genereras av godtycklig typ av sensor, exempelvis för temperaturmätning: Pt 100 givare, LEM-moduler, etc, för strömmätning: magnetiska strömtransformatorer, optiska strömtransformatorer, strömshunt, Rogowskispolar, etc, för spänningsmätning: magnetiska spänningstransforma- torer, optiska spänningstransformatorer, kapacitiva spänningsdelare, resistiva spänningsdelare, etc.Where measurement is mentioned in this document, the measurement signal can be generated by any type of sensor, for example for temperature measurement: Pt 100 sensors, LEM modules, etc., for current measurement: magnetic current transformers, optical current transformers, current shunt, Rogowski coils, etc., for voltage measurement: magnetic voltage sensors, optical voltage transformers, capacitive voltage dividers, resistive voltage dividers, etc.

Ovanstående särdrag kan givetvis kombineras i samma utföringsform.The above features can of course be combined in the same embodiment.

I det följande kommer föredragna utföringsformer av uppfinningen att beskrivas med hänvisning till de bifogade ritningarna.In the following, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.

Kort beskrivning av ritningarna Fig 1 visar ett kraftverk enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning.Brief Description of the Drawings Fig. 1 shows a power plant according to an embodiment of the present invention.

Fig 2 visar ett flödesschema över ett förfarande enligt föreliggande uppfinning. A Fig 3 visar funktionen för en spänningsregulator enligt föreliggande uppfinning.Fig. 2 shows a flow chart of a method according to the present invention. Fig. 3 shows the function of a voltage regulator according to the present invention.

Fig 4 åskådliggör hur livslängden för en generator- isolering i princip beror pá arbetstemperaturen.Fig. 4 illustrates how the service life of a generator insulation in principle depends on the working temperature.

Fig 5 visar en generator som kan styras med ett förfarande enligt uppfinningen.Fig. 5 shows a generator which can be controlled by a method according to the invention.

Fig 6 visar ett diagram över det tillåtna reaktiva effektuttaget som funktion av det aktiva effektuttaget.Fig. 6 shows a diagram of the permitted reactive power outlet as a function of the active power outlet.

Beskrivning av föredragna utföringsformer 2004-10-26 16:02 X-":\_k~!c0xqanisation\OKG AB\PATENT\_NoFamily\5E\20l1366\2011366 ApplicationtextTolnstructor' MSD 12C1Û4-l0-04 Ldoc' 10 15 20 25 30 35 Ffäï f”*q ﬂ_M \ t .z. 13 Fig 1 visar schematiskt ett kärnkraftverk i vilket föreliggande uppfinning kan implementeras. Det i fig 1 visade kärnkraftverket är givetvis kraftigt förenklat för att tydligt åskådliggöra uppfinningen.Description of Preferred Embodiments 2004-10-26 16:02 X - ": \ _ k ~! C0xqanisation \ OKG AB \ PATENT \ _NoFamily \ 5E \ 20l1366 \ 2011366 ApplicationtextTolnstructor 'MSD 12C1Û4-l0-04 Ldoc' 10 15 20 25 30 35 Fig. 1 schematically shows a nuclear power plant in which the present invention can be implemented.The nuclear power plant shown in Fig. 1 is of course greatly simplified in order to clearly illustrate the invention.

Kärnkraftverket innefattar en reaktortank 1 med bränslestavar 2 samt styrstavar 3. I reaktortanken alstras ånga, som driver en turbin 4. Ångturbinen 4 kan innehålla flera turbiner som exempelvis en högtrycks- turbin och tre làgtrycksturbiner. Turbinen 4 driver i sin tur en generator 9 från vilken elkraft erhålls. I fig 5 visas generatorn i mera detalj. Efter att ångan har passerat turbinen 4 förs den till en kondensor 5 i vilken vattenàngan kondenserar och därefter áterförs som vatten till reaktortanken 1 med en pump 6. Kondensorn 5 kyls med vatten fràn en primär kylkälla, vilket vatten förs in till kondensorn 5 via ett första inlopp 7 och förs ut via ett första utlopp 8.The nuclear power plant comprises a reactor tank 1 with fuel rods 2 and control rods 3. Steam is generated in the reactor tank, which drives a turbine 4. The steam turbine 4 can contain several turbines such as a high-pressure turbine and three low-pressure turbines. The turbine 4 in turn drives a generator 9 from which electric power is obtained. Fig. 5 shows the generator in more detail. After the steam has passed the turbine 4, it is passed to a condenser 5 in which the water steam condenses and then returned as water to the reactor tank 1 with a pump 6. The condenser 5 is cooled with water from a primary cooling source, which water is fed to the condenser 5 via a first inlet 7 and discharged via a first outlet 8.

I fig 5 visas en generator 9 enligt en utföringsform av uppfinningen. Generatorn 9 har en rotor 60 med en rotorlindning 61 och en stator 62 med en statorlindning 63. Pilarna 64 i figuren visar hur flödet av ett av kyl- medierna är i maskinen.Fig. 5 shows a generator 9 according to an embodiment of the invention. The generator 9 has a rotor 60 with a rotor winding 61 and a stator 62 with a stator winding 63. The arrows 64 in the figure show how the flow of one of the cooling media is in the machine.

Från generatorn får man ut elektrisk energi från en anslutning vilken är markerad med U i figuren. Givetvis behöver det inte vara enfas växelspänning som kommer ut från generatorn utan det kan lika gärna vara trefas- spänning. Generatorn 9 kyls med vatten och vätgas. I ut- föringsformen som visas i figur 1 är generatorn kopplad till en första värmeväxlare 10 och en andra värmeväxlare 11 som används i var sin kylslinga. Den första värme- växlaren 10 har ett andra inlopp 12 samt ett andra utlopp 13 och den andra värmeväxlaren har ett tredje inlopp 14 samt ett tredje utlopp 15. Generatorn har en kapsling som är fylld med vätgas som kyls i den första värmeväxlaren 10. Vätgasen kyler i första hand rotorn och statorpláten.From the generator you get electrical energy from a connection which is marked with a U in the figure. Of course, it does not have to be single-phase alternating voltage that comes out of the generator, but it can just as easily be three-phase voltage. Generator 9 is cooled with water and hydrogen. In the embodiment shown in Figure 1, the generator is connected to a first heat exchanger 10 and a second heat exchanger 11 which are used in separate cooling coils. The first heat exchanger 10 has a second inlet 12 and a second outlet 13 and the second heat exchanger has a third inlet 14 and a third outlet 15. The generator has a housing which is filled with hydrogen gas which is cooled in the first heat exchanger 10. The hydrogen gas cools primarily the rotor and stator plate.

Statorlindningen kyls med vatten. I lindningen finns iüü-'hlü-ZG 16:02 V:\__No0rganisation\OKG AB\PATENT\_bIoFamily\.SE\20113ö6\2011366 Applicatiorltextïoïaxstructor MSD 2094-10-04 Lcloc: 10 15 20 25 30 35 rrwq Pffq _. _.- _' \.> . 14 kanaler genom vilka kylvattnet strömmar. Kylvattnet kyls i den andra värmeväxlaren 11.The stator winding is cooled with water. In the winding is iüü-'hlü-ZG 16:02 V: \ __ No0rganisation \ OKG AB \ PATENT \ _bIoFamily \ .SE \ 20113ö6 \ 2011366 Applicatiorltextïoïaxstructor MSD 2094-10-04 Lcloc: 10 15 20 25 30 35 rrwq Pffq _. _.- _ '\.>. 14 channels through which the cooling water flows. The cooling water is cooled in the second heat exchanger 11.

Kylverkan av det inkommande kylvattnet kan regleras med hjälp av reglerbara ventiler 16 som finns på inloppen till värmeväxlarna 10 och 11. Ventilerna 16 styrs av ett datorbaserat styrsystem 17 som även styr uteffekten fràn generatorn.The cooling effect of the incoming cooling water can be regulated by means of controllable valves 16 located on the inlets of the heat exchangers 10 and 11. The valves 16 are controlled by a computer-based control system 17 which also controls the output power from the generator.

Styrsystemet 17 är enligt en utföringsform en dator som är försedd med programvara. Styrsystemet 17 kan utgöras av flera datorer som är sammankopplade med varandra. Det är givetvis även möjligt att använda ett flertal datorer som inte är sammankopplade med varandra för att styra olika delar i kärnkraftverket.According to one embodiment, the control system 17 is a computer which is provided with software. The control system 17 can consist of several computers which are interconnected with each other. Of course, it is also possible to use a plurality of computers that are not interconnected to control different parts of the nuclear power plant.

I fig 2 visas ett schema som åskådliggör funktionen hos ett styrsystem för styrning av en generator och dess tillhörande kylsystem enligt uppfinningen. Styrsystemet har en styrmodul 30 som har en första signalingàng 31 för aktiv effekt, en andra signalingáng 32 för reaktiv effekt, en första spänningssignalingång 33 som matas med en signal från en spänningsomvandlare 34, en rotorström- signalingàng 35 för en rotorströmsignal, vilken är an- ordnad att matas med en signal fràn en rotorströmomvand- lare 36. Styrsystemet har vidare en statorströmsignal- ingång 70 som är anordnad att matas med en signal från en statorströmomvandlare 71. Styrsystemet har vidare en temperatursignalingång 37 för en temperatursignal som kommer från en temperaturomvandlare 38. Styrsystemet har en första beräkningsenhet 41 för aktiv effekt som är kopplad till en statorströmomvandlare 71 och en stator- spänningsomvandlare 72 och en andra beräkningsenhet 42 för reaktiv effekt som är kopplad till statorströmom- vandlaren 71 och statorspänningsomvandlaren 72. Dessutom har styrmodulen 17 en första kylsignalingång 39 för en signal med information om temperaturen på kylvattnet som kommer in i den första värmeväxlaren 10 i fig 1 och en andra kylsignalingàng 40 för en signal med information om LÉ°04-~l0--26 16:02 V:\_NoO1:gar;isa1:ion\0KG AB\PATENT\__bloF-an1ily\SE\20l1.366\20l1366 ApplicationtextTolzistructor MSD 3004-10-04 Ldoc 10 15 20 25 30 35 15 temperaturen på vattnet som kommer in i den andra värme- växlaren ll i fig l.Fig. 2 shows a diagram illustrating the operation of a control system for controlling a generator and its associated cooling system according to the invention. The control system has a control module 30 which has a first signal input 31 for active power, a second signal input 32 for reactive power, a first voltage signal input 33 which is supplied with a signal from a voltage converter 34, a rotor current signal input 35 for a rotor current signal which is arranged to be supplied with a signal from a rotor current converter 36. The control system further has a stator current signal input 70 which is arranged to be supplied with a signal from a stator current converter 71. The control system further has a temperature signal input 37 for a temperature signal coming from a temperature converter 38. The control system has a first active power calculation unit 41 connected to a stator current converter 71 and a stator voltage converter 72 and a second reactive power calculation unit 42 which is connected to the stator current converter 71 and the stator voltage converter 72. In addition, the control module 17 has a first cooling signal input 39 for a signal with information about the temperature of the refrigerator the water entering the first heat exchanger 10 in Fig. 1 and a second cooling signal input 40 for a signal with information on LÉ ° 04- ~ l0--26 16:02 V: \ _ NoO1: gar; isa1: ion \ 0KG AB \ PATENT \ __ bloF-an1ily \ SE \ 20l1.366 \ 20l1366 ApplicationtextTolzistructor MSD 3004-10-04 Ldoc 10 15 20 25 30 35 15 the temperature of the water entering the second heat exchanger ll in fig.

Den aktiva effekten beräknas i den första beräk- ningsenheten 41, vilken är kopplad till såväl stator- strömmen som till statorspänningen. Den reaktiva effekt- en beräknas pà motsvarande sätt i den andra beräknings- enheten 42, vilken är kopplad till såväl statorspänningen som statorströmmen. Beräkningen av den aktiva effekten och den reaktiva effekten kan göras på något av ett fler- tal för fackmannen välkända sätt, vilka inte kommer att beskrivas närmare här.The active power is calculated in the first calculation unit 41, which is connected to both the stator current and the stator voltage. The reactive power is calculated correspondingly in the second calculation unit 42, which is connected to both the stator voltage and the stator current. The calculation of the active effect and the reactive effect can be done in any of a number of ways well known to those skilled in the art, which will not be described in more detail here.

I fig 2 finns det även en varvtalsomvandlare 43 som mäter varvtalet pà rotorn och som matar ut en varvtals- signal till en varvtalssignalingång 44 på styrmodulen.In Fig. 2, there is also a speed converter 43 which measures the speed of the rotor and which outputs a speed signal to a speed signal input 44 on the control module.

I applikationer med liten varvtalsvariation är det emel- lertid möjligt att utesluta varvtalsomvandlaren utan att funktionen hos styrsystemet försämras i någon större grad. I styrmodulen finns det dessutom ett minne 45 i vilket det finns lagrat en teoretisk modell av den elektriska maskinen. I minnet 45 finns det dessutom lagrat information om vilka temperaturer som är tillåtna i olika delar av maskinen.In applications with a small speed variation, however, it is possible to exclude the speed converter without the function of the control system deteriorating to any great extent. In the control module there is also a memory 45 in which a theoretical model of the electrical machine is stored. In the memory 45 there is also stored information about which temperatures are allowed in different parts of the machine.

Med hjälp av alla de signaler som kommer in till datorn och den information som finns lagrad i minnet, är det möjligt för styrmodulen att styra generatorn och dess kylning så att temperaturen i de olika delarna i generatorn hålls under förutbestämda gränser. De förut- 'bestämda gränserna för generatorns olika delar beror på de material som finns i de olika delarna i generatorn.With the help of all the signals coming into the computer and the information stored in the memory, it is possible for the control module to control the generator and its cooling so that the temperature in the various parts of the generator is kept below predetermined limits. The predetermined limits for the different parts of the generator depend on the materials present in the different parts of the generator.

I fig 3 visas en automatisk spänningsregulatormodul enligt uppfinningen. Spänningsregulatorn får insignaler från styrmodulen 17 som visas i fig 2. En första utgång 46 på styrmodulen 17 är kopplad till statorströmbegräns- aren 47, en andra utgàng 48 pà styrmodulen 17 är kopplad till rotorströmbegränsaren 49 och en tredje utgång 50 på styrmodulen 17 är kopplad till spänningsregulatorn 51. 2004-10-26 16:02 V:\__No0rganisation\OKG AB\PATENT\__NoFarnily\SE\2Ull366\2011366 ApplicationtextToïnstrucﬁ:or bISD 2004-10-04 Ldoc: 10 15 20 25 30 35 F f\íf F' ”7fW \_; __ -.' u, . -i 16 Spänningsregulatorn 51 har en utgång som är kopplad till generatorn för styrning av magnetiseringen av densamma.Fig. 3 shows an automatic voltage regulator module according to the invention. The voltage regulator receives inputs from the control module 17 shown in Fig. 2. A first output 46 of the control module 17 is connected to the stator current limiter 47, a second output 48 of the control module 17 is connected to the rotor current limiter 49 and a third output 50 of the control module 17 is connected to voltage regulator 51. 2004-10-26 16:02 V: \ __ No0rganisation \ OKG AB \ PATENT \ __ NoFarnily \ SE \ 2Ull366 \ 2011366 ApplicationtextToïnstruc ﬁ: or bISD 2004-10-04 Ldoc: 10 15 20 25 30 35 F f \ íf F '”7fW \ _; __ -. ' u,. The voltage regulator 51 has an output which is connected to the generator for controlling the magnetization thereof.

I fig 4 visas ett diagram över livslängden hos isolationen i en generator som funktion av temperaturen hos isolationen. Såsom framgår av figuren har en mica- baserad generatorisolation en livslängd på cirka 105 år vid en temperatur av 50°C. Livslängden förkortas med ungefär en faktor 2 om temperaturen ökar med lO°C. Av figuren framgår att isolationens livslängd är cirka 40 år vid en temperatur av 155°C. 40 år anses vara en tillräck- lig livstid för en generator och l55°C används därför som gränsvärde för den sortens isolering. Om man kortvarigt överskrider gränsvärdet kommer livslängden att förkortas i proportion till tidsperioden som isolationen har den höga temperaturen.Fig. 4 shows a diagram of the service life of the insulation in a generator as a function of the temperature of the insulation. As can be seen from the figure, a mica-based generator insulation has a service life of approximately 105 years at a temperature of 50 ° C. The service life is shortened by approximately a factor of 2 if the temperature increases by 10 ° C. The figure shows that the service life of the insulation is approximately 40 years at a temperature of 155 ° C. 40 years is considered to be a sufficient life for a generator and l55 ° C is therefore used as a limit value for that type of insulation. If the limit value is briefly exceeded, the service life will be shortened in proportion to the time period during which the insulation has the high temperature.

I fig 6 visas ett diagram över det tillåtna reaktiva effektuttaget som funktion av det tillåtna aktiva effekt- uttaget. Den heldragna linjen 55 visar vilka effektuttag som är möjliga om man iakttar de begränsningar som ges av märkdata på maskinen, medan den första streckade linjen 56 visar vilka effektuttag som är möjliga i fallet att man låter maskintemperaturen som funktion av en lägre kylmedietemperatur styra tillåtet effektuttag. Den andra streckade linjen 57 visar vilket effektuttag som är möjligt under en begränsad tidsperiod, såsom exempelvis 15 minuter, i fallet att man tillåter temperaturen att nå upp till dimensionerande värden för isolationens tem- peraturklass. Genom att man i styrmodulen 17 hela tiden beräknar uppskattade temperaturer i generatorn 9 möjlig- görs optimal styrning av generatorn så att generatorns 9 drift optimeras.Fig. 6 shows a diagram of the permitted reactive power outlet as a function of the permitted active power outlet. The solid line 55 shows which power outlets are possible if one observes the limitations given by rated data on the machine, while the first dashed line 56 shows which power outlets are possible in the case of letting the machine temperature as a function of a lower refrigerant temperature control permissible power outlets. The second dashed line 57 shows what power output is possible for a limited period of time, such as for example 15 minutes, in the case of allowing the temperature to reach up to dimensioning values for the temperature class of the insulation. By constantly calculating estimated temperatures in the generator 9 in the control module 17, optimal control of the generator is made possible so that the operation of the generator 9 is optimized.

Beräkningen av temperaturer i generatorn görs enligt den här utföringsformen med hjälp av en teoretisk modell av maskinen, med vars hjälp man kan beräkna icke mätbara temperaturer i generatorn utgående från generatoreffekt och kylmedietemperatur och/eller kyleffekt. 2004-lü-26 16:02 U:\_HoOrganisation\OKG AB\PATENT\_NoFamily\SE\201l366\201l366 App1icatioritextToInstrutctor I-ist: 2004-10-04 Ldoc 10 l5 _20 25 30 35 F fï Ü '\ rfvn 17 Den maximalt tillåtna temperaturen i generatorn beror givetvis på vilken sorts isolation som använts i generatorn.The calculation of temperatures in the generator is done according to this embodiment by means of a theoretical model of the machine, by means of which non-measurable temperatures in the generator can be calculated on the basis of generator power and coolant temperature and / or cooling power. 2004-lü-26 16:02 U: \ _ HoOrganisation \ OKG AB \ PATENT \ _NoFamily \ SE \ 201l366 \ 201l366 App1icatioritextToInstrutctor I-ist: 2004-10-04 Ldoc 10 l5 _20 25 30 35 F fï Ü '\ rfvn 17 Den The maximum permissible temperature in the generator obviously depends on the type of insulation used in the generator.

Genom att mäta belastningen och kylmedietemperatur kan temperaturen på olika delar i maskinen således be- räknas med hjälp av den teoretiska modellen av maskinen som finns lagrad i styrmodulens 17 minne 45. Detta inne- bär att maskinen under de allra flesta driftförhàllanden kontinuerligt kan belastas högre än vad som anges av märkdata för maskinen, utan att maximalt tillåten tem- peratur för någon del av maskinen överskrids. Man ut- nyttjar på det här sättet det ytterligare utrymme som ges av att en lägre kylmedietemperatur medför en bättre kylning vilket kan användas för att belasta maskinen hårdare.By measuring the load and coolant temperature, the temperature of different parts of the machine can thus be calculated using the theoretical model of the machine stored in the memory 45 of the control module 17. This means that under most operating conditions the machine can be continuously loaded higher than what is stated in the rating data for the machine, without exceeding the maximum permissible temperature for any part of the machine. In this way, the additional space provided by a lower coolant temperature results in better cooling, which can be used to load the machine harder.

Den maximalt tillåtna temperaturen för maskiner är ofta satt vid ett lägre värde än vad som ges av de ingå- ende komponenterna för att ge en större säkerhetsmarginal och en längre livslängd. För en maskin som är lindad med en lindning som skall tåla en temperatur på l55°C är det exempelvis vanligt att märkdata är baserade på en högsta tillåten lindningstemperatur på l30°C. Genom att kort- varigt (t ex 15 min) tillåta lindningstemperaturen att stiga till l55°C kan maskinen ges dynamiska data som innebär väsentligt högre belastning än vad märkdata an- ger. Under förutsättning att denna dynamiska kapacitet inte nyttjas alltför ofta under maskinens livslängd pá- verkas dess livslängd ytterst marginellt.The maximum permissible temperature for machines is often set at a lower value than that given by the components included to provide a larger safety margin and a longer service life. For a machine that is wound with a winding that must withstand a temperature of l55 ° C, for example, it is common for rating data to be based on a maximum permissible winding temperature of l30 ° C. By allowing the winding temperature to rise to l55 ° C for a short time (eg 15 minutes), the machine can be given dynamic data that entails a significantly higher load than the rated data indicates. Provided that this dynamic capacity is not used too often during the service life of the machine, its service life is extremely marginally affected.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna utan kan modifieras på ett flertal sätt inom ramen för de vidhängande patentkraven.The invention is of course not limited to the embodiments described above but can be modified in a number of ways within the scope of the appended claims.

Exempelvis är det givetvis möjligt att använda sig av en beräkningsanordning baserad på diskreta komponenter istället för att använda en vanlig dator programmerad med ett datorprogram.For example, it is of course possible to use a computing device based on discrete components instead of using an ordinary computer programmed with a computer program.

Givetvis är det möjligt att låta generatorn arbeta vid den högre temperaturen under mer än 15 minuter. 2004-10-26 16:02 V:\_NoOrganisation\OKG AB\FATENT\_NoFamily\SE\20l1366\2011356 ApplicatiantextToInstructor MSD 2004-10-04 Ldoc - 10 15 20 25 r rwﬁ- f- ry lfﬁ ~_./ 18 Den högre temperaturen kan alternativt bestämmas av operatören av generatorn och inte av temperaturgränser som satts för isolationen. En generators ägare kan då ställa den förkortade livslängden i relation till ökade intäkter för att kortvarigt driva den elektriska maskinen vid högre temperatur.Of course, it is possible to let the generator operate at the higher temperature for more than 15 minutes. 2004-10-26 16:02 V: \ _ NoOrganisation \ OKG AB \ FATENT \ _NoFamily \ SE \ 20l1366 \ 2011356 ApplicatiantextToInstructor MSD 2004-10-04 Ldoc - 10 15 20 25 r rw ﬁ- f- ry lf ﬁ ~ _. / 18 The higher temperature can alternatively be determined by the operator by the generator and not by temperature limits set for the insulation. The owner of a generator can then set the shortened service life in relation to increased revenues to operate the electric machine at a higher temperature for a short time.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna utan kan modifieras pà ett flertal sätt inom ramen för de vidhängande patentkraven.The invention is of course not limited to the embodiments described above but can be modified in a number of ways within the scope of the appended claims.

Exempelvis kan temperaturuppskattning användas för enbart övervakning i syfte att säkerställa maskinens livslängd eller för planering av underhåll. Övervakning och styr- ning kan också ske via någon form av kommunikation från annan plats än där maskinen är uppställd.For example, temperature estimation can be used for monitoring purposes only for the purpose of ensuring the life of the machine or for planning maintenance. Monitoring and control can also take place via some form of communication from a place other than where the machine is set up.

Det är exempelvis givetvis möjligt att styra och övervaka en maskin pà avstånd från maskinen genom att W exempelvis använda webben för att skicka information till och från maskinen.For example, it is of course possible to control and monitor a machine remotely from the machine by, for example, using the web to send information to and from the machine.

I Även om utföringsexemplen ovan har haft sin utgångs- punkt i en turbin kopplad till en generator inser fack- mannen att förfarandet enligt uppfinningen även kan tillämpas på andra synkronmaskiner såsom synkronkompensa- torer, motorer eller frekvensomformare. 2004-10-26 16:02 *J:\__woorgan1sarion\0KG AB\PATENT\_NoFamily\SE\20ll3ö6\2011366 ApplicationtextToInstructor MSD 3004-10-04 Ldcc.Although the above embodiments have been based on a turbine connected to a generator, the person skilled in the art realizes that the method according to the invention can also be applied to other synchronous machines such as synchronous compensators, motors or frequency converters. 2004-10-26 16:02 * J: \ __ woorgan1sarion \ 0KG AB \ PATENT \ _NoFamily \ SE \ 20ll3ö6 \ 2011366 ApplicationtextToInstructor MSD 3004-10-04 Ldcc.

Claims

10 15 20 25 30 35 19 PATENT REQUIREMENTS

A method of monitoring a rotating synchronous electric machine (9), comprising a rotor having a rotor winding and a stator having a stator winding, the electric machine being cooled by at least one cooling medium, the method comprising the steps of determining the current through the stator winding. , the voltage across the stator winding, the current through the rotor winding, to determine to determine the temperature of the coolant, and to estimate the temperature at at least two points in the electric machine (9) by means of a theoretical model of the electric machine, the determined current and the voltage values and the measured temperature of the refrigerant. '

A method according to claim 1, wherein the method also comprises the step of measuring the temperature at at least one point in the machine and wherein the estimation of the temperature in the points is also made depending on the measured temperature.

A method according to claim 1 or 2, which also comprises the step of measuring the rotational speed of the rotor and wherein the estimation of the temperature is also made in dependence on the measured rotational speed.

A method for controlling at least one quantity in a rotating synchronous electric machine (9), which comprises a rotor with a rotor winding and a stator with a stator winding, and the electric machine is cooled with at least scar coolant _--., the method comprises the steps of determining the current through the stator winding, determining the voltage across the stator winding, determining the current through the rotor winding, measuring the temperature of the coolant, 2004-10-26 16:02 V: \ _ NoOrganisation \ OKG AB \ E'ATENT \ _NoFamily \ SE \ LÉOl1366 \ 2Û11366 Applicationtexi ﬂ oïnstructor * MSD 2004-10-04 Ldoc '10 15 20 25 30 35 r rxvf e- rg ry J = 20 to estimate the temperature at at least two points in the electrical machine (9) using a theoretical model of the electric machine in dependence on the determined current and voltage values and the measured temperature of the refrigerant, and in controlling said at least one quantity in dependence on the estimated temperatures and by means of the theoretical model of the electric machine.

The method of claim 4, wherein the controlling said at least one quantity comprises controlling so that at least one of said at least two estimated temperatures is kept substantially constant.

A method according to claim 4 or 5, wherein the method also comprises the step of measuring the temperature at at least one point in the stator and wherein the control of said at least one quantity is also done depending on the measured temperature.

A method according to any one of claims 4-6, which also comprises the step of measuring the temperature of the medium surrounding the electric machine and wherein the control of said at least one quantity is also done depending on the measured ambient temperature.

A method according to any one of claims 4-7, wherein the control of said at least one quantity comprises controlling the current to the rotor.

A method according to any one of claims 4-8, wherein the control of said at least one quantity comprises control of applied cooling power.

A method according to any one of claims 4-9, wherein the electric machine is a generator and wherein the control of said at least one quantity comprises control of applied power.

11. ll. A method according to any one of claims 4-9, wherein the electric machine is an electric motor and wherein the control of the electric motor comprises control of the load. 2004-10-26 16:02 V: \ _ I \ 1oOrganisation \ OKG AB \ E'A'IENT \ __ I ~ leE'amily \ 5E \ 201l366 \ 20l1366 ApplicationteztToInstructor MSD 2004-10-04 l.doc 10 15 20 25 30 35 F 'FX ï: F' VE 'Ü 21

A method according to any one of claims 4-11, wherein the control takes place by means of a first permissible temperature and a second permissible temperature, wherein the control takes place so that said estimated temperatures are allowed to reach the first permissible temperature stationary and so that said estimated temperatures is allowed to reach the second allowable temperature only for a predetermined period of time.

13. l3. Control device for controlling a rotating synchronous electric machine, characterized in that the electric machine is cooled by at least one cooling medium, the coolant temperature being measured, in that it comprises at least signal inputs for stator current, stator voltage, rotor current and coolant temperature, and in that the control device is arranged to send out control signals for controlling at least one quantity in the electric machine depending on the signals on the signaling inputs and by means of a model of the electric machine, which model estimates the temperature at at least two points in the electric machine.

14. A device for monitoring a rotating synchronous electric machine, characterized in that the electric machine is cooled by at least one cooling medium, the temperature of the cooling medium being measured, in that it comprises at least signal inputs for stator current, stator voltage, rotor current and coolant temperature, and in that the control device is arranged to estimate the temperature at at least two points in the electrical machine depending on the signals at the signal inputs and by means of a theoretical model of the electrical machine. of that

The device of claim 14, further comprising a storage means, wherein the estimated temperatures are stored on the storage means. 2004-10-26 16:02 V: \ _ NoOrganisation \ OKG AB \ PATENT \ _NoFanülyXSEXZOI13E6 \ 2011366 ApplicationtextToInstructor MSD 2004-10-04 l.doc 10 15 20 25 30 35 rf ~ P r '~ fw 22

Device according to claim 14 or 15, which also comprises a display means on which the estimated temperatures are presented.

A power plant for generating electrical energy comprising a turbine and a generator connected thereto, and a control device according to claim 13.

Synchronous compensator for synchronous compensation, which is controlled by a control device according to claim 13.

Use of a method according to any one of claims 1-12 in a power plant for generating electrical energy, which power plant comprises a turbine and a generator connected thereto.

Use of a method according to any one of claims 4-12 for controlling an electric synchronous motor.

A memory medium on which is stored a computer program for controlling a rotating synchronous electric machine, which comprises a rotor with a rotor winding and a stator with a stator winding, and the electric machine is cooled with at least one cooling medium, characterized in that the computer program when executed on a computer causes the computer to receive an input signal with information about the current through the stator winding, to receive an input signal with information about the voltage across the stator winding, to receive an input signal with information about the current through the rotor winding, to receive an input signal with information about the coolant temperature, and to estimate the temperature in the electric machine by means of a theoretical model of the electric machine and the information in the received input signals.

The memory medium according to claim 21, wherein the computer program when executed on a computer is further arranged to cause the computer to send an output signal for 2004-10-26 16:03 V: Mbloürgarlisationwiâß AB \ PATENT \ __ NoFamilyKSK-ZEG11366M29] 1366 ApplicationtextToInstrucftor 10-04 Lcšoc F fä f P rvfq 23 control of the electrical machine depending on the estimated temperatures. QGG4-10-26 16:02 V: \ _ NoOrganisetion \ OKG AB \ PATENT \ _NoEamily \ SE \ 2D11366 \ 201l3¿6 ApplicationtextToInstruc-tcr MSD 3004-10-04 Ldoc