SE525570C2 - Roterande elektrisk maskin, som styrs med hänsyn till dess temperatur - Google Patents

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.

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.

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.

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.

Alternativt kan en mellankylkrets finnas som då även kan användas för kylning av andra system såsom exempelvis magnetiseringssystem.

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.

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.

I det amerikanska patentet US 5,32l,308 beskrivs en styrmetod och en styranordning för en 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.

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.

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.

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.

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.

En anordning, ett förfarande och en anläggning en- ligt uppfinningen definieras i de oberoende patentkraven.

Ytterligare särdrag hos uppfinningen framgår av de bero- ende patentkraven.

I det följande kommer olika aspekter av uppfinningen att beskrivas tillsammans med de fördelar man uppnår med uppfinningen.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Märkdata anges vanligen för några olika värden på rota- tionshastigheten.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Modellens noggrannhet kan för vissa driftfall för- bättras genom att modellen kalibreras mot en i maskinen mätt temperatur.

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.

Enligt en utföringsform av uppfinningen görs styr- ningen av generatorns reaktiva effekt genom att styra strömmen till rotorn.

Vanligtvis är generatorn direkt eller indirekt ansluten till en eller flera turbiner.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Ett förfarande enligt uppfinningen kan användas i en anläggning för alstring av elektrisk energi, vilken innefattar en turbin och en generator.

Den elproducerande anläggningen kan användas i kraftverk av ett stort antal olika slag såsom exempelvis gasturbinkraftverk, kärnkraftverk, oljekraftverk och Vattenkraftverk.

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.

Ovanstående särdrag kan givetvis kombineras i samma utföringsform.

I det följande kommer föredragna utföringsformer av uppfinningen att beskrivas med hänvisning till de bifogade ritningarna.

Kort beskrivning av ritningarna Fig 1 visar ett kraftverk enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning.

Fig 2 visar ett flödesschema över ett förfarande enligt föreliggande uppfinning. A Fig 3 visar funktionen för en spänningsregulator enligt föreliggande uppfinning.

Fig 4 åskådliggör hur livslängden för en generator- isolering i princip beror pá arbetstemperaturen.

Fig 5 visar en generator som kan styras med ett förfarande enligt uppfinningen.

Fig 6 visar ett diagram över det tillåtna reaktiva effektuttaget som funktion av det aktiva effektuttaget.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna utan kan modifieras på ett flertal sätt inom ramen för de vidhängande patentkraven.

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.

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.

Uppfinningen är givetvis inte begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna utan kan modifieras pà ett flertal sätt inom ramen för de vidhängande patentkraven.

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.

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.

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.

Claims (22)

10 15 20 25 30 35 19 PATENTKRAV

1. l. Förfarande för övervakning av en roterande synkron elektrisk maskin (9), vilken innefattar en rotor med en rotorlindning och en stator med en statorlindning, varvid den elektriska maskinen kyls av åtminstone ett kylmedium, varvid förfarandet innefattar stegen att bestämma strömmen genom statorlindningen, spänningen över statorlindningen, strömmen genom rotorlindningen, att bestämma att bestämma att mäta temperaturen på kylmediet, och att uppskatta temperaturen i åtminstone tvâ punkter i den elektriska maskinen (9) med hjälp av en teoretisk modell av den elektriska maskinen, de bestämda ström- och spänningsvärdena och den uppmätta temperaturen pà kylmediet. '

2. Förfarande enligt patentkrav 1, varvid förfar- andet även innefattar steget att mäta temperaturen i átminstone en punkt i maskinen och varvid uppskattningen av temperaturen i punkterna även görs i beroende av den uppmätta temperaturen.

3. Förfarande enligt patentkrav 1 eller 2, vilket även innefattar steget att mäta rotorns rotationshastig- het och varvid uppskattningen av temperaturen även görs i beroende av den uppmätta rotionshastigheten.

4. Förfarande för styrning av åtminstone en storhet i en roterande synkron elektrisk maskin (9), vilken inne- fattar en rotor med en rotorlindning och en stator med en statorlindning, och den elektriska maskinen kyls med åtminstone arr kylmedium _-- ., varvid förfarandet innefattar stegen att bestämma strömmen genom statorlindningen, att bestämma spänningen över statorlindningen, att bestämma strömmen genom rotorlindningen, att mäta temperaturen pá kylmediet, 2004-10-26 16:02 V:\_NoOrganisation\OKG AB\E'ATENT\_NoFamily\SE\LÉOl1366\2Û11366 Applicationtexifloïnstructor* MSD 2004-10-04 Ldoc' 10 15 20 25 30 35 r rxvf e- rg ry J = 20 att uppskatta temperaturen i åtminstone två punkter i den elektriska maskinen (9) med hjälp av en teoretisk modell av den elektriska maskinen i beroende av de bestämda ström- och spänningsvärdena och den uppmätta temperaturen på kylmediet, och att styra nämnda åtminstone en storhet i beroende av de uppskattade temperaturerna och med hjälp av den teoretiska modellen av den elektriska maskinen.

5. Förfarande enligt patentkrav 4, varvid styrningen av nämnda åtminstone en storhet innefattar styrning så att åtminstone en av nämnda åtminstone två uppskattade temperaturer hålls väsentligen konstant.

6. Förfarande enligt patentkrav 4 eller 5, varvid förfarandet även innefattar steget att mäta temperaturen i åtminstone en punkt i statorn och varvid styrningen av nämnda åtminstone en storhet även görs i beroende av den uppmätta temperaturen.

7. Förfarande enligt något av patentkraven 4-6, vilket även innefattar steget att mäta temperaturen på det medium som omger den elektriska maskinen och varvid styrningen av nämnda åtminstone en storhet även görs i beroende av den uppmätta omgivningstemperaturen.

8. Förfarande enligt något av patentkraven 4-7, varvid styrningen av nämnda åtminstone en storhet inne- fattar styrning av strömmen till rotorn.

9. Förfarande enligt något av patentkraven 4-8, varvid styrningen av nämnda åtminstone en storhet inne- fattar styrning av tillförd kyleffekt.

10. Förfarande enligt något av patentkraven 4-9, varvid den elektriska maskinen är en generator och varvid styrningen av nämnda åtminstone en storhet innefattar styrning av tillförd effekt.

11. ll. Förfarande enligt något av patentkraven 4-9, varvid den elektriska maskinen är en elmotor och varvid styrningen av elmotorn innefattar styrning av belast- ningen. 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

12. Förfarande enligt något av patentkraven 4-ll, varvid styrningen sker med hjälp av en första tillåten temperatur och en andra tillåten temperatur, varvid styr- ningen sker så att nämnda uppskattade temperaturer tillåts uppnà den första tillåtna temperaturen stationärt och så att nämnda uppskattade temperaturer tillåts uppnå den andra tillåtna temperaturen endast under en förutbestämd tidsperiod.

13. l3. Styranordning för styrning av en roterande synkron elektrisk maskin, k ä n n e t e c k n a d av att den elektriska maskinen är kyld av åtminstone ett kylmedium, varvid kylmediets temperatur mäts, av att den åtminstone innefattar signalingàngar för statorström, statorspänning, rotorström och kylmediumtemperatur, och av att styranordningen är anordnad att skicka ut styrsignaler för styrning av åtminstone en storhet i den elektriska maskinen i beroende av signalerna på signalingángarna och med hjälp av en modell av den elektriska maskinen, vilken modell uppskattar temperaturen i åtminstone två punkter i den elektriska maskinen.

14. Anordning för övervakning av en roterande synkron elektrisk maskin, k ä n n e tße c k n a d den elektriska maskinen är kyld av åtminstone ett kylmedium, varvid kylmediets temperatur mäts, av att den åtminstone innefattar signalingàngar för statorström, statorspänning, rotorström och kylmediumtemperatur, och av att styranordningen är anordnad att uppskatta temperaturen i åtminstone två punkter i den elektriska maskinen i beroende av signalerna på signalingångarna och med hjälp av en teoretisk modell av den elektriska maskinen. av att

15. Anordning enligt patentkrav 14, vilken även innefattar ett lagringsorgan, varvid de uppskattade temperaturerna lagras på lagringsorganet. 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

16. Anordning enligt patentkrav 14 eller 15, vilken även innefattar ett presentationsorgan på vilket de upp- skattade temperaturerna presenteras.

17. Kraftverk för generering av elenergi innefatt- ande en turbin och en därtill kopplad generator, och en styranordning enligt patentkrav 13.

18. Synkronkompensator för synkronkompensering, vilken styrs med en styranordning enligt patentkrav 13.

19. Användning av ett förfarande enligt nágot av patentkraven 1-12 i ett kraftverk för generering av elenergi, vilket kraftverk innefattar en turbin och en därtill kopplad generator.

20. Användning av ett förfarande enligt något av patentkraven 4-12 för styrning av en elektrisk synkron- motor.

21. Minnesmedium pà vilket finns lagrat ett dator- program för styrning av en roterande synkron elektrisk maskin, vilken innefattar en rotor med en rotorlindning och en stator med en statorlindning, och den elektriska maskinen är kyld med åtminstone ett kylmedium, k ä n n e t e c k n a t av att datorprogrammet då det exekveras på en dator bringar datorn att mottaga en insignal med information om strömmen genom statorlindningen, att mottaga en insignal med information om spänning- en över statorlindningen, att mottaga en insignal med information om strömmen genom rotorlindningen, att mottaga en insignal med information om kylmediumtemperaturen, och att uppskatta temperaturen i i den elektriska maskinen med hjälp av en teoretisk modell av den elektriska maskinen och informationen i de mottagna insignalerna.

22. Minnesmedium enligt patentkrav 21, varvid datorprogrammet då det exekveras pà en dator vidare är anordnat att bringa datorn att skicka en utsignal för 2004-10-26 16:03 V:Mbloürgarlisationwiâß AB\PATENT\__NoFamilyKSK-ZEG11366M29]1366 ApplicationtextToInstrucftor MSD 2004-10-04 Lcšoc F fä f P rvfq 23 styrning av den elektriska maskinen i berøende av de uppskattade temperaturerna. QGG4-10-26 16:02 V:\_NoOrganisetion\OKG AB\PATENT\_NoEamily\SE\2D11366\201l3¿6 ApplicationtextToInstruc-tcr MSD 3004-10-04 Ldoc