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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anfahren einer Kraftwerksturbine,
und zwar der Pumpturbine eines Pumpspeicherkraftwerks in die Turbinendrehrichtung.
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Pumpturbinen
von Pumpspeicherkraftwerken weisen zwei Betriebsmodi auf, nämlich einen Turbinenbetrieb
und einen Pumpbetrieb. Im Pumpbetrieb pumpt die Turbine Wasser aus
einem Unterbecken in ein Oberbecken und wird dafür durch eine elektrische Maschine,
welche in Triebverbindung mit der Pumpturbine steht, angetrieben.
Die elektrische Maschine wird aus dem (öffentlichen) Stromnetz gespeist,
das heißt
mit elektrischer Leistung versorgt.
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Im
Turbinenbetrieb hingegen treibt das Arbeitsmedium der Pumpturbine,
das heißt
Wasser, welches aus dem Oberbecken durch die Turbine in das Unterbecken
strömt,
die Turbine an, welche eine entsprechende Leistung auf die elektrische
Maschine überträgt. Die
elektrische Maschine wandelt die Antriebsleistung in elektrische
Leistung um und speist diese ins Stromnetz. Somit arbeitet die elektrische Maschine
einmal als Motor und einmal als Generator. Sie wird daher auch als
Motor-Generator bezeichnet.
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Pumpspeicherkraftwerke
werden für
den Ausgleich von Lastspitzen im Stromnetz herangezogen. Wenn beispielsweise
die vorgegebene Netzfrequenz des Stromnetzes (in Europa 50 Hz) um
ein vorgegebenes Ausmaß absinkt,
beispielsweise aufgrund eines Ausfalls eines thermischen Kraftwerks im
Netz oder durch plötzliches
Einschalten besonders vieler oder energieintensiver Verbraucher,
muss die Pumpturbine möglichst
schnell in die Lage versetzt werden, Turbinenleistung zu liefern,
um das Netz zu unterstützen.
Es ist daher wünschenswert, dass
die Pumpturbine eines Pumpspeicherkraftwerks möglichst schnell in den Turbinenbetrieb
versetzt werden kann.
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Herkömmlich sind
für das
Anfahren in den Pumpbetrieb eine Vielzahl von Möglichkeiten bekannt. Alle Anfahrvorgänge weisen
gemeinsam auf, dass die elektrische Maschine auf eine Synchrondrehzahl
entsprechend der vorgegebenen Netzfrequenz gebracht werden muss,
um dann direkt mit maximaler Leistung aus dem Netz gespeist zu werden
und so die Pumpturbine mit maximaler Leistung im Pumpbetrieb anzutreiben.
Zum Anfahren der elektrischen Maschinen werden sogenannte Anfahrumrichter
verwendet, welche in der Lage sind, die Netzfrequenz derart umzurichten,
dass die Drehzahl der elektrischen Maschine beginnend bei Null zunehmend
gesteigert wird. Die Anfahrumrichter erhöhen dafür nach und nach die Anfahrfrequenz
von 0 Hz bis auf die vorgegebene Netzfrequenz, zum Beispiel 50 Hz.
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Es
sind Anfahrumrichter bekannt, welche einen Hilfsmotor umfassen,
um unmittelbar eine mechanische Drehbewegung zu erzeugen. Andere
bekannte Anfahrumrichter weisen lediglich elektrische beziehungsweise
elektronische Schaltkomponenten bzw. Leistungsbausteine auf und übertragen
eine elektrische Leistung in einer zunehmend höheren Frequenz auf den Stator
der elektrischen Maschine. Durch das zunächst langsam umlaufende elektromagnetische
Feld im Stator der elektrischen Maschine, welches zunehmend mit
einer größeren Geschwindigkeit
umläuft,
wird der Rotor der elektrischen Maschine in eine zunehmend größere Drehgeschwindigkeit
versetzt, mit der entsprechend die Turbine angetrieben wird. Ein
sofortiges Aufbringen der Netzfrequenz auf den Stator der elektrischen
Maschine würde
aufgrund der Trägheit
des Rotors nicht zu der gewünschten
Beschleunigung des Rotors führen,
so dass der Anfahrumrichter zumindest bei Synchronmaschinen, abgesehen
von den unten genannten Ausnahmen, zwingend notwendig ist.
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Dieses
Anfahrverfahren erfordert, dass der oder die Anfahrumrichter mit
elektrischer Leistung aus dem Netz gespeist werden. Um beispielsweise einen
Maschinensatz mit einer Leistung von ca. 300 MW anzutreiben, sind
Anfahrumrichter in der Größenordnung
von 40 MW vorstellbar, das heißt
diese nehmen beim Anfahren eine maximale Leistung von 40 MW aus
dem Netz auf.
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Andere
Anfahrverfahren kommen ohne Leistungsaufnahme aus dem Netz aus,
beispielsweise sei das Back-to-back-Anfahren des Pumpbetriebs genannt.
Hierbei wird mittels einer ersten Pumpturbine, welche in Turbinendrehrichtung
angefahren wird, über
den zugeordneten Generator beziehungsweise die elektrische Maschine
elektrische Leistung mit einer zunehmenden Frequenz, beginnend bei
0 Hz, erzeugt und dem Stator der zweiten elektrischen Maschine der
in Pumpdrehrichtung anzufahrenden Pumpturbine übertragen. Selbstverständlich müssen dafür mindestens
zwei Maschinensätze
im Pumpspeicherkraftwerk vorhanden sein.
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Das
Anfahren im Turbinenbetrieb hingegen erfolgt herkömmlich ausschließlich auf
mechanische Art und Weise. Bevor die Pumpturbine und damit die zugeordnete
elektrische Maschine die notwendige Synchronfrequenz erreicht hat,
um Leistung in das Stromnetz einspeisen zu können, muss die Pumpturbine
zusammen mit allen in Drehverbindung angeschlossenen Komponenten,
das heißt
der komplette Rotor des Maschinensatzes, beschleunigt werden. Dies
wird herkömmlich
dadurch erreicht, dass zunächst
ein obennrasserseitiges Absperrorgan, beispielsweise ein Kugelschieber,
geöffnet
wird, und sobald dieses Absperrorgan die notwendige Mindestöffnung aufweist,
werden die Leitschaufeln des Leitapparats der Pumpturbine geöffnet. Diese
Verstellung der Leitschaufeln beziehungsweise des Leitapparats der
Pumpturbine wird durch den Turbinenregler geregelt. Der Turbinenregler übernimmt
die Regelung der Turbinendrehzahl, das heißt gleichzeitig der Drehzahl
der elektrischen Maschine, bis zur Synchronisierung des Motor-Generators
(der elektrischen Maschine). Die allmähliche Beschleunigung des Maschinensatzes
wird somit durch zunehmendes Aufdrehen des Leitapparats beziehungsweise
der Leitschaufeln erreicht.
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Das
Beschleunigen der Pumpturbine aus dem Stillstand ist mit hohen mechanischen
Belastungen der Turbine verbunden. Erst mit dem Erreichen einer
Mindestdrehzahl nehmen die zuvor erheblichen Schwingungen deutlich
ab. Ab dieser Mindestdrehzahl beginnen sich die wasserhydraulischen
Verhältnisse
zu stabilisieren, was zu einer Abnahme der die Komponenten stark
beanspruchenden Schwingungen führt.
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Ein
weiterer Nachteil des herkömmlichen
Anfahrverfahrens der Kraftwerksturbinen in Turbinendrehrichtung,
um in den Turbinenbetrieb übergehen zu
können,
ist in der immer noch zu großen
Zeitspanne zu sehen, welche vom Stillstand bis zur Netzeinspeisung
im Synchronbetrieb, das heißt
vom Start des Anfahrbetriebs bis zum Schalten des Leistungsschalters
für die
Netzspeisung, erforderlich ist. Auch lässt die Stabilität des Drehzahlverhaltens
bis zum Synchronisationsbetrieb Verbesserungen zu.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Anfahren
einer Pumpturbine eines Pumpspeicherkraftwerks und ein entsprechendes Kraftwerkleitsystem
beziehungsweise ein Pumpspeicherkraftwerk anzugeben, welches gegenüber dem Stand
der Technik verbessert ist. Insbesondere soll sich das erfindungsgemäße Verfahren
beziehungsweise die erfindungsgemäße Vorrichtung durch einen
bauteilschonenden und schnellen Anfahrvorgang auszeichnen, der eine
große
Stabilität
des Drehzahlverhaltens gewährleistet.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch ein Verfahren, ein Kraftwerksleitsystem und ein Pumpspeicherkraftwerk
gemäß der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Anfahrumrichter zur Beschleunigung der Pumpturbine eines Pumpspeicherkraftwerks,
in Turbinendrehrichtung verwendet. Dieser Anfahrumrichter ist vorteilhaft
einer derjenigen Anfahrumrichter, die in Pumpspeicherkraftwerken
bisher ausschließlich
zum Anfahren der elektrischen Maschine in Pumpendrehrichtung, das
heißt
zum Erreichen des Pumpbetriebs, verwendet wurden und somit ohnehin
im Pumpspeicherkraftwerk vorhanden ist. Mittels dieses Anfahrumrichters
wird die Pumpturbine aus dem Stillstand beziehungsweise nahezu aus
dem Stillstand vorbeschleunigt. Erst nach Ablauf einer gewissen
Zeit oder nach Erreichen eines bestimmten Drehmoments oder einer
bestimmten Drehzahl oder dergleichen wird der Leitapparat der durch
den Anfahrumrichter bereits angedrehten Pumpturbine geöffnet, wodurch
eine weitere Beschleunigung der Pumpturbine durch das durchströmende Arbeitsmedium,
das heißt
in einem Pumpspeicherkraftwerk Wasser, erfolgt.
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Das
Anfahren der Pumpturbine durch den Anfahrumrichter kann vorteilhaft
gleichzeitig mit dem Öffnen
des oberwasserseitigen Absperrorgans erfolgen. Dadurch können besonders
kurze Anfahrzeiten erreicht werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, das Öffnen des
oberwasserseitigen Absperrorgans kurz vorher oder etwas nachher
im Vergleich zum Anfahren mit dem Anfahrumrichter zu beginnen.
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Durch
das anfängliche
Beschleunigen der Pumpturbine ausschließlich mittels des elektrischen Anfahrumrichters
in Turbinendrehrichtung, das heißt in der Drehrichtung, in
welcher die Pumpturbine im Turbinenbetrieb, somit bei Netzeinspeisung
durch das Pumpkraftwerk, arbeitet, kann der Maschinensatz, das heißt insbesondere
die Pumpturbine, besonders sanft und schonend angefahren werden.
Der Anfahrvorgang wird dabei zudem gegenüber den bekannten Vorgängen erheblich
verkürzt.
Dies ist insbesondere bei Pumpspeicherkraftwerken wichtig, da die
erforderliche Anfahrzeit eine wesentliche Kennzahl der Gesamtanlage
ist.
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Soweit
vorliegend davon die Rede ist, dass der Anfahrumrichter die Pumpturbine
beschleunigt, so beinhaltet dies einerseits das mechanische Antreiben
der Pumpturbine bzw. des Maschinensatzes mittels eines Anfahrumrichters,
welcher sowohl einen elektrischen (Hilfs-)Motor als auch einen Frequenzumrichter
oder einen Asynchronmotor umfasst. Andererseits können auch
Anfahrumrichter verwendet werden, welche als solche keinen Motor
aufweisen, sondern mittels des integrierten Frequenzumrichters eine
elektrische Leistung mit zunehmender vorgegebener Frequenz auf den
Stator der elektrischen Maschine (Motor-Generator) übertragen, um so in diesem
Stator ein mit zunehmender Frequenz umlaufendes elektromagnetisches
Feld zu erzeugen. Die Umsetzung der elektrischen Energie in mechanische Antriebsenergie
erfolgt somit im zweiten Fall in der elektrischen Maschine, welche
der Kraftwerksturbine zugeordnet ist, das heißt welche mit dieser in einer Triebverbindung
steht.
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Der
erfindungsgemäße Anfahrvorgang
umfasst gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung die folgenden Schritte:·
- • Der
Anfahrumrichter startet in Turbinendrehrichtung, das heißt die Turbine
wird, beginnend vom Stillstand oder nahezu vom Stillstand, ausschließlich mit
mindestens einem Anfahrumrichter beschleunigt. Etwas vorher, gleichzeitig
oder verzögert öffnet ein
oberwasserseitiges Absperrorgan, beispielsweise ein Kugelschieber.
Vorteilhaft öffnet
dieser Kugelschieber parallel zu dem Anfahren der Turbine mit dem
Anfahrumrichter. Das oberwasserseitige Absperrorgan ist in Strömungsrichtung
vor den Leitschaufeln beziehungsweise dem Leitapparat der Turbine
angeordnet, und der Leitapparat wird zu diesem Zeitpunkt noch geschlossen
gehalten.
- • Ab
einer vorgegebenen Drehzahl der Turbine, insbesondere zwischen 20
Prozent und 50 Prozent der Synchronisationsdrehzahl der elektrischen
Maschine mit dem Stromnetz, vorteilhaft bei 40 Prozent der Synchronisationsdrehzahl, wird
der Leitapparat beziehungsweise werden die Leitschaufeln zunehmend
geöffnet.
Je nach Maschinensatz kann das Öffnen
des Leitapparats auch bereits bei einer Drehzahl von weniger als 20
Prozent der Synchronisationsdrehzahl erfolgen, beispielsweise zwischen
10 und 15 Prozent.
- • Bei
Erreichen der Synchronisationsdrehzahl wird die Leistungseinspeisung
der elektrischen Maschine in das Stromnetz begonnen, das heißt der Leistungsschalter
des Maschinensatzes geschlossen.
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Die
Regelung des Anfahrvorgangs kann vorteilhaft anhand sich ändernder
Führungsgrößen beziehungsweise
Regelgrößen erfolgen.
So wird vorteilhaft in einem unteren Drehzahlbereich des Maschinensatzes,
das heißt
auch der Pumpturbine, mittels des Anfahrumrichters das maximal mögliche Anfahrmoment
dem Maschinensatz und damit der Turbine aufgeprägt. Wenn anschließend der
Leitapparat der Pumpturbine öffnet,
wird zusätzliches
Drehmoment durch die Arbeit des Arbeitsmediums dem Maschinensatz
aufgeprägt,
die Drehzahl des Maschinensatzes erhöht sich entsprechend schneller.
Erst im oberen Drehzahlbereich, beispielsweise im Bereich von 90
bis 100 Prozent der Synchronisationsdrehzahl wird als Regelgröße die Drehzahl
des Maschinensatzes vorgegeben, wobei die letztere auf die Synchronisationsdrehzahl
eingestellt werden soll. Der Anfahrumrichter ist in der Lage, eine Überdrehzahl
durch Aufbringen eines Bremsmomentes, beispielsweise dadurch, dass
er Leistung in das Stromnetz einspeist, herunterzuregeln. Somit
kann die Drehzahlsynchronisierung während des gesamten Anfahrvorganges
mit dem Anfahrumrichter erfolgen, was zu einem äußerst stabilen Verhalten der
Drehzahl führt.
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Als
Stellgröße weist
der Anfahrumrichter entweder die Frequenz auf, welche die von ihm
auf die elektrische Maschine übertragene
Leistung hat. Bei Anfahrumrichtern mit einem integrierten oder zusätzlichen
Hilfsmotor kann als Stellgröße auch
das auf den Maschinensatz übertragene
Drehmoment bzw. die Drehzahl vorgegeben sein. Nach dem Synchronisieren
der elektrischen Maschine mit der Netzfrequenz kann der Leistungsschalter
eingeschaltet werden und der Anfahrumrichter ausgeschaltet werden. Alternativ
ist es jedoch auch möglich,
den Anfahrumrichter eingeschaltet zu lassen.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform übernimmt
der Turbinenregler ab einer vorgegebenen Drehzahl, welche sich einstellt,
wenn die Turbine zumindest teilweise von Arbeitsmedium angetrieben wird,
den Synchronisierungsvorgang. Bereits zu diesem Zeitpunkt könnte der
Anfahrumrichter gemäß einer
besonderen Ausführungsform
ausgeschaltet werden. Alternativ bleibt er bis zum Erreichen der Synchronisationsdrehzahl
oder sogar darüber
hinaus eingeschaltet.
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Gemäß einer
Ausführung
der vorliegenden Erfindung wird der Anfahrumrichter während des
Anfahrvorgangs über
das Stromnetz mit Leistung versorgt. Dies wurde bisher als unmöglich angesehen, da
solches Vorgehen prinzipiell kontraproduktiv ist. Wie in der Beschreibungseinleitung
ausgeführt
wurde, werden insbesondere Pumpspeicherkraftwerke dann in den Turbinenbetrieb
versetzt, wenn sie zur Stützung
des Stromnetzes elektrische Leistung einspeisen sollen. Das Anfahren
der Pumpturbine mit dem Anfahrumrichter, um in den synchronisierten Turbinenbetrieb
zu gelangen, führt
hingegen zu einer Leistungsaufnahme des Maschinensatzes, beispielsweise
von elektrischer Leistung aus dem Stromnetz. Der Erfinder hat jedoch
erkannt, dass durch die erfindungsgemäße Ausführung der Anfahrvorgang in
einer solch kurzen Zeit erfolgen kann, dass die somit zeitlich stark
begrenzte Leistungsaufnahme aus dem Netz von dem Stromnetz ohne
Probleme verkraftet werden kann.
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Gemäß einer
alternativen Ausführung kommt
die Erfindung sogar völlig
oder im wesentlichen ohne absoluter Leistungsaufnahme aus dem Netz
aus. Bei Pumpspeicherkraftwerken, welche mindestens zwei Maschinensätze aufweisen,
kann nämlich
gemäß einer
besonderen Ausführung
der vorliegenden Erfindung ein bereits im Speisungsbetrieb, das
heißt
im Turbinenbetrieb, befindlicher Maschinensatz für die Zeit des Anfahrvorgangs
des weiteren Maschinensatzes, zumindest solange der entsprechende
Anfahrumrichter Leistung benötigt,
in einen Überlastbetrieb
versetzt werden und somit zusätzliche
Leistung in das Stromnetz einspeisen. Diese zusätzliche Leistung kompensiert
zumindest teilweise oder vorteilhaft vollständig die Leistungsaufnahme
des Anfahrumrichters zum Anfahren des zweiten Maschinensatzes.
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In
einem erfindungsgemäßen Kraftwerkleitsystem
ist das erfindungsgemäße Verfahren
in Form einer Steuerlogik integriert. Diese Steuerlogik zeichnet
sich besonders durch ein stabiles Drehzahlverhalten des Maschinensatzes
bis zum Synchronisationsbetrieb aus. Anschließend kann, wie bekannt, die Belastung
der Turbine mit dem Turbinenregler erfolgen. Vorliegend werden unter
dem Begriff Kraftwerkleitsystem Systeme mit Kraftwerksleittechnik
verstanden, welche auch den Turbinenregler umfassen können, um
auf diesen, wenn gewünscht,
steuernd zugreifen zu können.
Selbstverständlich
kann dieses Leitsystem dezentral in einem Kraftwerk angeordnet oder
sogar (teilweise) außerhalb
desselben angeordnet sein.
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Das
erfindungsgemäße Pumpspeicherkraftwerk
ist durch mindestens einen elektrischen Anfahrumrichter gekennzeichnet,
welcher sowohl zum Anfahren der elektrischen Maschine für den Pumpbetrieb
als auch zum Anfahren der Pumpturbine für den Turbinenbetrieb vorgesehen
ist.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles und der schematischen
Darstellung in der 1 näher beschrieben werden.
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Man
erkennt die Kraftwerksturbine 1, welche als Pumpturbine
eines Pumpspeicherkraftwerks ausgeführt ist. Im Pumpbetrieb fördert die
Pumpturbine als durch die elektrische Maschine 2, vorliegend
ein Motor-Generator, mechanisch angetriebene Pumpe Wasser aus einem
Unterbecken 12 in ein Oberbecken 11. In diesem
Pumpbetrieb ist die mit dem Stromnetz 3 elektrisch leitend
verbundene elektrische Maschine 2 mit ihrer Drehfrequenz
hinsichtlich der Spannungsfrequenz des Stromnetzes 3 synchronisiert.
Der Anfahrumrichter 4, welcher, wie bekannt, zum Anfahren
der elektrischen Maschine zum Erreichen der Synchronisationsdrehzahl
im Pumpbetrieb verwendet wird, ist in einem zu dem Leistungsschalter 7 parallelen
Leitungszweig angeordnet und vorliegend im Pumpbetrieb über die
Schalter 8 und 9 abgeschaltet. Somit wird elektrische
Leistung von dem Stromnetz 3 über den Transformator 10,
die Leitungen mit dem geschlossenen Leistungsschalter 7 auf die
elektrische Maschine 2 übertragen.
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Im
Turbinenbetrieb hingegen wird die Turbine 1 durch das Arbeitsmedium
Wasser, welches aus dem Oberbecken 11 in das Unterbecken 12 strömt, angetrieben
und treibt ihrerseits die elektrische Maschine 2 an, welche
wiederum über
die elektrischen Leitungen mit dem geschlossenen Leistungsschalter 7 elektrische
Leistung in das Stromnetz 3 einspeist.
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Die
durchströmende
Menge von Wasser durch die Turbine 1 wird einerseits durch
das oberwasserseitige Absperrorgan 5 geregelt und andererseits
durch die Leitschaufeln 6.1 des Leitapparats 6 der
als Wasserturbine arbeitenden Pumpturbine 1. Zur Regelung
der Turbinendrehzahl greift das Leitsystem (nicht dargestellt) insbesondere
auf den Leitapparat 6 zu und stellt die Leitschaufeln 6.1 auf
einen gewünschten Öffnungswinkel
ein.
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Der
Anfahrumrichter 4 wird beim Umschalten in den Turbinenbetrieb
zum Anfahren der Turbine 1, welche drehstarr mit der elektrischen
Maschine 2 gekoppelt ist, auf die Synchronisationsdrehzahl
verwendet. Dazu nimmt er über
den Transformator 10, den geschlossenen Schalter 8 elektrische
Leistung aus dem Stromnetz 3 auf, und richtet die Frequenz auf
eine Größe um, welche
unmittelbar größer beziehungsweise
geringfügig
größer als
die aktuelle Drehfrequenz der elektrischen Maschine 2 ist. Über den geschlossenen
Schalter 9 wird elektrische Leistung mit der eingestellten
Frequenz auf die Maschine 2 übertragen, was zur Drehbeschleunigung
der elektrischen Maschine 2 und damit der Turbine 1 führt. Erst bei
Erreichen der Synchronisationsdrehzahl wird der Leistungsschalter 7 geschlossen,
und der Leistungsfluss in der elektrischen Maschine 2 umgekehrt,
so dass elektrische Leistung von der elektrischen Maschine 2 über den
Leistungsschalter 7 in das Stromnetz 3 übertragen
wird. Jetzt können
beispielsweise die Schalter 8 und 9 geöffnet werden,
um den Anfahrumrichter abzuschalten.