DE102022201063A1

DE102022201063A1 - Starteinrichtung, Maschinensatz und Verfahren zum Starten eines Maschinensatzes

Info

Publication number: DE102022201063A1
Application number: DE102022201063.9A
Authority: DE
Inventors: Christoph Maser; Thorsten Fox
Original assignee: Schluchseewerk AG
Current assignee: Schluchseewerk AG
Priority date: 2022-02-01
Filing date: 2022-02-01
Publication date: 2023-08-03
Also published as: EP4219933A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Starteinrichtung für einen Maschinensatz eines Pumpspeicherwerks, wobei der Maschinensatz eine Wasserturbine, eine Synchronmaschine und eine Wasserpumpe aufweist, wobei die Wasserturbine, die Synchronmaschine und die Wasserpumpe koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind, bei der die Starteinrichtung einen Elektromotor und eine Antriebsübertragungsvorrichtung aufweist, wobei die Antriebsübertragungseinrichtung ausgebildet ist, einerseits mit der Abtriebswelle des Elektromotors und andererseits mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt zu werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Starteinrichtung für einen Maschinensatz eines Pumpspeicherwerks, wobei der Maschinensatz eine Wasserturbine, eine Synchronmaschine und eine Wasserpumpe aufweist, wobei die Wasserturbine, die Synchronmaschine und die Wasserpumpe koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind. Die Erfindung betrifft auch einen Maschinensatz für ein Pumpspeicherwerk mit einer Wasserturbine, einer Synchronmaschine und einer Wasserpumpe. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Starten eines Maschinensatzes für ein Pumpspeicherwerk.
Ein Maschinensatz für ein Pumpspeicherwerk besteht üblicherweise aus einer Wasserturbine, einer Synchronmaschine und einer Wasserpumpe. Der Maschinensatz kann im Turbinenbetrieb zur Stromerzeugung, im Phasenschieberbetrieb zum Kompensieren von Blindleistung oder im Pumpbetrieb zum Aufnehmen von elektrischer Energie aus dem Netz betrieben werden. Im Zuge des Ausbaus der erneuerbaren Energien ist der Pumpbetrieb immer wichtiger geworden und wird zukünftig auch weiter an Bedeutung gewinnen. Dies deshalb, da im Pumpbetrieb elektrische Energie aus dem Netz aufgenommen werden kann, beispielsweise Strom aus Windenergie oder Strom aus Solarenergie und in Form von potentieller Energie im Oberbecken des Pumpspeicherwerks gespeichert werden kann. Ausgehend vom Stillstand des Maschinensatzes muss zum Einschalten des Pumpbetriebs oder des Phasenschieberbetriebs immer zunächst die Synchronmaschine auf ihre Synchrondrehzahl gebracht werden, bevor die Synchronmaschine gestartet, mit anderen Worten an das elektrische Netz gekoppelt werden kann. Vor Beginn des Pumpbetriebs muss infolgedessen immer zunächst die Synchronmaschine auf ihre Synchrondrehzahl gebracht werden. Bei üblichen Maschinensätzen für Pumpspeicherwerke erfolgt dies ausschließlich mittels der Wasserturbine. Wenn die Wasserturbine nicht verfügbar ist, beispielsweise weil die Wasserturbine defekt ist, gerade gewartet wird oder im Extremfall auch nicht genügend Wasser im Oberbecken zur Verfügung steht, ist somit bei üblichen Maschinensätzen kein Einschalten des Pumpbetriebs möglich. Frequenzumrichter, die ein Starten der Synchronmaschine ausgehend vom Stillstand ermöglichen würden, sind technisch realisierbar, wirtschaftlich aber nicht sinnvoll.
Mit der Erfindung sollen eine Starteinrichtung für einen Maschinensatz eines Pumpspeicherwerks, ein Maschinensatz für ein Pumpspeicherwerk sowie ein Verfahren zum Starten eines Maschinensatzes für ein Pumpspeicherwerk verbessert werden. Erfindungsgemäß ist hierzu eine Starteinrichtung für einen Maschinensatz eines Pumpspeicherwerks mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgesehen.
Der Maschinensatz weist eine Wasserturbine, eine Synchronmaschine und eine Wasserpumpe auf, wobei die Wasserturbine, die Synchronmaschine und die Wasserpumpe koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind. Die Starteinrichtung weist einen Elektromotor und eine Antriebsübertragungseinrichtung auf, wobei die Antriebsübertragungseinrichtung ausgebildet ist, einerseits mit der Abtriebswelle des Elektromotors und andererseits mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt zu werden.
Die erfindungsgemäße Starteinrichtung kann somit ausschließlich für einen Startvorgang der Synchronmaschine mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt werden. Während eines Turbinenbetriebs, eines Pumpenbetriebs oder eines Phasenschieberbetriebs muss die Starteinrichtung hingegen nicht mit dem Maschinensatz gekoppelt sein. Die Starteinrichtung ist infolgedessen während des eigentlichen Betriebs des Maschinensatzes keinem Verschleiß unterworfen und verursacht auch keine Energieverluste. Die erfindungsgemäße Starteinrichtung ist dadurch in sehr einfacher und kostengünstiger Weise an bestehenden Maschinensätzen für Pumpspeicherwerke nachrüstbar. Durch die Starteinrichtung wird es möglich, auch bei Nichtverfügbarkeit der Turbine einen Pumpbetrieb oder einen Phasenschieberbetrieb des Maschinensatzes zu starten. Beispielsweise kann dadurch während einer turnusmäßig erforderlichen Überholung der Wasserturbine der Maschinensatz dennoch im Pumpbetrieb oder im Phasenschieberbetrieb betrieben werden. Der Elektromotor der Starteinrichtung kann in beliebiger Weise ausgebildet sein, beispielsweise als Asynchronmotor oder auch als Synchronmotor mit Frequenzumrichter.
In Weiterbildung der Erfindung sind Fixiermittel vorgesehen, um die Starteinrichtung lösbar mit einem Boden, auf dem der Maschinensatz steht, oder mit einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes zu verbinden.
Eine lösbare, insbesondere werkzeuglos lösbare, Verbindung der Starteinrichtung oder des Elektromotors der Starteinrichtung mit einem Boden, auf dem der Maschinensatz steht, oder mit einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes mittels geeigneter Fixiermittel erlaubt es, die Starteinrichtung nach dem Startvorgang schnell und problemlos zu entfernen und beispielsweise zum Starten eines weiteren Maschinensatzes zu verwenden. Wesentlich ist, dass die Starteinrichtung innerhalb weniger Minuten, beispielsweise 5 bis 10 Minuten, von ihrer Position an einem ersten Maschinensatz entfernt werden kann, um beispielsweise zu einem zweiten Maschinensatz bewegt zu werden, um diesen zu starten. Auch das Anordnen der Starteinrichtung oder des Elektromotors und das Koppeln der Antriebsübertragungseinrichtung mit dem Elektromotor und/oder der Welle der Synchronmaschinemuss innerhalb weniger Minuten, beispielsweise 5 bis 10 Minuten, vorgenommen werden können, um innerhalb weniger Minuten die Synchronmaschine starten zu können, so dass Netzschwankungen schnell ausgeglichen werden können. Die Elektromotoren, die zum Starten großer Synchronmaschinen von Maschinensätzen für Pumpspeicherwerke benötigt werden, sind vergleichsweise groß und daher teuer. Wirtschaftlich ist es daher sinnvoll, eine Starteinrichtung oder gegebenenfalls auch nur den Elektromotor der Starteinrichtung zum Starten unterschiedlicher und räumlich voneinander entfernter Maschinensätze zu verwenden.
In Weiterbildung der Erfindung sind Verfahrmittel, insbesondere Räder, vorgesehen.
Mittels Verfahrmitteln kann die Starteinrichtung oder auch lediglich der Elektromotor der Starteinrichtung zwischen verschiedenen Maschinensätzen verfahren werden. Pumpspeicherwerke weisen oft große, langgestreckte Hallen auf, in denen mehrere Maschinensätze nebeneinander angeordnet sind. Die Starteinrichtung oder auch nur der Elektromotor der Starteinrichtung kann dann auf Schienenwegen, die zwischen den einzelnen Maschinensätzen verlegt sind verfahren und bei dem jeweiligen, zu startenden Maschinensatz dann in der vordefinierten Position mittels der Fixiermittel fixiert werden.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebsübertragungseinrichtung wenigstens eine Antriebskette und/oder wenigstens einen Antriebsriemen auf.
Mittels Antriebsketten oder Antriebsriemen können die erforderlichen Drehmomente und Antriebsleistungen zuverlässig vom Elektromotor auf die Welle der Synchronmaschine übertragen werden.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebsübertragungseinrichtung wenigstens ein drehfest mit der Welle der Synchronmaschine verbundenes erstes Antriebsrad und wenigstens ein am Maschinenrahmen drehbar gelagertes zweites Antriebsrad auf, wobei die Abtriebswelle des Elektromotors mit dem zweiten Antriebsrad koppelbar ist.
Auf diese Weise können die Vorteile einer Antriebskette oder eines Antriebsriemens genutzt werden und dennoch kann der Elektromotor angekoppelt und abgekoppelt werden und beispielsweise zwischen verschiedenen Maschinensätzen verschoben werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein Schwenkarm vorgesehen, wobei der Schwenkarm mit der Antriebsübertragungseinrichtung versehen ist, wobei der Schwenkarm ausgebildet ist, von einer ausgerückten Position, in der die Antriebsübertragungseinrichtung nicht mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt ist, in eine eingerückte Position verschwenkt zu werden, in der die Antriebsübertragungseinrichtung mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt ist.
Mittels eines Schwenkarms kann ein Koppeln des Elektromotors mit der Welle der Synchronmaschine in einfacher und zuverlässiger Weise erfolgen. Es ist dabei möglich, den Schwenkarm verschwenkbar am Maschinenrahmen zu lagern, und vorzusehen, dass die Antriebsübertragungseinrichtung nicht nur von der Welle der Synchronmaschine sondern auch von der Abtriebswelle des Elektromotors abgekoppelt wird. Alternativ kann der Schwenkarm auch dauerhaft mit der Abtriebswelle des Elektromotors gekoppelt sein und beispielsweise um die Abtriebswelle des Elektromotors schwenkbar ausgebildet sein.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebsübertragungseinrichtung wenigstens zwei am Schwenkarm drehbar gelagerte Zahnräder auf.
Mittels miteinander kämmender Zahnräder, beispielsweise einer Zahnradkaskade, kann die Antriebsenergie des Elektromotors der Starteinrichtung sicher und schlupffrei auf die Welle der Synchronmaschine übertragen werden. Beispielsweise sind die Zahnräder innerhalb des Schwenkarms gelagert und dadurch auch geschützt untergebracht. Der Schwenkarm kann beispielsweise zwei Seitenplatten aufweisen, zwischen denen die Zahnräder angeordnet und gelagert sind.
In Weiterbildung der Erfindung sind am Schwenkarm mehrere, miteinander kämmende Zahnräder angeordnet, wobei ein erstes der Zahnräder in der eingerückten Position des Schwenkarms mit einem Antriebszahnrad kämmt, das drehfest mit der Welle des Elektromotors verbunden ist.
Auf diese Weise kann die Antriebsübertragungseinrichtung in der ausgerückten Position des Schwenkarms auch vom Antriebszahnrad des Elektromotors entkoppelt sein. Dies kann beispielsweise vorteilhaft sein, wenn der Elektromotor gewechselt oder beispielsweise zu einem anderen Maschinensatz verfahren werden soll. Der Schwenkarm hingegen kann relativ zum Maschinensatz in einer vordefinierten Position fixiert sein, so dass der Schwenkarm lediglich zwischen der eingerückten Position und der ausgerückten Position verschwenkt werden kann. Dies erleichtert eine exakte Ausrichtung des Schwenkarms zur Welle der Synchronmaschine und dadurch eine verschleißarme und verlustarme Übertragung der Antriebsenergie des Elektromotors auf die Welle der Synchronmaschine.
In Weiterbildung der Erfindung kämmt ein Zahnrad des Schwenkarms in der eingerückten Position mit einem Zahnkranz, der drehfest mit der Welle der Synchronmaschine verbunden ist.
In der eingerückten Position erfolgt eine Antriebsübertragung vom Schwenkarm somit mittels eines Zahnrads des Schwenkarms, das in einen Zahnkranz auf der Welle der Synchronmaschine eingreift. Mittels Zahnrädern können auch hohe Antriebsmomente zuverlässig übertragen werden. Das Ein- und Ausrücken von Zahnrädern ist problemlos möglich, so dass die Starteinrichtung und insbesondere der Schwenkarm der Starteinrichtung in sehr einfacher Weise wieder von der Welle der Synchronmaschine abgekoppelt werden kann, ohne dass ein Kupplungsmechanismus erforderlich wäre. Ein Zahnkranz, der drehfest mit der Welle der Synchronmaschine verbunden ist, kann in der Regel problemlos an einem bestehenden Maschinensatz nachgerüstet werden. Der Zahnkranz kann beispielsweise zweiteilig ausgebildet sein, so dass er ohne Demontage der Synchronmaschine auf deren Welle angeordnet werden kann.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Schwenkarm an einem Maschinenrahmen der Starteinrichtung schwenkbar gelagert, wobei die Schwenkachse des Schwenkarms parallel zur Welle des Elektromotors und seitlich versetzt zur Welle angeordnet ist.
Der Schwenkarm ist somit nicht um die Welle des Elektromotors schwenkbar gelagert und die Antriebsübertragungsvorrichtung des Schwenkarms kann dadurch sowohl von der Welle des Elektromotors als auch von der Welle der Synchronmaschine durch einfaches Verschwenken des Schwenkarms abgekoppelt werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist ein Linearstellglied vorgesehen, das einerseits an einem Maschinenrahmen der Starteinrichtung und/oder des Maschinensatzes und andererseits an dem Schwenkarm angelenkt ist, um den Schwenkarm zwischen der ausgerückten Position und der eingerückten Position zu bewegen.
Als Linearstellglied kann beispielsweise eine mechanische Spindel oder auch ein Linearzylinder, beispielsweise pneumatisch oder hydraulisch, zum Einsatz kommen. Mit einem Linearstellglied kann die Antriebsübertragungsvorrichtung des Schwenkarms sicher mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt werden, insbesondere kann ein Zahnrad des Schwenkarms sicher in Eingriff mit einem Zahnkranz auf der Welle der Synchronmaschine gehalten werden. Gleiches gilt für ein weiteres Zahnrad des Schwenkarms, das in Eingriff mit dem Abtriebszahnrad des Elektromotors gehalten wird.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch einen Maschinensatz für ein Pumpspeicherwerk mit einer Wasserturbine, einer Synchronmaschine und einer Wasserpumpe gelöst, wobei die Wasserturbine, die Synchronmaschine und die Wasserpumpe koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind, wobei eine erfindungsgemäße Starteinrichtung vorgesehen ist.
Der erfindungsgemäße Maschinensatz kann dadurch auch dann, wenn die Wasserturbine nicht verfügbar ist, gestartet werden, um einen Pumpbetrieb oder einen Phasenschieberbetrieb aufzunehmen.
In Weiterbildung der Erfindung ist eine Welle der Synchronmaschine mit einem Zahnkranz versehen und ein Zahnrad des Schwenkarms kämmt in der eingerückten Position mit dem Zahnkranz.
Auf diese Weise kann eine verlässliche, verlustarme und reibungsarme Übertragung von Antriebsenergie des Elektromotors auf die Welle der Synchronmaschine erfolgen. Gleichzeitig kann der Elektromotor in sehr einfacher Weise von der Welle der Synchronmaschine abgekoppelt werden, indem der Schwenkarm verschwenkt wird und dadurch das Zahnrad des Schwenkarms außer Eingriff mit dem Zahnkranz der Synchronmaschine bewegt wird.
In Weiterbildung der Erfindung ist der Zahnkranz auf der Welle der Synchronmaschine wenigstens zweiteilig ausgebildet.
Auf diese Weise kann der Zahnkranz in einfacher Weise nachgerüstet werden.
In Weiterbildung der Erfindung ist die Starteinrichtung oder lediglich der Elektromotor der Starteinrichtung an einem Boden, auf dem der Maschinensatz steht, oder einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes lösbar fixiert.
Die Starteinrichtung oder auch lediglich der Elektromotor der Starteinrichtung kann dadurch von dem Maschinensatz wegbewegt werden, beispielsweise um einen weiteren Maschinensatz zu starten oder um gewartet zu werden. Beispielsweise kann die Starteinrichtung oder lediglich der Elektromotor der Starteinrichtung auf Schienen oder Rädern verfahrbar sein und es sind Fixiermittel vorgesehen, um die Starteinrichtung oder den Elektromotor dann in der vordefinierten Position am Maschinensatz, insbesondere werkzeuglos, zu fixieren. Die Starteinrichtung oder lediglich der Elektromotor sollen innerhalb weniger Minuten, beispielsweise 5 bis 10 Minuten, fixiert werden können, um auch die Synchronmaschine innerhalb weniger Minuten starten zu können.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Starten eines Maschinensatzes für ein Pumpspeicherwerk gelöst, wobei folgende Schritte vorgesehen sind: Kuppeln der Abtriebswelle des Elektromotors mit der Welle der Synchronmaschine, Antreiben der Welle der Synchronmaschine mittels des Elektromotors bis zu einer vordefinierten Startdrehzahl, Starten der Synchronmaschine.
Auf diese Weise kann auch bei Nichtverfügbarkeit der Turbine ein Phasenschieberbetrieb oder ein Pumpbetrieb des Maschinensatzes gestartet werden. Das Starten der Synchronmaschine beinhaltet dabei das Verbinden der Synchronmaschine mit einem elektrischen Netz, insbesondere dem allgemeinen Versorgungsnetz.
Nach dem Starten der Synchronmaschine kann das Entkoppeln der Antriebsübertragungseinrichtung von der Abtriebswelle des Elektromotors und/oder von der Welle der Synchronmaschine erfolgen.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Schritte Bewegen der Starteinrichtung in Position neben einem ersten Maschinensatz, Starten der Synchronmaschine des ersten Maschinensatzes und Wegbewegen der Starteinrichtung aus der Position neben dem ersten Maschinensatz vorgesehen.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Schritte Bewegen der Starteinrichtung in eine Position neben einem zweiten Maschinensatz und Starten der Synchronmaschine des zweiten Maschinensatzes vorgesehen.
Auf diese Weise kann die Starteinrichtung oder auch nur der Elektromotor der Starteinrichtung zum Starten mehrerer Maschinensätze verwendet werden. Die mehreren Maschinensätze können dabei innerhalb ein und desselben Pumpspeicherwerks vorgesehen sein. Die Starteinrichtung oder der Elektromotor können aber selbstverständlich auch zu einem anderen Pumpspeicherwerk bewegt werden, um dort dann einen Startvorgang des Maschinensatzes durchzuführen.
In Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebsübertragungseinrichtung einen Schwenkarm auf und beim Kuppeln der Abtriebswelle des Elektromotors mit der Welle der Synchronmaschine erfolgt das Verschwenken des Schwenkarms der Starteinrichtung in die eingerückte Position.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Maschinensatzes gemäß einer ersten Ausführungsform für ein Pumpspeicherwerk von schräg oben,
2 den Maschinensatz der 1 schräg von der Seite, wobei die in 1 schematisch dargestellte Wasserturbine und die in 1 schematisch dargestellte Wasserpumpe nicht dargestellt sind,
3 eine der 2 vergleichbare Ansicht, wobei ein Wandler nicht dargestellt wurde,
4 eine erfindungsgemäße Starteinrichtung des Maschinensatzes der 1 bis 3,
5 eine weitere Darstellung der Starteinrichtung der 4, wobei weitere Elemente des Maschinensatzes weggelassen wurden,
6 eine schematische Darstellung der Starteinrichtung der 5 zur Verdeutlichung einer Antriebsübertragungseinrichtung,
7 die Starteinrichtung in einer Ansicht von der Seite, parallel zu einer Wellenlängsachse des Maschinensatzes und
8 eine schematische Darstellung einer Starteinrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt in einer Ansicht von schräg oben einen Maschinensatz 10 für ein Pumpspeicherwerk. Der Maschinensatz ist auf einem Fundament 12 angeordnet, das lediglich schematisch dargestellt ist und das einen Boden und einen Abschnitt einer Seitenwand aufweist. Das Fundament 12 bildet beispielsweise Teil einer Maschinenhalle eines Pumpspeicherwerks.
Der Maschinensatz 10 weist eine lediglich schematisch dargestellte Wasserturbine 14, eine Synchronmaschine 16 und eine ebenfalls lediglich schematisch dargestellte Wasserpumpe 18 auf. In bekannter und nicht dargestellter Weise ist die Wasserturbine 14 über Kanäle mit einem Oberbecken und einem Unterbecken des Pumpspeicherwerks verbunden. Aus dem Oberbecken über die Wasserturbine 14 ins Unterbecken strömendes Wasser kann die Wasserturbine 14 in Drehung versetzen, die dadurch die Welle der Synchronmaschine 16 antreibt, um beispielsweise elektrische Energie ins Versorgungsnetz einzuspeisen. Die Wasserturbine 14 ist mittels einer Kupplung 20 mit einer Welle 22 der Synchronmaschine gekoppelt. Die Welle der Synchronmaschine ist mittels eines ersten Lagers 24 zwischen der Wasserturbine 14 und der Synchronmaschine 16 und mittels eines zweiten Lagers 26 zwischen der Synchronmaschine 16 und der Wasserpumpe 18 drehbar gelagert. Die Lager 24, 26 sind auf dem Fundament 12 befestigt. Die Welle 22 der Synchronmaschine 16 ist mit einem Wandler 28 verbunden, der wiederum mit der Wasserpumpe 18 gekoppelt ist. Die Wasserturbine 14, die Synchronmaschine 16 und die Wasserpumpe 18 sind koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse der Welle 22 der Synchronmaschine 16 angeordnet.
In einem Pumpbetrieb ist die Synchronmaschine 16 mit dem elektrischen Versorgungsnetz verbunden, die Wasserturbine 14 kann leer mitlaufen oder mithilfe der Kupplung 20 von der Welle 22 der Synchronmaschine 16 entkoppelt sein und die Welle 22 der Synchronmaschine 16 treibt über den Wandler 28 die Wasserpumpe 18 an. Auf diese Weise kann elektrische Energie aus dem Versorgungsnetz aufgenommen werden und Wasser aus dem Unterbecken ins Oberbecken gepumpt werden. Der Maschinensatz 10 kann auch in einem sogenannten Phasenschieberbetrieb betrieben werden, in dem sowohl die Turbine 14 als auch die Wasserpumpe 18 leerlaufen und lediglich die Synchronmaschine 16 mit elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz betrieben wird, um Blindleistung zu kompensieren.
Um vom Turbinenbetrieb in den Pumpbetrieb umzuschalten, müssen ausgehend vom Turbinenbetrieb lediglich Pumpenschieber geöffnet werden, damit Wasser vom Unterbecken zur Wasserpumpe 18 und dann von der Wasserpumpe 18 zum Oberbecken gelangen kann. Die Synchronmaschine 16 behält dabei ihre Synchrondrehzahl bei. Der Unterschied zwischen Turbinenbetrieb und Pumpbetrieb ist dann lediglich, dass im Turbinenbetrieb die Synchronmaschine 16 elektrische Energie in das Versorgungsnetz abgibt und im Pumpbetrieb elektrische Energie aus dem Versorgungsnetz aufnimmt.
Um ausgehend vom Stillstand des Maschinensatzes 10 den Turbinenbetrieb zu starten, müssen lediglich Turbinenschieber geöffnet werden, so dass Wasser aus dem Oberbecken zu der Wasserturbine 14 und dann von der Wasserturbine 14 wieder ins Unterbecken gelangen kann.
Um ausgehend vom Stillstand des Maschinensatzes 10 den Pumpbetrieb aufzunehmen, muss bei konventionellen Maschinensätzen 10 zunächst die Wasserturbine 14 laufen, um die Synchronmaschine 16 auf die Synchrondrehzahl zu bringen. Sobald die Synchronmaschine 16 dann gestartet ist und mit Netzspannung betrieben wird, können die Turbinenschieber geschlossen und die Pumpenschieber für die Wasserpumpe 18 geöffnet werden, um Wasser vom Unterbecken ins Oberbecken zu pumpen. Sobald die Synchronmaschine 16 ihre Synchrondrehzahl erreicht hat und mit der elektrischen Netzspannung betrieben wird, können also die Turbinenschieber geschlossen und die Wasserturbine 14 abgekoppelt werden. Die Wasserturbine 14 muss bei konventionellen Maschinensätzen auch dann kurzzeitig betrieben werden, um die Welle 22 der Synchronmaschine 16 auf die Synchrondrehzahl zu bringen, bevor die Synchronmaschine 16 im Phasenschieberbetrieb betrieben werden kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Maschinensatz 10 ist eine Starteinrichtung 30 vorgesehen. Die Starteinrichtung 30 weist einen Elektromotor 32 und einen in 1 nicht erkennbaren Schwenkarm mit einer Antriebsübertragungseinrichtung auf. Mittels des Schwenkarms und der Antriebsübertragungseinrichtung des Schwenkarms kann der Elektromotor 32 wahlweise mit der Welle 22 der Synchronmaschine 16 gekoppelt werden oder von der Welle 22 entkoppelt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Maschinensatz 10 ist es somit mittels der Starteinrichtung 30 möglich, auch ohne die Wasserturbine 14 die Welle 22 der Synchronmaschine 16 auf die Synchrondrehzahl zu bringen, um dadurch den Maschinensatz 10 im Phasenschieberbetrieb oder im Pumpbetrieb zu betreiben.
Das Vorsehen der Starteinrichtung 30 ermöglicht es dadurch, den Maschinensatz 10 im Phasenschieberbetrieb oder im Pumpbetrieb auch bei Nichtverfügbarkeit der Wasserturbine 14 zu betreiben. Beispielsweise kann dann, wenn die Wasserturbine 14 gewartet wird oder defekt ist oder nicht genügend Wasser im Oberbecken vorhanden ist, der Maschinensatz 10 dennoch im Phasenschieberbetrieb und im Pumpbetrieb betrieben werden.
Dies erhöht die Einsatzzeit und die Wirtschaftlichkeit des Maschinensatzes 10 gegenüber konventionellen Maschinensätzen erheblich.
2 zeigt den Maschinensatz 10 in einer Ansicht von seitlich oben. Die Wasserturbine 14 und die Wasserpumpe 18 sind im Unterschied zur Darstellung der 1 nicht gezeigt. Der Blick geht in 2 somit auf den Wandler 28. Die Starteinrichtung 30 ist zwischen dem Wandler 28 und der Synchronmaschine 16 angeordnet. Die Starteinrichtung 30 weist neben dem Elektromotor 32 einen Schwenkarm 34 auf. In der Darstellung der 2 befindet sich der Schwenkarm 34 in einer eingerückten Position, in der eine Antriebsübertragungseinrichtung des Schwenkarms 34 mit der Welle 22 der Synchronmaschine 16 gekoppelt ist.
3 zeigt eine der 2 vergleichbare Darstellung, wobei der Wandler 28 nicht dargestellt ist. In 3 ist daher der Schwenkarm 34 gut zu erkennen. Es ist weiter zu erkennen, dass das von dem Elektromotor 32 abgewandte Ende des Schwenkarms 34 auf einem Zahnkranz 36 auf der Welle 22 der Synchronmaschine 16 aufliegt. Ein an diesem vom Elektromotor 32 abgewandten Ende des Schwenkarms 34 drehbar gelagertes Zahnrad, das in 3 nicht erkennbar ist, kämmt dann mit dem Zahnkranz 36 auf der Welle 22, mit anderen Worten greift das Zahnrad des Schwenkarms 34 in den Zahnkranz 36 ein.
Das dem Elektromotor 32 zugewandte Ende des Schwenkarms 34 weist ebenfalls ein am Schwenkarm 34 drehbar gelagertes Zahnrad 38 auf. Dieses Zahnrad 38 kämmt in der in 3 dargestellten eingerückten Position des Schwenkarms 34 und befindet sich somit in Eingriff mit einem Abtriebszahnrad 40, das drehfest mit der Welle des Elektromotors 32 verbunden ist.
In der eingerückten Position des Schwenkarms 34, die in 3 dargestellt ist, wird somit eine Drehung des Abtriebszahnrads 40 des Elektromotors 32 über die Antriebsübertragungseinrichtung im Schwenkarm 34 auf den Zahnkranz 36 und somit auf die Welle 22 der Synchronmaschine 16 übertragen. In der eingerückten Position des Schwenkarms 34 kann somit mittels des Elektromotors 32 die Welle 22 der Synchronmaschine 16 auf die Synchrondrehzahl gebracht werden. Unter Zuhilfenahme der Starteinrichtung kann somit die Synchronmaschine 16 gestartet werden, ohne dass die Wasserturbine 14 erforderlich ist.
Nach dem Starten der Synchronmaschine 16 wird der Schwenkarm 34 mittels eines Linearstellglieds 42 ausgehend von der eingerückten Position der 3 nach oben in eine ausgerückte Position verschwenkt. In der ausgerückten Position greift das an dem vom Elektromotor 32 abgewandten Ende des Schwenkarms 34 angeordnete Zahnrad nicht mehr in den Zahnkranz 36 der Welle 22 ein. Der Elektromotor 32 ist dadurch von der Welle 22 abgekoppelt.
Das Linearstellglied 42 kann beispielsweise als Hydraulikzylinder oder Pneumatikzylinder ausgebildet sein. Das Linearstellglied 42 kann beispielsweise aber auch als mechanische Spindel ausgebildet sein.
4 zeigt die Starteinrichtung 30 in vergrößerter, aber schematischer Darstellung. Der Elektromotor 32 ist mit dem Abtriebszahnrad 40 versehen, das in der eingerückten Position des Schwenkarms 34 mit dem Zahnrad 38 des Schwenkarms 34 kämmt. Innerhalb des Schwenkarms 34 sind zwei weitere Zahnräder drehbar gelagert, die in 4 nicht erkennbar sind und die die Rotation des Zahnrads 38 auf das Zahnrad 50 des Schwenkarms 34 übertragen. Das Zahnrad 50 ist an dem Ende des Schwenkarms 34 angeordnet, das vom Elektromotor 32 abgewandt ist.
In der in 4 dargestellten eingerückten Position des Schwenkarms 34, in der dieser mittels des Linearstellglieds 42 gehalten wird, greift das Zahnrad 50 in den Zahnkranz 36 auf der Welle 22 der Synchronmaschine ein. In der eingerückten Position des Schwenkarms 34 der 4 wird somit durch eine Zahnradkaskade vom Abtriebszahnrad 40 über das Zahnrad 38, die zwei weiteren in 4 nicht sichtbaren Zahnräder im Schwenkarm 34, das Zahnrad 50 und den Zahnkranz 36 eine Antriebsenergie des Elektromotors 32 auf die Welle 22 der Synchronmaschine übertragen.
Der Schwenkarm 34 wird dabei mittels des Linearstellglieds 42, das einerseits etwa in der Mitte des Schwenkarms und andererseits an einem Maschinenrahmen 52 der Starteinrichtung 30 angreift, in der eingerückten Position gehalten. Mittels des Linearstellglieds 42 wird somit auch das Zahnrad 50 mit dem Zahnkranz 36 und das Zahnrad 38 mit dem Abtriebszahnrad 40 in Eingriff gehalten.
Um ausgehend von der eingerückten Position der 4 in die ausgerückte Position des Schwenkarms 34 zu gelangen, wird in sehr einfacher Weise mittels des Linearstellglieds 42 der Schwenkarm 34 nach oben verschwenkt. Da eine Schwenkachse 54 des Schwenkarms 34 parallel, aber seitlich versetzt zur Welle des Elektromotors 32 angeordnet ist, werden durch das Verschwenken des Schwenkarms 34 nach oben gleichzeitig das Zahnrad 50 aus dem Zahnrad 36 und das Zahnrad 38 aus dem Abtriebszahnrad 40 des Elektromotors 32 ausgerückt.
Es ist dadurch möglich, in der ausgerückten Position des Schwenkarms 34 den Elektromotor 32 wegzubewegen. Im Rahmen der Erfindung ist es aber auch möglich, die Schwenkachse 54 des Schwenkarms 34 koaxial zur Welle des Elektromotors 32 anzuordnen.
Es ist in 4 zu erkennen, dass der Maschinenrahmen 52 der Starteinrichtung 30 mit dem Fundament 12 verbunden ist. Für eine solche Verbindung können erfindungsgemäß lösbare Fixiermittel eingesetzt werden, die es dann ermöglichen, die Starteinrichtung 30 oder auch lediglich den Elektromotor 32 von dem Maschinensatz zu entfernen und beispielsweise neben einem anderen Maschinensatz anzuordnen. Die Starteinrichtung 30 oder auch nur der Elektromotor 32 können dadurch zum Starten unterschiedlicher Maschinensätze verwendet werden. Der Maschinenrahmen 52 der Starteinrichtung 30 kann hierzu beispielsweise Verfahrmittel, beispielsweise Räder, aufweisen, die auf Schienen im Fundament 12 laufen oder auch nur mit Rädern versehen sein oder in einfacher Weise, insbesondere werkzeuglos, lösbar vom Fundament 12 ausgebildet sein.
Die Darstellung der 5 zeigt die Starteinrichtung 30, wobei der Maschinensatz selbst nicht dargestellt ist, sondern lediglich der Zahnkranz 36.
6 zeigt dann eine schematische Darstellung der Starteinrichtung 30, in der vom Schwenkarm 34 lediglich die Zahnräder 38, 56, 58, 50 dargestellt sind. In 6 sind die beiden weiteren Zahnräder 56, 58 des Schwenkarms 34 zu erkennen. Eine Zahnradkaskade wird in der eingerückten Position des Schwenkarms 34 durch das Abtriebszahnrad 40 des Elektromotors 32, das Zahnrad 38 des Schwenkarms 34, die beiden Zahnräder 56, 58 im Schwenkarm 34, das Zahnrad 50 des Schwenkarms 34 sowie den Zahnkranz 36 auf der Welle der Synchronmaschine gebildet. Die Antriebsübertragungseinrichtung im Schwenkarm 34 weist somit die Zahnräder 38, 56, 58 und 50 auf.
7 zeigt eine schematische Ansicht der Starteinrichtung 30 von der Seite, also parallel zur Wellenlängsachse der Welle der Synchronmaschine gesehen. Der Schwenkarm 34 ist wieder in der eingerückten Position dargestellt, in der er durch das Längsstellglied 42 gehalten wird und aus der er mittels des Längsstellglieds 42 in die ausgerückte Position herausbewegt werden kann.
8 zeigt in schematischer Darstellung eine Starteinrichtung 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der Maschinensatz des Pumpspeicherwerks mit Turbine, Synchronmaschine und Pumpe ist nicht dargestellt, lediglich die Welle 22 der Synchronmaschine ist schematisch dargestellt. Die Starteinrichtung 100 weist ein erstes Antriebsrad 102 auf, das drehfest mit der Welle 22 der Synchronmaschine verbunden ist. Das erste Antriebsrad 102 ist vorteilhafterweise wenigstens zweigeteilt, was durch gestrichelte Linien angedeutet ist, so dass das Antriebsrad 102 ohne Zerlegen des Maschinensatzes drehfest auf der Welle 22 angebracht werden kann. Die Starteinrichtung 100 weist ein zweites Antriebsrad 104 auf, das in nicht dargestellter Weise drehbar an einem Maschinenrahmen, der nicht dargestellt ist, befestigt ist. Das zweite Antriebsrad 104 liegt in der gleichen Ebene wie das erste Antriebsrad 102. Ein Antriebsmittel 106, beispielsweise eine Antriebskette oder ein Antriebsriemen, ist über die beiden Antriebsräder 102, 104 gelegt. Die Antriebsräder 102, 104 können beispielsweise als Kettenräder oder als Riemenscheiben ausgebildet sein. Da zum Starten der Synchronmaschine hohe Antriebsleistungen erforderlich sind, können beispielsweise auch mehrere erste Antriebsräder 102, mehrere zweite Antriebsräder 104 und mehrere Antriebsmittel 106 vorgesehen sein.
Die Starteinrichtung 100 weist weiter den Elektromotor 32 auf, dessen Abtriebswelle 108 mit einem Kupplungsstück 110 verbunden ist. Das Kupplungsstück 110 ist dafür geeignet, mit dem zweiten Antriebsrad 104 gekoppelt zu werden. Lediglich beispielhaft und schematisch weist das Kupplungsstück 104 hierfür vier klauenartige Vorsprünge auf, die in passende Ausnehmungen im Antriebsrad 104 eingekoppelt werden können. Das Koppeln der Abtriebswelle 108 mit der Welle 22 der Synchronmaschine erfolgt bei der Starteinrichtung 100 dadurch, dass der Elektromotor 32 entlang von Schienen 112 in Richtung auf das zweite Antriebsrad 104 verschoben wird, bis die Klauen des Kupplungsstücks 110 in die passenden Ausnehmungen des zweiten Antriebsrads 104 eingreifen. Im Rahmen der Erfindung sind auch andere Kupplungen oderdergleichen möglich, um die Abtriebswelle 108 des Elektromotors 32 mit dem zweiten Antriebsrad 104 zu koppeln.
Das erste Antriebsrad 102, das zweite Antriebsrad 104 und das Antriebsmittel 106 bilden eine Antriebsübertragungsvorrichtung, um die Abtriebswelle 108 des Elektromotors 32 mit der Welle 22 der Synchronmaschine zu koppeln.
Nachdem die Abtriebswelle 108 des Elektromotors 32 mit dem Antriebsrad 104 gekoppelt ist, kann mittels des Elektromotors 32 die Welle 32 der Synchronmaschine in Drehung versetzt werden und dadurch die Synchronmaschine auf ihre Synchrondrehzahl gebracht werden. Sobald die Synchronmaschine dann mit dem elektrischen Netz verbunden ist und in einem Phasenschieberbetrieb oder Pumpbetrieb arbeitet, kann der Elektromotor 32 wieder entlang der Schienen 112 verfahren werden, um das Kupplungsstück 110 aus dem zweiten Antriebsrad 104 auszurücken. Die Abtriebswelle 108 ist dadurch wieder von der Welle 22 der Synchronmaschine entkoppelt. So lange sich die Welle 22 der Synchronmaschine dreht, werden sich auch das erste Antriebsrad 102 und das zweite Antriebsrad 104 mitdrehen. Der Elektromotor 32 kann dann entlang der Schienen 112 zu einem weiteren Maschinensatz verfahren werden. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, den Elektromotor 32 mit Rädern zu versehen oder allgemein auf einem Maschinengestell anzuordnen, das bewegt werden kann. Da sehr große Antriebskräfte wirken, wird der Elektromotor 32 zweckmäßigerweise in der Position, in der seine Abtriebswelle 108 mit der Antriebsübertragungseinrichtung gekoppelt ist, lösbar an einem geeigneten Fundament fixiert.

Claims

Starteinrichtung (30) für einen Maschinensatz (10) eines Pumpspeicherwerks, wobei der Maschinensatz (10) eine Wasserturbine (14), eine Synchronmaschine (16) und eine Wasserpumpe (18) aufweist, wobei die Wasserturbine (14), die Synchronmaschine (16) und die Wasserpumpe (18) koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Starteinrichtung (30) einen Elektromotor (32) und eine Antriebsübertragungseinrichtung aufweist, wobei die Antriebsübertragungseinrichtung ausgebildet ist, einerseits mit der Abtriebswelle des Elektromotors (32) und andererseits mit der Welle der Synchronmaschine gekoppelt zu werden.
Starteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Fixiermittel, um die Starteinrichtung (30) oder den Elektromotor (32) der Starteinrichtung (30) lösbar mit einem Boden, auf dem der Maschinensatz (10) steht, oder mit einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes (10) zu verbinden.
Starteinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Verfahrmittel, insbesondere Räder.
Starteinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsübertragungseinrichtung wenigstens eine Antriebskette und/oder wenigstens einen Antriebsriemen aufweist.
Starteinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsübertragungseinrichtung wenigstens ein drehfest mit der Welle der Synchronmaschine verbundenes erstes Antriebsrad und wenigstens ein am Maschinenrahmen drehbar gelagertes zweites Antriebsrad aufweist, wobei die Abtriebswelle des Elektromotors (32) mit dem zweiten Antriebsrad koppelbar ist.
Starteinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schwenkarm (32) vorgesehen ist, wobei der Schwenkarm (34) mit der Antriebsübertragungseinrichtung versehen ist, wobei der Schwenkarm (34) ausgebildet ist, von einer ausgerückten Position, in der die Antriebsübertragungseinrichtung nicht mit der Welle der Synchronmaschine (16) gekoppelt ist, in eine eingerückte Position verschwenkt zu werden, in der die Antriebsübertragungseinrichtung mit der Welle der Synchronmaschine (16) gekoppelt ist
Starteinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsübertragungseinrichtung wenigstens zwei am Schwenkarm (34) drehbar gelagerte Zahnräder (38, 56, 58, 50) aufweist.
Starteinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass am Schwenkarm (34) mehrere, miteinander kämmende Zahnräder (38, 56, 58, 50) angeordnet sind, wobei ein erstes Zahnrad (38) der Zahnräder in der eingerückten Position des Schwenkarms (34) mit einem Antriebszahnrad (40) kämmt, das drehfest mit der Welle des Elektromotors (32) verbunden ist.
Starteinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiteres Zahnrad (50) der Zahnräder des Schwenkarms (34) in der eingerückten Position mit einem Zahnkranz (36) kämmt, der drehfest mit der Welle der Synchronmaschine (16) verbunden ist.
Starteinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkarm (34) an einem Maschinenrahmen (52) der Starteinrichtung (30) schwenkbar gelagert ist, wobei die Schwenkachse (54) des Schwenkarms (34) parallel zur Welle des Elektromotors (32) und seitlich versetzt zur Welle angeordnet ist.
Starteinrichtung nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Linearstellglied (42) vorgesehen ist, das einerseits an einem Maschinenrahmen (52) der Starteinrichtung (30) und/oder des Maschinensatzes (10) und andererseits an dem Schwenkarm (34) angelenkt ist, um den Schwenkarm (34) zwischen der ausgerückten Position und der eingerückten Position zu bewegen.
Maschinensatz (10) für ein Pumpspeicherwerk mit einer Wasserturbine (14), einer Synchronmaschine (16) und einer Wasserpumpe (18), wobei die Wasserturbine (14), die Synchronmaschine (16) und die Wasserpumpe (18) koaxial zu einer gemeinsamen Wellenlängsachse angeordnet sind, sowie mit einer Starteinrichtung (30) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche.
Maschinensatz nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Welle (22) der Synchronmaschine (16) mit einem Antriebsrad versehen ist, wobei das Antriebsrad auf Welle der Synchronmaschine wenigstens zweiteilig ausgebildet ist.
Maschinensatz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Antriebsrad als Zahnkranz (36) zweiteilig ausgebildet ist und ein Zahnrad (50) des Schwenkarms (34) in der eingerückten Position mit dem Zahnkranz (36) kämmt.
Maschinensatz nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Starteinrichtung (30) oder lediglich der Elektromotor (32) der Starteinrichtung (30) an einem Boden, auf dem der Maschinensatz steht, oder einem Maschinenrahmen des Maschinensatzes lösbar fixiert ist.
Verfahren zum Starten eines Maschinensatzes (10) für ein Pumpspeicherwerk nach einem der Ansprüche 12 bis 15, mit folgenden Schritten: Kuppeln der Abtriebswelle des Elektromotors (32) mit der Welle der Synchronmaschine mittels der Antriebsübertragungseinrichtung, Antreiben der Welle (22) der Synchronmaschine (16) mittels des Elektromotors (32) bis zu einer vordefinierten Startdrehzahl und Starten der Synchronmaschine (16).
Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die Schritte: Nach dem Starten der Synchronmaschine Entkoppeln der Antriebsübertragungseinrichtung von der Abtriebswelle des Elektromotors und/oder der Welle der Synchronmaschine.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch die Schritte: Bewegen der Starteinrichtung (30) oder lediglich des Elektromotors (32) in eine Position neben einem ersten Maschinensatz (10), Starten der Synchronmaschine (16) des ersten Maschinensatzes (10) und Wegbewegen der Starteinrichtung (30) oder lediglich des Elektromotors (32) aus der Position neben dem ersten Maschinensatz (10).
Verfahren nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch die Schritte: Bewegen der Starteinrichtung (30) oder lediglich des Elektromotors (32) in eine Position neben einem zweiten Maschinensatz und Starten der Synchronmaschine des zweiten Maschinensatzes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei die Antriebsübertragungseinrichtung einen Schwenkarm (34) aufweist und wobei beim Kuppeln der Abtriebswelle des Elektromotors (32) mit der Welle der Synchronmaschine (16) das Verschwenken des Schwenkarms (34) der Starteinrichtung (30) in die eingerückte Position erfolgt.