SE514818C2 - Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal samt förfarande vid dylik maskin - Google Patents

Description

35 40 3 - 300 MW. Motordrifter på upp till 100 MW och högre kan tillverkas.

Maskineffekter både under och över rfámnda effektområden kan med fördel komma till användning.

Maskinen kan komma till användning i samband med vattenkraftsmaskiner, pumpkraftverk, vindkraftverk, gas- och ångturbiner samt som faskompensator, effektflödesregulator och transmissionslänk i kraftnätssammanhang, och som drivkälla för olika motordrifter.

De redovisade utföringsexemplen av uppfinningen och redogörelsen för teknikens ståndpunkt visar s k radialflödesmaskiner. Maskinen kan också helt eller delvis utföras med en eller flera axialflödesmaskiner.

När det gäller maskiner för generering av elektrisk effekt finns ett flertal vedertagna begrepp som elgenerator, elkraftgenerator, vattenkraftgenerator, hydrogenerator m fl. I denna patentskrift kommer dessa ”generatorer” att omtalas som ”elgenerator” om det inte av sarrnnanhanget är nödvändigt med en närmare specificering.

TEKNIKENS STÅNDPUNKT, PROBLEMEN Generellt gäller för växelströmsmaskiner att de kan användas för både generatordrift och motordrift, men att de optimala utföringsformema skiljer sig något. Det fmns således en "teknikens ståndpunkt" som är specifik för de båda driftfallen. i Vid generatordrift är maskinens uppgift att alstra elektrisk effekt. För att kunna göra detta drivs elgeneratorn av en drivanordning varvid mekanisk effekt omvandlas till elektrisk effekt. Eftersom generering av elektrisk effekt i regel är förknippad med kraftnät ställs specifika krav på konstanthållande av både spänning och frekvens samt på styming och reglering av både aktiv och reaktiv effekt. Nedan följande beskrivning av teknikens ståndpunkt, när det gäller generatordrift, kommer följaktligen att till stor del handla om hur man förfar för att uppnå önskade prestanda avseende dessa parametrar.

Då en växelströmsmaskin används i en motordrift omvandlas elektrisk effekt till mekanisk effekt där omvandlingen i växande andel är förknippad med varvtalsreglering av utgående axel, dvs av maskinens varvtal. Detta gäller .-\ 20 25 30 .___. -_ , . . ' . e ._ ,. .r .. . _ -- .- _ ._ < .. _ . .

L- ...i . f. .

N-s sNÅ.. n. u... . l . _. . . . . . -. a _ . f. .. H speciellt vid tillämpning av rubricerade uppfinning. Beskrivningen av teknikens ståndpunkt nedan när det gäller rnotordrifter kommer följaktligen huvudsakligen att handla om varvtalsreglerade motordrifter. Främst avser motordrifter reglering av moment och varvtal hos utgående axel.

Motordrifter är dock på samma sätt som generering även förknippat med styrning och reglering av både aktiv och reaktiv effekt.

Ett väsentligt problemområde när det gäller motordrifter med växelströmsmaskiner är deras start, dvs uppköming från noll varvtal till aktuellt regleroniråde runt synkront varvtal. Redogörelsen för teknikens ståndpunkt kommer också att innefatta beskrivning av befintlig startmetodik för att kunna påvisa de förbättrade startförfaranden som står till buds med växelströmsniaslciner enligt uppfinningen.

Som omtalat under "TEKNISKT OMRÅDE" kommer uppfinningen att innefatta en strömriktare. Beskrivningen av teknikens ståndpunkt både när det gäller generatordrift och motordrift kommer därför huvudsakligen att referera till utföringsformer där ströniriktare ingår. Ur elektrisk synpunkt beskrivs aktuella strömriktare med hjälp av etablerade grundläggande symboler enligt figur 1 som entydigt beskriver deras funktion, dvs enligt ñg la som avser omvandling från AC till DC, vs-ls-omvandling, enligt fig lb som avser omvandling från DC till AC, ls-vs-omvandling, enligt fig lc som avser en vs-vs-omvandling, och enligt fig ld som avser omvandling från en likspänning till en arman likspänning.

De vs-vs-omvandlare som kommer i fråga för utförandet av uppfinningen benärrms enligt engelsk terminologi ”ac-to-ac bidirectional converters” och förklaras i Websters El. Eng. Handbook, Wiley 1999, under avsnittet AC- AC POWER CONVERTERS, skrivet av Rik W. De Doncker, Aachen University of Technology. Det engelska begreppet ”converter” översätts till « svenska omväxlande med strömriktare, omriktare och omvandlare. Med begreppet vs-vs-omvandlare förstås i detta sammanhang omvandling av frekvens och/eller amplitud. ' Strömriktarkopplin gar för stora effekter utförs för närvarande mest med kiselbaserade tyristorer. Dessa kopplingar kräver ofta stora reaktiva effekter p g a att vs-nätets strömmar får stor fasförskjutning relativt dess spänningar.

Detta innebär att dimensioneringen a? maskiner för strömriktarbaserade system och av strörnriktare måste ta hänsyn till reaktiva effektflöden, dvs till reaktiva förluster i maskiners och vs-näts reaktanser och till behov av faskompensering, således inte enbart till de rent aktiva effektflödena med mer eller rnindre försumbara aktiva förluster.

Ur mekanisk synpunkt byggs enligt teknikens ståndpunkt strömriktare som kommer till användning i sammanhang som rör elektriska maskiner normalt såsom enheter, som står vid sidan av maskinen eller monteras fast på dess stator. Under de senaste decenniema har man börjat montera strömriktare fast på de roterande delarna, dvs i eller på den roterande delen, exempelvis som delar av ett roterande borstlöst system för likströmsmagnetisering av synkronmaskiner enligt nedan. I vissa sammanhang förekommerockså strömriktarstyrda rotormotstånd.

En strömriktarkoppling som är mycket viktig i rubricerade sammanhang är en koppling enligt figur lc, dvs en koppling som avser frekvens- eller vs-vs-omvandling. Funktionen hos en vs-vs-omvandlare kan åstadkommas på flera olika sätt. Ett principiellt sätt är att omvandlingen sker med vs-ls-vs- omvandling, dvs med ls-mellanled. Ett annat sätt är att omvandlingen åstadkoms med direkt vs-vs-omvandling som kan ske i olika utföringsformer. Exempel på sådana är omvandling med s k cykloconverters med nätkommuterade dubbelströnrriktare eller med s k rnatrisomriktare med sj älvkommuterade dubbelriktade krafthalvledare.

Eftersom det i detta sammanhang endast är huvudfunktionema som energiomvandlare som är aktuella kommer detaljbeskrivning och styrning, skydd, reglering m m av strörnriktare samt kommunikation av signaler till och från roterande delar inte att beröras i denna skrift. ^ Både när det gäller generatordrift och motordrift av växelströmsmaskiner förekommer ett välkänt begrepp som benämnes synkront varvtal. Det finns ett entydigt samband mellan rotoms rotationshastighet (n, , r/min), maskinens poltal (p) och frekvens (fs, Hz) hos maskinens spänning.

Sambandet vid synkron drift redovisas oftast som: nr =(2/P) ' fs' 60 (1) 20 25 30 40 :_ , V' ' , - _ , m t. f. f , . , ß 51 t* r v ._ - <1' I~< -1 (- ... 1. .. ' - i . '_ f. _ ö ' “ Den närmast följande delen av teknikens ståndpunkt handlar om växelströrnsmaskiners användning som elgenerator.

Man utgår från ett elgenererande aggregat i form av en elgenerator och en till denna mekaniskt kopplad drivanordning i form av en turbin, drivmotor av något slag eller liknande. För att elgeneratorn skall kunna kopplas till ett kraftnät och bidra till kraftnätets elförsörjning krävs att elgeneratoms spänning, eventuellt via en transformator, anpassas till kraftnätets spärming samt att spänningens frekvens överensstämmer med kraftnätets frekvens.

För att åstadkomma den önskade och konstanta frekvensen krävs således, med givet poltal, att aggregatet roterar med ett konstant varvtal vilket innebär att drivanordningen måste ha någon form av reglerutrustning för olika belastningsförhållande med mera. Varierande vattenflöde, fallhöjd och nätpendlingar kräver både statisk och dynamisk noggrannhet hos frekvensregleringen av vattenkraftsgeneratorer.

Inledningsvis skall ges en kortfattad beskrivning av hur magnetiseringssystemen för elgeneratorer som roterar med "konstant" _ varvtal är utformade enligt dagens teknik. Detta sker delvis med s k borstlös magnetisering med hjälp av en medroterande matare och strörnriktare.

Ett exempel på en utformning av en borstlös matare framgår av ABB- broschyren "Brushless exciter", SEGEN/HM 8-001. Av broschyren framgår att mataren är en växelströmsmaskin vars stator är försedd med utpräglade poler och vars rotor har en trefas växelströmslindrring för matning av ovan närrmda strömriktare, företrädesvis en sexpuls strörnriktarbrygga.

Strömriktarens likspänning, ls, ansluts sedan till elgeneratoms fältlindning.

Elgeneratoms spänningsreglering sker genom att påverka matarens magnetisering via dess statorlindning (fältlindning). Att ha en medroterande strömriktare för vs-ls-omvandling och likströmsmagnetisering av polsystemet hos elgeneratorer med "konstant" varvtal är således känd teknik. _ Figur 2 visar principiellt hur en borstlös matare kommer till användning i konventionella elgeneratorer, dvs med spänningar upp till 25 kV. Här visas en vertikalaxlad elgenerator 1 som på den gemensamma axeln 2 är anordnad med elgeneratoms rotor med lindning 3, matarens roterande växelströmslindning 4, medroterande strömriktare 5 och drivanordning i form av en turbin 6. Elgeneratoms stator 7 är via en step-up- transformator 8 ansluten till ett högspänningsnät. Av figur 2 framgår även matarens 10 20 25 30 35 i s r. ~ '»' - ' _ f . v. f <-« _. .- _ . f f <- u - ..

-V .-. .~ a . f- _ _ m» <<< _ _ ff t.. , . « t . . -» t , _ f. rt stationära faltlindning 9. Figur 3 visar motsvarande utföringsform av magnetiseringssystemet där elgeneratöm är utfonnad som en högspänningsgenerator enligt WO 97/45919. Någon transformator för anslutning till ett högspänningsnät behövs då inte. Hänvisningssiffrorna är i övrigt desamma som i figur 2. I figur 4 visas motsvarande utföringsform av rnagnetiseringssystemet där elgeneratom enligt WO 97/45907 är utformad som en högspänningsgenerator med 2x3-fas för matning av en HVDC-anläggning 10 med 12-pulskoppling. Hänvisningssiffrorna är i övrigt desamma som i figur 2.

En speciell utföringsform av likströmsmagnetisering hos en med konstant varvtal roterande elmaskin beskrivs i en patentansökan PCT/EP 98/007744, för ”Power flow control” i en transmissionslinje. Elmaskinens statorlindningar är här inkopplade i serie med transmíssionslinj ens ledare utan hopkopplad neutralpunkt. Elmaskinens rotor är försedd med två/tre 90/ 120 grader elektriskt förskjutna likströmsrotorlindningar för reglering av amplitud och fas hos elmaskinens spänning. Matning av rotorlindningarna sker via en medroterande magnetiseringsmatare och strömriktare/vs-ls- omvandlare för var och en av rotorlindningarna.

Enligt IEC 34-1/2 finns normerade tillåtna frekvens- och spännings- avvikelser för elgeneratorer. För att klara elgeneratoms skenbara märkeffekt skall elgeneratoms arbetspunkt ligga inom en s k A-zon som (i stort) begränsas av +/- 2 % vad frekvens beträffar och +/- 5 % vad spänning beträffar. Arbetspunkten tillåts dock få ligga inom en s k B-zon som (i stort) begränsas av +3 och -5 % vad frekvens beträffar och +/- 8 % vad spänning beträffar.

För konventionella elgeneratorer med likströmsmagnetiserade poler gäller som anförts ovan ett givet och fast förhållande mellan den genererade spärmingens frekvens och rotationshastighet hos rotorn vid givet poltal. Att ansluta en elgenerator till ett styvt kraftnät där elgeneratoms synkrona hastighet/frekvens avviker från nätets frekvens innebär väsentligt ökade förluster hos elgeneratom. Om nu ett normalt arbetande 50 Hz-lcraftriät av olika skäl håller 2 % lägre frekvens kommer en ansluten elgenerator ändå att arbeta med en synlcron frekvens om rotoms rotationshastighet är 2 % lägre än nominell hastighet. Även om man på detta sätt under vissa förutsättningar kan få synkrona förhållanden innebär varierande varvtal hos en ansluten elgenerator stora problem, speciellt som det kan vara svårt nog att tillåta varvtalsvariationema så stora som tekniskt-ekonomiskt önskvärda +/-10 %. e.. 10 20 25 30 35 40 » A5 <1 ga 7 För att lösa dessa problem har frekvensregleringen hos elgeneratorer med varierande rotationshastighet fått lösaš på andra sätt. För detta ändamål finns enligt teknikens ståndpunkt olika utföringsfonner av vilka ett antal skall redovisas nedan.

Principiellt är ett av de enklaste sätten att åstadkomma rätt frekvens för nätanslutning av en elgenerator, vars varvtal varierar inom ovan anförda gränser, att mellan generator och kraftnät ansluta en vs-vs-omvandlare enligt figur lc. Ur ekonomisk synpunkt är detta dock ett mycket tveksamt utförande eftersom vs-vs-omvandlaren måste dimensioneras för full effekt.

De utföringsformer som enligt teknikens ståndpunkt har kommit till användning är dock huvudsaldigen baserade på en annan inom elläran för sådana maskiner känd princip, se t ex nedan nämnda artikel i Hitachi Review, Principen skall här exemplifieras med hjälp av ett sifferexempel med utgångspunkt från en elgenerator som skall generera en spänning med frekvensen 50 Hz. Ett typiskt Vattenkraftverk dimensioneras för ett basvarvtal på 375 r/min och har följaktligen, enligt ekvation (1) 16 poler.

Om aggregatet av olika skäl drivs av turbinen att rotera med 360 r/min skulle elgeneratoms synkrona frekvens vid likströmsmagnetisering av rotorpolerna enligt ekvation ( 1) generera en spänning med frekvensen 48 Hz.

Om man utformar rotorlindningen som en vs-lindning och matar denna lindning med en spänning med skillnadsfrekvensen mellan den synkrona frekvensen f, vid 360 r/min och den önskade frekvensen 50 Hz, dvs med fc = 2 Hz, kommer frekvensen hos elgeneratom att vara fs = 50 Hz. Generellt gäller att ekvation (1) omvandlas till n, = (Zlp) ' (fs + fc) ' 60 (2) där fc är den aktuella skillnadsfrekvensen. Ett system för konstanthållande av elgeneratorns frekvens skall således se till att, oberoende av aktuellt varvtal hos drivanordningen, rotorlindningen förses med en spänning med aktuell skillnadsfrekvens både vad avser undersynkron och översynkron drift. Denna princip tillämpas på olika sätt eller med olika utföringsformer.

Typiskt för kända utföringsformer är att rotoranslutningarna sker via trefas släpringar, som överför hela axeleffekten eller en stor del av densamma.

I US 5,742,5 15, "Asynchronous conversion method and apparatus for use with variable speed turbine hydroelectric generation", beskrivs ett 10 15 20 25 30 35 40 ' p, ' ' r L. .v . “ _ - n, v_f~<.c . f.~ f. f- fr. _ _ :w - -. t, <- r »_ f . > n o i . < C . _ ,. _ . , free :r- ~ ff- N r K v , = K fr' :r ' i hydroelektriskt kraftgenereringssystem som genererar elektrisk effekt till ett kraftnät. Sammanfattningsvis kan deñ elgenererande delen av systemet beskrivas med utgångspunkt från figur 5 där ingående delar är ritade med samma figursymboler och hänvisningssiffror som i figurerna 2 - 4. Systemet innefattar, enligt patentkrav 19 i nämnda US-patent, (för att förtydliga hänvisningen till US-patentet används här hydro-lturbin, - generator, -maskin osv) "en vattendriven hydroturbin 6 med en hydrogenerator 1 för alstring av hydroelektrisk effekt och en roterande omformare ll kopplad till hydromaskinen för överföring av hydromaskinens elektriska effekt till kraftnätet. Den roterande omformaren innefattar en rotorlindning 12 och en statorlindning 13 av vilka rotorlindningen eller statorlindningen är kopplad till hydroturbinenheten och den andra via en transformator 8 till det högspända kraftnätet ...... ..”. Av beskrivningen i övrigt framgår att hydrogeneratorn 1 innefattar en axel 2 som är anordnad med hydrogeneratorns rotor med lindning 3 och en matares roterande växelströmslindning 4. Det framgår inte av figurer eller text i patentet om ”exciter power supply" (fig 1A, 62) är en medroterande strömríktare eller om likströmsmagnetiseringen sker via en stationär strömríktare och överföring via två släpringar. Principiellt är detta likvärdiga lösningar men för jämförelse med övriga utföranden anges i figur 5 att magnetiseringen sker via en medroterande strömríktare 5. Av figur 5 framgår även rnatarens stationära fältlindning 9 samt hydrogeneratorns statorlindning 7. Denna del av figur 5 är som det framgår identisk med figur 2.

Av beskrivningen i övrigt framgår att, i enlighet med figur 5, hydrogeneratorns statoreffekt överförs via släpringar 14 på den roterande omformaren ll till dennas rotorlindning 12. Den i omformarens statorlindning 13 inducerade spänningen är kopplad via en transformator 8 till kraftnätet. Omformarens ll uppgift är således att förse systemet med den skillnadsfrekvens som är nödvändig för att systemet skall kunna leverera en spänning med rätt frekvens till kraftnätet vid varierande varvtal hos hydromaskinen. I praktiken innebär detta att om hydromaskinen roterar med sitt synkrona varvtal kommer omformaren att vara stillastående, dvs fungera som en stationär transformator. Beroende på aktuellt varvtal hos hydromaskinen kommer således omformarens rotor att behöva en drivkälla M/G 15 i form av en motor eller generator med vs-vs-omvandlare 16. Det kan således konstateras att ornforrnaren 11 måste dimensioneras för i stort sett sarrmia effekt som hydrogeneratorn och att släpringarna måste kunna 9 överföra full effekt. Ornforrnaren 11 roterar med den låga skillnads- i frekvensen vilket innebär att omformaren måste ha forcerad kylning med stor effektförlust.

Spänningsregleringen hos en hydrogenerator 1 enligt US-patentskriften sker genom ovan nämnda likströmsmagnetisering. Den roterande omformaren 11 har i sin rotorlindning 12 och i sin statorlindníng 13 läckreaktanser som förbrukar reaktiv effekt och orsakar spänningsfall. Dessa kan kompenseras med ökad likströmsmagnetisering i generatoms rotorlindning 3 eller kan, enligt den med ovan anförda US-patentet associerade ansökan EP 0749190 A2, kompenseras av seriekondensatorer. Av EP-ansökan framgår även att en typisk märkspänning för släpringarna är 15 kV. Märkströmmen för en sådan 100 MVA-maskin blir således ca 4 kA och för en 300 MVA-maskin blir den 12 kA. Ett väsentligt problem med sådana maskiner blir följaktligen att utföra, nyttja och underhålla släpringar för dessa spänningar och strömmar. ' I ABB Review 3/ 1996, pp 33 - 38 redovisas en anläggning där "ABB Varspeed generator boosts efficiency and operating flexibility of hydropower plant". Optimeringen sker genom att man låter turbin och elgenerator gå med variabelt varvtal. För att ändå kunna ansluta elgeneratom till ett kraftnät med given och i huvudsak fast frekvens anpassas i elgeneratoms frekvens till nätfrekvens med hjälp av en s k under/översynkron strömriktarkaskad. För att lättare kunna jämföra denna generatordrift med övriga redovisade utföranden har den aktuella delen av figur 4 i nämnda ABB-publikation återgivits i figur 6 och ritats med samma figursymboler och hänvisningssiffror som i figurerna 2 - 4 i rubricerade patentskrift. Här finns således en vattendriven turbin 6 med en elgenerator 1 (G2) för alstring av hydroelektrisk effekt. Elgeneratom 1 innefattar en axel 2 som är anordnad med hydrogeneratoms rotor med lindning 3. I figur 6 visas även elgeneratoms statorlindning 7. Frekvensanpassningen till aktuell nätfrekvens sker med hjälp av den under/översynkrona strömriktarkaskaden 17 (CC), som i själva verket är en sk cykloconverter/frekvensomvandlare.

Mätningen till dess nätsida sker via en transformator 18 (TR) och den aktuella skillnadsfrekvensen matas in till elgeneratoms rotorlindning 3 via släpringar- 19. Den således med rätt frekvens alstrade spänningen matas sedan via en transformator 8 till kraftnätet. En sådan frekvensanpassning hos en elgenerator som drivs av ett variabelt varvtal är en s k Static Scherbiusdrift, se nedan under redovisningen av teknikens ståndpunkt vad avser motordrifter. e ' '_ .~ ~. s. se -f-t: f 1. f; .- I . -,-_- . ;.~_°. - z < . . . =. y _: z . r 1 - i - 1 * ' Nm t.. . 4, ff (f. f . -> f .f i . r . f . ,. <1 För att kontinuerligt och under olika driftförutsättningar kunna åstadkomma ' rätt skillnadsfrekvens krävs ett frekvehsreglersystem. I det utföringsexempel av teknikens ståndpunkt som visas i figur 5 skall frekvensreglersystemet se till att omformarens rotor roterar med rätt varvtal med hjälp av en styrsignal 16a till M/Gzs styrdon och i det exempel som visas i figur 6 skall frekvensreglersystemet ge rätt styrsignal 17a till vs-vs-omvandlaren 17.

Frekvensreglersystemen ligger dock utanför ramen för denna uppfinning och kommer således ej att närmare beskrivas.

För anslutning till ett kraftnät krävs förutom någon fonn av frekvens- reglering även en spänningsreglering till amplitud och fasvinkel. Spännings- reglersystemen ligger på samma sätt som ovan utanför ramen för denna uppfinning.

Beroende på aktuellt reglerområde både vad frekvens och spänning beträffar kommer vid släpringade växelströmsmaskiner effekt att cirkulera internt via den krets som innefattar stator, rotor, släpringar, transformator och strömrildare. Effektdimensioneringen av dessa delar ligger också utanför ramen för denna uppfmning även om en relativ jämförelse mellan olika utföringsformer kommer att visas under redogörelsen för uppfinningen för att påvisa de fördelar som utföranden enligt uppfinningen besitter relativt teknikens ståndpunkt.

I SU 1746474 Al redovisas en ”Asynchronised Synchronous Machine having Reversive Excitation System”. Detta är en elektrisk maskin med konventionell trefas statorlíndning kopplad till ett kraftnät. Rotom är försedd med galvaniskt skilda faslindningar. Var och en av dessa är kopplade till var sin medroterande dubbelströmriktare. Dessa är utförda med tyristorer och matas från en medroterande magnetiseringsmatare. Strömiiktarna är således maskinkommuterade från magnetiseringsniataren och är anordnade så att de kan förse respektive rotorlindning med växelspärming med en frekvens som motsvarar rnaskinens eftersläpningsfrekvens. Det är uppenbart att det fmns problem vid byte av strömriktning i rotorlindningarna. För att säkerställa övergången och för att undvika stora kortslutningsströmmar då magnetiseringsströmmen skall byta riktning har man fått tillgripa ett speciellt kopplingsarrangemang för anslutningen av dubbelströrmiktarna.

Detta består i att varje rotorlindning är försedd med ett extra uttag ett antal lindningsvarv från varje änduttag. - 20 25 30 35 _- .' I* 'w 21” . ., ¿_ Z . r ,. ._ ,. _ - - , « _ t 1 _ f 4 , r e e <- . ._ a t i t. . i . » Nr:- uf- r f < nu 1 « - _, , _ ,,- . . . ._ . . « _ t. .

För att vid varierande vindhastighet kunna anpassa frekvensen hos ett vindkraftverks elgenerator till ett anslñtet kraftnäts frekvens finns ett borstlöst system, OPTI-SLIP®, framtagen av Vestas Danish Wind Technol.

AIS, Danmark, beskrivet i en artikel ”Semi-Variable speed operation-a comprorrxíse?”, presenterad vid Proceedings of 17 Annual Conference, British Wind Energy Association. 19-21 July 1995, Warwick, UK. Principen för regleringen är baserad på den välkända metoden med förlustreglering med hjälp av varierande yttre rotormotstånd anslutna via släpringar till elgeneratorns rotorlindning. Till skillnad från den välkända släpringsmetoden är OPTI-SLIP®-anläggningen anordnad med en medroterande vs-ls-ls-omriktare och medroterande fasta rotormotstånd direkt anslutna till rotorlindningen. Vs-ls-omvandlingen är utförd med en diodlikriktare, somi sin tur kortsluts av en ls-ls-omvandlare.

Vindkraftverkets hastighetsreglering sker via en inre rotorströmsreglering.

Den med regleringen förknippade förlusteffekten utvecklas således i det medroterande rotor-motståndet för att sedan avges till omgivande luft. Av konferensuppsatsen framgår det att varvtalet kan vara upp till 4 % över det synkrona med påföljden att lika många procent effekt förloras som förluster i rotorkretsen.

Uppkörning av elgeneratorer till aktuellt reglerorriråde sker på samma sätt som för konstantvarviga generatorer, dvs att turbinen accelererar elgeneratom till området för möjlig synkronisering.

Den närmast följande delen av teknikens ståndpunkt behandlar växelströmsmaskiners användning som motor med varierbart varvtal med ett mer eller mindre begränsat varvtalsreglerområde omkring ett av växelströmsnätets frekvens och huvudmaskinens poltal enligt ekvation (1) bestämt synkront varvtal.

Varvtalsstyrda/-reglerade motordrifter har funnits i ca 100 år. De allra första var s k Ward-Leonard-drifter, dvs likströmsmotordrifter. Något senare tillkom olika motordrifter baserade på växelströmsmaskiner. Dessa motordrifter är ofta benänmda efter sina respektive uppfinnare Kramer, Scherbius, Schrage m fl. Kännetecknande för dessa maskiner är att de är försedda med lindad rotor samt borstar och släpringar eller kommutator.

Typiskt är också att de är anordnade för att föra tillbaka elektrisk effekt från de roterande delarna till stillastående anläggningsdelar som t ex rotor- motstånd eller att de är reglerade med maskiner som ställdon. 10 20 25 30 35 ~ j '_: b. <<= r t» w ' < ,. - -- .ax t ., f .i . . . - _ -,,-( _. .- i /r- . _ ., » (_. U (ut. .i _ , _ _ . . . , , _ i r . ._ « Efter strömriktarnas tillkomst har intresset för varvtalsreglerade motordrifter' med växelströmsmaskiner rent allmänt fått förnyad aktualitet. De senaste årens forskning har fokuserats på s k "borstlösa växelströmsmaskiners" varvtalsreglering via i huvudsak två principer, nämligen genom att variera statorfrekvensen med vs-vs-omvandlare, s k statoromriktare för full effekt, och under de senaste decenniema ofta genom s k fältvektorreglering, dvs uppdelning i flödes- och momentbildande strömmar.

Tillkomsten av strömriktare har även medfört att de klassiska Kramer- och Scherbiusdrifterna, vilka följer ekvation (2) ovan, har fått förnyad aktualitet _ och benänms numera ofta som "Static Kramer" respektive "Static Scherbius". Den fömyade aktualiteten avser främst motordrifter med effekter i MW-klassen. Det är dessa motordrifter som närmast är att betrakta som teknikens ståndpunkt relativt rubricerade uppfmning. Des sa finns beskrivnai ett stort antal skrifter, bl a kortfattad i IEE Proc, Vol. 131, Pt. A, No. 7, September 1984, pp 535-536, "Electrical variable-speed drives", av B. L. Jones m fl.

En statisk Kramerdrift omtalas oftast som en undersynkron strömriktarkaskad och har en principiell koppling enligt figur 7. Den horisontalaxlade motorns statorlindning 20 är kopplad till ett kraftnät.

Rotorlindningen 21 är via släpringar 22 kopplad till en likriktare 23, vars spänning blir proportionell mot eftersläpningen. Denna spänning kopplas mot av spänningen från en till samma kraftnät via en transformator 24 kopplad växelriktare 25. Växelriktarens spänning är en trigonometrisk funktion av dess styrvinkel och bestämmer på detta sätt motoms varvtal.

Hos en statisk Kramerdrift blir på detta sätt eftersläpningeffekten matad tillbaka till nätet genom fi-ekvensomvandling i två steg via ett likströmsmellaiiled.

När det gäller en drift enligt »figur 7 kan effekt överföras endast i en riktning via likriktare men i båda riktningarna om likriktaren 23 utförs som strömriktare med tyristorer. För att ändra rotationsriktrlingen behöver motoranslutningens fasföljd skiftas.

En statisk Kramerdrift kan karakteriseras som en strömstyrd motordrift.

En statisk Scherbiusdrift framgår av figur 8. Motoms statorlindning 20 är på . samma sätt som i figur 7 kopplad till ett kraftnät. Rotorlindningen 21' är via släpringar 22 kopplad till en, till kraftnätet via en transformator 24 ansluten, 20 25 30 35 40 i =;;w:í«f;x 13 cykloconverter/ frekvensomvandlare 26. Det specifika för en Scherbiusdrift är att varvtalet styrs via rotoranslutriirtgen med cykloconverterns spänning vars arnplitud, fas och frekvens kan ändras oberoende av varandra. För styrningen behövs en återkoppling från motorn för att upprätthålla rätt frekvens samt arnplitudkvoten och fasförhållandet mellan rotorspänning och styrspänning.

En fördel hos Scherbiusdriften relativt Kramerdriften är att frekvensomvandlaren kan förse maskinen med en rotorström även vid synkron drift vilket medför att driften utan extra elektronik kan övergå från undersynkron till översynkron drift. Dessutom kan en Scherbiusdrift, eftersom frekvensomvandlaren är regenerativ, bromsa både vid under- och översynkron hastighet. Den kan också kontinuerligt arbeta vid synkron drift utan att krafthalvledama överbelastas. Släpringarna kan dock bli osymmetriskt belastade med viss risk för överhettning när driften är synkron.

En statisk Scherbiusdrift kan karakteriseras som en frekvens- och spänningsstyrd motordrift.

I Hitachi Review Vol. 44 (1995), No. 1, pp 55 - 62 beskrivs en "400-MW Adjustable-Speed Pumped-Storage Hydraulic Power Plant" som baseras på Scherbius-principen där den vertikalaxlade varvtalsreglerade växel- strömsrriaskinen används som pumpmotor nattetid och som elgenerator dagtid. Bortsett fiån axelns montageriktning är växelströrnsmaskinens principiella utförande, koppling och funktionella beskrivning således den samma som för figurema 6 och 8. Intressanta siffror i sammanhanget är att i generatordrift är märkeffekten 395 MVA vid ett varvtalsorrrråde på 330 - 354 r/min och vid motordrift är märkeffekten 380 MW vid ett varvtalsregleroniråde 330 - 390 r/min. Den behövliga cykloconvertems effekt för dessa reglerområden är 72 MVA, dvs den ligger mellan 18 och 22 % av respektive märkeffekter.

De redovisade utförandena med släpringar och strömriktare både vad gäller elgenerator- och motordrift är behäftade med vissa nackdelar/problem som uppfimiingen avser att i stor utsträckning eliminera respektive reducera.

Den största nackdelen med dessa drifter, och som förorsakar flest problem och fel, är släpringarna och deras anslutningar, borstar m m. Dessa delar av en växelströmsdrift är de som har kortast livslängd och kräver mest ' underhåll, speciellt som de skall överföra väsentliga effekter, järnför t ex i 10 20 25 30 35 40 nämnda utförande enligt US 5,742,5l5 där hela maskineffekten skall- överföras via släpringarna. 9 Vid släpringade växelströrrismaskindrifter cirkulerar effekt internt både i statorkretsen, rotorkretsen och luftgapet samt via den yttre transformatorn och vs-vs-omvandlaren. Den cirkulerande effekten kan vara både aktiv och reaktiv. Den reaktiva effekten förbrukas internt i transformatorn, i strömriktaren samt i växelströmsmaskinens rotor och stator. Detta ökar typeffekten för den elektromagnetiska kretsen, dvs den dimensionerande produkten av märkspänning vid tomgång och märkström vid full last.

Samtidigt innebär detta också att strömriktarnas typeffekt blir större än vad som behövs pga den cirkulerande reaktiva effekten.

Växelströnismotordiifterna har f n av olika skäl en praktisk övre effektgräns på ca 25 MW. Detta beror huvudsakligen på de problem som uppstår i samband med start och acceleration av motordrifterna på relativt svaga . kraftnät. Om man skulle starta en synkronmaskin med direktstargdvs med direkt inkoppling till lqafmätet utan att på något sätt försöka reducera rotorströmmarna, skulle startströmmen kunna uppgå till 3 - 6 gånger märkström och startförlustema kommer huvudsakligen att utvecklas i de roterande delarna där de under start-/accelerationsförloppet lagras adíabatiskt. För att start skall kunna ske på .ett mer kontrollerad sätt tillgrips olika förfaranden som serie/parallell koppling av statorlindningarna, med hjälp av starttransformator eller med en förkopplad reaktor eller motstånd.

Start av släpringade växelströmsmaskiner kan ske med full statorspänning med till rotorlindningen via släpringarna anslutet rotormotstånd RS som succesivt minskas när maskinen går i gång. En sådan startanordning framgår av figur 9.

Brornsnín g eller retardation av växelströmsmaskiner fiån reglerområdet runt synkront varvtal till stillastående enligt teknikens ståndpunkt sker på ett för fackmannen välkänt sätt. Bromsníng är ett transient förlopp och är på samma sätt som start associerat med förändringar i det roterande systemets rörelsenergi. Den enklaste elektriska metoden att bromsa är den s k motströrnsbromsningen, som sker genom att byta två faser i den till statorlindningen anslutna växelspärniingen. Den med det transienta förloppet associerade förändringen av rörelseenergin orsakar förlustenergi i rotorkretsen, som därför klassiskt utförs med släpringar och yttre a» rotormotstånd för att föra bort förlustenergin från växelströmsmaskinens inre på samma sätt som vid start. 10 20 25 30 35 40 15 REDOGÖRELSE FÖR UPPFINNINGEN, FÖRDELAR 9 Som angivits inledningsvis består uppfinningen av en elektrisk roterande växelströmsmaskin somi sitt basutförande innefattar en huvudmaskin och en reglerrnaskin med gemensam mekanisk axel och en med axeln roterande strömriktare. Uppfinningen innefattar även ett förfarande vid användning av den medroterande strömriktaren.

Kännetecknande för huvudmaskinen är att den är utformad med vs- lindningar i både stator och rotor samt att den kan arbeta både som el generator och motor.

Reglermaskinen har flera funktioner. Den skall förse huvudmaskinens rotorlindning med reglereffekt/-frekvens för aktuellt reglerornråde och den skall också kunna fungera som Startmotor för konstantfrekvensmaskinen eller kunna överföra huvudmaskinens startförluster till yttre motstånd. .

Strömriktaren har också flera funktioner. Dess huvuduppgift är att under drift fungera som en vs-vs-omvandlare enligt tidigare given definition. v Under start skall den kunna fungera som en vs-flerfaskopplare eller som en vs-fasvinkel-/spänningsregulator eller som en vs-kortslumingskopplare för reglermaskinens rotorlindning. Vid kontrollerad brornsning och/eller stopp skall strömriktaren kunna fungera som en vs-fasvínkel-/spänningsregulator eller som en vs-flerfaskopplare. Uppñnningen innefattar även ett förfarande vid användning av den medroterande strömriktaren i enlighet med ovan- stående.

Anläggningsutförandena då maskinen arbetar som elgenerator respektive motor skiljer sig dock något främst vad avser märkeffekter, märkspänningar och startmetoder. I vissa sammanhang kan dock maskinen komma till användning både som elgenerator och motor.

Inledningsvis behandlar redogörelsen för uppfinningen utformningen av huvudmaskinens statorlindning, som i stora drag är gemensam för maskinen _.. både som elgenerator och motor. Sedan följ er en beskrivning av maskinen då den kommer till användning som elgenerator med variabelt varvtal och då den används som motor med varierande varvtal. Därefter redogörs i stora drag för reglermaskinens samt även i viss utsträckning vs-vs-omvandlarens utformning. Avslutningsvis anges de fördelar som en maskin enligt uppfinningen besitter relativt teknikens ståndpunkt. 10 '20 25 30 35 _- ,- i, _. -._« _ ' '- '_ : árh f. :_ ff H - « _c.;r r z «« I - ' , r r< .ce < i _ va» <~< . U-v . _ _ .r . f < r _ . t. 16 Det har i generella ordalag anförts ovan att huvudrnaskinens statorlindning ansluts till ett transmissions- eller distiibutionskraftnät med mellan- eller högspärining. Anslutningen kan som anförts på bifogade figurer vara transformatorlös eller via krafttransfonnatorer. Anslutningen kan också ske mot strömriktare för frekvensomvandling, för faskompensering, för filtrering av övertoner osv.

För direktanslutning till ett högspänningsnät är statorlindningen hos en maskin enligt uppfinningen lindad med en högspänningskabel. En föredragen utföringsform av kabeln innefattar en strömförande ledare som består av transponerade, både oisolerade och isolerade, kardeler. Runt ledaren finns ett inre halvledande skikt som är omgivet av minst ett extruderat isolationslager vilket i sin tur är omgivet av ett yttre halvledande skikt. För att undvika inducerade strömmar och därmed förknippade förluster i det yttre halvledande skiktet är detta delat i ett antal avskuma delar. Var och en av dessa avskuma delar är sedan ansluten till jord varvid det yttre halvledande skiktet kommer att befinna sig på jordpotential eller åtminstone nära jordpotential. Detta innebär att inga stora slumpvis fördelade, med ledargeometrin varierande elektriska fältkoncentrationer kan uppstå hos maskinens statorlindning. En fylligare beskrivning av en sådan kabel och lindning samt de fördelar som en sådan kabel och lindning medger ' i roterande maskiner ges i WO 97/45919.

Som angivits ovan skall redogörelsen för uppfmningen först beskriva hur maskinen kommer till användning som en elgenerator med varierande. varvtal. Ett utföringexempel av basutförandet visas i figur 10 som vad genererad spänning beträffar avser en konventionell elgenerator, dvs en elgenerator avsedd för spärmingar upp till 25 kV. För att enkelt kunna jämföra uppfinningen med den redovisade teknikens ståndpunkt harfigur 10 i möjligaste mån samma figursymboler och hänvisningssiffror som tidigare redovisade figurer. Det finns således en huvudrnaskin/elgenerator 1, en på en gemensam axel anordnad reglermaskin 27 och en på axeln monterad strömriktare 28 i form av en vs-vs-omvandlare. Av figur 10 framgår i övrigt att reglerrnaskínens växelströmsrotorlindning 29 är ansluten till vs-vs- omvandlarens "nätsida" och att dess utgång är ansluten till elgeneratoms växelströmsrotorlíndning 3. Reglermaskinens statorlindning 30 kan på samma sätt som för tidigare omtalade borstlösa matare vara utformad med utpräglade poler. Som det framgår av den följande redovisningen kan' även annan utformning komma till användning. Huvudmaskinen/elgeneratom och 20 25 30 35 40 17 reglermaskinen drivs på tidigare 'omtalat sätt via en turbin 6. Elgeneratoms i statorlindningen 7 genererade spänning ansluts som ovan via en step-up- transformator 8 till ett högspänningskraftnät.

Principen för frekvensregleringen vid varierande varvtal på drivanordningen är densamma som tidigare redovisats, dvs att man tillför elgeneratoms växelströmsrotorlindning 3 en spänning med den skillnadsfrekvens som behövs för att vid aktuellt varvtal erhålla den önskade frekvensen hos den genererade statorspänningen. Frekvensreglersystemets styrsignal 28a till den roterande vs-vs-omvandlaren kan skapas på olika sätt som ligger utanför , ramen för denna uppfmning. Detsamma gäller systemets spännings- reglering, vad avser amplitud och fasvinkel.

Det skall uppmärksammas att då elgeneratom drivs med ett varvtal som, med givet poltal, motsvarar synkronisering till krafmätets frekvens, så kommer vs-vs-omvandlarens anslutning till rotorlindningen att ske med frekvensen noll, dvs med likström. I Till skillnad från teknikens ståndpunkt med släpringad överföring av effekt/skillnadsfrekvens till rotorlindningen och till skillnad från den specialkoppling av rotorlindningen med galvaniskt skilda lindningar med extra uttag som behövs med den maskinkommuterade dubbelströmriktaren ' som redovisas i SU 1746474 Al, sker nu enligt uppfinningen överföring av effekt/skillnadsfrekvens till en konventionell rotorlindning med en självkommuterad dubbelströmriktare som i en föredragen utföringsform består av en matrisomvandlare. Eftersom det nu är fråga om effektöverföring ' till/från lcraftnätet måste reglermaskin och strömriktare dimensioneras för det aktuella reglerområdet både vad moment och varvtal beträffar samt även beträffande s k kommuteringsöverlappningar pga "svagt nåd-karaktär hos de roterande lindningarna. Som exempel på sådan dimensionering anges enligt ovan cycloconvertems effekt relativt märkeffekten i Hitachifallet. För att illustrera detta har, till skillnad från figur 2, 3 m fl där mataren enbart skall förse elgeneratom med likströmsmagnetiseringseffekt, reglermaskinen 27 ritats mera proportionellt korrekt relativt elgeneratoms effekt.

Problem i samband med strömriktares kommutering kan reduceras på olika sätt. I ABB Review 2/97 pp 25-33 beskrivs ett sätt med ”Capacitor commuted convertors for HVDC-system”. Artikeln beskriver hur kommuteringsmarginalen förbättras och hur reaktiva effektbehovet sjunker med seriekondensatorer i vs-anslutningen, dvs mellan den nätkommuterade 20 25 30 35 40 18 strömriktaren och dess transfomiator, när strömriktaren arbetari växehiktardrift. En motsvarande teknik kommer till användning i samband med beskrivningen och utföringsfonrier av den i uppfinningen integrerade vs-vs-omvandlaren.

Konstantfrekvensmaskinen med variabelt varvtal enligt uppfinningen kan självfallet utformas för anpassning till olika genererande applikations- alternativ. Detta gäller speciellt för både huvudmaskinens och regler- maskinens lindningsutföranden och därmed även för vs-vs-omvandlarens utformning. Som exempel på alternativa utföringsformer när det gäller statorlindningen hos elgeneratom kan den också, förutom den i figur 10 visade utföringsformen för "konventionell" högspänningsnivå vad elgeneratorer beträffar, utformas som den i WO 97/45919 redovisade elgeneratom för än högre spänningar enligt figur lla som är en motsvarighet till figur 3. Figur llb visar en axiell ändvy av en sektor/poldelning hos en huvudmaskin enligt uppfinningen och kommer att närmare redovisas under beskrivningen av utföringsformer. Motsvarigheten till figur 4, dvs där elgeneratom är utformad som en högspäimingsgenerator enligt WO 97/45907 med 2x3-fas statorlindningar för matning av en HV DC-anläggning med l2-pulsspänning, är också en högst aktuell utföringsform.

Uppköming/ start av konstantfrekvensmaskinen till aktuellt reglerornråde för' ' drift som elgenerator sker genom att turbinen accelererar huvudmaskin och reglermaskin till dess att maskinen själv kan överta regleringen.

En växelströirismaskin enligt uppfinningen har också ett stort , applikationsområde när det gäller motordrifter med varierande varvtal. Ett basutförande när det gäller motordrifter skall beskrivas med utgångspunkt från figur 12.

På samma sätt som angivits för utföringsexemplet med basutförandet av elgeneratorn skall även här, för jämförelse av uppfmningen med den redovisade teknikens ståndpunkt, i möjligaste mån samma figursymboler och hänvisningssiffror komma till användning som i tidigare redovisade figurer vad avser motordiifter, dvs figurema 7 och 8. Det finns således enligt figur 12 en huvudmaskin/elmotor 1 med en statorlindning 20 och en rotorlindning 21, en på en gemensam axel anordnad regleraskin 27 och en strömriktare 28 i form av en vs-vs-omvandlare. Reglermaskinen är försedd med en rotorlindning 29 och en statorlindning 30. Av figur 12 framgår i övrigt att reglermaskinens rotorlindning 29 är ansluten till 20 25 30 40 afrssvee 19 vs-vs-omvandlarens "nätsida" och att dess utgång är ansluten till huvudmaskinens/elmotoms växelströms rotorlindning 21. Reglerrnaskinens statorlindning 30 kan på samma sätt som tidigare omtalade borstlösa matare vara utformad med utpräglade poler men även här kan andra utföringsforrner förekomma. Elmotorn och reglennaskinen driver gemensamt den (icke visade) mekaniska lasten.

Principen för att variera varvtalet hos motordrifter vid växelströmsmatning med ”konstant” nätfrekvens är densamma som tidigare redovisats för elgeneratorer, dvs att enligt figur 12 huvudmaskinens växelströms- rotorlindning 21 tillförs en spänning med den skillnadsfrekvens som behövs för att de av strömmarna i statorlindningen 20 och rotorlindningen 29 skapade mrnk- och flödesvågoma skall rotera synkront i elmotoms 1 luftgap.

Varvtals-/frekvensreglersystemets styrsignal 28a kan skapas på olika sätt.

Det beror på krav på dynamik, effektfaktor, nätspänningens nivå relativt dess nominella osv. På samma sätt som för synkron drift av elgeneratom redovisats ovan får strömmen i elmotorns 1 rotorlindning 21 frekvensen noll vid synkron drift, dvs det blir åter ett specialfall med likström i huvudmaskinens växelströms rotorlindning.

Vid redogörelsen för uppñnningen både vad gäller generator- och motordrift har angivits att reglermaskinens rotorlindning skall vara en växelströmslindning och att statorlindningen kan vara utformad med utpräglade poler men att andra utföringsformer kan, beroende på olika tillämpningar, bli aktuella. Den närmast följande delen av redogörelsen beskriver alternativa utföringsfomier.

Reglerrnaskinen skapar ett lokalt växelströmsnät till vilket endast vs-vs-omvandlaren är ansluten. Dess poltal kan således väljas relativt fritt.

För att hålla dess fysiska dimensioner så små som möjligt för en given varvtalsvariation utförs reglennaskinen företrädesvis med fler poler än huvudrnaskinen.

Utfornmingen med utpräglade poler kan också ske på olika sätt. Den föredragna utföringsformen består av ”utpräglade poler” med en likströmslindning. Därvid skapas ett stillastående luftgapsflöde i regler- maskinen som medger en anläggningstekriiskt attraktiv styrmöjlighet genom att variera luftgapsflödets storlek via likströmmens värde. Utföringsformen utpräglade poler i reglerrnaskinens stator innefattar även att luftgapsflödet skapas av permanenta magneter, vilket dock innebär ett i stort sett konstant 10 15 20 25 30 35 40 Å f: Cl i | f. t- I* ~ - l luftgapsflöde. Utfominingen med utpräglade poler hos reglennaskinens stator är huvudsakligen aktuell då uppfinningen kommer till användning vid olika generatordrifter.

Re glermaskinens statorlindning kan också utformas som en växelströmslindning varvid det skapas ett roterande luftgapsflöde i reglermaskinen. Ett sådant utförande medger främst tillförsel av magnetiseringseffekt under drift, dock kombinerad med viss in-/utmatning av axeleffekt. Denna kan elimineras genom att mata in likström i en del av eller genom omkoppling av växelströmslindningen. En annan stor fördel med en växelströmslindning i statom är att startförutsättrtingama förbättras väsentligt då maskinen enligt uppfmningen används som motor.

De vs-vs-omvandlare som enligt teknikens ståndpunkt används i samband med varvtalsreglering via matande varierande frekvens har en konstant infrekvens bestämd av elkraftnätet. En maskin enligt uppfinningen ställer högre krav på vs-vs-omvandlaren. Detta beror på att vs-vs-omvandlarens inspänning/infrekvens, som alstras av reglermaskinens rotorlindning, varierar och är, för given maskindesign och elkraftnät beroende av och direkt proportionell mot axelns variabla/varierande varvtal. Dessutom skall vs-vs- omvandlarens utspänning/utfrekvens till huvudmaskínens rotorlindning vad frekvens beträffar vara proportionell mot varvtalsskillnaden mellan huvudmaskínens synkrona och aktuella varvtal. Detta medför att kvoten mellan vs-vs-omvandlarens in- och utfrekvens kommer att variera.

Den i uppfinningen integrerande vs-vs-omvandlarens utformning och . ingående komponenter kommer att närmare redovisas i beskrivningen av utföringsfonner. Generellt gälleri övrigt att vs-vs-omvandlaren kan vara utförd som en matrisomvandlare eller som en cyklokonverter, dvs en spänningsstyv direktomvandlare med antiparallellkopplade tyristorbryggor.

Vs-vs-omvandlaren kan också utföras med likspärmings- eller likströmsmellanled. Den skall dimensioneras så att den tål största uppträdande tomgångsspänning och största möjliga belastningsströmi rotorlindningarna. 20 25 30 35 40 2::;;¿. t' 21 Växelströmsmaskindrifter enligt uppfinningen har ett väsentligt antal fördelar jämfört med motsvarande drifter utformade enligt teknikens ståndpunkt: Styrning/reglering av växelströmsmaskinen sker borstlöst.

Eftersom det vid dessa borstlösa växelströmsmaskiner inte cirkulerar effekt runt via statorkretsen innebär detta ungefär en halvering av nödvändiga strömriktareffekter.

En växelströmsmaslcin enligt uppfinningen kan både som motor och generator komma till användning för generering av reaktiv effekt till kraftnätet eller åtminstone inte dra någon reaktiv effekt från maskinen.

Kraftelektroniska strömriktare minskar huvudkretsarnas förluster och fysiska storlek. ' Eftersom vare sig aktiv eller reaktiv cirkulerande effekt belastar statoms lindning kommer också förlustema att väsentligt minska relativt motsvarande för teknikens ståndpunkt.

Både huvudrnaskinens och reglermaskinens rotorlindningar kan utföras med lägre och därmed billigare spänningsnivåer, eftersom det inte längre finns några begränsande, yttre kriterier från släpringar, utbredda skenstråk och kablage. Övertoner i strömriktarkretsarna stannar väsentligen inne i den roterande maskinen och fortplantas således ej till kraftnätet.

Maskinen kan utformas för en, två eller flera högeffektsansluminugar till matande nät. ^ För att ytterligare redovisa fördelarna med en konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt uppfirmingen visas i följande tabell en relativ effektjämförelse med utgångspunkt från en given skenbar märkeffekt Sn för de redovisade utföringsformerna. Jäinförelsen avser summaeffekt för de roterande maskinema, ROT, summaeffekt för ingående transformatorer, TRAFO, summaeffekt för ingående strömriktare, SR, summan av via_ 10 20 25 30 35 40 5 i =:r n, . f: i 22 släpringar Överförd effekt, SL samt uteffekt, UB. (T.S.) respektive (U.F.) betyder att figuren tillhör teknikens ståndpunkt eller uppfinningen.

Maskin enligt ROT TRAFO SR SL UE Figur 2 (T.S.) Sn Sn 0,05 Sn 0 Sn Figur 3 (T.S.) Sn 0 0,05'Sn 0 Sn Figur 5 (T.S.) 2,2 Sn Sn 0,2 Sn 1,15 Sn 1,1 Sn Figur 6 (T.S.) 1,3 Sn 1,4 Sn 0,4 Sn 0,4 Sn 1,1 Sn Figur 9 (U.F.) 1,3 Sn Sn 0,3 Sn 0 1,1 Sn Figur 10 (U .F.) 1,3 Sn 0 0,3 Sn 0 1,1 Sn Maskin enligt figur 2: Samtliga ”större” tillverkare av elgeneratorer kan tillverka _ konstantvarvsmaskiner med fulleffekts step-up-transformator med borstlös matare. I en anläggning enligt figuren utförs elkraftgeneratorn 1 och step-up- transformatom 8 för samma skenbara märkeffekt Sn.

Standardkonceptet för en anläggning är att för det borstlösa utförandet använda en medroterande matare med strömiiktare/vs-ls-omvandlare 5 för att mata fältlindningen 3 i rotom. Strömriktarens typeffekt blir till viss del beroende av spärmingsregleringens dynamiska krav. Typiska värden är dock att den dimensioneras för 5 % av elgeneratorns effekt. Maskinen har inga släpringar för överföring av likströmsmagnetiseringen till fáltlindningen.

Maskin enligt figur 3: Detta är en maskin enligt tidigare redovisade WO 97/45919, dvs en elgenerator 1 för högspänning där anläggningen ej behöver någon step-up- transfomiator. Den medroterande strömnktarens typeffekt blir som ovan, dvs ca 5 % av den skenbara märkeffekten. Magnetiseringen kan ske utan släpringar. I Maskin(-er) enligt figur 5: En uppskattning av summan av den skenbara märkeffekten för de roterande maskinema ger vid handen att den blir ca 2,2 'Sn . Utan att närmare specificera underlaget för denna bedömning kan konstateras att eftersom maskinen/omfonnaren 11 skall ha märkeffekten Sn , likväl som transformatom 8, så måste maskin 1 dimensioneras för samma effekt plus den reaktiva effekt som maskin 11 förbrukar. Summan av de roterande 10 20 25 30 35 40 5 i i&ïï»3t5f:;:t% :y , ' 23 maskinemas effekt måste dessutom innefatta den effekt som går åt för att driva maskin 15, dvs omvandlarens drivkälla.

Summa strömriktareffekt för vs-vs-omvandlaren 16 och för likströmsmagnetisering av maskin 1 uppskattas till ca 0,2 ' Sn.

Total effekt genom släpringarna blir den från maskin 1 till maskin ll överförda skenbara effekten som uppskattas till ca 1,15 'Sn utgående från en kortslutningsreaktans hos maskin 11 på 0,15 pu. Seriekondensatorema som nämns i EP 0749190 får också värdet 0,15 pu. Som tidigare redovisats ställs det mycket höga krav på släpringarrias effektöverföringsförmåga.

Maskin enligt figur 6: Som tidigare redovisats är detta ett system baserat på Scherbius-kaskaden där den roterande elmaskinen/elgeneratorn 1 antas vara utförd med släpringar 19 till kaskaden. Vs-'vs-omvandlaren 17, dvs strömriktareni » kaskaden, dimensioneras för aktuellt reglerområde samt för den reaktiva effekt som den förbrukar. Den installerade märkeffekten för strömriktaren kan således uppskattas till ca 0,4 'Sn vilket också motsvarar den totala effekten genom släpringarna. Den roterande maskinens skenbara märkeffekt kommer följaktligen att bli ca 1,3 'Sn och den totalt installerade märkeffekten för transformatorerna ca 1,4 'Sw Maskiner enligt figurema 10, lla och llb : Dessa figurer representerar en maskin enligt rubricerade uppfinning, dvs en ”Konstantfrekvensmaskin med variabelt/varierbart varvtal”. Samman-. fattningsvis innefattar maskinen en första elmaskin 1 kallad huvudmaskin och en andra elmaskin 27 kallad reglermaskin med en gemensam mekanisk axel 2 och en medroterande strömriktare/vs-vs-omvandlare 28.

Huvudmaskinen 1 kan enligt figur 10 utföras med för elgeneratorer » _ ”konventionell” högspänning, dvs upp till 25 kV och step-up-transforniator 8 eller den kan enligt figur 11a utföras med högspärmingslindníng varvid step-up-transformatorn elimineras. Eftersom det inte intemt cirkulerar reaktiv effekt via huvudmaskinens stator blir typeffekten för vs-vs-omvandlaren för samma reglerområde som för maskinen enligt figur 6 mindre, uppskattningsvis ca 0,3 'Sn . Reglermaskinens märkeffekt blir följaktligen också 0,3 'Sn och den roterande maskinens totala skenbara märkeffekt 1,3 'Sn . Transformatorns 8 märkeffekt i figur 10 blir 1,0 ' Sn .

Maskiner enligt uppfinningen innefattar således inga släpringar. ' 20 25 30 35 40 24 En konstantfrekvensmaskin enligt uppfinningen har till skillnad från de under teknikens ståndpunkt redovisade utföringsformerna en fördel som innebär att start- och accelerationsförutsättningarna väsentligt förbättras. Det har tidigare redovisats att reglermaskinens statorlindning kan utformas som en växelströmslindning för att, t ex via en hjälplindning i huvudmaskinens stator, medge tillförsel av magnetiseringseffekt för reglermaskinen under drift. Det antyds också i det sammanhanget att en växelströrnslindning i reglennaskinens stator förbättrar startförutsättrlingarna då konstantfrekvens- maskinen används som motor. Om reglerrnaskinens statorlindning utfonnas som en trefaslindning kan under startförloppet yttre varierbart motstånd anslutas till lindningens anslutningar för att styra startströmmens storlek och till huvudsakligen resistiv fasvinkel samt för att föra bort med startförloppet förknippade förluster hos huvudmaskinen. Detta kan ske genom att koppla strömriktaren som en vs-flerfaskopplare. I princip kan start även ske på så sätt att reglennaskinens statorlindning ansluts direkt till ett kraftnät och att rotorlindninganra hos reglerrnaskin och huvudmaskin via strömriktaren. kopplas ihop och att yttre varierbart motstånd ansluts till huvudmaskinens statorlindning. Genom att under startförloppet styra den medroterande strörmiktaren som vs-fasvinkel-/spänningsregulator kan det yttre motståndet vara ett fast motstånd. Både huvudmaskinen och reglennaskinen fungerar i en sådana kopplingar som roterande transformatorer. En närmare beskrivning av startkopplingar kommer att redovisas under beskrivningen av' utföringsformer.

För ett normalt varvtalsreglerområde och normal kapacitet avseende reaktiv effekt hos konstantfrekvensmaskinen dirnensioneras reglermaskinen för ca 30 % av huvudmaskinens effekt. Detta medger en möjlighet att vid start använda reglermaskinen som en Startmotor vars statorlindning matas från en separat frekvensomriktare. En förutsättning är då att den medroterande strömriktaren är kopplad som en vs-kortslutare av reglermaskinens - rotorlindnin gar. En sådan koppling kommer också att redovisas under beskrivningen av utföringsformer.

Dessa altematíva starlmetoder medför att övre effektgräns för motordrifter vid start på svaga kraftnät kan höjas till minst 40 MW. 10 20 25 30 35 40 25 Tekniskt sett fungerar huvudrnaskinens stator- och rotorlindningar med respektive stator- och rotorkärnor som en enhet som O O skapar moment och roterande rörelse anpassar inkommande hög-/mellanspänning till mellan-/lågspänning som är optimal för för såväl den medroterande vs-vs-omvandlaren som reglerrnaskinen bildar en ”step-down”ïeffekttransformator mellan elkraftnätet och kraftelektroniken med högspänningskabel i statom kan ha ett omsättningsförhållande mellan statorspärmingen och rotorspärmingen som kan uppgå till 100 - 300 gånger utan att kapacitivt orsakade förstärkningar av högfrekventa spärmingar från/till elkrafmätet eller hj älpktaftlindningen uppträder ' med huvudmaskinens lindningar och kärnor filtrerar de i vs-vs- omvandlaren alstrade och mot huvudmaskinen vända under-/övertoner i _ ström och förhindrar således dessa från att överföras till elkraftnätet via huvudmaskinens statorlindning.

Tekniskt sett fungerar reglermaskinens stator- och rotorlindningar med respektive stator- och rotorkärnor som en enhet som O via lämpligt val av poltal skapar en högre frekvens, 50 - 150 Hz, än det matande kraftnätet och därvid vid normal drift ger förutsättningar för en bra sinusform för den via vs- vs-omvandlaren alstrade rotorströmmen hos huvudmaskinen med reglermaskinens lindnin gar och kärnor vid normal drift filtrerar de i vs-vs-omvandlaren alstrade och mot reglennaskinen vända under- /övertoner i ström och förhindrar således dessa från att överföras via reglerrmaskinens statorlindning och hj älpspänningslindningen på huvudmaskinen till elkrafmätet respektive via re glermaskinens statorlindning till extem matningskälla 10 20 25 30 35 _. “ 0 vid transienta förlopp som start och kontrollerad bromsning och stopp fungerar som en ”roterande transformator” som leder de därvid associerade förlustema från de roterande delarna av huvudmaskinen till yttre motstånd.

En beskrivning av de tekniska funktionerna hos den medroterande strömriktaren redovisas under beskrivningen av utföringsforrner.

RITNINGSFÖRTECKNIN G Figur 1 visar blockscheman över de strömriktare som förekommeri beskrivningen.

Figur 2 visar principiellt hur borstlösa matare för likströms magnetisering kommer till användning i samband med konventionella elgeneratorer, dvs med spänning upp till 25 kV. ' Figur 3 visar principiellt hur borstlösa magnetiseríngsmatare kommer till _ användning i samband med elgeneratorer utfonnade enligt WO 97/45 9 19, dvs med än högre spärmingar.

Figur 4 visar principiellt hur borstlösa magnetiseríngsmatare kommer till användning i samband med elgeneratorer utformade enligt WO97/45907, dvs som en högspänningsgenerator med 2x3-fas för matning av en HVDC- anläggning.

Figur 5 visar principiellt den elkraftgenererande delen av en anläggning som framgår av US 5,742,5 15, "Asynchronous conversion method and apparatus for use with Variable speed turbine hydroelectric generation".

Figur 6 visar principiellt den elkraftgenererande delen av en anläggning som framgår av en artikel där "ABB Varspeed generator boosts efficiency and operating flexibility of hydropower plant".

Figur 7 visar principiellt hur en 'statisk Kramerdrift är utformad.

Figur 8 visar principiellt hur en statisk Scherbiusdrift är utformad. 20 25 30 35 27 Figur 9 visar hur yttre rotormotstånd ansluts till rotorlindningen via släpringar under ett startförlopp.

Figur 10 visar en principiell utföringsform av en maskin enligt uppfmningen använd som elgenerator för konventionell högspänning, dvs för spärmingar upp till 25 kV.

Figur lla visar en principiell utföringsfonn av en maskin enligt uppfinningen använd som elgenerator utformad enligt WO 97/45919, dvs med än högre spänningar.

Figur llb visar en utföringsform av en axiell ändvy av en maskin enligt uppfinningen använd som el generator för högspännin g med motsvarighet till maskiner enligt WO 97/45919.

Figur 12 visar en principiell utföringsform av en maskin enligt uppfinningen använd som motor för konventionell högspänning, dvs för spänningar upp till 25 kV.

Figur 13 visar ett principiellt kopplingsschema för både huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar med den medroterande strömrilctaren i form av en matrisomvandlare med dubbehiktade ventiler.

Figur 14 visar exempel på alternativa dubbelriktade styrbara/släckbara ventiler.

Figur 15 visar ett principiellt kopplingsschema för både huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar med den medroterande strömriktaren i form av en spänningsstyv direktomvandlare med antiparallellkopplade tyristorbryggor.

Figur 16 visar ett principiellt kopplingsschema för huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar samt indikering av den medroterande strömriktarens olika funktioner.

Figur 17 visar ett principiellt kopplingsschema för huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar samt indikering av den medroterande strömriktarens funktion då ett yttre varierbart motstånd är anslutet till re glerrnaskinens statorlindning. ' 20 25 30 35 40 1514; " g: »iíí flíï i i ' Figur 18 visar ett principiellt kopplingsschema för start med yttre motstånd anslutet till reglermaskinens statorlindning och med strörnriktaren i form av en matrisomvandlare nyttjad som en vs-flerfaskopplare.

Figur 19 visar ett principiellt kopplingsschema för start med yttre motstånd anslutet till reglermaskinens statorlindnin g och med strörmiktaren i form av antiparallellkopplade tyristorbryggor nyttjade som en vs-flerfaskopplare.

Figur 20 visar en startkoppling av huvudmaskinen med reglermaskinen som Startmotor vars statorlindning matas från en separat frekvensomriktare.

Figur 21 visar hur huvudmaskinens stator är försedd med en lindning för hjälpspänningsmatning av reglerrnaskinens stator.

BESKRIVNING AV UTFÖRINGSFORMER Den i konstantfrekvensmaskinen enligt uppfmningen för huvudfunktionen ingående kraftelektroniken finns i de roterande delarna av maskinen.

Optimala spänningsnivåer i rotorkretsarnas lindningar bestäms, oberoende av nätspänningen, främst av krafthalvledarnas maximalt tillåtna spärmingsnivåer och aktuell koppling samt med och utan seriekopplade halvledare. När det gäller huvudmaskinens statorlindning finns däremot inga sådana begränsningar. Den kan därför tillverkas för direkt anslutning till högspända elkrafmät. Detta möjliggörs genom att statorlindningen tillverkas/lindas med högspänningskablar, bl a enligt WO 97/45 919. Statoms lamínerade magnetkrets skall därför först beskrivas med utgångspunkt från användning av högspänningskablar i statorlindningen.

Exempel på utföringsform av en axiell ändvy 31 hos en sektor/poldelning hos en huvudmaskin enligt uppfinningen för högspänning framgår av 11b. Varje sektor/poldelning är på konventionellt sätt sammansatt av sektorformade elplåtar. Maskinemas stator kommer således att bestå av ett antal sektorer/poldelningar som tillsammans bildar en laminerad statorkärna.

Från ett radiellt ytterst beläget ryggparti 32 av kärnan sträcker sig ett antal tänder 33 radiellt in mot rotorn. Mellan tänderna fmns ett motsvarande antal spår 34. Användning av ovan nänmda högspänningskabel 35 medför bl a att spårens djup för högspänningsmaskiner görs större än vad som har krävts - enligt teknikens ståndpunkt. Spåret har ett mot rotom avtrappat tvärsnitt eftersom behovet av kabelisolation blir lägre för varje lindningsskikt in mot 20 25 30 35 40 29 rotom. Som det framgår av figuren består spåret av i huvudsak ett cirkulärt ' tvärsnitt 36 kring varje skikt hos lindningen med smalare midjepartier 37 mellan skikten. Ett sådant spårtvärsnitt kan med viss rätt omtalas som ett "cykelkedj espår". Eftersom det i en sådan högspänningsmaskin kommer att behövas ett relativt stort antal skikt och tillgången på aktuella kabeldimensioner vad isolation och yttre halvledare beträffar är begränsat, kan det i praktiken bli svårt att åstadkomma en önskvärd kontinuerlig avtrappning av kabelisolationen respektive statorspåret. I det i figur llb visade utföringsexemplet användes kablar med tre olika dimensioner på kabelisolationen, anordnade i tre i överensstämmelse därmed dimensionerade sektioner 38, 39 och 40, dvs i praktiken kommer man att ha I ett modifierat cykelkedjespår. Av figuren framgår också att statortanden kan utformas med en praktiskt taget konstant radiell bredd utmed hela spårets djup. Statorn kan vara försedd med en lindning 41 för hjälpkraftsmatning, t ex för reglermaskinens statorlindning.

Eftersom även rotorn är försedd med en vs-lindning kommer dess kärna att bestå av ett, med ett från från statorn något skilt spårtal, utförande av ett antal larninerade sektorer/poldelningar med rotorspår 42 för rotorlindningen 43. Rotorlindningen skall matas från vs-vs-omvandlaren 44 med en spänning med den aktuella skillnadsfrekvensen. Rotorlindningens spänningsdimensionering blir då i huvudsak bestämd av de högsta tillåtna spärmingsnivåerna i de i vs-vs-omvandlaren ingående krafthalvledarna.

Detta blir i sin tur bestärmnande för utformningen av rotorlindníngen. Den kan således utformas enligt känd teknik för konventionella hög- /mellanspärmingsmaskiner eller som den ovan anförda med högspänningskabel, dvs enligt WO 97/45919.

Den i figur 1 la visade medroterande vs-vs-omvandlaren 44 skall kunna omvandla den relativt höga frekvensen, 50 - 150 Hz, hos den i rotorlindningen hos reglermaskinen genererade spänningen till skillnadsfrekvensen, 0 - 10 Hz, beroende på aktuellt reglerornråde. Om omvandlaren utförs med kiselbaserade krafthalvledare/ventiler med en ventil I i omvandlarens grenar kommer huvudmaskinens och reglermaskinens rotorlindningar att dimensioneras för 1 - 3 kV. Om omvandlaren utförs med kiselkarbidbaserade krafthalvledare/ ventiler med en ventil i omvandlarens grenar blir motsvarande spänningsnivåer däremot 10 - 30 kV.

Dimensionerande vad avser spänning för huvudmaskinens och - reglermaskinens rotorlindningar blir tillgång till, val av och koppling, dvs utan eller med seriekoppling, av krafthalvledare för 20 25 30 35 40 i :är 1:: =;; i 30 vs-vs-omvandlaren.

Figur 13 visar ett principiellt kopplingsschema för både huvudmaskinens och reglennaskinens lindningar med den medroterande vs-vs-omvandlaren i form av en matrisomvandlare med dubbelriktade ventiler. I det visade exemplet är både huvudmaskinens statorlindning 45 och rotorlindning 46 ritade som Y-kopplade trefaslindningar. Matrisomvandlaren 47, med nödvändiga shuntkondensatorer för att skapa en högfrekvensmässigt lågirnpediv slinga där strömmen enkelt kan kommutera mellan faserna i reglermaskinens rotorlindning, är kopplad mellan huvudmaskinens växelströmsrotorlindriing och reglermaskinens växelströmsrotorlindning 48.

De ovan nämnda ”kommuteringsöverlappningarna pga ”svagt nät”-karaktär hos de roterande lindningar-na” elimineras med matrisomvandlaren och dess i shuntkondensatorer. Reglermaskinen kan därmed utföras för lägre typeffekt.

Reglermaskinens statorlindning 49 är i den visade utföringsfonnen visad som en trefaslindning.

Figur 14a, 14b och 14c anger alternativa dubbelriktade ventileri matrisomvandlaren. Den följande identifieringen kräver viss fackkunskap.

Figur 14a visar en dubbelriktad ventil i form av två GTO-tyristorer eller två IGCT-er. Figur 14b visar en dubbelriktad ventil med två IGBT:er. Figur 14c visar en dubbelriktad ventil med en IGBT.

Figur 15 visar ett principiellt kopplingsschema för både huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar med den medroterande vs-vs-omvandlaren i form av en spänningsstyv direktomvandlare med antiparallellkopplade tyristorbryggor. På samma sätt som i figur 13 är både huvudmaskinens statorlindning 45 och rotorlindning 46 ritade som Y-kopplade trefaslindningar. Den spänningsstyva direktomvandlaren med antiparallellkopplade tyristorer 50 är kopplad mellan huvudmaskinens växelströmsrotorlindning och reglermaskinens växelströmsrotorlindning 48.

På samma sätt som för matrisomvandlaren kan, för att underlätta kommuteringen, även här kondensatorer serie- eller shuntkopplas mellan reglermaskinens rotorlindning och vs-vs-omvandlaren respektive mellan huvudmaskinens rotorlindning och vs-vs-omvandlaren. De kan också anslutas i serie och/eller parallellt till inre uttag inne i reglennaskinens rotorlindning. Inkoppling av kondensatorer på detta sätt innebär att reglermaskinen kan utföras för lägre typeffekt. Reglermaskinens statorlindning 49 är i den visade utföringsformen även här visad somen trefaslindning. 20 25 30 35 31 Som det har omtalats tidigare finns inom ramen för uppfinningen ett flertal olika alternativa utföringsfonner för både huvudmaskinens och reglermaskinens lindningar.

När det gäller huvudmaskinens statorlindning är en föredragen utföringsform en trefaslindning som den i figurerna 13 och 15 visade, dvs en konventionell Y-kopplad lindning. Då maskinen är aktuell i en HVDC- anläggning kommer statorlindningen att utformas med 2x3-faslindning med 30 graders fasförskjutning som bl a framgår av figur 4. Andra lindningsformer, t ex l-fas, 2-fas och flerfas, 2x2-fas m fl kan bli aktuella för specifika ändamål. Vad statorlindningens spänningsnivå beträffar kan maskinen dimensioneras för konventionell ”maskin”-högspänning, dvs upp till 25 kV, eller den kan med högspänningskabel dimensioneras för väsentligt högre spänningar. I vissa applikationssamrnanhang kan statom förses med en extra lindning för alstring av hjälpkraft till t ex reglermaskinens styming/reglering m m vilket bl a visas i figur 21.

I en föredragen utföringsform är också huvudmaskinens växelströmsrotorlindning en Y-kopplad trefaslindning, som de i figurema 13 och 15 visade. Även här kan av olika skäl trefaslindningen D-kopplas, lindningen kan utformas som en 2x3-faslindning och andra tidigare omtalade lindningsfonner kan vara aktuella. Även när det gäller reglermaskinens växelströmsrotorlindning är den i figurerna 13 och 15 visade Y-kopplade trefaslindningen en föredragen utföringsform, men kan utföras D-kopplat eller med t ex l-fas, 2-fas och flerfas, 2x3-fas, 2x2-fas m fl. Vs-vs-omvandlaren kan också matas med enfas växelström från reglermaskinens rotorlindning. Andra lindningsformer kan vara aktuella i samband med specifika applikationer.

Av figurerna 13 och 15 framgår att reglermaskinens statorlindning också kan utformas som en Y-kopplad trefaslindning. Som omtalat tidigare kan reglermaskinens stator vara utformad med utpräglade poler för likströmsmagnetisering och den kan även vara utformad med permanenta magneter. Även om statorlindningen består av en trefaslindning kan den genom viss ornkoppling användas för likströmsmagnetisering. Utformningen av reglermaskinens statorlindning bestäms ofta av hur maskinen skall startas från stillestånd upp till aktuellt varvtalsorriråde. 20 25 30 35 40 32 Gemensamt för aktuella tillämpningar med konstantfrekvensmaskinen är att ' lasten endast har behov av ett begränsat reglerområde kring huvudmaskinens synkrona varvtal.

En växelströmsmaskin enligt uppfinningen har ett stort antal tillämpningsområden vad gäller motordrifter. Det finns processer med motordrifter som av olika skäl för närvarande inte använder varvtalsstyming men som med växelströmsmaskiner enligt uppfinningen skulle kunna väsentligt förbättras.

Maskinens statorlindning kan dimensioneras för anslutning till matande kraftnät med spänning från etablerad lågspänning upp till klassiska högspärmingsnivåer. Bestämrnande för aktuell spärming på statorlindningen är i stort sett tillgänglig nätspänning och aktuellt effektorrtråde.

För motoreffekter på enstaka megawatt ansluts statorlindningen företrädesvis till en mellanspänningsnivå mellan 1 och 36 kV.

Vid märkeffekter över 10 MW kan maskinens anslutning till matande nät företrädesvis dimensioneras för 50 kV eller högre, t ex 130 kV, dvs anslutas till transmissions- och distributionsnät. Genom anslutning till dessa nätspänningsnivåer undviks framför allt höga strömkrafter och spänningsfall i kraftnätet under startförloppet.

Som omtalat i ingressen till redogörelsen för uppfmningen är den medroterande strömriktaren ornkopplingsbar för flera olika funktioner.

Förutom funktionen som vs-vs-omvandlare under drift kan den också kopplas för flera funktioner i samband med start och kontrollerad stopp av konstantfrekvensmaskinen. I figur 16 visas den föredragna utföringsformen vad avser lindningarnas utfornming vid driftpsamt en sammanfattning av strömriktarens 51 funktioner både under drift, start och stopp. Kontrollerad brornsning och stopp beskrivs senare. Slrömriktarens funktioner vid reglerad drift och start är som följer: 0 Strömriktarens funktion 51a motsvarar dess funktion under drift, dvs som en vs-vs-omvandlare enligt tidigare given definition. 0 Strörnriktarens funktion Slb motsvarar dess funktion under start som vs-flerfaskopplare som elektroniskt sammankopplar in- och utgående anslutningar för hopkoppling av huvudmaskinens och reglermaskinens 20 25 30 35 33 rotorlindningar då yttre varierbart motstånd 52 är anslutet till reglennaskinens statorlindning enligt figur 17. 0 Strömriktarens funktion 5 lc motsvarar dess funktion under start som vs-fasvinkel-/spänningsregulator mellan huvudmaskinens- och reglennaskinens rotorlindningar då yttre fast motstånd är anslutet till reglennaskinens statorlindning. 0 Strömriktarens funktion 5 ld motsvarar dess funktion under start som vs-kortslutningskopplare av reglennaskinens rotorlindningar vid direkt anslutning av reglermaskinens statorlindning till ett kraftnät enligt figur 1 8 .

Figur 18 visar i övrigt ett principiellt kopplingsschema för start av konstantfrekvensmaskinen genom direktansluming av huvudmaskinen till ett kraftnät. Start sker på tidigare omtalat sätt med yttre trefasigt reglerbart- motstånd 52 kopplat till reglennaskinens trefasiga statorlindning., Strömriktaren är nu kopplad som en vs-flerfaskopplare enligt 51b som sammanbinder varje fasansluming hos huvudmaskinens rotorlindning direkt till motsvarande fasanslutning hos reglennaskinens rotorlindning. i Huvudmaskinens startförluster kopplas nu transformatoriskt till reglermaskinen som sedan via sin statorlindning överför förlustema till de yttre motstånden.

Funktionen hos strörnriktaren då den skall fungera som vs-flerfaskopplare kan åstadkommas på olika sätt. Figuren 18 visar i detalj hur strömriktaren är anordnad som flerfaskopplare med matrisomvandlare. Denna funktion erhålles genom att ”tända” en ventil, den grovmarkerade, i varje gren. Figur 19 visar funktionen som vs-flerfaskopplare med strömriktaren i fonn av i “ antiparallellkopplade tyristorbryggor 50a och 50b. Som det framgår det nu I lämpligt att huvudmaskinens rotorlindning består av 2x3-faslindningar 46a i och 46b för 6-puls-kopplade tyristorbryggor där varje brygga behöver förses I med ett par antiparallellkopplade, grovmarkerade, tyristorer och med motsvarande rotorlindningar 48a och 48b hos reglermaskinen.

För ett normalt varvtalsreglerområde hos konstantfrekvensmaskinen dimensioneras reglennaskinen för ca 30 % av huvudmaskinens effekt. Detta medger en möjlighet att vid start använda reglerrnaskinen som en Startmotor . vars statorlindning matas från en separat, ej medroterande, frekvens- i omriktare 53. En förutsättning då är att den medroterande strömriktaren är 20 25 30 35 40 v, kopplad som en vs-kortslutningskopplare, dvs som funktionen 51d, av reglermaskinens rotorlindningar. Ett sådant startkoppling med frekvensomriktaren 53 visas principiellt i figur 20.

Kontrollerad brornsning från reglerornrådet till stillastående utförs med samma huvudkretsar som för start, dvs som figurema 18 och 19. Därvid nyttjas den medroterande strömriktaren som 0 vs-flerfaskopplare, dvs som 5 lb ovan, mellan huvudmaskinens- och reglermaskinens rotorlindningar för styrning av aktiv och reaktiv effekt genom direkt hopkoppling av lindningama med och/eller utan skifte av fasföljden. Förloppet utförs genom s k motströmsbromsning och den med det transienta förloppet associerade effektutvecklingen sker i yttre variabelt motstånd 52. Dessutom får ett byte av fasföljd ske hos den till huvudmaskinens statorlindning anslutna våxelspänníngen eller som 0 vs- fasvinkel-lspänningsregulaton dvs som 51c ovan, varvid det yttre motståndet är fast och styrningen sker genom den andel av rotorkretsens växelström som släpps igenom. Även här måste ett byte av fasföljd ske hos den till huvudmaskinens statorlindning anslutna växelspänningen. 6 en vs-kortslutningskopplare, dvs som 51d ovan, för kontrollerad brornsning med hjälp av en frekvensomvandlare 53 i figur 20. Byte av fasföljd för anslutningen till reglermaskinens statorlindning från frekvensomvandlaren måste ske. Frekvensomvandlaren måste kunna återmata energi till krafmätet eller utveckla bromsenergin i yttre motstånd.

I figur 21 visas hur huvudmaskinens stator är försedd med en lindning 54 för hj älpspänningsmatning av re glennaskinens stator med likström via en styrd strömriktare 56. Vid likströmsmagnetisering av reglennaskinens statorlindning måste en av faslindningarna vändas jämfört med anslutning till trefas växelströmsnät.

Ett exempel på en motordrift som med fördel skulle använda en maskin enligt uppfinningen är s k rafñnördrifter. Enligt nuvarande teknik framställs t ex tidningspapper med konstantvarviga synkrona motorer som begränsas till ca 25 MW p g a problemet med start mot svaga kraftnät. En motordrift enligt uppfmningen skulle dessutom kunna medföra ökad ' produktionshastighet i befmtliga anläggningar. 10 20 25 30 35 40 ' _. ._ s fï. _-. I ~ -f 'r .«. < ~« - _ . _ WR '( c _ . . v ' , .t .rt . .. - IN oc: nu :l -"_ ' '* 1 t. _ N « r a - f - - 35 Släpringade statiska Kramer- och Scherbiusdrifter för pumpar och fläktar skulle med fördel kunna ersättas av maskiner enligt uppfinningen.

Vindtunneldrifter är ett exempel på högeffektanläggningar på över 100 MW som är väl lämpade för växelströmsmaskiner enligt uppfinningen. Dessa utförs f n som varvtalsreglerade system med synkronmaskiner med utpräglade poler och strömmellanledsströrrniktare för full effekt.

Reglermaskinen statorlindning kan under drift vara ansluten till ett lågeffekts likströmsnät eller till ett växelströms en- eller trefasnät. Dessa nät kan anordnas genom att nyttja den ovan nämnda hjälpkraftlindníngen i huvudmaskinens stator. Detta innebär att konstantfrekvensmaskinen har en enda anslutning till matande kraftnät varvid man spar en transformator. Om inte yttre motstånd kommer till användning under startförloppet kan reglennaskinen utföras med permanenta magneter.

Parallellkoppling av krafthalvledare respektive parallellkoppling av strömriktarmoduler för t ex 2x3-fas är att föredra för drifter utförda med maskiner enligt uppfinningen. Om rotorspämiingen väljs inom området 1 - 15 kV, dvs om lindningama är utformade som plock- eller formhärvlindníngar, erhålls god fyllfaktor för maskinernas rotorspår. Än högre rotorspänningar på upp till flera tiotals kV, dvs för maskiner enligt WO 97/45919, kan bli aktuella då krafthalvledarna för vs-vs-omvandlaren kommer upp till sådana nivåer.

Claims (34)

10 20 30 35 40 36 PATENT KRAV

1. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal innefattande minst en första och en andra roterande elektrisk maskin med en gemensam axel och en på axeln medroterande strömriktare k ä n n e t e c k n a d av att den första elektriska maskinen ( 1), huvudmaskin, innefattar en stator och en rotor och att både stator och rotor är anordnad med växelströmslindningar (3, 7, 20, 21, 45, 46), att den andra roterande elektriska maskinen (27), reglermaskin, innefattar en stator och en rotor och att rotom är anordnad med en växelströmslindning (29, 48), att strömriktaren (28, 51), innefattande ett antal grenar med ventiler, är kopplad mellan huvudmaskinens och reglermaskinens rotorlindningar och att den under drift är anordnad som en vs-vs-omvandlare (5 la) och att den under start är anordnad som en vs-flerfaskopplare (51b) eller som en vs- fasvinkel-/spänningsregulator (51c) eller som en vs-kortslutningsomkopplare (51d ) och att den under kontrollerad bromsning och stopp är anordnad som en vs- flerfaskopplare (5 lb) eller som en vs-fasvinkel-/spänningsregulator (51c), eller som en vs-kortslutningskopplare (5 ld) och att huvudmaskinens statorlindning (7, 20, 45) är ansluten till ett växelspärmings kraftnät.

2. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att, då maskinen arbetar som elgenerator upprätthålls en konstant frekvens hos huvudmaskinens till kraftnätet matande spänning vid varierande varvtal genom att vs-vs- omvandlaren (51a) matar huvudmaskinens rotorlindning (3, 21, 46) med en spänning med en frekvens som svarar mot skillnadsfrekvensen f, mellan elgeneratoms synkrona frekvens f, vid aktuellt varvtal n, och lcrafmätets nominella frekvens fs.

3. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att, då maskinen arbetar som motor maskinens önskade varvtal erhålls genom att vs-vs-omvandlaren (5la) matar huvudmaskinens rotorlindning (3, 21, 46) med en spänning med en frekvens _ som svarar mot skillnadsfrekvensen f., mellan matande kraftnäts frekvens f, och maskinens synkrona frekvens f, vid önskat varvtal n,. 20 25 30 35 40 _ ._ -(, 1:: , u, t m , ._ . 5-í,--8¶-8§°,_, .- «<<---« o (_ i . . t .. I m» _.. -.- ffl- 4 ' " ' f f e i - f' '

4. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att omsättningsförhållandet mellan statorlindning och rotorlindning är anpassat till förhållandet mellan elkraftnätets spänning och maximal tillåten spänning hos strömriktaren med en ventil i varje av vs-vs-omvandlarens grenar.

5. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att huvudrnaskinens statorlindning (7, 20, 45) är utförd av minst en kabel.

6. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1 och 5, k ä n n e t e c k n a d av att då huvudmaskinens statorlindning (7, 20, 45) är utförd av minst en kabel är kabeln/kablarna av högspärmingstyp.

7. Konstantfrekvensmaslcin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att huvudmaskinens statorlindning (7, 20, 45) är direkt ansluten till växelspänningsnätet.

8. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att huvudmaskinens statorlindning (7, 20, 45) är ansluten till växelspärmingsnätet via en transformator (8). '

9. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att huvudmaskinens statorlindning (7, 20, 45) är utfonnad som en 3-faslindning, 2-faslindning, en 2 x 3-faslindning ' eller av ett valfritt antal faslindningar.

10. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierhart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att huvudmaskinens stator förutom statorlindningen (7, 20, 45) som är ansluten till växelspänningsnätet är anordnad med en hjälplindning (41) för alstring av växelspärniingshjälplaaft. '_ i

11. ll. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att huvudmaskinens rotorlindning (3, 21, 46) är .utformad som en ß-faslindning, 2-faslindning, en 2 x 3- faslindning eller av ett valfritt antal faslindningar. “ -

12. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att reglermaskinens rotorlindning (3, 10 15 20 25 30 35 40 74 f. f; z t. 38 21, 46) är utformad som en 3-faslindning, 2-faslíndning, en 2 x 3-faslindning eller av ett valfritt antal faslindningar.

13. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att reglermaskinens stator är utformad med en likströmslindning (30, 49).

14. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att reglermaskinens statorlindning (30, 49) är utformad som en växelströrnslindning för 3-fas, 2-faslindning, en 2 x 3-faslindning eller av ett valfritt antal faslindningar.

15. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att vs-vs-omvandlaren (28, 51) är anordnad att arbeta med varierande både in- och utfrekvenser.

16. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att vs-vs-omvandlaren (28, 51) är anordnad att arbeta med varierande kvot mellan dess in- och utfrekvenser. _

17. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att vs-vs-omvandlaren (28, 51) är självkommuterad.

18. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att vs-vs-omvandlaren (28, 51) är maskinkommuterad.

19. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att vs-vs-omvandlaren (28, 51) kommuteras av reglermaskinen.

20. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att vs-vs-omvandlaren (28, 51) är utformad som en matrisomvandlare (47).

21. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt* patentkrav l, k ä n n e t e c k n a d av att vs-vs-omvandlaren (28, 51) är 20 25 30 35 40 39 utformad som en direktomvandlare med antiparallellkopplade tyristorbryggor (50).

22. Konstantfrekvensmaslcin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att seriekondensatorer är kopplade mellan vs-vs-omvandlaren (28, 47, 50, 51) och reglennaskinens rotorlindningar (29, 48).

23. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att shuntkondensatorer är kopplade mellan vs-vs-omvandlaren (28, 47, 50, 51) och reglermaskinens rotorlindningar (29, 48).

24. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, 21 och 22, k ä n n e t e c k n_a d av att kondensatorema ansluts i serie och/eller parallellt till reglermaskinens rotorlindningar (29, 48). .

25. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att vs-vs-omvandlaren (28, 51) är utformad med likströms-llikspänningsmellariled.

26. Konstantfrekvensmaskin med varierande/vaiierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att reglerrnaskinen under kontrollerad start/ bromsning/stopp är anordnad som en start-/bromsmotor vars statorlindning (49) är ansluten till en extern frekvensomrilctare (53) och vars rotorlindning (48) är kortsluten av konstantfrekvensmaskinens strömriktare kopplad som vs-kortslutningskopplare (51d).

27. Konstantfrekvensmaslcin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att vid start/stopp är huvudmaskinens statorlindning kopplad till lcrafmätet, huvudmaskinens rotorlindning är kopplad till reglermaskinens rotorlindning via strömriktaren anordnad som vs-flerfaskopplare (Slb) och reglennaskinens statorlindning (49) är kopplad till yttre reglerbara motstånd.

28. Konstantfrekvensmaskin med varierande/varierbart varvtal enligt patentkrav 1, k ä n n et e c k n a d av att vid kontrollerad start/ - bromsning/stopp är huvudmaskinens statorlindning kopplad till kraftnätet, huvudmaskinens rotorlindning är kopplad till reglermaskinens rotorlindning 10 20 25 30 35 40 40 via strömriktaren anordnad som vs-fasvinkel-/spärmingsregulator (51c) och reglermaskinens statorlindning (49) är kopplad till yttre fasta motstånd

29. Förfarande vid användning av en medroterande strömriktare (28, 51) anordnad mellan en huvudmaskins (1) och en reglermaskins (27) rotorlindningar (3, 29) hos en konstantfrekvensmaskin vars huvudmaskin är försedd med en statorlindning anslutet till ett kraftnät enligt patentkrav 1, vilketförfarandekännetecknasavatt vid drift styrs strömriktaren som en vs-vs-omvandlare (51a) och vid start kopplas strömriktaren som en vs-flerfaskopplare (51b) eller som en vs-fasvinkel-/spänníngsregulator (51c) eller som en vs-kortslutníngskopplare (51d) och vid kontrollerad bromsning och' stopp kopplas strömriktaren som en vs» flerfaskopplare (51b) eller som en vs-fasvinkel-/spänningsregulator (51c) eller som en vs-kortslutningskoplare.

30. Förfarande vid användning av den medroterande strömriktaren enligt patentkrav 29 då konstantfrekvensrnaskinen vid drift används som elgenerator, k ä n n e t e c k n a t av att vs-vs-omvandlaren anordnas att förse' ' huvudmaskinens rotorlindning (3, 21, 46) med en spänning med en frekvens som svarar mot skillnadsfrekvensen mellan elgeneratoms synkrona frekvens vid aktuellt varvtal och krafmätets nominella frekvens.

31. Förfarande vid användning av den medroterande strömriktaren enligt patentkrav 29 då konstantfrekvensmaskinen vid drift används som motor, k ä n n e t e c k n a t av att vs-vs-omvandlaren (51a) anordnas att förse huvudmaskinens rotorlindning (3, 21, 46) med en spänning med en frekvens som svarar mot skillnadsfrekvensen mellan matande kraftnäts frekvens och maskinens synkrona frekvens vid önskat varvtal.

32. Förfarande vid användning av den medroterande strömriktaren enligt patentkrav 29 vid start och stopp, k ä n n e t e c k n a t av att vs- flerfaskopplaren (51b) anordnas för direkt hopkoppling av huvudmaskinens och reglermaskinens rotorlindningar. 20 25 30 35 41

33. Förfarande vid användning av den medroterande strömrilctaren enligt patentkrav 29 vid start och kontrollerad bromsning och stopp, k ä n n e t e c k n a t av att vs-fasvinkel-/spänningsregulatom (5lc) anordnas att kontrollerat överföra huvudmaskinens rotorförluster via reglerrnaskinen till yttre motstånd. I

34. Förfarande vid användning av den medroterande strömríktaren enligt patentkrav 29 vid start,broms och/eller stopp, k ä n n e t e c k n a t av att vs- kortslutningskopplaren (5 ld) anordnas att kortsluta reglermaskinens rotorlindningar.