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Elektrischer Maschinensatz für eine Pumpenturbine Pumpenspeicherwerke werden im allgemeinen mit zwei hydraulischen Maschinen (Turbine und Pumpe) betrieben. Es ist aber bekannt, zur Vereinfachung der hydraulischen Anlage statt der beiden hydraulischen Maschinen nur eine hydraulische Maschine zu verwenden, d. h. eine Pumpenturbine.
Eine derartige Pumpenturbine stellt erhöhte Anforderungen an die mit ihr verbundene elektrische Maschine. Diese muss als Motor und Generator mit Drehrichtungswechsel beim Übergang von Turbinen- auf Pumpenbetrieb arbeiten können und eventuell bei beiden Betriebsarten mit unterschliedlicher Drehzahl: laufen. Dabei muss die Umstellung von einer Betriebsart auf die andere oft sehr schnell erfolgen. Dies erfordert ein sehr schnelles Abbremsen der als Motor arbeitenden elektrischen Maschine und ein entsprechend schnelles Hochfahren der Maschine als Generator.
Während jedoch das Anfahren eines solchen Pumpenturbinensatzes für den Generatorbetrieb durch die hydraulische Maschine erfolgen kann, muss das Hochfahren zum Pumpenbetrieb in umgekehrter Richtung auf elektrischem Wege durchgeführt werden. Da ein Selbstanlauf der elektrischen Synchronhauptmaschine vom Netz aus aber eine kurzzeitige sehr hohe Netzbelastung ergeben würde, ist es vorteilhafter, einen elektrischen Anlass- motor vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung geht von einem elektrischen Maschinensatz für eine Pumpenturbine aus, der eine als Motor oder Generator arbeitende Synchronhauptmaschine enthält, die von einem Erregerumformer erregt wird, der aus einem Asynchronmotor und aus einem Gleichstromgenerator besteht.
Gemäss der Erfindung ist auf der Welle der Synchronhauptmaschi- ne eine Schleifringläufer-Asynchranmaschine angeordnet, die mit vorhandenen Mitteln wahlweise folgendermassen schaltbar ist: a) die Ständerwicklung der Schleifringläufer-Asyn- chronmaschine ist mit dem Netz verbunden, während ihre Läuferwicklung über einen Anlasswiderstand kurzgeschlossen ist.
b) die Ständerwicklung der Schleifringläufer-Asyn- chronmaschine ist mit dem Asynchronmotor des Erregerumformers verbunden, während ihre Läuferwicklung durch eine Selbsterregerschaltung einachsig mit Gleichstrom gespeist ist.
c) die Ständerwicklung der Schleifringläufer-Asyn- chronmaschine ist einachsig von dem Gleichstromgenerator des Erregerumformers mit Gleichstrom gespeist, während ihre Läuferwicklung über einen Anlasswiderstand kurzgeschlossen ist.
d) die Ständerwicld'ung der Schleifringläufer-Asyn- chronmaschine ist über einen Bremswiderstand kurzgeschlossen, während ihre Läuferwicklung einachsig von einer Selbsterregerschaltung oder von dem Gleichstromgenerator des Erregerumformers mit Gleichstrom gespeist ist.
Die Schleifringläufer- Asynchronmaschine kann dadurch in vorteilhafter Weise zum Anfahren der Syn- chronhauptmaschine, zur Speisung des Antriebsmotors des Erregerumformers und zum Abbremsen des ganzen Maschinensatzes eingesetzt werden. Dadurch werden die eingangs gestellten Forderungen an einen elektrischen Maschinensatz für eine Pumpenturbine, nämlich schnelles Anfahren und Bremsen und schneller
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Wechsel vom Motor- zum Generatorbetrieb, in besonders gutem Masse erfüllt.
Im folgenden sei die Erfindung anhand eines in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert, das den Aufbau und die Schaltung eines gemäss der Erfindung ausgeführten elektrischen Maschinensatzes für eine Pumpenturbine darstellt. Die hydraulische Maschine PT sitzt mit der elektrischen Synchronhauptma- schine 1 auf der gleichen Welle. Die Ständerwicklung der Synchronhauptmaschine 1 ist über den Schalter S, mit dem Netz 2 verbunden. Zum Wechsel der Drehrichtung ist der Umpolschalter U, vorgesehen. Ferner kann der Ständerkreis der Synchronhauptmaschine über den Kurzschliesser K, kurzgeschlossen werden.
Zur Erregung der Synchronhauptmaschine 1 dient der Erregerumformer 3, der aus dem Asynchronmotor 4 und dem Gleichstromgenerator 5 besteht. Der Gleichstromgenerator 5 ist über den Schalter S, mit den Schleifringen der Synchronhauptmaschine 1 verbunden. Der Asynchronmotor 4 des Erregerumformers 3 liegt über den Schalter S3 und den Transformator 6 am Netz 2.
Auf der Welle der Synchronhauptmaschine 1 ist die Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 angeordnet. Die Ständerwicklung dieser Schleifringläufer-Asynchron- maschine 7 kann über den Schalter S., und S3 mit dem Transformator 6 und dem Netz 2 verbunden werden. Zur Umkehrung der Drehrichtung ist in der Ständerwicklung ein Umpolschalter U, vorgesehen. Ferner kann nach Wunsch die Ständerwicklung der Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 entweder durch Einlegen des Kurzschliessers K.. in Stern oder durch Einlegen des Schalters S.-, in Dreieck geschaltet werden.
Der Kurzschliesser K2 und der Schalter Ssind gegeneinander verriegelt.
Die Läuferwicklung der Schleifringlättfer-Asyn- ehronmaschine 7 kann über den Schalter S,, von dem Erregerumformer 3 einachsig mit Gleichstrom gespeist werden, d. h. zwei der drei Stränge der Läuferwicklung werden parallel und in Reihe mit dem dritten Strang geschaltet. Ferner ist ein regelbarer Widerstand 8 vorgesehen, über welchen die Läuferwicklung und ein regelbarer Widerstand 9, über den die Ständerwicklung der Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 kurzgeschlossen werden kann.
Zur Selbsterregung der Schleifringläufer-Asyn- chronmaschine 7 dient eine in bekannter Weise in Stromaddition ausgeführte Erregerschaltung 10, die über die Schalter S; mit der Ständerwicklung und über den Schalter S, mit der Läuferwicklung der Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 verbunden ist. Aus- serdem besteht über den Schalter S;, die Möglichkeit, den Generator 5 des Erregerumformers 3 einachsig mit der Ständerwicklung der Schleifringläufer-Asynchron- maschine 7 zu verbinden.
Es ist vorteilhaft, durch geeignete Wahl der Kupferquerschnitte der Läufer- und/oder der Ständerwicklung der Schleifringläuferasynchronmaschine zu erreichen, dass bei einachsiger Speisung in den einzelnen Strängen der Wicklungen die gleiche Stromdichte vorhanden ist. Die in der Figur dargestellte Schaltung des Maschinensatzes erlaubt folgende Betriebszustände der Schleifringläufer-Asynchronmaschine.
a) Anwendung der Schleifringläufer-Asynchronma- schine als Anlassmotor Als vorbereitende Schaltmassnahme wird mit Hilfe des Schalters Sdie Ständerwicklung der Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 in Dreieck geschaltet; die Schalter S;, S < und K, sind geöffnet. Die Umpolschalter U, und U, für die Synchronhaupt- und die Schleifringläufer-Asynchronmaschine sind entsprechend der verlangten Drehrichtung der Synchronhauptmaschine 1 geschaltet. Der Schalter S:: ist geöffnet und die Läuferwicklung der Schleifringläufer-Asynchronmaschine über den Widerstand 8 kurzgeschlossen.
Der Widerstand 8 befindet sich in Anfahrstellung. Durch Einj_e- gen des Schalters S; wird der Erregerumformer 3 vom Netz angetrieben. Gleichzeitig bzw. unmittelbar nach Hochlaufen des Erregerumformers wird der Schalter S, eingelegt und der Hauptmaschinensatz durch die als Motor laufende Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 über den Widerstand 8 hochgefahren.
Die Bemessung der Sclileifringläufer-Asynchronma- schine 7 wird weitgehend durch die Grösse der auf ihre Nenndrehzahl zu bringenden Massen und durch die gewünschte Anlaufzeit bestimmt. Zur Vereinfachung des Synchronisierens der Synchronhauptmaschine ist es zweckmässig, die Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 mit einer kleineren Polzahl als die Synchronhauptma- schine auszurüsten, so dass beim Hochfahren die Svn- chrondrehzahl der Synchronhauptmaschine 1 durchfahren wird. Nach dem Erreichen der Nenndrehzahl der Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 wird der Schalter S, geöffnet.
Dadurch wird die Schleifringläu- fer-Asynchronmaschine 7 vom Netz 2 getrennt. Es entfällt also das treibende Moment und die Drehzahl des Maschinensatzes sinkt entsprechend dem freien Auslauf wieder ab. Inzwischen ist der Schalter S, geschlossen und die Synchronhauptmasehine 1 wird von dem Erregerumformer 3 auf Nennspannung erregt. Bei Durchgang durch die synchrone Drehzahl kann in einem geeigneten Zeitpunkt durch ein Parallelschaltge- rät die Synchronhauptmaschine synchronisiert und über den Schalter S, mit dem Netz verbunden werden.
b) Anwendung der Schleifringläufer-Asynchronma- schine als Wellengenerator Bei Betrieb der Hauptmaschine 1 als Generator oder Motor kann die Schleifringläufer-Asynchronma- schine 7 in Selbsterregungsschaltung gefahren und zum Antreiben des Erregerumformers 3 verwendet werden. Dazu sind die Schalter S7 und S: geschlossen, so dass die Erregerschaltung 10 mit dem Ständer und mit dem Läufer der Schleifringläufer Asynchronmaschine 7 verbunden ist und der Schleifringläufer einachsig mit Gleichstrom gespeist wird. Der Kurzschliesser K, und die Schalter S3, S5 und S,, sind geöffnet.
Dabei ist zu beachten, dass erst der Schalter S3, der den Erregerumformer 3 mit dem Netz 2 verbindet, geöffnet wird, bevor durch Schliessen des Schalters S., die Verbindung der Schleifringläufer-Asynchronmaschine zum An-
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triebsmotor 4 des Erregerumformers 3 hergestellt wird, da die synchronisiert mit der Synchronhauptmaschine 1 laufende Schleifringläufer-Asynchronmasch.ine 7 eine etwas niedrigere Frequenz als der Erregerumformer 3 besitzt.
c und d) Anwendung der Schleifringläufer-Asyn- chronmaschine zur elektrischen Bremsung der Syn- chronhauptmaschine Damit bei einer schnell erforderlichen Umschaltung der hydraulischen Maschine vom Pumpen- zum Turbinenbetrieb die elektrische Synchronhauptmaschine 1 möglichst kurzzeitig abgebremst wird, kann die Schleif - ringläufer-Asynchronmaschine 7 entweder allein oder zusätzlich zu der mit Hilfe des Kurzschliessers K, erfolgenden Kurzschlussbremsung der Synchronhauptma- schine zur Abbremsung des Maschinensatzes herangezogen werden.
Dazu bestehen mehrere Möglichkeiten: Nach dem Trennen der Hauptmaschine 1 vom Netz 2 durch öffnen des Schalters S1 erregt man den in Stern geschalteten Ständer der Schleifringläufer-Asyn- chronmaschine 7 einachsig über den Schalter S, mit dem von dem Erregerumformer 3 gelieferten Gleichstrom. Die Schalter S, S5, S6, S; und Ssind dabei geöffnet, der Kurzschliesser K. ist geschlossen. Der Erregerumformer 3 liegt über dem geschlossenen Schalter S2 am Netz 2. Die Läuferwicklung der Schleifringläufer-Asyn- chronmaschine 7 wird über den regelbaren Widerstand 8 kurzgeschlossen.
Die Erregung der Schleifringläufer-Asynchronma- schine 7 kann aber auch im Läufer erfolgen. Dieser wird über den geschlossenen Schalter S,; einachsig mit Gleichstrom gespeist und der Ständer ist über den regelbaren Widerstand 9 kurzgeschlossen. Die Schalter Sf, S.;, S;, S, und S:, sind bei dieser Anordnung ge- öffnet, der Kurzschliesser K@ ist geschlossen.
Es ist jedoch auch möglich, statt des Erregerumformers 3 für die Bremserregung der Schleifringläufer- Asynchronmaschine 7 irgendeine andere geeignete Gleichstromquelle zu verwenden.
Ferner besteht auch die Möglichkeit, die Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 zur Bremsung unabhängig vom Netz in Selbsterregungsschaltung zu treiben. In diesem Fall kann die Hauptmaschine 1 nicht zur Kurzschlussbremsung herangezogen werden. Wird die Schleifringläufer-Asynchronmaschine in Selbster- regerschaltung zur Kurzschlussbremsung verwendet, so sind die Schalter S; und S, geschlossen und der Kurz- schliesser K., geöffnet. In der Ständerwicklung der Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 ist der Widerstand 9 eingeschaltet.
Die Schalter S3, S., und S, sind Geöffnet. Um auch bei sinkender Drehzahl eine ausreichende Erregung der Schleifringläufer- Asynchronmaschine aufrecht zu erhalten und damit eine genügend kurze Bremszeit zu erreichen, können Mittel vorgesehen werden, dass der Bremsstrom während des Bremsvorganges angenähert konstant bleibt. Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, dass der Anlasswiderstand entsprechend der sinkenden Spannung verkleinert wird.
Um die Bereitstellung von zwei unterschiedlich bemessenen Widerständen 8 und 9 zu vermeiden, kann man die Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 so auslegen, dass sie ähnliche Ständer- und Läuferdaten besitzt. Dann kann ein einziger regelbarer Widerstand je nach der gewählten Bremsart entweder in den Ständer oder in den Läuferkreis eingeschaltet werden.
In dem Ausführungsbeispiel wurde eine Anordnung geschildert, bei welcher der Erregerumformer 3 und die Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 über einen Transformator 6 mit dem Netz 2 verbunden sind. Es ist ebenso gut möglich, die beiden Maschinen direkt an das Netz zu legen, so dass die Maschinen als Hochspannungsmaschinen ausgeführt werden müssen, dann ist nur in der Selbsterregungsschaltung 10 der Schleifringläufer-Asynchronmaschine 7 ein entsprechender Abspanntransfarmator vorzusehen.