Verfahren und Einrichtung zum Betreiben einer Asynchronma¬ schine

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Ein¬ richtung zum Betreiben einer Asynchronmaschine.

Neuere Studien in Japan, USA und Europa haben gezeigt, daß Maschinensätze mit regelbarer Drehzahl teilweise erhebliche Vorteile gegenüber Anlagen mit starrer Drehzahl aufweisen. Dies gilt insbesondere für Maschinensätze in Wasserkraftanla¬ gen mit stark schwankender Fallhöhe, bei denen der Wirkungs¬ grad durch Drehzahlverstellung sowohl im Generator- als auch im Pumpbetrieb optimiert werden kann.

In Wasserkraftanlagen mit drehzahlregelbaren Maschinensätzen werden die Maschinen über statische Frequenzumrichter mit dem Netz verbunden. Dadurch sind .Netzfrequenz und Maschinenfre- quenz voneinander entkoppelt.

Aus dem Artikel „Static Frequency Converters for Adjustable- Speed Sets" von O. Warneke, International Water Power & Dam Construction, June 1995, Seiten 36 bis 38 ist bekannt, daß eine der gebräuchlichsten Umrichter-Maschinen-Varianten im Bereich mittlerer und großer Leistung, d.h. ab ca. 6 MW bis zu mehreren hundert MW, eine doppelt gespeiste drehzahlvaria¬ ble Asynchronmaschine mit Direktumrichtereinheit ist. Diese Anlage kann sowohl im Motor- als auch im Generatorbetrieb je- weils mit einstellbarer Drehzahl betrieben werden. Dabei muß auch aus dem Stillstand zum Motorbetrieb angefahren werden. Außerdem kann sowohl aus dem motorischen als auch aus dem ge¬ neratorischen Betrieb bis zum Stillstand abgebremst werden.

In den Ausführungen „Die Induktionsmaschinen" von R. Richter, Verlag Birkhäuser, Basel/Stuttgart (1954) , Band IV, sind un¬ ter anderem Verfahren zum Betreiben von Maschinen offenbart, bei denen die Maschinen für doppelt synchronen Dauerbetrieb optimiert sind.

Bei einem ersten Verfahren werden die Ständer- und die Läu¬ ferwicklung der drehzahlvariablen Asynchronmaschine in Reihe geschaltet und von der Direktumrichtereinheit gespeist. Hierzu müssen zusätzliche Leistungsschalter mit erheblichem Kostenaufwand eingesetzt werden.

In einem zweiten Verfahren werden die Ständer- und die Läu¬ ferwicklung der drehzahlvariablen Asynchronmaschine parallel geschaltet. Da das Verhältnis zwischen Ständer- und Läufer- strom durch deren Impedanzen bestimmt wird und die Asynchron¬ maschine für den Netzbetrieb optimiert ist, d.h. keine Opti¬ mierung bzgl. des Anfahrens und Abbremsens gegeben ist, er¬ gibt εich nur ein unzureichendes Drehmoment.

Gleichartige Verfahren sind ebenfalls aus der EP 0 200 082 und aus dem Artikel „A High Performance Parameter-Insentive Drive Using a Series-Connected Wound Rotor Induction Motor" von Edward Ho und Paresh Sen, IEEE Transaction on Industry Applications, 1989, Heft 6, Seiten 1132 bis 1138, bekannt.

Desweiteren sind aus der Deutschen Offenlegungsschrift 2 150 531, dem US-Patent 4,132,931 und dem Artikel „The Double-Fed Induction Motor", von D. Lecocq, D. Lataire und W. Wymeersch, EPE Journal, Vol. 1, Heft 2, 1991, Seiten 103 bis 112, Asyn- chron-Schleifringmaschinen mit jeweils einem Direktumrichter im Ständer- und Läuferkreis zum Anfahren und Bremsen bekannt.

Die bekannten Verfahren erweisen sich bei Optimierung der Ma- schine für Dauerbetrieb mit Direktumrichtereinheit als pro-

3 blematisch, wenn nach doppeltsynchroner Methode angefahren und gebremst werden soll.

« Üblicherweise werden zum Anfahren der drehzahlvariablen Asyn- 5 chronmaschine Anfahrmotoren oder -turbinen, Schaltungen für

» Teilspannungsanlauf oder spezielle Anfahrumrichter mit Zwi- schenkreisumrichtern eingesetzt. Dies hat einen großen appa¬ rativen und finanziellen Aufwand zur Folge.

10 Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Asynchronmaschine anzugeben, bei dem es zum Optimieren des Anfahrens nur eines geringen zusätzlichen apparativen und finanziellen Aufwandes bedarf. Außerdem soll eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens angegeben

15 werden.

Die erstgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Asynchronmaschine, deren Läufer und Ständer beim Anfahren mit einer ersten bzw. 20 zweiten Direktumrichtereinheit gesteuert werden, wobei nach dem Anfahren die zweite Direktumrichtereinheit vom Ständer getrennt und parallel zur ersten Direktumrichtereinheit auf den Läufer geschaltet wird.

25 Die zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Einrichtung zum Betreiben einer Asynchronmaschine, bei der zum Anfahren des Läufers und des Ständers eine erste bzw. zweite Direktumrichtereinheit vorgesehen sind.

30 Dadurch wird eine an die unterschiedlichen Anforderungen beim Anfahren und beim Netzbetrieb angepaßte Steuerung des Läufers und des Ständers gewährleistet . Für den Vorgang des Anfahrens der drehzahlvariablen Asynchronmaschine kann eine Direktum¬ richtereinheit benutzt werden, die bereits für die Auslegung

35 des Netzbetriebes vorhanden iεt. Sie wird hierfür lediglich

in einer modifizierten Weise, d.h. sie wird in zwei Direktum¬ richtereinheiten aufgeteilt, betrieben. Es werden keine spe¬ ziellen Anfahrmotoren oder -turbinen, Schaltungen für Teil- spannungsanlauf oder spezielle Anfahrumrichter mit Zwischen- kreisumrichtern eingesetzt.

Dies hat einen Einsparungseffekt auf der apparativen und fi¬ nanziellen Seite zur Folge. Außerdem werden keine zusätzli¬ chen Räumlichkeiten benötigt. Mit einfachen apparativ nicht aufwendigen Schaltern kann nach Beendigung des Anfahrens der Asynchronmaschine durch Umschalten der Netzbetrieb eingelei¬ tet werden.

Die Anzahl der Transformatoren und Direktumrichter, aus denen εich die erste und die zweite Direktumrichtereinheit zusam¬ mensetzten, iεt abhängig vom Überεetzungsverhältnis, d.h. dem Verhältnis der Wicklungszahlen ws und WL von Ständer bzw. Läufer, der drehzahlvariablen Asynchronmaschine.

Vorzugsweiεe werden mit der erεten und zweiten Direktumrich¬ tereinheit der Ständerεtrom Is bzw. der Läuferεtrom II auf das Verhältnis

mit vorgegebenen Wicklungszahlen ws und WL des Ständers bzw. des Läufers, gesteuert. Werden der Ständerstrom Is und der Läuferstrom II auf das Verhältnis optimiert, so erhält man ein ausreichendes Drehmoment und ein sanftes Anfahren aus dem Stillstand in der von dem Betreiber geforderten Zeit. Das

Bremsen erfolgt mit der gleichen Schaltung mit entsprechender Steuerung der beiden Direktumrichtereinheiten, so daß das Bremsmoment entsprechend den betrieblichen Erfordernissen frei einstellbar ist. Die erste und zweite Direktumrichter-

einheit sind somit individuell an das Übersetzungεverhältnis der drehzahlvariablen Asynchronmaschine angepaßt.

Insbesondere ist ein erster Schalter zum Abtrennen der zwei- ten Direktumrichtereinheit dem Ständer vorgeschaltet.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist ein zweiter Schalter zum Parallelschalten der ersten und zweiten Direkt¬ umrichtereinheit auf den Läufer vorgeεehen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf daε Auεfüh- rungsbeispiel der Zeichnung verwiesen, in deren einziger Fi¬ gur eine Einrichtung zum Betreiben einer Asynchronmaschine schematisch dargestellt ist.

Gemäß der Figur ist eine Direktumrichtereinheit 8 in eine er¬ εte und zweite Direktumrichtereinheit 14 bzw. 16 aufgeteilt. Die Direktumrichtereinheit 8 umfaßt in Serie geschaltete Um¬ richtertrafos 10 und Direktumrichter 12.

Zum Anfahren und/oder Bremsen einer Asynchronmaεchine 2 wird die Direktumrichtereinheit 8 benutzt, welche bereits für die Auεlegung deε Netzbetriebeε vorhanden iεt. Sie wird lediglich in einer modifizierten Weiεe, d.h. sie wird hier in zwei Di- rektumrichtereinheiten 14 und 16 aufgeteilt, betrieben. Es werden keine speziellen Anfahrmotoren oder -turbinen, Schal¬ tungen für Teilspannungsanlauf oder spezielle Anfahrumrichter mit Zwiεchenkreisumrichtern eingesetzt. Dieε hat einen Ein¬ sparungseffekt auf der apparativen und finanziellen Seite zur Folge.

Über eine Netzanschlußleitung 28 mit einem ersten Netzschal¬ ter 30 wird der Drehstrom direkt aus dem Netz in die erεte und zweite Direktumrichtereinheit 14 bzw. 16 eingeεpeiεt. AI-

ternativ kann der Drehεtrom auch über einen Netztranεformator eingespeist werden.

Die erste Direktumrichtereinheit 14 speist über eine Leitung 26 in den Läufer 6 der Asynchronmaεchine 2 ein. Die zweite Direktumrichtereinheit 16 εpeist über eine Leitung 20 in eine Leitung 32 ein, wobei diese an den Ständer 4 der Asyn¬ chronmaschine 2 angeschlossen ist.

In der Leitung 20 ist ein erster Schalter 18 angeordnet. Zwi¬ schen der zweiten Direktumrichtereinheit 16 und dem ersten Schalter 18 zweigt eine Leitung 24 ab und mündet zwischen der ersten Direktumrichtereinheit 14 und dem Läufer 6 in die Lei¬ tung 26.

In der Leitung 24 ist ein zweiter Schalter 22 angeordnet. Mit den beiden Schaltern 18 und 22 kann ein einfaches Umschalten zwischen dem Anfahren bzw. Bremsen und dem Netzbetrieb erfol¬ gen. Im Netzbetrieb sind die erste und zweite Direktumrich- tereinheit 14 bzw. 16 über den zweiten Schalter 22 parallel auf die Drehstromwicklung des Läuferε 6 geschaltet. Zum An¬ fahren bzw. Bremsen wird mit dem zweiten Schalter 22 die zweite Direktumrichtereinheit 16 von dem Läufer 6 getrennt und über den ersten Schalter 18 mit dem Ständer 4 verbunden. Hierbei sind die Drehfeldfrequenzen des Ständers 4 und des

Läufers 6 identisch, wobei die Drehfeldrichtungen gegenläufig sind.

Der Drehstrom aus dem Netz wird bei Netzbetrieb über einen Netztransformator 36 und die Leitung 32 in den Ständer 4 ein¬ gespeist. Zwischen dem Netztransformator 36 und dem Ständer 4 iεt ein zweiter Netzεchalter 38 angeordnet. Die Leitung 20 ist zwischen dem zweiten Netzschalter 38 und dem Ständer 4 an die Leitung 32 angeschloεεen.

Beim Anfahren der Asynchronmaschine 2 aus dem Stillstand ist der erste Netzεchalter 30 geεchloεεen, damit die beiden Di¬ rektumrichtereinheiten 14 und 16 mit Drehεtrom gespeist wer¬ den können. Der zweite Netzschalter 38 ist geöffnet, d.h. während des Anfahrens wird die Asynchronmaschine 2 nur aus den Direktumrichtereinheiten 14 und 16 gespeist. Der erste Schalter 18 ist geschlossen und der zweite Schalter 22 ist geöffnet. Demzufolge werden der Ständer 4 und der Läufer 6 von der zweiten bzw. ersten Direktumrichtereinheit 16 bzw. 14 gespeiεt.

Der Ständerεtrom Is und der Läuferεtrom II werden auf daε Verhältnis

mit vorgegebenen Wicklungszahlen ws und WL des Ständers 4 bzw. des Läufers 6, gesteuert. Werden der Ständerstrom Is und der Läuferstrom I _L auf das Verhältnis optimiert, so erhält man ein großes Drehmoment und ein sanftes Anfahren aus dem Stillstand.

Nach dem Anfahren der Asynchronmaschine 2, d.h. für den Netz- betrieb, wird die zweite Direktumrichtereinheit 16 mit dem ersten Schalter 18 vom Ständer 4 getrennt und mit dem zweiten Schalter 22 parallel zur ersten Direktumrichtereinheit 14 auf den Läufer 6 geschaltet.

Zum Bremsen der Asynchronmaεchine 2 ist der Netzschalter 38 geöffnet. Die Schaltung der ersten und zweiten Direktumrich¬ tereinheit 14 bzw. 16 entspricht derjenigen während des An¬ fahrens. Die Steuerung der ersten und zweiten Direktumrich¬ tereinheit 14 bzw. 16 wird so ausgelegt, daß eine Rückspei- εung der kinetiεchen Energie der Aεynchronmaεchine 2 über den Netzschalter 30 in das Netz erfolgen kann.