System und Anlage zum Erzeugen einer Dreiphasenwechselspannung

Die Erfindung betrifft ein System und eine Anlage zum Erzeu ^¬ gen einer Dreiphasenwechselspannung.

Anlagen zum Erzeugen einer Dreiphasenwechselspannung und zum Versorgen eines Stromnetzes mit der Dreiphasenwechselspannung sind hinlänglich bekannt und werden in Kraftwerken eingesetzt. Eine solche Anlage kann wenigstens eine Turbine und wenigstens einen mit der Turbine angetriebenen Drehstromgene ^¬ rator, insbesondere Turbogenerator, aufweisen. Die Turbine kann beispielsweise eine Gasturbine eines Gas-und-Dampf- turbinen-Kraftwerks (GuD) oder eines Gasturbinen-Kraftwerks oder eine Dampfturbine eines Dampfturbinenkraftwerks sein.

Ein Turbinenläufer der Turbine ist herkömmlich starr bzw. drehfest mit einem Rotor des Drehstromgenerators verbunden. Um durch eine Rotation des Turbinenläufers eine Dreiphasen ^¬ wechselspannung mit einer üblichen Netzfrequenz in Höhe von 50 Hz oder 60 Hz mit dem Drehstromgenerator erzeugen und in ein Stromnetz einspeisen zu können, muss der Turbinenläufer herkömmlich mit einer Betriebsfrequenz in Höhe von 50 Hz bzw. 60 Hz rotieren.

Da die Leistung und der Wirkungsgrad von Gasturbinen mit ei ^¬ ner Betriebsfrequenz von 50 Hz (50Hz-Gasturbinen) größer sind als bei entsprechenden 60Hz-Gasturbinen, besteht ein Interesse daran, 50Hz-Gasturbinen auch zur Versorgung von Stromnetzen mit einer Netzfrequenz von 60 Hz ( 60Hz-Stromnetzen) einzusetzen . Die Veröffentlichung „Cogging Torque in Cost-Effective

Surface-Mounted Permanent-Magnet Machines", Young Pang et al . , IEEE Transactions on Magnetics, IEEE Service Center, New

York, NY, US, Bd. 47, Nr. 9, 01.09.2011, Seiten 2269-2276 of- fenbart Ausgestaltungen einer rotierenden elektrischen Maschine mit einem zweipoligen Rotor, durch die ein Rastmoment reduzierbar ist. Die Veröffentlichung „Design Techniques for Reducing the

Cogging Torque in Surface-Mounted PM Motors", Nicola Bianchi et al . , IEEE Transactions on Industry Applications, IEEE Ser ^¬ vice Center, Piscataway, NJ, US, Bd. 38, Nr. 5, 01.09.2002 offenbart Ausgestaltungen einer rotierenden elektrischen Ma- schine, durch die ein Rastmoment reduzierbar ist. Hierzu kön ^¬ nen Permanentmagnete eines Rotors der Maschine versetzt zuei ^¬ nander angeordnet werden.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, die Einsetzbarkeit von Turbinen, deren Betriebsfrequenz kleiner als die Netzfrequenz eines Stromnetzes ist, zum Versorgen des Stromnetzes mit elektrischer Energie zu ermöglichen.

Ein erfindungsgemäßes System zum Erzeugen einer Dreiphasen- wechselspannung umfasst wenigstens einen Drehstromgenerator mit einem zweipoligen Rotor mit zwei magnetischen Polen, die bezüglich der Rotordrehachse des Rotors ungleichmäßig um- fangsversetzt zueinander angeordnet sind, und wenigstens eine Filtereinheit, mit der Phasenspannungen einer von dem Dreh- Stromgenerator erzeugten Dreiphasenwechselspannung filterbar sind .

Durch die ungleichmäßige Umfangsversetzung der beiden magnetischen Pole des Rotors des erfindungsgemäßen Drehstromgene- rators liegen die magnetischen Pole des Rotors nicht auf ei ^¬ ner gemeinsamen senkrecht zu der Rotordrehachse des Rotors verlaufenden Achse, d.h. nicht in einem üblichen Polabstand von 180° zueinander. Stattdessen ist zwischen einer den einen magnetischen Pol mit der Rotordrehachse verbindenden Achse und einer den anderen magnetischen Pol mit der Rotordrehachse verbindenden Achse ein stumpfer oder spitzer Winkel angeordnet. Dies führt dazu, dass der eine magnetische Pol gegenüber dem anderen magnetischen Pol in Drehrichtung des Rotors mit einem gegenüber 180° verringerten oder vergrößerten Polabstand folgt. Hierdurch wird in einer Statorwicklung eines Stators des Drehstromgenerators ein gegenüber einer üblichen, annähernd sinusförmigen Schwingung relativ stark verzerrte Schwingung induziert. Diese Schwingung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbwelle schneller oder langsamer abläuft als die zweite Halbwelle. Eine Fourier-Zerlegung die ^¬ ser induzierten Spannung enthält verschiedene Schwingungsanteile in verschiedenen Frequenzbereichen. Je nach Netzfre- quenz des jeweiligen Stromnetzes, in das die Dreiphasenwechselspannung eingespeist werden soll, können diejenigen

Schwingungsanteile, die zu dieser Einspeisung nicht benötigt werden, insbesondere alle Schwingungsanteile außer der

Schwingung, deren Frequenz der Netzfrequenz entspricht, durch eine geeignete Filterschaltung aus der induzierten Spannung herausgefiltert werden. Die Filtereinheit kann eine Filter ^¬ schaltung aufweisen, die an die von dem Drehstromgenerator erzeugte Dreiphasenwechselspannung und an die Netzfrequenz eines damit zu versorgenden Stromnetzes angepasst ist.

Zur Ausbildung des Rotors kann ein spezieller Rotor hergestellt werden. Alternativ kann auf einen herkömmlichen Rotor zurückgegriffen werden, an dem jedoch die Rotorwicklungen verändert werden, um eine ungleichmäßige Umfangsversetzung der magnetischen Pole des Rotors zu erreichen. Mechanisch kann ein solcher herkömmlicher Rotor durch geeignete Maßnahme symmetrisiert werden, beispielsweise indem eventuell vorhan ^¬ dene, nichtbewickelte Nuten des Rotors mit Ersatzkörpern aus ^¬ gefüllt werden.

Der erfindungsgemäße Drehstromgenerator kann bei Anlagen zum Erzeugen einer Dreiphasenwechselspannung angewendet werden, bei denen die Betriebsfrequenz des Turbinenläufers bzw. die von der Turbine erzeugte Antriebsdrehzahl beliebig unter der Netzfrequenz des Stromnetzes, in das die Dreiphasenwechsel ^¬ spannung eingespeist werden soll, liegen kann. Hierbei ist lediglich der Polabstand zwischen den magnetischen Polen des Rotors an die jeweilige Differenz zwischen der Betriebsfre- quenz des Turbinenläufers und der Netzfrequenz des Stromnet ^¬ zes anzupassen.

Bei Einsatz des erfindungsgemäßen Drehstromgenerators kann beispielsweise eine 60Hz-Dreiphasenwechselspannung unter Verwendung einer den Rotor des Drehstromgenerators antreibenden 50Hz-Gasturbine erzeugt werden. Hierdurch können also 50Hz- Gasturbinen zur Versorgung von 60Hz-Stromnetzen eingesetzt werden. Alternativ kann entsprechend auch eine 50Hz-Dampf- turbine zur Versorgung von 60Hz-Stromnetzen eingesetzt werden .

Die Leistung und der Wirkungsgrad einer mit einem erfindungs ^¬ gemäßen Drehstromgenerator ausgestatteten Anlage sind gegen- über einer herkömmlichen 60Hz-Gasturbineneinheit höher. Da beispielsweise die maximale Leistung einer 50Hz-Gasturbine um 44 % größer ist als die maximale Leistung einer entsprechenden 60Hz-Gasturbine, können größere 60Hz-Kraftwerke mit weni ^¬ ger Blöcken aufgebaut werden. Beispielsweise können Kraftwer- ke, die bislang mit vier 60Hz-Gasturbinen-GuD-Strängen realisiert worden sind, bei Einsatz des erfindungsgemäßen Drehstromgenerators nun mit drei 50Hz-Gasturbinen-GuD-Strängen realisiert werden. Dadurch entfällt ein ganzer Strang bestehend aus Gasturbine, Geno, Schaltkupplung, Kessel, Dampftur- binen und Leittechnik, was zu einer enormen Kostenersparnis führt .

Ein Polwinkelabstand zwischen den magnetischen Polen in Drehrichtung des Rotors beträgt vorzugsweise 210°. Hierdurch läuft die erste Halbwelle einer in der Statorwicklung indu ^¬ zierten Spannungsschwingung schneller ab als die zweite Halbwelle der Spannungsschwingung. Hierbei kann beispielsweise der magnetische Südpol des Rotors gegenüber einer senkrecht zu der Rotordrehachse verlaufenden Achse, auf welcher der magnetische Nordpol des Rotors liegt, um 30° angewinkelt an ^¬ geordnet sein. Dies führt dazu, dass der magnetische Südpol gegenüber dem magnetischen Nordpol in Gegendrehrichtung des Rotors schon mit einem Polabstand von 150° folgt. Die erste Halbwelle einer in der Statorwicklung induzierten Spannungsschwingung kann dann beispielsweise etwa einer 60Hz-Halbwelle entsprechen, wohingegen die zweite Halbwelle der Spannungs ^¬ schwingung beispielsweise einer 4 OHz-Halbwelle entsprechen kann. Eine Fourier-Zerlegung dieser induzierten Spannung enthält neben anderen Schwingungsanteilen eine 40Hz-, eine 50Hz- und eine 60Hz-Schwingung . Durch diese Ausgestaltung des Rotors wird in der Statorwicklung eine gegenüber einer üblichen, annähernd sinusförmigen 50Hz-Schwingung relativ stark verzerrte Schwingung induziert. Diese Schwingung ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Halbwelle der Schwingung schneller abläuft als die zweite Halbwelle. Um ein 60Hz- Stromnetz mit der Dreiphasenwechselspannung versorgen zu können, können alle Schwingungsanteile, die nicht benötigt wer- den, also alle Schwingungsanteile außer der 60Hz-Schwingung, durch eine geeignete Filterschaltung aus der induzierten Spannung herausgefiltert werden.

Bevorzugt umfasst der Drehstromgenerator einen Stator mit we- nigstens einer gesehnten Statorwicklung. Durch eine geeignete Ausgestaltung der Sehnung der Statorwicklung können die im Luftspalt zwischen dem Rotor und einem Stator des Drehstromgenerators umlaufenden magnetischen Drehfelder gefiltert werden. Diese Filterung kann alternativ oder additiv auch durch eine geeignete anderweitige, insbesondere geometrische, Aus ^¬ gestaltung der Statorwicklung erreicht werden. Durch diese Filterung können ungewünschte Schwingungsanteile in der mit dem Drehstromgenerator erzeugten Dreiphasenwechselspannung reduziert werden.

Bevorzugt ist der Stator ein 60Hz-Stator und der Rotor ein 50Hz-Rotor. Das bedeutet, dass der Stator ein Stator eines Drehstromgenerators ist, dessen Betriebsfrequenz 60 Hz be ^¬ trägt, und dass der Rotor ein Rotor eines Drehstromgenerators ist, dessen Betriebsfrequenz 50 Hz beträgt. Der 50Hz-Rotor wird mit einer 50Hz-Turbine angetrieben. Die Filtereinheit umfasst bevorzugt pro Phase der von dem Drehstromgenerator erzeugten Dreiphasenwechselspannung einen Reihenschwingkreis. Jeder Reihenschwingkreis umfasst eine Ka ^¬ pazität und eine Induktivität, die auf die jeweilige Filte- rung abgestimmt sind, um dem jeweiligen Stromnetz eine Dreiphasenwechselspannung zuführen zu können, deren Frequenz der Netzfrequenz des Stromnetzes entspricht.

Eine erfindungsgemäße Anlage zum Erzeugen einer Dreiphasen- wechselspannung umfasst wenigstens eine Turbine und wenigs ^¬ tens ein System gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben, wobei ein Turbinenläufer der Gasturbine drehfest mit dem Rotor des Drehstromgenerators verbunden ist, und wobei eine Betriebsfre- quenz des Turbinenläufers kleiner ist als eine Frequenz der mit der Filtereinheit gefilterten Dreiphasenwechselspannung.

Mit der Anlage sind die oben mit Bezug auf das System genann ^¬ ten Vorteile entsprechend verbunden. Die Turbine kann eine Gasturbine oder eine Dampfturbine sein. Insbesondere kann die Turbine eine 50Hz-Turbine sein. Der Drehstromgenerator und die Filtereinheit können derart ausgebildet sein, dass bei einem mit 50 Hz drehenden Rotor des Drehstromgenerators eine 60Hz-Dreiphasenwechselspannung erzeugbar ist.

Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen, als auch in unter- schiedlicher Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels für einen erfindungsgemäßen Drehstromgenera tor; und eine schematische Darstellung eines Ausführungsbei spiels für eine erfindungsgemäße Anlage. Fig. 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Drehstromge ^¬ nerator 1 für eine nicht gezeigte Anlage zum Erzeugen einer Dreiphasenwechselspannung .

Der Drehstromgenerator 1 umfasst einen zweipoligen Rotor 2 mit zwei magnetischen Polen 3 und 4, wobei der magnetische Pol 3 ein magnetischer Nordpol und der magnetische Pol 4 ein magnetischer Südpol ist. Der Drehstromgenerator 1 umfasst zudem einen Stator 5, der eine, insbesondere gesehnte,

Statorwicklung 6 aufweist, in der durch die Drehung des Rotors 2 um seine Rotordrehachse 7 eine Spannung induziert wird. Der Stator 5 ist ein 60Hz-Stator und der Rotor 2 ist ein 50Hz-Rotor.

Die magnetischen Pole 3 und 4 sind bezüglich der Rotordrehachse 7 des Rotors 2 ungleichmäßig umfangsversetzt zueinander angeordnet. Insbesondere sind die magnetischen Pole 3 und 4 bezüglich der Rotordrehachse 7 des Rotors 2 derart ungleich ^¬ mäßig umfangsversetzt zueinander angeordnet sind, dass ein Polwinkelabstand 8 zwischen den magnetischen Polen 3 und 4 in einer durch einen Pfeil 9 angedeuteten Drehrichtung des Rotors 2 größer als 180° ist. Insbesondere beträgt der Polwin- kelabstand 8 in Drehrichtung des Rotors 2 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel 210°. Es ist also der magnetische Pol 4 des Rotors 2 gegenüber einer senkrecht zu der Rotordrehachse 7 verlaufenden Achse 10, auf welcher der magnetische Pol 3 des Rotors 2 liegt, um 30° angewinkelt angeordnet. Daher folgt der magnetische Pol 4 gegenüber dem magnetischen Pol 3 in Gegendrehrichtung des Rotors 2 schon mit einem Polabstand von 150°. Die erste Halbwelle einer in der Statorwicklung 6 induzierten Spannungsschwingung entspricht etwa einer 60Hz- Halbwelle, wohingegen die zweite Halbwelle der Spannungs- Schwingung etwa einer 4 OHz-Halbwelle entspricht. Die erste Halbwelle der Schwingung läuft schneller ab als die zweite Halbwelle. Eine Fourier-Zerlegung dieser induzierten Spannung enthält neben anderen Schwingungsanteilen eine 40Hz-, eine 50Hz- und eine 60Hz-Schwingung . Durch diese Ausgestaltung des Rotors 2 wird in der Statorwicklung 6 eine gegenüber einer üblichen, annähernd sinusförmigen 50Hz-Schwingung relativ stark verzerrte Schwingung induziert. Um ein 60Hz-Stromnetz mit einer 60Hz-Dreiphasenwechselspannung versorgen zu können, werden alle Schwingungsanteile, die nicht benötigt werden, also alle Schwingungsanteile außer der 60Hz-Schwingung, durch eine nicht gezeigte Filterschaltung aus der induzierten Spannung herausgefiltert.

Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungs ^¬ beispiels für eine erfindungsgemäße Anlage 11 zum Erzeugen einer Dreiphasenwechselspannung . Die Anlage 11 umfasst eine Turbine 12 in Form einer 50Hz-

Gasturbine. Des Weiteren umfasst die Anlage 11 ein System 13 zum Erzeugen der Dreiphasenwechselspannung. Das System 13 ist mit einem 60Hz-Stromnetz 14 verbunden, in das die 60Hz- Dreiphasenwechselspannung eingespeist werden soll.

Das System 13 umfasst einen Drehstromgenerator 1, der gemäß Fig. 1 ausgebildet sein kann. Von dem Drehstromgenerator 1 ist in Fig. 2 lediglich eine Statorschaltplan mit drei die Ständerwicklung repräsentierenden Wicklungswiderständen 15 gezeigt. Ein nicht gezeigter Turbinenläufer der Turbine 12 ist drehfest mit dem nicht gezeigten Rotor des Drehstromgene ^¬ rators 1 verbunden.

Des Weiteren umfasst die Anlage eine Filtereinheit 16, mit der von dem Drehstromgenerator 1 erzeugte Phasenspannungen filterbar sind. Die Filtereinheit 16 umfasst pro Phase der von dem Drehstromgenerator 1 erzeugten Dreiphasenwechselspannung einen Reihenschwingkreis 17. Jeder Reihenschwingkreis 17 umfasst eine Induktivität 18 und eine Kapazität 19. Eine Be- triebsfrequenz des Turbinenläufers ist kleiner als eine Fre ^¬ quenz der mit der Filtereinheit 16 gefilterten Dreiphasenwechselspannung . Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .