DE69512139T2

DE69512139T2 - Generator-Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit, geeignet zur Genauigkeitsverbesserung eines Stromversorgungssystems

Info

Publication number: DE69512139T2
Application number: DE69512139T
Authority: DE
Inventors: Takahisa Kageyama; Tadahiro Yanagisawa
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-06-17
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 2000-01-27
Anticipated expiration: 2015-06-15
Also published as: EP0688095A3; EP0688095A2; CA2152028A1; DE69512139D1; KR960003065A; CN1126389A; CA2152028C; KR0182336B1; EP0688095B1; CN1052123C; JP2553319B2; TW266344B; JPH089692A; US5729118A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Generator- Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit

Eine Generator-Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit wird eingesetzt, indem ein Asynchron- Generator-Motor mit Schleifringläufer anstelle einer konventionellen Generator/Motor-Vorrichtung unter Verwendung einer Synchronmaschine verwendet wird. Die Generator/Motor- Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit umfasst einen Asynchron-Generator/Motor mit Schleifringläufer (im Folgenden als Asynchronmaschine bezeichnet), welche eine Primärwicklung hat, die mit einer Versorgung verbunden ist, und eine Sekundärwicklung, die durch einen Wechselstrom (AC) erregt wird, sowie eine Antriebsmaschine als Last, die mit der Generatorwelle der Asynchronmaschine eine Einheit bildet. Da die Generator/Motor-Vorrichtung mit einer Drehgeschwindigkeit angetrieben werden kann, die sich von einer Synchrongeschwindigkeit, welche durch eine Systemfrequenz bestimmt wird, unterscheidet, ist es möglich, die Betriebseffizienz zu optimieren und ein Ruckeln der konventionellen Synchronmaschine im Falle von Schwierigkeiten zu unterdrücken. Es ist jedoch notwendig, eine Sekundärwicklung durch einen Wechselstrom zu erregen, welcher eine Frequenz hat, die durch die Differenz zwischen der Synchrongeschwindigkeit und Drehgeschwindigkeit bestimmt wird, um die Maschine bei einer Drehgeschwindigkeit zu betreiben, die sich von der Synchrongeschwindigkeit unterscheidet (siehe Journal of the Japanese Institution for Electricity, März 1986).
Hierbei wird die Synchrongeschwindigkeit N&sub1; bestimmt durch eine Systemfrequenz f&sub1; und eine Zahl von Polaritäten p des Generator/Motors, und N&sub1; ist definiert als "N&sub1; = 120 f&sub1;/p". Dementsprechend ist die Synchrongeschwindigkeit N&sub1; kein fester Wert, sondern verändert sich mit der Systemfrequenz f&sub1;.
Die Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit hat Merkmale, wonach eine optimale Steuerung der Drehgeschwindigkeit durchgeführt werden kann ohne Fixierung auf die von der Systemfrequenz bestimmte Synchrongeschwindigkeit, und wonach die Sekundärwicklung erregt wird durch einen Wechselstrom, der eine Frequenz hat, die bestimmt wird von der Differenz zwischen der Synchrongeschwindigkeit und der Drehgeschwindigkeit.
Da die Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit die aktive Leistung der Asynchronmaschine durch eine Steuervorrichtung der Wechselstromerregung steuern kann, und da das Drehmoment der Antriebsmaschine als Last durch eine Antriebsmaschinen/Last-Steuervorrichtung gesteuert werden kann, können sowohl die Wechselstromerregungsvorrichtung als auch die Antriebsmaschinen/Last-Steuervorrichtung die Drehgeschwindigkeit steuern (siehe Bericht Nr. 1026 einer nationalen Tagung der Japanese Institution of Electricity am 61. Syowa 1986).
Die japanischen Patentanmeldungen mit den Veröffentlichungs- Nummern 61-247299 (1986) und 3-51910 (1991) zeigen ein Beispiel, bei welchem eine Wechselstromerregung- Steuervorrichtung die Drehgeschwindigkeit steuert. Ferner zeigt die japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs-Nr. 1-231698 (1989) ein Beispiel, bei welchem eine Antriebsmaschine/Last-Steuervorrichtung die Drehgeschwindigkeit steuert, obwohl die Veröffentlichung in keiner der Figuren eine Antriebsmaschine zeigt.
Da das Beispiel der Anmeldung Nr. 1-231698 die Wechselstromerregungsvorrichtung (Steuerumrichter) nur zur Steuerung der Blindleistung hat, wird die Drehgeschwindigkeit durch andere Steuervorrichtungen gesteuert, wie der Antriebsmaschinen-Steuervorrichtung, welche in der Figur nicht gezeigt ist.
Im Folgenden wird die konventionelle Konfiguration und Funktion einer Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit anhand des Beispiels eines Pumpspeicher- Leistungserzeugungssystems mit variabler Geschwindigkeit beschrieben.
In der folgenden Beschreibung sind alle Variablen und Konstanten dimensionslose Größen aufgrund jeweiliger Standardwerte, und Symbole &epsi;jθ¹, &epsi;jθ², &epsi;jθR, &epsi;j (θ2+φ*) stehen für Exponentialfunktionen.
Beispielsweise bedeutet &epsi;jθ¹ = EXP(jθ&sub1;). Dementsprechend, obwohl verschiedene Einheitengrößen in den Figuren verwendet werden, werden die Werte durch dimensionslose Bearbeitung ausgeführt. Selbst wenn Addition und Subtraktion direkt zwischen den unterschiedlichen Einheitengrößen durchgeführt werden, besteht tatsächlich kein Problem.
Zunächst wird ein erstes Beispiel eines Pumpspeicher- Erzeugungssystems mit variabler Geschwindigkeit beschrieben, bei welchem eine Wechselstromerregung-Steuervorrichtung die Drehgeschwindigkeit steuert. Fig. 1 zeigt den Systemaufbau der Wechselstromerregung-Steuervorrichtung.
In Fig. 1 hat ein Asynchron-Generator/Motor 1 mit Schleifringläufer (im Folgenden als Asynchronmaschine bezeichnet) einen Läufer, welcher mit einer umkehrbaren Pumpturbine verbunden ist, und eine Sekundärwicklung, die von einem Steuerumrichter 3 als einem Frequenzwandler durch einen Wechselstrom erregt wird. Während eines Betriebs mit variabler Geschwindigkeit erhält ein Funktionsgenerator 8 eine optimale Drehgeschwindigkeit und einen optimalen Leitschaufel-Öffnungsgrad auf der Grundlage des Ausgangs p* eines Blindleistungs-Einstellers 6 und des Ausgangs A eines Voreildetektors 7, um jeweils einen Drehgeschwindigkeitsbefehl N* und einen Leitschaufel- Öffnungsgrad-Befehl Y* jeweils auszugeben.
Eine Leitschaufel-Öffnungssteuervorrichtung 140 umfasst eine Leitschaufelöffnung-Steuervorrichtung 41 und einen Subtrahierer 42 zur Berechnung der Differenz zwischen dem Leitschaufelöffnungsgrad-Befehl Y* und dem tatsächlichen Leitschaufelöffnungsgrad Y, und sie steuert den tatsächlichen Leitschaufelöffnungsgrad Y der umkehrbaren Pumpturbine 2, damit dieser mit dem Leitschaufelöffnungs-Befehl Y* übereinstimmt, über einen Servomotor 4.
Eine Spannungssteuervorrichtung 120 umfasst eine Spannungs- Steuerung 21 und einen Subtrahierer 22 zur Berechnung der Differenz zwischen einem Ausgang V* des Spannungs-Einstellers 5 und der Primärspannung V&sub1; der Asynchronmaschine 1, welche durch einen Spannungswandler 17 und einen Spannungsdetektor 23 erfasst werden, und berechnet einen d-Achsen- Strombefehlswert Id*, um zu bewirken, dass der Ausgang V* des Spannungs-Einstellers 5 gleich der Primärspannung V&sub1; der Asynchronmaschine 1 wird.
Hierbei ist ein d-Achsen-Strom eine Stromkomponente, welche der Primärspannung V&sub1; der Asynchronmaschine 1 um 90º nacheilt und der Blindleistung proportional ist.
Eine Geschwindigkeitssteuervorrichtung 130 umfasst eine Geschwindigkeits-Steuerung 31 und einen Subtrahierer 32 zur Berechnung der Differenz zwischen einem Drehgeschwindigkeits- Befehl N* und einem Geschwindigkeitssignal NR, welche jeweils durch einen Geschwindigkeitssignalgenerator 33 und einen Geschwindigkeitsdetektor 34 erhalten werden, wobei der Generator 33 am Läufer der Asynchronmaschine 1 eingebaut ist und ein Wechselstromsignal ausgibt, das eine der Drehgeschwindigkeit proportionale Frequenz hat, und der Detektor 34 erzeugt eine Spannung proportional zur Frequenz. Die Vorrichtung 130 berechnet einen q-Achsen-Strombefehlswert Iq, um das Geschwindigkeitssignal NR dazu zu bringen, gleich dem Drehgeschwindigkeitsbefehl N* zu sein, auf der Grundlage der Differenz.
Eine Idq-Achsen-Stromerfassungsvorrichtung 100 umfasst eine PLL-Schaltung 16 (PLL = phase locked loop, d. h. phasenverriegelte Schleife) zur Erfassung einer Phasenreferenz &epsi;jθR eines Sekundärstroms der Asynchronmaschine 1 auf der Grundlage der Phase &epsi;jθ&sub1; der Primärspannung V&sub1; der Asynchronmaschine 1, welche erfasst wird von dem Spannungswandler 17 und einem Phasendetektor 19, einen Stromdetektor 15 zur Erfassung eines Sekundärstroms i&sub2; der Asynchronmaschine 1, und einen Id-Iq-Achsenstromdetektor 14 zur Erfassung eines Idq-Achsen-Stroms auf der Grundlage des Sekundärstroms i&sub2; und seiner Phasenreferenz &epsi;jθ&sub2; des Sekundärstroms der Asynchronmaschine 1, um so den d-Achsen- Strom Id und den q-Achsen-Strom Iq des Sekundärstroms der Asynchronmaschine 1 zu erfassen.
Hierbei entsprechen die Phasensignale "&epsi;jθR" "&epsi;jθ&sub1;" und "&epsi;jθ&sub2;" jeweils einem Vektor "cosθR+jsinθR", welcher bestimmt wird von einem elektrischen Winkel θR des Läufers, einen Vektor "cosθ&sub1;+jsinθ&sub1;", welcher bestimmt wird durch den Phasenwinkel θ&sub1; der Spannung V&sub1;, und einen Vektor "cosθ&sub2;+jsinθ&sub2;", welcher bestimmt wird von "θ&sub1;-θR" (als θ&sub2; bezeichnet).
Als nächstes wird ein zweites Beispiel eines konventionellen Pumpspeicher-Erzeugungssystems mit variabler Geschwindigkeit beschrieben, bei dem eine Leitschaufelöffnung- Steuervorrichtung die Drehgeschwindigkeit steuert, unter Bezugnahme auf Fig. 2, welche dessen Systemaufbau zeigt.
In Fig. 2, da die jeweiligen Konfigurationen gleich sind wie in Fig. 1, wird eine erneute Beschreibung der Asynchronmaschine 1, der Pumpturbine 2, des Steuerumrichters 3, des Aktivleistungs-Einstellers 6, des Kopfdetektors 7, des Funktionsgenerators 8, des Servomotors 4, der Leitschaufelöffnungs-Steuervorrichtung 140 einschließlich der Leitschaufelöffnungs-Steuerung 41 und Subtrahierers 42, des Spannungseinstellers 5, der Spannungssteuervorrichtung 120 einschließlich des Spannungswandlers 17, Spannungsdetektors 23, Subtrahierers 22 und der Spannungs-Controller 21, der Idq-Achsen-Erfassungsvorrichtung 100 einschließlich des Phasendetektors 19 des Läufers, Spannungswandlers 17, Phasendetektors 18 der Systemfrequenz, der PLL-Schaltung 16, des Stromdetektor 15 und Id-Iq-Achsen-Detektors 14, und der Sekundärstrom-Steuervorrichtung 110 einschließlich des Subtrahierers 12 und der Strom-Steuerung 11 weggelassen.
Der Unterschied zu Fig. 1 besteht darin, dass eine Geschwindigkeitssteuervorrichtung 160 vorgesehen ist anstelle der Geschwindigkeitssteuervorrichtung 130, umfassend eine Geschwindigkeits-Steuerung 31, einen Subtrahierer 32 und Addierer 33 zur Korrektur eines Ausgangs Nc des Geschwindigkeits-Steuerung und des Leitschaufelöffnungsgrad- Befehlswert Y*, um so einen korrigierten Leitschaufelöffnungsgrad-Befehlswerts Y*¹ zu berechnen, und darin, dass ein Aktivleistungs-Steuerabschnitt 170 hinzugefügt ist, welcher einen Stromdetektor 71, Aktivleistungsdetektor 72, Subtrahierer 73 und einen Aktivleistungs-Steuerung 74 umfasst.
Bei dem Aktivleistungs-Steuerabschnitt 170 gibt die Aktivleistungs-Steuerung 74 einen q-Achsen-Strombefehlswert Iq* aus, auf die Weise, dass ein Ausgang P des Aktivleistungsdetektors 72 mit einem Aktivleistungs- Befehlswert P* in Übereinstimmung gebracht wird.
Ferner gibt die Geschwindigkeitssteuervorrichtung 160 das Signal Nc aus, zur Korrektur des Leitschaufelöffnungs- Befehlswertes Y*, damit die Drehgeschwindigkeit NR mit dem Geschwindigkeitsbefehlswert N* übereinstimmt, und die Leitschaufel-Steuervorrichtung 140 arbeitet auf die Weise, dass der Leitschaufelöffnungsgrad Y mit dem korrigierten Leitschaufelöffnungsgrad-Befehlswert Y&sub1;* in Übereinstimmung gebracht wird. Wenn der Funktionsgenerator korrekt arbeitet, ist das korrigierte Signal Nc Null.
Dementsprechend, da die in Fig. 2 gezeigte Konfiguration auf die gleiche Weise arbeiten kann wie das in Fig. 1 gezeigte System, nämlich V = V*, NR = N*, Y = Y*, Id = Id*, und Iq = Iq*, d. h. es ist möglich, das System korrekt zu betreiben mit einem Voreilen (head) H gegenüber einem Aktivleistungseinstellwert PR unter der Spannung V*, wodurch das System mit einer Drehgeschwindigkeit N* und einem Leitschaufelöffnungsgrad Y* betrieben wird.
Bei der konventionellen Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit, da es möglich ist, in der Praxis das System mit einer optimalen Drehgeschwindigkeit zu steuern, ohne Fixierung auf eine von einer Systemfrequenz bestimmten Synchrongeschwindigkeit, treten durch Steuerung der Drehgeschwindigkeit auf andere Werte als die Systemfrequenz trotz verschiedener Maßnahmen die folgenden Probleme auf.
Ein erstes Problem besteht darin, dass eine große Änderung der Versorgungsfrequenz (Netzfrequenz) oder Drehgeschwindigkeit dazu führt, dass der Betrieb des Systems ausgesetzt wird.
Eine in der Sekundärwicklung der Asynchronmaschine 1 auftretende Spannung ist einem Schlupf S proportional. Wenn die Spannung in der Sekundärwicklung über einer Spannung V&sub2;MAX liegt, die von einem Steuerumrichter ausgegeben wird, kann der Steuerumrichter den Sekundärstrom der Asynchronmaschine 1 nicht steuern, wodurch die Fortsetzung des Betriebes aufhört. Der Schlupf S wird durch die Synchrongeschwindigkeit N&sub1; und die Drehgeschwindigkeit NR der Asynchronmaschine 1 bestimmt, und kann auch durch eine Frequenz dargestellt werden, gemäß der folgenden Gleichung (1):
S = (N&sub1; - NR) = (f&sub1; - fR) / f&sub1; ... (1)
Wie aus der Gleichung (1) hervorgeht, obwohl die Drehgeschwindigkeit (NR, nämlich die Frequenz fR) konstant ist, führt eine große Veränderung der Versorgungsfrequenz Netzfrequenz) f&sub1; dazu, dass der Betrieb unterbrochen wird, durch Erhöhung des Schlupfes S. Zum Beispiel, wenn die Frequenz f&sub1; 100% beträgt, die Frequenz fR 95% beträgt, und der Schlupf S 5% beträgt, wenn die Frequenz f&sub1; auf 105% steigt, beträgt der Schlupf S 10%.
Auf die gleiche Weise, obwohl die Versorgungsfrequenz (f&sub1;, nämlich die Geschwindigkeit N&sub1;) konstant ist, führt eine große Veränderung der Drehgeschwindigkeit dazu, dass der Betrieb unterbrochen wird, durch Erhöhung des Schlupfes. Zum Beispiel, wenn die Geschwindigkeit N&sub1; 100% beträgt, NR 95% beträgt und der Schlupf 5% beträgt, wenn die Geschwindigkeit NR auf 90% sinkt, beträgt der Schlupf S 10%. In der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit, welche die Drehgeschwindigkeit durch eine Leitschaufelsteuerung steuert, da die Drehgeschwindigkeit sich stark ändert bei Änderung der Aktivleistung, ist der Schlupf groß, wodurch der Betrieb unterbrochen wird. Dementsprechend ist es notwendig, Gegenmaßnahmen zu ergreifen.
Ein zweites Problem besteht darin, dass die Synchronisierleistung zur Unterdrückung von Frequenzänderungen des Vorsorgungssystems (Netzes) nicht beitragen kann, da die Synchronisierleistung unterdrückt ist.
Als Beispiel wird ein Fall beschrieben, bei dem die Versorgungssystemfrequenz abnimmt. Wenn die Versorgungssystemfrequenz abnimmt, bei der konventionellen Generator/Motor-Vorrichtung, welche eine Synchronmaschine verwendet, nimmt die Leistung des Generator/Motors zu während des Generatorbetriebs, wodurch die Geschwindigkeit abnimmt auf die Drehgeschwindigkeit, welche der Versorgungssystemfrequenz entspricht, um den synchronisierten Betrieb mit dem Versorgungssystem aufrecht zu erhalten. Wenn der Betrieb stattfindet während eines Pumpspeicherbetriebes, nimmt die Eingabe der Synchronmaschine ab, wodurch die Geschwindigkeit abnimmt auf die Drehgeschwindigkeit, welche der Versorgungssystemfrequenz entspricht, um den synchronisierten Betrieb mit dem Versorgungssystem aufrecht zu erhalten.
Eine Synchronisierleistung wird gerufen bezüglich einer Erhöhung der Ausgabe (Leistung) und einer Verringerung der Eingabe der Synchronmaschine in diesem Fall. Die Synchronisierleistung ist eine Veränderung in der Richtung einer Unterdrückung der Verringerung der Versorgungssystemfrequenz, um so zu einer Unterdrückung einer Veränderung der Versorgungssystemfrequenz beizutragen.
Andererseits, in der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit, wenn die Versorungssystemfrequenz f&sub1;, wie in Fig. 4 gezeigt, abnimmt, obwohl die Drehgeschwindigkeit durch die Synchronisierleistung auch abnimmt, da die Drehgeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit NR unterdrückt wird, wie oben beschrieben, trotz der Versorgungssystemfrequenz, tritt weder eine Erhöhung der Ausgabe (Leistung) der Asynchronmaschine (oder eine Verringerung der Eingabe der Asynchronmaschine) noch eine Verringerung der Drehgeschwindigkeit auf, aufgrund einer Löschung der Synchronisierleistung. Fig. 4(b) zeigt ein Beispiel, bei dem die Generator/Motor-Vorrichtung mit einer geringeren Geschwindigkeit als der Synchrongeschwindigkeit NO dreht.
Das bedeutet, dass die Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nicht zur Unterdrückung der Frequenzveränderung des Versorgungssystems beiträgt.
Ein drittes Problem besteht darin, dass es unmöglich ist, zur Unterdrückung der Frequenzveränderung des Versorgungssystems beizutragen, aufgrund des Fehlens einer reglerfreien Funktion.
Bei der konventionellen Generator/Motor-Vorrichtung mit der Synchronmaschine, wenn eine Steuerfunktion der Antriebsmaschine die Drehgeschwindigkeit dazu bringt, während des Generatorbetriebs mit einer Verringerung der Versorgungssystemfrequenz die Drehgeschwindigkeit zu verringern, gibt es eine Funktion, welche als reglerfreie Funktion bezeichnet wird, bei welcher die Ausgabe der Antriebsmaschine sich verändert, um die Verringerung der Drehgeschwindigkeit zu unterdrücken. Die reglerfreie Funktion trägt zur Unterdrückung der Frequenzveränderung im Versorgungssystem bei, eine reglerfreie Funktion als erste Definition ist eine Funktion, welche eine Ausgabe der Antriebsmaschine verändert, um die Verringerung der Drehgeschwindigkeit der Antriebsmaschine mit solch einer Verringerung der Frequenz des Versorgungssystems zu unterdrücken.
Andererseits, in der konventionellen Generator/Motor- Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit, da sich die Drehgeschwindigkeit trotz Verringerung der Versorgungssystemfrequenz nicht verändert, verändert sich die Ausgabe der Antriebsmaschine nicht.
Zur Lösung des ersten Problems gibt es ein Verfahren zur Korrektur der aktiven Leistung durch eine Wechselstromerregung-Steuervorrichtung entsprechend dem Maß, dass ein erfasster Schlupf einen gesetzten Wert überschreitet (siehe japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungs- Nr. 1-231698 (1989)).
Das Verfahren verwendet eine Generator/Motor-Vorrichtung mit Asynchronmaschine, welche ferner eine Schlupffrequenzgrenzvorrichtung hat, als ein in Fig. 3 gezeigtes drittes konventionelles Beispiel, umfassend einen Schlupffrequenz-Detektor 81 zur Erfassung einer Erregungsfrequenz f&sub2; (nämlich einer Schlupffrequenz fS) der Asynchronmaschine 1 auf der Grundlage eines PLL- Ausgabesignals, einen Schlupfüberschuss-Detektor 82 zur Erfassung des Maßes, mit dem die Schlupffrequenz fS über einem Schlupfbreiten-Setzwert fm liegt, einem Nacheilberechner 83 erster Ordnung, und einen Subtrahierer 84 zur Subtraktion einer Ausgabe Pc des Nacheilberechners 83 erster Ordnung von einem Aktivleistungs-Befehlswert P*, zur Ausgabe eines korrigierten Aktivleistungs-Befehlswertes P&sub1;*.
Bei diesem Verfahren, da die Schlupffrequenz fS den Schlupfbreiten-Setzwert fm wegen der Schlupffrequenzgrenz- Vorrichtung 180 nicht groß überschreitet, ist es möglich, das System stabil ohne Überschuss an Schlupf zu betreiben.
Da das Verfahren jedoch das zweite und dritte Problem nicht lösen kann, verändert es nicht das konventionelle Verfahren bezüglich einer Unterdrückung der Frequenzveränderung in dem Versorgungssystem.
Um das dritte Problem zu lösen, wird ein Verfahren zur Korrektur einer Ausgabe P* des Aktivleistungs-Einstellers 6 durch eine festgestellte Frequenzänderung in dem Versorgungssystem geschaffen (japanische Patentveröffentlichung Nr. 3-51910 (1991)).
Das Verfahren verwendet eine Generator/Motor-Vorrichtung, als viertes Beispiel in Fig. 6 gezeigt, welche zusätzlich zu den in Fig. 1 gezeigten Elementen eine Versorgungssystemfrequenzveränderung- Unterdrückungsvorrichtung umfasst, einschließlich eines Frequenzdetektors 85, Veränderungsgeschwindigkeitsberechners 86 und eines Addierers 84. Bei diesem Verfahren, da die Versorgungssystemfrequenzveränderung- Unterdrückungsvorrichtung einen Aktivleistungs-Befehlswert entsprechend einer Frequenzveränderung im Versorgungssystem korrigiert, verändert sich die Aktivleistung als Ergebnis in eine Richtung zur Unterdrückung der Frequenzveränderung in dem Versorgungssystem, wodurch zur Unterdrückung der Frequenzveränderung im Versorgungssystem beigetragen wird.
Da das Verfahren jedoch das erste und zweite Problem nicht lösen kann, ergibt sich nur eine unvollständige Verbesserung.
Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit zu schaffen, ohne Betriebsversagen, selbst wenn die Versorgungssystemfrequenz sich stark ändert.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit zu verwenden, ohne eine Löschung der Synchronisierkraft, um dadurch zur Unterdrückung einer Frequenzveränderung in dem Versorgungssystem beizutragen.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit zu schaffen, der eine Steuerfunktion hinzugefügt ist, um eine Frequenzveränderung in einem Versorgungssystem zu unterdrücken.
Gemäß der nach den Merkmalen des Anspruchs 1 definierten Erfindung wird eine Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit geschaffen, welche einen Generator/Motor mit Schleifringläufer enthält, der eine Primärwicklung hat, die mit einem Versorgungssystem verbunden ist, eine Sekundärwicklung, die durch einen Wechselstrom erregt wird, und eine Generator/Motor-Welle, und eine Antriebsmaschine/Last, die mit der Generator/Motor-Welle gekoppelt ist, umfassend:
eine Schlupffrequenz-Erfassungseinrichtung zur Erfassung der Wechselstromerregegungsfrequenz auf der Grundlage von Leistungsdaten, welche die Frequenz oder die Spannungsphase im Versorgungssystem und die Rotationsphase der Generator/Motorwelle enthalten;
eine Schlupffrequenz-Steuereinrichtung, welche enthält:
eine Einrichtung zur Erzeugung eines Schlupffrequenz- Befehlswertes in dem Generator/Motor;
eine Subtrahiereinrichtung zur Berechnung der Differenz zwischen dem Schlupffrequenz-Befehlswert und der Ausgabe der Schlupffrequenz-Erfassungsvorrichtung; und
eine Schlupffrequenz-Steuereinrichtung zur Steuerung des Generator/Motors auf der Grundlage der von dem Subtrahierer berechneten Differenz, so dass die Wechselstromerregungsfrequenz gesteuert wird gleich dem Schlupffrequenz-Befehlswert zu sein.
Mit den Ausführungen der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine oder mehrere der obigen Aufgaben zu lösen.
Um die erste, zweite und dritte Aufgabe zu lösen, dient die Frequenzerfassungseinrichtung in einer ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung dazu, die Frequenz der Wechselstromerregung auf der Grundlage der Frequenz und/oder Spannungsphase des Versorgungssystems und der Drehgeschwindigkeit und/oder des Rotationswinkels der Generatorwelle zu erfassen.
Um die erste Aufgabe zu lösen, umfasst die Generator/Motor- Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit gemäß einer zweiten Ausführung ferner eine Einrichtung zur Begrenzung des Schlupffrequenz-Befehlswertes, der aus der Schlupffrequenz- Steuereinrichtung ausgegeben wird, innerhalb eines Referenzwertes, zusätzlich zu der Vorrichtung des ersten Aspektes.
Um die zweite und dritte Aufgabe zu lösen, kann die Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit in der dritten Ausführung ferner eine Drehmomentkorrektureinrichtung für die Antriebsmaschine/Last umfassen, zur Korrektur des Drehmomentes der Antriebsmaschine/Last entsprechend einer Frequenzveränderung in dem Versorgungssystem.
Alternativ, um die zweite und dritte Aufgabe zu lösen, kann die Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit gemäß einer vierten Ausführung auch eine Schlupffrequenzbefehlswert-Korrektureinrichtung umfassen, zur Korrektur des Schlupffrequenz-Befehlswertes entsprechend der Drehgeschwindigkeit der Generatorwelle. Statt dessen, um die zweite und dritte Aufgabe zu lösen, kann eine Generator- Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit gemäß einer fünften Ausführung eine Schlupffrequenzbefehlswert- Korrektureinrichtung umfassen, zur Korrektur des Schlupffrequenz-Befehlswertes entsprechend einer Frequenzveränderung im Versorgungssystem.
Es wird eine Funktion der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit beschrieben, welche durch die erste Ausführung gebildet wird. Da die Generator/Motor-Vorrichtung die Schlupffrequenz-Steuereinrichtung umfasst, wird die Schlupffrequenz fS, nämlich "f&sub1;-fR" gesteuert konstant zu sein, so dass der Zähler der Gleichung (1) konstant ist. Dementsprechend, obwohl sich die Frequenz im Versorgungssystem verändert, verändert sich der Schlupf nicht. Zum Beispiel, wenn f&sub1; 100% beträgt und fR 95 beträgt, damit der Schlupf S 5% beträgt, obwohl f&sub1; sich auf 105% ändert, wird fR auf 100% gesteuert, da fS konstant ist, was zu einer geringen Veränderung des Schlupfes S führt, da der Schlupf S sich lediglich von 5% auf 4,76% ändert.
Wie oben beschrieben, wenn die Frequenz im Versorgungssystem sich ändert, verändert sich die Drehgeschwindigkeit mit der gleichen Geschwindigkeit der Frequenzveränderung im Versorgungssystem, um die Veränderung der Schlupffrequenz zu verhindern. Die Veränderung ist gleich einer Veränderung der Drehgeschwindigkeit der Asynchronmaschine durch Synchronisierleistung, und bedeutet, dass der Generator/Motor mit variabler Geschwindigkeit die Synchronisierleistung nicht auslöscht.
Es wird eine Funktion der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit beschrieben, welche bei der zweiten Ausführung gebildet wird. Da die Vorrichtung nach dem zweiten Aspekt die Einrichtung zur Begrenzung des Schlupffrequenz- Befehlswertes innerhalb des Referenzwertes hat, ist der Schlupf innerhalb des Referenzwertes begrenzt, wie oben beschrieben, obwohl sich die Frequenz im Versorgungssystem ändert.
Es wird eine Funktion der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit beschrieben, welche bei der zweiten Ausführung gebildet wird. Wenn die Vorrichtung nach der zweiten Ausführung das Drehmoment der Antriebsmaschine/Last mit ΔτM proportional zu einer Veränderung ΔN der Drehgeschwindigkeit korrigiert, ist der Korrekturwert ΔτM proportional zu einem Veränderungswert der Frequenz f&sub1; im Versorgungssystem zur Korrektur der Aktivleistung der Asynchronmaschine 1 mit ΔτM, da die Schlupffrequenz die Frequenz f&sub2; konstant steuert. Dementsprechend zeigt die Vorrichtung, welche die Einrichtung der zweiten Ausführung verwendet, eine reglerfreie Funktion, die dazu führt, dass die Antriebsmaschine/Last und die Aktivleistung der Asynchronmaschine 1 sich entsprechend der Veränderung der Frequenz f&sub1; des Versorgungssystems ändert.
Es wird eine Funktion der Generator/Motor-Vorrichtung gemäß der dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Da die Vorrichtung der dritten Ausführung das Drehmoment der Antriebsmaschine/Last und die Aktivleistung der Asynchronmaschine 1 entsprechend der Frequenzveränderung im Versorgungssystem ändert, zeigt die Vorrichtung der dritten Ausführung auf die gleiche Weise wie die zweite Ausführung eine reglerfreie Funktion.
Es wird eine Funktion der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit gemäß der vierten Ausführung beschrieben. Die Vorrichtung der vierten Ausführung korrigiert den Schlupffrequenz-Befehlswert fs* durch einen Wert, von dem die Frequenzveränderung Δf&sub1; des Versorgungssystems integriert ist. Da die Schlupffrequenzsteuerung die Frequenz f&sub2; so korrigiert, dass sie mit dem Schlupffrequenz-Befehlswert fS* übereinstimmt, ist der Korrekturwert ΔPE der Aktivleistung der Asynchronmaschine 1 ein Wert, welcher der Frequenzveränderung Δf&sub1; im Versorgungssystem entspricht. Der Korrekturwert ΔPE der Aktivleistung ändert sich mit einer Korrektur des Schlupffrequenz-Befehlswertes f&sub2;*, wie später beschrieben wird.
Es wird eine Funktion der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit beschrieben, welche in der fünften Ausführung gebildet wird. Die Vorrichtung nach der fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung korrigiert den Schlupffrequenz-Befehlswert fS* entsprechend einer Differenz Δf&sub1; zwischen der Versorgungssystemfrequenz und der Referenzfrequenz. Da die Schlupffrequenz die Frequenz f&sub2; so steuert, dass sie mit dem Schlupffrequenz-Befehlswert fS* übereinstimmt, ist der Korrekturwert ΔPE der Aktivleistung der Asynchronmaschine 1 ein Wert, welcher der Frequenzveränderung Δf&sub1; im Versorgungssystem entspricht. Der Korrekturwert ΔPE der Aktivleistung ändert sich mit einer Korrektur des Schlupffrequenz-Befehlswertes f&sub2;*, wie später beschrieben wird.
Dementsprechend, da eine Schlupfveränderung unterdrückt wird und einer Frequenzveränderung im Versorgungssystem entsprechen kann, ohne Auslöschung der Synchronisierleistung, wenn die Versorgungssystemfrequenz sich stark ändert, und da die Aktivleistung dazu gebracht wird, sich in die Richtung der Unterdrückung der Frequenzveränderung im Versorgungssystem zu verändern, tritt kein Betriebsversagen auf, selbst wenn die Versorgungssystemfrequenz sich stark ändert, wodurch zur Unterdrückung der Frequenzveränderung im Versorgungssystem beigetragen wird.
Für ein besseres Verständes der Erfindung, und um zu zeigen, wie selbige umgesetzt werden kann, wird nun im Wege von Beispielen auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in welchen:
Fig. 1 ein Blockdiagramm ist, welches eine konventionelle Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einem ersten Beispiel zeigt;
Fig. 2 ein Blockdiagramm ist, welches eine konventionelle Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einem zweiten Beispiel zeigt;
Fig. 3 ein Charakteristikschaubild ist, welches den Betrieb der konventionellen Generator/Motor- Vorrichtung unter Verwendung einer Synchronmaschine zeigt;
Fig. 4 ein Charakteristikdiagramm ist, welches den Betrieb der konventionellen Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit zeigt;
Fig. 5 ein Blockdiagramm ist, welches eine konventionelle Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einem dritten Beispiel zeigt;
Fig. 6 ein Blockdiagramm ist, welches eine Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einem vierten Beispiel zeigt;
Fig. 7 ein Blockdiagramm ist, welches das fundamentale Konzept einer Form einer Generator/Motor- Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 8 ein Blockdiagramm ist, welches den Aufbau einer Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 9 ein Blockdiagramm ist, welches ein Beispiel einer PLL-Schaltung zeigt, die in der Generator/Motor- Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit, welche in Fig. 8 gezeigt ist, eingebaut ist;
Fig. 10 ein Blockdiagramm ist, welches eine Schlupffrequenzbefehlswert-Erzeugungsschaltung zeigt, die in der in Fig. 8 gezeigten Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit eingebaut ist;
Fig. 11 ein Charakteristikdiagramm ist, welches den Betrieb der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit zeigt;
Fig. 12 ein Blockdiagramm ist, welches den Aufbau einer Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einer zweiten Ausführung zeigt;
Fig. 13 ein Blockdiagramm ist, welches den Aufbau einer Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 14 ein Blockdiagramm ist, welches den Aufbau einer Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einer vierten Ausführungung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 15 ein Blockdiagramm ist, welches den Aufbau einer Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einer fünften Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 16 ein Blockdiagramm ist, welches den Aufbau einer Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einer sechsten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 17 ein Blockdiagramm ist, welches den Aufbau einer Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einer siebten Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt.
Nun werden ausführlich bevorzugte Ausführungen einer Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Vor der Beschreibung der Ausführungen, wird ein fundamentales Konzept einer Form einer Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 7 beschrieben. In Fig. 7 umfasst die Generator/Motor-Vorrichtung einen Asynchron- Generator/Motor 1 mit Schleifringläufer, welche eine Primärwicklung 1A enthält, die mit einem Versorgungssystem bzw. Netz 9 verbunden ist, eine Sekundärwicklung 1B, welche von einem Wechselstrom (AC) erregt wird, und eine Generatorwelle 1C; eine Antriebsmaschine/Last 2, welche mit der Generatorwelle 1C vereinigt ist; eine Frequenzerfassungseinrichtung 100 zur Erfassung der Wechselstromerregungsfrequenz auf der Grundlage der Leistungsdaten im Versorgungssystem 9 und der Daten der Generatorwelle 1C; eine Schlupffrequenzbefehlswert- Erzeugungseinrichtung 51 zur Erzeugung eines Schlupffrequenz- Befehlswertes des Generator/Motors 1; und eine Schlupffrequenz/Steuereinrichtung 150 zur Steuerung des Generator/Motors 1 auf solch eine Weise, dass die Wechselstromerregungsfrequenz, die von der Frequenzerfassungseinrichtung 100 ausgegeben wird, mit dem Schlupffreguenz-Befehlswert übereinstimmt, der aus der Einrichtung 51 ausgegeben wird.
Bei der folgenden Beschreibung sind alle Variablen und Konstanten Werte, denen durch jeweilige Bezugswerte eine dimensionslose Verarbeitung hinzugefügt wurde.
Nun wird eine Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung beschrieben, unter Bezugnahme auf Fig. 8, welche den Aufbau der ersten Ausführung zeigt.
Da die Gesamtkonfiguration der Vorrichtung in Fig. 8 gleich ist wie jene der in Fig. 1 gezeigten konventionellen Vorrichtung, wird eine wiederholte Beschreibung weggelassen. Dementsprechend umfasst die Generator/Motor-Vorrichtung eine Asynchronmaschine 1, eine gepumpte Turbine 2, einen Steuerumrichter 3, einen Aktivleistungs-Einsteller 6, einen Voreildetektor (head detector) 7, einen Funktionsgenerator 8, einen Servomotor 4, eine Leitschaufelöffnung- Steuervorrichtung 140 mit einer Leitschaufelöffnung-Steuerung 41 und einem Subtrahierer 42, einen Spannungseinsteller 5, einen Spannungsumwandler 17, eine Spannungssteuervorrichtung 120 mit einer Spannungssteuerung 21, einem Subtrahierer 22 und einem Spannungsdetektor 23, eine Idq-Achsen- Stromerfassungsvorrichtung 100 mit einem Id/Iq-Achsen- Stromdetektor 14, Stromdetektor 15, PLL-Schaltung 16, Spannungswandler 17, Systemfrequenz-Phasendetektor 18 und Läuferphasendetektor 19, und einer Sekundärstrom- Steuervorrichtung 110 mit einer Stromsteuerung 11 und einem Subtrahierer 12.
Als ein Beispiel umfasst die PLL-Schaltung 16, wie in Fig. 9 gezeigt, einen Vektorsubtrahierer 161 zur Erhaltung einer Differenz &epsi;jθ und &epsi;j(θR.θ&sub2;), einen Proportional- und Integralberechner 162, einen Vektorgenerator 163 und einen Vektoraddierer 164.
Die Sekundärstrom-Steuervorrichtung 110 umfasst einen Subtrahierer 12 zur Berechnung einer Differenz zwischen einem d-Achsen-Strombefehlswert Id* und einem d-Achsen-Strom Id, einen Subtrahierer 13 zur Berechnung einer Differenz zwischen einem q-Achsen-Strombefehlswert Iq* und einem q-Achsen-Strom Iq, und eine Stromsteuerung 11, wodurch der Bogenwinkel des Steuerumrichters auf die Weise gesteuert wird, dass der d- Achsen-Strom Id mit dem d-Achsen-Strombefehlswert Id* übereinstimmt, und der q-Achsen-Strom Iq mit dem q-Achsen- Strombefehlswert Iq*.
Da das in Fig. 8 gezeigte Pumpspeicher-Generatorsystem mit variabler Geschwindigkeit so arbeitet, um eine Bedingung herbeizuführen, dass V = V*, NR = N*, Y = Y*, Id = Id* und Iq = Iq*, ist es möglich, einen optimalen Betrieb zu verwirklichen (nämlich bei dem die Drehgeschwindigkeit N* beträgt und der Leitschaufel-Öffnungsgrad Y* beträgt) mit dem Aktivleistung- Einstellwert PR und wobei das Voreilen (head) H unter der Spannung V* ist.
Ferner, wenn das Systen unter der Bedingung von Id = Id* und Iq = Iq* arbeitet, ist es möglich, aus dem folgenden Grund zu beschreiben, dass die Sekundärwicklung der Asynchronmaschine 1 erregt wird durch einen Wechselstrom, welcher die Frequenz der Differenz zwischen der Versorgungssystemfrequenz f&sub1; und der Frequenz fR, welcher der Drehgeschwindigkeit NR entspricht, hat. Hierbei bedeutet der Ausdruck "entspricht" ein Verhältnis zwischen einer Frequenz und einer Drehgeschwindigkeit, wobei das Verhältnis in einfachem Sinn bestimmt wird durch Bestimmung der Polarzahl in der Asynchronmaschine 1.
Unter der Bedingung von Id = Id* und Iq = Iq*, wenn "tanφ* = Iq*/Id*, kann ein Sekundärstrom I&sub2; durch die folgende Gleichung (2) erhalten werden:
i&sub2; = (Id*²+Iq*²)&epsi;·j(θ&sub2;+φ*) .... (2)
Die Frequenz f&sub2; des Stroms i&sub2; wird durch Differenzierung eines Phasenwinkels (θ&sub2;+φ*) des Stroms i&sub2; erhalten. Da "θ&sub2; = θ&sub1;-θR" gilt und φ* ein konstanter Wert ist, gilt für die Frequenz f&sub2; dass f&sub2; = d (θ&sub2;+φ*)/dt = d(θ&sub1;-θR)/dt". Da θ&sub1; und θR durch eine Differenzierung f&sub1; und fR sein sollen, kann f&sub2; durch die folgende Gleichung (3) erhalten werden:
f&sub2; = f&sub1;- fR .... (3)
Man versteht, dass die Erregungsfrequenz f&sub2; der Asynchronmaschine 1 zur Schlupffrequenz fS wird (wobei fS = f&sub1;-fR).
Die Generator/Motor-Vorrichtung nach der ersten Ausführung, welche in Fig. 8 gezeigt ist, unterscheidet sich von der konventionellen Vorrichtung an dem Punkt der Bereitstellung einer Schlupffrequenz-Steuervorrichtung 150 anstelle der Geschwindigkeitssteuervorrichtung 130. Die Schlupffrequenz- Steuervorrichtung 150 umfasst einen Schlupffrequenz- Befehlswert-Generator 51 zur Berechnung eines Schlupffrequenz-Befehlswertes fS*, einen Subtrahierer 52 zur Berechnung einer Differenz zwischen dem Schlupffrequenz- Befehlswert fS* und einer inneren Ausgabe f&sub2; der PLL- Schaltung 16, und eine Schlupffrequenz-Steuerung 53 zur Ausgabe eines q-Achsen-Strombefehlswertes Iq* auf der Grundlage der durch den Subtrahierer 52 berechneten Differenz.
Der Schlupffrequenzbefehlswert-Generator 51 umfasst einen Subtrahierer 511 und einen Koeffizienten-Multiplizierer 512, wie in Fig. 10 gezeigt, und der Berechnungsinhalt ist ein Wert, welcher der folgenden Gleichung (4) entspricht:
fS* = N&sub0; - N* ...... (4)
wobei N&sub0; eine Referenz-Synchrongeschwindigkeit ist und eine Drehgeschwindigkeit bedeutet, welche einem Referenz- Frequenzwert f&sub0; der Versorgungssystemfrequenz f&sub1; entspricht.
Als nächstes wird die Funktion der Vorrichtung nach der ersten Ausführung beschrieben.
Da die interne Ausgabe f&sub2; der PLL-Schaltung 16 die Erregungsfrequenz der Asynchronmaschine 1 ist, obwohl f&sub2; durch die oben beschriebene Gleichung (3) dargestellt wird, kann f&sub2; auch durch die Drehgeschwindigkeit in der folgenden Gleichung (5) dargestellt werden:
f&sub2; = N&sub1; - NR ......... (5)
Da die Schlupffrequenzsteuerung 53 den Betrieb so steuert, dass fS*=f&sub2;, kann aus den Gleichungen (4) und (5) eine Gleichung (6) wie folgt abgeleitet werden:
NR = N* + N&sub1; - N&sub0; ...... (6)
Wie aus der Gleichung (6) verstanden werden kann, wird die Drehgeschwindigkeit NR auf "N*+N&sub1;-N&sub0;" gesteuert.
Ferner wird die Schlupffrequenz fS ohne Bezugnahme auf die Versorgungssystemfrequenz f&sub1; gesteuert, wie in Gleichung (4) gezeigt.
Obwohl die Drehgeschwindigkeit sich mit der gleichen Geschwindigkeit ändert wie eine Frequenzveränderung des Versorgungssystems (siehe Gleichung (6)) zur Verhinderung einer Veränderung der Schlupffrequenz, wenn sich die Versorgungssystemfrequenz ändert, da diese Veränderung gleich einer Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit durch Synchronisierleistung ist, bedeutet dies, dass die Vorrichtung eine Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit ist, ohne eine Auslöschung der Synchronisierleistung. Dieser Betrieb wird in Fig. 11 gezeigt, wobei die Generator/Motor-Vorrichtung mit einer geringeren Geschwindigkeit als der Synchrongeschwindigkeit NO dreht.
Dementsprechend wird bei der ersten Ausführung die Drehgeschwindigkeit der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit auf "N*+N&sub1;-N&sub0;" gesteuert. Da N* groß gegenüber "N&sub1;-N&sub0;" ist, ist es möglich, die Vorrichtung in der Nähe der optimalen Drehgeschwindigkeit N* zu betreiben, wodurch die Drehgeschwindigkeit von N* auf "N&sub1;-N&sub0;" verändert wird entsprechend der Frequenzveränderung des Versorgungssystems.
Wie oben beschrieben, bedeutet die Veränderung der Drehgeschwindigkeit entsprechend der Frequenzänderung des Versorgungssystems, dass die Synchronisierleistung nicht ausgelöscht wird, wodurch zur Unterdrückung der Frequenzänderung in dem Versorgungssystem beigetragen wird.
Obwohl die Vorrichtung der ersten Ausführung eine gepumpte Turbine als Antriebsmaschine/Last verwendet, ist es möglich, den gleichen Effekt wie bei der ersten Ausführung zu erreichen, unter Verwendung eines trägen Drehkörpers, wie einer umkehrbaren Turbine, einer Pumpe, einer Dampfturbine, eines Schwungrades und einer Windmühle.
Wenn eine interne Ausgabe nicht erhalten werden kann, da die PLL-Schaltung integriert ist, ist es möglich, die gleiche Funktion und den gleichen Effekt zu erzielen, durch Wahl eines anderen Verfahrens zur Erfassung der Schlupffrequenz, als zweite Ausführung. Nun wird eine Generator/Motor- Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit gemäß der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung als weiteres Beispiel eines Schlupffrequenz-Erfassungsverfahrens beschrieben, unter Bezugnahme auf Fig. 12.
Die beschriebene Vorrichtung kann die gleiche Wirkung erzielen mittels der Erfassung der Schlupffrequenz fS als "f&sub1;-NR" auf der Grundlage der Versorgungssystemfrequenz f&sub1; und der Drehgeschwindigkeit NR anstelle einer inneren Erfassung der Schlupffrequenz in der PLL-Schaltung.
Fig. 12 zeigt einen weiteren Aufbau der Schlupffrequenz- Erfassungsschaltung. Die Freguenzerfassungsschaltung 165 in Fig. 12 ist der Vorrichtung der Fig. 12 hinzugefügt, und umfasst einen Geschwindigkeitssignaldetektor 33, einen Geschwindigkeitsdetektor 43, einen Systemfrequenzdetektor 35 und einen Subtrahierer 36. Die Vorrichtung nach der zweiten Ausführung unterscheidet sich in der Verwendung eines Ausgabesignals fS des Subtrahierers 36 anstelle des Ausgabesignals f&sub2; der in Fig. 8 gezeigten PLL-Schaltung. Da die Funktion und Wirkung gleich sind wie bei der in Fig. 8 gezeigten ersten Ausführung, wird eine wiederholte Beschreibung weggelassen.
Auf die gleiche Weise ist es möglich, die Schlupffrequenz durch Erfassung der Frequenz der Sekundärstrom-Phasenreferenz als anderem Ausgabesignal der PLL-Schaltung zu erfassen. Da ein Beispiel der Erfassung in dem Frequenz/Spannungs-Wandler 81, welcher im vierten Beispiel des Standes der Technik gezeigt wird, offenbart wird, wird die wiederholte Beschreibung weggelassen.
Obwohl die obige Beschreibung sich nur auf ein Beispiel des Verfahrens zur Erfassung der Schlupffrequenz bezieht, kann jedes andere Verfahren zur Erfassung der Schlupffrequenz auf die vorliegende Erfindung angewendet werden, um die obige Funktion und Wirkung zu erzielen.
Als nächstes wird eine Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit entsprechend einer dritten Ausführung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
Die Vorrichtung der dritten Ausführung wandelt den Schlupffrequenzbefehlswert-Generator 51 der in Fig. 10 gezeigten ersten Ausführung ab, hin zu einem Aufbau, der in Fig. 13 gezeigt ist, nämlich ein Begrenzer 513 wird dem Ausgang des Koeffizienten-Multiplizierers 512 hinzugefügt.
Nun wird die Funktion der dritten Ausführung beschrieben. Da der Schlupffrequenz-Befehlswert fS* in der dritten Ausführung auf den Referenzwert begrenzt ist, liegt die Erregungsfrequenz f&sub2; (nämlich die Schlupffrequenz fS) nicht über dem Referenzwert, da sie auf fS* gesteuert wird.
Dementsprechend, da die Schlupffrequenz bei der dritten Ausführung nicht über dem Referenzwert liegt, liegt der Schlupf auch nicht über dem Referenzwert. Daher tritt ein Betriebsversagen selbst dann nicht auf, wenn sich die Versorgungssystemfrequenz stark ändert, wodurch ein stabiler Betrieb aufrecht erhalten wird.
Nun wird eine Generator/Motor-Vorrichtung nach einer vierten Ausführung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. Fig. 14 zeigt den Aufbau der Vorrichtung nach der vierten Ausführung.
Die in Fig. 14 gezeigte Vorrichtung umfasst eine Drehgeschwindigkeit-Erfassungsvorrichtung mit einem Geschwindigkeitssignaldetektor 33 und einem Geschwindigkeitsdetektor 34, und einer Drehmoment- Korrektureinrichtung 160 zusätzlich zu dem in Fig. 8 gezeigten Aufbau. Die Drehmomentkorrektur-Vorrichtung 160 umfasst einen Subtrahierer 61 zur Berechnung einer Differenz zwischen einem Geschwindigkeitsbefehlswert N* und einer Drehgeschwindigkeit N, einen Drehmomentkorrektor 62 zur Berechnung eines Signals τc zur Korrektur eines Leitschaufelöffnung-Befehlswert Y* auf der Grundlage der Ausgabe des Subtrahierers 61, und einen Addierer 63 zur Addition des Korrektursignals τc mit dem Leitschaufelöffnung- Befehlswert Y*.
Die Funktion der vierten Ausführung wird unten beschrieben. Bei der vierten Ausführung kann das Korrektursignal τc durch die folgende Gleichung (7) erhalten werden:
τc = K (N* - NR) ....(7)
wobei das Symbol K eine Geschwindigkeitsregelung ist.
Da die Gleichung (6) durch eine Schlupffrequenz-Steuerung errichtet werden kann, stellt die folgende Gleichung (8) einen Wert ΔτM dar, mit dem das Drehmoment der Antriebsmaschine/Last durch das Korrektursignal τc korrigiert wird:
ΔτM = τc = -K (N&sub1; - N&sub0;) = -K (f&sub1; - f&sub0;) ...... (8)
Wenn das Drehmoment der Antriebsmaschine/Last mit ΔτM korrigiert wird, obwohl die Drehgeschwindigkeit und der Schlupf der Asynchronmaschine 1 sich verändern, korrigiert die Schlupffrequenz-Steuerung die Aktivleistung in der Asynchronmaschine 1 mit dem Wert ΔτM, um eine Veränderung des Schlupfes zu unterdrücken. Daher wird die Aktivleistung in der Asynchronmaschine 1 entsprechend der Frequenzveränderung (f&sub1;-f&sub0;) im Versorgungssystem korrigiert.
Dementsprechend, da die Vorrichtung der vierten Ausführung eine sogenannten reglerfreie Funktion zur Veränderung des Drehmomentes der Antriebsmaschine/Last und der Aktivleistung in der Asynchronmaschine 1 aufweisen kann, ist es möglich, immer stärker zur Unterdrückung der Frequenzveränderung im Versorgungssystem beizutragen.
Nun wird eine Generator/Motor-Vorrichtung gemäß einer fünften Ausführung beschrieben, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Fig. 15 zeigt den Aufbau der Vorrichtung bei der fünften Ausführung.
In Fig. 15 umfasst die Vorrichtung nach der fünften Ausführung eine Drehmomentkorrektureinrichtung 161 zusätzlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau. Die Drehmomentkorrektureinrichtung 161 umfasst einen Frequenzabweichungsdetektor 64 zur Erfassung der Abweichung Δf&sub1; zwischen der Versorgungssystemfrequenz und der Referenzfrequenz, einen Drehmomentkorrektor 65 zur Berechnung des Korrektursignals τc zur Korrektur des Leitschaufelöffnungs-Befehlswertes Y* auf der Grundlage der Abweichung Δf&sub1; und einen Addierer 63 zur Addition des Korrektursignals τc und des Leitschaufelöffnungsgrad- Befehlswerts Y*. Als nächstes wird die Funktion der Vorrichtung nach der fünften Ausführung beschrieben.
Bei der fünften Ausführung wird das Korrektursignal τc wie folgt aus einer Gleichung (9) erhalten:
τc = -KF Δf&sub1; ...... (9)
wobei KF eine Frequenzregelung ist.
Wenn ΔτM die an der Antriebsmaschine/Last durch das Korrektursignal τc korrigierte Größe ist, kann die Größe ΔτM durch die folgende Gleichung (10) dargestellt werden:
ΔτM = τc = -KF Δf&sub1; ..... (10)
und wie oben beschrieben, wird die Aktivleistung der Asynchronmaschine 1 mit ΔτM mittels der Schlupfsteuerung korrigiert. Die Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit, welche die Einrichtungen des vierten Aspektes enthält, hat eine sogenannte reglerfreie Funktion, welche das Drehmoment der Antriebsmaschine/Last und die Aktivleistung in der Asynchronmaschine 1 entsprechend einer Veränderung Δf&sub1; der Versorgungssystemfrequenz f&sub1; verändert.
Dementsprechend, da die fünfte Ausführung die spezifische Wirkung hat, eine reglerfreie Funktion zu haben, welche das Drehmoment der Antriebsmaschine/Last und die Aktivleistung der Asynchronmaschine 1 entsprechend der Frequenzveränderung des Versorgungssystems verändert, zusätzlich zu der spezifischen Wirkung der ersten und zweiten Ausführungen gemäß dem ersten Aspekt, ist es möglich, zur Unterdrückung der Frequenzveränderung des Versorgungssystems beizutragen.
Nun wird eine Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einer sechsten Ausführung beschrieben, unter Bezugnahme auf die entsprechende Figur.
Fig. 16 zeigt den Aufbau der Vorrichtung nach der sechsten Ausführung.
In Fig. 16 umfasst die Vorrichtung nach der sechsten Ausführung eine Drehgeschwindigkeit-Erfassungseinrichtung, und eine Schlupffrequenz-Steuereinrichtung 151. Die Drehgeschwindigkeits-Erfassungseinrichtung ist bei der sechsten Ausführung neu hinzugefügt, und umfasst einen Geschwindigkeitssignalgenerator 33 und einen Geschwindigkeitsdetektor 34. Die Vorrichtung 151 ist vorgesehen anstelle des Schlupffrequenzbefehlswert-Generators 51 und umfasst einen Schlupffrequenzbefehlswert-Generator 54 zur Berechnung eines Schlupffrequenz-Befehlswertes fS* auf der Grundlage des Geschwindigkeitsbefehlswertes N* und der Drehgeschwindigkeit NR.
Nun wird die Funktion der Vorrichtung nach der sechsten Ausführung beschrieben.
Bei der sechsten Ausführung wird der Schlupffrequenz- Befehlswert fS* entsprechend der Drehgeschwindigkeit korrigiert, nach der folgenden Gleichung (11):
fS* = fS&sub0;* + {(N*-NR)/TN}dt .... (11)
wobei fS&sub0;* ein Schlupffrequenz-Befehlswert ist, wenn die Frequenzveränderung im Versorgungssystem Null ist, TN ist eine Korrekturintegral-Zeitkonstante, und dt ist ein Integral.
Da fS&sub0;* eine Konstante ist, und f&sub2; durch die Schlupffrequenzsteuerung so gesteuert wird, dass sie gleich dem Befehlswert fS* ist, kann die Gleichung (11) zur folgenden Gleichung (12) umgestaltet werden:
dfS*/dt = (fR* - fR) / TN = {(f&sub0; - fS*) - (f&sub1; - f&sub2;)} / TN = -Δf&sub1; / TN ...................(12)
Wenn angenommen wird, dass ΔPE ein Korrekturwert der Aktivleistung in der Asynchronmaschine 1 ist, welcher verändert wird durch Korrektur des Schlupffrequenzbefehlswertes fS*, kann eine Gleichung (13) erstellt werden auf der Grundlage einer Bewegungsgleichung für die Drehachse, wie folgt:
wobei PA eine Beschleunigungszeitkonstante des Generator/Motors ist, d/dt eine Differenzierung bezeichnet. Die Aktivleistung, Drehgeschwindigkeit und Frequenz haben jeweils eine positive Erzeugungsrichtung.
Wenn die Gleichung (12) in die Gleichung (13) unter "fS* = f&sub2;" eingesetzt wird, wird die Gleichung (13) zu der folgenden Gleichung (14):
-ΔPE = NR TA (dΔf&sub1;/dt+Δf&sub1;/TN) ........... (14)
Gemäß der Gleichung (14) arbeitet die Generator/Motor- Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach dem fünften Aspekt zur Veränderung der Aktivleistung PE entsprechend der Frequenzveränderung Δf&sub1; im Versorgungssystem.
Dementsprechend, da die Vorrichtung der sechsten Ausführung die Aktivleistung in der Vorrichtung entsprechend der Frequenzveränderung in dem Versorgungssystem verändern kann, zusätzlich zu den Wirkungen der ersten und zweiten Ausführungen entsprechend dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, ist es möglich, stärker zur Unterdrückung der Frequenzänderung in dem Versorgungssystem beizutragen. Die Funktion kann nicht verwirklicht werden durch eine Generator/Motor-Vorrichtung, welche eine Synchronmaschine verwendet, die die Schlupffrequenzsteuerung aussetzt, wodurch sich die Charakteristika der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach der vorliegenden Erfindung ergeben.
Nun wird eine Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einer siebten Ausführung beschrieben, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Fig. 17 ist ein Blockdiagramm der Vorrichtung nach der siebten Ausführung.
Die Vorrichtung nach der siebten Ausführung, welche in Fig. 13 gezeigt wird, fügt einen Frequenzabweichungsdetektor 64 hinzu, zur Erfassung der Abweichung Δf&sub1; zwischen der Versorgungssystemfrequenz und der Referenzfrequenz, und umfasst einen Schlupffrequenzbefehlswert-Generator 55 zur Bildung einer Schlupffrequenz-Steuervorrichtung 152 anstelle des Schlupffrequenzbefehlswert-Generators 51. Der Schlupffrequenzbefehlswert-Generator 55 berechnet einen Schlupffrequenz-Befehlswert fS* auf der Grundlage des Geschwindigkeitsbefehlswertes N* und der Drehgeschwindigkeit und der Abweichung Δf&sub1;.
Nun wird die Funktion der Vorrichtung nach der siebten Ausführung beschrieben.
Bei der siebten Ausführung gehorcht der Schlupffrequenz- Befehlswert fS* entsprechend der Abweichung Δf&sub1; zwischen der Versorgungssystemfrequenz und der Referenzfrequenz der folgenden Gleichung (15):
fS* = fS&sub0;* - (Δf&sub1;/TN)dt ......(15)
Die Gleichung (15) kann zur folgenden Gleichung (16) umgeschrieben werden:
dfS*/dt = -Δf&sub1;/TN ......(16)
Da die Gleichung (16) zum gleichen Ergebnis führt wie die Gleichung (12), ist die Funktion der siebten Ausführung gleich wie die Funktion der sechsten Ausführung.
Dementsprechend, da die Vorrichtung der siebten Ausführung die Aktivleistung in der Vorrichtung entsprechend einer Veränderung der Versorgungssystemfrequenz verändern kann, zusätzlich zu den Wirkungen der ersten und zweiten Ausführungen, ist es möglich, stärker zur Unterdrückung der Frequenzveränderung im Versorgungssystem beizutragen. Die Funktion kann nicht verwirklicht werden durch eine Generator/Motor-Vorrichtung, welche eine Synchronmaschine verwendet, die die Schlupffrequenzsteuerung aussetzt, da ein Gleichstrom die Synchronmaschine erregt, wodurch sich ein charakteristischer Effekt der Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit ergibt.

Claims

1. Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit, welche einen Asynchron-Generator/Motor mit Schleifringläufer enthält, der eine Primärwicklung hat, die mit einem Versorgungssystem verbunden ist, eine Sekundärwicklung, die durch einen Wechselstrom erregt wird, und eine Generator/Motor-Welle, sowie eine Antriebsmaschine/Last, welche mit der Generator/Motor- Welle gekoppelt ist, umfassend:

eine Schlupffrequenz-Erfassungseinrichtung (16, 36) zur Erfassung der Wechselstrom-Erregungsfrequenz (f&sub2;) auf der Grundlage von Leistungsdaten, welche eine Frequenz oder die Spannungsphase im Versorgungssystem und die Drehphase der Generator/Motor-Welle einschließen;

eine Schlupffrequenz-Steuereinrichtung (150, 151, 152), welche enthält

eine Einrichtung (51) zur Erzeugung eines Schlupffrequenz-Befehlswertes (fS*) in dem Generator/Motor;

eine Subtrahiereinrichtung (52) zur Berechnung der Differenz zwischen dem Schlupffrequenz-Befehlswert und der Ausgabe der Schlupffrequenz-Erfassungseinrichtung; und

eine Schlupffrequenz-Steuerungseinrichtung (53) zur Steuerung des Generator/Motors auf der Grundlage der von dem Subtrahierer berechneten Differenz, so dass die Wechselstrom-Erregungsfrequenz gesteuert wird gleich dem Schlupffrequenz-Befehlswert zu sein.

2. Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung weiterhin umfasst: eine Antriebsmaschine/Last- Drehmomentkorrektureinrichtung (160) zur Korrektur des Drehmomentes der Antriebsmaschine/Last entsprechend der Differenz zwischen dem Geschwindigkeitsbefehlswert (N*) und der Drehgeschwindigkeit (N).

3. Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner umfasst: eine Antriebsmaschinen/Last- Drehmomentkorrektureinrichtung (161) zur Korrektur des Drehmomentes der Antriebsmaschine/Last entsprechend einer Frequenzabweichung (Δf&sub1;) zwischen der Versorgungssystemfrequenz und einer Referenzfrequenz.

4. Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlupf frequenz Steuereinrichtung (152) weiterhin umfasst: eine Schlupffrequenzbefehlswert-Korrektureinrichtung zur Korrektur des Schlupffrequenz-Befehlswertes auf der Grundlage einer Frequenzabweichung (Δf&sub1;) des Versorgungssystems.

5. Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung umfasst

eine Frequenzerfassungseinrichtung zur Erfassung der Frequenz der Wechselstromerregung auf der Grundlage der Frequenz und/oder Spannungsphase des Versorgungssystems und der Drehgeschwindigkeit und/oder des Drehwinkels der Generatorwelle;

eine Schlupffrequenz-Steuereinrichtung (151) zur Steuerung des Asynchron-Generator/Motors mit Schleifringläufer auf die Weise, dass die Frequenz der Wechselstromerregung gleich einem Schlupffrequenz- Befehlswert wird; und

eine Schlupffrequenzbefehlswert-Korrektureinrichtung zur Korrektur des Schlupffrequenz-Befehlswertes entsprechend der Drehgeschwindigkeit der Generatorwelle (N).

6. Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach Anspruch 4, wobei die Vorrichtung umfasst

eine Schlupffrequenz-Steuereinrichtung (152) zur Steuerung des Asynchron-Generator/Motors mit Schleifringläufer auf die Weise, dass die Frequenz der Wechselstromerregung gleich einem Schlupffrequenz- Befehlswert wird; und

eine Schlupffrequenzbefehlswert-Korrektureinrichtung zur Korrektur des Schlupffrequenz-Befehlswertes entsprechend einer Frequenzveränderung (Δf&sub1;) in dem Versorgungssystem.

7. Generator/Motor-Vorrichtung mit variabler Geschwindigkeit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlupffrequenz-Steuereinrichtung (150) ferner umfasst: eine Einrichtung (513) zur Begrenzung des von der Schlupffrequenzwert-Erzeugungseinrichtung (51) ausgegebenen Schlupffrequenz-Befehlswert innerhalb eines Referenzwertes.