(12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego:

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: (13) (1) T3 Int.Cl. H02P 9/42 (06.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: Europejski Biuletyn Patentowy /2 EP B1 (4) Tytuł wynalazku: Agregat prądotwórczy i sposób wytwarzania prądu o zadanej częstotliwości sieciowej () Pierwszeństwo: EP (43) Zgłoszenie ogłoszono: w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 07/38 (4) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: Wiadomości Urzędu Patentowego 11/0 (73) Uprawniony z patentu: SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, München, DE (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP T3 ARMIN DE LAZZER, Mülheim, DE PETER NÖVER, Mönchengladbach, DE CHRISTOPH LEHMANN, Neukirchen-Vluyn, DE (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Józef Własienko POLSERVICE KANCELARIA RZECZNIKÓW PATENTOWYCH SP. Z O.O. ul. Bluszczańska Warszawa Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).

2 - 2 - Opis 1 2 [0001] Wynalazek dotyczy agregatu prądotwórczego mającego napęd, prądnicę ze statorem i rotorem oraz przetwornicę częstotliwości, jak i sposobu wytwarzania prądu o zadanej częstotliwości sieciowej. Taki agregat prądotwórczy jest przedstawiony w WO [0002] Typowe agregaty prądotwórcze wykorzystują prądnicę w postaci maszyny synchronicznej. Moc elektryczna jest przy tym oddawana do dyspozycji przez nieruchomą część prądnicy (stator). Wał napędzający prądnicę jest przy tym tożsamy z wałem napędu, który jest przykładowo utworzony w postaci turbiny. Wał jest w prądnicy częścią rotora z uzwojeniem rotora, które generuje magnetyczne pole wzbudzenia, obracające się razem z rotorem i tym samym obracające się z prędkością obrotową napędu. Tym samym jest w prądnicy wytwarzany przepływ pola wirującego, który jest stacjonarny względem obracającego się rotora, tzn. przepływ pola wirującego obraca się z tą samą prędkością obrotową jak napęd i rotor. Przez to, że wyżej wymieniony wał (napędu i rotora) obraca się na przykład przy dwubiegunowej maszynie synchronicznej z częstotliwością sieciową, lub przy maszynach synchronicznych o wyższej liczbie biegunów z ułamkiem częstotliwości sieciowej, przepływ pola wirującego zachodzi z częstotliwością pola wirującego w wysokości częstotliwości sieciowej. Oznacza to, że w statorze jest indukowany prąd przemienny częstotliwości sieciowej. Przez taki sposób postępowania prędkość obrotowa wału jest jednak sztywno sprzężona z częstotliwością. Ogranicza to znacząco elastyczność w kształtowaniu komponentu wytwarzającego moment obrotowy a więc napędu, np. w postaci turbiny

3 gazowej, parowej, wodnej lub silnika tłokowego lub innych agregatów napędowych. [0003] W celu uniknięcia tej wady, przy mniejszych mocach prądnicy, między napęd i prądnicę, mogły dotychczas zostać włączone skrzynie biegów. Inne rozwiązania przewidują, aby całą wychodzącą moc prądnicy dopasować do częstotliwości sieciowej przez elektroniczne przestawienie za pomocą przetwornicy częstotliwości sieciowej. Obydwa opracowania nie nadają się jednak dla dużych mocy wyjściowych. Rozwiązania ze skrzynią biegów są możliwe do około 80 MW mocy. Przestawienie całej mocy prądnicy było realizowane w zależności od prędkości obrotowej do około 2 MW. [0004] Kolejna możliwość polega na tym, aby przeznaczyć prądnicę pracującą jako maszyna synchroniczna do częstotliwości wyjściowej, która odbiega od pożądanej częstotliwości sieciowej. Aby doprowadzić częstotliwość wyjściową do częstotliwości sieciowej, jest stosowany bezpośrednio przy prądnicy silnik elektryczny, który obraca się z częstotliwością sieciową lub z jej ułamkiem i jest napędzany przez prądnicę, pracując w sposób synchroniczny. Silnik dostarcza ze swojej strony częstotliwość sieciową. Ten sposób postępowania jest jednak kapitałochłonny i obarczony stratą, tak że mogą być osiągnięte tylko niewystarczające sprawności. [000] Podsumowując, przy wysokich mocach prądnicy napęd musi więc koniecznie obracać się z częstotliwością sieciową lub jej ułamkiem, co stanowi niepożądany warunek konieczny przy wytwarzaniu prądu przez agregat prądotwórczy. [0006] Pożądanym byłoby, aby osiągnąć odsprzężenie napędu i prądnicy nawet przy dowolnie zadanej częstotliwości sieciowej.

4 - 4-1 [0007] W tym miejscu rozpoczyna się wynalazek, którego celem jest określenie urządzenia i sposobu, za pomocą którego może być wytwarzany prąd o z góry określonej częstotliwości sieciowej, w którym napęd i prądnica pod względem częstotliwości są odsprzężone. [0008] W odniesieniu do sposobu według zastrzeżenia 1, cel jest osiągany za pomocą sposobu podanego na wstępie, w którym w prądnicy, mającej rotor i stator, uzwojenie rotora obraca się ze zmienną częstotliwością obrotową (n); pobierane są wartości mierzone prądnicy, prądnica jest symulowana, oraz jest wydawany sygnał sterujący; oraz na podstawie sygnału sterującego jest wywoływane zasilanie elektryczne uzwojenia rotora w taki sposób, że przy zmiennej częstotliwości obrotowej rotora jest wytwarzany przez uzwojenie rotora przepływ pola wirującego prądnicy ze zmienną względem rotora częstotliwością pola wirującego rotora według wzoru 2, tak, że ustala się określoną częstotliwość pola wirującego statora przy czym n jest częstotliwością obrotową rotora, f 1 jest częstotliwością pola wirującego statora, tzn. częstotliwością przechodzącego przez stator przepływu pola wirującego, f 2 jest częstotliwością pola wirującego rotora, tzn. otrzymywaną względem liczby obrotów rotora częstotliwością przepływu pola wirującego wytworzonego przez uzwojenie rotora, p jest liczbą par biegunów prądnicy.

5 [0009] Innymi słowy: zmienna częstotliwość obrotowa rotora jest wyrównywana przez regulację, która zasila uzwojenie rotora w taki sposób, że przepływ pola wirującego prądnicy prowadzi przez zmienną względem rotora częstotliwość pola wirującego rotora do określonej częstotliwości pola wirującego statora. [00] Odnośnie urządzenia według zastrzeżenia 1, cel jest osiągany przez wynalazek z agregatem prądotwórczym rodzaju podanego na wstępie, mającym: napęd, prądnicę ze statorem i rotorem, oraz przetwornicę częstotliwości, przy czym zgodnie z wynalazkiem: zasilanie jest przeznaczone do obrotu rotora ze zmienną częstotliwością obrotową; rotor ma uzwojenie rotora, które jest przeznaczone do wytworzenia przepływu pola wirującego ze zmienną w stosunku do rotora częstotliwością wirowania pola rotora; przetwornica częstotliwości jest połączona elektrycznie z uzwojeniem rotora; jest przewidziana regulacja, mająca wejście dla wartości mierzonych z prądnicy, jednostkę obliczeniową dla symulacji prądnicy oraz wyjście dla sygnału sterującego dla przetwornicy częstotliwości; przy czym na podstawie sygnału sterującego może zostać wywołane zasilanie elektryczne uzwojenia rotora przez przetwornicę częstotliwości zgodnie ze wzorem, że przy zmiennej częstotliwości obrotowej rotora i

6 - 6 - zmiennej częstotliwości wirowania pola rotora jest osiągana zadana częstotliwość wirowania pola statora, przy czym n jest częstotliwością obrotową rotora, f 1 jest częstotliwością wirowania pola statora, tzn. częstotliwością przechodzącego przez stator przepływu pola wirującego, f 2 jest częstotliwością wirowania pola rotora, tzn. otrzymywaną względem liczby obrotów rotora częstotliwością przepływu pola wirującego wytworzonego przez uzwojenie rotora, p jest liczbą par biegunów prądnicy. 1 2 [0011] Wynalazek opiera się na założeniu, że przez zastosowanie koncepcji wzbudzania, w której nie jest wytwarzane pole wzbudzające nieruchome względem rotora, lecz obracające się względem rotora, w postaci przepływu pola wirującego, można wytworzyć w szczególności zadaną częstotliwość sieciową w statorze prądnicy przez częstotliwość wirowania pola statora, która jest zadana. Może to, innymi słowy, nastąpić dzięki temu, że różnica prędkości obrotowej (częstotliwości obrotowej) wału (rotora) niosącego uzwojenie wzbudzające (uzwojenie rotora) oraz prędkości obiegu (częstotliwości pola wirującego rotora) pola wzbudzającego (przepływ pola wirującego) jest dopasowywana do rotora względnie do wału napędu. Częstotliwość, z którą prądnica oddaje swoją moc, jest przy tym za pomocą odpowiedniej regulacji elektronicznej wzbudzania odsprzężona względem częstotliwości obrotowej napędu dostarczającego moc. [0012] Wynalazek opiera się na przeświadczeniu, że przewidziana do tego prądnica jako część agregatu prądotwórczego stanowi pod względem swojej podstawowej budowy kombinację maszyny synchronicznej i asynchronicznej.

7 Podczas pracy, prądnica jest używana w znacznym stopniu synchronicznie. Analogiczny do maszyny asynchronicznej, w zasadzie możliwy sposób pracy taki, jaki jest znany przykładowo w przypadku silników byłby niekorzystny. W tym przypadku należałoby mianowicie dostarczyć prądnicę w postaci maszyny asynchronicznej z wirnikiem zwartym (klatką), w którym przetwornica częstotliwości (przekształtnik) musiałaby przekształcać całą, wychodzącą ze statora prądnicy, moc. W tym celu należałoby skonstruować przetwornicę częstotliwości pod względem wymiaru jako niekorzystnie przewymiarowaną. Pomysł zgodny z wynalazkiem przewiduje wobec tego, że przetwornica częstotliwości jest połączona elektrycznie z uzwojeniem rotora, to że do zasilania elektrycznego uzwojenia rotora w celu wytworzenia przepływu pola wirującego o zmiennej częstotliwości wirowania pola rotora należy jedynie przekształcić moc rotora. Moc statora może być udostępniona bezpośrednio sieci, tak jak w przypadku typowej maszyny synchronicznej z określoną częstotliwością pola wirującego statora jako częstotliwością sieciową. [0013] Zaproponowany pomysł nadaje się w szczególności do zastosowania w dziedzinie elektrowni, ale również w dziedzinach, gdzie proponowany agregat prądotwórczy jest stosowany jako agregat dla szczytowego obciążenia lub jako mobilna jednostka wytwarzająca energię. Szczególnie w ostatnim przypadku jest mianowicie korzystnym spowodowanie przez zgodny z wynalazkiem pomysł znacznie lepszego zachowania dynamiczne napędu i prądnicy, przy czym mimo to może zostać oddana do dyspozycji zadana częstotliwość pola wirującego statora dla pracy sieci, która to praca nie musi koniecznie spełniać wymagań odnośnie stabilizacji sieci wysokich prądów. Kolejną zaletą niniejszego pomysłu jest

8 to, że proponowany agregat prądotwórczy umożliwia z jednej strony szerokopasmowe wytwarzanie napięć rotora, a z drugiej statora. Tak więc agregat prądotwórczy może być stosowany korzystnie do tego, aby przy umiarkowanych napięciach rotora w zakresie poniżej kilowolta stosować szczególnie wysokie napięcia statora w zakresie kv i więcej, przykładowo przy odbiorze mocy w zakresie od kilowatów do 0-kilowatów. W każdym przypadku przetwornica częstotliwości (przekształtnik) mogłaby być opracowana w sposób szczególnie zwarty i tani, ponieważ musi ona przekształcić jedynie moc rotora. Oznacza to, że w porównaniu z rozwiązaniami ze stanu techniki, w którym jest zazwyczaj przekształcana cała wychodząca moc prądnicy, istnieje zaleta, że elektrotechniczne komponenty sterujące muszą przekształcać niższą moc. Ogólnie mówiąc, prędkość obrotowa wału wytwarzającego moc, tzn. prędkość obrotowa napędu, może być wybrana niezależnie od częstotliwości sieciowej i można mimo to osiągnąć dowolną stałą lub zmienną częstotliwość pola wirującego statora. Pozwala to na korzystniejsze pod względem sprawności komponenty napędu oraz bardziej zwarte ich wykonania. Mogą być więc przykładowo w pracy nadsynchronicznej prądnicy realizowane prędkości obrotowe napędu skrzyni biegów większe niż 3,000 obr/min względnie U/min odpowiada to synchronicznym prędkościom dwubiegunowych maszyn z polem wirującym przy 0 Hz względnie 60 Hz częstotliwości sieciowej. W przypadku prądnicy z czterema biegunami prędkości obrotowe podane wyżej są dwukrotnie mniejsze, w przypadku prądnicy z sześcioma biegunami należy wyżej wymienione prędkości obrotowe podzielić przez trzy. [0014] W odróżnieniu od czystej maszyny synchronicznej, w przedstawionej tutaj zgodnej z wynalazkiem koncepcji

9 regulowanej maszyny synchronicznej można więc bezpośrednio wpływać na przepływ pola wirującego pod względem skutecznej dla statora częstotliwości pola wirującego. Wynika z tego przy odpowiedniej regulacji nie tylko znacznie lepsze zachowanie dynamiczne, lecz pozwala to również na budowę agregatu dla różnych względnie zmiennych częstotliwości sieciowych, lub częstotliwości sieciowych ew. mocnych nieustalonych wahań sieci. Agregat prądotwórczy według koncepcji zgodnej z wynalazkiem zostaje więc dopasowany do częstotliwości sieciowej przede wszystkim przez regulację elektrotechniczną prędkości obrotowej przepływu pola wirującego. Regulacja może być przy tym przeznaczona do zadania częstotliwości pola wirującego statora, przy czym częstotliwość pola wirującego statora odpowiada z reguły częstotliwości sieciowej. Częstotliwość sieciowa może się przy tym w szczególności równać częstotliwości standardowej 0 Hz lub 60 Hz. W zasadzie może być osiągnięta również każda inna lub zmieniająca się dowolnie częstotliwość sieciowa w postaci częstotliwości wirowania pola statora. [001] Korzystne rozwinięcia wynalazku wynikają z zastrzeżeń zależnych i podają szczegółowo korzystne możliwości realizacji koncepcji zgodnej z wynalazkiem pod względem jego zasadniczych zalet i dalszych korzystnych przykładów wykonania. [0016] W sposób szczególnie korzystny regulacja jest połączona co najmniej przez połączenie regulacji z prądnicą i przez połączenie regulacji z przetwornicą częstotliwości, które to połączenia służą do przekazania wartości mierzonych z prądnicy do regulacji względnie do przekazania sygnału sterującego, w szczególności prądowego sygnału sterującego, z regulacji do przetwornicy częstotliwości. Tłem takiego rozwiązania jest to, że w ramach ogólnej

10 koncepcji ma zostać osiągnięte dopasowanie częstotliwości przepływu pola wirującego w celu osiągnięcia zadanej częstotliwości pola wirującego statora przede wszystkim przez dopasowanie częstotliwości wirowania pola rotora. [0017] W szczególności regulacja jest wykonana do tego w postaci regulacji zorientowanej na pole. "Zorientowana na pole" oznacza w tym kontekście, że w szczególności są symulowane istotne strumienie magnetyczne wewnątrz prądnicy przez odpowiedni układ równań różniczkowych. Rejestracja wartości mierzonych dotyczy w szczególności wartości mierzonych takich jak prądy i napięcia statora. Zasadniczo rejestracja wartości mierzonych może być przy tym ograniczona do statora. Rotor mógłby być przy tym symulowany. Korzystnie mogą być jednak również rejestrowane wartości mierzone takie jak prądy i napięcia rotora, jak i prędkość obrotowa względnie przyspieszenie rotora. Można się więc ewentualnie powołać na wartości mierzone rotora, dodatkowo lub jako alternatywa do wartości mierzonych statora, aby wspomóc symulację lub ją ułatwić. Procesor regulacji jest przeznaczony dla symulacji maszynowej, aby podać odpowiedni sygnał sterujący, który podaje elektryczne zasilanie uzwojenia rotora w taki sposób, że tworzony przepływ pola wirującego prowadzi do określonej częstotliwości pola wirującego statora. [0018] W celu przyłączenia do sieci, szczególnie prądnica jest połączona elektrycznie z przyłączeniem do sieci. W celu zasilania prądem przetwornicy częstotliwości, korzystnie przetwornica częstotliwości jest połączona ew. przez transformator z przyłączeniem do sieci. Transformator należy wymiarować w zależności od napięcia sieciowego i mocy agregatu prądotwórczego względnie przetwornicy

11 częstotliwości (przekształtnika) i może on zostać ew. pominięty. [0019] W sposób korzystny przetwornica częstotliwości jest połączona z uzwojeniem rotora przez przyłączenie z pierścieniem ślizgowym. Przyłączenie z pierścieniem ślizgowym może być korzystnie dopasowane do specyficznych właściwości rotora obracającego się podczas pracy. [00] Uzwojenie rotora jest korzystnie utworzone w postaci uzwojenia trójfazowego i rotor ma ferromagnetyczny wydrążony korpus, korzystnie w postaci pakietu blach. W porównaniu ze stanem techniki, w odróżnieniu od rotora czystej maszyny synchronicznej przez przewidziany w nowej koncepcji zmienny strumień mogą powstać prądy wirowe, przy czym są one utrzymywane na możliwie niskim poziomie przez zaizolowane względem siebie blachy pakietu blach. [0021] Napęd jest korzystnie utworzony w postaci turbiny i/lub koła zamachowego. Koło zamachowe może być przykładowo osadzone na wale napędu i zwiększa tym samym masę wału. W ten sposób energia może być pośrednio magazynowana i może być odebrana przykładowo przy obciążeniu szczytowym sieci. Napęd może być ewentualnie utworzony jedynie przez koło zamachowe. Przez odsprzężenie liczby obrotów napędu względem częstotliwości sieciowej może być bowiem przy krótkotrwałych szczytach obciążenia w kontrolowany sposób wykorzystana energia kinetyczna zakumulowana na wale. Jest to szczególnie korzystne w przypadku agregatów prądotwórczych w ramach zdecentralizowanego zasilania energią, przykładowo w przypadku agregatów prądotwórczych, które mają zasilać sieć wyspową. W szczególności w przypadku, gdy agregat prądotwórczy służy jako czysty akumulator energii, koło zamachowe mogłoby zastąpić napęd.

12 [0022] W ramach szczególnie korzystnego przykładu wykonania agregatu prądotwórczego szerokość szczeliny powietrznej między rotorem i statorem wynosi między 1 cm i 8 cm. W przypadku maszyn asynchronicznych szczelina powietrzna wynosi z reguły w zakresie kilku milimetrów i w przypadku maszyn synchronicznych może wynosić powyżej cm, przy czym ustalona w ramach przykładu szczelina powietrzna uwzględnia szczególny wariant prądnicy według niniejszej koncepcji przy pracy ze zmienną częstotliwością. Przez zoptymalizowaną tu szczelinę powietrzną unika się z jednej strony oddziaływania statora na pole i z drugiej strony moc bierna jest utrzymywana możliwie nisko. [0023] Agregat prądotwórczy według nowego rozwiązania jest zasadniczo odpowiedni dla dużych mocy, dla których rozwiązania ze skrzynią biegów w celu odsprzężenia prędkości obrotowej napędu i prądnicy były dotychczas niemożliwe lub nieefektywne. Niniejsze rozwiązanie okazuje sie szczególnie korzystne również w dolnym obszarze mocy, tzn. korzystnie przy mocy poniżej 0 MW, w szczególności poniżej MW, w szczególności poniżej 1 MW. Przy tym obszarze mocy agregat prądotwórczy okazuje się korzystny przede wszystkim dla wytworzenia pola kontrolnego. Tak więc, korzystnie, mogą być wytwarzane w tym obszarze mocy napięcia rotora poniżej 1 kv i napięcia statora powyżej kv. Korzystne jest również zastosowanie, w którym napięcia rotora znajdują sie poniżej kv i/lub napięcia statora leżą powyżej kv. [0024] Poniżej, na podstawie rysunku opisano przykład wykonania wynalazku. Nie ma on na celu miarodajnego przedstawiania przykładu wykonania, służy on raczej wyjaśnieniu, wykonany jest w postaci schematycznej i/lub lekko zniekształconej. Ze względu na uzupełnienia wiedzy

13 wynikającej bezpośrednio z rysunku należy wskazać na właściwy stan techniki. W szczególności rysunek przedstawia: na FIG 1 schemat szczególnie korzystnego przykładu wykonania agregatu prądotwórczego według nowej koncepcji; 1 2 na FIG 2 dwa schematy wyjaśniające pracę nadsynchroniczną względnie podsynchroniczną, które przedstawiają współdziałanie częstotliwości obrotowej n napędu, częstotliwości f 2 pola wirującego rotora, częstotliwości f 1 pola wirującego statora oraz liczby p par biegunów. [002] FIG 1 przedstawia agregat prądotwórczy 1 z napędem 3, który jest tu utworzony w postaci turbiny i dodatkowego koła zamachowego 7. Napęd 3 napędza prądnicę 11 przez wał 9 ze zmienną częstotliwością obrotową n. Częstotliwość obrotowa n jest przy tym częstotliwością obrotową wału 9. Prądnica 11 jest utworzona przez stator 13 oraz rotor 1, przy czym rotor 1 jest bezpośrednio, tzn. bez skrzyni biegów, sprzężony z wałem 9 i również obraca się ze zmienną częstotliwością obrotową n. Oznacza to, że napęd 3 jest zgodnie z korzystnym przykładem wykonania przeznaczony do obracania rotora 1 ze zmienną częstotliwością obrotową n. [0026] W przypadku typowej, wykonanej jako maszyna synchroniczna prądnicy prowadziłoby to w przypadku maszyny dwubiegunowej (para biegunów p = 1) do tego, że częstotliwość obrotowa n równałaby się częstotliwości f 1 pola wirującego statora, ponieważ w przypadku typowych

14 maszyn synchronicznych wytwarza się stacjonarny względem rotora 1 przepływ pola wirującego, które obraca się w taki sposób jak rotor 1 razem z rotorem, tzn. z częstotliwością obrotową n. [0027] W odróżnieniu od takich typowych maszyn synchronicznych, w przedstawionym tu korzystnym przykładzie wykonania agregatu prądotwórczego 1, rotor 1 jest zaopatrzony w symbolicznie przedstawione uzwojenie 17 rotora, które jest utworzone w postaci uzwojenia trójfazowego i jest oznaczone przez symbol "3~". Oznacza to, że uzwojenie rotora jest przeznaczone do wytwarzania przepływu pola wirującego prądnicy 11 ze zmienną względem rotora częstotliwością f 2 pola wirującego rotora. Podobnie jak w przypadku wytwarzania prądu trójfazowego może być wykonany praktycznie każdy rodzaj układu zwojów w uzwojeniu 17 rotora, który przy odpowiednim zasilaniu prądem i/lub napięciem wytworzy poruszające się względem rotora 1 magnetyczne pole wirujące (pole wzbudzające) z częstotliwością f 2 pola wirującego rotora. Prowadzi to do przepływu pola wirującego prądnicy 11, który ma względem statora 13 częstotliwość f 1 pola wirującego statora. Częstotliwość pola wirującego statora zgadza się odpowiednio z zadaną w postaci stałej lub zmiennej częstotliwością sieciową. W przypadku stałej częstotliwości sieciowej napęd 3 oraz prądnica 11 dają się szczególnie odpowiednio skonstruować niezależnie od siebie. W przypadku zmiennej częstotliwości sieciowej częstotliwość pola wirującego statora może być śledzona. [0028] Doprowadzone odpowiednio do tego elektryczne zasilanie uzwojenia 17 rotora jest wykonywane przez przetwornicę częstotliwości 19, która jest w tym celu połączona elektrycznie z uzwojeniem 17 rotora przez

15 połączenie elektryczne oraz przez przyłączenie 14 z pierścieniem ślizgowym. Przyłączenie 14 z pierścieniem ślizgowym oraz połączenie elektryczne 21 tak, jak przedstawiono na FIG 1 przez trzy ukośne kreski, jest przeznaczone dla trzech przewodów fazowych dla trzech faz uzwojenia 17 rotora wykonanego jako uzwojenie trójfazowe. Moc elektryczna może być oddana do dyspozycji przez przetwornicę częstotliwości zgodnie z częstotliwością f 2 pola wirującego rotora ze zmienną częstotliwością f 2 pola wirującego rotora. Moc jest pobierana przez przetwornicę częstotliwości 19 z bliżej nie przedstawionej sieci. W tym celu przetwornica 19 częstotliwości jest połączona przez transformator 23 z przyłączeniem 2 do sieci. Częstotliwość sieciowa odpowiada tu, w przeciwieństwie do częstotliwości f 2 pola wirującego rotora, częstotliwości f 1 pola wirującego statora, tak że przetwornica 19 częstotliwości wykonuje przekształcenie z częstotliwości sieciowej f 1 do częstotliwości f 2 pola wirującego rotora. Przekształcenie następuje w przedstawionym tu przykładzie wykonania jedynie na poziomie napięcia uzwojenia rotora, mianowicie tutaj przy 00 V. W przeciwieństwie do tego, oddanie mocy statora 13 następuje na poziomie napięcia kv, co odpowiada napięciu sieciowemu. Zgodnie z nową koncepcją, w przypadku przedstawionego na FIG 1 szczególnie korzystnego przykładu wykonania agregatu prądotwórczego 1 należy wykonać jedynie przekształcenie częstotliwości na poziomie napięcia rotora (00 V). Typowe koncepcje musiałyby zaś przekształcać pod względem częstotliwości całą moc prądnicy, która występuje tutaj na poziomie napięcia kv. W przypadku przedstawionego tu szczególnie korzystnego przykładu wykonania agregatu prądotwórczego 1, a więc przetwornica 19 częstotliwości, może być korzystnie wykonana zwłaszcza jako

16 zwarta i tania. Transformator 23 dokonuje konieczną dla tego przykładu wykonania transformację napięcia, z napięcia sieciowego wynoszącego kv do napięcia rotora wynoszącego 00 V, i jest w tym celu włączony między przyłączenie 2 do sieci oraz przetwornicę 19 częstotliwości. [0029] Przetwornica 19 częstotliwości mająca na celu przekształcenia częstotliwości, posiada korzystnie przekształtnik wejściowy, obwód pośredni akumulacji energii oraz przekształtnik wyjściowy. Obwód pośredni akumulacji energii może być utworzony korzystnie w postaci kondensatora lub cewki dławikowej. Przetwornica 19 częstotliwości ma ponadto środki do zorientowanego na pole zasilania uzwojenia 17 rotora. Przetwornica 19 częstotliwości ma do tego odpowiednie zawory półprzewodnikowe, które dbają o zasilanie z odpowiednią fazą danego przewodu fazowego uzwojenia 17 rotora, wykonanego jako uzwojenie trójfazowe. [00] Niniejszy agregat prądotwórczy dostarcza tym samym zmienne elektryczne zasilanie uzwojenia 17 rotora przez przetwornicę 19 częstotliwości w taki sposób, że przy zmiennej częstotliwości obrotowej n rotora 1 i zmiennej częstotliwości f 2 pola wirującego rotora względem rotora 1 występuje zadana i tutaj w dużej mierze stała częstotliwość f 1 pola wirującego statora. Określona lub zadana częstotliwość f 1 pola wirującego statora, w szczególności w przypadku mniejszych sieci, może być ewentualnie również nieustalona lub lekko nieustalona. Częstotliwość f 1 pola wirującego statora stanowi tym samym stosunkowo stałą docelową wartość regulowaną. W tym celu zostało obliczone, zadane przez regulację, zmienne zasilanie elektryczne uzwojenia 17 rotora za pomocą przeznaczonej do tego regulacji 27. Ma ona symbolicznie przestawione wejście 29

17 dla wartości mierzonych prądnicy 11, które są rejestrowane przy prądnicy 11 za pomocą czujników 31. Te wartości mierzone przekazuje się przez połączenie 33 regulacji co najmniej od statora i w razie potrzeby również od rotora 1 do regulacji 27. Poza tym regulacja 27 ma jednostkę obliczeniową 3 do symulacji prądnicy 11. Symulując wszystkie występujące w prądnicy 11 strumienie magnetyczne zgodnie z przeznaczonym do tego modelem równań różniczkowych, na wyjście 37 regulacja 27 dostarcza bliżej nie przedstawiony sygnał sterujący, który jest przekazywany do przetwornicy 19 częstotliwości przez kolejne połączenie 39 regulacji. Zgodnie z sygnałem sterującym następuje opisane powyżej zorientowane na pole zasilanie uzwojenia 17 rotora, które jest takiego rodzaju, że przy zmiennej częstotliwości obrotowej n rotora 1 i zmiennej częstotliwości f 2 pola wirującego rotora występuje zadana częstotliwość f 1 pola wirującego statora. [0031] W przypadku przedstawionego na FIG 1 szczególnie korzystnego przykładu wykonania agregatu prądowego 1, jest wyjaśnione przykładowo, że ten agregat prądotwórczy 1 może być korzystnie wykorzystany do wytwarzania wysokich napięć w zakresie kv, przy czym napięcia na uzwojeniu rotora są względnie niskie (00 V). Można więc przy stosunkowo niskiej mocy utworzyć przykładowe pole kontrolne ze zmiennym napięciem. [0032] Ponadto agregat prądotwórczy 1 nadaje się również do zastosowania jako agregat dla obciążenia szczytowego lub jako agregat zasilający sieć pojedynczą. W tym przypadku szczególnie korzystne jest koło zamachowe 7 jako część napędu 3, jako pośredni akumulator energii. W tym przypadku moc agregatu prądotwórczego, odpowiedniego poza tym również dla wyższych mocy, może wynosić również poniżej MW, aby

18 przykładowo w ramach zasilania zdecentralizowanego zasilać sieć wyspową. [0033] Dla konstrukcji prądnicy 11, przewidzianej z przepływem pola wirującego wytworzonego ze zmienną częstotliwością f 1 pola wirującego rotora, okazuje się, jako korzystna, szczelina powietrzna między rotorem i statorem, która jest znacznie większa niż szczelina powietrzna typowych maszyn asynchronicznych, ale z drugiej strony jest mniejsza niż szczeliny powietrzne typowych maszyn synchronicznych. Szerokość takiej szczeliny powietrznej między rotorem i statorem wynosi korzystnie pomiędzy 1 cm i 8 cm. W przypadku przedstawionego na FIG 1 szczególnie korzystnego przykładu wykonania agregatu prądotwórczego 1, szczelina powietrzna między 2 cm i 4 cm uwzględnia przeznaczenie agregatu prądotwórczego 1 dla napięcia rotora wynoszącego 00 V i napięcia statora wynoszącego kv przy odpowiedniej częstotliwości f 2 pola wirującego rotora oraz częstotliwości f 1 pola wirującego statora. [0034] FIG 2 przedstawia, w celu wyjaśnienia, współdziałanie różnych wykorzystywanych w związku z FIG 1 częstotliwości względem wału 9 lub względem rotora 1. Podczas pracy nadsychronicznej (FIG 2A) podawana jest przez przetwornicę 19 częstotliwości moc do uzwojenia 17 rotora. Pole wirujące rotora, które prowadzi do przepływu pola wirującego, obraca się w przeciwnym kierunku do rotora 1 z częstotliwością f 2 pola wirującego rotora. Prowadzi to do częstotliwości f 1 pola wirującego statora, która leży poniżej częstotliwości obrotowej n wału 9 lub rotora 1. [003] Podczas pracy podsynchronicznej, przez przetwornicę 19 częstotliwości jest pobierana moc z uzwojenia 17 rotora. Prowadzące do przepływu pola wirującego pole wirujące

19 rotora obraca się w tym samym kierunku jak rotor z częstotliwością f 2 pola wirującego rotora względem rotora 1. Prowadzi to do tego, że częstotliwość f 1 pola wirującego statora jest większa niż częstotliwość obrotowa n wału 9 względnie rotora 1. Przez sterowanie przetwornicy 19 częstotliwości przeprowadzone według regulacji 27 staje się możliwe dostarczanie, przy zmieniającej się zmiennej częstotliwości obrotowej n (FIG 2A, FIG 2B) częstotliwość f 2 pola wirującego rotora również zmienną i z nią zestrojoną (FIG 2A, FIG 2B) w taki sposób, że częstotliwość f 1 pola wirującego statora otrzymuje określoną względnie zadaną wartość i jest w szczególności względnie stała. W zależności od liczby par biegunów zapewnia się częstotliwość f 1 pola wirującego statora jako wielokrotność lub część częstotliwości sieciowej. [0036] W dotychczasowych typowych sposobach wytwarzania prądu jest przewidziana pracująca jako maszyna synchroniczna prądnica 11 w ramach agregatu prądotwórczego 1, która obraca się siłą rzeczy ze stałą prędkością obrotową, sprzężoną z częstotliwością sieciową. Przez to jest ograniczone zmienne zastosowanie zarówno turbiny, jak i prądnicy 11. Aby osiągnąć odsprzężenie napędu 3 i prądnicy 11 przy stałej częstotliwości sieciowej, przewidziany jest agregat prądotwórczy 1 mający napęd 3, prądnicę 11 ze statorem 13 i rotorem 1b oraz przetwornicę 19 częstotliwości, w którym zgodnie z wynalazkiem napęd 3 jest przeznaczony do obracania rotora 1 ze zmienną częstotliwością obrotową; rotor 1 ma uzwojenie 17 rotora, które jest przeznaczone do wytwarzania przepływu wirującego pola prądnicy 11 ze zmienną względem rotora 1 częstotliwością f 2 pola wirującego rotora; przetwornica 19 jest połączona elektrycznie z uzwojeniem 17 rotora; jest

20 - - przewidziana regulacja 27, mająca wejście 29 dla wartości mierzonych z prądnicy 11, jednostkę obliczeniową 3 dla symulacji prądnicy oraz wyjście 37 dla sygnału sterującego dla przetwornicy 19 częstotliwości; przy czym na podstawie sygnału sterującego można dostarczyć zasilanie elektryczne uzwojenia 17 rotora przez przetwornicę 19 częstotliwości w taki sposób, że przy zmiennej częstotliwości obrotowej n rotora 1 i zmiennej częstotliwości f 2 pola wirującego rotora występuje określona częstotliwość f 1 pola wirującego statora. Poza tym podany jest sposób wytwarzania prądu o zadanej częstotliwości sieciowej.

21 Zastrzeżenia patentowe 1 1. Agregat prądotwórczy (1), mający: - napęd (3); - prądnicę (11) ze statorem (13) i rotorem (1), oraz - przetwornicę (19) częstotliwości, znamienny tym, że - napęd (3) jest przeznaczony do obracania rotora (1) ze zmienną częstotliwością obrotową (n); - rotor (1) ma uzwojenie (17) rotora, które jest przeznaczone do wytworzenia przepływu pola wirującego prądnicy (11) ze zmienną względem rotora (1) częstotliwością (f 2 ) pola wirującego rotora; - przetwornica (19) częstotliwości jest połączona elektrycznie z uzwojeniem (17) rotora; - jest przewidziana regulacja (27), mająca wejście (29) dla wartości mierzonych z prądnicy (11), jednostkę obliczeniową (3) dla symulacji prądnicy oraz wyjście (37) dla sygnału sterującego do przetwornicy (19) częstotliwości; przy czym na podstawie sygnału sterującego można wywołać zasilanie elektryczne uzwojenia (17) rotora przez przetwornicę (19) częstotliwości zgodnie ze wzorem 2, tak że przy zmiennej częstotliwości obrotowej (n) rotora (1) oraz zmiennej częstotliwości (f 2 ) pola wirującego rotora występuje zadana częstotliwość (f 1 ) pola wirującego statora, przy czym n jest częstotliwością obrotową rotora, f1 jest częstotliwością pola wirującego statora, tzn.

22 częstotliwością przechodzącego, przez stator, przepływu pola wirującego, f2 jest częstotliwością pola wirującego rotora, tzn. otrzymywaną względem prędkości obrotowej rotora częstotliwością przepływu pola wirującego wytworzonego przez uzwojenie rotora, p jest liczbą par biegunów prądnicy Agregat prądotwórczy (1) według zastrzeżenia 1, znamienny tym, że regulacja (27) jest przynajmniej połączona przez połączenie (33) regulacji z prądnicą (11) i przez połączenie regulacji z przetwornicą (39) częstotliwości, które to połączenia są przeznaczone do przekazania wartości mierzonych z prądnicy (11) do regulacji (27) względnie do przekazania sygnału sterującego z regulacji (27) do przetwornicy (19) częstotliwości. 3. Agregat prądotwórczy (1) według zastrzeżenia 1 albo 2, znamienny tym, że regulacja (27) jest regulacją zorientowaną na pole Agregat prądotwórczy (1) według jednego z zastrzeżeń od 1 do 3, znamienny tym, że prądnica (11) jest połączona elektrycznie z przyłączeniem (2) do sieci.. Agregat prądotwórczy (1) według jednego z zastrzeżeń od 1 do 4, znamienny tym, że

23 przetwornica (19) częstotliwości jest połączona elektrycznie z przyłączeniem (2) do sieci. 6. Agregat prądotwórczy (1) według jednego z zastrzeżeń od 1 do, znamienny tym, że przetwornica (19) częstotliwości jest połączona z przyłączeniem (2) do sieci przez transformator (23) Agregat prądotwórczy (1) według jednego z zastrzeżeń od 1 do 6, znamienny tym, że przetwornica (19) częstotliwości jest połączona z uzwojeniem (17) rotora przez przyłączenie (14) z pierścieniem ślizgowym. 8. Agregat prądotwórczy (1) według jednego z zastrzeżeń od 1 do 7, znamienny tym, że uzwojenie (17) rotora jest utworzone w postaci uzwojenia trójfazowego oraz rotor (1) ma ferromagnetyczną bryłę wydrążoną w postaci pakietu blach Agregat prądotwórczy (1) według jednego z zastrzeżeń od 1 do 8, znamienny tym, że napęd (3) jest utworzony w postaci turbiny () i/lub koła zamachowego (7).. Agregat prądotwórczy (1) według jednego z zastrzeżeń od 1 do 9,

24 znamienny tym, że szerokość szczeliny powietrznej między rotorem (1) i statorem (13) wynosi między 1 cm i 8 cm Agregat prądotwórczy (1) według jednego z zastrzeżeń od 1 do, znamienny przez to, że jest zaprojektowany dla mocy poniżej 0 MW, w szczególności poniżej MW, w szczególności poniżej 1 MW. 12. Agregat prądotwórczy (1) według zastrzeżenia 11, znamienny przez to, że jest zaprojektowany dla napięcia rotora poniżej 1 kv oraz napięcia statora powyżej kv. 13. Agregat prądotwórczy (1) według jednego z zastrzeżeń od 1 do 12 w postaci agregatu dla szczytowego obciążenia. 14. Agregat prądotwórczy (1) według jednego z zastrzeżeń od 1 do 12 w postaci zasilacza sieci pojedynczej Sposób wytwarzania prądu o zadanej częstotliwości sieciowej, w szczególności za pomocą agregatu prądotwórczego (1) według jednego z poprzednich zastrzeżeń, w którym w prądnicy (11), mającej rotor (1) i stator (13), - uzwojenie (17) rotora jest obracane ze zmienną częstotliwością obrotową (n);

25 pobierane są wartości mierzone prądnicy (11), prądnica (11) jest symulowana, i jest wyprowadzany sygnał sterujący; oraz - na podstawie sygnału sterującego zostaje wywołane zasilanie elektryczne uzwojenia (17) rotora w taki sposób, że przy zmiennej częstotliwości obrotowej (n) rotora (1) jest wytwarzany przez uzwojenie (17) rotora przepływ pola wirującego prądnicy (11) ze zmienną względem rotora (1) częstotliwością (f 2 ) wirowania pola rotora zgodnie ze wzorem 1, że ustala się zadaną częstotliwość (f 1 ) wirowania pola statora, przy czym n jest częstotliwością obrotową rotora, f1 jest częstotliwością pola wirującego statora, tzn. częstotliwością przechodzącego przez stator przepływu pola wirującego, f2 jest częstotliwością pola wirującego rotora, tzn. otrzymywaną względem prędkości obrotowej rotora częstotliwością przepływu pola wirującego wytworzonego przez uzwojenie rotora, p jest liczbą par biegunów prądnicy. 2 SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Pełnomocnik:

26 - 26 -

27 - 27 -