ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МАШИНА Российский патент 2008 года по МПК H02H5/04 H02H7/06 H02H7/08 G01R31/34 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к вращающейся синхронной электрической машине и к способу контроля такой машины. Более конкретно, настоящее изобретение относится к устройству текущего контроля и/или управления и к способу управления электрической машиной указанного типа и к электростанции или установке, содержащей такую машину и такое устройство.

Предшествующий уровень техники

Вращающиеся синхронные электрические машины используют в различных областях. Например, это могут быть генераторы для производства электроэнергии и электродвигатели, предназначенные для использования в определенных целях.

Электроэнергия для распределения потребителям генерируется генераторами и преобразуется трансформаторами перед передачей и распределением по электроэнергетическим сетям с разными уровнями напряжения. Трансформаторы и электроэнергетические сети зависят от реактивной мощности, чтобы преобразовывать и передавать активную мощность от генераторов к пользователям. Реактивная мощность также используется для регулирования напряжения в энергетических системах. Генерируемая активная мощность потребляется пользователями различными путями. Многие электрические устройства, используемые в промышленности, офисах и домах, также потребляют реактивную мощность, например устройства, снабженные электродвигателями. Для исключения избыточных потерь мощности в электроэнергетической системе необходимо генерировать реактивную мощность или компенсировать потребление реактивной мощности. Согласно известному уровню техники этого достигают, например, при помощи генераторов и шунтирующих конденсаторов.

Максимальная мощность, производимая/потребляемая электрической машиной, обычно основана на производительности машины, которая действительна для машины в определенных рабочих условиях. Производительность машины задает максимальный ток, который может проходить в обмотках машины без риска уменьшения срока службы или работоспособности машины.

Вследствие рассеяния энергии электрические машины в ходе работы нагреваются. Генерируемое тепло должно отводиться путем охлаждения для исключения перегрева машины. Используют разные хладагенты и охлаждающие системы в зависимости от размера, варианта применения и конструкции машины. В случае с небольшими машинами доминирует воздушное охлаждение. В случае с закрытыми машинами с воздушным охлаждением часто используют теплообменник, в котором хладагент, такой как вода, охлаждает воздух, циркулирующий и охлаждающий машину. Системы охлаждения при увеличении размера становятся более сложными. Большие генераторы для производства электроэнергии часто имеют непосредственное водяное охлаждение и/или охлаждение с промежуточным водяным хладагентом. Непосредственное водяное охлаждение используют, например, аналогично для ротора и статора, но распространены также комбинации из воды/воздуха и воды/водорода, при этом комбинация воздуха/водорода охлаждается водой перед тем, как она, в свою очередь, охлаждает генератор. Хладагент или хладагенты машины, в свою очередь, могут охлаждаться при помощи теплообменников, водой из любого источника первичного хладагента, такого как градирня, река, озеро или море. Теплообменники могут быть, например, типа хладагент/вода, хладагент/воздух или вода/водород. Охлаждение осуществляется посредством подачи хладагента от источника первичного хладагента в теплообменники первичной стороны, тогда как вторичная сторона соединена с охлаждающим контуром в электрической машине. В альтернативном варианте может использоваться промежуточный охлаждающий контур, который может также использоваться для охлаждения других систем, таких как система возбуждения.

При нарушениях нормальной работы электроэнергетической системы иногда существует потребность в быстродоступной и управляемой реактивной мощности. Для этого синхронные машины имеют размеры, позволяющие производить определенную выходную реактивную мощность. В Швеции, Svenska Kraftnät (Шведская национальная энергетическая система) использует генераторы, которые непосредственно или опосредованно соединены с национальной энергетической системой для получения возможности непрерывного производства выходной реактивной мощности, соответствующей трети выходной активной мощности. Это означает, что генераторы большую часть времени будут работать с производительностью ниже паспортных данных, то есть машины работают с током статора, который меньше максимального допустимого тока, и с током ротора, который меньше максимального допустимого тока, что приводит к тому, что температура машин меньше температуры расчетного режима.

Таким образом, в течение большей части времени генератор обладает избыточной мощностью. Было бы желательно иметь возможность комбинировать нагрузочную способность по реактивной мощности с нормальной работой в более оптимальной рабочей точке. Также было бы желательно иметь возможность осуществлять соответствие насущной необходимости с более высокой выходной реактивной мощностью без наличия неиспользуемой производительности генератора в течение большей части времени работы.

В патенте США № 5321308 раскрыт способ управления и устройство управления для генератора. В патенте указано, как максимизировать производство реактивной мощности генератора. Однако увеличение реактивной мощности влечет за собой одновременное уменьшение производства активной мощности.

В публикации "Dynamic Thermal Ratings Realize Circuit Load Limits", IEEE Computer Applications in Power, стр. 38-43, январь 2000 г. описан способ лучшего временного использования системы распределения мощности. Однако в публикации не дано ссылок на вращающиеся машины и не упоминается ничего о том, как компенсировать временные нарушения в электроэнергетической системе, которые требуют увеличения производства реактивной мощности.

Краткое изложение существа изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание устройства, способа и электростанции или установки, которые позволяют компенсировать временные потребности в большей реактивной мощности без ущерба для доступной активной мощности, а также иметь возможность более эффективно использовать синхронную электрическую машину без заметного ущерба для ее срока службы и оптимизировать эффективность существующих и новых синхронных электрических машин.

Другой задачей настоящего изобретения является создание устройства или способа, которые обеспечивают увеличенную среднегодовую выходную мощность вращающейся синхронной электрической машины, которая охлаждается разными хладагентами, без каких-либо модификаций машины.

Неожиданно было обнаружено, что лучше осуществлять текущий контроль и управление вращающейся синхронной электрической машиной и ее охлаждение на основе оценки температуры, по меньшей мере, в двух точках машины, причем эта оценка основывается на токе и напряжении машины, а также на модели машины, в отличие от управления машиной на основе значений тока покоя и ограничения мощности согласно известному уровню техники.

Устройство, способ и электростанция, согласно изобретению, описаны в независимых пунктах формулы изобретения.

Согласно изобретению способ текущего контроля вращающейся синхронной электрической машины, содержащей ротор, имеющий обмотку ротора, и статор, имеющий обмотку статора, заключается в том, что определяют ток обмотки статора, определяют напряжение обмотки статора, определяют ток обмотки ротора и осуществляют оценку температуры, по меньшей мере, в двух точках электрической машины с использованием теоретической модели электрической машины и определенных значений тока и напряжения.

Этот способ позволяет улучшить контроль температуры машины. Он может использоваться для усовершенствования эксплуатационных характеристик машины.

Термин "определение" означает опосредованное или непосредственное измерение или оценку. Например, можно определять значение тока обмотки ротора на основе определенного значения тока обмотки статора и определенного значения напряжения обмотки статора, а также определенной разности фаз между ними. Также можно определять значение тока обмотки ротора на основе определенного значения активной мощности, определенного значения реактивной мощности и определенного значения напряжения обмотки статора.

Под термином "теоретическая модель" подразумевается, что модель может быть выполнена компьютером в отличие от копии. Теоретическая модель может быть основана на эмпирических критериях или может быть выведена каким-то другим путем.

Вследствие геометрии электрических машин и геометрии охлаждающих систем многих электрических машин температура изменяется в осевом направлении, а также в радиальном направлении. Однако обоснованным предположением является то, что стержни обмотки статора будут иметь такую же температуру в тангенциальном направлении, но это значение изменяется в зависимости от нагрузки на машину. Это же справедливо для обмотки ротора, зубцов статора и зубцов ротора. Для моделирования этой ситуации обмотка статора и обмотка ротора могут быть разделены на ряд зон в осевом направлении. Сердечник статора и ротор могут быть разделены на ряд зон. Участки, прилегающие к воздушному зазору, также могут быть разделены на ряд зон в осевом направлении.

Благодаря разделению статора и/или ротора на ряд зон может быть достигнута улучшенная оценка температуры машины и, таким образом, улучшенное управление машиной.

В модели могут использоваться различные измеренные переменные, такие как: (1) активная мощность, (2) реактивная мощность, (3) напряжение на зажимах, (4) ток статора, (5) ток ротора, (6) температура морской воды, (7) температура холодной воды для охлаждения статора, (8) температура холодного водорода, (9) температура промежуточной охлаждающей воды и (10) давление водорода. В таком случае можно определить входные переменные для модели, т.е. (1) ток статора, (2) ток ротора, (3) напряжение на зажимах, (4) температуру холодной воды для охлаждения статора, и (5) температуру холодного водорода.

В модели может использоваться любая комбинация указанных выше переменных.

В модели может использоваться любая комбинация массы зоны машины, удельной теплоемкости зоны, теплотворной способности зоны и охлаждающей способности зоны. Теплотворная способность может быть смоделирована с использованием температурно-зависимого сопротивления обмоток и тока в обмотках.

Еще более точная оценка температуры может быть получена благодаря использованию температуры, измеренной в точке машины, как основа для оценки.

С практической точки зрения можно измерять температуру в нескольких точках машины. Ее можно измерять также опосредованно, например, посредством измерения температуры хладагента, выходящего из машины.

Улучшенная оценка температуры машин, работающих с разной скоростью, также может быть получена посредством измерения скорости вращения ротора и учета измеренной скорости вращения ротора при оценке температуры.

Согласно другому аспекту изобретения предложен способ регулирования по меньшей мере одной переменной вращающейся синхронной электрической машины, которая содержит ротор, имеющий обмотку ротора, и статор, имеющий обмотку статора. Способ содержит следующие операции: определяют ток обмотки статора, определяют напряжение обмотки статора, определяют ток обмотки ротора и осуществляют оценку температуры, по меньшей мере, в двух точках электрической машины с использованием модели электрической машины и в зависимости от определенных значений тока и напряжения, и осуществляют регулирование указанной, по меньшей мере, одной переменной в зависимости от оцененных температур.

Когда машиной является генератор преимущество согласно изобретению, состоит в том, что от генератора может быть получено больше энергии, чем это возможно при управлении генератором на основе производительности машины, которая определяет максимальную активную мощность, которая может быть генерирована генератором в определенных рабочих условиях, что предусматривает, в частности, что максимальная допустимая активная мощность и максимальная допустимая реактивная мощность генерируются генератором одновременно и что температура хладагента имеет максимальную допустимую температуру.

Когда машина является электродвигателем преимущество, получаемое заявленным способом, согласно изобретению, состоит в том, что от электродвигателя может быть получено больше мощности, чем это возможно, когда электродвигателем управляют на основе производительности машины, которая определяет максимальную допустимую нагрузку активной мощностью, воздействию которой может подвергаться электродвигатель в определенных рабочих условиях, что предусматривает, в частности, что максимальная допустимая активная мощность преобразуется одновременно с генерированием электродвигателем максимальной допустимой реактивной мощности и что температура хладагента имеет максимальную допустимую температуру.

Когда машиной является электродвигатель с регулированием скорости, преимущество, заключается в том, что от электродвигателя может быть получено больше мощности, чем это возможно, когда электродвигателем управляют на основе производительности машины, которая определяет максимальную допустимую нагрузку активной мощностью, воздействию которой может подвергаться электродвигатель в определенных рабочих условиях, причем одним из условий является то, что максимальная допустимая активная мощность преобразуется одновременно с генерированием электродвигателем максимальной допустимой реактивной мощности и что температура хладагента имеет максимальную допустимую температуру. Обычно производительность задают для разных значений скорости.

Когда машина является синхронным компенсатором преимущество согласно изобретению состоит в том, что от синхронного компенсатора может быть получено больше реактивной мощности, чем это возможно, когда синхронным компенсатором управляют на основе производительности машины, которая определяет максимальную реактивную мощность, которая может быть генерирована в определенных рабочих условиях, что предусматривает, в частности, что максимальная допустимая реактивная мощность генерируется/потребляется синхронным компенсатором и что температура хладагента имеет максимальную допустимую температуру.

Когда машина является преобразователем частоты преимущество согласно изобретению состоит в том, что в преобразователе частоты может быть передано больше мощности, чем это возможно, когда преобразователем частоты управляют на основе производительности машины, которая определяет максимальную активную мощность, которая может быть передана в преобразователе частоты в определенных рабочих условиях, что означает, в частности, что максимальная допустимая активная мощность и реактивная мощность передаются в преобразователе частоты одновременно и что температура хладагента имеет максимальную допустимую температуру.

Электрической машиной согласно изобретению может быть генерировано большее количество энергии и в нее может быть подано большее количество энергии, чем в случае с машиной, которой, в соответствии с известным уровнем техники, управляют на основе ее производительности, поскольку изобретение допускает управление на основе фактических условий, то есть электрической машиной можно управлять на основе фактической охлаждающей способности, например, в зависимости от температуры хладагента, расхода хладагента или давления хладагента.

Благодаря использованию модели машины для управления можно достигать оценки температур в одной или более точках электрической машины на основе измерений и/или вычислений значений тока и напряжения машины, а также доступной охлаждающей способности. Согласно варианту осуществления изобретения оценивают температуры в указанной одной или более точках. Оцененные температуры могут быть сравнены с максимальными допустимыми температурами, и одну или несколько входных переменных можно регулировать для исключения того, что температура в любой точке электрической машины превысит максимальную допустимую температуру.

Когда температура в электрической машине изменяется, разные части машины будут расширяться в разной степени. Это приводит к механическому износу, который ускоряет старение машины. Согласно одному варианту осуществления изобретения, электрической машиной управляют таким образом, что, по меньшей мере, одну оцененную температуру поддерживают по существу постоянной. Преимущество состоит в том, что машина будет иметь более продолжительный срок службы благодаря уменьшенному механическому износу.

Согласно варианту осуществления изобретения, электрической машиной и ее охлаждением управляют таким образом, что при нормальной работе, по меньшей мере, одну оцененную температуру в машине поддерживают по существу постоянной.

Согласно другому варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, одну оцененную температуру поддерживают по существу постоянной, хотя повышение указанной температуры до значения по умолчанию допустимо в течение некоторого ограниченного периода времени для обеспечения максимально эффективной эксплуатации машины, причем машина и управление охлаждением соответствуют этому режиму работы.

Обычно электрическая машина охлаждается одним хладагентом. Этим хладагентом может быть воздух, но часто им бывает жидкость или газ, такой как водород, который, в свою очередь, обычно при помощи теплообменника охлаждается водой из источника первичного хладагента. Для этого измеряют температуру хладагента, поступающего из источника первичного хладагента, и управление электрической машиной осуществляют также в зависимости от доступной охлаждающей способности хладагента. Это измерение дает возможность максимизировать выходную мощность машины посредством использования изменений температуры первичного хладагента. Таким образом, можно использовать, например, холодную морскую воду зимой для повышения выходной мощности. Согласно известному уровню техники выходной мощностью машины управляют на основе производительности машины, что предполагает постоянную максимальную температуру хладагента.

Согласно варианту осуществления изобретения измеряют температуру хладагента, поступающего из источника первичного хладагента, и для управления электрической машиной используют информацию об изменениях температуры хладагента, поступающего из источника первичного хладагента, в комбинации с диапазоном регулирования, доступным в системе охлаждения машины. Управление этого типа позволяет получать меньшую температуру машины, что означает меньшее сопротивление в обмотке, которое уменьшает потери.

Согласно другому варианту осуществления изобретения измеряют температуру хладагента и регулирование активной мощностью и реактивной мощностью электрической машины осуществляют в зависимости от температуры хладагента.

Охлаждающую способность можно регулировать, например, посредством регулирования частоты вращения насосов для хладагента, посредством управления клапаном, который регулирует количество исходящей охлаждающей воды, которая должна поступить в качестве приточной охлаждающей воды, и/или посредством регулирования давления газа в машине, которая, по меньшей мере, частично охлаждается газом.

В некоторых случаях точность модели может быть улучшена посредством калибровки модели по температуре, измеренной в машине.

Когда электрической машиной является генератор, генератором управляют посредством регулирования либо активной мощности, либо реактивной мощности генератора.

Реактивную мощность генератора регулируют посредством регулирования тока, подаваемого в ротор.

Обычно генератор непосредственно или опосредованно соединяют с одной или более турбин.

Управление осуществляют на основе первой допустимой температуры и второй допустимой температуры, при этом управление осуществляют таким образом, что оцененная температура может достигать значения первой допустимой температуры, как установившегося значения, при этом указанная оцененная температура может достигать значения второй допустимой температуры только в течение заданного периода времени.

Используют плавающий график характеристик для определения границ допустимой электроэнергии машины в зависимости от таких переменных, как допустимая охлаждающая способность. В этом случае электрической машиной управляют таким образом, что комбинация реактивной и активной мощности не превышает границ графика характеристик. Следует понимать, что возможны другие варианты определения комбинаций допустимой мощности, но приведенное выше определение осуществляется на практике путем определения допустимой мощности. Это является эквивалентом управлению при помощи первой допустимой температуры.

Для управления электрической машиной и ее охлаждением используется плавающий график динамических характеристик. График динамических характеристик определяет границы допустимой электроэнергии машины, когда температура в машине может превышать допустимую температуру при непрерывной работе. Электрической машиной и ее охлаждением управляют таким образом, что комбинация реактивной и активной мощности не превышает динамических характеристик. График динамических характеристик определяет допустимые комбинации активной и реактивной мощности в течение короткого интервала времени. Пока график динамических характеристик не превышен, температура электрической машины не будет превышать заданную максимальную допустимую температуру. Это эквивалентно описанному выше управлению с использованием второй допустимой температуры.

Согласно варианту осуществления изобретения генератором управляют при помощи плавающего графика характеристик в зависимости от доступной охлаждающей способности. Поскольку нарушение режима требует повышенной выходной мощности в течение короткого периода времени, в течение этого короткого периода времени может использоваться график динамических характеристик для управления генератором, который зависит от допускаемой температуры. Допустимая температура может быть задана, например, на уровне фактической термостойкости изоляции или может быть задана оператором машины.

Разумеется, можно управлять машиной с использованием только графика динамических характеристик и, таким образом, использовать термостойкость изоляции только временно, без использования дополнительного запаса, доступного благодаря температуре охлаждающей воды.

Согласно второму аспекту поставленная задача решена путем создания устройства управления вращающейся синхронной электрической машиной. Устройство управления характеризуется тем, что содержит входы для сигналов тока статора и напряжения статора, причем устройство управления приспособлено для передачи сигналов управления для регулирования, по меньшей мере, одной переменной электрической машины в зависимости от сигналов на входах и с использованием модели электрической машины, которая предназначена для оценки температуры, по меньшей мере, в двух точках в электрической машине.

Соответственно, устройство управления содержит один или более компьютеров, которые запрограммированы соответствующим образом, но очевидно, что оно может быть также выполнено на электронных блоках, таких как одна или более ASIC (проблемно-ориентированная интегральная микросхема). Естественно, устройство управления, согласно изобретению, предназначено для получения одного из признаков, описанных выше, при этом получают преимущества, эквивалентные описанным выше.

Устройство согласно изобретению для текущего контроля или управления вращающейся синхронной машиной может также содержать запоминающее устройство и/или отображающее устройство.

Согласно следующему аспекту изобретения используют запоминающую среду для хранения компьютерной программы для управления вращающейся синхронной электрической машиной, содержащей ротор, имеющий обмотку ротора, и статор, имеющий обмотку статора. Когда программа выполняется компьютером, она вызывает прием компьютером входного сигнала, содержащего данные о токе в обмотке статора, и прием входного сигнала, содержащего данные о напряжении обмотки статора. Программа также инициирует оценку компьютером температуры, по меньшей мере, в двух точках в электрической машине с использованием модели электрической машины.

Согласно еще одному аспекту изобретения предложена электростанция, которая содержит одну или более турбин и один или более соединенных с ними генераторов и которая управляется при помощи описанного выше устройства управления.

Способ согласно изобретению может использоваться с установкой для генерирования электроэнергии, которая содержит одну турбину и один генератор.

Установка для генерирования электроэнергии может использоваться на электростанциях разных типов, например, газотурбинных электростанциях, атомных электростанциях, электростанциях на жидком топливе и гидроэлектростанциях.

Для электростанций изолированный токопровод (IPB), автоматический выключатель генератора (GCB) или повышающий трансформатор генератора (GSU) могут представлять собой ограничивающий фактор для выходной мощности генератора. В таких случаях по температуре этих устройств может регулироваться выходная мощность генератора и/или устройство управления для генератора может регулировать охлаждающую способность для этих систем.

Всякий раз когда в этом описании упоминается измерение, имеется в виду, что сигнал измерения может быть сформирован датчиком любого типа, например, датчиками температуры, такими как термопары, датчиками Pt 100; датчиками тока, такими как магнитные трансформаторы тока, оптические трансформаторы тока, токоотвод, катушки Rogowski и т.д.; или датчиками напряжения, такими как магнитные трансформаторы напряжения, оптические трансформаторы напряжения, емкостные трансформаторы напряжения, резистивные делители напряжения и т.д.

Указанные выше признаки могут быть скомбинированы в одном варианте осуществления изобретения.

Краткое описание чертежей

Предпочтительные варианты осуществления изобретения описаны со ссылками на прилагаемые чертежи на которых:

Фиг.1 изображает схему электростанции согласно изобретению;

Фиг.2 - схему последовательности операций, выполняемых при осуществлении способа согласно изобретению;

Фиг.3 - схему последовательности операций при работе регулятора напряжения согласно изобретению;

Фиг.4 - диаграмму срока службы изоляции генератора в функции рабочей температуры согласно изобретению;

Фиг.5 - общий вид (схематично) ротора, разделенного на зоны, согласно изобретению;

Фиг.6 - общий вид (схематично) статора, разделенного на зоны, согласно изобретению;

Фиг.7 - схему генератора, которым можно управлять согласно заявленному способу согласно изобретению;

Фиг.8 - диаграмму, допустимой выходной реактивной мощности как функции выходной активной мощности согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов

осуществления изобретения

На фиг.1 показана схема атомной электростанции, на которой может быть осуществлено настоящее изобретение. Следует понимать, что атомная электростанция сильно упрощена.

Атомная электростанция содержит бак 1 реактора с топливными стержнями 2 и графитовыми стержнями 3. Пар, используемый для приведения в действие турбины 4, генерируется в баке реактора. Паровая турбина 4 может включать несколько турбин, например, одну турбину высокого давления и три турбины низкого давления. Турбина 4, в свою очередь, приводит в действие генератор 9, который производит электроэнергию. Генератор более подробно показан на фиг.7. После того, как пар прошел через турбину 4, он поступает в конденсатор 5, в котором водяной пар конденсируется и затем подается путем рециркуляции в виде воды в бак 1 реактора при помощи насоса 6. Конденсатор 5 охлаждается водой из источника первичного хладагента, при этом вода подается в конденсатор 5 через первое впускное отверстие 7 и выпускается через первое выпускное отверстие 8.

На фиг.7 представлен генератор 9 согласно одному варианту осуществления изобретения, содержащий ротор 80, имеющий обмотку 81 ротора, и статор 82, имеющий обмотку 83 статора. Стрелки 84 обозначают поток хладагента через машину.

Электроэнергия подается от генератора через соединение, обозначенное U на фиг.1. Следует понимать, что выходная мощность генератора необязательно должна быть напряжением однофазного переменного тока, и она может быть напряжением трехфазного тока. Генератор 9 охлаждается водой и водородом. В варианте осуществления изобретения, показанном на фиг.1, генератор соединен с первым теплообменником 10 и со вторым теплообменником 11, каждый из которых используется в соответствующем контуре охлаждения. Первый теплообменник 10 имеет второе впускное отверстие 12 и второе выпускное отверстие 13, и второй теплообменник имеет третье впускное отверстие 14 и третье выпускное отверстие 15. Генератор имеет оболочку, заполненную водородом, который охлаждается в первом теплообменнике 10. Водород первично охлаждает ротор и сердечник статора. Обмотка статора охлаждается водой. Обмотка снабжена каналами, по которым проходит охлаждающая вода. Охлаждающая вода охлаждается во втором теплообменнике 11.

Эффект охлаждения поступающей охлаждающей водой может регулироваться при помощи управляемых клапанов 16, расположенных на входах теплообменников 10 и 11. Клапаны 16 управляются компьютеризированной системой 17 управления, которая также регулирует выходную мощность генератора.

Согласно одному варианту осуществления изобретения система 17 управления представляет собой компьютер с программным обеспечением. Система 17 управления может состоять из нескольких соединенных между собой компьютеров. Можно также использовать множество компьютеров, которые не соединены друг с другом, для управления различными частями атомной электростанции.

На фиг.2 показана блок-схема, иллюстрирующая работу системы управления для управления генератором и соединенной с ним системой охлаждения. Система управления имеет модуль 30 управления, который имеет первый вход 31 для сигнала активной мощности, второй вход 32 для сигнала реактивной мощности, первый вход 33 для сигнала напряжения, который принимает сигнал от датчика 34 напряжения, и вход 35 для сигнала тока ротора, который предназначен для приема сигнала тока ротора от датчика 36 тока ротора. Система управления также имеет вход 70 для сигнала тока статора, который предназначен для приема сигнала от датчика 71 тока статора. Кроме того, система управления имеет вход 37 для сигнала температуры, который предназначен для приема сигнала температуры от датчика 38 температуры. Система управления содержит первый блок 41 вычисления активной мощности, который соединен с датчиком 71 тока статора и с датчиком 34 напряжения статора, и второй блок 42 вычисления реактивной мощности, который соединен с датчиком 71 тока статора и с датчиком 34 напряжения статора. Кроме того, модуль 30 управления имеет первый вход 39 для сигнала охлаждения, который предназначен для приема сигнала, содержащего информацию о температуре охлаждающей воды, подаваемой в первый теплообменник 10 (фиг.1), и второй вход 40 для сигнала охлаждения, который предназначен для приема сигнала, содержащего информацию о температуре воды, подаваемой во второй теплообменник 11.

Значение активной мощности вычисляется первым вычислительным блоком 41, который соединен с датчиком тока статора и с датчиком напряжения статора. Значение реактивной мощности вычисляется, соответственно, вторым вычислительным блоком 42, который соединен с датчиком напряжения статора и с датчиком тока статора. Вычисление значения активной мощности и значения реактивной мощности может осуществляться любым из способов, которые очевидны для специалиста в данной области техники и не описаны более подробно.

Как показано на фиг.2, датчик 43 частоты вращения измеряет частоту вращения ротора и подает сигнал частоты вращения на вход 44 для приема сигнала частоты вращения модуля управления. Следует отметить, что в вариантах с небольшим изменением частоты вращения можно исключить датчик скорости без какого-либо существенного отрицательного воздействия на работу системы управления. Кроме того, модуль управления содержит запоминающее устройство 45, в котором хранится модель электрической машины. В запоминающем устройстве 45 хранится также информация о допустимых температурах в разных частях машины.

Все входные сигналы, поступающие в компьютер, и информация, хранящаяся в запоминающем устройстве, позволяют модулю управления управлять генератором и его охлаждением таким образом, что температура в разных частях генератора не превышает заданных значений. Заданные пределы для разных частей генератора зависят от материала, используемого в разных частях генератора.

На фиг.3 показан модуль автоматического регулятора напряжения, соответствующий изобретению. Регулятор напряжения принимает входные сигналы от модуля 30 управления (фиг.2). Первый выход 46 модуля 30 управления соединен с ограничителем 47 тока статора, второй выход 48 модуля 30 управления соединен с ограничителем 49 тока ротора и третий выход 50 модуля 30 управления соединен с регулятором 51 напряжения. Регулятор 51 напряжения имеет выход, который соединен с генератором для регулирования его возбуждения.

На фиг.4 представлена диаграмма срока службы изоляции генератора как функции температуры изоляции. Слюдяная изоляция генератора имеет срок службы, составляющий около 10⁵ лет при температуре 50°С. Повышение температуры приблизительно на 10° сокращает срок службы в два раза. Срок службы изоляции составляет около 40 лет при температуре 155°С. Срок службы, составляющий 40 лет, рассматривается как достаточный для генератора, и, таким образом, температура 155°С используется как предельное значение для этого типа изоляции. Если предельное значение временно превышается, срок службы будет уменьшаться пропорционально периоду времени, в течение которого изоляция находится при такой высокой температуре.

Способ оценки критических температур вращающейся электрической машины проиллюстрирован для большого турбогенератора. Статор и ротор турбогенератора схематически показаны на фиг.5 и 6, соответственно. Обмотка статора охлаждается охлаждающей водой, тогда как обмотка ротора и сердечник охлаждаются водородом. Охлаждающая вода для статора охлаждается промежуточной охлаждающей водой, которая, в свою очередь, охлаждается морской водой. Охлаждающая вода для статора поступает в машину на одном конце статора и выходит из машины на другом конце статора. Водород поступает в машину на обоих концах машины и выходит из активных частей машины в середине генератора. Это означает, что температура обмотки статора и обмотки ротора изменяется в осевом направлении. Однако можно принять обоснованное предположение, что температура сердечника статора и ротора однородна в тангенциальном направлении. Для моделирования этой ситуации обмотка статора и обмотка ротора подразделены на ряд зон в осевом направлении. Сердечник статора и ротор подразделены на ряд цилиндрических зон, и зоны, ближайшие к воздушному зазору, также подразделены на набор зон в осевом направлении.

На фиг.5 показано, что ротор 55 подразделен на ряд зон 56, в которых оценивается температура.

На фиг.6 показано, что статор 60 может быть подразделен на внутреннюю зону 61 и внешнюю зону 62, внутренняя зона 61 подразделена на ряд подзон 63.

В модели могут быть использованы различные измеренные переменные, такие как: (I) активная мощность, (II) реактивная мощность, (III) напряжение на зажимах, (IV) ток статора, (V) ток ротора, (VI) температура морской воды, (VII) температура холодной охлаждающей воды для статора, (VIII) температура холодного водорода, (IX) температура промежуточной охлаждающей воды и (Х) давление водорода. В этом случае можно определить входные переменные для модели, а именно: ток статора, ток ротора, напряжение на зажимах, температуру холодной охлаждающей воды для статора и температуру холодного водорода.

Динамическая модель состоит из набора нелинейных дифференциальных уравнений для оценки температуры каждой секции машины на основе входных переменных. Уравнения заданы фундаментальными физическими законами и данными для физических характеристик материалов, используемых в машине. Некоторые температуры в модели могут быть измерены и можно улучшить оценку температур посредством сравнения оцененных и измеренных температур. Оцененные температуры корректируют посредством добавления поправочного члена в зависимости от разности между измеренной и оцененной температурой. Уравнение (1) дает температуру i-й зоны машины. Зона может быть: (1) осевой зоной обмотки ротора, (2) осевой зоной обмотки статора, (3) осевой и/или радиальной зоной зубцов ротора, (4) осевой и/или радиальной зоной зубцов статора, (5) осевой и/или радиальной зоной корпуса ротора, (6) осевой и/или радиальной зоной сердечника статора и (7) осевой и/или радиальной зоной пластин.

(1)

где: m_i - масса i-й зоны машины (кг); c_p,i- удельная теплоемкость i-й зоны (Дж/(кг·К)); P_h,i - теплотворная способность i-й зоны (Вт); P_c,i - охлаждающая способность i-й зоны (Вт).

Уравнение (2) дает теплотворную способность P_h,i(Вт) i-й зоны обмотки ротора или статора:

(2)

где: k - коэффициент для учета паразитных потерь в обмотке статора, который может быть получен при помощи теоретического анализа обмотки или посредством использования результатов теплового испытания; R_i - сопротивление (Ом) постоянному току i-й зоны обмотки, полученное при помощи уравнения (5), приведенного ниже; I_i - ток (А) в i-й зоне обмотки, ток I_i может быть равным току обмотки ротора (входная переменная) или равным току обмотки статора (входная переменная).

Уравнение (3) дает значение теплотворной способности P_h,I (Вт) i-й зоны сердечника статора:

(3)

где:

ƒ - (нелинейная) функция, которая может быть получена из кривой намагничивания пластин сердечника или по результатам испытаний без нагрузки,

U - напряжение (В) на зажимах.

Уравнение (4) дает значение теплоты Р_р (Вт), вырабатываемой в пластинах:

(4)

где: I - ток (А) статора (входная переменная); φ - разность фаз между током статора и напряжением на зажимах tan(φ)=Q/P (входная переменная).

Функция может быть получена с использованием формул, приведенных в докладе "New Operating Chart for Large Power Turbogenerators" авторов Latek W., Partyka W. и Bytnar A., представленном в Докладе 11-101 на сессии CIGRE в Париже 26 августа - 1 сентября 1990 г., или с использованием измеренных температур пластин при работе в установившемся режиме машины в разных рабочих условиях. Охлаждающая способность пластин задана уравнением (6), приведенным ниже. Приведенная выше функция может иметь разные параметры для ведомого конца и неведомого конца. Приведенное ниже уравнение (5) дает значение сопротивления (Ом) i-й зоны обмотки, когда ее температура равна T_i (°С).

(5)

где: R_a - сопротивление (Ом) зоны при температуре окружающей среды, которое может быть получено теоретическим вычислением с использованием физических размеров обмотки или при помощи измерений сопротивления в ходе рабочих испытаний машины; Т_О - температура (°С), типичная для материала обмотки в зависимости от сплава, используемого для изготовления обмотки, Т_а - температура (°С), типичная для материала обмотки в зависимости от сплава, используемого для изготовления обмотки.

Уравнение (6) дает значение охлаждающей способности P_c,i i-й зоны:

(6)

где: - коэффициент конвекционной теплопередачи (Вт/°С) i-й зоны, когда давление хладагента равно Р_с; р_с - давление хладагента (Па); T_i - температура i-й зоны машины (°С); T_c,i - температура хладагента в i-й зоне (°С).

Уравнение (7) дает температуру хладагента на выходе в зонах охлаждающего канала:

(7)

где: Т_сс - температура холодного хладагента, поступающего в охлаждающий канал (входная переменная) (°С); - тепловой поток (Вт) в -ю зону охлаждающего канала. Тепловой поток равен охлаждающей способности i-й зоны машины, определенной уравнением (6). Соотношение между j и i зависит от фактического подразделения машины на зоны и конфигурации охлаждающих каналов; - плотность (кг/м³) хладагента в охлаждающем канале; - удельная теплоемкость (Дж/(кг·К)) при постоянном давлении хладагента в охлаждающем канале; F_d - массовый расход (кг/сек) потока хладагента в охлаждающем канале (входная переменная).

На фиг.8 показана диаграмма допустимой выходной реактивной мощности как функции допустимой выходной активной мощности. Сплошная линия 55 обозначает возможные выходные мощности, когда поддерживаются пределы производительности машины, тогда как первая прерывистая линия 56 обозначает возможные выходные мощности, когда температура машины как функция более низкой температуры хладагента позволяет регулировать выходную мощность. Вторая прерывистая линия 57 обозначает выходную мощность в течение ограниченного периода времени, например, 15 минут, когда допускают достижение температурой расчетных значений температуры для данного класса изоляции. Посредством непрерывного вычисления модулем 30 управления оцененных температур в генераторе 9 может быть достигнуто оптимальное управление генератором для обеспечения оптимальной работы генератора 9.

Согласно этому варианту осуществления изобретения температуры в генераторе вычисляют с использованием модели машины, причем указанная модель позволяет вычислять неизмеренные температуры в генераторе на основе выходной мощности генератора и температуры хладагента и/или охлаждающей способности.

Естественно, максимальная допустимая температура в генераторе зависит от типа изоляции, используемой в генераторе.

Таким образом, благодаря измерению нагрузки и температуры хладагента можно вычислять температуру в различных частях машины с использованием модели машины, хранящейся в запоминающем устройстве 45 модуля 30 управления. Это означает, что в большинстве рабочих условий машина может подвергаться более высокой нагрузке чем та, которая задана производительностью машины, без превышения максимальной допустимой температуры для любой части машины. Таким образом, может быть получен дополнительный запас благодаря тому факту, что более низкая температура хладагента дает улучшенное охлаждение, которое может использоваться, например, для повышения нагрузки машины.

Для увеличения резерва установленной мощности и срока службы максимальную допустимую температуру машины часто задают на более низком уровне, чем тот, который может быть получен от включенных в нее компонентов. Например, в случае с машиной, для обмотки которой предельным значением является 155°С, производительность машины часто основывается на допустимой температуре обмотки, составляющей 130°С. Благодаря допущению достижения температуры 155°С в течение коротких периодов времени (например, 15 минут), машина может иметь динамические характеристики, которые могут допускать существенно более высокую нагрузку, чем та, которая задана производительностью машины. При условии, что динамическая способность не эксплуатируется слишком часто в течение срока службы машины, воздействие на срок службы будет очень незначительным.

Естественно, изобретение не ограничено описанными выше вариантами его осуществления и они могут быть модифицированы многими разными путями в рамках объема прилагаемой формулы изобретения.

Например, может использоваться вычислительное устройство, основанное на дискретных компонентах, в отличие от обычного компьютера, снабженного компьютерной программой.

Естественно, генератор может работать при повышенной температуре более 15 минут.

В альтернативном варианте, повышенная температура может быть задана оператором генератора, а не пределами температуры изоляции. В этом случае владелец генератора может соотносить уменьшенный срок службы с увеличивающейся прибылью от временной работы электрической машины при повышенной температуре.

Оценка температуры может использоваться просто для текущего контроля для обеспечения надлежащего срока службы машины или для соблюдения графика текущего обслуживания. Текущий контроль и управление могут также осуществляться при помощи каких-либо средств связи из удаленного пункта.

Машина может быть дистанционно управляемой и контролируемой с использованием сети Интернет для передачи информации машине и от нее.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах текущего контроля и/или управления синхронной электрической машины в электростанциях или установках, содержащих указанную машину и указанное устройство контроля. В способе и устройстве для текущего контроля вращающейся синхронной электрической машины, содержащей ротор с обмоткой и статор с обмоткой, определяют ток и напряжение обмотки статора, ток обмотки ротора и оценивают температуру по меньшей мере в двух точках в электрической машины с использованием модели электрической машины и определенных значений тока и напряжения. В способе и устройстве обеспечивается компенсация временной потребности в большей реактивной мощности без ущерба для доступной активной мощности, более эффективное использование синхронной электрической машины и увеличение ее среднегодовой выходной мощности при использовании различных хладагентов без каких-либо модификаций электрической машины. 9 н. и 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ текущего контроля вращающейся синхронной электрической машины (9), содержащей ротор, имеющий обмотку ротора, и статор, имеющий обмотку статора, причем электрическая машина охлаждается по меньшей мере одним хладагентом, заключающийся в том, что определяют ток обмотки статора, определяют напряжение обмотки статора, определяют ток обмотки ротора, измеряют температуру хладагента, осуществляют оценку температуры по меньшей мере в двух точках электрической машины (9), используя теоретическую модель электрической машины, определенные значения тока и напряжения и измеренную температуру хладагента.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру по меньшей мере в одной точке в машине, а оценку температуры осуществляют с учетом дополнительно измеренной температуры.3. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что ротор и статор подразделяют на ряд зон, причем температуру оценивают для каждой зоны.4. Способ регулирования по меньшей мере одной переменной вращающейся синхронной электрической машины (9), содержащей ротор, имеющий обмотку ротора, и статор, имеющий обмотку статора, причем электрическая машина охлаждается по меньшей мере одним хладагентом, заключающийся в том, что определяют ток обмотки статора, определяют напряжения обмотки статора, определяют ток обмотки ротора, измеряют температуру хладагента, осуществляют оценку температуры по меньшей мере в двух точках электрической машины (9), используя теоретическую модель электрической машины и в зависимости от определенных значений тока и напряжения и измеренной температуры хладагента, регулируют указанную по меньшей мере одну переменную в зависимости от оцененных температур и с использованием модели электрической машины.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что при регулировании указанной по меньшей мере одной переменной по меньшей мере одну из оцененных температур поддерживают по существу постоянной.6. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру по меньшей мере в одной точке статора, а регулирование указанной по меньшей мере одной переменной осуществляют с учетом дополнительно измеренной температуры.7. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительно измеряют температуру среды, окружающей электрическую машину, а регулирование указанной по меньшей мере одной переменной осуществляют с учетом дополнительно измеренной температуры окружающей среды.8. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что при регулировании указанной по меньшей мере одной переменной осуществляют регулирование тока, подаваемого в ротор.9. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что при регулировании указанной по меньшей мере одной переменной осуществляют регулирование создаваемого эффекта охлаждения.10. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что в качестве синхронной электрической машины используют генератор, при этом регулирование указанной по меньшей мере одной переменной содержит регулирование подаваемой мощности.11. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что в качестве синхронной электрической машины используют электродвигатель, при этом управление электрическим двигателем содержит регулирование нагрузки.12. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что управление осуществляют по первой допустимой температуре и второй допустимой температуре, причем управление осуществляют таким образом, что допускают при оценке температур достижения уровня первой допустимой температуры, как устоявшегося значения, и допускают при оценке температур достижения уровня второй допустимой температуры только в течение заданного периода времени.13. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что ротор и статор подразделяют на зоны, при этом температуру оценивают для каждой зоны.14. Способ по любому из пп.4-7, отличающийся тем, что для регулирования выходной мощности электрической машины дополнительно измеряют и учитывают по меньшей мере температуру одного из элементов из группы, состоящей из изолированного токопровода, автоматического выключателя электрической машины, повышающего трансформатора электрической машины.15. Способ по п.14, отличающийся тем, что температуру по меньшей мере одного из изолированного токопровода (IPB), автоматического выключателя генератора (GCB), повышающего трансформатора генератора (GSU) измеряют и используют для регулирования охлаждающей способности по меньшей мере одного из изолированного токопровода (IPB), автоматического выключателя генератора (GCB), повышающего трансформатора генератора (GSU).16. Устройство управления вращающейся синхронной электрической машиной, отличающееся тем, что электрическая машина охлаждается по меньшей мере одним хладагентом, причем температура хладагента измеряется, а электрическая машина содержит по меньшей мере терминалы для сигналов тока статора, напряжения статора, тока ротора и температуры хладагента, при этом устройство управления предназначено для передачи сигналов управления по меньшей мере одной переменной в электрическую машину в зависимости от сигналов, поступающих на терминалы, и с использованием модели электрической машины, причем указанная модель используется для оценки температуры по меньшей мере в двух точках в электрической машине.17. Устройство для текущего контроля синхронной электрической машины, отличающееся тем, что электрическая машина охлаждается по меньшей мере одним хладагентом, причем температура хладагента измеряется, а электрическая машина содержит по меньшей мере терминалы для сигналов тока статора, напряжения статора, тока ротора и температуры хладагента, при этом устройство управления предназначено для оценки температуры по меньшей мере в двух точках в электрической машине в зависимости от сигналов, поступающих на терминалы, и с использованием модели электрической машины.18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что дополнительно содержит запоминающее устройство для хранения оцененных температур.19. Устройство по любому из п.17 или 18, отличающееся тем, что дополнительно содержит отображающее средство для отображения оцененных температур.20. Электростанция для производства электроэнергии, содержащая турбину и соединенный с ней генератор и устройство управления по п.16.21. Синхронный компенсатор для синхронной компенсации, управление которым осуществляется при помощи устройства управления по п.16.22. Применение способа текущего контроля вращающейся синхронной электрической машины, заявленного по любому из пп.1-15, в качестве способа контроля на электростанции для генерирования электроэнергии, причем электростанция содержит турбину и соединенный с ней генератор.23. Применение способа регулирования, заявленного по любому из пп.4-15 в качестве способа управления электрическим синхронным двигателем.24. Запоминающая среда для хранения компьютерной программы, предназначенной для управления вращающейся синхронной электрической машиной, содержащей ротор, имеющий обмотку ротора, и статор, имеющий обмотку статора, причем электрическая машина охлаждается по меньшей мере одним хладагентом, отличающаяся тем, что компьютерная программа при ее выполнении компьютером вызывает выполнение компьютером следующих операций: прием входного сигнала, содержащего данные о токе обмотки статора, прием входного сигнала, содержащего данные о напряжении обмотки статора, прием входного сигнала, содержащего данные о токе обмотки ротора, прием входного сигнала, содержащего данные о температуре хладагента, оценку температуры по меньшей мере в двух точках в электрической машине с использованием теоретической модели электрической машины и данных принятых входных сигналов.25. Запоминающая среда по п.24, отличающаяся тем, что программа дополнительно предназначена для инициирования выполнения компьютером передачи выходного сигнала для управления электрической машиной в зависимости от оцененных температур.

Приоритеты по пунктам: