SE516408C2 - Power consumption control method for alternating current machine, involves measuring temperature of rotor which is used as control parameter to optimize power conversion in thermally controlled manner - Google Patents

Description

516 408 ,._,.._.__. .... .. . . - 2 'iiïïiš*§..ï=II='-.IÉ¿.É 5"' Transmission av både reaktiv och aktiv effekt bidrar till effektförluster i elkraftnät. Vidare kan brist på reaktiv effekt, eller en ogynnsam fördelning av den i en elkraftanläggning eller ett elkraftnät leda till s.k. spänningskollaps.

Detta är särskilt viktigt i samband med att det uppträder större fel i kraftnätet, t.ex. när större generatorer eller motorer plötsligt faller ur. När detta sker, ändras elkraftnätets egenskaper. Olika regulatorer i elkraftnätet eller elkraftanläggningen kommer att försöka att upprätthålla frekvensen och spänningen inom de förutbestämda gränsvärdena. Detta kan idag bland annat göras genom att ändra aktiv och reaktiv produktion hos generatorer och genom att ändra omsättningsförhållandet genom lindningskopplarreglering i transformatorer. Det har emellertid vid vissa tillfällen visat sig att detta inte har varit tillräckligt. Om behovet av reaktiv effekt är större än det som elkraftnätet kan tillgodose, så kan överföringsförmågan i elkraftnätet bryta samman mycket snabbt genom att maximalpunkten på den s.k. PV-kurvan passeras eller genom att det sker ytterligare urkopplingar av kvarvarande produktionsenheter på grund av överlast. Begränsningen i mängden Överförd effekt beror i många elkraftnåt på brist på reaktiv effekt, framför allt på kritiska ställen i nätet och inte på att termiska gränsvärden för transmissionslinjer överskrids. Det är alltså av stor vikt för att en elkraftsnätsoperatör ska kunna kontrollera elkraftnätets spänning, att upprätthålla en lämplig fördelning av källor och sänkor för reaktiv effekt, och att kunna ändra denna fördelning under kortare perioder.

Ett sätt att styra den reaktiva effekten är introduktionen av faskompen- serande element i elkraftnätet. För stora och komplicerade nät, speciellt om belastningen skiftar natur från en tidsperiod till en annan, kräver sådana lösningar omfattande analyser och simuleringar för att på ett optimalt sätt bestämma placering och elektrisk effekt för dessa faskompensatorer. Vidare ïyflO krävs det procedurer för hur dessa ska styras för olika driftförhållanden i . i ' nätet. En annan åtgärd för att kontrollera mängden reaktiv effekt kan vara att ändra på driftbetingelserna för växelströmsmaskiner, för att få dessa att minska eller öka levererad eller förbrukad reaktiv effekt. Eftersom många 516 goa växelströmsmaskiner, både i generatordrift och i motordrift, verkar nära sina nominella effekter, är emellertid marginalerna för sådana ändringar normalt mycket små. För att på ett betydande sätt kunna påverka förhållandet mellan reaktiv och aktiv effekt måste typiskt sett även maskinens aktiva effekt minskas, för att inte magnetisering eller lindningstemperaturer ska överstiga sina nominella värden. En faskompensering via växelströms- motorer kan därför normalt endast ske genom att minska den aktiva effekten, vilket i de flesta fall är otillfredsställande.

Växelströmsmaskiner enligt teknikens ståndpunkt är normalt försedda med olika slags överbelastningsskydd och/ eller begränsningsanordningar.

Gränserna för hur hårt en växelströmsmaskin kan utnyttjas sätts ofta av överväganden angående temperaturer, t.ex. stator- och rotorlindningarnas temperaturer. Tillåtna strömmar i lindningarna uppskattas i allmänhet med hjälp av enkla teoretiska modeller. För rotorlindningen sätts typiskt en gräns för strömmen av magnetiseringsutrustningen. Denna kan ha en gräns vid t.ex. nominell rotorström. Större maskiner är ofta utrustade med en rotorströmbegränsare som förutom en momentan begränsare kan innehålla en tidsfördröjning som tillåter en viss överström under en kortare period.

Denna begränsning är emellertid statisk och tar inte hänsyn till synkronmaskinens faktiska termiska tillstånd.

Statorlindningen på växelströmsmaskiner skyddas normalt av ett överströmsskydd. Vid överlast av maskinen, såsom att strömmen överskrider en gräns som ges av nominell effekt, så kopplas maskinen ur. *:"É Synkronmaskiner kan vara utrustade med en statorströmbegränsare. Man kan då reglera ned rotorströmmen för att begränsa den reaktiva effekten så att driftpunkten bibehålls inom det tillåtna arbetsområdet i ett välkänt "P-Q- cirkeldiagram", som för fackmannen ofta kallas kapabilitetsdiagram. Detta görs också oberoende av statorlindningens faktiska temperatur.

Växelströmsmaskiner med en effekt över 5 MVA utrustas idag med resistiva temperaturmätare (t.ex. Pt100-element) som placeras i eller i nära 516 408 .... .. . . - -4 '-.-' '::2'::2-a.f=::=--.:% anslutning till statorlindningen. Dessa ger en god information om lindningens arbetstemperatur. Dessa kopplas till ett skydd som kopplar ur maskinen när temperaturen når över ett visst gränsvärde. Dessa gränsvärden är typiskt fastställda från temperaturklassen eller från mätningar under igångkörandet av maskinen.

Ett problem med maskinskydd och -begränsare enligt teknikens ståndpunkt är att de i många fall bygger på grova statiska modeller om förlustgenerering och -ledning samt temperaturstegring. De faktiska förhållandena, såsom variation i omgivningens temperatur beaktas i allmänhet mycket lite. För att ett skydd ska erhållas även för tämligen extrema förhållanden måste stora säkerhetsmarginaler användas. I mindre extrema fall leder detta till att skydden löser ut onödigt tidigt i en process. Vidare, om ett lastfall eller fel i elkraftnätet orsakar en ogynnsam fördelning av reaktiv och aktiv effekt, kan detta lätt leda till en temperatur- och /eller strömförhöjning i vissa delar av en växelströmsmaskin. Om skyddet är ställt på en alldeles för låg nivå kan en sådan elkraftnätssituation leda till att maskinens skydd aktiveras och att maskinen därmed stängs av. Detta kan i sin tur leda till ett förvärrat tillstånd för elkraftnätet.

SUMMERING Ett allmänt syfte med den föreliggande uppfinningen är sålunda att tillhandahålla metoder och anordningar för växelströmsmaskiner, med vilka man ökar möjligheterna och flexibiliteten att tillfälligtvis ändra förbrukad eller tillförd aktiv eller reaktiv effekt till ett elkraftnät. Ett annat syfte är att tillhandahålla elektriska växelströmsmaskiner som har större marginaler för ändringar av dess drifttillstånd. Ett ytterligare syfte med den föreliggande uppfinningen är att på sikt tillhandahålla ett kraftnät med utökade ë-:ÅO möjligheter till planerade och /eller samordnade effektförändringar. Vidare är , I U det också ett syfte med uppfinningen att tillhandahålla ett förbättrat övereffektskydd för växelströmsmaskiner. 5165408 š3,¿,,,._.,_-H,., De ovanstående syften åstadkoms av förfaranden och anordningar enligt de bifogade patentkraven. I allmänna ord, mäts temperaturen av rotor- och/ eller statorlindingen under drift. Den uppmätta temperaturen används sedan för att på ett kontrollerat sätt utnyttja den marginal i termiskt materialutnyttjande som isoleringsmaterialet i våxelströmsmaskiner i allmänhet har. Rotor- och/ eller statorström kan regleras för att ge upphov till önskad produktion eller förbrukning av aktiv och reaktiv effekt. Även om regleringen av strömmarna och lindningamas temperaturer fås att överskrida nominella värden, kan man med temperaturövervakningen medvetet tillåta detta under en begränsad tid, eventuellt på bekostnad av materialets livslängd. Samma övervakningsprincip kan även utnyttjas för att ge växelströmsmaskinen ett flexiblare skydd mot överbelastning. Ett elkraftsnät med våxelströmsmaskiner av detta slag kan utnyttja befintliga temperaturmarginaler i tillkopplade maskiner, och vid driftproblem kan dessa marginaler under kortare tid tas till vara för att underlätta den fortsatta driften av elkraftsnätet. Om information om de olika maskinernas marginaler förlagras kan åtgärder vid olika slags driftproblem förplaneras och en samordning av åtgärder kan sedan vidtas när fel uppträder.

Den föreliggande uppfinningen är särskilt lämplig att användas för generatorer och stora motorer med en effekt över ungefär 10 MVA. Den är också särskilt lämplig att användas för maskiner med konventionell spänning vid inkoppling till elkraftnätet, dvs. för spänningar under 25 kV.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA »afuv Uppfinningen samt ytterligare syftemål och fördelar som uppnås därmed förstås bäst genom hänvisning till nedanstående beskrivning och de bifogade __ ritningarna, i vilka: :I-:ÉO Fig. la är ett ekvivalensschema för en synkronmaskin när resistansen i ' i statorlindingen försummas; Fig. lb är ett kombinerat kapabilitets- och visardiagram för en synkronmaskin i övermagnetiserad generatordrift; 516.6 408 Fig. 2a är en schematisk skiss över hur strömmen kan ökas i en stator- eller rotorlinding, när temperaturmarginalerna utnyttjas; Fig. 2b visar ett typiskt samband mellan livslängd och temperatur för ett isolationsmaterial; Fig. 3 visar ändringen i en synkrongenerators drifttillstånd när den överbelastas med reaktiv effekt; Fig. 4a visar ett tidsförlopp för rotorlindningens temperatur när en synkrongenerator överbelastas med reaktiv effekt i två intervall; Fig. 4b visar ett tidsförlopp för statorlindningens temperatur när en synkrongenerator överbelastas med reaktiv effekt i två intervall; Fig. Sa visar ett styrt tidsförlopp för rotorströmmen för att reglera reaktiv effekt och temperatur i synkrongeneratorn vid reaktiv överlast; Fig. 5b visar tidsförloppet för reaktiv effektproduktion när synkron- generatorn överbelastas enligt fig. Sa; Fig. 6a visar ett omformulerat ekvivalensschema för en asynkronmaskin med lindad rotor; Fig. 6b visar ändringen i en asynkronmaskins drifttillstårid i generatordrift när den överbelastas med aktiv effekt; Fig. 7a visar ett tidsförlopp för aktiv effektproduktion när en asynkron- maskin i generatordrift överbelastas med aktiv effekt i ett intervall; Fig. 7b visar ett tidsförlopp för statorlindningens temperatur när en asynkronmaskin i generatordrift överbelastas med aktiv effekt i ett intervall; Fig. 8 visar ändringen i en synkronmotors drifttillstånd när den under en kort tid överbelastas med en reaktiv effekt som inte kan tillåtas för kontinuerlig drift; -;~-E Fig. 9a visar ett tidsförlopp för reaktiv effektproduktion när en synkron- motor överbelastas med i tiden varierande reaktiv effekt; Fig. 9b visar ett tidsförlopp för rotorlindningens temperatur när en synkronmotor överbelastas med i tiden varierande reaktiv effekt; Fig. 10 visar ett blockdiagram av en synkronmaskin enligt den H n föreliggande uppfinningen med statisk magnetisering; Fig. ll visar ett blockdiagram av en synkronmaskin enligt den föreliggande uppfinningen med borstlös magnetisering; 516 7408 _ Fig. 12 visar ett blockdiagram av en asynkronmaskin enligt den föreliggande uppfinningen med lindad rotor och släpringar; Fig. 13 visar ett blockdiagram av ett styrsystem till en växelströmsmaskin enligt den föreliggande uppfinningen; Fig.14a visar ett blockdiagram av en elkraftanläggning med två växelströmsmaskiner enligt den föreliggande uppfinningen; Fig. l4b visar ett blockdiagram av kommunicerande elkraftanläggningar; Fig. 15 visar ett flödesdiagram över ett stymingsförfarande för en växelströmsmaskin enligt den föreliggande uppfinningen; Fig. 16 visar ett flödesdiagram över ett skyddsförfarande för en växelströmsmaskin enligt den föreliggande uppfinningen; samt Fig. 17 visar ett flödesdiagram över ett styrningsförfarande för en elkraftanläggning enligt den föreliggande uppfmningen.

DETALJERAD BESKRIVNING Våxelströmsmaskiner kan användas under olika driftbetingelser, varvid de avger eller upptar olika aktiv och reaktiv effekt. I ñg. la visas ett ekvivalensschema för en synkronmaskin i stationär drift. I detta fall bortser man ifrån skillnaden i reaktans mellan den direkta och den tvärgående axeln, dvs. man antar att man har en rund rotor. En maskin med utpräglade poler har inte något motsvarande schema, med den föreliggande uppfinningens grundläggande principer fungerar likväl även för sådana maskiner. IA betecknar statorströmmen och jXs betecknar 2 5 synkronreaktansen 2. En polspänning Us anbringas över 'i"f anslutningsklämmorna och en inre magnetomotorisk kraft EA, som styrs av - rotorströmmen IF, bildas i en principiell spänningsgenerator 1.

I figur lb visas ett motsvarande kapabilitetsdiagram. P betecknar den aktiva effekten och Q den reaktiva effekten. I figur lb har man antagit att I ' ' polspänningen antar sitt märkvärde Us. Strömmen i lindningarna har 2:11: angivna märkvården IFN och IAN, vilka inte ska överskridas. Dessa märkvärden IFN och IAN får i ñg. lb representeras av cirkelbågarna 6 u-u- vw.- v --. 516 šIÛS respektive 7. Sålunda är tillåtna driftbetingelser begränsade till ett område där både IFSIFN och IASIAN. Detta betyder att området 3 inte är tillåtet eftersom IA är begränsande och området 4 inte är tillåtet eftersom IF är begränsande. Enligt IEC 34-1, sekt. 9, märks en synkrongenerator med skenbar märkeffekt SN och dess märkeffektfaktor cos dm. Ur dessa data kan aktiv och reaktiv märkeffekt beräknas (PN resp. QN). resonemang kan föras för synkronmotorer. Eventuell styrning av maskinens Motsvarande driftbetingelser är sålunda begränsad till ett område 5. Ett drifttillstånd ges av effekterna Pi och Qi, vilka befinner sig inom området 5.

En ändring av polspänningen Us till maskinen ändrar kapabilitets- diagrammet, vilket berör metodens effektivitet, men inte metodens princip.

Eftersom maskinens varvtal antas vara konstant är normalt likaledes ventilation och friktionsförluster konstanta. Även om polspänningen Us kan variera, inverkar detta mycket lite på magnetiseringsförlusterna i maskinen.

Maskinen begränsas då såsom indikeras i fig. lb av stator- och rotor- strömmarnas märkvärden IAN respektive IFN.

Om maskinen arbetar vid märkeffekt PN och QN, inser man snabbt att en ökning av den reaktiva effekten Q inte kan ske utan att man överskrider märkströmmarna IAN eller IFN. Det enda sättet att öka den reaktiva effekten Q, är att samtidigt minska den aktiva effekten P, något som oftast inte är tillfyllest. Marginalema inom vilka den aktiva och reaktiva effekten kan varieras är i praktiken mycket begränsad med detta synsätt.

Temperaturen i rotoms lindningar i en växelströmsmaskin är alltså som diskuterats ovan ofta en begränsande parameter för växelströmsmaskinens förmåga att producera elektriskt moment såväl som dess förmåga att producera reaktiv effekt via statorns lindning till kraftnätet. Gränsvärden för temperaturer och strömmar är satta för att skydda maskinen mot förstörande överbelastning. Befintliga växelströmsmaskiner har emellertid ofta en stor termisk marginal genom att konstruktören byggde in u u uuu u u uu uu uu uu oooo uu v v u u u u u u u u u u u u u u u u u u uu u u u u u u u u u u u u uu u u u u u u iii ii; i í 6:: :ät i I I i I f 9 9 Û 5 u u u uu u u u u u u u - u n 0 Å 4 u u u u uu uu uu uu uu uu säkerhetsmarginaler vid designen av maskinen eller genom att nya erfarenhetsvärden erhållits sedan maskinen togs i drift.

I de följande ges en beskrivning av isoleringens termiska utnyttjande och vilka marginaler som normalt finns att tillgå i en stor växelströmsmaskin och som kan utnyttjas genom den föreliggande uppfinningen.

Isoleringen i växelströmsmaskiner med konventionell isolering delas in i temperaturklasser som anger hur hög temperatur som tillåts. För roterande maskiner beskrivs dessa i IEC publikation 34 "Rotating electrical machines", sekt. 7, "Thermal performance and tests". Dessutom har man för stora maskiner ofta egna kundspecifikationer som sätter ytterligare krav på temperaturen i lindningsisoleringen i olika driftmoder. Maximal temperatur i lindningsisoleringen i stator för de olika klassema ges i tabell 1.

Klass Maximal temperatur Temperaturskillnad till kylmedium 105°C 65°C 130°C 90°C l55°C 1 15°C 180°C 140°C I'11CU> Tabell 1. Isoleringsklasser för indirekt lyftkylda roterande maskiner när temperaturen mäts med termometer. Maximal tillåten temperatur varierar något med mätmetod.

För luftkylda elgeneratorer är det normalt krav på att maskinen ska kunna arbeta med en temperatur på den kalla kylluften på upp till 40°C. Maskinen bör då dimensioneras utgående från en temperaturökning från detta. Det samma gäller stort sett för stora industrimotorer. I den sista kolumnen i tabell 1 visas därför den temperaturdifferens till kylmedium med maximal temperatur som bör användas vid beräkningar. Den verkliga temperaturen på den kalla kylluften är i många fall kallare. En maskin med öppen :nare I--ïço 516 408 ventilation använder luften i sin omgivning för kylning, eller den kan eventuellt ha ett luftintag för kylluften. Detta betyder normalt att temperaturen på denna luft åtminstone under vissa perioder under dygnet således tillåta en ökad eller året är mycket kallare. Man kan temperaturstegring i maskinen utan att överskrida de absoluta gränsvärdena i tabell 1. För maskiner med sluten ventilering, kommer på liknande sätt vattentemperaturen till luftkylaren att variera under året eller dygnet. Detsamma kommer att gälla för maskiner med direkt Vattenkylning, dvs. där vatten leds in i strömförande ledare och/ eller laminerade delar av maskinen.

För stora växelströmsmaskiner som byggs i små serier vill man på grund av osäkerhet i dimensioneringsunderlaget dimensionera maskinen till att arbeta med en temperatur som är något under den angivna temperaturen. Detta tillskrivs kostnaderna som hör samman med om-design och ombyggnad ifall temperaturgränsen överskrids.

För vissa maskiner, såsom stora elgeneratorer önskar kunden att maskinen ska konstrueras för en temperaturklass lägre än det som isolationen tål, t.ex. att maskinen är ord med lindningar för klass F, medan den utnyttjas termiskt efter klass B. Detta är för att ha en extra säkerhet vid tillfälliga fel och för att kunna ta hand om förhöjda långtidseffekter som var okända vid den tidpunkt då maskinen levererades och sattes i drift.

För elgeneratorer bestäms priset delvis utifrån verkningsgraden på maskinen. För en leverantör är det därför viktigt att optimera maskinen med hänsyn till förluster. Det kan därför vid vissa tillfällen vara ekonomiskt optimalt att göra en maskin som utnyttjas så. att förlusterna reduceras.

Detta leder normalt till att maskinerna blir kallare än det som tillåts enligt temperaturklassema.

De angivna temperaturema för varje temperaturklass gäller för kontinuerlig drift. För intermittent drift kan man kortvarigt tillåta högre temperatur utan 15161 1408 att isoleringen förstörs. För organisk isolering räknar man normalt med att livstiden halveras för varje 8-12°C som drifttemperaturen ökas. Detta illustreras i ñg. 2b. För en ökning av drifttemperaturen av AT minskar livstiden från to till t1. Detta kan också uttryckas som t, = to - e-(mzßï), där r antar värdet 8-12 °C. Man kan således under kortare perioder, t.ex. under 30 minuter eller en timme, höja temperaturen över maximum- temperaturerna i tabell 1 utan att isoleringens totala livstid nämnvärt förkortas.

Av detta inser man att genom normgivning, kundkrav, osäkerhet i dimensionering och inneboende tolerans i isoleringsmarginaler, så existerar det för stora elgeneratorer och motorer idag en betydande termisk kapacitet som tillfälligt kan utnyttjas för att höja effekten på maskinen. Detta åskådliggörs i fig. 2a. Diagrammet visar ett antal strömnivåer Io till 14. lo motsvarar den beräknade märkströmmen, med hänsyn taget till temperaturklass, maximal kylmedietemperatur samt dimensionerings- marginaler, dvs. den normalt angivna maximala strömmen. Om direkt mätning av temperaturen genomförs, behöver man inte utnyttja några dimensioneringsmarginaler och en ström I1 kan användas utan risk för skador. Om dessutom ett kylmedium med en lägre temperatur än 40°C används, kan strömmen ökas ytterligare Iz utan att isoleringens önskade 2 5 temperatur överskrids. Om dessutom materialets verkliga -z--š temperaturbeständighet används, istället för maximumtemperaturen för isoleringens temperaturklass, finns en ytterligare marginal att utnyttja och en ström Is kan användas. Denna ström kan således användas vid kontinuerlig drift utan att isoleringen åldras snabbare än beräknat. För kortare tidsperioder kan strömmen ökas ytterligare, till ett värde I4, då en medveten effektökning byts mot en snabbare åldring av isoleringsmaterialet.

Värdet 14 bör emellertid hållas under en absolut maximumnivå, över vilken risken för materialskador inom en kort tid anses vara för stor. bšo 516 408 šßåñšä$¥@¥§;?¥ë?“ p 1, .... -- -- -- Det finns idag ett stort antal växelströmsmaskiner installerade i kraftverk, som byggdes för åtskilliga tiotal år sedan och som successivt genomgår renoveringar. Utvecklingen av isolationsmaterialen har under åren medfört möjligheter att man, i befintliga spår, kan få plats med mer koppar och/ eller för mer ström i lindningarna därför att spänningshållfastheten och/ eller temperaturklassen har ökats.

I samband med renovering av en befintlig växelströmsmaskin kan man därmed öka märkeffekten på maskinen. Detta tas ibland ut som ökad aktiv effekt genom att turbiner och andra mekaniska arrangemang byggs om. Det kan även tas ut som ökad reaktiv effekt, varvid speciellt rotorlind- ningens/fältlindningens förmåga att termiskt tåla ström tas i anspråk.

Renoverade maskiner utgör alltså utrnärka objekt för att tillämpa den föreliggande uppfinningen på.

Ytterligare diskussioner om rotortemperaturer kan hittas t.ex. i "Rotor heating as an indicator of system voltage instability", IEEE Trans. on Power Systems, Vol. 10, Nr. 1, Feb. 1995, sid. 175-81.

Några exempel på situationer där växelströmsmaskiner kan överbelastas kommer nu att beskrivas, för att tydliggöra de möjligheter till temporära förändringar av effektomvandlingen i en växelströmsmaskin.

Först beskrivs hur en växelströmsmaskin kan överbelastas med reaktiv effekt när den arbetar som generator. I figur 3 visas hur maskinens kontinuerliga drifttillstånd ändras när reaktiv effektproduktion ökas från Q2 till Qs för en synkronmaskin med bibehållen aktiv effektproduktion P2. De temporära begränsningarna för stationär drift, som maskinen har när isoleringen utnyttjas termiskt, visas med cirkelbågarna 8 och 9. Dessa begränsningar 8, 9 kan uppskattas från de kontinuerliga eller interrnittenta temperaturmätningarna. Eftersom mätningarna uppdateras löpande kan även begränsningarna uppdateras löpande, t.ex. ifall oväntade yttre effekter :Inna f--ïgo 151613408 tillstöter, såsom en kraftigt förhöjd kylvattentemperatur. Den totala effekten kan alltså utan fara för skador på isoleringen läggas utanför området 5, vilket inte var möjligt inom teknikens ståndpunkt. Härvidlag är det möjligt att fortfarande leverera samma aktiva effekt till elkraftsnätet, trots att ett ökat reaktivt effektuttag sker. Det ökade reaktiva effektuttaget kommer att resultera i en ökad temperatur i rotor- och statorlindningarna, men denna temperaturökning övervakas noggrant och kan alltså inte leda till oönskade materialskador. I det visade fallet där den reaktiva effekten Qs tas ut, begränsas den kontinuerliga driften av rotorströmmen.

Figur 4a och 4b visar hur temperaturen i rotorns respektive statorns lindningar ökas under en period då maskinen levererar extra reaktiv effekt.

SN anger nominell temperatur för respektive lindningar, SM anger maximal temperatur för kortare överbelastningar för respektive lindningar, SB anger begynnelsetemperatur för ökade effektuttaget startade och SE anger temperaturen vid ett stationärt tillstånd respektive lindningar innan det under ökat effektuttag. Figuren uppvisar tre tidintervall. Det första motsvarar kontinuerlig drift. Tidsintervallet Ati motsvarar en temperaturökningsfas och tidsintervallet Atz motsvarar en stationär fas vid förhöjd temperatur. Intervallen beskrivs mer nedan.

Rotorströmmen regleras efter en kurva, som visas i figur 5a, varvid ett reaktivt effektuttag enligt ñg. 5b erhålles. Rotorströmmen ökas i intervallet Ati till ett temporärt värde IT, något över den för statiska förhållanden tillåtna. Den erhållna reaktiva effekten följer då en liknande kurva, enligt fig. 5b. Temperaturen på stator- respektive rotorlindningar kommer då att successivt öka enligt konventionella värmeledningsprinciper. När den maximala temperaturen för antingen stator- eller rotorlindning uppnåtts, minskas rotorströmmen till ett värde Im, som är avpassat till att hålla temperaturerna konstanta vid denna högre nivå. Detta intervall anges med Atz. I detta fall år det rotorlíndningama som först uppnår maximal temperatur och som därför verkar begränsande, i enlighet med fig. 3. :#0 51614408 Alltså, när övervakningssystemet, som möjliggörs av den kontinuerliga eller intermittenta temperaturmätningen, visar att rotorlindningstemperaturen SR har nått sitt maximala värde SM, regleras rotorströmmen IR ned igen till ett värde IF2, som håller rotorlindningen på en stadigvarande hög temperatur i närheten av den maximala SM. Den reaktiva effekten Q antar under intervallet Atz ett värde som överskrider det nominella SN. Detta utnyttjande av temperaturmarginalerna i maskinen medför att livslängden för isoleringsmaterialet kan förkortas. Atz bör därför vara begränsad i tid, varefter rotorströmmen IR åter minskas för att låta temperaturen återgå till en nivå under den nominella SN. Varaktigheten av intervallet Atz kan typiskt vara från 10-15 minuter upp till någon timme, eller tills dess det tillfälliga behovet av reaktiv effekt reduceras eller försvinner.

De tillfälliga begränsningarna av rotor- och statorström som visas i fig. 3 gäller stationära eller semi-stationära förhållanden. Under den transienta fasen Ati där temperaturema regleras upp, kan strömmarna ökas ytterligare, eftersom maskinen då inte är i termisk jämvikt. Detta visas inte i diagrammet i fig. 3, men det är uppenbart för en fackman att en sådan ytterligare ökning enligt fig. 5a kan ske.

Figur 6a visar ett omformulerat ekvivalensschema för en asynkronmaskin med lindad rotor där XM är magnetiseringsreaktansen, medan XLs betecknar läckreaktansen i statorlindningens reaktans och betecknas XA. Rotorströmmens IR värde och statorlindningen. Summan av dessa utgör fas refereras till statorsidan av maskinen. Man bör notera att till skillnad från ekvivalensschemat i figur la, är fig. 6a giltig även när rotorn roterar asynkront.

I figur 6b visas hur en asynkronmaskins kontinuerliga drifttillstånd ändras när aktiv effektproduktion från P4 till Ps. De begränsningarna som maskinen har när isoleringen utnyttjas termiskt visas ökas temporära med cirkelbågarna 8 och 9. Dessa begränsningar 8, 9 kan såsom ovan uppskattas från de kontinuerliga eller intermittenta temperaturmätningarna. n ø n u no c 516 lgos Den totala effekten kan alltså även här utan fara för skador på isoleringen läggas utanför området 5, vilket inte var möjligt inom teknikens ståndpunkt.

Härvidlag är det möjligt att öka leveransen av aktiv effekt till elkraftsnätet.

Det ökade aktiva effektuttaget kommer att resultera i en ökad temperatur i rotor- och statorlindningarna, men denna temperaturökning övervakas noggrant och kan alltså inte leda till oönskade materialskador.

Ett tidsförlopp för en styrd överbelastning visas i figurerna 7a och 7b.

Genom att styra rotorströmmens effektivvärde enligt fig. 6b, kan en ökad aktiv effekt erhållas under ett tidsintewall Ats, såsom visas i fig. 7a. Denna aktiva effekt motsvarar i detta exempel den uppskattade effekt som under stationär drift ger en maximal temperatur för statom. Efter tidsintervallet Ats regleras effekten ned tillbaka till den normala. I fig. 7b visas temperaturresponsen i statorlindningen. Under intervallet Ata stiger temperaturen successivt mot det förväntade slutvärdet SM, men når inte riktigt upp innan tidsintervallet är slut. Statortemperaturen håller sig med andra ord hela tiden inom tillåtna temperaturvärden.

I figur 8 visas hur synkronmaskinens kontinuerliga drifttillstånd ändras när reaktiv effektproduktion ökas temporärt från Qß till Q? i motordrift. De temporära begränsningarna för stationär drift som maskinen har när isoleringen utnyttjas terrniskt visas med cirkelbågarna 8 och 9. Dessa begränsningar 8, 9 kan såsom ovan uppskattas från de kontinuerliga eller intermittenta temperaturmätningarna. Den totala effekten kan alltså även här utan fara för skador på isoleringen läggas utanför området 5, vilket inte var möjligt inom teknikens ståndpunkt. Driftpunkten kan till och med, som i detta fall, under en begränsad tid förläggas utanför begränsningarna 8 och 9, tack vare en kontinuerlig eller intermittent temperaturövervakning. _ _ Härvidlag är det möjligt att öka leveransen av reaktiv effekt till elkraftsnåtet. i. .3:O Det ökade reaktiva effektuttaget kommer att resultera i en ökad temperatur i i rotor- och statorlindningarna, men denna temperaturökning övervakas noggrant och kan alltså inte leda till oönskade materialskador. sauna Qm o n w u on 516 408 , ,m Ett tidsförlopp för en styrd överbelastning visas i figurerna 9a och 9b.

Genom att styra rotorströmmen enligt fig. 8, kan en ökad reaktiv effekt erhållas under två tidsintervall At4 och Ats, såsom visas i fig. 9a. Under tidsintervallet At4 regleras uttaget av reaktiv effekt upp till en mycket hög nivå Qv, vilket ger en mycket snabb temperaturstegring i rotorn, såsom visas i fig. 9b. Detta kan t.ex. motsvara en nödsituation där elkraftnätet riskerar kollaps på grund av brist på reaktiv effekt. När rotorn närmar sig sin maximala temperatur SM, måste den reaktiva effekten Q begränsas, för att inte akuta skador ska uppstå på rotorn. Därför regleras den reaktiva effekten ned när elkraftnätet förhoppningsvis har hunnit återhämta sig eller när någon annan maskin tar successivt under tidsintervallet Ats, över produktion av reaktiv effekt. I fig. 9b visas temperaturresponsen i rotorlindningen. Under intervallet At4 stiger temperaturen kraftigt, men när den reaktiva effekten regleras ned börjar till slut temperaturen sjunka för att återgå till ett normalt värde. Rotortemperaturen håller sig med andra ord hela tiden inom tillåtna temperaturvärden trots en mycket kraftig temporär belastning.

Tidsförloppet när effekten till växelströmsmaskinen ökas temporärt, kan varieras i förhållande till den tidigare beskrivningen. I en generell utföringsform kan den uttagna effekten varieras godtyckligt, under förutsättning att den mätta eller uppskattade temperaturen hålls under kontroll.

Det år vidare uppenbart att en kombination av reglering av aktiv och reaktiv effekt kan göras. Man kan sålunda t.ex. reducera den aktiva effekten för att kunna öka den reaktiva effekten ytterligare. Det är också möjligt att behålla förhållandet mellan aktiv och reaktiv effekt, men att öka det totala effektutbytet.

Metoden kan alltså användas principiellt för att öka eller minska aktiv eller reaktiv effekt för synkron- eller asynkronmaskiner i motor- eller generatordrift. Fackmannen inser emellertid att vissa av fallen leder till .320 co.- ~ one 516 408 Å _17 ' ogynnsamma driftbetingelser för maskinerna och är av mindre praktisk betydelse, även om det i princip är möjligt. Det mest användbara fallet bedöms vara reaktiv överlast av en elgenerator Den föreliggande uppfinningen som använder sig av terrniskt materialutnyttjande av en växelströmsmaskin kan utnyttjas genom olika typer av instrumentering för att mäta eller uppskatta temperaturen för isolationen i stator och/eller rotor. Det styrda tidsförloppet till den ökade effektomvandlingen kan varieras på olika sätt efter den grundidé som den föreliggande uppfinningen förmedlar.

Den föreliggande uppfinningen förutsätter att man under drift känner till temperaturen för stator och/ eller rotorlindningen med en tillräcklig noggrannhet och tidsupplösning. Isoleringens temperatur i rotor- och/ eller statorlindningen kan bestämmas på olika sätt beroende på den noggrannhet som erfordras.

Fig. 10 åskådliggör en skiss hur metoden kan utnyttjas för en synkronmaskin med statisk magnetisering. En rotor 14, anordnad runt en roterande axel 10, är försedd med lindningar 12. Rotom roterar inuti en stator 28 med statorlindningar 26. En krafttransforinator 46 förser statorlindningarna 26 med ström genom ledningar 44. En ytterligare, mindre, krafttransformator 42 förser en växelström-likström-omvandlare 36 med ström genom ledningar 40. Likströmmen från växelström-likström- omvandlaren 36 föres över borstar 38 till släpringar 24 anordnade på rotoraxeln 10 och vidare till rotorlindningarna 12 via ledningar 22. Detta utgör i princip en synkronmaskin med statisk magnetisering enligt teknikens ståndpunkt. temperaturen i lindningarna kontinuerligt eller intermittent. Temperaturen i Enligt den föreliggande uppfinningen mäts lindningarna bestäms i den presenterade utföringsformen direkt genom mätning under drift. Detta åstadkoms genom att placera en eller flera sensorer i lindningen eller lindningsisolationen ("Embedded Temperature Detector", ETD). Sålunda placeras rotortemperatursensorer 16 i eller i soon 516 408 _ is anslutning till rotorlindningarna 12 och statortemperatursensorer 30 i eller i anslutning till statorlindningarna 26. Sensorerna placeras vid positioner som på grund av analyser och/ eller försök har befunnits vara kritiska för lindningen. Sensorema kan realiseras genom att placera t.ex. resistiva termometrar (Pt100-element eller liknande termoelement) i statorlindningen 26 och/ eller rotorlindningen 12. För växelströmsmaskiner över 5 MVA är det ett krav i förhållande till IEC 34 att förse statorlindningen 26 med ETD för termiskt skydd av maskinen. Att utrusta statorlindningen 26 med en resistiv termometer är en föredragen utföringsform vid användning av den föreliggande uppfinningen. Detta ger därför en mycket god kontroll av temperaturen och ett säkert och noggrant materialutnyttjande av maskinen.

Signalema från rotortemperatursensorerna 16 samlas upp via en mätenhet/ signalbehandlare 18 som är kopplad till en sändare 20 för trådlös kommunikation, anbringad på den roterande axeln 10. En motsvarande mottagare 21 för trådlös kommunikation är anbringad vid de stationära delarna av maskinen. Kommunikationen beskrivs mer i detalj nedan.

Signalema från statortemperatursensorema 30 samt de till mottagaren 21 överförda mätresultaten samlas upp via en mätenhet/signalbehandlare 32 resultaten till en som vidarebefordrar processeringsenhet 34.

Processeringsenheten är företrädesvis en mikroprocessor.

Processeringsenheten 34 kan sedan styra växelström-likström-omvandlaren 36 så att en lämplig rotorström erhålles.

Fig. 11 visar en synkronmaskin enligt den föreliggande uppfinningen, där borstlös magnetisering används. Liknande delar som i fig. 10 har betecknats med motsvarande hänvisningssiffror och kommer inte ånyo att beskrivas.

Endast de för funktionen viktiga nya delarna beskrivs nedan. Istället för att förse rotorlindingarna 12 med en ström via slåpringar, tillhandahålls en ström genom en magnetiseringsmaskin 58 anordnad på rotoraxeln 10.

Växelström-likström-omvandlaren 36 förser en lindning 50 på magnetiseringsmaskinens stator 48 med ström. Vid rotation av rotoraxeln 10 erhålles en ström i lindningarna 52 på magnetiseringsmaskinens rotor 54. 1:30 516 408 =::;=::;.§";:=1;.j'1:;"; Strömmen omformas av en likström-växelström-omvandlare 56 och matas till rotorlindningarna 12. På motsvarande sätt som tidigare anordnas temperatursensorer på lämpliga ställen i eller vid lindningarna.

Fig. 12 visar en släpringsbaserad asynkronmaskin enligt den föreliggande uppfinningen. Liknande delar som i fig. 10 har betecknats med motsvarande hänvisningssiffror och kommer inte att ånyo beskrivas. Endast de för funktionen viktiga nya delarna beskrivs nedan. Krafttransformatom 42 förser här en frekvensomformare 60 med ström. Frekvensomformaren 60 överför i sin tur växelström via borstar 62 och släpringar 64 till rotorn 14. försedd med temperatursensorer 16 och 30. Rotortemperatursensorerna 16 är emellertid i Denna maskin är på liknande sätt som tidigare denna utföringsform kopplade till en ytterligare släpring 66 på rotoraxeln 10, och överför mätinformationen till ett borstorgan 68 på den stationära delen av maskinen.

Metoden enligt den föreliggande uppfinningen kan användas genom att övervaka isolationens temperatur även genom indirekt mätning. Indirekta mätningar kombinerat med kalibreringsmätningar av sambandet mellan uppmätta indirekta storheter och temperatur kan i vissa fall ge en tillräcklig noggrannhet. Rotorström är i vissa fall en lämplig storhet som kan användas för indirekt temperaturmätning. För en växelströmsmaskin kan man när maskinen inte är i normal drift genomföra värmeprov, där sambandet mellan stator- och rotorström och temperaturen mäts. Därefter kan man under drift använda mätning av ström för att uppskatta temperaturen. Eftersom temperaturen i t.ex. statorlindningen är beroende av strömmen både i stator- och rotorlindningen, bör värmeproven genomföras med olika kombinationer av stator- och rotorström. Eftersom det under värmeproven kan vara svårt att belasta maskinen med sin märkeffekt eller högre, kommer kylmediet att kunna ha en annan temperatur i drift än under test. Detta bör tas med i en osäkerhet vid beräkning av temperaturen utifrån mätning av ström i rotor och stator. Indirekt mätning ger därför i allmänhet en något sämre noggrannhet. Andra storheter som också kan användas för en förbättrad 5162508 uppskattning av temperaturen är t.ex. kylmediets temperatur och tidigare temperaturmätningar.

Att utrusta rotorlindningen med resistiva temperatursensorer är en föredragen utföringsform vid användning av den föreliggande uppfinningen för både synkron- och asynkronmaskiner. För rotorlindningen på en synkronmaskin kan medeltemperaturen emellertid bestämmas med god noggrannhet genom att mäta ström och spänning till rotorlindningen. För en asynkronmaskin är denna metod lite mindre användbar eftersom läckreaktansen och eftersläpningen inverkar på sambandet. Andra, mer komplicerade metoder, bör då utnyttjas som inför en ström i lindningen med en annan frekvens. Detta kräver emellertid en grundlig analys av hur maskinen svarar på strömmar vid olika frekvenser.

För växelströmsmaskiner med lindad rotor sitter traditionellt kontroll- enheten som styr rotorströmmen stationärt på utsidan av maskinen. Med borstlös magnetisering av en synkronmaskin regleras i allmänhet rotorströmmen genom att styra magnetiseringen till magnetiserings- maskinen, såsom det visas i fig. 11. Med statisk magnetisering av en synkronmaskin sitter nonnalt växe1ströms-likströms-omvandlaren utanför maskinen och strömmen överförs via släpringar till rotorlindningen, såsom visas i fig. 10. En asynkronmaskin med lindad rotor utformas normalt med släpringar så att rotorlindningen kan matas med en växelspänning eller ström från en frekvensomformare som sitter utanför maskinen. Ett gemensamt särdrag för dessa alternativ är att när styrenheten för rotorströmmen sitter utanför maskinen (och inte på axeln) behövs en kommunikationslinje mellan rotor och stator. Detta kan realiseras på flera sätt beroende på krav på antal mätpunkter och noggrannhet och vad som _ _ ska mätas.

:..I:30 n För mätning av rotortemperatur är det en föredragen utföringsform att montera 2 - 10 temperatursensorer (t.ex. Pt-100-element) på utvalda ställen i rotorlindningen och att överföra mätsignalema till de stationära m. í:____________ »unna *,_:åo øøøø oo 516 408 _ _21 kontrollenheten via en digital radioförbindelse mellan stator och rotor, såsom visas i fig. 10 och 11. Energi till kommunikationslinjen och mätsystemet hämtas från en stabiliserad strömförsörjning som sitter på maskinens axel och som hämtar sin energi från rotorlindningen.

Alternativt kan analog kommunikation användas. Kommunikationen kan då göras trådlöst eller, såsom visas i fig. 12, via släpringar.

I de ovan beskrivna utföringsformerna sänds mätdata avseende lindnings- temperatur till en processeringsenhet. Denna processeringsenhet används i en utföringsform av den föreliggande uppfinningen till styrning av rotorströmmen. Detta kan enkelt ske genom att, såsom antyds i ñgurema -12, ansluta processeringsenheten till en omvandlare eller strömgenerator.

Temperaturuppgifterna kan även användas för att styra statorströmmar. I en enkel realisering av detta styrförfarande baserar sig styrningen av strömmen endast på de uppmätta temperaturerna och yttre tillfört data om önskad drift. Annan information kan emellertid också vara användbar vid stymingen av strömmarna. Sådan information kan t.ex. utgöras av kalibrerings- mätningar, liknande de som behövs för användning av indirekt temperatur- mätning.

Det har under senare årtionden funnits en tydlig trend att miniatyrisera elektronik för Signalbehandling. Telekommunikation kan sägas vara nästan helt digital idag i sina väsentliga delar. Signalbehandling i styr- och reglerkretsar har också miniatyriserats och det går lätt att implementera intern digital Signalbehandling i t.ex. strömriktare, både växelström- likströms-omvandlare och växelström-likströms-omvandlare. Att utföra sådana kretsar med analog teknik medför inget mervärde, eftersom den digitala upplösningen både vad amplitud och tid beträffar är tillräckligt stor.

Digital kommunikation är även att föredra p.g.a. andra aspekter såsom möjlighetema att ställa in och trimma reglerkretsarnas parametrar på distans. En ursprunglig parameterinställning kan sålunda bytas ut under drift till en modifierad parameterinställning grundad på tidigare driftdata. unna: n: n I a a 0 a n _30 o o n v al: 51622408 En föredragen utföringsform av styrsystemet visas schematiskt i fig. 13. En processeringsenhet 100 är anordnad att ta emot mätresultat från temperaturmätningar från stator- och/ eller rotortemperaturgivare 102 respektive 104. Processeringsenheten 100 är dessutom ansluten till ett styrorgan 108, som avser styrning av stator- och/ eller rotorström.

Processeringsenheten 100 är i denna föredragna utföringsform även ansluten till en lagringsenhet 106 för temperaturdata. Detta temperaturdata kan innefatta enkel gränsvärdesinformation som kan tillföras genom manuell inmatning, såsom information om nominell och maximal stator- och rotortemperatur. Datat kan även innefatta uppmätta och/ eller uppskattade samband mellan rotor- och statorström, och rotor- och statortemperatur vid stationärt tillstånd. Sådant data kan t.ex. tillföras vid kalibreringskömingar.

Vidare kan de uppmätta temperaturema under drift lagras och bearbetas efter hand, för att uppdatera och korrigera sådana samband. Även data som beskriver rotoms och statoms temperaturhistoria kan lagras, för att kunna användas vid beslut om hur hårt maskinen kan köras.

En processeringsenhet 100 med tillgång till en välförsedd databas av temperaturuppgifter kan programmeras på tillhandahålla en styrning av en materialmarginaler. Databasens innehåll kan användas för att vid varje lämpligt sätt för att mycket intelligent maskins tillfälle beräkna den samlade temperaturrnarginal som finns att tillgå i en växelströmsmaskin. I en nödsituation, t.ex. om en spänningskollaps på elkraftnätet är farligt nära, kan sådana temperaturmarginaler då lätt användas för att temporärt rädda situationen. En medveten drift av maskinen över dess märkvärden kan enligt den föreliggande uppfinningen ske på grund av den tillförlitliga övervakningen av temperaturskeendet i maskinen.

Processeringenheten 100 kan även användas för att realisera ett flexibelt och intelligent skydd eller begränsningsanordning för maskinen. Om något onormalt inträffar, såsom en felaktig nätspänning, ändras normalt øøøø en o 516 408 . 23 maskinens drifttillstånd. Genom att kunna detektera t.ex. tidsderivatan av temperaturer i lindningarna, kan ett fel snabbt detekteras. Detta kan även användas som en ren indikation av vissa elkraftnätsfel, såsom beskrivs i "Rotor heating as an indicator of system voltage instability", IEEE Trans. on Power Systems, Vol. 10, Nr. 1, Feb. 1995, sid. 175-81. För att undvika att en maskin slås av helt och hållet, och därmed förvärrar tillståndet för ett redan instabilt elkraftnät, kan i sådana situationer maskinen styras över att köra i något annat drifttillständ, som inte riskerar att hetta upp stator eller rotor till otillåtna temperaturer. Dessutom skulle man i sådana situationer medvetet kunna låta maskinen bli varmare än den nominella temperaturen, medan felet som orsakar upphettningen åtgärdas. Man måste emellertid alltid se till att temperaturerna alltid håller sig under en maximal nivå, där risk för skador på maskinen finns även under en kortare driftperiod.

En styrning av maskinen, för att undvika avstängning, kan normalt drivas till en viss gräns, då t.ex. förhållandet mellan aktiv och reaktiv effekt blir så onormal att maskinen riskerar att bli instabil. En mjuk och väl reglerad avstängning kan då ske.

Konceptet med information om termiska materialmarginaler kan även föras ut på elkraftanläggningsnivå eller elkraftnätsnivå. Med elkraftanläggning avses i denna ansökan en anläggning innefattande en grupp av växelströmsmaskiner, vilka är belägna inom ett begränsat område och drivs på ett samordnat sätt och vilka företrädesvis tillhör samma operatör. En elkraftanläggning enligt ovanstående definition kan typiskt sett bestå av ett , , _ __ antal växelströmsmaskiner, transformatorer, ledningar, kablar, samlingsskenor, frånskiljare och brytare samt tillhörande mät- och stålldon.

Med elkraftnät avses i denna ansökan ett nät av sammankopplade elkraftanläggningar som typiskt sett är spridda över ett vidare geografiskt ;' ' :3 0 område.

Fig. 14a och 14b visar schematiskt en elkraftanläggning, i vilken ett antal växelströmsmaskiner 202 ingår. Tillsammans med styrutrustning för 1 6244 0 8 i ':É":ï :° :"::": :":°ff' “Éiziï maskinen utgör växelströmsmaskinen 202 en maskinenhet 211. Varje maskinenhet 211 utgör en del av en elkraftanlåggning (enligt tidigare definition), vilken via kraftledningar eller kablar 201 är ansluten till ett elkraftnät 200. Maskinema är utrustade med temperaturgivare 203 enligt den föreliggande uppfinningen, och temperaturdata samlas upp av en styrenhet 204 vid varje maskin. Styrenheten 204 innefattar logiskt processeringsenheten i tidigare beskrivning. En grupp av maskinenheter 211 styrs allmänt av en driftledningsenhet 206. Enligt den föreliggande uppfinningen upprättas ett antal kommunikationsanordningar 205 mellan styrenhetema 204 för maskinerna och driftledningsenheten 206. Om ett fel inträffar i nätet, kan driftledningsenheten 206 överföra information om detta till de olika styrenhetema, eventuellt kopplat med en önskan om att temporärt kunna driva maskinerna på ett speciellt sätt. De respektive styrenheterna 204 kan å sin sida upplysa nätövervakningsenheten 206 om sitt aktuella drifttillstånd och ifall några tendenser till nätinstabilitet har detekterats.

Speciellt kraftfullt blir en sådan konfiguration om driftledningsenheten 206 har tillgång till det innevarande temperaturtillståndet för de olika maskinerna, dvs. till temperaturmätvärdena eller därur beräknade associerade storheter. På samma sätt som för styrningen av varje enskild maskin, är även tillkommande temperaturdata intressant. Om driftledningsenheten 206 har tillgång till både den aktuella temperaturen för de olika maskinerna och lagrad information om hur stora temperaturmarginaler som finns i var och en av maskinerna, kan detta utnyttjas till att kontinuerligt uppdatera driftplanema för hur man ska 'z-'É kunna hantera olika typer av fel eller driftsituationer. Om driftledningsenheten 206 vet att en viss maskin har en stor marginal att utnyttja, kan denna efterfrågas vid en felsituation, för att kanske kunna BO rädda andra maskiner med mindre marginal kvar i nätet.

En databas med temperaturdata för de olika maskinerna är alltså att föredra. Denna kan anordnas i anslutning till varje styrenhet, såsom anno» 24.30 a ø v n a. 516 408 . 25 beskrivits ovan. Temperaturdatabasen eller en kopia av den kan också finnas tillgänglig i driftledningsenheten 206, så att inga temporärt avbrutna informationsledningar kan äventyra styrmöjligheterna. Driftledningsenheten 206 innefattar därför företrädesvis ett minnesorgan för lagring av databasen.

Informationen i databasen kan vid ett senare tillfälle användas för analys för att öka kunskapen om anläggningens beteenden vid såväl normal drift som vid störningar. Uppgifterna kan även användas för att analysera anläggningens effektivitet och för att kunna planera framtida driftsätt.

Databasen innefattar sålunda både historisk information, rörande maskinemas tidigare drift, men även information som behövs för att åstadkomma en lämplig styrning av maskinerna. Databasen kan t.ex. innehålla maskinens respons vid tidigare inträffade stömingar.

Nätkommunikationsanordningarna 205 kan arbeta enligt olika kommunikationsmetoder enligt teknikens ståndpunkt. Sådana metoder kan bygga på fasta förbindelser i form av t.ex. metalliska ledningar eller ñberoptik, eller på trådlös överföring, såsom radio eller radiolänk. Vid sammankoppling av flera produktionsledningsenheter kan ett nät av kommunikationsanordningar byggas upp. Ett sådant nät bidrar till alternativa kommunikationsvägar, vilka kan utnyttjas i de fall någon eller några kommunikationsanordningar av någon anledning inte är tillgängliga.

Genom lämpliga kombinationer av redundanta kommunikationsvägar och lagring av information i databaser kan produktionsledningsenheten 206 genomföra beräkningar och uppdateringar av driftplaner, exempelvis genom att extrapolera tillståndet i maskiner och använda resultaten från egenvårdesberäkningar, även om någon eller nägra kommunikationsanordningar och /eller sensorer för tillfället inte fungerar.

Möjligheten att bygga upp ett driftsäkert nät är av särskilt stor vikt exempelvis vid ansträngda driftsituationer eller under driftåteruppbyggnaden efter en större driftstöming.

Konceptet med utnyttjande av konstruktionsmarginaler kan såsom tidigare påpekats även föras ut på elkraftnätsnivå. Organ för styrning och annu: šfw 516 408 , 26 övervakning av elkraftnätet, en nätövervakningsenhet 212, ansvarar för driften av elkraftnätet i stort, och kan på motsvarande sätt som ovan beskrivits kommunicera med elkraftanläggningarnas driftledningsenheter 206 eller enskilda elektriska maskiner 202, för att kunna få information om eventuella marginaler. Dessa marginaler kan sedan användas för en optimering av större områden eller elkraftnätets totala drift.

Den information som överförs från en elkraftanläggning eller enskild elektrisk maskin till en nätövervakningsenhet 212 på elkraftnätsnivå, torde företrädesvis vara av en mer summarisk typ än lägre ned i hierarkin. En elkraftnätsoperatör har framför allt intresse av att känna till tillgängliga effektresurser på olika ställen i nätet och de eventuella kostnader som är förknippade med att utnyttja dessa. De detaljerade förhållandena angående maskinemas individuella temperaturmarginaler är av mindre intresse, framför allt för en hierarkiskt överordnad elkraftnätsoperatör. Det är även av intresse för en operatör av en elkraftanläggning att kunna begränsa informationsutbytet, eftersom en del av den tillgängliga informationen kan användas som konkurrensmedel mot konkurrerande operatörer.

Nätövervakningsenhetens 212 uppgifter utgörs av att säkerställa möjlighetema till en säker och ekonomiskt optimal drift av elkraftnätet.

Detta kan innefatta kommunikation av såväl informationsutbyte och börvärden som styrsignaler till både produktionsledningsenheter 206 och elkraftnät 200. Under normaldriftförhållanden kan styrningen av produktionsledningsenheter 206 baseras på ekonomiska styrsignaler, medan det kan vara nödvändigt att skicka direkta styrkommandon vid allvarliga driftstömingar, i syfte att rädda elkraftnätets integritet och kontinuerliga drift. Informationsutbytet mellan nätövervakningsenheten 212 och övriga enheter bör ske i form av meddelanden, vilka kan förutom adress och meddelande kan innehålla säkerhetsnycklar (kryptering) för att begränsa vilka som har rätt att ta del av informationen. Genom att utnyttja olika behörighetskriterier för olika enheter (utnyttjare) i kommunikationssystemet kan fullgod sekretess mot obehörig spridning av information erhållas.

Möjligheten att bestämma vilken information varje utnyttjare har tillgång till -uuøn :na:,3O oooo nu 516 408 =ïïš*ffš-ê"'=;ïï;- -=' I _27 . . . . .. .. .. . minskar risken för spridning av känslig information och möjliggör att exempelvis samarbetspartners kan få tillgång till mer information än andra helt externa parter.

En föredragen utföringsform av en driftledningsenhet 206 i en elkraftanläggning innefattar sålunda ett organ för extern kommunikation.

Detta organ är anordnat för att dels ta emot och tolka meddelanden från extema enheter, såsom t.ex. en operatör av ett elkraftnät och dels sända ut vald information till de extema enheterna.

Den föreliggande uppfinningen kan naturligtvis utnyttjas vid installation av ny utrustning i ett elkraftnät. Förfarandena och anordningarna år emellertid av ett sådant slag att de med fördel även kan användas vid renovering av beñntlig utrustning. I många fall leder renovering av gammal utrustning till stora termiska materialmarginaler, om turbiner eller andra mekaniska arrangemang inte kan uppgraderas i samma grad, varvid dessa maskiner med fördel kan utnyttjas för styrningsändamål.

Fig. 15 visar schematiskt styrningsförfarandet för en roterande elektrisk växelströmsmaskin enligt den föreliggande uppfinningen. Processen startar i steg 300. I steg 302 mäts stator- och/ eller rotorlindningarnas temperatur kontinuerligt eller intermittent. I steg 304 används dessa mätdata för att styra växelströmsmaskinens fortsatta drift, så att en teriniskt kontrollerad optimering av effektomvandlingen erhålls. Processen avslutas i steg 310.

Fig. 16 visar schematiskt skyddsförfarandet för en roterande elektrisk växelströmsmaskin enligt den föreliggande uppfinningen. Processen startar i steg 300. I steg 302 mäts stator- och/ eller rotorlindningarnas temperatur kontinuerligt eller intermittent. I steg 306 används dessa mätdata för att styra lindningsströmmarna så lindningarrias temperatur regleras inom tillåtna värden. Processen avslutas i steg 310.

Fig. 17 visar schematiskt styrningsförfarandet för en elkraftanläggning enligt den föreliggande uppfinningen. Processen startar i steg 300. I steg 302 mäts stator- och/ eller rotorlindningarnas temperatur i växelströmsmaskiner i elkraftanläggningen kontinuerligt eller intermittent. I steg 308 används dessa mätdata för att styra elkraftanläggningens effcktomvandling på ett kontrollerat och optimalt sätt. Processen avslutas i steg 310.

Fackmannen inser att olika modifieringar och förändringar kan göras vid föreliggande uppfmning utan avvikelse från uppfinningens ram, som definieras av de bifogade patentkraven.

Innan 516 år) s g __. =..E_š..š¿¿ _ ny;

Claims (35)

10 15 20 25 30 516 408 llq ' ' ° ' --"--' J. J. J? NYA PATENTKRÅV

1. Förfarande för styrning av effektomvandlingen för roterande elektrisk växelströmsmaskin som har en stator (28) och rotor (14) med lindningar (26, 12) som har fast isolering, kännetecknat av stegen direkt mätning, kontinuerligt eller intermittent, av temperaturen vid kritiska punkter för rotorlindningarna (12) och / eller dess isolering; samt optimering av växelströmsmaskinens effektomvandling på ett terrniskt kontrollerat sätt genom styrning av växelströmsmaskinens fortsatta drift genom användning av uppmätt temperatur som styrparameter för rotorström.

2. Förfarandet enligt patentkrav 1, känneteclmat av det ytterligare steget: _ direkt mätning, kontinuerligt eller intermittent, av temperaturen vid kritiska punkter för statorlindningarna (26) och/ eller dess isolering, varvid optimeringssteget utförs under användning även av den uppmätta statorlindningstemperaturen.

3. Förfarandet enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknat av att optimeringssteget i sin tur innefattar steget att under en tidsbegränsad period styra rotorströmmen till ett värde som överskrider dess märkvärde.

4. Förfarandet enligt patentkrav 3, kännetecknat av att optimeringssteget vidare innefattar steget att under en tidsbegränsad period styra statorströmmen till ett värde som överskrider dess märkvärde.

5. Förfarandet enligt något av patentkraven 1 till 4, kännetecknat av att optimeringssteget vid generatordrift ändrar förhållandet mellan uttagen aktiv effekt och uttagen/ tillförd reaktiv effekt.

6. Förfarandet enligt något av patentkraven l till 5, kännetecknat av att optimeringssteget vid generatordrift ändrar storleken av uttagen/ tillförd reaktiv effekt. 10 15 20 25 30 516 408 ' ao a-a :es

7. Förfarandet enligt något av patentkraven 1 till 4, kännetecknat av att optimeringssteget vid motordrift ändrar förhållandet mellan tillförd aktiv effekt och uttagen/ tillförd reaktiv effekt.

8. Förfarandet enligt något av patentkraven l till 4 och 7, kännetecknat av att optimeringssteget vid motordrift ändrar storleken av uttagen/ tillförd reaktiv effekt.

9. Förfarandet enligt något av patentkraven 1 till 8, kännetecknat av att optimeringen sker så att ett förutbestämt maximumvärde för temperaturen för rotorlindningarna (12) och/ eller dess isolering aldrig överskrids.

10. Förfarandet enligt patentkrav 9, kännetecknat av att optimeringen sker så att ett förutbestämt maxirnumvärde för temperaturen för statorlindningarna (26) och / eller dess isolering aldrig överskrids.

11. Förfarandet enligt något av patentkraven 1 till 10, kännetecknat av att optimeringen sker så att det nominella värdet för temperaturen för rotorlindningaina (12) och/ eller dess isolering endast överskrids under en tidsbegränsad period.

12. Förfarandet enligt patentkrav ll, kännetecknat av att optimeringen sker så att det nominella värdet för temperaturen för statorlindningarna (26) och/ eller dess isolering endast överskrids under en tidsbegränsad period.

13. Förfarandet enligt något av patentkraven 1 till 12, kännetecknat av att styrningen av växelströmsmaskinens fortsatta drift använder kalibreringsbara parametrar, varvid förfarandet vidare innefattar steget: modifiering av de kalibreringsbara parametrarna grundat på tidigare driftdata. 10 15 20 25 30 5 1 6 4 0 8 A ' :ax

14. Förfarande för styrning av effektomvandling i en elkraftanläggning, innehållande åtminstone en roterande elektrisk växelströmsmaskin (202) som har som har en stator och rotor med lindningar som har fast isolering, kännetecknat av stegen: direkt mätning, kontinuerligt eller interrníttent, av temperaturen för kritiska punkter för växelströmsmaskinens rotorlindnirigar och/ eller dess isolering, samt optimering av effektomvandlingen för växelströmsmaskinen (202) på ett terrniskt kontrollerat sätt, när elkraftanläggningen har en oönskad fördelning av omvandlingen av aktiv och reaktiv effekt, genom styrning av växelströmsmaskinens fortsatta drift genom användning av uppmätt temperatur som styrparameter för rotorström.

15. Förfarandet enligt patentkrav 14, kännetecknat av att optimeringen av effektomvandlingen sker baserat på förlagrade uppgifter om växelströms- maskinens (202) temperaturmarginaler.

16. Förfarandet enligt patentkrav 14 eller 15, kännetecknat av det ytterligare steget: kommunicering av data avseende växelströmsmaskinens (202) drift från styrenheten (34; 204) till en till elkraftanläggningen tillhörande driftledningsenhet (206).

17. Förfarandet enligt patentkrav 14, 15 eller 16, kännetecknat av det ytterligare steget: kommunicering av instruktioner och/ eller förfrågningar avseende vâxelströmsmaslcinens (202) drift från driftledningsenheten (206) till styrenheten (34; 204).

18. Förfarandet enligt patentkrav 16 eller 17, känneteclmat av att kommunikationen mellan driftledningsenheten (206) och styrenheten (34; 204) sker via metalledningar eller optiska fibrer. 10 15 20 25 30 516 4 0 8 , #52

19. Förfarandet enligt patentkrav 16 eller 17, kännetecknat av att kommunikationen mellan driftledningsenheten (206) och styrenheten (34; 204) sker via radio eller radiolänk.

20. Förfarandet enligt något av patentkraven 14 till 19, kännetecknat av steget: överföring av meddelanden mellan driftledningsenheten (206) och externa enheter.

21. Roterande elektrisk våxelströmsmaskin innefattande en stator (28) med lindningar (26) som har fast isolering, en rotor (14) med lindningar (12) som har fast isolering och en styrenhet (34; 204) för styrning av rotorström, och kännetecknad av en vid rotorlindningarna (12) och/ eller dess isolering anordnad rotortemperatursensor (l6; 203), vilken kommunicerar med styrenheten (34; 204), varvid signaler från rotortemperatursensorn (l6; 203) som representerar temperaturvärden ligger till grund för styrningen av rotorströmmen.

22. Den roterande elektriska växelströmsmaskinen enligt patentkrav 21, kännetecknad av att styrenheten (34; 204) är anordnad för styrning av statorström; och av en vid statorlindningarna anordnad statortemperatursensor (30; 203), vilken kommunicerar med styrenheten (34; 204); varvid signaler från statortemperatursensorn (30; 203) som representerar temperaturvärden ligger till grund för styrningen av statorströmmen.

23. Den roterande elektriska växelströmsmaskinen enligt patentkrav 21 eller 22, kännetecknad av att styrenheten (34; 204) är anordnad vid en 10 15 20 25 30 516 408 ss stationär del av växelströmsmaskinen och att växelströmsmaskinen vidare L n innefattar kommunikationsorgan (20, 21; 66, 68) för överföring av information från rotortemperatxlrgivaren (16, 2Q3) till styrenheten (34; 204).

24. Den roterande elektriska växelströmsmaskinen enligt patentkrav 21, 22 eller 23, kännetecknad av att kommunikationsorganet är ett trådlöst kommunikationsorgan (20, 2 1).

25. Den roterande elektriska våxelströmsmaskinen enligt något av patentkraven 21 till 24, kännetecknad av en lagringsenhet (106) för lagring av temperaturdata för växelströrnsrnaskinen.

26. Den roterande elektriska vâxelströmsmaskinen enligt patentkrav 25, kännetecknar! av att temperaturdatat innefattar åtminstone en av följande typer av data: nominell statortemperatur, nominell rotortemperatiir, maximal statortemperatur, maximal rotorternperattlr, samband mellan rotorström och rotortemperatur vid stationärt tillstånd, samband mellan statorström och statortemperatur vid stationärt tillstånd, rotorns temperaturhistoria, samt statoms temperaturhistoria.

27. Elkraftanläggriing innefattande ett antal roterande elektriska våxelströmsmasldner (202) som har en stator (28) och en rotor (14) med lindningar (26; 12) som har fast isolering, en driftledningsenhet (206); och kännetecknad av att åtminstone en av de roterande elektriska växelströmsmaskinerna (202) innefattar en styrenhet (34; 204) för styrning av rotorström och en vid 10 15 20 25 30 516 408 _ .sa rotorlindningen (12) och/ eller dess isolering anordnad temperatursensor (16, 30; 203), vilken kommunicerar med styrenheten (34; 204), varvid signaler från temperatursensorn (16, 30; 203) som representerar temperaturvården ligger till grund för styrningen av rotorströmmen.

28. Elkraftanlâggningen enligt patentkrav 27, kännetecknad av kommunikationsanordningar (205) mellan styrenheten (34, 204) och driftledningsenheten (206) för överföring av information associerad med signalerna från temperatursensorn (16, 30; 203).

29. Elkraftanläggriingen enligt patentkrav 28, kännetecknad av att kommunikationsanordningarna (205) innefattar fysiska ledningar i forrn av metalledningar eller optiska fibrer.

30. Elkraftanläggningen enligt patentkrav 28, kännetecknad av att kommunikationsanordningarna (205) innefattar organ för överföring via radio eller radiolänk.

31. Elkraftanläggningen enligt något av patentkraven 27 till 30, kännetecknad av en lagringsenhet (106) för temperaturdata för våxelströmsmasldnen.

32. Elkraftanläggningen enligt patentkrav 31, kännetecknad av lagringsenheten (106) för temperaturdata innefattas i styrenheten (34 ; 204).

33. Elkraftanläggningen enligt patentkrav 31, kännetecknad av lagringsenheten (106) för temperaturdata innefattas i driftledningsenheten (206).

34. Elkraftanläggningen enligt patentkrav 31, 32 eller 33, kännetecknad av att temperaturdatat för växelströmsmaskinen innefattar åtminstone en av följande typer av data: 10 15 ann... »v > »v o 51,6 4,08 jš nominell statortemperatur, en o o nu o ~ . -annan u c n oo nominell rotortemperatur, maximal statortemperattir, maximal rotortemperattlr, samband mellan rotorström och røtortemperatur vid tillstånd, samband mellan statorström och statortemperatur vid stationärt tillstånd, rotorns temperaturhistoria, samt stationärt statorns temperaturhistoria. '

35. Elkraftanlåggxiingen enligt något av patentkraven 27 till 34, känneteclmad av att driftledningsenheten (206) innefattar organ för överföring av meddelanden till och från externa enheter.