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Leistungs-Regeleinrichtung für Windkraftanlagen
Die Erfindung bezieht sich auf die Leistungsregelung von Windkraftanlagen mit einem elektrischen (Wechselstrom-) Generator als Arbeitsmaschine, mit einer zwischen dem Windrad und dem Generator eingebautenRutschkupplung, mit einer Einrichtung zum Drehen des ganzen Rades in und ausser Wind, so- wie mit einem durch eine übersetzte Abtriebswelle zwischen dem Windrad und der Rutschkupplung an- getriebenen Drehzahlregler und hat zum Ziel, die Leistungsaufnahme des Windrades so zu regeln, dass alle Getriebeteile und der Generator nicht überlastet werden können, gleichviel, ob der Generator in ein vorhandenes Stromnetz speist (Parallelbetrieb), oder ob der Generator nur ein ihm eigens zugeordnetes Netz zu versorgen hat (Einzelbetrieb).
Windkraftanlagen mit den vorgenannten Einrichtungen sind bekannt. Die Rutschkupplung allein kann den Generator auch vor einer Überlastung schützen, nicht aber sich selbst, wenn das Windangebot grösser ist als die maximale Leistungsaufnahme des Generators.
Mit dem Drehzahlregler kann wohl eine annähernd konstante Drehzahl für das Windrad eingehalten werden. Die untere Drehzahlgrenze darf dabei aber die Solldrehzahl des Generators nicht unterschreiten und die obere Grenze darf nicht wesentlich höher liegen als die untere, damit die Rutschkupplung durch andauerndes Rutschen bei Windüberangebot keinen Schaden erleidet.
Eine solch genaue, auf die Frequenz des Stromnetzes abgestimmte Drehzahlregelung für das Windrad bedingt aber sehr feinfühlige und kostspielige Einrichtungen und kann trotzdem zu Betriebstörungen Anlass geben, wenn sich die Netzfrequenz aus irgendeinem Grunde ändert. Dies trifft vor allem für Windkraftanlagen zu, welche vor dem Generator keine Rutschkupplung eingebaut haben und der Generator mit dem Windrad starr gekuppelt ist. Bei solchen Anlagen ist durch den Drehzahlregler allein auch der Generator vor einer Überlastung nicht geschützt, da das Windrad auch bei konstant gehaltener Drehzahl jedes Wind- überangebot aufnehmen kann.
Die bisherige Unvollkommenheit der Leistungsregelung solcher Anlagen wird zur Vollkommenheit, wenn die Leistungsaufnahme des Windrades gemäss der Erfindung zusätzlich in Abhängigkeit von der Grenzleistung des Generators geregelt wird.
Die Grenzleistung des Generators wird durch ein Wattmeter angezeigt. Versieht man ein solches Wattmeter mit Kontakten, wovon ein Kontakt die oberste Grenzleistung bedeutet und ein zweiter Kontakt eine Leistungsgrosse bedeutet, die unter der obersten Grenzleistung liegt, und verbindet man diese beiden Kontakte mit einem elektrischen Stellmotor, der die Verstelleinrichtung für die Windfahne betätigt, so wird die Windfahne verstellt und dadurch das Windrad ausser oder in den Wind gedreht, sobald der Zeiger des Wattmeters den obersten oder den unteren Grenzkontakt gibt. Der Zeiger des Wattmeters ist über eine elektrische Stromquelle mit dem Stellmotor verbunden.
Wenn man zu dieser leistungsabhängigen Regelung, als eine zweite Regelung, eine Drehzahlregelung mittels Fliehkraftregler parallel schaltet, so wird bei jedem Windüberangebot die ganze Windkraftanlage vor einer Überlastung geschützt und auch eine Leerlaufdrehzahl bestimmt, gleichgut, ob der Generator ein ihm eigens zugeordnetes Stromnetz zu speisen hat oder ob er mit einem andern Stromnetz parallel geschaltet ist. Der Fliehkraftregler, der zwischen dem Windrad und der Rutschkupplung angetrieben wird, steuert einen Kontaktgeber, der auch zwei mit dem Stellmotor verbundene Kontakte betätigt. Dieser Kontaktgeber ist ebenfalls über die Stromquelle mit dem Stellmotor verbunden.
Der Fliehkraftregler bestimmt die Drehzahl des Windrades für Einzelbetrieb auch bei nur teilweiser
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Belastung des Generators und für Parallelbetrieb bestimmt er nur die Leerlaufdrehzahl der Anlage bei abgeschaltetem Generator.
Die leistungsabhängige Regeleinrichtung bestimmt nur die maximale Leistungsaufnahme des Windrades für den Generator und schützt dadurch die ganze Anlage vor einer Überlastung.
Nimmt man an, dass im Generator ein Schaden auftreten könnte, z. B. ein Lagerbruch, wodurch der Generator zum Stillstand käme, so würde sich ein solcher Schadensfall besonders auf die Rutschkupplung auswirken.
Um auch dann die Rutschkupplung vor Schaden zu schützen, sind anstatt nur einem Fliehkraftregler zwei Fliehkraftregler erforderlich, wovon einer zwischen dem Windrad und der Rutschkupplung und der andere zwischen der Kupplung und dem Generator angetrieben wird. Diese beiden Regler betätigen gemeinsam einen Kontaktgeber, der als ein Differential-Getriebe ausgebildet ist. Ein Drehzahl-Unterschied zwischen beiden Kupplungshälften kann dann nur so gross werden, wie der Unterschied ist, den die verschiedene Drehzahl-Einstellung beider Regler aufweist.
In der Zeichnung sind zwei beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung schematisch dargestellt.
Die Fig. 1 der Zeichnung stellt die eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Windkraftanlage schematisch dar. Fig. 2 zeigt nur den als Differentialgetriebe ausgebildeten elektrischen Kontaktgeber, bei Anwendung von zwei Fliehkraftreglern.
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die ihrerseits wiederum mit einem gemeinsamen Triebrad 7 kämmen. Von diesen Abtrieben sind nur. zwei gezeichnet. 4 ist ein Zahnritzel eines solchen Abtriebes, mitdem Triebrad 3 kämmt und durch die Welle 5 mit dem Zahnrad 6 verbunden ist. Das Zahnrad 6 kämmt mit dem Zahnrad 7, das auf der Kupplung9hälfte 8. befestigt und mit dieser auf der Windradwelle 2 drehbar gelagert ist. 9 ist die Rutschkupplung und
10 die zweite Kupplungshälfte mit der das Zahnrad 11 verbunden und drehbar auf der Welle 2 gelagert ist.
Das auf der Welle des Generators 13 befestigte Zahnrad 12 kämmt mit Rad 11 und treibt den Generator an.
14 ist die verstellbare Windfahne, die zum Drehen des Windrades 1 in und ausser Wind dient. 15 ist deren Verstellantrieb und 16 ist der elektrische Stellmotor für den Antrieb 15. 20 ist das die Leistung des Generators 13 messende Wattmeter. 21 und 22 sind verstellbare Kontakte, die mit dem Stellmotor 16 verbunden sind. Der kontaktgebende Zeiger 23 ist durch die Leitung 24 mit der elektrischen Energiequelle 25 und über diese durch die Leitung 26 mit dem Stellmotor 16 verbunden. Wenn der Zeiger 23 des Wattmeters 20 einen der beiden Kontakte 21 oder 22 betätigt, z. B. Kontakt 21, dann wird die Windfahne 14 durch den Verstellantrieb 15 mittels des Stellmotors 16 in den Wind gestellt, weil dieser Kontakt 21 unterhalb der Grenzleistung des Generators liegt.
Kontakt 22 stellt die Grenzleistung dar und bei dieser Kontaktgabe des Zeigers 23 wird das Rad ausser Wind gedreht. 30 ist der Fliehkraft-Drehzahlregler, der den Kontaktzeiger 31 und durch diesen die Kontakte 32 und 33 betätigt. Der Kontaktzeiger 31 ist wie der Kontaktzeiger 23 durch die Leitung 24 mit der elektrischen Energiequelle 25 verbunden. Die beiden Kontakte 32 und 33 sind wie die Kontakte 21 und 22 mit dem elektrischen Stellmotor 16 verbunden ; dadurch ist der Drehzahlregler mit dem Wattmeter in bezug auf den Stellmotor parallelgeschaltet.
In Fig. 2 bezeiclmet 40 eine drehbar gelagerte Welle, mit der der kontaktgebende Zeiger 41 fest verbunden ist. Auf diesem Zeiger 41 ist das Kegelritzel 44 des Differentialgetriebes 42, 43 drehbar gelagert.
Die Differential-Zahnräder 42 und 43, jedes für sich auf der Achse 40 drehbar gelagert, sind je mit einem Fliehkraftregler derart verbunden, dass ein Regler zwischen dem Windrad und der Rutschkupplung und der andere zwischen der Kupplung und dem Generator angetrieben wird. Die Regler und die Verbindung derselben mit den Differential-Zahnrädern 42 und 43 sind der Übersicht wegen nicht angedeutet. Der Zeiger 41 betätigt die Kontakte 45 und 46, die den Kontakten 32 und 33 (Fig. 1) entsprechend mit dem Stellmotor 16 zu verbinden sind, wie auch der Zeiger 41 mit der elektrischen Energiequelle 25 zu verbinden ist.
Die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Leistungs-Regeleinrichtung ist :
Bei Einzelbetrieb : Die Verbindung von Kontakt 21 mit dem Stellmotor 16 bleibt dabei unterbrochen, weil Teilbelastungen des Generators innerhalb der Drehzahlgrenze des Fliehkraftreglers liegen. Der Regler 30 bestimmt die Drehzahl des Windrades und des Generators für alle Teilbelastungen innerhalb der Belastungsgrenze des Generators. Wird diese überschritten, dann wird durch die Kontaktgabe 22 des Wattmeters der Stellmotor das Windrad ausser Wind drehen, dessen Leistungsaufnahme kleiner, die Drehzahl absinken, Kontakt 22 wieder geöffnet und der Regler 30 übernimmt wieder die Regelung.
Bei P arallelbetrieb : Bleibt die Verbindung von Kontakt 32 mit dem Stellmotor 16 unterbrochen, weil die Drehzahl des Generators durch die Netzfrequenz bestimmt wird und deshalb eine untere
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Drehzahlgrenze nicht gegeben ist.
Bei Kontaktgabe 22 des Wattmeters wird das Windrad ausser Wind gedreht, die Leistungsaufnahme sinkt ab, Kontakt 22 wird wieder geöffnet und wenn die Leistungsabgabe des Generators so weit abgesunken ist, dass der Zeiger 23 den Kontakt 21 schliesst, dann wird das Windrad wieder mehr in den Wind gedreht. Der Fliehkraftregler 30 hat also nur die höchste zugelassene Drehzahl des Windrades zu regeln, wenn der Generator keine Belastung hat.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Leistungs-Regeleinrichtung für Windkraftanlagen zur Erzeugung elektrischen Stromes, wobei eine das Windrad in und ausser Wind drehende Windfahne von einem elektrischen Stellmotor verstellt wird und bei welchem eineRutschkupplung zwischen dem Windrad und dem Generator angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass Kontakte (21, 22) eines die Leistung des Generators113) messenden Wattmeters (20) mit dem elektrischenStellmotor (16) derVerstelleinrichtung (15) für die Windfahne (14) verbunden sind.