AT507643A2 - Verbesserungen für und bezogen auf die erzeugung elektrischer energie aus einem fluidstrom - Google Patents

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Description

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Verbesserungen für und bezogen auf die Erzeugung elektrischer Energie aus einem Fluidstrom
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Regelung bzw. Steuerung der Erzeugung von elektrischer Energie durch Fluidströmung drehend angetriebenen Turbomaschinen, wie z.B. Windoder Wasserturbinen. Während die Energieerzeugung mittels Turbinen usw., getrieben von kinetischer Wind- bzw, Wasserenergie, allgemein bekannt ist, haben sich Probleme beim Vorsehen eines in vernünftigem Ausmaß konstanten Ausgangs, wenn Fluktuationen im Eingang auftreten, hinsichtlich ihrer Überwindung schwierig erwiesen. Insbesondere wenn ein elektrischer Wechselstromausgang vorzusehen ist, um ein Energieversorgungssystem zu versorgen, verursachen variierende Drehmomente an den Generatoren Probleme, da für viele Wechselstromgeneratoren, wie z.B. einem Synchrongenerator, sich die Ausgangsfrequenz im Verhältnis zum Antriebsmoment oder zur Antriebsdrehzahl ändert. Die Regelung bzw. Steuerung der getriebenen Drehzahl eines Generators ist ohne Wirkungsgradverlust, z.B. bei Windturbinen, schwierig, wobei eine Regelung der Turbinenflügel-Teilung benützt werden kann, um überschüssige Windenergie während Windböen effektiv abzufangen, um das an den Generator angelegte Drehmoment im Wesentlichen konstant zu halten. Üblicherweise ist es möglich, den Energieausgang gleich zu richten und dann, falls erforderlich, einen Wechselstrom zu erzeugen, so dass die Eingangsfrequenz nicht so wichtig ist. Mechanisch variierbare Geschwindigkeitstransmissionen sind eine alternative Betriebsweise, jedoch führen diese Techniken zu Verlusten.
Die US 2007/0007769 A offenbart ein Verfahren zum mechanischen Regulieren der Geschwindigkeit eines Generators durch selektives Einstellen eines Reaktionsdrehmoments, das in einem Getriebezug eingeführt wird, über eine hydrodynamische Kupplung. Das Dokument verwendet ein Planetengetriebe zum Einführen des Reaktionsdrehmoments und zum variablen Einstellen der Drehzahl einer Ausgangswelle während Volllastbedingungen. Dieses System ist jedoch nicht effizient, da bei hohen Drehzahlen Energie durch die Regulierung der Ausgangsdrehzahl verloren geht, als Resultat des Einsatzes einer vollleistungs-festgelegten hydrodynamischen • · ·· ·· ···· · t« ·····# ·· · f • · · · ...... • · · ·· |·0 ·♦ I ·« • · · · · · ···· · ·· ···· - 2 -
Kupplung zum Vorsehen des variablen Verhältnisses. WO 96/30669 zeigt ein Planetengetriebe mit variablem Verhältnis, welches zur Regelung bzw. Steuerung des Ausgangs eines Windtur-binen-Energiegenerators eingesetzt wird. Das Getriebe verwendet einen Schrittmotor, der mit Energie versorgt werden kann, um in Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung zu laufen. EP 0120654 zeigt ein Getriebe zur Drehzahlregelung, welches eine hydraulische oder elektrische Maschine als Motor oder Generator nützt, um den Reaktionsteil eines Differentialgetriebes mit variablem Verhältnis zu steuern. Wenn aber eine kleine elektrische Maschine benützt wird, um Kosten und Gewicht zu sparen, ist es notwendig, dass das Getriebe, dessen Drehzahl abnimmt, das Drehmoment der elektrischen Maschine erhöht. Das hat wiederum den Effekt der Erhöhung der wirksamen Trägheit der elektrischen Maschine, und diese Trägheit verursacht Probleme, wenn relativ schnelle Änderungen im Reaktionsdrehmoment im Getriebe mit variablen Verhältnissen erforderlich sind.
Ein Synchrongenerator bewegt sich in Phase mit dem Wechselstrom eines elektrischen Netzes und wird in bestimmtem Ausmaß durch das Netz in Phase gezogen oder gestoßen. Um jedoch Ineffizienzen zu vermeiden, ist es besser, den Generator korrekt in Phase zu halten, indem sein Eingangsdrehmoment geändert wird.
Ausführungsformen der Erfindung befassen sich mit den oben diskutierten Problemen.
Gemäß einem ersten Aspekt sieht die vorliegende Erfindung einen Drehantriebsmechanismus vor zum Antreiben eines elektrischen Generators, welcher Mechanismus eine im Wesentlichen konstante Ausgangsdrehzahl zum Antreiben des Generators, hergeleitet von einer variablen Eingangsdrehzahl, vorsieht, wobei der Mechanismus einen Eingang mit variabler Geschwindigkeit, ein Differential-Transmissionsgetriebe zum Aufnehmen von Energie vom Eingang mit variabler Geschwindigkeit, wobei die Differential-Transmission zwei Energieverteilpfade hat, von denen ein erster in Drehverbindung mit einem Ausgang zum Antreiben des Generators und ein zweiter in Drehverbindung mit einer elektrischen Maschine steht, die betreibbar ist, um ein variables Reaktions-Drehmoment im zweiten Pfad vorzusehen, und einen Drehmomentmonitor enthält zum Überwachen des dynamischen Drehmoments am Eingang und einen Regler zum Ändern des Reaktions-Drehmoments im zweiten Pfad in Antwort auf Änderungen im überwachten Drehmoment, durch Betreiben der elektrischen Maschine als Motor oder Generator, und um dadurch die im Wesentlichen konkrete Ausgangsdrehzahl zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Monitor das dynamische Drehmoment am Eingang überwacht und der Regler die elektrische Maschine betreibt, um zumindest teilweise die Trägheit der elektrischen Maschine und/oder des zweiten Pfads zu negieren.
In einer Ausführungsform enthält der Eingang eine Welle und ein Übersetzungsgetriebe zum Erhöhen der Drehzahl, die zu der Getriebetransmission geliefert wird.
Vorzugsweise überwacht der Monitor für das dynamische Drehmoment das im Wesentliche stationäre Reaktionsdrehmoment des Übersetzungsgetriebes .
Vorzugsweise enthält die Differential-Transmission eine Planetengetriebeanordnung mit einem Planetzahnradträger zum Antrieb durch den Eingang, ein Sonnenrad, welches einen Teil des ersten Energiepfads bildet, und ein Ringzahnrad, welches einen Teil des zweiten Energiepfads bildet, auf.
In einer Ausführungsform ist, wenn die Eingangsgeschwindigkeit unterhalb eines vorherbestimmten Werts ist, die elektrische Maschine als Motor betreibbar, und sie sieht ein variables Reaktions-Drehmoment im zweiten Pfad derart vor, dass ein Antriebsmoment zur Getriebe-Transmission über den zweiten Energiepfad vorgesehen wird und dabei die Drehzahl des ersten Energiepfads im Wesentlichen auf einer vorherbestimmten Drehzahl beibehalten wird.
Vorzugsweise ist, wenn die Eingangsdrehzahl oberhalb eines vorher bestimmten Werts ist, die elektrische Maschine als Generator betreibbar, und sie sieht ein weiteres variables Reaktions-Drehmoment vor und nimmt Leistung von der Getriebe-Transmission über den zweiten Energiepfad auf und hält dabei die Drehzahl des ers- ten Energiepfads im Wesentlichen auf der vorherbestimmten Drehzahl .
Zweckmäßig enthält der zweite Energiepfad ein weiteres Getriebe zum Ändern der Drehzahl des zweiten Energiepfads.
In einer Ausführungsform enthält der erste oder zweite Energiepfad eine Kupplung oder Bremse zum Auskuppeln oder Bremsen des entsprechenden Pfads, wenn die Drehung des Rotors gehindert wird, der Generator jedoch noch in Bewegung ist.
Vorzugsweise ist die elektrische Maschine eine geschaltete Reluktanzmaschine (SRM - Switched reluctance machine).
Bevorzugt wird die Winkelposition der SRM zum Teil benutzt, um das Reaktionsdrehmoment zu regeln bzw. zu steuern.
Gemäß einem zweiten Aspekt sieht die Erfindung ein Verfahren vor zum Regeln/Steuern der Drehzahl, um eine im Wesentlichen konstante Drehzahl für den Generator, sich ergebend von einer variablen Eingangsgeschwindigkeit, vorzusehen, wobei das Verfahren einen Mechanismus einsetzt, der eine im Wesentlichen konstante Ausgangsdrehzahl zum Antreiben des Generators von einem Dreheingang mit variablem Drehmoment vorsieht., wobei der Mechanismus einen Eingang mit variabler Geschwindigkeit, ein Differential-Transmissionsgetriebe zum Aufnehmen von Leistung vom Eingang mit variablem Drehmoment enthält, wobei die Differential-Transmission zwei Energieverteilpfade hat, von denen ein erster in Drehverbindung mit einem Ausgang zum Antreiben des Generators und ein zweiter in Drehverbindung mit einer elektrischen Maschine steht, die betreibbar ist, um ein variables Reaktions-Drehmoment im zweiten Pfad vorzusehen, wobei das Verfahren die folgenden in jeder geeigneten Reihenfolge auszuführenden Schritte enthält: a) Überwachen des dynamischen Drehmoments des Eingangs; b) Regeln des Reaktions-Drehmoments im zweiten Pfad in Ansprechen auf das überwachte dynamische Eingangsdrehmoment durch Betreiben der elektrischen Maschine als Motor oder als Generator, um dadurch die im Wesentlichen konstante Drehzahl des Ausgangs zu ermöglichen; und wobei das Verfahren durch den Schritt gekennzeichnet ist, dass:
ι · 5 • · · φ • ···· · c) die elektrische Maschine betrieben wird, um im Wesentlichen die Effekte der Trägheit im zweiten Pfad und/oder in der elektrischen Maschine zu negieren.
Vorzugsweise ist das überwachte dynamische Eingangsdrehmoment das Reaktionsdrehmoment der Getriebe-Differentialtransmission.
Zweckmäßiger Weise enthält das Verfahren die weiteren Schritte, dass: d) zusätzlich zum Schritt a) die Eingangsgeschwindigkeit und die Generatorlast gemessen werden; e) das Reaktions-Drehmoment im zweiten Pfad in Ansprechen auf die Eingangsgeschwindigkeit und Generatorlast sowie in Ansprechen auf das überwachte Eingangsdrehmoment geregelt wird, indem die elektrische Maschine als Motor oder als Generator betrieben wird.
Noch zweckmäßiger enthält das Verfahren die weiteren Schritte: f) Betreiben der elektrischen Maschine als Motor in einem ersten vorherbestimmten Eingangsgeschwindigkeitsbereich; und g) Betreiben der elektrischen Maschine als Generator in einem zweiten vorherbestimmten Eingangsgeschwindigkeitsbereich, der höher ist als der erste Bereich.
Gemäß einem dritten Aspekt sieht die Erfindung einen Drehantriebsmechanismus zum Antreiben eines elektrischen Generators vor, welcher Mechanismus eine im Wesentlichen konstante Ausgangsdrehzahl zum Antreiben des Generators, hergeleitet von einer variablen Eingangsdrehzahl, vorsieht, wobei der Mechanismus einen Eingang mit variabler Geschwindigkeit, ein Differential-Transmissionsgetriebe zum Aufnehmen von Energie vom Eingang mit variabler Geschwindigkeit, wobei die Differential-Transmission zwei Energieverteilpfade hat, von denen ein erster in Drehverbindung mit einem Ausgang zum Antreiben des Generators und ein zweiter in Drehverbindung mit einer elektrischen Maschine steht, die betreibbar ist, um ein variables Reaktions-Drehmoment im zweiten Pfad vorzusehen, und einen Drehmomentmonitor enthält zum Überwachen des dynamischen Drehmoments am Eingang und einen Regler zum Ändern des Reaktions-Drehmoments im zweiten Pfad in Ansprechen auf Änderungen des überwachten Drehmoments, durch *· ·♦ ·*«* « t · · · « ί· t * · ····· • t » · ·· ·· f··· «» • · · · · M·· · · • · · « ♦·
Betreiben der elektrischen Maschine als Motor oder Generator, und um dadurch die im Wesentlichen konstante Ausgangsdrehzahl zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Eingangs-Drehmoment mittels Messung des stationären Reaktionsdrehmoments der Getriebe-Differential-Transmission überwacht wird. .
Die Erfindung erstreckt sich auf eine wind- oder wassergetriebene Turbine mit einem Drehantriebsmechanismus wie oben beschrieben oder mit einem Drehantriebsmechanismus, der gemäß dem oben beschriebenen Verfahren betreibbar ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung eine wind- oder wasserbetriebene Turbine vor, mit einem mit variabler Geschwindigkeit von Wind oder Wasser betreibbaren Rotor, einem Generator und einem Differentialgetriebe, das eine Drehverbindung zwischen dem Rotor und dem Generator vorsieht, wobei der Generator über das Getriebe mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit vom Rotor mit variabler Geschwindigkeit antreibbar ist, wobei das Getriebe ein variables Drehmoment als Reaktion gegen das Rotordrehmoment vorsieht, um die im Wesentlichen konstante Generatorgeschwindigkeit zu ermöglichen und um zu ermöglichen, dass der Rotor die Geschwindigkeit erhöht oder reduziert, wenn die Windoder Wassergeschwindigkeit sich erhöht oder abnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Eingangsdrehmoment, das vom Rotor an das Getriebe angelegt wird, an einer Reaktionsstelle des Getriebes gemessen wird, um das gegen den Rotor reagierende variable Drehmoment vorzusehen. 18. Wind- oder Wasserturbine nach Anspruch 17, wobei das variable Reaktionsdrehmoment von einem weiteren Generator zur Verfügung stellbar ist, der eine weitere Drehverbindung mit dem Getriebe hat, wobei der weitere Generator als Generator oder als Motor betreibbar ist, und er weiters betreibbar ist, um im Wesentlichen seine eigene Trägheit und/oder die Trägheit der weiteren Drehverbindung zu negieren.
Vorzugsweise ist der weitere Generator eine geschaltete Reluktanzmaschine .
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend lediglich beispielhaft mit Bezug auf die Zeichnung erläutert, wobei
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Fig. 1 eine piktographische Ansicht eines Systems zur Erzeugung von Energie aus einem Fluidstrom zeigt;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Transmissionssystems für das energieerzeugende System von Fig. 1 zeigt;
Fig. 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung von Leistungsausgang und Motor/Generator-Drehzahl in Abhängigkeit von einer Rotordrehzahl ist; und
Fig. 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Steuerung des Systems ist.
Bezugnehmend auf Figur 1 ist eine Energieerzeugungsvorrichtung 5 dargestellt, die einen Wind-Turbinenrotor 10 getragen von einer Welle 12 enthält. Hauptlager 14 sind dargestellt, aber das Gehäuse der Lager 14 ist aus Gründen der Klarheit nicht gezeigt. Die Welle 12 dient als Eingangswelle für ein Übersetzungs-Planetengetriebe 16, das die Drehzahl um einen Faktor von ungefähr 20 erhöht. Die Leistung des Getriebes 16 wird zum Antrieb eines Generators 20 verwendet, dargestellt in Figur 2.
Der Generator 20 wird in synchroner Weise betrieben und so ist seine Ausgangsfrequenz abhängig von der Drehzahl, mit der er angetrieben wird. Demzufolge ist zwischen dem Getriebe 16 und dem Generator 20 eine Drehzahlsteuerungs-Mechanismus 18 vorgesehen, der einen Motor/Generator 30 beeinhaltet, wie im Detail nachstehend beschrieben.
Figur 2 zeigt schematisch die inneren Teile der in Fig. 1 dargestellten Energieerzeugungsvorrichtung 5. Die Eingangswelle 12 treibt das Planetengetriebe 16 an. Das Planetengetriebe treibt ein Zahnrad 17 an, das seinerseits ein Stirnrad 19 antreibt. Das Stirnrad 19 ist mit einem Drehzahlsteuerungs-Mechanismus 18 verbunden. Dieser Mechanismus weist einen Eingang 22 auf, der einen Planetenträger eines Planeten-Differenzialgetriebes 24 mit Energie versorgt. Das Planeten-Differenzial weist einen vom Eingang 22 angetriebenen Planetenträger, ein mit einer elektrischen Maschine 30 betrieblich verbundenes Sonnenrad 25, und ein mit dem Generator 20 betrieblich verbundenes Ring-Zahnrad 23 auf. Die ·* • 1# t « · ·« · · • ·· ♦ · · % * 4 · • · · · ♦ · #·ο· · * • · · · t · · · t · ·♦ ·♦ ·♦♦· «« ♦- «· - 8 - vom Rotor zur Verfügung gestellte Leistung kann zwei Pfade nehmen - die gesamte Leistung oder ein Teil davon kann direkt über Ausgangs-Welle 26 über Ring-Zahnrad 23 zum Generator 20 geführt werden oder ein Teil der Leistung kann über das Sonnenrad 25, und Zahnrad-Paare 28 und 32 zur elektrischen Maschine 30 geführt werden. Die elektrische Maschine 30 ist ein geschalteter Reluktanz-Motor, der als Motor oder Generator betrieben werden kann.
Im Betrieb routet das Planetengetriebe 24 Leistung vom Eingang 22 zum Pfad des geringsten Widerstandes und so muss der Motor/Generator 30 ein gewisses reaktives Drehmoment zur Erzeugung von Leistung am Generator 20 bereitstellen. Das Maß des reaktiven Drehmoments kann unter Verwendung des Motors/Generators 30 beträchtlich variiert werden. Es wird festgestellt werden, dass die Zahnrad-Paare 28 und 32 die Drehzahl der elektrischen Maschine 30 heruntersetzen und demnach ein größeres reaktives Drehmoment für eine Maschine 30 mit geringerer Leistung bereitstellen. Demnach kann eine kleinere Maschine 30 dazu verwendet werden, ein vergleichsweise großes reaktives Drehmoment am Sonnenrad 25 bereitzustellen. Das Untersetzungs-Getriebe hat allerdings eine vergleichsweise große Trägheit, was das reaktive Drehmoment beeinflusst, wenn Änderungen des reaktiven Drehmoments notwendig sind, zum Beispiel um plötzliche Änderungen im Eingangs-Drehmoment, die von Windstößen oder Windflauten resultieren, zu überwinden.
Im Betrieb, beginnend unter leichten Windgeschwindigkeits-Bedingungen, dreht sich der Rotor schneller als ungefähr 1/min (Upm). Der Motor/Generator kann als Motor verwendet werden, um eine reaktives Drehmoment zu erzeugen, das eine Netto-Zunahme der Drehzahl am Sonnenrad 25 des Planeten-Mechanismus 24 bewirkt, so dass die gesamte Leistung für den Eingang 22 zum Generator geleitet werden kann. Wenn der Motor/Generator 30 ein solches Drehmoment zur Verfügung stellt, wird dies die Drehzahl des Ring-Zahnrads 23 erhöhen, so dass der Generator mit der gewünschten Drehzahl von 1512 U/min dreht.
Sobald sich die Windgeschwindigkeits erhöht, kann die Drehzahl des Motors reduziert werden, weil der Eingang 22 jetzt schneller dreht. Bei einer Drehzahl von 17,3 U/min (in diesem Fall) 9 gleicht sich die Eingangs-Drehzahl der Generator-Drehzahl an und so ist das durch den Motor/Generator produzierte Reaktions-Drehmoment derart, dass die Motor-Drehzahl Null ist, obwohl ein gewisses Reaktions-Drehmoment am Sonnenrad 25 erforderlich ist.
In diesem Betriebsbereich geringer Windgeschwindigkeit wird, obwohl der Motor/Generator 30 Elektrizität zum Betrieb benötigt, durch die Vorrichtung 5 insgesamt Energie erzeugt.
Wenn sich die Windgeschwindigkeit erhöht, um den Rotor mit einer Drehzahl höher als ungefähr 17,3 U/min zu rotieren, dann muss, um die Ausgangswelle 26 mit der korrekten Drehzahl zu drehen, Leistung von der Ausgangswelle 26 in den Motor/Generator 30 umgeleitet werden. Demnach muss der Motor/Generator 30 ein gleitendes Reaktions-Drehmoment bereitstellen. Dies kann dadurch erzielt werden, dass der Motor/Generator als Energie-Generator verwendet wird. In diesem Fall kann das Ausmaß des Drehmoments durch Ändern der Last auf den Motor/Generator 30 verändert werden und diese Last kann verändert werden, um die Drehzahl der Welle 26 beizubehalten.
Wenn die Rotor-Drehzahl ungefähr 20 U/min übersteigt, kann eine Kupplung 42 gelöst werden, um eine freie Rotation des Rotors zu erlauben. Alternativ kann eine Bremse verwendet werden. Unter ungefähr 14 U/min wird die gesamte Maschine nicht betrieben.
Figur 3 zeigt ein Diagramm mit Turbinenleistung A (Drehmoment x Drehzahl am Rotor), Generatorleistung B (gesamte Leistungsausgabe) , SR ("Switched Reluctance") Antrieb C (Leistungsaufnahme/Ge-nerierung des Motors/Generators 30) und SR U/min D (die für den Motor/Generator 30 benötigte Drehzahl, um die korrekte Ausgangs-Drehzahl der Welle 26 aufrechtzuerhalten).
Es ist ersichtlich, dass die Generatorleistung über den mittleren Bereich der Rotor-Drehzahl im Wesentlichen konstant ist und lediglich ein kleiner Anteil der durch die Vorrichtung erzeugten Bruttoleistung zur Steuerung bzw. Regelung des Drehmoments erforderlich ist.
In der Praxis bläst der Wind selten konstant und so wird die
Transmission ihren Betrieb ständig variieren in Antwort auf durch Änderungen der Windgeschwindigkeit verursachte Veränderungen des Eingangs-Drehmoments. Fig. 4 veranschaulicht das Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung des vom Motor/Generator 30 erzeugten reaktiven Drehmoments, wenn Änderungen der Windgeschwindigkeit auftreten. Die Eingangs-Drehzahl wird in Schritt 100 überwacht, beispielsweise kann die Drehzahl des Rotors gemessen werden. Die Generatorlast wird eingestellt oder gemessen, in Abhängigkeit von einer nachgelagerten Steuerung bzw. Regelung, in Schritt 110. Das durch den Motor/Generator 30 erzeugte Reaktions-Drehmoment kann entsprechend der Eingangs-Drehzahl und der Generatorlast-Eingangswelle gesteuert bzw. geregelt werden, in Schritt 120. Veränderungen des Reaktions-Drehmoments erlauben der Turbine sich zu beschleunigen, wenn Windstöße Vorkommen, wobei überschüssige Windenergie effektiv in Rotationsenergie der Turbine umgesetzt wird, und sich zu verlangsamen, wenn Windflauten auftreten, indem mehr Energie von der Turbine genommen wird.
Windbedingte dynamische Effekte sind wichtig, weil die Trägheit der Maschine wesentlich ist, wenn die Getriebeübersetzung der Elemente des Systems und die Veränderungen der Eingangs-Drehzahl miteinbezogen werden. Demnach wird das Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung, die im unmittelbar vorhergehenden Absatz beschrieben ist, durch eine weitere Anpassung des Reaktions-Drehmoments in Schritt 130 verbessert. In diesem Schritt wird die dynamische Drehmomentlast des Eingangs gemessen. Dies wird durch Messen der auf einen im Wesentlichen stationären Reaktionspunkt ausgeübten Kraft in dem die Drehzahl erhöhenden Getriebe 16 erzielt. Das durch den Motor/Generator 30 erzeugte Reaktions-Drehmoment wird angepasst, um diesem veränderlichen dynamischen Eingangs-Drehmoment Rechnung zu tragen. Beispielweise wenn ein plötzlicher Windstoß auftritt, wird sich das dynamische Drehmoment des Eingangs sofort erhöhen. Das theoretische Reaktions-Drehmoment, welches vom Eingangs-Drehmoment und der Generatorlast abhängt, kann annähernd augenblicklich eingestellt werden, beispielsweise durch Einstellen des Motors/Generators als Generator und indem das Sonnenrad gleiten kann, um Drehzahl vom Generator 20 wegzuführen. In der Praxis würde allerdings aufgrund der Trägheit der Zahnräder 28, 32 und des Motors/Generators 30 jedwede Veränderung des eingestellten Reaktions-Drehmoments Zeit benötigen, um einen Effekt zu haben, und in dem Beispiel würde ausreichendes Gleiten Zeit benötigen, um stattzufinden. Um den Ablauf zu unterstüzen und eine Überdrehzahl des Generators 20 zu verhindern, kann der Motor/Generator 30 momentan in Richtung des Gleitens des Sonnenrads 25 angetrieben werden, so dass die oben erwähnten Effekte durch die Trägheit im Wesentlichen verhindert werden.
Der Prozess des Einstellens des Reaktions-Drehmoments, das vom Motor/Generator vorgesehen wird, geschieht nahezu sofort, da eine geschaltete Reluktanzmaschine (SRM) benützt wird. Die Einstellung des von der Reluktanzmaschine (SRM) vorgesehenen Drehmoments durch Ändern des durch die geeigneten Wicklungen der Maschine fließenden Stroms wird 360-mal pro Umdrehung durchgeführt, und das Drehmoment wird wirksam geregelt.
Im Betrieb wird die Geschwindigkeit der Turbine gemessen, die Reaktion auf das Eingangsdrehmoment am Getriebe wird gemessen, und so kann die Turbinenleistung bestimmt werden. Dies ermöglicht es, die korrekte Last an den Generator anzulegen. Die Kenntnis der Turbinenleistung erlaubt es, das Reluktanzmaschi-nen-Drehmoment geeignet einzustellen, wodurch der Generator bei der korrekten Drehzahl betrieben werden kann. Die Beibehaltung der korrekten Generatordrehzahl wird wirksam durch Messen des dynamischen Eingangsdrehmoments am Reaktionspunkt im Getriebe durchgeführt, und durch Verwendung einer Reluktanzmaschine zum Bewirken eines Reaktionsdrehmoments erfolgen Änderungen nahezu sofort. Die Winkelposition der Reluktanzmaschine wird überwacht und das korrekte Schalten des Stroms zu den Wicklungen der Reluktanzmaschine kann vorgesehen werden, um das korrekte Reaktionsdrehmoment zu ermöglichen.
Es wurde nur eine Ausführungsform beschrieben, jedoch sind verschiedene Alternativen, Anpassungen, Modifikationen usw. für Fachleute ersichtlich. Insbesondere könnte die Anordnung der Getriebe geändert werden, um einen zum beschriebenen äquivalenten Effekt vorzusehen. Die beschriebene Maschine ist eine Windturbine, jedoch gilt das selbe Prinzip für durch Fluidströmung betriebene Maschinen, z.B. eine Gezeitenströmungs-Wasserturbine.

Claims (19)

  1. ·♦ ·· ·· • ·♦ · f ♦ • · · ♦ · • · · · · • · · » · ♦· ♦« ♦·♦· ♦ ··· · • · • · · • ·♦·· ·· • · t ·· - 12 - Ansprüche: 1. Drehantriebsmechanismus zum Antreiben eines elektrischen Generators, welcher Mechanismus eine im Wesentlichen konstante Ausgangsdrehzahl zum Antreiben des Generators, hergeleitet von einer variablen Eingangsdrehzahl, vorsieht, wobei der Mechanismus einen Eingang mit variabler Geschwindigkeit, ein Differential-Transmissionsgetriebe zum Aufnehmen von Energie vom Eingang mit variabler Geschwindigkeit, wobei die Differential-Transmission zwei Energieverteilpfade hat, von denen ein erster in Drehverbindung mit einem Ausgang zum Antreiben des Generators und ein zweiter in Drehverbindung mit einer elektrischen Maschine steht, die betreibbar ist, um ein variables Reaktions-Drehmoment im zweiten Pfad vorzusehen, und einen Drehmomentmonitor enthält zum Überwachen des dynamischen Drehmoments am Eingang und einen Regler zum Ändern des Reaktions-Drehmoments im zweiten Pfad in Ansprechen auf Änderungen des überwachten Drehmoments, durch Betreiben der elektrischen Maschine als Motor oder Generator, und um dadurch die im Wesentlichen konkrete Ausgangsdrehzahl zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Monitor das dynamische Drehmoment am Eingang überwacht und der Regler die elektrische Maschine betreibt, um zumindest teilweise die Trägheit der elektrischen Maschine und/oder des zweiten Pfads zu negieren .
  2. 2. Drehantriebsmechanismus nach Anspruch 1, wobei der Eingang eine Welle und ein Übersetzungsgetriebe zum Erhöhen der zum Transmissions-Getriebe gelieferten Drehzahl enthält.
  3. 3. Drehantriebsmechanismus nach Anspruch 2, wobei der Monitor zum Überwachen des dynamischen Drehmoments das im Wesentlichen stationäre Reaktions-Drehmoment des Übersetzungsgetriebes überwacht.
  4. 4. Drehantriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Differential-Transmission eine Planetengetriebeanordnung enthält mit einem Planetzahnradträger zum Antrieb durch den Eingang, ein Sonnenrad, welches einen Teil des ersten Energiepfads bildet, und ein Ringzahnrad, welches einen Teil des zweiten Energiepfads bildet. ·· ·♦ ·· * · · « ···* · • · ·· • ···· · * f · i ♦ · # ·· ·♦♦♦ ·· - 13 -
  5. 5. Drehantriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dann, wenn die Eingangsgeschwindigkeit unterhalb eines vorherbestimmten Werts ist, die elektrische Maschine als Motor betreibbar ist und ein variables Reaktions-Drehmoment im zweiten Pfad derart vorsieht, dass ein Antriebsmoment zur Getriebe-Transmission über den zweiten Energiepfad vorgesehen wird und dabei die Drehzahl des ersten Energiepfads im Wesentlichen auf einer vorherbestimmten Drehzahl beibehalten wird.
  6. 6. Drehantriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dann, wenn die Eingangsdrehzahl oberhalb eines vorher bestimmten Werts ist, die elektrische Maschine als Generator betreibbar ist und ein weiteres variables Reaktions-Drehmoment vorsieht und Leistung von der Getriebe-Transmission über den zweiten Energiepfad aufnimmt und dabei die Drehzahl des ersten Energiepfads im Wesentlichen auf der vorher bestimmten Drehzahl hält.
  7. 7. Drehantriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Energiepfad ein weiteres Getriebe zum Ändern der Drehzahl des zweiten Energiepfads enthält.
  8. 8. Drehantriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste oder zweite Energiepfad eine Kupplung oder Bremse zum Auskuppeln oder Bremsen des entsprechenden Pfads enthält, wenn die Drehung des Rotors gehindert wird, der Generator jedoch noch in Bewegung ist.
  9. 9. Drehantriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine eine geschaltete Reluktanzmaschine (SRM) ist.
  10. 10. Drehantriebsmechanismus nach Anspruch 9, wobei die Winkelposition der geschalteten Reluktanzmaschine (SRM) zum Teil zur Regelung des Reaktions-Drehmoments benützt wird.
  11. 11. Verfahren zum Regeln der Drehzahl eines Drehantriebsmechanismus, um eine im Wesentlichen konstante Drehzahl für den Generator, sich ergebend von einer variablen ·· ·· t« ···· · ·· ·«···· · · ·· ···· · ····· • · · « · · ···· · · t · 0 · I 0 0 0 0 0 ·· ·· 0000 ·· · ·« -14- Eingangsgeschwindigkeit, vorzusehen, wobei das Verfahren einen Mechanismus einsetzt, der eine im Wesentlichen konstante Ausgangsdrehzahl zum Antreiben des Generators von einem Dreheingang mit variablem Drehmoment vorsieht, wobei der Mechanismus einen Eingang mit variabler Geschwindigkeit, ein Differential-Transmissionsgetriebe zum Aufnehmen von Leistung vom Eingang mit variablem Drehmoment enthält, wobei die Differential-Transmission zwei Energieverteilpfade hat, von denen ein erster in Drehverbindung mit einem Ausgang zum Antreiben des Generators und ein zweiter in Drehverbindung mit einer elektrischen Maschine steht, die betreibbar ist, um ein variables Reaktions-Drehmoment im zweiten Pfad vorzusehen, wobei das Verfahren die folgenden in jeder geeigneten Reihenfolge auszuführenden Schritte enthält: a) Überwachen des dynamischen Drehmoments des Eingangs; b) Regeln des Reaktions-Drehmoments im zweiten Pfad in Ansprechen auf das überwachte dynamische Eingangsdrehmoment durch Betreiben der elektrischen Maschine als Motor oder als Generator, um dadurch die im Wesentlichen konstante Drehzahl des Ausgangs zu ermöglichen; und wobei das Verfahren durch den Schritt gekennzeichnet ist, dass: c) die elektrische Maschine betrieben wird, um im Wesentlichen die Effekte der Trägheit im zweiten Pfad und/oder in der elektrischen Maschine zu negieren.
  12. 12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei das überwachte dynamische Eingangsdrehmoment das Reaktions-Drehmoment der Getriebe-Differentialtransmission ist.
  13. 13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, enthaltend die weiteren Schritte, dass: d) zusätzlich zum Schritt a) die Eingangsgeschwindigkeit und die Generatorlast gemessen werden; e) das Reaktions-Drehmoment im zweiten Pfad in Ansprechen auf die Eingangsgeschwindigkeit und Generatorlast sowie in Ansprechen auf das überwachte Eingangsdrehmoment geregelt wird, indem die elektrische Maschine als Motor oder als Generator betrieben wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, mit den weiteren Schritten: f) Betreiben der elektrischen Maschine als Motor in einem ers- ···· · «· • · · · • · · · · • ···· ♦ · • · · · · ·· · ·· • t ·♦ ·· • ♦ · · · · • · · · » · • · · · · • · · · · ·· ·· ···· - 15 - ten vorher bestimmten Eingangsgeschwindigkeitsbereich; und g) Betreiben der elektrischen Maschine als Generator in einem zweiten vorher bestimmten Eingangsgeschwindigkeitsbereich, der höher ist als der erste Bereich.
  15. 15. Drehantriebsmechanismus zum Antreiben eines elektrischen Generators, welcher Mechanismus eine im Wesentlichen konstante Ausgangsdrehzahl zum Antreiben des Generators, hergeleitet von einer variablen Eingangsdrehzahl, vorsieht, wobei der Mechanismus einen Eingang mit variabler Geschwindigkeit, ein Differential-Transmissionsgetriebe zum Aufnehmen von Energie vom Eingang mit variabler Geschwindigkeit, wobei die Differential-Transmission zwei Energieverteilpfade hat, von denen ein erster in Drehverbindung mit einem Ausgang zum Antreiben des Generators und ein zweiter in Drehverbindung mit einer elektrischen Maschine steht, die betreibbar ist, um ein variables Reaktions-Drehmoment im zweiten Pfad vorzusehen, und einen Drehmomentmonitor enthält zum Überwachen des dynamischen Drehmoments am Eingang und einen Regler zum Ändern des Reaktions-Drehmoments im zweiten Pfad in Ansprechen auf Änderungen des überwachten Drehmoments, durch Betreiben der elektrischen Maschine als Motor oder Generator, und um dadurch die im Wesentlichen konstante Ausgangsdrehzahl zu ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Eingangs-Drehmoment mittels Messung des stationären Reaktionsdrehraoments der Getriebe-Differential-Transmission überwacht wird.
  16. 16. Wind- oder wasserbetriebene Turbine mit einem Drehantriebsmechanismus nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10 oder 15 oder mit einem Drehantriebsmechanismus, betreibbar gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 11 bis 14.
  17. 17. Wind- oder wasserbetriebene Turbine mit einem mit variabler Geschwindigkeit wind- oder wasserbetriebenen Rotor, einem Generator, einem Differentialgetriebe, das eine Drehverbindung zwischen dem Rotor und dem Generator vorsieht, wobei der Generator über das Getriebe mit im Wesentlichen konstanter Geschwindigkeit vom Rotor mit variabler Geschwindigkeit antreibbar ist, wobei das Getriebe ein variables Drehmoment als Reaktion gegen das Rotordrehmoment vorsieht, um die im Wesentlichen konstante Generatorgeschwindigkeit zu ermöglichen und um zu ermöglichen, dass ·· ···· · • · · • · ♦ ·♦ ·· ·· • ♦ ♦ · · • · ♦ · · · • · #
    • · · • · · · • ···· ♦ • · · ·· · ·· 16 der Rotor die Geschwindigkeit erhöht oder reduziert, wenn die Wind- oder Wassergeschwindigkeit sich erhöht oder abnirnmt, dadurch gekennzeichnet, dass das dynamische Eingangsdrehmoment, das vom Rotor an das Getriebe angelegt wird, an einer Reaktionsstelle des Getriebes gemessen wird, um das gegen den Rotor reagierende variable Drehmoment vorzusehen.
  18. 18. Wind- oder Wasserturbine nach Anspruch 17, wobei das variable Reaktionsdrehmoment von einem weiteren Generator zur Verfügung stellbar ist, der eine weitere Drehverbindung mit dem Getriebe hat, wobei der weitere Generator als Generator oder als Motor betreibbar ist, und er weiters betreibbar ist, um im Wesentlichen seine eigene Trägheit und/oder die Trägheit der weiteren Drehverbindung zu negieren.
  19. 19. Wind- oder Wasserturbine nach Anspruch 18, wobei der weitere Generator eine geschaltete Reluktanzmaschine ist.
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