DE10137269A1

DE10137269A1 - Synchronmaschine

Info

Publication number: DE10137269A1
Application number: DE10137269A
Authority: DE
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-20
Filing date: 2001-07-31
Publication date: 2003-01-16
Also published as: KR100595410B1; CY1105717T1; PT1402616E; AR034522A1; KR20040010750A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchronmaschine mit bevorzugt Schenkelpolen mit Polwicklungen, welche untereinander galvanisch verbunden sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage sowie ein Verfahren zur Überwachung einer Synchronmaschine einer Windenergieanlage. DOLLAR A Aufgabe der Erfindung ist es, eine Synchronmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine derart weiterzubilden, dass die Gefahr eines Brandes verringert wird. DOLLAR A Synchronmaschine mit einem Läufer (Rotor), welcher eine Vielzahl von Polen aufweist, die jeweils mit wenigstens einer Polwicklung versehen sind, wobei die Polwicklungen mehrerer Pole untereinander galvanisch mittels eines ersten Leiters, durch den ein Erregerstrom fließt, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen parallel zum ersten Leiter ein Überwachungsleiter verlegt ist, welcher mit einem vorgebbaren Signal beaufschlagt ist oder beaufschlagbar ist, dass der Überwachungsleiter mit einer Vorrichtung zur Erfassung des Signals gekoppelt oder verbunden ist und dass bei Unterbrechung des ersten Leiters dieses durch eine Signalveränderung im Überwachungsleiter festgestellt wird bzw. feststellbar ist und die Vorrichtung zur Erfassung des Signals mit einer Steuereinrichtung gekoppelt ist, die dann den Erregerstrom durch den ersten Leiter wenigstens verringert, vorzugsweise abschaltet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Synchronmaschine mit bevorzugt Schenkelpolen mit Polwicklungen, welche untereinander galvanisch verbunden sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Windenergieanlage sowie ein Verfahren zur Überwachung einer Synchronmaschine einer Windenergieanlage.
Synchronmaschinen sind allgemein bekannt. Eine Bauform ist die Ausbildung entweder des Läufers (Rotors) oder des Stators mit (Schenkel-)polen, wobei jeder Pol wenigstens eine Polwicklung aufweist, die ein Erregerstrom durchfließt. Dieser Erregerstrom ist bei Synchronmaschinen stets ein Gleichstrom.
Dabei sind die Polwicklungen aller oder mehrerer der einzelnen Schenkelpole galvanisch miteinander verbunden. Da die Polwicklungen jedoch einzeln hergestellt und montiert werden, erfolgt diese Verbindung durch geeignete Verbindungsmittel wie Klemmen, Lötverbindungen, etc. Insbesondere diese Verbindungsstellen, aber auch andere Stellen, an denen z. B. der Wicklungsdraht beschädigt ist, unterliegen der Gefahr einer Unterbrechung der galvanischen Verbindung, z. B. in Folge der Vibrationen beim Betrieb der Maschine.
An dieser Unterbrechung kann sich infolge der hohen Stromstärke ein Lichtbogen ausbilden, der durch Materialabtrag die Unterbrechung vergrößert und so selbst auch größer wird und mehrere Zentimeter lang werden kann. Dabei besteht die Gefahr, dass sich Material in der Umgebung entzündet und es somit zu einem Brand kommt, der die Maschine zerstört.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Synchronmaschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine derart weiterzubilden, dass die Gefahr eines Brandes verringert wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren bzw. einer Synchronmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die galvanische Verbindung (wenigstens einen) der Polwicklungen überwacht wird, und dass bei Unterbrechung der galvanischen Verbindung der Erregerstrom wenigstens verringert wird. Durch die Überwachung der galvanischen Verbindung kann eine Unterbrechung rechtzeitig erkannt werden. Die Verringerung des Erregerstromes verhindert dann die Ausbildung eines Lichtbogens, so dass die Gefahr einer Entzündung von Material in der Umgebung wirksam vermindert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Erregerstrom vollständig abgeschaltet, um einen möglicherweise vorhandenen Lichtbogen sicher zu löschen. Damit ist es bei rechtzeitiger Erkennung einer Unterbrechung möglich, einer Entstehung eines Brandes durch einen Lichtbogen zuverlässig vorzubeugen.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung läßt z. B. bei parallel geschalteten Gruppen von Polwicklungen nur diejenige Gruppe abgeschaltet, in welcher die Unterbrechung aufgetreten ist. Dadurch werden nur die Polwicklungen dieser Gruppe nicht mehr mit Strom versorgt, die übrigen Gruppen werden jedoch weiterhin von Erregerstrom durchflossen, so dass die Synchronmaschine weiter in Betrieb bleiben kann.
Um auf einfache Weise eine Unterbrechung und insbesondere einen Lichtbogen erkennen zu können, wird ein der galvanischen Verbindung eng benachbarter Leiter mit einem vorgebbaren Signal beaufschlagt und das Vorhandensein des Signals wird überwacht. Kommt es zur Ausbildung eines Lichtbogens, wird auch der benachbarte Leiter durch diesen Lichtbogen unterbrochen. Damit ist das Signal unterbrochen und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Synchronmaschine entsprechend gesteuert werden.
Um den mechanischen Aufbau möglichst einfach zu gestalten, kann ein Leiter (Überwachungsleiter) vorgesehen sein, der parallel zu der oder schraubenförmig um die galvanische Verbindung herum verläuft bzw. um die galvanische Verbindung gewickelt oder an diese angebracht oder geklebt ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Überwachungsleiter ein elektrischer Leiter, z. B. ein üblicher isolierter Kupferdraht. Dieser ist kostengünstig verfügbar und läßt sich auf einfache Weise erfindungsgemäß anbringen. Auch das Einspeisen eines vorgebbaren Signals ist bei einem elektrischen Leiter mit geringem Aufwand möglich. In einer alternativen Ausführungsform ist der Überwachungsleiter ein optischer Leiter. Bei diesem erfordert zwar das Beaufschlagen mit Signalen einen höheren Aufwand, dafür sind die Signale jedoch unempfindlich gegen elektromagnetische Einflüsse und weisen somit eine höhere Störsicherheit auf.
Um die Funktionssicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Synchronmaschine zu erhöhen, können insbesondere eine erste Vorrichtung zum Beaufschlagen des Überwachungsleiters mit einem Signal und eine zweite Vorrichtung zum Überwachen des Signals redundant vorgesehen sein. Dadurch kann bei Ausfall einer Komponente deren Funktion von einer redundant vorhandenen übernommen werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen sektionsförmigen Ausschnitt eines Polrades;
Fig. 2 eine vergrößerte Detaildarstellung aus Fig. 1;
Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung eines Leiters in einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem elektrischen Leiter;
Fig. 4 eine alternative Ausführungsform einer Überwachung mit einem optischen Leiter;
Fig. 5 eine Überwachung ohne einen zusätzlichen Leiter;
Fig. 6 eine Darstellung einer Windenergieanlage mit einer von einem Sicherungsdraht umwickelten Stromschiene.
Fig. 1 zeigt vereinfacht eine Sektion eines Polrades einer Synchronmaschine (Generator). Das Bezugszeichen 10 bezeichnet die einzelnen Polschuhe der Schenkelpole, während 12 die auf den Schenkeln angeordneten Polwicklungen bezeichnet. Diese Polwicklungen 12 sind untereinander durch eine galvanische Verbindung 14 verbunden, so dass die Polwicklungen 12 in Reihe geschaltet sind und somit alle von dem gleichen Strom durchflossen werden. Da die Polwicklungen 12 einzeln hergestellt werden, erfolgt eine Verbindung der Anschlüsse untereinander z. B. durch Verbindungshülsen 16.
Fig. 2 ist eine vergrößerte Detailansicht aus Fig. 1 und zeigt zwei Polschuhe 10 mit dahinter angeordneten Polwicklungen 12. Zwischen den Polwicklungen 12 besteht ein galvanische Verbindung 14. Diese wird hergestellt, indem der Leiter 14, aus dem die Polwicklung 12 gewickelt ist, an einer Verbindungsstelle 16 z. B. mit einer Verbindungshülse 16 oder durch eine Lötverbindung oder eine andere geeignete Verbindung mit dem Leiter der benachbarten Polwicklung 12 verbunden wird. Derartige Verbindungsstellen 16 befinden sich auch wiederum zwischen den beiden in dieser Figur dargestellten Polwicklungen 12 und ihren jeweils wiederum benachbarten (aber nicht dargestellten) Polwicklungen 12. Insbesondere diese Verbindungsstellen 16 sind aber strukturelle Schwachpunkte in dieser galvanischen Verbindung 14, so dass des dort z. B. in Folge der im Betrieb der Synchronmaschine auftretenden Vibrationen zu einer Unterbrechung kommen kann.
Um die galvanische Verbindung 14 und die Verbindungsstelle 16 herum ist ein schraubenförmig gewundener Leiter 18 als Überwachungseinrichtung bzw. Überwachungsleiter dargestellt.
Kommt es z. B. durch Vibration an der Verbindungsstelle 16 zu einer Unterbrechung, bildet sich dort ein Lichtbogen aus, weil die Unterbrechung anfangs sehr klein und der Erregerstrom relativ hoch ist. Durch den Lichtbogen wird Material abgetragen und dadurch die Unterbrechung vergrößert. Dieser Materialabtrag durch den Lichtbogen unterbricht jedoch auch den Leiter 18, so dass durch eine geeignete Überwachung des Leiters 18 diese Unterbrechung erkannt und damit auf eine Unterbrechung der galvanischen Verbindung 14 und die Ausbildung eines Lichtbogens geschlossen werden kann. Daraufhin können geeignete Maßnahmen, wie die Abschaltung des Erregerstromes, ergriffen werden, um den Lichtbogen zu löschen, und somit die Entstehung eines Brandes zu verhindern.
In Fig. 3 ist in vereinfachter Weise eine Möglichkeit der Überwachung mit einem Leiter 18 dargestellt. Dieser Leiter 18 ist an einer Seite auf Massepotential gelegt. An der anderen Seite des Leiters ist ein Schaltelement 20, in diesem Fall ein Relais, vorgesehen, das mit einer ausreichenden Spannung beaufschlagt wird, damit es anziehen kann. Dieses Relais weist einen Öffner 22 auf, der somit bei angezogenem Relais 20 geöffnet ist. Kommt es nun zu einer Unterbrechung des Leiters 18, fällt das Relais 20 ab und der Öffner schließt. Dieses Schließen kann z. B. an den Anschlußklemmen 24 durch eine nachgeschaltete Einrichtung erkannt und entsprechend ausgewertet werden.
Natürlich ist auch die Anordnung des Relais an der anderen Seite des Leiters 18 möglich. Dann wird der Leiter mit einer geeigneten Spannung beaufschlagt, die das Relais 20 anziehen läßt, und auch dabei fällt das Relais 20 natürlich ab, sobald der Leiter 18 unterbrochen wird, was unmittelbar zur Abschaltung des Erregerstroms führen kann.
In Fig. 4 ist eine alternative Ausführungsform der in Fig. 3 gezeigten Überwachung dargestellt. Der Leiter 18 ist in Fig. 4 ein Lichtwellenleiter. In diesen Lichtwellenleiter 18 wird von einer Lichtquelle 30, hier als Leuchtdiode dargestellt, ein optisches Signal eingekoppelt, das an dem anderen Ende durch einen Empfänger 32, im vorliegenden Beispiel ein Fotowiderstand, der wiederum Bestandteil einer Brückenschaltung sein kann, empfangen wird.
So lange also das von der Lichtquelle 30 ausgesandte Licht durch den Leiter 18 übertragen wird, hat der Empfänger 32 einen bestimmten Widerstandswert. Kommt es zu einer Unterbrechung des Leiters 18, gelangt das von der Lichtquelle 30 eingespeiste Licht nicht mehr zu dem Empfänger 32, dieser verändert seinen Widerstandswert und damit kann die Unterbrechung des Leiters 18 erkannt werden.
Natürlich kann der Empfänger auch beispielsweise als Fototransistor oder als jedes beliebige andere, lichtempfindliche Element ausbildet sein.
Eine alternative Form der Überwachung des galvanischen Leiters 14 ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei wird an einem Einkopplungspunkt 36 zusätzlich zu dem fließenden Erregerstrom eine Wechselspannung mit geringer Amplitude und vorgegebener Frequenz überlagert. An dem Auskopplungspunkt 38 wird diese Wechselspannung überwacht. Dabei kann die Auskopplung z. B. kapazitiv oder induktiv erfolgen. In der Figur ist dazu ein Belag 40 eines Kondensators dargestellt. Der andere Belag kann z. B. durch die galvanische Verbindung 14 selbst gebildet werden.
Durch eine geeignete, nachgeordnete Schaltung kann wiederum die durch den Kondensator 40 ausgekoppelte Wechselspannung überwacht werden. Kommt es zu einer Unterbrechung der galvanischen Verbindung 14, wird zwar der Erregerstrom durch den Lichtbogen noch transportiert, die überlagerte Wechselspannung jedoch nicht mehr, so dass diese am Auskopplungspunkt 38 auch nicht mehr ausgekoppelt werden kann. Dadurch kann die Unterbrechung der galvanischen Verbindung 14 erkannt werden.
Wenn mehrere Polwicklungen zu einer Gruppe zusammengeführt sind und mehrere Gruppen solcher Polwicklungen bestehen, bietet es sich an, für jede Gruppe einen eigens vorgesehenen Sicherungsdraht auszubilden, so dass bei Unterbrechung des Sicherungsdrahtes nur der Erregerstrom der betroffenen Gruppe verringert bzw. abgeschaltet wird, so dass die übrigen Gruppen wie üblich weiterbetrieben werden können, um einen Weiterbetrieb des Generators zu ermöglichen.
Ist also für jede Polwicklungsgruppe ein eigener Sicherungsdraht vorgesehen (natürlich mit der entsprechenden Einspeise- und Überwachungsvorrichtung), so ergibt dies eine eindeutige Zuordnung von der Polwicklungsgruppe und dem jeweiligen Sicherungsdraht und entsprechend kann bei Auftrennung des Sicherungsdrahtes die Ansteuerung der Polwicklungsgruppe unterbrochen werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung eines einzelnen Sicherungsdrahtes für die Polwicklung des gesamten Polrades und das Abschalten des Erregerstroms im Falle einer Unterbrechung des Sicherungsdrahtes. Wird diese Unterbrechung, die für eine vorgegebene Zeitspanne beibehalten werden muss, um den Lichtbogen sicher zu löschen, wieder aufgehoben, kann wieder ein entsprechender Erregerstrom fließen. Davon ausgenommen ist dann lediglich die Polwicklungsgruppe, in welcher die Unterbrechung aufgetreten ist. Bei dieser Lösung ist jedoch unter Umständen nachteilig, dass dann der Sicherungsdraht unterbrochen ist, so dass entweder der Betrieb ohne Sicherungsdraht fortgesetzt werden muss oder aus Gründen der Betriebssicherheit nicht fortgesetzt werden kann.
Die Erfindung ist nicht etwa nur auf die Überwachung des Generators der Windenergieanlage beschränkt, sondern kann auch auf andere Teile des Windenergieanlage angewandt werden. So tritt beispielsweise das Problem der Lichtbogenentstehung nicht nur bei Unterbrechung der Polwicklungen auf, sondern kann auch bei Unterbrechung von Gleichstromschienen entstehen, mit denen die vom Generator erzeugte elektrische Energie von der Gondel zu den Leistungsschränken, die regelmäßig im Fuß des Turmes oder außerhalb des Turmes angeordnet sind, entstehen. Diese Gleichstromschienen bestehen regelmäßig aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, und werden am Turminneren an der Turmwandung befestigt und heruntergeführt. Da der Turm sich aufgrund der gesamten Windbelastung der Windenergieanlage auch bewegt (im Bereich der Gondel kann diese Bewegung in ihrer Amplitude leicht im Bereich von 0,5 m bis 2 m liegen), werden auch die Stromschienen entsprechend mit bewegt und belastet, was im ungünstigen Fall, wenn die Bewegungen zu stark waren oder keine saubere Verlegung der Stromschienen erfolgt ist, zu einer Unterbrechung der Stromschienen führen kann, wodurch sich ebenfalls ein Lichtbogen zwischen den unterbrochenen Teilen ausbilden kann und da an dieser Stelle sehr große Energieflüsse zu verzeichnen sind, kann dies zu einem sehr großen Schaden an der Windenergieanlage führen, zumal es auch durchaus möglich ist, dass der entstehende Lichtbogen auf den geerdeten Turm überspringt, so dass auch der Ausbruch eines Brandes nicht ausgeschlossen werden kann.
Die dargestellte Ausführung nach Fig. 6 zeigt im Teilausriss die Umwicklung einer dreiadrigen Stromschiene mit einem Sicherungsdraht, wobei für die Überwachung des Sicherungsdrahtes die aus den Fig. 3 bis 5 bekannten Überwachungseinrichtungen verwendet werden können. Tritt die Unterbrechung einer Stromschiene auf, so führt dies auch zur Unterbrechung des Sicherungsdrahtes und in einem solchen Fall wird die gesamte Anlage zum Eigenschutz abgeschaltet und nicht weiterbetrieben, zumal ohnehin dann die Stromschienen (Gleichstromschienen) nicht nur repariert, sondern unter Umständen auch ausgetauscht werden müssen, um einen sicheren Weiterbetrieb zu gewährleisten. Die Stromschienen dienen im dargestellten Beispiel wie üblich dazu, die elektrische Leistung vom Generator in der Gondel der Windenergieanlage vom Turmfuß bzw. den dort angeordneten elektrischen Einrichtungen wie Wechselrichter und/oder Transformator zu leiten.

Claims

1. Synchronmaschine mit einem Läufer (Rotor), welcher eine Vielzahl von Polen aufweist, die jeweils mit wenigstens einer Polwicklung versehen sind, wobei die Polwicklungen mehrerer Pole untereinander galvanisch mittels eines ersten Leiters, durch den ein Erregerstrom fließt, verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen parallel zum ersten Leiter ein Überwachungsleiter verlegt ist, welcher mit einem vorgebbaren Signal beaufschlagt ist oder beaufschlagbar ist, dass der Überwachungsleiter mit einer Vorrichtung zur Erfassung des Signals gekoppelt oder verbunden ist und dass bei Unterbrechung des ersten Leiters dieses durch eine Signalveränderung im Überwachungsleiter festgestellt wird bzw. feststellbar ist und die Vorrichtung zur Erfassung des Signals mit einer Steuereinrichtung gekoppelt ist, die dann den Erregerstrom durch den ersten Leiter wenigstens verringert, vorzugsweise abschaltet.

2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen schraubenförmig um die galvanische Verbindung herum verlaufenden Überwachungsleiter.

3. Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsleiter als elektrischer Leiter und/oder optischer Leiter ausgebildet ist.

4. Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Beaufschlagen des Überwachungsleiters mit einem Signal redundant ausgebildet ist und bevorzugt aus einer ersten und zweiten Vorrichtung zum Beaufschlagen des Leiters mit einem Signal besteht.

5. Synchronmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Vorrichtung zur Beaufschlagung des Überwachungsleiters mit einem Signal eine bauliche Einheit bildet.

6. Windenergieanlage mit einer Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

7. Verfahren zur Überwachung des Betriebs einer Synchronmaschine, die einen Läufer (Rotor) aufweist, welcher aus mehreren Polen mit einer Polwicklung besteht, wobei die Polwicklungen mehrerer Pole untereinander galvanisch verbunden sind und durch die Polwicklungen ein Erregerstrom fließt, wobei Mittel zur Überwachung der galvanischen Verbindung der Polwicklungen vorgesehen sind und bei Unterbrechung der galvanischen Verbindung der Erregerstrom wenigstens verringert, vorzugsweise abgeschaltet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehreren parallel geschalteten Gruppen von Polwicklungen der Erregerstrom in der Gruppe der Polwicklungen mit der galvanischen Unterbrechung abgeschaltet wird, in anderen Gruppen hingegen vorzugsweise aufrecht erhalten wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung der galvanischen Unterbrechung dem Erregerstrom an wenigstens einer vorgebbaren ersten Position der galvanischen Verbindung eine Wechselspannung vorgebbarer Frequenz und/oder Amplitude überlagert wird und das Vorhandensein dieser Wechselspannung an wenigstens einer zweiten vorgegebenen Position mittels einer entsprechenden Überwachungseinrichtung überwacht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erkennung einer galvanischen Unterbrechung ein zu der galvanischen Verbindung eng benachbarter Überwachungsleiter mit einem vorgebbaren Signal beaufschlagt wird und das Vorhandensein des vorgegebenen Signals überwacht wird und bei Auswahl oder starker Veränderung des vorgegebenen Signals eine Steuerungseinrichtung dazu veranlasst wird, den Erregerstrom zu verringern und/oder gänzlich abzuschalten.

11. Windenergieanlage mit einem Rotor und damit gekoppeltem Generator, welcher bei Betrieb der Windenergieanlage eine elektrische Leistung zur Verfügung stellt, welche mittels Stromschienen vom Generator aus dem Bereich der Gondel in den Fußbereich des Turmes geführt wird und dort für die Einspeisung in ein Versorgungsnetz aufbereitet wird, wobei im Wesentlichen parallel zur Stromschiene ein Überwachungsleiter verlegt ist, welcher mit einem vorgebbaren Signal beaufschlagt ist oder beaufschlagbar ist, wobei der Überwachungsleiter (Sicherungsdraht) mit einer Vorrichtung zur Erfassung des Signals gekoppelt oder verbunden ist und dass bei Unterbrechung der Stromschiene dieses durch eine Signalveränderung im Überwachungsleiter festgestellt wird bzw. feststellbar ist und die Vorrichtung zur Erfassung des Signals mit einer Steuerungseinrichtung gekoppelt ist, die dann den Strom durch diese Stromschiene wenigstens verringert, vorzugsweise abschaltet.

12. Windenergieanlage mit den Merkmalen nach einem der Unteransprüche 2 bis 5.

13. Windenergieanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Überwachungsleiter um eine einzelne Stromschiene oder um eine Gruppe von Stromschienen gewickelt ist und parallel weitestgehend vom Beginn bis zum Ende der Stromschiene verläuft.