DE102005050486B4 - energy conversion unit - Google Patents

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Abstract

Windenergieanlage aufweisend einen Rotor (12) und eine Energieumwandlungseinheit mit- einem Generator (22), der einen mit dem Rotor (12) der Windenergieanlage koppelbaren Generator-Rotor (39) mit einer Rotorwicklung (38) und einen Stator (40) mit mehreren Statorwicklungen (42) aufweist,- einer bürstenlosen Erregermaschine (24) mit einem eine Statorwicklung (30) aufweisenden Stator (28) und einem mehrere Rotorwicklungen (34) aufweisenden Rotor (26), der mit dem Rotor (39) des Generators (22) gekoppelt ist,- einem Gleichrichter (36) zur Gleichrichtung der Mehrphasenspannungen über den Rotorwicklungen (34) der Erregermaschine (24), wobei der Gleichrichter (36) im oder am Rotor (26, 39) der Erregermaschine (24) und/oder des Generators (22) angeordnet ist, und die gleichgerichtete Mehrphasenspannung des Gleichrichters (36) an der Rotorwicklung (38) des Generators (22) anliegt,- einem Frequenzumrichter (44) zur Anpassung der Frequenz der mehrphasigen Spannung über den Statorwicklungen (42) an die Frequenz der mehrphasigen Spannung eines Versorgungsnetzes (48), und- einer Steuereinheit (32) zur Steuerung des Frequenzumrichters (44) und zur Speisung der Statorwicklung (30) der Erregermaschine (24),- wobei die Steuereinheit (32) die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen über den Statorwicklungen (42) des Generators (22) und den Strömen durch die Statorwicklungen (42) des Generators (22) überwacht,- die Steuereinheit (32) den Frequenzumrichter (44) derart ansteuert, dass dieser einen Blindstrom in die Statorwicklungen (42) einspeist, wenn die Polradspannung des Synchrongenerators (22) sinkt, und- wobei die Steuereinheit (32) eine bestimmte Abweichung der Phasenverschiebung von der Nenn-Phasenverschiebung, die größer ist als ein vorgegebener Wert, als einen Fehler in der Erregermaschine (24) interpretiert und den Generator (22) abschaltet.Wind power plant having a rotor (12) and an energy conversion unit with a generator (22), which has a generator rotor (39) that can be coupled to the rotor (12) of the wind power plant and has a rotor winding (38) and a stator (40) with a plurality of stator windings (42) - a brushless exciter (24) with a stator (28) having a stator winding (30) and a rotor (26) having a plurality of rotor windings (34) coupled to the rotor (39) of the generator (22). - a rectifier (36) for rectifying the multi-phase voltages across the rotor windings (34) of the exciter (24), the rectifier (36) being in or on the rotor (26, 39) of the exciter (24) and/or the generator ( 22) is arranged, and the rectified multi-phase voltage of the rectifier (36) is applied to the rotor winding (38) of the generator (22), - a frequency converter (44) for adjusting the frequency of the multi-phase voltage across the stator windings (42) a n is the frequency of the multi-phase voltage of a supply network (48), and- a control unit (32) for controlling the frequency converter (44) and for feeding the stator winding (30) of the exciter (24),- the control unit (32) determining the phase shift between monitors the voltages across the stator windings (42) of the generator (22) and the currents through the stator windings (42) of the generator (22), - the control unit (32) controls the frequency converter (44) in such a way that it generates a reactive current in the stator windings (42) when the pole wheel voltage of the synchronous generator (22) drops, and- the control unit (32) interpreting a specific deviation of the phase shift from the nominal phase shift, which is greater than a predetermined value, as a fault in the exciter (24 ) is interpreted and the generator (22) is switched off.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieumwandlungseinheit für eine Windenergieanlage zur Umwandlung der mechanischen Rotationsenergie des Rotors der Windenergieanlage in elektrische Energie zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz.The invention relates to an energy conversion unit for a wind power plant for converting the mechanical rotational energy of the rotor of the wind power plant into electrical energy for feeding into a supply network.

Moderne Windenergieanlagen arbeiten mit Synchronmaschinen als Generatoren, deren Ausgangsspannung nach Umrichtung in einem Frequenzumrichter dem Versorgungsnetz zugeführt werden. Zur Erregung des Magnetfeldes der Synchronmaschine bedient man sich Felderregermaschinen. Aus Wartungsgründen ist man bestrebt, den Verschleiß an diesen Anlagenkomponenten der Energieumwandlungseinheit so gering wie möglich zu halten. Insoweit ist es von Vorteil, wenn bürstenlose Erregermaschinen eingesetzt werden.Modern wind turbines work with synchronous machines as generators, whose output voltage is fed to the supply network after conversion in a frequency converter. Field excitation machines are used to excite the magnetic field of the synchronous machine. For maintenance reasons, efforts are made to keep wear and tear on these plant components of the energy conversion unit as low as possible. In this respect, it is advantageous if brushless exciters are used.

Die DE 26 22 309 C3 bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für eine bürstenlose Synchronmaschine gegen Überspannungen an der Erregerwicklung, die an einen rotierenden Erregergleichrichter angeschlossen ist, der aus einer Erregermaschine gespeist ist, wobei die Erregerwicklung bei Auftreten von Überspannungen mittels eines kontaktlosen Schaltelements kurzschließbar ist. Dabei ist ein Spannungsvergleichsglied vorgesehen, dem am einen Eingang eine der Primärspannung der Erregermaschine über eine erste Proportionalitätskonstante proportionale erste Eingangsspannung und dem am anderen Eingang eine dem Primärstrom der Erregermaschine über eine zweite Proportionalitätskonstante proportionale zweite Eingangsspannung vorgegeben ist, wobei die beiden Proportionalitätskonstanten so gewählt sind, dass die zweite Eingangsspannung im Normalbetrieb der Synchronmaschine betragsmäßig unter und bei kurzgeschlossener Erregerwicklung betragsmäßig über der ersten Eingangsspannung liegt, und dass am Ausgang des Spannungsvergleichsgliedes ein Meldesignal abgegriffen ist.the DE 26 22 309 C3 relates to a protective device for a brushless synchronous machine against overvoltages on the exciter winding, which is connected to a rotating exciter rectifier fed from an exciter, the exciter winding being short-circuitable by means of a contactless switching element when overvoltages occur. A voltage comparison element is provided, for which a first input voltage proportional to the primary voltage of the exciter via a first constant of proportionality is specified at one input and a second input voltage proportional to the primary current of the exciter via a second constant of proportionality is specified at the other input, with the two constants of proportionality being selected such that that the magnitude of the second input voltage is below the first input voltage during normal operation of the synchronous machine and greater than the first input voltage when the field winding is short-circuited, and that a notification signal is tapped off at the output of the voltage comparison element.

Die DE 15 88 470 C zeigt eine Schutzschaltungsanordnung für den Erregerstromkreis einer von einem Erregergenerator über rotierende Gleichrichter erregten schleifringlosen Synchronmaschine. Dabei wird ein Vergleich zwischen dem Istwert des Erregerstromes der Erregergenerators und dem aus Strom, Spannung und Leistungsfaktor der Synchronmaschine gebildeten analogen Sollwert des dafür benötigten Erregerstromes vorgesehen.the DE 15 88 470 C shows a protective circuit arrangement for the exciter circuit of a synchronous machine without a slip ring that is excited by an exciter generator via rotating rectifiers. A comparison is provided between the actual value of the exciter current of the exciter generator and the analog desired value of the exciter current required for this, formed from the current, voltage and power factor of the synchronous machine.

Die Veröffentlichung „elektrische Antriebe“ (W. Böhm, 1. Auflage 1979, Seiten 63 bis 66, Vogel-Verlag, ISBN 3-8023-0132-3) zeigt Grundlagen elektrische Antriebe.The publication "electric drives" (W. Böhm, 1st edition 1979, pages 63 to 66, Vogel-Verlag, ISBN 3-8023-0132-3) shows the basics of electric drives.

Ein gewisser Nachteil derartiger Maschinen besteht darin, dass ihr Rotorstrom messtechnisch nicht erfasst werden kann. Die Überwachung des Rotorstroms ist aber insoweit von Vorteil, als dass Fehler rechtzeitig erkannt werden können und der Generator vor einer Zerstörung abgeschaltet werden kann.A certain disadvantage of such machines is that their rotor current cannot be measured. However, monitoring the rotor current is advantageous in that errors can be detected in good time and the generator can be switched off before it is destroyed.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energieumwandlungseinheit für eine Windenergieanlage zu schaffen, deren Generator über eine bürstenlose Erregermaschine erregt wird, wobei die Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion der Erregermaschine ohne messtechnische Erfassung des Erregerstroms möglich ist.The object of the invention is to create an energy conversion unit for a wind turbine whose generator is excited via a brushless exciter, it being possible to monitor the proper functioning of the exciter without measuring the exciter current.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Windenergieanlage aufweisend einen Rotor und eine Energieumwandlungseinheit nach Anspruch 1, eine Energieumwandlungseinheit für eine Windenergieanlage aufweisend einen Rotor nach Anspruch 3 und ein Verfahren zum Steuern der Energieumwandlungseinheit nach Anspruch 5 vorgeschlagen. Die Energieumwandlungseinheit ist versehen mit

  • - einem Generator, der einen mit dem Rotor der Windenergieanlage koppelbaren Generator-Rotor mit einer Rotorwicklung und einen Stator mit mehreren Statorwicklungen aufweist,
  • - einer bürstenlosen Erregermaschine mit einem eine Statorwicklung aufweisenden Stator und einem mehrere Rotorwicklungen aufweisenden Rotor, der mit dem Rotor des Generators gekoppelt ist,
  • - einem Gleichrichter zur Gleichrichtung der Mehrphasenspannungen über den Rotorwicklungen der Erregermaschine, wobei der Gleichrichter im oder am Rotor der Erregermaschine und/oder des Generators angeordnet ist und die gleich gerichtete Mehrphasenspannung des Gleichrichters an der Rotorwicklung des Generators anliegt,
  • - einem Frequenzumrichter zur Anpassung der Frequenz der mehrphasigen Spannung über den Statorwicklungen an die Frequenz der mehrphasigen Spannung eines Versorgungsnetzes, und mit
  • - einer Steuereinheit zur Steuerung des Frequenzumrichters und zur Speisung der Statorwicklung der Erregermaschine versehen,
  • - wobei die Steuereinheit die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen über den und den Strömen durch die Statorwicklungen des Generators überwacht,
  • - wobei die Steuereinheit den Frequenzumrichter derart ansteuert, dass dieser einen Blindstrom in die Statorwicklungen einspeist, wenn die Polradspannung des Synchrongenerators sinkt, und
  • - wobei die Steuereinheit eine bestimmte Abweichung der Phasenverschiebung von der Nenn-Phasenverschiebung, die größer ist als ein vorgegebener Wert, als einen Fehler in der Erregermaschine interpretiert und den Generator abschaltet.
To achieve this object, the invention proposes a wind power plant having a rotor and an energy conversion unit according to claim 1, an energy conversion unit for a wind power plant having a rotor according to claim 3 and a method for controlling the energy conversion unit according to claim 5. The power conversion unit is provided with
  • - a generator which has a generator rotor which can be coupled to the rotor of the wind turbine and has a rotor winding and a stator with a plurality of stator windings,
  • - a brushless exciter with a stator having a stator winding and a rotor having a plurality of rotor windings, which is coupled to the rotor of the generator,
  • - a rectifier for rectifying the multi-phase voltages across the rotor windings of the exciter, the rectifier being arranged in or on the rotor of the exciter and/or the generator and the rectified multi-phase voltage of the rectifier being applied to the rotor winding of the generator,
  • - a frequency converter for adapting the frequency of the multi-phase voltage across the stator windings to the frequency of the multi-phase voltage of a supply network, and with
  • - provided with a control unit for controlling the frequency converter and for feeding the stator winding of the exciter,
  • - wherein the control unit monitors the phase shift between the voltages across and the currents through the stator windings of the generator,
  • - The control unit controls the frequency converter in such a way that it feeds a reactive current into the stator windings when the flywheel voltage of the synchronous generator drops, and
  • - wherein the control unit interprets a certain deviation of the phase shift from the nominal phase shift, which is greater than a predetermined value, as a fault in the exciter and switches off the generator.

Erfindungsgemäß wird also auf einen Fehlerfall im Rotor der Erregermaschine bzw. des Generators auf der Grundlage einer Veränderung der Phasenverschiebung zwischen den Statorspannungen und den Statorströmen des Generators geschlossen. Die Steuereinheit des Frequenzumrichters steuert im Normalfall den Frequenzumrichter dergestalt, dass der Generator mit einem bestimmten Leistungsfaktor (coscp) arbeitet. Dieser Leistungsfaktor entspricht einer bestimmten Nenn-Phasenverschiebung. Im Regelfall ist der Leistungsfaktor cosφ=1. Während des normalen Betriebs des Generators wird also über den Umrichter kein Blindstrom in den Stator des Generators eingespeist.According to the invention, a fault in the rotor of the exciter or the generator is thus concluded on the basis of a change in the phase shift between the stator voltages and the stator currents of the generator. The control unit of the frequency converter normally controls the frequency converter in such a way that the generator works with a certain power factor (coscp). This power factor corresponds to a specific nominal phase shift. As a rule, the power factor is cosφ=1. During normal operation of the generator, no reactive current is fed into the stator of the generator via the converter.

Blindstrom wird allerdings dann eingespeist, wenn im Rotor des Generators ein Fehlerfall zu verzeichnen ist, indem der Strom über den Rotor mit der Ankerzeitkonstante abnimmt. Somit verringert sich im Generator die Polradspannung. Dieser Fehlerfall führt bei einem coφ=1 automatisch zu einem Absinken der Statorspannung. Um diesem Absinken entgegenzuwirken, speist der Umrichter vermehrt Blindstrom in den Generator ein. Dies führt zu einem erhöhten Spannungsabfall über den Statorwicklungen des Generators, was zum Erreichen der Nennspannung an den Statorklemmen des Generators führt. Ist die Polradspannung auf nahezu null Volt abgeklungen, wird der Generator quasi als Transformator betrieben. Hierdurch treten hohe induzierte Spannungen über der Rotorwicklung des Generators auf, was zu einer Zerstörung der Wicklung und/oder des Gleichrichters führt.However, reactive current is fed in when there is a fault in the rotor of the generator, in which the current through the rotor decreases with the armature time constant. This reduces the pole wheel voltage in the generator. If coφ=1, this error case automatically leads to a drop in the stator voltage. To counteract this drop, the converter feeds more reactive current into the generator. This leads to an increased voltage drop across the generator's stator windings, which leads to the achievement of the rated voltage at the generator's stator terminals. If the pole wheel voltage has dropped to almost zero volts, the generator is operated as a kind of transformer. As a result, high induced voltages occur across the rotor winding of the generator, which leads to the destruction of the winding and/or the rectifier.

Nach der Erfindung wird der Generator abgeschaltet, wenn die Phasenverschiebung zu stark von der Nenn-Phasenverschiebung abweicht. Dies kann beispielsweise anhand der Größe der Polradspannung detektiert werden. Fällt beispielsweise die Polradspannung auf die Hälfte ihres Nennwertes ab, da der Erregerstrom wegen eines Fehlerfalls auf die Hälfte seines Nennwerts abgefallen ist, kann der Generator abgeschaltet werden, was vorteilhafterweise dadurch erfolgt, dass der Umrichter abgeschaltet wird.According to the invention, the generator is switched off when the phase shift deviates too much from the nominal phase shift. This can be detected, for example, based on the magnitude of the magnet wheel voltage. For example, if the magnet wheel voltage drops to half of its nominal value because the excitation current has dropped to half of its nominal value due to a fault, the generator can be switched off, which is advantageously done by switching off the converter.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:

  • 1 schematisch den Triebstrang einer Windenergieanlage mit Rotor, Getriebe und über eine bürstenlose Erregermaschine erregten Synchrongenerator,
  • 2 ein vereinfachtes Zeigerdiagramm der Phasenlagen von Strom- und Spannungskomponenten des Generators im Normalfall und
  • 3 die Situation der Phasenlage der einzelnen Spannungs- und Stromkomponenten im Störfall.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. In detail show:
  • 1 Schematically the drive train of a wind turbine with rotor, gearbox and synchronous generator excited via a brushless exciter,
  • 2 a simplified phasor diagram of the phasing of current and voltage components of the generator in the normal case and
  • 3 the phase position of the individual voltage and current components in the event of a fault.

1 zeigt schematisch den Triebstrang 10 einer Windenergieanlage, deren Rotor 12 über eine (langsame) Welle 14 mit einem Getriebe 16 verbunden ist, das über eine (schnelle) Welle 18 und eine Kupplung 20 mit einem Synchrongenerator 22 gekoppelt ist. Der Synchrongenerator 22 wird über eine bürstenlose Erregermaschine 24 erregt, die einen Rotor 26 und einen Stator 28 aufweist. Der Stator 28 ist mit einer Erregerwicklung 30 versehen, die über eine Steuereinheit 32 gespeist wird. Im Rotor 26 der Erregermaschine 24 befinden sich drei Rotorwicklungen 34, deren Spannungen über einen dreiphasigen Gleichrichter 36 gleichgerichtet und an eine Wicklung 38 des Rotors 39 des Synchrongenerators 22 angelegt werden. Die Wicklungen 34 und 38 sowie der Gleichrichter 36 befinden sich also an einem gemeinsamen rotierenden Teil. Der Synchrongenerator 22 weist ferner einen Stator 40 auf, der mit drei Statorwicklungen 42 versehen ist. Die über den Statorwicklungen 42 abfallenden dreiphasigen Spannungen werden einem Frequenzumrichter 44 zugeführt, dessen Ausgang über einen Transformator 46 mit einem Versorgungsnetz 48 verbunden ist. Die Steuereinheit 32 , die neben der Einspeisung von Strom in die Statorwicklung 30 der Erregermaschine 24 auch den Frequenzumrichter 44 steuert, empfängt über Wandler 50 die aktuellen Größen der dreiphasigen Ausgangsströme und Ausgangsspannungen des Synchrongenerators 22 . 1 shows schematically the drive train 10 of a wind turbine, the rotor 12 of which is connected via a (low-speed) shaft 14 to a transmission 16 which is coupled via a (high-speed) shaft 18 and a clutch 20 to a synchronous generator 22 . The synchronous generator 22 is excited via a brushless exciter 24 which has a rotor 26 and a stator 28 . The stator 28 is provided with an exciter winding 30 which is fed via a control unit 32 . In the rotor 26 of the exciter 24 there are three rotor windings 34 whose voltages are rectified via a three-phase rectifier 36 and applied to a winding 38 of the rotor 39 of the synchronous generator 22 . The windings 34 and 38 and the rectifier 36 are therefore located on a common rotating part. The synchronous generator 22 also has a stator 40 which is provided with three stator windings 42 . The three-phase voltages dropping across the stator windings 42 are fed to a frequency converter 44 whose output is connected to a supply network 48 via a transformer 46 . The control unit 32 , which, in addition to feeding current into the stator winding 30 of the exciter 24 , also controls the frequency converter 44 , receives the current magnitudes of the three-phase output currents and output voltages of the synchronous generator 22 via the converter 50 .

Der Frequenzumrichter 44 speist darüber hinaus auch Strom in die Statorwicklungen 42 des Synchrongenerators 22 ein, was vom gewünschten Lastfaktor (coscp) abhängt.The frequency converter 44 also injects current into the stator windings 42 of the synchronous generator 22, which depends on the desired load factor (coscp).

Im Normalfall treibt der Rotor 12 der Windenergieanlage über die Wellen 14 , 18 , das Getriebe 16 und die Kupplung 20 den Rotor 39 der Synchrongenerator 22 und damit auch den Rotor 26 der Erregermaschine 24 an. Bei bestromter Statorwicklung 30 der Erregermaschine 24 wird in deren Rotorwicklungen 34 eine dreiphasige Spannung induziert, die über den Gleichrichter 36 gleichgerichtet wird. Mit dieser gleich gerichteten Spannung wird dann die Rotorwicklung 38 des Synchrongenerators 22 versorgt. Infolge der Rotation wird dann in dem Stator 40 des Synchrongenerators 22 eine Spannung induziert, die bezüglich ihrer Frequenz in dem Frequenzumrichter 44 umgerichtet und schließlich dem Versorgungsnetz 48 zugeführt wird.In the normal case, the rotor 12 of the wind energy plant drives the rotor 39 of the synchronous generator 22 and thus also the rotor 26 of the exciter 24 via the shafts 14 , 18 , the transmission 16 and the clutch 20 . When the stator winding 30 of the exciter 24 is energized, a three-phase voltage is induced in its rotor windings 34 and is rectified by the rectifier 36 . The rotor winding 38 of the synchronous generator 22 is then supplied with this rectified voltage. As a result of the rotation, a voltage is then induced in the stator 40 of the synchronous generator 22 with respect to its frequency in the frequen converter 44 converted and finally the supply network 48 is supplied.

Ein vereinfachtes Zeigerdiagramm des Generatorstroms Is, der Generatorspannung Us, der Polradspannung UP und des Längsreaktanz-Spannungsabfalls Ud, der sich als Produkt aus dem Generatorstrom Is und der Längsreaktanz Xd ergibt, ist in 2 gezeigt. In der Darstellung gemäß 2 beträgt der Leistungsfaktor cosφ = 1.A simplified phasor diagram of the generator current I s , the generator voltage U s , the rotor voltage UP and the series reactance voltage drop U d , which results from the product of the generator current I s and the series reactance X d , is shown in 2 shown. In the representation according to 2 the power factor is cosφ = 1.

Kommt es nun zu einem Fehlerfall in den elektrischen Komponenten der Rotoren des Synchrongenerators 22 und/oder der Erregermaschine 24 dergestalt, dass der Synchrongenerator 22 nicht mehr, wie beabsichtigt, erregt wird, sinkt die innere Polradspannung des Synchrongenerators 22 ab, da der Erregerstrom abklingt. Eine nicht vorschriftsmäßige Erregung des (Haupt-)Polrades des Synchrongenerators 22 kann beispielsweise durch einen Kurzschluss im Gleichrichter 36 oder durch einen Kabelbruch der Leitungen der Rotoren 39 und 26 des Synchrongenerators 22 bzw. der Erregermaschine 24 verursacht sein, was zu einer sinkenden Polradspannung führt. Der Frequenzumrichter 44 arbeitet insofern dagegen, als er einen sich erhöhenden Blindstrom in die Statorwicklungen 42 des Synchrongenerators 22 einspeist, um die Statorspannung zu erhöhen, damit die Anlage bei Nenn-Moment arbeitet. Ist die Polradspannung auf nahezu null Volt abgeklungen, führt das Pulsen des Frequenzumrichters 44 auf die Statorwicklungen 42 zu hohen Spannungsinduktionen in der Rotorwicklung 38 des Synchrongenerators 22 . In diesem Fall werden die Rotorwicklung 38 und darüber hinaus der Gleichrichter 36 relativ stark belastet, was zu Zerstörungen führen kann. Der Synchrongenerator 22 arbeitet quasi als Transformator.If a fault occurs in the electrical components of the rotors of the synchronous generator 22 and/or the exciter 24 in such a way that the synchronous generator 22 is no longer excited as intended, the internal magnet wheel voltage of the synchronous generator 22 drops because the exciter current decays. Improper excitation of the (main) pole wheel of the synchronous generator 22 can be caused, for example, by a short circuit in the rectifier 36 or by a cable break in the lines of the rotors 39 and 26 of the synchronous generator 22 or the exciter 24, which leads to a falling pole wheel voltage. The frequency converter 44 counteracts this in that it injects an increasing reactive current into the stator windings 42 of the synchronous generator 22 in order to increase the stator voltage in order for the system to operate at rated torque. If the magnet wheel voltage has decayed to almost zero volts, the pulsing of the frequency converter 44 on the stator windings 42 leads to high voltage inductions in the rotor winding 38 of the synchronous generator 22 . In this case, the rotor winding 38 and, moreover, the rectifier 36 are subjected to a relatively high load, which can lead to destruction. The synchronous generator 22 works more or less as a transformer.

Dieser Zerstörung könnte auf denkbar einfache Art und Weise entgegengewirkt werden, wenn es möglich wäre, den Rotorstrom des Synchrongenerators 22 zu erfassen. Dies ist aber leider nicht möglich. Daher wird nach der Erfindung ein Störfall anhand der Überwachung des Leistungsfaktors coscp detektiert.This destruction could be counteracted in the simplest way possible if it were possible to detect the rotor current of synchronous generator 22 . Unfortunately, this is not possible. Therefore, according to the invention, an incident is detected by monitoring the power factor coscp.

Durch den ständigen Abgriff des Generatorstroms und der Generatorspannung über die Wandler 50 kann in der Steuereinheit 32 die Phasenverschiebung bzw. der Leistungsfaktor coscp überwacht werden. Sobald die Polradspannung des Synchrongenerators 22 sinkt, wie dies oben für den Störfall erläutert ist, muss der Frequenzumrichter 44 den fehlenden magnetischen Fluss in dem Synchrongenerator kompensieren, damit der Nenn-Momentbetrieb aufrecht erhalten werden kann. Hierzu steuert die Steuereinheit 32 den Frequenzumrichter 44 derart an, dass dieser einen erhöhten Blindstrom in die Statorwicklungen 42 des Synchrongenerators 22 einspeist. Dadurch kommt es zum verstärkten Spannungsabfall über den Statorwicklungen 42 , der zur Anhebung der Statorspannung führt. In diesem Fall verschiebt sich der Leistungsfaktor coscp des Synchrongenerators und diese Auswirkung wird von der Steuereinheit 32 überwacht. Das gesamte System kann dann abgeschaltet werden, indem z.B. der Frequenzumrichter insofern deaktiviert wird, als das Pulsen auf den Stator beendet wird. Das Zeigerdiagramm des Synchrongenerators 22 (in vereinfachter Ausführung) für einen Fehlerfall, bei dem die Polradspannung auf die Hälfte ihres Nennwertes abgefallen ist, zeigt 3 . Zu erkennen ist die Phasenverschiebung zwischen dem Generatorstrom Is und der Generatorspannung Us .By constantly tapping off the generator current and the generator voltage via the converter 50, the phase shift or the power factor coscp can be monitored in the control unit 32. As soon as the magnet wheel voltage of the synchronous generator 22 drops, as explained above for the fault, the frequency converter 44 has to compensate for the missing magnetic flux in the synchronous generator so that the rated torque operation can be maintained. For this purpose, the control unit 32 controls the frequency converter 44 in such a way that it feeds an increased reactive current into the stator windings 42 of the synchronous generator 22 . This results in an increased voltage drop across the stator windings 42, which leads to an increase in the stator voltage. In this case the power factor coscp of the synchronous generator shifts and this effect is monitored by the control unit 32. The entire system can then be switched off, for example by deactivating the frequency converter insofar as the pulsing on the stator is ended. The phasor diagram of the synchronous generator 22 (in a simplified version) for a fault situation in which the magnet wheel voltage has dropped to half of its nominal value shows 3 . The phase shift between the generator current I s and the generator voltage Us can be seen.

Claims (5)

Windenergieanlage aufweisend einen Rotor (12) und eine Energieumwandlungseinheit mit - einem Generator (22), der einen mit dem Rotor (12) der Windenergieanlage koppelbaren Generator-Rotor (39) mit einer Rotorwicklung (38) und einen Stator (40) mit mehreren Statorwicklungen (42) aufweist, - einer bürstenlosen Erregermaschine (24) mit einem eine Statorwicklung (30) aufweisenden Stator (28) und einem mehrere Rotorwicklungen (34) aufweisenden Rotor (26), der mit dem Rotor (39) des Generators (22) gekoppelt ist, - einem Gleichrichter (36) zur Gleichrichtung der Mehrphasenspannungen über den Rotorwicklungen (34) der Erregermaschine (24), wobei der Gleichrichter (36) im oder am Rotor (26, 39) der Erregermaschine (24) und/oder des Generators (22) angeordnet ist, und die gleichgerichtete Mehrphasenspannung des Gleichrichters (36) an der Rotorwicklung (38) des Generators (22) anliegt, - einem Frequenzumrichter (44) zur Anpassung der Frequenz der mehrphasigen Spannung über den Statorwicklungen (42) an die Frequenz der mehrphasigen Spannung eines Versorgungsnetzes (48), und - einer Steuereinheit (32) zur Steuerung des Frequenzumrichters (44) und zur Speisung der Statorwicklung (30) der Erregermaschine (24), - wobei die Steuereinheit (32) die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen über den Statorwicklungen (42) des Generators (22) und den Strömen durch die Statorwicklungen (42) des Generators (22) überwacht, - die Steuereinheit (32) den Frequenzumrichter (44) derart ansteuert, dass dieser einen Blindstrom in die Statorwicklungen (42) einspeist, wenn die Polradspannung des Synchrongenerators (22) sinkt, und - wobei die Steuereinheit (32) eine bestimmte Abweichung der Phasenverschiebung von der Nenn-Phasenverschiebung, die größer ist als ein vorgegebener Wert, als einen Fehler in der Erregermaschine (24) interpretiert und den Generator (22) abschaltet.Wind energy plant having a rotor (12) and an energy conversion unit with - a generator (22), which has a generator rotor (39) which can be coupled to the rotor (12) of the wind energy plant and has a rotor winding (38) and a stator (40) with a plurality of stator windings (42), - a brushless exciter (24) with a stator (28) having a stator winding (30) and a rotor (26) having a plurality of rotor windings (34), which is coupled to the rotor (39) of the generator (22). - a rectifier (36) for rectifying the multi-phase voltages across the rotor windings (34) of the exciter (24), the rectifier (36) being in or on the rotor (26, 39) of the exciter (24) and/or the generator ( 22) is arranged, and the rectified multi-phase voltage of the rectifier (36) is applied to the rotor winding (38) of the generator (22), - a frequency converter (44) for adjusting the frequency of the multi-phase voltage across the stator windings (4 2) to the frequency of the multi-phase voltage of a supply network (48), and - a control unit (32) for controlling the frequency converter (44) and for feeding the stator winding (30) of the exciter (24), - the control unit (32) the phase shift between the voltages across the stator windings (42) of the generator (22) and the currents through the stator windings (42) of the generator (22), - the control unit (32) controls the frequency converter (44) in such a way that it generates a reactive current in feeds the stator windings (42) when the magnet wheel voltage of the synchronous generator (22) drops, and - the control unit (32) recognizing a certain deviation of the phase shift from the nominal phase shift, which is greater than a predetermined value, as a fault in the exciter machine (24) interpreted and the generator (22) off. Windenergieanlage nach Anspruch 1, wobei die bestimmte Abweichung der Phasenverschiebung dann erreicht ist, wenn die Polradspannung des Generators (22) auf die Hälfte ihres Nennwertes abgefallen ist.wind turbine after claim 1 , the specific deviation of the phase shift being reached when the magnet wheel voltage of the generator (22) has fallen to half of its nominal value. Energieumwandlungseinheit für eine Windenergieanlage mit - einem Generator (22), der einen mit einem Rotor (12) der Windenergieanlage koppelbaren Generator-Rotor (39) mit einer Rotorwicklung (38) und einen Stator (40) mit mehreren Statorwicklungen (42) aufweist, - einer bürstenlosen Erregermaschine (24) mit einem eine Statorwicklung (30) aufweisenden Stator (28) und einem mehrere Rotorwicklungen (34) aufweisenden Rotor (26), der mit dem Rotor (39) des Generators (22) gekoppelt ist, - einem Gleichrichter (36) zur Gleichrichtung der Mehrphasenspannungen über den Rotorwicklungen (34) der Erregermaschine (24), wobei der Gleichrichter (36) im oder am Rotor (26, 39) der Erregermaschine (24) und/oder des Generators (22) angeordnet ist, und die gleichgerichtete Mehrphasenspannung des Gleichrichters (36) an der Rotorwicklung (38) des Generators (22) anliegt, - einem Frequenzumrichter (44) zur Anpassung der Frequenz der mehrphasigen Spannung über den Statorwicklungen (42) an die Frequenz der mehrphasigen Spannung eines Versorgungsnetzes (48), und - einer Steuereinheit (32) zur Steuerung des Frequenzumrichters (44) und zur Speisung der Statorwicklung (30) der Erregermaschine (24), - wobei die Steuereinheit (32) die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen über den Statorwicklungen (42) des Generators (22) und den Strömen durch die Statorwicklungen (42) des Generators (22) überwacht, - die Steuereinheit (32) den Frequenzumrichter (44) derart ansteuert, dass dieser einen Blindstrom in die Statorwicklungen (42) einspeist, wenn die Polradspannung des Synchrongenerators (22) sinkt, und - wobei die Steuereinheit (32) eine bestimmte Abweichung der Phasenverschiebung von der Nenn-Phasenverschiebung, die größer ist als ein vorgegebener Wert, als einen Fehler in der Erregermaschine (24) interpretiert und den Generator (22) abschaltet.Energy conversion unit for a wind turbine with - a generator (22), which has a generator rotor (39) which can be coupled to a rotor (12) of the wind turbine and has a rotor winding (38) and a stator (40) with a plurality of stator windings (42), - a brushless exciter (24) with a stator (28) having a stator winding (30) and a rotor (26) having a plurality of rotor windings (34), which is coupled to the rotor (39) of the generator (22), - a rectifier (36) for rectifying the multi-phase voltages across the rotor windings (34) of the exciter (24), the rectifier (36) in or on the rotor (26, 39) of the exciter (24) and/or the generator (22) is arranged, and the rectified multi-phase voltage of the rectifier (36) is applied to the rotor winding (38) of the generator (22), - A frequency converter (44) for adapting the frequency of the multi-phase voltage across the stator windings (42) to the frequency of the multi-phase voltage of a supply network (48), and - A control unit (32) for controlling the frequency converter (44) and for feeding the stator winding (30) of the exciter (24), - wherein the control unit (32) monitors the phase shift between the voltages across the stator windings (42) of the generator (22) and the currents through the stator windings (42) of the generator (22), - The control unit (32) controls the frequency converter (44) in such a way that it feeds a reactive current into the stator windings (42) when the magnet wheel voltage of the synchronous generator (22) falls, and - Wherein the control unit (32) interprets a specific deviation of the phase shift from the nominal phase shift, which is greater than a predetermined value, as a fault in the exciter (24) and switches off the generator (22). Energieumwandlungseinheit nach Anspruch 3, wobei die bestimmte Abweichung der Phasenverschiebung dann erreicht ist, wenn die Polradspannung des Generators (22) auf die Hälfte ihres Nennwertes abgefallen ist.energy conversion unit claim 3 , the specific deviation of the phase shift being reached when the magnet wheel voltage of the generator (22) has fallen to half of its nominal value. Verfahren zum Steuern einer Energieumwandlungseinheit nach Anspruch 3 oder 4, aufweisend die Schritte: - Überwachen der Phasenverschiebung zwischen den Spannungen über den Statorwicklungen (42) des Generators (22) und den Strömen durch die Statorwicklungen (42) des Generators (22); - Ansteuern des Frequenzumrichters (44) derart, dass dieser einen Blindstrom in die Statorwicklungen (42) einspeist, wenn die Polradspannung des Synchrongenerators (22) sinkt; und - Interpretieren einer bestimmten Abweichung der Phasenverschiebung von der Nenn-Phasenverschiebung, die größer ist als ein vorgegebener Wert, als einen Fehler in der Erregermaschine (24); - wenn der Fehler vorliegt, Abschalten des Generators (22).Method for controlling an energy conversion unit claim 3 or 4 comprising the steps of: - monitoring the phase shift between the voltages across the stator windings (42) of the generator (22) and the currents through the stator windings (42) of the generator (22); - Controlling the frequency converter (44) in such a way that it feeds a reactive current into the stator windings (42) when the pole wheel voltage of the synchronous generator (22) drops; and - interpreting a determined deviation of the phase shift from the nominal phase shift, which is greater than a predetermined value, as a fault in the exciter (24); - if the error is present, switching off the generator (22).
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