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Die
Erfindung betrifft eine Generatorenanordnung gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei
Anlagen zur Wandlung von nicht konstant zur Verfügung stehender
mechanischer Energie in elektrische Energie besteht das Problem,
dass die verwendeten elektrischen Generatoren aus technischen Gründen
in einem nach oben beschränkten Drehzahlbereich betrieben
werden müssen und aus Gründen der Effizienz in
einem noch weiter eingeschränkten Drehzahlbereich betrieben
werden sollten. Daher erzeugen derartige Anlagen, die z. B. mit Wind-
oder Wasserenergie angetrieben werden, elektrische Energie, die
betragsmäßig deutlich hinter der zur Verfügung
stehenden bzw. eingeleiteten Wind- oder Wasserenergie zurückbleibt.
Diese Einbußen entstehen einerseits, wenn zu wenig Wind- oder
Wasserenergie zur Verfügung steht, durch einen schlechten
Wirkungsgrad des Generators oder z. B. durch die Reibungsverluste
eines zwischengeschalteten Getriebes. Wenn andererseits zu viel Wind-
oder Wasserenergie zur Verfügung steht, müssen
derartige Anlagen oft abgebremst oder sogar still gelegt werden.
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Um
die beschriebenen Verschlechterungen des Wirkungsgrades abzuschwächen
bzw. um eine Anlage auch über verschiede Betriebszustände
mit gutem Wirkungsgrad zu betreiben, werden verschiedene Lösungen
vorgeschlagen.
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In
der
DE 10 2006
008 014 A1 wird eine Zusatzschaltung für einen
Transformator insbesondere für den Schwachwindbetrieb einer
Windenergieanlage beschrieben, die zu einer Steigerung ihres Wirkungsgrades
im Schwachwindbetrieb führt. Dies wird erreicht durch zwei
Primärwicklungen des Transformators, wobei der Generator
je nach Betriebsart mit einer der beiden Wicklungen verbunden wird.
Damit wird eine vorteilhafte Verschiebung der Betriebskennlinie
der Windenergieanlage erreicht.
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In
der Druckschrift
DE
44 31 361 A1 ist eine Generatorenanordnung für
Windenergieanlagen gezeigt, bei der ein oder mehrere Generatoren
je nach Windgeschwindigkeit betrieben werden, wobei ein Generator
mit dem Rotor verbunden ist und die anderen Generatoren wahlweise über
ein Getriebe zugeschaltet werden können.
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Nachteilig
an diesem Konzept ist, dass Teile des Getriebes auch im Schwachwindbetrieb
mitlaufen und so den Wirkungsgrad vermindern.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Generatorenanordnung
zu schaffen, die bei minimalem vorrichtungstechnischem Aufwand über
verschiedene Betriebszustände der Anlage einen vergleichsweise
hohen Wirkungsgrad hat.
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Dies
Aufgabe wird gelöst durch eine Generatorenanordnung zur
Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie nach Patentanspruch 1.
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Die
erfindungsgemäße Generatorenanordnung weist eine
angetriebene Eingangswelle auf, über die eine zeitlich
variable Eingangsleistung ins System eingeleitet wird. Die Eingangswelle
ist mit einem ersten Ringgenerator verbunden. Außerdem
hat die erfindungsgemäße Anordnung mindestens
einen weiteren Generator, der über eine Kupplung und ein Getriebe
mit der Eingangswelle verbunden ist. Eine derartige Generatorenanordnung
hat den Vorteil, dass sie durch Betätigen der Kupplung
einfach und verschleißarm von einem „ein-Generator-Betrieb” – also
einem Betrieb nur des Ringgenerators – in einen „alle
Generatoren-Betrieb” umgeschaltet werden kann, wobei im
erstgenannten Betriebszustand nur geringe Massen in Rotation versetzt
werden müssen. Durch die beiden Betriebszustände
lässt sich die Anordnung bei geringerer zur Verfügung
stehender Antriebsleistung und bei höherer zur Verfügung
stehender Leistung getrennt optimieren.
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Vorzugsweise
ist der erste Generator direkt, also ohne zwischengeschaltetes Getriebe
mit der Eingangswelle verbunden. Dadurch wird im „ein-Generator-Betrieb” jeglicher
Verlust durch Getriebe vermieden. Wenn zwischen dem Antriebsstrang
und dem ersten Generator eine Kupplung vorhanden ist, kann der erste
Generator im Fehlerfall vom Antriebsstrang abgekoppelt werden.
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In
bevorzugten Weiterbildungen ist der erste Generator ein Synchrongenerator.
Die Verwendung eines Synchrongenerators bedeutet gegenüber
einem Asynchrongenerator bei langsamen Antriebsdrehzahlen geringeres
Bauvolumen und einen höheren Wirkungsgrad wegen des geringeren
Erregerstrombedarfs.
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In
einer bevorzugten Variante der Anordnung mit Synchrongenerator ist
dem Synchrongenerator ein Frequenzumrichter zugeordnet, der den
vom Synchrongenerator erzeugten Strom so in Wechselstrom umformt,
dass der erzeugte Strom ins Netz eingespeist werden kann.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn der Frequenzumrichter und die Anlagensteuerung
so ausgelegt sind, dass sie in Wechselwirkung mit dem Synchrongenerator
als Rotations- bzw. Torsionsdämpfer für die gesamte
Generatorenanordnung und den Antriebsstrang dienen können.
So können Belastungsstöße und Schwingungen
eines an der Eingangswelle vorgesehenen Rotors oder Propellers gemindert werden,
der zur Umwandlung der Wind- oder Wasserenergie in Rotationsenergie
dient. Weiterhin werden Bauelemente der Generatorenanordnung und des
Antriebsstrangs geschont und sie können kostengünstiger,
leichter und kleiner ausgelegt werden. Außerdem können
sich Wartungsintervalle und die Lebensdauer einzelner Teile verlängern.
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In
einer anderen bevorzugten Weiterbildung kann der Frequenzumrichter
so angesteuert werden, dass er die Leistungsverteilung zwischen
dem Synchrongenerator einerseits und dem anderen Generator steuern
kann. Dadurch kann z. B. bei Starkwindbetrieb der Generator, der
mehr Strom produziert, optimal betrieben werden, während
der andere Generator evtl. auch mit einem schlechteren Wirkungsgrad betrieben
wird, mit dem Ergebnis, dass die Anordnung ganzheitlich mit maximalem
Wirkungsgrad betrieben wird.
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Vorzugsweise
hat die Anordnung eine Steuereinrichtung, durch die die Kupplung
automatisch getrennt oder verbunden werden kann, je nach der Leistung
bzw. Drehzahl, die an der Eingangswelle zur Verfügung steht.
Auf diese Weise kann z. B. bei Schwachwindbetrieb der zusätzliche
Generator abgeschaltet werden und der Synchrongenerator in seinem
optimalen Nenndrehzahlbereich betrieben werden. Dabei werden nur
minimale Massen in Drehbewegung versetzt, wodurch der Wirkungsgrad
der Anordnung insbesondere bei schwankenden Drehzahlen verbessert
wird.
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Besonders
bevorzugt ist die Kupplung vor dem Getriebe angeordnet, wodurch
keine Getriebeteile bewegt werden müssen, wenn sich die
Anordnung im Schwachwindbetrieb befindet.
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Je
nach Auslegung kann es alternativ auch vorteilhaft sein, wenn das
Getriebe aus mehreren Getriebeabschnitten bzw. -stufen besteht und
die Kupplung (in Kraftflussrichtung gesehen) hinter einer ersten
Getriebestufe angeordnet ist.
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Vorzugweise
werden ein oder mehrere Getriebestufen als Stirnrad- und/oder als
Planetengetriebe und seinen konstruktiven Derivaten ausgebildet,
wobei vorzugsweise Planetengetriebe je aus einem Sonnenrad, einem
Hohlrad und mehreren auf einem Steg angeordneten Planetenrädern
besteht. Mit diesem Getriebeaufbau lässt sich ein im Wesentlichen
zylinderförmiges und kompaktes Gehäuse der Generatorenanordnung
realisieren.
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Bei
einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Getriebestufe ein
Planetengetriebe, und der Synchrongenerator bzw. dessen Läufer
ist am Hohlrad – vorzugsweise an dessen äußeren
Mantelfläche – befestigt. Dadurch kann Material
gespart werden, da ein innerer Abschnitt des Läufers entfällt.
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Aus
Gründen der ganzheitlichen Optimierung des Wirkungsgrades
der erfindungsgemäßen Generatorenanordnung ist
es von Vorteil, den Synchrongenerator für geringere Leistung
auszulegen und den oder die weiteren Generatoren für höhere Leistung
auszulegen.
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Die
erfindungsgemäße Generatorenanordnung wird besonders
Nutzen bringend eingesetzt, wenn nicht konstante bzw. schwankende
Antriebskräfte an der der Eingangswelle zur Verfügung
stehen. Dies ist z. B. der Fall bei Windenergieanlagen oder bei
Gezeiten-, Wellen- oder Wasserkraftwerken.
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Im
folgenden werden anhand der Figuren zwei Ausführungsbeispiele
der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Generatorenanordnung im seitlichen Schnitt; und
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Generatorenanordnung im seitlichen Schnitt.
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1 zeigt
schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Generatorenanordnung im seitlichen Schnitt. Am in 1 linken Ende
einer Antriebswelle 1 ist z. B. in dem Fall, dass die Anordnung
in einer Windkraftanlage vorgesehen ist, ein nicht dargestellter
Rotor befestigt, der eine zumeist schwankende Antriebsleistung an
der Antriebswelle 1 zur Verfügung stellt. Auf
der Antriebswelle 1 ist ein Synchrongenerator 2 vorgesehen,
der eine relativ niedrige Nenndrehzahl bzw.
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Nennleistung
aufweist und in diesem Bereich einen besseren Wirkungsgrad hat als
ein Asynchrongenerator. Dieser Synchrongenerator 2 hat
im Wesentlichen einen mit der Antriebswelle 1 drehenden Läufer 4 und
einen am Innenumfang eines (nicht gezeigten) Generatorgehäuses
angebrachten Stator 6.
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Die
Antriebswelle 1 ist durch eine Kupplung 8 von
einer kurzen Hohlradwelle 10 trennbar. Die Hohlradwelle 10 ist
mit einem Hohlrad 12 eines ersten Planetengetriebes 14 gekoppelt.
Dieses ist in der dem Fachmann bekannten Weise aufgebaut und weist
in diesem Fall zwei Planetenräder 16, 16a auf, die
an einem Steg 18 gelagert sind. Zwischen den Planetenrädern 16, 16a ist
ein Sonnenrad 20 angeordnet, welches mit einer weiteren
Welle 22 verbunden ist.
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Dabei
weisen das Sonnenrad 20 und die Planetenräder 16, 16a Außenverzahnungen
auf, während das Hohlrad 12 eine Innenverzahnung
hat, so dass das Planetengetriebe 14 aus der Rotation des angetriebenen
Hohlrades 12 eine Rotation des Steges 18 und/oder
der Welle 22 mit höherer Drehzahl und niedrigerem
Drehmoment in der bekannten Weise erzeugen kann.
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Bei
dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist der Steg 18 festgelegt,
so dass die Planetenräder 16, 16a zwar
rotieren können, aber nicht um das Sonnenrad 20 umlaufen.
Somit besteht ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis
zwischen der Hohlradwelle 10 und der Welle 22.
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Die
rotierende Welle 22 treibt ein damit verbundenes weiteres
Hohlrad 12a eines weiteren Planetengetriebes 14a an.
Das Plantetengetriebe 14a ist prinzipiell gleich dem ersten
Planetengetriebe 14 aufgebaut und hat eine Abtriebswelle 26,
die mit wiederum erhöhter Drehzahl als Antriebswelle einer
weiteren Getriebestufe 28 dient. Die Getriebestufe 28 übersetzt
die Drehzahl der Welle 26 in die Drehzahl der Welle 30.
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Die
im Kraftverlauf letzte bzw. in 1 rechte
Abtriebswelle 30 der Getriebestufe 28 treibt schließlich
einen weiteren Generator 32 an, dessen Nenndrehzahl höher
als die des Synchrongenerators 2 ist.
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Bei
Beaufschlagung der erfindungsgemäßen Generatorenanordnung
z. B. durch den Rotor (nicht gezeigt) kann die Anordnung in folgenden
zwei Zuständen betrieben werden:
Bei relativ niedriger
Antriebsdrehzahl an der Antriebswelle 1 (z. B. im Schwachwindbetrieb)
wird die Kupplung 8 getrennt, so dass die Hohlradwelle 10, die
beiden Planetengetriebe 14, 14a, die weitere Getriebestufe 28 und
insbesondere der schnell oder mittelschnell laufende Generator 32 nicht
angetrieben werden.
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Die
an der Antriebswelle 1 zur Verfügung stehende
relativ geringe Antriebskraft wird erfindungsgemäß ohne
verlustbehaftete Umwandlung von Drehmoment und Drehzahl durch Getriebe
vollständig und direkt am Synchrongenerator 2 zur
Verfügung gestellt, der für die im Schwachwindbetrieb
anliegenden niedrigen Drehzahlen ausgelegt ist und Wechselstrom
erzeugt. Der Wechselstrom wird von einem nicht gezeigten Frequenzumrichter
geglättet und in netzkonformen gleichmäßigen
Wechselstrom umgewandelt.
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Somit
gibt die Generatorenanordnung gemäß 1 im
Schwachwindbetrieb mit getrennter Kupplung 8 optimale elektrische
Leistung ab.
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Bei
höherer Antriebsdrehzahl an der Antriebswelle 1 (z.
B. im Starkwindbetrieb) wird die Kupplung 8 verbunden,
so dass neben dem mit suboptimal erhöhter Drehzahl beaufschlagten
Synchrongenerator 2 nun auch der weitere Generator 32 angetrieben
wird, wobei seine Eingangsdrehzahl an der Welle 30 durch
die verschiedenen Getriebe 14, 14a, 28 gegenüber
der Rotordrehzahl erhöht ist.
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Somit
wird die Generatorenanordnung auch bei stärkerem Wind mit
verbundener bzw. geschlossener Kupplung 8 mit maximaler
Effektivität betrieben.
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Mit
dieser erfindungsgemäßen Generatorenanordnung
kann zum Beispiel eine Windenergieanlage an wechselnde Windstärken
angepasst werden, und somit über weite Drehzahlbereiche
maximalen Strom liefern.
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2 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Generatorenanordnung. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel
sind der Synchrongenerator 102 und das erste Planetengetriebe 114 nicht
durch einer Kupplung trennbar, sondern der Läufer 104 des
Synchrongenerators 102 ist an der äußeren
Mantelfläche des Hohlrades 112 befestigt. Dadurch
rotiert das Hohlrad 112 des ersten Planetengetriebes 114 synchron
mit dem Läufer 104 des Synchrongenerators 102.
Darüber hinaus hat das Planetengetriebe 114 den
gleichen Aufbau wie das Planetengetriebe 14 des ersten
Ausführungsbeispiels.
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In 2 rechts
von diesem ersten Planetengetriebe 114 bzw. im Kraftverlauf
hinter dem Planetengetriebe 114 ist eine Kupplung 108 angeordnet, die
eine Sonnenradwelle 122 von einer kurzen Hohlradwelle 125 bzw.
das erste Planetengetriebe 114 von dem zweiten Planetengetriebe 114a trennen kann.
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Der
Aufbau der Generatorenanordnung gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel entspricht in Richtung des Kraftverlaufs
betrachtet ab dem zweiten Planetengetriebe 114a dem Aufbau
der Generatorenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels
ab dem Planetengetriebe 14a, so dass sich eine erneute Beschreibung
erübrigt.
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Die
Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht
prinzipiell der des ersten Ausführungsbeispiels, wobei
die Gesamtlänge der Anordnung im zweiten Ausführungsbeispiel
wegen der Zusammenlegung des Synchrongenerators 102 und
des ersten Planetengetriebes 114 geringer ist, während
dadurch der Umfang der An ordnung und die bewegte Masse und somit
die Verluste im Schwachwindbetrieb größer werden.
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Abweichen
von den in den 1 und 2 gezeigten
Ausführungsbeispielen kann die weitere Getriebestufe 28 auch
entfallen oder aus mehreren weiteren Getriebestufen bestehen.
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Außerdem
können statt der gezeigten Planetengetriebe auch Stirnradgetriebe
und deren Bauformen in der erfindungsgemäßen Anordnung
verbaut werden.
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Bei
dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel
sind die Stege 18, 18a festgelegt, so dass die
Planetenräder 16, 16a sich nicht entlang
der Kreisbahnen um das Sonnenrad 20 bewegen können.
Abweichend davon können die Stege 18, 18a auch
drehbar gelagert sein. Außerdem können auch mehr
als zwei Planetenräder am Umfang der Stege 18, 18a verteilt
sein. Diese Varianten gelten analog auch für das zweite
Ausführungsbeispiel gemäß 2.
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Anders
als bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 kann
die Kupplung 8 auch an einer anderen Stelle, z. B. zwischen
den beiden Planetengetrieben 14, 14a angeordnet
sein.
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Abweichen
von dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2 kann
die Kupplung 108 auch an einer anderen Stelle, z. B. zwischen
dem zweiten Planetengetriebe 114a und der weiteren Getriebestufe 28 angeordnet
sein.
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Außerdem
kann das Sonnenrad 120 am Gehäuse festgelegt sein
und statt dessen der der Steg 118 mit der Kupplung 108 verbunden
sein.
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Offenbart
ist eine Generatorenanordnung zur Wandlung von mechanischer Energie
in elektrische Energie mit einer Antriebswelle, die mit einem ersten
Synchrongenerator verbunden ist. Außerdem hat die erfindungsgemäße
Anordnung mindestens einen weiteren Generator, der über
ein Getriebe mit der Antriebswelle verbunden ist. Darüber
hinaus ist im Kraftfluss von der Antriebswelle zu dem mindestens einen
weiteren Generator eine Kupplung angeordnet.
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- 1;
101
- Antriebswelle
- 2;
102
- Synchrongenerator
- 4;
104
- Läufer
- 6;
106
- Stator
- 8;
108
- Kupplung
- 10
- Hohlradwelle
- 12;
112
- Hohlrad
- 14;
14a; 114; 114a
- Planetengetriebe
- 16;
16a
- Planetenrad
- 18;
18a; 118; 118a
- Steg
- 20;
120
- Sonnenrad
- 22
- Welle
- 26
- Welle
- 28
- Getriebestufe
- 30
- Welle
- 32
- Generator
- 122
- Sonnenradwelle
- 125
- Hohlradwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006008014
A1 [0004]
- - DE 4431361 A1 [0005]