DE102008019724A1 - Generatorenanordnung - Google Patents

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Abstract

Offenbart ist eine Generatoranordnung 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.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Generatorenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • 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.
  • Um die beschriebenen Verschlechterungen des Wirkungsgrades abzuschwächen bzw. um eine Anlage auch über verschiede Betriebszustände mit gutem Wirkungsgrad zu betreiben, werden verschiedene Lösungen vorgeschlagen.
  • 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.
  • 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.
  • Nachteilig an diesem Konzept ist, dass Teile des Getriebes auch im Schwachwindbetrieb mitlaufen und so den Wirkungsgrad vermindern.
  • 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.
  • Dies Aufgabe wird gelöst durch eine Generatorenanordnung zur Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie nach Patentanspruch 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Besonders bevorzugt ist die Kupplung vor dem Getriebe angeordnet, wodurch keine Getriebeteile bewegt werden müssen, wenn sich die Anordnung im Schwachwindbetrieb befindet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Im folgenden werden anhand der Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Generatorenanordnung im seitlichen Schnitt; und
  • 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Generatorenanordnung im seitlichen Schnitt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Somit gibt die Generatorenanordnung gemäß 1 im Schwachwindbetrieb mit getrennter Kupplung 8 optimale elektrische Leistung ab.
  • 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.
  • Somit wird die Generatorenanordnung auch bei stärkerem Wind mit verbundener bzw. geschlossener Kupplung 8 mit maximaler Effektivität betrieben.
  • Mit dieser erfindungsgemäßen Generatorenanordnung kann zum Beispiel eine Windenergieanlage an wechselnde Windstärken angepasst werden, und somit über weite Drehzahlbereiche maximalen Strom liefern.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Abweichen von den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen kann die weitere Getriebestufe 28 auch entfallen oder aus mehreren weiteren Getriebestufen bestehen.
  • Außerdem können statt der gezeigten Planetengetriebe auch Stirnradgetriebe und deren Bauformen in der erfindungsgemäßen Anordnung verbaut werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Außerdem kann das Sonnenrad 120 am Gehäuse festgelegt sein und statt dessen der der Steg 118 mit der Kupplung 108 verbunden sein.
  • 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.
  • 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
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102006008014 A1 [0004]
    • - DE 4431361 A1 [0005]

Claims (14)

  1. Generatorenanordnung zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, mit einem Antriebsstrang (1; 101) zum Antreiben eines ersten Generators und eines oder mehrerer weiterer Generatoren (32), wobei diesen ein Getriebe (14, 14a, 28; 114, 114a, 28) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Generator ein Ringgenerator ist, und dass in einem den weiteren Generatoren (32) zugeordneten Bereich des Antriebsstranges (1; 101) eine Kupplung (8; 108) vorgesehen ist.
  2. Generatorenanordnung nach Anspruch 1, wobei der erste Generator direkt mit dem Antriebsstrang (1; 101) verbunden ist, so dass beide eine gleiche Drehzahl aufweisen.
  3. Generatorenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Generator ein Synchrongenerator (2; 102) ist.
  4. Generatorenanordnung nach Anspruch 3, wobei dem Synchrongenerator (2; 102) ein Frequenzumrichter zugeordnet ist.
  5. Generatorenanordnung nach Anspruch 4, wobei der Frequenzumrichter derart ausgelegt ist, dass er mit dem Synchrongenerator (2; 102) als Rotationsdämpfer wirken kann.
  6. Generatorenanordnung nach Anspruch 4, wobei der Frequenzumrichter derart ansteuerbar ist, dass er die Leistungsverteilung zwischen dem Synchrongenerator (2; 102) und den anderen Generatoren (32) steuern kann.
  7. Generatorenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Steuereinrichtung, die derart ausgelegt ist, dass sie ein Signal zum Trennen der Kupplung (8; 108) geben kann, wenn die an dem Antriebsstrang (1; 101) eingeleitete mechanische Leistung einen vorbestimmten Wert unterschreitet, und ein Signal zum Verbinden der Kupplung (8; 108) geben kann, wenn die an dem Antriebsstrang (1; 101) eingeleitete mechanische Leistung den vorbestimmten Wert überschreitet.
  8. Generatorenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupplung (8) im Kraftfluss vor dem Getriebe (14, 14a, 28) angeordnet ist.
  9. Generatorenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe aus mehreren Getriebestufen (14, 14a, 28; 114, 114a, 28) besteht.
  10. Generatorenanordnung nach Anspruch 9, wobei die Kupplung (108) zwischen einer ersten Getriebestufe (114) und einer zweiten Getriebestufe (114a) angeordnet ist.
  11. Generatorenanordnung nach Anspruch 9 oder 10, wobei zumindest eine Getriebestufe (114) des Getriebes ein Planetengetriebe mit Hohlrad (112), Planetenrädern, Sonnenrad (120) und Steg bzw. Planetenträger (118) aufweist.
  12. Generatorenanordnung nach den Ansprüchen 9 und 11, wobei eine in Kraftübertragungsrichtung gesehen erste Getriebestufe (114) als Planetengetriebe ausgebildet ist, und der Synchrongenerator (102) am Hohlrad (112) der ersten Getriebestufe (114) angebracht ist.
  13. Generatorenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei die weiteren Generatoren (32) für höhere Leistung bzw. Drehzahl ausgelegt bzw. optimiert sind als der Synchrongenerator (2; 102).
  14. Generatorenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in einer Windkraft- bzw. Windenergieanlage oder in einem Gezeiten-, Wellen- oder allgemein in einem Wasserkraftwerk angeordnet ist.
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