DE102008029377A1 - Device for a wind or hydroelectric power plant for generating electrical energy - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Homopolargenerator für eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Der Generator ist insbesondere Teil einer Wind- oder Wasserkraftanlage und wird direkt, d.h. ohne zwischengeschaltetes Getriebe, von den Flügeln der Wind- oder Wasserkraftanlage angetrieben. Eine supraleitende Spule, die mechanisch vom Rotor entkoppelt ist, d.h. nicht mit dem Rotor mitrotiert, erzeugt einen magnetischen Fluss, der vom Rotor derart geleitet wird, dass er die Statorwicklung eines Stators in radialer Richtung durchsetzt. Der Rotor weist hierzu den Stator klauenförmig umgebende Rotorabschnitte auf, die den magnetischen Fluss leiten. An den Rotorabschnitten sind den magnetischen Fluss leitende Pole vorgesehen, die bewirken, dass der magnetische Fluss in Umfangsrichtung des Stators gesehen variiert. Bei konstantem Magnetfeld und rotierendem Rotor wird somit in den Statorwicklungen eine Spannung induziert. Der Rotor rotiert vorzugsweise mit konstanter Frequenz. Durch eine entsprechende Wahl der Polzahlen kann die Ausgangsfrequenz des Generators an die Netzfrequenz angepasst werden.The invention relates to a homopolar generator for a device for generating electrical energy. The generator is in particular part of a wind or hydroelectric power plant and is directly, i. without intermediate transmission, driven by the wings of the wind or hydropower plant. A superconducting coil mechanically decoupled from the rotor, i. not co-rotated with the rotor, generates a magnetic flux, which is guided by the rotor so that it passes through the stator winding of a stator in the radial direction. The rotor has for this purpose the stator claw-shaped surrounding rotor sections, which conduct the magnetic flux. At the rotor portions, conductive poles are provided to the magnetic flux, causing the magnetic flux to vary in the circumferential direction of the stator. With constant magnetic field and rotating rotor, a voltage is thus induced in the stator windings. The rotor preferably rotates at a constant frequency. By an appropriate choice of the number of poles, the output frequency of the generator can be adapted to the mains frequency.
Description
Die Erfindung betrifft einen Generator, insbesondere einen Homopolargenerator, für eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Dabei ist der Generator insbesondere Teil einer Wind- oder Wasserkraftanlage.The Invention relates to a generator, in particular a homopolar generator, for a device for generating electrical energy. The generator is in particular part of a wind or hydroelectric power plant.
Das Flügelrad einer großen Windkraftanlage dreht sich üblicherweise mit weniger als einer Umdrehung pro Sekunde. Das Flügelrad ist bei vielen Windkraftanlagen an ein Getriebe gekoppelt, das einen herkömmlichen Synchron- oder Asynchrongenerator mit hoher Drehzahl antreibt. Die Anbindung an ein Stromversorgungsnetz kann direkt oder über Frequenzumrichter erfolgen. Häufig werden doppelt gespeiste Asynchrongeneratoren verwendet, bei denen der Rotor über Schleifringe von einem Frequenzumrichter gespeist wird.The Impeller of a large wind turbine usually turns at less than one revolution per second. The impeller is coupled in many wind turbines to a transmission that is a conventional Synchronous or asynchronous generator drives at high speed. The Connection to a power grid can be direct or via Frequency converter. Often are fed twice Asynchronous generators used in which the rotor over Slip rings is fed by a frequency converter.
Es
ist vorteilhaft, den Generator direkt, d. h. ohne teures und störanfälliges
Zwischengetriebe an das Flügelrad zu koppeln. Bspw. in
Hochpolige direktgetriebene Windgeneratoren mit permanenterregten Rotoren sind realisiert. Nachteilig bei direkter Netzanbindung ist, dass der Blindleistungsbedarf des Netzes nicht über eine variable Erregung des Rotors angepasst werden kann. Insbesondere bei Offshore-Windanlagen kann dies nachteilig für die Netzstabilität sein. Direktgetriebene Generatoren mit Netzanbindung über Frequenzumrichter sind ebenfalls bekannt.high-position directly driven wind generators with permanently excited rotors realized. A disadvantage of direct network connection is that the reactive power requirement the network does not have a variable excitation of the rotor can be adjusted. Especially in offshore wind turbines can this can be detrimental to the network stability. Direct drive generators with network connection via frequency converter are also known.
Durch Wicklungen über Schleifringe erregte hochpolige Synchrongeneratoren haben sich nicht durchgesetzt. Nachteilig ist der hohe Materialaufwand für die Vielzahl der Rotorspulen und der hohe Leistungsbedarf für die Erregung, der den Wirkungsgrad verschlechtert. Supraleitende Erregerspulen wurden vorgeschlagen, sie verringern die Erregerleistung erheblich. Der hohe Aufwand an Supraleitermaterial und kryogener Kühlung und Isolierung lassen diese Version ebenfalls als nicht wirtschaftlich erscheinen.By Windings via slip rings excited high-pole synchronous generators have not prevailed. The disadvantage is the high cost of materials for the large number of rotor coils and the high power requirement for the excitement, which worsens the efficiency. Superconducting excitation coils have been proposed to reduce them the excitation power considerably. The high cost of superconducting material and cryogenic cooling and insulation leave this version also appear to be not economical.
Bspw.
in
Den bislang bekannten Methoden ist gemeinsam, dass teure, störanfällige Getriebe, Frequenzumrichter und/oder Schleifringe benötigt werden und dass hohe Material-, Wartungs- und Betriebskosten anfallen.The previously known methods have in common that expensive, susceptible to interference Gearbox, frequency converter and / or slip rings needed and that high material, maintenance and operating costs are incurred.
Durch den Wegfall von Getriebe, Frequenzumrichter und Schleifringen würden sowohl eine höhere Zuverlässigkeit als auch weniger Wartungsaufwand erreicht. Dies ist insbesondere vorteilhaft für den Einsatz in Offshore-Windkraftanalgen, dessen Bedeutung in Zukunft deutlich zunehmen wird.By the elimination of gearbox, frequency converter and slip rings would both a higher reliability and less Maintenance effort achieved. This is particularly advantageous for the Use in offshore wind turbines, whose importance in the future will increase significantly.
Zudem könnte bei Verwendung einer feststehenden, nicht rotierenden supraleitenden Spule erheblicher Aufwand für Material und Betrieb eingespart werden, wobei gleichzeitig die Komplexität der Anlage bzw. des Generators abnimmt.moreover could be when using a fixed, non-rotating superconducting coil considerable effort for material and Operation can be saved, while maintaining the complexity the system or the generator decreases.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige, robuste und wenig störanfällige Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie anzugeben.It It is therefore the object of the invention to provide a cost-effective, robust and less prone to failure device for Specify generation of electrical energy.
Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These The object is achieved by that in the independent claims solved inventions. Advantageous embodiments result from the dependent claims.
Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die besonderen
Vorteile einer Homopolarmaschine ausgenutzt, wie sie bspw. in
Eine Homopolarmaschine ist sehr einfach und robust aufgebaut und kann generell als Motor oder als Generator eingesetzt sein.A Homopolarmaschine is very simple and robust and can generally be used as a motor or as a generator.
Die erfindungsgemäße Anlage zur Erzeugung elektrischer Energie umfasst einen Generator, der vorteilhafterweise als Homopolargenerator ausgebildet ist. Dieser beinhaltet einen feststehenden ringförmigen Stator mit Statorwicklung, einen drehbaren ringförmigen Rotor aus ferromagnetischem Material wie bspw. Eisen und eine feststehende ringförmige Erregerspule, wobei der Stator und die Erregerspule in radialer Richtung zwischen einem ersten und einem zweiten Rotorabschnitt angeordnet sind. Ein von der Erregerspule erzeugter magnetischer Fluss Φ wird vom Rotor geleitet und durchsetzt den Stator in radialer Richtung, senkrecht zur Statorwicklung. Beide Rotorabschnitte weisen eine Vielzahl von Polen auf, die in radialer Richtung auf den Stator hin ausgerichtet sind und den magnetischen Fluss Φ leiten. Zwischen den Polen eines Rotorabschnitts befinden sich Polzwischenräume. Die Pole der beiden Rotorabschnitte liegen sich in radialer Richtung jeweils gegenüber, gleiches gilt für die Polzwischenräume.The inventive system for generating electrical Energy includes a generator that advantageously serves as a homopolar generator is trained. This includes a fixed annular Stator with stator winding, a rotatable annular Rotor made of ferromagnetic material such as iron and a fixed annular exciting coil, wherein the stator and the exciting coil in the radial direction between a first and a second rotor section are arranged. A magnetic flux Φ generated by the exciting coil becomes guided by the rotor and passes through the stator in the radial direction, perpendicular to the stator winding. Both rotor sections have a Variety of poles on the radial direction of the stator are directed towards and guide the magnetic flux Φ. Between the poles of a rotor section are interpolar spaces. The poles of the two rotor sections are in the radial direction opposite, the same applies to the pole interspaces.
Bei stromdurchflossener Erregerspule ist der magnetische Fluss zwischen sich gegenüberliegenden Polen erheblich größer als zwischen sich gegenüberliegenden Polzwischenräumen, so dass der magnetische Fluss Φ bei stehendem Rotor in Umfangsrichtung des Rotors gesehen abhängig vom Ort ist. Bei rotierendem Rotor dagegen variiert der magnetische Fluss Φ an einem bestimmten Ort in Umfangsrichtung des Rotor, d. h. bspw. im Bereich eines bestimmten Abschnitts der Statorwicklung, in Abhängigkeit von der Zeit, so dass in der Statorwicklung eine Spannung induziert wird.at current-carrying exciter coil is the magnetic flux between opposite poles considerably larger as between opposite pole spaces, so that the magnetic flux Φ with the rotor in Circumferential direction of the rotor is seen depending on the location. at on the other hand, the magnetic flux Φ varies a certain location in the circumferential direction of the rotor, d. H. for example in the Area of a specific section of the stator winding, depending on from time, so that induces a voltage in the stator winding becomes.
Da die Erregerspule fest steht, d. h. nicht mitrotiert, kann sie vorteilhafterweise als supraleitende Spule, insbesondere als Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) ausgebildet sein. Dies wirkt sich darin aus, dass die Erregerspule keine Erregerleistung verursacht, so dass der Wirkungsgrad steigt.There the excitation coil is fixed, d. H. not co-rotated, it can be beneficial as a superconducting coil, in particular as a high-temperature superconductor (HTSC) be educated. This affects the fact that the exciter coil does not cause any excitation power, so that the efficiency increases.
Die Anlage arbeitet mit einer festen, bekannten Umdrehungszahl des Rotors, d. h. im Falle einer Windkraftanlage mit einer festen Umdrehungszahl des Flügelrads. Je nach Netzfrequenz wird eine bestimmte, von der Umdrehungszahl des Rotors abhängige Polanzahl vorgesehen, so dass der Generator immer die korrekte Frequenz zur Verfügung stellt. Frequenzumrichter sind daher nicht notwendig, ein Getriebe ist überflüssig.The System works with a fixed, known number of revolutions of the rotor, d. H. in the case of a wind turbine with a fixed number of revolutions of the Impeller. Depending on the grid frequency is a certain, of provided the number of revolutions of the rotor dependent number of poles, so that the generator always has the correct frequency available provides. Frequency converters are therefore not necessary, a gearbox its unneccessary.
Da im Unterschied zu Synchrongeneratoren nur eine einzelne, wenn auch größere Erregerspule vorgesehen ist, reduzieren sich die Material- und Betriebskosten zur Erzeugung des magnetischen Flusses Φ.There unlike synchronous generators, only a single one, though larger excitation coil is provided, reduce the material and operating costs for generating the magnetic River Φ.
Über eine Variation des Erregerstroms kann auch der wechselnde Blindleistungsbedarf des zu speisenden Netzes gedeckt werden.about a variation of the exciter current can also be the changing reactive power demand covered by the network to be supplied.
Da die Erregerspule nicht mitrotiert und auf dem rotierenden Rotor keine elektrischen Bauteile vorhanden sind, kann auf Schleifringe gänzlich verzichtet werden.There the excitation coil is not co-rotated and on the rotating rotor No electrical components are present on slip rings be completely dispensed with.
Der Generator kann bspw. in Wind- oder Wasserkraftanlagen zum Einsatz kommen, wobei der Rotor des Generators direkt mit dem Flügelrad gekoppelt wird.Of the Generator can be used, for example, in wind or hydroelectric plants come, with the rotor of the generator directly to the impeller is coupled.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the embodiment described below as well based on the drawings.
Dabei zeigt:there shows:
Die
Die
Der
Generator
In
radialer Richtung zwischen den Rotorabschnitten
Die
Erregerspule
Alternativ kann die ringförmige Erregerspule auch mit einem Normalleiter wie bspw. einem Kupfer- oder Aluminiumleiter bei Umgebungstemperatur betrieben werden. Dies erfordert zwar Erregerleistung, die aber weit unterhalb des Leistungsaufwands für den Rotor einer hochpoligen herkömmlichen Synchronmaschine bleibt. Der Wirkungsgrad der Homopolarmaschine ist entsprechend höher. Eventuell muss eine derartige Normalleiter-Spule bspw. mit Luft über einen Lüfter oder mit einem Wasserkreislauf zwangsgekühlt werden.alternative The annular exciter coil can also be used with a normal conductor such as a copper or aluminum conductor at ambient temperature operate. Although this requires excitation, but that far below the power cost for the rotor one high-pole conventional synchronous machine remains. Of the Efficiency of Homopolarmaschine is correspondingly higher. Maybe such a normal conductor coil, for example. With air over a fan or with a water circuit forcibly cooled become.
Die
Erregerspule
Der
feststehende Stator
Der
Stator
Das
einzige bewegte Teil des Generators
Da
der Rotor
Die
Da
die Oberflächen der Pole
Der
in den
Durch
die feste Umdrehungszahl und die darauf abgestimmte Anzahl von Polpaaren
wird vorteilhafterweise erreicht, dass die erzeugte elektrische Energie
direkt in das Netz eingespeist werden kann, dass also keine Frequenzumrichter
o. ä. benötigt werden. Typischerweise weist der
Rotor
Die
Obige
Beschreibung befasst sich mit einer Windkraftanlage. Die Vorrichtung
ist jedoch ohne Weiteres bis auf Modifikationen in der Dimensionierung
etc. auch in einer Wasserkraftanlage einsetzbar, bei der die Flügel
Grundsätzlich
kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine
auch als Motor betrieben werden, wobei die elektrische Maschine
an sich ausgebildet ist wie der oben beschriebene Generator
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