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Die Erfindung betrifft eine Generatorkombination mit Überlagerungsgetriebe für Elektroenergieerzeugungsanlagen. Hierunter zählen Windkraftanlagen, Wasserkraftanlagen, Blockheizkraftwerke und weitere kraftbetriebene Maschinen, welche aus einer veränderbaren Drehzahl und einer veränderbaren Leistungsverfügbarkeit elektrischen Strom mittels elektrischer Generatoren im netzfähigen Zustand erzeugen müssen.
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Energieerzeugungsanlagen, die aus den angebotenen Ressourcen wie Windkraft, Wasserkraft, flüssigen oder gasförmigen Brennstoffen eine Rotationsenergie erzeugen, sind in ihrem Wirkungsgrad abhängig von dem Verhältnis der Auslastung zum Drehmoment und der Drehzahl. Um diese Anlagen auch im Teillastbereich wirtschaftlich zu betreiben ist es notwendig, dass Drehmomente und Drehzahlverhältnis der Anlagen zu beachten sind. Hieraus erschließt sich die Aufgabe, einen Generator zur Stromerzeugung bereitzustellen, welcher aus einem variablen Drehzahl- und Drehmomentaufkommen eine netzfähige Elektroenergie herstellt.
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Nach heutigem Stand ist die Stromerzeugung aus einer nicht stabilen Drehzahl eines Antriebsaggregates mittels permanenterregtem Generator, Asynchron- oder Synchrongenerator zur direkten Netzeinspeisung nicht möglich. Hierbei bedient man sich verschiedener Umwege, wie der elektronischen und der mechanisch-hydraulischen Variante. Bei der elektronischen Variante wird eine Wechselspannung mittels Generator mit Direktantrieb erzeugt. Da bei dieser Erzeugung durch die variable Antriebsdrehzahl die erzeugte Frequenz variiert, ist es notwendig, diese über einen Gleichrichter in Gleichspannung umzuwandeln. Diese Gleichspannung wird im Anschluss durch einen Wechselrichter auf die Kennwerte des Verbrauchernetzes umgewandelt. Der Nachteil dieser Umwandlung besteht durch die im Wechselrichter erzeugten und im Verbrauchernetz störenden Oberwellen. Bei der mechanischen-hydraulischen Variante handelt es sich um eine Auskopplung der Rotationsenergie über zwei Wege. Die weitergeführte Rotationsenergie des ersten Weges mit fester Drehzahl wird zum Generator weitergeleitet. Der zweite Weg hat die Charakteristik der variablen Drehzahl. Hier wird über den Einsatz verschiedener Drehmomentwandler und Überlagerungsgetriebe die Rotationsenergie in hydraulische und mechanische Energie umgewandelt und dem ersten Weg zugeführt. Der Nachteil dieser Variante besteht in den Umwandlungsverlusten der hydraulischen Rückführung. Erfindungsgemäß wird die Lösung der Aufgabe durch den Einsatz einer Kombination aus Differentialgetriebe, Synchrongenerator und Erregermaschine gelöst. Die Bezeichnung des Generators lautet „Differential-Synchron-Erregermaschinen Generator” im Anschluss auch als „DSE-Generator” bezeichnet.
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Der DSE-Generator besteht, wie in zu sehen, aus vier grundlegenden Anlagebestandteilen. Der Aufbau des DSE-Generators ist in den vier Hauptbestandteilen grundlegend. Der erste Anlageteil bildet das eingesetzte Vorgetriebe (VG). Dieses Vorgetriebe verfügt über mindestens ein internes Überlagerungs- oder Differentialgetriebe mit einer Leistungssammlerwelle. Die Anzahl der Komponenten ist abhängig von der Drehzahlvariation in Bezug auf Mindestdrehzahl und Maximaldrehzahl. Die Funktion des Getriebes besteht in der Auftrennung der am Eingang anliegenden variablen Drehzahl-Drehmoment-Kombination in eine Festdrehzahl-Drehmoment-Kombination (Weg A) und eine variable Drehzahl-Drehmoment-Kombination (Weg B). Beide Kupplungswege A und B (Weg A und Weg B) können aus verschiedenen Bauteilen, wie Zahnradgetriebe, Riementrieb, Kupplungen oder Kettentrieb zusammengesetzt werden. Der zweite Anlageteil besteht aus einem Synchrongenerator (SG), welcher mit der Rotationsenergie des Vorgetriebes (VG) vom Kopplungsweg A (Weg A) versorgt wird. Eine zusätzliche Versorgung mit Rotationenergie erhält der Synchrongenerator (SG) über die mechanische Verbindung zwischen Läufer des Synchrongenerators (SG) und dem freilaufenden Erzeugerspulenträgers der Erregermaschine (EM). Als Zweck des Synchrongenerators (SG) wird das Erzeugen von elektrischer Energie in der notwendigen Abnehmernetzqualität benannt. Sie wird über den Netzanschluss abgegeben. Der dritte Anlageteil ist der Gleichrichterbereich (GRB). Er hat die Funktion der Steuerung der Erregerwicklung in Synchrongeneratorbereich und der evtl. vorhandenen Erregerwicklung der Erregermaschine (EM). Der Zweck des Gleichrichterbereichs (GRB) ist die Gleichrichtung der in der Erregermaschine (EM) erzeugten Wechselspannung in Gleichspannung und die Steuerung der Erregerspannungen im Synchrongenerator (SG) sowie evtl. der Erregermaschine (EM). Der vierte Anlageteil beinhaltet die Erregermaschine (EM). Der Läufer mit Erregerwicklung oder Erregerpermanentmagnet der Erregermaschine (EM) ist mit dem Weg B des Vorgetriebes (VG) mechanisch verbunden. Die Erzeugerwicklung der Erregermaschine (EM) ist auf einem beweglichen Trägerelement angeordnet, der sich in Rotation um die Erregerwelle bewegen kann. Mechanisch ist der Erzeugerwicklungsträger mit der Welle des Synchrongenerators (SG) direkt über die mechanische Wellenverbindung verbunden. Der in der Erregermaschine (EM) zu produzierende Strom resultiert aus Drehzahldifferenz zwischen dem Erregerläufer und dem Erzeugerträgerelement. Der Zweck der Erregermaschine ist die Herstellung der Spannungsversorgung des Synchrongenerators und die Übertragung von ca. 50% der über den Kopplungsweg B (Weg B) an die Erregermaschine (EM) einströmenden Rotationsenergie an den Synchrongenerator (SG).
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In einem Beispiel eines DSE-Generators mit zweistufigem Vorgetriebe wird diese Generatorkombination näher beschrieben.
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Wie in mittels Getriebeplanskizze zu erkennen, ist das hier vorgestellte Vorgetriebe (VG) in einer zweistufigen Ausführung mit Leistungssammlerwelle (WL) wiedergegeben. Die Verbindung zwischen dem Vorgetriebe (VG) und dem Synchrongenerator (SG) erfolgt über ein Zahnradgetriebe (Weg A). Die Verbindung zwischen dem Vorgetriebe (VG) und der Erregermaschine (EM) erfolgt ebenfalls über eine Zahnradgetriebe (Weg B). Die Verbindung des Läufers des Synchrongenerators (SG) mit dem Erzeugerspulenträgerelement der Erregermaschinen (EM) wird durch eine Direktverbindung realisiert. Die im Vorgetriebe (VG) an der Eingangswelle (W1) angreifende Rotationsenergie wird über das Zahnrad (Z01) an das Tellerrad (Z11) des ersten Differentials weitergegeben. Durch die im Differentialkorb eingesetzten Ausgleichskegelräder werden die Zahnräder (Z12 & Z13) mit dem gleichen Drehmoment, aber unterschiedlichen Drehzahlen, beaufschlagt. Eine Übergabe der restlichen. Rotationsenergie an das zweite Differential (DIFF2) erfolgt über die Zahnradwelle (W2). Sie übergibt die Rotationsenergie an das Tellerrad (Z21). Durch die im Differentialkorb eingesetzten Ausgleichskegelräder werden die Zahnräder (Z22 & Z23) mit dem gleichen Drehmoment, aber unterschiedlichen Drehzahlen, beaufschlagt. Eine Übergabe der restlichen Rotationsenergie an die Erregermaschine (EM) erfolgt über den Kopplungsweg B (Weg B) mit den zwei Zahnrädern (B1 & B2). Das aus dem Differential 1 (DIFF1) über das Zahnrad (Z12) übernommene Drehmoment sowie die aus dem Differential 2 (DIFF2) über das Zahnrad (Z22) übernommene Drehmomente werden auf die Leistungswelle parallel und sich somit summierend übertragen. Das hieraus resultierende Drehmoment mit der konstanten Drehzahl wird über den Kopplungsweg A (Weg A) mit den zwei Zahnrädern (A1 & A2) an den Synchrongenerator (SG) abgegeben. Um das Getriebesystem zu stabilisieren wurden verschiedene Lager eingesetzt.
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Die Generatorkombination, wie in der Aufbauskizze ersichtlich, besteht aus dem Synchrongenerator (SG), der Erregermaschine (EM), der mechanischen Verbindung zwischen Läufer des Synchrongenerators (SG) sowie des Erzeugerspulenträgers der Erregermaschine (EM) und den zur Stabilisierung des Systems notwendigen Lager. Weiterhin besteht diese Generatorenkombination aus einem umschließenden Gehäuse (GKG) mit zwei Wellenöffnungen für die Rotorwellen (EMW & SGW). Die Haltung der beweglichen Bereiche erfolgt über eingesetzte Lager (GKL). Das Lager der Erregermaschinenwelle bildet ein Axial und Radiallager als Kombination (GKL1) zur Fixierung des Läufers. Es ist im Gehäuse (GKG) der Generatorkombination fixiert. Die durch dieses Lager gehaltene Welle (EMW) besitzt zum Aufsetzen eines Zahnrades des Kopplungsweges B eine Federvertiefung. Auf der Welle (EMW) sind weiterhin die Schleifringe (EMSRR) mit der Erregerwicklung (EMR) angebracht. Die Lagerung der Synchrongeneratorwelle (SGW) erfolgt über zwei Lager (GKL 2 und 3), welche im Gehäuse fixiert sind. Die Welle (SGW) besitzt zum Aufsetzen eines Zahnrades des Kopplungsweges A eine Federvertiefung. Auf der Welle (SGW) sind weiterhin die Schleifringe (SGSR) mit der Erregerwicklung (SGR) angebracht. Weiterhin ist in der Wellenfortführung in Richtung Erregermaschine eine Feder eingelassen um des Trägerelement (EMT) der Erregermaschine kraftschlüssig aufnehmen zu können. Das auf der Welle (SGW) aufgesetzte Trägerelement (EMT) trägt die Erzeugerspulen (EME) der Erregermaschine mit den notwendigen Schleifringen (EMSRE). Alle Schleifringe werden über hier nicht eingezeichnete Schleifringkontakte mit dem Gleichrichterbereich elektrisch verbunden, um die Steuerung des Gerätes zu ermöglichen.
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Skizzen und Zeichnungsverwaltung
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Anlagenschema
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Getriebeplanskizze
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Aufbauskizze Generatorkombination
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Kurzbezeichnungsverzeichnis
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- VG
- Vorgetriebe
- SG
- Synchrongenerator
- EM
- Erregermaschine
- GRB
- Gleichrichterbereich
- DMV
- Direkte mechanische Verbindung
- IMV
- Indirekte mechanische Verbindung
- Weg A
- Drehmomentübertragungsweg mit konstanter Drehzahl
- Weg B
- Drehmomentübertragungsweg mit variabler Drehzahl
- W1
- Eingangswelle Differentialgetriebe
- W2
- Zahnradwelle
- WL
- Leistungswelle
- Z01
- Zahnrad
- Z11
- Tellerzahnrad
- Z12
- Zahnrad
- Z13
- Zahnrad
- Z21
- Zahnrad
- Z22
- Zahnrad
- Z23
- Zahnrad
- A1
- Zahnrad
- A2
- Zahnrad
- B1
- Zahnrad
- B2
- Zahnrad
- DIFF1
- Differential 1
- DIFF2
- Differential 2
- GKG
- Generatorkombination Gehäuse
- GKL1
- Generatorkombination Lager Erregermaschinenläufer
- GKL2
- Generatorkombination Lager Synchrongeneratorläufer
- GKL3
- Generatorkombination Lager Synchrongenerator-Erregermaschinenträger
- SGW
- Synchrongenerator Welle
- SGR
- Synchrongenerator Rotor Erregerspule
- SGS
- Synchrongenerator Stator Erzeugerspule
- SGSR
- Synchrongenerator Schleifringkontakte für Erregerspule
- EMR
- Erregermaschine Rotor Erregerspule
- EMT
- Erregermaschine Träger Erzeugerspule
- EME
- Erregermaschine Erzeugerspule
- EMW
- Erregermaschine Welle
- EMSRE
- Erregermaschine Schleifringe Erzeugerspule
- EMSRR
- Erregermaschine Schleifringe Erregerspule
