DE102011076925A1 - Asynchronous electrical machine i.e. doubly fed asynchronous machine, for use in machine nacelle of wind power plant, has switchable short circuit path formed between rectifier bridge and inverter for short circuiting converter - Google Patents

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Bernhard Eichler
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Christian Neugebauer
Gunter Schopper
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Abstract

The machine (3) has a rotor (5) whose rotor winding system (9) is connected with a power supply network (10) through indirect converters (11, 12). One of the converters comprises an uncontrolled rectifier bridge for the rotor winding system and a controlled inverter for the network. A switchable short circuit path is formed between the rectifier bridge and the inverter for short circuiting the converter. The controlled inverter comprises switchable elements e.g. insulated gate bipolar transistors (IGBTs). The rectifier bridge and the short circuit path are designed for equal peak power. An independent claim is also included for a wind power plant.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Asynchronmaschine für eine Windkraftanlage,

  • – wobei die Asynchronmaschine einen Stator und einen Rotor aufweist,
  • – wobei der Stator ein Statorwicklungssystem aufweist,
  • – wobei das Statorwicklungssystem mit einem Stromversorgungsnetz verbunden ist,
  • – wobei der Rotor ein Rotorwicklungssystem aufweist,
  • – wobei das Rotorwicklungssystem über einen ersten Zwischenkreisumrichter mit dem Stromversorgungsnetz verbunden ist,
  • – wobei der erste Zwischenkreisumrichter zum Rotorwicklungssystem und zum Stromversorgungsnetz hin jeweils einen gesteuerten Umrichter aufweist.
The present invention relates to an electrical asynchronous machine for a wind turbine,
  • Wherein the asynchronous machine has a stator and a rotor,
  • The stator having a stator winding system,
  • Wherein the stator winding system is connected to a power supply network,
  • Wherein the rotor has a rotor winding system,
  • - wherein the rotor winding system is connected via a first DC link to the power grid,
  • - Wherein the first DC link to the rotor winding system and the power supply network towards each having a controlled inverter.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine Windkraftanlage, die einen Anlagenturm und eine drehbar an der Spitze des Anlagenturms angeordnete Maschinengondel aufweist, wobei in der Maschinengondel eine derartige Asynchronmaschine angeordnet ist, deren Rotor mit einem Windrad der Windkraftanlage verbunden ist. The present invention further relates to a wind turbine having a turbine tower and a machine nacelle rotatably mounted at the apex of the turbine tower, wherein in the engine nacelle such asynchronous machine is arranged, the rotor of which is connected to a wind turbine of the wind turbine.

Asynchronmaschinen und Windkraftanlagen der eingangs genannten Art sind bekannt. Asynchronous machines and wind turbines of the type mentioned are known.

Windkraftanlagen mit doppelt gespeister Asynchronmaschine, d.h. Asynchronmaschinen wie oben stehend beschrieben, weisen den Vorteil auf, dass der Frequenzumrichter nicht für die volle Leistung der Anlage, sondern nur für einen Teil der Leistung – typisch ein Drittel – ausgelegt werden muss. Nachteilig ist bei dieser Ausgestaltung jedoch das Verhalten bei Kurzschlüssen im Stromversorgungsnetz. Gemäß den Vorgaben der Netzbetreiber muss die generatorisch betriebene Asynchronmaschine diese Störung durchfahren und Blindstrom ins Netz speisen. Dadurch treten bei kurzen Spannungseinbrüchen an den Rotorklemmen hohe Spannungen oder – falls die Spannungen begrenzt werden – hohe Ströme auf. Typisch sind Stoßströme in der Größenordnung des fünffachen Nennstroms. Wind turbines with double-fed asynchronous machines, i. Asynchronous machines as described above, have the advantage that the frequency converter not for the full performance of the system, but only for a part of the power - typically one-third - must be designed. The disadvantage of this embodiment, however, the behavior of short circuits in the power grid. According to the specifications of the network operator, the generator-operated asynchronous machine must pass through this fault and feed reactive current into the grid. As a result, high voltages occur at short voltage drops at the rotor terminals or - if the voltages are limited - high currents. Typical are surge currents in the order of five times the rated current.

Im Stand der Technik weist der erste Zwischenkreisumrichter einen so genannten Bremschopper im Zwischenkreis auf. Im Bremschopper wird elektrische Energie im Kurzschlussfall in Wärme umgewandelt und so abgebaut. Der durch einen Bremswiderstand des Bremschoppers fließende Strom fließt in diesem Fall zugleich über die Freilaufdioden im rotorseitigen Umrichter. In the prior art, the first DC link converter has a so-called brake chopper in the DC link. In the brake chopper, electrical energy is converted into heat in the event of a short circuit and thus reduced. The current flowing through a brake resistor of the brake chopper flows in this case at the same time via the freewheeling diodes in the rotor-side converter.

Weiterhin muss die Asynchronmaschine, wie bereits erwähnt, im Fehlerfall Blindströme ins Netz speisen. Der netzseitige Umrichter muss diese Ströme verkraften können. Theoretisch ist es alternativ denkbar, die Blindströme ganz oder teilweise über die Wirkkette rotorseitiger Umrichter-Rotor-Stator ins Netz einzuspeisen. Dies ist in der Praxis jedoch schwer realisierbar. Furthermore, as already mentioned, the asynchronous machine must feed reactive currents into the grid in the event of a fault. The line-side converter must be able to cope with these currents. Theoretically, it is alternatively conceivable to feed the reactive currents completely or partially into the network via the chain of action of the rotor-side converter-rotor-stator. However, this is difficult to achieve in practice.

Wenn im Fehlerfall der netzseitige Umrichter den Blindstrom in das Stromversorgungsnetz einspeisen soll, muss der netzseitige Umrichter ein Mehrfaches des Stromes ausgelegt sein, den der netzseitige Umrichter im Normalbetrieb trägt. Dies erhöht die Kosten für den netzseitigen Umrichter, da größere Umrichterelemente benötigt werden als für den Normalbetrieb nötig wäre. Weiterhin müssen zusätzliche technische Nachteile in Kauf genommen werden. Insbesondere ergibt sich eine schlechte Ausnutzung der Strommesskanäle und damit eine relativ ungenaue Erfassung der Messwerte im Normalbetrieb. Bedingt durch die Ausgleichsvorgänge in der Asynchronmaschine muss weiterhin der rotorseitige Umrichter in diesem Falle ebenfalls überdimensioniert werden. Der Strom, der von der Asynchronmaschine erzeugt wird, muss über die Freilaufdioden des rotorseitigen Umrichters in den Bremswiderstand fließen. Auch beim rotorseitigen Umrichter muss daher in diesem Fall der Nachteil der ungenauen Messwerte im Normalbetrieb in Kauf genommen werden. If, in the event of a fault, the line-side converter is to feed the reactive current into the power supply network, the line-side converter must be designed to have a multiple of the current that the line-side converter carries during normal operation. This increases the costs for the line-side converter, since larger converter elements are needed than would be necessary for normal operation. Furthermore, additional technical disadvantages must be taken into account. In particular, there is a poor utilization of the current measuring channels and thus a relatively inaccurate detection of the measured values in normal operation. Due to the compensation processes in the asynchronous machine, the rotor-side converter must also be oversized in this case. The current generated by the asynchronous machine must flow into the braking resistor via the freewheeling diodes of the rotor-side converter. In the case of the rotor-side converter, the disadvantage of inaccurate measured values in normal operation must therefore also be accepted in this case.

Wenn im Fehlerfall der rotorseitige Umrichter den Blindstrom in das Stromversorgungsnetz einspeisen soll, muss der rotorseitige Umrichter auf ein Mehrfaches des Stromes ausgelegt werden, den der rotorseitige Umrichter im Normalbetrieb trägt. Weiterhin muss auch in diesem Fall der entsprechende Nachteil der relativ ungenauen Messwerterfassung im Normalbetrieb in Kauf genommen werden. Darüber hinaus ist das Erfüllen der Forderung der Netzbetreiber in diesem Fall regelungstechnisch schwierig. If, in the event of a fault, the rotor-side converter is to feed the reactive current into the power supply network, the rotor-side converter must be designed for a multiple of the current that the rotor-side converter carries during normal operation. Furthermore, the corresponding disadvantage of the relatively inaccurate measured value acquisition in normal operation must also be accepted in this case. In addition, the fulfillment of the network operator's requirement in this case is difficult to regulate.

Es ist weiterhin möglich, den Blindstrom zwischen dem netzseitigen und dem rotorseitigen Umrichter aufzuteilen. Auch in diesen Fällen sind die oben genannten Nachteile jedoch weiterhin vorhanden. It is also possible to divide the reactive current between the mains side and the rotor side inverter. Even in these cases, however, the above-mentioned disadvantages still exist.

Im Stand der Technik müssen daher die Umrichter des ersten Zwischenkreisumrichters auf die volle Nennleistung bzw. die auftretende Kurzschlussstrombelastung ausgelegt werden. Aufgrund dieses Umstands ist der erste Zwischenkreisumrichter relativ großvolumig und relativ teuer. In the prior art, therefore, the converter of the first DC link converter must be designed for the full rated power or the occurring short-circuit current load. Due to this fact, the first DC link converter is relatively bulky and relatively expensive.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, Möglichkeiten zu schaffen, eine Windkraftanlage kostengünstig zu gestalten, ohne betriebstechnische Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. The object of the present invention is to provide opportunities to make a wind turbine cost, without having to accept operational disadvantages.

Die Aufgabe wird durch eine elektrische Asynchronmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Asynchronmaschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 9. The object is achieved by an electrical asynchronous machine with the features of claim 1. Advantageous embodiments of the electric asynchronous machine according to the invention are the subject of the dependent claims 2 to 9.

Erfindungsgemäß ist bei einer elektrischen Asynchronmaschine der eingangs genannten Art vorgesehen,

  • – dass das Rotorwicklungssystem zusätzlich über einen zweiten Zwischenkreisumrichter mit dem Stromversorgungsnetz verbunden ist,
  • – dass der zweite Zwischenkreisumrichter zum Rotorwicklungssystem hin eine ungesteuerte Gleichrichterbrücke und zum Stromversorgungsnetz hin einen gesteuerten Wechselrichter aufweist und
  • – dass der zweite Zwischenkreisumrichter zwischen der Gleichrichterbrücke und dem Wechselrichter einen schaltbaren Kurzschlusspfad aufweist, mittels dessen der zweite Zwischenkreisumrichter kurzschließbar ist.
According to the invention is provided in an electrical induction machine of the type mentioned,
  • - That the rotor winding system is additionally connected via a second DC link to the power grid,
  • - That the second DC link to the rotor winding system towards an uncontrolled rectifier bridge and to the power supply network through a controlled inverter and
  • - That the second DC link converter between the rectifier bridge and the inverter has a switchable short circuit path, by means of which the second DC link converter is short-circuited.

Dadurch ist es möglich, den ersten Zwischenkreisumrichter auf die im Dauerbetrieb auftretenden Belastungen auszulegen, d.h. auf maximal ein Drittel der Nennleistung der Asynchronmaschine. Der zweite Zwischenkreisumrichter hingegen übernimmt die im Falle eines Kurzschlusses im Netz kurzzeitig aufzunehmenden Ströme und Leistungen. Er bewirkt auch das Einspeisen von Blindstrom ins Netz. Die Dioden des ungesteuerten Gleichrichters sind insbesondere für die im Kurzschlussfall auftretenden kurzzeitigen Impulsbelastungen erheblich besser geeignet als die Freilaufdioden des rotorseitigen Umrichters des ersten Zwischenkreisumrichters. This makes it possible to design the first DC link to the loads occurring in continuous operation, i. to a maximum of one third of the rated power of the asynchronous machine. The second DC link converter, on the other hand, takes over the short-term current and power to be absorbed in the grid in the event of a short circuit. It also causes the feed of reactive current into the grid. The diodes of the uncontrolled rectifier are considerably better suited in particular for the short-time pulse loads occurring in the event of a short circuit than the free-wheeling diodes of the rotor-side converter of the first DC link converter.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Gleichrichterbrücke und der Kurzschlusspfad des zweiten Zwischenkreisumrichters auf die gleiche Spitzenleistung ausgelegt. Dies ist besonders kostengünstig. In a preferred embodiment of the present invention, the rectifier bridge and the short circuit path of the second DC link converter are designed for the same peak power. This is particularly inexpensive.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Wechselrichter des zweiten Zwischenkreisumrichters maximal auf die gleiche Spitzenleistung ausgelegt wie die Gleichrichterbrücke des zweiten Zwischenkreisumrichters. Dadurch ergibt sich eine noch weitergehende Kostenoptimierung. Der Wechselrichter kann alternativ auf die gleiche Spitzenleistung wie oder auf eine niedrigere Spitzenleistung als die Gleichrichterbrücke des zweiten Zwischenkreisumrichters ausgelegt sein. In a further preferred embodiment of the present invention, the inverter of the second DC link converter is designed to maximize the same peak power as the rectifier bridge of the second DC link converter. This results in even further cost optimization. Alternatively, the inverter may be configured for the same peak power as or at a lower peak power than the rectifier bridge of the second DC link converter.

Eine noch weitergehende Kostenoptimierung wird dadurch erreicht, dass die Gleichrichterbrücke und der Kurzschlusspfad des zweiten Zwischenkreisumrichters auf eine größere Spitzenleistung ausgelegt sind als die Umrichter des ersten Zwischenkreisumrichters. An even further cost optimization is achieved in that the rectifier bridge and the short circuit path of the second DC link converter are designed for a higher peak power than the converters of the first DC link converter.

Eine weitere Kostenoptimierung besteht darin, dass der Wechselrichter des zweiten Zwischenkreisumrichters minimal auf die gleiche Spitzenleistung ausgelegt ist wie die Umrichter des ersten Zwischenkreisumrichters. Another cost optimization is that the inverter of the second DC link converter is designed to have the same minimum peak power as the inverters of the first DC link converter.

Die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit wird dadurch erhöht, dass die Umrichter des ersten Zwischenkreisumrichters thermisch an eine erste Kühleinrichtung angekoppelt sind, dass die Gleichrichterbrücke, der Kurzschlusspfad und der Wechselrichter des zweiten Zwischenkreisumrichters thermisch an eine zweite Kühleinrichtung angekoppelt sind und dass die zweite Kühleinrichtung von der ersten Kühleinrichtung thermisch isoliert ist. The reliability and reliability is increased by the fact that the converters of the first DC link converter are thermally coupled to a first cooling device, that the rectifier bridge, the short circuit path and the inverter of the second DC link converter are thermally coupled to a second cooling device and that the second cooling device of the first cooling device is thermally insulated.

Es ist möglich, dass die Umrichter des ersten Zwischenkreisumrichters als schaltbare Elemente sogenannte GTOs (= gate turn off-Thyristoren) aufweisen. Vorzugsweise jedoch sind die schaltbaren Elemente IGBTs (= insulated gate bipolar transistor). Gleiches gilt für den Wechselrichter und den Kurzschlusspfad des zweiten Zwischenkreisumrichters: Sie können als schaltbare Elemente GTOs aufweisen, weisen jedoch vorzugsweise IGBTs auf. It is possible for the converters of the first DC link converter to have, as switchable elements, GTOs (= gate turn-off thyristors). Preferably, however, the switchable elements are IGBTs (= insulated gate bipolar transistor). The same applies to the inverter and the short circuit path of the second DC link converter: they can have GTOs as switchable elements, but they preferably have IGBTs.

Die Aufgabe wird weiterhin durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Erfindungsgemäß ist bei einer Windkraftanlage der eingangs genannten Art vorgesehen, dass die Asynchronmaschine erfindungsgemäß ausgebildet ist. The object is further achieved by a wind turbine with the features of claim 10. According to the invention it is provided in a wind turbine of the type mentioned that the asynchronous machine is designed according to the invention.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen in Prinzipdarstellung: Further advantages and details will become apparent from the following description of exemplary embodiments in conjunction with the drawings. In a schematic representation:

1 schematisch eine Windkraftanlage, 1 schematically a wind turbine,

2 schematisch eine in einer Maschinengondel angeordnete Asynchronmaschine, 2 schematically an asynchronous machine arranged in a nacelle,

3 schematisch den Aufbau eines ersten Zwischenkreisumrichters, 3 schematically the structure of a first DC link converter,

4 schematisch den Aufbau eines zweiten Zwischenkreisumrichters und 4 schematically the construction of a second DC link converter and

5 schematisch eine Kühlanordnung für zwei Zwischenkreisumrichter. 5 schematically a cooling arrangement for two DC link converter.

Gemäß 1 weist eine Windkraftanlage einen Anlagenturm 1 und eine Maschinengondel 2 auf. Die Maschinengondel 2 ist an der Spitze des Anlagenturms 1 drehbar angeordnet. In der Maschinengondel 2 ist gemäß 2 eine Asynchronmaschine 3 angeordnet. Die Asynchronmaschine 3 weist einen Stator 4 und einen Rotor 5 auf. Der Stator 4 der Asynchronmaschine 3 ist in der Maschinengondel 2 fest montiert. Der Rotor 5 der Asynchronmaschine 3 ist mit einem Windrad 6 der Windkraftanlage verbunden. Im Einzelfall kann eine direkte Verbindung bestehen. In der Regel ist der Rotor 5 jedoch über ein Getriebe 7 mit dem Windrad 6 verbunden. According to 1 a wind turbine has a plant tower 1 and a machine nacelle 2 on. The machine nacelle 2 is at the top of the plant tower 1 rotatably arranged. In the machine nacelle 2 is according to 2 an asynchronous machine 3 arranged. The asynchronous machine 3 has a stator 4 and a rotor 5 on. The stator 4 the asynchronous machine 3 is in the machine nacelle 2 firmly mounted. The rotor 5 the asynchronous machine 3 is with a pinwheel 6 connected to the wind turbine. In individual cases, a direct connection may exist. As a rule, the rotor 5 however via a gearbox 7 with the windmill 6 connected.

Der Stator 4 weist ein Statorwicklungssystem 8 auf, der Rotor 5 ein Rotorwicklungssystem 9. Das Statorwicklungssystem 8 ist gemäß 2 – in der Regel direkt – mit einem Stromversorgungsnetz 10 verbunden. Das Rotorwicklungssystem 9 ist mit dem Stromversorgungsnetz 10 über einen ersten Zwischenkreisumrichter 11 und einen zweiten Zwischenkreisumrichter 12 verbunden. The stator 4 has a stator winding system 8th up, the rotor 5 a rotor winding system 9 , The stator winding system 8th is according to 2 - usually directly - with a power supply network 10 connected. The rotor winding system 9 is with the power grid 10 via a first DC link converter 11 and a second DC link converter 12 connected.

Der erste Zwischenkreisumrichter 11 weist gemäß 3 zum Rotorwicklungssystem 9 hin und zum Stromversorgungsnetz 10 hin jeweils einen gesteuerten Umrichter 13, 14 auf. Der rotorseitige Umrichter 13 ist in der Regel direkt mit dem Rotorwicklungssystem 9 verbunden. Der netzseitige Umrichter 14 ist in der Regel über Drosseln 15 mit dem Stromversorgungsnetz 10 verbunden. Zwischen den beiden Umrichtern 13, 14 ist in der Regel ein Zwischenkreiskondensator 16 (Stützkondensator 16) angeordnet. The first DC link converter 11 according to 3 to the rotor winding system 9 towards and to the power supply network 10 in each case a controlled inverter 13 . 14 on. The rotor-side converter 13 is usually directly with the rotor winding system 9 connected. The mains-side converter 14 is usually about throttling 15 with the power supply network 10 connected. Between the two converters 13 . 14 is usually a DC link capacitor 16 (Back-up capacitor 16 ) arranged.

Die Umrichter 13, 14 des ersten Zwischenkreisumrichters 11 weisen pro Phase des Rotorwicklungssystems 9 bzw. pro Phase des Stromversorgungsnetzes 10 in der Regel je zwei schaltbare Elemente auf. Die schaltbaren Elemente sind, wie in 3 schematisch angedeutet, vorzugsweise als IGBTs ausgebildet. The inverters 13 . 14 of the first DC link converter 11 point per phase of the rotor winding system 9 or per phase of the power supply network 10 usually two switchable elements on each. The switchable elements are as in 3 indicated schematically, preferably formed as IGBTs.

Beide Umrichter 13, 14 können – gesteuert von einer Steuereinrichtung 17 – alternativ als Gleichrichter oder als Wechselrichter arbeiten. Wenn der rotorseitige Umrichter 13 als Gleichrichter betrieben wird, wird der netzseitige Umrichter 14 als Wechselrichter betrieben. Wenn umgekehrt der netzseitige Umrichter 14 als Gleichrichter betrieben wird, wird der rotorseitige Umrichter 13 als Wechselrichter betrieben. Both inverters 13 . 14 can - controlled by a control device 17 - Alternatively, work as a rectifier or as an inverter. When the rotor-side inverter 13 is operated as a rectifier, the mains side inverter 14 operated as an inverter. Conversely, if the line-side inverter 14 is operated as a rectifier, the rotor-side inverter 13 operated as an inverter.

Der erste Zwischenkreisumrichter 11 kann entsprechend der Ausgestaltung des Standes der Technik einen Kurzschlusspfad aufweisen, mittels dessen der erste Zwischenkreisumrichter 11 (genauer: der Zwischenkreis des ersten Zwischenkreisumrichters 11) kurzschließbar ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der entsprechende Kurzschlusspfad im ersten Zwischenkreisumrichter 11 jedoch nicht erforderlich. The first DC link converter 11 can according to the embodiment of the prior art have a short-circuit path, by means of which the first DC-link converter 11 (more precisely, the DC link of the first DC link converter 11 ) is short-circuitable. In contrast to the prior art, the corresponding short circuit path in the first DC link converter 11 but not required.

Die Umrichter 13, 14 sind derart ausgelegt, dass sie im Dauerbetrieb einen Teil der Nennleistung der Asynchronmaschine 3 tragen können, beispielsweise 20% bis 50% der Nennleistung, insbesondere 30% bis 35% der Nennleistung. The inverters 13 . 14 are designed so that they are in continuous operation part of the rated power of the asynchronous machine 3 20% to 50% of the nominal power, in particular 30% to 35% of the rated power.

Der zweite Zwischenkreisumrichter 12 weist zum Rotorwicklungssystem 9 hin eine ungesteuerte Gleichrichterbrücke 18 und zum Stromversorgungsnetz 10 hin einen gesteuerten Wechselrichter 19 auf. Analog zum ersten Zwischenkreisumrichter 11 ist der Gleichrichter 18 in der Regel direkt mit dem Rotorwicklungssystem 9 verbunden, der Wechselrichter 19 mit dem Stromversorgungsnetz 10 über Drosseln 20. Die Gleichrichterbrücke 18 weist eine Anzahl ungesteuerter Gleichrichterelemente auf, in der Regel Dioden. Üblicherweise sind pro rotorseitiger Phase je zwei Gleichrichterelemente vorhanden. Der Wechselrichter 19 weist eine Anzahl schaltbarer Elemente auf. The second DC link converter 12 points to the rotor winding system 9 towards an uncontrolled rectifier bridge 18 and the power grid 10 towards a controlled inverter 19 on. Analogous to the first DC link converter 11 is the rectifier 18 usually directly with the rotor winding system 9 connected, the inverter 19 with the power supply network 10 via throttles 20 , The rectifier bridge 18 has a number of uncontrolled rectifier elements, typically diodes. Usually, two rectifier elements are present per rotor-side phase. The inverter 19 has a number of switchable elements.

In der Regel sind pro Phase des Stromversorgungsnetzes 10 je zwei schaltbare Elemente vorhanden. Die schaltbaren Elemente sind vorzugsweise als IGBTs ausgebildet. As a rule, are per phase of the power supply network 10 two switchable elements available. The switchable elements are preferably designed as IGBTs.

Auch der zweite Zwischenkreisumrichter 12 weist in der Regel einen Zwischenkreiskondensator 21 (Stützkondensator 21) auf. In jedem Fall weist der zweite Zwischenkreisumrichter 12 jedoch zwischen der ungesteuerten Gleichrichterbrücke 18 und dem gesteuerten Wechselrichter 19 einen schaltbaren Kurzschlusspfad 22 auf. Mittels des Kurzschlusspfades 22 ist der zweite Zwischenkreisumrichter 12 (genauer: der Zwischenkreis des zweiten Zwischenkreisumrichters 12) kurzschließbar. Der Kurzschlusspfad 22 weist zu diesem Zweck ein schaltbares Element 23 und einen Bremswiderstand 24 auf. Das schaltbare Element 23 ist vorzugsweise als IGBT ausgebildet. Dem Bremswiderstand 24 kann eine Diode 25 parallel geschaltet sein. Also the second DC link converter 12 usually has a DC link capacitor 21 (Back-up capacitor 21 ) on. In any case, the second DC link converter 12 however, between the uncontrolled rectifier bridge 18 and the controlled inverter 19 a switchable short circuit path 22 on. By means of the short circuit path 22 is the second DC link converter 12 (more precisely: the DC link of the second DC link converter 12 ) can be shorted. The short circuit path 22 has a switchable element for this purpose 23 and a braking resistor 24 on. The switchable element 23 is preferably formed as an IGBT. The braking resistor 24 can be a diode 25 be connected in parallel.

Der zweite Zwischenkreisumrichter 12 wird im Normalbetrieb der Asynchronmaschine 3 nicht betrieben. Aufgrund des Umstands, dass die Gleichrichterbrücke 18 ungesteuert ist, lädt sich zwar der Zwischenkreiskondensator 21 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 auf. Der Wechselrichter 19 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 wird jedoch nicht angesteuert, so dass über den zweiten Zwischenkreisumrichter 12 im Normalbetrieb keine Energie zwischen dem Rotorwicklungssystem 9 und dem Stromversorgungsnetz 10 ausgetauscht wird. Im Normalbetrieb erfolgt der Energieaustausch somit vollständig über den ersten Zwischenkreisumrichter 11, der zu diesem Zweck von der Steuereinrichtung 17 entsprechend angesteuert wird. The second DC link converter 12 becomes in normal operation of the asynchronous machine 3 not operated. Due to the fact that the rectifier bridge 18 is uncontrolled, the DC link capacitor charges itself 21 of the second DC link converter 12 on. The inverter 19 of the second DC link converter 12 However, it is not activated so that via the second DC link converter 12 In normal operation, no energy between the rotor winding system 9 and the power grid 10 is exchanged. In normal operation, the energy exchange thus takes place completely via the first DC link converter 11 which is for this purpose by the control device 17 is controlled accordingly.

Bei einem Ausfall des Stromversorgungsnetzes 10 hingegen wird bei der erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 3 die umgekehrte Vorgehensweise ergriffen. Der erste Zwischenkreisumrichter 11 wird in diesem Betriebszustand von der Steuereinrichtung 17 nicht mehr angesteuert. Stattdessen wird der zweite Zwischenkreisumrichter 12 angesteuert. Die Ansteuerung des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 ist in diesem Betriebszustand derart, dass der Wechselrichter 19 Blindstrom ins Stromversorgungsnetz 10 einspeist und über den Kurzschlusspfad 22 überschüssige Wirkleistung in Wärme umgewandelt wird. Im Prinzip erfolgt die Ansteuerung des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 somit auf die gleiche Art und Weise, auf die im Stand der Technik der erste und einzige Zwischenkreisumrichter 11 angesteuert wird. Bei der erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 3 erfolgt also eine Aufgabenteilung: Den Normalbetrieb übernimmt der erste Zwischenkreisumrichter 11, den Sonderbetrieb bei einem Ausfall des Stromversorgungsnetzes 10 der zweite Zwischenkreisumrichter 12. In case of failure of the power supply network 10 whereas, in the case of the asynchronous machine according to the invention 3 the reverse approach taken. The first DC link converter 11 is in this operating state of the controller 17 no longer activated. Instead, the second DC link converter 12 driven. The control of the second DC link converter 12 is in this operating state such that the inverter 19 Reactive current into the power supply network 10 fed and over the short circuit path 22 excess active power is converted into heat. In principle, the control of the second DC link converter takes place 12 thus, in the same way as in the prior art, the first and only DC link converter 11 is controlled. In the asynchronous machine according to the invention 3 So there is a division of tasks: Normal operation is performed by the first DC link converter 11 , the special operation in the event of a power failure 10 the second DC link converter 12 ,

Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird erreicht, dass der erste Zwischenkreisumrichter 11 zu keinem Zeitpunkt eine höhere Leistung als den oben erwähnten Teil – beispielsweise 20% bis 50% – der Nennleistung der Asynchronmaschine 3 tragen muss. Der zweite Zwischenkreisumrichter 12 muss zwar eine höhere Leistung tragen, dies aber nur in Ausnahmefällen und auch dann nur kurzzeitig (nämlich für die Dauer des Netzausfalls). Weiterhin wird der zweite Zwischenkreisumrichter 12 im Normalbetrieb nicht angesteuert und ist daher im Falle eines Ausfalls des Stromversorgungsnetzes 10 thermisch nicht vorbelastet. The procedure according to the invention ensures that the first DC-link converter 11 at no time a higher power than the above-mentioned part - for example, 20% to 50% - of the rated power of the asynchronous machine 3 must wear. The second DC link converter 12 must carry a higher performance, but only in exceptional cases and then only for a short time (namely for the duration of the power failure). Furthermore, the second DC link converter 12 not activated in normal operation and is therefore in case of failure of the power supply network 10 thermally not biased.

Aufgrund der entsprechenden Betriebsweise ergeben sich bevorzugte Auslegungen der Umrichter 13, 14 des ersten Zwischenkreisumrichters 11 und der Gleichrichterbrücke 18, des Wechselrichters 19 und des Kurzschlusspfades 22 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12. Insbesondere sollten folgende Auslegungskriterien vorzugsweise beachtet werden:

  • – Die Gleichrichterbrücke 18 und der Kurzschlusspfad 22 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 sollten auf die gleiche Spitzenleistung ausgelegt sein. Der Grund hierfür besteht darin, dass der über den Kurzschlusspfad 22 fließende Strom über die Gleichrichterbrücke 18 zurückgeführt wird.
  • – Der Wechselrichter 19 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 sollte aus Kostengründen maximal auf die gleiche Spitzenleistung ausgelegt sein wie die Gleichrichterbrücke 18 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12. Der Grund hierfür besteht darin, dass der Wechselrichter 19 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 erheblich geringere Ströme führen muss als die Gleichrichterbrücke 18.
  • – Die Gleichrichterbrücke 18 und der Kurzschlusspfad 22 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 sollten auf eine größere Spitzenleistung ausgelegt sein als die Umrichter 13, 14 des ersten Zwischenkreisumrichters 11. Anderenfalls ergäbe sich kein oder nur ein geringer Kostenvorteil.
  • – Der Wechselrichter 19 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 sollte minimal auf die gleiche Spitzenleistung ausgelegt sein wie die Umrichter 13, 14 des ersten Zwischenkreisumrichters 11.
Due to the corresponding mode of operation, preferred designs of the converters result 13 . 14 of the first DC link converter 11 and the rectifier bridge 18 , the inverter 19 and the short-circuit path 22 of the second DC link converter 12 , In particular, the following design criteria should preferably be taken into account:
  • - The rectifier bridge 18 and the short circuit path 22 of the second DC link converter 12 should be designed for the same peak performance. The reason for this is that the over the short circuit path 22 flowing electricity through the rectifier bridge 18 is returned.
  • - The inverter 19 of the second DC link converter 12 For cost reasons, it should be designed for the same maximum output as the rectifier bridge 18 of the second DC link converter 12 , The reason for this is that the inverter 19 of the second DC link converter 12 significantly lower currents than the rectifier bridge 18 ,
  • - The rectifier bridge 18 and the short circuit path 22 of the second DC link converter 12 should be designed for greater peak power than the inverters 13 . 14 of the first DC link converter 11 , Otherwise, there would be no or only a small cost advantage.
  • - The inverter 19 of the second DC link converter 12 should be minimally designed for the same peak power as the inverters 13 . 14 of the first DC link converter 11 ,

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die Umrichter 13, 14 des ersten Zwischenkreisumrichters 11 einerseits und die Gleichrichterbrücke 18, der Wechselrichter 19 und der Kurzschlusspfad 22 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 andererseits getrennt voneinander gekühlt werden. Vorzugsweise sind daher die Umrichter 13, 14 des ersten Zwischenkreisumrichters 11 thermisch an eine erste Kühleinrichtung 26 angekoppelt. Die Gleichrichterbrücke 18, der Kurzschlusspfad 22 und der Wechselrichter 19 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 hingegen sind thermisch an eine zweite Kühleinrichtung 27 angekoppelt. Die zweite Kühleinrichtung 27 ist – selbstverständlich – eine von der ersten Kühleinrichtung 26 verschiedene Kühleinrichtung. Sie ist von der ersten Kühleinrichtung 26 thermisch isoliert. Durch diese Ausgestaltung wird insbesondere erreicht, dass auch im länger anhaltenden Dauerbetrieb die Elemente 18, 19, 22 des zweiten Zwischenkreisumrichters 12 kalt bleiben, obwohl die Umrichter 13, 14 und mit ihnen die erste Kühleinrichtung 26 warm werden. Furthermore, it is advantageous if the inverter 13 . 14 of the first DC link converter 11 on the one hand and the rectifier bridge 18 , the inverter 19 and the short circuit path 22 of the second DC link converter 12 On the other hand, be cooled separately from each other. Preferably, therefore, the inverter 13 . 14 of the first DC link converter 11 thermally to a first cooling device 26 coupled. The rectifier bridge 18 , the short circuit path 22 and the inverter 19 of the second DC link converter 12 however, are thermally to a second cooling device 27 coupled. The second cooling device 27 is - of course - one of the first cooling device 26 different cooling device. It is from the first cooling device 26 thermally insulated. By this configuration is achieved in particular that even in prolonged continuous operation, the elements 18 . 19 . 22 of the second DC link converter 12 stay cold, although the inverter 13 . 14 and with them the first cooling device 26 to warm up.

Die obige Beschreibung dient ausschließlich der Erläuterung der vorliegenden Erfindung. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung soll hingegen ausschließlich durch die beigefügten Ansprüche bestimmt sein. The above description is only for explanation of the present invention. The scope of the present invention, however, is intended to be determined solely by the appended claims.

Claims (10)

Elektrische Asynchronmaschine für eine Windkraftanlage, – wobei die Asynchronmaschine einen Stator (4) und einen Rotor (5) aufweist, – wobei der Stator (4) ein Statorwicklungssystem (8) aufweist, – wobei das Statorwicklungssystem (8) mit einem Stromversorgungsnetz (10) verbunden ist, – wobei der Rotor (5) ein Rotorwicklungssystem (9) aufweist, – wobei das Rotorwicklungssystem (9) über einen ersten Zwischenkreisumrichter (11) mit dem Stromversorgungsnetz (10) verbunden ist, – wobei der erste Zwischenkreisumrichter (11) zum Rotorwicklungssystem (9) und zum Stromversorgungsnetz (10) hin jeweils einen gesteuerten Umrichter (13, 14) aufweist, – wobei das Rotorwicklungssystem (9) zusätzlich über einen zweiten Zwischenkreisumrichter (12) mit dem Stromversorgungsnetz (10) verbunden ist, – wobei der zweite Zwischenkreisumrichter (12) zum Rotorwicklungssystem (9) hin eine ungesteuerte Gleichrichterbrücke (18) und zum Stromversorgungsnetz (10) hin einen gesteuerten Wechselrichter (19) aufweist, – wobei der zweite Zwischenkreisumrichter (12) zwischen der Gleichrichterbrücke (18) und dem Wechselrichter (19) einen schaltbaren Kurzschlusspfad (22) aufweist, mittels dessen der zweite Zwischenkreisumrichter (12) kurzschließbar ist. Electric asynchronous machine for a wind turbine, - the asynchronous machine having a stator ( 4 ) and a rotor ( 5 ), wherein the stator ( 4 ) a stator winding system ( 8th ), wherein the stator winding system ( 8th ) with a power supply network ( 10 ), wherein the rotor ( 5 ) a rotor winding system ( 9 ), wherein the rotor winding system ( 9 ) via a first DC link converter ( 11 ) with the power supply network ( 10 ), the first DC link converter ( 11 ) to the rotor winding system ( 9 ) and the power grid ( 10 ) each have a controlled converter ( 13 . 14 ), wherein the rotor winding system ( 9 ) additionally via a second DC link converter ( 12 ) with the power supply network ( 10 ), wherein the second DC link converter ( 12 ) to the rotor winding system ( 9 ) an uncontrolled Rectifier bridge ( 18 ) and the power grid ( 10 ), a controlled inverter ( 19 ), - wherein the second DC link converter ( 12 ) between the rectifier bridge ( 18 ) and the inverter ( 19 ) a switchable short circuit path ( 22 ), by means of which the second DC link converter ( 12 ) is short-circuitable. Asynchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterbrücke (18) und der Kurzschlusspfad (22) des zweiten Zwischenkreisumrichters (12) auf die gleiche Spitzenleistung ausgelegt sind. Asynchronous machine according to claim 1, characterized in that the rectifier bridge ( 18 ) and the short circuit path ( 22 ) of the second DC link converter ( 12 ) are designed for the same peak performance. Asynchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (19) des zweiten Zwischenkreisumrichters (12) maximal auf die gleiche Spitzenleistung ausgelegt ist wie die Gleichrichterbrücke (18) des zweiten Zwischenkreisumrichters (12). Asynchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that the inverter ( 19 ) of the second DC link converter ( 12 ) is maximally designed for the same peak power as the rectifier bridge ( 18 ) of the second DC link converter ( 12 ). Asynchronmaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterbrücke (18) und der Kurzschlusspfad (22) des zweiten Zwischenkreisumrichters (12) auf eine größere Spitzenleistung ausgelegt sind als die Umrichter (13, 14) des ersten Zwischenkreisumrichters (11). Asynchronous machine according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the rectifier bridge ( 18 ) and the short circuit path ( 22 ) of the second DC link converter ( 12 ) are designed for greater peak power than the inverters ( 13 . 14 ) of the first DC link converter ( 11 ). Asynchronmaschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (19) des zweiten Zwischenkreisumrichters (12) minimal auf die gleiche Spitzenleistung ausgelegt ist wie die Umrichter (13, 14) des ersten Zwischenkreisumrichters (11). Asynchronous machine according to one of the above claims, characterized in that the inverter ( 19 ) of the second DC link converter ( 12 ) is designed for the same peak power as the inverters ( 13 . 14 ) of the first DC link converter ( 11 ). Asynchronmaschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichter (13, 14) des ersten Zwischenkreisumrichters (11) thermisch an eine erste Kühleinrichtung (26) angekoppelt sind, dass die Gleichrichterbrücke (18), der Kurzschlusspfad (22) und der Wechselrichter (19) des zweiten Zwischenkreisumrichters (12) thermisch an eine zweite Kühleinrichtung (27) angekoppelt sind und dass die zweite Kühleinrichtung (27) von der ersten Kühleinrichtung (26) thermisch isoliert ist. Asynchronous machine according to one of the above claims, characterized in that the inverters ( 13 . 14 ) of the first DC link converter ( 11 ) thermally to a first cooling device ( 26 ) are coupled, that the rectifier bridge ( 18 ), the short circuit path ( 22 ) and the inverter ( 19 ) of the second DC link converter ( 12 ) thermally to a second cooling device ( 27 ) and that the second cooling device ( 27 ) from the first cooling device ( 26 ) is thermally isolated. Asynchronmaschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umrichter (13, 14) des ersten Zwischenkreisumrichters (11) als schaltbare Elemente IGBTs aufweisen. Asynchronous machine according to one of the above claims, characterized in that the inverters ( 13 . 14 ) of the first DC link converter ( 11 ) as switchable elements IGBTs. Asynchronmaschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (19) des zweiten Zwischenkreisumrichters (12) als schaltbare Elemente IGBTs aufweist. Asynchronous machine according to one of the above claims, characterized in that the inverter ( 19 ) of the second DC link converter ( 12 ) as switchable elements IGBTs. Asynchronmaschine nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlusspfad (22) des zweiten Zwischenkreisumrichters (12) als schaltbares Element (23) einen IGBT aufweist. Asynchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the short-circuit path ( 22 ) of the second DC link converter ( 12 ) as a switchable element ( 23 ) has an IGBT. Windkraftanlage, die einen Anlagenturm (1) und eine drehbar an der Spitze des Anlagenturms (1) angeordnete Maschinengondel (2) aufweist, wobei in der Maschinengondel (2) eine Asynchronmaschine (3) nach einem der obigen Ansprüche angeordnet ist, deren Rotor (5) mit einem Windrad (6) der Windkraftanlage verbunden ist. Wind turbine that has a plant tower ( 1 ) and a rotatable at the top of the plant tower ( 1 ) arranged nacelle ( 2 ), wherein in the nacelle ( 2 ) an asynchronous machine ( 3 ) is arranged according to one of the above claims, whose rotor ( 5 ) with a wind turbine ( 6 ) of the wind turbine is connected.
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