DE10259068A1

DE10259068A1 - Schleifringlose doppeltgespeiste Asynchronmaschine

Info

Publication number: DE10259068A1
Application number: DE2002159068
Authority: DE
Inventors: Manfred Herbst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2004-07-15
Also published as: WO2004055959A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine schleifringlose doppeltgespeiste Asynchronmaschine. DOLLAR A Diese enthält eine Hauptmaschine mit Drehstromwicklungen im Hauptläufer und Hauptständer und einer Erregermaschine mit Gleichstromwicklung im Erregerständer und Drehstromwicklung im Erregerläufer, wobei die Drehstromwicklungen im Hauptläufer und Erregerläufer mechanisch fest auf ein und derselben Welle angebracht sind und gemeinsam mit dieser ein rotierendes Teil bilden. Auf der Welle ist ein Umrichter zur Umrichtung einer in der Läuferwicklung der Erregermaschine erzeugten Leistung einer Ausgangsfrequenz in eine der Läuferwicklung der Hauptmaschine zugeführte Leistung einer Sollfrequenz fest angebracht.

Description

Die Erfindung betrifft eine schleifringlose doppeltgespeiste Asynchronmaschine.
Doppeltgespeiste Asynchronmaschinen enthalten im allgemeinen zwei Drehstromwicklungen, eine am Maschinengestell oder -gehäuse ortsfest angebrachte Ständerwicklung und eine mechanisch fest auf einer Welle angebrachte Läuferwicklung, wobei die Welle mit der Läuferwicklung rotierbar bezüglich der Ständerwicklung gelagert ist. Die Läuferwicklung benötigt elektrische Läuferanschlüsse, die ortfest ruhend z.B. am Maschinengestell zugänglich sind. Die elektrische Verbindung der Läuferanschlüsse mit der Läuferwicklung erfolgt üblicherweise über auf der Welle mechanisch fest angebrachte Schleifringe in Verbindung mit am Maschinengestell federnd angebrachten Kohlebürsten, die auf den Schleifringen gleitend aufliegen und so einen elektrischen Kontakt herstellen.

Asynchronmaschinen werden als Motoren oder Generatoren eingesetzt. In Windturbinen der oberen Leistungsklasse, also etwa ab 1MW, werden zur Erzeugung elektrischer Energie meist doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren benutzt. Eine derartige Anordnung ist zum Beispiel aus „Warnecke, Otto; Siemens Energietechnik 5 (1983), Heft 6, S. 364ff" bekannt. Herkömmliche doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren weisen Schleifringläufer und Drehstromwicklungen im Läufer und Ständer auf.

Bei Windenergieanlagen ist eine variable Drehzahl des Generators aus verschiedenen Gründen vorteilhaft. Beispielsweise kann so ein plötzlich steigendes Angebot an Primärenergie in Form einer Windbö zunächst in eine Drehzahlerhöhung des Generators umgesetzt werden und erst allmählich das Drehmoment der Anlage gesteigert und somit die Leistungsabgabe erhöht werden. Dies führt zu einer wesentlich reduzierten Belastung der mechanischen Bauteile der Windkraftanlage und einer ge glätteten Leistungskurve gegenüber einer Anlage mit fester Drehzahl. Dennoch soll der Generator an den Ausgangsklemmen eine Leistung mit netzsynchroner konstanter Frequenz erzeugen. Deshalb nutzt man die Drehstromwicklung im Läufer, um dort eine geregelte Differenzfrequenz einzuprägen. Aus der Addition von momentaner Drehzahl des Generators und Differenzfrequenz im Läufer ergibt sich die Ständerfrequenz. Die Differenzfrequenz wird z.B. so gewählt, dass sich am Ausgang des Generators Netzfrequenz einstellt. Im Normalfall arbeitet der Generator in einem Drehzahlbereich, der um etwa 10 – 30% nach oben und unten von seiner synchronen Drehzahl abweicht. Die im Läufer aufgeprägte Differenzfrequenz kann positiv oder negativ sein. Ebenso ist deshalb die Energierichtung positiv oder negativ, was bedeutet, dass bei untersynchronen Drehzahlen Energie in den Läufer gespeist wird und der jeweilige Bedarf dem Ständerstrom abgeführt wird; bei übersynchronen Drehzahlen wird Energie aus dem Läufer entnommen und der jeweilige erzeugte Läuferstrom dem Ständerstrom bzw. Netz zugeführt. Die Regelung bzw. Prägung der Läuferfrequenz erfolgt über ortsfeste ruhende Umrichter, das sind kombinierte Gleich- und Wechselrichter. Die Läuferwicklung ist über Schleifringe meist 3-phasig mit dem Umrichter verbunden.

Schleifringe und Kohlebürsten als mechanische Bauteile unterliegen erheblichem Verschleiß und verursachen z.B. Kohlestaub als Abrieb der Kohlebürsten. Als Folge hiervon ist eine derartig ausgerüstete Maschine sehr wartungsaufwendig. Je nach Betriebsbedingungen können Schleifringe und Bürsten zu ungeplanten Ausfällen führen und wirken sich somit negativ auf die Verfügbarkeit der Maschine aus.

Bei großen Windturbinen und insbesondere in der Offshoreanwendung werden aus Schutz gegen Umwelteinflüsse total gekapselte Generatoren benötigt, bei denen der anfallende Bürstenstaub aus elektrisch leitfähigem Graphit in der Maschine oder in der Maschinengondel verbleibt und eine zusätzliche Fehlerquelle (z. B. Wicklungskurzschlüsse) darstellt.

Zur Vermeidung der Problematik ist z.B. aus der DE 101 41 486 A1 eine schleifringlose Asynchronmaschine bekannt, die die oben genannten Anforderungen erfüllt. Nachteilig hierbei ist allerdings, dass ausgehend vom Umrichter störende Oberwellen in das an die Maschine angeschlossene Stromnetz eingespeist werden. Wird die bekannte Asynchronmaschine als Generator betrieben, ist eine Steuerung der elektrischen Eigenschaften der Maschine im Frequenzumrichter möglich. Diesem elektrisch nachgeschaltet sind in diesem Fall zwei Induktionsmaschinen in Reihenschaltung. Um die elektrischen Eigenschaften am Ausgang der zweiten Maschine beeinflussen zu können, muss im Regler das Verhalten beider Maschinen berücksichtigt werden. Hierbei geht beispielsweise die Drehzahl der Welle quadratisch in den Zusammenhang zwischen Ausgangsfrequenz des Umrichters und Ausgangsfrequenz des Generators ein. Eine Regelung ist deshalb nicht unaufwendig.

Aufgabe ist es nun, eine Asynchronmaschine anzugeben, die schleifringlos ausgeführt ist, günstige Oberwelleneigenschaften besitzt und Regeleigenschaften ähnlich einer Schleifringmaschine aufweist.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine schleifringlose doppeltgespeiste Asynchronmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Eine solche Maschine enthält eine Hauptmaschine mit Drehstromwicklungen im Hauptläufer und Hauptständer und eine Erregermaschine mit Gleichstromwicklung im Erregerständer und Drehstromwicklung im Erregerläufer. Die Drehstromwicklungen im Hauptläufer und Erregerläufer sind mechanisch fest auf ein und derselben Welle angebracht und bilden gemeinsam mit dieser ein rotierendes Teil der Asynchronmaschine. Die Asynchronmaschine enthält weiter einen Umrichter, der auf der Welle fest angebracht ist. Der Umrichter dient zur Umrichtung einer in der Läuferwicklung der Erregermaschine erzeugten Leistung, welche eine von der Drehzahl der Welle bestimmte Ausgangsfrequenz besitzt, in eine der Läufer wicklung der Hauptmaschine zugeführte Leistung, die eine vom Umrichter erzeugte Sollfrequenz aufweist.

Durch die Platzierung des Umrichters auf der Welle ist dieser sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig nicht mehr direkt, sondern über je eine Induktionsmaschine mit dem Stromnetz verbunden. Die Übertragung von Oberwellen in das Stromnetz ist so weitestgehend unterdrückt, da eine Induktionsmaschine eine wesentlich „weichere" Spannungskurvenform aufweist als ein Umrichter. Eine gegebenenfalls durchzuführende Steuerung/Regelung der elektrischen Eigenschaften der Maschine im generatorischen Betrieb muss deshalb auch, wie bei Schleifringmaschinen, nur das Verhalten einer einzigen Induktionsmaschine, nämlich der Hauptmaschine, berücksichtigen. Die Steuerung kann deshalb relativ einfach ausgeführt werden, nämlich wie bei einer herkömmlichen doppeltgespeisten Asynchronmaschine mit Schleifringen.

Durch die bürsten- und schleifringlose Ausführung der Asynchronmaschine wird der Abrieb der Bürsten in Form von Bürstenstaub (Graphit) vermieden. Die Maschine kann nicht mehr durch Bürstenstaub verunreinigt werden und Graphitablagerungen scheiden als Fehlerquelle für Wicklungskurzschlüsse aus. Bürsten und Schleifringe entfallen und somit die an diesen vorzunehmenden Wartungsarbeiten. Außerdem ist das Risiko ungeplanter Ausfälle durch den Wegfall wartungsintensiver und fehleranfälliger Teile, beispielsweise der Kohlebürsten, erniedrigt. Die Verfügbarkeit der Maschine wird somit erhöht. Die Aufgabe der Schleifringe und Kohlebürsten, nämlich elektrische Leistung zwischen Läufer und Ständer zu übertragen, wird von der Erregermaschine übernommen, indem diese Energie nach dem Transformatorprinzip vermittels elektromagnetischer Felder überträgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sollfrequenz der dem Hauptläufer zugeführten Leistung vorgebbar. Dadurch wird insbesondere im Generatorbetrieb der Asynchronmaschine bei gegebener Drehzahl der Welle die Frequenz der am Hauptständer erzeugten Leistung steuerbar bzw. wird ermöglicht, dass bei veränderlicher Drehzahl der Welle durch Steuerung der Sollfrequenz die Frequenz der am Hauptständer abgegebenen Leistung konstant gehalten wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Übertragungseinrichtung vorgesehen, die es erlaubt, Informationen zwischen ruhendem und rotierendem Teil der Asynchronmaschine berührungslos zu übertragen. Diese Informationen können z.B. Steuersignale sein, die vom ruhenden Teil der Maschine zum (rotierenden) Umrichter übertragen werden, z.B. kann der Wert der Sollfrequenz des Umrichters im ruhenden Teil der Maschine bestimmt, errechnet oder vorgegeben werden und anschließend berührungslos zum Umrichter übertragen werden. Es können auch Informationen vom rotierenden Teil, z.B. die Temperaturen der Wicklungen der Haupt- und Erregerläufer, zum ruhenden Teil der Maschine übertragen werden und etwa dort weiterverarbeitet werden. Eine derartige Übertragungseinrichtung zur Informationsübertragung muss mindestens zwei zusammenwirkende Gegenseiten enthalten, wobei jeweils eine als Sender und eine als Empfänger arbeitet und sich zwischen diesen eine Übertragungsstrecke befindet. Da jede Gegenseite sowohl als Sender als auch Empfänger arbeitet, bezeichnet man diese als Transceiver. Besonders günstig scheint die Anbringung der Sende- und Empfangseinrichtungen im Bereich der Maschinenwelle, insbesondere an der Stirnseite des freien Endes, also der einer angeschlossenen Kupplung, einem Getriebe o.ä. abgewandten Stirnseite der Welle. Hierdurch können die zu überbrückenden Luftstrecken so klein wie möglich und konstant gehalten werden.

Die Übertragungseinrichtung zur berührungslosen Übertragung von Information kann eine Funkübertragungsstrecke, insbesondere eine Funk-LAN-Verbindung sein. Ein Funk-LAN hat gegenüber einer Infrarotstrecke den Vorteil, dass dieses unempfindlicher gegen Verschmutzung ist.

In einer Ausgestaltung der Erfindung enthält der Umrichter Dioden, die die in der Erregerläuferwicklung erzeugte Leistung einer Ausgangsfrequenz gleichrichten. Weiterhin enthält der Umrichter einen Wechselrichter zur anschließenden Wechselrichtung der Leistung in eine Wechselleistung einer Sollfrequenz. Der Umrichter enthält außerdem einen zwischen Dioden und Wechselrichter liegenden Gleichkreis. Ein Vorteil hierbei ist, dass dem Gleichkreis leicht Energie zur Versorgung anderer elektrischer Verbraucher entnommen werden kann.

Dies kann z.B. der Umrichter selbst, insbesondere dessen Wechselrichter, oder der auf der Welle angebrachte Transceiver der Übertragungseinrichtung sein. Zur Umrichtung der Leistung von einer Ausgangsfrequenz in eine Sollfrequenz benötigt der Umrichter zusätzliche Hilfsenergie. In einer Ausgestaltung der Erfindung bezieht der Umrichter die Hilfsenergie aus dem Gleichkreis zwischen Dioden und Wechselrichter. Zusätzliche Maßnahmen zur Energieversorgung des Wechselrichters werden so vermieden.

In einer anderen Ausführungsform bezieht der Umrichter die benötigte Hilfsenergie aus einer auf der Welle angebrachten Hilfswicklung. Der Vorteil hierbei ist, dass in den elektrischen Kreis aus Erregermaschine, Umrichter und Hauptmaschine nicht durch Entnahme einer variablen Energiemenge eingegriffen wird. Oberschwingungen können so besser vermieden werden.

Die Stromstärke in der Gleichstromwicklung im Erregerständer kann steuerbar ausgeführt sein. Hierdurch ist die Leistung steuerbar, die in der Läuferwicklung der Erregermaschine induziert und dem Umrichter bzw. der Drehstromwicklung des Hauptläufers zugeführt wird, was wiederum dazu führt, bei Generatorbetrieb parallel zum Netz die am Hauptständer abgegebene Leistung zu steuern. Außerdem kann hierdurch mittels einer der Erregerleistungs- und Sollfrequenzregelung übergeordneten Regelung im Parallelbetrieb mit einem stärkeren Netz der Leistungsfaktor geregelt werden (cos-φ-Regelung).

In einer Ausführungsform der Asynchronmaschine als Motor ist diese für dauerhaft übersynchronen Betrieb ausgelegt.

In einer anderen Ausführungsform ist die Asynchronmaschine als Generator, insbesondere als Generator in Windturbinen ausgelegt. Eine Windturbine lässt sich durch Verwendung eines entsprechenden Getriebes zwischen der mit den Rotorblättern verbundenen Achse und Generator derart auslegen, dass selbst bei maximal erreichbarer Drehzahl der Rotorblätter die Drehzahl des Generators so niedrig bleibt, dass dieser immer im untersynchronen Betrieb läuft. So wird Leistung, wie oben beschrieben, immer nur dem Hauptläufer zugeführt. In dieser Ausführungsform ist der Generator deshalb für permanent unterfrequenten Betrieb ausgelegt.

In bevorzugten Ausführungsformen ist der Generator mit Reglern ausgerüstet, die die Erregerleistung, also z.B. bei gegebener Spannung den Strom in der Erregermaschine und die Sollfrequenz für den Umrichter bestimmen. Die Regler können derart ausgeführt sein, dass an den Ausgangsklemmen der Drehstromwicklung im Hauptständer stets eine Leistung mit konstanter Frequenz, insbesondere der Netzfrequenz, abgegeben wird. Hierdurch ist ein Betrieb des Generators zur Stromerzeugung an einem Stromnetz mit fest vorgegebener Netzfrequenz, z.B. dem öffentlichen Stromnetz, möglich.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung vorgesehen, die eine Steuerung der Phasenlage zwischen dem vom Generator abgegebenen Strom und der Spannung erlaubt. Dies erfolgt vorzugsweise durch eine der Erregerleistungs- und Sollfrequenzregelung übergeordnete Regelung. Es handelt sich um eine sogenannte Blindleistungs- oder cos-φ-Regelung. Das Verhältnis zwischen Wirk- und Blindleistung kann also den Netzbedürfnissen angepasst werden.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform bei der Verwendung der Asynchronmaschine als Generator in einer Windtur bine ist zur Optimierung des Wirkungsgrades der Windturbine eine gemeinsame Steuerung des Sollwertes für die Flügelstellung der Windturbine, des Sollwertes für die dem Ständer der Erregermaschine zugeführte Leistung und die Sollfrequenz in der Hauptläuferwicklung vorgesehen.

Für eine weitere Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnung verwiesen. Es zeigen:
1 eine Asynchronmaschine gemäß der Erfindung in der Auslegung als Generator mit Anschluss an ein Stromversorgungsnetz,
2 eine Asynchronmaschine gemäß der Erfindung in der Auslegung als Generator,
jeweils in einer Prinzipdarstellung.
In 1 ist eine Asynchronmaschine 2 im Betrieb als Generator dargestellt, die eine Hauptmaschine 4 und eine Erregermaschine 6 enthält. Die Asynchronmaschine 2 wird über eine Welle 8 zum Beispiel von einem nicht dargestellten Windrad angetrieben. Die Hauptmaschine 4 ist über elektrische Leitungen 10 und 12 an einem Stromnetz 14 angeschlossen, in welches sie elektrische Energie einspeist. Über elektrische Leitungen 12 und 16 ist am Stromnetz 14 weiterhin ein Erregergerät 18 angeschlossen, welches die Erregermaschine 6 über eine elektrische Leitung 20 mit Energie speist. Das Erregergerät 18 enthält einen Transformator 22, einen Gleichrichter 24 und einen Regler 26. Der Regler 26 regelt durch Nachführung bzw. Regelung der Erregerleistung, also der der Erregermaschine 6 zugeführten Gleichleistung, die Spannung am Ausgang der Hauptmaschine 4 (Klemmen 50; 2).
Elektrisch zwischen Erregermaschine 6 und Hauptmaschine 4 ist ein Umrichter 28 geschaltet, der die in der Erregermaschine erzeugte bzw. übertragene Leistung einer Ausgangsfrequenz in eine Leistung einer Sollfrequenz umrichtet und der Hauptmaschine 4 zuführt. Die Ausgangsfrequenz ist hierbei von der Drehzahl der Welle 8 und, im Falle einer Windkraftanlage, somit vom aktuellen Angebot an Primärenergie (also der Windstärke) abhängig.
In bisherigen Ausführungsformen von doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren waren Umrichter 28 stets anstelle des Erregergerätes 18 zwischen den Leitungen 16 und 20 – das entspricht einer Platzierung zwischen Netzklemmen und Läuferschleifringen – angeordnet. Hierdurch wurden in Richtung des Pfeiles 29 Oberwellen in das Stromnetz 14 eingespeist. Durch die Positionierung des Umrichters 28 auf der Welle 8 und elektrisch zwischen der Hauptmaschine 4 und der Erregermaschine 6 wird die Einspeisung von Oberwellen in das Stromnetz 14 weitestgehend vermieden. Die vom Umrichter erzeugten Oberwellen durchlaufen nämlich in jedem Fall eine Induktionsmaschine (4 oder 6), bevor sie in das Stromnetz 14 gelangen können. Induktionsmaschinen haben jedoch eine sehr „weiche" Spannungskurvenform, d.h. Oberwellen werden sehr gut gedämpft.
Um den Generator an einem Stromnetz 14 mit festgelegter Netzfrequenz betreiben zu können, muss dieser stets Leistung dieser Netzfrequenz abgeben. Da beispielsweise in Windkraftanlagen die Drehzahl des Generators stark variieren kann, muss eine Frequenzanpassung stattfinden. Hierzu ist es nötig, dass im Umrichter 28 die Sollfrequenz vorgebbar ist. Die Sollfrequenz wird in einem Regler 62 bestimmt und über die Leitung 63 an den Umrichter 28 übermittelt. Durch die Regelung der dem Erregerständer zugeführten Leistung mit Hilfe des Reglers 26 und durch die Wahl einer geeigneten Sollfrequenz im Umrichter 28 wird die Anlage derart gesteuert, dass über die Leitung 10 von der Asynchronmaschine 2 stets Leistung mit Netzfrequenz ins Stromnetz 14 eingespeist wird, der Generator also netzsynchron arbeitet. Um beide Regler 26 und 62 zu koordinieren, ist ein übergeordneter Regler 64 vorgesehen. Mit Hilfe dessen kann z.B. eine Blindleistungsregelung für die in das Netz 14 eingespeiste Leistung realisiert werden. Im Parallelbetrieb mit einem stärkeren Netz 14 kann somit auch der Leistungsfaktor cos-φ geregelt werden.
In 2 ist zu erkennen, dass die Hauptmaschine 4 der Asynchronmaschine 2 den Hauptständer 30 und den Hauptläufer 32 enthält. Die Erregermaschine 6 enthält den Erregerständer 34 und den Erregerläufer 36. Hauptständer und -läufer 30 und 32 und Erregerläufer 36 enthalten Drehstromwicklungen, der Erregerständer 34 enthält eine Gleichstromwicklung. Erregerläufer 36 und Hauptläufer 32 sind mechanisch fest auf der Welle 8 angebracht. Weiterhin mechanisch fest auf der Welle angebracht ist ein Lüfterrad 38, der Umrichter 28 und die elektrischen Leitungen 40 und 42 zur Verbindung von Umrichter 28 mit den Läuferwicklungen 36 und 32. Die Welle ist in Lagern 44 drehbar gegenüber dem Gehäuse 46 der Asynchronmaschine 2 gelagert.
Im Betrieb dreht sich die Achse 8 und die auf ihr angebrachten Teile rotierend in der Asynchronmaschine 2. Das Lüfterrad 38 fördert Kühlluft durch die Asynchronmaschine 2, um z.B. in den Wicklungen oder im Umrichter 28 umgesetzte Leistungsverluste in Form von Wärme aus der Maschine abzutransportieren, also die Maschine zu kühlen. Am Gehäuse 46 der Asynchronmaschine 2 angebracht ist ein Klemmkasten 48, der elektrische Klemmen 50 trägt. An den Klemmen 50 ist zum einen die Hauptständerwicklung 30 angeschlossen, um z.B. im Generatorbetrieb die in ihr erzeugte Leistung abführen zu können. Zum anderen ist an den Klemmen 50 die Regelung 26 angeschlossen, um eine an den Klemmen 50 eingespeiste Gleichleistung geregelt an die Erregerständerwicklung 34 weiterzugeben.
An der Stirnseite 52 der Welle 8 greift zum Beispiel kraftschlüssig die Welle eines nicht dargestellten Windrades an der Welle 8 an, die Welle 8 wird also aus Richtung der Stirnseite 52 mechanisch angetrieben. An der gegenüberliegenden Stirnseite 54 der Welle 8 ist eine Übertragungseinrichtung 56 zur drahtlosen Informationsübertragung positioniert, die einen mechanisch fest auf der Welle angebrachten Transceiver 58 und einen ortsfest bezüglich des Generatorgehäuses 46 ruhenden Transceiver 60 enthält. Zwischen den beiden Transceivern 58 und 60 befindet sich eine Übertragungsstrecke 61. Mit Hilfe der Übertragungseinrichtung 56 zur Informationsübertragung und einer Leitung 63 kann zum Beispiel ein Sollwert von einem ruhenden Sollwertgeber im Regler 62 zum rotierenden Umrichter 28 berührungslos übertragen werden.
Im Generatorbetrieb ist die Gleichstromwicklung des Erregerständers 34 von einem Gleichstrom durchflossen, dessen Leistung durch den Regler 26 geregelt ist. Der Gleichstrom im Erregerständer 34 erzeugt ein magnetisches Gleichfeld, in dem die Drehstromwicklung des Erregerläufers 36 rotiert. Hierdurch wird eine Spannung bzw. Leistung in der Drehstromwicklung des Erregerläufers 36 induziert. Die so erzeugte Leistung im Erregerläufer 36 wird über die Leitung 42 dem Umrichter 28 zugeführt. Über Dioden im Umrichter wird die Wechselleistung zunächst gleichgerichtet, zum Beispiel in eine Gleichspannung. Aus dieser Gleichspannung können sämtliche auf der Welle 8 befindlichen elektrischen Verbraucher versorgt werden, zum Beispiel der Wechselrichter im Umrichter oder der an der Stirnseite 54 angebrachte Transceiver 58 der Übertragungseinrichtung 56 zur Informationsübertragung.
Die gleichgerichtete Leistung wird anschließend vom Wechselrichter 28 in eine Leistung mit Sollfrequenz umgerichtet und über die Zuleitung 40 der Drehstromwicklung im Hauptläufer 32 zugeführt. Durch die (rotierende) Drehstromwicklung wird nun wiederum ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in der Drehstromwicklung des Hauptständers 30 eine Wechselspannung einer Summenfrequenz induziert, wobei die Summenfrequenz abhängig von der im Wechselrichter 28 vorgegebenen Sollfrequenz und der Drehzahl der Welle 8 ist. Die Größe des Stromes im Hauptläufer 32 wird durch die Größe des Stromes, der dem Erregerständer 34 zugeführt wird, geregelt.
Die Sollfrequenz, die im Wechselrichter 28 als Führungsgröße für die Frequenztaktung genutzt wird, also die Frequenz im Hauptläufer 32, wird in einem ruhenden Regler 62 gebildet. Die Sollfrequenz wird berührungslos zum Umrichter 28 übertragen. Die Sollfrequenz wirkt über die induktive Kupplung zwischen Erregerläufer 32 und -ständer 30 auf die Nennfrequenz der vom Generator abgegebenen Leistung an den Klemmen 50. Im Parallelbetrieb mit einem stärkeren Netz 14 wird somit auch die Abgabeleistung des Generators 2 geregelt.
Nach dem oben beschriebenen Prinzip können nur positive Differenzfrequenzen zwischen Drehzahl und Sollfrequenz erzeugt werden, also Leistung dem Hauptläufer 32 nur zugeführt werden, da eine Leistungsübertragung vom Läufer 36 zum Ständer 34 der Erregermaschine nicht möglich ist. Der Generator ist deshalb für den dauerhaft unterfrequenten Betrieb ausgelegt. Dies wird durch die oben erwähnte Getriebeabstimmung erreicht. Da der Leistungsfluss vom Netz 14 in das Erregergerät 18 stattfindet, das im wesentlichen kaum Oberwellen zurückspeist und die Netzspeisung von der Hauptmaschine 4 zum Netz 14 hin erfolgt und auch hier kaum Oberwellen zu finden sind, ist der erfindungsgemäße Generator durch eine bessere Spannungskurvenform als herkömmliche doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren gekennzeichnet.
Ein Abgleich der Regler 26 und 62 mit der Flügelverstellung und der Leistungsregelung der Windturbine ist möglich und sinnvoll, um den Wirkungsgrad der Windturbine zu optimieren. Hierzu dient der übergeordnete Regler 64. Der Abgleich der Regler 26, 62 und 64 untereinander oder die Kombination aller Regler in einer einzigen Regeleinheit ist ebenso möglich und sinnvoll, um Kosten zu sparen und eine einheitliche Regelung zu realisieren.

Claims

Schleifringlose doppeltgespeiste Asynchronmaschine (2) mit einer Hauptmaschine (4) mit Drehstromwicklungen im Hauptläufer (32) und Hauptständer (30) und einer Erregermaschine (6) mit Gleichstromwicklung im Erregerständer (34) und Drehstromwicklung im Erregerläufer (36), wobei die Drehstromwicklungen im Hauptläufer (32) und Erregerläufer (36) mechanisch fest auf ein und derselben Welle (8) angebracht sind und gemeinsam mit dieser ein rotierendes Teil bilden, und mit einem auf der Welle (8) fest angebrachten Umrichter (28) zur Umrichtung einer in der Wicklung des Erregerläufers (36) erzeugten Leistung einer Ausgangsfrequenz in eine der Wicklung des Hauptläufers (32) zugeführte Leistung einer Sollfrequenz.
Asynchronmaschine (2) nach Anspruch 1, bei der die Sollfrequenz des Umrichters (28) vorgebbar ist.
Asynchronmaschine (2) nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Übertragungseinrichtung (56) zum berührungslosen Übertragen von Daten von und zum rotierenden Teil, insbesondere zur Übertragung einer Sollfrequenz zum Umrichter (28).
Asynchronmaschine (2) nach Anspruch 3, bei der die Übertragungseinrichtung (56) zur berührungslosen Übertragung eine Funkübertragungsstrecke, insbesondere eine Funk-LAN-Verbindung ist.
Asynchronmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Umrichter (28) Dioden zur Gleichrichtung der in der Wicklung des Erregerläufers (36) erzeugten Leistung einer Ausgangsfrequenz und einen Wechselrichter zur Wechselrichtung in eine Wechselleistung der Sollfrequenz und einen zwischen Dioden und Wechselrichter liegenden Gleichkreis enthält.
Asynchronmaschine (2) nach Anspruch 5, bei der dem Gleichkreis Hilfsenergie entnommen wird, insbesondere zur Energieversorgung des Wechselrichters und der Übertragungseinrichtung (56).
Asynchronmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die auf der Welle (8), insbesondere vom Wechselrichter benötigte Hilfsenergie aus einer auf der Welle angebrachten Hilfswicklung entnommen wird.
Asynchronmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der in der Gleichstromwicklung im Erregerständer (34) die Stromstärke steuerbar ist.
Asynchronmaschine (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die als Motor ausgelegt ist.
Asynchronmaschine (2) nach Anspruch 9, wobei der Motor für den dauerhaft übersynchronen Betrieb ausgelegt ist.
Asynchronmaschine (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, die als Generator, insbesondere als Generator in Windturbinen ausgelegt ist.
Asynchronmaschine (2) nach Anspruch 11, wobei der Generator für permanent unterfrequenten Betrieb ausgelegt ist.
Asynchronmaschine (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 12, mit einem Regler (26) zur Regelung der Erregerleistung.
Asynchronmaschine (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, mit einem Regler (62) zur Regelung der Sollfrequenz.
Asynchronmaschine (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, mit einem Regler (64) zur Regelung der am Hauptständer (30) abgegebenen Leistung, derart, dass diese Leistung mit konstanter Frequenz abgegeben wird.
Asynchronmaschine (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 15, bei der eine cos-φ-Regelung der von der Wicklung des Hauptständers (30) abgegebenen Leistung vorgesehen ist.
Asynchronmaschine (2) nach einem der Ansprüche 11 bis 16, zur Verwendung als Generator in einer Windturbine, bei der zur Optimierung des Wirkungsgrades der Windturbine eine gemeinsame Steuerung des Sollwertes für die Flügelstellung der Windturbine, des Sollwertes für die dem Erregerständer (34) zugeführte Leistung und des Wertes der Sollfrequenz im Hauptläufer (32) vorgesehen ist.