DE10318696A1

DE10318696A1 - Antriebsstrang mit variabler Eingangs- und konstanter Ausgangsdrehzahl

Info

Publication number: DE10318696A1
Application number: DE10318696A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr. Basteck
Original assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Turbo GmbH and Co KG
Priority date: 2003-04-24
Filing date: 2003-04-24
Publication date: 2004-11-25
Also published as: WO2004094872A1

Abstract

Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl und einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsdrehzahl; DOLLAR A - mit einem Überlagerungsgetriebe (3); DOLLAR A - mit einer mit der konstanten Ausgangsdrehzahl umlaufenden Abtriebswelle (2), die mit dem Überlagerungsgetriebe (3) wenigstens mittelbar verbunden ist; DOLLAR A - mit einem mit dem Überlagerungsgetriebe (3) wenigstens mittelbar verbundenen Nebenzweig (5); DOLLAR A - mit einer Einrichtung (9) zur Einstellung eines Momentenübertrags mittels magnetischer Kraftwirkung zwischen der Abtriebswelle (3) und dem Nebenzweig (5); DOLLAR A - mit einer Regelung (10), welche durch die Einstellung des Momentenübertrags die Ausgangsdrehzahl im Wesentlichen konstant hält.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl und konstanter Ausgangsdrehzahl. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines solchen Antriebsstrangs insbesondere für Anlagen mit variabler Leistungseinbringung, beispielsweise für die Nutzung von natürlichen Energieaufkommen von Wind, Wasser und anderen Ressourcen.
Die oben genannten Anforderungen treten insbesondere bei der Nutzung von Windenergie auf. Hierbei sind insbesondere Windkraftanlagen mit einer Leistung von über 100 kW interessant. Dabei ist es notwendig, die Betriebsführung der Anlage derart zu gestalten, dass eine maximale Leistungsausbeute bei minimaler dynamischer Belastung erfolgt. Um den Wirkungsgrad des gesamten Systems optimal zu gestalten, und zwar in der Phase des Hochfahrens der Anlage sowie in der Betriebsphase und beim Stillsetzen, benötigt man eine Drehzahlregelung für die Arbeitsmaschine, die auch bereichsweise durch weitere Regelungsarten (z.B. Rotorblattverstellung) unterstützt werden kann.
Im Folgenden soll daher anhand des Beispiels von Windkraftanlagen die Problematik einer zeitlich variablen Leistungsübertragung insbesondere bei einer zeitlich veränderlicher Eingangsdrehzahl und einem entsprechend zeitlich veränderlichen Moment dargestellt werden, wenn als Nebenbedingung bei der Leistungsübertragung eine im Wesentlichen zeitlich konstante Ausgangsdrehzahl gefordert ist.
Der Betrieb einer Windkraftanlage ist deshalb für die voranstehend dargestellte Problematik kennzeichnend, da die durch die Windkraftanlage erzeugte elektrische Energie in ein elektrisches Verbundnetz eingespeist wird, welches eine starre Netzfrequenz aufweist. Da es sich bei der Netzfrequenz um die primäre Größe zur Stabilisierung und Regelung des Netzes selbst handelt, setzt eine direkte Kopplung des Generators der Windkraftanlage voraus, dass dieser vom Antriebsstrang mit einer konstanten Drehzahl versorgt wird. Solche Windkraftanlagen werden auch als drehzahlstarre Windkraftanlagen bezeichnet. Dabei werden für drehzahlstarre Windkraftanlagen üblicherweise Asynchrongeneratoren verwendet, die aufgrund des prinzipbedingten Schlupfes auf einfache Art und Weise auf ein Verbundnetz aufgeschaltet werden können.
Zur Systemanforderung einer konstanten Ausgangsdrehzahl am Antriebsstrang kontrastierend ist der aufgrund schwankender Windverhältnisse zeitlich variable Leistungseintrag bei Windkraftanlagen. Dabei wird diese Problematik zusätzlich durch die systeminhärente Charakteristik der mechanischen Energiewandlung der kinetischen Energie der Luftströmung in die kinetische Energie der Rotorbewegung verschärft. Bei einer drehzahlstarren Windkraftanlage liegt eine Festlegung auf eine bestimmte Rotorfrequenz oder auf wenige Rotorfrequenzen vor, wobei mehr als eine Rotorfrequenz nur dann möglich ist, falls der Generator eine Polumschaltung besitzt oder unterschiedliche Generatoren verwendet werden. Dabei wird die gewünschte Umlaufgeschwindigkeit des Rotors üblicherweise durch eine Winkelverstellung der Rotorblätter eingestellt, was auch als Pitchregelung bezeichnet wird.
Nachteilig an drehzahlstarren Windkraftanlagen ist, dass sie bei Teillast, welche bei typischen Windverhältnissen häufig auftritt, nur mit verminderter Effizienz betrieben werden können.
Wird eine Windkraftanlage im Teillastbereich drehzahlvariabel betrieben, so besteht entweder die Möglichkeit, einen Antriebsstrang mit variabler oder konstanter Ausgangsdrehzahl auszubilden. Dabei ist in beiden Fällen die Ausgangsleistung aufgrund des zeitlich variierenden Momentes ebenfalls zeitlich veränderlich.
Der erste Fall führt bei Windkraftanlagen zur Verwendung von Frequenzumrichtern mit einem Gleichstromzwischenkreis. Dieser Ansatz leitet aber weg von der hier dargestellten Aufgabe und ist insbesondere mit weiteren Schwierigkeiten behaftet, wie einer starken Netzrückwirkung in Verbindung mit einer erhöhten Oberschwingungsbelastung und hohen Blindleistungen.
Der zweite Ansatz, nämlich eine variable Rotordrehzahl der Windkraftanlage mit einer konstanten Generatordrehzahl zu verbinden, entspricht der hier dargestellten Thematik eines Antriebsstrangs zum Übertragen einer variablen Leistung mit einer variablen Eingangsdrehzahl und konstanter Ausgangsdrehzahl. Die bekannten Lösungen dieser Problematik, insbesondere für Windkraftanlagen, setzen im Antriebsstrang ein Überlagerungsgetriebe ein, welches zur Verzweigung der mechanischen Leistung verwendet wird. Bei drehzahlvariablen Windkraftanlagen sind nun zwei hierauf basierende Ansätze bekannt geworden, welche zur Konstanthaltung der Generatorfrequenz verwendet werden.
Im ersten System wird die Eingangsleistung über das Überlagerungsgetriebe auf einen großen Generator sowie einen kleinen Stellmotor aufgeteilt, wobei üblicherweise auf den Stellmotor in etwa 30 % der Eingangsleistung übertragen wird. Der Generator ist frequenzstarr mit dem Stromnetz verbunden, während der Stellmotor über einen Frequenzumrichter am Netz angeschlossen ist. Zur Stabilisierung der Generatordrehzahl wird der Stellmotor entweder als Motor oder als Generator betrieben. Auch dieses System ist nicht rückwirkungsfrei für das Stromnetz. Ferner ist ein solches System nur schwierig zu regeln und weist als Energiespeicher im Wesentlichen nur die trägen Massen des Antriebsstrangs und des Rotors auf. Des Weiteren sind aufgrund des Einsatzes von Umrichtern die Investitionskosten relativ hoch.
Im zweiten System, welches hydrostatisch arbeitet, werden anstatt des elektrischen Stellmotors hydraulische Motoren und Pumpen verwendet. Auch hier tritt die Problematik einer schwierigen Regelungscharakteristik auf, insbesondere ein träges Ansprechverhalten und relevante Todzeiten sowie starke Nichtlinearitäten. Außerdem sind die hydraulischen Systemkomponenten aufgrund des konstruktiven Aufwands und des Gewichts nachteilig.
In der nachfolgenden Tabelle werden die dargestellten unterschiedlichen bekannten Regelungen der Wirkleistung von Windkraftanlagen zusammengefasst:
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung derart zu gestalten, dass ein Leistungsaufnehmer mit einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl beschickt werden kann, so dass der Übertragungsvorgang bei hohem Wirkungsgrad vonstatten geht und Stöße im Antriebsstrang minimiert werden. Außerdem ist die Anzahl der zu wartenden Bauteile gering zu halten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Kombination eines Überlagerungsgetriebes mit einer regelbaren, auf magnetischer Kraftwirkung basierenden Momentenkopplung der Abtriebswelle mit dem Nebenzweig eine variable Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl in eine variable Ausgangsleistung mit konstanter Abtriebsdrehzahl umgewandelt werden kann.
Hierbei sind Abtriebswelle und Nebenzweig jeweils wenigstens mittelbar an das Überlagerungsgetriebe gekoppelt, so dass die Eingangsleistung auf diese beiden mechanischen Stränge aufgeteilt wird. Die nachfolgende Momentenkopplung dient dazu, den abtriebsseitigen Leistungsfluss zusammenzuführen bzw. einen Leistungsrückfluss auf das Überlagerungsgetriebe zu ermöglichen.
Aufgrund der Forderung einer konstanten Abtriebsdrehzahl ist die primär zu regelnde Größe die auf das Überlagerungsgetriebe zurückgeführte Drehzahl und somit der Schlupf zwischen der Abtriebswelle und den hierzu gekoppelten mechanischen Gliedern für die Rückführung in das Überlagerungsgetriebe. Die dafür eingesetzte Stellgröße ist die auf magnetischer Kraftwirkung basierende Momentenkopplung, welche berührungs- und stufenlos einstellbar ist.
Erfindungswesentlich ist die Kombination eines Überlagerungsgetriebes, welches eine Leistungsverzweigung erzeugt, mit einer auf die Abtriebswelle wirkenden Einrichtung, die mittels eines einstellbaren magnetischen Kraftschlusses ein Moment überträgt. Dieses Moment wird im zeitlichen Verlauf so eingestellt, dass der Schlupf zwischen dem Nebenzweig und der Abtriebswelle einen zeitlichen Verlauf hat, welcher ein Konstanthalten der Ausgangsdrehzahl ermöglicht.
Zusätzlich umfasst ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang eine geeignete Sensorik zur Bestimmung des Ausgangsdrehzahl sowie eine Regelung, die zur Konstanthaltung der Ausgangsdrehzahl auf die Einrichtung wirkt, welche mittels eines einstellbaren magnetischen Kraftschlusses ein Moment von bzw. auf die Abtriebswelle überträgt.
Erfindungsgemäß wird zur Realisierung einer einstellbaren magnetischen Kraftwirkung zwischen Abtriebswelle und Nebenzweig eine magnetische Kupplung oder ein elektromagnetischer Wandler verwendet.
Als mögliche Bauformen für magnetische Kupplungen kommen insbesondere Hysteresekupplungen in Frage, bei denen die Drehmomentübertragung bzw. der Schlupf durch den Abstand der magnetischen bzw. magnetisierbaren Schalen oder durch ihre entsprechende Überlappung eingestellt werden kann. Hierbei sind wiederum Hysteresekupplungen mit Dauermagneten wie auch solche mit stromgespeisten magnetischen Polen anwendbar.
Die als zweite Möglichkeit zur magnetischen Drehmomentübertragung genannten elektromagnetischen Wandler umfassen einen Generator und einen Elektromotor, welche beispielsweise mittels einer Leistungselektronik gekoppelt sind. Somit kann in der magnetischen Momentübertragung eine elektrische Zwischenstufe eingebaut werden, welche beispielsweise als Spannungszwischenkreis-Umrichter zur Drehmoment-Drehzahlregelung des auf das Überlagerungsgetriebe zurückwirkenden Elektromotors ausgeführt sein kann.
Die magnetische Momentenkopplung an der Abtriebswelle ist berührungslos und somit äußerst verschleißarm. Durch die Realisierung mittels einer magnetischen Kupplung oder eines elektromagnetischen Wandlers ergibt sich eine gute Regelbarkeit des auf das Überlagerungsgetriebe rückübertragenen Moments bzw. des auf der Abtriebsachse zusammengeführten Moments sowie den einzustellenden Drehzahlen.
Das erfindungsgemäße Prinzip führt zu einem sehr guten Wirkungsgrad. Nachfolgend soll dies anhand einer Anwendung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs für Windkraftanlagen dargestellt werden. Hierbei führt der erfindungsgemäße Antriebsstrang auch bei unregelmäßigem Windprofil und damit verbunden unterschiedlichen Rotordrehzahlen zu einer Generatordrehzahl auf einem annähernd gleichmäßigen Niveau.
Bisher sind in Windkraftanlagen verschiedene Regelungs- und Steuermöglichkeiten mit mehr und minder gutem Einfluss auf den Wirkungsgrad bekannt:

– Einstellung des Rotorblattwinkels,
– variable Drehzahl des Generators,
– Schlupfregelung,
– Drosselung der Drehzahl des Generators,
– Polzahlschaltung und
– Drehzahlregelung im Überlagerungsgetriebe

Für den erfindungsgemäßen Wirkungsmechanismus der Drehzahlregelung kann eine Kombination mit bestehenden Regelungs- und Steuermöglichkeiten, z. B. der Einstellung des Rotorblattwinkels und der Drehzahlregelung im Überlagerungsgetriebe, umgesetzt werden. Dabei wird der Rotor der Windkraftanlage immer auf seiner optimalen Kennlinie gefahren (optimaler Wirkungsgrad) und eine konstante Drehzahl an den Generator abgegeben.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Windkraftanlage mit einer magnetischen Kupplung mit Abstandsregelung.
2 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Windkraftanlage mit einer magnetischen Kupplung, welche über die Einschubtiefe geregelt wird.
3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Windkraftanlage mit einem elektromagnetischen Wandler.
4 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Windkraftanlage mit einem elektromagnetischen Wandler kompakter Bauform.
5 zeigt das Windprofil einer erfindungsgemäßen Anlage und die zugehörende Rotordrehzahl.
6 zeigt schematisch den Wirkleistungsverlauf einer Windkraftanlage.
7 veranschaulicht eine Regelung zur optimalen Leistungsabgabe des Rotors.
Die Rotorleistung p_R einer Windkraftanlage steht näherungsweise im folgenden Zusammenhang zur Windgeschwindigkeit v_w:
Hierbei werden als k verschiedenen Konstanten wie etwa die Blattgeometrie sowie die Dichte der Luft zusammengefasst. Ferner bezeichnet c_p den Leistungsbeiwert, der wiederum, wie dargestellt, von der Windgeschwindigkeit v_w der Rotordrehzahl ω_Rund dem Pitchwinkel β abhängt. Dieser Leistungsbeiwert zeichnet sich durch ein globales Maximum aus, welches sich bei steigenden Windgeschwindigkeiten v_w zu größeren Rotordrehzahlen ω_R hin verschiebt.
6 zeigt diesen Zusammenhang durch die Darstellung der Wirkleistung einer Windkraftanlage unter Berücksichtigung verschiedener Windgeschwindigkeiten. Charakteristisch ist die Verschiebung der optimalen Rotordrehzahl zu höheren Werten mit steigender Windgeschwindigkeit. Eine drehzahlvariable Anlage kann somit in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Windgeschwindigkeit jeweils bei optimalen Leistungsbeiwerten betrieben werden. Ferner ist aus 6 ersichtlich, dass Windkraftanlagen typischerweise für bestimmte Nennleistungen, verbunden mit einer Nenndrehzahl, ausgelegt sind. Bei einer Windleistung oberhalb dieses Schwellwertes findet eine Leistungsbegrenzung entweder durch eine Pitchregelung oder eine Stallregelung statt, so dass für den drehzahlvariablen Betrieb einer Windkraftanlage insbesondere der Teillastbetrieb von Bedeutung ist.
Für Windkraftanlagen sind mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang folgende Regelungsaufgaben bzw. Betriebszustände in Abhängigkeit des Windes in Betracht zu ziehen:

– An- und Abschaltung,
– Bremsen der Rotoren
– Betrieb mit wechselnden Windgeschwindigkeiten und
– Betrieb mit konstanten Windgeschwindigkeiten um einen optimalen Betriebspunkt.

Eine drehzahlvariable Windkraftanlage kann vorteilhafterweise mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit einer variablen Eingangsdrehzahl und konstanter Ausgangsdrehzahl, die wiederum auf einen Generator als Leistungsaufnehmer übertragen wird, ausgebildet sein.
1 zeigt hierzu in schematisch vereinfachter Art und Weise einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Dargestellt ist ein leistungsverzweigter Antriebsstrang, dessen Eingangswelle 1 mit einer zeitlich variablen Leistung bei gleichzeitig variabler Eingangsdrehzahl versorgt wird. Die Pfeillänge soll hierbei beispielhaft für den Wert der Eingangsdrehzahl stehen. Auf der Abtriebswelle 2 wird eine konstante, in diesem Fall kleinere, Drehzahl verlangt. Zur Anpassung der unterschiedlichen antriebs- und abtriebsseitigen Drehzahlen wird ein Überlagungsgetriebe 3 verwendet. Schematisch vereinfacht und als beispielhafte Ausführung wird ein drehbarer Planetenradsatz 3.1 von der Antriebswelle 1 beaufschlagt. Um nun am Sonnenrad 3.2 eine fest vorgegebene Drehzahl zu erreichen, ist ein Antrieb des Hohlrads 3.3 notwendig. Dies geschieht wiederum durch die Übertragung eines Moments über den Nebenzweig 5. Erfindungsgemäß wird hierbei der Nebenzweig 5 mittels einer magnetischen Kupplung 4 angetrieben, welche einen regelbaren Anteil des abtriebsseitigen Drehmoments in den Nebenzweig 5 auskoppelt.
Die Kraftübertragung bei einer magnetischen Kupplung erfolgt über magnetische Kräfte zwischen den Kupplungshälften. Vorteilhafterweise kann hier eine magnetische Hysteresekupplung eingesetzt werden. Üblicherweise ist hierfür eine der beiden Kupplungshälften 4.1 bzw. 4.2 mit Permanentmagneten belegt, während die andere Kupplungshälfte einen Hysteresebelag aufweist, der von den Permanentmagneten gepolt wird, wodurch eine wechselseitige Kraftwirkung zwischen den beiden Kupplungshälften 4.1 und 4.2 entsteht. Diese Kraftwirkung ist zur Einstellung des gewollten Schlupfs zwischen den Kupplungshälften 4.1, 4.2 durch die Variation des Abstandes zwischen den Oberflächen der Kupplungshälften steuerbar. Dies wird schematisch durch den die beiden Bewegungsrichtungen zeigenden Pfeil an der Kupplungshälfte 4.2 illustriert.
Nachfolgend wird die Reaktion des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs auf eine sprunghafte Erhöhung des eingangsseitigen Leistungseintrags, der mit einer Erhöhung der Eingangsdrehzahl und des Eingangsmoments verbunden sein soll, aufgezeigt: Ausgehend von einer Beschleunigung des Planetenradsatzes 3.1 wird auch das Sonnenrad 3.2 beschleunigt. Dies wird über den abtriebsseitigen Drehzahlsensor 11 detektiert und als Folge greift die Systemregelung 10 ein und erhöht den Momentenschluss durch eine Verringerung des Abstandes zwischen den beiden Kupplungshälften 4.1 und 4.2. Als Folge wird über den Nebenzweig 5 ein höheres Moment auf das Hohlrad 3.3 des Überlagerungsgetriebes 3 übertragen und die gesamte Kette, bestehend aus Kupplungshälfte 4.2, Getriebeelement 3.4 und Hohlrad 3.3 beschleunigt. Dies wirkt wiederum auf das Sonnenrad 3.2 und somit auf die abtriebsseitige Drehzahl bremsend, so dass bei entsprechender Regelung eine im Wesentlichen konstante abtriebsseitige Drehzahl eingestellt werden kann. Hierbei schwankt bei variablem Leistungseintragung in den Antriebsstrang lediglich das abtriebsseitige Moment. Zu einem äquivalenten Ergebnis führt die Betrachtungsweise einer steuerbaren magnetischen Momentenzusammenführung der vom Überlagerungsgetriebe ausgehenden Zweige auf der Abtriebswelle.
Die genaue Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes 3 und die gewählten Arbeitspunkte für die abtriebsseitige Drehzahl und die rückgekoppelte Drehzahl bleiben im Ermessen des Fachmanns. Ferner ist es möglich, noch zusätzliche Getriebekomponenten, wie etwa ein zusätzliches Schaltgetriebe, zwischen dem Überlagerungsgetriebe und der magnetischen Kupplung einzusetzen, um die Konstanz der Abtriebsdrehzahl über einen möglichst weiten Bereich gewährleisten zu können.
Ferner sind weitere Ausführungsformen der magnetischen Kupplung denkbar. Beispielsweise zeigt 2 eine magnetische Kupplung 4, bei der die Kupplungshälften koaxial ineinandergreifen. Somit wird die Einstellung des Drehmomentübertrags durch ein mehr oder weniger weites Ineinanderschieben der beiden Kupplungshälften 4.1 und 4.2 und damit durch den Grad der Überlappung eingestellt.
Bei einer weiteren Variante der magnetischen Kupplung werden die Permanentmagneten der Kupplung durch stromgespeiste magnetische Pole ersetzt. Diese sind insbesondere deshalb vorteilhaft, da zur Steuerung des Drehmomentübertrags keine mechanischen Bewegungen zwischen den Kupplungshälften auszuführen sind, sondern hierfür lediglich der Speisestrom in den Erregerwicklungen der Magnetpole anzupassen ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Hysteresebelag der magnetischen Kupplung durch schnell umpolbare strominduzierte magnetische Pole ersetzt werden. Wird nun so ein magnetisches Drehfeld erzeugt, kann die magnetische Kupplung wie eine Synchronkupplung arbeiten, d.h. die beiden Magnetfelder greifen starr ineinander während die Kupplungshälften einen mechanischen Schlupf aufweisen.
Wie voranstehend genannt, kann die magnetische Kupplung auch durch einen elektromagnetischen Wandler ersetzt werden. Hierbei handelt es sich um eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Idee, mittels eines magnetischen Wirkprinzips einen steuerbaren Drehmomentrückfluss auf ein Überlagerungsgetriebe bzw. eine Zusammenführung von Teilsträngen eines Überlagerungsgetriebes zur Konstanthaltung der abtriebsseitigen Drehzahl zu erreichen. Der Grundgedanke des elektromagnetischen Wandlers besteht darin, einen Generator und einen Elektromotor miteinander zu koppeln. Die Kopplung wird hierbei mittels einer Leistungselektronik vorgenommen, durch welche die von den Drehmomenten bzw. Drehzahlen des Generators und des Elektromotors festgelegten Ströme (l), Frequenzen (f) und Spannungen (U) angepasst werden. Auf diese Weise kann der Leistungsfluss bzw. der Drehmomentübertrag und somit der gewünschte Schlupf geregelt werden. Als vorteilhaft hat sich hierfür ein Spannungszwischenkreis-Umrichter erwiesen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des elektromagnetischen Wandlers ist in 3 gezeigt. Hierbei ist der Generator 6 vom Elektromotor 7 umschlossen, mit dem Ziel, Bauraum zu sparen. Im Einzelnen wird der Rotor 6.2 des Generators 6 von der Abtriebswelle angetrieben oder ist ein Teil der Abtriebswelle. Der Stator 6.1 des Generators 6 wird über eine Leistungselektronik 8 an den Stator 7.1 des Elektromotors 7 gekoppelt, der in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel als Ausläufermotor ausgebildet ist. Der Läufer 7.2 kann hierbei direkt auf die Hohlwelle 3.3 des Überlagerungsgetriebes 3 zurückgeführt werden, wobei es aber auch möglich ist, weitere Getriebeteile zwischenzuschalten. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn die rückgeführte Drehzahl stark von der Abtriebsdrehzahl abweicht oder mittels eines Schaltgetriebes in einem weiten Bereich zu variieren ist. Ferner ist auch vorteilhaft, die Hohlwelle 3.3 des Überlagerungsgetriebes 3 als Teil des Läufers 7.2 des Elektromotors 7 auszubilden, um eine besonders kompakte Bauweise zu erreichen.
Eine besonders kompakte Ausgestaltung des elektromagnetischen Wandlers zum Auskoppeln eines regelbaren Moments aus der Abtriebswelle ist in 4 dargestellt. Die Skizze zeigt, dass der Stator 6.1 des Generators mit dem Stator 7.1 des Elektromotors mechanisch gekoppelt ist. Dieses Bauteil steht in wenigstens mittelbarer mechanischer Drehverbindung zur Hohlwelle 3.3 des Überlagerungsgetriebes 3. Somit ist im Elektromotor 7 der Rotor 7.2 drehfest gelagert und der Stator 7.1 dreht sich, wie beschrieben, mit dem Stator 6.1 des Generators. Der Generatorrotor 6.2 und eine in 4 nicht näher dargestellte Leistungselektronik zur Strom-, Spannungs- und Frequenzanpassung erzeugen im Rotor des Elektromotors 7.2 einen Drehstrom dessen Drehfeld eine zum Umlauf des Generatorrotors 6.2 unterschiedliche Drehzahl aufweist, so dass der Schlupf zwischen der Abtriebswelle und dem auf das Überlagerungsgetriebe zurückwirkenden Strangs geregelt werden kann. Diese Bauform des elektromagnetischen Wandlers zeichnet sich insbesondere durch eine kompakte Bauweise aus. Weitere nötige, jedoch nicht in 4 gezeigte Systemkomponenten sind die Sensorik zur Bestimmung der zu regelnden Ausgangsdrehzahl sowie eine Regelung, welche auf den elektromagnetischen Wandler zurückwirkt.
Für die vorliegende Aufgabenstellung und insbesondere für den Einsatz in Windkraftanlagen ist die Regelbarkeit der magnetischen Kraftübertragung von der Abtriebswelle auf die Rückführung zum Überlagerungsgetriebe von entscheidender Bedeutung. Für jede der voranstehend beschriebenen magnetischen Kupplungen und elektromagnetischen Wandler ist dies besonders vorteilhaft gegeben.
Ferner ist es möglich, über die berührungslose magnetische Drehmomentübertragung kurzzeitige Schwankungen im System in der Form von Kraftstößen, wie sie bei Windkraftanlagen durch Abschattungseffekte oder bei Böen auftreten können, gut abzufedern, was einen wesentlichen Vorteil aus regelungstechnischer Sicht bei der Konstanthaltung der Abtriebsdrehzahl des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs darstellt. Hierzu sind zur Unterstützung der Regelung auch zusätzliche Speichermöglichkeiten für die Bewegungsenergie durch Schwungmassen oder eine kurzfristige externe Energieaufnahme bzw. Energieabgabe möglich. Letzteres ist besonderes vorteilhaft durch die Verwendung eines elektromagnetischen Wandlers möglich, welcher beispielsweise einen Batteriezwischenpuffer umfassen oder zusätzlich mittels eines Umrichters an das Stromnetz angeschlossen werden kann.
7 illustriert wiederum am Beispiel einer Windkraftanlage die flexible Anpassung einer Eingangsdrehzahl eines Antriebsstrangs und somit eine optimal an den Wind angepasste Rotordrehzahl, wobei gleichzeitig von einer konstanten Abtriebsdrehzahl (Generatordrehzahl) ausgegangen wird. Dargestellt sind unterschiedliche Betriebspunkte A, B und C, welche verschiedenen Leistungsbeiwerten mit den zugeordneten Rotordrehzahlen ω_C, ω_A und ω_B entsprechen. Bei Punkt A entnimmt der Rotor der Luftströmung eine optimale Leistung. In Punkt C wird nur ein Teil der möglichen Rotorleistung ausgenutzt und die magnetische Kupplung bzw. der elektromagnetische Wandler wird folglich in der Leistungsaufnahme vom Hauptstrang und der abgegebenen Leistung in der Rückführung zum Überlagerungsgetriebe so geregelt, dass der Rotor beschleunigt wird bis er den optimalen Arbeitspunkt A erreicht. Mit einem entgegengesetzten Vorzeichen findet die Regelung ausgehend vom Betriebspunkt B aus statt. Dies entspricht somit der Regelung in einem optimalen Arbeitspunkt bei konstant angenommener Windgeschwindigkeit.
Ferner ist es auch möglich, dass eine gewisse Fluktuation im Wind auftritt, wodurch sich der konstante Arbeitspunkt verschiebt. Ein Beispiel hierfür ist der Punkt D, der ebenfalls wie der Punkt A auf der Kurve optimaler Leistung liegt und einer geringeren Windgeschwindigkeit entspricht. Somit ist durch den erfindungsgemäßen Antriebsstrang auch eine zeitlich variable Eingangsleistung mit zeitlicher Variabilität in der Eingangsdrehzahl einstellbar bzw. regelbar.
5 zeigt hierzu illustrierend ein Windprofil mit zeitlich flukturierender Windgeschwindigkeit, welche wiederum in eine optimale Rotordrehzahl umgesetzt wird. Hierbei findet eine gewisse Glättung aufgrund der Trägheit der verwendeten mechanischen Komponenten Rotor, Getriebe hydrodynamischer Wandler, etc. statt.
Im Allgemeinen wird im Rahmen der erfindungsgemäßen Idee, einen Antriebsstrang mit konstanter Ausgangsdrehzahl zu schaffen, auch eine solche Anordnung verstanden, welche die Ausgangsdrehzahl mit einer gewissen Genauigkeit konstant hält. Gewisse Abweichungen sind hierbei tolerierbar. Abweichungen können hierbei beispielsweise im Bereich ± 10 %, bevorzugt ± 5 und besonders bevorzugt ± 1 % der Sollausgangsdrehzahl liegen. Beim Einsatz in Windkraftanlagen bei stark mit dem Verteilernetz gekoppelten Generatoren wird jedoch eine besonders hohe Konstanz der Abtriebsdrehzahl von maximal ± 0,5 bevorzugt.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs über die Windkraft hinaus ergeben sich beispielsweise bei speziellen Wasserkraftwerken, in denen Turbinen eingesetzt werden, die nicht mit konstanter Drehzahl betrieben werden können. Solche Bedingungen können beispielsweise in Strömungs- und Gezeiten-Kraftwerken oder bei Spezialanordnungen in Schleusensystemen gegeben sein. Außerdem ist es denkbar, mit dem erfindungsgemäßen Prinzip natürliche und somit zeitlich variable Energiequellen, etwa die Wellenkraft, auf einen elektrischen Generator zu übertragen, der eine konstante Eingangsdrehzahl verlangt.

Claims

Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl und einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsdrehzahl; 1.1 mit einem Überlagerungsgetriebe (3), welches die variable Eingangsleistung auf eine Abtriebswelle (2) und auf mindestens einen Nebenzweig (5) aufspaltet; 1.2 mit einer Einrichtung (9) zur wählbaren Einstellung eines Momentenübertrags mittels magnetischer Kraftwirkung zwischen der Abtriebswelle (2) und mindestens einem Nebenzweig (5); 1.3 mit einer Regelung (10) des Momentenübertrags, welche die Ausgangsdrehzahl der Abtriebswelle (2) im Wesentlichen konstant hält.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Einstellung des Momentenübertrags mittels magnetischer Kraftwirkung (9) ein einstellbarer elektromagnetischer (6, 7) Wandler ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Einstellung des Momentenübertrags mittels magnetischer Kraftwirkung (9) eine einstellbare magnetische Kupplung (4) ist.
Antriebsstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Momentenübertrag der magnetischen Kupplung (4) durch eine Relativbewegung zwischen den zwei Kupplungshälften eingestellt wird.
Antriebsstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kupplung (4) mindestens eine stromdurchflossene Kupplungshälfte umfasst und durch die Einstellung dieses Stromflusses der Momentenübertrag der magnetischen Kupplung (4) angepasst wird.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einstellbare magnetische Kupplung (4) oder der einstellbare elektromagnetische Wandler (6, 7) derart gestaltet sind, dass sie wahlweise als Bremse betreibbar sind.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Überlagerungsgetriebe ein Getriebe vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist.
Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebsstrang eine Arbeitsmaschine in Form eines elektrischen Generators mit einer konstanten Drehzahl versorgt.
Verwendung eines Antriebsstrangs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine Windkraftanlage.
Verwendung eines Antriebsstrangs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine Wasserkraftanlage.