DE19801803A1 - Elektrische Rotationsmaschine und Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Rotationsmaschine mit einem Rotor und einem Stator, die insbesondere als Wechsel­ stromgenerator ausgeführt ist. Die Erfindung betrifft weiter­ hin ein Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung von einem feststehenden Stator auf einen drehbaren Rotor, insbe­ sondere zur Erregung eines Wechselstromgenerators.

Zum Betrieb einer elektrischen Rotationsmaschine mit einem Rotor und einem Stator wird eine zur elektrischen Rotations­ maschine zugehörige Erregerwicklung mit einem Erregergleich­ strom beaufschlagt. Ist die Erregerwicklung im Rotor ange­ bracht, muß der Erregergleichstrom vom feststehenden Stator zum rotierenden Rotor übertragen werden. Aus Ryff, Peter F., "Electrical machines and transformers", Englewood Cliffs, N.J. 07632, 1987, Seite 163 sowie Rentzsch, H., "Elektromoto­ ren - Electric Motors", Turgl, Schweiz, 1992, Seite 508, ist es bekannt, daß der Rotor zu diesem Zweck Schleifringe auf­ weist, die mit feststehenden dem Stator zugehörigen Kontakt­ bürsten kontaktiert werden, wodurch der Erregerstrom über die Kontaktbürsten auf die Schleifringe übertragen wird.

Aus Ryff, Peter F., "Electrical machines and transformers", Englewood Cliffs, N.J. 07632, 1987, Seite 163 und Rentzsch, H., "Elektromotoren - Electric Motors", Turgl, Schweitz, 1992, Seite 508 sowie aus Heier, Siegfried, "Windkraftanlagen im Netzbetrieb", Stuttgart, 1996, Seite 125-127 ist es be­ kannt, den Erregerstrom in einer zur elektrischen Rotations­ maschine zugehörigen Erregermaschine zu erzeugen, was auch unter der Bezeichnung "bürstenlose Erregung" bekannt ist. Die Erregermaschine weist eine Wechselstromwicklung und eine Au­ ßenpolwicklung auf, die jeweils mit dem Rotor bzw. Stator verbunden sind. Die Wechselstromwicklung und die Außenpol­ wicklung sind dabei so ausgeführt, daß bei einer Beaufschla­ gung der Außenpolwicklung mit einem Gleichstrom, ein Magnet­ feld erzeugt wird, das bei einer Drehung des Rotors in der Wechselstromwicklung einen Wechselstrom induziert. Der Wech­ selstrom wird einem zum Rotor zugehörigen Gleichrichter zuge­ führt. In dem Gleichrichter wird der Wechselstrom gleichge­ richtet und als Erregerstrom der Erregerwicklung zugeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Rotationsma­ schine mit einer modifizierten Erregung anzugeben. Eine wei­ tere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Übertragung elektri­ scher Leistung von einem feststehenden Stator auf einen dreh­ baren Rotor anzugeben.

Die Erfindung geht hierbei von der Erkenntnis aus, daß sowohl für eine korrekte Funktionsweise der Übertragung des Erreger­ stroms über Kontaktbürsten und Schleifringe, als auch für ei­ ne Induktion eines Wechselstroms in der Wechselstromwicklung der Erregermaschine mit einer zur Erregung notwendigen Stär­ ke, eine Drehung des Rotors mit einer Mindest-Drehfrequenz oder Mindest-Drehzahl erforderlich ist. Bei elektrischen Ro­ tationsmaschinen, die als Wechselstromgenerator, insbesondere als Windkraftgenerator ausgeführt sind, kann die Forderung nach einer Mindest-Drehfrequenz bei den bekannten Erregeran­ ordnungen nicht immer eingehalten werden.

Erfindungsgemäß wird die auf die elektrische Rotationsmaschi­ ne gerichtete Aufgabe gelöst durch eine elektrische Rota­ tionsmaschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Stator eine Statortransformatorwicklung und der Rotor eine Rotortransformatorwicklung aufweisen, welche Transformator­ wicklungen einen elektrischen Transformator bilden und für einen Betrieb mit Wechselstrom ausgeführt sind.

Für einen Betrieb mit Wechselstrom weisen die Transformator­ wicklungen Pole auf, die z. B. aus geschichteten, gegeneinan­ der elektrisch isolierten, magnetisierbaren Blechen ausgebil­ det sind. Wird die Statortransformatorwicklung mit einem elektrischen Wechselstrom beaufschlagt, wird dieser Wechsel­ strom in die Rotortransformatorwicklung transformiert und zu einer Erregung der elektrischen Rotationsmaschine verwendet. Dies ist insbesondere bei einer niedrigen Drehfrequenz des Rotors, wie sie bei einem Betrieb einer als Windkraftgenera­ tor ausgebildeten elektrischen Rotationsmaschine auftreten kann, vorteilhaft, weil zur Transformation des Wechselstroms keine Drehung des Rotors erforderlich ist. Der auf den Rotor transformierte Wechselstrom kann für die zum Betrieb des Windkraftgenerators notwendige Erregung, insbesondere bei nie­ drigen Drehzahlen oder stillstehendem Rotor, verwendet wer­ den. Eine Steuerung oder Regelung der Stärke des Wechsel­ stroms kann schaltungstechnisch einfach erfolgen.

Bevorzugtermaßen ist die elektrische Rotationsmaschine so ausgeführt, daß sie mit einer Drehfrequenz des Rotors zwi­ schen 0,01 Hz und 500 Hz betreibbar ist.

Bevorzugtermaßen wird beim Betrieb der elektrischen Rota­ tionsmaschine durch den Transformator ein Wechselstrom mit einer Frequenz transformiert, welche Frequenz größer ist, als die Drehfrequenz. Dadurch ist eine Beeinflussung der Trans­ formation des Wechselstroms durch die Drehung des Rotors ver­ nachlässigbar. Der Wechselstrom wird hierbei mit der Diffe­ renzfrequenz von der Frequenz zur Drehfrequenz transformiert.

In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der elektrischen Rotationsmaschine, ist die Statortransformatorwicklung elek­ trisch mit einer Wechselstromquelle, insbesondere einem Ver­ sorgungsnetz eines elektrischen Energieversorgungsunterneh­ mens verbunden. Der Wechselstrom, mit dem die Statortransfor­ matorwicklung beaufschlagt wird, wird dabei von der Wechsel- Stromquelle geliefert.

Bevorzugtermaßen weist der Stator eine Generatorwicklung und der Rotor eine Erregerwicklung auf, wodurch ein Wechselstrom­ generator, insbesondere ein Drehstromgenerator gebildet ist. Weiter bevorzugt weist der Rotor einen Gleichrichter auf, wo­ bei die Erregerwicklung elektrisch über den Gleichrichter mit der Rotortransformatorwicklung verbunden ist. Der über den elektrischen Transformator transformierte Wechselstrom, wird von der Rotortransformatorwicklung abgegeben und nach einer Gleichrichtung durch den Gleichrichter als Erregerstrom der Erregerwicklung zugeführt. Der Erregerstrom in der Erreger­ wicklung erzeugt ein Magnetfeld, welches bei einer Drehung des Rotors in der Generatorwicklung einen Generatorwechsel­ strom induziert, welcher einem elektrischen Verbraucher zu­ leitbar ist.

Vorzugsweise gibt die als Wechselstromgenerator ausgebildete elektrische Rotationsmaschine im Betrieb eine elektrische Leistung zwischen 1 W und 1 GW ab, welche abhängig von der Drehfrequenz des Rotors sein kann.

Die elektrische Rotationsmaschine ist vorzugsweise als Wind­ kraftgenerator ausgeführt. Sie ist bevorzugtermaßen in einer Windkraftanlage angeordnet, wobei der Rotor mit einer drehba­ ren Welle verbunden ist, welche Welle ein Flügelrad mit zu­ mindest einem Flügel aufweist. Der Rotor kann dabei bei­ spielsweise über ein Getriebe oder getriebelos mit der Welle verbunden sein. Es ist ebenfalls möglich, daß die Welle selbst den Rotor bildet. Das dem Wind ausgesetzte Flügelrad bewirkt die zur Generierung des Generatorwechselstroms erfor­ derliche Drehung der Welle.

Die auf das Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung gerichtete Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß elektrische Leistung transformatorisch über einen Luftspalt von einem feststehenden Stator auf einen drehbaren Rotor übertragen wird. Insbesondere bei einem Rotor, der sich mit einer sehr geringen Drehfrequenz dreht, kann hierdurch ein­ fach eine elektrische Leistung übertragen werden, die bevor­ zugtermaßen einer Erregerwicklung eines Generators, insbeson­ dere eines Windkraftgenerators zugeführt wird, wodurch die Erregerwicklung erregt wird. Bei dem Verfahren wird ein elek­ trischer Wechselstrom transformiert.

Anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiels werden die elektrische Rotationsmaschine und das Ver­ fahren zur Übertragung elektrischer Leistung über einen Luftspalt näher erläutert. Es zeigen schematisiert und teil­ weise nicht maßstäblich unter Darstellung der für die Erläu­ terung verwendeten konstruktiven und funktionellen Merkmale:

Fig. 1 ein Schaltbild einer als Drehstromgenerator ausgeführ­ ten elektrischen Rotationsmaschine und

Fig. 2 eine als Windkraftgenerator ausgeführte elektrische Ro­ tationsmaschine in einer Windkraftanlage.

Die Bezugszeichen sämtlicher Figuren haben jeweils die glei­ che Bedeutung.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer elektrischen Rotationsma­ schine 1, die als Wechselstromgenerator, speziell als Dreh­ stromgenerator 2 ausgeführt ist. Das Schaltbild zeigt zwei Schaltungsteile 3 und 4, die jeweils einem nicht näher darge­ stellten Stator bzw. Rotor zugehörig sind und im folgenden als Stator 3 bzw. Rotor 4 bezeichnet werden. Der Stator 3 und der Rotor 4 sind durch einen Luftspalt 5 voneinander ge­ trennt. Der Stator 3 weist eine Drehstromgeneratorwicklung 6 und eine Statortransformatorwicklung 7, die für ein Dreh­ strombetrieb ausgeführt ist, auf. Der Rotor 4 weist eine Ro­ tortransformatorwicklung 9 auf, die ebenfalls für einen Dreh­ strombetrieb ausgeführt ist und über einen Drehstromgleich­ richter 11 mit einer Erregerwicklung 12 elektrisch verbunden ist. Die Drehstromgeneratorwicklung 6 und die Erregerwicklung 12 bilden einen Drehstromgenerator 23. Die Statortransforma­ torwicklung 7 und die Rotortransformatorwicklung 9 bilden ei­ nen Drehstromtransformator 10. Die Statortransformatorwick­ lung 7 ist an ein nicht näher dargestelltes elektrisches Ver­ sorgungsnetz 8 angeschlossen.

Das elektrische Versorgungsnetz 8 gibt einen Primärdrehstrom 25 an die Statortransformatorwicklung 7 ab. Der Primärdreh­ strom 25 wird von der Statortransformatorwicklung 7 in die Rotortransformatorwicklung 9 transformiert und von dieser als Sekundärdrehstrom 26 an den Gleichrichter 11 abgegeben. Durch den Gleichrichter 11 wird der Sekundärdrehstrom 26 zu einem Erregerstrom 27 gleichgerichtet und der Erregerwicklung 12 zu einer Erregung zugeführt. Der Erregerstrom 27 in der Erreger­ wicklung 12 bewirkt die Ausbildung eines nicht näher darge­ stellten Erregermagnetfeldes. Bei einer Drehung des Rotors 4 wird durch das Erregermagnetfeld in der Drehstromgenerator­ wicklung 6 ein Drehstrom induziert, der an Klemmen 13 der Drehstromgeneratorwicklung 6 abgegriffen wird. Auch bei einem stehenden Rotor 4 wird der Primärdrehstrom 25 über den Dreh­ stromtransformator 10 in den Sekundärdrehstrom 26 transfor­ miert. Dadurch ist unabhängig von einer Drehfrequenz des Ro­ tors 4, insbesondere bei sehr niedrigen Drehzahlen, eine Er­ regung gewährleistet. Ein Drehstrom wird somit auch bei sehr niedrigen Drehzahlen in der Drehstromgeneratorwicklung 6 in­ duziert, welcher einem nicht dargestellten Verbraucher zuge­ führt werden kann.

Das Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung über ei­ nen Luftspalt wird anhand der Fig. 1 erläutert. Durch den Drehstromtransformator 10, welcher aus der dem Stator 3 zuge­ hörigen Statortransformatorwicklung 7 und der dem Rotor 4 zu­ gehörigen Rotortransformatorwicklung 9 gebildet wird, wobei der Stator 3 und der Rotor 4 voneinander durch den Luftspalt 5 beabstandet sind, wird der Primärdrehstrom 25 in den Sekun­ därdrehstrom 26 transformiert und somit elektrische Leistung über den Luftspalt 5 übertragen. Weiterhin wird zur Erregung des Drehstromgenerators 2 der Sekundärdrehstrom 26 nach einer Gleichrichtung mit dem Gleichrichter 11 als Erregerstrom 27 der Erregerwicklung 12 zugeführt.

In Fig. 2 ist eine Windkraftanlage 14 dargestellt. Die Wind­ kraftanlage 14 weist einen Windkraftgenerator 19 auf, der auf einen Mast 20 angeordnet ist. Der Windkraftgenerator 19 um­ faßt den Stator 3 und den Rotor 4. Der Rotor 4 ist über eine Verbindung 28 mit einer drehbaren Welle 17 verbunden, die ein Flügelrad 18 aufweist. Der Stator 3 weist die Drehstromgene­ ratorwicklung 6 und die Statortransformatorwicklung 7 auf. Dem Rotor 4 zugehörig ist die Rotortransformatorwicklung 9, die elektrisch über den Gleichrichter 11 mit der Erregerwick­ lung 12 verbunden ist. Die Statortransformatorwicklung 7 und die Rotortransformatorwicklung 9 bilden den Drehstromtrans­ formator 10 und die Drehstromgeneratorwicklung 6 und die Er­ regerwicklung 12 bilden den Drehstromgenerator 23.

Die Statortransformatorwicklung 7 ist elektrisch verbunden mit einer am Boden 21 des Mastes 20 befindlichen Wechsel­ stromquelle 8. Eine Zuführung eines Erregerstroms zur Erre­ gung der Erregerwicklung 12, erfolgt auf die gleiche Weise, wie anhand der Fig. 1 erläutert, wobei der Primärdrehstrom 25 von der Wechselstromquelle 8 an die Statortransformatorwick­ lung 7 abgegeben wird.

Durch Einwirkung einer Windströmung 22 auf das Flügelrad 18 wird die Welle 17 gedreht, wodurch der Rotor 4 in Drehung versetzt wird. Ein durch die Erregung vorhandenes Magnetfeld, welches nicht näher dargestellt ist, induziert dabei in der Drehstromgeneratorwicklung 6 einen Drehstrom, welcher an den Klemmen 13 abgegriffen wird.

Claims (11)

1. Elektrische Rotationsmaschine (1) mit einem Stator (3) und einem Rotor (4), wobei der Stator (3) eine Statortransforma­ torwicklung (7) und der Rotor (4) eine Rotortransformator­ wicklung (9) aufweisen, welche Transformatorwicklungen (3,4) einen elektrischen Transformator (10) bilden und für einen Betrieb mit Wechselstrom ausgeführt sind.

2. Elektrische Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 1, die mit einer Drehfrequenz des Rotors (4) zwischen 0,01 Hz und 500 Hz betreibbar ist.

3. Elektrische Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 2, bei der im Betrieb ein Wechselstrom mit einer Frequenz durch den Transformator (10) transformiert wird, wobei die Frequenz größer ist, als die Drehfrequenz.

4. Elektrische Rotationsmaschine (1) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, wobei die Statortransformatorwicklung (7) elektrisch mit einer Wechselstromquelle (8) verbunden ist.

5. Elektrische Rotationsmaschine (1) nach einem der vorherge­ henden Ansprüche, wobei der Stator (3) eine Generatorwicklung (6) und der Rotor (4) eine Erregerwicklung (12) aufweisen, wodurch ein Wechselstromgenerator, insbesondere ein Dreh­ stromgenerator (23), gebildet ist.

6. Elektrische Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 5, wobei die Erregerwicklung (12) elektrisch über einen Gleichrichter (11) mit der Rotortransformatorwicklung (9) verbunden ist.

7. Elektrische Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 5 oder 6, die im Betrieb eine elektrischen Leistung zwischen 1 W und 1 GW abgibt.

8. Elektrische Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 5, 6 oder 7, die als Windkraftgenerator ausgeführt ist.

9. Elektrische Rotationsmaschine (1) nach Anspruch 8, die in einer Windkraftanlage (14) angeordnet ist, wobei der Rotor (4) mit einer drehbaren Welle (17) verbunden ist, welche Wel­ le (17) ein Flügelrad (18) mit zumindest einem Flügel auf­ weist

10. Verfahren zur Übertragung elektrischer Leistung, bei dem elektrische Leistung transformatorisch über einen Luftspalt (5) zwischen einer Statortransformatorwicklung (7) eines feststehenden Stators (3) und einer Rotortransformatorwick­ lung (9) eines drehbaren Rotors (4) übertragen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die elektrische Lei­ stung über die Rotortransformatorwicklung (9) einer Erreger­ wicklung (12) des Rotors (4) eines Wechselstromgenerators (23), insbesondere eines Windkraftgenerators (19), zugeführt und dadurch die Erregerwicklung, (12) erregt wird.