DE3028660A1 - Wind power generator with turbine and converter - has control unit regulating energy conversion to minium during start=up phase - Google Patents
Wind power generator with turbine and converter - has control unit regulating energy conversion to minium during start=up phaseInfo
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Abstract
Description
WindkraftmaschineWind power machine
Die Erfindung betrifft eine Windkraftmaschine mit einer Windturbine mit Rotorblättern beliebiger Zahl und mit einem Energiekonverter zur Umwandlung der Rotationsenergie der Windturbine in eine verbrauchergerechte Energie.The invention relates to a wind power machine with a wind turbine with any number of rotor blades and with an energy converter for conversion the rotational energy of the wind turbine into consumer-friendly energy.
Bereits seit vielen Jahren wird die Möglichkeit untersucht, Windenergie in nutzbare Energie, wie elektrische Energie oder Wärmeenergie, umzuwandeln. Die Verknappung und Verteuerung fossiler Brennstoffe hat vor einigen Jahren dieser Entwicklung Auftrieb gegeben, so daß seit einiger Zeit eine Reihe von Pilotanlagen in Benutzung ist.The possibility of wind energy has been studied for many years to convert it into usable energy, such as electrical energy or thermal energy. the Shortages and rising prices of fossil fuels caused this development a few years ago Given a boost, so that a number of pilot plants have been in use for some time is.
Bekannte Windkraftmaschinen weisen in ihrer Längsachse drehbar angeordnete Flügel auf, so daß die wirksame Fläche bzw. der Anstellwinkel zum Wind variiert werden kann. Durch die geeignete Verstellung der Flügel sind Steuerungsmöglichkeiten für die Rotordrehzahl gegeben. Dies ist insbesondere für solche Windkraftmaschinen von Bedeutung, deren elektrische Ausgangsleistung in das elektrische Verbundnetz eingespeist werden soll. Voraussetzung hierfür ist, daß die Rotordrehzahl sehr konstant gehalten wird.Known wind power machines have rotatably arranged in their longitudinal axis Wings open, so that the effective area or the angle of attack to the wind varies can be. By adjusting the wings appropriately, there are control options given for the rotor speed. This is especially true for such wind power machines of importance, their electrical output power in the electrical network should be fed in. The prerequisite for this is that the rotor speed is very constant is held.
Eine weitere bekannte Steuerung für die Rotordrehzahl begrenzt die Drehzahl nach oben, damit die meachnischen Belastungen für Rotor und Generator begrenzt werden.Another known control for the rotor speed limits the Speed upwards so that the mechanical loads on the rotor and generator are limited will.
Die bekannte Steuerung durch die Flügelverstellung erfordert einen großen mechanischen Aufwand und komplizierte mechanische Steuereinrichtungen. Darüber hinaus ist eine Drehzahlbegrenzung für die Windturbine unbedingt erforderlich, da die verstellbar gelagerten Flügel eine begrenzte mechanische Belastbarkeit aufweisen, die bei einer zu hohen Drehzahl überschritten würde.The known control by the wing adjustment requires one great mechanical effort and complicated mechanical control devices. About that In addition, a speed limit for the wind turbine is absolutely necessary because the adjustable wings have a limited mechanical load capacity, which would be exceeded at too high a speed.
Ferner würde ein als Energiekonverter dienender Generator bei zu hohen Drehzahlen überlastet und infolgedessen zerstört werden.Furthermore, a generator serving as an energy converter would be too high Speeds are overloaded and consequently destroyed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftmaschine der eingangs erwähnten Art zu erstellen, bei der die komplizierte mechanische Regelung nicht erforderlich ist.The invention is based on the object of a wind power machine To create the type mentioned at the beginning, in which the complicated mechanical control is not required.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Energiekonverter steuerbar ist und daß eine Steuereinrichtung die Umwandlung der Energie in dem Energiekonverter steuert.This object is achieved according to the invention in that the energy converter is controllable and that a control device converts the energy in the energy converter controls.
Gemäß der Erfindung kann also auf die Verstellbarkeit der Flügel der Turbine verzichtet werden. Hierdurch ist es möglich, die Flügel starr, also einstückig auszubilden, so daß die Lager für die verdrehbaren Flügel an der Nabe entfallen und die mechanische Belastbarkeit erheblich erhöht wird.According to the invention can therefore on the adjustability of the wing Turbine can be dispensed with. This makes it possible to make the wings rigid, that is to say in one piece train so that the bearings for the rotatable blades on the hub are omitted and the mechanical load capacity is significantly increased.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die an einer Windkraftmaschine wünschenswerten Regelungen einfach und wirkungsvoll durch eine Steuerung der Umwandlung der Energie in dem Energiekonverter ausgeführt werden können.The invention is based on the knowledge that on a wind power machine desirable regulations simply and effectively through a control of the conversion the energy can be carried out in the energy converter.
Als Energiekonverter kommen insbesondere ein elektrischer Gene rator oder eine hydraulische Bremse in Frage. Letztere setzt die Rotationsenergie direkt in deenergie um.In particular, an electrical generator is used as an energy converter or a hydraulic brake in question. The latter sets the rotational energy directly in deenergy.
Eine wichtige Regelung wird vorteilhafterweise in der Anlaufphase der Maschine durchgeführt, indem in dem Energiekonverter praltisch keine oder nur eine sehr geringe Energie umgewandelt wird.An important regulation is advantageously carried out in the start-up phase the machine carried out by praltisch no or only in the energy converter very little energy is converted.
Der Energiekonverter wird also so gesteuert, daß bei geringen Drehzahlen keine Energie in dem Energiekonverter umgesetzt wird.The energy converter is so controlled that at low speeds no energy is converted in the energy converter.
Bei einem elektrischen Generator kann dies einfach dadurch erreicht werden, daß noch kein Erregerfeld aufgebaut wird, so daß am Ausgang des Generators keine elektrische Leistung ansteht.In the case of an electric generator, this can be achieved simply by doing this be that no excitation field is built up, so that at the output of the generator there is no electrical power.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß der Generator vom Verbraucher durch eine Phasenanschnittssteuerung elektrisch entkoppelt wird, so daß der Generator im Leerlauf arbeitet. Bei einer hydraulischen Bremse, deren hydraulischer Widerstand durch eine Verstellung von Schaufeln einstellbar ist, können die Flügel so eingestellt werden, daß sie einen minimalen hydraulischen Widerstand bilden. Dadurch wird in der Anlaufphase nur eine minimale Energie in dem Energiekonverter umgewandelt.Another possibility is that the generator is from the consumer is electrically decoupled by a phase control, so that the generator works in idle. In the case of a hydraulic brake, its hydraulic resistance is adjustable by adjusting blades, the wings can be adjusted that they form a minimum hydraulic resistance. This will make the During the start-up phase, only a minimal amount of energy is converted in the energy converter.
Eine zweite wichtige Phase für eine Steuerung ist die sogenannte Überlastphase, in der die Windturbine oberhalb ihrer Nenndrehzahl rotiert. Da die erfindungsgemäße Windturbine nicht mehr anfällig gegen elektrische und mechanische Belastungen ist, da sie keine mechanisch verstellbaren Flügel mehr aufweisen muß und diese starr ausgebildet sein können, ist eine Herabsetzung der Drehzahl der Windturbine nicht mehr erforderlich. m aber beispielsweise den elektrischen Generator vor einem Oberstrom zu schützen, wird vorzugsweise vorgesehen, daß in der Überlastphase, also bei hohen Drehzahlen, das Erregerfeld des Generators oder die effektive Ausgangsspannung durch Phasenanschnitt zurückgeregelt wird, so daß am Ausgang des Generators eine konstante Ausgangsleistung ansteht. Für andere Energiekonverter wird die Regelung so durchgeführt, daß am Ausgang des Energiekonverters eine konstante Ausgangsleistung entnehmbar ist.A second important phase for a control is the so-called overload phase, in which the wind turbine rotates above its nominal speed. Since the inventive The wind turbine is no longer susceptible to electrical and mechanical loads, since it no longer has to have any mechanically adjustable wings and these are rigid can be formed, a reduction in the speed of the wind turbine is not more required. m but, for example, the electric generator in front of an overcurrent to protect, it is preferably provided that in the overload phase, so at high Speeds, the excitation field of the generator or the effective output voltage Phase control is regulated back, so that at the output of the generator a constant Output power pending. For other energy converters, the regulation carried out so that a constant output power at the output of the energy converter is removable.
Schließlich liegt einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weiterhin die Erkenntnis zugrunde, daß die Schnellaufzahl t zur Erreichung eines optimalen Leistungsbeiwertes der Windkraftmaschine konstant gehalten werden muß.Finally, there is a further advantageous embodiment of the invention continues to be based on the knowledge that the Schnellaufzahl t to achieve a optimum performance coefficient of the wind power machine must be kept constant.
Die Schnellaufzahl ist durch das Verhältnis der Umlaufgeschwindigkeit u des Rotors zur ungestörten Windgeschwindigkeit vo definiert. Zur Konstanthaltung der Schnellaufzahl t sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, im Arbeitsbereich der Windkraftmaschine die Steuerung der Umwandlung der Energie in dem Energiekonverter durch die Steuereinrichtung so vorzunehmen, daß die am Ausgang des Energiekonverters abgenommene Leistung proportional zur dritten Potenz der Drehzahl der Windturbine ist. In diesem Fall ist nämlich die Schnellaufzahl t konstant und die Windkraftmaschine arbeitet in ihrem optimalen Bereich. Durch die Beeinflussung des Energiekonverters wird selbstverständlich gleichzeitig die Windturbine mit beeinflußt. So wird sich die Drehzahl der Windturbine verringern, wenn das Erregerfeld eines als elektrischer Generator ausgebildeten Energiekonverters vergrößert wird.The Schnellaufzahl is determined by the ratio of the speed of rotation u of the rotor is defined for the undisturbed wind speed vo. To keep things constant the Schnellaufzahl t provides a preferred embodiment of the invention, in Working area of the wind power machine controlling the conversion of energy into make the energy converter by the control device so that the output the power consumed by the energy converter is proportional to the third power of the speed the wind turbine is. In this case, namely, the high-speed number t is constant and the wind power machine works in its optimal range. By influencing of the energy converter, the wind turbine is of course also influenced at the same time. So the speed of the wind turbine will decrease when the excitation field one designed as an electrical generator energy converter is enlarged.
Durch die erfindungsgemäße Steuerbarkeit des Energiekonverters läßt sich daher der mechanische Aufwand der Windkraftmaschine erheblich vermindern, die mechanische Belastbarkeit wird erheblich erhöht und für die wünschenswerten Steuerungen werden praktisch keine zusätzlichen Mittel benötigt.The controllability of the energy converter according to the invention allows therefore significantly reduce the mechanical effort of the wind power machine mechanical resilience is increased significantly and for the desirable controls practically no additional funds are required.
Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.The invention is to be shown in the following with reference to in the drawing Embodiments are explained in more detail.
Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer auf einen Energiekonverter wirkenden Steuereinrichtung an einer Windturbine Figuren 2a schematische Darstellung7entsprechend Figur 1, und 2b wobei der Energiekonverter durch einen elektrischen Generator gebildet ist Figur 3 eine schematische Darstellung entsprechend der Figur 1, wobei der Energiekonverter durch eine hydraulische Bremse gebildet ist Figur 4 den Verlauf einer Regelkurve für einen durch einen elektrischen Generator gebildeten Energiekonverter.The figures show: FIG. 1 a schematic representation of an energy converter Acting control device on a wind turbine in accordance with FIGS. 2a, schematic representation 7 Figure 1, and 2b wherein the energy converter is formed by an electrical generator Figure 3 is a schematic representation corresponding to Figure 1, wherein the energy converter formed by a hydraulic brake, Figure 4 is the course of a control curve for an energy converter formed by an electrical generator.
Figur 1 zeigt eine Windturbine 1 die aus zwei auf einer Nabe 2 montierten Flügeln 3 besteht. Die beiden Flügel 3 sind vorzugsweise starr miteinander verbunden und nicht verstellbar. Die Nabe 2 ist mechanisch mit einem Energiekonverter 4 verbunden, in dem die Rotationsenergie in eine nutzbare Energie Px umgesetzt wird.FIG. 1 shows a wind turbine 1 consisting of two mounted on a hub 2 Wings 3 consists. The two wings 3 are preferably rigidly connected to one another and not adjustable. The hub 2 is mechanically connected to an energy converter 4, in which the rotational energy is converted into usable energy Px.
Die Anordnung weist einen Drehzahlmesser 5 sowie ein Meßgerät 6 für die Ausgangsleistung Px auf. In der Steuereinrichtung 7 wird die dritte Potenz des Ausgangssignals n des Drehzahlmessers 5 in einer Potenzierstufe 8 gebildet. Der Ausgang der Potenzierstufe 8 ist mit einem Eingang, der Ausgang des Meßgeräts 6 für die Ausgangsleistung Px mit dem zweiten Eingang einer Vergleichsstufe 9 verbunden. Die Vergleichsstufe 9 sorgt durch ein über einen Verstärker 10 auf den Energiekonverter 4 geleitetes Steuersignal dafür, daß die Ausgangsleistung Px proportional zu der dritten Potenz der Drehzahl der Windturbine 1 ist.The arrangement has a tachometer 5 and a measuring device 6 for the output power Px. In the control device 7, the third power of the Output signal n of the tachometer 5 is formed in an exponentiation stage 8. Of the The output of the exponentiation stage 8 has an input, the output of the measuring device 6 connected to the second input of a comparison stage 9 for the output power Px. The comparison stage 9 takes care of it one through an amplifier 10 the energy converter 4 conducted control signal that the output power Px is proportional to the third power of the speed of the wind turbine 1.
Figur 2a entspricht im Prinzip der Figur 1. Der Energiekonverter ist in diesem Fall durch einen elektrischen Generator 4' gebildet. Als Maß für die Ausgangs leistung dient vorzugsweise die elektrische Spannung, die von dem Meßinstrument 6' gemessen wird.FIG. 2a corresponds in principle to FIG. 1. The energy converter is in this case formed by an electrical generator 4 '. As a measure of the output power is preferably used by the electrical voltage produced by the measuring instrument 6 'is measured.
Da die elektrische Leistung der zweiten Potenz der Spannung proportional ist, muß eine Potenzierstufe 11' die zweite Potenz der Ausgangsspannung bilden. Das Ausgangssignal des Verstärkers 10 steuert in diesem Fall das Erregerfeld des Generators 4'. Weiterhin sind Steuerstufen 12,13 vorgesehen, die über zugehörige Vergleichsstufen 14 bzw. 15 die Regelung in der Anlaufphase bzw. in der Phase, in der der Rotor oberhalb der Nenndrehzahl nA rotiert, bewirken. Die den Phasen entsprechenden Regelungen werden durch einen Umschalter 16 wirksam geschaltet.Because the electrical power is proportional to the second power of the voltage is, a power stage 11 'must form the second power of the output voltage. The output signal of the amplifier 10 controls the excitation field of the in this case Generator 4 '. Furthermore, control stages 12, 13 are provided, which have associated Comparison stages 14 and 15 control in the start-up phase and in the phase in that the rotor rotates above the nominal speed nA, cause. Those corresponding to the phases Controls are activated by a changeover switch 16.
Figur 2b zeigt eine weitere Ausführungsform mit einem elektrischen Generator 4' als Energiekonverter. In diesem Fall wird nicht das-Erregerfeld des Generators, sondern die am Verbraucher 17 auftretende Effektivspannung durch eine Phasenanschnitts-Steuerstufe 18 gesteuert. Die am Verbraucher 12' auftretende Effektivspannung 19 ist wie in Figur 2a ein Maß für die Ausgangsleistung des Generators und muß entsprechend in einer Potenzierstufe 11' in die zweite Potenz erhoben werden.Figure 2b shows a further embodiment with an electrical Generator 4 'as an energy converter. In this case, the excitation field of the Generator, but the effective voltage occurring at the consumer 17 by a Phase control stage 18 controlled. The effective voltage occurring at the consumer 12 ' As in FIG. 2a, 19 is a measure of the output power of the generator and must accordingly are raised to the second power in a power level 11 '.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einer hydraulischen Bremse 411 als Energiekonverter. Die entnehmbare Ausgangsleistung der hydraulischen Bremse 4'' ist eine thermische Leistung Pth. Das Meßinstrument 611 kann vorzugsweise das Moment der hydraulischen Bremse 4' 1 messen und ein dem Moment proportionales Ausgangssignal auf die Vergleichsstufe 9 liefern. In diesem Fall muß die Potenzierstufe 8 1 1 die zweite Potenz der Drehzahl bilden.Figure 3 shows an embodiment of the invention with a hydraulic one Brake 411 as an energy converter. The removable output power of the hydraulic Brake 4 '' is a thermal power Pth. The measuring instrument 611 can preferably Measure the torque of the hydraulic brake 4'1 and a torque proportional Deliver the output signal to the comparison stage 9. In this case the exponentiation level 8 1 1 form the second power of the speed.
Durch das Ausgangssignal des Verstärkers 10 wird der hydraulische Widerstand der hydraulischen Bremse 41 1 gesteuert, also die Bremswirkung der hydraulischen Bremse 41 1 erhöht oder erniedrigt.The output signal of the amplifier 10 is the hydraulic Resistance of the hydraulic brake 41 1 controlled, so the braking effect of the hydraulic Brake 41 1 increased or decreased.
Dies kann bei einer hydraulischen Bremse, deren hydraulischer Widerstand durch verstellbare Schaufeln verändert werden kann, durch eine Steuerung der Position der Schaufeln der hydraulischen Bremse 4'' geschehen.This can be the case with a hydraulic brake, its hydraulic resistance Can be changed by adjustable blades, by controlling the position the blades of the hydraulic brake 4 ″ happen.
Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele zeigen eine Regelung, durch die die Ausgangsleistung P proportional zu der dritten Potenz der Drehzahl n der durch einen Wind mit der Windgeschwindigkeit vo angetriebenen Turbine 1 eingestellt wird. Diese Einstellung ist für den normalen Arbeitsbereich optimal.The exemplary embodiments shown in FIGS. 1 to 3 show a regulation by which the output power P is proportional to the third power the speed n is driven by a wind with the wind speed vo Turbine 1 is set. This setting is for normal Optimal work area.
Bei der Anlaufphase würde eine derartige Regelung das Anlaufen der Windturbine 1 erschweren. Demzufolge ist es sinnvoll, in einer Anlaufphase bis zu einer Mindestumdrehungszahl nmin die in dem Energiekonverter 4, 4', 4'' erzeugte Ausgangsleistung zu minimisieren, also im optimalen Fall gleich Null zu machen. In Figur 4 ist dies für einen elektrischen Generator 4' dargestellt. Das Erregerfeld wird bis zum Erreichen der minimalen Drehzahl nmin abgeschaltet, so daß der Anlaufvorgang erleichtert wird. Im normalen Arbeitsbereich bis zur oberen Drehzahl nA wird dann die in Figur 2 beschriebene Regelung durchgeführt, wodurch die elektrische Ausgangs-3 leistung Pel proportional zu n ist. Oberhalb der gröBten Drehzahl nA des Arbeitsbereichs, in dem sogenannten Überlastbereich, wird die Regelung dann so ausgeführt, daß die elektrische Ausgangsleistung Pel konstant einer Nennleistung PN des Generators 4' ist. Bei ansteigender Drehzahl wird in diesem Bereich also das Erregerfeld des Generators 4' kontinuierlich verkleinert, um die konstante Ausgangsleistung PN zu erhalten.In the start-up phase, such a scheme would start the Make wind turbine 1 more difficult. It therefore makes sense to use up to a minimum number of revolutions nmin generated in the energy converter 4, 4 ', 4 " To minimize output power, i.e. to make it equal to zero in the optimal case. This is shown in FIG. 4 for an electrical generator 4 '. The exciter field is switched off until the minimum speed nmin is reached, so that the start-up process is facilitated. In the normal working range up to the upper speed nA then the control described in Figure 2 carried out, whereby the electrical output 3 power Pel is proportional to n. Above the highest speed nA of the working range, in the so-called overload range, the control is then carried out so that the electrical output power Pel constant of a nominal power PN of the generator 4 ' is. When the speed increases, the exciter field of the generator is in this area 4 'continuously reduced in order to obtain the constant output power PN.
In diesem Fall ist eine Drehzahlbegrenzung für die Windturbine 1 nicht erforderlich. Diese Drehzahlbegrenzung entsteht automatisch durch die mechanischen Gegebenheiten, durch die die Windturbine 1' nur eine maximale Drehzahl nmax erreichen kann. Durch die starre Ausbildung der Flügel und insbesondere den einteiligen Aufbau zweier gegenüberliegender Flügel kann die Windturbine 1 bis zur maximalen Drehzahl nmax beschleunigt werden.In this case, there is no speed limitation for the wind turbine 1 necessary. This speed limitation is created automatically by the mechanical Conditions through which the wind turbine 1 'can only achieve a maximum speed nmax can. Due to the rigid design of the wings and in particular the one-piece construction two opposite blades, the wind turbine 1 can up to the maximum speed nmax can be accelerated.
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| DE19803028660 DE3028660A1 (en) | 1980-07-29 | 1980-07-29 | Wind power generator with turbine and converter - has control unit regulating energy conversion to minium during start=up phase |
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| DE3028660A1 true DE3028660A1 (en) | 1982-02-11 |
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ID=6108333
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|---|---|
| DE (1) | DE3028660A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3403690A1 (en) * | 1984-02-03 | 1985-08-14 | Hans-Joachim 3036 Bomlitz Cohrs | Screw compressor heat pump controlled by a slide valve and driven by a wind energy converter. |
-
1980
- 1980-07-29 DE DE19803028660 patent/DE3028660A1/en not_active Withdrawn
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3403690A1 (en) * | 1984-02-03 | 1985-08-14 | Hans-Joachim 3036 Bomlitz Cohrs | Screw compressor heat pump controlled by a slide valve and driven by a wind energy converter. |
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