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Hintergrund
der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Betrieb von Windmühlen,
bei dem ein Primärgenerator durch
den Windmühlenrotor,
möglicherweise
mit einem Getriebemechanismus, mit konstanter oder ungefähr konstanter
Drehzahl angetrieben wird. Die Erfindung betrifft außerdem eine
Windmühle,
bei der ein Primärgenerator
durch den Rotor der Windmühle, möglicherweise
mit einem Getriebemechanismus, mit konstanter oder ungefähr konstanter
Drehzahl angetrieben wird.
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Es ist bekannt, dass bei Windmühlen gewisse
Betriebsvorteile erzielt werden können, wenn man Betrieb mit
veränderlicher
Drehzahl einrichten kann.
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Die EP-A-0 635 639 offenbart eine
Windturbinenvorrichtung mit einem windgetriebenen Rotor, der mit
einer Eingangswelle verbunden ist. Diese Vorrichtung ist mit einer
Kraftübertragungsvorrichtung
mit veränderlichem
Umsetzungsverhältnis
versehen, die wiederum mit einem Wechselstromgenerator verbunden
ist. Die Kraftübertragungsvorrichtung
der Windturbine enthält
eine Planetengetriebestufe, die betriebsfähig ist, ein kontinuierlich
veränderliches Übersetzungsverhältnis zwischen
einer Eingangsdrehung von einem Windrotor und einer Ausgangsdrehung
zu einem Stromgenerator zu erzeugen. Dies ist keine Offenbarung
eines Schlupfgenerators.
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Die EP-A-0 314 822 betrifft einen
mittels digitaler Schaltungen realisierten Schlupffrequenzgenerator
und ein Verfahren zur Erzeugung der gewünschten Schlupffrequenz-Signalform.
Obwohl ein Schlupffrequenzgenerator offenbart ist, offenbart dieser
Stand der Technik keine relevante Technik.
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Viele moderne Typen von Windmühlen sind mit
einem direkt mit dem Netz verbundenen Asynchrongenerator versehen.
Diese Art von Generator hat bedeutende Vorteile. Auch wenn gewisse
Anpassungen der Wicklung vorgenommen wurden, ist der direkt mit
dem Netz verbundene Asynchrongenerator im Prinzip einfach ein direkt
mit dem Netz verbundener Asynchronmotor, der durch eine externe
Energiequelle mit einer supersynchronen Drehzahl angetrieben wird.
Ein Asynchronmotor mit kurzgeschlossenem Rotor ist die einfachste
und robusteste Form von Elektromotor, und der Asynchrongenerator
hat dieselben Vorteile. Die einzigen Verschleißteile werden durch die Lager
gebildet. Große
Produktionszahlen seitens des Motors bedeuten, dass der Preis pro
kW der kleinstmögliche
ist.
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Der direkt mit dem Netz verbundene
Asynchronmotor mit kurzgeschlossenem Rotor hat in Verbindung mit
Windmühlenbetrieb
aber auch bedeutende Nachteile. Die Nachteile hängen mit der weitgehend konstanten
Drehzahl für
diese Art von Generator zusammen. Bei größeren Ausgangsleistungen kann
der Generator nur schwer mit einem 1% übersteigenden Schlupf hergestellt
werden, da die im Rotor abgegebene Verlustleistung im Prinzip proportional
zum Schlupf ist. Wenn der Schlupf die normale 1-%-Grenze übersteigt,
werden die Rotorverluste so groß,
dass Wärmeprobleme
auftreten können.
Mit einem Schlupf von 1% oder weniger bleibt die Drehzahl der Windmühle weitgehend
konstant.
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Eine weitgehend konstante Drehzahl
ist Voraussetzung für
eine der zwei normalen Formen von Leistungssteuerung, Blockierregelung.
Er ist zwar gleichzeitig eine Voraussetzung für die Steuerung, andererseits
kann zu kleiner Schlupf aber als Folge von Torsionsschwingungen
im Kraftübertragungssystem
Probleme mit Leistungsschwankungen hervorrufen. Kleiner Schlupf
bedeutet kleine Dämpfung
im Generator, und daher können
kontinuierliche Schwingungen mit einer gewissen nicht unbedeutenden Stärke auftreten.
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Bei Blockierregelung überwiegen
die Vorteile der weitgehend konstanten Drehzahl normalerweise die
Nachteile. Anders bei der anderen der zwei normalen Arten von Leistungssteuerung,
Blattsteigungsregelung, die beträchtliche
Probleme hervorruft. Blattsteigungsregelung basiert auf mechanischer Einstellung
der Flügel
auf einen anderen Steigungswinkel an der Rotornabe, wenn die Leistung
von der gewünschten
Leistung abweicht. Wenn der Rotor mehr Leistung vom Wind aufnimmt
als vom Generator aufgenommen wird, beschleunigt der Generator, bis
wieder ein Gleichgewicht zwischen der aufgenommenen und abgegebenen
Leistung besteht. Wenn der Generatorschlupf klein ist, benötigt der
Generator nur eine geringe Beschleunigung, um eine bedeutend verschiedene
Leistung abzugeben. Die Zeit für
das Steuersystem zum Einstellen der Flügel wird daher sehr kurz, und
in der Praxis haben blattsteigungsgeregelte Mühlen mit direkt mit dem Netz verbundenem
Asynchrongenerator große
Leistungsschwankungen aufgrund von Veränderungen der Windgeschwindigkeit.
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Der direkt mit dem Netz verbundene
Asynchrongenerator hat außerdem
gewisse beträchtliche Unzulänglichkeiten
im Zusammenhang mit der Netzqualität. Erstens erfordert die Berücksichtigung
von Spannungsschwankungen im Netz, dass das Einkuppeln des Generators
mit Leistungselektronik erfolgt, da das Einkuppeln mit traditionellen
Schützen große Spannungsschwankungen
mit sich bringt. Zweitens hat der Asynchrongenerator einen nicht
unwesentlichen Verbrauch an Blindleistung zur Magnetisierung. Normalerweise
muss man eine Windmühle mit
direkt mit dem Netz verbundenem Asynchrongenerator mit einem Phasenausgleich
versehen, typischerweise in Form einer Kondensatorbatterie.
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Das Problem mit dem Blindleistungsverbrauch
kann im Prinzip mittels eines direkt mit dem Netz verbundenem Synchrongenerators
gelöst
werden. Dieser Typ von Generator hat seine eigenen technischen Nachteile,
einschließlich
eines gewickelten Rotors. Andererseits sind die Netzbedingungen gut.
Waren, die Anforderungen an die Netzbedingungen groß, konnte
argumentiert werden, dass die Nachteile des Synchrongenerators akzeptabel
sind. Der Grund, dass dieser Typ von Generator ohne spezielle Maßnahmen überhaupt
nicht in einer direkt mit dem Netz verbundenen Version verwendet
werden kann, ist, dass der Schlupf des Synchrongenerators gleich
0 ist. Die oben erwähnten
Nachteile des Asynchrongenerators; mit geringem Schlupf erreichen
bei dem direkt mit dem Netz verbundenen Synchrongenerator ihre extremste
Form, und ein Betrieb mit Schlupf 0 ist wegen Leistungsschwankungen
praktisch unmöglich.
Der Synchrongenerator kann nur dann in direkter Verbindung mit dem
Netz verwendet werden, wenn auf andere Weise ein Schlupf zwischen
Getriebe und Generator hergestellt wird. So ein Schlupf kann z.B.
mit einer hydraulischen Kupplung erzeugt werden. Jedoch ist es schwierig,
auf diese Weise mehr als ein paar Prozent Schlupf zu erzeugen, und
normalerweise reicht er nicht aus, um eine vollkommen zufriedenstellende
Regelung sicherzustellen.
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Größerer Schlupf kann mittels
einer elektrischen Wirbelstromkupplung erzielt werden. Wird so eine
Kupplung mit einstellbarer Magnetisierung versehen, kann der Schlupf
geregelt werden, und die Kupplung kann so eingestellt werden, dass
das Drehmoment von einem gewissen Schlupf z.B. eine hyperbolische
Funktion der Drehzahl wird, wodurch die Ausgangsleistung auf Nennleistung
gehalten werden kann. Eine Wirbelstromkupplung gibt zwar die notwendige
Regelungsmöglichkeit,
sie hat aber einige sehr bedeutende Nachteile. Der wichtigste Nachteil ist
wahrscheinlich, dass die Leistung aus dem Schlupf als Wärme in der
Kupplung abgegeben wird. Wenn die Windmühle z.B. eine Nennleistung
von 1 MW hat und ein Schlupf von 10% erwünscht ist, werden bis zu 100
kW als Wärme
in der Kupplung abgegeben. In der Praxis bringt dies solche Anforderungen
an Größe und Kühlung der
Kupplung mit sich, dass diese Lösung
wirtschaftlich ungünstig
ist. Ein sekundärer
Nachteil ist, dass auch bei Teillast ein gewisser Schlupf notwendig
ist, da ein Synchrongenerator andernfalls Leistungsschwankungen
verursacht. Und auch in diesem Betriebsbereich wird die Schlupfleistung
als Wärme
abgegeben. Der Verlust durch Betrieb bei Nennleistung kann zwar
aus Sicht des Wirkungsgrades als unwesentlich bezeichnet werden,
da reichlich Eingangsleistung zur Verfügung steht und der Verlust
somit nur auf die Dimensionierung und Kühlung der Kupplung Einfluss
hat, bei Teillast ist der Verlust aus Sicht des Wirkungsgrades aber
klar ungünstig.
Bei Windgeschwindigkeiten, bei denen die Windmühle nicht die Maximalleistung
erbringt, ist es wichtig, dass der Wirkungsgrad so gut wie möglich ist,
und ein als Abwärme
auftretender Schlupf ist hier nur ein Nachteil.
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Die Nachteile in Verbindung mit dem
direkt mit dem Netz verbundenen Asynchrongenerator mit kurzgeschlossenem
Rotor sind seit Langem allgemein bekannt. Für blockiergeregelte Windmühlen, bei
denen die Leistungsregelung eine ungefähr konstante Drehzahl voraussetzt,
wird der Asynchrongenerator normalerweise als eine Lösung nahe
am Optimum angesehen, und man hat die Anstrengungen daher darauf
konzentriert, die damit verbundenen Probleme zu mildern. Man hat
Verfahren zum Einstellen des Schlupfes bei der Herstellung des Generators selbst
entwickelt, so dass die Spezifikationen des Generators im Hinblick
auf die dynamischen Eigenschaften des aktuellen Windmühlentyps
optimiert werden können.
Man hat elektronische Kupplungssysteme entwickelt, und Phasenausgleichssysteme mit
sowohl fester als auch einstellbarer Phase können als Standard geliefert
werden.
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Für
blattsteigungsgeregelte Windmühlen
ist die Situation anders. Die mit dem Betrieb durch Blattsteigungsregelung
und kleinem Schlupf verbundenen Nachteile haben sich als bedeutend
erwiesen, und weitgehend alle kommerziellen Windmühlen mit Blattsteigungsregelung
haben irgendeine Form von veränderlicher
Drehzahl.
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Die veränderliche Drehzahl kann auf
verschiedene Weise eingerichtet werden.
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In einer einfachen Ausführungsform
kann der direkt mit dem Netz verbundene Asynchrongenerator mit kurzgeschlossenem
Rotor durch einen ebenfalls direkt mit dem Netz verbundenen Asynchrongenerator
mit gewickeltem Rotor, Schlupfringen und externen Widerständen ersetzt
werden. Bei dieser Gestaltung wird der größere Teil des Rotorverlustes
in den externen Widerständen
abgegeben, und der Schlupf ist proportional zur Rotorleistung. Es kann
ein beliebig großer
Schlupf erzielt werden. Die Gestaltung hat jedoch bedeutende Nachteile.
Man muss einen gewickelten Rotor und Schlupfringe verwenden, beides
kostensteigernde Elemente, und mit Schlupfringen und ihren Bürsten werden
Verschleißteile
eingeführt,
die die Robustheit des Generators beträchtlich vermindern. Wenn eine
bedeutende Zunahme des Schlupfes erreicht werden muss, wird der Rotorverlust
unerwünscht
auch bei Teillast beträchtlich,
und normalerweise wird es daher notwendig, eine Art von Regelung
der externen Widerstände
einzuführen,
wodurch weitere Kompliziertheit verursacht wird.
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In einer fortgeschritteneren Ausführungsform wird
ein direkt mit dem Netz verbundener Asynchrongenerator mit gewickeltem
Rotor verwendet, bei dem die Schlupfringe und die externen Widerstände durch am
Rotor montierte Leistungselektronik und Widerstände ersetzt sind. Wie in der
Ausführungsform
mit externen Widerständen
ist der Schlupf proportional zur Rotorleistung, und mit der Leistungselektronik kann
der elektrische Widerstand so geregelt werden, dass die Verluste
bei Teillast möglichst
klein werden. Die Schwierigkeiten mit Schlupfringen und Bürsten werden
zwar vermieden, diese Anordnung hat jedoch wesentliche Nachteile.
Man muss immer noch einen gewickelten Rotor verwenden, und das Entfernen
der Schlupfringe impliziert Anwendung von rotierender Leistungselektronik,
die mit der stationären
Steuerung der Windmühle
in Verbindung steht, was wiederum die Robustheit des Generators
auf ein bedeutendes Maß vermindert.
Da die Widerstände
nicht extern sind, gibt es Grenzen für die Größe der Wärmelast, die abgeleitet werden
kann, und dadurch, wie groß der
Schlupf sein kann. Typischerweise werden Werte von 10% angezeigt.
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Den zwei oben erwähnten Lösungen ist gemeinsam, dass
mit vergrößertem Schlupf
nur Aufwärtsregelung
der Drehzahl verglichen mit der synchronen Drehzahl möglich ist,
keine Abwärtsregelung.
Hinzu kommt, dass das Problem mit dem Blindverbrauch für Magnetisierung
für den
Asynchrongenerator unverändert
bleibt, so dass immer noch ein externer Phasenausgleich zu verwenden
ist.
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In einer dritten Ausführungsform
wird das Problem mit dem Blindverbrauch gleichzeitig mit größerer Drehzahlflexibilität gelöst. Wieder
wird ein direkt mit dem Netz verbundener Asynchrongenerator mit
gewickeltem Rotor und Schlupfringen verwendet, jedoch werden die
externen Widerstände
durch einen 4-Quadranten-Frequenzwandler ersetzt, der mit dem Netz
gekoppelt ist. Auf diese Weise kann die im Rotor abgegebene Leistung
umgewandelt und an das Netz zurückgeführt werden.
Die Nennleistung des Stators kann entsprechend reduziert werden,
mit einem Leistungsbeitrag vom Rotor. Durch geeignete Dimensionierung
des Frequenzwandlers kann der Statorwicklung Blindleistung zugeführt werden,
und die Notwendigkeit für
externen Phasenausgleich kann beseitigt werden. Im Gegensatz zu
den oben erwähnten
Lösungen
kann die Drehzahl sowohl hoch- als auch heruntergeregelt werden,
und es ist hauptsächlich
die Dimensionierung des Frequenzwandlers, die den Drehzahlveränderungen
Grenzen setzt. Die Dimensionierung ist nicht ganz einfach, wenn
der Frequenzwandler außerdem
dem Stator Blindleistung zuführen
muss, jedoch gilt allgemein, dass der Frequenzwandler eine Größe im Vergleich
zum Stator entsprechend dem gewünschten
Schlupf haben muss. Typischerweise kann ein Regelungsbereich von
+/- 20% erforderlich sein.
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Trotz der größeren Flexibilität hat die
Anordnung mit einem Frequenzwandler auf einem gewickelten Rotor
jedoch ihre spezifischen Nachteile. Man muss immer noch einen gewickelten
Rotor und Schlupfringe verwenden. Da die Rotorspannung proportional
zum Schlupf ist, können
außerdem
schädliche Überspannungen
am Frequenzwandler auftreten, wenn der Schlupf während der Regelung den gewünschten
Wert übersteigt.
Umgekehrt ist eine Regelung nahe an der synchronen Drehzahl gewöhnlich nicht
möglich,
da der Schlupf hier klein ist, womit die Spannungen klein sind.
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In einer vierten Ausführungsform
wird ein direkt mit dem Netz verbundener Asynchron generator mit
kurzgeschlossenem Rotor verwendet, der mit einem 4-Quadranten-Frequenzwandler
verbunden ist, der mit dem Netz gekoppelt ist. Auf diese Weise wird die
ganze Leistung umgewandelt, bevor sie an das Netz zurückgeführt wird.
Der Frequenzwandler kann dem Generator Blindleistung zuführen, und
die Notwendigkeit für
externen Phasenausgleich kann beseitigt werden. Die Drehzahl kann
sowohl hoch- als auch heruntergeregelt werden, und da der Frequenzwandler
auf Vollleistung dimensioniert ist, ist der Regelungsbereich typischerweise
10 bis 150%.
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Trotz der einfacheren Konstruktion,
bei der der robuste Kurzschlußkäfiggenerator
verwendet werden kann, hat jedoch auch die Anordnung mit voller
Frequenzwandlung ihre eigenen Nachteile. Der Frequenzwandler selbst
wird groß und
kostspielig, da er die gesamte Leistung übertragen muss. Die Verluste
im Frequenzwandler werden entsprechend groß, typischerweise 3 bis 4%
der Generatorleistung. Dies führt
zu beträchtlichen
Kühlungsanforderungen, und
die physischen Abmessungen des Frequenzwandlers selbst können implizieren,
dass er nur mit Schwierigkeiten in der Windmühle selbst angeordnet werden
kann. Obwohl durch den Frequenzwandler aus statischer Sicht gute
Netzbedingungen erzielt werden können,
gibt ein Frequenzwandler bis zu einem gewissen Grade auch harmonische Überfrequenzen
auf das Netz. Dies gilt auch für
die Lösung
mit einem Frequenzwandler auf der Rotorseite, nur dass in dieser
Situation der Statorkreis bis zu einem gewissen Grade als Filter
arbeitet. In der hier erwähnten
Lösung
mit voller Frequenzwandlung werden die Überfrequenzen nicht gefiltert,
und es kann erforderlich sein, außerdem externe Reaktoren und
außerdem
einen Spezialtyp von Transformator zu verwenden, der zur Filterung
beiträgt.
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Es sind viele weitere Kombinationen
von Typen von Generatoren und Frequenzwandlern bekannt, einschließlich fortgeschrittenerer
Rotorgestaltungen, dauermagnetisierter Generatoren usw., allen gemeinsam
ist aber, dass sie immer noch ihre individuellen Nachteile haben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb von Windmühlen mit
veränderlicher
Drehzahl bereitzustellen, die die mit den bekannten Verfahren verbundenen
Nachteile vermindern.
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Diese Aufgabe wird durch ein in der
Einleitung erwähntes
Verfahren gelöst,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass zwischen dem Rotor der Windmühle und
dem Primärgenerator
eine Vorrichtung angeordnet ist, die einen Schlupfgenerator und einen
daran angepassten Frequenzwandler oder Widerstand aufweist und die
das Drehmoment mit einem gewissen Schlupfbetrag zum Primärgenerator übertragen
kann, und wobei die aus dem Schlupf stammende Leistung über den
Schlupfgenerator und den Frequenzwandler für das Stromnetz wiedergewonnen
werden kann oder über
den Widerstand an einem wahlfreien Ort als Wärme abgegeben werden kann.
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Die Windmühle gemäß der Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor der Windmühle und
dem Primärgenerator
eine Vorrichtung angeordnet ist, die einen Schlupfgenerator und den
daran angepassten Frequenzwandler oder Widerstand aufweist und die
das Drehmoment mit einem gewissen Schlupfbetrag zum Primärgenerator übertragen
kann, und wobei die aus dem Schlupf stammende Leistung über den
Schlupfgenerator und den Frequenzwandler für das Stromnetz wiedergewonnen
werden kann oder über
den Widerstand an einem wahlfreien Ort als Wärme abgegeben werden kann.
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Somit wird eine Lösung bereitgestellt, die auf einem
zwischen dem Getriebe und dem Primärgenerator eingefügten regenerativen
Schlupfgenerator basiert. Der regenerative Schlupfgenerator kann
als Sekundärgenerator
angesehen werden, dessen Ausgangsleistung proportional zum Schlupf
ist. Der Schlupfgenerator wird mit einem Frequenzwandler gesteuert,
der die Leistung aus dem Schlupf an das Netz zurückführt. Man kann sagen, dass der
Schlupfgenerator als Schlupfkupplung wirkt.
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Alternativ wird entweder ein fester
oder ein einstellbarer Widerstand (ein Heizelement) verwendet, was
es ermöglicht,
die Wärme
an einem wahlfreien Ort, wo der Widerstand montiert ist, als Wärme abzugeben.
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Diese Lösungen können viele Vorteile haben.
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Der Primärgenerator kann als Standard-Synchrongenerator
mit den damit verbundenen Vorteilen hinsichtlich der Netzbedingungen
konstruiert werden. Da der Synchrongenerator nicht mit einem Frequenzwandler
versehen werden muss, erfordert nicht die normalerweise dafür erforderlichen
speziellen Modifizierungen, wie isolierte Lager und besonderen Schutz
gegen Einschaltstöße. Durch
Herstellung des Schlupfgenerators als getrennte Einheit wird daher der
Vorteil erzielt, dass der Primärgenerator
ein Standardgenerator ohne vergrößerte Kompliziertheit
sein kann.
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Die Gesamtleistung der Windmühle wird
die Summe der Leistung des Schlupfgenerators und des Primärgenerators.
Der Primärgenerator
braucht daher weniger Leistung als die Nennleistung der Windmühle zu erbringen.
Die Dimensionierung erfolgt auf Basis der Notwendigkeit für Drehzahlveränderung. Experimente
zeigen, dass eine Drehzahlveränderung
von weniger als 10% für
eine zufriedenstellende Regelung ausreicht. Mit einer etwas konservativen Dimensionierung
kann der Schlupfgenerator z.B. entsprechend einem normalen Schlupf
von 10% und dadurch einer Leistung von 10% der Nennleistung der Windmühle hergestellt
werden. Der Primärgenerator wird
dann so hergestellt, dass er 90% der Nennleistung der Windmühle erbringt.
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Wird der Schlupfgenerator entsprechend
einem Schlupf von 10% hergestellt, muss auch der Frequenzwandler,
der den Schlupfgenerator steuert, nur eine Leistung von 10% der
Nennleistung der Windmühle
haben. Dies bedeutet, dass die Verluste in und die harmonischen
Störungen
aus dem Frequenzwandler verglichen mit den Situationen, in denen
der Frequenzwandler die gesamte Leistung übertragen muss, beträchtlich
vermindert sind.
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Mit einer besonders vorteilhaften
Ausführungsform
des Schlupfgenerators kann der sehr bedeutende Vorteil erzielt werden,
dass eine vorhandene Windmühle
nachträglich
damit ausgerüstet
werden kann. Dadurch kann eine Windmühle, die ungünstige Betriebsbedingungen
bei konstanter Drehzahl zu haben scheint, ohne wesentliche Maßnahmen
leicht für
veränderliche
Drehzahl umgebaut werden.
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Der Schlupfgenerator kann im Prinzip
eine ungefähr
lineare Drehmomentcharakteristik bei reiner ohmscher Last haben.
Dadurch erhält
man die Möglichkeit
von Redundanz im System, wenn der Frequenzwandler versagen sollte.
Im Falle von Ausfall des Wandlers wird der Ausgang des Schlupfgenerators
mit Widerständen
kurzgeschlossen, und die Windmühle
kann weiterarbeiten. Der Schlupfgenerator wirkt als Reibungskupplung,
deren Charakteristik derjenigen einer hydraulischen Kupplung entspricht, mit
dem mit der hydraulischen Kupplung verbundenen Nachteil in Form
von lastabhängigem
Verlust, aber obgleich diese Betriebsart auf lange Sicht nicht wünschenswert
ist, ist sie einer Situation stark vorzuziehen, in der die Windmühle stillstehen
muss. Nicht zuletzt auf seegestützten
Windmühlenfarmen,
wo die Zugangsbedingungen schwierig sein können, kann eine automatische
Nebenkupplung des Frequenzwandlers im Falle von Ausfall eine beträchtliche
Zunahme an Sicherheit gegen Verfügbarkeitsverlust
bringen.
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Verglichen mit Windmühlen mit
direkter Kopplung von Getriebe und Generator kann durch den Schlupfgenerator
der Vorteil erzielt werden, dass die Regelung des Schlupfgenerators
durch den Frequenzwandler so eingestellt werden kann, dass das Drehmoment
nur in einer Richtung vom Getriebe zum Generator übertragen
wird. Hierdurch wird vermieden, dass die Windmühle bei kurzen Abfällen der Windgeschwindigkeit
nach Art eines Ventilators Leistung absorbieren kann, wenn die mittlere
Windgeschwindigkeit über
der Geschwindigkeit liegt, bei der die Windmühle Leistung zu erbringen beginnt.
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Der Schlupfgenerator hat weiterhin
den Vorteil, dass er mit einer wohldefinierten Obergrenze für seine
Drehmoment-Tauglichkeit hergestellt werden kann. Dadurch wirkt er
bei kurzen Drehmomentstößen vom
Primärgenerator
als Schlupfkupplung. Solche Drehmomentstöße können z.B. durch Netzstörungen auftreten
und können
durch direkte Kopplung von Getriebe und Generator Schäden am Getriebe verursachen.
Mit dem Schlupfgenerator kann die Gefahr von Schäden vollständig beseitigt werden.
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Beim Einkuppeln der Windmühle müssen sowohl
die Phasen- als auch die Frequenzbedingungen für den Primärgenerator zum Netz passen.
Die Möglichkeit
von ohmscher Belastung des Schlupfgenerators kann verwendet werden,
um in einer Einkuppelsituation besondere Vorteile zu erzielen. Der
Startpunkt ist, dass die Windmühle
stillsteht und zum Betrieb freigegeben wird. Der Rotor der Windmühle wird durch
den Wind beschleunigt. Der Frequenzwandler des Schlupfgenerators
wird mit Widerständen
nebengekuppelt, die so dimensioniert sind, dass die Charakteristik
der Kupplung einem relativ großem Schlupf
entspricht. Da das Trägheitsmoment
des Primärgenerators
relativ klein ist, wird der Rotor des Generators während der
Beschleunigungsphase ungefähr
mit derselben Drehzahl wie die Ausgangswelle des Getriebes angetrieben.
Wenn die synchrone Drehzahl erreicht ist, wird die Drehzahl durch
Blattsteigungsregelung des Rotors der Windmühle so weit wie möglich auf
synchroner Drehzahl gehalten. Wegen der Turbulenz des Windes wird
die Drehzahl jedoch manchmal schwanken. Während die Drehzahl ungefähr auf synchroner
Drehzahl gehalten wird, wird der Primärgenerator mittels des Frequenzwandlers,
der in dieser Situation nicht zum Betrieb des Schlupfgenerators
nötig ist,
der eine rein ohmsche Last hat, am Netz eingekuppelt. Das Einkuppeln
kann allmählich
stattfinden, so dass die Phasen- und Frequenzbedingungen für den Generator sanft
an das Netz angepasst werden. Das Einkuppeln wird beendet, indem
die Frequenz mit einem Schutz nebengekuppelt wird, wenn die Netz-
und Generatorseiten des Frequenzwandlers vollständig synchronisiert sind. Der
Primärgenerator
ist nun direkt mit dem Netz gekoppelt. Die Dimensionierung der Widerstände des
Generators zu einem relativ großen Schlupf
impliziert, dass Drehzahlveränderungen
keine inakzeptablen Leistungsschwankungen vom Primärgenerator
erzeugen. Der Frequenzwandler wird nun mit dem Schlupfgenerator
verbunden, die ohmsche Last des Schlupfgenerators wird entkuppelt, und
der Frequenzwandler kann dann die Kupplung wie gewünscht steuern
und regeln.
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Durch das obige Verfahren zum Einkuppeln wird
die Verwendung von konventioneller Synchronisierungsausrüstung für den Primärgenerator
vermieden, was allein in einer Einsparung resultieren kann. Noch
wichtiger ist jedoch, dass das Einkuppeln auf eine beliebig sanfte
Weise gewählt
werden kann, so dass der Primärgenerator
auch mit sehr schwachen Netzen gekoppelt werden kann, ohne Spannungsschwankungen
zu erfahren.
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In seiner grundlegenden Form ist
der Schlupfgenerator ein langsam laufender Generator, der drehsymmetrisch
oder auf andere Weise ausgeglichen ist, so dass sowohl Stator als
auch Rotor eine Drehung mit der Nenndrehzahl des Primärgenerators der
Windmühle
ertragen, vorzugsweise 1500 Umdrehungen pro Minute.
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Der Schlupfgenerator kann zweckmäßig für eine Nenndrehzahl
(relativ zwischen Stator und Rotor des Schlupfgenerators) von 150
Umdrehungen pro Minute ausgelegt werden. Die Relativdrehzahl zwischen
Stator und Rotor im Schlupfgenerator wird dann als die interne Drehzahl
bezeichnet, und die Drehzahl, mit der beide Komponenten drehen gelassen
werden, wird als die externe Drehzahl bezeichnet.
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Der Schlupfgenerator kann für ein Nenndrehmoment
entsprechend dem Drehmoment für den
Primärgenerator
ausgelegt werden. Es ist ein Vorteil, wenn das Drehmoment über den
ganzen internen Drehzahlbereich des Schlupfgenerators aufrechterhalten
werden kann. Für
eine 1-MW-Windmühle
kann dieses Drehmoment 7 kNm sein.
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Somit ist ein mehrpoliger, langsam
laufender Generator vorzusehen, der unabhängig von der internen Drehzahl
ein ungefähr
konstantes Drehmoment erbringen kann und der gleichzeitig Drehzahlen
von 1500 Umdrehungen pro Minute und vorzugsweise etwas mehr aushalten
kann.
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Für
eine 1-MW-Windmühle
mit 7 kNm beträgt
die Leistung im Schlupfgenerator ungefähr 100 kW bei einer internen
Nenndrehzahl von 150 Umdrehungen pro Minute. Bei einer internen
Drehzahl von 0 Umdrehungen pro Minute, bei der das Drehmoment auf
7 kNm gehalten wird, ist die Wirkleistung natürlich gleich 0, während es
im Gegenteil einen kleinen Verlust zum Aufrechterhalten eines stationären Magnetfeldes
gibt, das den Rotor erhalten kann.
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Sofern es einen sicher arbeitenden
Frequenzwandler gibt, ist es somit möglich, den Schlupfgenerator
mit aufrechterhaltenem vollen Drehmoment in einem internen Drehzahlbereich
von –150
bis +150 Umdrehungen pro Minute zu betreiben. Somit kann der Schlupfgenerator
als eine völlig
starre Kupplung zwischen dem Getriebe und dem Primärgenerator
wirken, er kann aber auch bis zu 10% Drehzahldifferenz oder mehr
zwischen dem Getriebe und der Generatorwelle verursachen, wenn die
externe Nenndrehzahl gleich 1500 Umdrehungen pro Minute ist.
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Durch Belastung mit einem festen
Widerstand, der als Heizelement wirkt, wird ein Drehmoment erzielt,
das bei einer internen Drehzahl von 0 gleich 0 ist und das bei der
internen Nenndrehzahl maximal ist. Diese Gestaltung ist im Sinne
der Regelung passiv, könnte
einem Motor oder Generator mit kleinem oder keinem Schlupf jedoch
einen externen Schlupf geben, was in manchen Situationen Torsionsschwingungen
verhindern kann. In dieser Anwendung hat der Schlupfgenerator die
Funktion, für
die man häufig
hydraulische Kupplungen oder Wirbelstromkupplungen verwendet. Es
besteht aber der Vorteil, dass Abwärme aus dem Schlupf nicht in
der Kupplung, sondern an dem wahlfreien Ort des Heizelements abgegeben
wird.
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Bei Belastung mit einem einstellbaren
Widerstand ist es möglich,
anfänglich
mit einem Kurzschluss zu arbeiten und den Widerstand allmählich zu
vergrößern. Hier
würde der
Schlupfgenerator ein Drehmoment erbringen, das größer wird,
wenn die interne Drehzahl 0 übersteigt.
Durch Einkuppeln des einstellbaren Widerstandes ist es möglich, das
volle Drehmoment von der Drehzahl 0 bis zur internen Nenndrehzahl
aufrechtzuerhalten. Hierdurch kann eine gleichförmige Last bei externer Nennleistung
erzielt werden, und man kann sagen, dass die Funktion erfüllt wird,
die frühere
hydraulische Kupplungen oder Wirbelstromkupplungen hatten. Auch
hier wird ein Vorteil erzielt, indem Abwärme aus dem Schlupf nicht in
der Kupplung, sondern an dem wahlfreien Ort des Heizelements abgegeben
wird.
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Mit einer Konstruktion einer Windmühle gemäß der Erfindung,
bei der der Schlupfgenerator von dem Frequenzwandler belastet oder
gespeist wird, kann man innerhalb von +/- interne Nenndrehzahl mit wahlfreier
Drehmomentbelastung arbeiten. Verglichen mit einer Konstruktion
mit Widerständen
besteht somit die Möglichkeit
eines erweiterten Drehzahlbereichs und gleichzeitig voller Flexibilität bei der Regelung,
auch wenn der Generator in den Motorbereich hinuntergeht und gleichzeitig
die Schlupfleistung wiedergewonnen und dem Stromnetz zugeführt wird.
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Wegen der Mittel zur Erzielung der
gewünschten
Wirkung wird auf die Ansprüche
Bezug genommen.
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Es folgt eine nähere Beschreibung der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Figuren. Der Primärgenerator in der Beschreibung
sei ein Synchrongenerator mit fester Drehzahl von 1500 Umdrehungen pro
Minute, während
der Schlupfgenerator ein Synchrongenerator sei, der mit einem Frequenzwandler versehen
ist, der einen Drehzahlbereich von 0 bis 250 Umdrehungen pro Minute
in der Kupplung ergibt. In einer realen Ausführungsform können andere
Generatortypen und Drehzahlbereiche gewählt werden.
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Beschreibung der Zeichnung
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Es folgt eine nähere Beschreibung der Erfindung
unter Bezugnahme auf die Zeichnung, in der:
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1 eine
Teilansicht eines Kraftübertragungssystems
einer Windmühle
gemäß der Erfindung
ist,
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2 ein
vergrößertes Detail
von 1 ist, und
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3 bis 6 Kurven für Drehmoment-
und Leistungsbedingungen bei einer nach einem erfindungsgemäßen Verfahren
betriebenen Windmühle sind.
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1 zeigt
ein Detail eines Kraftübertragungssystems
in einer Windmühle
gemäß der Erfindung.
Ein Getriebe 1 ist mit einer Bremsscheibe 2 und
einem Bremssattel 3 versehen. Eine elastische Kupplung 4 verbindet
das Getriebe mit einem Schlupfgenerator 5. Der Schlupfgenerator
wird von einem Primärgenerator 16 getragen,
so dass der Schlupfgenerator zwischen dem Getriebe und dem Primärgenerator
montiert ist. Die Kupplung ist im Halbquerschnitt gezeigt, während die
meisten anderen Komponenten, die bei Windmühlen Standard sind, in normaler
Seitenansicht gezeigt sind.
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2 zeigt,
dass die elastische Kupplung 4 ein elastisches Element 15 aufweist.
Das Statorgehäuse 6 des
Schlupfgenerators ist mit einer Statorpackung 7 und einer
Statorwicklung 8 versehen. Das Statorgehäuse ist
mit einem Verbindungsstück 9 mit dem
elastischen Kupplungselement 15 verbunden. Das Verbindungsstück trägt die Schlupfringe 10,
die die Leistung von der Statorwicklung 8 aufnehmen. Der
Rotor der Kupplung hat eine Hohlwelle 11, die auf der Welle 12 des
Primärgenerators
montiert ist. Der Rotor 13 trägt eine Anzahl von Polen 14,
hier als Dauermagneten hergestellt. Ein Frequenzwandler und Widerstände für die Kupplung
sind in der Figur nicht gezeigt.
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3 zeigt
ein Beispiel für
eine Drehmomentcharakteristik eines gemäß der Erfindung hergestellten
Schlupfgenerators.
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Wenn der Schlupf gleich 0 ist, hält die Primärgeneratorwelle
mit der Ausgangswelle des Getriebes Schritt, und das Kupplungsdrehmoment
ist gleich 0. Wenn die Drehzahl des Getriebes zunimmt, nimmt auch
der Schlupf zu, und die Drehmomentcharakteristik ist von 0 bis 5%
Schlupf ungefähr
linear. Wenn das volle Drehmoment erreicht worden ist, ändert sich
die Drehmomentcharakteristik des Schlupfgenerators so, dass das
Drehmoment in eine hyperbolische Funktion des Schlupfes umgeformt
wird. Wenn der Schlupf eine bestimmte Grenze übersteigt, findet Umschalten
auf eine neue hyperbolische Funktion statt, die die Leistung des
Schlupfgenerators auf einem bestimmten Pegel hält, um thermische Überlastung
der Kupplung zu vermeiden.
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4 zeigt
die Leistungsbedingungen der Windmühle als Resultat einer Drehmomentcharakteristik
wie in 3 gezeigt.
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Bei der synchronen Drehzahl, 100%,
hält die Primärgeneratorwelle
mit der Getriebeausgangswelle Schritt, und im Schlupfgenerator wird
keine Leistung abgegeben. Wenn die Drehzahl des Getriebes zunimmt,
nimmt der Schlupf zwischen dem Getriebe und dem Generator zu, und
im Schlupfgenerator wird ein größeres Drehmoment übertragen.
Wenn bei 5% Schlupf volles Drehmoment erreicht ist, erbringt die Windmühle 100%
Leistung. Die Drehmomentcharakteristik des Schlupfgenerators ändert sich
wie in 3 gezeigt, so
dass die Gesamtleistung auf 100% gehalten wird. Wenn die Drehzahl
zunimmt, nimmt auch die von der Kupplung absorbierte Leistung zu (obwohl
das Drehmoment etwas abnimmt), und die Leistung des Primärgenerators
fällt entsprechend,
so dass die Gesamtleistung konstant wird. Diese Charakteristik erfordert
keinerlei Steuerung des Primärgenerators,
sondern wird durch die klare Verbindung von Drehzahl und Drehmoment
am Schlupfgenerator erreicht, gesteuert durch den Frequenzwandler. Wenn
der Schlupf eine bestimmte Grenze übersteigt, wird der Schlupfgenerator
auf einem bestimmten Pegel gehalten, um Überlastung zu vermeiden, und
die Gesamtleistung der Windmühle
beginnt wieder zu fallen.
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Die gezeigte Charakteristik ist nur
ein Beispiel für
ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb der Windmühle. Mit
dem Schlupfgenerator sind viele andere Drehmomentcharakteristiken
und dadurch Gesamtcharakteristiken für die Windmühle möglich. Eine spezielle Gruppe
wird durch Charakteristiken gebildet, bei denen der Schlupfgenerator
im unteren Teil des Betriebsbereichs als Motor betrieben wird. Dadurch
kann der Drehzahlbereich der Windmühle beträchtlich erweitert werden.
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5 zeigt
ein Beispiel für
eine Drehmomentcharakteristik eines Schlupfgenerators gemäß der Erfindung,
wobei die Kupplung in einem Teil des Betriebsbereichs als Motor
betrieben wird.
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Die Kupplung wird als Motor mit einer
Drehmomentcharakteristik betrieben, die eine lineare Funktion des
Schlupfes ist. Wenn der Schlupf gleich 0 ist, hält die Primärgeneratorwelle mit der Getriebeausgangswelle
Schritt, und das Drehmoment der Kupplung ist maximal. Die Drehmomentcharakteristik des
Schlupfgenerators ändert
sich hier so, dass das Drehmoment in eine hyperbolische Funktion
des Schlupfes umgeformt wird, während
die Kupplung gleichzeitig als Generator zu arbeiten beginnt. Wenn der
Schlupf eine bestimmte Grenze übersteigt,
findet Umschalten auf eine neue hyperbolische Funktion statt, die
die Leistung des Schlupfgenerators auf einem bestimmten Pegel hält, um thermische Überlastung
der Kupplung zu vermeiden.
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6 zeigt
die Leistungsbedingungen für die
ganze Windmühle
als Resultat einer Drehmomentcharakteristik wie in 5 gezeigt.
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Bei der subsynchronen Drehzahl, hier
70%, wo die Kupplung Drehmoment zu erbringen anfängt, beginnt die Windmühle Leistung
zu erbringen. Im Bereich von 0 bis 100% Leistung erbringt der Primärgenerator
zusätzliche
Leistung im Vergleich mit der von der Windmühle erbrachten Leistung, die
der von der Kupplung als Motor absorbierten Leistung entspricht. Wenn
der Schlupf gleich 0 ist, wird das Drehmoment der Kupplung maximal,
aber da der Schlupf gleich 0 ist, wird keine Leistung im Schlupfgenerator
abgegeben. Die Gesamtleistung wird hier vom Primärgenerator erbracht, und der
Pegel wurde als 100% der Nennleistung gewählt. Hier ändert sich die Drehmomentcharakteristik
des Schlupfgenerators wie in 5 gezeigt,
so dass die Gesamtleistung auf 100% gehalten wird. Wenn die Drehzahl
zunimmt, steigt auch die von der Kupplung absorbierte Leistung an (obwohl
das Drehmoment etwas abfällt),
und die Leistung vom Primärgenerator
fällt entsprechend,
so dass die Gesamtleistung konstant wird.