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Elektrisches Windkraftwerk Die Erfindung bezieht sich auf elektrische
Windkraftwerke, bei denen die aktiven Teile des in bekannter Weise ringförmig ausgebildeten
Stromerzeugers unmittelbar auf- den Radkränzen der Windturbinen angeordnet sind
und einen dementsprechend großen Durchmesser besitzen.
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Bei Windkraftwerken der genannten Art ist man aus konstruktiven Gründen
darauf angewiesen, den Stromerzeuger als Wechselstromgenerator auszubilden. Da man
aber bei Windturbinen mit sehr starken Drehzahlschwankungen rechnen mini, erzeugen
Windkraftwerke einen Wechselstrom entsprechend schwankender Frequenz, der für die
Elektrizitätsversorgung nicht unmittelbar zu verwenden ist. Man hat daher bereits
vorgeschlagen, den erzeugten Wechselstrom gleichzurichten, um ihn dann entweder
als Gleichstrom oder nach entsprechender Umrichtung als Wechselstrom konstanter
Frequenz dem Netz zuzuführen. Hierbei wird man sich in der Praxis vorzugsweise einer
Uinformeranordnung bedienen, die aus gittergesteuerten Gas- oder Dampfentladungsstrecken
besteht.
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Die Erfindung betrifft die besonders einfache und vorteilhafte Ausbildung
eines derartigen Windkraftwerkes und geht von der Erkenntnis aus, daß der ungewöhnlich
große Durchmesser (foo bis iSo m) der bei diesen Windkraftwerken zu verwendenden
ringfÖrmigen Stromerzeuger deren Aufteilung in sehr viele (30o bis 500) Pole erforderlich
macht und daß diese starke Aufteilung des Polkranzes elektrotechnisch völlig neuartige
Möglichkeiten eröffnet.
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Nach der Erfindung wird der beschriebene ringförmigeWechselstromerzeuger
sehr großen Durchmessers als polyphasiger Stromerzeuger mit mindestens acht gleichmäßig
über den Umfang verteilten Phasen ausgebildet. Gleichzeitig werden die Wicklungsenden
der einzelnen Phasenwicklungen an die gittergesteuerten Anoden eines Gas- oder Dampfentladungsapparates
gelegt, während die elektrischen Mittelpunkte dieser Wicklungen miteinander verbunden
bzw. geerdet sind, so daß eine Sternschaltung mit geerdetem Sternpunkt entsteht.
Hierbei gelingt es, trotz der schwankenden Drehzahl des windbetriebenen Stromerzeugers,
einen Wechselstrom konstanter, von einer Steuerfrequenz bestimmter Ausgangsfrequenz
zti erzielen, wenn man die Steuergitter des Entladungsapparates über einen synchron
mit dem windbetriebenen Stromerzeuger umlaufenden Kollektor steuert, welcher über
seine Bürsten mit einem zweiten, synchron mit- der Steuerfrequenz laufenden Kollektor
in Reihe liegt. Anderseits gelingt es- hierbei, zu einem besonders wohlgeglätteten
Gleichstrom
zli konnnen, wenn lnan den i;ntladuiigsapparat als Gleichrichter ausbildet und in
,einen Gleichstromkreis eine Ausgleichsnlaschine legt, die von einem unmittelbar
an den windbetriebenen Wechselstromerzeuger angeschlossenen Synchronmotor altgetrieben
wird.
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Die Erfindung sei im folgenden an Hand der Abbildungen näher erläutert.
Fig. i zeigt schematisch eine Windkraftmaschine an sich bekannter Art, deren Turm
T zwei gleichachsig unmittelbar hintereinander angeordliete gegenläufige Windräder
bfr, und fI"= trägt, an deren i und 2 die ringförmigen Polsysteme des induzierenden
und des induzierten Teiles eines elektrischen Stromerzeugers befestigt sind. Der
Größe des Windrades entsprechend besitzen diese Ringe einen sehr großen Durchmesser,
welcher den Durchmesser normaler Stromerzeuger erheblich übersteigt. Nach der Erfindung
wird dieser Stromerzeuger nun als polyphaser Wechselstromerzeuger finit mindestens
acht gleichmäßig über den Zyklus verteilten Phasen ausgebildet. Die 'Mittelpunkte
der einzelnen Phasenwicklungen sind zweckmäßig an der Masse des Windradsystenis
geerdet, so daß also mir eine der Phasenzahl entsprechende Anzahl von Leitungen
zum SchleifringsYsteln 3 und von dort aus über das Kabel q. zum Stromrichter 1I
geführt zu -,werden braucht.
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Die im Stromrichter AI für die Herstellung eines Hetzfähig geglätteten
Gleichstromes dienende Schaltung zeit Fig. 2. Der Übersichtlichkeit halber sind
in Fig.2 nur acht Phasenwicklungen I bis VIII dargestellt, obwohl nian in der Praxis
zweckmäßig mit einer noch wesentlich größeren Phasenzahl arbeitet. Die dargestellten
Wicklungen liegen in Sternschaltungen an den acht Anoden des Gleichrichters 5. Zwischen
der Kathode 6 des Gleichrichters 5 und der Erde wird die gleichgerichtete Spannung
mittels der Schienen 7. 8 entnommen. In die zur Kathode führende Schiene ist eine
Ausgleichsmaschine 9 eingeschaltet, welche über die Hilfswicklung io und den von
dieser Hilfswicklung io gespeisten Synchroninotor i i unmittelbar von dem Wechselstrom
des windbetriebenen Stromerzeugers angetrieben wird.
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Das Stromkurvenschaubild des Gleichrichters 5 zeigt Fig. 3. -Man erkennt,
daß bereits die zeichnerisch dargestellte, vereinfachte Ausrüstung des Stromerzeugers
mit nur acht Phasen einen Gleichstrom von verhältnismäßig geringer MFelligkeit ergibt.
Diese restliche Welligkeit kann jedoch völlig beseitigt .werden, wenn man die Ausgleichsmaschine
9 so bemißt, daß sie die in Fig. q. dargestellte Stromkurve erzeugt. Durch die Überlagerung
dieser Stromkurve mit der nach Fig.3 deli Gleichrichter @ durchfließenden Stroinktirve
ergibt sich ein nahezu restlos geglätteter Gleichstrom.
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Die im Stromrichter 11 für die Herstellung eines netzfälligen
Wechselstromes konstanter, von einer Steuerfrequenz selbsttätig geregelter Ausgangsfrequenz
anzuwendende U niricliteranordnung zeigt Fig. 5. Die mit Steuergittern ausgerüsteten
Anoden des Stroniricliters 12 seien in einer Fig. 2 entsprechenden Weise mit den
Wicklungen I bis `-III des windbetriebenen Stromerzeugers verbunden. Die einzelnen
Steuergitter sind über getrennte 1@'iderstände 13 und die gemeinsame Batterie 14.
im Ruhestand gegen die Kathode negativ vorgespannt. Sie sind andererseits über ein
Schleifringsystem 15 mit den Lamellen eines Kollektors 16 verbunden, der vom Synchroninotor
17 synchron mit der vom windbetriebenen Stroherzeuger gelieferten Frequenz angetrieben
wird. Der Kollektor 16 wirkt niit einem zweiten Kollektor r8 zusammen. der von dein
Synchronmotor i9 synchron mit der an die Klemmen 2o gelegten. Steuerfrequenz angetrieben
wird. Die Dürsten der beiden Kollektoren 16, 18 .sind miteinander verbunden.
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Über die beschriebene Kontaktvorrichtung «-erden die einzelnen Steuergitter
des Stromrichters 12 mit der Kathode oder einem gegelieeignet gewählten, durch die
Batterie 21 ferten positiven Potential verbunden und ermöglichen hierdurch jeweils
zu einem von der Stellung der beiden Kollektoren ' zu ihren Bürsten abhängigen Zeitpunkt
einen Einsatz der Entladung an den-- ihnen zugeordneten Anoden. Hierbei wählt der
von der Steuerfrequenz angetriebene Kollektor 18 den Zeitpunkt für den Einsatz eines
neuen Entladungsweges, während der Kollektor 16 diejenige Phasenwicklung des windbetriebenen
Generator: auswählt, «-elche sich gerade in der richtigen, eine Zündung ermöglichenden
Phasenlage befindet. Im einzelnen erkennt man die Wirkungsweise dieser Anordnung
aus Fig. 6.
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Fig. C; zeigt drei Spannungskurven, welche zeitlich unmittelbar zusammengehören.
Die mittlere Spannungskurve 1) gibt die a.n (len Klemmen 2o eingeführte Steuerspannung
wieder, welche die Drehzahl tuid Stellung des lollektors 18 bestimmt. Es sei angenommen,
daß der Kollektor 18 mit einer Drehzahl umläuft. welche der Netzfrequenz entspricht;
in diesem Falle braucht auf dein Umfang des Kollektors 18 nur ein einziges Kontaktseginen.t
vorgesehen zu sein, das die Hälfte seine Umfanges einnimmt.
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Mittels des Kollektors 18 wird dann innerhalb jeder zweiten Halbperiode
der Steuerfrequenz die positive Spannung der Batterie 21 an die Bürsten des Kollektors
16 gelegt.
Dieser Kollektor wählt hierbei die Steuergitter aus,
auf welche er diese Spannung weiter überträgt.
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Durch den Kollektor 16 wird nun in jeder Halbperiode nicht nur ein
einziges Steuergitter ausgewählt, sondern. eine Mehrzahl von Gittern, denen nacheinander
positive Spannungsimpulse zugeführt -werden und die damit eine Zündung der Entladung
zu ihrer zugehörigen Anode herbeiführen. Die Zahl der in jeder Halbperiode gezündeten
Anoden hängt hierbei lediglich von der Drehzahl des Kollektors 16, d. h. von der
jeweiligen Frequenz des -windbetriebenen Stromerzeugers ab. .
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Die Spannungen der acht Phasen, die an den Anoden des Entladungsapparates
12 auftreten, sind in Fig. 6 durch gestrichelteLinien angedeutet und durch rörnischeZiffern
jeweils an ihrem linken Schnittpunkt mit der Zeitachse bezeichnet. Der im oberen
Schaubild dargestellte Kurvenzug a und der im unteren Schaubild dargestellte Kurvenzug
c entsprechen dabei zwei verschiedenen Drehzahlen (d. h. Frequenzen) des -windbetriebenen
Stromerzeugers, und zwar -werden bei a jeweils fünf Phasen während einer Halbwelle
der als Zeitmaß dienenden Steuerspannung b positiv, während bei c sieben Phasen
die resultierende Kurve aufbauen. Man. erkennt, daß die resultierenden, in Fig.
6 voll ausgezogenen Spannungskurven a und c im Transformator 22 einen Wechselstrom
gleicher Grundfrequenz erzeugen, so daß sich die Schwankungen der Frequenz des windbetriebenen
Generators nur noch durch verschiedenen Oberwellengehalt bemerkbar machen, die jedoch
um so unbeachtlicher werden, je höher man dieAnzahl der erfindungsgemäß in hoher
Zahl verwendeten Phasen wählt.
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Um ein Parallelschalten des Windkraftwerkes mit anderen Netzen zu
erleichtern, empfiehlt es sich, eine stetige Verschiebung der Phase der Ausgangsspannung
gegen die Phase der Steuerspannung zu ermöglichen. Zu diesem Zwecke kann man ein
Handrad 23 vorsehen, das mittels eines Schneckengetriebes den Ständer des Synchronmotors
ig um seine Achse zu drehen erlaubt. Man übersieht ohne -weiteres, daß eine solche
Drehung zu einer vorübergehenden Vor- bzw. Nacheilung des Kollektors i8 und damit
der resultierenden Wechselspannungskur ve (a, c) führen muß, durch welche man deren
Phase in jede geiviinschte Lage zur Phase des parallel zu schaltenden Netzes bringen
kann.