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Windkraftanlage Es ist bekannt, mit Hilfe von vom Wind oder
einem ähnlich strömenden Medium angetriebenen Motoren elektrische Stromerzeuger
anzutreiben. Die Drehzahl derartiger Windmotoren ist weitgehend von der Strömungsgeschwindigkeit
des Mediums, also von der Windgeschwindigkeit abhängig. Andererseits wirkt aber
auch die elektrische Belastung des Stromerzeugers auf die Drehzahl des Windmotors
zurück, so daß unter Umständen ein unerwünschter Schlupf im Windmotor eintreten
kann. Besondere Verhältnisse liegen bei Stromerzeugern vor, die \\-echselstrom erzeugen
und hierbei diesen Strom an ein verhältnismäßig großes Netz liefern, dessen Frequenz
durch andere Stromerzeuger bestimmt oder gehalten wird. In diesen Fällen ist die
Drehzahl der Wechselstromerzeuger zunächst durch die Netzfrequenz bestimmt, so daß
bei veränderlicher Windgeschwindigkeit ein Schlupf im Windmotor unvermeidlich erscheint.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat man als Wechselstromerzeuger mit Antrieb durch
Windmotoren Wechselstromkommutatormaschinen verwendet, bei denen die Drehzahl bei
gleichbleibender Frequenz durch Bürstenverschiebung geändert werden kann. Bei Stromerzeugungsanlagen
dieser Art ist der beste Wirkungsgrad dann zu erreichen, wenn die Drehzahlregelung
der Maschine in der Weise durchgeführt wird, daß sie sich linear mit der Windgeschwindigkeit
ändert. Xhnliche Bedingungen liegen auch bei Gleichstromnebenschlußgeneratoren vor.
Bei diesen steht die Spannung in einem starren Verhältnis zu der Drehzahl. Wenn
also
dort die Spannung festliegt, ist es für einen guten Wirkungsgrad erwünscht, die
Regelung der Maschine, d. h. hier vorzugsweise die Regelung der Nebenschlußerregung,
in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des antreibenden Mediums durchzuführen.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Drehzahlregelung
für derart angetriebene Stromerzeuger mit geringem Aufwand auf einfache Weise durchzuführen.
Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Regelung der vom Windmotor
angetriebenen Maschine in Abhängigkeit von einem Vergleich der Drehzahl dieser Maschine
mit einer der Windgeschwindigkeit ent-. sprechenden Sollwertdrehzahl durchgeführt
wird. Der Sollwert kann beispielsweise von einem Windgeschwindigkeitsmesser, einer
von einem kleinen Windmotor angetriebenen Tachometerdynamo oder auf ähnliche Weise
gewonnen werden. Eine sehr zweckmäßige Anordnung ergibt sich, wenn für die Bestimmung
des Sollwertes ein kleiner Hilfsmaschinensatz verwendet wird, der aus einem Windmotor
und einem von diesem angetriebenen Lüfter, also der Umkehrung eines Windmotors,
besteht. Ein solcher Lüfter hat nämlich im wesentlichen dasselbe Drehzahl-Drehmomentverhalten
wie der ihn antreibende Windmotor, da bei beiden praktisch eine quadratische Abhängigkeit
des Drehmoments von der Drehzahl besteht. Es ergibt sich hieraus, daß ein solcher
Hilfsmaschinensatz stets mit einer der Windgeschwindigkeit entsprechenden Drehzahl
umläuft, also einer Drehzahl, die dem Sollwert für eine Regelung des Stromerzeugers
für wirtschaftliches Arbeiten entspricht. Der Vergleich der beiden Drehzahlen und
eine von diesem abgeleitete Beeinflussung der Drehzahl des Stromerzeugers kann auf
beliebige, in der Regeltechnik bekannte Weise erfolgen. Eine einfache Anordnung
ergibt sich beispielsweise mit Hilfe eines Differentialgetriebes, das bei Übereinstimmung
der Drehzahlen stillsteht, bei Abweichungen der Drehzahlen eine diesen entsprechende
langsame Bewegung entsprechend der Richtung der Abweichung durchführt. Ein solches
Differentialgetriebe kann einen Regler mit Rückführung und Dämpfung, beispielsweise
in Gestalt eines Zeigerreglers, beeinflussen.
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Bei Wechselstromkommutatormaschinen wird dann die Bürstenverschiebung
in Abhängigkeit hiervon durchgeführt. Bei Gleichstromnebenschlußmaschinen läßt man
zweckmäßig das Differentialgetriebe auf die Erregung des Nebenschlußfeldes einwirken.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgedankens
dargestellt. In Fig. i bezeichnet i einen Windmotor, mit dem eine läufergespeiste
Drehstromnebenschlußmaschine 2 unmittelbar gekuppelt ist, deren Schleifringe auf
ein Drehstromnetz 3 geschaltet sind. Die Bürstenbrücke wild durch einen. Verstellmotor
4 betätigt, der durch einen Zeigerregler 5 im einen oder anderen Sinne zu- und abgeschaltet
wird. Der Regler 5 spricht über das Differentialgetriebe 6 an. Diesem wird einmal
die Drehzahl des Hilfsmaschinensatzes, bestehend aus Windmotor 7 und Lüfter 8, als
Sollwert, andererseits die Drehzahl des Windmotors i als Istwert zugeleitet. Sind
beide gleich, so ist die dem Regler 5 zugeführte Drehzahl Null, und der Regler befindet
sich in Ruhe. Weicht dagegen der Istwert vom Sollwert ab, so spricht der Regler
an und regelt den Generator 2 auf die richtige Drehzahl ein. Durch die Wahl der
Übersetzung vom Differentialgetriebe 6 auf den Zeigerregler 5 sowie durch Einstellung
der Rückführung und der Dämpfung am Regler selbst hat man es weitgehend in der Hand,
Überregelungen und Pendelungen zu vermeiden. Fig. 2 zeigt den Verlauf dies Drehmoments
über die Drehzahl bzw. der Windgeschwindigkeit für den Hilfsmaschinensatz. Hieraus
geht hervor, daß jeder Windgeschwindigkeit ein ganz eindeutiges Drehmoment zugeordnet
ist. Da die Drehzahl des Hauptmaschinensatzes an die des Hilfsmaschinensatzes gebunden,
ist, besteht die Gewähr, daß die anfallende Windenergie jeweils bei günstigster
Drehzahl verarbeitet wird.
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Der Vergleich von Istwert und Sollwert der Drehzahlen kann nicht nur
auf mechanischem, sondern auch auf elektrischem Wege erfolgen. Ebenso kann auch
an Stelle eines Zeigerreglers ein anderer bekannter Regler, z. B. ein Öldruckregler,
verwendet werden, der unmittelbar die Bürstenbrücke betätigt.
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Man kann auch auf den Regler 5 verzichten und den Verstellmotor 4
unmittelbar durch das Differentialgetriebe 6 beeinflussen. Der Neigung zum Überregeln
und Pendeln kann man hierbei durch Wahl einer geeigneten Übersetzung ins Langsame
zwischen Differentialgetriebe und Schalterbetätigung weitgehend begegnen. Fig. 3
zeigt diese vereinfachte Anordnung. Der Verstellmotor 4 wird hier unmittelbar vom
Differentialgetriebe 6 ab-, zu-und umgeschaltet.
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Man kann unter Umständen auch noch einen Schritt weitergehen und das
Differentialgetriebe unter Wegfall des Reglers 5 und des Verstellmotors 4 unmittelbar
auf die Bürstenbrücke einwirken lassen, wie es Fig. 4 zeigt. Wie beim Regler werden
hierbei große Abweichungen der Drehzahl vom Sollwert schnell und kleine langsam
ausgeregelt. Man wird auch hier zweckmäßig wieder eine geeignete Übersetzung ins
Langsame zwischen Differentialgetriebe und Bürstenbrücke wählen, um Überregelungen
und Pendelungen zu vermeiden bzw. gering zu halten.
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Es ist auch möglich, die Drehzahl des Windmotors unter Wegfall des
Hilfsmaschinensatzes selbst als Sollwert zu benutzen und ihr als Istwert die Leistung
des Generators zuzuordnen. Dies kann z. B. unter Verwendung eines wattmetrischen
Relais erfolgen, das mit einer Gegenfeder mit von der Drehzahl gesteuerter Zugkraft
arbeitet. Die Zugkraft der Gegenfeder kann z. B. mit Hilfe einer von einem Fliehkraftpendel
gesteuerten Kurvenscheibe in jede gewünschte Abhängigkeit von der Drehzahl gebracht
werden.
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Fig. 5 zeigt eine solche Anordnung. Mit dem
Generator
2 ist ein Fliehkraftpendel gekuppelt, das über eine Kurvenscheibe io der Gegenfeder
ii des Relais verschiedene Zugkräfte zuordnet, die von dem wattmetrischen Spulensystem
12 ebenfalls aufgebracht werden müssen, damit das bewegliche System in der Nullage
bleibt. Auf diese Weise wird jeder Drehzahl eine bestimmte Leistung des Generators
zugeordnet, die beim Abweichen von, ihrem Sollwert über den Verstellmotor 4 die
Bürstenbrücke des Generators im einen oder anderen Sinne betätigt.
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Statt einer regelbaren DrehstromnebenschluB-maschine kann auch eine
andere regelbare Maschine für Gleich- oder Wechselstrom verwendet werden, bei der
das Differentialgetriebe 6 bzw. das wattmetrische Relais io bis 12 auf das Verstellglied
einwirkt.
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Mit Vorrichtungen der vorbeschriebenen Art ist es demnach möglich,
mit einfachen Mitteln eine selbsttätige Einregelung der günstigsten Drehzahl und
dadurch eine wirtschaftliche Ausnutzung der anfallenden Wind- oder andersartigen
Strömungsenergie zu erreichen.