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Anordnung zur Spannungs- und Drehzahlregelung für windkraftelektrische
Anlagen, "insbesondere für kondensatorerregte Asyndirongeneratoren und Synchrongeneratoren
mit lastabhängiger Erregung Es ist bekannt, einen Asynchrongenerator dadurch als
selbständigen Generator zu betreiben, daß ein Kondensator seinen Klemmen parallel
geschaltet wird. Damit die Spannung konstant bleibt, hat man vorgeschlagen, den
Asynchrongenerator über Gleichrichter auf eine Batterie arbeiten zu lassen, die
einen veränderlichen Belastungswiderstand annähernd gleichbleibender Spannung darstellt.
Eine solche Anordnung ist in Fig. i der Zeichnung zur Ausnutzung der Windenergie
dargestellt. Der Windmotor i treibt den Asynchrongenerator 2, einen normalen Kurzschlußläufergenerator,
an, dem der Kondensator.3 parallel geschaltet ist. Der Asynchrongenerator 2 arbeitet
über die Gleichrichteranordnung 4 auf die Batterie 5. Eine solche Anlage kann ohne
Regler arbeiten, da bei wechselnder Windenergie die Batterie 5 den Asynchrongenerator
2 immer so belastet, daß seine Spannung annähernd konstant bleibt. Sobald die Windenergie
groß genug ist, läuft der Windmotor i an und, wenn die Spannung ausreicht, um über
die Gleichrichteranordnung 4 die Gegenspannung der Batterie 5 zu überwinden, gibt
der Asynchrongenerator 2 die Windenergie als elektrische Energie an die Batterie
5 ab. Flaut der Wind ab und verliert der Asynchrongenerator 2 seine Spannung, so
sperrt die Gleichrichteranordnung 4 selbsttätig den Rückstrom aus der Batterie 5
ih den Asynchrongenerator 2.
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In Fig.2 sind die Kennlinien eines kondensatorerregten Asynchrongenerators
bei verschiedenen konstarten
Belastungswiderständen dargestellt.
Man erkennt, daß mit zunehmender Belastung die Drehzahl erhöht werden muß, damit
die Spannung konstant bleibt. Die Drehzahlzunahme zwischen Leerlauf und Vollast
beträgt z. B. bei einem 14-kW-Generator für i5oo U/min etwa io°/o und die Frequenzzunahme
etwa 7°/0.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Anordnung zur Spannungs- und Drehzahlregelung
für windkraftelektrische Anlagen, insbesondere für ' kondensatorerregte Asynchrongeneratoren
und Synchrongeneratoren mit lastabhängiger Erregung, bei der ohne eine die Spannung
vorschreibende Batterie die Spannung des von dem Windmotor angetriebenen kondensatorerregten
Asynchrongenerators könstant.gehalten werden kann. Gemäß der Erfindung werden in
Abhängigkeit von der Generatorspannung die Flügel des Windrades so verdreht, daß
die Beaufschlagung mit abnehmender Generatorspannung zunimmt und umgekehrt. Vorzugsweise
wird man durch Endbegrenzungen eine Verstellung der Flügel über die Endlagen hinaus
verhindern. Ferner wird man durch' eine zusätzliche Regelung in Abhängigkeit von
der Drehzahl des Windrades bewirken, daß die Drehzahl keine zu hohen Werte erreicht,
wenn aus irgendeinem Grunde keine Spannung .vorhanden ist. Die Verstellung der Flügel
wird zweckmäßig mittelbar über einen Servomotor, vorgenommen, d. h. eine Vorrichtung,
bei der bereits eine kleine Steuerenergie eine große Verstellenergie auslöst. Als
Servomotor kann man beispielsweise ein vom Windmotor angetriebenes Differentialgetriebe
vorsehen. Zwei von seinen drei Wellen sind mit Antriebsrädern versehen, die durch
ein Steuergestänge so verstellt werden, daß die vom Windmotor erzeugte limfangsgeschwindigkeit
des einen Rades zunimmt, während die des anderen abnimmt und umgekehrt. Die dritte
Welle mit der Differenzdrehzahl treibt über eine drehbare Festmutter ein mit Gewinde
versehenes Verstellgestänge, das über eine auf der Windradwelle axial verschiebbare
und mit ihr umlaufende Nabe die Flügel des Windrades verdreht.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Fig. 3 der Zeichnung
dargestellt. In Fig. 3 ist mit 6 die Flügelradhaube des Windrades, an der die Flügel
befestigt sind, bezeichnet. Von den Flügeln ist nur einer dargestellt, er trägt
das Bezugszeichen 7. Der Flügel kann um seine Achse mit Hilfe des Hebels 8 gedreht
und dadurch die Windbeaufschlagung beeinflußt werden. Der Hebel 8 wird über die
Feder g von der mit der Windradwelle io umlaufenden und auf ihr axial' verschiebbaren
Nabe ii verstellt. Die Verstellung erfolgt über das Gestänge 12, das über den Winkelhebel
13 von der mit Gewinde versehenen Stange 14 (Verstellgestänge) betätigt wird. Diese
selbst wird durch die Festmutter 15 nach oben oder unten bewegt. Die Festmutter
15 wird durch eine Schneckenwelle 16 angetrieben und diese wieder von dem Differentialgetriebe
17, das nur schematisch dargestellt ist. Diesem Differentialgetriebe 17 werden die
Eingangsdrehzahlen über die Räder 18 und i9 zugeführt, die auf ihren zugehörigen
Wellen axial verschiehbar sind. Im Ausführungsbeispiel werden sie von der auf der
Vfindradwelle io befestigten Scheibe 2o als Reibräder angetrieben. Befinden sich
die Laufebenen der beiden Räder 18 und i9 in gleichem Abstand von der Windradwelle
io, so laufen sie mit der gleichen Drehzahl um, und die Differenzdrehzahl ist Null.
Sind beide Räder 18 und i9 nach oben verschoben, so läuft das Rad 18 schneller als
das Rad i9 um, und die Flügel 7 werden über die Schneckenwelle 16, die Nestmutter
15, die Stange 14, den Winkelhebel 13, das Gestänge 12, die axial verschiebbare
Nabe ii auf der Windradwelle io, die Feder g und den Hebel 8 in dem einen Sinne
verstellt. Werden die Räder 18 und i9 nach unten gerückt, so ändert sich der Anstellwinkel
der Flügel 7 im entgegengesetzten Sinne. Die Einstellung der Höhenlage der Räder
i8 und i9 erfolgt über das Gestände 2i (Steuergestänge), an dem mehrere Einflüsse
Bugreifen- Zunächst steht es unter dem Einfluß der Spannungsspule 22 (Spannungsrelais)
und der Gegenfeder 23. Die Spannungsspule 22 wird von der Spannung des nicht dargestellten
Generators gespeist. Bei zu hoher Generatorspannung geht das Gestänge 21 nach oben,
und die Flügel 7 werden im Sinne kleinerer Beaufschlagung verstellt, so daß die
Drehzahl zurückgeht. Das Umgekehrte ist der Fall, wenn die Generatorspannung zu
niedrig ist. Die Verstellgeschwindig.-keit der Flügel ? ist um so größer, je größer
die Abweichung der Generatorspannung von ihrem Sollwert ist. Beim Sollwert ist die
Differenzdrehzahl des Differentialgetriebes 17 Null, und die Flügel 7 behalten die
erreichte Lage bei. Die Regelung ist also astatisch, .
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Um eine Beschädigung des Verstellgerätes 14 zu vermeiden, wird eine
Verstellung der Flügel ? über die Endlagen hinaus verhindert. Im Ausführungsbeispiel
sind hierzu ein Anschlag 24 am Verstellgestänge 14 und ein Anschlag 25 am Steuergestänge
21 bzw. ein Anschlag 26 am. Verstellgestänge 14 und ein Anschlag 27 am Steuergestänge
21 vorgesehen. Die Wirkungsweise ist folgende: Es sei angenommen, daß bei einer
Spannungssteigerung des Generators das Steuergestänge 21 gehoben wird und dadurch
die Flügel ? weniger. beaufschlagt werden. Der Antrieb des Verstellgestänges 14
erfolgt nun so, daß es für diesen Fall nach unten wandert. Bei Annäherung an die
Endlage der Flügel 7 kommt der am Verstellgestänge 14 befindliche Anschlag 24 in
Berührung mit dem am Steuergestänge 21 angebrachten Anschlag 25. Dadurch wird das
Steuergestänge 21 verhindert, noch weiter nach oben zu wandern, und wird in die
Nullstellung zurückgeführt. Nach der entgegengesetzten Richtung im Sinne einer Vergrößerung
der Beaufschlagung kann dagegen die Steuerung noch erfolgen. Die andere Endlage
wird durch die Anschläge 26 und 27 begrenzt, da bei Annäherung an die andere Endlage
(größte Beaufschlagung) die beiden Anschläge 26 und 27 miteinander in - Verbindung
kommen und dadurch das Steuergestänge 21 in seiner Bewegung nach unten begrenzt
wird.
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Im Ausführungsbeispiel erfolgt noch eine weitere Begrenzung der Beaufschlagung
des Windrades durch die Windraddrehzahl über den Fliehkraftregler 28,
der
von der Windradwelle io angetrieben wird. Das von ihm betätigte Reglergestänge 29
trägt wieder einen durch eine Schraube einstellbaren Anschlag 30. Steigt nun aus
irgendeinem Grund die Windraddrehzahl, z. B. beim Zusammenbruch der Generatorspannung
infolge Kurzschluß, so wandert der Anschlag 3o nach oben und nimmt den Anschlag
25 am Steuergestänge 21 mit. Dadurch wird die Beaufschlagung des Windrades verkleinert.
In der Endstellung für kleinste Beaufschlagung der Flügel liegen die drei Anschläge
24, 25 und 30 aufeinander. Eine weitere Verringerung der Beaufschlagung des
Windrades ist dann nicht mehr möglich. Das Windrad läuft mit sogenanntem anliegendem
Pendel, d. h. das Pendel wird in der geraden vorhandenen Lage festgehalten und spricht
auf Drehzahländerung nicht mehr an. Das Differentialgetriebe 17 befindet sich in
der Nullstellung. Geringe Unterschiede gegenüber dieser Stellung wirken sich so
aus, daß das Steuergestänge 21 über den Anschlag 25, der durch die Anschläge 24
und 30 mitgenommen wird, von selbst wieder der Ruhestellung zustrebt.
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Eine Begrenzung der unteren Drehzahl bzw. eine Erhöhung der Beaufschlagung
auf den größtmöglichen Wert kann man durch den Fliehkraftregler 28 mit Hilfe eines
zweiten Anschlages am Reglergestänge 29 bewirken, der den Anschlag 27 am Steuergestänge
21 mit nach unten nimmt. Im Ausführungsbeispiel ist diese Begrenzung nicht dargestellt,
da bereits durch die Gegenfeder 23 des Spannungsrelais bewirkt wird, daß beim Absinken
der Generatorspannung unter den Sollwert das Gestänge 21 nach unten gezogen wird.
Dadurch werden die Flügel ? auf größere Beaufschlagung so lange geregelt, bis das
Steuergestänge 21 nach Erreichen der Flügelendlage durch den nach oben wandernden
Anschlag 26 am Verstellgestänge 14 wieder in die Nullstellung gebracht wird. Diese
Nullstellung sucht das Steuergestänge 21 auch bei zufälligen Verschiebungen einzuhalten,
weil es durch die entgegengesetzten Bewegungen der Anschläge 27 und 26 stets wieder
dahin geführt wird. Man bekommt 'so die Gewähr, daß das Windrad stets mit der größten
Beaufschlagung anlaufen kann, wenn es infolge abflauender Winde zum Stillstand kam
oder stillgesetzt werden mußte.
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Wie bereits erwähnt, zeigt die Fig. 3 nur die grundsätzliche Ausbildung
einer Anordnung nach der Erfindung. In der praktischen Ausführung lassen sich noch
verschiedene Verbesserungen vorsehen. So kann man .beispielsweise, um zwischen der
Nabe ii und dem Gestänge 12 einerseits und zwischen Steuergestänge 21 und den Rädern
18 und i9 andererseits möglichst wenig Spiel auch bei dem dauernden Umlauf der Räder
18 und i9 und der Nabe ii zu erhalten, die Verstellkräfte über Hochschulterkugellager
angreifen lassen, welche Verstellkräfte auch in axialer Richtung zulassen. Ferner
wird man vorteilhafterweise die Gewichte des Steuergestänges 21 und der Räder 18
und i9 durch entsprechende Gegengewichte ausgleichen, um mit möglichst niedrigen
Verstellkräften der Spannungsspule 22 auskommen zu können.
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Wie bereits erwähnt, ist die Anordnung nach der Erfindung geeignet,
um bei durch Windmotoren angetriebenen kondensatorerregten Asynchrongeneratoren
eine konstante Spannung einzuhalten. Man kann aber die beschriebene Regelungsart
auch bei anderen von Windkraftmotoren angetriebenen Generatoren verwenden, wie Synchron-
oder Gleichstromgeneratoren, denn sie bietet den großen Vorteil, daß keinerlei Regelung
in elektrischen Stromkreisen mit Kontakten und Regelwiderständen erfolgt. Besonders
bei Synchrongeneratoren, die über Gleichrichter lastabhängig erregt werden, ist
diese Regelungsart sehr vorteilhaft, weil durch kleine Drehzahländerungen die geringen
Spannungsänderungen dieser Schaltung bei Belastung leicht ausgeregelt werden können,
so daß sich auch die Frequenz nur geringfügig ändert.