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Elektrischer Umformersatz für ein Wechsel- oder Drehstrom-Windkraftwerk
gleichbleibender Periodenzahl Soll aus einem Windkraftwerk elektrische Energie gleichbleibender
Spannung und Periodenzahl, wie es besonders für Wechsel- oder Drehstrom erforderlich
ist, gewonnen werden, so muß aus der mit der Windgeschwindigkeit wechselnden `Drehzahl
des Windrades eine zum .Antrieb des Energieerzeugers gleichbleibende Drehzahl abgeleitet
werden. Wohl ist es möglich, auch die Drehzahl des Windrades von einer als tragbar
erkannten unteren Grenze an konstant zu halten, wenn der Generator an eine konstante
Spannung, z. B. ein Gleichstromgenerator an eine Akkumulatorenbatterie, ein Drehstromgenerator
an ein Netz konstanter Periodenzahl angeschlossen wird. Dann würde aber bei höheren
Windgeschwindigkeiten die Leistung des Windrades ungenügend ausgenutzt und der Generator
bei der gewählten niedrigen Drehzahl einem verhältnismäßig hohen Drehmoment ausgesetzt
sein. Aus Fig. 3 der Zeichnung ist dies ersichtlich: In diesem Diagramm sind auf
der Abszissenachse die Drehmomente, auf der Ordinatenachse die Drehzahlen aufgetragen.
Die 'mit nw bezeichnete Kurve stellt die sogenannte Windradcharakteristik dar; d.
h. die Beziehung zwischen Drehzahl und Drehmoment eines Windrades bei verschiedenen
Windgeschwindigkeiten, wenn' jeweils der Höchstwert der Leistung erreicht werden
soll. Bekanntlich verläuft diese nw: Kurve parabolisch, da die Drehmomente mit dem
Quadrat der Drehzahil zunehmen: Die in Fig. 3 von oben links' nach unten rechts
verlaufenden Linien l (lins) und r (rechts) zeigen für zwei verschiedene Windgeschwindigkeiten
den Verlauf der Windraddrehzahl mit zunehmender Belastung der Welle. Wo eine solche
Linie l oder r die
nw-Kurve schneidet, wird der Höchstwert
der Leistung- erreicht. Dies tritt auchdann ein, wenn die konstante Drehzahl des
Generators durch einen solchen Schnittpunkt geht. Er ist für die Linie l (kleine
Windgeschwindigkeit) durch die Drehzahl n = 3 und das Moment M = 2,7
gegeben. Bei höherer, durch die Linie r gekennzeichneter Windgeschwin-digkeit stellt
sich nun folgendes ein: Das. Windrad muß sich wieder auf die konstante Drehzahl
3 des Generators einstellen. Dabei entwickelt es ein Drehmoment vorn der Größe 8,2,,
entsprechend dem Schnittpunkt der Linie r mit der Parallelen zur Abszissenachse
im Abstand n = 3. Drückt man die Leistung des Windrades als Produkt von Drehzahl
und Drehmoment aus, dann erhält man 3, - 8,2
=.2#4,6. Die Linie r schneidet
auch die nw-Kurve. Diesem Schnittpunkt entspricht die zu erreichende Höchstleistung
bei der durch die Linie r gekennzeichneten Windgeschwindigkeit. Sie beträgt in dem
angenommenen Beispiel 5 # 6 = 30, würde aber nur erreicht werden, wenn die Windraddrehzahl
n = 5 wäre. Da diese jedoch an den Wert 3 gebunden ist, tritt ein Verlust von über
r-5 0!o ein, der mit weiter steigender Windgeschwindigkeit noch wächst. Ähnliche
Verhältnisse treten ein, wenn der n, l .,gnd nw unterhalb der Schnittpunkt clerux-ye
Generatordrehzahl liegt. Für ein wirtschaftlich arbeitendes Windrad kommt es also
nicht nur darauf an, die Drehzahl des von ihm angetriebenen Generators konstant
zu halten, sondern auch darauf, bei jeder Windgeschwindigkeit dem Windrad diejenige
Drehzahl zu ermöglichen, bei der der Höchstwert der Leistung erreicht wird. Diese
Aufgabe mit möglichst wenig Materialaufwand und entsprechend geringen Verlusten
zu lösen, liegt der vorliegenden Erfindung zugrunde.
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Es ist bereits bekannt, die auf eine angemessene Drehzahl übersetzte
Windradwelle mit einem Gleichstromgenerator zu kuppeln und die durch diesen erzeugte
Energie einem Gleichstrommotor zuzuführen, der seinerseits einen Drehstromgenerator
antreibt. Die weitreichende Regelbarkeit der Gleichstrommaschinen, die durch geeignete
selbsttätige Regelgeräte ausgenutzt werden kann, ermöglicht dieses Verfahren, verlangt
aber große und schwere Maschinen und verursacht infolge der zweimaligen Umformung
der gesamten verfügbaren Energie verhältnismäßig hohe Verluste. Diese Verluste lassen
sich in dem Maße vermindern, wie es gelingt, die Windenergie dem Drehstromgenerator
unmittelbar zuzuführen. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß .die Windradwelle
unmittelbar oder mittelbar den Anker einer Gleichstrommaschine und den Läufer eines
Wechsel- oder Drehstromgenerators antreibt, dessen Magnetfeld drehbar gelagert und
unmittelbar oder mittelbar mit dem Anker einer zweiten Gleichstrommaschine gekuppelt
ist, die dem Magnetfeld des Wechsel-oder Drehstromgenerators durch geeignete selbsttätige
Regelung der Gleichsträmmaschinen eine der vorgeschriebenen Periodenzahl entsprechende
Drehzahl gegenüber dem Läufer erteilt. Dabei kann die Drehrichtung des Feldes derjenigen
des Läufers entgegen- oder gleichgerichtet sein, die relative Drehzahl ist dann
gleich der Summe oder der Differenz der Drehzahlen beider umlaufen den Teile.
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Die selbsttätige Regelung durch die Gleichstrommaschinen erfolgt in
der Weise, daß die von der Windrad'welle angetriebene Maschine als Generator und
die das umlaufende Feld des Drehstromgenerators antreibende Maschine als Motor ausgebildet
wird, dem die im Gleichstromgenerator erzeugte Energie zugeführt wird.
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Eine schematisch dargestellte Anordnung eines solchen Umformersatzes
zeigt Fig. r. Hierin bedeuten W die Windradwelle, A den mit ihr gekuppelten
Gleichstromgenerator, B den von ihm gespeisten Gleichstrommotor, dessen Anker mit
dem umlaufenden Feld des Drehstromgenerators D gekuppelt ist. Gemäß Fig. z a erfolgt
der Antrieb des Gleichstrommotors B über ein nicht näher bezeichnetes Zahnradvorgelege,
um mit einem kleineren Motor höherer Drehzahl arbeiten zu können. In Fig. 2 ist
als Abänderungsvorschlag das Feld des Gleichstromgenerators A mit dem umlaufenden
Feld des Drehstromgenerators D zusammengebaut, wodurch die Lagerkonstruktion vereinfacht
wird.
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Um die geforderte ,gleichbleibende relative Drehzahl des Drehstromgenerators
D herzustellen, ist im vorliegenden Falle nicht die als Windradcharakteristik bezeichnete
nw-Kurve, die gleichzeitig die Drehzahl des Läufers des Drehstromgenerators D angibt,
maßgebend, sondern die Drehzahl nF des umlaufenden Feldes, die durch die Drehzahl
des Ankers des Gleichstrommotors .F3 bestimmt wird. Dieser ist also der regelnde
Teil. Seine Drehzahl, bezogen auf das Drehmoment des Windrades, läßt sich aufzeichnen
als Differenz oder Summe der Drehzahl des Läufers des Drehstromgenerators D und
der gleichbleibenden relativen Drehzahl. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen, daß
Windraddrehmoment und Läuferdrehmoment nicht gleich sind, da ein 'Teil des Windraddrehmomentes
zum Antrieb des Gleichstromgenerators A in Anspruch genommen wird. An einem Beispiel
ist in F'ig. 4. der Verlauf der nF-Kurve dargestellt. Die Windradcharakteristik
nw ist der Fig. 3 entnommen. Zur Herstellung der nF-Kurve muß demnach der Gleichstrommotor
B die gleiche Kennlinie aufweisen wie die nF-Kurve. Verwendet man 'hierzu einen
mit konstanter Spannung gespeisten Gleichstromreihenschlußmotor, so verläuft dessen
Drehzahlkennlinie, bezogen auf das Drehmoment, etwa wie die Kurve n$. Diese beiden
Kurven weichen, besonders im Anfangs- und Endteil, nicht unerheblich voneinander
ab, und diese Abweichungen würden eine nur unwirtschaftlicheAusbeute derWindkraft
bedeuten. Nur in ihren Schnittpunkten wäre die Ausbeute eine vollkommene. Außerdem
würde die Herstellung unveränderlicher Gleichspannung im Gleichstromgenerator A
bei der veränderlichen . Drehzahl des Windrades besondere selbsttätige Regeleinrichtungen
erfordern. Hier kann man aber durch idie bekannte Hauptstromgegenerregung im Gleichstromgenerator
A diejenige Spannung erzeugen,
die notwendig ist, um dem Gleichstromreihenschlu
ßmotor B die verlangte Kennlinie aufzuzwingen. Im angenommenen Beispiel verläuft
sie etwa nach Ader nicht näher bezeichneten gestrichelten Linie. Sie ist .die eigentliche
Steuercharakteristik -und schmiegt sich der Drehzahlcharakteristik np des zu steuernden
umlaufenden Feldes gut an. Nur im Anfangsteil ist eine größere Abweichung erkennbar.
Doch hier tritt das Windrad wegen zu geringer Windgeschwindigkeit noch kaum in Wirksamkeit.
Im übrigen Teil überschreiten die Verluste kaum z °/o.
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Übersteigt die Windraddrehzahl die gleichbleibende relative Drehzahl
,des Drehstromgenerators D, nimmt also dessen umlaufendes Feld die gleiche Drehrichtung
wie der Läufer an, dann vertauschen die Gleichstrommaschinen ihre Wirkungsweise:
MaschineB wird zum Generator, MaschineA wird zum Motor, ohne daß eine Änderung ihrer
Wicklungen nötig ist. Da Gleichstromgenerator A
und Gleichstrommotor B als
normale Maschinen und wegen ihrer geringer' Leistung mit verhältnismäßig wenig Material
ausgeführt werden können, dabei keiner besonderen Regelvorrichtungen bedürfen, ersparen
sie erheblich an Material und Kosten im Vergleich zum Aufwand bei der Umformung
der gesamten Windkraft durch Gleichstrommaschinen.
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Sollten die Bedingungen für die Umformung so beschaffen sein, daß
mit der Hauptstromgegenerregung allein ein befriedigendes Ergebnis nicht erzielt
wird, .so müssen künstliche Einrichtungen geschaffen werden. Eine solche besteht
z. B. darin, ein die Leistung des Drehstromgenerators D anzeigendes M@eßgerät mit
einer so großen Drehkraft auszuführen., daß ein mit dem Zeigerwerk verbundener Hebel
über Schwachstromrelais die Regelstufen des Nebenschlußreglers für den Gleichstromgenerator
A betätigen kann. An die Stelle der Schwachstromrelais kann auch ein kleiner, für
Rechts- und Linkslauf eingerichteter Hilfsmotor treten. Die Regelung hat in der
Weise zu erfolgen, daß bei steigender Leistung des Windrades das Feld des Gleichstromgenerators
A geschwächt wird, wie aus der folgenden Beschreibung des Regelvorganges ersichtlich
ist.
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Bei Windstille und daher ruhender Windradwelle W läuft das von der
Netzspannung herrührende Drehfeld des leerlaufenden Drehstromgenerators D mit voller
Drehzahl um. Die Gleichstrommaschinen A und B führen keinen Strom.
Mit aufkommendem Wind wird im Windrad ein,Drehmoment erzeugt, das eine Drehung der
Windradwelle W hervorruft. Hierdurch wird im Gleichstromgenerator A eine Spannung
und im Gleich-Strommotor B ein Drehmoment erzeugt, .das als Stützmoment für das
umlaufende Feld des Drehstromgenerators D wirkt und in diesem elektrische Leistung
entstehen läßt. Der Leistungsmesser schlägt daher aus, wodurch das Feld des Gleichstromgenerators
A geschwächt und somit ,der Windradwelle W ermöglicht wird, eine höhere Drehzahl
anzunehmen: Werden dadurch Drehzahl und Drehmoment so geändert, daß die Leistung
im Drehstromgenerator D gesteigert wird, dann vergrößert sich der Ausschlag des
Leistungsmessers weiter, das Feld des Gleichstromgenerators A wird weiter geschwächt,
.die Drehzahl des Windrades weiter erhöht, bis eine Steigerung der ,Leistung nicht
mehr eintritt. Durch die Regelung mit dem Leistungsmesser hat sich also der Umformersatz
selbsttätig auf die der Windgeschwindigkeit entsprechende Höchstleistung eingeregelt.
Würde die Feldschwächung weiter getrieben werden, dann würde mit einer weiteren
Drehzahlerhöhung der Windradwelle g' das Drehmoment so weit absinken, daß die Leistung
wieder fällt, der Zeiger des Leistungsmessers zurückgeht und er Gleichstromgenerator
A wieder auf eine stärkere Erregung eingeregelt wird, wodurch die Höchstleistung
wiederhergestellt wird. Dies tritt auch dann ein, wenn Winidgeschwin.digkeit und
Leistung abnehmen. Durch .diese Regelweise wird ialtso stets das Höchstmaß an Leistung
erreicht. Hierbei kann auch die Gegenerregung durch,den Hauptstrom angewendet werden.
DerRegelhereich ist dann sehrenggezogen und erfordert nur kleine Regelstufen.