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Elektromechanischer Umformer für ein Wechsel- oder Drehstrom-Windkraftwerk
gleichbleibender Periodenzahl Die bekannten zahlreichen Einrichtungen, die dazu
dienen, die veränderliche Drehzahl eines Windrades in eine zum Antrieb eines Wechsel-
oder Drehstromgenerators gleichbleibende Drehzahl umzuwandeln, lassen sich in zwei
Gruppen einteilen. Die eine Gruppe verwendet mechanische Hilfsmittel, z. B. das
Verdrehen oder Verstellen der Windradflügel, die Änderung der beaufschlagten Flügelfläche,
das »Aus-dem-Winde-Drehen« des Windrades u. dgl. Diese Einrichtungen sind mehr oder
weniger kostspielig, der Abnutzung unterworfen und gegen Beschädigung empfindlich
und nutzen nicht in allen Arbeitslagen die volle Windkraft aus. Sie arbeiten also
mit ungünstigem Wirkungsgrad. Die andere Gruppe der Einrichtungen bedient sich in
bekannter Weise mit Vorteil der guten Regelbarkeit elektrischer Gleichstrommaschinen
und erreicht damit zwar einen weiten Regelbereich für vollkommene Windkraftausnutzung,
verlangt aber neben schweren, teuren und Energie verzehrenden Maschinen eine Reihe
empfindlicher Apparate, die sorgfältiger Wartung bedürfen. Es ist daher bereits
vorgeschlagen worden, die Leistung der regelnden Maschinen in dem Maße zu vermindern,
wie es gelingt, die Leistung des Windrades unmittelbar auf den anzutreibenden Drehstromgenerator
zu übertragen. Dies kann in der Weise erfolgen, daß man die Windradwelle, gegebenenfalls
über eine entsprechende Übersetzung, mit dem Läufer des Drehstromgenerators kuppelt
und dessen umlaufendes Feld durch regelnde Gleichstrommaschinen auf diejenige Drehzahl
einstellt, die zusammen mit der Läuferdrehzahl die erforderliche relative Drehzahl
zur Erzeugung gleichbleibender Periodenzahl ergibt. Die gleiche Aufgabe liegt der
Erfindung zugrunde. Hier tritt als regelnder Teil an Stelle des umlaufenden
Drehstromgeneratorfeldes
ein Umlaufgetriebe. Durch dieses Umlaufgetriebe wird gleichzeitig die niedrige Drehzahl
des Windrades auf die hohe Drehzahl des Drehstromgenerators übersetzt. Eine schematische
Darstellung eines solchen Umformers ist beispielsweise in Fig. i der Zeichnung wiedergegeben.
Die Windradwelle W ist mit dem äußeren Zentralrad 2 oder mit dem die Planetenräder
3 tragenden Steg S eines Umlaufgetriebes G, die nicht näher bezeichnete Läuferwelle
des Drehstromgenerators D mit dem Sonnenrad i und mit dem Anker eines Gleichstromgenerators
A unmittelbar oder mittelbar gekuppelt, während ein vom Gleichstromgenerator A gespeister
Gleichstromhauptstrommotor B über eine Außenverzahnung q. den Steg S bzw. das äußere
Zentralrad 2 antreibt.
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Die Aufgabe, die veränderliche Drehzahl der Windradwelle W, bezeichnet
mit nw, in eine gleichbleibende Drehzahl des durch das Sonnenrad i angetriebenen
Drehstromgenerators D, bezeichnet mit ni, umzuwandeln, wird erfindungsgemäß durch
Regelung der Drehzahl n2 des Zentralrades 2 gelöst.
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Bezeichnet n3 die Drehzahl der Planetenräder 3, dann sind die Beziehungen
der Drehzahlen nl, n2, und n3 zueinander für ein innenverzahntes Umlaufgetriebe
gegeben durch die Gleichung n1 = z ' n2 + (i +
11 3 . (1) Hierin bedeutet i das Verhältnis des Durchmessers
des Zentralrades 2 zum Durchmesser des Sonnenrades i. Da das Zentralrad 2 der regelnde
Teil sein soll, muß dessen Drehzahl errechnet werden. Sie ergibt sich aus Gleichung
(i) zu
In dieser Gleichung sind die Generatordrehzahl n1 und das Verhältnis i konstante
Größen. Hierdurch ist die Beziehung zwischen der Drehzahl nZ des Zentralrades 2
und der Drehzahl yt, der Planetenräder 3 eindeutig gegeben. Da die Windradwelle
W über den Steg S mit den Planetenrädern 3 verbunden ist, ist auch die Drehzahl
der Windradwelle nw gleich der Drehzahl n3 der Planetenräder, nw = n3. Es
läßt sich also aus der Gleichung (2) für jede Windraddrehzahl nw = n3 die
Drehzahl n2 des Zentralrades 2 ermitteln, die notwendig ist, um die Forderung einer
gleichbleibenden Drehzahl n1 des Drehstromgenerators D zu erfüllen.
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Für ein wirtschaftlich arbeitendes Windkraftwerk ist aber nicht nur
die Bedingung einer gleichbleibenden Antriebsdrehzahl n1 für den Drehstromgenerator
D zu erfüllen, sondern das Windrad soll auch bei jeder Windgeschwindigkeit die dieser
entsprechende Höchstleistung abgeben. Bekanntlich ist dies der Fall, wenn mit zunehmender
Windgeschwindigkeit die Drehzahlen im Verhältnis der Quadratwurzeln aus den gleichzeitig
erzeugten Drehmomenten zunehmen. Diese Beziehung ist im Diagramm der Fig. 2 durch
eine Kurve dargestellt.
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Da die Windradwelle W über den Steg S mit den Planetenrädern 3 verbunden
ist, ist auch das Drehmoment der Windradwelle, bezeichnet mit Mw, gleich dem Drehmoment
M3 der Planetenräder, also MW = M3. Trägt man daher über den Drehmomenten MW bzw.
M3 als Abszissen die zugehörigen Drehzahlwerte nw bzw. n3 des Windrades als Ordinaten
auf, dann verläuft die nw- bzw. n3-Kurve parabolisch und wird als Windradcharakteristik
bezeichnet. Sollen nun die beiden Bedingungen einer gleichbleibenden Generatordrehzahl
st, und der jeweiligen Höchstleistung des Windrades gleichzeitig erfüllt werden,
dann muß jeder Windraddrehzahl nw =,n3 eine nach Gleichung (2) berechnete Drehzahl
n2 des Zentralrades 2 zugeordnet sein, und gleichzeitig muß im Zentralrad 2 ein
Drehmoment M2 auftreten, das der für ein Umlaufgetriebe gültigen Momentengleichung
entspricht. Trägt man im Diagramm unter dem Maßstab für M3 einen zweiten
geteilten Maßstab auf, dann kann man auf diesem jeden zum Drehmoment M3 gehörigen
Drehmomentwert M2 ablesen.
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Beispielsweise seien angenommen: Die gleichbleibende Drehzahl des
Drehstromgenerators D zu n, = rooo Umdr./Min., das Verhältnis i = g, die Drehzahl
des Windrades bei Höchstleistung nfY Max = n3 Max = roo Umdr./Min.,
das Drehmoment des Windrades bei Höchstleistung Mwmax = M3.max = 1o mkg; hierbei
ist das Drehmoment des Zentralrades 2
In das Diagramm ist ferner zu jeder Drehzahl n3 des Windrades die aus Gleichung
2 berechnete Drehzahl n3 des Zentralrades 2 eingetragen als n2-Kurve. Diese Kurve,
bezogen auf die Drehmomente M2, muß die Kennlinie eines Motors darstellen, der das
Zentralrad 2 antreibt, um für dieses diejenige Drehzahl und dasjenige Drehmoment
als Stützmoment für das Windradmoment M3 zu erzeugen, das bei jeder Windgeschwindigkeit
einerseits die gleichbleibende Drehzahl n1 zum Antrieb des Drehstromgenerators D
sicherstellt, und andererseits die bei dieser Windgeschwindigkeit verfügbare Höchstleistung
des Windes wirksam sein läßt.
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Zum Antrieb des als Steuerorgan dienenden Zentralrades 2 wird daher
gemäß der weiteren Erfindung ein Gleichstromhauptstrommotor B gewählt, der aus dem
Gleichstromgenerator A gespeist wird. Dieser wird mit der gleichbleibenden Drehzahl
n1 angetrieben und erzeugt daher bei konstanter Erregung eine gleichbleibende Spannung.
Diese wiederum erzeugt für den Gleichstromhauptstrommotor B dessen Drehzahlcharakteristik
n$, die im Diagramm der Fig. 2 über den Drehmomenten M" des Zentralrades 2 aufgetragen
ist.
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Um eine im Sinn der Erfindung vollkommene Regelung zu erhalten, muß
die Drehzahlkurve n$ des Gleichstromhauptstrommotors B so geändert werden, daß sie
sich nach Möglichkeit mit der Drehzahlkurve n2 des zu steuernden Zentralrades 2
deckt. Es ist daher erforderlich, in jedem Arbeitspunkt dem
Gleichstromhauptstrommotor
B diejenige Spannung zuzuführen, die seine Drehzahl nj, auf die Drehzahl n, absenkt.
Die Spannungssenkung am Gleichstromgenerator A kann in an sich bekannter Weise durch
Hauptstromgegenerregung erfolgen. Soll, wie aus dem Diagramm der Fig. 2 ersichtlich
ist, beim höchstzulässigen Drehmoment des Windrades Mwm,= io die Drehzahl n. des
Zentralrades 2 gleich 0 sein, dann muß auch die Drehzahl nB des Gleichstromhauptstrorr_-motors
B gleichßsein, d. h. die ihm zugeführte Spannung und mit ihr die Erregung des vom
Erregergenerator für den Drehstromgenerator D getrennt arbeitenden Gleichstromgenerators
A müssen nahezu gleich 0 sein, da bei Stillstand des Motors nur der ohmsche Spannungsabfall
im Motorstromkreis auftritt. Daher muß in diesem Augenblick die Gegenerregung durch
den Hauptstrom nahezu gleich der konstanten Nebenschlußerregung sein. In dem Maße,
wie die Drehmomente Mw des Windrades und M2 des Zentralrades 2 bzw. des Gleichstromhauptstrommotors
B abnehmen, nehmen auch die Stromstärke und mit ihr die Gegenerregung des Gleichstromgenerators
A ab, während die Spannung an diesem steigt und der Abfall der Drehzahl des Gleichstromhauptstrommotors
B sich vermindert. Bei der im Beispiel angenommenen Kennlinie für die Drehzahl nB
des Gleichstromhauptstrommotors B ändert sich diese hierdurch in die Drehzahlkurve
nB#. Sie deckt sich, der Forderung entsprechend, fast vollkommen mit der Drehzahlkurve
na des Zentralrades 2. Der besseren Kenntlichmachung wegen ist die erstere mit Querstrichen,
die letztere mit Kreisen versehen. Die geringe Abweichung im Anfangsbereich, wo
das Windrad kaum zur Kraftentfaltung kommt, ist wirtschaftlich nicht von Bedeutung.
In dem praktisch wichtigen Arbeitsbereich dagegen wird eine vollkommene Ausbeute
der aus dem Windrad zu gewinnenden Energie erreicht.
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Durch geeignete Wahl der Kennlinien des Gleichstromhauptstrommotors
B wird sich ein ähnlich gutes Ergebnis auch dann erzielen lassen, wenn die wirkliche
praktisch erreichbare Windradcharakteristik von der theoretisch angenommenen reinen
Parabelform abweicht.
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Trägt man endlich, wie im Diagramm der Fig. 2 in anderem Maßstab geschehen
ist, die Leistung Lw des Windrades W und die Leistung LB des Gleichstromhauptstrommotors
B in Kurven als Produkte der Drehzahlen und der zugehörigen Drehmomente auf, also
Lw=Mw.nw=Ms.n.undLB=LZ=M2#na = MB " nB>, so erkennt man hieraus das Verhältnis
beider Leistungen zueinander, d. h. den Anteil der elektrischen Steuerleistung an
der gesamten Windradleistung. Im angenommenen Beispiel beträgt die Höchstleistung
der elektrischen Steuermaschinen etwa 15 °/o der Höchstleistung des Windrades gegenüber
ioo °/o bei der vollelektrischen Umformung. f e größer das Verhältnis i gewählt
wird, desto geringer ist der prozentuale Anteil der elektrischen Leistung der Steuermaschinen
an der Windkraftleistung. Er beträgt z. B. bei einem Verhältnis i = 1q. entsprechend
einer Drehzahl n1 = i5oo Umdr./Min. des Drehstromgenerators nur etwa 11
0/0.
Durch zweckmäßige Wahl des Untersetzungsverhältnisses der Außenverzahnung
q. können die gleichen Strom führenden Anker beider Gleichstrommaschinen
A und B in gleicher Weise auggeführt werden. Lediglich ihre Feldwicklungen,
für den Gleichstromgenerator A eine Nebenschluß- und eine Hauptstromwicklung, für
den Gleichstromhauptstrommotor B eine reine Hauptstromwicklung, weichen voneinander
ab.
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Wird der Umformersatz bis zur zulässigen Grenze des Drehmomentes überlastet,
dann vertauschen die Gleichstrommaschinen ohne Änderung ihrer Schaltung ihre Wirkungen,
der Gleichstromgenerator A wird zum Motor, der Gleichstromhauptstrommotor
B zum Generator. Die Kennlinien n2 und nB# verlaufen hier unterhalb der Abszissenachse.
In dem normalen Arbeitsbereich sind zusätzliche Regelapparate nicht erforderlich.
Die den beschriebenen Umformersatz kennzeichnenden Merkmale sind demnach folgende:
einfacher ,und übersichtlicher Aufbau, kleine, typenmäßig herstellbare Regelmaschinen,
daher geringe elektrische und mechanische Verluste, daher hoher Gesamtwirkungsgrad,
geringe Montage- und Unterhaltungskosten.
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Die in Fig. i beispielsweise vorgeschlagene Anordnung kann naturgemäß
durch Wahl eines Umlaufgetriebes mit Außenverzahnung oder anderer Bauform, durch
andere Anordnung der Gleichstrommaschinen u. dgl, in vielfacher Weise abgeändert
werden, ohne daß der Grundgedanke der Erfindung hierdurch beeinfiußt wird.
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Auch ist es möglich, die bereits an anderer Stelle vorgeschlagene
Art der Steuerung eines Nebenschlußreglers für den Gleichstromgenerator A durch
ein die Leistung des Drehstromgenerators D überwachendes Meßgerät bei dem vorliegenden
elektromechanischen Umformer anzuwenden.
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Die Gleichstrommaschinen können auch beim Anlaßvorgang Verwendung
finden. Zur Erzeugung des Feldes des Synchron-Drehstromgenerators D ist eine Gleichstromquelle
erforderlich. Speist man aus dieser den Gleichstromgenerator A als Verbundmotor
mit Nebenschluß- und Hauptstromerregung bei abgeschaltetem Gleichstromhauptstrommotor
B, dann kann er zum Anlassen des Drehstromgenerators D dienen. Ist dieser an das
Netz angeschlossen, und ist der Gleichstromgenerator A wieder mit dem Gleichstromhauptstrommotor
B leitend verbunden, dann läuft zunächst der Drehstromgenerator D, aus dem Netz
gespeist, als Motor, und damit auch der Gleichstromgenerator A als solcher den Gleichstromhauptstrommotor
B speisend. Dieser treibt über das Umlaufgetriebe die Windradwelle W an und erleichtert
bei schwacher Windgeschwindigkeit ihren Anlauf. Damit setzt der eigentliche Regelvorgang
ein.