WO2004088132A1 - Antriebsstrang zum übertragen einer variablen leistung - Google Patents

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Andreas Basteck
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a drive train for transmitting a variable power with variable input speed and constant output speed.
  • the invention relates in particular to systems with variable power input, such as arise when using natural energy from wind, water and other resources.
  • a disadvantage of rigid wind turbines is that they can only be operated with reduced efficiency at partial load, which often occurs in typical wind conditions.
  • the first case leads to the use of frequency converters with a DC link for wind turbines.
  • this approach leads away from the task presented here and is particularly associated with further difficulties, such as a strong network feedback in connection with an increased harmonic load and high reactive power.
  • the second approach namely to connect a variable rotor speed of the wind power plant with a constant generator speed, corresponds to the topic presented here of a drive train for transmitting a variable power with a variable input speed and constant output speed.
  • the known solutions to this problem in particular for wind turbines, use a superposition gear in the drive train, which is used for branching or superimposing the mechanical power.
  • two approaches based on this have now become known, which are used to keep the generator frequency constant.
  • the input power is distributed via the superposition gear to a large generator and a small servomotor, with approximately 30% of the input power usually being transmitted to the servomotor.
  • the generator is rigidly connected to the mains, while the servomotor is connected to the mains via a frequency converter.
  • the servomotor is operated either as a motor or as a generator.
  • This system is also not non-reactive for the power grid. Furthermore, such a system is difficult to control and essentially only has the inertial masses of the drive train and the rotor as an energy store. Furthermore, the investment costs are relatively high due to the use of frequency converters.
  • the invention is based on the object of designing a drive train for transmitting variable power in such a way that a power sensor can be charged at a substantially constant speed, so that the transmission process takes place with high efficiency and bumps in the drive train are minimized. Furthermore, a short-term energy storage device must be formed in the drive train in order to improve the control characteristics of the system. In addition, the number of components involved and the investment costs must be kept at a low level.
  • the rotor of the wind turbine is always driven on its optimal characteristic (optimal efficiency) and a constant speed is given to the generator.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a power split wind turbine according to the invention with a hydrodynamic actuator as a hydrodynamic circuit.
  • Fig. 2 shows a graph showing the torque and
  • FIG. 5 is a schematic illustration of a power-split wind power plant according to the invention with a hydrodynamic coupling as a hydrodynamic circuit.
  • 7a-c illustrate exemplary embodiments for the drive train according to the invention, in which power is conducted in the forward direction on a second power branch and is introduced into a first power branch by means of a hydrodynamic circuit.
  • 8a-c represent exemplary embodiments of the invention
  • FIG 9 shows the wind profile of a system according to the invention and the associated rotor speed.
  • FIG. 10 schematically shows the active power curve of a wind power plant with a drive train according to the invention.
  • the rotor power p R of a wind power plant is approximately related to the wind speed Vw
  • c p denotes the power factor, which in turn, as shown, depends on the wind speed v w, the rotor speed ⁇ and the pitch angle ß. This power factor is characterized by a global maximum, which shifts towards higher rotor speeds ⁇ R with increasing wind speeds v w .
  • Fig. 2 shows this relationship by the representation of solid families of curves for effective power of the rotor and dashed families of curves for the torque absorbed by the rotor of a wind turbine taking into account different wind speeds, the individual curves of the families of curves each being examples. a wind speed assigned. Characteristic is the shift of the optimal rotor speed to higher values with increasing wind speed, these lying on a curve shown in FIG. 2, which is called parabolic. A variable-speed system can therefore be operated with optimal performance coefficients depending on the available wind speed.
  • wind turbines are designed for certain nominal powers, combined with a nominal speed. If the wind power is above this threshold value, power is limited either by pitch control or by stall control, so that partial load operation is particularly important for the speed-variable operation of a wind power plant.
  • Curve I from FIG. 10 shows the uniformly high efficiency and curve II outlines the power transmitted for this example.
  • variable-speed wind turbine can advantageously be designed with a drive train according to the invention for transmitting variable power with a variable input speed and constant output speed, which in turn is transmitted to a generator.
  • FIG. 1 shows, in a schematically simplified manner, such a drive train 1 according to the invention. It comprises an input shaft 2, which is at least indirectly connected to the rotor 3 of a wind turbine. In the present case, a transmission 4 with a constant transmission ratio is placed between the rotor 3 of the wind turbine and the input shaft 2.
  • Such an intermediate gear 4 is advantageous, but not absolutely necessary, depending on the application, it can serve to expand the range of possible rotor speeds and to optimally design the efficiency.
  • the drive train according to the invention has a superposition gear for power split, which is referred to below as power split gear 5.
  • a planetary gear transmission is used as the power split transmission 5 of the drive train 1, the input shaft 2 being connected to the planet gear carrier 6.
  • Two power branches are now present in the power split transmission 5, the first power branch 7 leads power via the sun gear 9 to the output shaft 10 of the drive train.
  • This output shaft 10 drives the electrical generator 11 at least indirectly and is operatively connected to the hydrodynamic servo converter, which serves as a hydrodynamic circuit 12 in the present exemplary embodiment.
  • the output shaft 10 is at least indirectly connected to the pump wheel 13 of the hydrodynamic actuator.
  • the output shaft 10 is advantageously a rapidly rotating shaft.
  • a rapidly rotating shaft is understood to be one whose speed is a multiple of the speed of the input shaft 2.
  • a typical rotational speed of the output shaft 10, which is used for the direct operation of the Electric generator 11 is suitable, for example 1500 rpm.
  • Other speed values for the output shaft 10 are also conceivable depending on the number of poles of the electrical generator 11 or the present mains frequency.
  • An advantage of the design of a rapidly rotating output shaft 10 is that the hydrodynamic circuit 12, here the hydrodynamic servo converter, which is at least indirectly connected to the output shaft 10, can be operated efficiently, ie at high speed.
  • a stator with adjusting blades is used as the reaction member 15 in the hydrodynamic converter, with which the input power of the pump and thus the power flow to the turbine wheel 14 can be adjusted.
  • This additional planetary gear set 16 is optional, but is preferred because this measure increases the speed of rotation on the output shaft 10, the preferably rapidly rotating shaft, and increases the relative speed of the pump 13 and turbine 14 in the hydrodynamic circuit 12. This results in particular in the possibility of making the hydrodynamic circuit 12 small.
  • variable power return flow on the ring gear 17 of the power split transmission 5 causes a variably adjustable transmission ratio.
  • the planetary gear set 16 is to be regarded as optional. In the present exemplary embodiment of a drive train according to the invention, it serves to reduce the turbine speed with which the hydrodynamic servo converter can be operated. Higher pump and turbine speeds result in an increase in efficiency or give the option of designing the hydrodynamic actuator to be small.
  • the drive train according to the invention with a hydrodynamic servo converter as a hydrodynamic circuit 12 is now designed so that the parabolic characteristic curve of the optimal power consumption by the wind rotor 3 is simulated by the choice of mechanical translations in the power split transmission and by the dimensioning of the hydrodynamic servo converter.
  • the starting point for this is that an ideal rotor speed for the maximum power consumption from the air flow can be specified for each wind speed.
  • Power split transmission such as the ring gear 17 and the sun gear 9, can now be determined for any wind speed in the partial load range, taking these specifications into account.
  • the drive train must emulate the parabolic power consumption characteristic for a position of the reaction element 15 of the hydrodynamic actuating converter 12 that remains essentially constant.
  • FIG. 3 shows, based on an embodiment of the exemplary embodiment according to FIG. 1, the speeds occurring on the drive train and the powers transmitted in the individual branches.
  • curve A shows the speed of the output shaft 10
  • curve B the speed of the turbine wheel 14 of the hydrodynamic actuator
  • curve C the speed of the input shaft 2
  • curve D the speed on the ring gear 17 of the
  • FIG. 4 again shows the power flow for the exemplary embodiment according to FIG. 1 and the setting of the reaction element 15 of the hydrodynamic actuator, in the present case the stator.
  • the power flow curves E, F, G and H correspond to those from FIG. 3. It can be seen that with an optimal power consumption along the parabolic system, which can be simulated by the characteristics of the drive train, with an over the entire part load range shown with a substantially the same permanent guide vane position can be worked.
  • This setting is referred to below as the adjusted setting of the hydrodynamic converter. It is therefore not necessary to regulate the reaction element in the actual sense in order to achieve the constancy of the output speed of the drive train for charging the electric generator while at the same time having a variable optimal wind rotor speed.
  • This characteristic of the drive train according to the invention is referred to in the present application as self-regulation.
  • FIG. 1 shows a power-branched drive train which has a hydrodynamic circuit 12, which branches off power from the main train with which the electric generator 11 is driven or transmits it retrospectively to the power split transmission 5. It is also conceivable to design the drive train in such a way that partial power is introduced from the power split transmission 5 via the hydrodynamic servo converter to the first power branch 7. It is possible to use a hydrodynamic servo converter, a hydrodynamic clutch or a triloc converter as the hydrodynamic circuit 12. As shown above, when using a hydrodynamic actuator, there is the advantage of self-regulation based on the correspondence between the Power consumption characteristic of a wind rotor and the characteristic of the hydrodynamic actuator.
  • hydrodynamic coupling As the hydrodynamic circuit 12, the power flow between the coupling halves must be actively controlled, the measuring and actuating means necessary for this, as well as the respectively selected controller, being able to be designed within the framework of expert judgment. Nevertheless, there are advantages for hydrodynamic couplings in certain applications. This is due in particular to the fact that a clutch can be used to support the shutdown of the wind power plant when the full load range occurs, which is particularly advantageous for large wind power plants designed for use on the open sea. The triloc converter in turn can be preferred in certain operating areas because of its high efficiency as an alternative hydrodynamic circuit 12.
  • FIG. 5 shows an embodiment of the drive train according to the invention, in which a hydrodynamic clutch is used as the hydrodynamic circuit.
  • the other components of the drive train and the power flows correspond to those according to FIG. 1.
  • the power transmitted from the drive via the input shaft 2 to the power split transmission 5 is divided into a first power branch 7 and a second power branch 18, in the exemplary embodiment shown 18 power in the second power branch flows back in the drive direction, ie to the power split transmission.
  • a planetary gear transmission is used for the power split.
  • the drive-side power input takes place via the planet gear carrier 6.
  • the two power branches are designed such that there is an operative connection between the sun gear 9 and the first power branch 7 and the ring gear 17 and the second power branch 18.
  • a planetary gear 16 interposed in the second power branch 18 serves to increase the speed on the output shaft 10 and thus to increase the efficiency of the hydrodynamic circuit 12, but this is optional.
  • 5 also shows a hydrodynamic clutch with a pump wheel 13 connected at least indirectly to the first power branch 7 or the output shaft 10 and a turbine wheel 14 connected at least indirectly to the second power branch.
  • the reference numeral 25 designates a filling device which serves to set the level of the operating medium in the hydrodynamic coupling and thus the power transmission between the pump wheel 13 and the turbine wheel 14.
  • the means of measurement and control which are not shown in detail in FIG. 5, measure the rotational speed of the output shaft 10 to be kept constant and preferably the level of the operating medium in the hydrodynamic coupling is regulated by means of the filling device 25 such that the rotational speed on the output shaft 10 in Mainly kept at a constant setpoint.
  • the hydrodynamic circuit 12 used is one which can be regulated at least to a certain degree in terms of its power consumption and its power output.
  • the controllability of this hydrodynamic component is of crucial importance for the present task and especially for use in wind turbines.
  • the power flow diagram from FIG. 6a corresponds to that from FIG. 1, with the power split transmission 5 transferring the power introduced via the input shaft 2, here at the speed ni, to a first power branch 7, which at least indirectly drives an electric generator and the constant one Output speed n 2 , and a second power branch 18 is divided.
  • FIGS. 6a, 6b, 6c result from the type of power split in the power split transmission 5.
  • the power is introduced via the planet gear carrier 6, the first power split 7 is operatively connected to the sun gear 9 and the second power split 18 results in a reaction on the ring gear 17.
  • the power is introduced via the ring gear 17, the first power branch 7 is in turn in operative connection with the sun gear 9 and the second power branch 18 is at least indirectly coupled to the planet gear carrier 6.
  • the first power branch 7 when the power is introduced via the planet gear carrier 6, the first power branch 7 can be operatively connected to the ring gear 17 and the second power branch 18 can be operatively connected to the sun gear 9.
  • additional gearboxes as stationary gearboxes in the power branches, these are outlined in the exemplary embodiments as planetary gearboxes and provided with the reference numerals 16 and 16.2.
  • FIGS. 7a, 7b and 7c A further embodiment variant of the drive train according to the invention is shown in FIGS. 7a, 7b and 7c.
  • the power flow in the second power branch 18 takes place in the forward direction, ie in the direction of the driven side.
  • the pump wheel 13 of the hydrodynamic circuit 12, here a hydrodynamic servo converter is at least indirectly connected to the second power branch 18 and there is an active connection to the first power branch 7 via the turbine wheel 14 and thus an active access to the at the constant speed revolving output shaft 10.
  • FIGS. 7a and 7b Differences between the configurations according to FIGS. 7a and 7b result from the type of power introduction and the power split in the power split transmission 5, in FIG. 7a the planet gear carrier 6 is at least indirectly coupled to the input shaft 2 and an operative connection via the ring gear 17 second power branch 18 and via the sun gear 9 to the first power branch 7. According to FIG. 7 b, the introduction of power can also take place via the ring gear 17 and there is an operative connection via the planet gear carrier 6 to the second power branch 18 and via the sun gear 9 to the first power branch 7.
  • FIG. 7c Another configuration example for the power flow in the forward direction in the second power branch 18 is shown in FIG. 7c.
  • FIG. 8a, 8b and 8d A further development of the drive train according to the invention, which is essentially a variable input speed and a variable power input has constant output speed is shown in Figs. 8a, 8b and 8d.
  • the hydrodynamic circuit 12 is not operatively connected to a first power branch 7 or an output shaft 10 of the
  • Power split transmission 5 which drives the electric generator at least indirectly.
  • the hydrodynamic circuit 12 controls the power flow on a second power branch 18, a reactive power branch, which is at least indirectly connected to both the power split transmission 5 and the input shaft 2 and feeds the power back to the power split transmission 5.
  • Fig. 8a the power is introduced to the power split transmission 5 via the planet gear carrier 6. Also connected to the planet gear carrier 6 is a stationary gear, here a planet gear 16, which serves to increase the speed and which drives the pump wheel 13 of the hydrodynamic actuating converter. Power then flows back in the form of reactive power to the sun gear 9 of the power split transmission 5 via the turbine wheel 14 and an additional stationary gear 16.2.
  • a stationary gear here a planet gear 16
  • the speed of the output shaft 10 which is at least indirectly connected to the ring gear 17, can be kept essentially constant.
  • 8b and 8c show further refinements of this principle, with the drive-side power introduction into the power split transmission 5 being changed in each case.
  • a certain softness in the reactivity is characteristic of a hydrodynamic circuit 12 in the combination according to the invention with a power split transmission 5. Below this, sufficient damping without loss of power is used for an advantageous control behavior, which results from the moving masses of the hydrodynamic circuit 12.
  • short-term fluctuations in the system such as occur in the case of wind power plants due to shading effects or gusts, can thus be well cushioned by the system according to the invention, which one represents a significant advantage from a control point of view in keeping the output speed of the drive train according to the invention constant.
  • a further characteristic of the arrangement according to the invention is that by using at least one hydrodynamic circuit 12, which reacts on the power split transmission 5, an energy storage effect, at least a brief one, can be achieved. This also has an advantageous effect on the control characteristic of the drive train according to the invention.
  • FIG. 11 again uses the example of a wind power plant to illustrate the flexible adaptation of an input speed of a drive train and thus an optimally adapted rotor speed to the wind, at the same time assuming a constant output speed (generator speed). Shown are * different operating points A, B and C, which correspond to different power coefficients with the assigned rotor speeds ⁇ c, ⁇ A and OJ B. At point A, the rotor draws optimal performance from the air flow. In point C, only a part of the possible rotor power is used and the hydrodynamic circuit is consequently regulated in the power consumption from the main train and the power output in the return to the superposition gear so that the rotor is accelerated until it reaches the optimal working point A. With an opposite sign, the control takes place starting from operating point B. This corresponds to the regulation at an optimal working point with a constant wind speed.
  • FIG. 9 shows a wind profile with a wind speed that fluctuates over time, which in turn is converted into an optimal rotor speed.
  • a certain smoothing takes place due to the inertia of the mechanical components used - rotor, gear, hydrodynamic circuit, etc.
  • Deviations can be, for example, in the range of ⁇ 10%, preferably ⁇ 5% and particularly preferably ⁇ 1% of the target output speed.
  • a particularly high constancy of the output speed of at most + 0.5% is preferred, which further supports the network to be operated.

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  • Braiding, Manufacturing Of Bobbin-Net Or Lace, And Manufacturing Of Nets By Knotting (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl für eine Energieerzeugungsanlage angetrieben mit einer Strömungsmachine wie einer Windturbine (3) oder einer Wasserturbine; mit einem Leistungsverzweigungsgetriebe (5) zur Aufteilung der Leistung auf wenigstens einen ersten Leistungszweig (7) und wenigstens einen zweiten Leistungszweig (7), wobei der erste Leistungszweig (7) wenigstens mittelbar einen elektrischen Generator (11) antreibt und mittels eines, abtriebsseitig zum Leistungsverzweigungsgetriebe (5) angeordneten hydrodynamischen Kreislaufs (12) eine Verbindung zwischen dem ersten Leistungszweig (7) und dem zweiten Leistungszweig (18) hergestellt wird und durch den hydrodynamischen Kreislauf (12) der Leistungsfluss so beeinflusst wird, dass die Drehzahl, mit der der elektrische Generator (11) angetrieben wird, im Wesentlichen konstant ist.

Description

Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung
Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl und konstanter Ausgangsdrehzahl. Die Erfindung betrifft insbesondere Anlagen mit variabler Leistungseinbringung, wie sie bei Nutzung von natürlichen Energieaufkommen von Wind, Wasser und anderen Ressourcen aufkommen.
Die Nutzung der Windenergie wird vor allem bei Leistungen von über 1 MW interessant. Ferner ist es notwendig, die Betriebsführung der Anlage derart zu gestalten, dass eine maximale Leistungsausbeute bei minimaler dynamischer Belastung erfolgt. Um den Wirkungsgrad des gesamten Systems optimal zu gestalten, und zwar in der Phase des Hochfahrens der Anlage sowie in der Betriebsphase und beim Stillsetzen, benötigt man eine Drehzahlregelung für die Arbeitsmaschine, die auch bereichsweise durch weitere Regelungsarten (z. B. Rotorblattverstellung) unterstützt werden kann.
Im Folgenden soll daher anhand des Beispiels von Windkraftanlagen die Problematik einer zeitlich variablen Leistungsübertragung insbesondere bei einer zeitlich veränderlicher Eingangsdrehzahl und entsprechend zeitlich veränderlichem Moment dargestellt werden, wenn als Nebenbedingung bei der Leistungsübertragung eine im Wesentlichen zeitlich konstante Ausgangsdrehzahl gefordert ist.
Der Betrieb einer Windkraftanlage ist deshalb für die voranstehend dargestellte Problematik kennzeichnend, da die durch die Windkraftanlage erzeugte elektrische Energie in ein elektrisches Verbundnetz eingespeist wird, welches eine starre Netzfrequenz aufweist. Da es sich bei der Netzfrequenz um die primäre Größe zur Stabilisierung und Regelung des Netzes selbst handelt, setzt eine direkte Kopplung des Generators der Wind kraftanlage voraus, dass dieser vom Antriebsstrang mit einer konstanten Drehzahl versorgt wird. Solche Windkraftanlagen werden auch als drehzahlstarre Windkraftanlagen bezeichnet. Dabei werden für drehzahlstarre Windkraftanlagen üblicherweise Asynchrongeneratoren verwendet, die aufgrund des prinzipbedingten Schlupfes auf einfache Art und Weise auf ein Verbundnetz aufgeschaltet werden können.
Zur Systemanforderung einer konstanten Ausgangsdrehzahl am Antriebsstrang kontrastierend ist der aufgrund schwankender Windverhältnisse zeitlich variable Leistungseintrag bei Windkraftanlagen. Dabei wird diese Problematik zusätzlich durch die systeminhärente Charakteristik der mechanischen Energiewandlung der kinetischen Energie der Luftströmung in die kinetische Energie der Rotorbewegung verschärft. Bei einer drehzahlstarren Windkraftanlage liegt eine Festlegung auf eine bestimmte Rotorfrequenz oder auf wenige Rotorfrequenzen vor, wobei mehr als eine Rotorfrequenz nur dann möglich ist, falls der Generator eine Polumschaltung besitzt oder unterschiedliche Generatoren verwendet werden. Dabei wird die gewünschte Umlaufgeschwindigkeit des Rotors üblicherweise durch eine Winkelverstellung der Rotorblätter erreicht, was auch als Pitchregelung bezeichnet wird.
Nachteilig an drehzahlstarren Windkraftanlagen ist, dass sie bei Teillast, welche bei typischen Windverhältnissen häufig auftritt, nur mit verminderter Effizienz betrieben werden können.
Wird eine Windkraftanlage im Teillastbereich drehzahlvariabel betrieben, so besteht entweder die Möglichkeit, einen Antriebsstrang mit variabler oder konstanter Ausgangsdrehzahl auszubilden. Dabei ist in beiden Fällen die Ausgangsleistung aufgrund des zeitlich variierenden Momentes ebenfalls zeitlich veränderlich.
Der erste Fall führt für Windkraftanlagen zur Verwendung von Frequenzumrichtern mit einem Gleichstromzwischenkreis. Dieser Ansatz leitet aber weg von der hier dargestellten Aufgabe und ist insbesondere mit weiteren Schwierigkeiten behaftet, wie einer starken Netzrückwirkung in Verbindung mit einer erhöhten Oberschwingungsbelastung und hohen Blindleistungen. Der zweite Ansatz, nämlich eine variable Rotordrehzahl der Windkraftanlage mit einer konstanten Generatordrehzahl zu verbinden, entspricht der hier dargestellten Thematik eines Antriebsstrangs zum Übertragen einer variablen Leistung mit einer variablen Eingangsdrehzahl und konstanter Ausgangsdrehzahl. Die bekannten Lösungen dieser Problematik, insbesondere für Windkraftanlagen, setzen im Antriebsstrang ein Überlagerungsgetriebe ein, welches zur Verzweigung bzw. Überlagerung der mechanischen Leistung verwendet wird. Bei drehzahlvariablen Windkraftanlagen sind nun zwei hierauf basierende Ansätze bekannt geworden, welche zur Konstanthaltung der Generatorfrequenz verwendet werden.
Im ersten System wird die Eingangsleistung über das Überlagerungsgetriebe auf einen großen Generator sowie einen kleinen Stellmotor aufgeteilt, wobei üblicherweise auf den Stellmotor in etwa 30 % der Eingangsleistung übertragen wird. Der Generator ist frequenzstarr mit dem Stromnetz verbunden, während der Stellmotor über einen Frequenzumrichter am Netz angeschlossen ist. Zur Stabilisierung der Generatordrehzahl wird der Stellmotor entweder als Motor oder als Generator betrieben. Auch dieses System ist nicht rückwirkungsfrei für das Stromnetz. Ferner ist ein solches System nur schwierig zu regeln und weist als Energiespeicher im Wesentlichen nur die trägen Massen des Antriebsstrangs und des Rotors auf. Des Weiteren sind aufgrund des Einsatzes von Frequenzumrichtern die Investitionskosten relativ hoch.
Im zweiten System, welches hydrostatisch arbeitet, werden anstatt des elektrischen Stellmotors hydraulische Motoren und Pumpen verwendet. Auch hier tritt die Problematik einer schwierigen Regelungscharakteristik auf, insbesondere ein träges Ansprechverhalten und relevante Todzeiten sowie starke Nichtlinearitäten. Außerdem sind die hydraulischen Systemkomponenten aufgrund des konstruktiven Aufwands und des Gewichts nachteilig.
In der nachfolgenden Tabelle werden die dargestellten unterschiedlichen bekannten Regelungen der Wirkleistung von Windkraftanlagen zusammengefasst:
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung derart zu gestalten, dass ein Leistungsaufnehmer mit einer im Wesentlichen konstanten Drehzahl beschickt werden kann, so dass der Übertragungsvorgang bei hohem Wirkungsgrad vonstatten geht und Stöße im Antriebsstrang minimiert werden. Ferner ist ein Kurzzeitenergiespeicher im Antriebsstrang auszubilden, um die Regelungscharakteristik des Systems zu verbessern. Außerdem sind die Anzahl der beteiligten Bauteile und die Investitionskosten auf niedrigem Niveau zu halten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Prinzip führt zu einem sehr guten Wirkungsgrad. Bei Windkraftanlagen führt der erfindungsgemäße Antriebsstrang auch bei unregelmäßigem Windprofil und damit verbunden unterschiedlichen Rotordrehzahlen zu einer Generatordreh∑ahl auf einem annähernd gleichmäßigen Niveau.
Bisher sind in Windkraftanlagen verschiedene Regelungs- und Steuermöglichkeiten mit mehr und minder gutem Einfluss auf den Wirkungsgrad bekannt:
Einstellung des Rotorblattwinkels, variable Drehzahl des Generators,
Schlupfregelung,
Drosselung der Drehzahl des Generators,
Polzahlschaltung und
Drehzahlregelung im Überlagerungsgetriebe.
Für den erfindungsgemäßen Wirkungsmechanismus der Drehzahlregelung kann eine Kombination mit bestehenden Regelungs- und Steuermöglichkeiten, z. B. der Einstellung des Rotorblattwinkels und der Drehzahlregelung im Überlagerungsgetriebe, umgesetzt werden. Dabei wird der Rotor der Windkraftanlage immer auf seiner optimalen Kennlinie gefahren (optimaler Wirkungsgrad) und eine konstante Drehzahl an den Generator abgegeben.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Windkraftanlage mit einem hydrodynamischen Stellwandler als hydrodynamischen Kreislauf. Fig. 2 zeigt eine Grafik, die die Drehmoment- und
Leistungsaufnahmecharakteristik eines Windrotors in Abhängigkeit von Windgeschwindigkeit und Windrotordrehzahl und die damit verbundene variable Eingangsdrehzahl des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs sowie die konstante Ausgangsdrehzahl zum Generator veranschaulicht.
Fig. 3 stellt die Leistungsflüsse und Drehzahlen der einzelnen Zweige des mechanisch-hydrodynamischen Antriebsstrangs in Abhängigkeit der Windturbinendrehzahl dar.
Fig. 4 stellt die Leistungsflüsse und die Einstellung des Reaktionsglieds des mechanisch-hydrodynamischen Antriebsstrangs in Abhängigkeit der Windturbinendrehzahl dar.
Fig. 5 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Windkraftanlage mit einer hydrodynamischen Kupplung als hydrodynamischen Kreislauf.
Fig. 6a-c stellen Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen
Antriebsstrang dar, bei denen durch einen hydrodynamischen Kreislauf eine Verbindung zwischen einem ersten und einem zweiten Leistungszweig besteht und Bildleistung über einen zweiten Leistungszweig auf das Leistungsverzweigungsgetriebe zurückgeführt wird.
Fig. 7a-c stellen Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen Antriebsstrang dar, bei denen Leistung auf einem zweiten Leistungszweig in Vorwärtsrichtung geführt wird und durch einen hydrodynamischen Kreislauf in einen ersten Leistungszweig eingeleitet wird. Fig. 8a-c stellen Ausführungsbeispiele für den erfindungsgemäßen
Antriebsstrang dar, bei denen mittels eines ersten Leistungszweigs ein elektrischer Generator angetrieben wird und in einem zweiten, getrennten Leistungszweig ein hydrodynamischer Kreislauf den Blindleistungsfluss regelt.
Fig. 9 zeigt das Windprofil einer erfindungsgemäßen Anlage sowie die zugehörende Rotordrehzahl.
Fig. 10 zeigt schematisch den Wirkleistungsverlauf einer Windkraftanlage mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang.
Fig. 11 veranschaulicht eine Regelung zur optimalen Leistungsabgabe des
Rotors.
Die Rotorleistung pR einer Windkraftanlage steht näherungsweise im folgenden Zusammenhang zur Windgeschwindigkeit Vw
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Hierbei werden als k verschiedenen Konstanten wie etwa die Blattgeometrie sowie die Dichte der Luft zusammengefasst. Ferner bezeichnet cp den Leistungsbeiwert, der wiederum, wie dargestellt, von der Windgeschwindigkeit vw der Rotordrehzahl ω und dem Pitchwinkel ß abhängt. Dieser Leistungsbeiwert zeichnet sich durch ein globales Maximum aus, welches sich bei steigenden Windgeschwindigkeiten vw zu größeren Rotordrehzahlen ω R hin verschiebt.
Fig. 2 zeigt diesen Zusammenhang durch die Darstellung von durchgezogenen Kurvenscharen für Wirkleistung des Rotors und von gestrichelten Kurvenscharen für das vom Rotor aufgenommene Drehmoment einer Windkraftanlage unter Berücksichtigung verschiedener Windgeschwindigkeiten, wobei die einzelnen Kurven der Kurvenscharen jeweils exemplarisch. einer Windgeschwindigkeit zugeordnet sind. Charakteristisch ist die Verschiebung der optimalen Rotordrehzahl zu höhere Werten mit steigender Windgeschwindigkeit, wobei diese auf einer in Fig. 2 dargestellten Kurve liegen, die als Parabolik bezeichnet wird. Eine drehzahlvariable Anlage kann somit in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Windgeschwindigkeit jeweils bei optimalen Leistungsbeiwerten betrieben werden.
Typischerweise sind Windkraftanlagen für bestimmte Nennleistungen, verbunden mit einer Nenndrehzahl, ausgelegt. Bei einer Windleistung oberhalb dieses Schwellwertes findet eine Leistungsbegrenzung entweder durch eine Pitchregelung oder durch Stallregelung statt, so dass für den drehzahlvariablen Betrieb einer Windkraftanlage insbesondere der Teillastbetrieb von Bedeutung ist.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang weist bei der Übertragung über den gesamten Drehzahlbereich einen sehr guten Wirkungsgrad auf, wobei auf das in Fig. 10 dargestellte Auslegungsbeispiel verwiesen wird, bei dem bis zu einer maximalen Übertragungsleistung von 2,5 MW mit einem Antriebsdrehzahlbereich von n = 10 - 18 U/min bei konstanter Abtriebsdrehzahl von n = 1500 U/min gerechnet wurde. Kurve I aus Fig. 10 zeigt den gleichmäßig hohen Wirkungsgrad und mit der Kurve II ist die für dieses Beispiel übertragene Leistung skizziert.
Für Windkraftanlagen sind mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang folgende Regelungsaufgaben bzw. Betriebszustände in Abhängigkeit des Windes in Betracht zu ziehen:
An- und Abschaltung, Bremsen der Rotoren,
Betri eb mit wechselnden Windgeschwindigkeiten und
Betri eb mit konstanten Windgeschwindigkeiten um einen optimalen Betri ebspunkt. Eine drehzahlvariable Windkraftanlage kann vorteilhafterweise mit einem erfindungsgemäßen Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit einer variablen Eingangsdrehzahl und konstanter Ausgangsdrehzahl, die wiederum auf einen Generator übertragen wird, ausgebildet sein.
Fig. 1 zeigt hierzu in schematisch vereinfachter Art und Weise einen solchen erfindungsgemäßen Antriebsstrang 1. Dieser umfasst eine Eingangswelle 2, die mit dem Rotor 3 einer Windkraftmaschine wenigstens mittelbar verbunden ist. Im vorliegenden Fall ist ein Getriebe 4 mit einem konstanten Übersetzungsverhältnis zwischen dem Rotor 3 der Windkraftmaschine und der Eingangswelle 2 platziert. Ein solches zwischengeschaltetes Getriebe 4 ist vorteilhaft, jedoch nicht zwingend notwendig, es kann, je nach Anwendungsfall, dazu dienen, den Bereich möglicher Rotordrehzahlen zu erweitern und den Wirkungsgrad optimal zu gestalten.
Der erfindungsgemäße Antriebsstrang weist ein Überlagerungsgetriebe zur Leistungsverzweigung auf, das im Folgenden als Leistungsverzweigungsgetriebe 5 bezeichnet wird. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird als Leistungsverzweigungsgetriebe 5 des Antriebsstrangs 1 ein Planetenradgetriebe verwendet, wobei die Eingangswelle 2 mit dem Planetenradträger 6 in Verbindung steht. Im Leistungsverzweigungsgetriebe 5 liegen nun zwei Leistungszweige vor, der erste Leistungszweig 7 führt Leistung über das Sonnenrad 9 zur Ausgangswelle 10 des Antriebsstrangs. Diese Ausgangswelle 10 treibt wenigstens mittelbar den elektrischen Generator 11 an und steht in Wirkverbindung mit dem hydrodynamischen Stellwandler, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel als hydrodynamischer Kreislauf 12 dient. Hierzu ist die Ausgangswelle 10 wenigstens mittelbar mit dem Pumpenrad 13 des hydrodynamischen Stellwandlers verbunden.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Ausgangswelle 10 um eine schnell umlaufende Welle. In der vorliegenden Anmeldung wird unter einer schnell umlaufenden Welle eine solche verstanden, deren Drehzahl ein Vielfaches der Drehzahl der Eingangswelle 2 ist. Besonders bevorzugt wird eine typische Umlaufdrehzahl der Ausgangswelle 10, die zum direkten Betreiben des elektrischen Generators 11 geeignet ist, beispielsweise 1500 U/min. Auch andere Drehzahlwerte für die Ausgangswelle 10 sind je nach Polzahl des elektrischen Generators 11 bzw. der vorliegenden Netzfrequenz denkbar. Vorteilhaft an der Ausbildung einer schnell umlaufenden Ausgangswelle 10 ist, dass der hydrodynamische Kreislauf 12, hier der hydrodynamischen Stellwandler, der wenigstens mittelbar mit der Ausgangswelle 10 in Wirkverbindung steht, effizient, d. h. mit hoher Drehzahl betrieben werden kann.
Als Reaktionsglied 15 wird im hydrodynamischen Wandler ein Leitrad mit Stellschaufeln verwendet, mit dem die Aufnahmeleistung der Pumpe und somit der Leistungsfluss auf das Turbinenrad 14 eingestellt werden kann. Über das Turbinenrad 14 erfolgt wiederum ein Leistungsrückfluss mit Leistungswandlung auf das Hohlrad 17, der über einen zweiten, als Standgetriebe ausgebildeten Planetenradsatz 16 übersetzt wird. Dieser zusätzliche Planetenradsatz 16 ist optional, er wird jedoch bevorzugt, da durch dieses Maßnahme eine Drehzahlerhöhung auf der Ausgangswelle 10, der vorzugsweise schnell umlaufenden Welle, und eine Erhöhung der Relativdrehzahl von Pumpen- 13 und Turbinenrad 14 im hydrodynamischen Kreislauf 12 erreicht wird. Hieraus ergibt sich insbesondere die Möglichkeit den hydrodynamischen Kreislauf 12 kleinbauend auszubilden.
Der variable Leistungsrückfluss auf das Hohlrad 17 des Leistungsverzweigungsgetriebes 5 bewirkt ein variabel einstellbareres Übersetzungsverhältnis. Dies stellt den zweiten Leistungszweig 18 des Leistungsverzweigungsgetriebes dar, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel dem Leistungsrückfluss dient. Hierbei ist der Planetenradsatz 16 als optional anzusehen. Er dient im vorliegenden Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs zur Herabsetzung der Turbinendrehzahl mit der der hydrodynamische Stellwandler betrieben werden kann. Höhere Pumpen- und Turbinendrehzahlen bewirken Effizienzsteigerung bzw. ergeben die Möglichkeit den hydrodynamischen Stellwandler kleinbauend auszubilden. Der erfindungsgemäße Antriebsstrang mit einem hydrodynamischen Stellwandler als hydrodynamischen Kreislauf 12 ist nun so konstruktiv ausgestaltet, dass durch die Wahl der mechanischen Übersetzungen im Leistungsverzweigungsgetriebe sowie durch die Dimensionierung des hydrodynamischen Stellwandlers die parabolische Kennlinie der optimalen Leistungsaufnahme durch den Windrotor 3 nachgebildet wird. Ausgangspunkt hierfür ist, dass für jede Windgeschwindigkeit eine ideale Rotordrehzahl für die maximale Leistungsaufnahme aus der Luftströmung angegeben werden kann. Hierzu wird auf die voranstehende Darlegung zur Fig. 2 verwiesen. Als weitere Bedingung ist gleichzeitig eine im Wesentlichen konstante Ausgangsdrehzahl des Antriebsstrangs für den elektrischen Generator vorgegeben. Im vorliegenden Fall liegt diese bei 1500 U/min mit einer Netzfrequenz von f = 50 Hz . Die notwendigen Umlaufgeschwindigkeiten der Getriebekomponenten des
Leistungsverzweigungsgetriebes, etwa des Hohlrades 17 und des Sonnenrades 9, können nun unter Beachtung dieser Vorgaben für jede Windgeschwindigkeit im Teillastbereich festgelegt werden. Hierzu ist zu beachten, dass der Antriebsstrang die parabolische Leistungsaufnahmecharakteristik für eine im Wesentlichen konstant bleibende Stellung des Reaktionsglieds 15 des hydrodynamischen Stellwandlers 12 nachbilden muss.
Fig. 3 stellt an Hand einer Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 die sich am Antriebsstrang einstellenden Drehzahlen sowie die in den einzelnen Zweigen übertragenden Leistungen dar. Im Einzelnen zeigt die Kurve A die Drehzahl der Abtriebswelle 10, Kurve B die Drehzahl des Turbinenrads 14 des hydrodynamischen Stellwandlers, Kurve C die Drehzahl der Eingangswelle 2 und die Kurve D die Drehzahl auf dem Hohlrad 17 des
Leistungsverzweigungsgetriebes 5. Für die Leistungsflüsse stellt die Kurve F die vom Windrotor aufgenommene Leistung dar, Kurve E ist die Leistung auf dem Sonnenrad 9 des hydrodynamischen Steilwandlers 12, Kurve G die vom Antriebsstrang übertragene Leistung zum elektrischen Generator und Kurve H gibt die über den zweiten Leistungszweig 18 vom hydrodynamischen Stellwandler auf das Leistverzweigungsgetriebe 5 zurückfließende Leistung. Fig. 4 zeigt nochmals den Leistungsfluss für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sowie die Einstellung des Reaktionsglieds 15 des hydrodynamischen Stellwandlers, im vorliegenden Fall des Leitrads. Die Leistungsflusskurven E, F, G und H entsprechen jenen aus Fig. 3. Sichtbar ist, dass bei einer optimalen Leistungsaufnahme entlang der Parabolik, die durch die Charakteristik des Antriebsstrangs nachgebildet werden kann, mit einer über den gesamten dargestellten Teillastbereich mit einer im Wesentlichen gleich bleibenden Leitschaufelstellung gearbeitet werden kann. Diese Einstellung wird nachfolgend als die justierte Einstellung des hydrodynamischen Wandlers bezeichnet. Es ist also keine Regelung des Reaktionsglieds im eigentlichen Sinne nötig, um die Konstanz der Ausgangsdrehzahl des Antriebsstrangs zur Beschickung des elektrischen Generators bei gleichzeitiger variabler optimaler Windrotordrehzahl zu erreichen. Hierbei wird darauf verwiesen, dass die Steilheit der die Leistungsaufnahme charakterisierenden Parabel durch die Übersetzungsdimensionierung der Komponenten des Leistungsverzweigungsgetriebes wie durch die Dimensionierung des hydrodynamischen Stellwandlers eingestellt werden kann. Diese Charakteristik des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs wird in der vorliegenden Anmeldung als Selbstregelung bezeichnet.
Verallgemeinert zeigt Fig. 1 einen leistungsverzweigten Antriebsstrang, welcher einen hydrodynamischen Kreislauf 12 aufweist, der Leistung aus dem Hauptstrang mit dem der elektrische Generator 11 angetrieben wird abzweigt bzw. rückwirkend auf das Leistungsverzweigungsgetriebe 5 überträgt. Auch ist es denkbar, den Antriebsstrang so zu konstruieren, dass vom Leistungsverzweigungsgetriebe 5 über den hydrodynamischen Stellwandler auf den ersten Leistungszweig 7 eine Teilleistung eingeleitet wird. Hierbei ist es möglich, als hydrodynamischen Kreislauf 12 einen hydrodynamischen Stellwandler, eine hydrodynamische Kupplung oder einen Trilocwandler einzusetzen. Wie voranstehend dargestellt, besteht bei der Verwendung eines hydrodynamischen Stellwandlers der Vorteil einer Selbstregelung aufgrund der Übereinstimmung zwischen der Leistungsaufnahmecharakteristik eines Windrotors und der Eigencharakteristik des hydrodynamischen Stellwandlers. Im Gegensatz hierzu muss bei der Wahl einer hydrodynamischen Kupplung als hydrodynamischer Kreislauf 12 der Leistungsfluss zwischen den Kupplungshälften aktiv geregelt werden, wobei die hierfür notwendigen Mess- und Stellmittel sowie der jeweils gewählte Regler im Rahmen des fachmännischen Ermessens gestaltet werden können. Gleichwohl ergeben sich für hydrodynamische Kupplungen in bestimmten Anwendungen Vorteile. Dies ist insbesondere darin begründet, dass sich mit einer Kupplung auf einfache Art und Weise die Abregelung der Windkraftanlage beim Eintritt des Volllastbereichs unterstützen lässt, dies ist insbesondere für große, für den Einsatz auf offener See projektierte Windkraftanlagen von Vorteil. Der Trilocwandler wiederum kann in bestimmten Betriebsbereichen wegen seiner hohen Effizienz als alternativer hydrodynamischer Kreislauf 12 bevorzugt werden.
In Fig. 5 ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs skizziert, bei der als hydrodynamischer Kreislauf eine hydrodynamische Kupplung verwendet wird. Die weiteren Komponenten des Antriebsstrangs sowie die Leistungsflüsse entsprechen jenen nach Fig. 1. Die vom Antrieb über die Eingangswelle 2 auf das Leistungsverzweigungsgetriebe 5 übertragene Leistung wird in einen ersten Leistungszweig 7 und einen zweiten Leistungszweig 18 aufgeteilt, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel im zweiten Leistungszweig 18 Leistung in Antriebsrichtung, d.h. zum Leistungsverzweigungsgetriebe, zurückfließt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird ein Planetenradgetriebe zur Leistungsverzweigung verwendet. Hierbei erfolgt der antriebsseitige Leistungseintrag über die Planentenradträger 6. Außerdem sind die beiden Leistungszweige so ausgebildet, dass eine Wirkverbindung zwischen dem Sonnenrad 9 und dem ersten Leistungszweig 7 sowie dem Hohlrad 17 und dem zweiten Leistungszweig 18 besteht. Entsprechend der Ausgestaltung nach Fig. 1 dient ein im zweiten Leistungszweig 18 zwischengeschaltetes Planentengetriebe 16 der Drehzahlsteigerung auf der Abtriebswelle 10 und damit der Effizienzsteigerung des hydrodynamischen Kreislaufs 12, dies ist jedoch optional. Ferner ist in Fig. 5 eine hydrodynamische Kupplung mit einem wenigstens mittelbar mit dem ersten Leistungszweig 7 bzw. der Abtriebswelle 10 verbundem Pumpenrad 13 und einem wenigstens mittelbar mit dem zweiten Leistungszweig verbundem Turbinenrad 14 dargestellt. Mit dem Bezugszeichen 25 ist eine Befüllungsvorrichtung bezeichnet, die dazu dient, den Füllstand des Betriebsmittels in der hydrodynamischen Kupplung und damit die Leistungsübertragung zwischen dem Pumpenrad 13 und dem Turbinenrad 14 einzustellen. Durch weitere in Fig. 5 nicht im Einzelnen dargestellte Mittel zu Messung und Regelung wird die konstant zu haltende Drehzahl der Abtriebswelle 10 gemessen und vorzugsweise der Füllstand des Betriebsmittels in der hydrodynamischen Kupplung mittels der Befüllungsvorrichtung 25 so geregelt, dass die Drehzahl auf der Abtriebswelle 10 im Wesentlichen auf einem konstanten Sollwert gehalten wird.
Generell wird als hydrodynamischer Kreislauf 12 ein solcher verwendet, der zumindest im gewissen Grade in seiner Leistungsaufnahme und seiner Leistungsabgabe regelbar ist. Für die vorliegende Aufgabenstellung und insbesondere für den Einsatz in Windkraftanlagen ist die Regelbarkeit dieser hydrodynamischen Komponente von entscheidender Bedeutung.
Im Rahmen des fachmännischen Könnens ist es möglich, den erfindungsgemäßen Antriebsstrang unterschiedlich auszugestalten. Hierbei wird im Folgenden zwischen zwei erfindungsgemäßen Varianten des Leistungsflusses unterschieden, was anhand von Beispielen in den Fig. 6a, 6b, 6c zum einen und den Fig. 7a, 7b, 7c zum anderen dargestellt ist. Die Bezugszeichen für übereinstimmende Komponenten des Antriebsstrangs sind entsprechend zu Fig. 1 gewählt.
Das Leistungsflussschema aus Fig. 6a entspricht jenem aus Fig. 1 , wobei durch das Leistungsverzweigungsgetriebe 5 die über die Eingangswelle 2 eingebrachte Leistung, hier bei der Drehzahl ni, auf einen ersten Leistungszweig 7, der wenigstens mittelbar einen elektrischen Generator antreibt und die konstante Ausgangsdrehzahl n2 aufweist, und einen zweiten Leistungszweig 18 aufgeteilt wird.
Kennzeichnend für die in den Fig. 6a, 6b, 6c gezeigte erste Ausgestaltungsvariante ist, dass über den zweiten Leistungszweig 18 Leistung in Form von Blindleistung auf das Leistungsverzweigungsgetriebe 5 zurückfließt. Bevorzugt ist auch die übereinstimmende Verbindung des ersten und des zweiten Leistungszweigs 7, 18 über den hydrodynamischen Kreislauf 12, wobei bevorzugt das Pumpenrad 13 wenigstens mittelbar mit dem ersten Leistungszweig 7 und das Turbinenrad 14 wenigstens mittelbar mit dem zweiten Leistungszweig 18 verbunden sind.
Die in den Fig. 6a, 6b, 6c skizzierten Ausgestaltungsunterschiede ergeben sich aus der Art der Leistungsverzweigung im Leistungsverzweigungsgetriebe 5. Nach Fig. 6a erfolgt die Leistungseinleitung über den Planetenradträger 6, der erste Leistungszweig 7 steht in Wirkverbindung mit dem Sonnenrad 9 und der zweite Leistungszweig 18 ergibt eine Rückwirkung auf das Hohlrad 17. Nach Fig. 6b erfolgt die Leistungseinleitung über das Hohlrad 17, der erste Leistungszweig 7 steht wiederum in Wirkverbindung mit dem Sonnenrad 9 und der zweite Leistungszweig 18 ist wenigstens mittelbar mit dem Planetenradträger 6 verkoppelt. Gemäß Fig. 6c kann bei einer Leistungseinleitung über den Planetenradträger 6 der erste Leistungszweig 7 in Wirkverbindung mit dem Hohlrad 17 und der zweite Leistungszweig 18 in Wirkverbindung mit dem Sonnenrad 9 treten. Ferner ist es möglich, zusätzliche Getriebe als Standgetriebe in den Leistungszweigen zwischenzuschalten, diese sind iri den Ausführungsbeispielen als Planetenradgetriebe skizziert und mit den Bezugszeichen 16 und 16.2 versehen.
Eine weitere Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs ist in den Fig. 7a, 7b und 7c gezeigt. Im Unterschied zu den voranstehend dargestellten Ausführungsformen erfolgt hier der Leistungsfluss im zweiten Leistungszweig 18 in Vorwärtsrichtung, d.h. in Richtung der Abtriebsseite. Hierzu ist in der Ausgestaltung nach den Fig. 7a und 7b das Pumpenrad 13 des hydrodynamischen Kreislaufs 12, hier ein hydrodynamischer Stellwandler, wenigstens mittelbar mit dem zweiten Leistungszweig 18 verbunden und über das Turbinenrad 14 besteht eine Wirkverbindung zum ersten Leistungszweig 7 und damit ein Wirkzugriff auf die mit der konstanten Drehzahl
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umlaufende Ausgangswelle 10.
Unterschiede zwischen den Ausgestaltungen nach Fig. 7a und Fig. 7b ergeben sich aus der Art der Leistungseinleitung und der Leistungsverzweigung im Leistungsverzweigungsgetriebe 5, wobei in Fig. 7a der Planetenradträger 6 mit der Eingangswelle 2 wenigstens mittelbar gekoppelt ist und eine Wirkverbindung über das Hohlrad 17 zum zweiten Leistungszweig 18 und über das Sonnenrad 9 zum ersten Leistungszweig 7 besteht. Nach Fig. 7b kann die Leistungseinleitung auch über das Hohlrad 17 erfolgen und eine Wirkverbindung über den Planetenradträger 6 zum zweiten Leistungszweig 18 und über das Sonnenrad 9 zum ersten Leistungszweig 7 bestehen.
Ferner können wiederum unterschiedliche Zwischengetriebe in den Leistungszweigen realisiert werden, die dann beispielsweise als Planetengetriebe 16 ausgestaltet werden können. Außerdem ist es möglich, eine zusätzliche Getriebestufe 16.3 im Bereich der mittelbaren Kopplung des hydrodynamischen Kreislaufs mit den Leistungszweigen 7, 18 auszubilden. Dies ist in der Ausgestaltung nach Fig. 7b gezeigt.
Ein weiteres Ausgestaltungsbeispiel für den Leistungsfluss in Vorwärtsrichtung im zweiten Leistungszweig 18 ist in Fig. 7c dargestellt. Hier besteht eine Wirkverbindung vom zweiten Leistungszweig 18 zum hydrodynamischen Kreislauf 12 über eine Kopplung zum Pumpenrad 13, während über das Turbinenrad 14 wenigstens mittelbar Leistung in den ersten Leistungszweig 7 eingebracht wird.
Eine Weitergestaltung des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs, der bei variabler Eingangsdrehzahl und einem variablen Leistungseintrag eine im Wesentlichen konstante Ausgangsdrehzahl aufweist, ist in den Fig. 8a, 8b und 8d dargestellt. Im Unterschied zu den voranstehenden Ausführungsformen steht der hydrodynamische Kreislauf 12 nicht in Wirkverbindung zu einem ersten Leistungszweig 7 bzw. einer Ausgangswelle 10 des
Leistungsverzweigungsgetriebes 5, die wenigstens mittelbar den elektrischen Generator antreibt. Stattdessen steuert der hydrodynamische Kreislauf 12 den Leistungsfluss auf einem zweiten Leistungszweig 18, einem Blindleistungszweig, der sowohl mit dem Leistungsverzweigungsgetriebe 5 wie auch mit der Eingangwelle 2 in wenigstens mittelbarer Verbindung steht und der Leistung auf das Leistungsverzweigungsgetriebe 5 zurückführt.
In Fig. 8a erfolgt die Leistungseinleitung auf das Leistungsverzweigungsgetriebe 5 über den Planetenradträger 6. Ebenfalls mit dem Planetenradträger 6 ist ein Standgetriebe, hier ein Planetenradgetriebe 16, verbunden, das zur Drehzahlerhöhung dient und welches das Pumpenrad 13 des hydrodynamischen Stellwandlers antreibt. Über das Turbinenrad 14 und ein zusätzliches Standgetriebe 16.2 fließt dann Leistung in Form von Blindleistung zum Sonnenrad 9 des Leistungsverzweigungsgetriebes 5 zurück. Durch die Steuerung des Blindleistungsflusses mittels des hydrodynamischen Kreislaufs 12 kann die Drehzahl der Abtriebswelle 10, die mit dem Hohlrad 17 wenigstens mittelbar verbunden ist, im Wesentlichen konstant gehalten werden. Fig. 8b und 8c zeigen weitere Ausgestaltungen dieses Prinzips, wobei jeweils die antriebsseitige Leistungseinleitung in das Leistungsverzweigungsgetriebe 5 verändert wird.
Kennzeichnend für einen hydrodynamischen Kreislauf 12 in der erfindungsgemäßen Kombination mit einem Leistungsverzweigungsgetriebe 5 ist eine gewisse Weichheit in der Reaktivität. Darunter wird eine hinreichende Dämpfung ohne Leistungsverluste für ein vorteilhaftes Regelungsverhalten ausgenutzt, welche aus den bewegten Massen des hydrodynamischen Kreislaufs 12 resultiert. Insbesondere kurzzeitige Schwankungen im System, wie sie bei Windkraftanlagen durch Abschattungseffekte oder bei Böen auftreten, können durch das erfindungsgemäße System somit gut abgefedert werden, was einen wesentlichen Vorteil aus regelungstechnischer Sicht bei der Konstanthaltung der Abtriebsdrehzahl des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs darstellt.
Weiterhin kennzeichnend für die erfindungsgemäße Anordnung ist, dass sich durch die Verwendung von wenigstens einem hydrodynamischen Kreislauf 12, welcher auf das Leistungsverzweigungsgetriebe 5 zurückwirkt, eine Energiespeicherwirkung, zumindest eine kurzzeitige, realisieren lässt. Auch diese wirkt sich vorteilhaft für die Regelungscharakteristik des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs aus.
Fig. 11 illustriert wiederum am Beispiel einer Windkraftanlage die flexible Anpassung einer Eingangsdrehzahl eines Antriebsstrangs und somit eine optimal an den Wind angepasste Rotordrehzahl, wobei gleichzeitig von einer konstanten Abtriebsdrehzahl (Generatordrehzahl) ausgegangen wird. Dargestellt sind * unterschiedliche Betriebspunkte A, B und C, welche verschiedenen Leistungsbeiwerten mit den zugeordneten Rotordrehzahlen ωc, ωAund OJ B entsprechen. Bei Punkt A entnimmt der Rotor der Luftströmung eine optimale Leistung. In Punkt C wird nur ein Teil der möglichen Rotorleistung ausgenutzt und der hydrodynamische Kreislauf wird folglich in der Leistungsaufnahme vom Hauptstrang und der abgegebenen Leistung in der Rückführung zum Überlagerungsgetriebe so geregelt, dass der Rotor beschleunigt wird bis er den optimalen Arbeitspunkt A erreicht. Mit einem entgegengesetzten Vorzeichen findet die Regelung ausgehend vom Betriebspunkt B aus statt. Dies entspricht somit der Regelung in einem optimalen Arbeitspunkt bei konstant angenommener Windgeschwindigkeit.
Ferner ist es auch möglich, dass eine gewisse Fluktuation im Wind auftritt, wodurch sich der konstante Arbeitspunkt verschiebt. Ein Beispiel hierfür ist der Punkt D, der ebenfalls wie der Punkt A auf der Kurve optimaler Leistung liegt und einer geringeren Windgeschwindigkeit entspricht. Somit ist durch den erfindungsgemäßen Antriebsstrang auch eine zeitlich variable Eingangsleistung mit zeitlicher Variabilität in der Eingangsdrehzahl einstellbar bzw. regelbar. Fig. 9 zeigt hierzu illustrierend ein Windprofil mit zeitlich flukturierender Windgeschwindigkeit, welche wiederum in eine optimale Rotordrehzahl umgesetzt wird. Hierbei findet eine gewisse Glättung aufgrund der Trägheit der verwendeten mechanischen Komponenten Rotor, Getriebe, hydrodynamischer Kreislauf etc. statt.
Im Allgemeinen wird im Rahmen der erfindungsgemäßen Idee, einen Antriebsstrang mit konstanter Ausgangsdrehzahl zu schaffen, auch eine solche Anordnung verstanden, welche die Ausgangsdrehzahl mit einer gewissen Genauigkeit konstant hält. Gewisse Abweichungen sind hierbei tolerierbar. Abweichungen können hierbei beispielsweise im Bereich ± 10 %, bevorzugt ± 5 % und besonders bevorzugt ± 1 % der Sollausgangsdrehzahl liegen. Beim Einsatz in Windkraftanlagen bei stark mit dem Verteilemetz gekoppelten Generatoren wird jedoch eine besonders hohe Konstanz der Abtriebsdrehzahl von maximal + 0,5 % bevorzugt, die das zu betreibende Netz weiterführend unterstützt.
Weitere Anwendungsmöglichkeiten eines erfindungsgemäßen Antriebsstrangs über die Windkraft hinaus ergeben sich beispielsweise bei speziellen Wasserkraftwerken, in denen Turbinen eingesetzt werden, die nicht mit konstanter Drehzahl betrieben werden können. Solche Bedingungen können beispielsweise in Strömungs- und Gezeiten-Kraftwerken oder bei Spezialanordnungen in Schleusensystemen gegeben sein. Außerdem ist es denkbar, mit dem erfindungsgemäßen Prinzip natürliche und somit zeitlich variable Energiequellen, etwa die Wellenkraft, auf einen elektrischen Generator zu übertragen, der eine konstante Eingangsdrehzahl verlangt.

Claims

Patentansprüche
1. Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl für eine Energieerzeugungsanlage angetrieben mit einer Strömungsmaschine wie einer Windturbine (3) oder einer Wasserturbine;
1.1 mit einem Leistungsverzweigungsgetriebe (5) zur Aufteilung der Leistung auf wenigstens einen ersten Leistungszweig (7) und wenigstens einen zweiten Leistungszweig (18);
1.2 der erste Leistungszweig (7) treibt wenigstens mittelbar einen elektrischen Generator (11) an;
1.3 mittels eines, abtriebsseitig zum Leistungsverzweigungsgetriebe (5) angeordneten hydrodynamischen Kreislaufs (12) wird eine Verbindung zwischen dem ersten Leistungszweig (7) und dem zweiten Leistungszweig (18) hergestellt und durch den hydrodynamischen Kreislauf (12) der Leistungsfluss so beeinflusst, dass die Drehzahl, mit welcher der elektrische Generator (11) angetrieben wird, im Wesentlichen konstant ist.
2. Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als hydrodynamischer Kreislauf (12) ein hydrodynamischer Stellwandler oder eine hydrodynamische Kupplung oder ein Trilocwandler verwendet wird.
3. Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpenrad (13) des hydrodynamischen Stellwandlers (12) oder der hydrodynamischen Kupplung oder des Trilocwandlers auf einer schnell umlaufenden Welle des Leistungsverzweigungsgetriebes (5) angeordnet ist und die schnell umlaufende Welle eine Ausgangswelle (10) des Antriebsstrangs ist, mit welcher der elektrische Generator (11) wenigstens mittelbar verbunden ist.
4. Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl für eine Energieerzeugungsanlage angetrieben mit einer Strömungsmaschine wie einer Windturbine (3) oder einer Wasserturbine;
4.1 mit einem Leistungsverzweigungsgetriebe (5) umfassend eine Eingangswelle (2), wenigstens einen ersten Leistungszweig (7) und wenigstens einen zweiten Leistungszweig (18);
4.2 der erste Leistungszweig (7) treibt wenigstens mittelbar einen elektrischen Generator (11 ) an;
4.3 der zweite Leistungszweig (18) ist wenigstens mittelbar mit der Eingangswelle (2) verbunden und führt Blindleistung auf das Leistungsverzweigungsgetriebe (5) zurück;
4.4 mittels eines im zweiten Leistungszweig (18) angeordneten hydrodynamischen Kreislaufs (12) wird der Blindleistungsfluss im zweiten Leistungszweig (18) so beeinflusst, dass die Drehzahl, mit welcher der elektrische Generator (11) angetrieben wird, im Wesentlichen konstant ist.
5. Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Leistungsverzweigungsgetriebe (5) ein weiteres Getriebe vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist.
6. Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl nach wenigstens einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Leistungszweig (18) ein zusätzliches Getriebe angeordnet ist, um die Drehzahl, mit der der hydrodynamische Kreislauf (12) betrieben wird, zu erhöhen.
7. Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl nach einem der Ansprüche 1 - 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangsdrehzahl mit einer maximalen Abweichung von ± 10 %, bevorzugt von + 5 % und besonders bevorzugt von ± 1 % des Sollwerts konstant gehalten wird.
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