WO2004094872A1 - Antriebsstrang mit variabler eingangs- und konstanter ausgangsdrehzahl - Google Patents

Antriebsstrang mit variabler eingangs- und konstanter ausgangsdrehzahl Download PDF

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Andreas Basteck
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Voith Turbo Gmbh & Co. Kg
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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 further relates to the use of such a drive train, in particular for systems with variable power input, for example for the use of natural energy sources from wind, water and other resources.
  • Wind energy on. Wind turbines with an output of over 100 kW are particularly interesting. It is necessary to design the operational management of the system in such a way that maximum performance is achieved with minimal dynamic loading. In order to optimally design the efficiency of the entire system, in the phase of starting up the system as well as in the operating phase and during shutdown, a speed control is required for the working machine, which can also be supported in some areas by other control types (e.g. rotor blade adjustment).
  • Such wind turbines are also referred to as rigid wind turbines.
  • Asynchronous generators are usually used for rigid wind turbines, which can be easily connected to a network due to the principle-related slip.
  • the first case leads to the use of wind turbines
  • 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 not non-reactive for that either
  • the object of the invention is to design a drive train for transmitting variable power in such a way that a power sensor can be charged at an essentially constant speed, so that the transmission process takes place with high efficiency and bumps in the drive train are minimized.
  • the number of components to be maintained must be kept low.
  • the inventors have recognized that the combination of a superposition gear with a controllable torque coupling of the output shaft with the secondary branch based on magnetic force effect variable power with variable input speed can be converted into a variable output power with constant output speed.
  • the output shaft and secondary branch are each coupled at least indirectly to the superposition gear, so that the input power is divided between these two mechanical strands.
  • the subsequent torque coupling serves to bring the power flow on the output side together or to allow power to flow back to the superposition gear.
  • the primary variable to be controlled is the speed attributed to the superposition gear and thus the slippage between the output shaft and the mechanical links coupled to it for the return to the superposition gear.
  • the manipulated variable used for this is the 5 moment coupling based on magnetic force, which can be adjusted continuously and without contact.
  • Essential to the invention is the combination of a superposition gear, which generates a power split, with a device acting on the output shaft, which engages by means of an adjustable magnetic force connection. Transmits moment. This moment is set in the time % yerlayfes0 that the slip between the secondary branch and the output shaft has a time course which enables the output speed to be kept constant.
  • a drive train according to the invention comprises a suitable sensor system 5 for determining the output speed as well as a control system for
  • a magnetic coupling or an electromagnetic transducer is used between the output shaft and the secondary branch.
  • Possible designs for magnetic clutches are in particular hysteresis clutches, in which the torque transmission or the slip can be adjusted by the distance between the magnetic or magnetizable shells or by their corresponding overlap.
  • hysteresis clutches with permanent magnets as well as those with current-fed magnetic poles can be used.
  • the electromagnetic transducers mentioned as a second possibility for magnetic torque transmission comprise a generator and an electric motor, which are coupled, for example, by means of power electronics.
  • an electrical intermediate stage can be installed in the magnetic torque transmission, which can be designed, for example, as a voltage intermediate circuit converter for controlling the torque and speed of the electric motor which acts on the superimposition gearbox.
  • the magnetic torque coupling on the output shaft is contactless and therefore extremely low-wear.
  • the implementation by means of a magnetic clutch or an electromagnetic transducer results in good controllability -of the torque retransmitted to the superposition gear, or of the torque brought together on the output axis and of the speeds to be set.
  • the rotor is the
  • Wind turbine always run on its optimal characteristic (optimal efficiency) and a constant speed is given to the generator.
  • Figure 1 is a schematic representation of a power split wind turbine according to the invention with a magnetic clutch with distance control.
  • Figure 2 is a schematic representation of a power-split wind power plant according to the invention with a magnetic coupling, which is controlled via the insertion depth.
  • FIG. 3 is a schematic representation of a power-split wind turbine according to the invention with an electromagnetic converter.
  • FIG. 4 is a schematic illustration of a power-branched wind power installation according to the invention with an electromagnetic converter of compact design.
  • Figure 5 shows the wind profile of a system according to the invention and the associated rotor speed.
  • Figure 6 shows schematically the active power curve of a wind turbine.
  • FIG. 7 illustrates a regulation for the optimal power output of the
  • the rotor power PR of a wind turbine is approximately related to the wind speed v w :
  • FIG. 6 shows this relationship through the representation of the active power of a wind power plant taking into account different wind speeds. Characteristic is the shift of the optimal rotor speed to higher values with increasing wind speed. A variable-speed system can therefore be operated with optimal performance coefficients depending on the available wind speed. It can also be seen from FIG. 6 that wind turbines are typically used for certain nominal powers, connected with a nominal speed. If the wind power is above this threshold value, there is a power limitation either by means of a pitch control or a stall control, so that part-load operation is particularly important for the speed-variable operation of a wind power plant.
  • a variable-speed wind turbine can advantageously be designed with a drive train according to the invention for transmitting a variable power with a variable input speed and constant output speed, which in turn is transferred to a generator as a power sensor
  • FIG. F shows a drive train according to the invention in a schematically simplified manner.
  • a power branched drive train is shown, the input shaft 1 of which is supplied with a time-variable power with a simultaneously variable input speed.
  • the arrow length should be an example for the value of the input speed.
  • a constant, in this case lower, speed is required on the output shaft 2.
  • a differential gear 3 is used to adapt the different input and output speeds.
  • a rotatable planetary gear set 3.1 is acted upon by the drive shaft 1.
  • a drive of the ring gear 3.3 is necessary. This happens again by the transmission of a torque via the secondary branch 5.
  • the secondary branch 5 is driven here by means of a magnetic clutch 4, which couples a controllable portion of the torque on the output side into the secondary branch 5.
  • the power transmission in a magnetic coupling is carried out via magnetic forces between the coupling halves.
  • a magnetic hysteresis clutch can advantageously be used here.
  • one of the two coupling halves 4.1 and 4.2 is usually covered with permanent magnets, while the other coupling half has a hysteresis coating, which is different from the
  • Permanent magnet is polarized, which creates a mutual force effect between the two coupling halves 4.1 and 4.2.
  • This force effect can be controlled to set the desired slip between the coupling halves 4.1, 4.2 by varying the distance between the surfaces of the coupling halves. This is shown schematically by the two
  • Figure 2 shows a magnetic coupling 4, in which the coupling halves intermesh coaxially.
  • Permanent magnets of the clutch replaced by current-fed magnetic poles. These are particularly advantageous since no mechanical movements between the coupling halves have to be carried out to control the torque transmission, but instead only the feed current in the excitation windings of the magnetic poles has to be adapted.
  • the hysteresis coating of the magnetic coupling can be replaced by current-induced magnetic poles which can be reversed quickly. If such a rotating magnetic field is now generated, the magnetic coupling can work like a synchronous coupling, ie the two magnetic fields interlock rigidly while the coupling halves exhibit mechanical slip.
  • the magnetic clutch can also be replaced by an electromagnetic transducer. This is a further embodiment of the idea according to the invention, by means of a magnetic principle of action, of a controllable torque return on
  • the basic idea of the electromagnetic converter is to couple a generator and an electric motor together.
  • the coupling is carried out here by means of power electronics, by means of which the currents (I), frequencies (f) and voltages (U) determined by the torques or speeds of the generator and the electric motor are adapted. In this way, the power flow or the torque transfer and thus the desired slip can be regulated.
  • a DC link converter has proven to be advantageous for this.
  • FIG. 3 An advantageous embodiment of the electromagnetic transducer is shown in Figure 3.
  • the generator 6 is enclosed by the electric motor 7, with the aim of saving installation space.
  • the rotor 6.2 of the generator 6 is driven by the output shaft or is part of the output shaft.
  • the stator 6.1 of the generator 6 "is coupled via power electronics 8 to the stator 7.1 of the electric motor 7, which in the exemplary embodiment shown in FIG. 3 is designed as an outrunner motor.
  • the rotor 7.2 can be directly attributed to the hollow shaft 3.3 of the superposition gear 3, However, it is also possible to interpose further transmission parts. This can be advantageous if the feedback speed deviates greatly from the output speed or can be varied within a wide range by means of a manual transmission.
  • FIG. 4 A particularly compact embodiment of the electromagnetic transducer for decoupling a controllable torque from the output shaft is shown in FIG. 4.
  • the sketch shows that the stator 6.1 of the generator is mechanically coupled to the stator 7.1 of the electric motor. This component is in at least indirect mechanical rotary connection to the hollow shaft 3.3 of the
  • the rotor 7.2 is rotatably mounted in the electric motor 7 and the stator 7.1 rotates, as described, with the stator 6.1 of the generator.
  • the generator rotor 6.2 and power electronics (not shown in more detail in FIG. 4) for current, voltage and frequency adjustment generate a three-phase current in the rotor of the electric motor 7.2, the rotating field of which has a different speed than the rotation of the generator rotor 6.2, so that the slip between the output shaft and the the superposition gear retroactive strand can be regulated.
  • This design of the electromagnetic transducer is characterized in particular by a compact design. Other necessary, but not shown in Figure 4
  • System components are the sensors for determining the output speed to be controlled as well as a control which has an effect on the electromagnetic transducer.
  • the controllability of the magnetic power transmission from the output shaft to the return to the superimposition gearbox is of crucial importance for wind turbines. This is particularly advantageous for each of the magnetic clutches and electromagnetic transducers described above.
  • FIG. 7 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 of a constant one
  • Output speed (generator speed) is assumed.
  • Different operating points A, B and C are shown, which correspond to different power coefficients with the assigned rotor speeds OJC WA and ⁇ B.
  • the rotor draws optimal performance from the ventilation flow.
  • point C only a part of the possible rotor power is used and the magnetic clutch or the electromagnetic converter 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 optimum working point A. reached.
  • B-fifitlet With an opposite sign B-fifitlet the control takes place starting from the operating point B.
  • J H ⁇ s' * corresponds to the control in an optimal working point with a constant assumed wind speed.
  • Point D which, like point A, is on the curve of optimal performance and corresponds to a lower wind speed.
  • a time-variable input power with time variability in the input speed can also be set or controlled by the drive train according to the invention.
  • FIG. 5 shows a wind profile with wind speed that fluctuates over time, which in turn is converted into an optimal rotor speed becomes.
  • a certain smoothing takes place due to the inertia of the mechanical components used, rotor, transmission hydrodynamic converter, etc.
  • Deviations can be, for example, in the range of ⁇ 10%, preferably ⁇ 5% and particularly preferably ⁇ 1% of the target output speed.

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Abstract

Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl und einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsdrehzahl; mit einem Oberlagerungsgetriebe (3); mit einer mit der konstanten Ausgangsdrehzahl umlaufenden Abtriebswelle (2), die mit dem Überlagerungsgetriebe (3) wenigstens mittelbar verbunden ist; mit einem mit dem Oberlagerungsgetriebe (3) wenigstens mittelbar verbunden Nebenzweig (5); mit einer Einrichtung (9) zur Einstellung eines Momentenübertrags mittels magnetischer Kraftwirkung zwischen der Abtriebswelle (2) und dem Nebenzweig (5); mit einer Regelung (10), welche durch die Einstellung des Momentenübertrags die Ausgangsdrehzahl im Wesentlichen konstant hält.

Description

Antriebsstrang mit variabler Eingangs- und konstanter Ausgangsdrehzahl
Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang zum Übertragen einer variablen Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl und konstanter Ausgangsdrehzahl. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines solchen Antriebsstrangs insbesondere für Anlagen mit variabler Leistungseinbringung, beispielsweise für die Nutzung von natürlichen Energieaufkommen von Wind, Wasser und anderen Ressourcen.
Die oben genannten Anforderungen treten insbesondere bei der Nutzung von
Windenergie auf. Hierbei sind insbesondere Windkraftanlagen mit einer Leistung von über 100 kW interessant. Dabei 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 einem entsprechend zeitlich veränderlichen 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 Windkraftanlage 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 eingestellt, was auch als Pitchregelung bezeichnet wird.
Nachteilig an drehzahlstarren Wind kraftan lagen ist, dass-sie^-bei Teillast, welche bei typischen Windverhältnissen häufig auftritt, ΠUE 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 bei 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 Uberlagerungsgetriebe ein, welches zur Verzweigung 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 Uberlagerungsgetriebe 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 Generato&betrieben. Auch dieses System ist nicht rückwirkungsfrei für das
Stromnetz. Ferner ist ein solches System nur schwierig zu regeln und wejst als Energiespeicher im Wesentlichen nur die trägen Massen des Antriebsstrangs und des Rotors auf. Des Weiteren sind aufgrund des Einsatzes von Umrichtern 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 zügrάffde, 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 vönstatten geht und Stöße im Antriebsstrang minimiert werden. Außerdem ist die Anzahl der zu wartenden Bauteile gering zu halten.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Die Erfinder haben erkannt, dass durch die Kombination eines Überlagerungsgetriebes mit einer regelbaren, auf magnetischer Kraftwirkung basierenden Momentenkopplung der Abtriebswelle mit dem Nebenzweig eine variable Leistung mit variabler Eingangsdrehzahl in eine variable Ausgangsleistung mit konstanter Abtriebsdrehzahl umgewandelt werden kann.
Hierbei sind Abtriebswelle und Nebenzweig jeweils wenigstens mittelbar an das 5 Uberlagerungsgetriebe gekoppelt, so dass die Eingangsleistung auf diese beiden mechanischen Stränge aufgeteilt wird. Die nachfolgende Momentenkopplung dient dazu, den abtriebsseitigen Leistungsfluss zusammenzuführen bzw. einen Leistungsrückfluss auf das Uberlagerungsgetriebe zu ermöglichen.
0 Aufgrund der Forderung einer konstanten Abtriebsdrehzahl ist die primär zu regelnde Größe die auf das Uberlagerungsgetriebe zurückgeführte Drehzahl und somit der Schlupf zwischen der Abtriebswelle und den hierzu gekoppelten mechanischen Gliedern für die Rückführung in das Uberlagerungsgetriebe. Die dafür eingesetzte Stellgröße ist die auf magnetischer Kraftwirkung basierende 5 Momentenkopplung, welche berührungs- und stufenlos einstellbar ist.
Erfindungswesentlich ist die Kombination eines Überlagerungsgetriebes, welches eine Leistungsverzweigung erzeugt, mit einer auf die Abtriebswelle wirkenden Einrichtung, die mittels eines einstellbaren magnetischen Kraftschlusses ein ,0. Moment überträgt. Dieses Moment wird im zeitlichen%yerlayfes0 eingestellt, dass der Schlupf zwischen dem Nebenzweig und der Abtriebswelle einen zeitlichen Verlauf hat, welcher ein Konstanthalten der Ausgangsdrehzahl ermöglicht.
Zusätzlich umfasst ein erfindungsgemäßer Antriebsstrang eine geeignete Sensorik 5 zur Bestimmung des Ausgangsdrehzahl sowie eine Regelung, die zur
Konstanthaltung der Ausgangsdrehzahl auf die Einrichtung wirkt, welche mittels eines einstellbaren magnetischen Kraftschlusses ein Moment von bzw. auf die Abtriebswelle überträgt.
0 Erfindungsgemäß wird zur Realisierung einer einstellbaren magnetischen
Kraftwirkung zwischen Abtriebswelle und Nebenzweig eine magnetische Kupplung oder ein elektromagnetischer Wandler verwendet. Als mögliche Bauformen für magnetische Kupplungen kommen insbesondere Hysteresekupplungen in Frage, bei denen die Drehmomentübertragung bzw. der Schlupf durch den Abstand der magnetischen bzw. magnetisierbaren Schalen oder durch ihre entsprechende Überlappung eingestellt werden kann. Hierbei sind wiederum Hysteresekupplungen mit Dauermagneten wie auch solche mit stromgespeisten magnetischen Polen anwendbar.
Die als zweite Möglichkeit zur magnetischen Drehmomentübertragung genannten elektromagnetischen Wandler umfassen einen Generator und einen Elektromotor, welche beispielsweise mittels einer Leistungselektronik gekoppelt sind. Somit kann in der magnetischen Momentübertragung eine elektrische Zwischenstufe eingebaut werden, welche beispielsweise als Spannungszwischenkreis-Umrichter zur Drehmoment-Drehzahlregelung des auf das Uberlagerungsgetriebe zurückwirkenden Elektromotors ausgeführt sein kann.
Die magnetische Momentenkopplung an der Abtriebswelle ist berührungslos und somit äußerst verschleißarm. Durch die Realisierung mittels einer magnetischen Kupplung oder eines elektromagnetischen Wandlers ergibt sich eine gute Regelbarkeit -des^auf das Uberlagerungsgetriebe rückübertragenen Moments bz ?- des auf der Abtriebsachse zusammengeführten Moments sowie den einzustellenden Drehzahlen.
Das erfindungsgemäße Prinzip führt zu einem sehr guten Wirkungsgrad. Nachfolgend soll dies anhand einer Anwendung des erfindungsgemäßen
Antriebsstrangs für Windkraftanlagen dargestellt werden. Hierbei führt der erfindungsgemäße Antriebsstrang auch bei unregelmäßigem Windprofil und damit verbunden unterschiedlichen Rotordrehzahlen zu einer Generatordrehzahl 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 Rotorbiattwinkels, variable Drehzahl des Generators, Schlupfregelung,
Drosselung der Drehzahl des Generators, Polzahlschaltung und - Drehzahlregelung im Uberlagerungsgetriebe
Für den erfindungsgemäßen Wirkungsmechanismus der Drehzahlregelung kann eine Kombination mit bestehenden Regelungs- und Steuermöglichkeiten, z. B. der Einstellung des Rotorblattwinkels und der Drehzahlregelung im Uberlagerungsgetriebe, 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 Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
Figur 1 ist eine schemätische Darstellung einer erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Windkraftanlage mit einer magnetischen Kupplung mit Abstandsregelung.
Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Windkraftanlage mit einer magnetischen Kupplung, welche über die Einschubtiefe geregelt wird.
Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Windkraftanlage mit einem elektromagnetischen Wandler. Figur 4 ist eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen leistungsverzweigten Windkraftanlage mit einem elektromagnetischen Wandler kompakter Bauform.
Figur 5 zeigt das Windprofil einer erfindungsgemäßen Anlage und die zugehörende Rotordrehzahl.
Figur 6 zeigt schematisch den Wirkleistungsverlauf einer Windkraftanlage.
Figur 7 veranschaulicht eine Regelung zur optimalen Leistungsabgabe des
Rotors.
Die Rotorleistung PR einer Windkraftanlage steht näherungsweise im folgenden Zusammenhang zur Windgeschwindigkeit vw:
P* = k Cp (V *> ωR> ß) Vl
Hierbei werden als k verschiedenen Konstanten wie etwa die Blattgeometrie sowie die Dichte der Luft zusammengefasst. Ferner bezeichnet cp "cferv eistungsbeiwert, 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.
Figur 6 zeigt diesen Zusammenhang durch die Darstellung der Wirkleistung einer Windkraftanlage unter Berücksichtigung verschiedener Windgeschwindigkeiten. Charakteristisch ist die Verschiebung der optimalen Rotordrehzahl zu höheren Werten mit steigender Windgeschwindigkeit. Eine drehzahlvariable Anlage kann somit in Abhängigkeit von der zur Verfügung stehenden Windgeschwindigkeit jeweils bei optimalen Leistungsbeiwerten betrieben werden. Ferner ist aus Figur 6 ersichtlich, dass Windkraftanlagen typischerweise für bestimmte Nennleistungen, verbunden mit einer Nenndrehzahl, ausgelegt sind. Bei einer Windleistung oberhalb dieses Schwellwertes findet eine Leistungsbegrenzung entweder durch eine Pitchregelung oder eine Stallregelung statt, so dass für den drehzahlvariablen Betrieb einer Windkraftanlage insbesondere der Teillastbetrieb von Bedeutung ist.
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
Betrieb mit wechselnden Windgeschwindigkeiten und Betrieb mit konstanten Windgeschwindigkeiten um einen optimalen Betriebspunkt.
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 als Leistungsaufnehmer übertragen wird, ausgebildetseir
Figur f zeigt hierzu in schematisch vereinfachter Art und Weise einen erfindungsgemäßen Antriebsstrang. Dargestellt ist ein leistungsverzweigter Antriebsstrang, dessen Eingangswelle 1 mit einer zeitlich variablen Leistung bei gleichzeitig variabler Eingangsdrehzahl versorgt wird. Die Pfeillänge soll hierbei beispielhaft für den Wert der Eingangsdrehzahl stehen. Auf der Abtriebswelle 2 wird eine konstante, in diesem Fall kleinere, Drehzahl verlangt. Zur Anpassung der unterschiedlichen antriebs- und abtriebsseitigen Drehzahlen wird ein Überlagungsgetriebe 3 verwendet. Schematisch vereinfacht und als beispielhafte Ausführung wird ein drehbarer Planetenradsatz 3.1 von der Antriebswelle 1 beaufschlagt. Um nun am Sonnenrad 3.2 eine fest vorgegebene Drehzahl zu erreichen, ist ein Antrieb des Hohlrads 3.3 notwendig. Dies geschieht wiederum durch die Übertragung eines Moments über den Nebenzweig 5. Erfindungsgemäß wird hierbei der Nebenzweig 5 mittels einer magnetischen Kupplung 4 angetrieben, welche einen regelbaren Anteil des abtriebsseitigen Drehmoments in den Nebenzweig 5 auskoppelt.
Die Kraftübertragung bei einer magnetischen Kupplung erfolgt über magnetische Kräfte zwischen den Kupplungshälften. Vorteilhafterweise kann hier eine magnetische Hysteresekupplung eingesetzt werden. Üblicherweise ist hierfür eine der beiden Kupplungshälften 4.1 bzw. 4.2 mit Permanentmagneten belegt, während die andere Kupplungshälfte einen Hysteresebelag aufweist, der von den
Permanentmagneten gepolt wird, wodurch eine wechselseitige Kraftwirkung zwischen den beiden Kupplungshälften 4.1 und 4.2 entsteht. Diese Kraftwirkung ist zur Einstellung des gewollten Schlupfs zwischen den Kupplungshälften 4.1 , 4.2 durch die Variation des Abstandes zwischen den Oberflächen der Kupplungshälften steuerbar. Dies wird schematisch durch den die beiden
Bewegungsrichtungen zeigenden Pfeil an der Kupplungshälfte 4.2 illustriert.
Nachfolgend wird die Reaktion des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs auf eine sprunghafte Erhöhung des eingangsseitigen Leistungseintrags, der mit einer Erhöhung der Eingangsdrehzahl und des Eingangsmoments verbunden sein soll, aufgezeigt: Ausgehend von einer. Beschleunigung des Planetenradsatzes 3.1 wird auch das Sonnenrad 3.2 beschleunigt. Dies wird über den abtriebsseitigen Drehzahlsensor 11 detektiert und als Folge greift die Systemregelung 10 ein und erhöht den Momentenschluss durch eine Verringerung des Abstandes zwischen den beiden Kupplungshälften 4.1 und 4.2. Als Folge wird über den Nebenzweig 5 ein höheres Moment auf das Hohlrad 3.3 des Überlagerungsgetriebes 3 übertragen und die gesamte Kette, bestehend aus Kupplungshälfte 4.2, Getriebeelement 3.4 und Hohlrad 3.3 beschleunigt. Dies wirkt wiederum auf das Sonnenrad 3.2 und somit auf die abtriebsseitige Drehzahl bremsend, so dass bei entsprechender Regelung eine im Wesentlichen konstante abtriebsseitige
Drehzahl eingestellt werden kann. Hierbei schwankt bei variablem Leistungseintragung in den Antriebsstrang lediglich das abtriebsseitige Moment. Zu einem äquivalenten Ergebnis führt die Betrachtungsweise einer steuerbaren magnetischen Momentenzusammenführung der vom Uberlagerungsgetriebe ausgehenden Zweige auf der Abtriebswelle.
Die genaue Ausgestaltung des Überlagerungsgetriebes 3 und die gewählten
Arbeitspunkte für die abtriebsseitige Drehzahl und die rückgekoppelte Drehzahl bleiben im Ermessen des Fachmanns. Ferner ist es möglich, noch zusätzliche Getriebekomponenten, wie etwa ein zusätzliches Schaltgetriebe, zwischen dem Uberlagerungsgetriebe und der magnetischen Kupplung einzusetzen, um die Konstanz der Abtriebsdrehzahl über einen möglichst weiten Bereich gewährleisten zu können.
Ferner sind weitere Ausführungsformen der magnetischen Kupplung denkbar. Beispielsweise zeigt Figur 2 eine magnetische Kupplung 4, bei der die Kupplungshälften koaxial ineinandergreifen. Somit wird die Einstellung des
Drehmomentübertrags durch ein mehr oder weniger weites Ineinanderschieben der beiden Kupplungshälften 4.1 und 4.2 und damit durch den Grad der Überlappung eingestellt.
Bereiner weiteren Variante der magnetischen Kupplung werden die -
Permanentmagneten der Kupplung durch stromgespeiste magnetische Pole ersetzt. Diese sind insbesondere deshalb vorteilhaft, da zur Steuerung des Drehmomentübertrags keine mechanischen Bewegungen zwischen den Kupplungshälften auszuführen sind, sondern hierfür lediglich der Speisestrom in den Erregerwicklungen der Magnetpole anzupassen ist.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Hysteresebelag der magnetischen Kupplung durch schnell umpolbare strominduzierte magnetische Pole ersetzt werden. Wird nun so ein magnetisches Drehfeld erzeugt, kann die magnetische Kupplung wie eine Synchronkupplung arbeiten, d. h. die beiden Magnetfelder greifen starr ineinander während die Kupplungshälften einen mechanischen Schlupf aufweisen. Wie voranstehend genannt, kann die magnetische Kupplung auch durch einen elektromagnetischen Wandler ersetzt werden. Hierbei handelt es sich um eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Idee, mittels eines magnetischen Wirkprinzips einen steuerbaren Drehmomentrückfluss auf ein
Uberlagerungsgetriebe bzw. eine Zusammenführung von Teilsträngen eines Überlagerungsgetriebes zur Konstanthaltung der abtriebsseitigen Drehzahl zu erreichen. Der Grundgedanke des elektromagnetischen Wandlers besteht darin, einen Generator und einen Elektromotor miteinander zu koppeln. Die Kopplung wird hierbei mittels einer Leistungselektronik vorgenommen, durch welche die von den Drehmomenten bzw. Drehzahlen des Generators und des Elektromotors festgelegten Ströme (I), Frequenzen (f) und Spannungen (U) angepasst werden. Auf diese Weise kann der Leistungsfluss bzw. der Drehmomentübertrag und somit der gewünschte Schlupf geregelt werden. Als vorteilhaft hat sich hierfür ein Spannungszwischenkreis-Umrichter erwiesen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des elektromagnetischen Wandlers ist in Figur 3 gezeigt. Hierbei ist der Generator 6 vom Elektromotor 7 umschlossen, mit dem Ziel, Bauraum zu sparen. Im Einzelnen wird der Rotor 6.2 des Generators 6 von der Abtriebswelle angetrieben öder ist ein Teil der Abtriebswelle. Der Stator 6.1 des Generators 6 "wird über eine Leistungselektronik 8 an den Stator 7.1 des Elektromotors 7 gekoppelt, der in dem in Figur 3 gezeigten Ausführungsbeispiel als Ausläufermotor ausgebildet ist. Der Läufer 7.2 kann hierbei direkt auf die Hohlwelle 3.3 des Überlagerungsgetriebes 3 zurückgeführt werden, wobei es aber auch möglich ist, weitere Getriebeteile zwischenzuschalten. Dies kann dann vorteilhaft sein, wenn die rückgeführte Drehzahl stark von der Abtriebsdrehzahl abweicht oder mittels eines Schaltgetriebes in einem weiten Bereich zu variieren ist. Ferner ist auch vorteilhaft, die Hohlwelle 3.3 des Überlagerungsgetriebes 3 als Teil des Läufers 7.2 des Elektromotors 7 auszubilden, um eine besonders kompakte Bauweise zu erreichen. Eine besonders kompakte Ausgestaltung des elektromagnetischen Wandlers zum Auskoppeln eines regelbaren Moments aus der Abtriebswelle ist in Figur 4 dargestellt. Die Skizze zeigt, dass der Stator 6.1 des Generators mit dem Stator 7.1 des Elektromotors mechanisch gekoppelt ist. Dieses Bauteil steht in wenigstens mittelbarer mechanischer Drehverbindung zur Hohlwelle 3.3 des
Überlagerungsgetriebes 3. Somit ist im Elektromotor 7 der Rotor 7.2 drehfest gelagert und der Stator 7.1 dreht sich, wie beschrieben, mit dem Stator 6.1 des Generators. Der Generatorrotor 6.2 und eine in Figur 4 nicht näher dargestellte Leistungselektronik zur Strom-, Spannungs- und Frequenzanpassung erzeugen im Rotor des Elektromotors 7.2 einen Drehstrom dessen Drehfeld eine zum Umlauf des Generatorrotors 6.2 unterschiedliche Drehzahl aufweist, so dass der Schlupf zwischen der Abtriebswelle und dem auf das Uberlagerungsgetriebe zurückwirkenden Strangs geregelt werden kann. Diese Bauform des elektromagnetischen Wandlers zeichnet sich insbesondere durch eine kompakte Bauweise aus. Weitere nötige, jedoch nicht in Figur 4 gezeigte
Systemkomponenten sind die Sensorik zur Bestimmung der zu regelnden Ausgangsdrehzahl sowie eine Regelung, welche auf den elektromagnetischen Wandler zurückwirkt.
Für die vorliegende Aufgabenstellung und insbesondere füfden Einsatz in
Windkraftanlagen ist die Regelbarkeit der magnetischen Kraftübertragung von der Abtriebswelle auf die Rückführung zum Uberlagerungsgetriebe von entscheidender Bedeutung. Für jede der voranstehend beschriebenen magnetischen Kupplungen und elektromagnetischen Wandler ist dies besonders vorteilhaft gegeben.
Ferner ist es möglich, über die berührungslose magnetische Drehmomentübertragung kurzzeitige Schwankungen im System in der Form von Kraftstößen, wie sie bei Windkraftanlagen durch Abschattungseffekte oder bei Böen auftreten können, gut abzufedern, was einen wesentlichen Vorteil aus regelungstechnischer Sicht bei der Konstanthaltung der Abtriebsdrehzahl des erfindungsgemäßen Antriebsstrangs darstellt. Hierzu sind zur Unterstützung der Regelung auch zusätzliche Speichermöglichkeiten für die Bewegungsenergie durch Schwungmassen oder eine kurzfristige externe Energieaufnahme bzw. Energieabgabe möglich. Letzteres ist besonderes vorteilhaft durch die Verwendung eines elektromagnetischen Wandlers möglich, welcher beispielsweise einen Batteriezwischenpuffer umfassen oder zusätzlich mittels eines Umrichters an das Stromnetz angeschlossen werden kann.
Figur 7 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 OJC W A und ω B entsprechen. Bei Punkt A entnimmt der Rotor der Lüftströmung eine optimale Leistung. In Punkt C wird nur ein Teil der möglichen Rotorleistung ausgenutzt und die magnetische Kupplung bzw. der elektromagnetische Wandler wird folglich in der Leistungsaufnahme vom Hauptstrang und der abgegebenen Leistung in der Rückführung zum Uberlagerungsgetriebe so geregelt, dass der Rotor beschleunigt wird bis er den optimalen Arbeitspunkt A erreicht. Mit einem entgegengesetzten VorzeicheB-fifitlet die Regelung ausgehend vom Betriebspunkt B aus statt.J Hβs'* 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.
Figur 5 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 Wandler, 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 Verteilernetz gekoppelten Generatoren wird jedoch eine besonders hohe Konstanz der Abtriebsdrehzahl von maximal ± 0,5 % bevorzugt.
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- äeTri? 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 und einer im Wesentlichen konstanten Ausgangsdrehzahl;
1.1 mit einem Uberlagerungsgetriebe (3), welches die variable Eingangsleistung auf eine Abtriebswelle (2) und auf mindestens einen Nebenzweig (5) aufspaltet;
1.2 mit einer Einrichtung (9) zur wählbaren Einstellung eines Momentenübertrags mittels magnetischer Kraftwirkung zwischen der
Abtriebswelle (2) und dem mindestens einen Nebenzweig (5);
1.3 mit einer Regelung (10) des Momentenübertrags, welche die Ausgangsdrehzahl der Abtriebswelle (2) im Wesentlichen konstant hält.
2. Antriebsstrang nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Einrichtung zur Einstellung des Momentenübertrags mittels magnetischer Kraftwirkung (9) ein einstellbarer elektromagnetischer (6, 7) Wandler ist.
3. Antriebsstrang nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Einstellung des Momenten übert § fϊHttate magnetischer
Kraftwirkung (9) eine einstellbare magnetische„ Kupplung (4) ist.
4. Antriebsstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Momentenübertrag der magnetischen Kupplung (4) durch eine Relativbewegung zwischen den zwei Kupplungshälften eingestellt wird.
5. Antriebsstrang nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Kupplung (4) mindestens eine stromdurchflossene Kupplungshälfte umfasst und durch die Einstellung dieses Stromflusses der Momentenübertrag der magnetischen Kupplung (4) angepasst wird.
6. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einstellbare magnetische Kupplung (4) oder der einstellbare elektromagnetische Wandler (6,7) derart gestaltet sind, dass sie wahlweise als Bremse betreibbar sind.
7. Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Uberlagerungsgetriebe ein Getriebe vorgeschaltet oder nachgeschaltet ist.
8, Antriebsstrang nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebsstrang eine Arbeitsmaschine in Form eines elektrischen Generators mit einer konstanten Drehzahl versorgt.
9. Verwendung eines Antriebsstrangs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine Windkraftanlage.
10. Verwendung eines Antriebsstrangs nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine Wasserkraftanlage.
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