WO2005119857A1 - Current transfer device for a wind power station - Google Patents

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WO2005119857A1
WO2005119857A1 PCT/EP2005/052292 EP2005052292W WO2005119857A1 WO 2005119857 A1 WO2005119857 A1 WO 2005119857A1 EP 2005052292 W EP2005052292 W EP 2005052292W WO 2005119857 A1 WO2005119857 A1 WO 2005119857A1
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WO
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wind power
power plant
transmission device
rotor
liquid metal
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PCT/EP2005/052292
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Lars Lauer
Norman Perner
Theodor Salzmann
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/18—Contacts for co-operation with commutator or slip-ring, e.g. contact brush
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind power plant with a wind power generator that has a stator and a rotor and with a current transmission device for at least temporarily feeding a winding of the rotor.
  • Slip ring arrangements are used for the current transmission between the fixed and rotating part of a rotating electrical machine.
  • the magnet wheels and turbo rotor receive two slip rings for direct current transmission.
  • Induction machines with slip ring rotors receive two or three slip rings depending on the type of current.
  • Each ring is provided with a secure electrical connection for the winding of the rotor and is positioned together with the other rings on a support body. In any case, the slip rings must be insulated against each other and against the supporting body.
  • the power supply lines must also have reliable insulation.
  • Power is essentially transferred via brushes. This leads to brush wear, which also results in electrically conductive dust deposits that get into the engine compartment and can therefore lead to damage. As a result of this brush wear, a regular brush change must also be provided.
  • the asynchronous machine can also be equipped with a slip transformer. It consists of a fixed primary part and a rotating secondary part, each with circular laminated cores, in which circular coils are embedded.
  • the slip transformer transmits the slip power without generating any torque. This means that the operating behavior of the asynchronous machine does not change with the slip transformer. With an appropriate frequency converter, you get the same operating behavior as with the conventionally double-fed asynchronous machine.
  • the following properties are particularly important and to be assessed for wind turbines, especially if they are also to be used off-shore: reliability, low maintenance, dimensions and weight, transport and assembly, costs of the electrical energy converter system in comparison to the total costs and grid compatibility.
  • the invention is therefore based on the object of providing reliable and low-maintenance power transmission to a rotor of a wind power plant without providing an additional total outlay in terms of material and weight.
  • the problem is solved by a wind power plant with a wind power generator which has a stator and a rotor and with a current transmission device for at least temporarily feeding a winding of the rotor, the current flowing through the winding of the rotor
  • Liquid metal alloys is transferred from a fixed to a rotating part.
  • Liquid metal alloys achieve comparatively higher current densities. Furthermore, an uneven current distribution and the associated higher electrical losses through the liquid metal alloy are avoided. With liquid metal alloys of this type, even at high contact speeds, larger current intensities can be transmitted than with the known sliding contacts.
  • the liquid metal alloy can also be held by capillary action of the gap between the current transfer surfaces.
  • the design effort to keep the liquid metal alloy in the area of the current transmission surfaces of the fixed and rotating part is eliminated.
  • the capillary action is advantageously achieved by wetting the side of the current transmission surfaces facing the liquid metal alloy.
  • materials such as molybdenum are used.
  • the capillary effect can also be achieved by shaping the current transmission surfaces by reducing the gap width in the respective outer regions of the current transmission surfaces.
  • the capillary effect is thus influenced by the chemical composition of the liquid metal alloy, the geometry of the gap and the nature of the surface material.
  • the power transmission device has power transmission surfaces which are arranged axially one behind the other and are electrically isolated from one another. Each sub-arrangement is provided for the transmission of one phase.
  • the current transmission surfaces assigned to the respective phases are to be galvanically separated from one another by suitable means in order to avoid short circuits.
  • a current transmission device is advantageously constructed in a modular manner, a module representing a partial arrangement, a current transmission surface or an insulation washer, so that in order to obtain the entire current transmission device, by axially arranging these modules on a support body, a current transmission device that is particularly suitable for wind power plants in particular is created.
  • Insulation rings are advantageously used as insulation between the individual current transmission surfaces.
  • heating or cooling the liquid alloy are to be provided in order to ensure optimal operation of the power transmission device of the wind power plant.
  • Correspondingly adapted heating coils or cooling coils in the liquid alloy or in the adjacent parts can be provided as heating. It is also possible to heat the liquid alloy only temporarily, and as soon as the unusual operating state is no longer present, this heating and / or cooling can be switched off.
  • Galium, indium, tin or selenium compounds have proven to be particularly advantageous liquid metal alloys.
  • a particularly simple and maintenance-friendly arrangement results if the power transmission device of the wind turbine can be used at ambient pressure.
  • the oxidation effects of the liquid metal that occur can be avoided, inter alia, by the power transmission device operating in a protective gas atmosphere.
  • a further possibility of operating the power transmission device of the wind power plant is under overpressure or underpressure, as a result of which possible oxidation can also be reduced.
  • the power transmission device is sealed off from the atmosphere on the basis of magnetically conductive liquids, such as Ferrofluids.
  • magnetically conductive liquids such as Ferrofluids.
  • mechanical sealing devices such as brush seals or radial shaft service rings are also suitable for sealing.
  • FIG. 3 shows a double-fed asynchronous generator
  • FIG. 4 shows an asynchronous generator with switched rotor resistors
  • FIG. 1 shows a schematically illustrated power transmission device 20 of a wind power plant with fixed, electrically and electrically insulating outer parts.
  • the electrically conductive outer parts 1 are advantageously galvanically separated from one another by insulating washers 4, so that short circuits between the phases of the fixed outer parts 1 are avoided.
  • Rotating inner parts 2 and 5 correspond to the fixed outer parts 1 and 4, so that a current transmission between outer part 1 and interior Part 2 can be done via a liquid metal alloy 3.
  • the current transmitted to the rotating inner parts 2 is, as not shown in detail, passed on to the respective windings of a rotor 6 via feed lines.
  • the rotating inner parts 2 and 5 are mounted on a shaft 21 in a rotationally fixed manner.
  • the geometry of the gap determines, among other things, the magnitude of the force F which is directed into the interior of the liquid metal alloy 3.
  • Adhesive force FA is the force that acts on the liquid metal alloy 3 from the surface of the insulating disks 4, 5.
  • a cohesive force FK is a cohesive force that acts within the liquid metal alloy 3 between the individual molecules of the liquid metal alloy 3.
  • FIG. 3 shows a wind turbine 22 shown in principle with a double-fed asynchronous generator 7.
  • the wind turbine is essentially formed by a wind propeller 8 and a downstream gear 9 and an optimal clutch 10, via which the rotor 6 of the asynchronous generator 7 is driven.
  • the stator winding of this generator is connected to the network to be fed, a transformer (not shown) for voltage adjustment may also be present.
  • the static frequency converter 11 for feeding the rotor winding via the slip ring body 20 can be an intermediate circuit converter, preferably with a voltage intermediate circuit, as well as a direct converter or matrix converter.
  • FIG. 4 shows a wind power plant shown in principle with an asynchronous generator 7 with switched rotor resistors 12, in particular the connections of a winding of the rotor 6 (not shown in detail) are led out via a current transmission device 20.
  • the resistors and switches, electro-mechanical switches or electronic tyristor switches are arranged externally.
  • FIG. 5 shows a wind power plant shown in principle with a synchronous generator 13 with DC excitation.
  • the stator winding is connected to the network to be fed via a frequency converter 11.
  • the connections of the field winding of the rotor 6 are led out via current transmission device 20.
  • the adjustment or modification of the excitation current takes place, for example, via an external f controllable rectifier fourteenth
  • the power transmission device 20 represents a completely uninterruptible, EMC-insensitive and interference-free transmission path, so there are no disruptive influences on other system components, which results in an additional increase in operational reliability and availability. Control processes that work with arbitrarily modulated voltages and currents superimposed on the energy transfer variables (current and voltage) are also not affected.
  • the power transmission device 20 also takes over storage functions for the fixed parts of the arrangement, so that a separate bearing arrangement is not necessary.
  • the liquid metal alloy 3 takes on storage properties and simultaneously transmits the electrical one
  • the seal can be based on magnetic liquids or other gases. It is crucial that there is no contact between the atmosphere and the liquid metal alloy 3.
  • the seal itself can be designed as a labyrinth seal, brush seal or radial shaft seal.
  • the current transmission device 20 according to the invention is also particularly suitable for high-temperature superconducting wind power generators.
  • the power transmission device for power transmission according to the invention can also be used for monitoring and Signals from sensors which may be attached to the rotor 6 are used.
  • both the power transmission, the storage and the transmission of sensor data take place via one or more power transmission devices.

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Abstract

A wind power station comprising a wind power generator (7, 13) provided with a stator and a rotor (6), and a current transfer device (20) for at least temporarily feeding of a winding of the rotor (6), wherein the current of the winding of the rotor is transferred via liquid metal alloys (3) from a fixed part (1) to a partially rotating (2) part.

Description

Beschreibung description
STROMÜBERTRAGUNGSEINRICHTUNG FÜR EINE WINDKRAFTANLAGE Die Erfindung betrifft eine Windkraftanlage mit einem Windkraftgenerator der einen Stator und einen Rotor aufweist und mit einer Stromübertragungseinrichtung zur zumindest zeitweisen Speisung einer Wicklung des Rotors. Zur Stromübertragung zwischen feststehendem und rotierendem Teil einer rotierenden elektrischen Maschine dienen Schleifringanordnungen. Polräder und Turboläufer erhalten zur Gleichstromübertragung zwei Schleifringe. Induktionsmaschinen mit Schleifringläufern erhalten je nach Stromart zwei oder drei Schleifringe. Jeder Ring wird mit einem sicheren elektrischen Anschluss für die Wicklung des Rotors versehen und gemeinsam mit den übrigen Ringen auf einen Tragkörper positioniert. In jedem Fall sind die Schleifringe gegeneinander und gegen den Tragkörper zu isolieren. Auch die Stromzuführungen müssen eine sichere Isolation aufweisen.CURRENT TRANSMISSION DEVICE FOR A WIND POWER PLANT The invention relates to a wind power plant with a wind power generator that has a stator and a rotor and with a current transmission device for at least temporarily feeding a winding of the rotor. Slip ring arrangements are used for the current transmission between the fixed and rotating part of a rotating electrical machine. The magnet wheels and turbo rotor receive two slip rings for direct current transmission. Induction machines with slip ring rotors receive two or three slip rings depending on the type of current. Each ring is provided with a secure electrical connection for the winding of the rotor and is positioned together with the other rings on a support body. In any case, the slip rings must be insulated against each other and against the supporting body. The power supply lines must also have reliable insulation.
Die Stromübertragung erfolgt im wesentlichen über Bürsten. Dies führt zu einem Bürstenverschleiß, der auch elektrisch leitende Staubablagerungen zur Folge hat, die in den Motor- räum gelangen und damit zu Schäden führen können. Infolge dieses Bürstenverschleißes ist außerdem ein regelmäßiger Bürstenwechsel vorzusehen.Power is essentially transferred via brushes. This leads to brush wear, which also results in electrically conductive dust deposits that get into the engine compartment and can therefore lead to damage. As a result of this brush wear, a regular brush change must also be provided.
Wie aus dem Fachartikel von Dieter Seifert "Elektrische Ener- giewandler für Off-shore Windenergieanlagen" bekannt, ist die Übertragung der Läuferleistung über Bürsten und Schleifringe und der damit verbundene Wartungsaufwand ein bedeutender Nachteil. Dieser Wartungsaufwand kann demnach durch zwei Lösungen vermieden werden. Zur Vermeidung der schleifenden Stromübertragung wird die Läuferleistung der einen Asynchronmaschinen dem Läufer einer zweiten Asynchronmaschine zugeführt. Beide Maschinen sind mechanisch gekoppelt laufen gleich schnell; damit können die beiden Läuferwicklungen fest verbunden werden. Bürsten und Schleifringe sind nicht notwendig.As is known from the specialist article by Dieter Seifert "Electrical energy converters for offshore wind turbines", the transfer of rotor power via brushes and slip rings and the associated maintenance effort are a significant disadvantage. This maintenance effort can therefore be avoided with two solutions. To avoid the sliding current transmission, the rotor power of one asynchronous machine is fed to the rotor of a second asynchronous machine. Both machines run mechanically coupled as fast; this allows the two rotor windings to be firmly connected. Brushes and slip rings are not necessary.
Des Weiteren kann die Asynchronmaschine mit einem Schlupftrafo versehen werden. Er besteht aus einem feststehenden Primärteil und einem rotierenden Sekundärteil mit jeweils kreisrunden Blechpaketen, in die kreisrunde Spulen eingebettet sind. Der Schlupftrafo überträgt die Schlupfleistung ohne selbst ein Drehmoment zu erzeugen. Das bedeutet, dass sich mit dem Schlupftrafo das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine nicht verändert. Mit einem entsprechenden Frequenzumrichter erhält man dann das gleiche Betriebsverhalten wie bei der konventionell doppelt gespeisten Asynchronmaschine.The asynchronous machine can also be equipped with a slip transformer. It consists of a fixed primary part and a rotating secondary part, each with circular laminated cores, in which circular coils are embedded. The slip transformer transmits the slip power without generating any torque. This means that the operating behavior of the asynchronous machine does not change with the slip transformer. With an appropriate frequency converter, you get the same operating behavior as with the conventionally double-fed asynchronous machine.
Die aufgezeigten Lösungen haben den Nachteil, dass mehr Material eingesetzt werden muss als bei konventionellen Lösungen mit Schleifringen.The solutions shown have the disadvantage that more material has to be used than with conventional solutions with slip rings.
Auch bei einer Synchronmaschine mit Gleichstromerregung des Läufers, erfolgt diese in der konventionellen Lösung über Bürsten und Schleifringe. Auch hierfür gibt es bürstenlose Erregereinrichtungen, die jedoch mit erheblichem Zusatzaufwand verbunden sind.Even with a synchronous machine with DC excitation of the rotor, this is done in the conventional solution using brushes and slip rings. There are also brushless excitation devices for this, but they are associated with considerable additional expenditure.
Bei Windkraftanlagen, insbesondere wenn sie auch Off-shore eingesetzt werden sollen, sind folgende Eigenschaften besonders wichtig und zu bewerten: die Zuverlässigkeit, Wartungsarmut, Abmessungen und Gewicht, Transport und Montage, Kosten des elektrischen Energiewandlersystems im Vergleich zu den Gesamtkosten und die Netzverträglichkeit.The following properties are particularly important and to be assessed for wind turbines, especially if they are also to be used off-shore: reliability, low maintenance, dimensions and weight, transport and assembly, costs of the electrical energy converter system in comparison to the total costs and grid compatibility.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige und wartungsarme Stromübertragung zu einem Rotor ei- ner Windkraftanlage zu schaffen, ohne einen zusätzlichen Gesamtaufwand an Material und Gewicht bereitzustellen. Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Windkraftanlage mit einem Windkraftgenerator, der einen Stator und einen Rotor aufweist und mit einer Stromübertragungseinrichtung zur zumindest zeitweisen Speisung einer Wicklung des Rotors, wobei der Strom der Wicklung des Rotors überThe invention is therefore based on the object of providing reliable and low-maintenance power transmission to a rotor of a wind power plant without providing an additional total outlay in terms of material and weight. The problem is solved by a wind power plant with a wind power generator which has a stator and a rotor and with a current transmission device for at least temporarily feeding a winding of the rotor, the current flowing through the winding of the rotor
Flüssigmetalllegierungen von einem feststehenden zum rotierenden Teil übertragen wird.Liquid metal alloys is transferred from a fixed to a rotating part.
Durch Flüssigmetalllegierungen werden vergleichsweise höhere Stromdichten erreicht. Des Weiteren wird eine ungleichmäßige Stromverteilung und die damit verbundenen höheren elektrischen Verluste durch die Flüssigmetalllegierung vermieden. Mit derartigen Flüssigmetalllegierungen können auch bei hohen Kontaktgeschwindigkeiten größere Stromstärken als mit den be- kannten Gleitkontakten übertragen werden.Liquid metal alloys achieve comparatively higher current densities. Furthermore, an uneven current distribution and the associated higher electrical losses through the liquid metal alloy are avoided. With liquid metal alloys of this type, even at high contact speeds, larger current intensities can be transmitted than with the known sliding contacts.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Spaltes in Form von halboffenen oder rotierenden Rinnen, halten die Kontaktflüssigkeit im Bereich der Übertragungsflächen.Advantageous configurations of the gap in the form of half-open or rotating channels keep the contact liquid in the area of the transfer surfaces.
Die Flüssigmetalllegierung kann auch durch Kapillarwirkung des Spaltes zwischen den Stromübertragungsflächen gehalten werden. Dabei entfällt der konstruktive Aufwand, die Flüssigmetalllegierung im Bereich der Stromübertragungsflächen des feststehenden und rotierenden Teils zu halten.The liquid metal alloy can also be held by capillary action of the gap between the current transfer surfaces. The design effort to keep the liquid metal alloy in the area of the current transmission surfaces of the fixed and rotating part is eliminated.
Vorteilhafterweise wird die Kapillarwirkung durch Benetzung der der Flüssigmetalllegierung zugewandten Seite der Stromübertragungsflächen erreicht. Dabei werden insbesondere Mate- rialien, wie z.B. Molybdän verwendet. Des Weiteren kann die Kapillarwirkung auch durch Formgebung der Stromübertragungsflächen erreicht werden, indem die Spaltweite in den jeweiligen Außenbereichen der Stromübertragungsflächen verringert wird. Die Kapillarwirkung wird somit durch die chemische Zu- sammensetzung der Flüssigmetalllegierung, der Geometrie des Spaltes und der Beschaffenheit des Oberflächenmaterials be- einflusst . Insbesondere bei einer mehrphasigen Stromübertragungseinrichtung, wie sie bei Windkraftanlagen vorkommt, weist die Stromübertragungseinrichtung axial hintereinander angeordnete, galvanisch voneinander getrennte Stromübertragungsflächen auf. Jede Teilanordnung ist für die Stromübertragung jeweils einer Phase vorgesehen. Die den jeweiligen Phasen zugeordneten Stromübertragungsflächen sind dabei durch geeignete Mittel galvanisch voneinander zu trennen, um Kurzschlüsse zu vermeiden. Vorteilhafterweise ist eine derartige Stromüber- tragungseinrichtung modulartig aufgebaut, wobei ein Modul eine Teilanordnung, eine Stromübertragungsfläche oder eine Isolationsscheibe darstellt, so dass, um die gesamte Stromübertragungseinrichtung zu erhalten, durch axiale Anordnung dieser Module auf einem Tragkörper eine für insbesondere Wind- kraftanlagen besonders geeignete Stromübertragungseinrichtung geschaffen wird.The capillary action is advantageously achieved by wetting the side of the current transmission surfaces facing the liquid metal alloy. In particular, materials such as molybdenum are used. Furthermore, the capillary effect can also be achieved by shaping the current transmission surfaces by reducing the gap width in the respective outer regions of the current transmission surfaces. The capillary effect is thus influenced by the chemical composition of the liquid metal alloy, the geometry of the gap and the nature of the surface material. In particular in the case of a multi-phase power transmission device, as occurs in wind power plants, the power transmission device has power transmission surfaces which are arranged axially one behind the other and are electrically isolated from one another. Each sub-arrangement is provided for the transmission of one phase. The current transmission surfaces assigned to the respective phases are to be galvanically separated from one another by suitable means in order to avoid short circuits. Such a current transmission device is advantageously constructed in a modular manner, a module representing a partial arrangement, a current transmission surface or an insulation washer, so that in order to obtain the entire current transmission device, by axially arranging these modules on a support body, a current transmission device that is particularly suitable for wind power plants in particular is created.
Vorteilhafterweise werden als Isolierung zwischen den einzelnen Stromübertragungsflächen Isolierringe verwendet.Insulation rings are advantageously used as insulation between the individual current transmission surfaces.
Insbesondere bei längerem Stillstand der Windkraftanlage und damit der Stromübertragungseinrichtung oder längerem Betrieb der Windkraft sind Mittel zur Heizung oder Kühlung der Flüssigkeitslegierung vorzusehen um damit einen optimalen Betrieb der Stromübertragungseinrichtung der Windkraftanlage zu gewährleisten. Als Heizung können dabei dementsprechend ange- passte Heizschlangen oder Kühlschlangen in der Flüssigkeitslegierung oder in den angrenzenden Teilen vorgesehen werden. Ebenso ist auch ein lediglich zeitweises Aufheizen der Flüs- sigkeitslegierung möglich, und sobald der außergewöhnliche Betriebszustand nicht mehr vorliegt, kann diese Heizung und/oder Kühlung abgeschaltet werden.In particular, when the wind power plant and thus the power transmission device are at a standstill for a longer period of time, means for heating or cooling the liquid alloy are to be provided in order to ensure optimal operation of the power transmission device of the wind power plant. Correspondingly adapted heating coils or cooling coils in the liquid alloy or in the adjacent parts can be provided as heating. It is also possible to heat the liquid alloy only temporarily, and as soon as the unusual operating state is no longer present, this heating and / or cooling can be switched off.
Als besonders vorteilhafte Flüssigmetalllegierungen haben sich Galium, Indium, Zinn oder Selenverbindungen herausgestellt. Eine besonders einfache und wartungsfreundliche Anordnung ergibt sich, wenn die Stromübertragungseinrichtung der Windkraftanlage bei Umgebungsdruck eingesetzt werden kann. Die dabei auftretenden Oxidationseffekte des Flüssigkeitsmetalls können u.a. vermieden werden, indem die Stromübertragungseinrichtung in einer Schutzgasatmosphäre arbeitet.Galium, indium, tin or selenium compounds have proven to be particularly advantageous liquid metal alloys. A particularly simple and maintenance-friendly arrangement results if the power transmission device of the wind turbine can be used at ambient pressure. The oxidation effects of the liquid metal that occur can be avoided, inter alia, by the power transmission device operating in a protective gas atmosphere.
Eine weitere Möglichkeit die Stromübertragungseinrichtung der Windkraftanlage zu betreiben, ist bei Über- oder Unterdruck, wodurch auch eventuelle Oxidation verringert werden kann. Die Abdichtung der Stromübertragungseinrichtung gegenüber der Atmosphäre geschieht in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung auf Basis von magnetisch leitenden Flüssigkeiten wie z.B. Ferrofluiden. Zur Abdichtung eignen sich aber auch rae- chanische Dichtvorrichtungen wie Bürstendichtungen oder Radi- alwellendientringe .A further possibility of operating the power transmission device of the wind power plant is under overpressure or underpressure, as a result of which possible oxidation can also be reduced. In a further embodiment of the invention, the power transmission device is sealed off from the atmosphere on the basis of magnetically conductive liquids, such as Ferrofluids. However, mechanical sealing devices such as brush seals or radial shaft service rings are also suitable for sealing.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den schematisch dargestellten Ausführungs- beispielen in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:The invention and further advantageous embodiments of the invention are explained in more detail in the schematically illustrated exemplary embodiments in the drawing. It shows:
FIG 1, 2 prinzipielle Stromübertragungseinrichtung einer Windkraftanlage,1, 2 basic power transmission device of a wind turbine,
FIG 3 ein doppelt gespeister Asynchrongenerator, FIG 4 ein Asynchrongenerator mit geschalteten Läuferwiderständen,3 shows a double-fed asynchronous generator, FIG. 4 shows an asynchronous generator with switched rotor resistors,
FIG 5 einen gleichstromerregten Synchrongenerator.5 shows a DC-excited synchronous generator.
FIG 1 zeigt eine schematisch dargestellte Stromübertragungs- einrichtung 20 einer Windkraftanlage mit feststehenden, elektrisch und elektrisch isolierenden Außenteilen. Die elektrisch leitenden Außenteile 1 sind dabei vorteilhafterweise durch Isolierscheiben 4 galvanisch voneinander getrennt, so dass Kurzschlüsse zwischen den Phasen der festste- henden Außenteile 1 vermieden werden. Rotierende Innenteile 2 und 5 korrespondieren zu den feststehenden Außenteilen 1 und 4, so dass eine Stromübertragung zwischen Außenteil 1 und In- nenteil 2 über eine Flüssigmetalllegierung 3 erfolgen kann. Der auf die rotierenden Innenteile 2 übertragene Strom wird, wie nicht näher dargestellt, über Zuleitungen den jeweiligen Wicklungen eines Rotors 6 weitergeleitet. Die rotierenden In- nenteile 2 und 5 sind drehfest auf einer Welle 21 montiert.1 shows a schematically illustrated power transmission device 20 of a wind power plant with fixed, electrically and electrically insulating outer parts. The electrically conductive outer parts 1 are advantageously galvanically separated from one another by insulating washers 4, so that short circuits between the phases of the fixed outer parts 1 are avoided. Rotating inner parts 2 and 5 correspond to the fixed outer parts 1 and 4, so that a current transmission between outer part 1 and interior Part 2 can be done via a liquid metal alloy 3. The current transmitted to the rotating inner parts 2 is, as not shown in detail, passed on to the respective windings of a rotor 6 via feed lines. The rotating inner parts 2 and 5 are mounted on a shaft 21 in a rotationally fixed manner.
FIG 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt eines Spaltes mit den darin auftretenden Kräften auf die Flüssigmetalllegierung 3. Die aus der Adhäsionskraft FA und der Kohäsionskraft FK resultierende Kraft F steht senkrecht auf der Oberfläche des Flüssigmetalls 3. Die Kraft F formt dadurch die Oberfläche der Flüssigmetalllegierung 3. Der Winkel CG bezeichnet den Kontaktwinkel . Die Wirkung der resultierenden Kraft F wirkt dem Bestreben der Flüssigmetalllegierung aus dem Spalt auszu- treten entgegen.2 shows an enlarged section of a gap with the forces occurring therein on the liquid metal alloy 3. The force F resulting from the adhesive force FA and the cohesive force FK is perpendicular to the surface of the liquid metal 3. The force F thereby forms the surface of the liquid metal alloy 3. The angle CG denotes the contact angle. The effect of the resulting force F counteracts the attempt of the liquid metal alloy to exit the gap.
Die Geometrie des Spaltes bestimmt unter anderem mit der Oberflächenspannung der Flüssigmetalllegierung 3 und dem Material der Oberfläche der Isolierscheiben 4, 5 die Größe der Kraft F, die in das Innere der Flüssigmetalllegierung 3 gerichtet ist. Durch wahlweise Gestaltung des Spaltes und der Auswahl des Oberflächenmaterials der Isolierscheiben 4 als auch der chemischen Zusammensetzung der Flüssigmetalllegierung 3 kann somit der Austritt der Flüssigmetalllegierung 3 aus dem Spalt verhindert werden. Dabei wird mit Adhäsionskraft FA die Kraft bezeichnet, die von der Oberfläche der Isolierscheiben 4, 5 auf die Flüssigmetalllegierung 3 wirkt. Als Kohäsionskraft FK wird eine Zusammenhangskraft bezeichnet, die innerhalb der Flüssigmetalllegierung 3 zwischen den einzelnen Molekülen der Flüssigmetalllegierung 3 wirkt.With the surface tension of the liquid metal alloy 3 and the material of the surface of the insulating disks 4, 5, the geometry of the gap determines, among other things, the magnitude of the force F which is directed into the interior of the liquid metal alloy 3. The design of the gap and the selection of the surface material of the insulating disks 4 and the chemical composition of the liquid metal alloy 3 can thus prevent the liquid metal alloy 3 from escaping from the gap. Adhesive force FA is the force that acts on the liquid metal alloy 3 from the surface of the insulating disks 4, 5. A cohesive force FK is a cohesive force that acts within the liquid metal alloy 3 between the individual molecules of the liquid metal alloy 3.
FIG 3 zeigt eine prinzipiell dargestellte Windkraftanlage 22 mit einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator 7. Die Windkraftanlage wird im wesentlichen durch einen Windpropeller 8 und ein nachgeschaltetes Getriebe 9 und eineroptimalen Kupplung 10 gebildet, über die der Rotor 6 des Asynchrongenerators 7 angetrieben wird. Die Statorwicklung dieses Generators ist mit dem zu speisenden Netz verbunden, dabei kann ggf. noch ein nicht dargestellter Transformator zur Spannungsanpassung vorhanden sein. Der statische Frequenzumrichter 11 zur Speisung der Läuferwicklung über den Schleifringkörper 20 kann dabei ein Zwischenkreisumrichter, vorzugsweise mit einem Spannungszwischenkreis als auch ein Direktumrichter oder Matrixumrichter sein.3 shows a wind turbine 22 shown in principle with a double-fed asynchronous generator 7. The wind turbine is essentially formed by a wind propeller 8 and a downstream gear 9 and an optimal clutch 10, via which the rotor 6 of the asynchronous generator 7 is driven. The stator winding of this generator is connected to the network to be fed, a transformer (not shown) for voltage adjustment may also be present. The static frequency converter 11 for feeding the rotor winding via the slip ring body 20 can be an intermediate circuit converter, preferably with a voltage intermediate circuit, as well as a direct converter or matrix converter.
FIG 4 zeigt eine prinzipiell dargestellte Windkraftanlage mit einem Asynchrongenerator 7 mit geschalteten Läuferwiderständen 12, dabei werden insbesondere die Anschlüsse einer nicht näher dargestellten Wicklung des Rotors 6 über Stromübertragungseinrichtung 20 herausgeführt. Die Widerstände und Schalter, elektro echanische Schalter oder elektronische Tyristor- Schalter werden extern angeordnet.4 shows a wind power plant shown in principle with an asynchronous generator 7 with switched rotor resistors 12, in particular the connections of a winding of the rotor 6 (not shown in detail) are led out via a current transmission device 20. The resistors and switches, electro-mechanical switches or electronic tyristor switches are arranged externally.
FIG 5 zeigt eine prinzipiell dargestellte Windkraftanlage mit einem Synchrongenerator 13 mit Gleichstromerregung. Dabei ist die Statorwicklung über einen Frequenzumrichter 11 mit dem zu speisenden Netz verbunden. Die Anschlüsse der Erregerwicklung des Rotors 6 werden über Stromübertragungseinrichtung 20 herausgeführt. Die Ein- bzw. Verstellung des Erregerstroms erfolgt z.B. überfeinen externen steuerbaren Gleichrichter 14.5 shows a wind power plant shown in principle with a synchronous generator 13 with DC excitation. The stator winding is connected to the network to be fed via a frequency converter 11. The connections of the field winding of the rotor 6 are led out via current transmission device 20. The adjustment or modification of the excitation current takes place, for example, via an external f controllable rectifier fourteenth
Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Stromübertragungseinrichtung 20 wird höchste Verfügbarkeit und Wartungsfreiheit ohne Einschränkung der elektrisch und elektrisch mechanischen Systemeigenschaften erreicht. Außerdem ergibt sich eine äußerst kompakte Bauart des Windgenerators der Windanlage und damit verbunden ein geringerer Platzbedarf, was die Möglichkeit zur Optimierung der Rotorlänge des Generators bzw. der Aerodynamik des Gehäuses weitere Freiheitsgrade eröffnet. Es stellt sich eine Steigerung des Systemwirkungsgrades ein, da sich die ohmschen Übergangswiderstände erheblich reduzieren. Somit erhöht sich auch die Wirtschaftlichkeit einer derartigen Windkraftanlage. Eine derartige Windkraftanlage mit der erfindungsgemäßen Stromübertragungseinrichtung ist für einen sehr großen Drehzahlbereich geeignet, ohne dass eine Beeinträchtigung der Lebensdauer eintritt. Es kann auf einen vollständigen Verzicht auf aufwendige Bürstenlängen, Monitoringsysteme und damit auf ein äußerst robustes und für Störung unanfälliges Gesamtsystem zurückgegriffen werden. Die Stromübertragungseinrichtung 20 stellt eine völlig unterbrechungs- freie, EMV-technisch unempfindliche und störungsfreie Übertragungsstrecke dar, es ergeben sich somit keine störenden Einflüsse auf andere Systemkomponenten, womit sich eine zu- sätzlich erhöhte Betriebssicherheit und Verfügbarkeit einstellt. Auch Regelverfahren, die mit auf den Energieübertragungsgrößen (Strom und Spannung) überlagerten beliebig modulierten Spannungen und Strömen arbeiten, werden nicht beein- flusst .By using the power transmission device 20 according to the invention, maximum availability and freedom from maintenance is achieved without restricting the electrical and electrical mechanical system properties. In addition, there is an extremely compact design of the wind generator of the wind installation and, associated therewith, a smaller space requirement, which opens up the possibility of optimizing the rotor length of the generator or the aerodynamics of the housing, further degrees of freedom. There is an increase in system efficiency, since the ohmic contact resistances are significantly reduced. This also increases the economic viability of such a wind power plant. Such a wind power plant with the power transmission device according to the invention is for one suitable for a very large speed range without affecting the service life. There is no need for complex brush lengths, monitoring systems and therefore an extremely robust overall system that is not prone to malfunctions. The power transmission device 20 represents a completely uninterruptible, EMC-insensitive and interference-free transmission path, so there are no disruptive influences on other system components, which results in an additional increase in operational reliability and availability. Control processes that work with arbitrarily modulated voltages and currents superimposed on the energy transfer variables (current and voltage) are also not affected.
Die Stromübertragungseinrichtung 20 übernimmt dabei auch Lagerungsfunktionen für die feststehenden Teile der Anordnung, so dass eine separate Lageranordnung nicht notwendig ist. D.h., die Flüssigmetalllegierung 3 übernimmt hierbei Lagerei- genschaften und überträgt gleichzeitig den elektrischenThe power transmission device 20 also takes over storage functions for the fixed parts of the arrangement, so that a separate bearing arrangement is not necessary. In other words, the liquid metal alloy 3 takes on storage properties and simultaneously transmits the electrical one
Strom. Lediglich eine Drehmomentstütze verhindert ein Mitrotieren der feststehenden Teile. Um die Stromübertragungseinrichtung 20 gegen atmosphärische Einflüsse zu schützen, ist eine Dichtung vorgesehen. Die Dichtung kann dabei auf Basis von magnetischen Flüssigkeiten oder sonstigen Gasen ausgeführt sein. Entscheidend ist, dass kein Kontakt zwischen Atmosphäre und der Flüssigkeitsmetalllegierung 3 vorhanden ist. Die Dichtung selbst kann als Labyrinthdichtung, Bürstendichtung oder Radialwellendichtring ausgeführt sein.Electricity. Only a torque arm prevents the fixed parts from rotating. In order to protect the power transmission device 20 against atmospheric influences, a seal is provided. The seal can be based on magnetic liquids or other gases. It is crucial that there is no contact between the atmosphere and the liquid metal alloy 3. The seal itself can be designed as a labyrinth seal, brush seal or radial shaft seal.
Die erfindungsgemäße Stromübertragungseinrichtung 20 eignet sich insbesondere auch für hochtemperatur-supraleitende Wind- kraftgeneratoren .The current transmission device 20 according to the invention is also particularly suitable for high-temperature superconducting wind power generators.
Die erfindungsgemäße Stromübertragungseinrichtung zur Leistungsübertragung kann auch für Monitoring- und Überwachungs- Signale von gegebenenfalls am Rotor 6 angebrachten Sensoren angewandt werden.The power transmission device for power transmission according to the invention can also be used for monitoring and Signals from sensors which may be attached to the rotor 6 are used.
Somit erfolgt bei einer derartigen Windkraftanlage sowohl die Leistungsübertragung, die Lagerung als auch Übertragung von Sensordaten über ein oder mehrere Stromübertragungseinrichtungen. Thus, in such a wind power plant, both the power transmission, the storage and the transmission of sensor data take place via one or more power transmission devices.

Claims

Patentansprüche claims
1. Windkraftanlage (22) mit einem Windkraftgenerator, der einen Stator und einen Rotor (6) aufweist und mit einer Stromübertragungseinrichtung (20) zur zumindest zeitweisen Speisung einer Wicklung des Rotors (6), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Strom der Wicklung des Rotors über Flüssigmetalllegierungen (3) von einem feststehenden (1) zum rotierenden (2) Teil übertragen wird.1. Wind power plant (22) with a wind power generator having a stator and a rotor (6) and with a current transmission device (20) for at least temporarily feeding a winding of the rotor (6), characterized in that the current of the winding of the rotor via liquid metal alloys (3) is transferred from a fixed (1) to the rotating (2) part.
2. Windkräftanlage (22) nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Flüssigmetalllegierung (3) durch Kapillarwirkung des Spaltes zwischen den Stromübertragungsflächen gehalten ist.2. Wind power plant (22) according to claim 1, so that the liquid metal alloy (3) is held by the capillary action of the gap between the current transmission surfaces.
3. Windkraftanlage (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass diese Kapillarwirkung durch zumindest teilweise Benetzung der der Flüssigmetalllegierung (3) zugewandten Seiten und/oder Gestaltung der Stromübertragungsfläche erreicht wird.3. Wind power plant (22) according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that this capillary effect is achieved by at least partially wetting the sides facing the liquid metal alloy (3) and / or designing the power transmission surface.
4. Windkraftanlage (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass Mittel vorhanden sind, die die jeweils korrespondierenden und gegenüberliegenden Stromübertragungsflächen von anderen derartigen Stromübertragungsflächen galvanisch trennen.4. Wind power plant (22) according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that means are present which galvanically separate the corresponding and opposite current transmission surfaces from other such current transmission surfaces.
5. Windkraftanlage (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Stromübertragungsflächen der feststehenden (1,4) und rotierenden (2,5) Teile jeweils durch einen Isolierstoffring voneinander galvanisch getrennt sind.5. Wind power plant (22) according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the current transmission surfaces of the fixed (1.4) and rotating (2.5) parts are each galvanically separated from each other by an insulating ring.
6. Windkraftanlage (22) nach einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass6. Wind power plant (22) according to one of the preceding claims, that a d u r c h g e k e n n e e c e n t that
Mittel zur Heizung und/oder Kühlung zumindest der Flüssigkeitslegierung (3) vorhanden sind. Means for heating and / or cooling at least the liquid alloy (3) are present.
7. Windkraftanlage (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Flüssigmetalllegierung (3) Gallium- oder Indiumverbindungen oder ein Eutektikum aus den Metallkomponenten Gallium, Indium und Zinn vorgesehen sind.7. Wind power plant (22) according to one of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that gallium or indium compounds or a eutectic from the metal components gallium, indium and tin are provided as the liquid metal alloy (3).
8. Windkraftanlage (22) nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Stromübertragungseinrichtung (20) Umge- bungsdruck vorhanden ist.8. Wind power plant (22) according to one or more of the preceding claims, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that ambient pressure is present in the power transmission device (20).
9. Windkraftanlage (22) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Stromübertragungseinrichtung (20) Über- oder Un- terdruck vorhanden ist.9. Wind power plant (22) according to one or more of claims 1 to 8, d a d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that there is positive or negative pressure in the power transmission device (20).
10. Windkraftanlage (22) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in der Stromübertragungseinrichtung (20) eine Schutzgasatmosphäre einstellbar ist.10. Wind power plant (22) according to claim 8, that a protective gas atmosphere is adjustable in the power transmission device (20).
11. Windkraftanlage (22) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sich zwischen Stromübertragungsein- richtung (20) und Umgebungsatmosphäre zumindest eine Dichtung auf Basis einer magnetischen Flüssigkeit befindet.11. Wind power plant (22) according to one or more of the preceding claims 8 to 10, d a d u r c h g e k e n e z e i c h n e t that there is at least one seal based on a magnetic liquid between the power transmission device (20) and the ambient atmosphere.
12. Windkraftanlage (22) nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t dass die magnetische Flüssig- keit ein Ferrofluid ist.12. Wind power plant (22) according to claim 11, which also means that the magnetic liquid is a ferrofluid.
13. Windkraftanlage (22) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest eine Dichtung als Bürsten- dichtung ausgeführt ist. 13. Wind power plant (22) according to one or more of the preceding claims 8 to 11, characterized in that at least one seal is designed as a brush seal.
14. Anwendung einer Stromübertragungseinrichtung (20) nach einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche bei einem doppelt gespeisten Asynchrongenerator oder einem Asynchrongenerator mit geschalteten Läuferwiderständen oder einem gleichstromerregten Synchrongenerator. 14. Use of a current transmission device (20) according to one or more of the preceding claims in a double-fed asynchronous generator or an asynchronous generator with switched rotor resistors or a DC-excited synchronous generator.
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