WO2010034760A2 - Excitation machine for a synchronous generator - Google Patents

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WO2010034760A2
WO2010034760A2 PCT/EP2009/062349 EP2009062349W WO2010034760A2 WO 2010034760 A2 WO2010034760 A2 WO 2010034760A2 EP 2009062349 W EP2009062349 W EP 2009062349W WO 2010034760 A2 WO2010034760 A2 WO 2010034760A2
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exciter
module
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Thorsten Löw
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Kenersys Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to an exciter machine for a synchronous generator. It further relates to a method for operating a synchronous generator connected to a rotor of a wind turbine and a wind turbine with a synchronous generator and an exciter itself.
  • Synchronous generators are used in particular in the generation of electrical energy in power plants or power plants many uses. So they are used in particular in the field of wind turbines. There, the mechanical energy absorbed by the rotor of the wind power plant is supplied to it via a drive shaft of the drive train with variable speed.
  • excitation machines For synchronous generators from the supplied mechanical energy can gain electrical energy, they must be energized to form a magnetic excitation field with DC. For this purpose so-called excitation machines are used. These excitation machines are usually even small generators that generate alternating current at the output, which must be rectified for the excitation of the synchronous generator.
  • excitation machines are also constructed as so-called externally excited machines, in which the exciting magnetic field is generated by current-carrying coils, for which purpose an electric current has to be introduced into the system from the outside.
  • Excited excitation machines not only offer the advantage that they produce higher output powers and thus can excite the synchronous generator with a higher power, it also offers a way of controlling the entire generator system by controlling the exciter current in the exciter. Such a control facility naturally does not apply to a self-excited exciter machine.
  • the object of the invention is in fact to provide an exciter for a synchronous generator, which allows both the generation of high power with the synchronous generator in a variable-speed operation as well as a standalone cold start or system operation at low speeds or lack of power for the decrease high power ,
  • a method for operating a synchronous generator connected to a rotor of a wind turbine is to be specified, which satisfies the criteria indicated above.
  • a wind turbine of improved design should also be created.
  • the essential and inventive idea of the novel development and design of an exciter for a synchronous generator is to provide two modules in an exciter, both of which can be used for the excitation of the synchronous generator and of which a first a self-energized PatXML 4/13
  • a second is a foreign excited module.
  • a second is a foreign excited module.
  • Modules of the exciter are here understood essentially housed in the context of a common machine units, each of which can generate and deliver an excite voltage or an exciting current for the synchronous generator detached from each other. It is readily conceivable that the individual excitation modules are structurally completely separated from each other. Likewise, however, it is also within the scope of the invention that individual components of the exciter are equally attributable to both modules, the self-excited and the externally excited module. In the widest scope of the invention, it is ultimately also possible that the exciter modules of the exciter machine are so far separated that they can be considered as two separate excitation machines.
  • the two excitation modules can be placed with their outputs to an input for the excitation voltage or the excitation current of the synchronous generator, with an optional circuit of the one or the other module or possibly even both modules together for the actual excitation of the Synchronous generator should be possible.
  • a control is usually provided in the context of the invention, depending on predeterminable parameters or by manual selection that or those exciter module (s) provides and interconnects that are to be provided in the respective operating mode for excitation of the synchronous generator.
  • Exciter machine results when it is formed as mentioned in claim 3.
  • the thus mounted on a common shaft with the rotor of the synchronous generator runner of the excitation machine with anchors and arranged around the armature power windings so far represents the "power component" of the exciter for both modules, the self-excited and the externally excited module, this runner opposite and arranged as a stator are then on the one hand excitation coils with corresponding leads of the externally excited module, on the other permanent magnet of the self-excited module.
  • To rectify the AC voltage supplied by the exciter or the AC for the DC excitation of the synchronous generator is followed by the power windings on the common shaft From there, the excitation voltage or the exciting current is fed into the rotor of the synchronous generator which forms the exciting magnetic field ann, when the permanent magnets are arranged on the stator in the region of the cores of the exciting coils.
  • the combined exciter thus differs in terms of their dimension and the basic design essentially not from a conventional exciter machine with only external excitation.
  • the only and essential difference is the additional arrangement of permanent magnets in the region of the cores of the excitation coils, this constructive measure brings no, at least no significant additional space requirements. This fact is especially in the field of wind turbines of crucial advantage, since there is limited space in the drive train and the generator typically receiving nacelle.
  • a rectifier circuit is preferably a simple diode bridge can be selected, which is low maintenance and easily on a rotating PatXML 6/13
  • Shaft can be arranged.
  • a equipped with a synchronous generator and equipped with an exciter machine according to the invention wind turbine operated in different operating mode.
  • the self-excited excitation module is used to excite the synchronous generator.
  • higher speeds would be required for this purpose.
  • the excitation of the synchronous generator can be made with the externally excited exciter module.
  • This operating state is particularly relevant in a so-called "idle" mode in which the wind energy plant does not feed into the grid, but can generate sufficient energy itself for the maintenance of its own systems, in particular for feeding the controller and other consumers
  • self-sufficiency does not require the wind energy plant to be PatXML 7/13
  • the excited exciter module is preferably used for the excitation of the synchronous generator.
  • the operating voltage of the system or the wind energy plant can then be regulated by regulating the exciter voltage for the externally excited exciter module.
  • the power coils are identical for both modules, ie only one component with power coils is used, which are excited both by the permanent magnets of the self-excited excitation module and by the excitation coils of the externally excited excitation module, can always largely neutralization and elimination of the self-excitation counteracted by a correspondingly controlled external excitation, for example to a "zero excitation", in which, as already described above, the output voltage of the synchronous generator is set to a low value close to zero.
  • Part of the invention is finally a wind turbine with a synchronous generator and an exciter machine, as described above.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the excitation of a
  • Fig. 2 is a schematic, partially cut away partial view of the stator of the exciter in an embodiment according to the invention.
  • Embodiment of an inventive exciter of a synchronous generator shown.
  • the representations make no claim to completeness, are limited to pure schematic representations to explain the essential components and components of the embodiment according to the invention.
  • FIG. 1 an embodiment of an exciter according to the invention together with control and downstream rectification and to be excited synchronous generator is shown in an electrical circuit diagram.
  • An exciter actuator 1 is connected to a mains supply 2.
  • the excitation controller 1 contains a rectifier 3 for generating a DC voltage from the AC voltage provided by the mains supply 2 available.
  • the rectifier 3 is controlled by a control unit 4, which sets the rectifier at 5 a setpoint and is fed at 6 with an actual value.
  • the controller 4 also controls a power switch 7, with which the power supply 2 to the rectifier can be switched on or off.
  • the rectified rectifier 3 voltage can be applied to the excitation coils 8 of the stator of the exciter.
  • the excitation coils 8 With the excitation coils 8, a magnetic field for excitation of the rotor 9 of the exciter machine is generated.
  • the excitation coils 8 and the rotor 9 thus constitute a first module of the exciter, which is a foreign excited module.
  • a rectifier bridge 12 Downstream of the rotor 9 of the exciter machine is a rectifier bridge 12 formed from diodes 11, the output of which is connected to the exciter coils 13 arranged on the rotor of the synchronous generator. Opposite this, the stator 14 is the actual generator unit of the synchronous generator. Further, in the circuit between the rectifier bridge 12 and the exciter coil 13 is still a surge arrester 15 interposed.
  • Stand 14 formed synchronous generator excited by means of excitation current generated by the exciter.
  • the rectified with the rectifier bridge 12, tapped by the rotor 9 of the exciter current is supplied to the exciting coils 13 of the synchronous generator.
  • a magnetic field is generated by means of the direct current, which generates an alternating current in the coils there by the movement of the rotor and the exciter coils 13 arranged therein relative to the stator 14.
  • the excitation of the exciter machine can now either via one of the modules, via the externally excited or via the self-excited module, take place (an excitation on the self-excited module always takes place in the embodiment shown here).
  • the self-excited module formed by the permanent magnets 10 and the rotor 9 can be used to generate the excitation voltage for the excitation coils 13 of the synchronous generator.
  • Wind turbine used so is the rotating shaft 16 with the PatXML 1 O / 13
  • the mains supply 2 can either be a mains supply originating from the power grid to which the wind energy plant is connected, or else be branched off from the output voltage of the synchronous generator when the synchronous generator is already running.
  • the exciter machine will be operated mainly with the externally excited module, ie mainly by interaction of the excitation coils 8 with the rotor 9 and the windings arranged thereon.
  • a cold start e.g. After a power failure, can be used for the first startup of the wind turbine on the self-excited module of the exciter, so the combination of permanent magnet 10 and rotor 9, without the excitation coils 8 are supplied with the power supply 2.
  • This has the particular advantage that for a cold start of the wind turbine no electrical energy has to be removed from the connected network and must be purchased costly.
  • Fig. 2 is a section of the stator 17 of the present invention containing two modules exciter machine according to the invention is shown in a schematic representation.
  • the exciter coils 8 are wound around corresponding armatures 18, which serve as magnetic field reinforcing core of the coils.
  • the cores 18 are shown partially cut.
  • the permanent magnets 10 are embedded.
  • the permanent magnets 10 are alternately facing the north and the south pole of the inner surface of the annular stator 17 to generate in the usual way an alternating magnetic field in the stator for the excitation of the rotor 9.
  • the coils 8 are connected so that they generate a corresponding magnetic field as the permanent magnet 10 to the associated armature 18.
  • the exciter machine in this embodiment is a kind of hybrid machine in which both modules, the self-excited module formed by the permanent magnets 10 and the rotor 9 as well as the externally excited module formed by the exciting coils 8 and the rotor 9 realized with a stator and a rotor are.
  • both modules the self-excited module formed by the permanent magnets 10 and the rotor 9 as well as the externally excited module formed by the exciting coils 8 and the rotor 9 realized with a stator and a rotor are.

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Abstract

The invention provides an excitation machine for a synchronous generator, said machine both making it possible for the synchronous generator to generate high outputs and also providing independent cold-starting or system operation at low rotational speeds or where there is no grid for reducing high output, in particular in variable-speed operation. According to the invention, the solution of this objective is found in an excitation machine for a synchronous generator (13, 14), characterized in that said generator comprises at least two excitation modules (10, 9; 8, 9), a first (10, 9) module of which is a self-excited module and a second (8, 9) module of which is an externally-excited module. The invention further provides a method for operating a synchronous generator of a wind energy system, said generator connected to a rotor, and a wind energy system of improved design.

Description

PatXML 1/13 PatXML 1/13
Beschreibungdescription
[0001] Erregermaschine für einen Synchrongenerator[0001] Exciter machine for a synchronous generator
Technisches GebietTechnical area
[0002] Die Erfindung betrifft eine Erregermaschine für einen Synchrongenerator. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines an einen Rotor angeschlossenen Synchrongenerators einer Windenergieanlage sowie eine Windenergieanlage mit einem Synchrongenerator und einer Erregermaschine selbst.The invention relates to an exciter machine for a synchronous generator. It further relates to a method for operating a synchronous generator connected to a rotor of a wind turbine and a wind turbine with a synchronous generator and an exciter itself.
Stand der TechnikState of the art
[0003] Synchrongeneratoren finden insbesondere bei der Erzeugung elektrischer Energie in Kraftwerken oder Kraftanlagen vielfach Verwendung. So werden sie insbesondere auch im Bereich von Windenergieanlagen eingesetzt. Dort wird ihnen die vom Rotor der Windenergieanlage aufgenommene mechanische Energie über eine Antriebswelle des Antriebsstranges drehzahlvariabel zugeführt.Synchronous generators are used in particular in the generation of electrical energy in power plants or power plants many uses. So they are used in particular in the field of wind turbines. There, the mechanical energy absorbed by the rotor of the wind power plant is supplied to it via a drive shaft of the drive train with variable speed.
[0004] Damit Synchrongeneratoren aus der zugeführten mechanischen Energie elektrische Energie gewinnen können, müssen sie zur Ausbildung eines magnetischen Erregerfeldes mit Gleichstrom erregt werden. Hierzu werden sogenannte Erregermaschinen verwendet. Diese Erregermaschinen sind üblicherweise selbst kleine Generatoren, die am Ausgang Wechselstrom erzeugen, der für die Erregung des Synchrongenerators gleichgerichtet werden muss.For synchronous generators from the supplied mechanical energy can gain electrical energy, they must be energized to form a magnetic excitation field with DC. For this purpose so-called excitation machines are used. These excitation machines are usually even small generators that generate alternating current at the output, which must be rectified for the excitation of the synchronous generator.
[0005] Für die Ausbildung des erregenden Magnetfeldes in der Erregermaschine sind zwei unterschiedliche Möglichkeiten denkbar und finden Verwendung. Einerseits ist es möglich, das magnetische Feld für die Erregung der Erregermaschine mit Permanentmagneten zu erzeugen. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Eigenerregung bzw. einer eigen erregten Erregermaschine. Zum anderen werden Erregermaschinen auch als sogenannte fremd erregte Maschinen gebaut, bei denen das erregende Magnetfeld durch stromdurchflossene Spulen erzeugt wird, wozu von außen ein elektrischer Strom in das System eingebracht werden muss.For the formation of the exciting magnetic field in the exciter two different possibilities are conceivable and find use. On the one hand, it is possible to generate the magnetic field for excitation of the excitation machine with permanent magnets. One speaks in this context of a self-excitation or a self-excited exciter machine. On the other hand, excitation machines are also constructed as so-called externally excited machines, in which the exciting magnetic field is generated by current-carrying coils, for which purpose an electric current has to be introduced into the system from the outside.
[0006] Eigen erregte Erregermaschinen finden dabei heute eher seltener PatXML 2/13Self-excited exciters find today rather rare PatXML 2/13
Verwendung. Sie haben insbesondere den Nachteil, dass sie aufgrund der beschränkten Feldstärke des erregenden Magnetfeldes nur eine beschränkte Ausgangsleistung erbringen können. Eine solche beschränkte Ausgangsleistung ist für die Erregung der Synchrongeneratoren bei hohen Leistungsdurchsätzen oft nicht mehr genügend, sodass die mit einem solchermaßen erregten Synchrongenerator erzeugbare Leistung beschränkt ist. Deshalb werden derzeit für die Erregung von Synchrongeneratoren insbesondere im Kraftwerksbereich, und hier besonders im Bereich von Windenergieanlagen, fremd erregte Erregermaschinen bevorzugt. Ein Beispiel einer fremd erregten Erregeranlage ist in der deutschen Patentschrift DE 2 504 894 C2 beschrieben.Use. They have the particular disadvantage that they can only provide a limited output power due to the limited field strength of the exciting magnetic field. Such limited output power is often no longer sufficient for the excitation of the synchronous generators at high power throughputs, so that the power that can be generated with such a synchronous generator is limited. For this reason, externally excited exciter machines are currently preferred for the excitation of synchronous generators, in particular in the power station sector, and here in particular in the field of wind turbines. An example of an externally excited excitation system is described in German Patent DE 2 504 894 C2.
[0007] Fremd erregte Erregermaschinen bieten dabei nicht nur den Vorteil, dass sie höhere Ausgangsleistungen erzeugen und damit den Synchrongenerator mit einer höheren Leistung erregen können, es bietet sich hier auch eine Möglichkeit der Steuerung des gesamten Generatorsystems durch die Steuerung des Erregerstromes in der Erregermaschine. Eine solche Steuermöglichkeit entfällt naturgemäß bei einer eigen erregten Erregermaschine.Excited excitation machines not only offer the advantage that they produce higher output powers and thus can excite the synchronous generator with a higher power, it also offers a way of controlling the entire generator system by controlling the exciter current in the exciter. Such a control facility naturally does not apply to a self-excited exciter machine.
[0008] Allerdings beinhalten fremd erregte Erregermaschinen einen Nachteil, der sich insbesondere im Bereich von Windenergieanlagen auswirkt und deutlich macht. Um nämlich das System insgesamt anlaufen lassen zu können und den Synchrongenerator für die Erzeugung von Energie zu erregen, muss der Erregermaschine selbst Energie zugeführt werden. Windenergieanlagen stehen häufig exponiert an abgelegenen Orten, zum Beispiel auf abgelegenen Feld- oder sonstigen Flächen oder sogar offshore im Wasser. Kommt es nun zu einem Stillstand einer Windenergieanlage, sei es aufgrund ausbleibenden Windes oder sei es aufgrund eines erzwungenen Anhaltens, zum Beispiel im Falle eines Netzausfalls, so fällt das System insgesamt tot, wenn nicht (was häufig nicht gegeben ist) eine Notstromversorgung vorhanden ist.However, externally excited excitation machines involve a disadvantage that particularly affects the area of wind turbines and makes it clear. In order to be able to start the system as a whole and to energize the synchronous generator for the generation of energy, the exciter machine itself must be supplied with energy. Wind turbines are often exposed in remote locations, such as on remote fields or other land, or even offshore in the water. If it comes to a standstill of a wind turbine, either due to lack of wind or due to a forced stop, for example in the event of a power failure, the system is dead altogether, if not (which is often not the case), an emergency power supply is available.
[0009] Enthält die Windenergieanlage keine eigene Notstromversorgung, so kann bei einem Netzausfall und hierfür gebremstem Rotor trotz vorhandenem PatXML 3/-13If the wind turbine does not have its own emergency power supply, so can in a power failure and this braked rotor despite existing PatXML 3 / -13
Windes die Anlage nicht weiter laufen und Strom, zum Beispiel für die Aufrechterhaltung der eigenen Systeme, generieren. Auch im Falle eines sogenannten Kaltstarts, also eines Anlaufens der Systeme aus einem vollständigen Ruhezustand heraus, kann dies nur geschehen mit einer Fremdversorgung für die Erregermaschine. Hierfür muss Energie aus dem Netz entnommen werden, die der Windenergieanlagenbetreiber zu vergleichsweise hohen Kosten aus dem Netz abnehmen muss.Wind the plant no longer run and generate electricity, for example, for the maintenance of their own systems. Even in the case of a so-called cold start, so a start of the systems out of a complete rest, this can only be done with an external supply for the exciter. For this purpose, energy must be taken from the grid, which the wind turbine operator has to remove from the grid at comparatively high costs.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
[0010] Hier setzt die Aufgabe der Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es nämlich, eine Erregermaschine für einen Synchrongenerator anzugeben, die insbesondere bei einem drehzahlvariablen Betrieb sowohl die Erzeugung hoher Leistungen mit dem Synchrongenerator ermöglicht als auch einen eigenständigen Kaltstart bzw. einen Systembetrieb bei niedrigen Drehzahlen bzw. fehlendem Netz für die Abnahme hoher Leistung. Zudem soll ein Verfahren zum Betreiben eines an einen Rotor angeschlossenen Synchrongenerators einer Windenergieanlage angegeben werden, welches den oben aufgezeigten Kriterien genügt. Ferner soll auch noch eine Windenergieanlage verbesserter Bauform geschaffen werden.This is where the object of the invention. The object of the invention is in fact to provide an exciter for a synchronous generator, which allows both the generation of high power with the synchronous generator in a variable-speed operation as well as a standalone cold start or system operation at low speeds or lack of power for the decrease high power , In addition, a method for operating a synchronous generator connected to a rotor of a wind turbine is to be specified, which satisfies the criteria indicated above. Furthermore, a wind turbine of improved design should also be created.
[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Erregermaschine für einen Synchrongenerator mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Eine verfahrensmäßige Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 6 angegeben. In den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 sind vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Erregermaschine aufgezeigt, die abhängigen Ansprüche 7 bis 10 enthalten vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit der Erfindung wird schließlich in Anspruch 11 auch noch eine Windenergieanlage verbesserter Bauweise angegeben.This object is achieved by an exciter machine for a synchronous generator with the features of claim 1. A procedural solution of the problem is given in claim 6. In the dependent claims 2 to 5 advantageous embodiments of an exciter machine according to the invention are shown, the dependent claims 7 to 10 contain advantageous developments of the method according to the invention. Finally, in claim 11, the invention also specifies a wind turbine of improved design.
[0012] Der wesentliche und erfindungsgemäße Gedanke der neuartigen Entwicklung und Bauform einer Erregermaschine für einen Synchrongenerator besteht darin, in einer Erregermaschine zwei Module vorzusehen, die beide für die Erregung des Synchrongenerators Verwendung finden können und von denen ein erstes ein eigen erregtes PatXML 4/13The essential and inventive idea of the novel development and design of an exciter for a synchronous generator is to provide two modules in an exciter, both of which can be used for the excitation of the synchronous generator and of which a first a self-energized PatXML 4/13
und ein zweites ein fremd erregtes Modul ist. Auch wenn es im Rahmen der Erfindung liegt, dass grundsätzlich auch mehr als zwei Module vorgesehen werden können, so wird derzeit bevorzugt, genau zwei solcher Module, nämlich ein eigen erregtes und ein fremd erregtes Modul, anzuordnen.and a second is a foreign excited module. Although it is within the scope of the invention that in principle more than two modules can be provided, so it is currently preferred to arrange exactly two such modules, namely a self-excited and a foreign excited module.
[0013] Unter Modulen der Erregermaschine werden hier im Wesentlichen im Rahmen einer gemeinsamen Maschine untergebrachte Einheiten verstanden, die jeweils losgelöst voneinander eine Erregerspannung bzw. einen Erregerstrom für den Synchrongenerator erzeugen und liefern können. Dabei ist es ohne Weiteres denkbar, dass die einzelnen Erregermodule baulich vollständig voneinander getrennt sind. Ebenso liegt es aber auch im Rahmen der Erfindung, dass einzelne Bauteile der Erregermaschine gleichermaßen beiden Modulen, dem eigen erregten und dem fremd erregten Modul, zuzuordnen sind. Im weitesten Rahmen der Erfindung ist es letztlich auch möglich, dass die Erregermodule der Erregermaschine so weit getrennt sind, dass sie wie zwei getrennte Erregermaschinen aufgefasst werden können. Letztlich entscheidend dabei ist, dass die beiden Erregermodule mit ihren Ausgängen auf einen Eingang für die Erregerspannung bzw. den Erregerstrom des Synchrongenerators gelegt werden können, wobei eine wahlweise Schaltung des einen bzw. des anderen Moduls oder gegebenenfalls sogar beider Module zusammen für die eigentliche Erregung des Synchrongenerators möglich sein soll.Modules of the exciter are here understood essentially housed in the context of a common machine units, each of which can generate and deliver an excite voltage or an exciting current for the synchronous generator detached from each other. It is readily conceivable that the individual excitation modules are structurally completely separated from each other. Likewise, however, it is also within the scope of the invention that individual components of the exciter are equally attributable to both modules, the self-excited and the externally excited module. In the widest scope of the invention, it is ultimately also possible that the exciter modules of the exciter machine are so far separated that they can be considered as two separate excitation machines. Ultimately crucial is that the two excitation modules can be placed with their outputs to an input for the excitation voltage or the excitation current of the synchronous generator, with an optional circuit of the one or the other module or possibly even both modules together for the actual excitation of the Synchronous generator should be possible.
[0014] Insoweit wird im Rahmen der Erfindung üblicherweise eine Steuerung vorgesehen, die abhängig von vorgebbaren Parametern oder anhand einer manuellen Auswahl dasjenige bzw. diejenigen Erregermodul(e) vorsieht und verschaltet, die im jeweiligen Betriebsmodus zur Erregung des Synchrongenerators vorgesehen werden sollen.In that regard, a control is usually provided in the context of the invention, depending on predeterminable parameters or by manual selection that or those exciter module (s) provides and interconnects that are to be provided in the respective operating mode for excitation of the synchronous generator.
[0015] Es dürfte ohne weiteres verständlich sein, dass mit der erfindungsgemäßen Erregermaschine die Erregung eines Synchrongenerators in unterschiedlichsten Betriebssituationen zuverlässig und bedarfsabhängig möglich ist, dies insbesondere bei einem drehzahlvariablen Betrieb des Synchrongenerators. Die so erzielbaren PatXML 5/-13It should be readily understood that the excitation of a synchronous generator in a variety of operating situations reliably and demand-dependent is possible with the exciter according to the invention, especially in a variable-speed operation of the synchronous generator. The achievable so PatXML 5 / -13
Vorteile wirken sich insbesondere auf dem Gebiet der Windenergieanlagen besonders aus.Advantages have a particular effect in the field of wind turbines.
[0016] Eine besonders kompakte Bauform einer erfindungsgemäßenA particularly compact design of an inventive
Erregermaschine ergibt sich, wenn sie wie in Anspruch 3 genannt gebildet ist. Der demnach auf einer gemeinsamen Welle mit dem Läufer des Synchrongenerators montierte Läufer der Erregungsmaschine mit Ankern und um den Anker angeordneten Leistungswicklungen stellt insofern die „Leistungskomponente" der Erregermaschine für beide Module, das eigen erregte und das fremd erregte Modul, dar. Diesem Läufer gegenüberliegend und als Stator angeordnet befinden sich dann einerseits Erregerspulen mit entsprechenden Zuleitungen des fremd erregten Moduls, andererseits Permanentmagneten des eigen erregten Moduls. Um die von der Erregermaschine so gelieferte Wechselspannung bzw. den Wechselstrom für die Gleichstromerregung des Synchrongenerators gleichzurichten, ist auf der gemeinsamen Welle den Leistungswicklungen nachgeschaltet eine Gleichrichterschaltung vorgesehen. Von dort wird die Erregerspannung bzw. der Erregerstrom in den das erregende Magnetfeld ausbildenden Läufer des Synchrongenerators eingespeist. Besonders kompakt wird eine Erregermaschine dieser Bauform dann, wenn die Permanentmagnete auf dem Stator im Bereich der Kerne der Erregerspulen angeordnet sind. Die kombinierte Erregermaschine unterscheidet sich damit hinsichtlich ihrer Dimension und der grundsätzlichen Bauweise im Wesentlichen nicht von einer üblichen Erregermaschine mit ausschließlicher Fremderregung. Der einzige und wesentliche Unterschied besteht in der zusätzlichen Anordnung von Permanentmagneten im Bereich der Kerne der Erregerspulen, wobei diese konstruktive Maßnahme keinen, jedenfalls keinen wesentlichen zusätzlichen Raumbedarf mit sich bringt. Diese Tatsache ist gerade im Bereich der Windenergieanlagen von entscheidendem Vorteil, da dort der Bauraum in der den Antriebstrang sowie den Generator typischerweise aufnehmenden Gondel beschränkt ist.Exciter machine results when it is formed as mentioned in claim 3. The thus mounted on a common shaft with the rotor of the synchronous generator runner of the excitation machine with anchors and arranged around the armature power windings so far represents the "power component" of the exciter for both modules, the self-excited and the externally excited module, this runner opposite and arranged as a stator are then on the one hand excitation coils with corresponding leads of the externally excited module, on the other permanent magnet of the self-excited module.To rectify the AC voltage supplied by the exciter or the AC for the DC excitation of the synchronous generator, is followed by the power windings on the common shaft From there, the excitation voltage or the exciting current is fed into the rotor of the synchronous generator which forms the exciting magnetic field ann, when the permanent magnets are arranged on the stator in the region of the cores of the exciting coils. The combined exciter thus differs in terms of their dimension and the basic design essentially not from a conventional exciter machine with only external excitation. The only and essential difference is the additional arrangement of permanent magnets in the region of the cores of the excitation coils, this constructive measure brings no, at least no significant additional space requirements. This fact is especially in the field of wind turbines of crucial advantage, since there is limited space in the drive train and the generator typically receiving nacelle.
[0017] Als Gleichrichterschaltung wird bevorzugt eine einfache Diodenbrücke gewählt werden, die wartungsarm ist und problemlos auf einer rotierenden PatXML 6/13 As a rectifier circuit is preferably a simple diode bridge can be selected, which is low maintenance and easily on a rotating PatXML 6/13
Welle angeordnet werden kann.Shaft can be arranged.
[0018] Mit Vorteil wird eine mit einem Synchrongenerator ausgestattete und mit einer erfindungsgemäßen Erregermaschine ausgerüstete Windenergieanlage in unterschiedlichen Betriebsmodus betrieben. Für ein Anlaufen des Synchrongenerators beim Start der Windenergieanlage, insbesondere bei einem sogenannten Kaltstart, bei dem die Systeme der Anlage stromlos gefallen waren, wird zunächst das eigen erregte Erregermodul verwendet, um den Synchrongenerator zu erregen. Zum einen muss auf diese Weise für den Start keine Energie aus dem Netz bezogen und kostspielig eingekauft werden, um den Synchrongenerator zu erregen. Zum anderen ist es möglich, mit dem fremd erregten Erregermodul bereits bei vergleichsweise geringer Drehzahl des Rotors und damit der Generatorwelle (beispielsweise Drehzahlen in einem Bereich von 300 U/min) mit dem eigen erregten Erregermodul ausreichend Leistung zu generieren, um den Synchrongenerator zur Energiegewinnung anlaufen zu lassen. Bei einer Nutzung einer fremd erregten Erregermaschine bzw. des fremd erregten Moduls der erfindungsgemäßen Erregermaschine wären hierfür höhere Drehzahlen erforderlich.Advantageously, a equipped with a synchronous generator and equipped with an exciter machine according to the invention wind turbine operated in different operating mode. For a start of the synchronous generator at the start of the wind turbine, especially in a so-called cold start, in which the systems of the system had fallen dead, initially the self-excited excitation module is used to excite the synchronous generator. On the one hand, no energy needs to be drawn from the grid and costly to start up in order to energize the synchronous generator. On the other hand, it is possible to generate sufficient power with the externally excited excitation module already at comparatively low speed of the rotor and thus the generator shaft (for example, speeds in a range of 300 rev / min) with the self-excited excitation module to start the synchronous generator for energy allow. When using a foreign excited excitation machine or the externally excited module of the exciter machine according to the invention higher speeds would be required for this purpose.
[0019] Wenn der Synchrongenerator dann jedoch angelaufen ist und zumindest für eine Eigenversorgung der Systeme der Windenergieanlage ausreichend Energie generiert, kann dann die Erregung des Synchrongenerators mit dem fremd erregten Erregermodul vorgenommen werden. Dies hat dann den Vorteil, dass über eine Regelung der vom Generator abgezweigten Erregungsspannung für das fremd erregte Erregermodul der Erregermaschine die Ausgangsspannung des Synchrongenerators für eine Eigenversorgung der Systeme der Windenergieanlage geregelt wird. Dieser Betriebszustand ist insbesondere relevant in einem sogenannten „Idle"- Betrieb, in dem die Windenergieanlage nicht ins Netz einspeist, jedoch für die Aufrechterhaltung der eigenen Systeme, insbesondere zur Speisung der Steuerung und anderer Verbraucher, ausreichend Energie selbst erzeugen kann. Mit einer solchen Möglichkeit der Eigenversorgung ist es insbesondere nicht erforderlich, die Windenergieanlage bei einem kurz- PatXML 7/13If the synchronous generator is then started and generates enough energy for at least a self-supply of the systems of the wind turbine, then the excitation of the synchronous generator can be made with the externally excited exciter module. This has the advantage that the output voltage of the synchronous generator for self-supply of the systems of the wind turbine is regulated by regulating the excitation voltage branched off from the generator for the externally excited exciter module of the exciter. This operating state is particularly relevant in a so-called "idle" mode in which the wind energy plant does not feed into the grid, but can generate sufficient energy itself for the maintenance of its own systems, in particular for feeding the controller and other consumers In particular, self-sufficiency does not require the wind energy plant to be PatXML 7/13
oder mittelfristigen Ausfall des Netzes, in das eingespeist werden soll, vollständig anzuhalten und die Systeme herunter zu fahren.or in the medium term failure of the network to be fed into, to completely stop and shut down the systems.
[0020] Fährt die Windenergieanlage unter voller Last und erzeugt elektrische Energie, die in das Netz eingespeist wird, so wird für die Erregung des Synchrongenerators bevorzugt auf das fremd erregte Erregermodul zurück gegriffen. Dabei kann dann über eine Regelung der Erregerspannung für das fremd erregte Erregermodul die Betriebsspannung des Systems bzw. die Windenergieanlage geregelt werden.If the wind turbine drives under full load and generates electrical energy that is fed into the grid, the excited exciter module is preferably used for the excitation of the synchronous generator. In this case, the operating voltage of the system or the wind energy plant can then be regulated by regulating the exciter voltage for the externally excited exciter module.
[0021] Schließlich ist es in einem Betriebszustand auch möglich, dass mit dem fremd erregten Erregermodul eine von dem eigen erregten Erregermodul herrührende Erregungsspannung weitgehend neutralisiert und so die Ausgangsspannung des Synchrongenerators auf einem möglichst niedrigen Niveau nahe Null, im Idealfall sogar bei Null, gehalten wird.Finally, it is also possible in an operating condition that largely neutralized by the self-excited excitation module excitation voltage originating from the self-excited excitation module and so the output voltage of the synchronous generator at a lowest possible level is kept near zero, ideally even at zero, with the externally excited excitation module ,
[0022] Grundsätzlich ist es dabei jederzeit denkbar, die von dem eigen erregten Erregermodul generierte Erregungsleistung mitzunutzen und zusammen mit der von dem fremd erregten Erregermodul generierten Erregungsleistung zur Erregung des Generators zu verwenden. Alternativ kann bei entsprechender Bauform vorgesehen sein, das eigen erregte Erregermodul abzuschalten bzw. kurzzuschließen. Sofern die Leistungsspulen für beide Module identisch sind, also nur ein Bauteil mit Leistungsspulen verwendet wird, die sowohl von den Permanentmagneten des eigen erregten Erregermoduls als auch von den Erreger- spulen des fremd erregten Erregermoduls erregt werden, kann stets zur weitgehenden Neutralisierung und Ausschaltung der Eigenerregung durch eine entsprechend gesteuerte Fremderregung gegengesteuert werden, zum Beispiel zu einer „Null-Erregung", bei der wie oben bereits beschrieben die Ausgangsspannung des Synchrongenerators auf einen niedrigen Wert nahe Null eingestellt wird.In principle, it is always conceivable to share the excitation power generated by the self-excited exciter module and to use it together with the excitation power generated by the externally excited exciter module to excite the generator. Alternatively, it may be provided with appropriate design to turn off the self-excited excitation module or short circuit. If the power coils are identical for both modules, ie only one component with power coils is used, which are excited both by the permanent magnets of the self-excited excitation module and by the excitation coils of the externally excited excitation module, can always largely neutralization and elimination of the self-excitation counteracted by a correspondingly controlled external excitation, for example to a "zero excitation", in which, as already described above, the output voltage of the synchronous generator is set to a low value close to zero.
[0023] Bestandteil der Erfindung ist schließlich auch eine Windenergieanlage mit einem Synchrongenerator und einer Erregermaschine, wie diese oben beschrieben ist.Part of the invention is finally a wind turbine with a synchronous generator and an exciter machine, as described above.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
[0024] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der PatXML 8/-I3Further advantages and features of the invention will become apparent from the PatXML 8 / -I3
nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:following description of an embodiment with reference to the accompanying figures. Showing:
[0025] Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erregung einesFig. 1 is a schematic representation of the excitation of a
Synchrongenerators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; undSynchronous generator according to an embodiment of the invention; and
[0026] Fig. 2 in einer schematischen, teilweise weg geschnittenen Teilansicht den Ständer der Erregermaschine in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung.Fig. 2 is a schematic, partially cut away partial view of the stator of the exciter in an embodiment according to the invention.
Weg(e) zur Ausführung der ErfindungWay (s) for carrying out the invention
[0027] In den Figuren ist in stark vereinfachter und schematisierter Form einIn the figures is in a greatly simplified and schematic form a
Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Erregermaschine eines Synchrongenerators gezeigt. Die Darstellungen erheben dabei keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit, beschränken sich auf reine Prinzipdarstellungen zur Erläuterung der wesentlichen Komponenten und Bestandteile des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.Embodiment of an inventive exciter of a synchronous generator shown. The representations make no claim to completeness, are limited to pure schematic representations to explain the essential components and components of the embodiment according to the invention.
[0028] In Fig. 1 ist in einem elektrischen Schaltdiagramm ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Erregermaschine nebst Ansteuerung und nachgeschalteter Gleichrichtung sowie dem zu erregenden Synchrongenerator dargestellt. Ein Erregersteller 1 ist mit einer Netzversorgung 2 verbunden. Der Erregersteller 1 enthält einen Gleichrichter 3 zum Erzeugen einer Gleichspannung aus der von der Netzversorgung 2 zur Verfügung gestellten Wechselspannung. Der Gleichrichter 3 wird durch ein Steuergerät 4 angesteuert, welches dem Gleichrichter bei 5 einen Sollwert vorgibt und bei 6 mit einem Istwert gespeist wird. Das Steuergerät 4 steuert darüber hinaus einen Netzschalter 7 an, mit dem die Netzversorgung 2 dem Gleichrichter zu- bzw. abgeschaltet werden kann.In Fig. 1, an embodiment of an exciter according to the invention together with control and downstream rectification and to be excited synchronous generator is shown in an electrical circuit diagram. An exciter actuator 1 is connected to a mains supply 2. The excitation controller 1 contains a rectifier 3 for generating a DC voltage from the AC voltage provided by the mains supply 2 available. The rectifier 3 is controlled by a control unit 4, which sets the rectifier at 5 a setpoint and is fed at 6 with an actual value. The controller 4 also controls a power switch 7, with which the power supply 2 to the rectifier can be switched on or off.
[0029] Von dem Erregersteller 1 kann die über den Gleichrichter 3 gleichgerichtete Spannung auf die Erregerspulen 8 des Ständers der Erregermaschine gegeben werden. Mit den Erregerspulen 8 wird ein Magnetfeld zur Erregung des Läufers 9 der Erregermaschine erzeugt. Die Erregerspulen 8 und der Läufer 9 bilden insoweit ein erstes Modul der Erregermaschine, welches ein fremd erregtes Modul ist.From the exciter actuator 1, the rectified rectifier 3 voltage can be applied to the excitation coils 8 of the stator of the exciter. With the excitation coils 8, a magnetic field for excitation of the rotor 9 of the exciter machine is generated. The excitation coils 8 and the rotor 9 thus constitute a first module of the exciter, which is a foreign excited module.
[0030] Zusätzlich sind in dem Ständer bzw. Stator der Erregermaschine in Bezug PatXML 9/-13In addition, in the stator or stator of the exciter machine with respect PatXML 9 / -13
auf den Läufer 9 in geeigneter Anordnung Permanentmagneten 10 angeordnet, die zusammen mit dem Läufer 9 ein zweites Erregermodul bilden, das eigen erregt ist.arranged on the rotor 9 in a suitable arrangement of permanent magnets 10, which together with the rotor 9 form a second excitation module, which is self-excited.
[0031] Dem Läufer 9 der Erregermaschine nachgeschaltet ist eine aus Dioden 11 gebildete Gleichrichterbrücke 12, deren Ausgang auf die auf dem Läufer des Synchrongenerators angeordneten Erregerspulen 13 gelegt ist. Diesem gegenüber liegt als Ständer 14 die eigentliche Erzeugereinheit des Synchrongenerators. Ferner ist in den Kreis zwischen der Gleichrichterbrücke 12 und der Erregerspule 13 noch ein Überspannungsabieiter 15 zwischengeschaltet.Downstream of the rotor 9 of the exciter machine is a rectifier bridge 12 formed from diodes 11, the output of which is connected to the exciter coils 13 arranged on the rotor of the synchronous generator. Opposite this, the stator 14 is the actual generator unit of the synchronous generator. Further, in the circuit between the rectifier bridge 12 and the exciter coil 13 is still a surge arrester 15 interposed.
[0032] Mit einer gestrichelten Linie ist schließlich angedeutet, welche der gezeigten Elemente sich auf der rotierenden Welle 16 des Systems befinden.With a dashed line is finally indicated which of the elements shown are located on the rotating shaft 16 of the system.
[0033] Im Betrieb wird der aus den rotierenden Erregerspulen 13 und demIn operation, from the rotating excitation coils 13 and the
Ständer 14 gebildete Synchrongenerator mittels von der Erregermaschine erzeugtem Erregerstrom erregt. Der mit der Gleichrichterbrücke 12 gleichgerichtete, von dem Läufer 9 der Erregermaschine abgegriffene Strom wird den Erregerspulen 13 des Synchrongenerators zugeführt. Dort wird mittels des Gleichstroms ein Magnetfeld erzeugt, das durch die Bewegung des Läufers und der darin angeordneten Erregerspulen 13 relativ zu dem Ständer 14 dort einen Wechselstrom in den Spulen erzeugt. Die Erregung der Erregermaschine kann nun wahlweise über eines der Module, über das fremd erregte oder über das eigen erregte Modul, erfolgen (eine Erregung über das eigen erregte Modul findet dabei in der hier gezeigten Ausführungsvariante stets statt). So kann ohne externe Versorgung 2 nur das durch die Permanentmagnete 10 und den Läufer 9 gebildete eigen erregte Modul genutzt werden, um die Erregerspannung für die Erregerspulen 13 des Synchrongenerators zu generieren.Stand 14 formed synchronous generator excited by means of excitation current generated by the exciter. The rectified with the rectifier bridge 12, tapped by the rotor 9 of the exciter current is supplied to the exciting coils 13 of the synchronous generator. There, a magnetic field is generated by means of the direct current, which generates an alternating current in the coils there by the movement of the rotor and the exciter coils 13 arranged therein relative to the stator 14. The excitation of the exciter machine can now either via one of the modules, via the externally excited or via the self-excited module, take place (an excitation on the self-excited module always takes place in the embodiment shown here). Thus, without external supply 2 only the self-excited module formed by the permanent magnets 10 and the rotor 9 can be used to generate the excitation voltage for the excitation coils 13 of the synchronous generator.
[0034] Alternativ kann unter Einschaltung der Netzversorgung 2 auch das fremd erregte Modul, gebildet durch die Erregerspulen 8 und den Läufer 9 Verwendung finden.Alternatively, with the involvement of the power supply 2 and the externally excited module, formed by the excitation coils 8 and 9 find the runner use.
[0035] Wird das erfindungsgemäße System insbesondere in einerIf the system according to the invention in particular in a
Windenergieanlage eingesetzt, so ist die rotierende Welle 16 mit dem PatXML 1 O/13Wind turbine used, so is the rotating shaft 16 with the PatXML 1 O / 13
Rotor der Windenergieanlage verbunden und wird von diesem angetrieben. Die Netzversorgung 2 kann entweder eine aus dem Stromnetz, an welches die Windenergieanlage angeschlossen ist, stammende Netzversorgung sein, oder aber bei bereits laufendem Synchrongenerator von der Ausgabespannung des Synchrongenerators abgezweigt sein.Rotor of the wind turbine connected and is driven by this. The mains supply 2 can either be a mains supply originating from the power grid to which the wind energy plant is connected, or else be branched off from the output voltage of the synchronous generator when the synchronous generator is already running.
[0036] Im normalen Betrieb wird die Erregermaschine überwiegend mit dem fremd erregten Modul betrieben werden, also hauptsächlich durch Zusammenwirken der Erregerspulen 8 mit dem Läufer 9 bzw. den darauf angeordneten Wicklungen. Insbesondere aber im Falle eines Kaltstartes, z.B. nach einem Netzausfall, kann zum ersten Anfahren der Windenergieanlage auf das eigen erregte Modul der Erregermaschine zurückgegriffen werden, also auf die Kombination aus Permanentmagneten 10 und Läufer 9, ohne dass die Erregerspulen 8 mit der Netzversorgung 2 beaufschlagt werden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass für einen Kaltstart der Windenergieanlage keine elektrische Energie aus dem angeschlossenen Netz entnommen und kostspielig eingekauft werden muss.In normal operation, the exciter machine will be operated mainly with the externally excited module, ie mainly by interaction of the excitation coils 8 with the rotor 9 and the windings arranged thereon. In particular, however, in the case of a cold start, e.g. After a power failure, can be used for the first startup of the wind turbine on the self-excited module of the exciter, so the combination of permanent magnet 10 and rotor 9, without the excitation coils 8 are supplied with the power supply 2. This has the particular advantage that for a cold start of the wind turbine no electrical energy has to be removed from the connected network and must be purchased costly.
[0037] In Fig. 2 ist in einer schematischen Darstellung ein Ausschnitt des Ständers 17 der erfindungsgemäß zwei Module enthaltenden Erregermaschine nach der Erfindung gezeigt. In dieser Ausgestaltungsvariante sind die Erregerspulen 8 um entsprechende Anker 18, die als Magnetfeld verstärkender Kern der Spulen dienen, gewickelt. In einem Bereich 19 sind die seitlichen Windungen der Spulen 8 weggeschnitten, und die Kerne 18 sind teilgeschnitten dargestellt. Hier ist gut zu erkennen, dass in den Kernen 18 die Permanentmagneten 10 eingelassen sind. Die Permanentmagneten 10 sind dabei abwechselnd mit dem Nord- bzw. dem Südpol der inneren Oberfläche des ringförmigen Ständers 17 zugewandt, um in üblicher weise ein alternierendes Magnetfeld in dem Ständer für die Erregung des Läufers 9 zu erzeugen. Die Spulen 8 sind so verschaltet, dass sie ein entsprechendes Magnetfeld wie der Permanentmagnet 10 zum zugehörigen Anker 18 erzeugen.In Fig. 2 is a section of the stator 17 of the present invention containing two modules exciter machine according to the invention is shown in a schematic representation. In this embodiment variant, the exciter coils 8 are wound around corresponding armatures 18, which serve as magnetic field reinforcing core of the coils. In a region 19, the lateral turns of the coils 8 are cut away, and the cores 18 are shown partially cut. Here it is easy to see that in the cores 18, the permanent magnets 10 are embedded. The permanent magnets 10 are alternately facing the north and the south pole of the inner surface of the annular stator 17 to generate in the usual way an alternating magnetic field in the stator for the excitation of the rotor 9. The coils 8 are connected so that they generate a corresponding magnetic field as the permanent magnet 10 to the associated armature 18.
[0038] Aus der Darstellung in Fig. 2 ist noch einmal deutlich zu erkennen, dass PatXML 11/13From the illustration in Fig. 2 is again clearly seen that PatXML 11/13
die Erregermaschine in diesem Ausführungsbeispiel eine Art Hybridmaschine ist, bei der beide Module, das durch die Permanentmagnete 10 und den Läufer 9 gebildete eigen erregte Modul wie auch das durch die Erregerspulen 8 und den Läufer 9 gebildete fremd erregte Modul mit einem Ständer und einem Läufer realisiert sind. Natürlich ist es im Rahmen der Erfindung aber ebenso möglich, die Module zu trennen, hierfür ggf. zwei eigenständige Ständer und zwei eigenständige Läufer vorzusehen.the exciter machine in this embodiment is a kind of hybrid machine in which both modules, the self-excited module formed by the permanent magnets 10 and the rotor 9 as well as the externally excited module formed by the exciting coils 8 and the rotor 9 realized with a stator and a rotor are. Of course, it is within the scope of the invention, however, also possible to separate the modules, if necessary to provide two independent stand and two independent runners.
[0039] Bezugszeichenliste[0039] List of Reference Numerals
[0040] 1 Erregersteller[0040] 1 exciter plate
[0041] 2 Netzversorgung2 mains supply
[0042] 3 Gleichrichter3 rectifier
[0043] 4 Steuergerät4 control unit
[0044] 5 Sollwert5 setpoint
[0045] 6 Istwert6 Actual value
[0046] 7 Netzschalter7 power switch
[0047] 8 Erregerspule[0047] 8 exciting coil
[0048] 9 Läufer9 runners
[0049] 10 Permanentmagnet10 permanent magnet
[0050] 11 Diode11 diode
[0051] 12 Gleichrichterbrücke12 rectifier bridge
[0052] 13 Erregerspule[0052] 13 exciter coil
[0053] 14 Ständer14 stands
[0054] 15 Überspannungsabieiter15 surge arrester
[0055] 16 rotierende Welle16 rotating shaft
[0056] 17 Ständer17 stands
[0057] 18 Anker18 anchors
[0058] 19 Bereich 19 area

Claims

PatXML 12/13Ansprüche PatXML 12/13 claims
1. Erregermaschine für einen Synchrongenerator (13, 14), dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens zwei Erregermodule (10, 9; 8, 9) enthält, von denen ein erstes (10, 9) ein eigen erregtes und ein zweites (8, 9) ein fremd erregtes Modul ist.1. excitation machine for a synchronous generator (13, 14), characterized in that it comprises at least two excitation modules (10, 9, 8, 9), of which a first (10, 9) a self-excited and a second (8, 9 ) is a foreign excited module.
2. Erregermaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Steuerung (4) enthält und dass angesteuert von der Steuerung (4) das zum Erregen des Synchrongenerators (13, 14) genutzte Erregermodul (10, 9; 8, 9) wählbar und entsprechend verschaltbar ist.2. Exciter according to claim 1, characterized in that it contains a controller (4) and that controlled by the controller (4) for energizing the synchronous generator (13, 14) used exciter module (10, 9; 8, 9) selectable and is interconnected accordingly.
3. Erregermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen auf einer gemeinsamen Welle (16) mit dem Läufer des Synchrongenerators (13, 14) montierten Läufer (9) mit Ankern und um den Anker angeordneten Leistungswicklungen, einen Stator (17) mit mehreren umfangsseitig verteilten, jeweils um einen Kern (18) gewickelten Erregerspulen (8) und umfangsseitig verteilten Permanentmagneten (10) sowie eine auf der Welle (16) angeordnete, den Leistungswicklungen nachgeschaltete Gleichrichterschaltung (12) aufweist.3. Exciter according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a on a common shaft (16) with the rotor of the synchronous generator (13, 14) mounted rotor (9) with anchors and arranged around the armature power windings, a stator (17 Having a plurality of circumferentially distributed, each wound around a core (18) excitation coils (8) and circumferentially distributed permanent magnet (10) and arranged on the shaft (16), the power windings downstream rectifier circuit (12).
4. Erregermaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (10) auf dem Stator (17) im Bereich der Kerne (18) der Erregerspulen (8) angeordnet sind.4. Excitation machine according to claim 3, characterized in that the permanent magnets (10) on the stator (17) in the region of the cores (18) of the excitation coils (8) are arranged.
5. Erregermaschine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichterschaltung (12) eine Diodenschaltung ist, vorzugsweise eine Diodenbrücke.5. Excitation machine according to one of claims 3 or 4, characterized in that the rectifier circuit (12) is a diode circuit, preferably a diode bridge.
6. Verfahren zum Betreiben eines an einen Rotor angeschlossenen Synchrongenerators einer Windenergieanlage, dadurch gekennzeichnet, dass dieser wahlweise mittels eines fremd erregten und/oder mittels eines eigen erregten Erregermoduls einer Erregermaschine erregt wird.6. A method for operating a rotor connected to a synchronous generator of a wind turbine, characterized in that this is selectively energized by means of a foreign excited and / or by means of a self-excited exciter module of an exciter machine.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Anlaufen des Synchrongenerators bei einem Start der Windenergieanlage das eigen erregte Erregermodul den Synchrongenerator erregt.7. The method according to claim 6, characterized in that for starting the synchronous generator at a start of the wind turbine, the self-excited exciter module energized the synchronous generator.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für geringe Drehzahlen des Rotors der Synchrongenerator über das fremd erregte Erregermodul erregt und über die Erregungsspannung die Ausgangsspannung PatXML 13/1 3 8. The method according to claim 6, characterized in that excited for low rotational speeds of the rotor of the synchronous generator via the externally excited exciter module and the excitation voltage, the output voltage PatXML 13/1 3
des Synchrongenerators für eine Eigenversorgung der Systeme der Windenergieanlage geregelt wird.the synchronous generator is regulated for self-supply of the systems of the wind turbine.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Netzbetrieb, in dem die Windenergieanlage elektrische Energie in ein angeschlossenes Netz einspeist, das fremd erregte Erregermodul den Synchrongenerator erregt.9. The method according to claim 6, characterized in that energized in grid operation, in which the wind turbine feeds electrical energy into a connected network, the externally excited exciter module the synchronous generator.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das fremd erregte Erregermodul so gesteuert wird, dass es die von dem eigen erregten Erregermodul herrührende Erregungsspannung neutralisiert und die Ausgangsspannung des Synchrongenerators auf Null hält.10. The method according to claim 6, characterized in that the externally excited excitation module is controlled so that it neutralizes the excitation voltage resulting from the self-excited excitation module and keeps the output voltage of the synchronous generator to zero.
11. Windenergieanlage mit einem windangetriebenen Rotor und einem über einen Antriebsstrang an diesem angeschlossenen Synchrongenerator (13, 14), dadurch gekennzeichnet, dass sie zum Erregen des Synchrongenerators (13, 14) eine Erregermaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist. 11. Wind energy plant with a wind-driven rotor and a drive train to this connected synchronous generator (13, 14), characterized in that it comprises for exciting the synchronous generator (13, 14) an exciter machine according to one of claims 1 to 5.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2722652A (en) * 1950-04-27 1955-11-01 Keefe & Merritt Company O Excitation system for electrical machines
US3010040A (en) * 1958-02-24 1961-11-21 Westinghouse Electric Corp Starting excitation system for dynamoelectric machines
GB1361273A (en) * 1972-10-06 1974-07-24 Brush Electrical Eng Co Ltd Excitation of brushless alternators
WO1988004883A2 (en) * 1986-12-30 1988-07-14 Sundstrand Corporation Generator system with integral permanent magnet generator exciter
DE102005050486A1 (en) * 2005-10-21 2007-05-03 General Electric Co. Rotational energy transformation device for wind power plant, has control unit, which interprets deviation of angular phase shift from nominal phase shift as error in exciter, where generator is disconnected based on interpretation result

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3908161A (en) 1974-02-07 1975-09-23 Gen Electric Field excitation system for synchronous machines utilizing a rotating transformer brushless exciter generating combination

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2722652A (en) * 1950-04-27 1955-11-01 Keefe & Merritt Company O Excitation system for electrical machines
US3010040A (en) * 1958-02-24 1961-11-21 Westinghouse Electric Corp Starting excitation system for dynamoelectric machines
GB1361273A (en) * 1972-10-06 1974-07-24 Brush Electrical Eng Co Ltd Excitation of brushless alternators
WO1988004883A2 (en) * 1986-12-30 1988-07-14 Sundstrand Corporation Generator system with integral permanent magnet generator exciter
DE102005050486A1 (en) * 2005-10-21 2007-05-03 General Electric Co. Rotational energy transformation device for wind power plant, has control unit, which interprets deviation of angular phase shift from nominal phase shift as error in exciter, where generator is disconnected based on interpretation result

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