AT508051A1 - ENERGY EQUIPMENT, IN PARTICULAR WIND POWER PLANT - Google Patents

Description

·· ·· ···· · ···· · ·········· ····· · · · ···· ··· · ······ · t · • » · » ·· ··· · ··· 1········ · ····· ····················································································· " · " ·· ··· · ··· 1

Die Erfindung betrifft eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Antriebswelle, einem Generator und mit einem Differenzialgetriebe mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit einem Generator und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen oder hydrostatischen Differenzial-Antrieb verbunden ist.The invention relates to an energy production plant, in particular wind turbine, with a drive shaft, a generator and a differential gear with three inputs or outputs, wherein a first drive with the drive shaft, an output with a generator and a second drive with an electric or hydrostatic differential Drive is connected.

Windkraftwerke gewinnen zunehmend an Bedeutung als Elektrizitätserzeugungsanlagen. Dadurch erhöht sich kontinuierlich der prozentuale Anteil der Stromerzeugung durch Wind.Wind power plants are becoming increasingly important as electricity generation plants. As a result, the percentage of electricity generated by wind is continuously increasing.

Dies wiederum bedingt einerseits neue Standards bezüglich Stromqualität und andererseits einen Trend zu noch größeren Windkraftanlagen. Gleichzeitig ist ein Trend Richtung Off-shore-Windkraftanlagen erkennbar, welcher Anlagengrößen von zumindest 5MW installierter Leistung fordert. Durch die hohen Kosten für Infrastruktur und Wartung bzw. Instandhaltung der Windkraftanlagen im Offshore-Bereich gewinnen hier sowohl Wirkungsgrad als auch Herstellkosten der Anlagen, mit dem damit zusammenhängenden Einsatz von Mittelspannungs-Synchrongeneratoren, eine besondere Bedeutung.This, in turn, requires new standards of power quality on the one hand and a trend towards even larger wind turbines on the other. At the same time, there is a trend towards offshore wind turbines, which require system sizes of at least 5 MW of installed capacity. Due to the high costs for infrastructure and maintenance of wind turbines in the offshore sector, both the efficiency and the manufacturing costs of the plants, with the associated use of medium-voltage synchronous generators, are of particular importance here.

Die W02004/109157 A1 zeigt ein komplexes, hydrostatisches „Mehrwege“-Konzept mit mehreren parallelen Differenzialstufen und mehreren schaltbaren Kupplungen, wodurch zwischen den einzelnen Wegen geschaltet werden kann. Mit der gezeigten technischen Lösung können die Leistung und somit die Verluste der Hydrostatik reduziert werden. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch der komplizierte Aufbau der gesamten Einheit. Darüber hinaus stellt die Schaltung zwischen den einzelnen Stufen ein Problem bei der Regelung der Windkraftanlage dar. EP 1283359 A1 zeigt ein 1-stufiges und ein mehrstufiges Differenzialgetriebe mit elektrischem Differenzial-Antrieb, wobei die 1-stufige Version eine um die Eingangswelle koaxial positionierte Sonder-Drehstrommaschine mit hoher Nenndrehzahl aufweist, welche aufgrund der Bauform ein extrem hohes auf die Rotorwelle bezogenes Massenträgheitsmoment hat. Alternativ wird ein mehrstufiges Differenzialgetriebe mit schnelllaufender Standard-Drehstrommaschine vorgeschlagen, welche parallel zur Eingangswelle des Differenzialgetriebes ausgerichtet ist.The W02004 / 109157 A1 shows a complex, hydrostatic "multi-way" concept with multiple parallel differential stages and multiple switchable couplings, which can be switched between the individual paths. With the shown technical solution the power and thus the losses of the hydrostatics can be reduced. A major disadvantage, however, is the complicated structure of the entire unit. Moreover, the circuit between the individual stages poses a problem in the regulation of the wind turbine. EP 1283359 A1 shows a 1-stage and a multi-stage differential gearbox with electric differential drive, wherein the 1-stage version has a special coaxially positioned around the input shaft. Has three-phase machine with high rated speed, which has an extremely high based on the rotor shaft mass moment of inertia due to the design. Alternatively, a multi-stage differential gear is proposed with high-speed standard three-phase machine, which is aligned parallel to the input shaft of the differential gear.

Diese technischen Lösungen erlauben zwar den direkten Anschluss von Mittelspannungs-Synchrongeneratoren ans Netz (d.h. ohne Einsatz von Frequenzumrichtern), die Nachteile bekannter Ausführungen sind jedoch einerseits hohe Verluste im Differenzial-Antrieb bzw. andererseits bei Konzepten die dieses Problem lösen, komplexe Mechanik bzw. Sonder-Elektromaschinenbau und damit hohe Kosten. Generell ist festzustellen, dass kostenrelevante Kriterien, wie z.B. optimale Regelung und Größe des Differenzial-Antriebes, nicht ausreichend berücksichtigt wurden.Although these technical solutions allow the direct connection of medium-voltage synchronous generators to the grid (ie without the use of frequency converters), the disadvantages of known designs, on the one hand, are high losses in the differential drive or, on the other hand, in concepts that solve this problem, complex mechanics or special -Electromaschinenbau and thus high costs. In general, it should be noted that cost-relevant criteria, such as optimal control and size of the differential drive, were not sufficiently considered.

Aufgabe der Erfindung ist oben genannte Nachteile weitgehend zu vermeiden und eine Energiegewinnungsanlage zur Verfügung zu stellen, welche neben geringstmöglichen KostenThe object of the invention is to avoid the above-mentioned drawbacks to a large extent and to provide an energy production plant which has the lowest possible costs

• · · · · • · · · · • · ♦ · · • · # ♦ · · ·· ·· ·· 2 auch minimale Baugröße des Differenzial-Antriebes gewährleistet.The minimum size of the differential drive is guaranteed.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass eine Kennlinie der Rotor-Leistung für den Nennlastbereich eine Steigung mit der Rotor-Drehzahl aufweist, wobei sich der Wert für die Steigung der Kennlinie aus der prozentualen Steigung der Rotor-Leistung zwischen Rotor-Nenndrehzahl und maximaler Rotor-Drehzahl eines Regelungs-Drehzahlbereiches errechnet.This object is achieved according to the invention characterized in that a characteristic of the rotor power for the rated load range has a slope with the rotor speed, wherein the value for the slope of the characteristic curve of the percentage slope of the rotor power between rotor nominal speed and maximum rotor Speed of a control speed range calculated.

Dadurch ist eine sehr kompakte und effiziente Bauweise der Anlage möglich, mit der darüber hinaus auch die regelungstechnischen Aspekte für die Energieerzeugungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, optimal gelöst werden.As a result, a very compact and efficient design of the system is possible with the beyond also the control engineering aspects for the power generation plant, especially wind turbine, are optimally solved.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.Preferred embodiments of the invention are the subject of the remaining subclaims.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen detailliert beschrieben.Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

Fig. 1 zeigt für eine 5MW Windkraftanlage gemäß Stand der Technik die Leistungskurve, die Rotordrehzahl und die sich dadurch ergebenden Kennwerte wie Schnelllaufzahl und den Leistungsbeiwert,1 shows, for a 5MW wind turbine according to the prior art, the power curve, the rotor speed and the resulting characteristic values such as high-speed number and the power coefficient,

Fig. 2 zeigt das Prinzip eines Differenzialgetriebes mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb gemäß Stand der Technik,2 shows the principle of a differential gear with an electric differential drive according to the prior art,

Fig. 3 zeigt das Prinzip eines hydrostatischen Differenzial-Antriebes mit Pumpen/Motor-Kombination gemäß Stand der Technik,3 shows the principle of a hydrostatic differential drive with pump / motor combination according to the prior art,

Fig. 4 zeigt die Drehzahlverhältnisse am Rotor der Windkraftanlage und die sich dadurch ergebenden maximalen Eingangs-Drehmomente Mmax für den Differenzial-Antrieb,4 shows the speed ratios on the rotor of the wind turbine and the resulting maximum input torques Mmax for the differential drive,

Fig. 5 zeigt beispielhaft gemäß Stand der Technik die Drehzahl- und Leistungsverhältnisse eines elektrischen Differenzial-Antriebes über der Windgeschwindigkeit,5 shows by way of example according to the prior art the speed and power ratios of an electric differential drive over the wind speed,

Fig. 6 zeigt die Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie eines Differenzial-Antriebes im Teillastbereich und im Nennlastbereich für zwei verschiedene Betriebsarten,6 shows the torque / speed characteristic of a differential drive in the partial load range and in the nominal load range for two different operating modes,

Fig. 7 zeigt das maximal erlaubte Massenträgheitsmoment des Differenzial-Antriebes für einen Applikationsfaktor von fA = 0,2, und den Vergleich des typischen Verhältnisses von Massenträgheitsmoment zu Nennmoment von hochdynamischen Servoantrieben gemäß Stand der Technik bzw. Differenzial-Antrieben gemäß vorliegender Erfindung, ·· ·· ···· · ···· ·······*· • · · · · 9 · • · · · · · · ···♦·· · 9 • 9 99 99 999 9 9 37 shows the maximum permissible moment of inertia of the differential drive for an application factor of fA = 0.2, and the comparison of the typical ratio of mass moment of inertia to rated torque of highly dynamic servo drives according to the prior art or differential drives according to the present invention. ························································································································································································································

Fig. 8 zeigt den Einfluss des Massenträgheitsmomentes des Differenzial-Antriebes und der Steigung der Drehmomentkennlinie auf das Regelungsverhalten der Windkraftanlage,8 shows the influence of the mass moment of inertia of the differential drive and the slope of the torque characteristic on the control behavior of the wind turbine,

Fig. 9 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante einer Differenzialstufe im Zusammenhang mit vorliegender Erfindung,9 shows a possible variant of a differential stage in connection with the present invention,

Fig. 10 zeigt eine erfindungsgemäße Variante einer Differenzialstufe mit Stufenplanet.10 shows a variant according to the invention of a differential stage with stepped planet.

Die Leistung des Rotors einer Windkraftanlage errechnet sich aus der FormelThe power of the rotor of a wind turbine is calculated from the formula

Rotor-Leistung = Rotorfläche * Leistungsbeiwert * Windgeschwindigkeit3 * Luftdichte / 2 wobei der Leistungsbeiwert abhängig von der Schnelllaufzahl (= Verhältnis Blattspitzen-Geschwindigkeit zu Windgeschwindigkeit) des Rotors der Windkraftanlage ist. Der Rotor einer Windkraftanlage ist für einen optimalen Leistungsbeiwert basierend auf einer im Zuge der Entwicklung festzulegenden Schnelllaufzahl (meist ein Wert zw. 7 und 9) ausgelegt. Aus diesem Grund ist beim Betrieb der Windkraftanlage im Teillastbereich eine entsprechend kleine Drehzahl einzustellen, um einen optimalen aerodynamischen Wirkungsgrad zu gewährleisten.Rotor power = Rotor area * Power coefficient * Wind speed3 * Air density / 2 where the power coefficient depends on the speed of rotation (= blade tip speed to wind speed ratio) of the rotor of the wind turbine. The rotor of a wind turbine is designed for an optimal power coefficient based on a fast running speed to be determined in the course of the development (usually a value between 7 and 9). For this reason, when operating the wind turbine in the partial load range, a correspondingly low speed must be set in order to ensure optimum aerodynamic efficiency.

Fig. 1 zeigt die Verhältnisse für Rotorleistung, Rotordrehzahl, Schnelllaufzahl und Leistungsbeiwert für einen vorgegebenen maximalen Drehzahlbereich des Rotors bzw. einer optimalen Schnelllaufzahl von 8,0~8,5. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass sobald die Schnelllaufzahl von ihrem optimalen Wert von 8,0~8,5 abweicht, der Leistungsbeiwert sinkt, und sich damit gemäß oben genannter Formel die Rotorleistung entsprechend der aerodynamischen Charakteristik des Rotors reduziert.Fig. 1 shows the ratios for rotor power, rotor speed, high-speed number and power coefficient for a given maximum speed range of the rotor and an optimal speed index of 8.0 ~ 8.5. From the graph, it can be seen that as soon as the high-speed number deviates from its optimum value of 8.0~8.5, the power coefficient decreases, and thus according to the above-mentioned formula, the rotor power is reduced according to the aerodynamic characteristic of the rotor.

Fig. 2 zeigt ein mögliches Prinzip eines Differenzialsystems für eine Windkraftanlage bestehend aus Differenzialstufe 3 bzw. 11 bis 13, einer Anpassungs-Getriebestufe 4 und einem elektrischen Differenzial-Antrieb 6. Der Rotor 1 der Windkraftanlage, der auf der Antriebswelle für das Hauptgetriebe 2 sitzt, treibt das Hauptgetriebe 2 an. Das Hauptgetriebe 2 ist ein 3-stufiges Getriebe mit zwei Planetenstufen und einer Stimradstufe. Zwischen Hauptgetriebe 2 und Generator 8 befindet sich die Differenzialstufe 3, welche vom Hauptgetriebe 2 über Planetenträger 12 der Differenzialstufe 3 angetrieben wird. Der Generator 8 - vorzugsweise ein fremderregter Synchrongenerator, der bei Bedarf auch eine Nennspannung größer 20kV haben kann - ist mit dem Hohlrad 13 der Differenzialstufe 3 verbunden und wird von diesem angetrieben. Das Ritzel 11 der Differenzialstufe 3 ist mit dem Differenzial-Antrieb 6 verbunden.Fig. 2 shows a possible principle of a differential system for a wind turbine consisting of differential stage 3 or 11 to 13, a matching gear stage 4 and an electric differential drive 6. The rotor 1 of the wind turbine, which sits on the drive shaft for the main transmission 2 , the main gearbox 2 drives. The main transmission 2 is a 3-stage transmission with two planetary stages and a Stimradstufe. Between main gear 2 and generator 8 is the differential stage 3, which is driven by the main gear 2 via planet carrier 12 of the differential stage 3. The generator 8 - preferably a third-excited synchronous generator, which may also have a rated voltage greater than 20 kV if necessary - is connected to the ring gear 13 of the differential stage 3 and is driven by this. The pinion 11 of the differential stage 3 is connected to the differential drive 6.

Die Drehzahl des Differenzial-Antriebes 6 wird geregelt um einerseits bei variabler Drehzahl des Rotors 1 eine konstante Drehzahl des Generators 8 zu gewährleisten und andererseits das Drehmoment im kompletten Triebstrang der Windkraftanlage zu regeln. Um die Eingangs-The speed of the differential drive 6 is controlled to one hand at a variable speed of the rotor 1 to ensure a constant speed of the generator 8 and on the other hand to regulate the torque in the complete drive train of the wind turbine. In order to

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·· ·· ···· • · · · · • · · I · • · · · • · · · · · ·· ·· ·· 4 drehzahl für den Differenzial-Antrieb 6 zu erhöhen wird im gezeigten Fall ein 2-stufiges Differenzialgetriebe gewählt, welches eine Anpassungs-Getriebestufe 4 in Form einer Stimrad-stufe zwischen Differenzialstufe 3 und Differenzial-Antrieb 6 vorsieht. Differenzialstufe 3 und Anpassungs-Getriebestufe 4 bilden somit das 2-stufige Differenzialgetriebe. Der Differenzial-Antrieb ist eine Drehstrommaschine, welche über Frequenzumrichter 7 und Transformator 5 ans Netz angeschlossen wird. Alternativ kann der Differenzial-Antrieb, wie in Fig. 3 gezeigt, auch als z.B. hydrostatische Pumpen/Motor-Kombination 9 ausgeführt werden. In diesem Fall ist die zweite Pumpe vorzugsweise über Anpassungs-Getriebestufe 10 mit der Antriebswelle des Generators 8 verbunden.······················································································································································································· 4 increase the speed for the differential drive 6, a 2 is shown in the case shown Selective differential gear selected, which provides an adjustment gear stage 4 in the form of a Stimrad stage between differential stage 3 and differential drive 6. Differential stage 3 and adaptation gear stage 4 thus form the 2-stage differential gear. The differential drive is a three-phase machine, which is connected to the network via frequency converter 7 and transformer 5. Alternatively, the differential drive as shown in Fig. 3 may also be used as e.g. Hydrostatic pumps / motor combination 9 are executed. In this case, the second pump is preferably connected via adaptation gear stage 10 to the drive shaft of the generator 8.

Die Drehzahlgleichung für das Differenzialgetriebe lautet:The speed equation for the differential gear is:

DrehzahlGenerator = x * DrehzahlRolor + y * Drehzah!D.ferenzial_Antrieb, wobei die Generatordrehzahl konstant ist, und sich die Faktoren x und y aus den gewählten Getriebeübersetzungen von Hauptgetriebe und Differenzialgetriebe ableiten lassen.SpeedGenerator = x * SpeedRolor + y * SpeedDeutral_drive, where the generator speed is constant, and factors x and y can be derived from the selected transmission ratios of the main and differential gears.

Das Drehmoment am Rotor wird durch das anstehende Windahgebot und den aerodynamischen Wirkungsgrad des Rotors bestimmt. Das Verhältnis zwischen dem Drehmoment an der Rotorwelle und dem am Differenzial-Antrieb ist konstant, wodurch sich das Drehmoment im Triebstrang durch den Differenzial-Antrieb regeln lässt. Die Drehmomentgleichung für den Differenzial-Antrieb lautet:The torque on the rotor is determined by the upcoming Windahgebot and the aerodynamic efficiency of the rotor. The ratio between the torque at the rotor shaft and that at the differential drive is constant, whereby the torque in the drive train can be controlled by the differential drive. The torque equation for the differential drive is:

DrehmomentDiffereraial.Antrieb = Drehmoment,*^ * y / x, «»»«««»»>—- -..........-..... wobei der Größenfaktor yIx ein Maß für das notwendige Auslegungs-Drehmoment des Differenzial-Antriebes ist.TorqueDifferential.drive = torque, * ^ * y / x, «» »« «« »» > --..................... where the magnitude factor yIx is a measure of the necessary design torque of the differential drive is.

Die Leistung des Differenzial-Antriebes ist im Wesentlichen proportional dem Produkt aus prozentueller Abweichung der Rotordrehzahl von dessen Grunddrehzahl mal Rotor-Leistung. Dementsprechend erfordert ein großer Drehzahlbereich grundsätzlich eine entsprechend große Dimensionierung des Differenzial-Antriebes. Bei elektrischen und hydrostatischen Differenzial-Antrieben mit einer Differenzialstufe ist die Grunddrehzahl jene Drehzahl des Rotors, bei der der Differenzial-Antrieb still steht, d.h. die Drehzahl gleich Null hat.The power of the differential drive is substantially proportional to the product of percent deviation of the rotor speed from its base speed times rotor power. Accordingly, a large speed range basically requires a correspondingly large dimensioning of the differential drive. In electric and hydrostatic differential drives with a differential stage, the base speed is that speed of the rotor at which the differential drive is at rest, i. the speed is zero.

Fig. 4 zeigt dies gemäß Stand der Technik beispielhaft für verschiedene Drehzahlbereiche. Der -/+Nenn-Drehzahlbereich des Rotors definiert dessen prozentuelle Drehzahlabweichung von der Grunddrehzahl des Rotors, der mit Nenndrehzahl des Differenzial-Antriebs (- ... motorisch bzw. + ... generatorisch) ohne Feldschwächung realisiert werden kann. Die Nenndrehzahl (n) des Differenzial-Antriebes definiert im Falle einer elektrischen Drehstrommaschine jene maximale Drehzahl, bei der diese dauerhaft das Nenndrehmoment (M n) bzw. die 5 • · · · · · • · · · · · ·4 shows this according to the prior art by way of example for different speed ranges. The - / + rated speed range of the rotor defines its percentage speed deviation from the basic speed of the rotor, which can be realized with rated speed of the differential drive (- ... motor or + ... regenerative) without field weakening. The rated speed (n) of the differential drive defined in the case of a rotary electric machine that maximum speed at which this permanently the rated torque (M n) or the 5 • · · · · · · · · · · · ·

Nennleistung (P„) erbringen kann.Rated power (P ") can provide.

Im Falle eines hydrostatischen Antriebes, wie z.B. einer hydraulischen Axialkolbenpumpe, ist die Nenndrehzahl des Differenzial-Antriebes jene Drehzahl, bei der dieser mit maximalem Drehmoment (Tmax) maximale Dauerleistung (P0max) liefern kann. Dabei bestimmen Nenndruck (pN) und Nenngröße (NG) bzw. Verdrängungsvolumen (V ginax) der Pumpe das maximale Drehmoment (Tmax).In the case of a hydrostatic drive, e.g. In the case of a hydraulic axial piston pump, the rated speed of the differential drive is the speed at which it can deliver maximum continuous power (P0max) at maximum torque (Tmax). The nominal pressure (pN) and nominal size (NG) or displacement volume (V ginax) of the pump determine the maximum torque (Tmax).

Im Nennleistungsbereich dreht der Rotor der Windkraftanlage mit der mittleren Drehzahl nrated zwischen den Grenzen nmax und nmj(wnaxP, im Teillastbereich zwischen nrated und nmin, in diesem Beispiel erzielbar mit einem Feldschwächebereich von 80%. Der Regelungs-Drehzahlbereich zwischen nmax und nmhwnaxP, welcher ohne Lastreduktion realisierbar ist, wird entsprechen groß gewählt, um Windböen ausregeln zu können. Die Größe dieses Drehzahlbereiches hängt von der Böigkeit des Windes bzw. der Massenträgheit des Rotors der Windkraftanlage und der Dynamik des sog. Pitch-Systems (Rotorblatt-Verstellsystem) ab, und liegt üblicherweise bei etwa -/+5%. Im gezeigten Beispiel wurde ein Regelungs-Drehzahlbereich von -/+6% gewählt um entsprechende Reserven für die Ausregelung von Extremböen mit Hilfe von Differenzial-Antrieben zu haben. Windkraftanlagen mit sehr trägen Pitch-Systemen können aber durchaus auch für größere Regelungs-Drehzahlbereiche ausgelegt werden. In diesem Regelungs-Drehzahlbereich muss die Windkraftanlage Nennleistung produzieren, was bedeutet, dass der Differenzial-Antrieb dabei mit maximalem Drehmoment belastet wird. Das heißt, dass der -/-t-Nenn-Drehzahlbereich des Rotors etwa gleich groß sein muss, da nur in diesem Bereich der Differenzial-Antrieb sein Nenndrehmoment leisten kann.In the rated power range, the rotor of the wind turbine rotates with the average speed nrated between the limits nmax and nmj (wnaxP, in the partial load range between nrated and nmin, in this example achievable with a field weakening range of 80% The size of this speed range depends on the gustiness of the wind or the inertia of the rotor of the wind turbine and the dynamics of the so-called pitch system (rotor blade adjustment system), and is usually about - / + 5% In the example shown, a control speed range of - / + 6% has been chosen to have adequate reserves for the control of extreme conditions by means of differential drives Wind turbines with very sluggish pitch systems can but also be designed for larger control speed ranges ngs speed range, the wind turbine must produce rated power, which means that the differential drive is loaded with maximum torque. This means that the - / - t rated speed range of the rotor must be about the same size, since only in this range, the differential drive can make its rated torque.

Da nun bei kleinen Rotor-Drehzahlbereichen die Grunddrehzahl über nmhwnaxP liegt, muss der Differenzial-Antrieb das Nenndrehmoment bei Drehzahl gleich Null erbringen können. Differenzial-Antriebe, sei es elektrisch oder auch hydraulisch, sind jedoch für Drehzahl gleich Null nur für das sogenannte Stillstandsmoment ausgelegt, welches deutlich unter dem Nennmoment liegt, was jedoch durch eine entsprechende Überdimensionierung bei der Auslegung kompensiert werden kann. Da jedoch das maximale Auslegungs-Drehmoment der dimensionierende Faktor für einen Differenzial-Antrieb ist, wirkt sich aus diesem Grund ein kleiner Drehzahlbereich nur beschränkt positiv auf die Größe des Differenzial-Antriebes aus. Dies erkennt man auch an der Kurve Mmax, welche das maximal zu erbringende Drehmoment des Differenzial-Antriebes in Abhängigkeit vom Nenn-Drehzahlbereich darstellt. Basis hierfür sind der Einsatz eines einstufigen Differenzialgetriebes mit einer angenommenen maximalen Standübersetzung von ioz = -6, konstante Leistungs-Regelung im Nennlastbereich und ein 4-poliger Synchrongenerator mit einer Synchrondrehzahl von 1500 min'1.Since the basic speed is higher than nmhwnaxP for small rotor speed ranges, the differential drive must be able to provide the rated torque at zero speed. Differential drives, whether electric or hydraulic, are designed for zero speed only for the so-called stall torque, which is well below the rated torque, but this can be compensated by a corresponding oversizing in the design. However, since the maximum design torque is the sizing factor for a differential drive, for this reason, a small speed range has only a limited positive effect on the size of the differential drive. This can also be seen on the curve Mmax, which represents the maximum torque to be produced by the differential drive as a function of the rated speed range. This is based on the use of a single-stage differential gearbox with an assumed maximum stand ratio of ioz = -6, constant power control in the rated load range and a 4-pole synchronous generator with a synchronous speed of 1500 min'1.

In Fig. 5 sieht man beispielhaft die Drehzahl- bzw. Leistungsverhältnisse für eine Differenzialstufe gemäß Stand der Technik. Die Drehzahl des Generators, vorzugsweise ein fremderregterFIG. 5 shows by way of example the speed or power ratios for a differential stage according to the prior art. The speed of the generator, preferably a foreign-excited

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Mittelspannungs-Synchrongenerator ist durch den Anschluss an das frequenzfeste Stromnetz konstant. Um den Differenzial-Antrieb entsprechend gut ausnutzen zu können, wird dieser Antrieb im Bereich kleiner der Grunddrehzahl motorisch und im Bereich größer der Grunddrehzahl generatorisch betrieben. Das führt dazu, dass im motorischen Bereich Leistung in die Differenzialstufe eingespeist wird und im generatorischen Bereich Leistung der Differenzialstufe entnommen wird. Diese Leistung wird im Falle eines elektrischen Differenzial-Antriebes vorzugsweise dem Netz entnommen bzw. in dieses eingespeist. Im Falle eines hydraulischen Differenzial-Antriebes wird die Leistung vorzugsweise der Generatonveile entnommen bzw. dieser zugeführt. Die Summe aus Generatorleistung und Leistung des Differenzial-Antriebes ergibt die für eine Windkraftanlage mit elektrischem Differenzial-Antrieb ins Netz abgegebene Gesamtleistung.Medium-voltage synchronous generator is constant by the connection to the frequency-stable power grid. In order to be able to make good use of the differential drive, this drive is operated as a motor in the range below the basic speed and as a generator in the range above the basic speed. As a result, power is fed into the differential stage in the motor area and power is taken from the differential stage in the generator area. In the case of an electric differential drive, this power is preferably taken from the network or fed into it. In the case of a hydraulic differential drive, the power is preferably taken from the Generatonveile or supplied to this. The sum of generator power and power of the differential drive gives the output for a wind turbine with electric differential drive into the network overall performance.

Ein wesentlicher Vorteil für elektrische und hydrostatische Differenzial-Antriebe ist die freie Einstellbarkeit von Drehmoment und/oder Drehzahl. Damit kann man z.B. mittels programmierbarer Steuerung verschiedene Regelungsmethoden implementieren bzw. diese gegebenenfalls auch während des Betriebes der Anlage an wechselnde Umgebungs- oder Betriebsbedingungen anpassen.A major advantage for electric and hydrostatic differential drives is the free adjustability of torque and / or speed. This can be used e.g. implement various control methods by means of programmable control or, if appropriate, adapt these to changing ambient or operating conditions during operation of the system.

Fig. 6 zeigt die Kennlinie für das Rotor-Drehmoment abhängig von der Rotor-Drehzahl für eine Windkraftanlage mit Differenzial-Antrieb mit -/+15% Nenn-Drehzahlbereich. Hier sind unterschiedliche Betriebsbereiche bzw. Betriebsarten dargestellt. Die punktierte Linie zeigt die Verhältnisse im Teillastbereich der Anlage. Die strichlierte Linie zeigt eine gemäß Stand der Technik typische Kennlinie für konstante Leistungs-Regelung im Nennlastbereich. Die dritte Linie zeigt erfindungsgemäß die Drehmomente bei sogenannter progressiver Drehmomentregelung. Hier wird für den Nennlastbereich eine Kennlinie mit einem mit der Rotor-Drehzahl ansteigenden Rotor-Drehmoment eingestellt, welche im gezeigten Beispiel eine Drehmomentsteigung von m = 5% hat. Der Wert für die Drehmomentsteigung (m) errechnet sich aus der prozentualen Steigung des Rotor-Drehmomentes zwischen Rotor-Nenndrehzahl und max. Rotor-Drehzahl des Regelungs-Drehzahlbereiches. Der Vollständigkeit halber sei hier erwähnt, dass auch jede andere beliebige Kennlinie für die Drehmomentsteigung eingestellt, bzw. diese im Betrieb an die Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Für Anwendungen mit einem Nenn-Drehzahlbereich größer -/+15% liefert bereits eine reduzierte Drehmomentsteigung von z.B. m = 3% gute Resultate, für Anwendungen mit einem sehr kleinen Nenn-Drehzahlbereich ist eine Drehmomentsteigung von m = 10% zu empfehlen.Fig. 6 shows the characteristic for the rotor torque depending on the rotor speed for a wind turbine with differential drive with - / + 15% rated speed range. Here, different operating areas or operating modes are shown. The dotted line shows the conditions in the partial load range of the system. The dashed line shows a typical state of the art characteristic for constant power control in the nominal load range. The third line shows inventively the torques in so-called progressive torque control. Here, a characteristic curve is set for the nominal load range with a rotor torque increasing with the rotor speed, which in the example shown has a torque gradient of m = 5%. The value for the torque increase (m) is calculated from the percentage slope of the rotor torque between rated rotor speed and max. Rotor speed of the control speed range. For the sake of completeness, it should be mentioned here that any other desired characteristic curve for the torque gradient can also be set, or it can be adapted during operation to the ambient and / or operating conditions. For applications with a rated speed range greater than / + 15%, a reduced torque slope of e.g. m = 3% good results, for applications with a very small rated speed range a torque increase of m = 10% is recommended.

Da für den Differenzial-Antrieb ein konstantes Verhältnis zwischen Rotor-Drehmoment und Drehmoment am Differenzial-Antrieb besteht, gelten für den Differenzial-Antrieb die gleichen Bedingungen wir für den Rotor. Auf den ersten Blick scheint es hier im Bezug auf das maximal notwendige Drehmoment keinen wesentlichen Unterschied zwischen den beiden Regelungsarten im Nennlastbereich zu geben. In Fig. 6 ist eine vertikale Linie bei 10,9 min"1 eingefügt,Since the differential drive has a constant ratio between rotor torque and torque at the differential drive, the differential conditions for the differential drive apply to the rotor. At first glance, there seems to be no significant difference between the two types of control in the nominal load range with respect to the maximum torque required. In Fig. 6, a vertical line is inserted at 10.9 min. &Quot; 1,

I ·· ·· ···· · ···· ···««···· • · » · · · · • · · · · · * · · · · · · ι ·· ·· ·· ··· · · 7 welche die Grunddrehzahl des Rotors markiert. Differenzial-Antriebe, sei es elektrisch oder auch hydraulisch, können jedoch wie schon weiter oben erwähnt bei Drehzahl gleich Null nur das Stillstandsmoment erzeugen, welches deutlich unter dem Nennmoment liegt. Um im Bereich einer Drehzahl gleich Null das Nennmoment leisten zu können muss daher der Differenzial-Antrieb um ca. 25% überdimensioniert werden. Dieser Wert verringert sich mit zunehmendem Abstand der Drehzahl des Differenzial-Antriebes von der Drehzahl gleich Null.I ······················································································································································································································· ··· · · 7 which marks the basic speed of the rotor. However, as already mentioned above, differential drives, whether electric or hydraulic, can only generate the standstill torque at zero speed, which is significantly below the rated torque. In order to be able to provide the rated torque in the range of a speed equal to zero, the differential drive must therefore be oversized by approx. 25%. This value decreases with increasing distance of the speed of the differential drive from the speed equal to zero.

Im gezeigten Fall gemäß Fig. 6 heißt das, dass das erforderliche Auslegungs-Drehmoment des Differenzial-Antriebes für die minimale Rotor-Drehzahl im Regelungs-Drehzahlbereich ca. 10% über dem erforderlichen Antriebs-Drehmoment liegen muss. Da jedoch im gezeigten Beispiel die Drehmomentsteigung über den gesamten Regelungs-Drehzahlbereich ebenfalls 10% (-/+5%) beträgt, ergibt sich für den Differenzial-Antrieb für beide Eckpunkte des Regelungs-Drehzahlbereiches das gleiche erforderliche Auslegungs-Drehmoment.In the case shown in FIG. 6, this means that the required design torque of the differential drive for the minimum rotor speed in the control speed range must be approximately 10% above the required drive torque. However, since in the example shown, the torque increase over the entire control speed range is also 10% (- / + 5%) results for the differential drive for both vertices of the control speed range, the same required design torque.

Hingegen liegt bei dem gezeigten Regelungs-Drehzahlbereich von -/+6% und bei Nennlast-Regelung mit konstanter Leistung das für den Differenzial-Antrieb erforderliche Auslegungs-Drehmoment um ca. 11% höher als bei progressiver Drehmomentregelung. Dies wiederum führt für den Differenzial-Antrieb zu höheren Kosten und größerem Massenträgheitsmoment mit einem wesentlichen Nachteil in Bezug auf erzielbare Regelungsdynamik.On the other hand, with the illustrated control speed range of - / + 6% and nominal load control with constant power, the design torque required for the differential drive is approximately 11% higher than with progressive torque control. This in turn leads to the differential drive to higher costs and greater moment of inertia with a significant disadvantage in terms of achievable control dynamics.

Der gezeigte Effekt verstärkt sich mit kleiner werdendem Nenn-Drehzahlbereich, mit einem maximalen Effekt für einen Nenn-Drehzahlbereich von ca. -/+12,5%. Für Nenn-Drehzahlberei-che größer -/+20% ist kaum mehr ein diesbezüglicher Vorteil erkennbar.The effect shown increases as the rated speed range decreases, with a maximum effect for a rated speed range of approx. - / + 12.5%. For rated speed ranges greater - / + 20%, there is hardly any advantage to be seen in this respect.

Ein weiterer Vorteil der progressiven Drehmomentregelung ist der sich dadurch ergebende Effekt der passiven Drehmomentdämpfung. Eine Windkraftanlage ist eine dynamisch äußerst komplexe Maschine. Dies bewirkt, dass im Triebstrang ständig unterschiedliche Frequenzen angeregt werden, welche negative Auswirkungen auf Stromqualität und Belastung der gesamten Windkraftanlage haben. Gemäß Stand der Technik ist es daher üblich, eine sogenannte aktive Triebstrangdämpfung zu implementieren, welche beispielsweise folgendermaßen funktioniert. Im Triebstrang werden das Drehmoment und/oder die Drehzahl gemessen. Anschließend wird das Mess-Signal gefiltert, und dem Drehmoment-Sollwert ein entsprechender Wert überlagert, welcher den unerwünschten Schwingungen entgegenwirkt. Das dazu erforderliche zusätzliche Drehmoment liegt üblicherweise im Bereich von bis zu ca. 5% des Nenn-Drehmomentes. Implementiert man nun anstelle der aktiven Triebstrangdämpfung eine progressive Drehmomentregelung, so zeigt sich, dass diese einen im Vergleich zur Nennlast-Regelung mit konstanter Leistung dämpfenden Effekt hat. Dies trifft vor allem im Zusammenhang mit der Ausregelung von Drehzahl- bzw. Drehmomentschwankungen bedingt durch Windböen zu.Another advantage of progressive torque control is the resulting passive torque damping effect. A wind turbine is a dynamically complex machine. This causes the drive train constantly different frequencies are stimulated, which have negative effects on power quality and load on the entire wind turbine. It is therefore common practice in the prior art to implement a so-called active driveline damping, which for example operates as follows. In the drive train, the torque and / or the speed are measured. Subsequently, the measurement signal is filtered, and the torque setpoint superimposed on a corresponding value, which counteracts the unwanted vibrations. The required additional torque is usually in the range of up to about 5% of the nominal torque. Implemented instead of the active driveline damping progressive torque control, it turns out that this has a damping effect compared to the nominal load control with constant power. This is especially true in connection with the regulation of speed or torque fluctuations caused by gusts of wind.

Fig. 7 zeigt nun einen in diesem Zusammenhang ebenfalls wichtigen Effekt. GrundsätzlichFig. 7 now shows an equally important in this context effect. in principle

hängt das Regelungsverhalten einer Windkraftanlage sehr stark mit deren Drehzahlspreizung sge8 und in weiterer Folge mit dem Verhältnis der Massenträgheitsmomente von Rotor JR und Differenzial-Antrieb JDA zusammen.depends on the control behavior of a wind turbine very strong with their speed spread sge8 and subsequently with the ratio of the mass moments of inertia of the rotor JR and differential drive JDA together.

Die Drehzahlspreizung s^ ist das Verhältnis des Drehzahlbereiches des Differenzial-Antriebes zum Drehzahlbereich des Rotors der Windkraftanlage (sges = Drehzahlbereich Differenzial-Antrieb / Drehzahlbereich Rotor), wobei die Drehzahlbereiche durch die Rotordrehzahlen nmln und nmax (vergl. Fig. 4) bzw. die daraus resultierenden Drehzahlen des Differenzial-Antriebes bestimmt werden. Da einerseits die Drehzahlspreizung sges ein Maß für das Übersetzungsverhältnis zwischen Rotor und Differenzial-Antrieb ist, und andererseits das auf den Rotor bezogene Massenträgheitsmoment des Differenzial-Antriebes mit dem Übersetzungsverhältnis zum Quadrat wirkt, errechnet sich das (für ein gutes Regelungsverhalten einer Windkraftanlage mit elektrischem Differenzial-Antrieb) erlaubte maximale Massenträgheitsmoment für den Differenzial-Antrieb JDA max wie folgt: ^DA, max “ ( *Jr ! ®ges ) * wobei fA ein Applikationsfaktor ist, weicherein Maß für das Regelungsverhalten der Windkraftanlage ist. Den Diagrammen in Fig. 7 wurde ein Applikationsfaktor von f A = 0,20 zugrunde gelegt, womit gute Ergebnisse bezüglich Regelungsverhalten erzielt werden (vergl. hierzu auch Fig. 8). Grundsätzlich ist festzustellen, dass mit kleiner werdendem f A noch bessere Resultate erzielt werden können, wobei für Anwendungen mit einem fA < ca. 0,15 ein zusätzlicher Mehraufwand bezüglich Reduktion der Masse des Rotors des Differenzial-Antriebes notwendig wird.The speed spread s ^ is the ratio of the speed range of the differential drive to the speed range of the rotor of the wind turbine (sges = speed range differential drive / speed range rotor), wherein the speed ranges by the rotor speeds nmln and nmax (see Fig. 4) and resulting rotational speeds of the differential drive can be determined. Since on the one hand the speed spread sges is a measure of the gear ratio between the rotor and differential drive, and on the other hand, the related to the rotor mass moment of inertia of the differential drive with the transmission ratio squared, which calculates (for a good control performance of a wind turbine with electric differential Drive) allowed maximum mass moment of inertia for the differential drive JDA max as follows: ^ DA, max "(* Jr! ®ges) * where fA is an application factor that is a measure of the control performance of the wind turbine. The diagrams in FIG. 7 were based on an application factor of f A = 0.20, with which good results with respect to control behavior are achieved (compare also FIG. 8). Basically, it can be stated that even with smaller f A, even better results can be achieved, for applications with an f A < about 0.15 additional additional effort in terms of reduction of the mass of the rotor of the differential drive is necessary.

Fig. 7 zeigt für verschiedene Antriebs-Varianten (mit Nenndrehzahlen des Differenzial-Antriebes von 1000 min'1,1250 min'1 und 1500 min'1, Rotor-Drehzahlbereiche von -/+10%, 15% und 20% bzw. Windkraftanlagen-Nennleistungen von 3MW und 5MW) und fA = 0,20 das „maximal erlaubte Massenträgheitsmoment JDAmax“ des Differenzial-Antriebes und das „Verhältnis JDA,max/MNenn“, wobei Mnenn das erforderliche Nenn-Drehmoment des Differenzialantriebes ist. Weiters zeigt Fig. 7 das typische Verhältnis von Massenträgheitsmoment zu Nennmoment von üblichen Servoantrieben gemäß Stand der Technik („typisches Verhältnis von JDA/MNenn“). Es ist eindeutig erkennbar, dass Differenzial-Antriebe für ein ausreichend gutes Regelungsverhalten der Windkraftanlage, ein kleineres Verhältnis von JDA/MNeim notwendig machen, als dies bei üblichen Servoantrieben zu finden ist.Fig. 7 shows for various drive variants (with rated speeds of the differential drive of 1000 min'1, 1250 min'1 and 1500 min'1, rotor speed ranges of - / + 10%, 15% and 20% or wind turbines Nominal powers of 3MW and 5MW) and fA = 0.20, the "maximum allowable moment of inertia JDAmax" of the differential drive and the "ratio JDA, max / MNom", where Mnenn is the required nominal torque of the differential drive. Furthermore, Fig. 7 shows the typical ratio of mass moment of inertia to nominal torque of conventional servo drives according to the prior art ("typical ratio of JDA / MNom"). It is clearly recognizable that differential drives for a sufficiently good control behavior of the wind turbine, a smaller ratio of JDA / MNeim necessary, as can be found in conventional servo drives.

Fig. 8 zeigt den Einfluss unterschiedlicher Drehmoment-Steigungen (m = 0% und m = 5%) und Massenträgheitsmomente des Differenzial-Antriebes auf dessen Drehzahl-/Regelungsverhal-ten nach einem Leistungssprung der Windkraftanlage aufgrund z.B. einer Windböe. So bewirkt ein Leistungssprung der Windkraftanlage mit einem JDA max= (JR/sgas2)*fA mit fA = 0,20 und m = 0%, dass die Drehzahl des Differenzial-Antriebes mit einer Amplitude von Anfangs ca. 15 min'1 (das sind ca. 1,6% der sich zu diesem Zeitpunkt einsteilenden mittleren Drehzahl) zu schwingen beginnt, und diese Amplitude nur langsam kleiner wird. Eine deutliche Verbesserung zeigt sich bereits bei fA = 0,20 und m = 5%, das heißt mit passiven Drehmomentdämpfung. Die sich anfangs einstellende Amplitude ist ca. 10 min'1 und nimmt rasch ab. Reduziert man darüber hinaus noch fA auf 0,15 so ergibt sich eine anfängliche Amplitude von ca. 5 min'1 (das sind ca. 0,6% der sich zu diesem Zeitpunkt einstellenden mittleren Drehzahl), welche ebenfalls schnell ausklingt. Eine weitere Verringerung des Applikationsfaktors auf z.B. fA = 0,10 bringt eine weitere, für hochdynamische Anwendungen notwendige Verbesserung, ist jedoch wie schon oben erwähnt mit stark zunehmenden Fertigungskosten für den Rotor des Differenzial-Antriebes verbunden. Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass eine Anlagenkonfiguration mit fA = 0,15 und m = 5%, ein für Standardanwendungen ausreichend gutes Ergebnis liefert.Fig. 8 shows the influence of different torque slopes (m = 0% and m = 5%) and moments of inertia of the differential drive on the speed / Regelungsverhal th after a power jump of the wind turbine due to e.g. a gust of wind. Thus, a power jump of the wind turbine with a JDA max = (JR / sgas2) * fA with fA = 0.20 and m = 0% causes the speed of the differential drive with an initial amplitude of about 15 min'1 (das are about 1.6% of the einsteilenden at this time average speed) begins to oscillate, and this amplitude is only slowly smaller. A clear improvement is already evident at fA = 0.20 and m = 5%, ie with passive torque damping. The initial amplitude is about 10 min'1 and decreases rapidly. If one also reduces fA to 0.15, the result is an initial amplitude of about 5 min'1 (that is about 0.6% of the mean speed setting at this time), which likewise fades away quickly. A further reduction of the application factor to e.g. fA = 0.10 brings a further improvement, which is necessary for highly dynamic applications, but, as already mentioned above, is associated with greatly increasing production costs for the rotor of the differential drive. Basically, it can be stated that a system configuration with fA = 0.15 and m = 5% provides a sufficiently good result for standard applications.

Ergänzend sei hier erwähnt, dass schon eine positive Leistungssteigung im Vergleich zu einer gemäß Stand der Technik typischen Regelung mit konstanter Leistung im Nennlastbereich eine Verbesserung im Hinblick auf Baugröße des Differenzial-Antriebes und Drehmomentdämpfung bewirkt, diese jedoch geringer ausfällt als mit positiver Drehmomentsteigung. Dabei wird für den Nennlastbereich eine Kennlinie mit einer mit der Rotor-Drehzahl ansteigenden Rotorleistung eingestellt. Der Wert für die Kennlinie der Leistungssteigung errechnet sich in diesem Fall aus der prozentualen Steigung der Rotorleistung zwischen Rotor-Nenndrehzahl und max. Rotor-Drehzahl des Regelungs-Drehzahlbereiches.In addition, it should be mentioned here that even a positive power increase compared to a typical state of the art control with constant power in the nominal load range an improvement in terms of size of the differential drive and torque damping causes, but this is less than positive torque increase. In this case, a characteristic curve is set for the rated load range with a rotor power increasing with the rotor speed. In this case, the value for the characteristic of the power gradient is calculated from the percentage slope of the rotor power between rated rotor speed and max. Rotor speed of the control speed range.

Fig. 9 zeigt eine mögliche Ausführungsvariante einer Differenzialstufe. Der Rotor 1 treibt das Hauptgetriebe 2 an und dieses über Planetenträger 12 die Differenzialstufe 11 bis 13. Der Generator 8 ist mit dem Hohlrad 13 verbunden und das Ritzel 11 mit dem Differenzial-Antrieb 6. Das Differenzialgetriebe ist 1 -stufig, und der Differenzial-Antrieb 6 ist in koaxialer Anordnung sowohl zur Abtriebswelle des Hauptgetriebes 2, als auch zur Antriebswelle des Generators 8. Beim Generator 8 ist eine Hohlwelle vorgesehen, welche erlaubt, dass der Differenzial-Antrieb an der dem Differenzialgetriebe abgewandten Seite des Generators 8 positioniert wird. Dadurch ist die Differenzialstufe vorzugsweise eine separate, an den Generator 8 angebundene Baugruppe, welche dann vorzugsweise über eine Kupplung 14 und eine Bremse 15 mit dem Hauptgetriebe 2 verbunden ist. Die Verbindungswelle 16 zwischen Ritzel 11 und Differenzial-Antrieb 6 kann vorzugsweise in einer besonders Mässenträgheitsmoment-armen, drehsteifen Ausführungsvariante als z.B. Faserverbund-Welle mit Glasfaser und/oder Kohlefaser ausgeführt sein.Fig. 9 shows a possible embodiment of a differential stage. The rotor 1 drives the main gear 2 and this via planet carrier 12, the differential stage 11 to 13. The generator 8 is connected to the ring gear 13 and the pinion 11 with the differential drive 6. The differential gear is 1-stage, and the differential Drive 6 is in a coaxial arrangement both to the output shaft of the main transmission 2, as well as to the drive shaft of the generator 8. The generator 8, a hollow shaft is provided, which allows the differential drive is positioned on the side facing away from the differential gear 8 of the generator. As a result, the differential stage is preferably a separate, connected to the generator 8 assembly, which is then preferably connected via a clutch 14 and a brake 15 to the main transmission 2. The connecting shaft 16 between the pinion 11 and the differential drive 6 may preferably be in a particularly low-moment of inertia, torsionally rigid embodiment as e.g. Fiber composite shaft to be executed with glass fiber and / or carbon fiber.

Wesentliche Vorteile der gezeigten koaxialen, 1-stufigen Ausführungsform sind (a) die konstruktive Einfachheit und die Kompaktheit des Differenzialgetriebes, (b) der dadurch hohe Wirkungsgrad des Differenzial-Getriebes und (c) das, durch das relativ geringe Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes, verhältnismäßig geringe auf den Rotor 1 bezogene Massenträgheitsmoment des Differenzial-Antriebes 6. Darüber hinaus kann das Differenzial- getriebe als separate Baugruppe gefertigt und unabhängig vom Hauptgetriebe implementiert und gewartet werden. Der Differenzial-Antrieb 6 kann natürlich auch durch einen hydrostatischen Antrieb ersetzt werden, wozu jedoch ein zweites, mit dem hydrostatischen Differenzial-Antrieb in Wechselwirkung stehendes Pumpenelement durch vorzugsweise der mit dem Generator 8 verbundenen Getriebe-Abtriebswelle angetrieben werden muss.Significant advantages of the shown coaxial, 1-stage embodiment are (a) the constructive simplicity and compactness of the differential gear, (b) the high efficiency of the differential gear, and (c) relatively low due to the relatively low gear ratio of the differential gear In addition, the differential gear can be manufactured as a separate assembly and implemented and maintained independently of the main gearbox on the rotor 1 related mass moment of inertia of the differential drive. Of course, the differential drive 6 can also be replaced by a hydrostatic drive, for which, however, a second pump element interacting with the hydrostatic differential drive must be driven by preferably the transmission output shaft connected to the generator 8.

Betrachtet man jedoch in diesem Zusammenhang die Drehmomentlinie M^, aus Fig. 4, kann man folgende Einschränkung erkennen. Bei Verwendung eines einstufigen Differenzialgetriebes kann die Drehzahl und demzufolge das erforderliche Drehmoment für den Differenzial-Antrieb nicht frei gewählt werden, sondern es ergibt sich aus der sinnvoll realisierbaren Standübersetzung i^ einer Planetenstufe und der Synchrondrehzahl des Generators. Andererseits wachsen mit der Standübersetzung auch der minimal realisierbare Durchmesser einer Planetenstufe und demzufolge auch deren Herstellkosten. Zusammenfassend ist festzustellen, dass für Differenzialsysteme mit konventionellem, einstufigem Planetengetriebe und kleinem Nenn-Drehzahlbereich primär die Standübersetzung entsprechend hoch gewählt werden muss, um für den Differenzial-Antrieb ein möglichst kleines Nennmoment zu erreichen. Dies wiederum bedingt jedoch ein für das Hauptgetriebe ungünstig hohes Übersetzungsverhältnis, wodurch bei Groß-Windkraftanlagen mit niedriger Rotor-Nenndrehzahi und schnelllaufendem Synchrongenerator eine Auslegung mit maximal 3 Getriebestufen für das Hauptgetriebe nur mehr sehr aufwändig zu realisieren ist.However, considering in this connection the torque line M 1, from FIG. 4, one can recognize the following restriction. When using a single-stage differential gear, the speed and consequently the required torque for the differential drive can not be chosen freely, but it results from the reasonably feasible Stand translation i ^ a planetary stage and the synchronous speed of the generator. On the other hand, the minimum translatable diameter of a planetary stage and consequently also their production costs grow with the state translation. In summary, it should be noted that for differential systems with a conventional, single-stage planetary gearbox and a small rated speed range, primarily the stand ratio must be selected to be high in order to achieve the smallest possible nominal torque for the differential drive. However, this in turn requires an unfavorably high for the main transmission ratio, which in large wind turbines with low rotor Nenndrehzahi and high-speed synchronous generator is a design with a maximum of 3 gear stages for the main gear only very complex to implement.

Fig. 10 zeigt die erfindungsgemäße Variante einer Differenzialstufe mit Stufenplanet. Wie schon in Fig. 9 wird auch hier der Differenzial-Antrieb 6 vom Ritzel 11 via Verbindungswelle 16 angetrieben. Das Ritzel 11 ist vorzugsweise via Verbindungswelle 16 im Bereich des sogenannten ND-Endes des Generators 20 einfach gelagert, die Verbindungswelle kann aber z.B. in der Generatorwelle auch zweifach gelagert sein. Der Synchrongenerator besteht aus einem Stator 18 und einem Rotor 17 mit ausgeführter Hohlwelle, welcher vom Hohlrad 13 angetrieben wird. Die im Planetenträger 12 gelagerten Planeten - vorzugsweise drei an der Zahl - sind sogenannte Stufenplaneten 19. Diese bestehen jeweils aus zwei drehfest verbunden Zahnrädern mit unterschiedlichem Durchmesser und vorzugsweise unterschiedlicher Verzahnungsgeometrie. Das Hohlrad 13 ist im gezeigten Beispiel mit dem im Durchmesser kleineren Zahnrad des Stufenplaneten 19 im Eingriff, und das Ritzel 11 mit dem zweiten Zahnrad des Stufenplaneten 19. Da via Hohlrad 13 wesentlich höhere Drehmomente übertragen werden müssen als via Ritzel 11, ist die Zahnbreite für dieses wesentlich größer als die für das Ritzel 11. Dementsprechend gestalten sich auch die Zahnbreiten der Stufenplaneten 19. Aus Gründen der Lärmreduktion kann die Verzahnung des Differenzialgetriebes als Schrägverzahnung ausgeführt werden. Die dadurch entstehenden Axialkräfte, welche von der Lagerung der Verzahnungsteile aufgenommen werden müssen, können durch gegensinnige Schrägstellung der Verzahnung der beiden Zahnräder der Stufenplaneten 19, abhängig von den individuell gewählten Schrägstellungswinkeln, reduziert werden. Vorzugsweise werden die 11 individuellen Schrägungswinkel der Verzahnungsteile des Stufenplaneten so gewählt, dass keine resultierende Axialkraft auf die Lagerung des Stufenplaneten mehr wirkt.10 shows the variant according to the invention of a differential stage with stepped planet. As in FIG. 9, the differential drive 6 is also driven by the pinion 11 via connecting shaft 16. The pinion 11 is preferably simply supported via connecting shaft 16 in the region of the so-called ND end of the generator 20, but the connecting shaft may be e.g. be stored twice in the generator shaft. The synchronous generator consists of a stator 18 and a rotor 17 with a hollow shaft, which is driven by the ring gear 13. The planets mounted in the planet carrier 12 - preferably three in number - are so-called stepped planetary 19. These each consist of two rotatably connected gears with different diameters and preferably different toothing geometry. The ring gear 13 is in the example shown with the smaller diameter gear of the stepped planetary gear 19 in engagement, and the pinion 11 with the second gear of the stepped planetary 19. Since via ring gear 13 much higher torques must be transmitted as via pinion 11, the tooth width is Accordingly, the tooth widths of the stepped planetary design 19. Accordingly, for reasons of noise reduction, the teeth of the differential gear can be designed as helical teeth. The resulting axial forces, which must be absorbed by the bearing of the teeth parts can be reduced by opposing oblique position of the teeth of the two gears of the stepped planetary 19, depending on the individually selected skew angles. Preferably, the 11 individual helix angles of the toothed parts of the stepped planet are selected such that no resulting axial force acts more on the bearing of the stepped planet.

Durch Einsatz von Stufenplaneten, ergibt sich ein zusätzlicher Freiheitsgrad für die Wahl der Nenndrehzahl des Differenzial-Antriebes, ohne die Zahl der Wirkungsgrad-bestimmenden Zahneingriffe zu erhöhen. Dadurch kann man in weiterer Folge das Grund-Übersetzungsverhältnis zwischen der Drehzahl des Steges und der des Hohlrades (ist gleich Generatordrehzahl) der Planetenstufe reduzieren, und damit den die Hauptlast tragenden Teil des Differenzialgetriebes wesentlich kleiner und kostengünstiger hersteilen, ohne die Nenndrehzahl des Differenzial-Antriebes in einen ungünstigen Bereich zu verlagern.By using stepped planets, there is an additional degree of freedom for the choice of the rated speed of the differential drive, without increasing the number of efficiency-determining tooth engagements. As a result, you can subsequently reduce the basic gear ratio between the speed of the web and the ring gear (equal generator speed) of the planetary stage, and thus produce the main load-bearing part of the differential gear much smaller and less expensive, without the rated speed of the differential drive to relocate to an unfavorable area.

Die folgende Tabeile zeigt die technischen Parameter für eine konventionelle Planetenstufe im Vergleich zu einer Planetenstufe mit Stufenplanet für das Differenzialsystem einer Windkraftanlage mit einer Nennleistung von 5MW. Beide Varianten haben in dem gezeigten Beispiel eine progressive Drehmomentregelung mit m = 5 und einen Nenn-Drehzahlbereich von -/+15%. Das Beispiel zeigt deutlich die Vorteile der Variante mit Stufenplanet in Bezug auf kostenbestimmende Faktoren wie Hohlraddurchmesser und Nenndrehmoment der Differenzialstufe. technische Parameter konventionelle Planetenstufe Stufenplanet Abweichung Rotor-Nennleistung [kW] 5.500 5.500 0% Rotor-Nenndrehzahl [min'1] 11,8 11,8 0% minimale Rotor-Drehzahl [min-1] 7,9 7,9 0% Generatordrehzahl [min-1] 1.000 1.000 0% Nenndrehzahl Differenzial-Antrieb [min-1] 900 1.500 67% Nenndrehmoment Differenzial-Antrieb [kNm] 8,5 5,1 -40% primäre Standübersetzung Differenzialstufe [-] 6,0 4,7 -22% minimal erforderlicher Hohlrad-Durchmesser [mm] 500 350 -30% erforderliches Übersetzungsverh. Hauptgetriebe [-] 78,8 83,6 6% Nenndrehzahl des Planetenträgers [min'1] 930 986 6%The following table shows the technical parameters for a conventional planetary stage compared to a planetary stage with stepped planetary for the differential system of a wind turbine with a rated power of 5MW. Both variants have in the example shown a progressive torque control with m = 5 and a rated speed range of - / + 15%. The example clearly shows the advantages of the variant with stepped planet in terms of cost-determining factors such as ring gear diameter and rated torque of the differential stage. technical parameters conventional planetary stage stepped planetary deviation rotor rated power [kW] 5,500 5,500 0% rotor rated speed [min'1] 11,8 11,8 0% minimum rotor speed [rpm] 7,9 7,9 0% generator speed [min-1] 1,000 1,000 0% Rated Speed Differential Drive [rpm] 900 1,500 67% Nominal Torque Differential Drive [kNm] 8,5 5,1 -40% Primary Level Gear Differential Stage [-] 6,0 4,7 -22% minimum required ring gear diameter [mm] 500 350 -30% required gear ratio. Main gearbox [-] 78,8 83,6 6% nominal planetary gear speed [min'1] 930 986 6%

Fasst man nun die Vorteile aus Differenzialgetriebe mit Stufenplanet und progressiver Drehmomentregelung zusammen, so ergibt sich, im Vergleich zu einer Anlage mit konventioneller Planetenstufe und Nennlastregelung mit konstanter Leistung, ein für den Differenzial-Antrieb ca. 40% niedrigeres erforderliches Nenn-Drehmoment.Summing up the advantages of differential gear with stepped planetary and progressive torque control, it results in about 40% lower required rated torque for the differential drive compared to a system with conventional planetary stage and rated load control with constant power.

Andererseits bewirkt ein einstufiges Differenzialgetriebe mit Stufenplanet, dass die Nenndrehzahl des Differenzial-Antriebes höher wird, was zwar für den Differenzial-Antrieb ein • · ·· · · • · · · niedrigeres erforderliches Nennmoment ermöglicht, jedoch andererseits die Drehzahlspreizung sge8 erhöht. Da nun sge8 quadratisch in die Berechnungsformel für JDA max eingeht, das Massenträgheitsmoment im Falle einer Standardauslegung des Differenzial-Antriebes grundsätzlich jedoch mehr oder weniger proportional zum Nenn-Drehmoment ist, ist für die Auslegung des Differenzial-Antriebes im Bezug auf dessen Massenträgheitsmoment J DA max, ein möglichst kleiner Applikationsfaktor fA zu berücksichtigen, um ein akzeptables Regelungsverhalten der Windkraftanlage zu gewährleisten.On the other hand, a single-stage differential gear with stepped planetary gear causes the rated speed of the differential drive to become higher, which allows a lower required rated torque for the differential drive, but on the other hand, increases the speed spread sge8. Since sge8 is quadratic in the calculation formula for JDA max, the mass moment of inertia in the case of a standard design of the differential drive is basically more or less proportional to the rated torque, for the design of the differential drive with respect to its mass moment of inertia J DA max to consider the smallest possible application factor fA in order to ensure an acceptable control behavior of the wind turbine.

Wien, 26. März 2009 Dipl.-Ing. Hehenberger Gerald vertreten durch: PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. MANFRED BEER DIPL.-ING. REINHARD HEHENBERGER durch:Vienna, March 26, 2009 Dipl.-Ing. Hehenberger Gerald represented by: PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. MANFRED BEER DIPL.-ING. REINHARD HEHENBERGER through:

Claims (10)

BEER & PARTNER 26. März 2009 PATENTANWÄLTE KEG H159-21ooopAT He/K 1070 Wien, Lindengasse 8 Dipl.-Ing. Hehenberger Gerald in Maria Rain. AT_ Patentansprüche: 1. Energiegewinnungsanlage, insbesondere Windkraftanlage, mit einer Antriebswelle, einem Generator (8) und mit einem Differenzialgetriebe (11 bis 13) mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit der Antriebswelle, ein Abtrieb mit einem Generator (8) und ein zweiter Antrieb mit einem elektrischen oder hydrostatischen Differenzial-Antrieb (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kennlinie der Rotor-Leistung für den Nennlastbereich eine Steigung mit der Rotor-Drehzahl aufweist, wobei sich der Wert für die Steigung der Kennlinie aus der prozentualen Steigung der Rotor-Leistung zwischen Rotor-Nenndrehzahl und maximaler Rotor-Drehzahl eines Regelungs-Drehzahlbereiches errechnet.BEER & PARTNERS March 26, 2009 PATENT OFFICES KEG H159-21ooopAT He / K 1070 Vienna, Lindengasse 8 Dipl.-Ing. Hehenberger Gerald in Maria Rain. 1. An energy generating plant, in particular a wind turbine, with a drive shaft, a generator (8) and with a differential gear (11 to 13) with three inputs or outputs, wherein a first drive with the drive shaft, an output with a generator ( 8) and a second drive with an electric or hydrostatic differential drive (6) is connected, characterized in that a characteristic of the rotor power for the rated load range has a slope with the rotor speed, wherein the value for the slope of the Characteristic calculated from the percentage slope of the rotor power between rated rotor speed and maximum rotor speed of a control speed range. 2. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kennlinie des Rotor-Drehmomentes für den Nennlastbereich eine Steigung mit der Rotor-Drehzahl aufweist, wobei sich der Wert für die Steigung der Kennlinie aus der prozentualen Steigung des Rotor-Drehmomentes zwischen Rotor-Nenndrehzahl und maximaler Rotor-Drehzahl eines Regelungs-Drehzahlbereiches errechnet.2. Energy production plant according to claim 1, characterized in that a characteristic of the rotor torque for the rated load range has a slope with the rotor speed, wherein the value for the slope of the characteristic of the percentage slope of the rotor torque between the rated rotor speed and maximum rotor speed of a control speed range calculated. 3. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Kennlinie des Rotor-Drehmomentes wenigstens 3%, bevorzugt wenigstens 5%, insbesondere wenigstens 10%beträgt.3. Energy production plant according to claim 2, characterized in that the slope of the characteristic of the rotor torque is at least 3%, preferably at least 5%, in particular at least 10%. 4. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Kennlinie der Rotor-Leistung einstellbar ist.4. Energy production plant according to one of claims 1 to 3, characterized in that the slope of the characteristic of the rotor power is adjustable. 5. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Kennlinie des Rotor-Drehmomentes einstellbar ist.5. Power generation plant according to one of claims 2 to 4, characterized in that the slope of the characteristic of the rotor torque is adjustable. 6. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle die Rotorwelle einer Windkraftanlage ist.6. Power generation plant according to one of claims 1 to 5, characterized in that the drive shaft is the rotor shaft of a wind turbine. 7. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzialgetriebe (11 bis 13) ein Planetengetriebe ist.7. Energy production plant according to one of claims 1 to 6, characterized in that the differential gear (11 to 13) is a planetary gear. 8. Energiegewinnungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe Planetenräder (19) mit jeweils zwei Zahnrädern aufweist, welche miteinander drehfest verbunden sind und unterschiedliche Teilkreisdurchmesser aufweisen. ·· ·· ·♦·· · ···· · * ····»····· • ♦ · · · * · · ···· ··· t ··#·»· · · · ·· ·· ·· ··* · ··· -2-8. Power generation plant according to claim 7, characterized in that the planetary gear planetary gears (19) each having two gears, which are rotatably connected to each other and have different pitch circle diameter. ·········· ··········· ···· 9. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das maximale Massenträgheitsmoment des elektrischen Differenzial-Antriebes JDA,max=( Vsges2)*fA ist, wobei fA ^0,2, vorzugsweise *0,15, insbesondere *0,1 ist, und wobei JR das Massenträgheitsmoment des Rotors (1) und s^ eine Drehzahlspreizung ist, welche das Verhältnis des Drehzahlbereiches desDifferenzial-Antriebes (6) zum Drehzahlbereich des Rotors (1) ist.9. Energy production plant according to one of claims 1 to 8, characterized in that the maximum mass moment of inertia of the electric differential drive JDA, max = (Vsges2) * fA, where fA ^ 0.2, preferably * 0.15, in particular * 0 1, and wherein JR is the moment of inertia of the rotor (1) and s ^ is a speed spread which is the ratio of the speed range of the differential drive (6) to the speed range of the rotor (1). 10. Energiegewinnungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nenndrehzahl des Differenzial-Antrieb *1000 min'1, vorzugsweise ;>1250 min'1, insbesondere ^1500 min'1 ist. Wien, 26. März 2009 Dipl.-Ing. Gerald Hehenberger vertreten durch: PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. MANFRED BEER DIPL.-ING. REINHARD HEHENBERGER durch:10. Energy production plant according to one of claims 1 to 9, characterized in that the rated speed of the differential drive * 1000 min'1, preferably,> 1250 min'1, in particular ^ 1500 min'1. Vienna, March 26, 2009 Dipl.-Ing. Gerald Hehenberger represented by: PATENTANWÄLTE DIPL.-ING. MANFRED BEER DIPL.-ING. REINHARD HEHENBERGER through: