DE9403850U1 - Drehzahlvariable Kopplung zwischen Rotor und Generator in einer Windkraftanlage zur Stromerzeugung - Google Patents
Drehzahlvariable Kopplung zwischen Rotor und Generator in einer Windkraftanlage zur StromerzeugungInfo
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Description
Ernst-Dieter Roben Sperberstr. 59071 Hamm
Tel. (02381/81120
Sei.ti.Tiv.ori Y
Windkraftanlagen zur Stromerzeugung mit drehzahlstarrer Kopplung
zwischen Getriebe und Drehstromgenerator.
Stand der Technik mit Fundstellen :
Der Generator in Windkraftkraftanlagen wird heutzutage drehzahlstarr mit dem Rotor gekoppelt. Dieses Konzept gliedert
sich in zwei Varianten.
Variante 1 :
Das kostengünstige "Dänische" Anlagenkonzept sieht vor, daß ein
Asynchrongenerator parallel zum öffentlichen Netz mit nahezu starrer Drehzahl betrieben wird. Der Rotor hat somit zwangsläufig
eine über die vom Getriebe vorgegebene Übersetzung feste Drehzahl. Der begrenzte Schlupf im Generator von bis zu 10%
führt bei der immer größer werdenden Generatorleistung zu hohen mechanischen Belastungsspitzen der Anlagenstruktur durch
Leistungssprünge bei Windböen. Heutzutage wird versucht, solche Spitzenbelastungen durch montierte Gummikupplungen oder
Rutschkupplungen zu mindern. Die thermische Belastung der großen Asynchrongeneratoren steigt bei diesem Anlagenkonzept. Das
Einhalten der Betriebstemperatur wird durch größeren Aufwand im Bereich der Kühlung, z.B. durch Flüssigkeitskühlung, erreicht.
Durch die drehzahlstarre Kopplung wird die ideale Schnelllaufdrehzahl
des Rotors zur jeweiligen Windgeschwindigkeit nur für eine Windgeschwindigkeit oder bei Asynchrongeneratoren mit
zwei Drehzahlstufen für zwei Windgeschwindigkeiten erreicht.
Gegenüber der variablen Rotordrehzahl fällt bei diesem Konzept der durchschnittliche Leistungsbeiwert des Rotors und somit der
Jahresertrag in KW/h geringer aus.
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Variante 2 :
Diese Nachteile werden heutzutage durch Drehstromgeneratoren, die drehzahlvariabel zum öffentlichen Netz betrieben werden
können, vermieden.
a) Doppelgespeister Asynchrongenerator :
Mit dem selten angewandten doppelgespeisten Asynchrongenerator (z.B. Growian) erreichte man einen Läuferschlupf bis maximal
15%. Dieser erhöhte Schlupf war in erster Linie als Drehzahlelastizität gedacht, um die dynamische Maschinenbeanspruchung zu
verringern.
b) Entkopplung der Drehstromsysteme von Generator und Netz :
Dieses häufiger angewandte Konzept wird mit einem Synchrondrehstromgenerator,
der drehzahlvariabel zum Drehstrom des Netzes betrieben werdem kann, über Frequenzumrichter realisiert.
Ein hochentwickelter Regelungsalgorithmus zur Reduzierung der Oberschwingungen wird benötigt. Die daraus resultierende
variable Rotordrehzahl ermöglicht bei jeder Windgeschwindigkeit die ideale Schnellaufdrehzahl mit dem höchsten Leistungsbeiwert
des Rotors. Für diese Variante ist auch die technisch aufwendige Rotorblattverstellung - Pitchregelung - sehr sinnvoll. Trotzt
Wirkungsgradverlust im Bereich der Leistungselektrik wird der Gesamtwirkungsgrad durch den drehzahlvariablen Rotorbetrieb und
die Pitchregelung erhöht. Die Windkonverter erzielen hiermit am jeweiligen Standort immer die höchsten Jahreserträge· Einige
Hersteller produzieren mit diesem Konzept des drehzahlvariablen Betriebs Windkonverter ohne Getriebe.
Gegen dieses getriebelose Konzept wird sich die im Gebrauchsmusterschutz aufgeführte drehzahlvariable Kopplung behaupten
müssen.
Die beiden hier aufgeführten drehzahlvariablen Konzepte werden durch einen umfangreichen Mehraufwand im elektronischen Bereich
erreicht. Die höheren Investitionskosten werden je nach Windverhältnisse am Standort mehr oder weniger schnell ausgeglichen.
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Variante 1 u. 2 :
Die entstehende Wärme im Getriebe und Generator wird durch Luftkühlung
direkt im Maschinenkopf der Windkraftanlage an die Umgebungsluft albgeführt.
Quelle: R. Rasch (Hrsg.), WINDKRAFTANLAGEN , Teubner Studienbücher Maschinenbau (1991)
Das kostengünstige und sehr betriebssichere "Dänische Konzept"
mit einer oder zwei Generatordrehzahlstufen soll über die
drehzahlvariable Kopplung auch mit einer variablen Rotordrehzahl betrieben werden können.
Synchrondrehstromgeneratoren mit ihrer guten Netzverträglichkeit sollen im Parallelbetrieb drehzahlstarr zum öffentlichen Netz
eingesetzt werden können.
Der Mehraufwand für den drehzahlvariablen Rotorbetrieb erfolgt nicht im elektrischen Bereich, sondern im Bereich der Antriebsund
Getriebetechnik.
Die Erfindung für die in den Schutzansprüchen Schutz begehrt wird :
1. Die drehzahlvariable Kopplung zwischen Rotor und Generator in einer Windkraftanlage zur Stromerzeugung.
2. Für die zu nutzende Wärmeenergie, die neben der elektrischen Energie aus der Kühlung der variablen Kopplung, des Getriebes
und des Generators während der Stromerzeugung durch eine Windkraftanlage gewonnen werden kann.
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Gewerbliche Anwendung :
Die Anwendung ist für Windkraftanlagen aller Leistungsklassen
geeignet. Ab einer Leistung von über 200 bis 300 KW dürfte die drehzahlvariable Kopplungsmethode besonders ihre Anwendung
finden.
Vorteilhafte Wirkungen :_
Neben den bekannten Vorteilen der auf dem Markt befindlichen
drehzahlvariablen Windkraftanlagen sind folgende vorteilhafte Wirkungen zu erwarten.
drehzahlvariablen Windkraftanlagen sind folgende vorteilhafte Wirkungen zu erwarten.
- Problemloser Einsatz von Synchron- oder Asynchrondrehstromgeneratoren
ohne jegliche negative Auswirkung auf das
öffentliche Netz
öffentliche Netz
- Geringerer elektronischer Aufwand für alle Lastbereiche des Generators, insbesondere beim Einschalt- oder Umschaltvorgang
bei zwei Generatorstufen
- Wartungsarmer und verschleißfreier Dauerbetrieb
- Gute Wärmeabfuhr der drehzahlvariablen Kopplung über die
Hydraulikflüssigkeit
Hydraulikflüssigkeit
- Einfacher Aufbau der hydrodynamischen Kopplung mit dadurch zu erwartende Kostensenkung
- Hoher Gesamtwirkungsgrad bei zusätzlicher Wärmeabfuhr der
Getriebe-, Kopplungs,- und Generatorwärme zu Heizzwecken bei geeigneten Standorten
Getriebe-, Kopplungs,- und Generatorwärme zu Heizzwecken bei geeigneten Standorten
Es ist besonders die Stromerzeugung für das öffentliche Netz
ohne schädliche Nebenwirkung hervorzuheben. Der hohe Standard des öffentlichen Netzes für den Verbraucher wird somit
aufrechterhalten.
Der Marktwert und die Akzeptanz der zur erwartenden hohen Anzahl von Windkraft- anlagen mit diesem Konzept weiter gesteigert
werden können.
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yin:7
Für geeignete Standorte z.B. in der Nähe von Betrieben ist die
zusätzliche Nutzung der Wärme aus der Kühlung der Aggregate wirtschaftlich interessant. Die Wärmeproduktion, die ca. 10% bis
15% des Jahresertrages in KW/h beträgt, wird bei den immer größer werdenden Anlagen nicht unerheblich sein. Da die kalten
Winde besonders energiereich sind, wird sie hauptsächlich bei kühlem und windigem Wetter, also in Zeiten mit großem Wärmebedarf
produziert. Die Auslegung für die eventuelle Wärmespeicherkapazität kann hierdurch klein gehalten werden.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels : Eine Möglichkeit der drehzahlvariablen Kopplung ist die
hydrodynamische Kopplung, die sich in zwei Varianten gliedert. Sie kann aus einer hydrodyn. Kupplung oder Getriebe (Wandler)
bestehen. Diese Art der variablen Kopplung ist zur Zeit die wirtschaftlichste und technisch ausgereifteste.
a) hydrodynamische Kupplung :
Die hydrodyn. Kupplung ermöglicht mit einem vertretbaren Wirkungsgrad nur einen geringen drehzahlvariablen Betrieb. Der
Rotor kann mit dieser Kopplung drehzahlelastisch betrieben werden. Der maximale Schlupf sollte auf 20% begrenzt werden.
Die kostengünstige Kupplung wird besonders für Rotoren mit starrer Nabenbefestigung und Stallregelung geeignet sein.
b) hydrodynamisches Getriebe ( Wandler ) :
Das hydrodynamische Getriebe ist für den drehzahlvariablen Rotorbetrieb besser geeignet. Hiermit kann über einen größeren
Bereich mit einem vertretbaren Wirkungsgrad von mindestens 80% der Rotor mit variabler Drehzahl betrieben werden. Der variable
Bereich liegt bei ca. 40% und deckt den Drehzahlbereich des Rotors für den optimalen Leistungsbeiwert bei unterschiedlichen
Windstärken ab.
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b-t-ßi'K yc>n 17 Steigert · .
Gemäß der Kennlinie in Bild 4 wird der Wandler im Bereich der
Nennleistung als hydrodyn. Kupplung genutzt, um in diesem Betriebsbereich einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten.
Um die mechanische Getriebeübersetzung nicht unnötig zu vergrößern, sollte der Wandler mit einer Kennlinie betrieben
werden, die eine größere Turbinendrehzahl als Pumpendrehzahl ( n-j./np = 1,4) mit einem guten Wirkungsgrad ermöglicht.
c) Weitere Vorgaben für beide Kopplungen :
Die hydrodyn. Kupplungen und Getriebe können heutzutage mit den unterschiedlichsten Kennlinien konstruiert werden, deshalb wird
nur die Kennlinie für variable Kopplung vorgegeben und auf die Besonderheiten der variablen Kopplung eingegangen.
Da bei der Netzankopplung des Generators das Turbinenrad mit einer festen Drehzahl in jedem Lastbereich betrieben wird, kann
die Leistungssteigerung des Rotors nur über die Drehmomenterhöhung am Turbinenrad aufgenommen werden. Der Schwerpunkt bei
der Konstruktion der Kopplung liegt im Bereich des nur begrenzten Schlupfes zwischen Pumpen- und Turbinenrad mit einem
steilen Anstieg des Drehmoments vom Kopplungsbeginn bis zur Nennleistung und hohen Wirkungsgrad für den Teillast- und
Vollastbereich.
Die Betriebstemperatur für das Hydrauliköl der Kopplung sollte
durch den erforderlichen Ölkühler nur so hoch sein, daß ein Dauerbetrieb mit langen Ölwechselintervallen bei großer
Betriebssicherheit möglich ist.
Die hydrodynamische Kopplung wird im Bereich ihrer Kennlinie (Bild 3 &ugr; 4) zwischen den Punkten A = Kopplungsbeginn und B =
Vollast genutzt. Je nach Konstrukteurvorgabe kann Punkt B mit geringerem Schlupf und somit höherem Wirkungungsgrad ausgelegt
werden. Das max. übertragbare Drehmoment der hydrodyn. Kopplung im Punkt C muß oberhalb des max. Drehmoments des Rotors und
sollte unterhalb des Kippmomentes des Generators liegen.
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Bei einem Zweiclrehzahlstufengenerator dreht das Turbinenrad mit zwei festen Drehzahlesn ( z.B. 750/1500 U/min ). Für die
Kopplung ergeben sich dadurch zwei Kennlinien. Im Schwachwindbereich mit einer Turbinendrehzahl von 750 U/min
kann bei nahezu gleichem Wirkungsgradverlauf die Kopplung eine geringere Leistung und somit kleineres Drehmoment übertragen als
im Starkwindbereich mit einer Turbinendrehzahl von 1500 U/min. Die Realisierung dieser beiden Kennlinien in einer
hydrodynamischen Kopplung sind für die Anwendung dieser Kopplungsart sehr vorteilhaft.
Die Kopplung kann anstatt der vorhandenen Gummikupplung oder Rutschkupplung (Bild i Nr. 3) im Bereich der Antriebswelle des
Generators montiert werden. Der zusätzliche Schlupf der Kupplung muß bei der Getriebeübersetzung berücksichtigt werden.
Das Ziel der Konstruktion sollte die Installation innerhalb des Getriebes (Bild 2 Nr. 3) sein, um eine Antriebseinheit zu
erhalten. Die Rotorbremse, die häufig auf der Antriebswelle des Generators montiert ist, muß bei diesem Getriebekonzept auf die
Rotorwelle oder als Lamellenbremse im Getriebe installiert werden.
Der Einsatz eines Summengetriebes wirkt sich auf den Wirkungsgrad der hydrodyn. Kopplung positiv aus, da die Kopplung
im Nebenstrom nur mit einem Teil der Gesamtleistung belastet wird. Die Vorteile der drehzahlvariablen Kopplung bleiben mit
einem höheren Wirkungsgrad erhalten.
Die Wärme aus der Kühlung der variablen Kopplung, Getriebe und flüssigkeitsgekühltem Generator wird durch einen zentralen
Wärmetauscher im Maschinenkopf der Windkraftanlage zusammengefaßt und über einen separaten Kühlkreislauf gekühlt. Dieser
Kühlkreislauf erfolgt über Leitungen im Turm und einen zweiten Wärmetauscher im Turmfuß. Die Bauteile für die einzelnen Kühlkreisläufe
müssen gut isoliert sein. Die Kühlung muß die enstehende Wärmemenge bei Vollastbetrieb der Windkraftanlage
jederzeit aufnehmen können.
Ernst-Dieter Roben
Sperberstr. 10 • ···· ·· ···· ·· · 59071 Hamm
·· .*;!.*! ti . Tel. (02381/81120
Bezugszeichenliste für Bild Nr.3 und 4
A = Kopplungsbeginn
ß = Nennleistung
C = maximale Rotorleistung
0 = Kippmoment Generator
Claims (1)
- Ernst-Dieter Roben .J.*..* *..* J Harm«* den 12.07.94Sperberstr. 10 Tel. 02381/8112059071 HammSchutzanspruch aus der Gebrauchsmusteranmeldung vom 02.03.94Windkraftanlagen, deren Rotor über das Getriebe und eine Gummi- oder Reibungskupplung drehzahlstarr mit dem Generator gekoppelt ist,gekennzeichnet dadurch,daß zwischen der Abtriebswelle des Getriebes und der Antriebswelle des Generators eine drehzahlvariable Kopplung erfolgt.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE9403850U DE9403850U1 (de) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | Drehzahlvariable Kopplung zwischen Rotor und Generator in einer Windkraftanlage zur Stromerzeugung |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE9403850U DE9403850U1 (de) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | Drehzahlvariable Kopplung zwischen Rotor und Generator in einer Windkraftanlage zur Stromerzeugung |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE9403850U1 true DE9403850U1 (de) | 1994-08-25 |
Family
ID=6905626
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE9403850U Expired - Lifetime DE9403850U1 (de) | 1994-03-08 | 1994-03-08 | Drehzahlvariable Kopplung zwischen Rotor und Generator in einer Windkraftanlage zur Stromerzeugung |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE9403850U1 (de) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008009351A1 (de) * | 2008-02-14 | 2009-08-20 | Innovative Windpower Ag | Vorrichtung zur Drehmomentbegrenzung in einem Triebstrang |
| EP1998040A3 (de) * | 2007-04-30 | 2012-12-19 | Voith Patent GmbH | Antriebsstrang für eine tauchende Energieerzeugungsanlage |
-
1994
- 1994-03-08 DE DE9403850U patent/DE9403850U1/de not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1998040A3 (de) * | 2007-04-30 | 2012-12-19 | Voith Patent GmbH | Antriebsstrang für eine tauchende Energieerzeugungsanlage |
| DE102008009351A1 (de) * | 2008-02-14 | 2009-08-20 | Innovative Windpower Ag | Vorrichtung zur Drehmomentbegrenzung in einem Triebstrang |
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