DE10011929B4

DE10011929B4 - Synchrongenerator

Info

Publication number: DE10011929B4
Application number: DE10011929A
Authority: DE
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-03-11
Filing date: 2000-03-11
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2020-03-12
Also published as: US20030173935A1; ATE375622T1; US6943462B2; DK1266446T3; PT1266446E; EP1266446A1; NO325645B1; WO2001069772A1; NO20024326L; AU2001230125B2; JP3813874B2; CN1452807A; JP2003527063A; CA2402093A1; DE10011929A1; ES2292497T3; KR100504699B1; BR0017153A; DE50014714D1; MXPA02008834A

Abstract

Langsam drehender Synchrongenerator (Ringgenerator) für eine Windenergieanlage, wobei der Generator aus einem Läufer (Rotor) und einem Stator besteht und der Stator wenigstens eine Drehstromwicklung aufweist, welcher ein kapazitärer Strom eingeprägt wird und ein Teil der Erregerleistung des Generators durch den Stator erzeugt wird, wobei die im Stator induzierten Spannungen im Spannungszeitdiagramm im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen langsam drehenden Synchrongenerator für eine Windenergieanlage.
Langsam drehende elektrische Maschinen, beispielsweise Ringgeneratoren, wie sie in den Windenergieanlagen der Firma Enercon der Typen E-33, E-40, E-12 und E-66 eingesetzt werden, benötigen sehr viel Erregerleistung. Die erforderliche Erregerleistung steigt hierbei mit der Anzahl der Pole an, mit steigendem Luftspalt und mit Höhe der Blindleistung.
Ringgeneratoren der vorgenannten Art haben beispielsweise 72 oder 84 Pole. Der Wirkungsgrad von direktangetriebenen Generatoren für die Anwendung im Bereich der Windenergie sollte möglichst hoch sein, da diese möglichst 24 Stunden am Tag in Betrieb sind.
Langsam laufende Ringgeneratoren für Windenergieanlagen, wie z.B. die vom Typ E-66 der Firma Enercon, arbeiten am Drehzahlbereich von 10 bis 22 U/min. Ein solcher Ringgenerator ist z.B. mit 72 Polen (36 Polpaaren) gebaut und erzeugt damit eine Frequenz von 6 bis 13,2 Hz.

Aus DE 42 18 298 ist ein permanenterregtes Generatorsystem bekannt, wobei ein Synchrongenerator ein rotierendes Magnetfeld aufweist, der über einen Spannungsdetektor zum Erfassen der Ausgangsspannung des permanenterregten Synchrongenerators und einen Komparator zum Vergleichen der mittels des Spannungsdetektors erfassten Spannung mit einer mittels einer Spannungs-Einstelleinrichtung einstellbaren Referenzspannung regelbar ist.

Aus US-A 5,773,964 ist eine Regelung einer Autolichtmaschine bekannt. Dabei wird der Drehstromwicklung des Stators durch eine Impedanz ein kapazitiver Strom eingeprägt.

Ein solcher Ringgenerator besteht aus einem Läufer, durch dessen Wicklungen die Erregerleistung aufgebaut wird und einem den Läufer umgebenden Stator. Die Kompensation der Blindleistung oder eine Überkompensation des Stators mit Kondensatoren ist hierfür sehr aufwendig, da die Frequenz – wie vorbeschrieben – sehr niedrig ist.

Der Kondensatorstrom rechnet sich im allgemeinen nach der Formel

Für sinusförmige Spannungen (wie bei bekannten Generatoren) ergibt sich hierbei ein Kondensatorstrom von ic = U·2·π·f·C

Der Kondensatorstrom wird also von der Spannung, der Kapazität der Kondensatoren und der anliegenden Frequenz bestimmt.

Bei einer Generatorfrequenz von z.B. 6 bis 13,2 Hz stellt sich dabei leider nur ein kleiner Kondensatorstrom gegenüber einer konventionellen Frequenz von 50 oder 60 Hz ein. Dieser sinusförmige Kondensatorstrom hat zwar eine Phasenverschiebung von 90° zum Wirkstrom, fließt aber jeweils über einen Bereich von 180° und verursacht dabei erhöhte Kupferverluste in der Statorabwicklung.

Aus der DE 15 88 508 A1 ist eine Anordnung zur Regelung des Verschiebungsfaktors des Belastungsstromes eines Synchrongenerators bekannt. Dazu wird an den Klemmen des Synchrongenerators eine Kondensatorgruppe angeschlossen, welche schnell geschaltet werden kann. Durch diese Kondensatorgruppe wird der Drehstromwicklung ein kapazitiver Strom lc eingeprägt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Wirkungsgrad von direkt angetriebenen Generatoren der vorbeschriebenen Art zu verbessern und die vorbeschriebenen Nachteile zu vermeiden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird erfindungsgemäß ein langsam drehender Synchrongenerator mit den Merkmalen nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung beruht auf dem technologischen Ansatz, dass ein Teil der Erregerleistung des Generators – nicht wie bisher – nur vom Läufer (bzw. dessen Wicklung), sondern auch vom Generator bzw. dessen Drehstromwicklung aufgebracht wird.

Bevorzugt wird der Stator hierbei mit einem kapazitiven Strom erregt.

Die im Stator induzierte Spannung ist hierbei nicht in Sinusform ausgebildet, sondern nach Art eines Trapezes (3). Der kapazitive Kondensatorstrom fließt dann bei der trapezförmigen Spannung nur während der positiven oder der negativen Flanke der Spannung gemäß der Formel

Die Stromimpulse, die dabei entstehen, haben eine Frequenz von ca. 100 bis 180, vorzugsweise 130 Hz. Damit ergibt sich eine Stromamplitude, die ca. um den Faktor 10 höher ist, als bei einer sinusförmigen Spannung.

Ein weiterer gravierender Vorteil der erfindungsgemäßen Generators ist es auch, dass der kapazitive Strom zu Beginn der gesamten Halbschwingung fließt. Dieses bedeutet, dass der kapazitive Strom zu 100 % einem Erregerstrom entspricht, der damit entsprechend dem Läufer reduziert werden kann. Ferner belastet dieser Strom die Statorwicklung nur dann, wenn noch kein großer Laststrom die Wicklung belastet (4).

Zweckmäßigerweise wird vorgeschlagen, den Generatorstator mit (wenigstens) zwei Drehstromwicklungen, die wiederum jeweils aus einer Dreiphasenwicklung bestehen, auszubilden. Dabei sind die Drehstromwicklungen um einen Phasenwinkel von 30° versetzt (5).

Bei dieser Anordnung startet nach jeweils 30° die nächste Phase mit einer neuen Schwingung. 6 stellt diesen Zusammenhang über 360° dar.

7 zeigt über die Zeitachse die kapazitiven Erregerströme im Stator von den zwei Drehstromsystemen. Man erkennt, dass alle 30 ° elektrisch ein neuer Stromimpuls von den Kondensatoren (siehe 5) geliefert wird. Dieses Filter ist so ausgelegt, dass es die kapazitiven Stromspitzen für den Generatorstator, außerdem die benötigten Ströme durch Überschwingungen, die der Gleichrichter benötigt, liefert.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung können auch durch Vergleiche mit den bisherigen Generatoren, bei denen die Erregerleistung allein durch den Läufer erzeugt wird, aufgezeigt werden. Bei der bisherigen Lösung der Erzeugung der Erregerleistung durch den Läufer allein ergeben sich ca. 20 % Induktionsverluste. Dieses bedeutet gemäß der Formel P = i²·R(100 % + 20 % = 1,2) Verluste von 1,2². Diesen Verlustanteil kann man bei bisherigen Generatoren grundsätzlich nicht vermeiden, weil die Polschuhe keine unendliche Entfernung voneinander haben können und der Verlust von 20 % durch die nebeneinander stehenden Polschuhe erzeugt werden, in dem magnetischer Verlust von einem Polschuh direkt in den anderen über den Luftspalt zwischen den Polschuhen geht.

Wird nun jedoch Erregerleistung auch durch den Stator erzeugt, so treten solche Verluste bei diesem erzeugten Teil der Erregerleistung nicht mehr auf. Das bedeutet auch, dass der durch den Stator erzeugte Teil der Erregerleistung 100 % zur Leistung beiträgt. Insgesamt kann man also die Erregerleistung des Läufers etwas zurücknehmen, so dass der Verlustanteil schon durch die Statorerregerleistung wegen dessen Verlustfreiheit zurückgeht. Durch die Rücknahme der Erregerleistung aus dem Läufer wird jedoch auch die Streuinduktivität verringert, so dass der 20 %ige Verlustanteil, der bislang entstand, noch einmal verringer wird.

8 zeigt ein Blockschaltbild einer Windenergieanlage mit einer Synchronmaschine und nachgeschalteten Wechselrichter.

9 zeigt eine Blockschaltskizze einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage, bei welcher ein Kapazitätsnetzwerk in Sternpunktschaltung an den Wicklungen eines einfachen Drehstromsystems angeschlossen ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung ist auch 14 zu entnehmen. 14 zeigt den erforderlichen Erregerstrom über der jeweiligen abgegebenen Leistung des Generators. Die obere Kurve zeigt den Erregerbedarf ohne Filter. Die untere Kurve mit ca. 20 % reduziertem Erregerstrom zeigt den Betrieb mit der erfindungsgemäßen Lösung.

Eine Reduzierung des Erregerstroms um ca. 20 % erzeugt eine um ca. 36 % kleinere Erregerleistung im Polrad. Dieses stellt eine große Verminderung der Verlustleistung des Polrades dar. Damit ist es möglich, die Generatorleistung zu erhöhen. Denn bei Generatoren mit einer Nenndrehzahl von ca. 20 U/min. bestimmt hauptsächlich die Drehzahl und damit das dΦ/dt oder die Induktion B im Luftspalt die Baugröße. Damit kann die Nennleistung bisheriger Generatoren, wie sie bei Windenergieanlagen vom Typ E-66 der Firma Enercon (Nennleistung 1,5 MW) auf 1 .800 kW erhöht werden.

1 zeigt einen Generator (Synchronmaschine SM) mit einem Dreiphasen-Drehstromsystem an dem ein Gleichrichter angeschlossen ist. In dem Dreiphasenleitersystem ist ein Kapazitätsnetzwerk, bestehend aus drei Kapazitäten in Dreiecksschaltung angeschlossen. Zwischen den einzelnen Leitern der Drehstromwicklung liegt die Spannung U_G an. Bei einer sinusförmigen Leiterspannung wird ein verschobener sinusförmiger Strom i_C erzeugt, wie dieses in 2 dargestellt ist.

3 zeigt den Kondensatorstrom bei einer trapezförmigen Spannung. 4 zeigt den Verlauf des Kondensatorstroms i_C sowie den Verlauf des Laststroms i_L im Stromzeitdiagramm.

5 zeigt den Aufbau eines Synchrongenerators (Ringgenerator), bestehend aus wenigstens zwei Drehstromsystemen, wobei jedes einzelne Drehstromsystem über drei Drehstromwicklungen verfügt. Beide Drehstromsysteme sind um ca. 30° gegeneinander verschoben. Dieses wird auch anhand der 10 und 11 gezeigt. 10 zeigt im Querschnitt einen Teilauszug eines erfindungsgemäßen langsam drehenden Synchrongenerators. Hierbei rotiert der Läufer innerhalb des Stators.

Ferner sind – siehe auch 11 – zwei unabhängige Drehstromwicklungen U₁, V₁, W₁ sowie U₂, V₂, W₂ im Stator ausgebildet. Die Leistung des Generators wird somit auf beide Drehstromwicklungen (Drehstromsysteme) aufgeteilt, so dass jedes Drehstromsystem nur 50 % der Nennleistung zu übernehmen hat. Beide Drehstromsysteme sind um einen elektrischen Winkel von 30° verschoben und somit elektrisch und mechanisch (räumlich) voneinander isoliert. Damit ist auch die Reaktanz X_D in etwa verdoppelt und somit der Kurzschlussstrom halbiert. Das hat den Vorteil, dass bei einem evtl. Kurzschluss in einem Drehstromsystem nur die halbe Kurzschlussleistung auftreten kann. Damit ist eine Reduzierung des maximalen Kurzschlussmomentes (Kurzschluss von zwei Phasen, z. B. zwischen U₁ und V₁) um 50 % zu einer Systemanordnung aus dem Stand der Technik möglich.

11 zeigt in einer einfachen Übersicht die Anordnung der einzelnen Phasen der unterschiedlichen Drehstromsysteme über einen größeren Statorbereich.

12 zeigt die Darstellung des magnetischen Flusses im erfindungsgemäßen Generator (Läufer-> Stator). Hierbei verläuft der magnetische Fluss auf direktem Wege vom Polkopf des Läufers zum Stator gleichmäßig zwischen den Nuten.

13 zeigt den Querschnitt einer erfindungsgemäßen Windenergieanlagen-Gondel mit einem erfindungsgemäßen Synchrongenerator. Hierbei ist an den Rotor der Windenergieanlage der Läufer des Generators angeflanscht und Rotor und Läufer sind auf einem Achszapfen gelagert. Der Rotor ist mithin ohne Getriebe und ohne Welle direkt mit dem Generatorläufer des Synchrongenerators verbunden. Der Generatorläufer liegt innerhalb des Generatorstators, welcher direkt am Achszapfen angeflanscht ist. Der Achszapfen, wie der gesamte auf ihm gelagerte Antriebsstrang nebst dem Generator, wird von einem Maschinenträger gehalten.

Durch die Ausbildung von zwei Drehstromwicklungen des Generators sind Mittel ausgebildet, die das Kurzschlussdrehmoment, welches im Falle eines Kurzschlusses an einer Statorwicklung auftritt, stets auf das maximal Vierfache des Nenndrehmoments, vorzugsweise auf das Zweifache des Nenndrehmoments begrenzen. Das Kurzschlussdrehmoment kann auch stets kleiner sein als das Zweifache des Nenndrehmoments. Es ist auch möglich, den Läufer ohne einen Dämpferkäfig bzw. ohne eine Dämpferwicklung auszubilden.

Selbstverständlich ist es auch möglich, die erfindungsgemäße Lösung bei permanent erregten Generatoren umzusetzen.

Claims

Langsam drehender Synchrongenerator (Ringgenerator) für eine Windenergieanlage, wobei der Generator aus einem Läufer (Rotor) und einem Stator besteht und der Stator wenigstens eine Drehstromwicklung aufweist, welcher ein kapazitärer Strom eingeprägt wird und ein Teil der Erregerleistung des Generators durch den Stator erzeugt wird, wobei die im Stator induzierten Spannungen im Spannungszeitdiagramm im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet sind.
Synchrongenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Synchrongenerator ein Mehrphasen-Generator ist und dass zwischen den einzelnen Phasenleitern der Statorwicklung Mittel zur Reduzierung des Erregerstrom ausgebildet sind.
Synchrongenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Reduzierung des Erregerstroms durch Kondensatoren und/oder Filterschaltungen zur Bereitstellung eines Statorstromes ausgebildet sind.
Synchrongenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung aus wenigstens aus zwei Drehstromsystemen besteht (Drehstromwicklungen), die jeweils um 30° gegeneinander verschoben sind.
Synchrongenerator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kompensationseinheit, bestehend aus Kondensatoren, Induktivitäten, Dämpfungswiderständen vorgesehen ist, die mit den Anschlußklemmen des Generators verbunden ist und den Stator mit Strompulsen versorgt, die einen Erregerstrom darstellen, sowie die Oberschwingungsleistung für den Gleichrichter bereitstellen, welcher dem Generator nachgeschaltet ist.
Synchrongenerator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationseinheit eine sechste Stromoberschwingung für den Stator liefert.
Synchrongenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator ein permanent erregter Generator ist.