Weier - Asynchrongenerator, Synchrongenerator

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Asynchrongeneratoren für Windkraftanlagen

Hohe Anforderungen an Windenergie-Generatoren

Die Erzeugung von elektrischem Strom durch eine derart variable Größe wie Wind ist eine besondere Herausforderung an die Technik. In erster Linie muß der Generator selbst robust und wartungsarm sein. Mit zunehmender Anlagengröße ist zur Erhöhung der Energieausbeute variable Drehzahl vorteilhaft. Durch die enormen Schwankungen der Windgeschwindigkeit bedarf der gesamte Triebstrang einer Reduzierung und Dämpfung mechanischer Belastung.

Asynchrongenerator als robuste Maschine

Ein erhöhter Schlupf des Generators dient der Reduzierung von elektromechanischen Schwingungen. Dies wird durch erhöhten Läuferwiderstand intern oder mittels externer Widerstände bewirkt.
Bei polumschaltbaren Maschinen mit maximal zwei festen Drehzahlen wird vornehmlich Wert auf die Leistungsausbeute bei geringeren Windgeschwindigkeiten gelegt.
Lange Erfahrung und fachbezogene Kompetenz haben Weier bei diesen Maschinen zu einem leistungsstarken Partner vieler Anlagenhersteller, besonders bei stallgeregelten Turbinen, werden lassen. Die Generatoren erfüllen die höchsten Anforderungen betreffs Zuverlässigkeit und kundenspezifizierter Schlupfwerte.
Beispiele:

  • Polumschaltbarer, flüssigkeitsgekühlter Asynchrongenerator
  • Feste Drehzahl, erhöhter Schlupf

Asynchrongeneratoren für pitch-geregelte Windenergieanlagen

Asynchrongeneratoren für pitch-geregelte Windenergieanlagen
Modernste Konzepte zeichnen sich durch pragmatischen Funktionsumfang bei gleichzeitig reduziertem Kostenaufwand aus. Dies stellt eine optimierte Ausführung dar.
Folgende pitchgeregelte Lösungen bieten wir:

1. Asynchrongeneratoren mit variablem Schlupf (RCC)

Ein von Weier entwickeltes Konzept der Rotorstromregelung (RCC), mit dem ein definierter Drehzahlbereich von 10% abgedeckt werden kann und so nahezu alle Leistungsschwankungen ausgeglichen werden, ist in den Generator integriert. Durch diese Regelung wird hier der Triebstrang von den Momentenspitzen entlastet.

Aufbau und Gesamtkonfiguration

Bei dem System handelt es sich um die Verbindung des robusten, kostengünstigen Asynchrongenerators mit einer intelligenten Leistungs- und Steuerelektronik, die extrem preisgünstig ist. Das Ziel, eine sehr schnelle Steuerung der Generatorleistung durch direkte Regelung der Rotorströme zu bewirken, wurde erreicht. Ermöglicht wird dies durch die "RCC-Einheit" (RCC=Rotor-Current-Control) an der ND-Seite der Maschine.

Diese enthält einen elektronisch steuerbaren Widerstand einschließlich der dazu notwendigen Leistungs- und Steuerelektronik. Sämtliche Teile der "RCC-Einheit" sind direkt an den Rotor gekoppelt, so daß keine Schleifringe zum Anschluß der Elektronik notwendig sind.

Anwendung von Asynchrongeneratoren mit variablem Schlupf

Die Rotorstromregelung bzw. Leistungssteuerung des Generators weist Regelgeschwindigkeiten im Bereich von 10ms auf und reagiert damit etwa 100mal schneller als die bei "Pitchanlagen" erreichbare Geschwindigkeit der Blattverstellungseinrichtung.

Änderungen der Windgeschwindigkeit, die bei sonst üblichen ungeregelten Generatoren entsprechende Stromschwankungen im öffentlichen Netz hervorrufen und den kompletten Antriebsstrang durch Drehmomentschwankungen stark beanspruchen, haben mit der RCC-Technik ihre Schrecken verloren. Bei einem erhöhten Leistungsangebot aus dem Wind, z.B. verursacht durch Sturmböen, bleibt die abgegebene elektrische Leistung konstant.

Die überschüssige Leistung wird durch eine kurzzeitig erhöhte Drehzahl der kompletten Anlage als kinetische Energie dynamisch zwischengespeichert, um zu einem späteren Zeitpunkt verwertet zu werden; beispielsweise wenn das Leistungsangebot des Windes unterhalb der momentanen elektrischen Leistung liegt. Natürlich gilt das Gesagte auch für "Negativböen", also das kurzzeitige Ausbleiben des Windes. Auch die Turmschatteneffekte werden durch die hohe Reaktionsgeschwindigkeit ausgeregelt.

2. Doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren

Das Gesamtsystem besteht aus dem Generator mit angebautem Lagegeber und dem Frequenzumrichter, bestehend aus Leistungselektronik und Regelungsteil. Die Auslegung des Frequenzumrichters orientiert sich nicht an der Gesamtleistung, sondern an der durch den gewählten Drehzahlbereich vorgegebenen Schlupfleistung der Maschine.

Neben der Regelung der Wirkleistung ist auch eine Beeinflussung der Blindleistung möglich, so daß an der Netzseite sinusförmige Ströme mit cos phi = 1 erreichbar sind.

Bürstenbehaftet

Zeichnet sich durch einen weiten Drehzahlbereich aus (z. B. 1000 bis 2000 min-1), wobei die Maschine mit Schleifringen und Bürsten bestückt ist und somit einer gewissen zusätzlichen Wartung bedarf.

Bürstenlos

Es wird eine sogenannte Kaskadenmaschine eingesetzt. Dadurch kann auf den Einsatz von Schleifringen für den Anschluß des statischen Frequenzumrichters an den Rotor der Maschine verzichtet werden. Die Kaskadenmaschine weist einen zweiten zusätzlichen Statoranschluß auf, an den der Frequenzumrichter angeschlossen wird.

Generator

Der Generator unterscheidet sich äußerlich nur geringfügig von konventionellen Asynchronmaschinen. Bei gleicher Achshöhe wie bei einer konventionellen Maschine mit vergleichbarer Leistung und Drehzahl ergibt sich eine etwas erhöhte Maschinenlänge.

Frequenzumrichter

Der Frequenzumrichter ist als Spannungszwischenkreisumrichter ausgelegt und für den direkten Anschluß am 690 V-Netz vorgesehen. Als Leistungsbauelemente werden IGBTs der neuesten Generation verwendet.

Synchronisierung

Vor dem Zuschalten zum Netz kann der Generator von der Umrichterseite her erregt werden. Im Gegensatz zu einer Synchronmaschine, bei der mit Gleichstrom erregt wird, erfolgt hier die Erregung mit dreiphasigem Wechselstrom, der in Amplitude, Frequenz und Phasenlage beeinflußt werden kann. Dadurch kann dieser Generator im gesamten Betriebsdrehzahlbereich zum Netz synchronisiert werden. Das Zuschalten auf das Netz erfolgt so sanft wie bei der Synchrongeneratortechnik.

Dynamik

Die Dynamik hängt im Wesentlichen vom jeweiligen Betriebspunkt, den Maschinendaten und Reglereinstellungen ab. Effekte wie der Turmschatten einer Windturbine oder Windböen, die schnell ändernde Leistungsabgabe zur Folge haben, können bei korrekter Einstellung des Systems so ausgeglichen werden, daß sie für das angeschlossene Netz unmerklich sind. Die Leerlaufdrehzahl beträgt 750 1/min oder 1000 min-1.

Blindleistung

Der Frequenzumrichter kann Zusatzströme erzeugen, mit deren Hilfe die Grundwellenblindleistung der Maschine reduziert bzw. vollständig kompensiert werden kann. Gegenüber dem Netz wird dann bezüglich der Grundwellen cos phi = 1 erreicht.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad des Systems setzt sich zusammen aus Maschinen- und Umrichterwirkungsgrad. Es werden über 95% erreicht, wenn man von einem Anlagenbeispiel mit einem Umrichterwirkungsgrad von ca. 99% und einem Maschinenwirkungsgrad von über 96% ausgeht.

Die Vorteile:

  • Windenergiegerechte Selektion der Drehzahl- und Drehmomentbereiche.
  • Verlustfreies Prinzip der Leistungs- und Rotorstrombeeinflussung: Die der Maschine entnommene Schlupfleistung wird dem Netz über den Frequenzumrichter wieder zugeführt.
  • Über- und untersynchroner Betrieb möglich.
  • Beeinflussung der Gesamtblindleistung an der Netzeinspeisung (cosphi=1).
  • Umrichterleistung und Kosten kleiner als bei sogenannten ?Full-Size-Invertern?.
  • Sehr gute Netzverträglichkeit durch sinusförmige Ströme.
  • Mikrorechnerregelung mit vektororientiertem Regelverfahren.
  • Synchronisiertes Zuschalten des Generators. In der Startphase kann der Frequenzumrichter den Generator mit variabler Frequenz und Amplitude erregen, so daß das direkte Zuschalten zum Netz ohne ein sonst erforderliches Sanftanlaufgerät problemlos möglich ist.

Für nähere Informationen rufen Sie uns einfach an oder schreiben Sie uns eine e-mail. Wir freuen uns auf Sie.

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Produktion und Verwaltung:
+49 (0)4521 804-0

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