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Dokumentenidentifikation DE102005050486A1 03.05.2007
Titel Energieumwandlungseinheit
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Edenfeld, Thomas, 49082 Osnabrück, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Anmeldedatum 21.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005050486
Offenlegungstag 03.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.05.2007
IPC-Hauptklasse H02H 7/06(2006.01)A, F, I, 20051021, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02P 9/02(2006.01)A, L, I, 20051021, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Energieumwandlungseinheit für eine Windenergie-Anlage ist versehen mit einem Generator (22), der einen mit einem Rotor (12) einer Windenergie-Anlage koppelbaren Rotor (39) mit einer Rotorwicklung (38) und einen Stator (40) mit mehreren Statorwicklungen (42) aufweist, und einer bürstenlosen Erregermaschine (24) mit einem eine Statorwicklung (30) aufweisenden Stator (28) und einem mehrere Rotorwicklungen (34) aufweisenden Rotor (26), der mit dem Rotor (39) des Generators (22) gekoppelt ist. Ferner ist die Einheit versehen mit einem Gleichrichter (36) zur Gleichrichtung der Mehrphasenspannungen über den Rotorwicklungen (34) der Erregermaschine (24), wobei der Gleichrichter (36) im oder am Rotor (26, 39) der Erregermaschine (24) und/oder des Generators (22) angeordnet ist und die gleich gerichtete Mehrphasenspannung des Gleichrichters (36) an der Rotorwicklung (38) des Generators (22) anliegt, einem Frequenzumrichter (44) zur Anpassung der Frequenz der mehrphasigen Spannung über den Statorwicklungen (42) an die Frequenz der mehrphasigen Spannung eines Versorgungsnetzes (48) und einer Steuereinheit (32) zur Steuerung des Frequenzumrichters (44) und zur Speisung der Statorwicklung (30) der Erregermaschine (24). Die Steuereinheit (32) überwacht die Phasenverschiebung des Generators (22) und schaltet bei Überschreitung einer vorbestimmten Abweichung der Phasenverschiebung den Generator (22) ab.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Energieumwandlungseinheit für eine Windenergie-Anlage zur Umwandlung der mechanischen Rotationsenergie des Rotors der Windenergie-Anlage in elektrische Energie zur Einspeisung in ein Versorgungsnetz.

Moderne Windenergie-Anlagen arbeiten mit Synchronmaschinen als Generatoren, deren Ausgangsspannung nach Umrichtung in einem Frequenzumrichter dem Versorgungsnetz zugeführt werden. Zur Erregung des Magnetfeldes der Synchronmaschine bedient man sich Felderregermaschinen. Aus Wartungsgründen ist man bestrebt, den Verschleiß an diesen Anlagenkomponenten der Energieumwandlungseinheit so gering wie möglich zu halten. Insoweit ist es von Vorteil, wenn bürstenlose Erregermaschinen eingesetzt werden.

Ein gewisser Nachteil derartiger Maschinen besteht darin, dass ihr Rotorstrom messtechnisch nicht erfasst werden kann. Die Überwachung des Rotorstroms ist aber insoweit von Vorteil, als dass Fehler rechtzeitig erkannt werden können und der Generator vor einer Zerstörung abgeschaltet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Energieumwandlungseinheit für eine Windenergie-Anlage zu schaffen, deren Generator über eine bürstenlose Erregermaschine erregt wird, wobei die Überwachung der ordnungsgemäßen Funktion der Erregermaschine ohne messtechnische Erfassung des Erregerstroms möglich ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Energieumwandlungseinheit für eine Windenergie-Anlage vorgeschlagen, die versehen ist mit

  • – einem Generator, der einen mit einem Rotor einer Windenergie-Anlage koppelbaren Rotor mit einer Rotorwicklung und einen Stator mit mehreren Statorwicklungen aufweist,
  • – einer bürstenlosen Erregermaschine mit einem eine Statorwicklung aufweisenden Stator und einem mehrere Rotorwicklungen aufweisenden Rotor, der mit dem Rotor des Generators gekoppelt ist,
  • – einem Gleichrichter zur Gleichrichtung der Mehrphasenspannungen über den Rotorwicklungen der Erregermaschine, wobei der Gleichrichter im oder am Rotor der Erregermaschine und/oder des Generators angeordnet ist und die gleich gerichtete Mehrphasenspannung des Gleichrichters an der Rotorwicklung des Generators anliegt,
  • – einem Frequenzumrichter zur Anpassung der Frequenz der mehrphasigen Spannung über den Statorwicklungen an die Frequenz der mehrphasigen Spannung eines Versorgungsnetzes und
  • – einer Steuereinheit zur Steuerung des Frequenzumrichters und zur Speisung der Statorwicklung der Erregermaschine,
  • – wobei die Steuereinheit die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen über den und den Strömen durch die Statorwicklungen des Generators überwacht und
  • – wobei die Steuereinheit eine Abweichung der Phasenverschiebung von der Nenn-Phasenverschiebung, die größer ist als ein vorgegebener Wert, als einen Fehler in der Erregermaschine interpretiert und den Generator abschaltet.

Erfindungsgemäß wird also auf einen Fehlerfall im Rotor der Erregermaschine bzw. des Generators auf der Grundlage einer Veränderung der Phasenverschiebung zwischen den Statorspannungen und den Statorströmen des Generators geschlossen. Die Steuereinheit des Frequenzumrichters steuert im Normalfall den Frequenzumrichter dergestalt, dass der Generator mit einem bestimmten Leistungsfaktor (cosϑ) arbeitet. Dieser Leistungsfaktor entspricht einer bestimmten Nenn-Phasenverschiebung. Im Regelfall ist der Leistungsfaktor cosϑ = 1. Während des normalen Betriebs des Generators wird also über den Umrichter kein Blindstrom in den Stator des Generators eingespeist.

Blindstrom wird allerdings dann eingespeist, wenn im Rotor des Generators ein Fehlerfall zu verzeichnen ist, indem der Strom über den Rotor mit der Ankerzeitkonstante abnimmt. Somit verringert sich im Generator die Polradspannung. Dieser Fehlerfall führt bei einem cosϑ = 1 automatisch zu einem Absinken der Statorspannung. Um diesem Absinken entgegenzuwirken, speist der Umrichter vermehrt Blindstrom in den Generator ein. Dies führt zu einem erhöhten Spannungsabfall über den Statorwicklungen des Generators, was zum Erreichen der Nennspannung an den Statorklemmen des Generators führt. Ist die Polradspannung auf nahezu null Volt abgeklungen, wird der Generator quasi als Transformator betrieben. Hierdurch treten hohe induzierte Spannungen über der Rotorwicklung des Generators auf, was zu einer Zerstörung der Wicklung und/oder des Gleichrichters führt.

Nach der Erfindung wird der Generator abgeschaltet, wenn die Phasenverschiebung zu stark von der Nenn-Phasenverschiebung abweicht. Dies kann beispielsweise anhand der Größe der Polradspannung detektiert werden. Fällt beispielsweise die Polradspannung auf die Hälfte ihres Nennwertes ab, da der Erregerstrom wegen eines Fehlerfalls auf die Hälfte seines Nennwerts abgefallen ist, kann der Generator abgeschaltet werden, was vorteilhafterweise dadurch erfolgt, dass der Umrichter abgeschaltet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen dabei:

1 schematisch den Triebstrang einer Windenergie-Anlage mit Rotor, Getriebe und über eine bürstenlose Erregermaschine erregten Synchrongenerator,

2 ein vereinfachtes Zeigerdiagramm der Phasenlagen von Strom- und Spannungskomponenten des Generators im Normalfall und

3 die Situation der Phasenlage der einzelnen Spannungs- und Stromkomponenten im Störfall.

1 zeigt schematisch den Triebstrang 10 einer Windenergie-Anlage, deren Rotor 12 über eine (langsame) Welle 14 mit einem Getriebe 16 verbunden ist, das über eine (schnelle) Welle 18 und eine Kupplung 20 mit einem Synchrongenerator 22 gekoppelt ist. Der Synchrongenerator 22 wird über eine bürstenlose Erregermaschine 24 erregt, die einen Rotor 26 und einen Stator 28 aufweist. Der Stator 28 ist mit einer Erregerwicklung 30 versehen, die über eine Steuereinheit 32 gespeist wird. Im Rotor 26 der Erregermaschine 24 befinden sich drei Rotorwicklungen 34, deren Spannungen über einen dreiphasigen Gleichrichter 36 gleich gerichtet und an eine Wicklung 38 des Rotors 39 des Synchrongenerators 22 angelegt werden. Die Wicklungen 34 und 38 sowie der Gleichrichter 36 befinden sich also an einem gemeinsamen rotierenden Teil. Der Synchrongenerator 22 weist ferner einen Stator 40 auf, der mit drei Statorwicklungen 42 versehen ist. Die über den Statorwicklungen 42 abfallenden dreiphasigen Spannungen werden einem Frequenzumrichter 44 zugeführt, dessen Ausgang über einen Transformator 46 mit einem Versorgungsnetz 48 verbunden ist. Die Steuereinheit 32, die neben der Einspeisung von Strom in die Statorwicklung 30 der Erregermaschine 24 auch den Frequenzumrichter 44 steuert, empfängt über Wandler 50 die aktuellen Größen der dreiphasigen Ausgangsströme und Ausgangsspannungen des Synchrongenerators 22.

Der Frequenzumrichter 44 speist darüber hinaus auch Strom in die Statorwicklungen 42 des Synchrongenerators 22 ein, was vom gewünschten Lastfaktor (cosϑ) abhängt.

Im Normfall treibt der Rotor 12 der Windenergie-Anlage über die Wellen 14, 18, das Getriebe 16 und die Kupplung 20 den Rotor 39 der Synchrongenerator 22 und damit auch den Rotor 26 der Erregermaschine 24 an. Bei bestromter Statorwicklung 30 der Erregermaschine 24 wird in deren Rotorwicklungen 34 eine dreiphasige Spannung induziert, die über den Gleichrichter 36 gleich gerichtet wird. Mit dieser gleich gerichteten Spannung wird dann die Rotorwicklung 38 des Synchrongenerators 22 versorgt. Infolge der Rotation wird dann in dem Stator 40 des Synchrongenerators 22 eine Spannung induziert, die bezüglich ihrer Frequenz in dem Frequenzumrichter 44 umgerichtet und schließlich dem Versorgungsnetz 48 zugeführt wird.

Ein vereinfachtes Zeigerdiagramm des Generatorstroms IS, der Generatorspannung US, der Polradspannung UP und des Längsreaktanz-Spannungsabfalls Ud, der sich als Produkt aus dem Generatorstrom IS und der Längsreaktanz Xd ergibt, ist in 2 gezeigt. In der Darstellung gemäß 2 beträgt der Leistungsfaktor cosϑ = 1.

Kommt es nun zu einem Fehlerfall in den elektrischen Komponenten der Rotoren des Synchrongenerators 22 und/oder der Erregermaschine 24 dergestalt, dass der Synchrongenerator 22 nicht mehr, wie beabsichtigt, erregt wird, sinkt die innere Polradspannung des Synchrongenerators 22 ab, da der Erregerstrom abklingt. Eine nicht vorschriftsmäßige Erregung des (Haupt-)Polrades des Synchrongenerators 22 kann beispielsweise durch einen Kurzschluss im Gleichrichter 36 oder durch einen Kabelbruch der Leitungen der Rotoren 39 und 26 des Synchrongenerators 22 bzw. der Erregermaschine 24 verursacht sein, was zu einer sinkenden Polradspannung führt. Der Frequenzumrichter 44 arbeitet insofern dagegen, als er einen sich erhöhenden Blindstrom in die Statorwicklungen 42 des Synchrongenerators 22 einspeist, um die Statorspannung zu erhöhen, damit die Anlage bei Nenn-Moment arbeitet. Ist die Polradspannung auf nahezu null Volt abgeklungen, führt das Pulsen des Frequenzumrichters 44 auf die Statorwicklungen 42 zu hohen Spannungsinduktionen in der Rotorwicklung 38 des Synchrongenerators 22. In diesem Fall werden die Rotorwicklung 38 und darüber hinaus der Gleichrichter 36 relativ stark belastet, was zu Zerstörungen führen kann. Der Synchrongenerator 22 arbeitet quasi als Transformator.

Dieser Zerstörung könnte auf denkbar einfache Art und Weise entgegengewirkt werden, wenn es möglich wäre, den Rotorstrom des Synchrongenerators 22 zu erfassen. Dies ist aber leider nicht möglich. Daher wird nach der Erfindung ein Störfall anhand der Überwachung des Leistungsfaktors cosϑ detektiert.

Durch den ständigen Abgriff des Generatorstroms und der Generatorspannung über die Wandler 50 kann in der Steuereinheit 32 die Phasenverschiebung bzw. der Faktor cosϑ überwacht werden. Sobald die Polradspannung des Synchrongenerators 22 sinkt, wie dies oben für den Störfall erläutert ist, muss der Frequenzumrichter 44 den fehlenden magnetischen Fluss in dem Synchrongenerator kompensieren, damit der Nenn-Momentbetrieb aufrecht erhalten werden kann. Hierzu steuert die Steuereinheit 32 den Frequenzumrichter 44 derart an, dass dieser einen erhöhten Blindstrom in die Statorwicklungen 42 des Synchrongenerators 22 einspeist. Dadurch kommt es zum verstärkten Spannungsabfall über den Statorwicklungen 42, der zur Anhebung der Statorspannung führt. In diesem Fall verschiebt sich der Leistungsfaktor cosϑ des Synchrongenerators und diese Auswirkung wird von der Steuereinheit 32 überwacht. Das gesamte System kann dann abgeschaltet werden, indem z.B. der Frequenzumrichter insofern deaktiviert wird, als das Pulsen auf den Stator beendet wird. Das Zeigerdiagramm des Synchrongenerators 22 (in vereinfachter Ausführung) für einen Fehlerfall, bei dem die Polradspannung auf die Hälfte ihres Nennwertes abgefallen ist, zeigt 3. Zu erkennen ist die Phasenverschiebung zwischen dem Generatorstrom IS und der Generatorspannung US.


Anspruch[de]
Energieumwandlungseinheit für eine Windenergie-Anlage mit

– einem Generator (22), der einen mit einem Rotor (12) einer Windenergie-Anlage koppelbaren Rotor (39) mit einer Rotorwicklung (38) und einen Stator (40) mit mehreren Statorwicklungen (42) aufweist,

– einer bürstenlosen Erregermaschine (24) mit einem eine Statorwicklung (30) aufweisenden Stator (28) und einem mehrere Rotorwicklungen (34) aufweisenden Rotor (26), der mit dem Rotor (39) des Generators (22) gekoppelt ist,

– einem Gleichrichter (36) zur Gleichrichtung der Mehrphasenspannungen über den Rotorwicklungen (34) der Erregermaschine (24), wobei der Gleichrichter (36) im oder am Rotor (26, 39) der Erregermaschine (24) und/oder des Generators (22) angeordnet ist und die gleich gerichtete Mehrphasenspannung des Gleichrichters (36) an der Rotorwicklung (38) des Generators (22) anliegt,

– einem Frequenzumrichter (44) zur Anpassung der Frequenz der mehrphasigen Spannung über den Statorwicklungen (42) an die Frequenz der mehrphasigen Spannung eines Versorgungsnetzes (48) und

– einer Steuereinheit (32) zur Steuerung des Frequenzumrichters (44) und zur Speisung der Statorwicklung (30) der Erregermaschine (24),

– wobei die Steuereinheit (32) die Phasenverschiebung zwischen den Spannungen über den und den Strömen durch die Statorwicklungen (42) des Generators (22) überwacht und

– wobei die Steuereinheit (32) eine Abweichung der Phasenverschiebung von der Nenn-Phasenverschiebung, die größer ist als ein vorgegebener Wert, als einen Fehler in der Erregermaschine (24) interpretiert und den Generator (22) abschaltet.
Energieumwandlungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Frequenzumrichter (44) Blindstrom in die Statorwicklungen (42) des Generators (22) einspeist und dass die Steuereinheit (32) bei Überschreiten der vorbestimmten Abweichung der Phasenverschiebung von der Nenn-Phasenverschiebung den Frequenzumrichter (44) abschaltet.






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