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Buerstenlose Erregung von Windkraftgeneratoren

IP.com Disclosure Number: IPCOM000009683D
Published in the IP.com Journal: Volume 2 Issue 10 (2002-10-25)
Included in the Prior Art Database: 2002-Oct-25
Document File: 2 page(s) / 57K

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Siemens

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Abstract

Bei der Stromerzeugung mittels Windkraftanlagen werden Asychrongeneratoren eingesetzt. Der Drehstrom zur Erregung der Laeuferwicklung wird von einer statischen Erregereinrichtung ueber Kohlebuersten und drei oder vier Schleifringen zugefuehrt. Die Kohlebuersten unterliegen einem Ver-schleiss und muessen deshalb auf ihre zulaessige Restlaenge ueberwacht und bei Bedarf ausge-wechselt werden. Trotz der relativ geringen Umfangsgeschwindigkeiten an den Schleifringen von ca. 20 m/s ist der Abrieb so hoch, dass meist mehrere Buerstenwechsel im Jahr erforderlich sind. Da die Generatoren dieser Anlagen auf hohen Masten angeordnet sind, ist ein Buerstenwechsel aufwendig. Hinzu kommt die Stoeranfaelligkeit von Gleitkontakten, die sich bei der schlechten Zugaenglichkeit besonders unguenstig auf die Verfuegbarkeit der Anlage auswirkt. Um die o.g. unguenstigen Einflussgroessen zu eliminieren, soll der Generator ohne die Verwendung von Kohlebuersten erregt werden. Bei dieser Anordnung entfallen Schleifringe und Kohlebuersten zur Stromuebertragung fuer die Laeuferwicklung. Der Unterschied zum Stand der Technik besteht in der Verwendung eines Asynchrongenerators als Erregermaschine. Die Drehstromankerwicklung vom Laeufer des Asynchrongenerators auf der rotie-renden Welle ist hierbei galvanisch mit der Drehstromerregerwicklung des Leistungsgenerators ver-bunden. Die Erregermaschine wird frequenz- und stromgeregelt ueber die Statorwicklung des Asyn-chrongenerators erregt. In dem bisher eingesetzten Spannungsreglerkreis ist zu beachten, dass in der Frequenzregelung (z.B. Pulsumrichter) die Drehzahlaenderungen der Erregermaschine zu berueck-sichtigen sind. Der Vorteil der so realisierten Erregung liegt:  in dem wartungs- und verschleissfreien System,  in der Reduzierung von Betriebskosten,  in der hoeheren Verfuegbarkeit. Die vorgeschlagene Erregung ist insbesondere beim Betrieb von off-shore-Anlagen vorteilhaft. In Abbildung 1 ist ein Schaltbild der buerstenlosen Erregung von Windkraftanlagen skizziert. Der A-synchrongenerator (1) fuer die Energieversorgung wird von einem Windkraftrad (2) ueber ein Getriebe (3) angetrieben. Die vom Generator abgegebene Leistung, wird ueber einen Transformator (4) in das oeffentliche Netz (5) eingespeist. Die Drehzahl (6) des Windrades ist von der Windstaerke und -richtung, sowie der Stellung der Rotorblaetter abhaengig. Ueber eine Regelungseinrichtung (7) wird die Spannung U1 (8) und Frequenz f1 (9) geregelt. Die Erregung des Asynchrongenerators erfolgt ueber eine Drehstromwicklung (10) im Laeufer (11), die bei den herkoemmlichen Anordnungen vom Netz ueber Buersten und Schleifringe versorgt wird. Die Regeleinrichtung (7) steuert einen Pulsum-richter der entsprechend des Bedarfs die Frequenz f2 (12) und die Spannung U2 (13) variiert. Bei der buerstenlosen Erregung wird nun frequenz- und stromabhaengig (12; 13) die Drehstromwicklung (14) im Staender des als Erregermaschine eingesetzten Asynchrongenerator (15) zugefuehrt. Die Dreh-stromwicklung (16) im Laeufer (17) dieses Generators ist ueber Leitungen (18) direkt mit der Laeufer-wicklung (10) verbunden. Der Asynchrongenerator (15) wird direkt auf der verlaengerte Welle (18) des Generators (1) angeordnet oder ist mit diesem ueber eine Kupplung verbunden. Letztere Anordnung hat den Nachteil, dass die Leitungsverbindungen zwischen den Laeuferwicklungen loesbar sein muessen Der Antrieb des Generators (15) erfolgt durch das Windrad (2). Zur Erzeugung der variablen Span-nung und Frequenz fuer die Staenderwicklung (14) kann ein Direktumrichter (20) mit dreiphasigen Ausgang (21) eingesetzt werden. Die erforderlichen Regelungsgroessen (22) werden vom Span-nungsregler (7) vorgegeben. Die Istwerte des Spannungsreglers, wie Generatorspannung (23) und -frequenz (24) werden an den Klemmen (25) des Generators (1) und die Drehzahl (27) von der rotierenden Welle abgegriffen. Die Weiterleitung der Information zur Verstellung der Rotorblaetter erfolgt ueber Leitung (28). Der Direk-tumrichter bezieht seine Leistung aus dem Netz (29).

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Buerstenlose Erregung von Windkraftgeneratoren

Idea: Juergen Klaar, DE-Muelheim

Bei der Stromerzeugung mittels Windkraftanlagen werden Asychrongeneratoren eingesetzt. Der Drehstrom zur Erregung der Laeuferwicklung wird von einer statischen Erregereinrichtung ueber Kohlebuersten und drei oder vier Schleifringen zugefuehrt. Die Kohlebuersten unterliegen einem Ver- schleiss und muessen deshalb auf ihre zulaessige Restlaenge ueberwacht und bei Bedarf ausge- wechselt werden. Trotz der relativ geringen Umfangsgeschwindigkeiten an den Schleifringen von ca. 20 m/s ist der Abrieb so hoch, dass meist mehrere Buerstenwechsel im Jahr erforderlich sind. Da die Generatoren dieser Anlagen auf hohen Masten angeordnet sind, ist ein Buerstenwechsel aufwendig. Hinzu kommt die Stoeranfaelligkeit von Gleitkontakten, die sich bei der schlechten Zugaenglichkeit besonders unguenstig auf die Verfuegbarkeit der Anlage auswirkt.

Um die o.g. unguenstigen Einflussgroessen zu eliminieren, soll der Generator ohne die Verwendung von Kohlebuersten erregt werden. Bei dieser Anordnung entfallen Schleifringe und Kohlebuersten zur Stromuebertragung fuer die Laeuferwicklung.

Der Unterschied zum Stand der Technik besteht in der Verwendung eines Asynchrongenerators als Erregermaschine. Die Drehstromankerwicklung vom Laeufer des Asynchrongenerators auf der rotie- renden Welle ist hierbei galvanisch mit der Drehstromerregerwicklung des Leistungsgenerators ver- bunden. Die Erregermaschine wird frequenz- und stromgeregelt ueber die Statorwicklung des Asyn- chrongenerators erregt. In dem bisher eingesetzten Spannungsreglerkreis ist zu beachten, dass in der Frequenzregelung (z.B. Pulsumrichter) die Drehzahlaenderungen der Erregermaschine zu berueck- sichtigen sind.

Der Vorteil der so realisierten Erregung liegt:

[g183] in dem wartungs- und verschleissfreien System,

[g183] in der Reduzierung von Betriebskosten,

[g183] in der hoeheren Verfuegbarkeit.

Die vorgeschlagene Erregung ist insbesondere beim Betrieb von off-shore-Anlagen vorteilhaft.

In Abbildung 1 ist ein Schaltbild der buerstenlosen Erregung von Windkraftanlagen ski...