WO1996010289A1

WO1996010289A1 - Wechselstrommaschine

Info

Publication number: WO1996010289A1
Application number: PCT/AT1995/000185
Authority: WO
Inventors: Gerald Hehenberger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1996-04-04
Anticipated expiration: 1997-03-26
Also published as: AU3464895A; EP0783793A1; DE19581090D2

Abstract

Die Wechselstrommaschine weist zwei Stator- (16, 20) und zwei diesen zugeordnete Rotorwicklungen (18, 19) auf, wobei die beiden Rotorwicklungen (18, 19) mit gleicher Drehzahl gedreht werden und elektrisch miteinander verbunden sind. Der eine Stator (16) ist mit dem Netz (17) verbunden, und der andere Stator (20) wird von einem Umrichter (23) erregt. Zu den einzelnen Strängen der mit dem Netz (17) verbundenen Ständerwicklung (16) sind Kondensatoren (21) parallel geschaltet. Dadurch muß die Magnetisierungsleistung nicht mehr vom Umrichter (23) geliefert werden, der somit nur mehr die Schlupfleistung liefern muß.

Description

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Die Erfindung betrifft eine WechselStrommaschine mit zwei Stator- und zwei diesen zugeordneten Rotorwicklungen, wobei die beiden Rotorwicklungen mit gleicher Drehzahl gedreht werden und elektrisch miteinander verbunden sind, und wobei der eine Stator mit dem Netz verbunden ist und der andere Stator von einem Umrichter erregt wird.

Am Beispiel einer Windkraftanlage wird der Vorteil der Erfindung erklärt. Windkraftanlagen sind Anlagen die einerseits einer stochastisch-dynamischen Belastung und andererseits einer hohen statischen Belastung ausgesetzt sind. Es treten Last¬ wechselzahlen in der Größenordnung von 1E9 auf, begleitet von quasi-statischen Belastungen aus extremen Windböen die theo¬ retisch bis zu 240km/h erreichen können.

Um nun eine optimale Auslegung der mechanischen Komponenten einer Windkraftanlage zu ermöglichen, ist es vordringlich notwendig, neben einer sorgfältigen Auswahl der eingesetzten Materialien die statischen und dynamischen Belastungen so klein wie möglich zu halten. Dies um so mehr, je größer die Windkraftanlage ist, und je böiger die Windverhältnisse am Aufstellort sind.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die auf eine Anlage einwirkenden Belastungen zu reduzieren. Neben der häufig verwendeten Rotorblattverstellung weisen fortschrittliche Anlagenkonzepte immer häufiger eine variable Drehzahl auf.

Aus Belastungsmessungen ist der Vorteil einer Betriebsführung mit variabler Rotordrehzahl bekannt. Durch Windböen verursachte Lastspitzen werden durch Massenbeschleunigung des Rotors abgebaut. Ein zusätzlicher Vorteil der variablen Drehzahl ist, daß durch Anpassung der Rotordrehzahl an die Windge¬ schwindigkeit eine wesentliche Verbesserung des aerodynamischen Wirkungsgrades erzielt wird.

Systeme zur Verwirklichung einer variablen Drehzahl sind fast ausschließlich elektrischer Natur. Es sind zum Beispiel entweder fremderregte Synchronmaschinen in Verbindung mit einer Kombination aus Maschinengleichrichter und netzgeführtem Wechselrichter, oder doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren bekannt. Diese doppeltgespeisten Asynchrongeneratoren bestehen aus einem Schleifringläufer-Generator und einem Umrichter, der über den Schleifring den Rotor des Generators im untersyn¬ chronen Betrieb erregt, bzw. im übersynchronen Betrieb die Schlupf - Verlustleistung ins Netz zurückspeist.

Als größte Nachteile der bekannten elektrischen Systeme zur Verwirklichung der variablen Drehzahl sind deren technisch aufwendige und teure Bauart anzuführen. Weiters erzeugt die Variante mit Synchrongenerator/Wechselrichter hohe harmonische Oberwellen, und darüberhinaus auch entsprechend hohe Zusatz- Verluste. Diese Probleme fallen zwar bei der doppeltgespeisten Asynchronmaschine nicht in diesem Ausmaß an, da dieses Genera¬ torsystem mit einem wesentlich kleineren Umrichter arbeitet, jedoch ist eine solche Maschine meist mit einem Schleifring ausgestattet, der einem Verschleiß unterliegt.

Aus der EP-A 0 121 584 ist eine Schaltung bekannt, die eine besondere Form der doppeltgespeisten Asynchronmaschine darstellt. Gemäß der EP-A 0 121 584 ist die Schaltung so auszuführen, daß auf dem drehenden Teil des Generators zwei kreuzweise miteinander verbundene Rotorwicklungen angebracht sind, welche die gleiche Anzahl von Polpaaren aufweisen. Die Ständerwicklungen haben ebenfalls die gleiche Polpaarzahl. Durch einen derartigen Aufbau als Ersatz zu einer oben er¬ wähnten doppeltgespeisten Asynchronmaschine wird einerseits der Einsatz eines Schleifringes vermieden und andererseits der zur Erregung notwendige Umrichter kleiner. Die folgende Tabelle 1 zeigt am Beispiel einer lMW-Anlage die etwa erforderlichen Größen für Ständer-Hauptwicklung (Ständer 1 ) und Umrichter in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl für eine Generatorausführung gemäß der EP-A 0 121 584, für eine 2-polige Maschine im untersynchronen Betrieb des Ständer/Rotor-Systems 1.

Die Aufgabe dieser Erfindung ist, es die Größe des zur Magne¬ tisierung und Erregung notwendigen Umrichters weiter zu verkleinern.

Gelöst wird diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen WechselStrommaschine dadurch, daß zu den einzelnen Strängen der mit dem Netz verbundenen Ständerwicklung Kondensatoren parallel geschaltet sind.

Den sich damit gegenüber der EP-A 0 121 584 ergebende Vorteil zeigt Tabelle 2, wobei hierbei grundsätzlich die selben Randbedingungen gelten wie zu Tabelle 1 angeführt, jedoch daß aufgrund der parallel geschalteten Kondensatoren die Magnetisierungsleistung nicht mehr vom Umrichter geliefert wird, und somit der Umrichter nur die Schlupfleistung liefern muß.

Rotor- Kondensa¬ Schlupf¬ Leistung Leistung Drehzahl tor leistung Ständer 1 Gesamt¬ in upm Leistung Umrichter in kVA system in kVAr in kVA in kVA

1550 200 1 9 10

1800 200 13 87 100

2100 200 51 249 300

2400 200 75 425 500

2700 200 71 729 800

2950 200 20 980 1000

Tabelle 2

Der sich gegenüber der EP-A 0 121 584 ergebende Vorteil ist die Reduktion der max. erforderlichen Umrichter-Leistung von etwa 214kVA auf 75kVA durch den Einsatz von Kondensatoren, und dadurch eine wesentliche Verringerung der Anlagenkosten. Weiters verkleinert sich im gleichen Ausmaß die Ständer/Rotor- Erregerwicklung. Dies und vor allem die Reduktion der Umrichterverluste (durch die kleinere Ausführung) bewirkt zusätzlich eine Verbesserung des System-Gesamtwirkungsgrades.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Ausführungsform einer drehzahlvariablen Elektrik gemäß dem Stand der Technik (Synchrongenerator/-

Wechselrichter) ,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer drehzahlvariablen

Elektrik gemäß dem Stand der Technik (doppeltgespeiste Asynchronmaschine mit

Schleifringläufer)

Fig. 3 eine Ausführungsform einer drehzahlvariablen Elektrik in Anlehnung an die EP-A 0 121 584, und Fig. 4 eine Ausführungsform einer drehzahlvariablen Elektrik gemäß vorliegender Erfindung.

Fig. 1 zeigt den Aufbau der bisher meistverwendeten Form einer drehzahlvariablen Elektrik für Windkraftanlagen. Diese besteht aus einem fremderregten Synchrongenerator 1, der mit variabler Frequenz arbeitend an einen Gleichrichter 2 gekoppelt ist. Im Gleichstrom-Zwischenkreis wird der Gleichstrom mittels einer Drossel 3 geglättet und anschließend im Umrichter 4 wechselgerichtet. Die Leistungskapazität des Umrichters muß in diesem Fall gleich groß wie die Nennleistung des Gesamtsystems sein.

Fig. 2 zeigt die klassische Form einer doppeltgespeisten

Asynchronmaschine. Der Ständer 5 einer Drehstrommaschine ist mit dem Netz 6 verbunden. Der gewickelte Rotor 7 dieser Maschine wird durch einen Schleifring 8 mit einem Umrichter 9 verbunden. Ist dieser Umrichter mit zwei steuerbaren Umrichter- Brücken (rotorseitig Bezugszeichen 10, netzseitig Bezugszeichen 11) ausgestattet, kann die doppeltgespeiste Asynchronmaschine sowohl über- als auch untersynchron betrieben werden.

Um jedoch einen mit Tabelle 2 vergleichbaren Drehzahlbereich bei gleicher System-Gesamtleistung zu gewährleisten ist der Umrichter 9 mit einer Nennleistung von ca. 300kW auszulegen.

Gemäß der EP-A 0 121 584 besteht die Hauptmaschine aus einem Ständer 12 und einem Rotor 13 wie in Fig. 3 gezeigt ist. Auf einer mit dem Rotor 13 gemeinsamen Rotorwelle ist der Erregerrotor angebracht. Diesem gegenüber befindet sich der Erregerständer 15. Die Wicklungen der beiden Rotoren 13 und 14 sind kreuzweise miteinander verbunden.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine vorzugsweise 4-polige/3-phasige Ständerwicklung 16 ist an das Netz 17 angeschlossen. Dieser Ständerwicklung 16 wird eine auf der Antriebswelle sitzende 4-polige/3-phasige Rotorwicklung 18 gegenüberliegend angeordnet. Auf derselben Antriebswelle sitzt eine 2-polige/3-phasige Rotorwicklung 19 die mit der Rotorwicklung 18 verbunden ist. Der Rotorwicklung 18 gegenüberliegend angeordnet ist eine 2-polige/3-phasige Ständerwicklung 20.

Mittels Kabelzuleitung werden den einzelnen Strängen der Ständerwicklung 16 Kondensatoren 21 parallel geschaltet. Um Oberwellen zu filtern, bzw. um die Kondensatoren 21 zu schützen werden den Kondensatoren 21 vorzugsweise Drosseln 22 vorgeschaltet.

Von der maschinenseitigen Umrichterbrücke 24 des Umrichters 23 wird der Ständer 20 mit Erregungsstrom variabler Frequenz und Spannung beaufschlagt. Durch Induktion werden die Rotorwick¬ lungen 19 und 18 und in weiterer Folge die Ständerwicklung 16 erregt.

Die zur Magnetisierung des Generators erforderliche Blindlei- stung liefern die Kondensatoren 21. Die Lage des Rotors wird beispielweise mittels eines mit der Antriebswelle verbundenen Encoders erfaßt. Phasenlage und Betrag von Rotorström und -Spannung können entweder durch Berechnung mittels Transferfunktion basierend auf den Strom- und Spannungs-Meßdaten am Erreger-Ständer 20 oder durch direkte Messung im Rotorkreis 18, 19 ermittelt werden.

Aus den Meßwerten des Encoders (Rotordrehzahl, Rotorlage) einerseits, und den direkten Rotorstrom- und Rotorspannungs- meßwerten bzw. den mittels Transferfunktion errechneten Rotorwerten errechnet sich ein vorzugsweise im Umrichter integrierter Rechner die für den Umrichter 23 erforderlichen Erregungskennwerte, damit schlußendlich der Ständer 16 bei variabler Rotordrehzahl die gewünschte Leistung mit konstanter Netzfrequenz und regelbarem Blindleistungsfaktor ins Netz abgibt.

D.h., ein Regelungssystem errechnet die notwendige Einstellung von Erregerstrom und Frequenz, um abhängig von der Rotordrehzahl die Systemabgabeleistung und den Systemblindlei¬ stungsfaktor entsprechend einer vorgegebenen Kennlinie ein¬ zustellen.

Die durch den untersynchronen Betrieb vom Rotor/Stator-system 19, 20 entstehende Schlupfleistung wird dem Netz 17 entnommen.Der dazu erforderliche Umrichter 23 hat dazu vorzugsweise netzseitig eine Gleichrichter-Brücke 25.

Beim Start der Anlage ist der Ständer 16 anfänglich noch vom Netz 17 getrennt. Durch geeignete Erregung mittels Umrichter 23 werden Ständerspannung und Netzspannung synchronisiert, und dann der Ständer 16 mittels Schalter 26 ans Netz 17 geschaltet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Wechselstrommaschine mit zwei Stator- und zwei diesen zugeordneten Rotorwicklungen, wobei die beiden

Rotorwicklungen mit gleicher Drehzahl gedreht werden und elektrisch miteinander verbunden sind, und wobei der eine Stator mit dem Netz verbunden ist und der andere Stator von einem Umrichter erregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zu den einzelnen Strängen der mit dem Netz (17) verbundenen Ständerwicklung (16) Kondensatoren (21) parallel geschaltet sind.

2. Wechselstrommaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitungβxi zwischen den

Kondensatoren (21) und den Strängen d r Ständerwicklung (16) Drosseln (22) in Serie geschaltet sind.

3. Windkraftanlage dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Wechselstrommaschine nach Anspruch 1 oder 2 aufweist.