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Dokumentenidentifikation DE19634464A1 03.04.1997
Titel Bremseinrichtung einer Windkraftanlage und Verfahren zu deren Betätigung
Anmelder Kloft, Lothar, 65551 Limburg, DE
Erfinder Kloft, Lothar, 65551 Limburg, DE;
Knestel, Anton, 87498 Hopferbach, DE
Vertreter Müller, E., Dipl.-Phys. Dr.phil.nat., Pat.-Anw., 65597 Hünfelden
DE-Anmeldedatum 27.08.1996
DE-Aktenzeichen 19634464
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse F03D 11/00
IPC-Nebenklasse H02P 9/06   H02P 15/00   
Zusammenfassung Es wird eine Bremseinrichtung (10) einer Windkraftanlage mit einem Rotor (12) und einem Generator (14) beschrieben, wobei der Rotor (12) mit einer Welle (16) des Generators (14) in Antriebsverbindung steht und die Bremseinrichtung (10) bei Betätigung einer Abbremsung des Generators (14) herbeiführt. Dabei ist der Generator (14) als Asynchrongenerator ausgebildet, wobei dem Retarder (18) eine solche Steuer-/Regeleinrichtung (32) zugeordnet ist, die einen Schlupfrechner (50) zur Ermittlung des Schlupfes des Generators (14) aufweist (Figur 1).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine als gesteuerte oder geregelte Wirbelstrombremse (Retarder) ausgebildete Bremseinrichtung einer Windkraftanlage mit einem Rotor und einem Generator, wobei der Rotor mit einer Welle des Generators in Antriebsverbindung steht und die Bremseinrichtung bei Betätigung eine Abbremsung des Generators herbeiführt.

Windkraftanlagen finden unter dem Einfluß der öffentlichen Diskussion zu Atomkraftwerken derzeit immer mehr Einsatz. Die bekannten Windkraftanlagen weisen einen am oberen Ende eines Turms angeordneten Rotor auf, wobei im Regelfall die Drehachse des Rotors horizontal angeordnet ist. Allerdings sind bereits auch Vorschläge bekannt geworden, Rotor mit vertikal angeordneter Drehachse vorzusehen. Diese von dem Wind in Drehung versetzbaren Rotoren sind über eine Welle mit einem Generator gekoppelt und setzen den Generator bei ausreichenden Windstärken in Betrieb. Der Generator ist mit dem elektrischen Netz verbunden, so daß die erzeugte elektrische Energie in das Netz eingespeist werden kann. Bekannte Windkraftanlagen weisen bei der Auswahl des Generators und bei der Kopplung zwischen Rotor und Generator unterschiedliche Bauformen auf. Als Generatoren kommen Synchron- wie auch Asynchrongeneratoren in Frage, die Kopplung zwischen Rotor und Generator kann unter Zwischenschaltung eines Übersetzungsgetriebes, aber auch direkt erfolgen. Als Beispiel für eine direkte Verbindung zwischen dem Rotor und dem Generator sind die Windkraftanlagen mit einer Nennleistung zwischen 10 und 100 kW bekannt. Als Anlagen, bei denen zwischen Rotor und Generator ein Übersetzungsgetriebe zur Anwendung kommt, werden Nennleistungen von über 1 MW erreicht.

Bei sämtlichen genannten Windkraftanlagen, seien es nun Windkraftanlagen mit Asynchron- und Synchrongenerator, mit oder ohne Übersetzungsgetriebe bzw. mit Rotor mit vertikal oder horizontal oder sonst angeordneter Drehachse, sind Bremseinrichtungen vorgesehen, bei deren Betätigung eine Abbremsung des Generators herbeigeführt wird. Diese Bremseinrichtungen sind erforderlich, um bei hohen Windstärken oder kurzzeitig auftretenden starken Windböen eine Überlastung des Generators aufgrund der erhöhten Rotordrehzahl zu vermeiden. Während als sozusagen passive Leistungsbegrenzungssysteme zum einen mechanische Rotorblattverstellsysteme, sogenannte Pitsch-Regelungen oder Rotorblätter mit Strömungsabriß, sogenannte Stall-Regelungen, zum Einsatz kommen, werden als quasi aktive Bremseinrichtung bei den bekannten Windkraftanlagen ein oder mehrere mechanische, insbesondere als Scheibenbremsen ausgebildete Bremssysteme eingesetzt. So weist eine bekannte Windkraftanlage vier voneinander unabhängige Bremskreisläufe für das Scheibenbremssystem auf. Es sind zwei Scheibenbremsen als Betriebsbremse vorgesehen, welche auf die Abtriebswelle des Rotors wirken. Zwei weitere Scheibenbremsen wirken als Sekundärbremse auf die Welle des Generators.

Diese sogenannten aktiven Bremseinrichtungen sorgen bei übermäßigem Wind für eine Abbremsung des Rotors und vermeiden zu hohe Spitzenbelastungen des Generators bei Auftreten von Windböen o. dgl. Nachteilig an diesen bekannten, insbesondere als Scheibenbremssysteme ausgebildeten Bremseinrichtungen erweist sich der Verschleiß und die damit einhergehende Wartung. Diese mechanische Verschleiß der bekannten Bremseinrichtung verbietet es auch, die Bremseinrichtungen für eine Steuerung bzw. Regelung der Generatordrehzahl auf Drehzahlwerte für einen optimalen Wirkungsgrad des Generators einzusetzen. Im übrigen ist eine dosierte Steuerung oder Regelung der Bremskraft von Scheibenbremsen nur mit relativ aufwendigen Mitteln durchführbar, da die Scheibenbremsen hydraulisch betätigt sind und die Steuersignale in Änderung des Drucks der Hydraulikflüssigkeit umgesetzt werden müssen.

Bei Windkraftmaschinen nach der EP 0 486 765 A1 oder der FR-A- 23 55 178 ist wenigstens eine Wirbelstrombremse vorgesehen, die das Windrad und den Stromgenerator bei bestimmten Betriebsbedingungen, insbesondere geregelt abbremst. Die Wirbelstrombremse selbst besteht aus wenigstens einer feststehenden Jochplatte mit daran angeordneten Spulen und einem Anker. Der Anker wird durch eine Volleisenscheibe gebildet, die unter Belassung eines Luftspaltes vor den Spulen rotiert, wodurch mittels einer magnetischen Anregung der Spulen eine solche bremsende Kraft erzeugbar ist, daß die Windkraftmaschine nicht nur kontinuierlich und weich regelbar, sondern bis zum Stillstand abbremsbar und in dieser Stellung haltbar ist. Hierzu ist insbesondere eine Spannungs- oder Stromregelung vorgesehen, mit der sich die Drehzahl des Generators regeln läßt. Der Drehzahlunterschied zwischen einem Soll- und einem Istwert wird über einen Drehzahlregler, Stromregler, Impulserzeuger sowie eine Regel- und Bremselektronik dazu verwendet, zwei Leistungshalbleiter zu steuern, die ihrerseits die Induktionsspulen ansteuern. Weiterhin kann ein Überspannungsschutz vorgesehen sein, mit dem ebenfalls der Stromregler beaufschlagt werden kann, so daß bspw. bei Überlast die Induktionsspulen angesteuert werden.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine als Retarder ausgebildete Bremseinrichtung einer Windkraftanlage anzugeben, mit der konstruktiv und steuerungs- bzw. regelungstechnisch unaufwendig eine Überlastung des Generators der Windkraftanlage verhindert und der Wirkungsgrad der Windkraftanlage erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einer Bremseinrichtung der eingangs genannten Art i. w. dadurch gelöst, daß der Generator als Asynchrongenerator ausgebildet ist, wobei dem Retarder eine solche Steuer-/Regeleinrichtung zugeordnet ist, die einen Schlupfrechner zur Ermittlung des Schlupfes des Generators aufweist.

Unter einem Retarder wird im Zusammenhang mit dieser Anmeldung eine verschleißfreie, auf dem Wirbelstromeffekt beruhende Verzögerungseinrichtung verstanden. Ein Retarder weist in der Regel einen ortsfesten Spulenkörper mit Magnetspulen auf, die durch einen Strom erregt werden können. Den Polen der Magnetspulen sind bevorzugt mit geringen Abstand ein oder mehrere Rotorscheiben zugeordnet, die mit dem zu verzögernden Objekt starr verbunden sind. Das zeitlich veränderliche Magnetfeld der Magnetspulen induziert in der oder den elektrisch leitenden Rotorscheiben Induktionsströme, die nach der Lenzschen Regel dem induzierenden Magnetfeld entgegengerichtet sind, so daß insgesamt eine Abbremsung der Rotorscheibe hervorgerufen wird. Einzelheiten solcher Retarder sind bspw. in der DE 39 08 234 A1, DE-PS 12 96 986 oder auch DE 36 02 612 A1 sowie AT-PS 28 28 7851 beschrieben, auf welche im Rahmen und zur Ergänzung des Offenbarungsgehaltes der vorliegenden Anmeldung ausdrücklich bezug genommen wird. Einzelheiten sowie konstruktive Ausgestaltungen der bei Windkraftanlagen zum Einsatz kommenden Retarder können von dem Fachmann diesen oder anderen Literaturstellen ohne weiteres entnommen werden.

Asynchrongeneratoren mit einer im Abwärtsbereich recht steil ansteigenden Drehmoment-Schlupf-Kennlinie haben einen deutlichen höheren Wirkungsgrad als Generatoren mit flacheren Kennlinien. Darüber hinaus sind die Generatoren mit flachen Kennlinien, sogenannte Sondernutläufer, erheblich voluminöser im Aufbau und teuer. Allerdings weist die Drehmoment-Schlupf- Charakteristik des Asynchrongenerators bzw. Asynchronmotors die Besonderheit auf, daß jeweils ein maximales Drehmoment (Kippmoment) nicht überschritten werden darf, ohne daß der Motor bzw. Generator in einem Überlastzustand betrieben wird, der auch bei einer anschließenden Reduzierung des Drehmoments nicht ohne weiteres, insbesondere nicht selbsttätig, von dem Motor bzw. Generator verlassen werden kann. In diesen Überlastzuständen überschreitet der Schlupf zwischen Läufer und Ständerdrehfeld den maximal zulässigen Schlupf (Kippschlupf), was auf die zunehmende Phasenverschieben zwischen dem Strangstrom und der Strangspannung im Läufer des Generators zurückzuführen ist. Befindet sich der Asynchrongenerator in diesem unzulässigen Betriebszustand, in dem das Kippmoment bzw. der Kippschlupf überschritten ist, liegt sozusagen eine Mitkopplung vor, wobei der Läufer praktisch ungebremst in hohe, unzulässige Drehzahlbereich getrieben wird. Der von dem Generator in diesen unzulässigen Betriebsbereichen abgegebene Strom kann sehr schnell im Sekundenbereich auf Werte ansteigen, die ein Mehrfaches des Nennstromes betragen. Um eine Schädigung oder gar völlige Zerstörung des Asynchrongenerators zu vermeiden, ist es daher erforderlich, derartige unzulässige Betriebszustände zu vermeiden. Andererseits ist es zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der Windkraftanlage wünschenswert, den Asynchrongenerator in einem solchen Bereich der Drehmoment-Schlupf-Kennlinie zu betreiben, bei der das auf den Generator wirkende Drehmoment des Rotors nur geringfügig unter dem maximal zulässigen Drehmoment (Kippmoment) liegt. Bei dem Betrieb des Asynchrongenerators in diesem optimalen Arbeitsbereich wird der Wirkungsgrad der Windkraftanlage, also die Umsetzung der Windenergie in elektrische Energie, optimiert. Eine Möglichkeit zur Optimierung des Wirkungsgrades besteht darin, Frequenzumformer einzusetzen, mit denen ein optimaler Betriebspunkt des Asynchrongenerators eingestellt werden kann. Allerdings sind solche Frequenzumformer für Leistungen im Bereich über 100 kW äußerst kostspielig und benötigen aufgrund der EMV-Vorschriften aufwendige Filtervorrichtungen. Erfindungsgemäß weist die Steuer- /Regeleinrichtung einen Schlupfrechner zur Ermittlung des Schlupfes des Generators auf, wobei der Schlupfrechner eingangsseitig mit der Netzfrequenz und den Signalen des Drehzahlgebers beaufschlagt ist.

Nach einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Retarder von der Steuer-/Regeleinrichtung bei hohen Windstärken mit solchen Strömen zur Abbremsung des Generators beaufschlagt, bei denen der Generator in einem um eine Sicherheitsspanne unterhalb des Kippschlupfes liegenden Schlupfwerten optimalen Arbeitsbereich betreibbar ist.

Von Vorteil ist dem Retarder eine Steuer-/Regeleinrichtung zugeordnet, der als Eingangsgrößen die Drehzahl des Generators und/oder die Netzfrequenz und/oder die Winkelbeschleunigung des Generators und/oder der dem Retarder zugeführten Strom und/oder die Temperatur des Generators sowie Sollwerte, bspw. gemäß der Drehmoment-Schlupf-Kurve des Generators, insbesondere das Kippmoment und/oder der Kippschlupf zuführbar sind, wobei die Eingangsgröße in eine Ausgangsgröße überführbar sind und die Ausgangsgröße ein Maß für den dem Retarder zugeführten Strom bildet. Durch diese Steuer-/Regeleinrichtung wird insbesondere bei hohen, über einen mittleren Durchschnittswert liegenden Windstärken eine sichere und genaue Stabilisierung des Generators auf einem optimalen Arbeitspunkt der Kennlinie bewerkstelligt. Insbesondere ist die Winkelbeschleunigung des Generators bzw. der Generatorwelle über eine zeitliche Differentiation des Ausgangssignals des Drehzahlgebers erhältlich.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Generator eine nachgeordnete Schalteinrichtung auf, die von Ausgangssignalen der Steuer-/Regeleinrichtung betätigbar ist und mit der der Ausgang des Generators an das Netz anschließbar bzw. von dem Netz trennbar ist.

Gemäß einer äußerst vorteilhaften, eigenständigen Ausgestaltung der Erfindung kann der Asynchrongenerator durch Einsatz eines Retarders in einem optimalen Arbeitsbereich der Drehmoment- Schlupf-Kennlinie stabilisiert werden. Hierzu ist der Welle des Generators ein Drehzahlgeber zugeordnet, wobei der Retarder mittels einer Steuer-/Regeleinrichtung in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen des Drehzahlgebers steuerbar ist. Dabei wird der, bevorzugt auf der Welle des Generators angeordnete Retarder oder werden die Retarder dann elektrisch zugeschaltet, wenn aufgrund der Auswertung der Signale des Drehzahlgebers die Gefahr erkannt wird, daß der asynchrone Generator in Betriebszuständen oberhalb des optimalen Arbeitsbereiches, insbesondere im Bereich des Kippmomentes betrieben wird. Durch die Erfassung der Drehzahl der Welle des Generators wird letztendlich der Schlupf zwischen Läufer und Ständerdrehfeld meßtechnisch erfaßt, indem ein Vergleich der Drehzahl der Welle des Generators mit der Netzfrequenz durchgeführt wird. Nähert sich der Istwert des erfaßten Schlupfes dem Kippschlupf des asynchronen Generators werden der oder die Retarder mit entsprechenden, insbesondere von der Soll-Ist-Wert-Differenz abhängigen Strömen beaufschlagt, um den Läufer des Generators zu verzögern. Infolge der Verzögerung reduziert sich der auftretende Schlupf, so daß der Betriebspunkt des asynchronen Generators wieder in Richtung auf den optimalen Arbeitsbereich entlang der Drehmoment-Schlupf-Kennlinie geführt wird. In dem Maße, in dem das auf den Rotor der Windkraftanlage von dem Wind ausgeübte Drehmoment nachläßt, wird über die Steuer- /Regeleinrichtung der dem Retarder zugeführte Strom reduziert und schließlich gänzlich abgeschaltet. Insgesamt gesehen wird durch diese eigenständige Ausgestaltung der Erfindung eine Stabilisierung des optimalen Arbeitsbereiches des asynchronen Generators bei kurz- oder längerfristig auftretenden, über einen mittleren Normalwert liegenden Windgeschwindigkeiten durchgeführt. Bei mittleren oder geringeren Windgeschwindigkeiten kommt der Retarder überhaupt nicht zum Einsatz, so daß in diesen Windstärkebereichen die Magnetspulen des Retarders nicht mit Strom beaufschlagt werden.

Nach einer weiteren, eigenständigen Lösung der zugrundeliegenden Aufgabe ist die Bremseinrichtung der eingangs genannten Art dahingehend ausgebildet, daß der Generator als Synchrongenerator ausgebildet ist, wobei dem Retarder eine solche Steuer-/Regeleinrichtung zugeordnet ist, die einen Winkelrechner zur Ermittlung des Phasenwinkels zwischen der Welle des Generators und der Netzphase aufweist. Durch diese Maßnahme ist auch bei Einsatz eines Synchrongenerators eine verzögerungs- und verschleißfreie Regelung des Generators der Windkraftanlage ermöglicht. Weiterhin wird die Verfügbarkeit der Windkraftanlage wie auch der Wirkungsgrad erhöht.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, einen Resolver zur Detektion des Phasenwinkels der Welle einzusetzen. Mittels des Resolvers kann die Phasenlage der Welle des Generators sicher und genau detektiert werden.

Nach einer anderen, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Retarder in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen einer PLL (Phase-Lock-Loop)-Schaltung mit Strom beaufschlagt. Sobald sich infolge einer Böe oder dgl. der Winkel zwischen der Welle des Generators und der Netzphasenlage über ein bestimmtes Maß hinaus erhöht, wird der Retarder entsprechend proportional angesteuert.

Nach einer weiteren, unabhängigen Lösung der vorliegenden Aufgabe ist bei der Bremseinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen der Generator als Synchrongenerator ausgebildet, wobei dem Retarder eine solche Steuerung-/Regeleinrichtung zugeordnet ist, die den Retarder in Abhängigkeit des Stroms des Generators mit einem Strom beaufschlagen. Bei dieser regelungstechnisch einfachen und kostengünstigen Lösung wird zur Ansteuerung des Retarders der vom Generator gelieferte Strom ausgenutzt. So kann der Retarder bspw. dann mit einem Strom beaufschlagt werden, wenn der Generatorstrom einen bestimmten schwellwert überschreitet, wobei der dem Retarder zugeführte Strom z. B. proportional mit der Differenz aus Generatorstrom und Schwellwert anwächst.

Um schnelle Regelzeiten zu erreichen, ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, daß der Strom des Generators unter Absolutwertbildung aus der Summe der 3-Phasen-Ströme ermittelt wird. Sobald der Generator seine Nennleistung, regelungstechnisch also den Sollwert erreicht hat, wird über bspw. eine PID-Regelstrecke der Retarder angesteuert.

Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Generator dann vom Netz getrennt, wenn die Phasenströme ein negatives Vorzeichen aufweisen. Es versteht sich, daß hierzu nicht der Absolutwert der Phasenströme ausgewertet werden soll.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Bremseinrichtung durch zwei oder mehrere unabhängig voneinander gesteuerte oder geregelte Retarder gebildet. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß zum einen von den bspw. hintereinander geschalteten Retardern größere Lastspitzen abgefangen werden können, ohne daß die einzelnen Retarder einen zu voluminösen Aufbau aufweisen. Zum anderen wird aufgrund der unabhängigen Ansteuerung der Retarder ein redundantes System bereitgestellt, welches selbst bei Ausfall oder Abschaltung eines Retarders, bspw. in Folge von Überhitzung, zumindest eingeschränkt einsatzfähig ist.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind der oder die Retarder unmittelbar der Welle des Generators zugeordnet. Hierzu kann bspw. der ortsfeste Spulenkörper des Retarders die Welle umfassen, wobei die mit der Welle drehfest verbundenen, den Polen der Magnetspulen zugeordneten Rotorscheiben in geringem Abstand den Stirnseiten der Magnetspulen zugeordnet sind.

Auch ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung möglich, den Retarder einer mit einem Läufer des Generators drehfest gekoppelten Scheibe o. dgl. zuzuordnen. Diese Ausführungsform bietet sich bei Windkraftanlagen an, bei welchen ein hochpoliger Ringgenerator zur Anwendung kommt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Abtriebswelle des Rotors als Hohlwelle ausgebildet. Diese Hohlwelle kann nach Art eines Hohlrohrs eines Kardanantriebs ausgestaltet sein und ersetzt die bisher beim Stand der Technik zum Einsatz kommenden Vollwellen. Aufgrund dieser Maßnahme kann in erheblichem Umfang Gewicht eingespart werden, so daß die gesamte Turmkonstruktion der Windkraftanlage weniger aufwendig und kostengünstiger ausführbar ist.

Von Vorteil ist die Bremseinrichtung bei einer solchen Windkraftanlage einsetzbar, bei der zwischen die Abtriebswelle des Rotors und die Welle des Generators ein Übersetzungsgetriebe geschaltet ist. Das Getriebe ist insbesondere als hochübersetzendes Getriebe ausgebildet, um eine entsprechende Drehzahl des Generators und eine damit einhergehende hohe Abgabeleistung zu gewährleisten.

Der Retarder weist bevorzugt einen Spulenkörper mit daran angeordneten Magnetspulen auf, denen wenigstens eine, bevorzugt zwei Rotorscheiben stirnseitig mit einem geringen Abstand zu den Polen der Magnetspulen zugeordnet sind.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt die Steuerung bzw. Regelung des Retarders nicht nur in Abhängigkeit von der Drehzahl der Generatorwelle bzw. dem Schlupf des Läufers, sondern auch in Abhängigkeit von der Winkelbeschleunigung der Welle des Generators. Durch diese Maßnahme wird die Geschwindigkeit der Steuer- oder Regelstrecke erhöht bzw. die Ansprechzeit verringert, da über die Auswertung der Winkelbeschleunigung der Welle praktisch vorausschauend eine Änderung der Wellendrehzahl erfaßt und der Retarder entsprechend angesteuert werden kann.

Von Vorteil ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung eine Ansteuerung des Retarders in Abhängigkeit von dem dem Retarder zugeführten Strom durchführbar. Durch diese Maßnahme der Rückkopplung des Retarderstroms auf die Steuer- /Regeleinrichtung läßt sich die Regeldynamik weiter erhöhen und die Regelzeit bzw. Ansprechzeit verkürzen.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Betätigung einer Bremseinrichtung für den Generator einer Windkraftanlage, bei der man die Belastung des Generators meßtechnisch als Istwert erfaßt, diesen Istwert mit einem einstellbaren Sollwert vergleicht und in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs die als Retarder ausgebildete Bremseinrichtung betätigt.

Dabei erfaßt man von Vorteil bei der Verwendung eines asynchronen Generators den Schlupf zwischen dem Läufer und dem Ständerdrehfeld und vergleicht diesen Istwert mit einem Schlupf-Sollwert, der geringfügig unterhalb des Kippschlupfes des asynchronen Generators liegt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß bei Verwendung eines Synchrongenerators der Winkel zwischen der Welle des Generators und der Netzphase meßtechnisch erfaßt und mit einem Winkelsollwert verglichen wird.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird bei Verwendung eines Synchrongenerators der Strom des Generators meßtechnisch erfaßt und mit einem Strom-Sollwert verglichen.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden von einem Zuschalten des Generators an das Netz die Generatorfrequenz mit der Netzfrequenz und die Phasenlage der Generatorspannung mit der Netzspannung mittels des Retarders synchronisiert und anschließend der Generator dem Netz zugeschaltet. Somit erfolgt die Zuschaltung des Generators erst dann, wenn die Generatorfrequenz und die Phasenlage dem Netz angeglichen sind. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß nach einer Windflaute bei wiederaufkommenden Wind der Generator wieder dem Netz zugeschaltet werden kann, ohne daß Stromspitzen, die das Netz belasten könnten, verursacht werden. Erst nachdem die Generatorfrequenz und die Phasenlage mit dem Netz synchronisiert sind, wozu der Retarder entsprechend angesteuert wird, wird der Generator mittels des Netzschützes dem Netz zugeschaltet. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung kann darin bestehen, ein zusätzliches Schütz vorzusehen, welches in Reihe mit Widerständen geschaltet ist. Dieses Vormagnetisierungsschütz ist speziell bei Asynchrongeneratoren von Vorteil, wobei der bereits synchron laufende Asynchrongenerator magnetisiert werden kann, so daß beim Zuschalten des Netzschützes praktisch keine Stromspitzen auftreten.

Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bremseinrichtung einer Windkraftanlage in schematischer Darstellung als Blockschaltbild,

Fig. 2 den grundsätzlichen Verlauf einer Drehmoment- Schlupf-Arbeitskennlinie eines Asynchron-Motors bzw. -Generators und

Fig. 3 eine entsprechende Drehmoment-Lastwinkel-Kennlinie eines Synchron-Motors bzw. -Generators.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Windkraftanlage weist einen Rotor 12, einen Generator 14 und eine Welle 16 auf, über welche Welle 16 der Rotor 12 mit dem Generator 14 in Antriebsverbindung steht. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zwischen der Abtriebswelle 20 und der Welle 16 des Generators 14 ein Übersetzungsgetriebe 22 zwischengeschaltet. Auf der Welle 16 des Generators 14 ist als Bremseinrichtung 10 ein Retarder 18 angeordnet.

Der Retarder 18 weist einen ortsfesten Spulenkörper 24 mit mehreren Spulen auf, wobei der Spulenkörper 24 die Welle 16 ringförmig umfaßt. Den Polen der Spulen des Spulenkörpers 24sind Rotorscheiben 26, 28 zugeordnet, die starr mit der Welle 16 verbunden sind. Sobald der Retarder 18 mit einem, insbesondere zeitlich veränderlichen Strom beaufschlagt wird, erzeugen die Spulen des Spulenkörpers 24 ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, welches über die Induktion in den Rotorscheiben 26, 28 ein entsprechendes Gegenfeld aufbaut, so daß die Rotorscheiben 26, 28 infolge der induzierten Wirbelströme abgebremst bzw. verzögert werden. Aufgrund der starren Anbindung der Rotorscheiben 26, 28 an die Welle 16 des Generators 14 wird somit auch der Läufer des Generators 14 verzögert bzw. abgebremst.

Wird als Generator 14 ein Asynchrongenerator eingesetzt, so bietet sich aufgrund der speziellen Drehmoment-Schlupf- Kennlinie 70 der Fig. 2 eine Steuerung oder Regelung des in den Retarder 18 fließenden Stroms 38 an. Die im rechten Teil des Diagramms der Fig. 2 für einen Asynchrongenerator maßgebliche Kennlinie hat zunächst einen in etwa linearen Verlauf, wonach der Schlupf des Asynchrongenerators mit wachsendem Drehmoment zunimmt. Die Kennlinie 70 durchläuft ein Minimum bei dem Kippmoment 72, mit dem ein Kippschlupf 74 einhergeht. Ausgehend von diesem Minimum führt eine Reduzierung des Drehmoments zu weiter erhöhtem Schlupf. Hat der Schlupf des Generators einmal den Kippschlupf 74 überschritten, liegt ein unerlaubter Betriebszustand vor, in dem der Asynchrongenerator quasi mitgekoppelt ist und der Generatorstrom auf ein Mehrfaches des Nennstromes steigen kann. Wird der Generator jedoch in dem optimalen Arbeitsbereich 76 der Charakteristik 70 betrieben, wird die Windenergie mit einem optimalen Wirkungsgrad in elektrische Energie umgesetzt. Der optimale Arbeitsbereich 76 läßt sich bspw. über eine Messung des am Generator 14 auftretenden Schlupfes mittels einer Steuer- /Regeleinrichtung 32 einstellen. Hierzu ist ein Drehzahlgeber 30, ähnlich einem ABS-Sensor o. dgl., an der Welle 16 des Generators 14 angeordnet. Das Ausgangssignal 34 des Drehzahlgebers 30 wird einem Prozessor 52 bzw. einem Schlupfrechner 50 zugeführt. Weiterhin sind der Prozessor 52 bzw. der Schlupfrechner 50 eingangsseitig mit der Netzfrequenz 42 verbunden. Der Schlupfrechner erhält mit diesen Eingangsgrößen eine Information über die Drehzahl 40 der Welle 16 sowie über die Netzfrequenz 42, aus welchen Größen der Schlupf des Generators 14 ermittelt werden kann. Desweiteren wird das Ausgangssignal 34 des Drehzahlgebers 30 mittels eines Differenziergliedes 37 nach der Zeit differenziert, so daß am Ausgang des Differenziergliedes 37 auch die Winkelbeschleunigung 36 der Welle 16 als Meßgröße zur Verfügung steht, die ebenfalls den Prozessor 52 bzw. Schlupfberechner 50 als Eingangsinformation zur Verfügung gestellt ist.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dem Prozessor 52 der Steuer- /Regeleinrichtung 32 Meßgrößen hinsichtlich der Temperatur 44 des Generators 14 zur Verfügung zu stellen. Der Prozessor 52 ist über eine Schnittstelle 54 mit einem Steuerrechner 56 verbunden sowie weiterhin an einen Regler, insbesondere einen PID-Regler 58 angeschlossen. Über den Steuerrechner 56 können der Steuer-/Regeleinrichtung Sollwerte 46, bspw. hinsichtlich des maximal zulässigen Schlupfes oder auch andere Sollwerte 46 übermittelt werden. Die Ausgangsgröße 48 des Reglers 58 steuert eine Leistungsstufe 60 an, deren Ausgang mit den Spulen des Retarders 18 verbunden ist. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, den in den Retarder 18 fließenden Strom 38 zu messen und mittels einer Leitung 61 auf den Regler 58 rückzukoppeln.

An einem Ausgang 66 des Generators 14 ist eine Schalteinrichtung 62 vorgesehen, welche von Ausgangssignalen 64 der Steuer-/Regeleinrichtung 32 betätigbar ist. Mittels der Schalteinrichtung 62 ist der Ausgang 66 des Generators 14 mit dem Netz 68 verbindbar bzw. von diesem trennbar.

Die beschriebene Anordnung funktioniert nach folgendem Prinzip:

Überschreitet der Schlupf des Asynchrongenerators aufgrund hohen Windstärken oder starker Sturmböen solche Werte, die aus dem optimalen Arbeitsbereich 76 herausführen und den Betriebspunkt des Generators 14 in den unzulässigen Bereich jenseits die Kippschlupfes 74 führen könnten, wird über den Prozessor 52, den Regler 58 und die Leistungsstufe 16 der Retarder 18 mit einem Strom 38 beaufschlagt, wobei die Stromstärke bei Verlassen des optimalen Arbeitsbereiches 76 in Richtung die Kippschlupfes 74 immer weiter ansteigt. Der Retarder 18 erzeugt ein zu dem beaufschlagten Strom 38 in etwa proportionales Bremsmoment auf die Welle 16 bzw. den Läufer des Generators 14. Somit wird einem Anwachsen des Schlupfes des Generators 14 entgegengewirkt und der Generator 14 in Richtung geringerer Schlupfwerte gesteuert bzw. geregelt. Mit einem Nach lassen der starken Windböen bzw. einem Abflauen des Windes reduziert sich ebenfalls der am Generator 14 auftretende Schlupf, was zu einer Reduzierung bzw. Abschaltung des in den Retarder 18 fließenden Stroms 38 führt.

Beim Einsatz von Synchrongeneratoren anstelle von Asynchrongeneratoren wird anstatt des Schlupfes der Winkel zwischen der Welle 16 des Generators 14 und der Netzphasenlage geregelt. Anstelle bspw. eines bei Asynchrongeneratoren verwendeten Ingrementalgebers wird ein Resolver eingesetzt, der die Phasenlage der Welle 16 des Generators 14 detektiert. Der Retarder 18 wird durch eine PLL (Phase-Lock-Loop)-Schaltung bzw. eine Steuer-/Regelschaltungeinrichtung 32 in Abhängigkeit von der ermittelten Winkeldifferenz zwischen der Welle 16 des Generators 14 und der Netzphase angesteuert. Sollte sich infolge einer Böe der Winkel über ein bestimmtes Maß hinaus verschieben, wird der Retarder 18 mit einem entsprechenden, insbesondere proportionalen Strom 38 beaufschlagt.

Eine andere Möglichkeit der Steuerung des Synchrongenerators besteht darin, daß der Retarder 18 von einer Steuer- /Regeleinrichtung 32 in Abhängigkeit des Stromes des Generators 14 mit einem entsprechenden Strom 38 beaufschlagt wird. Um schnelle Regelzeiten zu erreichen, wird vorzugsweise unter Absolutwertbildung die Summe der 3-Phasen-Ströme ermittelt. Erreicht der Generator 14 seine Nennleistung, regelungstechnisch also den Leistungssollwert, wird über die PID-Regelstrecke der Retarder 18 mit einem Strom angesteuert. Werden die Phasenströme jedoch negativ, wozu nicht der Absolutwert der 3-Phasen-Ströme ausgewertet werden darf, ist vorgesehen, den Generator vom Netz zu trennen.

Die Synchronisation bei einem erneuten Zuschalten erfolgt dabei von besonderem Vorteil erst dann, wenn die Generatorfrequenz und die Phasenlage mit dem Netz synchronisiert sind. Hierdurch werden das Netz belastende Stromspitzen vermieden. Beim Einsatz eines Retarders 18 und einer geeigneten Steuerung ist es daher möglich, den Generator 14 zuerst mit der Netzfrequenz zu synchronisieren, wobei Netzfrequenz und Generatorfrequenz auf den gleichen Wert gebracht werden. Danach wird die Phasenlage von Netz und Generatorfrequenz mittels der Regelung des Retarders 18 auf Gleichheit gebracht und erst dann der Generator 14 bspw. mittels des Netzschützes dem Netz zugeschaltet. Eine weitere Verbesserung kann durch Einsatz eines zusätzlichen Schützes erfolgen, welches in Reihe mit einigen Widerständen geschaltet ist. Dieses Vormagnetisierungsschütz magnetisiert speziell bei Asynchrongeneratoren den bereits synchron laufenden Generator, so daß beim Zuschalten des Netzschützes praktisch keine Stromspitzen auftreten und das Netz belasten.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht beim Einsatz der Bremseinrichtung bei einer Windkraftanlage im sogenannten Inselbetrieb. Beim Inselbetrieb ist die Windkraftanlage der einzige Stromerzeuger, d. h., daß das Netz, das zur Drehzahlstabilisierung verwendet wird, nicht vorhanden ist. Ohne den Einsatz weiterer Maßnahmen, also in einem ungeregelten Betrieb, ändert sich daher die erzeugte Spannung und Frequenz je nach Windaufkommen.

Es ist bereits bekannt, zur Regelung der Windkraftanlage im Inselbetrieb durch eine Phasenanschnittssteuerung eine elektrische Bremslast auf das Eigennetz aufzuschalten. Dies bedeutet jedoch ein relativ hohen Aufwand, da die Heizwiderstände und die erforderlichen Leistungshalbleiter auf die Nennleistung der Windkraftanlage ausgelegt werden müssen. Dies ist unter anderem auch dann notwendig, wenn bei starkem Wind kein oder nur ein kleiner Verbraucher das Netz belastet.

Durch den Einsatz des Retarders können diese Nachteile vermieden und die Drehzahl stabilisiert werden, so daß die Netzfrequenz bei einer Synchronmaschine bei allen Windgeschwindigkeiten konstant gehalten werden kann. Die überschüssige Energie wird nicht durch die Heizwiderstände, sondern bereits von dem Retarder in Wärme umgewandelt. Die Generatorspannung kann, falls dies erforderlich sein sollte, durch die Erregung des Generators nachgeregelt werden. Der Sollwert für die Netzfrequenz wird von dem im Prozessorsystem erforderlichen Systemtakt abgeleitet, eine andere Möglichkeit könnte darin bestehen, die Sollwertgewinnung von den Signalen einer durch den Langwellensender DF 77 gesteuerten Funkuhr zu leiten.

Bezugszeichenliste

10 Bremseinrichtung

12 Rotor

14 Generator

16 Welle

18 Retarder

20 Abtriebswelle

22 Übersetzungsgetriebe

24 Spulenkörper

26 Rotorscheibe

28 Rotorscheibe

30 Drehzahlgeber

32 Steuer-/Regeleinrichtung

34 Ausgangssignal

36 Winkelbeaufschlagung

37 Differenzierglied

38 Strom

40 Drehzahl

42 Netzfrequenz

44 Temperatur

46 Sollwert

48 Ausgangsgröße

50 Schlupfrechner

52 Prozessor

54 Schnittstelle

56 Steuerrechner

58 Regler (PID)

60 Leistungsstufe

61 Leitung

62 Schalteinrichtung

64 Ausgangssignal

66 Ausgang

68 Netz

70 Drehmoment-Schlupf-Kurve

72 Kippmoment

74 Kippschlupf

76 optimaler Arbeitsbereich


Anspruch[de]
  1. 1. Als gesteuerte oder geregelte elektrische Wirbelstrombremse (Retarder) (18) ausgebildete Bremseinrichtung (10) einer Windkraftanlage mit einem Rotor (12) und einem Generator (14), wobei der Rotor (12) mit einer Welle (16) des Generators (14) in Antriebsverbindung steht und die Bremseinrichtung (10) bei Betätigung eine Abbremsung des Generators (14) herbeiführt, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (14) als Asynchrongenerator ausgebildet ist, wobei dem Retarder (18) eine solche Steuer- /Regeleinrichtung (32) zugeordnet ist, die einen Schlupfrechner (50) zur Ermittlung des Schlupfes des Generators (14) aufweist.
  2. 2. Bremseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Retarder (18) von einer Steuer-/Regeleinrichtung (32) mit solchen Strömen (38) zur Abbremsung des Generators (14) beaufschlagbar ist, bei denen der Generator (14) in einem optimalen Arbeitsbereich (76) bei solchen Schlupfwerten betreibbar ist, die um eine Sicherheitsspanne unterhalb des Kippschlupfes (74) liegen.
  3. 3. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Retarder (18) eine Steuer- /Regeleinrichtung (32) zugeordnet ist, der als Eingangsgrößen die Drehzahl (40) des Generators (14) und/oder die Netzfrequenz (42) und/oder die Winkelbeschleunigung (36) des Generators (14) und/oder der dem Retarder (18) zugeführte Strom (38) und/oder die Temperatur (44) des Generators (14) sowie Sollwerte (46), bspw. gemäß der Drehmoment-Schlupf-Kennlinie (70) und/oder des Kippmoments (72) und/oder des Kippschlupfes (74) des Generators (14) zuführbar sind, wobei die Eingangsgrößen in eine Ausgangsgröße (48) überführbar sind und die Ausgangsgröße (48) ein Maß für den dem Retarder (48) zugeführten Strom (38) bildet.
  4. 4. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (14) eine nachgeordnete Schalteinrichtung (62) aufweist, die von Ausgangssignalen (64) der Steuer-/Regeleinrichtung (32) betätigbar ist und mit der der Ausgang (66) des Generators (14) an das Netz (68) anschließbar bzw. von dem Netz (68) trennbar ist.
  5. 5. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Welle (16) des Generators (12) ein Drehzahlgeber (30) zugeordnet ist und der Retarder (18) mittels einer Steuer-/Regeleinrichtung (32) in Abhängigkeit von den Ausgangssignalen (34) des Drehzahlgebers (30) steuerbar ist.
  6. 6. Bremseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (14) als Synchrongenerator ausgebildet ist, wobei dem Retarder (18) eine solche Steuer-/Regeleinrichtung (32) zugeordnet ist, die einen Winkelrechner zur Ermittlung des Phasenwinkels zwischen der Welle (16) des Generators (14) und der Netzphase aufweist.
  7. 7. Bremseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Resolver zur Detektion des Phasenwinkels der Welle (16) eingesetzt ist.
  8. 8. Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Retarder (18) in Abhängigkeit von dem Ausgang einer Phase-Lock-Loop-Schaltung mit Strom (38) beaufschlagt ist.
  9. 9. Bremseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (14) als Synchrongenerator ausgebildet ist, wobei dem Retarder (18) eine solche Steuer-/Regeleinrichtung (32) zugeordnet ist, die den Retarder (18) in Abhängigkeit des Stroms des Generators (14) mit einem Strom (38) beaufschlagt.
  10. 10. Bremseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strom des Generators (14) unter Absolutwertbildung aus der Summe der 3-Phasen-Ströme ermittelt wird.
  11. 11. Bremseinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (14) bei Erfassung negativer Phasenströme vom Netz (68) getrennt wird.
  12. 12. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremseinrichtung (10) durch zwei oder mehrere, unabhängig voneinander gesteuerte oder geregelte Retarder (18) gebildet ist.
  13. 13. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Retarder (18) unmittelbar der Welle (16) des Generators (14) zugeordnet ist.
  14. 14. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Retarder (18) einer mit einem Läufer des Generators (14) drehfest gekoppelten Scheibe o. dgl. zugeordnet ist.
  15. 15. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abtriebswelle (20) des Rotors (12) als Hohlwelle ausgebildet ist.
  16. 16. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Abtriebswelle (20) des Rotors (12) und die Welle (16) des Generators (14) ein Übersetzungsgetriebe (22) geschaltet ist.
  17. 17. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Retarder (18) einen Spulenkörper mit wenigstens einer zugeordneten Rotorscheibe (26, 28) aufweist.
  18. 18. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Retarder (18) mittels einer Steuer-/Regeleinrichtung (32) in Abhängigkeit von der Winkelbeschleunigung (36) der Welle (16) des Generators (14) steuerbar ist.
  19. 19. Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Retarder (18) mittels einer Steuer-/Regeleinrichtung (32) in Abhängigkeit von dem dem Retarder (18) zugeführten Strom (38) steuerbar ist.
  20. 20. Verfahren zur Betätigung einer Bremseinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Belastung des Generators (14) meßtechnisch als Istwert erfaßt wird, dieser Istwert mit einem einstellbaren Sollwert verglichen und in Abhängigkeit von dem Ergebnis dieses Vergleichs die Bremseinrichtung (10) betätigt wird.
  21. 21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Asynchrongenerators der Schlupf zwischen Läufer und Ständerdrehfeld meßtechnisch erfaßt und mit einem solchen Schlupf-Sollwert verglichen wird, der geringfügig unterhalb des Kippschlupfes (74) des Asynchrongenerators liegt.
  22. 22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verwendung eines Synchrongenerators der Winkel zwischen der Welle (16) des Generators (14) und der Netzphase meßtechnisch erfaßt und mit einem Winkel-Sollwert verglichen wird.
  23. 23. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Synchrongenerators der Strom des Generators (14) meßtechnisch erfaßt und mit einem Stromsollwert verglichen wird.
  24. 24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß vor einem Zuschalten des Generators (14) an das Netz (68) die Generatorfrequenz mit der Netzfrequenz und die Phasenlage der Generatorspannung mit der Netzspannung mittels des Retarders (18) synchronisiert werden und danach der Generator (14) dem Netz (68) zugeschaltet wird.






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