WEA - Generator / Umrichter System

Question 1

Generator Typen bei WEA

Answer 1

Drehstrombauform

• Synchrongenerator
• Asynchrongenerator

Question 2

Arten Synchrongenerator

Answer 2

• Mit Permanentmagnet und Vollumrichter

- Mit Erregerweicklung, Gleichrichter und Erregerstrom- / Netzvollumrichter

Question 3

Arten Asynchrongenerator

Answer 3

• Käfigläufer polumschaltbar direkt am netz (bis 1,3 MW)
• Käfigläufer und vollumrichter (bis 3 MW)
• Bürstenloser doppelt-gespeist mit Teilrumrichter

Question 4

Aufbau Synchrongenerator

Answer 4

• Läufer mit konstantem Magnetfeld wird mechanisch gedreht
• Wicklungen im Stator sind jeweils um 120° räumlich versetzt
• > Drehstrom wird induziert
• Drehstrom und gebildete Drehfeld haben immer eine zur mechanischen Drehzal proportionale Frequenz
• Läufer und Drehfeld des Stators din bei Belastung um den Polradwinkel zueinander verdreht

Question 5

Synchrongenerator verhalten bei direkter Netzkopplung

Answer 5

-> ohne Umrichter ans netz

-> Drehzahlstarres verhalten
Spannung von 50 HZ soll erzeugt werden -> somit dreht der Rotor mit der synchrondrehzahl = Vu = const

-> Leistungsoptimum nur bei EINER Windgeschwindigkeit (Abgegebene Leistung schwankt stark mit der Windgeschwindigkeit)

Question 6

Fazit Synchrongeno mit direkter netzkopplung

Answer 6

-> Reduzierter aerodynamischer Wikrungsgrad

-> Abgegebene Leistung schwankt stark mit Windgeschwindigkeit
= Höhere mechanische Lasten / Netzbelastung

-> Drehzahl des Generatros muss immer konstant sein = anlaufproblem

—> Vermeidung direkter netzkopplung bei großen WEA
—> Verwendung Frequenzumrichter

Question 7

Synchrongeno über Umrichter ans Netz

Answer 7

Reglung von Drehzahl und Leistung erforderlich:

• kleiner Gleichrichter für Erregerkreis
• großer Frequenzumrichter für Ständerwicklung = muss gesamte ins Netz eingespeiste Leistung umsetzen

Question 8

Aufbau Asynchrongenerator

Answer 8

• Durch Drehstrom in Statorwicklungen (120 Grad versetzt) wird Statordrehfeld mit Drehzahl Ns proportional zu Netzfrequenz erzeugt
• Läufer mit Wicklungen wird mechanisch gedreht mit n-mech
• Solange Läufer relativ zum statorfeld dreht, wird Strom induziert
• Generatorbetrieb = n-mech > Synchrondrehzahl (Schlupf)

Question 9

Asynchrongenerator mit direkter netzkopplung

Answer 9

• > Drehzahlelastisches Verhalten
• > Schlupf verändert sich = Leistungsschwankugnen werden mit Drehzahl aufgefangen
• > Mechanische Lasten / Netzbelastung werden durch großen Schlupf reduziert
• > Reduzuierung des Wirkungsgrades mit steigendem Schlupf
• > direktkopplung bei kleinen WEA unproblematiisch

Question 10

Asynchrongenerator bei direkter Netzkopplung - Leistung

Answer 10

• Leistungsoptimiu wird nur in der Nähe einer Windgeschwidnigkeit erreicht
• Abgegebene Leistung schwankt weiterhin mit der Windgeschwindigkeit (weniger stark als bei synchron)

Question 11

Regelbarkeit und Optimierung ASG direkt am Netz

Answer 11

-> Drehzahlelastisches Verhalten reduziert Schwankungen der Rotordrehzahl mit Vwind
—> Reduzierung der Leistungsschwankungen durch höheren Schlupf

Optimierung:
-Nenndrehzahl (Arbeitspunkt) des ASG kann auf Nenn oder Teillast optimiert werden

-Nenndrehzahl in Stufen veränderbar durch umschaltbare polpaarzahl

Question 12

ASG mit Käfigläufer werden selten verwendet da..

Answer 12

• schlechter Wirkungsgrad

Question 13

Aufbau doppelgespeister ASG

Answer 13

• Drehfeld mit Drehzahl ns1 proportional zu Netzfrequenz
• Läufer mit Wicklung wird mech. Gedreht

-zusätzlich wird Läuferdrefeld erzeugt
Mit ns2
-> läuferdrefeld dreht mit n-mech + ns2

• n2,ges = ns1

Question 14

Prinzip ASG Doppelgespeist

Answer 14

-Läufer statt Kurzschluss über umrichter an Netzangeschlossen

• Druch Umrichter im Läuferkreis kann f2 variiert werden
• > Verändert n-mech

—> durch Wahl von f2 kann jede n-mech eingestellt werden

Question 15

Unterschied des doppelgespeisten ASG

Answer 15

• notwendige Läuferleistung wird nicht in Verlustwärme, sondern über Stromrichter ins Netzeingespeist (+10% wirkungsgradgewinn)

-Stromrichter muss nur für Elektrische Läuferleistung ausgelegt werden
PNetz = P-Läufer-Mech + P-Läufer-el

Question 16

Grundprinzip Umrichter

Answer 16

• Gleichrichter (IGBTs = ein- und ausschaltbarer leistungswilliger mit parallel geschalteten freilaufenden)
• Gleichspannugnszwishcenkreis (entsteht durch Kondensator
• Wechselrichter (IGBTs)

—> Welchsspannungen an Ein- und Ausgang haben unterschiedliche Frequenzen und Spannungen

Question 17

Standard Gleichrichterschaltung +

Answer 17

Drehstrombrückenschaltung

-> weniger welligkeit als bei mittelpunktschaltung

Question 18

Vorteil Freilaufdiode gegenüber nur Diode

Answer 18

• Herausschneiden von beliebigen Spannungsstücken

- bei veränderlicher Wechselspannung sinnvoll

Question 19

Grundprinzip Wechselrichter

Answer 19

• Gleichspannung wird durch die Ansteuerung von ein- und ausschaltbaren Leistungshalbleitern zu oder abgeschaltet
• Durch die Wahl der Pulslängen oder der Pulsfolgen kann eine Sinusschwingungen beliebiger Frequenz angenähert werden
• > Einschalten = zwei Schalter gleichzeitig eingeschaltet
• > Ausschalten = Nur ein Schalter ist eingeschaltet
• > Ausschalten mit Rückspeisen = Beide Schalter Aus (Rückspeisung gegen Quellspannung Udc - Diode verhinderte Umkehr der Stromrichtung

Question 20

Arten Wechselrichtertaktung

Answer 20

-Pulsfolgestuerung
= Wahl der Abstände zwischen Gleichklängen Pulsen (Pulsfolgesteuerung)

• Pulsbreitensteuerung (Wahl der Breite der Pulse innerhalb der gleichen Takte
• Zwei-Punkte-Regelung = Regelung des Sromes zwischen zwei Grenzwerten

Question 21

Drei und vielstufige Wechselrichter

Answer 21

Drei =
- Bessere Annäherung der Sinusschwinung

• mittlere Oberschwingungsgehalt

Vielstufig =
-Gute Annäherung der Sinusschwingung

• Einstz in Windenergieanlgen üblich
• Geringer Oberschwinungsgehalt
• ggf. tiefpassfilter erforderlich um Spannungsqualität einzuhalten

Question 22

Typische Umrichterschaltungen für Windenergieanlagen

Answer 22

• Vier-Stufige Umrichterschaltung für drei-phasigen Drehstrom
• Verwendung von sechs IGBTs pro Phase für Gleich- und Wechselrichter

Question 23

Aufbau von Wechselrichtern aus Modulen

Answer 23

IPM ( Intelligent Power Modul)

IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) mit Freilaufdiode

• bis 1200 V, 2400 A, 20 kHz
• Parallelschaltung von zwei Modulen möglich (keine Reihenschaltung)
• selbstvergessene, integrierter, Schutz, integrierte Steuerung
• induktivitätsarm
• Wasserkühlung

Question 24

Aufgabe des Umrichters bei Windenergieanlagen

Answer 24

• > Einstellung der benötigten Frequenz am Generator
• > Mechanische Drehzahl passend zu Vw ->
  1. SG -> Wechselspannung mit proportionaler mechanischer Drehzahl ->
  2. DASG -> Wechselspannung mit Frequenz passend zur mechanischen Drehzahl ->
• > Wechselspannung mit Netzfrequenz

Question 25

Inselbetrieb

Answer 25

Generator muss ohne äußeres Netz arbeiten -> Generator = einziger Erzeuger SG = kann Netz aufbauen(mech zu magnetischer), IB also möglich ASG/DASG = netzkopplung erforderlich um Statormgnetfeld aufzubauen, kein IB

Question 26

Geno Ohne Getriebe

Answer 26

-Baugröße wird durch maximales Moment bestimmt M = I x B (I Thermisch - / B magnetische Sättigung begrenzt) - Bei gleicher WEA Leistung - > Große Baugröße = kleine nGeno - > Kleine Baugröße = schnell drehend mit zusätzlichem Getriebe Abwägung: Kosten Baugröße / ausfallrisiko Getriebe

Question 27

Geno Ohne Geno | ASG / SG

Answer 27

SG -> Luftspalt zwischen Stator und Läufer bleibt im zentimeterbereich —> Toleranz und Verformung auch bei großen Ringgeneratoren unproblematisch ASG/DASG -> Kleiner Lufstpalt (< 1mm) —>schwirig bei langsam drehenden mit großem Durchmesser durch Verformung infolge magnetischer Kräfte —> ASG Ringgenerator wäre nur mit extremen Materialaufwand zu realisieren

Question 28

Geno - Wartung und Verschleiß

Answer 28

Hauptverschleisteil = Schleifringe Schleifring erforderlich: -SG mit Elektromagneten (zum Einspeisen der Erregerspannung auf Läufer) - ASG mit Schleifringläufer (Verbinden der Läuferwicklungen über widerstände) - DASG mit Schleinfringen (Einspeisen Läuferspannung) Keine Schleifreinge erforderlich: - SG mit Permanentmagneten / Wellengenerator - ASG mit Käfigläufer - DASG mit Trafo Übertragung der läuferspannung

Question 29

Geno Vergleich Zusammenfassung

Answer 29

``` ASG - direkte Kopplung nur für kleine WEA -> gereinigte kosten / Wartungsarm -> Große anlagen erfordern großen Schlupf um Last zu Verringern = geringer Wirkungsgrad —-> deshalb DASG für große WEA ``` SG vs. DASG mit Teilumrichter - SG mit Vollumrichter teurer - SG mit permanentmagnet ohne Getriebe Wartungsarm = offshore (Abhängigkeit von Magnetlieferant) —> Auswahl GENo-Umrichter-System abhängi von Kundenzielgruppe und Herstellerkompetenz