In Windturbinen der oberen Leistungsklasse werden derzeit im wesentlichen zwei Generatorsysteme eingesetzt.

Zum einen handelt es sich um hochpolige Synchrongeneratoren mit nachgeschalteten Gleichrichter-und Wechselrichtersyste- men. Bei diesen Generatoren wird die Hauptwelle direkt vom Propeller der Windturbine angetrieben und arbeitet dement- sprechend mit einer sehr niedrigen Drehzahl und damit auch Frequenz. Folglich wird sehr viel aktives Material (Blechpa- ket, Spulenkupfer usw. ) benötigt. Der Generator weist demnach ein hohes Gewicht auf. Weitere Nachteile liegen in dem daraus ebenfalls resultierenden großen Durchmesser des Generators sowie dem großen Luftspalt. Der Vorteil dieser Lösung liegt im Verzicht auf ein Getriebe.

Das andere verwendete System ist der über ein Getriebe ange- triebene doppelte gespeiste Asynchrongenerator mit niedriger Polzahl. Bei diesem Generator ist zwischen dem Propeller und der Hauptwelle ein Getriebe angeordnet, das die niedrige Flü- geldrehzahl des Propellers auf die Arbeitsdrehzahl des Gene- rators übersetzt. Das Getriebe muss dabei für die Nennleis- tung des Generators ausgelegt sein und ein Übersetzungsver- hältnis zwischen 1 : 50 und 1 : 100 aufweisen. Ein weiterer Nach- teil dieser Lösung ist die fehlende Fähigkeit dieses Genera- tors, einen Kurzschlussstrom zu treiben.

Die physikalischen Arbeitsbedingungen der Windturbine, die konstruktiven Notwendigkeiten der verwendeten Komponenten und

die Anforderungen des gespeisten Netzes lassen sich im we- sentlichen wie folgt zusammensetzen : - Die Propellerdrehzahl sollte niedrig liegen (typisch 15 bis 20 Umdrehungen pro Minute).

- Der Generator sollte eine hohe Drehzahl aufweisen, um so eine kompakte, gewichts-und kostensparende Generatorkon- struktion zu ermöglichen.

- Auf ein Getriebe sollte soweit wie möglich verzichtet wer- den, um Störquellen zu vermeiden und Gewicht und Kosten zu reduzieren.

- Die Windturbine sollte in einem Bereich von etwa 30% um die Nenndrehzahl gut betreibbar sein, um auch die Energie von Böen nutzen zu können, den Propeller mit der wirkungsgrad- optimierten Drehzahl betreiben zu können und um große, bö- enbedingte Leistungsschwankungen bei der Netzeinspeisung vermeiden zu können.

- Für die Einspeisung ins Netz und den Betrieb von leistungs- fähigen Energieübertragungssystemen ist weiterhin die Fä- higkeit, einen höheren Kurzschlussstrom zu treiben sowie Blindleistung erzeugen zu können und Oberwellen dämpfen zu können, von Vorteil.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Drehstrom-Asynchrongenerator der eingangs genannten Art zu schaffen, der die wesentlichen Nachteile der herkömmlichen Konstruktionen vermeidet und dennoch auf einfache und kosten- günstige Weise herstellbar ist.

Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Drehstrom-Asyn- chrongenerator dadurch gelöst, - dass die Hauptwelle über ein Getriebe mit einer konzen- trisch zur Hauptwelle angeordneten Zusatzwelle verbunden ist, so dass die Drehzahlen der Hauptwelle und der Zusatz- welle in einem festen Verhältnis zueinander stehen,

- dass im Gehäuse eine Statorwicklung, auf der Hauptwelle ei- ne Hauptrotorwicklung und auf der Zusatzwelle eine Zusatz- rotorwicklung angeordnet sind, - dass am Gehäuse Rotorklemmen und am Gehäuse und auf der Zu- satzwelle zusammenwirkende Kopplungseinrichtungen angeord- net sind, so dass über die Rotorklemmen und die Kopplungs- einrichtungen ein Erregerstrom in die Zusatzrotorwicklung einspeisbar ist, - dass der in die Zusatzrotorwicklung eingespeiste Erreger- strom in der Hauptrotorwicklung einen Zwischenstrom indu- ziert, der wiederum in der Statorwicklung einen Generator- strom induziert, und - dass am Gehäuse mit der Statorwicklung verbundene Stator- klemmen angeordnet sind, über die der Generatorstrom ab- greifbar und in ein Versorgungsnetz einspeisbar ist.

Bei dieser Ausgestaltung ist zwar immer noch ein Getriebe er- forderlich. Das Getriebe muss aber im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mehr für die Nennleistung des Generators, son- dern nur noch für die in die Zusatzrotorwicklung eingespeiste Erregerleistung ausgelegt sein. Diese Leistung ist aber er- heblich geringer als die Nennleistung des Generators.

Wenn das Getriebe innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, ist der Aufbau des Drehstrom-Asynchrongenerators besonders ein- fach.

Wenn das Getriebe als Planetengetriebe ausgebildet ist, ist das Getriebe besonders kompakt realisierbar.

Wenn die Drehbewegungen der Hauptwelle mit der Zusatzwelle gegenläufig zueinander sind, arbeitet der Generator besonders wirksam.

Wenn das Verhältnis von Drehzahl der Zusatzwelle zu Drehzahl der Hauptwelle mindestens bei 10, insbesondere zwischen 20

und 30, liegt, ergibt sich trotz niedriger Drehzahl der Hauptwelle eine hohe Drehzahl der Zusatzwelle.

Wenn die Statorwicklung radial außen und die Zusatzrotorwick- lung radial innen angeordnet sind sowie die Hauptrotorwick- lung radial zwischen der Statorwicklung und der Zusatzrotor- wicklung angeordnet ist, ergibt sich ein konstruktiv beson- ders günstiger Aufbau des Generators.

Die zusammenwirkenden Kopplungseinrichtungen können alterna- tiv als Schleifringe und Bürsten oder als induktive Kopp- lungselemente ausgebildet sein.

Wenn dem Generator eine Steuerung zugeordnet ist, mittels de- rer der Erregerstrom derart regelbar ist, dass der Generator- strom eine feste Frequenz aufweist, lässt sich auch ein Be- trieb bei variabler Drehzahl der Hauptwelle auf einfache Wei- se realisieren.

Der erfindungsgemäße Generator wird vorzugsweise in einer Windkraftanlage verwendet. Auch andere Anwendungen, insbeson- dere bei Wasserkraftanlagen, sind aber denkbar.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach- folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbin- dung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung FIG 1 schematisch eine Windkraftanlage, FIG 2 einen Schnitt längs der Linie II-II von FIG 1, FIG 3 einen Schnitt längs der Linie III-III von FIG 1, FIG 4 eine geringfügig andere Darstellung der Windkraft- anlage von FIG 1 und FIG 5 eine alternative Detailgestaltung.

Gemäß FIG 1 weist ein Drehstrom-Asynchrongenerator 1 ein Ge- häuse 2 auf. Im Gehäuse 2 ist eine Hauptwelle 3 gelagert. Die Lagerung der Hauptwelle 3 erfolgt dabei an beiden Enden des

Gehäuses 2. An die Hauptwelle 3 ist von außerhalb des Gehäu- ses 2 ein Antriebselement 4 ankuppelbar. Das Antriebselement 4 ist im vorliegenden Fall als Propeller 4 ausgebildet, der durch Wind 5 angetrieben wird. Der Generator 1 wird somit im vorliegenden Fall in einer Windkraftanlage verwendet.

In FIG 1 nicht mit dargestellt ist eine Bremse, mittels derer das Antriebselement 4 arretierbar ist. Eine derartige Bremse kann zwischen dem Antriebselement 4 und dem Gehäuse 2 ange- ordnet sein, eventuell auf einem eigenen Verbindungselement zwischen dem Antriebselement 4 und der Hauptwelle 3.

Gemäß den FIG 1 und 2 ist die Hauptwelle 3 über ein Getriebe 6 mit einer Zusatzwelle 7 verbunden. Die Zusatzwelle 7 ist dabei ersichtlich konzentrisch zur Hauptwelle 3 angeordnet.

Die Zusatzwelle 7 ist im vorliegenden Fall in einem Lagerring des Gehäuses 2 und in der Hauptwelle 3 gelagert. Prinzipiell könnten aber auch beide Lagerungen der Zusatzwelle 7 in der Hauptwelle 3 angeordnet sein.

Das Getriebe 6 ist ersichtlich innerhalb des Gehäuses 2 ange- ordnet und als Planetengetriebe 6 ausgebildet. Es weist daher ein Hohlrad 8, ein Sonnenrad 9 und mehrere Planetenräder 10 auf. Das Hohlrad 8 ist drehfest auf der Hauptwelle 3 angeord- net. Das Sonnenrad 9 ist drehfest auf der Zusatzwelle 7 ange- ordnet. Die Planetenräder 10 sind drehfest mit dem Gehäuse 2 verbunden.

Aufgrund dieser Anordnung und Ausgestaltung des Getriebes 6 stehen die Drehzahlen nH, nZ der Hauptwelle 3 und der Zusatz- welle 7 in einem festen Verhältnis zueinander. Das Verhältnis der Drehzahlen nH, nZ liegt dabei vorzugsweise zwischen 20 und 30. Mindestens sollte es bei 10 liegen. In jedem Fall dreht sich somit die Zusatzwelle 7 erheblich schneller als die Hauptwelle 3. Aufgrund der Ausgestaltung des Getriebes 6 sind die Drehbewegungen der Hauptwelle 3 und der Zusatzwelle

7 ferner gegenläufig zueinander. Dies ist in FIG 2 durch ent- sprechende Pfeile A, B angedeutet.

Gemäß den FIG 1 und 3 ist im Gehäuse eine Statorwicklung 11 angeordnet. Auf der Hauptwelle 3 ist eine Hauptrotorwicklung 12 angeordnet. Auf der Zusatzwelle 7 ist eine Zusatzrotor- wicklung 13 angeordnet. Die Statorwicklung 11 ist ersichtlich radial außen angeordnet, die Zusatzrotorwicklung 13 radial innen. Die Hauptrotorwicklung 12 ist radial zwischen der Sta- torwicklung 11 und der Zusatzrotorwicklung 13 angeordnet. Die Wicklungen 11 bis 13 sind Drehstromwicklungen. Ihre Polzahl beträgt vorzugsweise 4 oder 6, maximal 8.

Gemäß den FIG 1 und 4 sind am Gehäuse 2 Rotorklemmen 14 ange- ordnet. Am Gehäuse 2 sind ferner Kopplungseinrichtungen 15 angeordnet. Die Kopplungseinrichtungen 15 sind gemäß FIG 4 als Bürsten 15 ausgebildet. Sie wirken mit Kopplungseinrich- tungen 16 zusammen, die als Schleifringe 16 ausgebildet sind und auf der Zusatzwelle 7 angeordnet sind. Über die Rotor- klemmen 14 und die Kopplungseinrichtungen 15,16 ist somit ein Erregerstrom IE in die Zusatzrotorwicklung 13 einspeis- bar. Der in die Zusatzrotorwicklung 13 eingespeiste Erreger- strom IE induziert in der Hauptrotorwicklung 12 einen Zwi- schenstrom IZ. Der Zwischenstrom IZ wiederum induziert in der Statorwicklung 11 einen Generatorstrom IG. Der Generatorstrom IG ist über Statorklemmen 17, die am Gehäuse 2 angeordnet und mit der Statorwicklung 11 verbunden sind, abgreifbar und in ein Versorgungsnetz 18 einspeisbar.

Das Versorgungsnetz 18 weist eine Netzfrequenz f auf. Der Ge- neratorstrom IG weist eine Generatorfrequenz f'auf. Zur ord- nungsgemäßen Einspeisung des Generatorstroms IG in das Ver- sorgungsnetz 18 muss die Generatorfrequenz f'mit der Netz- frequenz f identisch sein. Dem Generator 1 ist daher eine Steuerung 19 zugeordnet. Der Steuerung 19 werden die Netzfre- quenz f und die Generatorfrequenz f'zugeführt. Die Steuerung 19 steuert dann einen Umrichter 20 derart an, dass die Fre-

quenz f'des Generatorstroms IG mit der Netzfrequenz f über- einstimmt. Die Steuerung 19 regelt den Erregerstrom IE also derart, dass die Generatorfrequenz f'des Generatorstroms IG mit der Netzfrequenz f übereinstimmt. Erst wenn dies der Fall ist, schließt die Steuerung 19 einen Schalter 21 und koppelt so die Statorklemmen 17 an das Versorgungsnetz 18 an. Die Steuerung 19 regelt den Erregerstrom IE also auch derart, dass der Generatorstrom IG eine feste Frequenz, nämlich die Netzfrequenz f, aufweist.

Die oben stehend beschriebene Regelung wird selbstverständ- lich kontinuierlich weitergeführt. Auch nach dem Schließen des Schalters 21 wird daher ständig der Erregerstrom IE nach- korrigiert, um die Frequenz f'des Generatorstroms IG auf der Netzfrequenz f zu halten. Im Netzparallelbetrieb entspricht dies der Leistungsregelung.

Das Prinzip der Regelung ist von konventionellen doppelt ge- speisten niederpoligen Drehstrom-Asynchrongeneratoren an sich bekannt. Auf die Details der Regelung wird daher nachfolgend nicht eingegangen.

FIG 5 zeigt eine Detailabwandlung der Kopplungseinrichtungen von FIG 4. Im Unterschied zu FIG 4 sind die zusammenwirkenden Kopplungseinrichtungen 15,16 nicht als Bürsten 15 und Schleifringe 16, sondern als induktive Kopplungselemente 15, 16 ausgebildet. Im übrigen entspricht die Ausgestaltung von FIG 5 der von FIG 4.

Mittels der vorliegenden Erfindung werden die Vorteile von doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren beibehalten, deren Nachteile aber vermieden. Denn das Getriebe 6 muss nur noch für die Erregerleistung ausgelegt sein, nicht mehr für die Nennleistung des Generators 1. Die Erregerleistung ist aber im Volllastbetrieb des Generators 1 sehr klein und auch im Teillastbetrieb nur ein Bruchteil der Nennleistung des Gene- rators 1. Das Getriebe 6 kann also erheblich kleiner ausge-

bildet werden als im Stand der Technik und darüber hinaus auch in das Gehäuse 2 integriert werden.

Abschließend sei noch bemerkt, dass der erfindungsgemäße Ge- nerator 1 derart ausgelegt werden muss, dass er auch bei ma- ximaler (mechanischer) Drehzahl nH der Hauptwelle 3 untersyn- chron betrieben wird und eine kleine Regeldifferenz bleibt.