Beschreibung

[0001] Erregermaschine für einen Synchrongenerator

Technisches Gebiet

[0002] Die Erfindung betrifft eine Erregermaschine für einen Synchrongenerator. Sie betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines an einen Rotor angeschlossenen Synchrongenerators einer Windenergieanlage sowie eine Windenergieanlage mit einem Synchrongenerator und einer Erregermaschine selbst.

Stand der Technik

[0003] Synchrongeneratoren finden insbesondere bei der Erzeugung elektrischer Energie in Kraftwerken oder Kraftanlagen vielfach Verwendung. So werden sie insbesondere auch im Bereich von Windenergieanlagen eingesetzt. Dort wird ihnen die vom Rotor der Windenergieanlage aufgenommene mechanische Energie über eine Antriebswelle des Antriebsstranges drehzahlvariabel zugeführt.

[0004] Damit Synchrongeneratoren aus der zugeführten mechanischen Energie elektrische Energie gewinnen können, müssen sie zur Ausbildung eines magnetischen Erregerfeldes mit Gleichstrom erregt werden. Hierzu werden sogenannte Erregermaschinen verwendet. Diese Erregermaschinen sind üblicherweise selbst kleine Generatoren, die am Ausgang Wechselstrom erzeugen, der für die Erregung des Synchrongenerators gleichgerichtet werden muss.

[0005] Für die Ausbildung des erregenden Magnetfeldes in der Erregermaschine sind zwei unterschiedliche Möglichkeiten denkbar und finden Verwendung. Einerseits ist es möglich, das magnetische Feld für die Erregung der Erregermaschine mit Permanentmagneten zu erzeugen. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Eigenerregung bzw. einer eigen erregten Erregermaschine. Zum anderen werden Erregermaschinen auch als sogenannte fremd erregte Maschinen gebaut, bei denen das erregende Magnetfeld durch stromdurchflossene Spulen erzeugt wird, wozu von außen ein elektrischer Strom in das System eingebracht werden muss.

[0006] Eigen erregte Erregermaschinen finden dabei heute eher seltener PatXML 2/13

Verwendung. Sie haben insbesondere den Nachteil, dass sie aufgrund der beschränkten Feldstärke des erregenden Magnetfeldes nur eine beschränkte Ausgangsleistung erbringen können. Eine solche beschränkte Ausgangsleistung ist für die Erregung der Synchrongeneratoren bei hohen Leistungsdurchsätzen oft nicht mehr genügend, sodass die mit einem solchermaßen erregten Synchrongenerator erzeugbare Leistung beschränkt ist. Deshalb werden derzeit für die Erregung von Synchrongeneratoren insbesondere im Kraftwerksbereich, und hier besonders im Bereich von Windenergieanlagen, fremd erregte Erregermaschinen bevorzugt. Ein Beispiel einer fremd erregten Erregeranlage ist in der deutschen Patentschrift DE 2 504 894 C2 beschrieben.

[0007] Fremd erregte Erregermaschinen bieten dabei nicht nur den Vorteil, dass sie höhere Ausgangsleistungen erzeugen und damit den Synchrongenerator mit einer höheren Leistung erregen können, es bietet sich hier auch eine Möglichkeit der Steuerung des gesamten Generatorsystems durch die Steuerung des Erregerstromes in der Erregermaschine. Eine solche Steuermöglichkeit entfällt naturgemäß bei einer eigen erregten Erregermaschine.

[0008] Allerdings beinhalten fremd erregte Erregermaschinen einen Nachteil, der sich insbesondere im Bereich von Windenergieanlagen auswirkt und deutlich macht. Um nämlich das System insgesamt anlaufen lassen zu können und den Synchrongenerator für die Erzeugung von Energie zu erregen, muss der Erregermaschine selbst Energie zugeführt werden. Windenergieanlagen stehen häufig exponiert an abgelegenen Orten, zum Beispiel auf abgelegenen Feld- oder sonstigen Flächen oder sogar offshore im Wasser. Kommt es nun zu einem Stillstand einer Windenergieanlage, sei es aufgrund ausbleibenden Windes oder sei es aufgrund eines erzwungenen Anhaltens, zum Beispiel im Falle eines Netzausfalls, so fällt das System insgesamt tot, wenn nicht (was häufig nicht gegeben ist) eine Notstromversorgung vorhanden ist.

[0009] Enthält die Windenergieanlage keine eigene Notstromversorgung, so kann bei einem Netzausfall und hierfür gebremstem Rotor trotz vorhandenem PatXML 3/-13

Windes die Anlage nicht weiter laufen und Strom, zum Beispiel für die Aufrechterhaltung der eigenen Systeme, generieren. Auch im Falle eines sogenannten Kaltstarts, also eines Anlaufens der Systeme aus einem vollständigen Ruhezustand heraus, kann dies nur geschehen mit einer Fremdversorgung für die Erregermaschine. Hierfür muss Energie aus dem Netz entnommen werden, die der Windenergieanlagenbetreiber zu vergleichsweise hohen Kosten aus dem Netz abnehmen muss.

Darstellung der Erfindung

[0010] Hier setzt die Aufgabe der Erfindung an. Aufgabe der Erfindung ist es nämlich, eine Erregermaschine für einen Synchrongenerator anzugeben, die insbesondere bei einem drehzahlvariablen Betrieb sowohl die Erzeugung hoher Leistungen mit dem Synchrongenerator ermöglicht als auch einen eigenständigen Kaltstart bzw. einen Systembetrieb bei niedrigen Drehzahlen bzw. fehlendem Netz für die Abnahme hoher Leistung. Zudem soll ein Verfahren zum Betreiben eines an einen Rotor angeschlossenen Synchrongenerators einer Windenergieanlage angegeben werden, welches den oben aufgezeigten Kriterien genügt. Ferner soll auch noch eine Windenergieanlage verbesserter Bauform geschaffen werden.

[0011] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Erregermaschine für einen Synchrongenerator mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Eine verfahrensmäßige Lösung der Aufgabe ist in Anspruch 6 angegeben. In den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 sind vorteilhafte Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Erregermaschine aufgezeigt, die abhängigen Ansprüche 7 bis 10 enthalten vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Mit der Erfindung wird schließlich in Anspruch 11 auch noch eine Windenergieanlage verbesserter Bauweise angegeben.

[0012] Der wesentliche und erfindungsgemäße Gedanke der neuartigen Entwicklung und Bauform einer Erregermaschine für einen Synchrongenerator besteht darin, in einer Erregermaschine zwei Module vorzusehen, die beide für die Erregung des Synchrongenerators Verwendung finden können und von denen ein erstes ein eigen erregtes PatXML 4/13

und ein zweites ein fremd erregtes Modul ist. Auch wenn es im Rahmen der Erfindung liegt, dass grundsätzlich auch mehr als zwei Module vorgesehen werden können, so wird derzeit bevorzugt, genau zwei solcher Module, nämlich ein eigen erregtes und ein fremd erregtes Modul, anzuordnen.

[0013] Unter Modulen der Erregermaschine werden hier im Wesentlichen im Rahmen einer gemeinsamen Maschine untergebrachte Einheiten verstanden, die jeweils losgelöst voneinander eine Erregerspannung bzw. einen Erregerstrom für den Synchrongenerator erzeugen und liefern können. Dabei ist es ohne Weiteres denkbar, dass die einzelnen Erregermodule baulich vollständig voneinander getrennt sind. Ebenso liegt es aber auch im Rahmen der Erfindung, dass einzelne Bauteile der Erregermaschine gleichermaßen beiden Modulen, dem eigen erregten und dem fremd erregten Modul, zuzuordnen sind. Im weitesten Rahmen der Erfindung ist es letztlich auch möglich, dass die Erregermodule der Erregermaschine so weit getrennt sind, dass sie wie zwei getrennte Erregermaschinen aufgefasst werden können. Letztlich entscheidend dabei ist, dass die beiden Erregermodule mit ihren Ausgängen auf einen Eingang für die Erregerspannung bzw. den Erregerstrom des Synchrongenerators gelegt werden können, wobei eine wahlweise Schaltung des einen bzw. des anderen Moduls oder gegebenenfalls sogar beider Module zusammen für die eigentliche Erregung des Synchrongenerators möglich sein soll.

[0014] Insoweit wird im Rahmen der Erfindung üblicherweise eine Steuerung vorgesehen, die abhängig von vorgebbaren Parametern oder anhand einer manuellen Auswahl dasjenige bzw. diejenigen Erregermodul(e) vorsieht und verschaltet, die im jeweiligen Betriebsmodus zur Erregung des Synchrongenerators vorgesehen werden sollen.

[0015] Es dürfte ohne weiteres verständlich sein, dass mit der erfindungsgemäßen Erregermaschine die Erregung eines Synchrongenerators in unterschiedlichsten Betriebssituationen zuverlässig und bedarfsabhängig möglich ist, dies insbesondere bei einem drehzahlvariablen Betrieb des Synchrongenerators. Die so erzielbaren PatXML 5/-13

Vorteile wirken sich insbesondere auf dem Gebiet der Windenergieanlagen besonders aus.

[0016] Eine besonders kompakte Bauform einer erfindungsgemäßen

Erregermaschine ergibt sich, wenn sie wie in Anspruch 3 genannt gebildet ist. Der demnach auf einer gemeinsamen Welle mit dem Läufer des Synchrongenerators montierte Läufer der Erregungsmaschine mit Ankern und um den Anker angeordneten Leistungswicklungen stellt insofern die „Leistungskomponente" der Erregermaschine für beide Module, das eigen erregte und das fremd erregte Modul, dar. Diesem Läufer gegenüberliegend und als Stator angeordnet befinden sich dann einerseits Erregerspulen mit entsprechenden Zuleitungen des fremd erregten Moduls, andererseits Permanentmagneten des eigen erregten Moduls. Um die von der Erregermaschine so gelieferte Wechselspannung bzw. den Wechselstrom für die Gleichstromerregung des Synchrongenerators gleichzurichten, ist auf der gemeinsamen Welle den Leistungswicklungen nachgeschaltet eine Gleichrichterschaltung vorgesehen. Von dort wird die Erregerspannung bzw. der Erregerstrom in den das erregende Magnetfeld ausbildenden Läufer des Synchrongenerators eingespeist. Besonders kompakt wird eine Erregermaschine dieser Bauform dann, wenn die Permanentmagnete auf dem Stator im Bereich der Kerne der Erregerspulen angeordnet sind. Die kombinierte Erregermaschine unterscheidet sich damit hinsichtlich ihrer Dimension und der grundsätzlichen Bauweise im Wesentlichen nicht von einer üblichen Erregermaschine mit ausschließlicher Fremderregung. Der einzige und wesentliche Unterschied besteht in der zusätzlichen Anordnung von Permanentmagneten im Bereich der Kerne der Erregerspulen, wobei diese konstruktive Maßnahme keinen, jedenfalls keinen wesentlichen zusätzlichen Raumbedarf mit sich bringt. Diese Tatsache ist gerade im Bereich der Windenergieanlagen von entscheidendem Vorteil, da dort der Bauraum in der den Antriebstrang sowie den Generator typischerweise aufnehmenden Gondel beschränkt ist.

[0017] Als Gleichrichterschaltung wird bevorzugt eine einfache Diodenbrücke gewählt werden, die wartungsarm ist und problemlos auf einer rotierenden PatXML _6/13

Welle angeordnet werden kann.

[0018] Mit Vorteil wird eine mit einem Synchrongenerator ausgestattete und mit einer erfindungsgemäßen Erregermaschine ausgerüstete Windenergieanlage in unterschiedlichen Betriebsmodus betrieben. Für ein Anlaufen des Synchrongenerators beim Start der Windenergieanlage, insbesondere bei einem sogenannten Kaltstart, bei dem die Systeme der Anlage stromlos gefallen waren, wird zunächst das eigen erregte Erregermodul verwendet, um den Synchrongenerator zu erregen. Zum einen muss auf diese Weise für den Start keine Energie aus dem Netz bezogen und kostspielig eingekauft werden, um den Synchrongenerator zu erregen. Zum anderen ist es möglich, mit dem fremd erregten Erregermodul bereits bei vergleichsweise geringer Drehzahl des Rotors und damit der Generatorwelle (beispielsweise Drehzahlen in einem Bereich von 300 U/min) mit dem eigen erregten Erregermodul ausreichend Leistung zu generieren, um den Synchrongenerator zur Energiegewinnung anlaufen zu lassen. Bei einer Nutzung einer fremd erregten Erregermaschine bzw. des fremd erregten Moduls der erfindungsgemäßen Erregermaschine wären hierfür höhere Drehzahlen erforderlich.

[0019] Wenn der Synchrongenerator dann jedoch angelaufen ist und zumindest für eine Eigenversorgung der Systeme der Windenergieanlage ausreichend Energie generiert, kann dann die Erregung des Synchrongenerators mit dem fremd erregten Erregermodul vorgenommen werden. Dies hat dann den Vorteil, dass über eine Regelung der vom Generator abgezweigten Erregungsspannung für das fremd erregte Erregermodul der Erregermaschine die Ausgangsspannung des Synchrongenerators für eine Eigenversorgung der Systeme der Windenergieanlage geregelt wird. Dieser Betriebszustand ist insbesondere relevant in einem sogenannten „Idle"- Betrieb, in dem die Windenergieanlage nicht ins Netz einspeist, jedoch für die Aufrechterhaltung der eigenen Systeme, insbesondere zur Speisung der Steuerung und anderer Verbraucher, ausreichend Energie selbst erzeugen kann. Mit einer solchen Möglichkeit der Eigenversorgung ist es insbesondere nicht erforderlich, die Windenergieanlage bei einem kurz- PatXML 7/13

oder mittelfristigen Ausfall des Netzes, in das eingespeist werden soll, vollständig anzuhalten und die Systeme herunter zu fahren.

[0020] Fährt die Windenergieanlage unter voller Last und erzeugt elektrische Energie, die in das Netz eingespeist wird, so wird für die Erregung des Synchrongenerators bevorzugt auf das fremd erregte Erregermodul zurück gegriffen. Dabei kann dann über eine Regelung der Erregerspannung für das fremd erregte Erregermodul die Betriebsspannung des Systems bzw. die Windenergieanlage geregelt werden.

[0021] Schließlich ist es in einem Betriebszustand auch möglich, dass mit dem fremd erregten Erregermodul eine von dem eigen erregten Erregermodul herrührende Erregungsspannung weitgehend neutralisiert und so die Ausgangsspannung des Synchrongenerators auf einem möglichst niedrigen Niveau nahe Null, im Idealfall sogar bei Null, gehalten wird.

[0022] Grundsätzlich ist es dabei jederzeit denkbar, die von dem eigen erregten Erregermodul generierte Erregungsleistung mitzunutzen und zusammen mit der von dem fremd erregten Erregermodul generierten Erregungsleistung zur Erregung des Generators zu verwenden. Alternativ kann bei entsprechender Bauform vorgesehen sein, das eigen erregte Erregermodul abzuschalten bzw. kurzzuschließen. Sofern die Leistungsspulen für beide Module identisch sind, also nur ein Bauteil mit Leistungsspulen verwendet wird, die sowohl von den Permanentmagneten des eigen erregten Erregermoduls als auch von den Erreger- spulen des fremd erregten Erregermoduls erregt werden, kann stets zur weitgehenden Neutralisierung und Ausschaltung der Eigenerregung durch eine entsprechend gesteuerte Fremderregung gegengesteuert werden, zum Beispiel zu einer „Null-Erregung", bei der wie oben bereits beschrieben die Ausgangsspannung des Synchrongenerators auf einen niedrigen Wert nahe Null eingestellt wird.

[0023] Bestandteil der Erfindung ist schließlich auch eine Windenergieanlage mit einem Synchrongenerator und einer Erregermaschine, wie diese oben beschrieben ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0024] Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der PatXML 8/-I3

nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Figuren. Dabei zeigen:

[0025] Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erregung eines

Synchrongenerators gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und

[0026] Fig. 2 in einer schematischen, teilweise weg geschnittenen Teilansicht den Ständer der Erregermaschine in einer Ausführungsform gemäß der Erfindung.

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

[0027] In den Figuren ist in stark vereinfachter und schematisierter Form ein

Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Erregermaschine eines Synchrongenerators gezeigt. Die Darstellungen erheben dabei keinerlei Anspruch auf Vollständigkeit, beschränken sich auf reine Prinzipdarstellungen zur Erläuterung der wesentlichen Komponenten und Bestandteile des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.

[0028] In Fig. 1 ist in einem elektrischen Schaltdiagramm ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Erregermaschine nebst Ansteuerung und nachgeschalteter Gleichrichtung sowie dem zu erregenden Synchrongenerator dargestellt. Ein Erregersteller 1 ist mit einer Netzversorgung 2 verbunden. Der Erregersteller 1 enthält einen Gleichrichter 3 zum Erzeugen einer Gleichspannung aus der von der Netzversorgung 2 zur Verfügung gestellten Wechselspannung. Der Gleichrichter 3 wird durch ein Steuergerät 4 angesteuert, welches dem Gleichrichter bei 5 einen Sollwert vorgibt und bei 6 mit einem Istwert gespeist wird. Das Steuergerät 4 steuert darüber hinaus einen Netzschalter 7 an, mit dem die Netzversorgung 2 dem Gleichrichter zu- bzw. abgeschaltet werden kann.

[0029] Von dem Erregersteller 1 kann die über den Gleichrichter 3 gleichgerichtete Spannung auf die Erregerspulen 8 des Ständers der Erregermaschine gegeben werden. Mit den Erregerspulen 8 wird ein Magnetfeld zur Erregung des Läufers 9 der Erregermaschine erzeugt. Die Erregerspulen 8 und der Läufer 9 bilden insoweit ein erstes Modul der Erregermaschine, welches ein fremd erregtes Modul ist.

[0030] Zusätzlich sind in dem Ständer bzw. Stator der Erregermaschine in Bezug PatXML 9/-13

auf den Läufer 9 in geeigneter Anordnung Permanentmagneten 10 angeordnet, die zusammen mit dem Läufer 9 ein zweites Erregermodul bilden, das eigen erregt ist.

[0031] Dem Läufer 9 der Erregermaschine nachgeschaltet ist eine aus Dioden 11 gebildete Gleichrichterbrücke 12, deren Ausgang auf die auf dem Läufer des Synchrongenerators angeordneten Erregerspulen 13 gelegt ist. Diesem gegenüber liegt als Ständer 14 die eigentliche Erzeugereinheit des Synchrongenerators. Ferner ist in den Kreis zwischen der Gleichrichterbrücke 12 und der Erregerspule 13 noch ein Überspannungsabieiter 15 zwischengeschaltet.

[0032] Mit einer gestrichelten Linie ist schließlich angedeutet, welche der gezeigten Elemente sich auf der rotierenden Welle 16 des Systems befinden.

[0033] Im Betrieb wird der aus den rotierenden Erregerspulen 13 und dem

Ständer 14 gebildete Synchrongenerator mittels von der Erregermaschine erzeugtem Erregerstrom erregt. Der mit der Gleichrichterbrücke 12 gleichgerichtete, von dem Läufer 9 der Erregermaschine abgegriffene Strom wird den Erregerspulen 13 des Synchrongenerators zugeführt. Dort wird mittels des Gleichstroms ein Magnetfeld erzeugt, das durch die Bewegung des Läufers und der darin angeordneten Erregerspulen 13 relativ zu dem Ständer 14 dort einen Wechselstrom in den Spulen erzeugt. Die Erregung der Erregermaschine kann nun wahlweise über eines der Module, über das fremd erregte oder über das eigen erregte Modul, erfolgen (eine Erregung über das eigen erregte Modul findet dabei in der hier gezeigten Ausführungsvariante stets statt). So kann ohne externe Versorgung 2 nur das durch die Permanentmagnete 10 und den Läufer 9 gebildete eigen erregte Modul genutzt werden, um die Erregerspannung für die Erregerspulen 13 des Synchrongenerators zu generieren.

[0034] Alternativ kann unter Einschaltung der Netzversorgung 2 auch das fremd erregte Modul, gebildet durch die Erregerspulen 8 und den Läufer 9 Verwendung finden.

[0035] Wird das erfindungsgemäße System insbesondere in einer

Windenergieanlage eingesetzt, so ist die rotierende Welle 16 mit dem PatXML _{1 O} /13

Rotor der Windenergieanlage verbunden und wird von diesem angetrieben. Die Netzversorgung 2 kann entweder eine aus dem Stromnetz, an welches die Windenergieanlage angeschlossen ist, stammende Netzversorgung sein, oder aber bei bereits laufendem Synchrongenerator von der Ausgabespannung des Synchrongenerators abgezweigt sein.

[0036] Im normalen Betrieb wird die Erregermaschine überwiegend mit dem fremd erregten Modul betrieben werden, also hauptsächlich durch Zusammenwirken der Erregerspulen 8 mit dem Läufer 9 bzw. den darauf angeordneten Wicklungen. Insbesondere aber im Falle eines Kaltstartes, z.B. nach einem Netzausfall, kann zum ersten Anfahren der Windenergieanlage auf das eigen erregte Modul der Erregermaschine zurückgegriffen werden, also auf die Kombination aus Permanentmagneten 10 und Läufer 9, ohne dass die Erregerspulen 8 mit der Netzversorgung 2 beaufschlagt werden. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass für einen Kaltstart der Windenergieanlage keine elektrische Energie aus dem angeschlossenen Netz entnommen und kostspielig eingekauft werden muss.

[0037] In Fig. 2 ist in einer schematischen Darstellung ein Ausschnitt des Ständers 17 der erfindungsgemäß zwei Module enthaltenden Erregermaschine nach der Erfindung gezeigt. In dieser Ausgestaltungsvariante sind die Erregerspulen 8 um entsprechende Anker 18, die als Magnetfeld verstärkender Kern der Spulen dienen, gewickelt. In einem Bereich 19 sind die seitlichen Windungen der Spulen 8 weggeschnitten, und die Kerne 18 sind teilgeschnitten dargestellt. Hier ist gut zu erkennen, dass in den Kernen 18 die Permanentmagneten 10 eingelassen sind. Die Permanentmagneten 10 sind dabei abwechselnd mit dem Nord- bzw. dem Südpol der inneren Oberfläche des ringförmigen Ständers 17 zugewandt, um in üblicher weise ein alternierendes Magnetfeld in dem Ständer für die Erregung des Läufers 9 zu erzeugen. Die Spulen 8 sind so verschaltet, dass sie ein entsprechendes Magnetfeld wie der Permanentmagnet 10 zum zugehörigen Anker 18 erzeugen.

[0038] Aus der Darstellung in Fig. 2 ist noch einmal deutlich zu erkennen, dass PatXML 11/13

die Erregermaschine in diesem Ausführungsbeispiel eine Art Hybridmaschine ist, bei der beide Module, das durch die Permanentmagnete 10 und den Läufer 9 gebildete eigen erregte Modul wie auch das durch die Erregerspulen 8 und den Läufer 9 gebildete fremd erregte Modul mit einem Ständer und einem Läufer realisiert sind. Natürlich ist es im Rahmen der Erfindung aber ebenso möglich, die Module zu trennen, hierfür ggf. zwei eigenständige Ständer und zwei eigenständige Läufer vorzusehen.

[0039] Bezugszeichenliste

[0040] 1 Erregersteller

[0041] 2 Netzversorgung

[0042] 3 Gleichrichter

[0043] 4 Steuergerät

[0044] 5 Sollwert

[0045] 6 Istwert

[0046] 7 Netzschalter

[0047] 8 Erregerspule

[0048] 9 Läufer

[0049] 10 Permanentmagnet

[0050] 11 Diode

[0051] 12 Gleichrichterbrücke

[0052] 13 Erregerspule

[0053] 14 Ständer

[0054] 15 Überspannungsabieiter

[0055] 16 rotierende Welle

[0056] 17 Ständer

[0057] 18 Anker

[0058] 19 Bereich