Antriebssystem Antriebskonzept für Windkraftanlagen macht Umrichter überflüssig

Redakteur: Udo Schnell

Während kleine Windkraftanlagen früher mit maximal zwei festen Drehzahlen betrieben wurden, würde dies bei heutigen Leistungsklassen extrem hohe Belastungen im Antrieb erzeugen. Große Anlagen bis zu 5 MW werden deshalb mit Windrotoren ausgestattet, deren Drehzahl sich kontinuierlich an die Windgeschwindigkeiten anpasst. Robuste und zuverlässige Synchrongeneratoren erzeugen den Strom.

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Win-Drive wandelt in Windkraft-Turbinen variable Eingangsdrehzahlen in konstante Ausgangsdrehzahlen für den Synchrongenerator um.Bild: Voith
Win-Drive wandelt in Windkraft-Turbinen variable Eingangsdrehzahlen in konstante Ausgangsdrehzahlen für den Synchrongenerator um.Bild: Voith
( Archiv: Vogel Business Media )

Für den Netzbetrieb muss die veränderliche Rotordrehzahl in eine konstante Generatordrehzahl übergeführt werden. Ein Frequenzumrichter diente dabei bisher als Bindeglied zwischen Generator und Netz. Die Nachteile: Verschleiß an den Schleifringen, begrenzte Kurzschlussströme und eine aufwändige Blindleistungskompensation für die Anlagenhersteller.

Mit dem neuen System Win-Drive von Voith Turbo Wind ist es möglich, ohne die bisherigen Nachteile variable Eingangsdrehzahlen in konstante Ausgangsdrehzahlen für den Synchrongenerator umzuwandeln. Für diese Entwicklung wurde der Hersteller mit dem Hermes-Award 2009 ausgezeichnet.

Zuverlässiges System erfüllt alle Anforderungen der Netzeinspeisung

Der Win-Drive ist ein mechatronisches System für Windturbinen in der Multi-Megawatt-Klasse, welches den Einsatz von direkt in das Netz gekoppelten kraftwerkserprobten Synchrongeneratoren erlaubt. Mit dieser Technik werden erstmalig alle Anforderungen der Netzeinspeisung und -stützung erfüllt. Weitere Vorteile der Win-Drive Technik:

  • hohe Zuverlässigkeit,
  • Gewichtsreduzierung des Antriebsstrangs bei Großanlagen,
  • hoher Wirkungsgrad.

Heutige, drehzahlvariable Windturbinen setzen sich aus Rotor, Getriebe, Generator und Frequenzumrichter, welcher entscheidend die Netz-einspeisequalität prägt, zusammen. Diese Technik kann das natürliche Verhalten (Anforderungen) eines Drehstromnetzes aber nicht zufriedenstellend abbilden.

Regelungsaufwand für Windkraft-Turbinen auf ein Minimum reduziert

Hauptanforderung an die Entwicklung des Win-Drives war die Umsetzung eines hochdynamischen Systems, welches in Millisekunden (20 ms) den Megawatt-Leistungsfluss einer Windturbine regelt. Die Innovation ist ein mechatronisches Konzept mit gleichartigem windturbinenspezifischen Systemverhalten, so dass der Regelungsaufwand auf ein Minimum reduziert werden konnte.

Das Prinzip des Win-Drive basiert auf einem Drehmomentwandler in Kombination mit einem als Überlagerungsgetriebe ausgelegten Planetengetriebe. Der Drehmomentwandler besitzt als Strömungsmaschine eine vergleichbare Leistungscharakteristik wie der Windrotor und lässt sich deshalb ideal mit diesem koppeln.

Dabei deckt er ein breites Drehzahlspektrum ab. Je nach Windgeschwindigkeit wird der Windrotor in der jeweils optimalen Drehzahl betrieben. Unabhängig davon erfolgt der Abtrieb zum Generator mit konstanter Drehzahl.

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