Synchron-Generatortuning mit Kaskaden

Speziell Windkraftgeneratoren müssen sehr kleine und sehr große Leistungen möglichst effizient verarbeiten. Grundsätzlich ist das so, daß insbesondere Synchrongeneratoren eine Kennlinie aufweisen, die bei größeren Leistungen mehr oder weniger spürbar flacher wird. Das liegt insbesondere daran, daß bei hohen Leistungen die ohmschen Kupferverluste ansteigen, der Wicklungsdraht wird mit dem Quadrat der Leistungszunahme zunehmend erhitzt.

Bei Windkraftgeneratoren steht der Konstrukteur vor dem Problem, daß einerseits schon bei einer Windgeschwindigkeit von etwa 3 m/sec und entsprechenden Wicklungszahlen des Stators die volle Arbeitsspannung etwa zu Ladezwecken oder als DC-Zwischenspannung bei Einspeisewechselrichtern zur Verfügung stehen soll, andererseits die Wicklung bzw. deren Draht nicht so dick gemacht werden kann, daß bei Maximalleistung (bei etwa 12-15 m /sec) kaum Wicklungsverluste auftreten. Zudem würden dicke Wicklungsdrähte entsprechend breite Nuten in den Stator-Blechpaketen erfordern, was die magnetischen Flüsse tendenziell zunehmend schwächt und so der Generatorleistung abträglich ist. Eine Generatorauslegung kann in diesem Sinne daher nur der beste Kompromis zwischen einander widerstrebender Eigenschaften sein.

"Normale" Generatorkennline (blau) mit deutlicher Abflachung und resultierender Leistungsbegrenzung.

Werden die Kupferverluste minimiert (rot), dann sind deutliche Leistungsgewinne möglich (grün schraffiertes Gebiet).

Typische Generatorkennlinie

Schon lange bekannte Lösungen für dieses Dilemma bzw. Problem sind Doppelgeneratoren oder Generatoren mit Drehlzahl- bzw. Polumschaltung. Eine Wicklung für Schwachwind, eine für Starkwind. Solche Lösungen können aber auch Nachteile mit sich bringen: Störspannungen beim Umschalten, evtl. starker Schützkontaktabbrand, Isolationsprobleme in den Wicklungen, Ruckeln in den Übergangsbereichen und, und.....

Als andere Alternative können Kaskadenschaltungen bei diesen Einsatzgebieten durchaus Vorteile bringen: Die Generatorwicklung kann auf Maximalleistung ausgelegt werden, eine Kaskade "boostert" die Spannung bei den kleinen Drehzahlen auf das notwendige Spannungsniveau.

Prinzipiell sind solche Verdopplerschaltungen übrigens schon seit vielen Jahrzehnten bekannt, etwa als automatische 115V-230 V-Umschaltung für netzbetriebene Consumer- Geräte (Siemens liefert schon viele Jahre opto-triac-basierte Systeme für den Kleinleistungsbereich). Es gibt auch Schaltungen, die mit normalen Brückengleichrichtern Verdoppler aufbauen.

Synchrongeneratortuning

(Schema): Eine schaltbare Kaskadenschaltung (gelb) bedient die niedrigen Drehzahlen, eine konventionelle Grätz-Brücke (rot) bedient die hohen energiereichen Drehzahlen.

Kaskade für WKA-Synchrongeneratoren

 

Bei der hier skizzierten Schaltung bildet eine Grätzbrücke eine Art "passiver Bypass" für die Kaskade bei den höheren Drehzahlen des Generators. Denn diese Grätzbrücke bzw. deren Dioden können nur Ströme durchlassen, wenn die AC-Eingangsspannung Ue im aktuellen Augenblickswert höher als die Lastspannug Ua ist. Ist die Eingangsspannung kleiner als die Last-Sollspannung, dann wird die Kaskade aktiv: Die sonst üblichen Kaskaden-Dioden sind durch Thyristoren ersetzt, die dann durch eine Kontroll-Logik aktiviert werden müssen. Ansonsten würden im oberen Leistungsbereich durch die Kaskadenkondensatoren Blindströme fließen, die den guten Wirkungsgrad kaputt machen würden, geschweige denn, daß sich die Kondensatoren sich in Folge dessen zu sehr erwärmen würden.

Die Steuerlogik für die Thyristoren muß sicherstellen, daß zwei Thyristoren niemals zwei ungleich geladene Kondensatoren bzw. Spannungsniveaus miteinander verbinden. Denn die Ausgleichsströme zwischen Kondensatoren sind im theoretischen Ideal unendlich groß (was zur sofortigen Thyristorzerstörung führen würde), zudem steigt der Energieinhalt eines Kondensators fatalerweise quadratisch mit der gespeicherten Spannung. Ein Synchron-Generator begrenzt dagegen die möglichen Ströme etwa auf seine Nennwerte. Dies gilt nicht unbedingt für Asynchrongeneratoren, wenn er kondensatorerregt ist.

Die Steuerlogik könnte auch dafür sorgen, daß etwa in den Übergangsbereichen ein Pendeln zwischen Kaskaden- und reinem Brückenbetrieb jeweils pro Halbwelle und im übertragenen Sinne eines "Tastverhältnisses" gefahren werden. Das verhindert "Bremsstöße", wenn die Brücke aktiv wird, der Übergang zwischen den Drehzahlbereichen wird "weich".

Kurvenformen: Bereits die Spitze einer Sinusspannung zB. aus einem Asynchrongenerator speist in einen Gleichspannungslastkreis ein, soweit die Sinusspitze das DC-Spannungsniveau übersteigt. Der Sinus wird dabei "planiert", sofern die DC-Last diese Leistung aufnehmen kann, so etwa beim Akkuladebetrieb o.ä.

Natürlich gilt dieses Prinzip auch für 3- oder sonstige mehrphasige Generatoren, wobei sich die Kaskaden leistungserhöhend und bauteilminimierend in einander verschachteln lassen.

Nicht zuletzt haben solche "elektronische Zweigangschaltungen" den Vorteil niedrigerer Drehzahlen im Schwachwindbereich: Das verhindert die berühmten "Flatter- und Zischgeräusche" der Rotorblätter, weil die Flügelspitzengeschwindigkeiten zu groß sind, weil die Generatordrehzahlen abgesenkt werden können. Trotzdem kann die abgebbare Maximalleistung deutlich steigen, weil die Generatoren stärker belastet werden können. Das ermöglicht wiederum der Weiterbetrieb der WKA bei höheren Windgeschwindigkeiten, was den Energieertrag etwas steigert. Der größte Gewinn wird sich jedoch bei den mittleren und hohen Windgeschwindigkeiten einstellen, weil die statistisch bzw. energetisch deutlich am häufigsten sind.

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