[go: up one dir, main page]

WO2009127402A2 - Generatorenanordnung - Google Patents

Generatorenanordnung Download PDF

Info

Publication number
WO2009127402A2
WO2009127402A2 PCT/EP2009/002751 EP2009002751W WO2009127402A2 WO 2009127402 A2 WO2009127402 A2 WO 2009127402A2 EP 2009002751 W EP2009002751 W EP 2009002751W WO 2009127402 A2 WO2009127402 A2 WO 2009127402A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
generator
gear
arrangement according
generator arrangement
synchronous
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/002751
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2009127402A3 (de
Inventor
Andreas Vath
Heinz Josef Tenberge
Bernd Schnurr
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2009127402A2 publication Critical patent/WO2009127402A2/de
Publication of WO2009127402A3 publication Critical patent/WO2009127402A3/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D15/00—Transmission of mechanical power
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D15/00—Transmission of mechanical power
    • F03D15/10—Transmission of mechanical power using gearing not limited to rotary motion, e.g. with oscillating or reciprocating members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/70—Application in combination with
    • F05B2220/706—Application in combination with an electrical generator
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/40—Use of a multiplicity of similar components
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/40—Transmission of power
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a generator arrangement according to the preamble of patent claim 1.
  • a generator arrangement for wind turbines in which one or more generators are operated depending on the wind speed, wherein a generator is connected to the rotor and the other generators can be selectively connected via a transmission.
  • a disadvantage of this concept is that parts of the transmission also run in low-wind operation and thus reduce the efficiency.
  • the invention has the object to provide a generator arrangement which has a comparatively high efficiency with minimal device engineering effort over different operating states of the system.
  • the generator arrangement according to the invention has a driven input shaft, via which a temporally variable input power is introduced into the system.
  • the input shaft is connected to a first ring generator.
  • the arrangement according to the invention has at least one further generator, which is connected via a clutch and a transmission with the input shaft.
  • Such a generator arrangement has the advantage that it is easy and low-wear of a "one-generator operation" by operating the clutch - ie an operation only of the 322418 DE
  • Ring generator - can be switched to a "all generators operation", in the former operating condition only small masses must be set in rotation.
  • the two operating conditions, the arrangement can be optimized separately with lower available drive power and higher available power ,
  • the first generator is connected directly to the input shaft, ie without an intermediate gearbox. This avoids any gearbox loss in "single-generator operation.” If there is a clutch between the powertrain and the first generator, the first generator can be disconnected from the powertrain in the event of a fault.
  • the first generator is a synchronous generator.
  • the use of a synchronous generator means compared to an asynchronous generator at slow drive speeds less space and a higher efficiency because of the lower excitation power demand.
  • the synchronous generator is assigned a frequency converter which converts the current generated by the synchronous generator into alternating current so that the generated current can be fed into the network.
  • the frequency converter and the system controller are designed so that they can serve in interaction with the synchronous generator as a rotation or Torsi ⁇ nsdämpfer for the entire generator arrangement and the drive train.
  • load surges and vibrations of a provided on the input shaft rotor or propeller can be reduced, which serves to convert the wind or water energy into rotational energy.
  • components of the generator assembly and the drive train are spared and they can be designed cheaper, lighter and smaller.
  • maintenance intervals and the service life of individual parts can be extended.
  • the frequency converter can be controlled so that it can control the power distribution between the synchronous generator on the one hand and the other generator.
  • the generator which produces more power, can be operated optimally, while the other generator may also be operated with a lower efficiency, with the result that the arrangement is operated holistically with maximum efficiency.
  • the arrangement has a control means by which the clutch can be automatically disconnected or connected, depending on the power or speed available on the input shaft.
  • the additional generator can be switched off and the synchronous generator can be operated in its optimum rated speed range.
  • only minimal masses are set in rotary motion, whereby the efficiency of the arrangement is improved, especially at fluctuating speeds.
  • the clutch is arranged in front of the transmission, whereby no gear parts must be moved when the arrangement is in low-wind operation.
  • the transmission consists of several gear sections or stages and the clutch (seen in the direction of flow of force) is arranged behind a first gear stage.
  • one or more gear stages are formed as Stirnrad- and / or planetary gear and its constructive derivatives, preferably planetary gear each consists of a sun gear, a ring gear and a plurality arranged on a land planetary gears.
  • planetary gear each consists of a sun gear, a ring gear and a plurality arranged on a land planetary gears.
  • the first gear stage is a planetary gear
  • the synchronous generator or its rotor is on the ring gear - preferably on the outer surface - fixed. This material can be saved, since an inner section of the rotor is eliminated.
  • the generator arrangement according to the invention is used particularly useful, if not constant or fluctuating driving forces are available at the input shaft. This is e.g. the case of wind turbines or tidal, wave or hydroelectric power plants.
  • Figure 1 shows a first embodiment of a generator arrangement according to the invention in the lateral section
  • Figure 2 shows a second embodiment of a generator assembly according to the invention in the lateral section.
  • Figure 1 shows schematically a first embodiment of the generator assembly according to the invention in the lateral section.
  • a drive shaft On the left in Figure 1 end of a drive shaft 1, for example, in the case that the arrangement is provided in a wind turbine, a non-illustrated rotor attached, which provides a mostly fluctuating drive power to the drive shaft 1 available.
  • a synchronous generator 2 On the drive shaft 1, a synchronous generator 2 is provided, which has a relatively low rated speed or 322418 DE
  • This synchronous generator 2 essentially has a rotor 4 rotating with the drive shaft 1 and a stator 6 mounted on the inner circumference of a generator housing (not shown).
  • the drive shaft 1 can be separated by a coupling 8 from a short ring gear shaft 10.
  • the ring gear 10 is coupled to a ring gear 12 of a first planetary gear 14.
  • This is constructed in the manner known to those skilled in the art and in this case has two planet wheels 16, 16 a, which are mounted on a web 18. Between the planet gears 16, 16 a, a sun gear 20 is arranged, which is connected to a further shaft 22.
  • the sun gear 20 and the planetary gears 16, 16a external teeth, while the ring gear 12 has internal teeth, so that the planetary gear 14 from the rotation of the driven ring gear 12, a rotation of the web 18 and / or the shaft 22 with higher speed and lower Can produce torque in the known manner.
  • the web 18 is fixed so that the planetary gears 16, 16a can indeed rotate, but do not revolve around the sun gear 20.
  • the rotating shaft 22 drives an associated further ring gear 12a of another planetary gear 14a.
  • the planetary gear 14a is basically constructed equal to the first planetary gear 14 and has an output shaft 26, which in turn serves as a drive shaft of a further gear stage 28 with increased speed.
  • the gear stage 28 translates the rotational speed of the shaft 26 into the rotational speed of the shaft 30. 322418 DE
  • the arrangement can be operated in the following two states:
  • the clutch 8 is disconnected so that the ring gear shaft 10, the two planetary gears 14, 14a, the further gear stage 28 and especially the fast or medium speed generator 32 are not driven.
  • the available at the drive shaft 1 relatively low driving force is provided according to the invention without lossy conversion of torque and speed through gearbox completely and directly on the synchronous generator 2, which is designed for the voltage applied in Schwacnvvindbeirieb low speeds and generates alternating current.
  • the alternating current is smoothed by a frequency converter, not shown, and converted into line-compatible uniform alternating current.
  • the generator assembly is operated even with stronger wind with connected or closed clutch 8 with maximum efficiency.
  • a wind turbine can be adapted to changing wind strengths, and thus provide maximum power over wide speed ranges.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the generator arrangement according to the invention.
  • the synchronous generator 102 and the first planetary gear 114 are not separable by a clutch, but the rotor 104 of the synchronous generator 102 is fixed to the outer circumferential surface of the ring gear 112.
  • the ring gear 112 of the first planetary gear 114 rotates in synchronism with the rotor 104 of the synchronous generator 102.
  • the planetary gear 114 has the same structure as the planetary gear 14 of the first embodiment.
  • a clutch 108 is arranged which can separate a sun gear 122 from a short ring gear 125 and the first planet gear 114 from the second planet gear 114a.
  • the structure of the generator assembly according to the second embodiment corresponds in the direction of the force curve viewed from the second planetary gear 114a the structure of the generator assembly of the first embodiment from the planetary gear 14a, so that a re-description is unnecessary.
  • the operation of the second embodiment corresponds in principle to that of the first embodiment, wherein the overall length of the arrangement in the second embodiment is lower because of the combination of the synchronous generator 102 and the first planetary gear 114, while the scope of the invention. 322418 DE
  • the further gear stage 28 can also be dispensed with or consist of a plurality of further gear stages.
  • the webs 18, 18a are fixed so that the planetary gears 16, 16a can not move around the sun gear 20 along the circular paths. Deviating from this, the webs 18, 18a may also be rotatably mounted. In addition, more than two planetary gears may be distributed on the circumference of the webs 18, 18 a. These variants also apply analogously to the second exemplary embodiment according to FIG. 2.
  • the coupling 8 can also be located at another location, e.g. be arranged between the two planetary gears 14, 14a.
  • the coupling 108 may also be located elsewhere, e.g. be arranged between the second planetary gear 114a and the further gear stage 28.
  • the sun gear 120 may be fixed to the housing and, instead, the bridge 118 may be connected to the clutch 108.
  • a generator arrangement for converting mechanical energy into electrical energy with a drive shaft which is connected to a first synchronous generator.
  • the arrangement according to the invention has at least one 322418 DE
  • a clutch is arranged in the power flow from the drive shaft to the at least one further generator.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Wind Motors (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)

Abstract

Offenbart ist eine Generatorenanordnung zur Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einer Antriebswelle, die mit einem ersten Synchrongenerator verbunden ist. Außerdem hat die erfindungsgemäße Anordnung mindestens einen weiteren Generator, der über ein Getriebe mit der Antriebswelle verbunden ist. Darüber hinaus ist im Kraftfluss von der Antriebswelle zu dem mindestens einen weiteren Generator eine Kupplung angeordnet.

Description

Generatorenanordnung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Generatorenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Anlagen zur Wandlung von nicht konstant zur Verfügung stehender mechanischer Energie in elektrische Energie besteht das Problem, dass die verwendeten elektrischen Generatoren aus technischen Gründen in einem nach oben beschränkten Drehzahlbereich betrieben werden müssen und aus Gründen der Effizienz in einem noch weiter eingeschränkten Drehzahlbereich betrieben werden sollten. Daher erzeugen derartige Anlagen, die z.B. mit Wind- oder Wasserenergie angetrieben werden, elektrische Energie, die betragsmäßig deutlich hinter der zur Verfügung stehenden bzw. eingeleiteten Wind- oder Wasserenergie zurückbleibt. Diese Ein- büßen entstehen einerseits, wenn zu wenig Wind- oder Wasserenergie zur Verfügung steht, durch einen schlechten Wirkungsgrad des Generators oder z.B. durch die Reibungsverluste eines zwischengeschalteten Getriebes. Wenn andererseits zu viel Wind- oder Wasserenergie zur Verfügung steht, müssen derartige Anlagen oft abgebremst oder sogar still gelegt werden.
Um die beschriebenen Verschlechterungen des Wirkungsgrades abzuschwächen bzw. um eine Anlage auch über verschiede Betriebszustände mit gutem Wirkungsgrad zu betreiben, werden verschiedene Lösungen vorgeschlagen. 322418 DE
In der DE 10 2006 008 014 A1 wird eine Zusatzschaltung für einen Transformator insbesondere für den Schwachwindbetrieb einer Windenergieanlage beschrieben, die zu einer Steigerung ihres Wirkungsgrades im Schwachwind betrieb führt. Dies wird erreicht durch zwei Primärwicklungen des Transformators, wobei der Generator je nach Betriebsart mit einer der beiden Wicklungen verbunden wird. Damit wird eine vorteilhafte Verschiebung der Betriebskennlinie der Windenergieanlage erreicht.
In der Druckschrift DE 44 31 361 A1 ist eine Generatorenanordnung für Windenergieanlagen gezeigt, bei der ein oder mehrere Generatoren je nach Windgeschwindigkeit betrieben werden, wobei ein Generator mit dem Rotor verbunden ist und die anderen Generatoren wahlweise über ein Getriebe zugeschaltet werden können.
Nachteilig an diesem Konzept ist, dass Teile des Getriebes auch im Schwachwindbetrieb mitlaufen und so den Wirkungsgrad vermindern.
Demgegenüber Hegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Generatorenanordnung zu schaffen, die bei minimalem vorrichtungstechnischem Aufwand über verschiedene Betriebszustände der Anlage einen vergleichsweise hohen Wirkungsgrad hat.
Dies Aufgabe wird gelöst durch eine Generatorenanordnung zur Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie nach Patentanspruch 1.
Die erfindungsgemäße Generatorenanordnung weist eine angetriebene Eingangs- welle auf, über die eine zeitlich variable Eingangsleistung ins System eingeleitet wird. Die Eingangswelle ist mit einem ersten Ringgenerator verbunden. Außerdem hat die erfindungsgemäße Anordnung mindestens einen weiteren Generator, der über eine Kupplung und ein Getriebe mit der Eingangswelle verbunden ist. Eine derartige Generatorenanordnung hat den Vorteil, dass sie durch Betätigen der Kupplung einfach und verschleißarm von einem „ein-Generator-Betrieb" - also einem Betrieb nur des 322418 DE
Ringgenerators - in einen „alle Generatoren-Betrieb" umgeschaltet werden kann, wobei im erstgenannten Betriebszustand nur geringe Massen in Rotation versetzt werden müssen. Durch die beiden Betriebszustände lässt sich die Anordnung bei geringerer zur Verfügung stehender Antriebsleistung und bei höherer zur Verfügung stehender Leistung getrennt optimieren.
Vorzugsweise ist der erste Generator direkt, also ohne zwischengeschaltetes Getriebe mit der Eingangswelle verbunden. Dadurch wird im „ein-Generator-Betrieb" jeglicher Verlust durch Getriebe vermieden. Wenn zwischen dem Antriebsstrang und dem ersten Generator eine Kupplung vorhanden ist, kann der erste Generator im Fehlerfall vom Antriebsstrang abgekoppelt werden.
In bevorzugten Weiterbildungen ist der erste Generator ein Synchrongenerator. Die Verwendung eines Synchrongenerators bedeutet gegenüber einem Asynchrongenerator bei langsamen Antriebsdrehzahlen geringeres Bauvolumen und einen höheren Wirkungsgrad wegen des geringeren Erregerstrombedarfs.
In einer bevorzugten Variante der Anordnung mit Synchrongenerator ist dem Synchrongenerator ein Frequenzumrichter zugeordnet, der den vom Synchrongenerator erzeugten Strom so in Wechselstrom umformt, dass der erzeugte Strom ins Netz eingespeist werden kann.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Frequenzumrichter und die Anlagensteuerung so ausgelegt sind, dass sie in Wechselwirkung mit dem Synchrongenerator als Rotations- bzw. Torsiόnsdämpfer für die gesamte Generatorenanordnung und den Antriebsstrang dienen können. So können Belastungsstöße und Schwingungen eines an der Eingangswelle vorgesehenen Rotors oder Propellers gemindert werden, der zur Umwandlung der Wind- oder Wasserenergie in Rotationsenergie dient. Weiterhin werden Bauelemente der Generatorenanordnung und des Antriebsstrangs geschont und sie können kostengünstiger, leichter und kleiner ausgelegt werden. Außerdem können sich Wartungsintervalle und die Lebensdauer einzelner Teile verlängern. 322418 DE
In einer anderen bevorzugten Weiterbildung kann der Frequenzumrichter so angesteuert werden, dass er die Leistungsverteilung zwischen dem Synchrongenerator einerseits und dem anderen Generator steuern kann. Dadurch kann z.B. bei Starkwindbetrieb der Generator, der mehr Strom produziert, optimal betrieben werden, während der andere Generator evtl. auch mit einem schlechteren Wirkungsgrad betrieben wird, mit dem Ergebnis, dass die Anordnung ganzheitlich mit maximalem Wirkungsgrad betrieben wird.
Vorzugsweise hat die Anordnung eine Steuereinrichtung, durch die die Kupplung automatisch getrennt oder verbunden werden kann, je nach der Leistung bzw. Drehzahl, die an der Eingangswelle zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann z.B. bei Schwachwindbetrieb der zusätzliche Generator abgeschaltet werden und der Synchrongenerator in seinem optimalen Nenndrehzahlbereich betrieben werden. Dabei werden nur minimale Massen in Drehbewegung versetzt, wodurch der Wirkungs- grad der Anordnung insbesondere bei schwankenden Drehzahlen verbessert wird.
Besonders bevorzugt ist die Kupplung vor dem Getriebe angeordnet, wodurch keine Getriebeteile bewegt werden müssen, wenn sich die Anordnung im Schwachwindbetrieb befindet.
Je nach Auslegung kann es alternativ auch vorteilhaft sein, wenn das Getriebe aus mehreren Getriebeabschnitten bzw. -stufen besteht und die Kupplung (in Kraftflussrichtung gesehen) hinter einer ersten Getriebestufe angeordnet ist.
Vorzugweise werden ein oder mehrere Getriebestufen als Stirnrad- und / oder als Planetengetriebe und seinen konstruktiven Derivaten ausgebildet, wobei vorzugsweise Planetengetriebe je aus einem Sonnenrad, einem Hohlrad und mehreren auf einem Steg angeordneten Planetenrädern besteht. Mit diesem Getriebeaufbau lässt sich ein im Wesentlichen zylinderförmiges und kompaktes Gehäuse der Generatoren- anordnung realisieren. 322418 DE
Bei einer bevorzugten Weiterbildung ist die erste Getriebestufe ein Planetengetriebe, und der Synchrongenerator bzw. dessen Läufer ist am Hohlrad - vorzugsweise an dessen äußeren Mantelfläche - befestigt. Dadurch kann Material gespart werden, da ein innerer Abschnitt des Läufers entfällt.
Aus Gründen der ganzheitlichen Optimierung des Wirkungsgrades der erfindungsgemäßen Generatorenanordnung ist es von Vorteil, den Synchrongenerator für geringere Leistung auszulegen und den oder die weiteren Generatoren für höhere Leistung auszulegen.
Die erfindungsgemäße Generatorenanordnung wird besonders Nutzen bringend eingesetzt, wenn nicht konstante bzw. schwankende Antriebskräfte an der der Eingangswelle zur Verfügung stehen. Dies ist z.B. der Fall bei Windenergieanlagen oder bei Gezeiten-, Wellen- oder Wasserkraftwerken.
Im folgenden werden anhand der Figuren zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Generatoren- anordnung im seitlichen Schnitt; und
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Generatorenanordnung im seitlichen Schnitt.
Figur 1 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Generatorenanordnung im seitlichen Schnitt. Am in Figur 1 linken Ende einer Antriebswelle 1 ist z.B. in dem Fall, dass die Anordnung in einer Windkraftanlage vorgesehen ist, ein nicht dargestellter Rotor befestigt, der eine zumeist schwankende Antriebsleistung an der Antriebswelle 1 zur Verfügung stellt. Auf der Antriebswelle 1 ist ein Synchrongenerator 2 vorgesehen, der eine relativ niedrige Nenndrehzahl bzw. 322418 DE
Nennleistung aufweist und in diesem Bereich einen besseren Wirkungsgrad hat als ein Asynchrongenerator. Dieser Synchrongenerator 2 hat im Wesentlichen einen mit der Antriebswelle 1 drehenden Läufer 4 und einen am Innenumfang eines (nicht gezeigten) Generatorgehäuses angebrachten Stator 6.
Die Antriebswelle 1 ist durch eine Kupplung 8 von einer kurzen Hohlradwelle 10 trennbar. Die Hohlradwelle 10 ist mit einem Hohlrad 12 eines ersten Planetengetriebes 14 gekoppelt. Dieses ist in der dem Fachmann bekannten Weise aufgebaut und weist in diesem Fall zwei Planetenräder 16, 16a auf, die an einem Steg 18 gelagert sind. Zwischen den Planetenrädern 16, 16a ist ein Sonnenrad 20 angeordnet, welches mit einer weiteren Welle 22 verbunden ist.
Dabei weisen das Sonnenrad 20 und die Planetenräder 16, 16a Außenverzahnungen auf, während das Hohlrad 12 eine Innenverzahnung hat, so dass das Planetengetriebe 14 aus der Rotation des angetriebenen Hohlrades 12 eine Rotation des Steges 18 und/oder der Welle 22 mit höherer Drehzahl und niedrigerem Drehmoment in der bekannten Weise erzeugen kann.
Bei dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausfϋhrungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Steg 18 festgelegt, so dass die Planetenräder 16, 16a zwar rotieren können, aber nicht um das Sonnenrad 20 umlaufen. Somit besteht ein vorbestimmtes Übersetzungsverhältnis zwischen der Hohlradwelle 10 und der Welle 22.
Die rotierende Welle 22 treibt ein damit verbundenes weiteres Hohlrad 12a eines weiteren Planetengetriebes 14a an. Das Plantetengetriebe 14a ist prinzipiell gleich dem ersten Planetengetriebe 14 aufgebaut und hat eine Abtriebswelle 26, die mit wiederum erhöhter Drehzahl als Antriebswelle einer weiteren Getriebestufe 28 dient. Die Getriebestufe 28 übersetzt die Drehzahl der Welle 26 in die Drehzahl der Welle 30. 322418 DE
Die im Kraftverlauf letzte bzw. in Figur 1 rechte Abtriebswelle 30 der Getriebestufe 28 treibt schließlich einen weiteren Generator 32 an, dessen Nenndrehzahl höher als die des Synchrongenerators 2 ist.
Bei Beaufschlagung der erfindungsgemäßen Generatorenanordnung z.B. durch den Rotor (nicht gezeigt) kann die Anordnung in folgenden zwei Zuständen betrieben werden:
Bei relativ niedriger Antriebsdrehzahl an der Antriebswelle 1 (z.B. im Schwachwindbetrieb) wird die Kupplung 8 getrennt, so dass die Hohlradwelle 10, die beiden Planetengetriebe 14, 14a, die weitere Getriebestufe 28 und insbesondere der schnell oder mittelschnell laufende Generator 32 nicht angetrieben werden.
Die an der Antriebswelle 1 zur Verfügung stehende relativ geringe Antriebskraft wird erfindungsgemäß ohne verlustbehaftete Umwandlung von Drehmoment und Drehzahl durch Getriebe vollständig und direkt am Synchrongenerator 2 zur Verfügung gestellt, der für die im Schwacnvvindbeirieb anliegenden niedrigen Drehzahlen ausgelegt ist und Wechselstrom erzeugt. Der Wechselstrom wird von einem nicht gezeigten Frequenzumrichter geglättet und in netzkonformen gleichmäßigen Wechselstrom umgewandelt.
Somit gibt die Generatorenanordnung gemäß Figur 1 im Schwachwindbetrieb mit getrennter Kupplung 8 optimale elektrische Leistung ab.
Bei höherer Antriebsdrehzahl an der Antriebswelle 1 (z.B. im Starkwindbetrieb) wird die Kupplung 8 verbunden, so dass neben dem mit suboptimal erhöhter Drehzahl beaufschlagten Synchrongenerator 2 nun auch der weitere Generator 32 angetrieben wird, wobei seine Eingangsdrehzahl an der Welle 30 durch die verschiedenen Getriebe 14, 14a, 28 gegenüber der Rotordrehzahl erhöht ist. 322418 DE
Somit wird die Generatorenanordnung auch bei stärkerem Wind mit verbundener bzw. geschlossener Kupplung 8 mit maximaler Effektivität betrieben.
Mit dieser erfindungsgemäßen Generatorenanordnung kann zum Beispiel eine Windenergieanlage an wechselnde Windstärken angepasst werden, und somit über weite Drehzahlbereiche maximalen Strom liefern.
Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Generatorenanordnung. Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel sind der Synchrongenerator 102 und das erste Planetengetriebe 114 nicht durch einer Kupplung trennbar, sondern der Läufer 104 des Synchrongenerators 102 ist an der äußeren Mantelfläche des Hohlrades 112 befestigt. Dadurch rotiert das Hohlrad 112 des ersten Planetengetriebes 114 synchron mit dem Läufer 104 des Synchrongenerators 102. Darüber hinaus hat das Planetengetriebe 114 den gleichen Aufbau wie das Planetengetriebe 14 des ersten Ausführungsbeispiels.
In Figur 2 rechts von diesem ersten Planetengetriebe 114 bzw. im Kraftverlauf hinter dem Planetengetriebe 114 ist eine Kupplung 108 angeordnet, die eine Sonnenrad- welle 122 von einer kurzen Hohlradwelle 125 bzw. das erste Planetengetriebe 114 von dem zweiten Planetengetriebe 114a trennen kann.
Der Aufbau der Generatorenanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel entspricht in Richtung des Kraftverlaufs betrachtet ab dem zweiten Planetengetriebe 114a dem Aufbau der Generatorenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels ab dem Planetengetriebe 14a, so dass sich eine erneute Beschreibung erübrigt.
Die Funktionsweise des zweiten Ausführungsbeispiels entspricht prinzipiell der des ersten Ausführungsbeispiels, wobei die Gesamtlänge der Anordnung im zweiten Ausführungsbeispiel wegen der Zusammenlegung des Synchrongenerators 102 und des ersten Planetengetriebes 114 geringer ist, während dadurch der Umfang der An- 322418 DE
Ordnung und die bewegte Masse und somit die Verluste im Schwachwindbetrieb größer werden.
Abweichen von den in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen kann die weitere Getriebestufe 28 auch entfallen oder aus mehreren weiteren Getriebe- stufen bestehen.
Außerdem können statt der gezeigten Planetengetriebe auch Stirnradgetriebe und deren Bauformen in der erfindungsgemäßen Anordnung verbaut werden.
Bei dem in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind die Stege 18, 18a festgelegt, so dass die Planetenräder 16, 16a sich nicht entlang der Kreisbahnen um das Sonnenrad 20 bewegen können. Abweichend davon können die Stege 18, 18a auch drehbar gelagert sein. Außerdem können auch mehr als zwei Planetenräder am Umfang der Stege 18, 18a verteilt sein. Diese Varianten gelten analog auch für das zweite Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2.
Anders als bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 kann die Kupplung 8 auch an einer anderen Stelle, z.B. zwischen den beiden Planetengetrieben 14, 14a angeordnet sein.
Abweichen von dem zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 kann die Kupplung 108 auch an einer anderen Stelle, z.B. zwischen dem zweiten Planetengetriebe 114a und der weiteren Getriebestufe 28 angeordnet sein.
Außerdem kann das Sonnenrad 120 am Gehäuse festgelegt sein und statt dessen der der Steg 118 mit der Kupplung 108 verbunden sein.
Offenbart ist eine Generatorenanordnung zur Wandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie mit einer Antriebswelle, die mit einem ersten Synchrongenerator verbunden ist. Außerdem hat die erfindungsgemäße Anordnung mindestens einen 322418 DE
weiteren Generator, der über ein Getriebe mit der Antriebswelle verbunden ist. Darüber hinaus ist im Kraftfluss von der Antriebswelle zu dem mindestens einen weiteren Generator eine Kupplung angeordnet.
322418 DE
Bezuqszeichenliste
1 ; 101 Antriebswelle
2; 102 Synchrongenerator
4; 104 Läufer
6; 106 Stator
8; 108 Kupplung
10 Hohlradwelle
12; 112 Hohlrad
14; 14a; 114; 114a Planetengetriebe
16; 16a Planetenrad
18; 18a; 118; 118a Steg
20; 120 Sonnenrad
22 Welle
26 Welle
28 Getriebestufe
30 Welle
32 Generator
122 Sonnenradwelle
125 Hohlradwelle

Claims

322418 DEPatentansprüche
1. Generatorenanordnung zur Wandlung mechanischer Energie in elektrische Energie, mit einem Antriebsstrang (1 ; 101 ) zum Antreiben eines ersten Generators und eines oder mehrerer weiterer Generatoren (32), wobei diesen ein Getriebe (14, 14a, 28; 114, 114a, 28) zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Generator ein Ringgenerator ist, und dass in einem den weiteren Generatoren (32) zugeordneten Bereich des Antriebsstranges (1 ; 101 ) eine Kupplung (8; 108) vorgesehen ist.
2. Generatorenanordnung nach Anspruch 1 , wobei der erste Generator direkt mit dem Antriebsstrang (1 ; 101 ) verbunden ist, so dass beide eine gleiche Drehzahl aufweisen.
3. Generatorenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Generator ein Synchrongenerator (2; 102) ist.
4. Generatorenanordnung nach Anspruch 3, wobei dem Synchrongenerator (2; 102) ein Frequenzumrichter zugeordnet ist.
5. Generatorenanordnung nach Anspruch 4, wobei der Frequenzumrichter derart ausgelegt ist, dass er mit dem Synchrongenerator (2; 102) als Rotationsdämpfer wirken kann.
6. Generatorenanordnung nach Anspruch 4, wobei der Frequenzumrichter derart ansteuerbar ist, dass er die Leistungsverteilung zwischen dem Synchrongenerator (2;
102) und den anderen Generatoren (32) steuern kann.
7. Generatorenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Steuereinrichtung, die derart ausgelegt ist, dass sie ein Signal zum Trennen der Kupplung (8; 108) geben kann, wenn die an dem Antriebsstrang (1 ; 101 ) eingeleitete 322418 DE
mechanische Leistung einen vorbestimmten Wert unterschreitet, und ein Signal zum Verbinden der Kupplung (8; 108) geben kann, wenn die an dem Antriebsstrang (1 ; 101 ) eingeleitete mechanische Leistung den vorbestimmten Wert überschreitet.
8. Generatorenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kupplung (8) im Kraftfluss vor dem Getriebe (14, 14a, 28) angeordnet ist.
9. Generatorenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Getriebe aus mehreren Getriebestufen (14, 14a, 28; 114, 114a, 28) besteht.
10. Generatorenanordnung nach Anspruch 9, wobei die Kupplung (108) zwischen einer ersten Getriebestufe (114) und einer zweiten Getriebestufe (114a) angeordnet ist.
11. Generatorenanordnung nach Anspruch 9 oder 10, wobei zumindest eine Ge- triebestufe (114) des Getriebes ein Planetengetriebe mit Hohlrad (112), Planetenrädern, Sonnenrad (120) und Steg bzw. Pianetenträger (118) aufweist.
12. Generatorenanordnung nach den Ansprüchen 9 und 11 , wobei eine in Kraftübertragungsrichtung gesehen erste Getriebestufe (114) als Planetengetriebe ausgebildet ist, und der Synchrongenerator (102) am Hohlrad (112) der ersten Getriebestufe (114) angebracht ist.
13. Generatorenanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 12, wobei die weiteren Generatoren (32) für höhere Leistung bzw. Drehzahl ausgelegt bzw. optimiert sind als der Synchrongenerator (2; 102).
14. Generatorenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die in einer Windkraft- bzw. Windenergieanlage oder in einem Gezeiten-, Wellen- oder allgemein in einem Wasserkraftwerk angeordnet ist.
PCT/EP2009/002751 2008-04-18 2009-04-16 Generatorenanordnung WO2009127402A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008019724.6 2008-04-18
DE102008019724A DE102008019724A1 (de) 2008-04-18 2008-04-18 Generatorenanordnung

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2009127402A2 true WO2009127402A2 (de) 2009-10-22
WO2009127402A3 WO2009127402A3 (de) 2010-11-25

Family

ID=41111573

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2009/002751 WO2009127402A2 (de) 2008-04-18 2009-04-16 Generatorenanordnung

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102008019724A1 (de)
WO (1) WO2009127402A2 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011008061A1 (de) * 2011-01-07 2012-07-12 Fev Gmbh Drehzahlstabilisierung einer Windkraftanlage
DE102011122430A1 (de) 2011-12-24 2013-06-27 Robert Bosch Gmbh Generatoranlage
US8878374B2 (en) * 2013-02-13 2014-11-04 Bell Helicopter Textron Inc. Brushless alternator for helicopter transmission install

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2487920A1 (fr) * 1980-07-29 1982-02-05 Megatec Ind Generateur electrique actionne par le vent
US4585950A (en) * 1984-12-06 1986-04-29 Lund Arnold M Wind turbine with multiple generators
DE4431361A1 (de) 1994-09-02 1996-03-07 Jaehnke Klaus Peter Windkraftmaschine
DE29623937U1 (de) * 1996-12-18 2000-09-21 Jensen, Marten, Dipl.-Ing., 25920 Stedesand Windkraftanlage
EP1363019A3 (de) * 2002-05-18 2010-08-25 Siemens Aktiengesellschaft Mehrstufiger Windgenerator mit Wellen und Kupplungsystem
DE102006008014A1 (de) 2006-02-21 2007-08-30 Repower Systems Ag Windenergieanlage mit Zusatzschaltung für Schwachwindbetrieb.
BRPI0622196A2 (pt) * 2006-12-22 2012-01-03 High Technology Invest Bv turbina eàlica com méltiplos geradores

Also Published As

Publication number Publication date
DE102008019724A1 (de) 2009-10-29
WO2009127402A3 (de) 2010-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1608872B1 (de) Antriebsstrang zum übertragen einer variablen leistung
AT517170B1 (de) Verfahren zum Anfahren eines Triebstranges
EP2467600B1 (de) Windkraftanlage und verfahren zur betriebssteuerung einer windkraftanlage
AT504395B1 (de) Ausgleichsgetriebe einer windkraftanlage und verfahren zum ändern oder umschalten des leistungsbereichs dieses ausgleichsgetriebes
EP2449258B1 (de) Differenzialgetriebe für energiegewinnungsanlage und verfahren zum betreiben
DE102011087109B3 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von Energie aus einer Fluidströmung
AT508155B1 (de) Energiegewinnungsanlage, insbesondere windkraftanlage
WO2005121550A1 (de) Drehzahlgeregeltes getriebe für eine energieerzeugungsanlage
DE2460413A1 (de) Elektrogenerator-anordnung
DE102011084573A1 (de) Strömungskraftmaschine und getriebe zum betreiben derselbigen
WO2009127402A2 (de) Generatorenanordnung
WO2019122224A1 (de) Elektromechanisches system sowie überlagerungsgetriebe zur übertragung von rotationsenergie
EP3491238B1 (de) Maschinenhaus für eine windenergieanlage sowie verfahren
DE102008064244A1 (de) Energiewandler mit Doppelläufergenerator
WO2013104580A1 (de) Windkraftanlage
DE102007020615A1 (de) Antriebsstrang für eine tauchende Energieerzeugungsanlage
AT511862B1 (de) Energiegewinnungsanlage, insbesondere windkraftanlage
EP2683934B1 (de) Energiegewinnungsanlage
DE102006050498B3 (de) Windkraftanlage: Einarm-Flügel mit 3flg.-Propeller Rotor-Doppelkopf-Anlage
WO2004094872A1 (de) Antriebsstrang mit variabler eingangs- und konstanter ausgangsdrehzahl
DE102011008061A1 (de) Drehzahlstabilisierung einer Windkraftanlage
DE4306131A1 (de) Strömungsmaschine mit Verstellpropeller
DE102007035636B3 (de) Hydrodynamischer Wandler
EP4571097A1 (de) Erzeugung von elektrischem strom durch windkraft
DE102008064245A1 (de) Energiewandler mit Generatorenausgangswellen unterschiedlicher Übersetzungen

Legal Events

Date Code Title Description
122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09733546

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2