Design und optimale Betriebsführung doppelt gespeister Asynchrongeneratoren für die regenerative Energieerzeugung

Transkript

1 Design und optimale Betiebsfühung doppelt gespeiste Asynchongeneatoen fü die egeneative Enegieezeugung von de Fakultät fü Elektotechnik und Infomationstechnik de Technischen Univesität Chemnitz genehmigte Dissetation zu Elangung des akademischen Gades eines Dokto-Ingenieus (D.-Ing.) vogelegt von Dipl.-Ing. Elena Sinelnikova geboen am in Sankt-Petesbug, Russland eingeeicht am Gutachte: Pof. D.-Ing. W. Hofmann Pof. D.-Ing. H. Mugowsky Pof. D.-Ing. I. S. Boguslawsky Tag de Veleihung:

2 - -

3 Refeat Die Untesuchungen in de voliegenden Abeit sind auf die Anhaltspunkte fü die optimale Auslegung und optimale Betiebsfühung, das heißt abeitspunktabhängige Regelung de Wikund Blindleistungen, eines doppelt gespeisten Asynchongeneatos bei seinem Einsatz in Windkaftanlage bezüglich des maximalen Wikungsgades im Voll- und Teillastbeeich ausgeichtet. Es wid auf die dezeitigen Konzepte de Windkaftanlagen, Funktionsweise und Feldoientiete Regelung eines doppelt gespeisten Asynchongeneatos eingegangen. Die Dastellung eines Asynchongeneatos bei Feldoientiete Regelung wid duch ein veeinfachtes Esatzschaltbild vogeschlagen. Anschließend wid die Methode zu Beechnung de Sollwete de Rotostomkomponenten fü veschiedene Betiebszustände dagestellt, und die Raumzeigemodulation diese Sollwete mit Hilfe eines 4-Quadanten-Stomichtes bewetet. Im Hauptteil de Abeit wid eine Skalieung des allgemeinen Maschinenentwufes eines doppelt gespeisten Asynchongeneatos fü Windkaftanlage mit anschließende Analyse anhand Finite- Elemente-Methode de elektomagnetischen und themischen Felde im Queschnitt des Asynchongeneatos duchgefüht. Im letzten Teil de Abeit wid die optimale Betiebsfühung de Windkaftanlage untesucht. Schlagwöte: Windkaftanlage, doppelt gespeiste Asynchongeneato, Esatzschaltbild, Feldoientiete Regelung, Wikleistungsegelung, Blindleistungsegelung, Raumzeigemodulation, Maschinenentwuf, Skalieung, Finite-Elemente-Methode, Elektomagnetisch-themische Analyse, Betiebsfühung - 3 -

4 Inhaltsvezeichnis Refeat Fomelzeichen und Indizes Abküzungen Vowot Einleitung Quasistationäes Betiebsvehalten eines doppelt gespeisten Asynchongeneatos Konzepte de Windkaftanlagen Doppelt gespeiste Asynchongeneato im Betieb am staen Netz Voaussetzungen Mathematisches Modell eines doppelt gespeisten Asynchongeneatos Tansfomation des deiphasigen Systems in ein Zweiachsenmodell T-Esatzschaltbild und mathematisches Modell Übegang zu komplexen Momentanweten Übegang zu komplexen Effektivweten und veeinfachtes Γ- Esatzschaltbild Rotospeisung nach dem Pinzip de Feldoientieung Netzspannungssynchones Koodinatensystem Asynchongeneato mit Doppelspeisung in Feldkoodinaten Enegiebilanz

5 4.3.1 Dem Wind entnehmbae Enegie Wikleistungsbilanz Blindleistungsbilanz Sollwete de Rotostomkomponenten Voteile des Betiebes mit Fldoientiete Regelung Rotoeinspeisung übe einen Stomichte Selbstgefühte Stomichte mit Gleichspannungszwischenkeis Pulsweitenmodulation mit de Hilfe des Raumzeigemodulationsvefahens Beücksichtigung von Obeschwingungen im einzupägenden Rotostom Skalieung des Maschinenentwufes eines doppelt gespeisten Asynchongeneatos Richtlinien des Maschinenentwufes Ausgangswete Skalieung de Hauptabmessungen Ausnutzungsfakto Statobohungsduchmesse Relative Maschinenlänge Weitee Maschinenpaamete und ihe Genzen Luftspalt und Wellenduchmesse Lochzahlen und Paallelzweige Relative Nutbeiten und -höhen Einfluss von magnetischen Geäuschen Zusammenhang zwischen elektischen und geometischen Paameten Optimieungsvogang Auswahlkiteien Vaiation von Maschinenpaameten Auswahl de Polpaazahl

6 7 Analyse elektomagnetische und themische Felde im Asynchongeneato anhand de Finite-Elemente-Methode Idealisieung des Modells eines Asynchongeneatos Modellestellung: Randbedingungen und Lasten Pogammaufbau Optimieungsmöglichkeiten Paametische Optimieung Topologische Optimieung Zahnkopfgeometie Optimale Blindleistungsegelung de Anlage Betiebsfühung hinsichtlich de Blindleistungsegelung Betiebsfühung bei Netzspannungsschwankungen Zusammenfassung und Ausblick Anhang Quellenvezeichnis Abbildungsvezeichnis Tabellen- und Schemavezeichnis Thesen zu Dissetation

7 Fomelzeichen A Stombelag A Fläche a Paallelzweige B Induktion b elative Nutbeite bn, bz Nut-, Zahnbeite C Ausnutzungsfakto C Beiwet cos ϕ Leistungsfakto d elative Nuthöhe D Duchmesse e induziete Spannung f Stomfequenz G Gewicht hn, h Nut-, Rückenhöhe i Stom (momentan) I Stom (effektiv) j Imaginäe Einheit J Tägheitsmoment k Relative Maschinenlänge l a L m m M n N Nk Maschinenlänge Induktivität Stangzahl Moment (momentan) Moment (effektiv) Dehzahl Nutzahl Zahl de Kühlkanäle p P q Q k R s S T u u U ü w W X Z Zn α α p δ φ γ η ϕ λ ν ρ τn υ ω Polpaazahl Wikleistung Ganzlochzahl Blindleistung Radius de Kühlkanäle Wikwidestand Schlupf Stomdichte Zeitkonstante Geschwindigkeit de Blättespitzen Spannung (momentan) Spannung (effektiv) Tansfomationskoeffizient Windungszahl Enegie Reaktanz Impedanz Leitezahl je Nut Anteilsfakto Abplattungsfakto Luftspalt Füllfakto Stangwinkel Wikungsgad Phasenwinkel Schnelllaufzahl Hamonische Luftdichte Nutteilung Windgeschwindigkeit Keisfequenz - 7 -

8 ξ Wicklungsfakto ψ Flussvekettung Ψ Flussvekettung Φ Fluss Indizes a, b, c Stänge A Anlage C kapazitiv d Längskomponente F Filte g geneatoisch G Geneato h Hauptfeld i induziet k Odnungsnumme L induktiv M Moto m Moment m magnetisch n Netzanschlusspunkt n Nut N Nennwet p Leistung p Peiode q Quekomponente Roto s Stato s synchon T Windtubine u untesynchon ü übesynchon w Stomichte W Welle z Zahn α Längskomponente β Quekomponente δ Dehfeld µ Magnetisieung ν Hamonische σ Steufeld imp. Pulse ind. Induktive Betieb kap. Kapazitive Betieb li., e. links, echts max. Maximalwet mech. mechanische Wet sch. Schägung soll. Sollwet 1 este Hamonische Abküzungen ASG Asynchongeneato DGS Diffeential- Gleichungssystem FEM Finite-Elemente-Methode FOR Feldoientiete Regelung RSR Rotostomichte NSR Netzstomichte PWM Pulsweitenmodulation SR Stomichte WKA Windkaftanlage ZK Zwischenkeis - 8 -

9 Vowot Die voliegende Abeit entstand wähend meine Tätigkeit als Foschungsstudentin am Lehstuhl fü Elektische Maschinen und Antiebe de Technischen Univesität Chemnitz. Hen Pof. D.-Ing. Wilfied Hofmann meinem Beteue, danke ich hezlich fü zahleiche Anegungen zu diese Abeit, fü die Untestützung und stetige Födeung. Pof. D.-Ing. Hatmut Mugowsky und Pof. D.-Ing. Ilja Selikovitsch Boguslawsky danke ich hezlich fü die Übenahme des Gutachtens und das de Abeit entgegengebachte Inteesse. Ich danke weitehin den Mitabeiten des Lehstuhls fü Elektische Maschinen und Antiebe, die duch Diskussionen und Ratschläge auf vielfältige At und Weise zum Gelingen diese Dissetation beigetagen haben. Chemnitz, den

10 - 10 -

11 1 Einleitung 1 Einleitung De heutzutage zu beobachtende Boom altenative Enegiegewinnung aus egeneativen Enegiequellen, so wie Wasse, Wind ode Biogas ist nu die konsequente Fotsetzung eine langen Geschichte: wie vo Jahtausenden geht es heute daum, unse Leben zu eleichten und dabei die natülichen Ressoucen de Ede zu schonen. Die egeneativen Enegien sollen laut eine Studie des Bundesvebandes WindEnegie e.v. (BWE) zukünftig weltweit zu eine de tagenden Säulen de Enegievesogung weden [6], [36], [37]. Bislang dehen sich Windäde hauptsächlich an Land, wo passende Standote imme knappe weden. Die Banche sieht ihe Zukunft deshalb weit daußen vo den Küsten im Mee goße Offshoe-Windkaftanlagen. Die Voteile wäen dabei eine bessee Enegieausbeute duch andee als im Binnenland Windbedingungen: dot bläst de Wind andauend mit gößee Kaft und vespicht 40% meh Ausbeute [6]. Abbildung 1-1: Pojekte in de Nodsee

12 1 Einleitung Außehalb de Zwölf-Seemeilen-Zone, zwischen Helgoland und Sankt Pete- Oding, will zum Beispiel die Winka-Enegie Gesellschaft aus Hannove den gößten Offshoe-Pak de Welt eichten: 100 Windäde mit je fünf Megawatt Leistung sollen Stom fü Haushalte ezeugen. In de zweiten Baustufe soll soga auf Megawatt aufgestockt weden. Untestützt von Gas- ode Biomassekaftweken, soll de Windpak auch bei Flaute Stom liefen. Auch die Pokon-Nod GmbH aus Lee plant einen Megawatt-Windpak in de Nodsee, alledings 45 Kilomete nödlich von Bokum und damit außehalb de Sichtweite. In eine Pilotphase ab 003 weden zwölf Windkaftanlagen eichtet. Ab 007 soll de Windpak auf übe 00 Rotoen ausgebaut weden. Pojekte in de Nodsee sind in Abb. 1-1 dagestellt. Alle Pojektentwickle planen mit 5-megawattstaken Rotoen, die noch ga nicht existieen. Die gößte seieneife Windkaftanlage leistet.5 MW. Fast alle goßen Hestelle entwickeln Fünf-Megawatt-Rotoen, wie etwa de deutsche Maktfühe Enecon ode die Fimen REpowe, Aeodyn und Flende. Fü Untesuchungen zu Wikungsweise und zum Vehalten von Windkaftanlagen (WKA) kommt bei Goßanlagen im MW-Beeich dem Geneato als widestandsmomentbildendem Teil entspechend seine Lage und Veknüpfungen zentale Bedeutung zu, dabei sind betiebssichee, obuste und watungsfeie Maschinen voteilhaft. Das sind eben die Chaakteistiken eines Asynchongeneatos (ASG). Als die weiteen Voteile fü den Asynchon gegenübe dem Synchongeneato wäen noch kleinee Abmessungen, ein bessee Wikungsgad und de poblemlose Paallelbetieb zu vemeken [40]

13 1 Einleitung Die Untesuchungen in de voliegenden Abeit sind auf die Anhaltspunkte fü die optimale Auslegung und optimale Betiebsfühung, d.h. abeitspunktabhängige Regelung de Wik- und Blindleistungen, eines doppelt gespeisten ASG bei seinem Einsatz in WKA bezüglich des maximalen Wikungsgades im Voll- und Teillastbeeich ausgeichtet. Das. Kapitel geht kuz auf die dezeitigen Konzepte de WKA, Funktionsweise eines doppelt gespeisten ASG und auf die Voaussetzungen, die de voliegenden Abeit zu Gunde liegen, ein. Im 3. Kapitel wid die Dastellung eines ASG bei Feldoientiete Regelung duch ein veeinfachtes Esatzschaltbild vogeschlagen. Im 4. Kapitel wid die Methode zu Beechnung de Sollwete de Rotostöme fü veschiedene Betiebszustände dagestellt. Anschließend wid im 5. Kapitel die Raumzeigemodulation de Sollwete de Rotostomkomponenten mit Hilfe eines 4-Quadanten-Stomichtes bewetet. Im esten Hauptteil de Abeit, Kapitel 6, wid eine Skalieung des allgemeinen Maschinenentwufes eines doppelt gespeisten ASG fü WKA eabeitet. Anschließend wid im zweiten Hauptteil de Abeit, Kapitel 7, elektomagnetischthemische Analyse des Queschnittes eines ASG duchgefüht. Im letzten Teil de Abeit, Kapitel 8, wid die optimale Betiebsfühung de WKA untesucht

14 Quasistationäes Betiebsvehalten Quasistationäes Betiebsvehalten eines doppelt gespeisten Asynchongeneatos.1 Konzepte de Windkaftanlagen Bei den Topologien dehzahlvaiable WKA ist die dezeitige Situation duch zwei konkuieende Pinzipien gekennzeichnet. Das eine vewendet diektbetiebene Synchongeneatoen mit pemanent-magnetische und/ode elektische Eegung, deen Abmessungen wegen de efodelichen hohen Polpaazahl seh goß gewählt weden müssen, um die ansonsten notwendigen Getiebestufen zu Dehzahl-Fequenz-Anpassung zu umgehen. Das andee Pinzip beuht auf de doppelt gespeisten Dehfeldmaschine mit otoseitigem Stomichte (SR) und statoseitigem Diektanschluss ans Netz, um eine Teilvaiabilität de Dehzahl zu ezielen [13], [18], siehe Abb S ASG SG Abbildung.1-1: Elektische Pinzipschaltbilde eine vollgespeisten und eine doppelt gespeisten WKA

15 .1 Konzepte de Windkaftanlagen Bei estem Konzept wid die gesamte vom Geneato abgegebene Enegie umgeichtet. Die Stomichtekomponenten sind dahe fü die Gesamtleistung de Anlage zu bemessen. Auße dem hohen Investitionsaufwand fü die Stomichteausüstung ist de vemindete Wikungsgad diese Topologie von Nachteil. Bei zweitem Konzept bestehen zwischen Geneato und Netz zwei Stompfade: von de Statowicklung diekt und von de Rotowicklung übe einen Stomichte ans Netz. Um möglichst kleine Stomichte-Bemessungsleistungen bei gleichzeitig goßem Dehzahlbeeich zu ehalten, kann de ASG obehalb und untehalb de Synchondehzahl betieben weden. Fü den SR folgt hieaus die Notwendigkeit eines möglichen Enegietanspots in beiden Richtungen. Auße de Wikleistungseinspeisung kann mit dem zweiten Konzept auch zu teilweisen Kompensation im Netz vohandene Blindleistung beigetagen weden.. Doppelt gespeiste Asynchongeneato im Betieb am staen Netz De doppelt gespeiste Asynchongeneato wid wegen des diekten Netzanschlusses statoseitig mit konstante Spannung und Fequenz betieben, so dass keine Regelgeäte notwendig sind. Das Einschalten ans Netz kann in einem beiten Dehzahlbeeich ohne Synchonisieung mit dem Netz vollzogen weden. In diesem Fall kann mit vehältnismäßig einfache und billige Ausüstung ein völlig automatisiete Betieb de WKA gesichet weden [13], [14]. Zu seine Magnetisieung nimmt de ASG die notwendige Blindleistung aus dem Netz ohne zusätzliche Kondensatobatteien fü die Eegung, und gibt mit gewissen Velusten ehaltene elektische Enegie ans Netz ab. Neben dem Austausch von Wikleistungen zwischen Netz und Geneatowelle übe die Stato- sowie Rotoseite des ASG kommt es zum teilweise diekten Leistungsaustausch zwischen Stato- und Rotoseite, denn übe das Stomichtesystem wid jeweils de Leistungsfakto de WKA duch weitgehend autonome Phasenwinkelegelungen nachgefüht [18]

16 Quasistationäes Betiebsvehalten Vom ASG ist bekannt, dass seine optimale Auslegung nicht in de gleichen Weise wie bei Anwendungen fü den motoischen Betieb vogenommen weden kann. Wenn die Klemmenspannung U n fixiet ist, untescheidet sich die innee induziete Spannung de Asynchonmaschine beim Motobetieb um den doppelten Spannungsabfall übe de Statowicklung von de beim Geneatobetieb. Die Emittlung de Geneatoauslegung muss in este Linie von diese ehöhten gegenübe dem Asynchonmoto inneen induzieten Spannung ausgehen [4], [5], siehe Abb..1-, 3. Induziete Spannung addiet sich aus de Klemmenspannung des Geneatos und dem Spannungsabfall auf de Statoimpedanz: U im = U I (Rs + j Xσs ). (..1) n s -I sg (ind.) (R s +jx σs ) U ig(ind.) U n - I sm (R s +jx σs ) U im I sm Moto Geneato I sg (kap.) I sg (ind.) Abbildung.-1: Zeigediagamm Geneato-Moto

17 . Doppelt gespeiste ASG im Netzbetieb Dem Vehalten de induzieten Spannung im ASG kommt besondee Bedeutung zu, da duch sie de Sättigungsgad des magnetischen Keises wesentlich gepägt wid. Duch den Anstieg de induzieten Spannung eines Geneatos gegenübe dem Moto gelangen Asynchonmaschinen im geneatoischen Beeich eheblich stäke in den Sättigungszustand als im motoischen Fall. Bei gute mechanische Auslegung eines ASG hat de Sättigungszustand des magnetischen Keises wesentlichen Einfluss auf die Leelaufveluste. Goße magnetische Sättigung hat hohe Leelaufveluste zu Folge, die jedoch geneell unewünscht sind, weil duch sie die Umsetzung kleine Windgeschwindigkeiten in elektische Leistung eschwet, und die Stillstandzeit de WKA ehöht wid [14]. Relative Diffeenz zwischen de induzieten Spannung und de Klemmenspannung im Asynchongeneato ist in de Abb..- am Beispiel von zwei ASG je 1.5 und 5 MW dagestellt. Obwohl die an de Leistung gößeen Maschinen geingee elektische Paamete aufweisen, wächst die elative Diffeenz mit de Leistung wegen de Göße des Statostomes. 15 Relative Diffeenz (Ui - UN)/UN in % MW ASG 5 MW ASG Schlupf Abbildung.-: Relative Diffeenz zwischen de induzieten Spannung und Nennspannung im ASG Die Auslegung des ASG beeinflusst in goßem Maße sein Betiebsvehalten, daübe hinaus kann duch Betiebskennlinien die Beuteilung de Qualität de Geneatoauslegung vogenommen weden. Zu den das quasistationäe Betiebsvehalten chaakteisieenden Kennlinien gehöen Dehmoment-Dehzahl

18 Quasistationäes Betiebsvehalten Kennlinie und die Abhängigkeiten de aufgenommenen mechanischen Leistung, Stato- und Rotostömen, des Schlupfes, Wikungsgades und Leistungsfaktos von de abgegebenen elektischen Leistung am Netzanschlusspunkt: M δ = f (s ) P T,I s I, s, η, cos ϕ = f ( P n. (..) ) Bei de Beechnung de Betiebskennlinien weden zwei Möglichkeiten angewandt, damit man eelle Stöme und Spannungen hat und die Leistung invaiant bleibt: de Widestand de pseudounbeweglichen Wicklungen ist zu änden; in diese Wicklungen ist eine den Stom in de unbeweglichen Maschine vemindende induziete Spannung einzufühen. Das este Vefahen vewendet man bei de Analyse de Asynchonmaschine duch Esatzschaltbilde, das zweite bei de Estellung des Diffeentialgleichungssystems (DGS) [1], [30], [54]

19 .3 Voaussetzungen.3 Voaussetzungen Da ein Windenegiekonvete mathematisch gesehen ein komplizietes elektomechanisches System dastellt, ist es sinnvoll, zu Lösung de vogestellten Aufgabe, folgende Voaussetzungen einzufühen: symmetische Aufbau des ASG bezüglich Stato- und Rotowicklung und des Stomichtes; symmetische Belastung de Wicklungen und symmetische Einspeisung; äumlich-sinusfömig veteilte Duchflutungen und Felde längs des ASG- Umfangs; fü sämtlichen Beechnungen de Feldgößen im ASG wid das Pinzip de Gundwellenvekettung angewandt; nutungsbedingte Obewellen und Stomvedängungseffekt weden venachlässigt; Rotogößen weden mit dem Vehältnis de Windungszahlen auf die Statoseite umgeechnet; Winkelgeschwindigkeiten und Dehmomente weden in mathematisch positive Richtung gezählt. Weitee notwendige Veeinbaungen weden in den entspechenden Abschnitten festgelegt

20 3 Mathematisches Modell 3 Mathematisches Modell eines doppelt gespeisten Asynchongeneatos 3.1 Tansfomation des deiphasigen Systems in ein Zweiachsenmodell Die Duchflutungsgundwelle ist duch zwei Bestimmungsstücke fixiet ihe Amplitude und ihe äumliche Lage bzw. die Amplituden de Komponenten bezüglich de Koodinatenachsen. Dahe kann die Duchflutungs-Gundwelle jede beliebigen mehstängigen Wicklung duch eine zweistängige Wicklung aufgebaut weden, deen Stänge unmittelba die beiden Komponenten de Duchflutungsgundwelle hevoufen [1], [30]. Es wid zunächst veeinbat, dass die zweistängige Wicklung die Stänge α und β besitzt, deen Achsen unbeweglich elativ zum Roto angeodnet sind und liegen bei: γ α = 0 γ β = π (3.1.1) Re a+ α+ g c- π/3 b- Im β+ γ β- b+ c+ a- α- Abbildung 3.1-1: Umfomung eine symmetischen deistängigen Wicklung in eine äquivalente zweistängige - 0 -

21 3.1 Zweiachsenmodell Zum zweiphasigen Modell weden im Folgenden alle komplexen Momentanwete in ihe Real- und Imaginäteile nach de Regel zelegt: γ γ β α sin g g cos g g = = (3.1.) Dei Stangstöme bilden ein symmetisches Deiphasensystem: = = = ) e Re(i i ) e Re(i i Re( i 3 4 j c 3 j b ) i a π π. (3.1.3) Beziehungen zwischen den Stömen und Spannungen de Esatzstänge α und β und deen de Ausgangsstänge a, b und c sind dann: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) = = = = = = = = a,b,c µ µ µ a,b,c µ µ µ a,b,c µ µ µ a,b,c µ µ µ sinγ u ξ w ξ w 3 u cosγ u ξ w ξ w 3 u sinγ i ξ w ξ w i cosγ i ξ w ξ w β α β i α, (3.1.4) wobei 3 c a b c a b π γ γ γ γ γ γ = = =.

22 3 Mathematisches Modell - - Wid festgesetzt, dass die positive Richtung de α -Achse des komplexen α, β - Koodinatensystems und die äumliche Lage des a-stanges zusammenfallen, weden die Beziehungen zwischen beiden Dastellungen zu: ) i (i 3 3 i ) i (i 3 1 i 3 i c b c b = + = β α α. (3.1.5) Unte de Bedingung i a + i b + i c = 0, die im symmetischen Deiphasensystem efüllt ist, lautet die Rücktansfomation: β α β α α i 3 i 1 i i 3 i 1 i i i c b a = + = =. (3.1.6) Widestand und Steuinduktivität de α, β -Esatzstänge, ausfühlichee Behandlung ist in [30], [49] zu finden, egeben sich dabei zu: ( ) ( ) ( ) ( ) L 3 L R 3 R 3 3 σ σ = =. (3.1.7)

23 3. T-Esatzschaltbild 3. T-Esatzschaltbild und mathematisches Modell In [8], [1], [9] wid fü eine Asynchonmaschine mit Schleifingläufe (ASM-SL) mit beliebige Stanganzahl die Dastellung duch zwei gekoppelte elektische Esatzschaltbilde, die alle Paamete und Vogänge in de Maschine widespiegeln, vogeschlagen, siehe Abb Mit dem Tansfomationskoeffizient ü ( w ξ1 ) ( w ξ ) s 1 =, (3..1) ξ 1 sch sind sowohl Rotowicklungspaamete R, X σ als auch Rotospannung u und Rotostom i als vom Stato aus gemessen zu betachten. Die bezogenen Rotogößen weden demnach zu: ' u ' R = ü u ms = ü m R ' i ' Xσ 1 m = i ü ms ms = ü m Xσ. (3..) R s L σs R L σ e gα i sα R m L h i α u sα i sα + i α u α R s i sβ L σs R m L h R i β L σ e gβ u sβ i sβ + i β u β Abbildung 3.-1: Zweistängiges Esatzschaltbild - 3 -

24 3 Mathematisches Modell De Eisenvelustwidestand R m daf bei den kleinen Speisefequenzen f s < 50 Hz venachlässigt weden. Die Komponenten de geneatoisch induzieten Spannung, die bei de Rotodehung zustande kommt und de Dehfequenz popotional ist, weden emittelt: g g e e ω ψ ω ψ α β β α = = (3..3) Die Flussvekettungen des Rotos egeben sich aus:. i L i L ) i (i L i L ; i L i L ) i (i L i L s h ' ' s ' h ' ' ' s h ' ' s ' h ' ' ' β β β β β σ β α α α α α σ α ψ ψ + = + + = + = + + = (3..4) Dann ist das Diffeentialgleichungssystem zu dem Esatzschaltbild in de Abb [9]: ' s h ' ' ' ' s h ' ' ' ' h s s s s s ' h s s s s s dt di L dt di L R i u dt di L dt di L R i u dt di L dt di L R i u dt di L dt di L R i u ω ψ ω ψ α β β β β β α α α α β β β β α α α α + + = = + + = + + =, (3..5) wobei h ' ' h s L s L L L L L + = + = σ σ Vollinduktivitäten fü Stato und Roto sind.

25 3.3 Übegang zu komplexen Momentanweten 3.3 Übegang zu komplexen Momentanweten Fü diese Tansfomation egibt sich fü alle Gößen de Asynchonmaschine mit Schleifingläufe die allgemeine Scheibweise [30]: g = g + j g = ĝ (cos γ + j sin γ ) = ĝ e (3.3.1) d q j γ De Raumzeige kann dann mit dei Stanggößen dagestellt weden als g = 3 (ga + a gb + a gc ),. (3.3.) mit π j a = e 3 Daübe hinaus kann ein zweistängiges Esatzschaltbild in ein einstängiges tansfomiet weden, wo alle Wik- und Blindwidestände den Stanggößen entspechen, siehe Abb Diesem Esatzschaltbild nach ist de Magnetisieungsstom gleich de Summe de Momentanwete de Stato- und Rotostöme: i = i s + i' µ. (3.3.3) R s i s L σs R m L h R i L σ e g u s i µ = i s + i u Abbildung 3.3-1: Einphasige T-Esatzschaltung fü Momentanwete Wegen des diekten Netzanschlusses wid de ASG statoseitig mit konstante Spannung U s und Fequenz f s bzw. Keisfequenz ω s betieben. Damit ist es - 5 -

26 3 Mathematisches Modell angebacht, statt Diffeential- die komplexen Gleichungen fü Effektivwete von Stömen und Spannungen zu vewenden. Gleichungssystem zum Esatzschaltbild in de Abb lautet: u s u d i s = R s i s + Ls dt ' ' d i = R i + L dt ' d i + L h dt d i s + Lh dt j ω ( L i + L ( i + i ) ' ' h ' s. (3.3.4) 3.4 Übegang zu komplexen Effektivweten und veeinfachtes Γ- Esatzschaltbild Komplexe Momentanwete von Spannungen und Stömen können duch ihe Effektivwete ausgedückt weden: u s = U s e j ω t u = U e j ω t. (3.4.1) i s = I s e j ω t i = I e j ω t R s jx σs (1-s)R /s jx σ R I s jx h I U s I µ U /s Abbildung 3.4-1: Einphasige T-Esatzschaltung fü Effektivwete Nach de Diffeenzieung und Dividieung de Gleichungen (3.3.3) duch e j ω t gehen wi zum folgenden T-Esatzschaltbild in de Abb und Gleichungssystem (3.4-) übe, weitee Ausfühungen hiezu finden sich in [30]

27 3.4 Γ- Esatzschaltbild U U s s ' = (R s ' R = ( s + jxσ s ) I ' s ' + jxσ ) I + jx + jx h h (I (I s s + I ' + I ' ). (3.4.) ) Fü die Beechnung des quasistationäen Betiebsvehaltens eines ASG bei Feldoientiete Regelung (FOR) ist ein veeinfachtes Γ-Esatzschaltbild auseichend [5], [30]. Dabei wid de Statowidestand venachlässigt und die gesamte Steueaktanz wid auf die Rotoseite gezogen, siehe Abb. 3.4-: R X s = 0 σ = Xσ + X σs. (3.4.3) I s R /s I jx σ jx h U s U /s I µ Abbildung 3.4-: Das veeinfachte Γ-Esatzschaltbild Fü dieses Esatzschaltbild ist das Gleichungssystem gültig: U s = I µ jx h ' U s = U s ' + I ' R ( jxσ + s ). (3.4.4) I µ = I s ' + I Auf de Basis dieses Esatzschaltbildes können im Weiteen bei den gegebenen Statospannung U s, Sollwet de Rotospannung U und Maschinenpaameten X h, X σ und R die in Gl. (..) angefühten das quasistationäe Betiebsvehalten chaakteisieenden Kennlinien eines ASG festgestellt weden

28 4 Rotospeisung bei FOR 4 Rotospeisung nach dem Pinzip de Feldoientieung 4.1 Netzspannungssynchones Koodinatensystem Bei doppelt gespeistem ASG sind die Statowicklungen diekt und die Rotowicklungen übe einen Stomichte ans Netz angeschlossen. Wenn de Rotostom nach Betag und Phase gesteuet wid, baucht die Rotodehzahl fü z.b. eine gleich bleibende Wikleistungsezeugung nicht konstant gehalten weden. Dies ist eine notwendige Voaussetzung fü ASG im teilweise-windgefühten Betieb [], [5]. Die Anlage abeitet nach dem Übelageungspinzip: f = p n + (4.1.1) s f Bei sich ändende Dehzahl, muss die Rotofequenz so vogegeben weden, dass die gewünschte Statofequenz eingehalten wid. Duch die Komponenten des Rotostomzeiges können Wik- und Blindleistung nahezu unabhängig voneinande vestellt weden. Dabei kann bei geeignete Betiebsfühung nicht nu de Wikungsgad ehöht weden, sonden auch ein neutale, soga kapazitive Betieb de WKA wid emöglicht [5]. Fü die Ausabeitung solche Möglichkeiten bietet sich die Feldoientiete Regelung des ASG. Die Realisieung de Feldoientieten Regelung (FOR) efolgt mittels de Bestimmung aus unabhängigen Regelgößen, z.b. Dehmoment und Leistungsfakto, de dem ASG vozugebenden Rotostöme. Üblicheweise efolgt ihe Beechnung in einem statoflusssynchonen Koodinatensystem, dessen Bezugsachse fest mit dem Statoflussaumzeige vebunden ist, so dass die Statoflussvekettung Ψ s stets eell bleibt. De Betag des Statoflusses wid dabei hauptsächlich duch die Quekomponente de Statospannung U sq eingepägt. Dann ist fü ein statoflusssynchones Koodinatensystem annehmba: - 8 -

29 4.1 Netzspannungssynchones Koodinatensystem Ψ U sq sd = 0 0. (4.1.) Das Roto- und Statodehfeld weden daduch synchonisiet, dass die Lage des Rotostomaumzeiges I in Abhängigkeit von de Lage des Statoflussaumzeiges Ψ s gebacht wid. Das Statoflusskoodinatensystem hat bei de Sinusspeisung konstante Winkelgeschwindigkeit und quasistationä untescheidet sich nu um einen venachlässigbaen Winkel vom Netzspannungskoodinatensystem [5]. Demzufolge kann die Regelung sowohl im Statofluss- als auch im Netzspannungskoodinatensystem duchgefüht weden. Fü ein Netzkoodinatensystem gilt entspechendeweise: U Ψ sq sd = 0 0. (4.1.3) d Im Im s U s I I d Ψ s Ψ sd Ψ sq Re I q γ Ψ γ Re s q I s (kap.) I s I s (ind.) cos ϕ = -0.9 (ind.) (kap.) Abbildung 4.1-1: Netzspannungssynchones Koodinatensystem - 9 -

30 4 Rotospeisung bei FOR 4. Asynchongeneato mit Doppelspeisung in Feldkoodinaten Wenn man das Netzspannungskoodinatensystem mit U s in de eellen Achse einfüht, sind fü einen doppelt gespeisten ASG näheungsweise folgende Bedingungen efüllt, die im Zeigebild 4.-1 und im Gleichungssystem (4..1) zugefüht sind [16], [38]: Isd Isq ' + Id ' + Iq 0 Ψ L sq h = Un X h. (4..1) = Iµ U s d I (ind.) I (kap.) q ϕ s γ I µ I s (kap.) I s (ind.) cosϕ s Abbildung 4.-1: Zeigebild eines doppelt gespeisten ASG Bei FOR sind Que- und Längskomponenten des Rotostomes dynamisch beinahe entkoppelt und zwischen dem Dehmoment und de Rotostomlängskomponente ein popotionale Zusammenhang angenommen weden daf, also nu die Längskomponente I d diekt auf die Dehmomentbildung wikt [], [5], [8], [47]:

31 4. ASG mit Doppelspeisung in Feldkoodinaten m 1 X ω h ' δ = m p iµ i d. (4..) Das Dehmoment folgt dem Momentanwet de Längskomponente ohne zeitlichen Vezug, und seine Dynamik hängt von de möglichen Ändeungsgeschwindigkeit des eingepägten Rotostomes ab. Abzüglich de Stomwämeveluste im ASG ist das Dehmoment popotional zu Wikleistung, also statt de Wikleistung kann das Dehmoment duch die Längskomponente I d geegelt weden. De Betag des Statoflussaumzeiges wid übe Zeitkonstante T s von de Quekomponente I q beeinflusst und kann nu mit goße Vezögeung veändet weden [49]: dψ s dt Rs = ψ s Ls Rs Lh + Ls ' iq + un. (4..3) Wegen de Sättigung des magnetischen Keises ist eine Ehöhung des magnetischen Flusses nu duch übepopotionale Steigeung des Magnetisieungsstomes eeichba, was betächtliche Ehöhung de Stomwämeveluste zu Folge hat. Dahe muss die Quekomponente I q so geegelt weden, dass de Magnetisieungsstom also auch de Betag de Statoflussvekettung konstant gehalten weden. 4.3 Enegiebilanz Dem Wind entnehmbae Enegie Die Aufgabe de FOR besteht in de optimalen Wik- und Blindleistungsegelung hinsichtlich des Wikungsgades im gesamten Betiebsbeeich. Um die Sollwete de Rotostomkomponenten I d und I q beechnen zu können, soll die Enegiebilanz de gesamten WKA estellt weden

32 4 Rotospeisung bei FOR Die Enegiediffeenz zwischen ungestöte und abgebemste Luftstömung kann vom Windoto in mechanische Enegie gewandelt weden [11], [1], [13]. Ausgehend von de Enegie de bewegten Masse W 1 = m υ (4.3.1) und de Luftmasse, die die Rotofläche im bestimmten Zeitpunkt duchsetzt: dx m = ρ AT = ρ AT υ, (4.3.) dt kann dann die dem Wind entnehmbae mechanische Tubinenleistung ausgedückt weden als: P T 1 3 = Cp W = ρ AT υ Cp. (4.3.3) Wenn die Tubine auf de leistungsoptimalen Kennlinie, d.h. im C p -Optimum, abeitet, wid bei jede bestimmten Windgeschwindigkeit maximalmögliche elektische Enegie gewonnen. Abbildung 4.3-1: Tubine abeitet im C p -Optimum (Quelle: Flende, Lohe) - 3 -

33 4.3 Enegiebilanz Das Tubinenmoment und die Tubinendehzahl weden bestimmt als: M n T T P = T π n = u π D T T. (4.3.4) Da de Antiebsstang dehzahlvaiabel ist, kann die Betiebsdehzahl de Windtubine genau dem Wikungsgadoptimum des Flügels angepasst und somit die gewünschte Schnelllaufzahl eingehalten weden [14]: λ u =. (4.3.5) υ Füht man noch den Momentbeiwet als Anlagepaamete ein Cp C m =, (4.3.6) λ so wid das Tubinenmoment, also auch das Dehmoment an de Rotowelle, das auf den ASG wikt, zu: MT 1 DT = ρ Cm AT υ. (4.3.7)

34 4 Rotospeisung bei FOR 4.3. Wikleistungsbilanz Abbildungen 4.3-, 3 veanschaulichen den Wikleistungsfluss im unte- bzw. übesynchonen Betiebszustand. Untesynchon P n = Ps Pw = (PT PvASG + Pw PvSR ) Pw = PT PvΣ (4.3.8) P s WKA P n P w SR P ASG P T P v SR P v ASG Abbildung 4.3-: Wikleistungsfluss im untesynchonen Betiebszustand Übesynchon P n = Ps + Pw = (PT PvASG Pw PvSR ) + Pw = PT PvΣ (4.3.9) P s WKA P n P w SR P ASG P T P v SR P v ASG Abbildung 4.3-3: Wikleistungsfluss im übesynchonen Betiebszustand

35 4.3 Enegiebilanz Gesamte de WKA zugefühte Wikleistung egibt sich aus: PZ PT + Pw (untesynchon ) =, (4.3.10) PT (übesynchon ) wobei, P T Mechanische Tubinenleistung ist, die sowohl duch Windoto- als auch duch Geneatogößen, Schlupf und Polpaazahl, ausgedückt wid: P T ωs = π nt MT = MT (1 s ), (4.3.11) p und P w die elektische Schlupfleistung, die duch Stomichte an de Rotoseite je nach dem Betiebszustand des ASG unte- ode übesynchon zuode abgefüht wid, was einen hohen Wikungsgad im gesamten Betiebsbeeich gewähleistet: P = s. (4.3.1) w P s Des Weiteen teten in de WKA folgende Veluste auf: im ASG egeben sich die Gesamtveluste aus Stomwäme- (P vw ), Eisen- (P ve ), Reibungs- (P v ), Büsten- (P vb ), Zusatz- (P vz ) und Obeschwingungsvelusten, die infolge de Stomichtespeisung zustande kommen, (P vν ), die einzelnen Summanden weden in Anhang 1 nähe eläutet: P vasg = Pvw + Pve + Pv + Pvb + Pvz + Pvν. (4.3.13) Im Stomichte addieen sich Veluste aus den Duchlass- und Schaltvelusten de IGBT s und Dioden jedes Stomichtes, des geneatoseitigen (RSR) und netzseitigen (NSR) Stomichten. Die Gl. (4.3.14) wid allgemein fü einen Stomichte je nach den Weten seine Komponenten vewendet

36 4 Rotospeisung bei FOR UCEo + fc ein(t ) + eout(t ) + P vsr 6 π = 1 + CE I a(eff ) PvSR = PvGSR + PvNSR 1 eout(d) I a( eff ), (4.3.14) wobei I a de Effektivwet de esten Hamonische des Leitestomes des ASG ist. + In de Abb , 5 sind die Vegleiche de im ASG von 1.5 MW vokommenden Velusten und de Geneato-, Stomichtevelusten zu sehen, dabei wude de ASG mit dem Übesetzungsvehältnis ü = 0.8 in Betacht gezogen Veluste im ASG Veluste in WKA Veluste, W Veluste, W Schlupf Stomwämeveluste Reibungsveluste Eisenveluste Büstenveluste Schlupf Geneatoveluste Stomichteveluste Abbildung 4.3-4: Abbildung 4.3-5: (links) Geneatoveluste (echts) Geneato-/ Stomichteveluste Die ins Netz gespeiste Wikleistung am Netzanschlusspunkt egibt sich aus, siehe auch Abb. 4.3-, 3:

37 4.3 Enegiebilanz Pn Ps Pw (untesynchon ) = = Ps (1 s ) = PT P νσ. (4.3.15) Ps + Pw (übesynchon ) De Wikungsgad de WKA wid seine Definition nach beechnet als: η Pn A = P. (4.3.16) Z Blindleistungsbilanz De Blindleistungsfluss ist in de Abb veanschaulicht. Q s Netzfilte Stomichte Q n X L Q w NSR RSR Q ASG Q F X C C ZK Abbildung 4.3-6: Blindleistungsfluss in de WKA Zu seine Magnetisieung baucht de ASG einen von den Geneatopaameten bestimmten Blindleistungsbetag: Q m h n 3 U =. (4.3.17) X

38 4 Rotospeisung bei FOR Diese Blindleistung kann aufgeteilt auf die stato- und otoseitigen Betäge zum ASG zugefüht weden. Demzufolge wid im Weiteen de Anteilsfakto de Statoblindleistung an de gesamten Blindleistung am Netzanschlusspunkt de Anlage eingefüht: Qs = Qn α. (4.3.18) In de Regel ist man bestebt, den Bedaf an induktive Blindleistung so geing wie möglich zu halten, damit eine Wikleistung ins Netz gespeist wid. Andeeseits sollte beim maximalen Leistungsfakto insbesondee auf eine gleichmäßige Stombelastung beide Stomichte Wet gelegt weden. Daübe hinaus wid heutzutage von modenen Windkonveten gefodet, dass sie einen Phasenschiebe Betiebsbeeich von -0.9 kapazitiv bis -0.9 induktiv ealisieen können [15]. De Leistungsfakto de gesamten WKA cos ϕ A untescheidet sich von dem des Statos des ASG cos ϕ s, siehe Abb : cos ϕ = cos s cos ϕ A = cos ( (I U )) s ( (I U )) n n n. (4.3.19) Die Blindleistung am Netzanschlusspunkt und die Statoblindleistung weden duch entspechende Leistungsfaktoen bestimmt: Q Q n s = = 3 U 3 U n n I I n s sin ϕ sin ϕ A s, (4.3.0) Anhand de Definitionen von Leistungsfakto und Anteilsfakto kann zwischen diesen folgende Zusammenhang festgestellt weden: tan ϕ = α (1 s ) tan ϕ. (4.3.1) s A

39 4.3 Enegiebilanz Induktiv Leistungsfakto 0.9 Kapaziti Leistungsfakto phi, ad de WKA des Statos: s = -0.3, alfa = Schlupf cos phi WKA = -0.9 ind. des Statos: alfa = 0.5 des Statos: alfa = Abbildung 4.3-7: Vegleich des Leistungsfaktoen de WKA und des ASG Bei jedem Betiebszustand kann de Anteilsfakto so gesteuet weden, dass velangte Leistungsfakto de WKA nachgefüht wid; de Leistungsfakto des ASG stellt sich dabei selbst ein. Die Blindleistung am Netzanschlusspunkt setzt sich zusammen aus: Q = Q + Q + Q, (4.3.) n s w F Netzfilte- und Stomichteblindleistungen egeben sich aus: Q w = 3 Un Iwq. (4.3.3) U Q 3 ( X I n F = L w ), (4.3.4) XC Kondensatobank in Deieckschaltung. Die Rotoblindleistung kann als schlupfabhängige Teilbetag de Statoblindleistung und Magnetisieungsleistung beschieben weden, ausfühlichee Behandlung zu diesem Thema findet sich in [15]: Q = s Q + Q (4.3.5) s m

40 4 Rotospeisung bei FOR 4.4 Sollwete de Rotostomkomponenten Eine Regelung des Dehmoments des ASG im teilweise-windgefühten Betieb ist notwendig, damit in einem festgelegten Dehzahlbeeich die Kennlinien von Dehmoment und Windotomoment deckungsgleich sind, siehe Abb Die Abdeckung des dehzahlvaiablen Betiebsbeeiches wid üblicheweise in einem Schlupfbeeich von ± 30% symmetisch zu Synchondehzahl des ASG ezielt. Dabei ist die Ausnutzung des Stomichtes besondes günstig, denn e ist nu fü die maximale Schlupfleistung, also nu fü 30% de Geneatonennleistung, zu bemessen [18], [19], [46]. Abbildung 4.4-1: Abeitskennlinie eines Seien-ASG (Quelle: Flende, Lohe) Es muss also die Bedingung efüllt weden: 0.7 n s Mδ = M n 1.3 n T s. (4.4.1) Die minimale Dehzahl n = 0.7 n s wid duch die Höhe de gesamten Veluste de WKA einschließlich Filte, SR und ASG festgelegt. Mit weite steigende

41 4.4 Sollwete de Rotostomkomponenten Dehzahl, hevogeufen duch gößee Windgeschwindigkeiten, wid auf optimale Leistungskennlinie gefahen, die maximale Windenegieausbeute entspicht. Nach dem Eeichen de höchsten Dehzahl n = 1.3 n s = n N bei P T = P N, wid de ASG nach de Nennleistung geegelt, damit e mechanisch nicht übelastet wid [14]. Die Abeitskennlinie eines Seien-ASG ist in de Abb dagestellt. Die Tubinendehzahl kann entwede duch Windoto- ode duch Geneatodaten ausgedückt weden: nt λ υ = π DT = (1 s ) ns 60. (4.4.) Dann egibt sich de Momentensollwet fü die FOR aus (4.3.4)-(4.3.7) zu: MT = π Cp 3 λ ρ AT 3 R T (1 s ) ns 60. (4.4.3) Im windgefühten Dehzahlbeeich soll das Dehmoment des ASG dieselbe Popotionalität wie das Windotomoment aufweisen, siehe Abb Dahe entsteht duch die Intepolation von den in Abb dagestellten Abhängigkeiten folgende Zusammenhang: (1 s ) ns Mδ = MN n N wobei p ns MN = PN ω nn p = (1 s ) ω ns nn 3 PN,. (4.4.4) nu gültig bei λ = const. und C p = const. Gemäß den Gl. (4..1), (4..) und (4.4.1), (4.4.3), (4.4.4) kann das Dehmoment des ASG duch den Sollwet de Rotostomlängskomponente I d dem Algoithmus nach geegelt weden:

42 4 Rotospeisung bei FOR I d = 3 ω M p m U n T = (1 s ) n n s N 3 3 P m U N n = I sq. (4.4.5) Die Statostomlängskomponente I sd wid gemäß Gl. (4..1) auch duch den efodelichen Wet des Dehmomentes festgelegt. 5 Windotoleistung Windotomoment 4 P m_5mw 10 4 PT, MW 3 1 P m_1.5mw MT, Nm Schlupf PT = 1.5 MW PT = 5 MW Schlupf PT = 1.5 MW PT = 5 MW Abbildung 4.4-: Kennlinien fü Windotoleistung und Windotomoment am Beispiel von 1.5 MW und 5 MW ASG Zu Regelung des Leistungsfaktos de WKA können sowohl Statostom- als auch Rotostomquekomponenten, I sq und I q, und/ode Quekomponente des NSR-Stomes I wq heangezogen weden. De Sollwet de Statostomquekomponente wid mit (4.3.18) duch die Wikleistung am Netzanschlusspunkt und den gefodeten Leistungsfakto bestimmt: I sq = 3 Q s m U n = 3 Q n m U n α = 3 P n tan ϕ A m U n α. (4.4.6) Mit den Gl. (4..1) und (4.4.5) kann dann de Sollwet de Rotostomquekomponente emittelt weden: - 4 -

43 4.4 Sollwete de Rotostomkomponenten ' Iq = Isq + I µ. (4.4.7) Die Sollwete de Rotospannungskomponenten fü die weitee Raumzeigemodulation weden gemäß dem Esatzschaltbild in de Abb beechnet: U = s U + I (s jxσ + R ). (4.4.8) s Die Regelung kann auch duch NSR-Stomkomponenten duchgefüht weden, die folgendeweise emittelt weden [9], siehe Abb De Sollwet de Längskomponente I wd : I wd Pw = ; (4.4.9) 3 U n de Sollwet de Quekomponente I wq : Iwq (1 α ) Pn tan ϕ A = 3 Un + Un XC. (4.4.10) Die Stomeffektivwete fü beide Teil-SR und de gesamte SR-Stom I SR weden aus den Komponenten bestimmt: I = I d + I q I w = wd I + I wq. (4.4.11) I SR = I + I w Eine wichtige Rolle spielt die gleichmäßige Stomveteilung zwischen beiden Teil-SR. Als Ziel kann auch de minimale SR-Stom dienen, bei dem die mini

44 4 Rotospeisung bei FOR malen SR-Veluste eeicht weden. Diese beiden Fälle sind fü veschiedene Betiebszustände eines 1.5 MW ASG in Abb , 4 zu sehen. 100 SR-Stom, A 100 SR-Stom, A RSR NSR Anteilsfakto RSR NSR Anteilsfakto Abbildung 4.4-3: SR-Stöme beim induktiven und kapazitiven Betieb bei s = -0., cos φ = -0.9 induktiv (links), kapazitiv (echts) gesamte SR-Veluste, W gesamte SR-Veluste, W Anteilsfakto s = -0.3 s = 0 s = 0.3 s = -0.3 s = 0 s = 0.3 Anteilsfakto Abbildung 4.4-4: Gesamte SR-Velusten bei cos φ = -0.9 induktiv (links), kapazitiv (echts)

45 4.5 Voteile des Betiebes bei FOR 4.5 Voteile des Betiebes mit feldoientiete Regelung Voteile de FOR eines ASG können anhand vegleichende Analyse veschiedene Steue- und Regelaten hinsichtlich Betiebskennlinien gezeigt weden. Dabei weden folgende in Betacht gezogen: 1 Kuzschlussläufebetieb entspicht dem des Schleifingotos mit kuzgeschlossene Rotowicklung. Spannungs-Fequenz-Steueung, bei de die Rotospannung popotional de Rotodehfequenz gesteuet wid [30]: U = s U s e R j a tan X jx s R s s s X h (4.5.1) 3 Feldoientiete Regelung, bei de die Lage des Rotostomaumzeiges i von de Lage des Netzspannungsaumzeiges u s abhängig ist. Bei Spannungssteueung und FOR kann geneatoische Betieb auch untesynchon gewähleistet weden. In den Abb weden die Egebnisse de Untesuchung am Beispiel eines 1.5 MW ASG wegen des Vegleiches mit Kuzschlussoto nu im übesynchonen Schlupfbeeich dagestellt. Die Voteile des feldoientiet geegelten Betiebes gegenübe den andeen Steueaten können folgendemaßen zusammengefasst weden: Die Stato- und Rotostöme des ASG mit FOR sind im ganzen Schlupfbeeich wesentlich kleine, was geingee Übetempeatuen de Wicklungen zu Folge hat. Wie aus de Abb zu sehen ist, daf eine ungeegelte Asynchonmaschine wegen de Tempeatubelastbakeit de Wicklungen nu im engen Beeich nahe dem Synchonismus betieben weden

46 4 Rotospeisung bei FOR Statostom, A Schlupf mit Kuzschlußoto mit U-Steueung mit FOR Abbildung 4.5-1: Statostomvegleich Bei FOR ist die Nachfühung des Leistungsfaktos, de sonst als Folge de Maschinenpaamete und des Betiebszustandes sich selbst einstellt, ealisieba, und sowohl de induktive als auch kapazitive Betieb wid emöglicht, siehe Abb De höhee Leistungsfakto insbesondee bei hohen Schlupfweten veinget den Aufwand fü den Stomichte. 1 Leistungsfakto Schlupf mit Kuzschlußoto mit U-Steueung mit FOR Abbildung 4.5-: Leistungsfaktovegleich

47 4.5 Voteile des Betiebes bei FOR De Wikungsgad bleibt im betachteten Dehzahlbeeich beim Übegang zu FOR fast unveändet und eeicht seinen maximal möglichen Wet, siehe Abb Es wid also seine wesentliche Absenkung im Teillastbeeich vemieden. 1 Wikungsgad Schlupf mit Kuzschlußoto mit U-Steueung mit FOR Abbildung 4.5-3: Wikungsgadvegleich

48 5 Rotospeisung übe einen Stomichte 5 Rotoeinspeisung übe einen Stomichte 5.1 Selbstgefühte Stomichte mit Gleichspannungszwischenkeis Um die Spannung im Rotokeis vaiieen zu können, muss ein Stellglied mit veändeliche Spannung und Fequenz an die Schleifinge angeschlossen weden. Als solches wid ein 4-Quadanten-Stomichte (SR) vewendet, de sowohl übe- als auch untesynchonen und zudem auch synchonen Betieb gestattet und gleichzeitig die Funktion eines stufenlosen Getiebes übenimmt. Untesynchon bezieht de Roto die Schlupfleistung aus dem Netz, wähend übesynchon speist sie ins Netz ein. Dem Aufwand seitens Stomichte und Regelung steht die univeselle Einsatzmöglichkeit de Anlage gegenübe. Das Pinzipschaltbild de gesamten WKA ist in de Abb dagestellt. 690 V Netzfilte NSR ZK RSR ASG Zündmuste M T Regelungssystem Abbildung 5.1-1: Pinzipschaltbild de WKA Das Netzfilte besteht aus den zum Netz paallelgeschalteten deiphasigen Wechselspannungskondensatoen in Deieckschaltung, die duch die NSR- Obeschwingungsstöme eduzieende Reihendosseln mit dem Stomichte vebunden sind

49 5.1 Selbstgefühte Stomichte De SR besteht aus zwei steuebaen Puls-Stomichten, otoseitigem (RSR) und netzseitigem (NSR), die mit IGBT s bestückt und duch einen Gleichspannungszwischenkeis (ZK) miteinande gekoppelt sind. Im ZK befindet sich ein Kondensato, de den Obeschwingungsgehalt de Spannung veinget. Denkt man sich die ZK-Kapazität als Reihenschaltung zweie gleiche Kondensatoen, so steht ein Bezugspotential 0 zu Vefügung. Aus de Gleichspannung des ZK wid von einem de Teil-SR je nach dem Betiebszustand eine echteckfömige Ausgangsspannung efodeliche Amplitude und Fequenz gebildet, de andee funktioniet dabei als ein Gleichichte [4], [33], [55]. Bei dem selbstgefühten SR wid die Umleitung des Stomes von einem Stomkeis auf den andeen duch Eingiffe an den IGBT s selbst bewikt. Die Abb zeigt die Stuktu des vewendeten SR. Da die genaue Topologie des SR fü die Aufgabe diese Abeit vom untegeodneten Inteesse ist, wude auf sie in de Abb vezichtet. p a b c L 1 L L 3 U ZK m R a L a ~ R b L b ~ R c L c ~ ~ ~ ~ Abbildung 5.1-: Stuktu des Stomichtes

50 5 Rotospeisung übe einen Stomichte Fü die Untesuchung des Betiebesvehaltens des ASG am SR müssen folgende Veeinfachungen getoffen weden: Ideale Kopplung zwischen NSR und RSR, d.h. es wid mit eine ideal geglätteten Gleichspannung im ZK geechnet und es existiet keine Rückwikung de Belastung auf die ZK-Spannung; Einfluss von passiven Elementen des SR, wie Kondensatoen und Dosseln, wid venachlässigt; die IGBT wiken als ideale Schalte, d.h. Vezögeungs- und Schutzzeiten, Kommmutieungsvogänge weden venachlässigt; Pulse de Ausgangsspannung weden als echteckfömig angesehen mit de ZK-Spannung als Dachhöhe. Bei ideale Entkopplung de Stellogane des SR sind nu die Schaltzustände de RSR-Zweige fü die Ausgangsspannung maßgebend. Puls-SR gestattet die Spannungsstellung duch Pulsweitenmodulation (PWM). Duch die vom Mikoechne beechneten Pulsmuste weden IGBT-Ventilpaae so gesteuet, dass gepulste deiphasige Ausgangsspannung mit efodelichen Betag, Fequenz und Phasenwinkel an die Rotowicklung angelegt wid. Duch entspechende Beechnung de Schaltzustände kann eine gute Nähung an die Sinusfom des Rotostomes eeicht weden, de infolgedessen nu wenig obeschwingungsbehaftet ist. IGBT s weden in eine Halbpeiode mehfach ein- und ausgeschaltet. Mit steigende Pulsfequenz nehmen die Ein- und Ausschaltveluste im SR zu. Andeeseits je höhe die Pulsfequenz gewählt wid, umso besse gleicht sich die Ausgangsspannung de Gundschwingung an, und die Obeschwingungsveluste gehen zuück. Mit dem Steuevefahen wid das Abeitsegime de IGBT s festgelegt. In diese Abeit wid als Steuevefahen die Raumzeigemodulation bewetet [5], [4], die online nach jedem Aufuf de Stomegle die neue Schaltinfomation bestimmt. Sie zeichnet sich duch ein obeschwingungsames Pulsmuste, eine gute Regeldynamik und einen hohen SR-Wikungsgad aus

51 5. PWM mittels Raumzeigemodulation 5. Pulsweitenmodulation mit de Hilfe des Raumzeigemodulationsvefahens FOR abeitet gundschwingungsoientiet, das heißt, die in den Messgößen enthaltenen Obeschwingungen weden duch die Auswahl de Abtastzeitpunkte nicht efasst. Die Ezeugung de Ansteuesignale efolgt duch Pulsweitenmodulation (PWM) nach dem Spannungsaumzeigemodulationsvefahen. Bei PWM wid die gewünschte Sollspannung duch eine Folge von Spannungspulsen angenähet, deen Höhe duch die ZK-Spannung festliegt, deen Beite jedoch vaiiet weden kann. Bezogen auf das Potential des ZK-Mittelpunktes können die Klemmenspannungen nu zwei veschiedene Wete annehmen, die positive ode die negative ZK-Spannung. Physikalische Gundlagen de Raumzeigemodulation sind in [19], [33] ausfühlich betachtet, wobei in [33] Einschänkungen des Vefahens angefüht sind. IGBT s eine Bücke vebinden je nachdem, ob das Eingangssignal eine 1 ode eine 0 ist, die Rotoklemme mit dem Plus- (p) ode Minuspol (m) des ZK [4]. Die Spannungen zwischen den Klemmen a, b, c und den Polen sind unabhängig voneinande zwischen den Weten U ZK und 0 schaltba. Zu Ezeugung eines symmetischen Dehspannungssystems müssen die Spannungen U ao, U bo, U co gleichen zeitlichen Velauf mit eine jeweiligen Phasenveschiebung von π / 3 aufweisen. Unte de Annahme, dass in jedem Bückenzweig des SR ein IGBT ein- und eine ausgeschaltet ist, egeben sich fü den deiphasigen Puls-SR insgesamt acht ( 3 ) veschiedene Schaltzustände heaus: sechs mögliche Gundzeige mit de Amplitude u = u max = K = u6 = UZK (5..1) 3 und zwei Nullzeige, deen Schaltzustände deiphasigem Kuzschluss des ASG entspechen. Gundzeige liefen betagsgleiche Raumzeige, die auf den Ecken eines egelmäßigen Hexagons in de komplexen Ebene liegen. Hexagon

52 5 Rotospeisung übe einen Stomichte de Ausgangsspannung des SR stellt die äumliche Lage de Gundzeige zu den Wicklungen da, siehe Abb Um den beliebigen Sollspannungsaumzeige U.soll anzunähen, eicht es, aufeinande folgendes Schalten beide benachbaten Gundzeige, U e und U li, und de beiden Nullzeige, U 0 und U 7, zu kombinieen [5]. Voteilhaft ist diejenige Reihenfolge von Zeigen, bei de jede Zweig innehalb eine Pulspeiode nu einmal umgeschaltet weden muss. Die Schaltkombination (5..) gewähleistet die geingsten Schaltveluste des SR, sie wid zweimal po Peiode ausgegeben, und die Nullzeige 0 und 7 wechseln sich ab: U = U + U + U. (5..).soll e li 0(7 ) Phase b U 3 (010) U (110) U.soll U 4 (011) U 7 (111) U 0 (000) U 1 (100) Phase a U 5 (001) U 6 (101) Phase c Abbildung 5.-1: Hexagon de Ausgangsspannung U e und U li lassen sich duch die d und q-komponenten des Zeiges U.soll fü veschiedene Quadanten Q1 Q4 und Sektoen des Hexagons S1 S6 beechnen [7], [4], siehe Tab

53 5. PWM mittels Raumzeigemodulation u e u li S1 Q1 b c S S3 Q a -b S4 Q3 b c S5 S6 Q4 b c a b a -b -b a c b Tabelle 5.-1: Zu Beechnung des Rotosollspannungsaumzeiges Die Bedeutungen de in de Tab angefühten Teme a, b und c sind: a = u d u q b = u d 1 3 u q. (5..3) c = 3 u q Die Zeit zu Appoximation eines Sollspannungsaumzeige ist die so genannte Taktpeiode T p, die sich aus de Pulsfequenz egibt zu: 1 f T p =. (5..4) p Gemäß de Schaltkombination (5..) gilt fü die Taktpeiode: T p Te + Tli + T0(7 ) =, (5..5) wobei T e, T li Einschaltzeit de benachbaten Gundzeige und T 0 vebliebene Nullspannungszeit

54 5 Rotospeisung übe einen Stomichte Die Einschaltzeit de Gundzeige beechnet sich als entspechende Teil de halben Taktpeiode []: T T e li = = U U U U li e max max T T p p. (5..6) Nullzeige weden fü die Dastellung des Sollspannungsaumzeiges dann benötigt, wenn dessen Spitze nicht auf dem Hexagon liegt. Ihe Einschaltzeit T 0 ehält man aus de Bedingung (5..5): T T p 0 = Te Tli. (5..7) Nach de Beechnung von Einschaltzeiten muss ein Ausgabemodus festgelegt weden. In diese Abeit wid die IGBT-Pulsfequenz khz angenommen. Demzufolge betägt die Taktpeiode T p = 0,5 ms. Abtastzeit de Regelung ist damit 0,5 ms. Die Einschaltdaue einzelne Pulse kann entspechendeweise beechnet weden: T0 Timp = Te + Tli +. (5..8) Wenn de Sollspannungsaumzeiges an die Aussteuegenze geht, wid die Nullzeit dabei seh klein ode ga Null. Dies ist gleichbedeutend mit einem sofotigen Ein- bzw. Ausschalten des betoffenen Ventilzweiges. Aus diesem Gund muss entwede die Aussteueung so begenzt ode die ZK-Spannung so nachgefüht weden, dass die Nullzeiten T 0 und T 7 die Schaltzeiten de Ventile nie untescheiten