Potentiale der Generator- und Steuerungstechnik für Fluss-Strom-Anwendungen

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1 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Institut für Elektrische Energiesysteme Prof. Frank Palis, Dr. Thomas challschmidt Ramme-Elektro-Maschinen-Bau GmbH Dr. André Ramme Potentiale der Generator- und teuerungstechnik für Fluss-trom-Anwendungen 1. Generatorlösungen 1.1 Generatorlösungen mit Getriebe Asynchrongenerator mit Kurzschlussläufer Doppeltgespeister Asynchrongenerator Permanenterregter ynchrongenerator 1.2 Getriebelose Generatorlösungen Permanenterregter ynchrongenerator Transversalflussgenerator 2. Wirkungsgradmaximierung 2.1 Verlustoptimierung durch Generatorregelung 2.2 Maximum Power Point Tracking des Turbinenarbeitspunktes Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 1

2 Generatorlösungen mit Getriebe Asynchrongenerator mit Kurzschlussläufer Getriebe oft-tarter Transformator Turbine Asynchron- Generator Kondensatorbatterie etz Asynchronmaschine mit chleifringläuferläufer Getriebe notwendig (Übersetzung ca. 100) geringer Generatordrehzahlstellbereich (ca 10%) Verluste in den Läuferwiderständen Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 2

3 Generatorlösungen mit Getriebe Doppeltgespeister Asynchrongenerator Turbine Getriebe Transformator etz Asynchronmaschine mit chleifringläufer Getriebe notwendig Generatordrehzahlstellbereich bis zu 40% über synchrone Drehzahl tellgliedauslegung nur für Teillast notwendig (bis zu 40 % der ennleistung) Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 3

4 Generatorlösungen mit Getriebe Permanenterregter ynchrongenerator mit Getriebe (PMG) Getriebe Transformator Turbine PMM- Generator etz Permanenterregter ynchrongenerator Getriebe notwendig (Übersetzung ca. 10) variable Generatordrehzahl umfassende Möglichkeiten der Wirkungsgradoptimierung Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 4

5 Getriebelose Generatorlösungen Permanenterregter ynchrongenerator ohne Getriebe (PMG) Transformator Turbine PMM- Generator etz Permanenterregter ynchrongenerator kein Getriebe variable Generatordrehzahl umfassende Möglichkeiten der Wirkungsgradoptimierung Größere Baugröße als PMG mit Getriebe Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 5

6 Getriebelose Generatorlösungen Transversalflussgenerator ohne Getriebe Transformator Turbine TF-Generator etz Permanenterregter ynchrongenerator kein Getriebe variable Generatordrehzahl umfassende Möglichkeiten der Wirkungsgradoptimierung geringere Baugröße als der getriebelose PMG Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 6

7 Längsflussprinzip versus Querflussprinzip Längsflussprinzip Transversalflussprinzip Fa. ervax Magnetfluss tänderstrom Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg Quelle: Degèle97 7

8 Unterschiedliche Konstruktionen von Transversalflussmaschinen Hochmomentgenerator in Leichtbauweise für Windkraftanlagen [Lloyd Dynamowerke Bremen] n=55 U/min M=8,7 km P= 50 kw 1,2 Tonnen 27,6 k 23 k pro Tonne (herkömmlich 6 k pro Tonne) Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 8

9 Design von Transversalflussmaschinen am Beispiel des ervax Motors (1) l 2 b 2 3D T l 2 l 1 2D T b l 1 1 d 2 d 1 2D l 2 T h 2 re,2 B R,2 B R,1 2D l 2 l 1 T h 1 re,1 l 1 T Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 9

10 Feldbild des ervax Motors (FE Modell) Hauptproblem: Festlegung der Maschinengeometrie mit dem Ziel minimaler treufluss und maximaler magnetisch wirksamer Querschnitt der Pole Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 10

11 Verlustminimierung durch Regelung der elektrischen Generatorgrößen Turbine Verlustminimierung des PMM-Generators Ersatzschaltbild der ynchronmaschine ohne Eisenverluste Optimierung des Pulsmusters des maschinenseitigen Gleichrichters bei blockförmiger pannungssteuerung Regelung der tänderspannung unter dem Gesichtspunkt der Verlustminimierung (Eisen- und Kupferverluste) durch pannungspulsung R X 1, 1 X h R1 X 1 X h Eisenverluste sind näherungsweise spannungsproportional U 1 I 1 R Fe U P U 1 U j X 1 Übererregung (kapazitiver trom durch pannungsverringerung) reduziert Eisenverluste und erhöht Kupferverluste Es existiert eine tänderspannung, bei der die Gesamtverluste minimal sind I 1 1 U P j X 1 Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 11

12 Maximum-Powertracking bei drehzahlvariablen Genratoren Maximum Power Point Tracking (MPP) des Arbeitspunktes der Turbine Turbine Online-Anpassung der Turbinendrehzahl, bei der die maximale Leistung abgegeben wird P MPP Prinzipielle Turbinenkennlinie Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg M Drehzahlgeregelter bzw. momentengeregelter Generator nötig, der das Lastmoment oder die Generatordrehzahl so einstellt, dass die Turbine im MPP arbeitet Einsatz von intelligenten uchalgorithmen, die das optimale Lastmoment bzw. die optimale Generatordrehzahl online unter verschiedenen trömungsbedingungen ermitteln 12

13 uchalgorithmen MPP Fuzzy Perturb and Observation (P&O) (stören und beobachten) Ist- Leistung Leistungsänderung + wissensbasierte Regelung + einfache Programmierung Drehzahl-/ Drehmomentsollwert - Implementierbarkeit Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 13

14 MPP Tracking durch Polynomapproximation der Lastkennlinie achteile konventioneller uchalgorithmen ie basieren auf Änderungen der Eingangsgröße. Dadurch wird das ystem zur Parameteranpassung stets aus dem stationären Arbeitspunkt ausgelenkt. Diese Auslenkung kann durch eine Änderung von inneren Prozessgröße oder durch bewusste Einprägung einer törgröße von außen erfolgt sein. Die Auswertung von Änderungen des Arbeitsarbeitspunktes bedingt eine Differentiation, was mit einer Erhöhung der törempfindlichkeit einhergeht. Alternative zu konventioneller uchalgorithmen Aufnahme der Lastkennlinie M=f(n) zu Beginn der Inbetriebnahme. äherung der Kennlinie durch ein Polynom z. B. nach dem Prinzip der kleinsten Quadrate und Berechnung der Leistungskurve P=f(M) oder P=f(n). Analytische Bestimmung des MPP auf der Leistungskurve. Einstellung des analytisch gefundenen optimalen Arbeitspunktes am Wasserrad bzw. Generator. Bei signifikanten Abweichungen des Arbeitspunktes von der Polynomkennlinie erneute Aufnahme der Kennlinie um den Arbeitspunkt. Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 14

15 n, P MPP Tracking durch Polynomapproximation der Lastkennlinie Vorteile der Polynomapproximation Differentiation des Arbeitspunktes wird umgangen. Vermeidung von uchbewegungen, statt dessen eujustierung der Kennlinie in größeren Zeitabschnitten bzw. bei signifikanten Änderungen. Reduzierung von Messfehlern durch Approximation der Kennlinie nach den kleinsten Fehlerquadraten Approximation der Lastkennlinie durch ein Polynom 3. Ordnung und der Leistungskennlinie durch ein Polynom 4. Ordnung Lastmoment in k Last- und Leistungskennlinie Leistung in KW 2 3 n n0 a* M b * M c * M 10 2 ( * * * * ) P n M a M b M c M 60 5 Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg M 15

16 n, P n, P n, P n, P Kennlinien bei unterschiedlichen zufälligen Messfehlern 20 Last- und Leistungskennlinie 20 Last-und Leistungskennlinie 15 Leistung in KW 15 Lastmoment in k M M 20 Last- und Leistungskennlinie 20 Last- und Leistungskennlinie M M Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 16

17 n, P n, P n, P Kennlinien bei unterschiedlichen zufälligen Messfehlern und größerer Anzahl an Messwerten 15 Approximation in MPP-ähe 20 Last- und Leistungskennlinie M 10 5 ahezu linearer Verlauf der Lastkennlinien in der Umgebung des MMP M Last- und Leistungskennlinie Innovationsforum Fluss-trom, eptember , Magdeburg M 17

18 chlussfolgerungen Transversalflussgeneratoren zeichnen sich gegenüber anderen Lösungsmöglichkeiten durch eine höhere Momentendichte aus und sind deswegen für getriebelose Ausführungen besonders gut geeignet Durch Anpassung der Drehzahl bzw. des Lastmomentes des Generators kann die Turbine unabhängig von den jeweiligen trömungsbedingungen mit maximalem Wirkungsgrad (Maximum Power Point) betrieben werden. Die Generatorverluste lassen sich durch regelungstechnische Maßnahmen minimieren. Dadurch steigt der Wirkungsgrad und die thermische Belastung sinkt. Zur Verlustminimierung muss der Generator im leicht übererregten Zustand betrieben werden. Der energieoptimale Arbeitspunkt kann über die Generatorspannung eingestellt werden. Hierzu dienen spezielle online uchalgorithmen im inne einer Extremwertregelung. Innovationsforum Fluss-trom, eptember 2012, Magdeburg 18