Teil 2: Regelung, Stromerzeugung und Konstruktion des Triebstranges

In Synchronmaschinen werden drei um 120° räumlich versetzte Spulen (oder eine vielfache Anzahl) angeordnet, sodass die Maschine drei um 120° phasenverschobene Spannungen (dreiphasige Wechselspannung; Drehspannung) erzeugt. Deren Betrag ist unter anderem von der Drehzahl des Drehfeldes, der Erregung und den Lastverhältnissen abhängig und lässt sich im Inselbetrieb durch Erregungsänderungen regeln. Beim Betrieb am öffentlichen Versorgungsnetz gibt dieses die Spannung und entsprechend der Frequenz auch die Drehzahl vor.

Asynchronmaschinen erzeugen ebenfalls Dreiphasen-Drehspannungen, können aber dem Drehfeld nicht folgen. In ihrem Läufer entsteht ein Drehmoment, das der Differenzfrequenz, dem sogenannten Schlupf, proportional ist und in Richtung des Drehfeldes wirkt.

Wenn eine Asynchronmaschine untersynchron betrieben wird, wirkt sie als Motor und leistet mechanische Arbeit. Eine vom Netz mit konstanter Frequenz und Spannung gespeiste Asynchronmaschine geht in den generatorischen Betrieb über und gibt elektrische Leistung an das Netz ab, sobald sie über die synchrone Drehzahl hinaus angetrieben wird. Die übersynchron betriebene Asynchronmaschine benötigt zum Aufbau ihres magnetischen Drehfeldes induktive Blindleistung, die sie entweder dem Netz oder Kondensatorbatterien entnimmt.

Drehfelder bilden also in den Läufern von netzbetriebenen Synchron- und Asynchronmaschinen Drehmomente und sind dadurch in der Lage, antreibenden Turbinen kinetische Energie zu entnehmen und in Elektrizität umzuwandeln.

Um trotz variabler Drehzahl und Frequenz den Strom ins Netz einzuspeisen, kommt ein doppeltgespeister Asynchrongenerator in Betracht. Dieser hat den Vorteil, dass er die Veränderung des Rotorstroms in Frequenz und Phasenlage erlaubt, sodass man verschiedene Phasenlagen des Ständerstroms einstellen kann. Ähnlich wie bei Synchronmaschinen können außer dem normalerweise gegebenen untereregten Betrieb auch neutrale und übererregte Zustände des Generators erreicht werden, sodass die Drehzahl des Generators der Drehzahl des Triebstranges folgen kann.

Der doppeltgespeiste Asynchrongenerator eignet sich trotz seiner komplexen Regelung besonders gut als Generator in Windturbinen, denn er vereint die vorteilhaften elektrischen Eigenschaften von Synchronmaschinen mit dem mechanischen Vorteil der variablen Drehzahl bei sehr gutem Wirkungsgrad [2].

Weil stets nur der kleinere, „multifrequente“ Teil der elektrischen Leistung umgerichtet werden muss, während der größere Teil mit 50 Hz direkt ins Netz eingespeist werden kann, ergeben sich Kostenvorteile, weil der Umrichter nur etwa 30 bis 40 % der Nennleistung des Generators hat. Außerdem sind die Umrichterverluste geringer.

Die variable Drehzahl und der einstellbare Blindleistungsbedarf sind mit einem Synchrongenerator viel einfacher realisierbar. Seine Leistung muss jedoch vollständig durch einen Umrichter ins Netz eingespeist werden. Die jeweilige Blindleistung kann durch den Erregerstrom geregelt werden, sodass ein Synchrongenerator sowohl Blindstrom aufnehmen als auch abgeben kann.

Rotordrehzahl und Windgeschwindigkeit

Wie notwendig die Anpassung der Rotordrehzahl an die Windgeschwindigkeit ist, lässt sich auch anhand der Windgeschwindigkeitskurven zeigen (Bild 2 und 3).

Wenn der Rotor mit nahezu konstanter Drehzahl läuft, kann er dem Wind streng genommen nur bei einer ganz bestimmten Geschwindigkeit die maximale Leistung entziehen, im dargestellten Beispiel bei 8 m/s (Bild 2). Der variable Schlupf des Asynchrongenerators nimmt zwar mit wachsender Belastung zu, kann aber die Leistungsentnahme nur geringfügig anpassen.

Durch Anpassung der Drehzahl kann der Rotor bei allen Windgeschwindigkeiten bis zur Nennwindgeschwindigkeit dem Wind jeweils die maximale Leistung entziehen (Bild 3). Erst wenn der Rotor seine Nenndrehzahl erreicht, setzt die Abregelung ein. Der doppeltgespeiste Asynchrongenerator und der Synchrongenerator unterscheiden sich in dieser Hinsicht nicht [3].

Wettbewerb der Systeme