Differenzialantrieb Elektrischer Differenzialantrieb für eine 3MW Windkraftanlage

Schwerpunkt des Forschungsprojektes war die Entwicklung, Fertigung und Tests eines hochdynamischen, elektro-mechanischen Differenzialsystems für Energiegewinnungsanlagen, insbesondere für Windkraftanlagen. Die wesentliche Entwicklungsarbeit lag in der Entwicklung des Differenzialgetriebes inkl. –Antrieb und in der Systemsteuerung und der detaillierten Vermessung und Untersuchung des Systems am Prüfstand.

Ausgangssituation

Windkraftwerke gewinnen zunehmend an Bedeutung als Elektrizitätserzeugungsanlagen. Dadurch erhöht sich kontinuierlich der prozentuale Anteil der Stromerzeugung durch Wind. Allen Anlagen gemeinsam ist die Notwendigkeit einer variablen Rotordrehzahl, einerseits zur Erhöhung des aerodynamischen Wirkungsgrades im Teillastbereich und andererseits zur Regelung des Drehmomentes im Antriebsstrang der Windkraftanlage. Letzteres zum Zweck der Drehzahlregelung des Rotors in Kombination mit der Rotorblattverstellung.

Derzeit sind großteils Windkraftanlagen im Einsatz, welche diese Forderung durch Einsatz von drehzahlvariablen Generator-Lösungen in der Form von sogenannten doppeltgespeisten Drehstrommaschinen bzw. permanentmagneterregte Synchrongeneratoren in Kombination mit Niederspannungs-Frequenzumrichtern erfüllen. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass

• das elektrische Verhalten der Windkraftanlagen im Fall einer Netzstörung nur bedingtden Anforderungen der Elektrizitätsversorgungsunternehmen erfüllt,
• die Windkraftanlagen nur mittels Transformatorstation an das Mittelspannungsnetzanschließbar sind und
• die für die variable Drehzahl notwendigen Frequenzumrichter sehr leistungsstark und

daher eine Quelle für Wirkungsgradverluste sind.

Diese Probleme können durch den Einsatz von fremderregten Mittelspannungs-Synchrongeneratoren gelöst werden. Hierbei bedarf es jedoch alternativer Lösungen um die Forderung nach variabler Rotor-Drehzahl bzw. Drehmomentregelung im Triebstrang der Windkraftanlage zu erfüllen. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Differentialgetrieben welche durch Veränderung des Übersetzungsverhältnisses bei konstanter Generatordrehzahl, eine variable Drehzahl des Rotors der Windkraftanlage erlauben. Diese Probleme können durch den Einsatz von fremderregten Mittelspannungs-Synchrongeneratoren gelöst werden. Hierbei bedarf es jedoch alternativer Lösungen um die Forderung nach variabler Rotor-Drehzahl bzw. Drehmomentregelung im Triebstrang der
Windkraftanlage zu erfüllen. Eine Möglichkeit ist der Einsatz von Differentialgetrieben welche durch Veränderung des Übersetzungsverhältnisses bei konstanter Generatordrehzahl, eine variable Drehzahl des Rotors der Windkraftanlage erlauben.
Die Nachteile bekannter, am Markt verfügbarer Ausführungen von Differenzialsystemen sind einerseits hohe Verluste im Differential-Antrieb bzw. andererseits bei Konzepten die dieses Problem lösen, komplexe Mechanik und damit hohe Kosten. Bei hydrostatischen Lösungen ist darüber hinaus die Lebensdauer der eingesetzten Pumpen ein Problem bzw. ein hoher Aufwand bei Anpassung an extreme Umgebungsbedingungen erforderlich. Generell ist festzustellen, dass die gewählten Nenn-Drehzahlbereiche entweder für die Ausregelung von Extrembelastungen zu klein oder für einen optimalen Energieertrag der Windkraftanlage zu groß sind. Aufgabenstellung im Rahmen des Projektes war daher die Entwicklung eines hochdynamischen, elektromechanischen Differenzialsystems, zur Realisierung der für z.B. Windkraftanlagen notwendigen variablen Rotordrehzahl.