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antriebstechnik 5/2017

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Anpassung schwankender

Anpassung schwankender Antriebsdrehzahl in Windkraftanlagen 01 Überlagerungsgetriebe (links) und Servo im Vergleich Große Frequenzumrichter sind teuer, reparaturanfällig und mit teils hohen elektrischen Verlusten verbunden. Gerade im Zukunftsmarkt Windkraft sind die Betriebssicherheit und ein hoher Wirkungsgrad wichtige Verkaufsargumente. In einem Gemeinschaftsprojekt ist nun ein Getriebe entwickelt worden, das den Betrieb eines Generators mit Konstantdrehzahl ermöglicht. Dr.-Ing. Khashayar Nazifi ist Werksleiter und Dipl.-Ing. Christoph Ridder Projektleiter Windkrafthauptgetriebe, beide bei der Zollern GmbH & Co. KG in Dorsten; Dr.-Ing. Ernst August Werner ist Geschäfsführer der Isatec GmbH in Aachen; Prof. Dr.-Ing. Kay Hameyer ist Leiter des Institut für elektrische Maschinen an der RWTH Aachen; Qian Liu, M.Sc., und Dr.-Ing. Rüdiger Appunn sind beide wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für elektrische Maschinen an der RWTH Aachen Das entwickelte stufenlose Getriebe wandelt die durch den Wind bedingte instationäre Drehzahl des Rotors in eine konstante Drehzahl für einen Synchrongenerator und macht somit den kostspieligen leistungselektronischen Umrichter hoher Leistung obsolet. Weiterhin ermöglicht diese Bauweise einen besseren Wirkungsgrad des Gesamtsystems. In diesem Artikel wird die Auswahl des geeigneten Getriebekonzeptes aus der Vielzahl verschiedener Möglichkeiten beschrieben. Definition der leistungsverzweigten Getriebe Für die Realisierung ist ein Überlagerungsgetriebe mit einem speziellen Planetensatz zur Leistungsverzweigung gewählt worden. Es besteht aus einem Zentralrad (Sonne), umlaufende Zahnräder (Planeten), welche auf einem Steg bzw. Planetenträger montiert sind und dem Hohlrad. Der Aufbau des Planetengetriebes ist dem Bild 02 zu entnehmen. Üblicherweise ist das Hohlrad gehäusefest, in der gewünschten Anwendung ist es notwendig, dass das Hohlrad eine Drehzahl annehmen kann, um einen Antrieb, einen Abtrieb und einen Nebenzweig zu realisieren. Eine weitere betrachtete Variante des Planetengetriebes, ein Plus- Getriebe, ist in Bild 02 zu sehen. Hier ersetzt eine zweite Sonne das Hohlrad. Die Sonnen sind über Stufenplaneten gekoppelt. Die Planeten sind starr miteinander verbunden. Abgesehen von der Bauform gibt es einige Wirkunterschiede zwischen den beiden Bauformen. Die lastunabhängigen Verluste sind bei Standard-Getrieben höher, da zwischen Schmierstoff und mitdrehendem Hohlrad hohe Reibungsverluste entstehen. Plus- 70 antriebstechnik 5/2017

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN 02 Standard-Planetengetriebe (links) und Plus-Getriebe 03 Leistungs-Drehzahl-Kurven einer 2-MW-Windkraftanlage für Rotordurchmesser 80, 90 und 100 m 04 Leistungsdiagramm der Variante A, 122 m, 1 000 rpm und 3 MW Getriebe bieten hier geringere Angriffsflächen. Ein weiterer Vorteil der Plus-Getriebe ist die einfache Montierbarkeit. Nachteilig ist jedoch die hohe Herstellgenauigkeit der Stufenplaneten, um eine gleichmäßige Lastaufteilung zwischen den einzelnen Planeten zu gewährleisten. Zusätzlich weisen Plus-Getriebe in manchen Betriebszuständen Blindleistung auf, welche den Wirkungsgrad verschlechtert und zu einer Überdimensionierung führt. Ermittlung der Standübersetzung Zur Ermittlung der geeigneten Standübersetzung sind einige Randbedingungen zu definieren. Zielsetzung ist es, das Getriebe in Windkraftanlagen der 2-MW- bis 3-MW-Klasse einzusetzen. Die erfahrungsgemäß infrage kommenden Betriebsdaten sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die stufenlose Reglung des Getriebes soll durch eine überlagerte Drehzahl aus dem Nebenzweig realisiert werden. Je nach Betriebszustand treibt der Nebenzweig den Abtrieb gemeinsam mit dem Rotor an oder wird ebenfalls vom Rotor angetrieben. Die sechs verschiedenen Kopplungsmöglichkeiten der Wellen sind in Tabelle 2 dargestellt. Der Betrag der Nebenzweigleistung wird über die Standübersetzung des verwendeten Getriebes festgelegt. Durch eine Leistungsbilanz und der Kenntnis der Drehmomentbeziehungen eines Planetengetriebes können für jede Variante Standübersetzungen ermittelt werden, die eine gezielte Leistung im Betriebspunkt einstellen. Die Leistung des Nebenzweigs wird mit max. 5 % der Nennleistung festgelegt und ist für 2-MW-Anlagen – 100 kW und für 3-MW- Anlagen – 150 kW groß. Die negative Leistung bedeutet, dass hier Leistungsklassen [MW] Rotordurch messer [m] Rotor drehzahlen [min -1 ] 12,5, 14,5, 16,7 Generator drehzahlen [min -1 ] 750, 1 000, 1 500 Übersetzungen [-] 30, 60, 70, 80, – 30, – 60, – 70, – 80 30, 66, 80, 100, – 30, – 66, – 80, – 100 Anzahl möglicher Kombinationen 3 × 8 = 24 2 80, 90, 100 Tabelle 1: Drehzahlen, Rotordurchmesser und Übersetzungen der beiden Leistungsklassen 3 100, 112, 122 11,25, 13,6, 14,5 750, 1 000, 1 500 3 × 8 = 24 antriebstechnik 5/2017 71

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