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antriebstechnik 5/2017

antriebstechnik 5/2017

05 Drehzahldiagramm der

05 Drehzahldiagramm der Variante A, 122 m, 1 000 rpm und 3 MW 06 Auswahlkriterien für die Varianten der 2-MW-Anlagen Tabelle 2: Kopplungsmöglichkeiten am Beispiel Standard-Getriebe 07 Komponenten des Prüfstandsaufbaus Variante Antrieb Abtrieb Nebenzweig A Steg Sonne Hohlrad B Steg Hohlrad Sonne C Sonne Steg Hohlrad D Sonne Hohlrad Steg E Hohlrad Steg Sonne F Hohlrad Sonne Steg der angeschlossene Elektromotor generatorisch betrieben wird. Die Abtriebsdrehzahl ist über den Synchrongenerator vorgegeben. Somit ist für die Ermittlung der Standübersetzung der Betriebspunkt des Antriebes notwendig. Diese Betriebspunkte lassen sich über Leistungs-Drehzahl-Kurven ermitteln, welche das Betriebskennfeld einer Windkraftanlage darstellen. In Bild 03 sind diese Kurven für drei verschiedene Rotordurchmesser mit ihren Betriebspunkten dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Kurven zunächst exponentiell bis zu einer Drehzahl kurz vor der Betriebsdrehzahl ansteigen. Ab diesem Punkt wird mittels der Rotorblattverstellung bei konstanter Drehzahl das Drehmoment bis kurz vor der Nennleistung erhöht. Beim Erreichen des Nenndrehmomentes wird in einem weiteren Schritt die Drehzahl bis zur Nenndrehzahl weiter erhöht. Um den Antriebsstrang weniger zu belasten, wird die Schwankung der Windgeschwindigkeit mit Schwankungen in der Drehzahl kompensiert und nicht mit Schwankungen des Drehmomentes. Aufgrund der Festlegungen der Randbedingungen und der Kombinationen der Getriebeanbindungen ergeben sich 864 mögliche Standübersetzungen für jede Megawattklasse. Wird auch die umgekehrte Drehrichtung des Synchrongenerators betrachtet, so ist dann sogar die doppelte Anzahl an Möglichkeiten gegeben. Die Untersuchungen zeigen jedoch, dass diese Lösungen redundant sind. Nicht jede dieser 864 Standübersetzungen können auch realisiert werden. Die Standübersetzungen eines Standard-Planetengetriebes liegt zwischen i 0 = –1,8 und –5,5. Übersetzungen die größer sind als i 0 = –1,8 sind nicht herstellbar und Übersetzungen kleiner als i 0 = –5,5 werden selten hergestellt, da die Getriebestufe schwer wird. Beim Plus-Getriebe sind alle Lösungen kleiner als i 0 = 0 nicht herstellbar. Nach der ersten groben Auswahl werden nun alle Varianten näher untersucht und detaillierter über den gesamten Drehzahlbereich betrachtet. Bisher war es Ziel der Auslegung eine bestimmte Leistung im Nebenzweig einzuhalten. Nun werden Kriterien wie Abtriebsdrehmoment des Nebenzweiges, Planeten- und Abtriebsdrehzahl aus konstruktiver Sicht wichtig. Zusätzlich wird bei der Feinjustierung die Standübersetzung so verändert, dass der Betrag der Leistungen im Arbeitspunkt und die maximale im motorischen Betrieb gleich groß sind. Als Grenzdrehzahl für die Planetenräder sind 1 500 min -1 festgelegt worden. Für den Nebenzweig ist versucht worden die Drehzahl geringer als 3 000 min -1 und das maximale Drehmoment geringer als 5 kNm zu halten. Diese Drehzahlen werden durch eine geeignete Anfahrstrategie erreicht. Bei zu hohen Drehmomenten im Nebenzweig wird eine zusätzliche Abtriebsstufe genutzt. Auswahl der geeigneten Lösung Für die ausgewählten Varianten ist der gesamte Betriebsbereich betrachtet worden. Anhand einer Weibull-Verteilung für eine mittlere Windgeschwindigkeit von 6,5 m/s ist die Häufigkeit verschiedener Windgeschwindigkeiten ermittelt worden. Mit diesem Wissen und den berechneten Wirkungsgraden wird der Jahresertrag der Varianten ermittelt. Die Wirkungsgrade setzen sich zusammen aus dem Wirkungsgrad des Hauptgetriebes, des Überlagerungsgetriebes, falls vorhanden, dem der nachfolgenden Stufe, des Synchrongenerators und dem motorischen und generatorischen Wirkungsgraden des Elektromotors im Nebenzweig. In Bild 06 sind die besten Ergebnisse für die 2-MW-Anlagen zusammengetragen. Es ist zu erkennen, dass die Wirkungsgrade im Arbeitspunkt deutlich über 90 % liegen. Jedoch bedeutet ein hoher Wirkungsgrad nicht unmittelbar einen hohen Ertrag pro Jahr. Je nachdem bei welcher Windgeschwindigkeit die Produktion beginnen 72 antriebstechnik 5/2017

GETRIEBE UND GETRIEBEMOTOREN kann und welche Anfahrstrategie durchgeführt wird ist der Ertrag abweichend zur Höhe des Wirkungsgrades. Es zeigt sich, dass die Variante F die beste Lösung für Standard-Planetengetriebe liefert und die Variante I die beste Lösung für die Plus-Getriebe liefert. Systemsimulation des Triebstrangkonzeptes Am Institut für Elektrische Maschinen (IEM) der RWTH Aachen wurde eine Systemsimulation des Triebstrangkonzeptes mit mechanischer Leistungsverzweigung in Matlab/Simulink durchgeführt. Basierend auf den zuvor ermittelten Getriebedaten konnte das dynamische Verhalten einer Windenergieanlage der 2-MW- Klasse simuliert werden. Es wurden stochastische Windfelder verwendet, sowie eine geeignete Anfahrstrategie implementiert. Das Konzept wurde auf einem im Maßstab 1:10 skalierten Prüfstand am IEM verifiziert. Sowohl stationäre Betriebspunkte, als auch dynamische Vorgänge konnten gefahren werden. Es wurden die mechanischen Leistungen in den einzelnen Zweigen des Getriebes, sowie die elektrischen Leistungen von Synchrongenerator und Elektromotor gemessen. Die Ergebnisse belegen das Funktionsprinzip. Insgesamt konnte anhand der Prüfstandsversuche gezeigt werden, dass das Überlagerungsgetriebe über einen relativ kleinen Nebenzweig mit der erforderlichen Drehzahlspreitzung bei gleichzeitig hoher Dynamik betrieben und die gewünschte Festdrehzahl auf der Abtriebsseite sichergestellt werden kann. www.zollern.com; www.isatec-aachen.de Danksagung Das Forschungsvorhaben wurde im Rahmen der Ziel2.NRW-Förderung unterstützt. Die Hochschule Pforzheim bietet anwendungsbezogene wissenschaftliche/künstlerische Lehre und Forschung. Interdisziplinarität, Internationalität, Technologie- und Know-how-Transfer sind wesentliche Elemente unseres Erfolgs. Das Hochschulstudium wird bei uns nicht nur als Fachausbildung verstanden, sondern dient zugleich der Persönlichkeitsentwicklung der Studierenden. An der Fakultät für Technik ist im Studiengang Mechatronik die folgende Professur zu besetzen: PROFESSORIN / PROFESSOR (W3) FÜR ELEKTRISCHE ENERGIE- WANDLUNGS- UND ANTRIEBSSYSTEME Gesucht wird eine Persönlichkeit für die Abdeckung der Lehre und Forschung auf dem Gebiet der elektrischen Antriebstechnik in Kombination mit Leistungselektronik für mobile Systeme (Haupt- und/ oder Nebenaggregate in Kfz, NKW, TwoWheeler oder Schiene). Der zukünftige Stelleninhaber/Die zukünftige Stelleninhaberin ist ausgewiesene/-r Ingenieur/-in, verfügt über mehrjährige Berufserfahrung in o.g. Themen, ist umfassend in seinem/ihrem Fachgebiet vernetzt, hat Erfahrung in der Einwerbung von Drittmitteln, ist regelmäßig mit Fachpublikationen auf Konferenzen bzw. Journalen vertreten und komplettiert dies durch die Mitarbeit in einschlägigen Fachgremien. Des Weiteren wird die Bereitschaft zum Ausbau des Forschungsschwerpunktes im Rahmen von Laboren und Forschungskooperationen vorausgesetzt. Eine priorisierte Liste der für die Stelle relevanten Veröffentlichungen, Vorträge und Patente runden die Bewerbung ab. Die Professur ist im Studiengang Mechatronik verankert, der sich auf die Ausbildung von Studierenden mit umfassendem Systemwissen fokussiert. In der Bewerbung sollte dahingehend aufgezeigt werden, auf welchen Teilgebieten der elektrischen Antriebssysteme bzw. deren Integration in mechanische Anlagen und Produkte eine umfassende Expertise besteht. Inserentenverzeichnis Heft 5/2017 Altra Industrial Motion, Braintree/Massachusetts (USA).............. 9 Automation24, Essen.................................. 5 Baumer IVO, Villingen-Schwenningen..........................51 Bosch Rexroth, Lohr....................................43 B&R Industrie-Elektronik, Bad Homburg................................................. 7 BRECO Antriebstechnik, Porta Westfalica....................................29,31 CSM, Filderstadt..........................................32 ELATECH, Brembilla/BG (Italien)............33 GMN Paul Müller Industrie, Nürnberg.......................................................25 HEIDENHAIN, Traunreut....................... 2.US HSB Automation, Reutlingen..................45 igus®, Köln.....................................................44 IMS Gear, Donaueschingen.....................63 Jenaer Antriebstechnik, Jena..................61 KIMO, Erlangen............................................63 LTI Motion, Lahnau.....................................13 Mayr, Mauerstetten..................................... 8 Novotechnik, Ostfildern...........................27 Pöppelmann,, Lohne..................................19 Reich, Bochum.............................................38 Rotor Clip, Somerset/New Jersey (USA)..................... 3 R+W Antriebselemente, Klingenberg..................................................15 SCHMIDT-KUPPLUNG, Wolfenbüttel....39 SIEB & MEYER, Lüneburg..........................17 Siemens AG, Industry Sector, Bocholt....................................................... 4.US STS Sensoren Transmitter Systeme, Sindelfingen.................................................11 TWK-ELEKTRONIK, Düsseldorf................11 VMA®, Großostheim..................................37 WITTENSTEIN alpha, Igersheim.............59 Kennziffer 172013 – Bewerbungsschluss ist der 30.06.2017. Bei Fragen wenden Sie sich bitte an Prof. Dr. Martin Pfeiffer (E-Mail: martin.pfeiffer@hs-pforzheim.de). Berufungsvoraussetzungen sind u. a. ein abgeschlossenes Hochschulstudium, wissenschaftliche Qualifikation, die i. d. R. durch Promotion nachgewiesen wird, und mindestens fünf Jahre Berufserfahrung – davon mindestens drei Jahre außerhalb des Hochschulbereichs. Weitere Einzelheiten (vgl. § 47 Landeshochschulgesetz Baden-Württemberg) sind einem Merkblatt zu entnehmen, das über die Homepage der Hochschule heruntergeladen werden kann. Die Hochschule Pforzheim strebt die Erhöhung ihres Frauenanteils an und fordert qualifizierte Interessentinnen deshalb nachdrücklich auf, sich zu bewerben. Bei gleicher Qualifikation haben behinderte Bewerber/-innen Vorrang. Ihre Bewerbung senden Sie bitte unter der Kennziffer entweder per E-Mail an berufungen@ hs-pforzheim.de oder per Post an den Rektor der Hochschule Pforzheim, Herrn Prof. Dr. Ulrich Jautz, Tiefenbronnerstr. 65, 75175 Pforzheim. antriebstechnik 5/2017 73 Hochschule-Pforzheim.indd 1 10.04.2017 15:06:38

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