DE202012101708U1

DE202012101708U1 - Differenzialgetriebe für Energiegewinnungsanlage

Info

Publication number: DE202012101708U1
Application number: DE202012101708U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2012-06-13
Anticipated expiration: 2022-05-11

Abstract

Differenzialgetriebe für eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere für eine Windkraftanlage, mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit einer Antriebswelle der Energiegewinnungsanlage, ein Abtrieb mit einem mit einem Netz (10) verbindbaren Generator (8) und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzial-Antrieb (6) verbunden ist, wobei das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes (3) auf 1 festlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzial-Antrieb (6) ein Motor ist, während der Generator (8) vom Netz (10) getrennt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Differenzialgetriebe für eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere für eine Windkraftanlage, mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit einer Antriebswelle der Energiegewinnungsanlage, ein Abtrieb mit einem mit einem Netz verbindbaren Generator und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzial-Antrieb verbunden ist, wobei das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes auf 1 festlegbar ist.
Windkraftwerke gewinnen zunehmend an Bedeutung als Elektrizitätserzeugungsanlagen. Dadurch erhöht sich kontinuierlich der prozentuale Anteil der Stromerzeugung durch Wind. Dies wiederum bedingt einerseits neue Standards bezüglich Stromqualität und andererseits einen Trend zu noch größeren Windkraftanlagen. Gleichzeitig ist ein Trend Richtung Off-shore-Windkraftanlagen erkennbar, welcher Anlagengrößen von zumindest 5 MW installierter Leistung fordert. Durch die hohen Kosten für Infrastruktur und Wartung bzw. Instandhaltung der Windkraftanlagen im Offshore-Bereich gewinnen hier sowohl Wirkungsgrad als auch Verfügbarkeit der Anlagen eine besondere Bedeutung.
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 doppelt-gespeisten Drehstrommaschinen bzw. Synchrongeneratoren in Kombination mit Frequenzumrichtern erfüllen. Diese Lösungen haben jedoch den Nachteil, dass (a) das elektrische Verhalten der Windkraftanlagen im Fall einer Netzstörung nur bedingt den Anforderungen der Elektrizitätsversorgungsunternehmen erfüllt, (b) die Windkraftanlagen nur mittels Transformatorstation an das Mittelspannungsnetz anschließbar sind und (c) 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 Differenzialgetrieben welche durch Veränderung des Übersetzungsverhältnisses bei konstanter Generatordrehzahl, eine variable Drehzahl des Rotors der Windkraftanlage erlauben.
WO2004/109157 A1 zeigt ein komplexes, hydrostatisches „Mehrwege”-Konzept mit mehreren parallelen Differenzialstufen und mehreren schaltbaren Kupplungen, wodurch zwischen den einzelnen Wegen geschaltet werden kann. Mit der gezeigten technischen Lösung können die Leistung und somit die Verluste der Hydrostatik reduziert werden. Ein wesentlicher Nachteil ist jedoch der komplizierte Aufbau der gesamten Einheit. Darüber hinaus stellt die Schaltung zwischen den einzelnen Stufen ein Problem bei der Regelung der Windkraftanlage dar.
EP 1283359 A1 zeigt ein 1-stufiges Differenzialgetriebe mit elektrischem Differenzial-Antrieb, mit einer um die Eingangswelle koaxial positionierten Sonder-Drehstrommaschine mit niedriger Nenndrehzahl, und einer großen Nennleistung – im Verhältnis zum realisierten Drehzahlbereich.
Aus der WO2011/000008 A1 ist ein Differenzialgetriebe der eingangs genannten Art bekannt, bei dem das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes auf 1 festlegbar ist, damit der Differenzial-Antrieb als Generator betrieben werden kann, während der eigentliche Hauptgenerator vom Netz getrennt ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Einsatzbereich eines derartigen Getriebes zu erweitern.
Gelöst wird diese Aufgabe mit einem Differenzialgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Wenn der Differenzial-Antrieb als Motor verwendet wird, während das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes auf 1 festgelegt ist, ergibt sich eine Reihe von neuen Anwendungsmöglichkeiten.
Eine neue Anwendungsmöglichkeit ist, dass im Fall von Wartungsarbeiten der Rotor in die eine oder andere Richtung gedreht werden kann.
Eine andere Möglichkeit ist, den Generator, solange er noch vom Netz getrennt ist, mit dem Netz zu synchronisieren, indem der Differenzial-Antrieb den Triebstrang beschleunigt, wenn z. B. die Windgeschwindigkeit unter der Einschaltwindgeschwindigkeit liegt und der Generator somit an sich nicht mit dem Netz synchronisiert werden könnte.
Erfindungsgemäß kann daher der Differenzial-Antrieb als Motor verwendet werden, um den Generator mit dem Netz zu synchronisieren. Wenn der Generator mit dem Netz synchronisiert ist, kann der Differenzial-Antrieb abgeschaltet werden, wenn der Differenzial-Antrieb eine elektrische Maschine ist, z. B. vom Netz getrennt werden, und der Generator an das Netz geschaltet werden, wobei das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes jedoch auf 1 bleiben kann.
Damit dreht der Rotor der Energiegewinnungsanlage ebenfalls annähernd mit Nenndrehzahl. Der Generator kann jedoch als sogenannter Phasenschieber verwendet werden und somit z. B. Blindstrom ins Netz einspeisen oder vom Netz beziehen, bzw. im Fall eines Netzfehlers Netzkurzschlussleistung bereitstellen.
Grundsätzlich wäre es auch möglich, das erfindungsgemäße Getriebe auch für Industrieantriebe einzusetzen, mit denen z. B. Arbeitsmaschinen, Förderbänder o. dgl. vom Stillstand bzw. niedrigen Drehzahlen auf Betriebsdrehzahl gebracht werden, indem anstelle des Generators ein Hauptantrieb verwendet wird, der während der Anlaufphase vom Netz getrennt ist, bis mit Hilfe des Differenzial-Antriebes als Motor die Betriebsdrehzahl oder eine der Betriebsdrehzahl ausreichend angenäherte Drehzahl erreicht ist und der Hauptantrieb dann an das Netz geschaltet werden kann und dabei bzw. anschließend die Sperre des Differenzialgetriebes wieder aufgehoben wird. Eine entsprechende Anwendung für Pumpen wäre ebenfalls denkbar.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen detailliert beschrieben. Es zeigt:
1 das Prinzip eines Differenzialgetriebes mit einem elektrischen Differenzial-Antrieb gemäß Stand der Technik,
2 das Prinzip eines koaxial zur Eingangswelle der Differenzialstufe ausgerichteten Drehstrommaschine gemäß Stand der Technik,
3 eine mögliche, erfindungsgemäße Lösung mit einer Bremse zwischen Differenzial-Antrieb und Rotorwelle des Synchrongenerators,
4 eine alternative Ausführungsform eines Differenzialgetriebes mit einer Bremse zwischen einem mit der Antriebswelle der Energiegewinnungsanlage verbundenen ersten Antrieb und dem Differenzial-Antrieb.
1 zeigt ein mögliches Prinzip eines Differenzialsystems für eine Windkraftanlage bestehend aus Differenzialstufe 3 bzw. 11 bis 13, einer Anpassungs-Getriebestufe 4 und einem Differenzial-Antrieb 6. Der Rotor 1 der Windkraftanlage, der auf der Antriebswelle 9 für das Hauptgetriebe 2 sitzt, treibt das Hauptgetriebe 2 an. Das Hauptgetriebe 2 ist ein 3-stufiges Getriebe mit zwei Planetenstufen und einer Stirnradstufe. Zwischen Hauptgetriebe 2 und Generator 8 befindet sich die Differenzialstufe 3, welche vom Hauptgetriebe 2 über Planetenträger 12 der Differenzialstufe 3 angetrieben wird. Der Generator 8 – vorzugsweise ein fremderregter Synchrongenerator, der bei Bedarf auch eine Nennspannung größer 20 kV haben kann – ist mit dem Hohlrad 13 der Differenzialstufe 3 verbunden und wird von diesem angetrieben. Das Ritzel 11 der Differenzialstufe 3 ist mit dem Differenzial-Antrieb 6 verbunden. Die Drehzahl des Differenzial-Antriebes 6 wird geregelt, um einerseits bei variabler Drehzahl des Rotors 1 eine konstante Drehzahl des Generators 8 zu gewährleisten und andererseits das Drehmoment im kompletten Triebstrang der Windkraftanlage zu regeln. Um die Eingangsdrehzahl für den Differenzial-Antrieb 6 zu erhöhen wird im gezeigten Fall ein 2-stufiges Differenzialgetriebe gewählt, welches eine Anpassungs-Getriebestufe 4 in Form einer Stirnradstufe zwischen Differenzialstufe 3 und Differenzial-Antrieb 6 vorsieht. Differenzialstufe 3 und Anpassungs-Getriebestufe 4 bilden somit das 2-stufige Differenzialgetriebe. Der Differenzial-Antrieb ist eine Drehstrommaschine, welche über einen Frequenzumrichter 7 und einen Transformator 5 ans Netz 10 angeschlossen wird.
2 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform des Differenzialgetriebes. Der Rotor 1 treibt das Hauptgetriebe 2 an und dieses über einen Planetenträger 12 die Differenzialstufe 11 bis 13. Der Generator 8 ist mit dem Hohlrad 13 verbunden und das Ritzel 11 mit dem Differenzial-Antrieb 6. Das Differenzialgetriebe 3 ist 1-stufig, und der Differenzial-Antrieb 6 ist in koaxialer Anordnung sowohl zur Abtriebswelle des Hauptgetriebes 2, als auch zur Antriebswelle des Generators 8. Beim Generator 8 ist eine Hohlwelle vorgesehen, welche erlaubt, dass der Differenzial-Antrieb 6 an der dem Differenzialgetriebe abgewandten Seite des Generators 8 positioniert wird. Dadurch ist die Differenzialstufe vorzugsweise eine separate, an den Generator 8 angebundene Baugruppe, welche dann vorzugsweise über eine Kupplung 14 und eine Hauptbremse 15 mit dem Hauptgetriebe 2 verbunden ist. Die Verbindungswelle 16 zwischen Ritzel 11 und Differenzial-Antrieb 6 kann vorzugsweise in einer besonders massenträgheitsmomentarmen, drehsteifen Ausführungsvariante als z. B. Faserverbund-Rohrwelle mit Glasfaser und/oder Kohlefaser ausgeführt sein.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Differenzialgetriebes. Dem System, wie grundsätzlich in 2 beschrieben, wird eine rotierende Bremse 17 hinzugefügt, welche, sobald sie aktiviert ist, die Verbindungswelle 16 des Differenzial-Antriebes 6 drehfest mit der Rotorwelle 18 des Synchrongenerators 8 verbindet. Die Bremse 17 besteht in der gezeigten Ausführungsvariante aus einem oder mehreren Bremssätteln, welche mit der Rotorwelle 18 des Synchrongenerators 8 verbunden sind, und einer oder mehreren mit der Verbindungswelle 16 verbundenen Bremsscheiben. Ebenso können aber die Bremssättel mit der Verbindungswelle 16 bzw. die Bremsscheibe(n) mit der Rotorwelle 18 verbunden sein.
Bei drehfester Verbindung von Antriebswelle 16 und Rotorwelle 18 des Synchrongenerators 8 durch die angezogene Bremse 17 kann man den Differenzial-Antrieb 6 als Antrieb verwenden, der mittels Umrichter 7 und Transformator 5 an das Netz 10 geschaltet ist, bei gleichzeitiger Trennung des Synchrongenerators 8 vom Netz – mittels z. B. Schalter 19, um den Rotor 1 der Windkraftanlagen zu drehen.
Der Differenzial-Antrieb ist vorzugsweise eine Drehstrommaschine (z. B. klassische Asynchronmaschine oder eine besonders massenträgheitsarme, permanent-magneterregte Synchronmaschine), kann jedoch auch ein anderer Antrieb, z. B. ein hydrostatischer Antrieb, sein.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Differenzialgetriebes mit einer lösbaren, drehfesten Verbindung. Dem System, wie grundsätzlich in 1 beschrieben, wird eine Bremse 20 zwischen Ritzelwelle 21 und dem mit dem Planetenträger 12 des Differenzialgetriebes 3 verbundenen Zahnrad 22 der Stirnradstufe des Hauptgetriebes 2 implementiert. Die Bremse 20 besteht in der gezeigten Ausführungsvariante aus einem oder mehreren Bremssätteln, welche mit dem Zahnrad 22 verbunden sind, und einer oder mehreren mit der Ritzelwelle 21 verbundenen Bremsscheiben. Es ergibt sich dadurch der gleiche Effekt wie zu 3 für eine Bremse 17 zwischen Antriebswelle 16 und Rotorwelle 18 des Synchrongenerators 8 beschrieben.
D. h. dieses Prinzip funktioniert sobald zwei beliebige Wellen der drei An- bzw. Abtriebe eines Differenzialgetriebes drehfest miteinander verbunden werden, und damit die Übersetzung des Differenzialgetriebes 3 gleich 1 ist. Selbstverständlich ist auch jede andere Lösung denkbar, mit der das Differenzialgetriebe 3 gesperrt werden kann, sodass dessen Übersetzung auf 1 festlegbar ist, wie zum Beispiel mit zumindest einem blockierten Planetenrad des Planetenträgers 12.
Anstelle der beschriebenen Bremse zur drehfesten Verbindung zweier beliebiger Wellen der drei An- bzw. Abtriebe eines Differenzialgetriebes kann z. B. auch jede Art von Kupplung (z. B. Lamellen – oder Klauenkupplung) eingesetzt werden, wobei bei z. B. Einsatz einer Klauenkupplung die Synchronisation der drehfest zu verbindenden Wellen vergleichsweise komplizierter ist, als mit z. B. einer Bremse oder einer Lamellenkupplung.
Die Bremse 17 bzw. 20 kann aus Sicherheitsgründen als sogenannte Sicherheitsbremse (sogenannte fail-safe-Bremse) ausgeführt werden, was bedeutet, dass sie gegen Federkraft geöffnet und damit bei Ausfall der Versorgungsenergie automatisch aktiviert wird.
Die oben beschriebenen Ausführungen sind bei technisch ähnlichen Anwendungen ebenfalls umsetzbar. Dies betrifft v. a. Wasserkraftwerke zur Ausnutzung von Fluss- und Meeresströmungen. Für diese Anwendung gelten die gleichen Grundvoraussetzungen wie für Windkraftanlagen, nämlich variable Strömungs-geschwindigkeit. Die Antriebswelle wird in diesen Fällen von den vom Strömungs-medium, beispielsweise Wasser, angetriebenen Einrichtungen direkt oder indirekt angetrieben. In weiterer Folge treibt die Antriebswelle direkt oder indirekt das Differenzialgetriebe an.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2004/109157 A1 [0005]
EP 1283359 A1 [0006]
WO 2011/000008 A1 [0007]

Claims

Differenzialgetriebe für eine Energiegewinnungsanlage, insbesondere für eine Windkraftanlage, mit drei An- bzw. Abtrieben, wobei ein erster Antrieb mit einer Antriebswelle der Energiegewinnungsanlage, ein Abtrieb mit einem mit einem Netz (10) verbindbaren Generator (8) und ein zweiter Antrieb mit einem Differenzial-Antrieb (6) verbunden ist, wobei das Übersetzungsverhältnis des Differenzialgetriebes (3) auf 1 festlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzial-Antrieb (6) ein Motor ist, während der Generator (8) vom Netz (10) getrennt ist.
Differenzialgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Antrieb mit dem anderen Antrieb oder mit dem Abtrieb drehfest verbindbar ist.
Differenzialgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (11) mit dem Planetenträger (12) drehfest verbindbar ist.
Differenzialgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ritzel (11) mit dem Hohlrad (13) drehfest verbindbar ist.
Differenzialgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (13) mit dem Planetenträger (12) drehfest verbindbar ist.
Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung eine Bremse (17, 20) oder Kupplung aufweist.
Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die drehfeste Verbindung als Vorrichtung zum Verhindern einer Überdrehzahl des Differenzial-Antriebes (6) und/oder des Differenzialgetriebes (3) ist.
Differenzialgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Planetenrad des Planetenträgers (12) mittels einer Blockiereinrichtung blockierbar ist.
Differenzialgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockiereinrichtung eine Bremse oder Kupplung ist.
Differenzialgetriebe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Blockiereinrichtung als Vorrichtung zum Verhindern einer Überdrehzahl des Differenzial-Antriebes (6) und/oder des Differenzialgetriebes (3) ist.
Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzialgetriebe (3) ein einstufiges Planetengetriebe ist.
Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Differenzialgetriebe (3, 4) ein mehrstufiges Getriebe ist.
Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hauptbremse (15) auf den ersten Antrieb wirkt.
Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzial-Antrieb (6) eine elektrische Maschine, insbesondere eine über einen Frequenzumrichter (7) und einen Transformator (5) an das Netz (10) angeschlossene Drehstrommaschine, ist.
Differenzialgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Differenzial-Antrieb (6) ein hydrostatischer Antrieb ist.