Title:
Windenergieanlage und 3-Phasen-Drosseleinheit
Kind Code:
A1


Abstract:

Die vorliegende Erfindung umfasst eine Windenergieanlage (100), mit mindestens einem Wechselrichter (130) und mindestens einer 3-Phasen-Drosseleinheit (200), welche zwischen dem Wechselrichter (300) und einem Ausgang (500) der Windenergieanlage (100) gekoppelt ist, wobei die 3-Phasen-Drosseleinheit (200) vier oder fünf Schenkel (210-250), ein erstes und zweites Joch (260, 270) und eine magnetische Koppeleinheit (280) aufweist, wobei die magnetische Koppeleinheit (280) mit allen der vier oder fünf Schenkel (210-250) gekoppelt ist, wobei ein Luftspalt (281) zwischen der magnetischen Koppeleinheit (280) und jedem der vier oder fünf Schenkel (210-250) vorhanden ist, wobei die ersten, zweiten und dritten Schenkel (210-230) jeweils eine Phase einer ersten und zweiten Primärwicklung (L11, L21, L31; L12, L22, L33) aufweist. embedded image




Inventors:
Lindhorst, Harald (26632, Ihlow, DE)
Wilhelm, Juri (26605, Aurich, DE)
Application Number:
DE102016122435A
Publication Date:
05/24/2018
Filing Date:
11/22/2016
Assignee:
Wobben Properties GmbH, 26605 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102013208911A1N/A2014-11-20
DE1056731BN/A1959-05-06



Foreign References:
200602502072006-11-09
Attorney, Agent or Firm:
Eisenführ Speiser Patentanwälte Rechtsanwälte PartGmbB, 28217, Bremen, DE
Claims:
Windenergieanlage (100), mit
mindestens einem Wechselrichter (130) und
mindestens einer 3-Phasen-Drosseleinheit (200), welche zwischen dem Wechselrichter (300) und einem Ausgang (500) der Windenergieanlage (100) gekoppelt ist,
wobei die 3-Phasen-Drosseleinheit (200) vier oder fünf Schenkel (210-250), ein erstes und zweites Joch (260, 270) und eine magnetische Koppeleinheit (280) aufweist,
wobei die magnetische Koppeleinheit (280) mit allen der vier oder fünf Schenkel (210-250) gekoppelt ist,
wobei ein Luftspalt (281) zwischen der magnetischen Koppeleinheit (280) und jedem der vier oder fünf Schenkel (210-250) vorhanden ist,
wobei die ersten, zweiten und dritten Schenkel (210-230) jeweils eine Phase einer ersten und zweiten Primärwicklung (L11, L21, L31; L12, L22, L33) aufweist.

Windenergieanlage nach Anspruch 1, wobei Wicklungen der ersten und zweiten Primärwicklungen (L11, L21, L31; L12, L22, L33), welche an den ersten, zweiten und dritten Schenkeln (210-230) vorgesehen sind, miteinander gekoppelt sind.

Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwei Wechselrichter (300) mit einer 3-Phasen-Drosseleinheit (200) gekoppelt sind, wobei ein erster Wechselrichter (300) an die ersten Primärwicklungen (L11, L21, L31) und ein zweiter Wechselrichter (300) an die zweiten Primärwicklungen (L12, L22, L33) geschaltet ist.

Windenergieanlage nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei ein Koppelfaktor der magnetischen Koppeleinheit (280) durch den Luftspalt (281) einstellbar ist.

Windenergieanlage nach Anspruch 3, wobei der Koppelfaktor >0,3 und >0,7, insbesondere 0,5 beträgt.

Windenergieanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei jeweils ein erstes Ende der ersten und zweiten Primärwicklung jeweils mit einem der Wechselrichter und jeweils ein zweites Ende der ersten und zweiten Primärwicklung mit einem Ausgang gekoppelt ist.

3-Phasen-Drosseleinheit, mit
vier oder fünf Schenkel (210-250),
einem ersten Joch (260), welches mit ersten Enden der vier oder fünf Schenkel (210-250) gekoppelt ist,
einem zweiten Joch (270), welches jeweils mit zweiten Enden der vier oder fünf Schenkel (210-250) gekoppelt ist,
einem magnetischen Bypass in Form einer magnetischen Koppeleinheit (280), welche mit jedem der vier oder fünf Schenkel (210-250) über einen Luftspalt (281) gekoppelt ist,
wobei der erste, zweite und dritte Schenkel (210-230) jeweils erste und zweite Primärwicklungen (L11, L21, L31; L12, L22, L33) aufweist.

3-Phasen-Drosseleinheit nach Ansprluch 7, wobei die Wicklungen der ersten und zweiten Primärwicklungen (L11, L21, L31; L12, L22, L33) an den ersten, zweiten und dritten Schenkeln (210-230) jeweils miteinander gekoppelt sind.

3-Phase-Drosseleinheit nach Anspruch 6 oder 7, wobei der Koppelfaktor der Koppeleinheit (280) durch den Luftspalt (281) einstellbar ist.

3-Phasen-Drosseleinheit nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, wobei der Koppelfaktor >0,3 und >0,7, insbesondere 0,5 beträgt.

Description:

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Windenergieanlage sowie eine Drehstromdrosseleinheit.

Elektromagnetische Drehstromdrosselspulen, die auch vereinfacht nur als Drossel bezeichnet werden und die zur Begrenzung von Stromteilchen in elektrischen Leitungen, zur Zwischenspeicherung von Energie, zur Impedanzanpassung und/oder zur Filterung verwendet werden, sind allgemein bekannt. Derartige Drosseln können am Ausgang eines Wechselrichters dazu dienen, 1.2/modulierten Strom möglichst sinusförmig zu formen, bevor er in ein elektrisches Versorgungsnetz eingespeist wird. Die Drossel ist damit zwischen dem Wechselrichter und dem elektrischen Versorgungsnetz angeordnet, in welches die Energie einzuspeisen ist.

Insbesondere bei Windenergieanlagen, welche Wechselrichter aufweisen, werden die Drosseln zwischen dem Wechselrichter und dem Versorgungsnetz vorgesehen. Bei einer Windenergieanlage mit einem dreiphasigen System wird typischerweise für jede Phase eine Drossel verwendet oder es wird eine 3-Phasen-Drossel verwendet. Die drei Drosseln eines dreiphasigen Systems können zu einer dreiphasigen Drossel zusammengefasst werden. Hierfür kann ein aus gestapelten Blechen zusammengesetzter Magnetkern vorgesehen werden, der in etwa das Aussehen einer Acht eines digitalen Displays aufweist. Dadurch werden drei magnetisch miteinander verbundene Schenkel vorgesehen, welche jeweils eine Wicklung einer Phase aufnehmen. Ein Magnetfeld, das sich aus einem Strom einer Wicklung in dem magnetischen Schenkel dieser Wicklung ergibt, verläuft zu einem Teil jeweils durch die übrigen beiden magnetischen Schenkel der übrigen beiden Wicklungen. Dadurch überlagern sich die Magnetfelder aller drei Wicklungen und damit aller drei Phasen.

Derartige 8-förmige Magnetkerne weisen typischerweise eine sehr hohe magnetische Permeabilität auf, so dass sich die elektrischen Eigenschaften der Drosseln im Wesentlichen durch die Wickelungen bestimmen. Nachteilig bei derartigen Drosseln ist jedoch, dass die Drossel nicht vollständig symmetrisch sind, weil zwei Spulen auf jeweils einem äußeren magnetischen Schenkel angeordnet sind, wohingegen eine der Spulen in einem magnetischen Schenkel zwischen den beiden äußeren Schenkeln angeordnet ist. Dadurch können sich die magnetischen Felder der Wicklungen, nämlich insbesondere zwischen den beiden äußeren Wicklungen einerseits und der mittig dazwischen angeordneten Wicklung andererseits unterscheiden. Es können etwaige Streufelder auftreten und der für die mittlere Wicklung wirksame magnetische Widerstand kann etwas geringer sein, als der jeweilige für die beiden äußeren Wicklungen wirksame magnetische Widerstand.

Aufgrund der zunehmenden Leistungsgröße der elektrischen Bauteile im Bereich der Leistungselektronik können schon kleinste bauliche Asymmetrien, insbesondere im Bereich der Drehstromspulen zu einer unzulässigen oder zumindest unerwünschten Erwärmung der Spulen führen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Windenergieanlage und eine Drehstromdrosseleinheit vorzusehen, welche die oben genannten Nachteile vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch eine Windenergieanlage nach Anspruch 1 sowie durch eine 3-Phasen-Drosseleinheit nach Anspruch 7 gelöst.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Windenergieanlage mit mindestens einem Wechselrichter und mindestens eine 3-Phasen-Drosseleinheit, welche zwischen dem Wechselrichter und einem Ausgangsanschluss der Windenergieanlage vorgesehen ist. Die Drosseleinheit ist als eine vier- oder fünfschenklige 3-Phasen-Drosseleinheit ausgestaltet. Die Drosseleinheit weist drei Schenkel jeweils mit mindestens einer Primärwicklung auf. Der vierte und fünfte Schenkel stellen Rückflussschenkel bzw. äußere Schenkel dar. Ferner weist die Drosseleinheit ein erstes und zweites Joch auf, welche jeweils mit einem Ende der vier oder fünf Schenkel gekoppelt ist. Ferner weist die Drosseleinheit eine Koppeleinheit auf, welche mit allen fünf Schenkeln gekoppelt ist und einen Luftspalt zwischen der Koppeleinheit und den Schenkeln aufweist.

Die Windenergieanlage kann gemäß einem Aspekt der Erfindung mindestens zwei Wechselrichter und mindestens zwei 3-Phasen-Drosseleinheiten aufweisen.

Optional ist die Koppeleinheit mittig entlang der Länge der fünf Schenkel angeordnet. Oberhalb der Koppeleinheit und unterhalb eines ersten Joches sind jeweils eine Primärwindung um eine der ersten, zweiten und dritten Schenkel vorgesehen. Zwischen der Koppeleinheit und dem zweiten Joch sind jeweils drei weitere Primärwicklungen um den ersten, zweiten und dritten Schenkel vorgesehen, so dass ein zwei 3-Phasen System erhalten wird.

Gemäß der Erfindung wird ein magnetischer Bypass in Form der Koppeleinheit vorgesehen. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird damit ein Koppelfaktor von >0,3 und <0,7 erreicht.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung;
  • 2A bis C zeigt verschiedene Ansichten einer Drosseleinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
  • 3A und B zeigt jeweils eine Ansicht einer Drosseleinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
  • 4A und B zeigt verschiedene Ansichten einer Drosseleinheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung der Wechselrichter und einer Drosseleinheit gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Windenergieanlage gemäß der Erfindung. 1 zeigt eine Windenergieanlage 100 mit einem Turm 102 und einer Gondel 104. An der Gondel 104 ist ein Rotor 106 mit drei Rotorblättern 108 und einem Spinner 110 angeordnet. Der Rotor 106 wird im Betrieb durch den Wind in eine Drehbewegung versetzt und treibt dadurch einen Generator in der Gondel 104 an. Die Windenergieanlage 100 weist typischerweise im Bereich ihres Turmfusses einen Leistungsschrank auf, in welchem die Gleichspannung eines Gleichspannungszwischenkreises mittels Wechselrichter 300 in eine Wechselspannung umgerichtet wird. Ein derartiger Wechselrichter weist typischerweise eine Drossel 200 auf, welche zwischen dem Wechselrichter und einem Ausgang der Windenergieanlage gekoppelt ist.

2A bis C zeigt verschiedene Ansichten einer Drosseleinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Drosseleinheit 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist fünf (oder optional nur vier Schenkel) Schenkel 210-250 auf, wobei die ersten drei Schenkel 210, 220, 230 jeweils eine erste Primärwicklung L11, L21, L31 eines ersten 3-Phasen-Systems aufweisen. Die vierten und fünften Schenkel 240, 250 dienen als Rückflussschenkel bzw. äußere Schenkel und weisen keine Wicklungen auf. Die ersten Enden der fünf oder vier Schenkel 210-250 sind mit einem ersten Joch 260 gekoppelt und die zweiten Enden der vier oder fünf Schenkel 210-250 sind mit einem zweiten Joch 270 gekoppelt. Das erste und zweite Joch 260, 270 erstreckt sich jeweils über die Länge bzw. Breite der Drosseleinheit.

Ferner weist die Drosseleinheit 200 einen magnetischen Bypass in Form einer Koppeleinheit 280 auf, welche optional in der Mitte zwischen dem ersten und zweiten Ende der vier oder fünf Schenkel 210-250 angeordnet ist. Die Koppeleinheit 280 ist auf beiden Seiten der vier oder fünf Schenkel 210-250 angeordnet. Ferner ist jeweils ein Luftspalt 281 zwischen den vier oder fünf Schenkeln 210-250 und der Koppeleinheit 280 vorgesehen.

Optional können die vierten und fünften Schenkel eine Wicklung aufweisen, um z.B. unsymetrische Magnetkomponenten gleichmäßig zwischen den vierten und/oder fünften Schenkeln zu führen, so dass es innerhalb des Kerns zu einer gleichmäßigen Erwärmung kommen kann. Ferner können die Wicklungen an dem vierten und fünften Schenkel zur Symmetrie oder zur Filterung dienen.

Optional können die ersten bis dritten Schenkel 210-230 zweite Primärwicklungen L12, L22, L32 eines weiteren 3-Phasen-Systems aufweisen. Die ersten Primärwicklungen L11, L21, L31 sind zwischen dem ersten Joch 260 und der Koppeleinheit 280 vorgesehen. Die zweiten Primärwicklungen L12, L22, L32 sind zwischen der Koppeleinheit 280 und dem zweiten Joch 270 vorgesehen. Optional sind die Primärwicklungen L11, L12 in Reihe geschaltet. Ferner sind die Primärwicklungen L21 und L22 sowie L31 und L32 in Reihe geschaltet.

Insbesondere ist auf beiden Seiten der Schenkel zwischen den fünf Schenkeln 210-250 und der Koppeleinheit 280 jeweils ein Luftspalt 281 vorgesehen.

Die erfindungsgemäße Drosseleinheit ist vorteilhaft gegenüber zwei ungekoppelten 3-Phasen-Drosseln, weil hier ja weniger Wickelmaterial für die Wicklungen benötigt wird. Der Kern der Drosseleinheit gemäß der Erfindung ist ebenfalls vorteilhaft gegenüber drei Kernen mit jeweils einer Phase, weil weniger Material verwendet wird.

Die Drosseleinheit gemäß der Erfindung weist so vorzugsweise einen ferromagnetischen Kern mit den fünf Schenkeln 210-250, dem ersten und zweiten Joch 260, 270 sowie der magnetischen Koppeleinheit 280 auf. Die beiden Joche 260, 270 sind im Wesentlichen orthogonal zu den fünf Schenkeln angeordnet. Der ferromagnetische Kern weist eine Mittelachse auf, welche durch den zweiten Schenkel verläuft. Die fünf Schenkel 210-250 des ferromagnetischen Kernes weisen jeweils Mittelachsen auf, die in einer Ebene parallel zueinander verlaufen.

Der ferromagnetische Kern kann als Pulverkern beispielsweise aus Mangan-Zink-Ferrit geblecht oder als Elektroblech ausgestaltet sein.

Die Koppelung, welche durch die Koppeleinheit 280 erreicht wird, kann beispielsweise durch Variation des Luftspaltes 281 eingestellt werden.

3A und B zeigen jeweils eine Ansicht einer Drosseleinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Drosseleinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist vier oder fünf Schenkel 210-250 auf, wobei die ersten drei Schenkel 210-230 von dem vierten und fünften Schenkel 240, 250 umgeben sind. Die Drosseleinheit 200 weist ferner ein erstes und zweites Joch 260, 270 auf, welche an ersten Enden der ersten drei Schenkel gekoppelt ist. Das zweite Joch 270 ist an zweite Enden des ersten, zweiten und dritten Schenkels gekoppelt. Im Gegensatz zu dem ersten und zweiten Joch gemäß Ausführungsbeispiel von 2A erstreckten sich das erste und zweite Joch 260, 270 nicht über die gesamte Breite bzw. Länge der Drosseleinheit. Vielmehr erstrecken sich die vierten und fünften Schenkel 240, 250 über die gesamte Höhe der Drosseleinheit, so dass die vierten und fünften Schenkel das erste und zweite Joch 260, 270 begrenzen.

Ferner ist eine Koppeleinheit 280 vorgesehen, welche mit allen Schenkeln 210-250 gekoppelt ist, wobei ein Luftspalt 281 zwischen den jeweiligen Schenkeln 210-250 und der Koppeleinheit 280 vorhanden ist.

Eine erste dreiphasige Primärwicklung L11, L21, L31 ist an dem jeweiligen ersten, zweiten und dritten Schenkel 210-230 zwischen der Koppeleinheit 280 und dem ersten Joch 260 vorgesehen. Eine zweite dreiphasige Primärwicklung mit den Wicklungen L12, L22, L32 ist an dem ersten, zweiten und dritten Schenkel 210-230 zwischen der Koppeleinheit 280 und dem zweiten Joch 270 vorgesehen.

In 3B ist eine Seitenansicht der Drosseleinheit gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Drosseleinheit ist hier O-förmig ausgeführt. In 3B ist insbesondere der vierte oder fünfte Schenkel 240, 250 gezeigt. Der vierte oder fünfte Schenkel 240, 250 ist dann O-förmig ausgestaltet. Schematisch ist ferner die erste Phase L11 der ersten Primärwicklung sowie die erste Phase L12 der zweiten Primärwicklung dargestellt. Die vierten oder fünften Schenkel 240, 250 liegen somit an beiden Enden der Koppeleinheit 280 sowie des ersten und zweiten Joches 260, 270.

4A und B zeigen verschiedene Ansichten einer Drosseleinheit gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Drosseleinheit weist vier oder fünf Schenkel 210-250 auf, wobei die ersten, zweiten und dritten Schenkel 210-230 eine erste und zweite Primärwicklung aufweisen. Die Drosseleinheit weist ferner ein erstes Joch 260, ein zweites Joch 270 sowie die vierten und fünften Schenkel 240, 250 auf, welche mit dem ersten und zweiten Joch 260, 270 gekoppelt sind.

In 4B ist eine Seitenansicht der Drosseleinheit gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel gezeigt. Die vierten und/oder fünften Schenkel 240, 250 begrenzen wie im zweiten Ausführungsbeispiel von 3A das erste und zweite Joch, die Schenkel sind jedoch nicht O-förmig, sondern als Blech oder Joch ausgestaltet.

5 zeigt eine schematische Darstellung der Wechselrichter und einer Drosseleinheit gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel sind zwei Wechselrichter 300 jeweils mit einer ersten Primärwicklung L11, L21, L31 und einer zweiten Primärwicklung L12, L22, L32 der Drosseleinheit 200 gekoppelt. Die Drosseleinheit kann dabei wie in dem ersten, zweiten oder dritten Ausführungsbeispiel ausgestaltet sein. Der Ausgang der Drosseleinheit ist an einem Ausgang 500 der Windenergieanlage gekoppelt bzw. stellt diesen Ausgang dar.

Mit der Drosseleinheit 200 gemäß der Erfindung kann ein abgestimmtes Parallelschalten von zwei oder mehr Wechselrichtern 300 vorgesehen werden.

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel können die Schenkel als gestanzte Bleche bzw. als Balken realisiert werden. Die vierten und fünften Schenkel gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von 3A können als gewickelte Bleche ausgestaltet sein. Die vierten und fünften Schenkel 240, 250 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel werden an den Seiten der ersten und zweiten Joche 260, 270 befestigt. Durch die vierten und fünften Schenkel 240, 250, welche O-förmig ausgestaltet sind, kann eine magnetische Koppelung erreicht werden. Insbesondere kann hierdurch ein größerer magnetisch wirksamer Querschnitt erreicht werden.

In der 2A ist zum einen ein magnetischer Fluss M1 sowie ein magnetischer Fluss M2 dargestellt, wobei der erste magnetische Fluss M1 durch die Spule L11 erzeugt wird und der zweite magentische Fluss M2 wird durch die Spule L12 erzeugt. Die jeweiligen Spulen L11 bzw. L12 erzeugen ein gegensinniges Magnetfeld M1, M2. Diese beiden Magnetflüsse M1, M2 addieren sich in dem Koppelelement 280. Insbesondere durch den Luftspalt zwischen der Koppeleinheit 280 und den jeweiligen ersten, zweiten oder dritten Schenkeln kann der Koppelfaktor eingestellt werden.

Gemäß der Erfindung entspricht der Koppelfaktor dem Verhältnis der Spannungen an den Wicklungen L11 und der Wicklung L12.