Doppelt gespeiste Asynchronmaschine
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Die doppelt gespeiste Asynchronmaschine (engl. Doubly fed induction machine) bezeichnet ein System aus Schleifringläufer-Asynchronmaschine mit läuferseitigem Frequenzumrichter zur Regelung der Drehzahl und der Blindleistung.
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[Bearbeiten] Aufbau
Die Asynchronmaschine ist am Ständer direkt mit dem Stromnetz verbunden. Der Frequenzumrichter im Läuferkreis wird heute meist in IGBT-Stromrichtertechnik aus 2- oder 3-Punktbrücken aufgebaut. Mit dem maschinenseitigen Umrichter werden aus dem Spannungszwischenkreis pulsartig sinusförmige Spannungen und Ströme variabler Frequenz und Amplitude in den Läuferkreis geschaltet. Am Zwischenkreis ist ein "Active Front End" angeschlossen, ein selbstgeführter, aktiv geregelter Netzwechselrichter. Somit kann aus dem Läuferkreis Energie ins Netz zurückgespeist werden. In der Vergangenheit wurde maschinenseitig auch eine Diodenbrücke zur Gleichrichtung und netzseitig eine Thyristorbrücke im Wechselrichterbetrieb eingesetzt. Diese Anordnung wird als untersynchrone Stromrichterkaskade bezeichnet (USK). Eine USK kann jedoch nur unterhalb der synchronen Drehzahl motorisch betrieben werden. Am besten eignet sich der Einsatzbereich für den Antrieb mechanischer Lasten, wie Pumpen und Lüfter.
[Bearbeiten] Eigenschaften
Aufgrund der additiven Überlagerung von Ständer- und Läuferfeld wird die Drehzahl direkt durch die Frequenz der Läuferströme beeinflusst.
Dabei bezeichnet f1 die Netz- bzw. Ständerfrequenz, f2 die Frequenz der Läuferströme und p die Polpaarzahl. Eine negative Frequenz kann als Umkehrung des Drehfeldes verstanden werden, dies tritt bei übersynchronen Drehzahlen auf. Die relative Differenz aus mechanischer und synchroner Winkelgeschwindigkeit, der Schlupf s, wirkt sich auch auf den Wirkleistungsfluss aus. Dieser wird durch das Gesetz über die Aufteilung der Luftspaltleistung Pδ beschrieben :
Geht man von einer verlustlosen Übertragung aus, ist die Leistung im Läufer, P2, proportional zum Schlupf und der Ständerwirkleistung P1. Bei der synchronen Drehzahl dreht sich also auch je nach Betriebsart der Wirkleistungsfluss im Läufer um.
[Bearbeiten] Betrieb
Durch das Einprägen einer gewünschten Läuferstromfrequenz kann die Drehzahl eingestellt werden. Benötigt man nur einen begrenzten Drehzahlstellbereich, wie z.B. bei Windenergieanlagen, kann der Umrichter wesentlich kleiner dimensioniert werden, weil nur die s-fache Ständerwirkleistung über den Umrichter geführt werden muss. Über die Vergrößerung der Amplitude des Läuferstroms können die Ständerblindströme verringert werden, da die Magnetisierungsblindleistung nicht mehr, wie beim Käfigläufer, ausschließlich vom Ständer her gedeckt werden muss. Die doppelt gespeiste Asynchronmaschine kann von daher sogar induktive Blindleistung abgeben, also als Kondensator wirken (zum Beispiel als dynamischer Phasenschieber im Pumpspeicherwerk Goldisthal). Bei einer Stromregelung im Läuferkreis, wie es meist der Fall ist, würde sich die doppelt gespeiste Asynchronmaschine stationär genau wie eine drehzahlvariable Synchronmaschine verhalten. In der Praxis wird für die dynamische Wirk-und Blindleistungsregelung das Prinzip der Feldorientierung angewendet.
[Bearbeiten] Anwendung
Hauptanwendung der doppelt gespeisten Asynchronmaschine ist die Stromerzeugung aus Windenergie. In gut 2/3 aller neuen Windenergieanlagen ist diese Technik integriert. Für Offshore-Windenergieanlagen macht sich zwar der kleinere Umrichter vorteilhaft bemerkbar, die Schleifringe sind allerdings wartungsanfällig. Insofern ist noch nicht abzusehen, welche Technik sich langfristig durchsetzen wird.
[Bearbeiten] Weblinks
- [1] Doppelt gespeister Asynchrongenerator für WKAs unter regelungstechnischen Gesichtspunkten
Die derzeit leistungsstärksten drehzahlvariablen Asynchronmaschinen in Deutschland werden im Pumpspeicherwerk im thüringischen Goldisthal betrieben. Die beiden Motor-Generatoren haben eine Nennleistung von 265 MW, wobei bei vollem Oberbecken und damit maximaler Fallhöhe Leistungen von mehr als 300 MW erreicht werden.
