Kaskadenmaschine
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Die Kaskadenmaschine ist eine bürstenlose elektrische Maschine, mit der sich Generatoren mit geringem Aufwand für den Frequenzumrichter verwirklichen lassen. Die generatorische Leistung wird zum größten Teil direkt von der einen Ständerwicklung ins Netz gespeist. Die Wirk- und Blindleistungsregelung sowie die Synchronisation mit dem Netz übernimmt ein Frequenzumrichter kleiner Leistung, der mit der zweiten Ständerwicklung verbunden ist. Dieser Generator vermeidet Schleifringe, die bei doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren notwendig sind.
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[Bearbeiten] Funktion und Aufbau der Kaskadenmaschine
Die Kaskadenmaschine benimmt sich nach außen ähnlich wie eine Asynchronmaschine mit Schleifringen. Im Gegensatz zum Asynchrongenerator befinden sich jedoch zwei Wicklungen unterschiedlicher Polpaarzahlen p1 und p2 im Ständer des Kaskadengenerators. Der Läufer besitzt keine Schleifringe. Der Läufer trägt eine in sich geschlossene Wicklung ohne äußere Anschlüsse (s. [1]). Der Generator besitzt eine resultierende Polpaarzahl pres=p1+p2. Die beiden Ständerwicklungen der Kaskadenmaschine übernehmen die Rolle der Ständerwicklung und der Läuferwicklung einer Asynchronmaschine mit Schleifringläufer. Bei der Verwendung als drehzahlveränderlicher Antrieb oder als Generator, z.B. in einer Windkraftanlage, wird die Kaskadenmaschine zusammen mit einem Umrichter eingesetzt. Die Ständerwicklung 1 wird mit dem Netz verbunden und gibt die generatorische Leistung P1 direkt in das Netz ab. Die Ständerwicklung 2 ist mit dem Umrichter verbunden und gibt je nach Drehzahl elektrische Leistung an den Umrichter ab oder nimmt vom Umrichter Leistung auf. An das Netz wird die resultierende Leistung Pges=P1+P2 abgegeben, die bei Vernachlässigung der Verluste gleich der mechanischen Leistung Pmech ist. Der Vorteil des Kaskadengenerators liegt darin, dass er nur einen Teil der Leistung über den Umrichter an das Netz gibt, während der größte Teil der Leistung direkt an das Netz abgegeben wird. Dies senkt die Kosten und das Bauvolumen für den Umrichter und vermindert Probleme mit Oberschwingungsströmen im Netz. Die Kaskadenmaschine trägt im Ständer zwei Wicklungen verschiedener Polpaarzahlen, die die Rollen von Ständer- und Läuferwicklung eines Asynchrongenerators mit Schleifringen übernehmen. Im Läufer findet sich eine völlig unkonventionelle neuartige Wicklung zur Kopplung der Ständerwicklungen. Der Aufbau ist im Detail in [1], [2] beschrieben. Neben der Stellung der Wirkleistung und des Drehmomentes kann auch die Blindleistung der beiden Wicklungen verstellt werden. Die Maschine kann die von ihr benötigte induktive Blindleistung sowohl von der Ständerwicklung 1 als auch von der Wicklung 2 beziehen. Genauso kann der Umrichter so eingestellt werden, dass sich die Gesamtanlage kapazitiv verhält und den Blindleistungsbedarf induktiver Verbraucher deckt. Dabei findet durch die Übertragung der Blindleistung über die mit geringem Schlupf arbeitende Kaskademaschine eine Erhöhung der Blindleistung statt. Es kann also mit einer kleinen Umrichterleistung eine große Blindleistung dem Netz zur Verfügung gestellt werden. Wie sich für die verschiedenen Betriebsweisen die Ständer- und Läuferströme einstellen müssen, ist in [3] ausführlich dargestellt. Bei der Kaskadenmaschine übernehmen die beiden Ständerwicklungen die Aufgaben der Ständerwicklung und der Läuferwicklung einer Asynchronmaschine mit Schleifringen. Alle Wicklungen sind in einem Aktivteil aus Stator und Rotor untergebracht. Die beiden Ständerwicklungen müssen also über den Läufer miteinander gekoppelt sein. Eine direkte Kopplung innerhalb des Ständers darf nicht stattfinden. Man erhält so einen Generator, die die Eigenschaften einer Drehstrom-Induktionsmaschine mit Schleifringläufer besitzt, aber ohne die störenden Schleifringe auskommt. Bei der Unterbringung der beiden Ständerwicklungen in einem Blechpaket müssen geeignete Polpaarzahlen p1 und p2 zur Entkopplung der Wicklungen gewählt werden. Der Teil der Ständerwicklung mit der Polpaarzahl p1 übernimmt die Aufgabe der normalen Ständerwicklung. Dem Teil der Ständerwicklung mit der Polpaarzahl p2 kommt die Rolle der Läuferwicklung zu. Die Maschine hat die resultierende Polpaarzahl pres=p1+p2. Für die Ständerwicklung kommen prinzipiell polumschaltbare Wicklungen oder getrennte Wicklungen für die beiden Polpaarzahlen in Frage. Für den Betrieb am Frequenzumrichter haben getrennte Wicklungen entscheidende Vorteile: · Jede der beiden Wicklungen kann unabhängig mit der passenden Windungszahl versehen werden, die aufgrund der Anschlussspannung des Netzes und der Ausgangsspannung des Umrichters benötigt wird. · Die Wicklungen sind galvanisch getrennt, so dass im Fehlerfall kein Gleichstrom vom Umrichter über den Kaskadengenerator ins Netz und ggf. zurück zum netzseitigen Umrichteranschluss fließen kann. · Der Umrichter kann mit Übermodulation durch eine Nullspannung betrieben werden, da die getrennten Wicklungen einen Nullstrom über den Generator ins Netz hinein unterbinden. Eine konkrete Versuchsmaschine der Baugröße 180 wurde aufgebaut. Die wichtigsten Abmessungen zeigt Tabelle 1. Der mechanische Aufbau entspricht einer Standard-Induktionsmaschine mit Käfigläufer (Details s. [1]). Der Ständer wurde mit übliche Drehstromwicklungen mit den Polpaarzahlen p1=2 und p2=4 aufgebaut. Die Läuferwicklung hat einzig die Aufgabe, die beiden verschiedenen Felder der Polpaarzahlen p1 und p2 der Ständerwicklung miteinander zu koppeln. Die Wicklung muss eine Verkopplung der beiden Felder genauso bewirken, wie es getrennte Läuferwicklungen tun. Sie braucht dazu weder eine bestimmte Strangzahl zu besitzen, noch sind die absoluten Werte der in ihr induzierten Spannungen von Interesse. Sie ist in sich geschlossen und ähnelt damit einer Käfigwicklung. Die Aufgabe der Läuferwicklung, die beiden Ständerwicklungen mit den Polpaarzahlen p1 und p2 miteinander zu koppeln, bedeutet, dass in der Läuferwicklung fließende Ströme gleichzeitig ein Feld der Polpaarzahl p1 und ein Feld der Polpaarzahl p2 erzeugen. Dann induzieren sowohl die Ständerwicklung mit der Polpaarzahl p1 als auch mit p2 in der Läuferwicklung Ströme. Das heißt, dass die beiden Ständerwicklungen durch die Läuferströme miteinander gekoppelt sind. Das Wicklungsschema der Läuferwicklung für 90 Nuten s. [1], [2].
[Bearbeiten] Generatorbetrieb
Beim Kaskadengenerator wird die mechanische Leistung an der Welle in Summe über beide Ständerwicklungen abgegeben. Je nach Drehzahl des Generators und Frequenz des Netzes verändern sich die Leistungsflüsse. Die mechanische Leistung ist Pmech=2*pi*n*M. Die synchrone Drehzahl des Generators ist wie beim Asynchrongenerator n0=f1/pres. Genau wie beim Asynchrongenerator wird der Schlupf zu s=(n0-n)/n0 berechnet und die Frequenz der Wicklung 2 beträgt f2=s*f1. Aufgrund der konstanten Frequenz der Wicklung 1 gibt diese die Luftspaltleistung P=2*pi*n0*M ab. Beim Betrieb oberhalb der synchronen Drehzahl n0 geben beide Ständerwicklungen Leistung ab: die Wicklung 1 direkt ins Netz, die Wicklung 2 an den Umrichter. Dadurch braucht der Umrichter nur für einen Teil der Gesamtleistung ausgelegt zu sein und fällt daher kleiner aus als in anderen Konstellationen. Variiert die Drehzahl, z.B. zwischen n0 und 2*n0, muss der Umrichter nur für die halbe mechanische Leistung ausgelegt werden. Auf Basis der Messergebnisse an der Versuchsmaschine [1] wurde ein Kaskadengenerator für eine Leistung von 2,7 MW dimensioniert. Die Rechnung ergibt folgende Abmessungen: · Blechpaketlänge 1000 mm · Außendurchmesser 2100 mm · Bohrungsdurchmesser 1450 mm Die Polpaarzahlen sind pres=36, p1=12, p2=24. Der Umrichter muss nur für eine Leistung von 23% der Gesamtleistung übertragen. Der größte Teil der Leistung wird direkt ins Netz gespeist.
[Bearbeiten] Zusammenfassung
Mit dem doppelt gespeisten Kaskadengenerator lassen sich Generatoranlagen aufbauen, die sich durch einen geringen Umrichteraufwand, geringe Netzrückwirkungen und Wartungsarmut auszeichnen. Der Kaskadengenerator speist den größten Teil der Leistung direkt ins Netz. Nur ein kleiner Teil muss über den Umrichter geführt werden. Mit dem Umrichterstrom lässt sich der gesamte Leistungsfluss kontrollieren.
[Bearbeiten] Literatur
- [1] Fräger, C.: Neuartige Kaskadenmaschine für bürstenlose Drehzahlstellantriebe mit geringem Stromrichteraufwand. VDI-Verlag 1995, Fortschrittberichte Reihe 21, Nr. 189, ISBN 3-18-318921-6
- [2] Fräger, C.: Wicklung für den Läufer elektrischer Maschinen zur Kopplung zweier Felder verschiedener Polzahl. Patentschrift DE19526440C2
- [3] Bauer, F.: Neues Steuerverfahren für die doppeltgespeiste Maschinenkaskade. etzArchiv 7 (1985), Heft 8, Seiten 275 – 278
