WinDrive - Voith Turbo

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Panorama MARKT ANTRIEBSTECHNIK Es geht auch ohne Der Prototyp der Dewind D8.2 in Cuxhaven läuft schon seit über einem Jahr. Die eigentliche Innovation ist das von Voith entwickelte Windrive-System, das den Umrichter überflüssig macht. 20 Sonne Wind & Wärme 9/2008 Alle paar Wochen meldet sich ein neuer Hersteller zu Wort. Vor allem in Fernost steigen viele Maschinenbaufirmen in die Windenergietechnik ein, um am wachsenden Markt teilzunehmen. Wer sich als Newcomer nicht mit Kampfpreisen, sondern mit Technologie durchsetzen will, muss etwas anbieten, das sich deutlich vom Mainstream abhebt und dem Kunden klar erkennbare Vorteile bietet. Der schwäbische Maschinenbaukonzern Voith hat sich diese schwierige und langwierige Aufgabe gestellt. Gemessen an dem, was bisher auf dem Markt vorherrscht, wirkt der Anspruch verwegen: Wie kann eine Windturbine die von den Energieversorgern gewünschte Stromqualität liefern, ohne einen Umrichter einsetzen zu müssen? Bevor Voith auf den Plan trat, hatte niemand ernsthaft diese Frage gestellt. Es galt als ungeschriebenes Gesetz, dass moderne Windenergieanlagen auf den Umrichter einfach nicht verzichten können. Denn seitdem sich der drehzahlvariable Betrieb der Windturbinen weltweit durchgesetzt hat, muss es zwischen Rotor und Netz einen Baustein in der Energiewandlungskette geben, der dafür sorgt, dass der Strom mit der erforderlichen Qualität eingespeist wird. Und das war bisher ohne Ausnahme die Aufgabe des Umrichters. Doch die Monopolstellung der Elektronik wird an dieser Stelle nun angegriffen. Mit dem Windrive-System will Voith beweisen, dass die elektronische Frequenzwandlung durch eine mechatronische ersetzt werden kann. Zurück zu den Wurzeln Die erste Dewind D8.2 wurde Ende 2006 auf dem Testfeld des DEWI- OCC in Cuxhaven errichtet und ist seit Januar 2007 am Netz. Foto: Jan Oelker Das Windrive-System definiert sich aber natürlich nicht durch den Verzicht auf den Umrichter, sondern durch eine Reihe von Funktionen, die letzten Endes das eigentliche Problem der Windenergietechnik lösen müssen: Die Anpassung der vom Wind gelieferten stark schwankenden Leistung an die Anforderungen des elektrischen Netzes. Es ist die Kunst, etwas zusammenzubringen, was nicht zusammen passt. Also zurück zu den physikalischen Wurzeln der Windenergietechnik: Da wir es hier mit rotierenden Massen zu tun haben (Rotor, Getriebe, Generator), ist die mechanische Leistung nichts anderes das Produkt aus Drehzahl und Drehmoment. Sowohl die Drehzahl des Rotors als auch sein Drehmoment ändern sich ständig. Wenn aber auf der anderen Seite der Generator ohne zusätzlichen Filter (Umrichter) direkt mit dem »frequenzstarren« Netz gekoppelt werden soll, muss der Generator mit konstanter Drehzahl laufen. Um diese Bedingung zu erfüllen, baut Voith zwischen Getriebe und Generator den Windrive als Drehmomentwandler ein, der die vom Getriebe kommende, ständig schwankende Drehzahl aufnimmt und »glättet« Johannes Eitdorf, für den Vertrieb des Windrive zuständig, beschreibt es anschaulich so: »Der Windrive hat es mit zwei übermächtigen Kontrahenten zu tun. Vor sich hat es den Wind mit dem riesigen Rotor und hinter sich den Generator mit dem Netz.« Das heißt, »der Windrive hat vor und hinter sich Drehzahlen, die er gar nicht ändern kann, und wirkt somit als Momentenwaage«.
Im Detail kompliziert Der mechatronische Aufbau des Windrive ist relativ aufwendig. Er basiert auf einem Drehmomentwandler in Kombination mit einem als Überlagerungsgetriebe ausgelegten Planetengetriebe, besteht also aus zwei zusammenwirkenden Elementen (siehe Grafik): • Das Überlagerungsgetriebe (rot) addiert zwei variable Drehzahlen. Es handelt sich um die Drehzahl des Rotors und die im Windrive existierende Korrekturdrehzahl, die gemeinsam eine konstante Ausgangsdrehzahl ergeben. • Der Drehmomentwandler liefert die variable Korrekturdrehzahl. Dieser Wandler wird von Hydrauliköl durchflutet (gelb) und besteht aus einem Pumpenrad (dunkelblau), das von der Hauptwelle angetrieben wird, aus einem Turbinenrad, das die Korrekturdrehzahl ans Überlagerungsgetriebe liefert, und aus verstellbaren Leitschaufeln (grün), die das Übertragungsverhalten des Wandlers verändern. Das Standgetriebe (hellblau) überträgt die Korrekturdrehzahl auf das Überlagerungsgetriebe. Das klingt kompliziert und hat viel mit Strömungsmechanik zu tun, die nur wenigen geläufig ist. Denjenigen, die sich nicht unbedingt in die Materie vertiefen wollen, bietet Voith eine griffige Erklärung an: »Der Drehmomentwandler besitzt als Strömungsmaschine eine vergleichbare Leistungscharakteristik wie der Windrotor und lässt sich deshalb ideal mit diesem koppeln.« Verstellung der Leitschaufeln genügt Um zu verhindern, dass Schwankungen der Windgeschwindigkeit, insbesondere Böen, auf den mit konstanter Drehzahl laufenden Generator durchschlagen, genügt es, die Industrie | Marine | Schiene | Straße Längsschnitt des Windrive: Gut erkennbar sind das Überlagerungsgetriebe (rot), das Standgetriebe (hellblau) und die Hydraulik (gelb). Die verstellbaren Leitschaufeln sind grün dargestellt. Grafik: Voith Leitschaufeln zu verstellen. Diese Regelung muss allerdings ziemlich schnell geschehen: »Es erforderte viel Entwicklungsaufwand, um die Reaktionszeit auf 20 ms zu drücken«, betont Andreas Basteck, der als Geschäftsführer der Voith Turbo Wind GmbH für den Windrive verantwortlich ist. Der Windrive muss aber nicht auf jede Leistungsschwankung mit einer Verstellung der Leitschaufeln reagieren, denn weil die Leistungscharakteristik des Rotors in etwa der des Wandlers entspricht, »folgt der Wandler quasi selbstständig dem Rotor, das heißt verzugsfrei und weich. Dadurch wird der gesamte Antriebsstrang der Windturbine geschont«, er- WinDrive – hochdynamisches Antriebssystem für Windturbinen im Megawattbereich ■ Ausgezeichnete Netzqualität durch bewährte Synchrongeneratoren ■ Hervorragende Verfügbarkeit und reduzierter Wartungsaufwand durch Wegfall der Frequenzumrichtertechnologie ■ Hohe Effi zienz aufgrund hydrodynamisch regelbarer Technologie ■ Moderate Anfangsinvestition durch maßgebliche Gewichteinsparungen Voith Turbo Wind GmbH & Co. KG Voithstr. 1 74564 Crailsheim, Germany Tel. +49 7951 32-1867 Fax +49 7321 37-138149 www.voithturbo.com / windtechnologie
Seite 1: WinDrive Sonderdruck aus Artikel
Seite 5 und 6: Projektreport WinDrive März 2003 D

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