Asynchrongenerator
Asynchrongeneratoren sind in der elektrischen Energietechnik Asynchronmaschinen, welche als Generator betrieben werden.<ref name= "Quelle 25" /> Sie werden unter anderem in dezentralen Kleinwasserkraftwerken aus wirtschaftlichen Gründen anstelle von Synchrongeneratoren zur Stromerzeugung eingesetzt.<ref name= "Quelle 5" /> Des Weiteren kommen Asynchrongeneratoren als sogenannte Zusatz- oder Hilfsgeneratoren zum Einsatz.<ref name= "Quelle 4" />
Grundlagen
Jede Asynchronmaschine kann sowohl als Motor als auch als Generator eingesetzt werden.<ref name= "Quelle 20" /> Für den Einsatz als Generator muss die Asynchronmaschine magnetisch erregt und mechanisch angetrieben werden.<ref name= "Quelle 1" /> Werden Asynchronmotoren schneller angetrieben als die Umdrehungsfrequenz des Drehfeldes, dann arbeiten sie als Generator und speisen Wirkleistung ins Netz.<ref name= "Quelle 2" /> Dieses kann z. B. beim Abwärtsfahren von Personenaufzügen, Fördermaschinen oder Kränen auftreten.<ref name= "Quelle 7" /> Dieser Effekt wird als Nutzbremsung bezeichnet.<ref name= "Quelle 1" /> Bei polumschaltbaren Maschinen mit dem Umschalten von hoher Drehzahl auf niedrige Drehzahl (oder umgekehrt) ergeben sich zusätzliche Anforderungen, damit keine unzulässigen Spitzen bezogen auf Strom oder mechanische Last entstehen können. Das Ziel bleibt, die Abbremsenergie im Generatorbetrieb ins Netz zu speisen.<ref name= "Quelle 3" /> Werden Asynchronmotoren über eine Antriebssteuerung (Frequenzumrichter) betrieben, so muss diese rückspeisefähig sein. Das bedeutet, der Frequenzumrichter muss einen Vierquadrantenbetrieb zulassen.<ref name= "Quelle 8" />
Aufbau und Funktion
(ohne Eisenblechpakete)
Als klassische Asynchrongeneratoren kommen Drehstromasynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer zum Einsatz.<ref name= "Quelle 21" /> Sie sind wesentlich einfacher aufgebaut als andere Asynchrongeneratoren.<ref name= "Quelle 23" /> Die gängigsten Asynchrongeneratoren haben 4 Pole.<ref name= "Quelle 3" /> Dadurch bedingt liegt die Drehfelddrehzahl nur bei 1500 min−1.<ref name= "Quelle 29" /> Um eine Drehzahlstufung und damit eine weichere Netzkopplung zu erreichen, werden in bestimmten Bereichen Ständer mit polumschaltbaren Wicklungen verwendet.<ref name= "Quelle 22" /> Dadurch erreicht man mit dem Asynchrongenerator im gesamten Leistungsbereich eine optimale Energieausbeute.<ref name= "Quelle 22" /> Der Läufer wird als Rundstabläufer ausgeführt. Neben der Verwendung von normalen Industriemotoren werden auch spezielle Asynchronmaschinen für den Generatoreinsatz gebaut. Diese Asynchrongeneratoren haben Läuferstäbe aus Kupfer, um einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Außerdem sind sie, bedingt durch eine bessere Blechqualität (verlustarme Magnetbleche für Stator und Rotor), speziell für den Einsatz als Generator konstruiert und optimiert.
Maßgeblich für das Betriebsverhalten der Asynchronmaschine ist die Abhängigkeit des Drehmomentes M von der Drehzahl n.<ref name= "Quelle 2" /> Diese Abhängigkeit lässt sich aus der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der Asynchronmaschine ablesen.<ref name= "Quelle 23" /> Wirken auf die Generatorwelle zusätzliche Kräfte ein, so vergrößert sich der Schlupf, dieses wiederum hat eine Erhöhung der elektrischen Leistungsabgabe zur Folge.<ref name= "Quelle 20" /> Der Unterschied zwischen Volllastdrehzahl und Leerlaufdrehzahl ist in der Praxis sehr klein. Die Differenz zur Synchrondrehzahl wird in Prozent angegeben und als Generatorschlupf bezeichnet, sie beträgt rund 1 Prozent. Das bedeutet für eine vierpolige Maschine, dass sie bei Volllastbetrieb mit 1515 min−1 läuft.<ref name= "Quelle 3" />
Da Asynchronmaschinen sowohl untersynchron als auch übersynchron betrieben werden können, gilt für eine vierpolige Maschine folgender Zusammenhang:
- Untersynchroner Betrieb: Schlupf s > 0 → Motorbetrieb nN = 1480 min−1
- Übersynchroner Betrieb: Schlupf s < 0 → Generatorbetrieb nN = 1515 min−1
Weil bei übersynchronem Betrieb die Läuferdrehzahl höher ist als die Drehfelddrehzahl, ist auch die Läuferfrequenz höher als die Drehfeldfrequenz.<ref name= "Quelle 29" /> Somit wird in den Stäben des Läufers jeweils eine Spannung induziert.<ref name= "Quelle 1" /> Da die Stäbe untereinander räumlich versetzt sind, besteht auch zwischen den jeweiligen Spannungen der einzelnen Stäbe eine Phasenverschiebung. Somit ist im Läufer eine Vielphasenspannung wirksam. Hat der Läufer z. B. 25 Stäbe, sind 25 phasenverschobene Wechselspannungen wirksam. Da die Läuferstäbe an den Stirnseiten des Läufers jeweils über Kurzschlussringe verbunden sind, fließt ein Vielphasenwechselstrom. Bei 25 Stäben fließt somit ein 25-phasiger Wechselstrom. Um den Läufer herum ruft der Vielphasenwechselstrom ein Läuferdrehfeld hervor, das genau dieselbe Polzahl hat wie das erregende Ständerdrehfeld, da der Käfigläuferrotor sich selbstständig an die Polzahl des Ständers anpasst. Aus diesem Grund kann dieser Läufer für eine Vielzahl von Polzahlen verwendet werden. Das Läuferdrehfeld ist um den Lastwinkel λ gegenüber dem Ständerdrehfeld versetzt<ref name= "Quelle 2" /> und dreht sich in Drehrichtung des Läufers, wobei es diesem um den Schlupf hinterher hinkt, weil der Läufer (übersynchron) schneller dreht als das Ständerdrehfeld. Voraussetzung ist aber, dass die Antriebsleistung gleich bleibt. Das Läuferfeld induziert in der Ständerwicklung eine Spannung.<ref name= "Quelle 25" />
Wirkungsgrad
Legende
Pzu = zugeführte Leistung
Pab = abgegebene Leistung
PCu1 = Kupferverluste (Wicklungen)
PFe = Eisenverluste
PReibung = Reibungsverluste
PCu2 = ohmsche Verluste im Kurzschlussläufer
Bei Generatoren, die mit hoher Einschaltdauer betrieben werden, ist der Wirkungsgrad der Maschine von großer Bedeutung.<ref name= "Quelle 3" /> Der Wirkungsgrad des Generators wird im Wesentlichen durch drei Faktoren beeinflusst, die Kupferverluste, die Eisenverluste und die Reibungsverluste.<ref name= "Quelle 2" /> Bei Generatoren, die über lange Zeit im Teillastbetrieb betrieben werden, ist zusätzlich ein guter Teillastwirkungsgrad wichtig. Die lastabhängigen Zusatzverluste betragen in der Regel 0,5 Prozent der Bemessungsleistungsabgabe. Durch konstruktive Maßnahmen lässt sich der Wirkungsgrad η des Generators optimieren. Dieses Optimum liegt je nach Leistung bei Asynchrongeneratoren bei bis zu 90 Prozent, bei größeren Generatoren sogar noch darüber.<ref name= "Quelle 3" />
Leistungsfaktor
Der Leistungsfaktor cos φ ist beim Asynchrongenerator lastabhängig.<ref name= "Quelle 31" /> Dies wirkt sich insbesondere dann aus, wenn die Maschine ein kleines Kippmoment hat. Der Leistungsfaktor ist ein Maß für die Maschinengüte.<ref name= "Quelle 2" /> Dies bedeutet, dass mit größer werdendem Blindleistungsbedarf in einem gegebenen Betriebspunkt des Generators der Maschinenstrom auch größer wird.<ref name= "Quelle 25" /> Der größere Maschinenstrom führt wiederum zu größeren Verlusten. Im Teillastbereich führt eine Verschlechterung des Leistungsfaktors zu einer relativen Verschlechterung der Verlustbilanz der Maschine.<ref name= "Quelle 2" /> Deshalb ist schon bei der Maschinenauslegung im Vorfeld darauf zu achten, ob der Generator über längere Zeit im extremen Teillastbereich arbeiten muss. Durch leistungsumschaltbare Statorwicklungen lässt sich der Magnetisierungsbedarf der Maschine besser anpassen. Durch diese Maßnahme wird der erforderliche Blindleistungsbedarf der tatsächlich gelieferten Wirkleistung bereits generatorseitig angepasst. Der optimale maschinenseitige Leistungsfaktor liegt bei modernen Asynchrongeneratoren bei 0,87.<ref name= "Quelle 3" />
Magnetische Erregung
Der Drehstromasynchrongenerator benötigt für die magnetische Erregung keine dauerhaft angeschlossene Gleichstromquelle.<ref name= "Quelle 24" /> Allerdings ist er auch nicht in der Lage, sich selbst magnetisch zu erregen.<ref name= "Quelle 23" /> Dies hat die Ursache in dem Umstand, dass die Richtung des induktiven Blindanteils zwischen Motor- und Generatorbetrieb unverändert bleibt.<ref name= "Quelle 31" /> Aus diesem Grund ist es dem Asynchrongenerator auch nicht möglich, in ein nur mit induktiven oder ohmschen Widerständen belastetes Netz generatorisch einzuspeisen. Ohmsche und induktive Widerstände können nicht den erforderlichen induktiven Strom, welcher in diesem Fall als Magnetisierungsstrom dient, liefern.<ref name= "Quelle 25" /> Die notwendige Erregung des Asynchrongenerators kann durch Fremderregung oder durch Kondensatorerregung erfolgen.<ref name= "Quelle 24" /> Die Fremderregung erfolgt durch den Anschluss an ein von Synchrongeneratoren gespeistes Netz, die Synchrongeneratoren können den nötigen induktiven Blindstrom liefern.<ref name= "Quelle 26" /> Man nennt diese Schaltung dann einen netzerregten Asynchrongenerator. Die Kondensatorerregung erfolgt durch Parallelschalten von Kondensatoren zur Statorwicklung.<ref name= "Quelle 2" /> Man nennt diese Schaltung dann einen kondensatorerregten oder selbsterregten Asynchrongenerator.<ref name= "Quelle 9" />
Netzerregter Asynchrongenerator
Beim netzerregten Asynchrongenerator entnimmt der Stator dem Versorgungsnetz die zum Magnetfeldaufbau erforderliche Blindleistung.<ref name= "Quelle 25" /> Hierzu ist es erforderlich, dass andere Generatoren als Phasenschieber arbeiten und die erforderliche Blindleistung liefern.<ref name= "Quelle 24" /> Wird der Rotor übersynchron angetrieben, so nennt man dieses einen negativen Schlupf.<ref name= "Quelle 20" /> In dem Läufer entsteht die Quellenspannung −U02. Es fließt der Läuferstrom −I2. Dieser Läuferstrom ruft wiederum das Läuferfeld <math>\Phi_2</math> hervor, welches aufgrund des negativen Schlupfes der mechanischen Drehrichtung entgegenläuft. Die Folge davon ist, dass die Asynchronmaschine Wirkleistung ins Netz speist. Die ins Netz gespeiste Wirkleistung steigt mit der Erhöhung der übersynchronen Drehzahl. Die Netzfrequenz wird bestimmt von den angeschlossenen Synchrongeneratoren.<ref name= "Quelle 4" />
Kondensatorerregter Asynchrongenerator
Beim kondensatorerregten Asynchrongenerator bildet die Parallelschaltung von Ständerwicklung und Kondensator einen Schwingkreis.<ref name= "Quelle 6" /> Zusätzlich muss im Rotoreisen noch ein Teil Restmagnetismus vorhanden sein.<ref name= "Quelle 10" /> Ist keine Remanenz mehr vorhanden, muss das Rotoreisen über eine Batterie vormagnetisiert werden. Hierzu wird eine entsprechende Leistungselektronik benötigt. Mit Hilfe des Schwingkreises wird der Magnetfluss im Ständerkreis aufgebaut. Werden die Kondensatoren entsprechend bemessen, wird die gewünschte Quellenspannung erzeugt.<ref name= "Quelle 4" /> Der Asynchrongenerator arbeitet hierbei ohne Blindleistungsversorgung aus dem Netz.<ref name= "Quelle 25" /> Die Kondensatoren können sowohl im Stern als auch in Dreieck geschaltet werden.<ref name= "Quelle 6" /> Allerdings hat es sich in der Praxis bewährt, dass die Kondensatoren im Dreieck geschaltet werden.<ref name= "Quelle 4" /> Die Kondensatoren dürfen jedoch nicht unmittelbar an die Generatorklemmen angeschlossen werden, weil es sonst zu einer unerwünschten Selbsterregung kommt. Um dieses zu vermeiden, müssen die Kondensatoren am Ende der Leitung angeschlossen werden.<ref name= "Quelle 26" /> Da die Frequenz beim Asynchrongenerator nicht sehr stark beeinflusst wird, gilt es einen anderen Parameter, in diesem Fall die Spannung, konstant zu halten.<ref name= "Quelle 1" /> Beim Asynchrongenerator ist die Spannung drehzahlabhängig und muss über eine Regelung konstant gehalten werden. Dies geschieht durch Regelung der Drehzahl. Um die Spannung konstant zu halten, muss die Drehzahl zwischen Leerlauf und Volllast veränderbar sein. Eventuell entstehende Frequenzschwankungen sind ohne praktische Bedeutung.<ref name= "Quelle 11" />
Betrieb
Wird der Rotor angetrieben, so wird der Schwingkreis aus Hauptwicklung und Kondensator durch die Remanenz des Läuferpaketes angeregt, bis sich ein stabiler Betriebspunkt einstellt.<ref name= "Quelle 6" /> Bei Belastung benötigt der Asynchrongenerator zusätzliche Blindleistung.<ref name= "Quelle 25" /> Die zunehmende Blindstromkomponente des Ständerstromes muss auch aus der Kondensatorblindleistung bereitgestellt werden.<ref name= "Quelle 3" /> Die Blindleistung der Kondensatoren reicht bei größerer Belastung oftmals nicht aus, um den Bedarf des Asynchrongenerators auf Magnetisierungsblindleistung zu decken. In diesem Fall entregt sich der Generator. Diese Lastabhängigkeit der Klemmenspannung ist bei ohmsch-induktiver Last größer, als bei reiner Wirklast.<ref name= "Quelle 25" /> Das liegt daran, dass bei ohmsch-induktiver Last der zur Verfügung stehende Magnetisierungsstrom sich um den induktiven Blindstrombedarf der Last verringert.<ref name= "Quelle 6" /> Um den lastabhängigen Spannungsabfall zu verringern, können anstelle fester Kondensatoren Erregerkapazitäten verwendet werden, die sich stufenweise verstellen lassen. Allerdings kann es hierbei zu Spannungsspitzen beim Schalten der Kondensatoren kommen. Eine ebenfalls gute Variante zur Spannungskonstanzverbesserung ist der Einsatz von Sättigungsdrosseln. Hierbei werden Drosselspulen parallel zu den Kondensatoren geschaltet. Der Eisenkern der Drosselspulen ist so konstruiert, dass er schon bei kleiner magnetischer Flussdichte gesättigt ist.<ref name= "Quelle 25" /> Diese Sättigungsdrosseln überbrücken die Kondensatoren teilweise, wenn die induzierte Spannung unzulässig hoch ansteigt.<ref name= "Quelle 12" /> Dadurch schwächen sie die Erregung und somit auch die Spannung.<ref name= "Quelle 25" /> Eine andere Variante, für Generatoren bis maximal 100 Kilowatt, ist die Verwendung eines spannungsbeeinflussten Drehzahlreglers.<ref name= "Quelle 2" /> Durch Änderung der Drehzahl lässt sich die Spannung in einem bestimmten Bereich regeln.<ref name= "Quelle 6" /> Dadurch bleibt die Spannung, trotz unverändertem Kondensator, konstant. Allerdings schwankt hierbei die Frequenz um zirka zehn Prozent.<ref name= "Quelle 2" />
Netzanbindung
Ein Asynchrongenerator lässt sich sehr einfach auf ein bestehendes Netz aufschalten. Anders als beim Synchrongenerator ist beim Asynchrongenerator die Synchronisation problemlos.<ref name= "Quelle 26" /> Es gibt zwei Möglichkeiten zur Netzanbindung, die Direkte Netzkopplung und die Umrichterkopplung.<ref name= "Quelle 30" />
Direkte Netzkopplung
Asynchrongeneratoren können ohne besondere Vorkehrungen aufs Netz geschaltet werden, man nennt dies direkte oder starre Netzkopplung.<ref name= "Quelle 28" /> Diese Aufschaltung kann sowohl in Stillstand oder bei einer beliebigen Drehzahl erfolgen.<ref name= "Quelle 30" /> Die Asynchronmaschine zieht den gesamten Maschinensatz automatisch „in Tritt“.<ref name= "Quelle 3" /> Bei Asynchrongeneratoren mit kleinerer Leistung, die einen relativ hohen Schlupf besitzen, ergibt sich eine weiche Kopplung ans Netz.<ref name= "Quelle 28" /> Bei Maschinen mit größerer Leistung kommt es beim direkten Aufschalten auf das Netz zu einem Netzaufschaltstoß. Um diesen zu vermeiden, werden größere Asynchrongeneratoren nicht direkt mit dem Netz gekoppelt.<ref name= "Quelle 3" />
Außerdem werden Schwankungen der antreibenden Maschine, z. B. bei WKA Windschwankungen, als Lastschwankungen ins Netz übertragen. Dies führt im Netz zu Flickern und Spannungsschwankungen.<ref name= "Quelle 30" /> Wird der Asynchrongenerator bei Ausfall der Antriebsmaschine am Netz geschaltet gelassen, läuft er als Motor weiter und verbraucht Energie aus dem Netz.<ref name= "Quelle 28" /> Der Effekt wird bei einigen Asynchrongeneratoren z. B. in Blockheizkraftwerken oder bei bestimmten frühen Windkraftanlagen als Anlaufhilfe genutzt. Diese Variante der Netzkopplung war z. B. bei Windkraftanlagen des sog. „Dänisches Konzepts“, das aufgrund seiner Einfachheit in den 1980er und z. T. den 1990er Jahren häufig zum Einsatz kamen, weit verbreitet.<ref name= "Quelle 13" /> Die direkte Netzkopplung wird bei Windkraftanlagen aufgrund der Nachteile für das Netz kaum noch angewendet.<ref name= "Quelle 28" />
Umrichterkopplung
Vorteilhaft ist es, wenn der Asynchrongenerator über Umrichter mit dem Netz verbunden wird. Für Asynchrongeneratoren werden zwei Umrichtertypen verwendet, der Direktumrichter und der Umrichter mit Zwischenkreis.<ref name= "Quelle 3" />
Direktumrichter
Bei diesem Umrichtertyp sind Eingang und Ausgang direkt ohne Zwischenkreis mittels Halbleiterventilen, z. B. Thyristoren, miteinander verbunden. Aus den drei Spannungen des Dreiphasennetzes werden drei annähernd sinusförmige Spannungen erzeugt.<ref name= "Quelle 28" /> Obwohl die Ausgangsfrequenz variabel ist, ist sie jedoch dabei kleiner als die Eingangsfrequenz. Aufgrund des umfangreichen Leistungsteiles benötigen Direktumrichter eine komplizierte Ansteuerung. Aus diesem Grund werden sie trotz ihres hohen Wirkungsgrades bei Asynchrongeneratoren nur sehr selten verwendet.<ref name= "Quelle 3" />
Umrichter mit Zwischenkreis
Bei der Netzankopplung mit Zwischenkreisumrichter wird zwischen Asynchrongenerator und Netz ein Pulsumrichter, nämlich ein IGBT-Umrichter, geschaltet. Dabei wird die Ständerwicklung des Asynchrongenerators mit dem Stromrichtersystem verbunden. Der Ausgang des Wechselrichters speist über ein LC-Filter in das Dreiphasen-Netz. Das Stromrichtersystem besteht aus:<ref name= "Quelle 14" />
- LC-Filter
- Pulsgleichrichter
- Gleichspannungszwischenkreis
- Pulswechselrichter.
Durch einen vierten Pulswechselrichter-Brückenzweig ist es möglich, ein Vierleiternetz mit Neutralleiter zu erzeugen. Dabei wird der Wechselrichter so geregelt, dass die Strangspannungen ein symmetrisches Dreiphasensystem bilden. Durch einen Mikrocontroller gesteuerten IGBT-Umrichter lässt sich der Betriebsbereich der Anlage am Netz erweitern. Außerdem lässt sich auch ein hochwertiger Inselbetrieb erwirken.<ref name= "Quelle 15" />
Zusätzliche Blindleistungskompensation
Da netzerregte Asynchrongeneratoren das Netz durch den erforderlichen Blindleistungsbedarf stark belasten, ist es oftmals erforderlich eine zusätzliche Blindleistungskompensation mittels Kondensatoren zu erzeugen. Durch eine parallelgeschaltete Kondensatorbatterie wird die Generatorblindleistung zu 90 % kompensiert, dies entspricht einem cos φ von 0,96.<ref name= "Quelle 25" /> Eine größere Kompensation ist mit einfachen Kondensatoren schwer durchführbar, da die Resonanzfrequenz des Schwingkreises bei Annäherung an die Netzfrequenz zu Oberschwingungen führen kann, was wiederum mechanische Schwingungen zur Folge hätte. Außerdem wirkt sich ein hoher Oberschwingungsanteil nachteilig auf angeschlossene elektronische Verbraucher aus.<ref name= "Quelle 3" />
Zusätzlich ist zu beachten, dass die Selbsterregungsgrenze überschritten werden kann.<ref name= "Quelle 1" /> Dies bedeutet, dass der Generator trotz abgeschaltetem Netz eine Spannung erzeugt.<ref name= "Quelle 26" /> Diese Selbsterregung tritt dann auf, wenn die Kondensatoren zu groß dimensioniert sind. Ohne Belastung steigt mit zunehmender Spannung auch die Frequenz an den Generatorklemmen. Ein weiteres Problem tritt auf, wenn bei ansteigender Leerlaufdrehzahl der Generator sich selbst erregt, obwohl die Kompensationskondensatoren so bemessen sind, dass bei Nennbetrieb die Selbsterregungsgrenze unterschritten bleibt. Um bei kompensierten Anlagen eventuelle Schäden vorzubeugen, werden diese Anlagen mit zusätzlichen Schutzeinrichtungen versehen, dies sind:
- Frequenzüberwachung (heute ± 1 Hertz möglich)
- Spannungswächter
- Phasenfehlwinkelmessung
- Verriegelung des Leistungsschalters mit der Kompensationsanlage
- Automatische Kompensationsanlage
Ferner ist die Kompensationsanlage so zu verriegeln, dass sie nur zusammen mit dem Generator auf das Netz geschaltet wird.
Inselbetrieb
Mit Asynchrongeneratoren allein kann nur unter schwierigen und eingeschränkten Bedingungen ein Inselbetrieb (ohne Netzanschluss) z. B. als Notstromaggregat erreicht werden.<ref name= "Quelle 16" /> Eine Möglichkeit für den Inselbetrieb stellt der „Selbsterregte Asynchrongenerator“ dar.<ref name= "Quelle 3" /> Ohne Anschluss an ein externes Drehstromnetz, das in der Lage ist, induktive Blindleistung zur Magnetisierung bereitzustellen, kann die Blindleistung durch eine parallel geschaltete Kondensatorbatterie zur Verfügung gestellt werden, die selbst kapazitive Blindleistung benötigt und damit induktive abgibt.<ref name= "DE102007043123" /> Beim Inselbetrieb wird die Frequenz durch den Umrichter konstant vorgegeben. Die Spannungsamplitude wird unter Berücksichtigung der maximalen Strangstromamplitude geregelt. Bei Überlastung wird die Spannungsamplitude bei Bedarf gesenkt.<ref name= "Quelle 3" /> Mit einem einfachen kondensatorerregten Asynchrongenerator ist diese Aufgabe nicht zu bewältigen. Nur mit einer präzisen Regelelektronik lässt sich ein qualitativ hochwertiger Inselbetrieb mittels Asynchrongenerator durchführen.<ref name= "Quelle 14" /> Probleme beim Inselbetrieb ergeben sich durch einphasige Belastung. Durch diese einphasige Belastung wird die Symmetrie im Inselnetz gestört. Um diese Störungen auszugleichen, bedarf es einer genauen Regelung. Damit es nicht zu Spannungsüberhöhung der Generatorspannung kommt, sorgt die Regelelektronik dafür, dass nur die Wirkleistung geliefert wird, die gerade benötigt wird. Ferner sorgt die Regelelektronik dafür, dass es nicht zu gefährlichen Spannungsüberhöhungen der schwach belasteten Außenleiter kommt.<ref name= "Quelle 19" />
Vor- und Nachteile
Vorteile
- Robust
- Wartungsarm
- Weiche Netzkopplung
- Keine Synchronisation erforderlich
- Drehzahlelastisch
- Kostengünstig
Quelle:<ref name= "Quelle 27" /><ref name= "Quelle 28" />
Nachteile
- Blindleistungsbedarf aus dem Netz<ref name= "Quelle 26" />
- Keine cos φ Regelung
- Bei Inselbetrieb Kondensatorbatterie erforderlich<ref name= "Quelle 14" />
- Nicht als Phasenschieber geeignet
Einsatzbereiche
Asynchrongeneratoren mit Kurzschlussläufer werden überwiegend in dezentralen Kleinkraftwerken mit Leistungen bis zu 1500 Kilowatt eingesetzt.<ref name= "Quelle 18" />
Einsatzbeispiele
Gesetzliche Bestimmungen und sonstige Regelwerke
- EN 60 034 Teil 1 Allgemeine Bestimmungen für umlaufende elektrische Maschinen
- EN 60 034 Teil 8 Anschlussbezeichnungen und Drehsinn für elektrische Maschinen
- DIN IEC 34 Teil 7 Bauformen umlaufende elektrische Maschinen
- EN 60034-5 Schutzarten umlaufender elektrischer Maschinen
- EN 60034-6 Kühlarten, drehende elektrische Maschinen
Literatur
- Gregor D. Häberle, Heinz O. Häberle: Transformatoren und Elektrische Maschinen in Anlagen der Energietechnik. 2. Auflage, Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 1990, ISBN 3-8085-5002-3
- Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Elektrotechnik Fachbildung Industrieelektronik. 1. Auflage. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4
- Gert Hagmann: Leistungselektronik. 3. Auflage, AULA-Verlag GmbH, Wiebelsheim, 2006, ISBN 978-3-89104-700-2
Einzelnachweise
<references responsive> <ref name="Quelle 1">Rolf Fischer: Elektrische Maschinen. 12. Auflage, Carl Hanser Verlag, München und Wien, 2004, ISBN 3-446-22693-1.</ref> <ref name="Quelle 2">Franz Moeller, Paul Vaske (Hrsg.): Elektrische Maschinen und Umformer. Teil 1 Aufbau, Wirkungsweise und Betriebsverhalten, 11. überarbeitete Auflage, B. G. Teubner, Stuttgart 1970.</ref> <ref name="Quelle 3">Erich Hau: Windkraftanlagen, Grundlagen, Technik, Einsatz, Wirtschaftlichkeit. 4. vollständig neu bearbeitete Auflage, Springer Verlag, Berlin Heidelberg 2003, ISBN 978-3-540-72150-5.</ref> <ref name="Quelle 4">Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1983, ISBN 3-8023-0725-9.</ref> <ref name="Quelle 5">A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965.</ref> <ref name="Quelle 6">Hans Kurt Köthe: Stromversorgung mit Windgeneratoren. Franzis-Verlag GmbH & Co. KG, München 1992, ISBN 3-7723-4491-7.</ref> <ref name="Quelle 7">Klaus Fuest, Peter Döring: Elektrische Maschinen und Antriebe. 6. Auflage, Friedrich Vieweg Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2004, ISBN 3-528-54076-1.</ref> <ref name="Quelle 8">Heinz M. Hiersig (Hrsg.): VDI-Lexikon Maschinenbau. VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1995, ISBN 978-3-540-62133-1.</ref> <ref name="Quelle 9">Siegfried Heier: Nutzung der Windenergie. 3. völlig überarbeitete Auflage, Druck Verlag TÜV Rheinland GmbH, Köln 1996, ISBN 3-8249-0242-7, S. 38, 39.</ref> <ref name="Quelle 10">Carlos Ferrer Moncada: Die Selbsterregung von Asynchrongeneratoren. Promotionsschrift an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, Druck von Thomas & Hubert, Weida in Thüringen 1935.</ref> <ref name="Quelle 11">F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F. Iov: Power Electronics in Wind Turbine Systems. <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20120905073144
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| {{#if: || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Wert des Parameter 'archiv-datum' ist ungültig oder hat ein ungültiges Format.|1}}
| }}
| {{#if: || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Pflichtparameter 'archiv-datum' wurde nicht angegeben.|1}}
}}
| {{#if:
| {{#if: || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Der Parameter 'archiv-datum' ist nur in Verbindung mit 'archiv-url' angebbar.|1}}
}}
}}{{#if:{{#invoke:URLutil|isHostPathResource|http://www.anecto.com/wp-content/uploads/2012/02/Blaabjerg_04078034.pdf}}
|| {{#if: || }}
}}{{#if: Online
| {{#if: {{#invoke:WLink|isBracketedLink|Online}}
| {{#if: || }}
}}
| {{#if: || }}
}}{{#switch:
|addlarchives|addlpages= {{#if: || }}{{#if: 1 |}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: enWP-Wert im Parameter 'format'.|1}}
}}{{#ifeq: {{#invoke:Str|find|http://www.anecto.com/wp-content/uploads/2012/02/Blaabjerg_04078034.pdf%7Carchiv}} |-1
|| {{#ifeq: {{#invoke:Str|find|{{#invoke:Str|cropleft|http://www.anecto.com/wp-content/uploads/2012/02/Blaabjerg_04078034.pdf%7C4}}%7Chttp}} |-1
|| {{#switch: {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www.anecto.com/wp-content/uploads/2012/02/Blaabjerg_04078034.pdf }}
| abendblatt.de | daserste.ndr.de | inarchive.com | webcitation.org =
| #default = {{#if: || }}{{#if: 1 |}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Archiv-URL im Parameter 'url' anstatt URL der Originalquelle. Entferne den vor der Original-URL stehenden Mementobestandteil und setze den Archivierungszeitstempel in den Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive.today' oder 'archive-is' ein, sofern nicht bereits befüllt.|1}}
}}
}}
}} (abgerufen am 23. März 2012; PDF; 579 kB).</ref>
<ref name="Quelle 12">Thomas Fladerer: Der Asynchrongenerator im Kleinkraftwerk. Loher GmbH, Ruhstorf/Rott 2004 <templatestyles src="Webarchiv/styles.css" />{{#if:20120716011718
| {{#ifeq: 20120716011718 | *
| {{#if: Online | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Online}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www.flender.com/_upload/asynchrongenerator_kleinkraftwerk.pdf}} }} (Archivversionen)
| {{#iferror: {{#time: j. F Y|20120716011718}}
| {{#if: || }}Der Wert des Parameters {{#if: wayback | wayback | Datum }} muss ein gültiger Zeitstempel der Form YYYYMMDDHHMMSS sein!
| {{#if: Online | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Online}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www.flender.com/_upload/asynchrongenerator_kleinkraftwerk.pdf}} }} {{#ifeq: | [] | [ | ( }}{{#if: {{#if: | {{{archiv-bot}}} | }} | des Vorlage:Referrer }} vom {{#time: j. F Y|20120716011718}} im Internet Archive{{#if: | ; }}{{#ifeq: | [] | ] | ) }}
}}
}}
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| {{#iferror: {{#time: j. F Y|{{{webciteID}}}}}
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| 16= {{#if: Online | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Online}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www.flender.com/_upload/asynchrongenerator_kleinkraftwerk.pdf}} }} {{#ifeq: | [] | [ | ( }}{{#if: {{#if: | {{{archiv-bot}}} | }} | des Vorlage:Referrer }} vom {{#time: j. F Y| 19700101000000 + {{#expr: floor {{#expr: {{#invoke:Str|sub|{{{webciteID}}}|1|10}}/86400}} }} days}} auf WebCite{{#if: | ; }}{{#ifeq: | [] | ] | ) }}
| 9 = {{#if: Online | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Online}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www.flender.com/_upload/asynchrongenerator_kleinkraftwerk.pdf}} }} {{#ifeq: | [] | [ | ( }}{{#if: {{#if: | {{{archiv-bot}}} | }} | des Vorlage:Referrer}} vom {{#time: j. F Y| 19700101000000 + {{#expr: floor {{#expr: {{#invoke:Str|sub|{{#invoke:Expr|base62|{{{webciteID}}}}}|1|10}}/86400}} }} days}} auf WebCite{{#if: | ; }}{{#ifeq: | [] | ] | ) }}
| #default= Der Wert des Parameters {{#if: webciteID | webciteID | ID }} muss entweder ein Zeitstempel der Form YYYYMMDDHHMMSS oder ein Schüsselwert mit 9 Zeichen oder eine 16-stellige Zahl sein!{{#if: || }}
}}
| c|{{{webciteID}}}}} {{#if: Online | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Online}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www.flender.com/_upload/asynchrongenerator_kleinkraftwerk.pdf}} }} ({{#if: {{#if: | {{{archiv-bot}}} | }} | des Vorlage:Referrer}} vom {{#time: j. F Y|{{{webciteID}}}}} auf WebCite{{#if: | ; }}{{#ifeq: | [] | ] | ) }}
}}
| {{#if:
| Vorlage:Webarchiv/Today
| {{#if:
| Vorlage:Webarchiv/Generisch
| {{#if: Online | {{#invoke:WLink|getEscapedTitle|Online}} | {{#invoke:Webarchiv|getdomain|http://www.flender.com/_upload/asynchrongenerator_kleinkraftwerk.pdf}} }}
}}}}}}}}{{#if:
| Vorlage:Webarchiv/archiv-bot
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|errNS = 0
|template = Vorlage:Webarchiv
|format = *
|preview = 1
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| {{#if: || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Genau einer der Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive-today', 'archive-is' oder 'archiv-url' muss angegeben werden.|1}}
}}{{#if:
| {{#switch: {{#invoke:Webarchiv|getdomain|{{{archiv-url}}}}}
| web.archive.org =
{{#if: || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von Internet Archive erkannt, bitte Parameter 'wayback' benutzen.|1}}
| webcitation.org =
{{#if: || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von WebCite erkannt, bitte Parameter 'webciteID' benutzen.|1}}
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{{#if: || }}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Im Parameter 'archiv-url' wurde URL von archive.today erkannt, bitte Parameter 'archive-today' benutzen.|1}}
}}{{#if:
| {{#iferror: {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}
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| }}
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|addlarchives|addlpages= {{#if: || }}{{#if: 1 |}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: enWP-Wert im Parameter 'format'.|1}}
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| abendblatt.de | daserste.ndr.de | inarchive.com | webcitation.org =
| #default = {{#if: || }}{{#if: 1 |}}{{#invoke:TemplUtl|failure| Fehler bei Vorlage:Webarchiv: Archiv-URL im Parameter 'url' anstatt URL der Originalquelle. Entferne den vor der Original-URL stehenden Mementobestandteil und setze den Archivierungszeitstempel in den Parameter 'wayback', 'webciteID', 'archive.today' oder 'archive-is' ein, sofern nicht bereits befüllt.|1}}
}}
}}
}}.</ref>
<ref name="Quelle 13">Asynchrongeneratoren Dänisches Konzept (abgerufen per Waybackmachine am 9. Mai 2019).</ref> <ref name="Quelle 14">Yulong Huang, Hartmut Mrugowski: Regelverfahren für den Netz- und den Inselbetrieb eines Kleinwasserkraftwerk mit Asynchrongenerator. Universität Rostock, Institut für Elektrische Energietechnik.</ref> <ref name="Quelle 15">Yulong Huang, Hartmut Mrugowski: Kleinwasserkraftwerk mit Asynchrongenerator und Umrichter-Regelungsstrategie für den Inselbetrieb. Universität Rostock, Institut für Elektrische Energietechnik. ISBN 978-3-8325-0250-8.</ref> <ref name="Quelle 16">TÜV Süddeutschland (Hrsg.): Besonderheiten beim Einsatz von Stromerzeugungsaggregaten. Online (abgerufen am 23. März 2012).</ref> <ref name="DE102007043123">{{#if:{{#ifexpr:{{#if:DE|0|1}} or {{#if:102007043123|0|1}}|1}}|Fehlender Parameter {{#if:DE||„Land“{{#if:102007043123|| und }}}}{{#if:102007043123||„V-Nr“}}|}}{{#if: {{#invoke:Expr|TemplateBooland}}|{{#ifeq:Patentanmeldung|Patentanmeldung|Patentanmeldung|{{#ifeq:Patentanmeldung|Gebrauchsmuster|Gebrauchsmuster|Patent}}}} {{#if:{{#invoke:TemplUtl|faculty|}}|DE102007043123A1|{{#switch: {{{DB}}} | DEPATIS =DE102007043123A1 | WIPO = DE102007043123 | Google = DE102007043123A1 | #default =DE102007043123A1 }}}}{{#if:Verfahren zur Erregung einer Asynchronmaschine für generatorischen Inselbetrieb und Vorrichtung2007-09-052009-04-02Klaus Lehmann/Peter Kartmann GbRKlaus Lehmann, Christof Wolpert|:|.}}{{#if:Verfahren zur Erregung einer Asynchronmaschine für generatorischen Inselbetrieb und Vorrichtung| Verfahren zur Erregung einer Asynchronmaschine für generatorischen Inselbetrieb und Vorrichtung.}}{{#if:2007-09-05| Angemeldet am {{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:2009-04-02Klaus Lehmann/Peter Kartmann GbRKlaus Lehmann, Christof Wolpert|,}}}}{{#if:2009-04-02|{{#if:2007-09-05| veröffentlicht am | Veröffentlicht am }}{{#iferror:{{#invoke:Vorlage:FormatDate|Execute}}|}}{{#if:Klaus Lehmann/Peter Kartmann GbRKlaus Lehmann, Christof Wolpert|,}}}}{{#if:Klaus Lehmann/Peter Kartmann GbR| Anmelder: Klaus Lehmann/Peter Kartmann GbR{{#if:Klaus Lehmann, Christof Wolpert|,}}}}{{#if:Klaus Lehmann, Christof Wolpert| Erfinder: Klaus Lehmann, Christof Wolpert}}{{#if:| ({{{Kommentar}}})}}{{#if:2007-09-052009-04-02Klaus Lehmann/Peter Kartmann GbRKlaus Lehmann, Christof Wolpert|.}}}}{{#invoke:TemplatePar|match |template= Vorlage:Patent |cat= {{#ifeq: 0 | 0 | Wikipedia:Vorlagenfehler/Vorlage:Patent}} |format= |preview=@@@ |1=Land= ABC+ |2=V-Nr= /^[0-9A-Z]+$/ |3=Titel= * |4=Erfinder= * |5=Anmelder= * |6=A-Datum= * |7=V-Datum= * |8=Typ= ASCII |9=Code= ASCII |10=Kommentar= * |11=KeinLink= ASCII |12=DB=ASCII }}</ref> <ref name="Quelle 18">Solaratlas Leipzig Wasserkraftwerke Generatoren (abgerufen per Waybackmachine am 9. Mai 2019).</ref> <ref name="Quelle 19">Metallwarenfabrik Gemmingen GmbH: GEKO Stromerzeuger-Systeme. Gemmingen 2013, S. 4–8.</ref> <ref name="Quelle 20">Clarence Feldmann: Asynchrone Generatoren für ein- und mehrphasige Wechselströme. Ihre Theorie und Wirkungsweise, Verlag von Julius Springer, Berlin 1903, S. 23–35.</ref> <ref name="Quelle 21">Herbert Kindler, Klaus-Dieter Haim: Grundzusammenhänge der Elektrotechnik, Ladungen-Felder-Netzwerke. Vieweg Fachbücher der Technik, 1. Auflage, Friedrich Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2006, ISBN 3-8348-0158-5, S. 290.</ref> <ref name="Quelle 22">Ekbert Hering, Rolf Martin, Jürgen Gutekunst, Joachim Kempkes: Elektrotechnik und Elektronik für Maschinenbauer. 2. Auflage, Springer Verlag Heidelberg-Dordrecht-London-New York, Berlin Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-12880-6, S. 399–407.</ref> <ref name="Quelle 23">Eckhard Spring: Elektrische Maschinen - Eine Einführung. 3. 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Zweite Auflage, Springer Verlag Berlin - Heidelberg GmbH, Berlin Heidelberg 1952, S. 101–124.</ref> <ref name="Quelle 27">Jürgen Staab: Erneuerbare Energien in Kommunen. 2. überarbeitete und erweiterte Auflage, Springer Fachmedien Wiesbaden, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-8349-4403-0, S. 77–79.</ref> <ref name="Quelle 28">Martin Kaltschmitt, Wolfgang Streicher, Andreas Wiese (Hrsg.): Erneuerbare Energien - Systemtechnik, Wirtschaftlichkeit, Umweltaspekte. Springer Fachmedien Wiesbaden, S. 488–496.</ref> <ref name="Quelle 29">Siegfried Heier: Windkraftanlagen, Systemauslegung, Netzintegration und Regelung. 5. Auflage, Vieweg + Teubner, Wiesbaden 2009, ISBN 978-3-8351-0142-5, S. 158–167.</ref> <ref name="Quelle 30">Klaus Heuck, Klaus-Dieter Dettmann, Detlef Schulz: Elektrische Energieversorgung. 9. Auflage, Springer Vieweg, Wiesbaden 2013, ISBN 978-3-8348-1699-3, S. 342–355.</ref> <ref name="Quelle 31">A. Königswerther (Hrsg.), W. Winkelmann: Grundriss der Elektrotechnik. V. Band, Transformatoren und Asynchronmotoren; Ihre Wirkungsweise, Berechnung und Konstruktion, Verlagsbuchhandlung Dr. Max Jänecke, Hannover 1907, S. 124–128.</ref> </references>
Weblinks
- Vergleich Asynchrongenerator/Synchrongenerator (zuletzt abgerufen am 5. Februar 2015)
- Netzrückwirkungen von Windenergieanlagen in Windparks. Online (abgerufen per Archive Org am 2. Juli 2021; PDF; 192 kB)
- Netzrückwirkungen, verursacht durch den Betrieb von Windkraftanlagen am Netz Online (abgerufen per Archive Org am 2. Juli 2021; PDF; 517 kB)
- Michael Häusler: Leistungselektronik zum Anschluss großer Offshore-Windparks an das Verbundnetz [1] (abgerufen am 23. März 2012; PDF; 109 kB)