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Die Kaskadenmaschine ist eine elektrische Maschine, die als Generator in Windkraftanlagen eingesetzt wird. Dieser Generator benötigt keine Schleifringe, wie sie bei doppelt gespeisten Asynchrongeneratoren oder bei Synchrongeneratoren notwendig sind, trotzdem zeigt die Kaskadenmaschine ein ähnliches Betriebsverhalten wie eine Asynchronmaschine mit Schleifringen.
Inhaltsverzeichnis |
Damit Generatoren im Stator eine elektrische Spannung erzeugen können, muss der Läufer erregt werden. Dies geschieht entweder über einen Permanentmagneten, oder mittels einer Spannung, die der Läuferwicklung über Schleifringe und Kohlebürsten von außen zu geführt wird. Nachteilig bei dieser Art der Erregung ist der Wartungsaufwand des Schleifringapparates. Mit der Kaskadenmaschine lassen sich die Probleme der Schleifringe umgehen. Trotzdem braucht man hierbei nicht auf die Vorteile der Drehstromasynchronmaschinen verzichten. Bei Windkraftanlagen, insbesondere in Offshore-Anlagen, erweist sich dieses als großer Vorteil gegenüber herkömmlichen Maschinen mit Schleifringen.
Es gibt zwei Arten von Kaskadenmaschinen:
Sowohl die selbstkaskadierende Maschine (SKM) mit gemeinsamen Eisenkreis, als auch die Kaskadenmaschine mit getrennten Systemen lassen sich in Windkraftanlagen gut einsetzen.
Die Kaskadenmaschine ist anders aufgebaut als herkömmliche Asynchrongeneratoren und besteht aus einer Kombination von zwei Asynchronmaschinen. Die Rotoren dieser kombinierten Maschine sind sowohl mechanisch als auch elektrisch zu einer Einheit verbunden. Der Läufer trägt eine in sich geschlossene Wicklung ohne äußere Anschlüsse. Da sie in sich geschlossen ist, ähnelt sie sehr stark einer Käfigwicklung. Sie ist einfacher aufgebaut als Läuferwicklungen mit zwei getrennten Spulen, dadurch sind die Verluste kleiner als bei Läufern mit getrennter Wicklung. Die Leiterverteilung im Läufer muss ungleichmäßig sein, falls erforderlich bleiben sogar einige Nuten des Läufers unbewickelt. Es kommen für den Läufer, entsprechend der Grundpolpaarzahlen, nur unsymmetrische Wicklungen zur Anwendung. Dieses ist eine neuartige, völlig unkonventionelle Läuferwicklung zur Kopplung der Ständerwicklungen.
Im Ständer des Kaskadengenerators befinden sich zwei Wicklungen unterschiedlicher Polpaarzahlen p1 und p2. Diese Ständerwicklungen können, je nach Anforderung, als getrennte Wicklungen mit unterschiedlichen Polpaarzahlen oder als polumschaltbare Wicklungen ausgeführt sein. Damit die beiden Ständerwicklungen in einem Blechpaket untergebracht werden können, müssen geeignete Polpaarzahlen p1 und p2 zur elektromagnetischen Entkopplung der Wicklungen gewählt werden. Die beiden Ständerwicklungen der Kaskadenmaschine übernehmen die Rolle der Ständerwicklung und der Läuferwicklung einer Asynchronmaschine mit Schleifringläufer. 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.
Die beiden Ständerwicklungen sind über den Läufer magnetisch miteinander gekoppelt. Eine direkte, galvanische Kopplung innerhalb des Ständers findet nicht statt. Man erhält dadurch einen Generator, der die Eigenschaften einer Drehstrom-Induktionsmaschine mit Schleifringläufer besitzt, aber ohne die störenden Schleifringe auskommt.
Für den Betrieb am Frequenzumrichter haben getrennte Statorwicklungen entscheidende Vorteile:
Alle Wicklungen sind in einem Aktivteil aus Stator und Rotor untergebracht. Es ist auch möglich eine der beiden Ständerwicklungen für Gleichstrom auszulegen, allerdings würde die Maschine dann als bürstenlose Synchronmaschine betrieben. Jedoch ist diese Bauweise sehr selten und nur ein „Sondermodell“ dieser Drehfeldmaschinen, am häufigsten wird die asynchrone Induktionsmaschine verwendet.
Bei der Verwendung als drehzahlveränderlicher Antrieb oder als Generator, z. B. in einer Windkraftanlage, wird die Kaskadenmaschine zusammen mit einem Frequenzumrichter eingesetzt. Dieser Frequenzumrichter ist mit der zweiten Ständerwicklung verbunden und übernimmt die Wirkleistungsregelung sowie die Synchronisation mit dem Netz. Der Umrichter kann mit Übermodulation durch eine Nullspannung betrieben werden, da die getrennten Wicklungen einen Nullstrom über den Generator ins Netz hinein unterbinden. Der Umrichter muss circa eine Leistung von 23 % der Anlagenleistung übertragen, deshalb benötigt man nur einen Umrichter mit kleiner Leistung. Der größte Teil der generatorische Leistung wird direkt von der ersten Ständerwicklung ins Netz gespeist.
Neben der Wirkleistung und des Drehmomentes kann auch die Blindleistung der beiden Wicklungen durch den Umrichter 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 ins Netz gespeist werden.
Die Läuferwicklung hat die Aufgabe, die beiden verschiedenen Felder der Polpaarzahlen p1 und p2 der Ständerwicklung miteinander zu koppeln. Sie muss dazu keine bestimmte Strangzahl besitzen. Auch die absoluten Werte der in ihr induzierten Spannungen sind nicht von großer Bedeutung. Die Verkopplung zwischen beiden Feldern muss genauso wie bei getrennten Läuferwicklungen geschehen. Dies bedeutet, dass die in der Läuferwicklung fließenden Ströme gleichzeitig ein Feld der Polpaarzahl p1 und ein Feld der Polpaarzahl p2 erzeugen. Dadurch induzieren sowohl die Ständerwicklung mit der Polpaarzahl p1 als auch mit p2 in der Läuferwicklung Ströme. Somit werden die beiden Ständerwicklungen durch die Läuferströme miteinander gekoppelt. Mit einem sogenannten Rotorstrombeobachter lässt sich über die Statorspannung der zweiten Ständerwicklung der Läuferstrom regeln. Durch diese Maßnahme lässt sich das Drehmoment der Kaskadenmschine dynamisch hochwertig und genau einstellen.
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
abgegeben, die bei Vernachlässigung der Verluste gleich der mechanischen Leistung Pmech ist. Der Vorteil dieser Bauweise liegt darin, dass der Kaskadengenerator 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.
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 Pmech mit der Drehzahl n und dem mechanischen Moment M ist:
Die synchrone Drehzahl n0 des Generators ist, wie bei dem Asynchrongenerator, gegeben durch das Verhältnis der Frequenz f1 der ersten Wicklung:
Genau wie beim Asynchrongenerator wird der Schlupf s zu:
berechnet und ergibt die Frequenz f2 der zweiten Wicklung:
Aufgrund der konstanten Frequenz der ersten Wicklung gibt diese die „Luftspaltleistung“
ab.
Beim Betrieb oberhalb der synchronen Drehzahl n0 geben beide Ständerwicklungen Leistung ab:
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 2n0, muss die Leistung des Umrichters nur für die halbe mechanische Leistung ausgelegt werden.
| Generatortyp | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|
| permanenterregte Synchronmaschine |
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| gleichstromerregte Synchronmaschine |
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| Schleifringläufer Asynchronmaschine |
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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.
