Elektrischen Strom aus Wind zu gewinnen, ist heutzutage bei knappen fossilen Ressourcen notwendiger denn je. Woodward SEG ist seit rund 15 Jahren eine feste Größe im Markt der Frequenzumrichter für Windenergieanlagen. Für die vorgestellte Frequenzumrichter-Generation wurde eine optimierte Schaltkombination entwickelt.
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Moderne Frequenzumrichter für Windenergieanlagen (WEA) müssen härtesten Anforderungen entsprechen, was beispielsweise die Schalthäufigkeiten und unterschiedlichste Netze rund um den Globus anbelangt. Beim Entwickeln gilt es, diverse – meist sogar konträre Ziele – in Einklang zu bringen. Die Erfahrungen im Windgeschäft zeigen, dass zumeist kostengünstigste Bauelemente mit hoher Qualität für eine Lebensdauer von 20 Jahren zum Einsatz kommen sollen.
Zudem soll die Produktion, gleichwie der Service von Frequenzumrichtern möglichst modular, effizient und aufwandsarm sein. Denn eine Windenergieanlage ist an unterschiedlichsten Standorten verschiedensten Einflüssen, wie extremer Kälte und Hitze, Feuchtigkeit, Staub oder Sand, Flauten und Stürmen ausgesetzt – dementsprechend muss das technische Know-how in der Auswahl und Anordnung der Bauteile stecken und diese für widrigste Bedingungen ausgelegt sein.
Divergierende Anforderungen
Bei der neuen Frequenzumrichter-Generation der Woodward SEG GmbH & Co. KG, Kempen, sollen möglichst viele Anforderungen, teils divergierend, erfüllt werden:
- Ein modularer Schaltanlagenbau soll bei hohem Standardisierungsgrad trotzdem auf Kundenwünsche reagieren können. So werden bewährte Baugruppen in standardisierten Produktionsprozessen gefertigt und geprüft.
- Klimatischen Anforderungen wird durch typgeprüfte Schrankeinheiten mit optionalen Einheiten zum Heizen und Kühlen entsprochen, welche in umfangreichen Prüfreihen, zum Beispiel in Klimacontainern, simuliert werden.
- Weltweit wandeln sich die Anforderungen der Netzbetreiber hin zu aktiver und intelligenter Unterstützung ihrer elektrischen Netze durch Windenergieanlagen. Die dazu notwendigen Simulationen und Softwarefunktionen werden erarbeitet und im hauseigenen Prüfstand getestet. So lassen sich zeitnah neueste Standards umsetzen.
- Entwicklungen werden mit neuesten Methoden des Product Lifecycle Managements (PLM) gesteuert.
- Unterschiedliche Einsatzorte der WEA bedeuten auch unterschiedlichste Windprofile und damit variierende elektrische und mechanische Belastungen. So schaltet ein Frequenzumrichter bis zu 2000 Mal pro Jahr ans Netz.
Bei Einsatz eines Concycle-Wind-Frequenzumrichters besteht der Generator der WEA zum Beispiel aus einer doppelt gespeisten Schleifringläufer-Asynchronmaschine. Um die Systemleistung in Abhängigkeit der Rotordrehzahl regeln zu können, wird in den Läuferkreis der Asynchronmaschine der Concycle-Wind-Frequenzumrichter geschaltet. IGBT erzeugen aus einem Gleichspannungszwischenkreis eine Spannung variabler Frequenz und Amplitude. Dabei wird die Frequenz im Läuferkreis entsprechend der windabhängigen Drehzahl der WEA eingestellt. Der Ständer der Asynchronmaschine ist über einen Leistungsschalter und Transformator mit dem Mittelspannungsnetz verbunden.
Windenergie in der Praxis
Windenergieanlagen halten sich in ihrem Drehzahlbereich häufiger in niedrigeren als dem Nennbereich auf. Dies führt dazu, dass Leistungsschalter häufig ein- und ausgeschaltet werden müssen. Hinzu kommen die Schutzanforderungen, die der Anschluss an ein Industrienetz mit Kurzschlussströmen bis 50 kA mit sich bringt. Eine Reduzierung der Schaltspielezahlen verringert die Wartungskosten wie auch die Stillstandszeiten. Sollen Betriebsströme heutiger WEA zwischen 2000 und 3000 A geführt und im Störungsfall geschaltet werden, stellen zum Beispiel Reihenschaltungen aus Leistungsschaltern und Schützen eine technisch gute, aber teure Variante dar. Systeme dieser Art werden jedoch heute stärker unter dem kostentechnischen Aspekt betrachtet. So sollte nicht zuletzt auch eine kostenoptimierte Schaltung zum Einsatz kommen.
Die Lösung: Der Bypass
Ein „kleinerer“ Bypass bestehend aus Leistungsschalter NZM (-Q2) und Leistungsschütz (K2) zum „Hauptschalter-Q1“ übernimmt im Teillastbereich die Zuschaltung ans Netz. Selbst hohe Kurzzeitströme bei transienten Netzvorgängen werden durch die Kombination von softwareseitiger Stromüberwachung und Vakuum-Röhrentechnik des DILM-Leistungsschütz beherrscht. Den Kurzschlussschutz des Bypasskreises sichert ein NZMH4-Leistungsschalter ab. Bisherige Felderfahrungen mit dieser Schaltung zeigen, dass sich durch Einsatz des Bypasses die Schaltspiele des Hauptschalters reduzieren lassen. Durch ein erfahrenes Team, bestehend aus Fachleuten von Woodward SEG und Eaton Moeller, wurden der Einsatz, die Dimensionierung und die Funktion der Schaltung überprüft und das Risiko in Form einer Fehlerart- und Effektivitätsanalyse (FMEA) bewertet. Die Resultate überzeugten in jeder Hinsicht.
Wichtig: Life-Cycle-Kosten
„Unsere Kunden vertrauen auf unsere technischen Lösungen. Wir optimieren unsere Frequenzumrichter ständig und senken so auch die Life-Cycle-Kosten der Windenergieanlagen. Damit verstehen wir uns bei Woodward-SEG als technischer Partner unserer Kunden“ so Teamleiter Eric Hartmann, zum Einsatz von Eaton-Komponenten. „Wir sind sehr zufrieden mit dem technischen Support der Bonner Spezialisten und dem Eaton Vertriebsteam. Nur durch kontinuierliche Zusammenarbeit ist ein Systemverständnis für die Windenergietechnik zu erreichen. Aus meiner Sicht liegt eine unserer Stärken in der Suche nach gemeinsamen, fundierten technischen Lösungen.“
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