Calculation of different generator systems for wind turbines with particular reference to low Speed permanent magnet machines

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Berechnung und Vergleich verschiedener Generatorsysteme für drehzahlvariable Windkraftanlagen, wobei der Fokus auf langsam laufenden permanenterregten Synchrongeneratoren (PMSG) liegt. Wesentlicher Aspekt ist die Entwicklung und Anwendung eines vereinfachten Modells zur Berücksichtigung des Einflusses der Sättigung des magnetischen Kreises auf Kraftdichte und Induktivitäten von PMSG: da die Luftspaltflussdichten dieser langsam laufenden Maschinen extrem hoch gewählt werden können (Eisenverluste spielen keine Rolle!), sind derartige Maschinen meist ungewöhnlich hoch gesättigt, was eine Berücksichtigung von Sättigungseffekten unbedingt erforderlich macht. Das neue Modell wird durch FE-Analysen und durch Vergleiche mit Literaturangaben validiert. Neben der Berechnung des magnetischen Feldes liegt ein zweiter Schwerpunkt auf der Untersuchung der Tragstruktur langsam laufender Generatoren mittels dreidimensionaler FE-Analysen der mechanischen Struktur. Der dritte Aspekt der Arbeit besteht in der Modellierung des thermischen Verhaltens von PMSG. Da Windkraftanlagen fast ausschließlich bei Teillast arbeiten, ist der Nenn-Wirkungsgrad unwichtig. Daher sollte der Nenn-Strombelag von PMSG so hoch wie nur irgend möglich gewählt werden, um die Maschine kompakt zu halten. Um ein „Benchmarking“ der neuen Technologie der getriebelosen PMSG mit dem Stand der Technik zu ermöglichen, werden in der Arbeit auch zwei weitere Windkraft-Generatorsysteme rechnerisch untersucht: doppeltgespeiste Asynchrongeneratoren (DFIG) mit Getriebe und stromerregte Synchrongeneratoren ohne Getriebe (DCSG). Auch hier werden Magnetik, Mechanik und Thermik mit traditionellen analytischen Methoden und FE-Analysen untersucht. Am Schluss der Arbeit werden verschiedene Generatoren für die 3 Systeme PMSG, DFIG und DCSG für Anwendungen in einer Windkraftanlage mit 3 MW Nennleistung ausgelegt und verglichen. Wesentliche Ergebnisse sind Wirkungsgrade, Massen und Herstellungskosten von Aktivteil und Tragstruktur sowie die zu erwartenden Energiekosten bei Einsatz in einer 3 MW-Windkraftanlage. Leitfaden der Arbeit ist nicht eine detaillierte Optimierung, sondern das Herausarbeiten der grundlegenden Randbedingungen, die die Wirtschaftlichkeit von Generatorsystemen für Windenergieanlagen bestimmen. Dadurch gelingt die Beantwortung 5 zentraler Fragen bei der Auslegung von PMSG: 1. Wie kompakt (Außendurchmesser, Masse) können getriebelose Generatoren sein? 2. Welches ist die optimale Erregungsart getriebeloser Generatoren? 3. Welches Gleichrichterkonzept (ungesteuerte Dioden oder geschaltete IGBTs) sollte zur Anwendung kommen? 4. Wie sollten getriebelose Windkraft-Generatoren gekühlt werden: passiv, aktiv durch Luft oder mit Wasser? 5. Wie sieht eine optimale Generator-Tragstruktur aus und wie schwer muss sie sein?