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Frischer Wind auf breiter Front

Bild 1. ABB ist weltweit einer der führenden Hersteller von Antriebstechnik für Windkraftanlagen

Bild 2. Die kritischen Komponenten und die Steuerelektronik sind flüssigkeitsgekühlt und in hermetisch geschlossenen Schaltschränken untergebracht, sodass sie vor rauen Umgebungsbedingungen geschützt sind

Die Windenergie hat sich zur am schnellsten wachsenden Energiequelle der Welt entwickelt. ABB hat sich auf diesem Gebiet zum Systemanbieter entwickelt und bietet ein breites Spektrum an Produkten und Systemen für Windenergieanlagen an.

Bereits bei der Herstellung von Rotorblätter kommt Technologie von ABB zum Einsatz: Lackierroboter IRB 5400 sorgen beim automatisierten Lackieren dafür, dass die teilweise mehr als 70 m langen Blätter gleichmäßig beschichtet sind. Sie sind so geringerem Verschleiß ausgesetzt und haben dadurch eine höhere Effizienz als manuell lackierte Rotorflügel. Die Lackierroboter gewährleisten eine gleichmäßige Beschichtung bei Schichtdicken von mehreren Zehntel-Millimetern und erreichen so eine hohe Beschichtungsqualität.

Generatoren als Herzstück der Windenergie
Bei der Antriebstechnik für Windenergieanlagen ist ABB ein Unternehmen der ersten Stunde. Bereits Anfang der 80er-Jahre lieferte der Antriebsspezialist die ersten Generatoren für eine Windkraftanlage (Bild 1). Deren Leistungen beschränkten sich damals allerdings noch auf bescheidene 15 kW bis 30 kW. Heute liefert das Unternehmen Generatoren und Konverter im Nieder- und Mittelspannungsbereich sowohl für den Onshore- als auch für den Offshore-Bereich.
Eines der Antriebsstrang-Konzepte von Windturbinen ist die Ausführung mit getriebelosen Permanentmagnet-Generatoren. Es reduziert die Anzahl der erforderlichen Komponenten, weil der Generator direkt durch das Drehmoment von den Windturbinenschaufeln angetrieben wird. Da die Generatorabmessungen mit steigendem Drehmoment zunehmen, ist ein möglicher Mittelweg einen Generator mit mittlerer Drehzahl sowie ein ein- bzw. zweistufiges Getriebe zu verwenden.
Für die Optimierung der Turbine, die Einhaltung der Netzcode-Konformität und die Lebensdauer der Komponenten ist eine exakte und stufenlose Regelung des Drehmoments wichtig. Hierfür bieten sich Permanentmagnet-(PM)-Generatoren an, die auch für Drehzahlbereiche von 400 min -1 bis 600 min -1 oder 1 000 min -1 bis 2 000 min -1 verfügbar sind. Sie bieten damit eine gute Basis für verschiedene Getriebekonzepte. Für niedrige Drehzahlen etwa im Bereich von 20 min -1 benötigt das Umrichtersystem kein Getriebe. Neben den PM-Generatoren eignen sich auch Asynchrongeneratoren für eine Turbinenapplikation.

Robuste Umrichter
Für den Einsatz in Windturbinen optimierte Frequenzumrichter eignen sich für raue Umgebungsbedingungen, haben eine kompakte Bauform, sorgen für eine gute Qualität des Ausgangsstroms und sind für die Ferndiagnose sowie die Fernsteuerung vorbereitet. ABB kombiniert dabei neueste Technologie mit einer geschlossenen Schaltschrankkonstruktion. Die aktiven und passiven Umrichterkomponenten sind, wie die Steuer- und Regelungselektronik, flüssigkeitsgekühlt und in geschlossene Schaltschränke ohne Lüftungsöffnungen eingebaut (Bild 2). Die eingebauten Geräte und die Elektronik werden dadurch vor rauen Umgebungsbedingungen und vor äußeren Einflüssen wie Staub, Salz sowie extremen Temperaturen zuverlässig geschützt. Die Lösung enthält auch Konfigurationsmöglichkeiten zur Optimierung der Anzahl der aktiven Leistungsmodule in Abhängigkeit von der Windstärke. Ein Redundanzbetrieb des kompletten Systems ist ebenfalls möglich. Flüssigkeitsgekühlte Umrichter bietet ABB als Standardsysteme für Komplettanlagen mit Permanentmagnet- oder Asynchrongeneratoren sowie für Asynchrongeneratoren mit Doppelspeisung an.

Netzkonformität gewährleistet
Die Anforderungen an die Antriebsprodukte hängen vom Hersteller der Windkraftanlagen und von dem jeweiligen Aufstellungsort ab. Da in den unterschiedlichen Gebieten unterschiedliche Netze existieren, müssen die Produkte die entsprechenden Netzanschlusskriterien einhalten. Daneben muss der Lieferant der Antriebstechnik Sorge tragen, dass seine Produkte alle geforderten Normen erfüllen. Zudem ist die Einhaltung der lokalen Netzcodes unabdingbar und hängt wesentlich von der Funktionalität des Frequenzumrichters ab. Diese Anforderungen erfüllen die Umrichter mit Flüssigkeitskühlung von ABB. Sie gewährleisten die Netzkonformität jeder einzelnen Turbine und halten die Netzcodes zum Beispiel von E.ON und R.E.E. PO 12.3 ein.
Das unternehmenseigene Labor ermöglicht Netzcode-Prüfungen bis 3 MW auf der Mittelspannungsseite des Netzes. Das verkürzt die Entwicklung Netzcode-konformer Power-Train-Lösungen für unterschiedliche Turbinentypen.

Umfassendes Portfolio
Für den Einsatz innerhalb von Windenergieanlagen bietet ABB darüber hinaus ein umfangreiches Portfolio an Mittel- und Niederspannungsprodukten, die dafür sorgen, dass der Wind in elektrische Energie umgewandelt wird, wie Schaltanlagen, Kabel oder Steuerungs- und Schutztechnik. Beispielsweise sind Sicherungsautomaten ein unverzichtbarer Bestandteil der Niederspannungsverteilung von Windkraftanlagen. Motorschutzschalter, Leistungsschalter, elektronische Überlastrelais und Schütze tragen zur sicheren Stromerzeugung in Windkraftanlagen ebenfalls bei.

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Stefan Flöck verantwortet bei der ABB Automation Products GmbH, Bereich Antriebstechnik, den Bereich Erneuerbare Energien.