Asynchron-Generator

Asynchrongeneratoren werden in dezentralen Kleinkraftwerken aus wirtschaftlichen Gründen anstelle von Synchrongeneratoren zur Stromerzeugung eingesetzt. Dabei kommen Asynchrongeneratoren vorwiegend als sogenannte Zusatz- oder Hilfsgeneratoren zum Einsatz.

Grundlagen

Asynchrongenerator vereinfachtes Ersatzschaltbild

Jede Asynchronmaschine kann sowohl als Motor als auch als Generator eingesetzt werden. Für den Einsatz als Generator muss die Asynchronmaschine magnetisch erregt und mechanisch angetrieben werden. Werden Asynchronmotoren abgebremst oder schneller angetrieben als die Umdrehungsfrequenz des Drehfeldes, dann arbeiten sie als Generator und speisen Wirkleistung ins Netz. Dieses kann z. B. beim Abwärtsfahren von Personenaufzügen, Fördermaschinen oder Kränen auftreten. 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. Werden Asynchronmotoren über eine Antriebssteuerung (Frequenzumrichter) betrieben, so muss diese rückspeisefähig sein. Das bedeutet, der Frequenzumrichter muss einen echten Vierquadrantenbetrieb zulassen.

Aufbau und Funktion

Prinzipzeichnung eines Kurzschlussläufers
(ohne Eisenblechpakete)

Als klassische Asynchrongeneratoren kommen Drehstromasynchronmaschinen mit Kurzschlussläufer zum Einsatz. Sie sind wesentlich einfacher aufgebaut als andere Asynchrongeneratoren. Die gängigsten Asynchrongeneratoren haben 4 Pole. Dadurch bedingt liegt die Drehfelddrehzahl nur bei 1500 min ^{− 1}. Um eine Drehzahlstufung und damit eine weichere Netzkopplung zu erreichen, werden in bestimmten Bereichen Ständer mit polumschaltbaren Wicklungen verwendet. Dadurch erreicht man mit dem Asynchrongenerator im gesamten Leistungsbereich eine optimale Energieausbeute.

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. Diese Abhängigkeit lässt sich aus der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie der Asynchronmaschine ablesen. Wirken auf die Generatorwelle zusätzliche Kräfte ein, so vergrößert sich der Schlupf, dieses wiederum hat eine Erhöhung der elektrischen Leistungsabgabe zur Folge. 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.

Da Asynchronmaschinen sowohl untersynchron als auch übersynchron betrieben werden können, gilt für eine vierpolige Maschine folgender Zusammenhang:

1. Untersynchroner Betrieb: Schlupf s > 0 → Motorbetrieb n_N = 1480 min ^{− 1}
2. Übersynchroner Betrieb: Schlupf s < 0 → Generatorbetrieb n_N = 1515 min ^{− 1}

Weil bei übersynchronem Betrieb die Läuferdrehzahl höher ist als die Drehfelddrehzahl, ist auch die Läuferfrequenz höher als die Drehfeldfrequenz. Somit wird in den Stäben des Läufers jeweils eine Spannung induziert. 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. Dieses Läuferdrehfeld dreht sich aber entgegen der Drehrichtung des Läufers. Das Läuferdrehfeld behält allerdings seine Lage zum Ständerdrehfeld dauernd bei, weil der Läufer schneller dreht als das Ständerdrehfeld. Voraussetzung ist aber, dass die Antriebsleistung gleich bleibt. Das Läuferdrehfeld ist dabei um den Lastwinkel λ gegenüber dem Ständerdrehfeld versetzt. Der Asynchrongenerator induziert in der Ständerwicklung eine Spannung.

Wirkungsgrad

Verluste beim Asynchrongenerator

Bei Generatoren, die mit hoher Einschaltdauer betrieben werden, ist der Wirkungsgrad der Maschine von großer Bedeutung. Der Wirkungsgrad des Generators wird im wesentlichen durch drei Faktoren beeinflusst, die Kupferverluste, die Eisenverluste und die Reibungsverluste. 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 heutigen Asynchrongeneratoren bei rd. 90 Prozent.

Leistungsfaktor

Der Leistungsfaktor cos φ ist beim Asynchrongenerator lastabhängig. Dies wirkt sich insbesondere dann aus, wenn die Maschine ein kleines Kippmoment hat. Der Leistungsfaktor ist ein Maß für die Maschinengüte. Dies bedeutet, dass mit größer werdendem Blindleistungsbedarf in einem gegebenen Betriebspunkt des Generators, der Maschinenstrom auch größer wird. Der größere Maschinenstrom führt wiederum zu größeren Verlusten. Im Teillastbereich führt eine Verschlechterung des Leistungsfaktors zu einer relativen Verschlechterung der Verlustbilanz der Maschine. 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 quasi schon generatorseitig angepasst. Der optimale maschinenseitige Leistungsfaktor liegt bei modernen Asynchrongeneratoren bei 0,85.

Magnetische Erregung

Die Drehstromasynchronmaschine ist nicht in der Lage sich selbst zu erregen. Aus diesem Grund ist es dem Asynchrongenerator auch nicht möglich, in ein mit induktiven oder ohmschen Widerständen belastetes Netz generatorisch einzuspeisen. Ohmsche und induktive Widerstände können nicht den erforderlichen induktiven Strom (Magnetisierungsstrom) liefern. Die Erregung des Asynchrongenerators kann durch folgende Maßnahmen erfolgen:

• Fremderregung
• Kondensatorerregung

Die Fremderregung erfolgt durch den Anschluss an ein von Synchrongeneratoren gespeistes Netz. Man nennt diese Schaltung dann einen netzerregten Asynchrongenerator. Die Kondensatorerregung erfolgt durch parallelschalten von Kondensatoren zur Statorwicklung. Man nennt diese Schaltung dann einen Kondensatorerregten oder selbsterregten Asynchrongenerator.

Netzerregter Asynchrongenerator

Beim netzerregten Asynchrongenerator entnimmt der Stator dem Versorgungsnetz die zum Magnetfeldaufbau erforderliche Blindleistung. Hierzu ist es erforderlich, dass andere Generatoren als Phasenschieber arbeiten und die erforderliche Blindleistung liefern. Wird der Rotor übersynchron angetrieben, so nennt man dieses einen negativen Schlupf. Im dem Läufer entsteht die Urspannung − U₀₂. Es fließt der Läuferstrom − I₂. Dieser Läuferstrom ruft wiederum das Läuferfeld Φ₂ hervor, welches aufgrund des negativen Schlupfes der mechanischen Drehrichtung entgegenläuft. Die Folge davon ist, die Asynchronmaschine speist Wirkleistung ins Netz. Die ins Netz gespeiste Wirkleistung steigt mit der Erhöhung der übersynchronen Drehzahl. Die Netzfrequenz wird bestimmt von den angeschlossenen Synchrongeneratoren.

Kondensatorerregter Asynchrongenerator

Kondensatorerregter Asynchrongenerator

Beim kondensatorerregten Asynchrongenerator bildet die Parallelschaltung von Ständerwicklung und Kondensator einen Schwingkreis. Zusätzlich muss im Rotoreisen noch ein Teil Restmagnetismus vorhanden sein. 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 in Ständerkreis aufgebaut. Werden die Kondensatoren entsprechend bemessen, wird die gewünschte Urspannung erzeugt. Der Asynchrongenerator arbeitet hierbei ohne Blindleistungsversorgung aus dem Netz. Die Kondensatoren können sowohl im Stern als auch in Dreieck geschaltet werden. Allerdings hat es sich in der Praxis bewährt, dass die Kondensatoren im Dreieck geschaltet werden.

Da die Frequenz beim Asynchrongenerator nicht sehr stark beeinflusst wird, gilt es einen anderen Parameter, in diesem Fall die Spannung, konstant zu halten. 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 Vollast veränderbar sein. Eventuell entstehende Frequenzschwankungen sind ohne praktische Bedeutung.

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. Bei Belastung benötigt der Asynchrongenerator zusätzliche Blindleistung. Die zunehmende Blindstromkomponente des Ständerstromes muss auch aus der Kondensatorblindleistung bereitgestellt werden. 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. Das liegt daran, dass bei ohm-induktiver Last der zur Verfügung stehende Magnetisierungsstrom sich um den induktiven Blindstrombedarf der Last verringert.

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. Diese Sättigungsdrosseln überbrücken die Kondensatoren teilweise, wenn die induzierte Spannung unzulässig hoch ansteigt. Dadurch schwächen sie die Erregung und somit auch die Spannung.

Netzanbindung

Ein Asynchrongenerator lässt sich sehr einfach auf ein bestehendes Netz aufschalten. Anders als beim Synchrongenerator, ist beim Asynchrongenerator die Synchronisation problemlos. Es gibt zwei Möglichkeiten zur Netzanbindung:

• Direkte Netzkopplung
• Umrichterkopplung

Direkte Netzkopplung

Asynchrongeneratoren können ohne besondere Vorkehrungen aufs Netz geschaltet werden, man nennt dies direkte- oder starre Netzkopplung. Diese Aufschaltung kann sowohl in Stillstand oder bei irgendeiner Drehzahl erfolgen. Die Asynchronmaschine zieht den gesamten Maschinensatz automatisch “in Tritt“. Bedingt durch den Schlupf ergibt sich eine weichere Kopplung ans Netz. Wird der Asynchrongenerator bei Ausfall der Antriebsmaschine am Netz geschaltet gelassen, läuft er als Motor weiter und verbraucht Energie aus dem Netz (Rückleistung). Der Effekt wird bei einigen Asynchrongeneratoren z. B. in Blockheizkraftwerken oder bei Windkraftanlagen als Anlaufhilfe genutzt. Diese Variante der Netzkopplung ist bei Windkraftanlagen als so genanntes “Dänisches Konzept“ weit verbreitet. Angewendet wird die direkte Netzkopplung bei Generatoren kleiner und mittlerer Leistung bis maximal 100 Kilowatt.

Umrichterkopplung

Vorteilhaft ist es, wenn der Asynchrongenerator über Umrichter mit dem Netz verbunden wird. Für Asynchrongeneratoren werden zwei Umrichtertypen verwendet:

• Direktumrichter
• Umrichter mit Zwischenkreis

Direktumrichter

Bei diesem Umrichtertyp sind Eingang und Ausgang direkt ohne Zwischenkreis mittels Halbleitervertilen z. B. Thyristoren miteinander verbunden. Aus den drei Spannungen des Dreiphasennetzes werden drei annähernd sinusförmige Spannungen erzeugt. 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.

Umrichter mit Zwischenkreis

Umrichtergekoppelter Asynchrongenerator

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

• 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.

Zusätzliche Blindleistungskompensation

Blindleistungskompen-sationsanlage (75 kvar) in der Mitte Sättigungsdrosseln, unten Metall-Papier-Kondensatoren

Da netzerregte Asynchrongeneratoren das Netz durch den erforderlichen Blindleistungsbedarf stark belasten, ist es oftmals erforderlich nach Absprache mit dem zuständigen EVU 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. 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.

Zusätzlich ist zu beachten, dass die Selbsterregungsgrenze überschritten werden kann. Dies bedeutet, dass der Generator trotz abgeschaltetem Netz eine Spannung erzeugt. Diese Selbsterregung tritt dann auf, wenn die Kondensatoren zu groß dimensioniert sind. Ohne Belastung steigt mit größer werdender 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. Eine Möglichkeit für den Inselbetrieb stellt der „Selbsterregte Asynchrongenerator“ dar. 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.

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 er nicht zu gefährlichen Spannungsüberhöhungen der schwach belasteten Außenleiter kommt.

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. 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.

Vor- und Nachteile

Vorteile

• Robust
• Wartungsarm
• Weiche Netzkopplung
• Keine Synchronisation erforderlich
• Drehzahlelastisch
• Kostengünstig

Nachteile

• Blindleistungsbedarf aus dem Netz
• Keine cos φ Regelung
• Bei Inselbetrieb Kondensatorbatterie erforderlich
• Nicht als Phasenschieber geeignet

Einsatzbereiche

Asynchrongeneratoren werden überwiegend in dezentralen Kleinkraftwerken mit Leistungen bis zu 1500 Kilowatt eingesetzt.

Einsatzbeispiele

• Windkraftanlagen
• Blockheizkraftwerke
• Notstromaggregate
• Kleine Wasserkraftwerke
• Biogaskraftwerke

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

Fachbücher

• A. Senner: Fachkunde Elektrotechnik. 4.Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965
• Andreas Kremser: Elektrische Maschinen und Antriebe, Grundlagen, Motoren und Anwendungen. 2. Auflage, Teubner Verlag, Stuttgart, 2004, ISBN 3-519-16188-5
• Siegfried Heier: Windkraftanlagen, Systemauslegung, Netzintegration und Regelung. 4. Auflage, B.G. Teubner, Stuttgart, 2005, ISBN 3-519-36171-X
• Günter Boy, Horst Flachmann, Otto Mai: Die Meisterprüfung Elektrische Maschinen und Steuerungstechnik. 4. Auflage, Vogel Buchverlag, Würzburg, 1983, ISBN 3-8023-0725-9
• 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

Fachbroschüren und Fachaufsätze

• Thomas Fladerer: Der Asynchrongenerator im Kleinkraftwerk. Loher GmbH, Ruhstorf/Rott, 2004
• Stromerzeugung durch Asynchrongeneratoren. Firma Nordex
• Yulong Huang, Hartmut Mrugowski: Kleinwasserkraftwerk mit Asynchrongenerator und Umrichter- Regelungsstrategie für den Inselbetrieb. Universität Rostock, Institut für Elektrische Energietechnik
• Yulong Huang, Hartmut Mrugowski: Regelverfahren für den Netz- und den Inselbetrieb eines Kleinwasserkraftwerk mit Asynchrongenerator. Universität Rostock, Institut für Elektrische Energietechnik

Firmenprospekte und Publikationen

• Hubert Brinkmann: Die Vorteile des Geko-Asynchrongenerators. Brinkmann Land Maschinen Garten Technik, Bösensell

Siehe auch

• Kaskadenmaschine
• Doppelt gespeiste Asynchronmaschine
• Schleifringläufermotor

Weblinks

• Asynchrongeneratoren in WKA
• Vergleich Asynchrongenerator/Synchrongenerator
• Asynchrongenerator mit Spannungsregelung für Inselbetrieb