Ein Windstandort mit unterdurchschnittlicher Leistung
Ein Installateur für Kleinwindanlagen wählte einen Generator mit einer Nennleistung von 12 kW bei 400 U/min; vor Ort stellte sich jedoch heraus, dass die Einheit bei einem Standort, an dem sich der Rotor die meiste Zeit im Drehzahlbereich zwischen 250 und 350 U/min bewegte, deutlich unter dieser Leistung blieb. Die Angabe auf dem Typenschild war korrekt, doch der Dauermagnetgenerator lief nur selten bei der Drehzahl, für die diese Leistungsangabe gilt. Durch eine Neuausrichtung der Beschaffung auf den relevanten Drehzahlbereich statt auf die Spitzenleistung stieg die jährliche Energieerzeugung um rund ein Sechstel, ohne dass die Windturbine geändert wurde.
Die Monate mit geringem Wind
Während der Zeit mit schwachem Wind drehte sich der Rotor nahe 280 U/min, wobei der Permanentmagnet-Generator eine geringere Spannung erzeugte und die Steuerung die Leistungsabgabe begrenzte, um den Gleichstrombus zu schützen. Der Bediener las die Aufschrift „12 kW“ und nahm einen Fehler an, obwohl die Maschine lediglich außerhalb ihres optimalen Wirkungsgradbereichs arbeitete. Die Aufzeichnung der Drehzahl im Verhältnis zur Leistungsabgabe zeigte den tatsächlichen Arbeitsbereich auf, der in der ursprünglichen Spezifikation niemals beschrieben worden war.
Die Kurve, die nicht passte
Die Generator-Kennlinie erreichte ihr Maximum bei 400 U/min, doch die Windverteilung am Standort konzentrierte sich nahe 300 U/min, sodass der Durchschnittswert weit vom optimalen Betriebspunkt entfernt lag. Ein Permanentmagnet-Generator, der an das tatsächliche Geschwindigkeitshistogramm angepasst gewesen wäre, hätte stattdessen für diesen Bereich gewickelt werden müssen – nicht für den vermarkteteten Sollwert. Nach einer erneuten Abstimmung des Generators auf den Rotor erzielte derselbe Turm über das gesamte Jahr hinweg mehr Energie, ohne dass zusätzliche Hardware erforderlich war.
Wie die Drehzahl die Leistungsabgabe beeinflusst
Ein Permanentmagnetgenerator koppelt Spannung und Frequenz an die Wellendrehzahl, sodass sich bei Abweichung vom Auslegungspunkt sowohl die Leistung als auch die Verluste ändern. Dieser Effekt ist unvermeidlich, aber vorhersagbar; ein Käufer, der die Kennlinie liest, vermeidet es, für eine Spitzenleistung zu bezahlen, die bei der vorgesehenen Betriebsart niemals erreicht wird.
Kopplung von Spannung und Frequenz
Da das Magnetfeld von Permanentmagneten erzeugt wird, steigt die Klemmenspannung mit der Drehzahl an, und der zugehörige Wechselrichter muss einen immer breiter werdenden Spannungsbereich beherrschen. Ein Permanentmagnetgenerator erzeugt bei niedriger Drehzahl geringere Spannung, weshalb die Steuerung möglicherweise die Regelung abschneidet oder rutscht und dadurch die abgegebene Leistung reduziert. Bei hoher Drehzahl steigt die Spannung an und belastet die Halbleiterbauelemente – daher definiert nicht eine einzelne Drehzahl, sondern ein Drehzahlband den nutzbaren Arbeitsbereich der Maschine. Ein Permanentmagnetgenerator benötigt daher einen Wechselrichter, der für die gesamte Spannungsbandbreite ausgelegt ist, denn Abschneiden am oberen Ende verschwendet genau jene Energie, die der Standort durch eine Windböe gewonnen hat. Die Steuerung – nicht der Rotor – bestimmt, welcher Teil des Drehzahlbereichs tatsächlich nutzbar bleibt.
Verluste über den gesamten Drehzahlbereich
Eisenverluste steigen mit der Frequenz, daher treten bei einem Permanentmagnet-Generator im Hochgeschwindigkeitsbetrieb höhere Verluste im Kern auf, während Kupferverluste dem vom Laststrom verursachten Strom folgen. Das Verhältnis dieser Verluste verschiebt sich mit der Drehzahl, weshalb der Wirkungsgrad bei einer bestimmten Drehzahl sein Maximum erreicht und an beiden Seiten davon abfällt. Die Aufschlüsselung der Verlustverteilung über den gesamten Bereich verdeutlicht, warum ein Gerät bei 400 U/min einen Wirkungsgrad von 94 Prozent erreichen kann, bei 250 U/min jedoch nur noch nahe 88 Prozent. Ein Permanentmagnet-Generator, der an das Standort-Histogramm angepasst ist, hält beide Verlustkomponenten während der tatsächlichen Betriebsstunden gering – so übertrifft die jährliche Energieerzeugung die eines höher dimensionierten Geräts, das selten seinen Spitzenwirkungsgrad erreicht. Entscheidend für die Kaufentscheidung sollte die Wirkungsgradkurve sein, nicht die Angabe auf dem Typenschild.
Warum sich ein Permanentmagnet-Generator so verhält
Das Verhalten ergibt sich aus dem festen Feld und den Maschinenkonstanten, nicht aus einer Steuerungsbesonderheit. Ein Permanentmagnet-Generator mit bekanntem Fluss und Wicklung offenbart seine Drehzahlabhängigkeit über die Gegenspannung (back-EMF) und Verlustanteile, die jeder kompetente Datenblattangabe entnommen werden können; diese Größen bestimmen die reale jährliche Energieerzeugung.
Fluss und Gegenspannung
Die Magnete erzeugen einen festen Fluss, daher skaliert die Gegenspannung direkt mit der Drehzahl, und der Wechselrichter muss spannungsmäßig abregeln (buck) oder hochregeln (boost), um die Zwischenkreisspannung zu halten. Ein Permanentmagnet-Generator mit hohem Fluss erzeugt bei hoher Drehzahl eine hohe Spannung, bietet jedoch am oberen Drehzahlende wenig Spielraum; ein niedriger Fluss entlastet dagegen den Wechselrichter, schwächt aber die Leistungsabgabe bei niedrigen Drehzahlen. Die Flusswahl ist der zentrale Kompromiss, der festlegt, bei welcher Drehzahl das Wirkungsgradmaximum liegt.
Magnetische und Wicklungsverluste
Wirbelstrom- und Hysterese-Verluste im Kern steigen mit der elektrischen Frequenz, sodass ein Permanentmagnet-Generator, der oberhalb seines Geschwindigkeitsbereichs läuft, das Eisen erwärmt, ohne zusätzliche Leistung zu liefern. Die Wicklungsverluste folgen dem Laststrom, den die Turbinenleistung bei jeder Drehzahl vorgibt. Eine Anpassung des magnetischen Designs an das Standort-Histogramm hält beide Verlustanteile während der Betriebsstunden gering, in denen die Maschine tatsächlich läuft.
Anpassung und Schutz
Die Amortisation ergibt sich aus der Anpassung des Generators an die Geschwindigkeitsverteilung und anschließendem Schutz an den Extremen. Ein Permanentmagnet-Generator, der für den realen Einsatzbereich – nicht für die Spitzenleistung aus dem Prospekt – ausgewählt wird, liefert mehr Energie pro Dollar und eine längere, ruhigere Lebensdauer vor Ort.
Dimensionierung auf den Geschwindigkeitsbereich
Stellen Sie die Auswahl anhand des Drehzahl-Histogramms des Rotors und nicht am Nennpunkt zusammen, und fordern Sie die Wirkungsgradkurve über diesen Bereich an. Ein Permanentmagnet-Generator, der für die mittlere Drehzahl des Standorts gewickelt ist, liefert mehr Jahresenergie als ein Generator, der auf einen Spitzenwert abgestimmt ist, den der Wind nur selten erreicht. Stellen Sie sicher, dass die Wechselrichter-Nennleistung den Spannungsbereich von niedriger Drehzahl bis zur Überschreitungsdrehzahl abdeckt, damit die Steuerung die nutzbare Leistung niemals begrenzt.
Steuerung und Überschreitungsdrehzahl
Bei Überschreitungsdrehzahl steigen Spannung und Frequenz an; daher müssen Wechselrichter und Bremse die Zwischenkreisspannung begrenzen und die Wicklung schützen. Ein Permanentmagnet-Generator benötigt einen gesteuerten Abbremspfad sowie ein Pitch- oder Bremssystem, das für den Böenstoß dimensioniert ist, da das feste Magnetfeld – im Gegensatz zu einem erregten Rotor – nicht abgeschaltet werden kann. Protokollieren Sie den Verlauf von Drehzahl und Temperatur und warten Sie den Bremspfad in dem Intervall, das der Turbinenstandard vorgibt. Ein Permanentmagnet-Generator, der regelmäßig protokolliert und gebremst wird, vermeidet die gravierenden Ausfälle, die dieser Technologie nach einem Sturm einen schlechten Ruf einbringen.
Häufig gestellte Fragen
Frage: Warum ändert sich der Wirkungsgrad eines Permanentmagnet-Generators mit der Drehzahl?
Ein Permanentmagnet-Feld fixiert den magnetischen Fluss, sodass Klemmenspannung und Frequenz proportional zur Wellendrehzahl ansteigen und sich das Verhältnis der Verluste entsprechend verschiebt. Ein Permanentmagnet-Generator arbeitet nahe seinem maximalen Wirkungsgrad bei der konstruktiv vorgesehenen Drehzahl (rpm), fällt aber auf beiden Seiten davon ab, da sich Eisen- und Kupferverluste ändern. Die Betrachtung der Kennlinie über den tatsächlichen Drehzahlbereich zeigt den wahren Durchschnittswert – nicht die einzelne, auf dem Typenschild angegebene Spitzenangabe.
Frage: Ist eine höhere Nenndrehzahl immer besser?
Nein, denn der Standort erreicht diese Drehzahl möglicherweise nur selten, sodass die Maschine die meiste Zeit unterhalb ihres optimalen Betriebspunkts läuft. Ein Permanentmagnet-Generator mit einer Nenn-Drehzahl von 400 rpm, der jedoch meist bei 300 rpm läuft, liefert weniger Jahresenergie als ein Generator, der auf 300 rpm ausgelegt ist. Wählen Sie daher anhand des Rotordrehzahl-Histogramms aus und fordern Sie den Wirkungsgrad über den gesamten Drehzahlbereich an – verlassen Sie sich nicht allein auf die Spitzen-Nennleistung.
Frage: Welche Normen gelten für den Generator?
IEC 60034-1 behandelt Leistungs- und Prüfanforderungen für rotierende Maschinen, während IEC 61400 Generatoren von Windkraftanlagen sowie deren Netzverhalten regelt. Ein Permanentmagnetgenerator für Windenergie muss beide Normen erfüllen; IEEE 1547 regelt die Netzanschlussbedingungen, wenn die Anlage elektrische Energie ins Netz einspeist. Verweisen Sie auf diese Normen, damit der Lieferant eine geprüfte Maschine liefert – nicht nur ein plausibles Etikett.
Frage: Wie beeinträchtigt niedrige Drehzahl die Leistungsabgabe?
Bei niedriger Drehzahl erzeugt der Permanentmagnetgenerator eine geringere Gegenspannung (back-EMF), sodass der Wechselrichter möglicherweise die Spannungsregelung begrenzt oder verliert, um den Zwischenkreis zu schützen – was die abgegebene Leistung reduziert. Der Eisenverlust im Kern sinkt zwar ebenfalls, doch dieser Vorteil wird bei den meisten Standorten durch den stärkeren Rückgang der nutzbaren Spannung mehr als wettgemacht. Eine Wicklungsauslegung, die auf den unteren Bereich des Drehzahlbandes abgestimmt ist, hält den Regler auch während der windarmen Monate – die den größten Teil des Jahres ausmachen – innerhalb seines Regelbereichs.
Frage: Was schützt den Generator bei Überschreitung der Nenndrehzahl?
Das feste Feld kann nicht abgeschaltet werden, daher müssen ein Pitch-System oder eine Bremse die Rotordrehzahl begrenzen und der Wechselrichter muss den Zwischenkreis spannungsmäßig begrenzen. Ein Permanentmagnetgenerator benötigt einen gesteuerten Abbremspfad, der für die vor Ort auftretende Böengeschwindigkeit dimensioniert ist, da Spannung und Frequenz mit steigender Drehzahl ansteigen und die Komponenten belasten. Warten Sie den Bremspfad in dem vom Turbinenstandard vorgegebenen Intervall und protokollieren Sie die Trends von Drehzahl und Temperatur.
Frage: Kann ein Generator für einen drehzahlgeregelten Standort verwendet werden?
Ja, sofern er über den gesamten Arbeitsbereich und nicht nur an einem einzelnen Punkt ausgewählt wird, denn ein Permanentmagnetgenerator arbeitet über einen Bereich hinweg effizient, wenn Wicklung und Fluss darauf abgestimmt sind. Fordern Sie die Wirkungsgradkurve über das Histogramm an und bestätigen Sie, dass der Wechselrichter den erforderlichen Spannungsbereich abdeckt. Eine Maschine, die an die reale Lastverteilung angepasst ist, übertrifft eine höher bewertete Maschine, die ihren Spitzenwert nur selten erreicht.
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