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Von Tesla bis Hyundai: Wie verändern dualgespeiste Elektromotoren die Zukunft der Windkraft?
Da die weltweite Nachfrage nach erneuerbarer Energie steigt, spielt Windkraft eine immer wichtigere Rolle für eine nachhaltige Entwicklung. Im Zuge dieses Transformationsprozesses hat sich das dualgespeiste Induktionsmotorsystem (DFIG) allmählich zu einer der wichtigsten Antriebstechnologien für Windkraftanlagen entwickelt. Wie man eine jahrhundertealte Technologie wiederbelebt, ist eine eingehende Diskussion wert.
Grundkonzept des Doppelvorschubmotors
Ein doppelt gespeister Motor ist eine spezielle Bauart von Motor und Generator. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektromotoren sind die Feldwicklung und die Armwicklungen eines doppelt gespeisten Motors separat an externe Geräte der Maschine angeschlossen, wodurch ein Betrieb mit Drehzahlen leicht über oder unter der natürlichen Synchrondrehzahl möglich ist. Diese Funktion ist insbesondere bei großen Windkraftanlagen mit variabler Drehzahl wichtig, da die Windgeschwindigkeiten unvorhersehbar und stark schwanken können.
Bei einer starken Windböe beschleunigen auch die Rotorblätter der Windturbine, doch der Synchrongenerator ist durch die Geschwindigkeit des Stromnetzes begrenzt und kann nicht mithalten.
Windturbinen auf Basis der DFIG-Technologie können sofort auf Änderungen der Windgeschwindigkeit reagieren. Bei starkem Wind kann dieser Generator seine Geschwindigkeit rechtzeitig erhöhen, um den mechanischen Druck zu verringern und Windenergie effektiv in Elektrizität umzuwandeln.
Historischer Hintergrund der DFIG-Technologie
Das Konzept eines doppelt gespeisten Motors geht auf das Jahr 1888 zurück, als Nikola Tesla erstmals den Induktionsmotor mit gewickeltem Rotor erfand. Im Laufe der Zeit wurde diese Technologie mehrfach verbessert, unter anderem durch den Kramer-Antrieb und den Schebius-Antrieb. Anschließend erfolgte ein schrittweiser Übergang zu effizienteren statischen Antriebssystemen und schließlich die Entwicklung zur aktuellen DFIG-Architektur.
Heutige DFIG-Anwendungen können mehrere zehn Megawatt erreichen und nutzen fortschrittliche Leistungselektronik-Technologie zur präzisen Steuerung des Stroms.
Funktionsprinzip eines doppelt gespeisten Induktionsgenerators
Die Funktionsweise von DFIG beruht auf seiner speziellen Struktur, bei der die Statorwicklung mit dem Netz verbunden ist, während die Rotorwicklung über Schleifringe mit einem invertierenden Spannungsquellenumrichter verbunden ist. Dadurch kann die Rotorfrequenz im Verhältnis zur Netzfrequenz frei variiert werden, was eine unabhängige Regelung der Wirk- und Blindleistung ermöglicht.
Durch die Steuerung des Rotorstroms kann der DFIG seine Leistung automatisch an Änderungen der Windgeschwindigkeit anpassen und so die Gesamteffizienz verbessern.
Diese überlegene Regelungsleistung verbessert nicht nur die Effizienz der Windenergieerzeugung, sondern erhöht auch die Stabilität des Stromnetzes. DFIG kann bei niederfrequenten Spannungsstörungen eine kompensierende Rolle spielen und so zu einer schnellen Wiederherstellung des Stromnetzes beitragen.
Vorteile der DFIG-Technologie
Doppelt gespeiste Induktionsgeneratoren bieten mehrere wesentliche Vorteile für die Windenergieerzeugung. Erstens: Da der Rotorkreis durch einen reaktiven elektronischen Umrichter gesteuert wird, ist der Generator in der Lage, Blindleistung zu importieren und zu exportieren, was für die Stabilität des Stromsystems von entscheidender Bedeutung ist. Zweitens kann die Synchronisierung mit dem Netz trotz Schwankungen der Windgeschwindigkeit aufrechterhalten werden. Darüber hinaus sind die Konverterkosten im DFIG-System relativ gering, da nur ein kleiner Teil der mechanischen Leistung über den Konverter abgegeben werden muss.
Zukunftsaussichten
Mit der kontinuierlichen technologischen Weiterentwicklung werden die Anwendungsmöglichkeiten der DFIG-Technologie im Bereich der Windenergie immer vielfältiger. Zahlreiche neue Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen werden die Effizienz und Stabilität doppelt gespeister Motoren weiter verbessern. Eine der Herausforderungen der zukünftigen Energietechnik wird die Förderung der Nutzung erneuerbarer Energien unter Wahrung des Umweltschutzes sein.
Wie wird die DFIG-Technologie angesichts der zukünftigen Energieherausforderungen weiterhin die Entwicklung der Windenergieerzeugung fördern und zu einem wichtigen Eckpfeiler nachhaltiger Energie werden?
