Effektivitätsanalyse (kurz FMEA) bewertet. Die Resultate der Analyse überzeugten in jeder Hinsicht. Während der Entwicklung moderner Frequenzumrichter gilt es, diverse – meist sogar konträre – Ziele in Einklang zu bringen. Die Erfahrungen im Windgeschäft zeigen, dass zumeist kostengünstigste Bauelemente mit hoher Qualität für eine Lebensdauer von 20 Jahren zum Einsatz kommen müssen. Zudem soll die Produktion modular, effizient und aufwandsarm sein. Denn eine Windenergieanlage ist an unterschiedlichen Standorten verschiedenen Einflüssen wie Kälte und Hitze, Feuchtigkeit, Staub oder Sand, Flauten und Stürmen ausgesetzt. Dementsprechend muss das technische Know-how in der Auswahl und Anordnung der Bauteile stecken und diese müssen für raue Umgebungsbedingungen ausgelegt sein. Bei der neuen Frequenzumrichter-Generation von Woodward SEG sollen möglichst viele Anforderungen erfüllt werden: – Ein modularer Schaltanlagenbau soll bei ho- hem Standardisierungsgrad auf Kundenwün- sche reagieren können. So werden Baugrup- pen in standardisierten Produktionsprozessen gefertigt und geprüft. – Klimatischen Anforderungen wird durch typgeprüfte Schrankeinheiten mit optionalen Einheiten zum Heizen und Kühlen entsprochen – simuliert in umfangreichen Prüfreihen, u.a. in Klimacontainern. – Weltweit wandeln sich die Anforderungen der Netzbetreiber hin zu aktiver und intelli- genter Unterstützung ihrer elektrischen Netze durch Windenergieanlagen. Die dazu not- wendigen Simulationen und Softwarefunk- tionen werden erarbeitet und im hauseigenen Prüfstand getestet. So lassen sich zeitnah neue Standards umsetzen. – Entwicklungen werden mit neuen Methoden des \’Product Lifecycle Managements\‘ (PLM) gesteuert. – Unterschiedliche Einsatzorte der Windenergie- anlagen bedeuten auch unterschiedliche Windprofile und damit variierende elektrische und mechanische Belastungen. So schaltet ein Frequenzumrichter bis zu 2.000 mal pro Jahr ans Netz. Funktionsprinzip der Schaltung Bei einem Concycle-Wind-Frequenzumrichter besteht der Generator der Windenergieanlage beispielsweise aus einer doppelt gespeisten Schleifringläufer-Asynchronmaschine. Um die Systemleistung in Abhängigkeit von der Rotordrehzahl regeln zu können, wird in den Läuferkreis der Asynchronmaschine der Frequenzumrichter geschaltet. IGBTs (insulated-gate bipolar transistor) erzeugen aus einem Gleichspannungszwischenkreis eine Spannung variabler Frequenz und Amplitude. Dabei wird die Frequenz im Läuferkreis entsprechend der windabhängigen Drehzahl der Windenergieanlage eingestellt. Der Ständer der Asynchronmaschine ist über einen Leistungsschalter und Transformator mit dem Mittelspannungsnetz verbunden. Anders ans Netz gehen per \’Bypass\‘ Windenergieanlagen halten sich in ihrem Drehzahlbereich häufiger in niedrigeren als dem Nennbereich auf. Das führt dazu, dass Leistungsschalter häufig ein- und ausgeschaltet werden müssen. Hinzu kommen die Schutzanforderungen, die der Anschluss an ein Industrienetz mit Kurzschlussströmen bis 50kA mit sich bringt. Eine Reduzierung der Schaltspielzahlen verringert Wartungskosten und Stillstandszeiten. Sollen Betriebsströme heutiger Windenergieanlagen zwischen 2.000 und 3.000A geführt und im Störungsfall geschaltet werden, stellen z.B. Reihenschaltungen aus Leistungsschaltern und Schützen eine technisch gute, aber teure Variante dar. Derartige Systeme werden heute jedoch vorrangig aus kostentechnischer Sicht betrachtet. Außerdem sollte eine kostenoptimierte Schaltung zum Einsatz kommen. Es geht aber auch anders. Ein \’kleinerer\‘ Bypass, bestehend aus Leistungsschalter NZM (-Q2) und Leistungsschütz (K2) zum \’Hauptschalter -Q1\‘, übernimmt im Teillastbereich die Zuschaltung ans Netz. Selbst hohe Kurzzeitströme bei transienten Netzvorgängen werden durch die Kombination von softwareseitiger Stromüberwachung und Vakuum-Röhrentechnik des DILM-Leistungsschütz beherrscht. Den Kurzschlussschutz des Bypasskreises sichert ein NZMH4-Leistungsschalter ab. Bisherige Felderfahrungen mit dieser Schaltung zeigen, dass sich mit einem Bypass die Schaltspiele des Hauptschalters reduzieren lassen. Durch ein erfahrenes Team, das aus Fachleuten von Woodward SEG und Moeller besteht, wurden der Einsatz, die Dimensionierung und die Funktion der Schaltung überprüft und das Risiko in Form einer Fehlerart- und Effektivitätsanalyse (kurz FMEA) bewertet. Die Resultate der Analyse überzeugten in jeder Hinsicht. \“Unsere Kunden vertrauen auf unsere technischen Lösungen. Wir optimieren unsere Frequenzumrichter ständig und senken so auch die Life-Cycle-Kosten der Windenergieanlagen\“, sagt Teamleiter Eric Hartmann zum Einsatz von Moeller Komponenten. Kasten: Das Unternehmen: Woodward SEG Das Unternehmen Woodward SEG GmbH & Co. KG, mit Sitz in Kempen am Niederrhein, lieferte Ende 1996 seinen ersten Frequenzumrichter für eine Windenergieanlage aus, damals noch unter dem SEG-Logo. Als SEG blickt die Firma auf knapp 40 Jahre in der Schaltanlagen- und Schutztechnik zurück. Aus kleineren Null-Serien wurde eine Umrichter-Serienproduktion für den deutschen und seit dem Jahr 2000 auch den US-amerikanischen Markt entwickelt. Die \’Sättigung\‘ des deutschen Windmarkts seit 2002/2003 führte Frequenzumrichter aus Kempen weltweit in aufstrebende Windmärkte: In Ländern wie Frankreich, Spanien, Großbritannien, aber auch Japan, China und Australien wandeln sie – auf Land und Meer – zusammen mit dem Generator die Windkraft in elektrischen Strom um. Bislang sind insgesamt mehr als 5.000 Umrichter für Systemleistungen zwischen 600kW bis 5MW installiert worden. Künftig sind auch größere Leistungen realistisch.
Eaton Industries GmbH
