Millionen in den Wind geschlagen

Als Nicola Tesla in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts die Drehstrommaschine erfand, erahnte noch niemand die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten des neuen Maschinentyps. In der heutigen Zeit ist die Drehstrommaschine aus modernen Elektroantrieben nicht mehr wegzudenken.

Selbst im Bereich der schnell wachsenden Windenergiebranche erobert sie immer mehr Marktanteile. So werden weltweit pro Jahr mehr als 3.000 Windkraftgeneratoren errichtet. Die Regelung dieser Windkraftanlagen übernehmen leistungselektronische Stellglieder, die jedoch durch Verluste wesentlich auf den Wirkungsgrad der Anlage Einfluss nehmen. Eines dieser Stellglieder ist der so genannte Frequenzumrichter, bei dessen Speisung Nachteile entstehen.

Problematisch sind beispielsweise Lagerschäden aufgrund kapazitiv eingekoppelter Spannungen und Ströme im Motor.

Genau diesem Thema widmet sich Johann Zitzelsberger, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Chemnitzer Professur Elektrische Maschinen und Antriebe, in seiner Promotion. „Gerade weil der Anteil an Drehstromantrieben in der Vergangenheit rapide zunahm und immer noch zunimmt, ist dieses anfänglich oftmals vernachlässigte Phänomen mittlerweile zu einem nicht unwesentlichen Kostenfaktor beim Betreiben der Windenergieanlagen geworden“, begründet Zitzelsberger die Aktualität seines Forschungsschwerpunktes. Die elektrisch bedingten Schäden an den Lagern setzen nicht nur die Zuverlässigkeit der Generatoren herab, sondern führen auch zu einem erhöhten Wartungs- und Instandhaltungsaufwand. So werden die Qualitätsminderung und deren Vermeidung zu einem entscheidenden Wettbewerbsfaktor für Unternehmen. „Schon eine um einen Prozentpunkt geringere Verfügbarkeit eines mittleren Windparks mit etwa 60 Generatoren führt zu einem Verlust von einer Million Euro pro Jahr“, gibt der Promovend zu bedenken. Diese Zahl würde sich zudem noch drastisch erhöhen, falls mehr Windparks offshore – also auf See – betrieben werden. „Fällt hier einmal die Technik durch Lagerschäden aus, ist es meist schwer in kurzer Zeit an solchen unzugänglichen Orten die Fehler zu beheben. Dies führt zu längeren Stillstandszeiten, und die nominale Verfügbarkeit eines Windkraftgenerators kann unter die 92 Prozent des Normalwertes sinken“.

Das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft an der TU Chemnitz geförderte Forschungsprojekt „Sequentielle Impulsplatzierung zur Verbesserung des Gleichtaktverhaltens beim Umrichten mit Spannungszwischenkreis“ baut den Forschungsschwerpunkt „Windenergie“ der Professur Elektrische Maschinen und Antriebe unter der Leitung von Prof. Dr. Wilfried Hofmann weiter aus. „In der ersten Phase des Projektes ermittelten wir den Stand der Dinge in Bezug auf elektrisch bedingte Lagerschäden“, erklärt Zitzelsberger. Um Ansätze zur effizienten Problemlösung zu liefern, wurden Ursachen und Wirkungen von Lagerschäden näher betrachtet. „Bisher war bekannt, dass der Grund für elektrisch bedingte Lagerschäden in der rechteckförmigen Ausgangsspannung des Umrichters liegt. Diese wird mithilfe spezieller Verfahren so moduliert, dass eine maschinenverträgliche Speisespannung ähnlich der 50Hz-Netzspannungsversorgung entsteht. Jedoch übertragen sich die impulsförmigen Spannungen im Inneren der Drehstrommaschine weiter und führen zu Lagerströmen, die letztendlich Lagerschäden hervorrufen“, erklärt der Doktorand die Ursachen.

Auf Basis theoretischer und experimenteller Untersuchungen entstand darauf aufbauend ein neues Modulationsverfahren, das Lagerschäden minimiert und motorschonend arbeitet. Darüber hinaus wurden in Zusammenarbeit mit der Industrie – vor allem durch die VEM Sachsenwerk GmbH Dresden, die Gebhardt Ventilatoren GmbH in Netzschkau und die Spindelfabrik Neudorf GmbH – systemübergreifende Lösungen auf dem Gebiet strombedingter Lagerschäden auf den Weg gebracht und wissenschaftlich begleitet. Die rege Forschungstätigkeit auf diesem Gebiet wurde kürzlich auch durch die Tagung des VDE-Arbeitskreises „AK19 – Elektrische Maschinen“ an der Professur für Elektrische Maschinen und Antriebe überregional gewürdigt. Dem Sprung in die Praxis steht nun nichts mehr im Wege. „Betreiber von Windkraftanlagen, die das Modulationsverfahren nutzen möchten, können sich gern an die Professur Elektrische Maschinen und Antriebe wenden“, sagt Prof. Hofmann.

Weitere Informationen erteilen Johann Zitzelsberger, Telefon (03 71) 5 31 – 33 318, E-Mail johann.zitzelsberger@e-technik.tu-chemnitz.de , und Prof. Dr. Wilfried Hofmann, Telefon (03 71) 5 31 – 33 323, E-Mail wilfried.hofmann@etit.tu-chemnitz.de

(Autoren: Johann Zitzelsberger und Nicole Leithold)