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Ein ABC der Leistungswiderstände. Bild: iStock, FilippoBacci
Unendliche Leistungswiderstände

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Windstrom durch Ohm

Text: Joachim Klingler, Frizlen
Leistungswiderstände sind in Windenergieanlagen nicht mehr wegzudenken. Sie kommen in vielen Bereichen der Anlage zum Einsatz. Ein Hersteller stellt nachfolgend das ABC der Leistungswiderstände vor.

Speziell Windenergieanlagen (WEA) sind ein gutes Beispiel dafür, wo überall Leistungswiderstände benötigt werden und zu welchem Zweck diese zum Einsatz kommen. Ob in Gondel, Turm oder Fuß – kein Einsatzort gleicht dem anderen. Im Fokus der Windenergienutzung steht insbesondere die Reduzierung der Cost of Energy. Frizlen unterstützt Kunden bei der Erreichung dieses Ziels mit robusten und wirtschaftlichen, sowie auf die jeweiligen Bedürfnisse zugeschnittenen Widerstandsgeräten. Das folgende ABC der Leistungswiderstände zeigt die unterschiedlichen Ansprüche auf, die an Leistungswiderstände gestellt werden und können als Anregung dienen, um Lösungen für andere, ähnliche Aufgabe zu finden.

Anlasswiderstände

Um Gleichstromantriebe an einem DC-Batterienetz zu betreiben sind oftmals Vorwiderstände zur Strombegrenzung notwendig. Dies können kleine Leistungswiderstände von 10 bis 500 W sein, aber auch Kombiwiderstände, die gleichzeitig als Anlasswiderstand und Dauervorwiderstand dienen und dadurch im Bereich einiger Kilowatt liegen. Durch die üblicherweise niedrigen Spannungen und hohen Leistungen werden äußerst niederohmige Ausführungen benötigt. Hier eignen sich beispielsweise Stahlgitterfestwiderstände als preiswerte und robuste Lösung. Im Einsatz sind solche Widerstände unter anderem bei WEA´s im Gondelantrieb und bei der Blatteinstellung solange die Anlage noch im Hochlaufbetrieb ist und noch keine Netzverbindung besteht.

Bremswiderstände

Bremswiderstände sind häufig im Einsatz bei elektrischen Pitchantriebssteuerungen zur Einstellung der Rotorblattstellung. Durch Winddruck lasten auf den Rotorblättern und damit an den Stellantrieben mechanische Momente, welche am Motor in generatorisch erzeugte Energie umgewandelt werden. Da der Wind sehr unregelmäßig bläst, tritt diese Energie unregelmäßig auf, typischerweise durch sehr kurzfristige und häufige Spitzen. Um Schaden durch Überspannung im System zu vermeiden muss die Energie elektrisch über Bremswiderstände abgeleitet werden. Die Bremswiderstände rotieren sehr häufig in den Rotorblättern mit. Neben den Ansprüchen an Schock und Vibration werden je nach Montageort auch große Ansprüche an den Schutz gegen Feuchtigkeit gestellt. Schutzarten bis IP67 haben sich hierfür bewährt. Durch den weltweiten Einsatz der Windkraftanlagen sind UL-Zulassungen für den amerikanischen und kanadischen Markt notwendig. Diesen Ansprüchen genügen in der Regel gekapselte Flachwiderstände wie die der Baureihe T300 von Frizlen. Für den Transport von Material und Mensch in die Gondel der WEA werden oftmals Servicelifte mit Windenantrieb verwendet. Bei Systemen mit einer Frequenzumricher-Steuerung kommen dabei in der Senkbewegung ebenfalls Bremswiderstände zum Einsatz.

Crowbar-Widerstände

Beim Entregen des Magnetfelds im Generator treten sehr kurzzeitige Lastspitzen auf, die zur Beschädigung von Komponenten der Leistungselektronik führen können. Ebenso entstehen hohe mechanische Verzögerungsmomente, die die Lebensdauer mechanischer Bauteile verringern. Crowbar-Widerstände von Fritzlen dämpfen diese Lastspitzen wirkungsvoll ab und schützen so das Equipment. Es handelt sich dabei um Energiemengen von einigen 100 kWs bis hin zu mehreren MWs. Hier kommen, wie bei den noch folgenden Schutzwiderständen, Stahlgitterwiderstände in kompakter Bauform zum Einsatz.

Entlade- und Ladewiderstände

Beim Laden und Entladen kapazitiver und induktiver Bauelemente oder auch Batterien müssen die auftretenden Ströme kontrolliert werden, um Bauelemente und Verbraucher zu schützen. Diesen Schutz übernehmen ebenfalls Leistungswiderstände. Sie sind entweder auf der Drehstrom- oder auf der Gleichstromseite installiert und begrenzen zu schnelle Stromanstiege. Desweiteren kommen sogenannte Symmetrierwiderstände im DC-Zwischenkreis zum Einsatz, wenn es um die symmetrische Ladung von Zwischenkreiskondensatoren geht. Wenn Servicearbeiten an WEA/Umrichtern durchgeführt werden müssen, ist es aus Sicherheitsgründen oftmals notwendig, diese eingebauten Kondensatoren oder Batterien innerhalb bestimmter Zeiten spannungsfrei zu setzen. Hierbei kommen Entladewiderstände zu Einsatz, die entweder direkt in der Anlage integriert sind, oder welche als mobile Entladegeräte von Windkraftanlage zu Windkraftanlage transportiert werden. Entladewiderstände in gekapselter Bauform mit kundenspezifischem Anschluss von Frizlen ermöglichen ein sicheres Anschließen und Entladen.

Filterwiderstände

Neben einer hohen Verfügbarkeit erwarten die Netzbetreiber eine hochqualitative Einspeisespannung und -frequenz ohne unerwünschte Spannungsspitzen und -frequenzen. Festwiderstände in Netzfiltern von Frizlen unterstützen die Betreiber von Windenergieanlagen beim Erreichen einer hohen Netzqualität. Bei geringeren Induktivitätswerten können so zum Beispiel ohmsch-induktive Widerstände des Herstellers zum Einsatz kommen welche kleinere Netzdrosseln ersetzen können. Der Entfall von Bauelementen sowie eine einfachere Montage durch vorgefertigte Baugruppen sparen dem Kunden dabei Kosten und Bauraum. Die Vermeidung von Verlustwärme in Schaltschränken und der Anspruch möglichst kompakt zu bauen führen hin zu flüssigkeitsgekühlten Filterwiderständen. Auch hier gibt es bereits Lösungen, die im Einsatz sind.

Heizwiderstände

Aufgrund des weltweiten Einsatzes von Windenergieanlagen sind auch Regionen in den kühleren Breitengraden zu berücksichtigen. Um bei wechselnden klimatischen Bedingungen die Leistungselektronik effektiv zu schützen und gleichzeitig die Lebensdauer zu erhöhen, werden Schaltschrank und Komponenten oftmals gezielt temperiert. Heizwiderstände von Frizlen übernehmen diese Aufgabe in unterschiedlichen Formen und Ausführungen. Teils sind diese montiert im Schaltschrank, teils aber auch direkt auf den Kühlkörpern der Leistungselektronik zur bestmöglichen, zielgenauen Vortemperierung.

Lastwiderstände

Werden WEA´s im Inselbetrieb betrieben, so gibt es abhängig von den Windverhältnissen und den zugeschalteten Verbrauchen Zeiten in denen die Anlage zu viel Strom produziert. Kann dieser nicht zwischengespeichert werden so muss die überschüssige Leistung trotzdem verbraucht werden. Dazu eignen sich Lastwiderstände welche in unterschiedlichen Leistungsstufen zugeschaltet werden. Würde die überschüssige Leistung nicht verbraucht, so würde es zu Überspannungen und damit zum Schaden an den Verbrauchern kommen.

Schutzwiderstände

Als Low-Voltage-Ride-Through-Eigenschaft (LVRT) wird die Fähigkeit beschrieben, auch bei kurzzeitigen Netzausfällen die Energieerzeugung einer Windenergieanlage aufrechterhalten zu können. Die LVRT-Fähigkeit, auch FRT Fault-Ride-Through genannt, wird heute allgemein von den Netzbetreibern vorausgesetzt. LVRT-Widerstände von Frizlen, mit großem Energieaufnahmevermögen im Bereich von 5 bis 30 MWs, unterstützen Hersteller und Betreiber von Windenergieanlagen beim Erfüllen dieser Anforderung. Durch eine kompakte und durch ein Gebrauchsmuster geschützte Bauform wird in der Anlage wertvoller Platz gespart. Bis zu 75 Prozent weniger Platzbedarf bei gleicher Energieaufnahme sind so möglich. So können auch neue Anlagen der 6MW-Klasse platzsparend den jeweiligen Anforderungen angepasst werden.

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