CN102812238A - 用于风力或水力发电站的能够进行紧急操作的桨距驱动设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种桨距驱动设备（10），该桨距驱动设备能够进行紧急操作以用于调整一个风力发电站或一个水力发电站的一个转子叶片桨距。该桨距驱动设备（10）包括一个逆变器设备（14）和一个三相电流驱动电动机。该驱动电动机实施为一个三相IPM同步电动机（12）（内部永磁体式）。一个直流电流电力存储设备（20）可以有利地是至少针对紧急操作而言实质上直接连接至位于一个整流器设备（16）与该逆变器设备（14）之间的一个中间直流电流电路（18），以便至少短暂地将电力供应到该同步电动机（12）上，从而使得当中间电路电压UZK正在下降时，该IPM同步电动机（12）也可以至少短暂地在速度控制下操作。本发明使得当在紧急操作中一个中间电路电压UZK正在下降时该桨距驱动设备在高转矩下能够速度受控紧急操作，其中该直流电流能量存储设备可以例如作为一个能量缓冲器来改善效率，并且减少经由转子滑环的电流传送。

Description

用于风力或水力发电站的能够进行紧急操作的桨距驱动设备

背景技术

本发明涉及一种能够进行紧急操作以用于调整风力或水力发电站的转子叶片桨距的桨距驱动设备。

这种属类的设备用于相对于一个转子叶片的流动的空气或水媒介来改变桨距角（桨距），以便驱动一个能量产生设备，具体来说是驱动一个发电机。

现有技术已经披露了在机电驱动***中使用DC和AC异步电动机（ASM）来调整风力或水力发电站的一个转子的转子叶片，这可以是依据旋转速度来控制的。使用DC机器的原因在于，即使在控制电子设备和电力电子设备故障的情况下，它们也允许转子叶片的能量移动到翼片位置，其中在电力***故障的情况下，一个蓄能器组或电池组供应直流电压。经常使用AC机器的原因在于，AC机器实际上无需维护并且具有成本效益，而且可以使高转矩的功率水平可供使用。作为一个原则的是，旋转速度可以由电力电子设备控制的异步电动机在大多数情况下用作AC机器，其中所述电力电子设备通常包括一个整流器设备和一个逆变器设备，以及用于电动机绕组的PWM致动的一个控制设备。对于紧急操作模式，在许多情况下提供了替代的DC驱动器，这些DC驱动器在电源故障的情况下可以借助于直流电压源来执行紧急移动。

作为一个原则基于从旋转速度传感器或者位置传感器测得的数据来控制旋转速度。在传感器故障的情况下，在V/f操作模式（电压/频率控制）中控制的ASM可以移动到安全位置，具体来说是移动到翼片位置。在DC和AC电动机类型中，即使在低直流电压中间电路电压的情况下也可以使场减弱以便允许高旋转速度。场减弱模式意味着在旋转速度增加时，驱动磁场的强度减弱，同时电流保持恒定。在此上下文中，可以输出的转矩也减小，因为转矩是磁场与电流的乘积。

现有技术中存在若干缺点：DC电动机非常昂贵并且需要大量维护。由于DC电动机的低功率密度，其质量惯性矩一般是高的。结果是，这些电动机不适合于动态应用，例如在换向模式中的连续个别叶片控制。AC机器具有的缺点在于，理论峰值转矩随着电压的二次方而下降。由于在故障情况下小于400伏的低中间电路电压V_ZK，AC机器必须针对低电压进行配置，并且强制地带动逆变器必须生成以供使用的一个高电流流动。

这些缺点由如独立权利要求1所述的设备解决。有利的发展是附属权利要求的标的物。

发明内容

根据本发明，提出了一种能够进行紧急操作以用于调整风力或水力发电站的转子叶片的桨距驱动设备，该桨距驱动设备包括至少一个逆变器设备和一个三相电流驱动电动机。该三相电流驱动电动机被实施成一个永磁体激励的三相电流IPM（内部永磁体式）同步电动机。IPM同步电动机具有一个转子，该转子配备有多个永磁体，这些永磁体埋入在转子的内部中，该IPM同步电动机在下降的中间电路电压的情况下，例如在一个三相电流电力***供应的一个或两个电力***相故障、一个整流器的一个分支中的或逆变器的缺陷的情况下或者在借助于一个中间电路紧急操作直流电压源的紧急操作的情况下，可以达到比具有被供应直流电流的一个移动的线圈转子或SPM（表面附接永磁体）转子的一个相当的常规同步电动机更高的转矩。结果是，在下降的供应电压的情况下，尤其在故障的情况下可以实现一个高转矩，并且在故障的情况下可以实现转子的快速紧急移动或调整。结果，转子叶片调整设备的稳健性显著增强，并且发电站的安全性得到改善。

针对紧急操作模式，一个直流电压能量存储设备可以有利地实质上直接连接到位于一个整流器设备与该逆变器设备之间的一个直流电压中间电路，以便至少短暂地将能量供应到该同步电动机，结果是即使当中间电路电压V_ZK正在下降，该IPM同步电动机也可以至少短暂地在旋转速度控制下操作。因此，至少在紧急操作模式中，能量存储设备可以将DC能量直接馈送到整流器设备与逆变器设备之间的中间电路中，并且同步电动机可以在旋转速度控制下操作，只要能量存储设备可以生成可供使用的能量即可。

本发明是基于组合了多种不同优点的一个***概念。一种有利的桨距驱动设备包括三个核心部件：具有永磁体转子的一个同步机器，该同步机器具有埋入的磁体并且充当桨距驱动电动机；一个逆变器单元，该逆变器单元作为一个伺服功率逆变器；以及最后，一个直流电压能量存储设备，该直流电压能量存储设备作为备用能量存储器，有利地包括多个高电容量电容器。直流电压能量存储设备直接耦合到整流器单元与逆变器单元之间的中间电路上，而无需例如现有技术中已知必须使用的隔离二极管。这意味着功率逆变器设备与能量存储设备的中间电路的电压水平V_ZK是标称上相同的。

在电力***供应故障的情况下，直流电压能量存储设备通常无法维持560V DC的中间电路电压的高水平，结果是直流电压V_ZK可能随着桨距驱动器的能量消耗以及存储容量的能量消耗而下降到100V。在此情形中，常规的SPM（表面永磁体式）同步电动机只能不足够地并且在窄限制内受到旋转速度控制，这些电动机的转矩经历了一个严重的减小并且存在着桨距驱动器故障的高风险。

同步电动机一般具有的优点是，定态转矩只取决于可用的电动机电流，并且对可用电压不具有任何依赖性，例如在复合绕组的情况下或者在异步机器中。根据本发明，同步电动机是具有埋入在内侧上的多个转子磁体的IPM（内部永磁体）同步电动机。IPM同步电动机具有高磁阻，结果是IPM同步电动机具有与磁阻电动机相似的性质。在此上下文中，由于埋入的磁体带来的磁阻特性提供了两个优点：在低中间电路电压的情况下机器的峰值功率高于配备有表面磁体的机器的峰值功率。此外，机器的磁阻效应可以用来在低旋转速度下用大的转矩储备来控制机器而无需使用传感器。因此，在旋转信号产生器故障的情况下，叶片仍可以可靠地移动到翼片位置中。

这个优点通过IPM电动机的以下性质而成为可能：IPM同步电动机在纵向电感Ld与横向电感Lq之间具有显著的差异，其中作为一个原则Lq>Ld。Ld和流过它的电流Id描述磁场的场形成分量，并且Lq和Iq描述转矩形成分量。由于此差异，在相对低旋转速度的情况下以及在减小的电压的情况下，如图6中图解说明的IPM电动机极为适合于使相对高的转矩可供使用，并且适合于在无传感器的情况下受到控制。

在IPM设计的情况下，这些永磁体配合到转子中的多个切口中，如图5中图解说明。结果是，可以实现一个小的机械气隙，这导致对定子绕组的电感值的相对大的影响。由于这种永磁体安排，在转子通量轴线的方向（d方向）上的有效气隙大于q方向上的有效气隙，结果，与q横向轴线中的电感相比，d方向上的电感下降。机器的这种不对称性（Ld<Lq）带来一个额外的磁阻转矩并且允许了上文提到的优点。

根据本发明的设备、下文描述的有利发展以及先前的***特征具有以下目的：

增加***效率：

在换向期间产生的能量不会如先前制动斩波器（制动电阻器）的情况那样转换为热，而是可以存储在能量存储单元中，优选一个电容器安排中。

由于同步电动机、尤其是一个IPM（集成永磁体式）同步电动机的特殊特性，可以在给定一个对应的负载的情况下使电动机的功率耗用最小。

由于中间电路输入电流的限制，可以通过能量存储单元中存储的能量来吸收必要的负载峰值。滑环上以及电力***上的最大加载下降。功率损失减少，并且转子滑环受到保护。

由于这种设计带来的同步电动机的低质量惯性矩，在驱动器的加速以及制动期间的损失可以减少。

增加***安全性：

由于在无传感器的情况下控制同步电动机的可能性，至少在紧急操作模式中，即使在旋转信号产生器故障的情况下在非常低的旋转速度下，桨距驱动设备也可以自动执行进入安全翼片位置的受控移动。

当电力***侧电压供应故障时，也可以使必要的输出侧功率/转矩峰值可供使用。

如果能量存储单元故障，则仍然可以借助于一个有利的紧急制动电阻器单元来确保制动功能性。仍然可以执行进入翼片位置的受控紧急移动。

概括来说，本发明允许在下降的中间电路电压V_ZK的情况下桨距驱动设备在旋转速度控制下具有高转矩的至少一个紧急操作模式，其中作为能量缓冲器的这种直流电压能量存储设备改善了效率，并且减少了经由转子滑环的电流传输。

根据一个有利发展，IPM同步电动机可以针对300到3000rpm的一个大的旋转速度范围来配置，其中在较低旋转速度范围中，尤其是在500rpm的一个额定旋转速度的范围中应当可以实现一个最佳效率。具体来说，在紧急移动的情况下，可以使用2500rpm或者更高的高旋转速度来在短时间内将转子叶片移动到翼片位置中。如果IPM同步电动机的磁阻转矩是借助于逆变器设备的对应地修改的控制来利用的，那么IPM电动机在一个直流中间电路电压的情况下具有的转矩旋转速度范围大于具有安排在表面上的多个磁体（SPM表面永磁体）的一个相当的同步电动机的转矩旋转速度范围。大的旋转速度转矩范围的这种性质是有利的，尤其是对于用作转子叶片驱动器而言，因为在紧急行程期间必须在短时间内使大的功率储备可供使用，即，必须在高旋转速度下使峰值力矩可供使用。通过IPM同步电动机而可供使用的场减弱模式的可能性允许即使在能量存储设备（尤其是一个电容器安排）的中间电路电压已经下降到一个低值（100到200V DC）的情况下也能够利用一个大的转矩/旋转速度范围。由于利用一个大电压范围的可能性，可以使能量存储设备的存储容量比使用常规桨距驱动电动机时的存储容量更小。另一方面，有可能用一个非常大的转矩来配置IPM同步电动机。大的转矩常量意味着IPM同步电动机允许针对给定的电流流动产生一个大的转矩。迄今为止，这个常量的量值是受到限制的，因为转矩常量的增加会直接影响最大旋转速度。如果例如在标准SPM（表面永磁体）同步电动机的情况下，转矩常量增加40%，那么由于相对大的感应电压，最大可能旋转速度会下降大约40%。然而，如果在IPM电动机的建议的使用的情况下，高达30%的转矩是源自于所谓的磁阻力矩的，该磁阻力矩对感应电压不具有任何影响。如果如以上实例中的希望使转矩常量增加例如40%，那么最大旋转速度仅减少28%。结果，变得清楚的是由于IPM电动机的使用，可以针对一个对应的转矩使功率耗用最小，并且确保了实现所希望的功率目标值（M_maxN_max）。

根据一个有利发展，该直流电压能量存储设备可以是一个高电容量电容器安排。该电容器安排可以实质上直接连接到中间电路，结果是整个中间电路电压存在于这些电容器处。在转子叶片的调整期间，连续的换向过程、即旋转方向的频繁反转过程，典型地发生在同步电动机处，其结果是产生多个电压峰值以及反馈再生能量或者制动能量。高电容量电容器安排能够吸收再生能量或者电压峰值，结果是再生能量或者电压峰值不必如同迄今为止那样通过一个制动电阻器来消除并且转换为热。这增加了***的效率并且用以使能量最小。此外，对于转子叶片驱动器的短暂的功率峰值而言这些电容器是可供使用的，并且因此使来自电力***的功率流最小并且因此减轻将能量从固定短舱（gondola）传输到移动的转子轴中的***滑环上的负载。

在此上下文中，根据一个有利的发展，该直流电压能量存储设备可以针对100V DC到600V DC的一个中间电路电压V_ZK来配置。桨距驱动设备中的电能存储设备具有以下功能：

1.在电力***侧供应故障的情况下（高达20秒的时间范围），使能量可供使用来执行逆变器控制的紧急移动；

2.供应短暂的功率峰值（超过4秒、至少3秒的时间范围）；

3.存储在桨距驱动器被制动时发生的全部能量。（换向过程）。

迄今为止，已知的能量存储设备，优选为电容器安排仅仅是针对在1中指定的功能来配置的。这只涉及无源能量存储器，即电池或蓄能器，这些无源能量存储器仅在紧急行程期间作用，以便执行在1中指定的功能。这些已知能量存储设备的电压水平通常低于大约560V DC的标称中间电路水平，并且所述设备因此借助于隔离二极管而受到保护以避免通过中间电路进行的不希望的充电，并且常常仅在紧急操作模式中连接至中间电路。此外，针对已知的能量存储设备，一个分离的充电单元通常对于对备用蓄能器安排进行充电并且维持备用蓄能器安排的电荷来说是必要的。

另外，存在能量存储设备，其中执行电容器安排到中间电路的直接耦合以便执行在2.和3.中指定的功能，但这些并不满足在1.中指定的功能。在此上下文中，明显地针对大约100V的减小的中间电路电压来配置这些电容器安排。

以下是与先前的现有技术相比，有利的能量存储设备、尤其是这种提出的电容器安排的特定特征：

能量存储设备的标称电压是惯常的中间电路电压V_ZK，具体来说是大约560V；

能量存储设备实际上直接连接至中间电路；

再生能量主要由能量存储设备收集。中间电路电压对应地增加，并且可以省却制动电阻器；

在电力***侧电压供应故障的情况下，能量存储设备电压、并且因此还有中间电路电压可以从初始560V DC下降到150V DC；

允许紧急移动期间的这种电压下降意味着电容器安排的电容可以是最小化的，因为在相对高电压的情况下，可以用较小的电容存储更多能量。与先前的“低电压”配置相比，电容器安排的电容可以变小高达50倍，因此，可以实现非常大的成本节省。减小的电容要求使得能够使用替代的具有成本效益的电容器技术来用于电容器安排，并且带来了桨距驱动设备的成本的减少。

根据一个有利的发展，该直流电压能量存储设备可以经由一个耦合单元、尤其是一个基于二极管的耦合单元而连接到中间电路以便抑制干扰电压峰值，其中为了增加中间电路电容器的电容，该耦合单元优选可以包括至少一个另外的中间电路电容器。耦合单元确保切换损失可以由内部中间电路电容器涵盖而不是由能量存储设备来涵盖，因为这提供了关于EMC（对电磁兼容性做出的要求）以及效率的优点。在此上下文中，耦合单元可以允许在V_f的电压水平下能量存储设备与中间电路的去耦，其中耦合，即电流流动仅在V_ZK与能量存储设备的电压之间存在差异时且发生大于V_f的电压差的情况下发生。由于基于二极管的耦合单元，能量存储设备不会被电流纹波加载，只要中间电路电压不下降到低于耦合单元的部件特定值V_f即可。此外，耦合单元可以优选通过连接于中间电路的这些DC线之间的另外的中间电路电容器来扩展，其结果是，内部中间电路电容可以通过多个相应合适的电容器来扩展，以便进一步减小中间电路的电压波动。替代地或者另外地，这种耦合单元可以包括一个电感电路，以便抑制高频干扰并且使电流平滑，结果是能量存储设备可以被较轻地加载以及卸载。还有可能的是在串联电路中在中间连接一个齐纳二极管电路或相当的电路，例如一个或多个齐纳二极管，这些齐纳二极管的齐纳电压V_z可以对应于例如电压V_f。优选可以包括无源耦合单元中的以上组成元件的组合。

根据一个有利的发展，耦合单元可以包括一个控制装置和一个切换装置，其结果是，至少一个充电电流I_G可以从直流电压中间电路切换到直流电压存储设备。这个发展的耦合单元包括有源部件，这些有源部件可以用任何可能的组合连接到上述无源部件，并且可以切换至少该充电电流I_G。切换装置可以是一个机电切换装置，例如接触器或继电器，或者一个电子半导体切换装置，例如IGBT（绝缘栅极双极型晶体管）、功率FET或类似物。控制装置可以是一个电子控制电路、FPGA、微控制器或类似物。控制装置可以接收来自外部监测和控制设备的切换命令，并且例如在紧急情况中、当中间电路电压下降时、当驱动电动机正在启动时、在电力***故障、整流器设备处的缺陷或类似的情况下激活，即接通切换装置，并且例如在正常操作模式中或者在IPM电动机的特殊负载范围（其中在中间电路中发生高电流脉冲）期间停止激活该切换装置。能量存储设备的受控充电和/或中间电路的再生能量的受控吸收通过切换装置的选择性激活而成为可能。控制装置可以基本上用两种不同方式激活切换装置：一方面借助于一种控制方法，例如用于借助于类似PWM的控制概念或类似物来控制充电电流I_G的闭合控制回路。另一方面，借助于基于外部控制信号对切换装置的静态激活/停止激活，例如通过一个高层级的桨距电动机控制设备。可以借助于首先提到的控制方法来使能量存储设备的充电控制成为可能（对中间电路的恒定电流或恒定电压的调整）。在其次提到的可能性的范围内，有可能在每当再生能量从能量存储器流回到中间电路中时便激活切换装置，即闭合切换装置。

可以类似于逆变器中的斩波器IGBT的常规控制来控制切换装置。结果，可以将再生能量存储在能量存储器中，并且可以在再生阶段（例如IPM电动机的发电机驱动的再生阶段）结束之后将这能量供应回到电动机。可以在逆变器正在启动时激活切换装置。因此，切换装置可以通过中间电路的预充电而允许并且帮助电动机的电流受限的启动。在预充电过程期间，可以闭合切换装置，并且在正常操作模式中，可以对能量存储器进行再充电。结果是，可以带来能量存储设备与中间电路的可切换的耦合和去耦，并且因此能量存储设备继续受到保护免于在电动机操作期间发生的电流峰值。这允许能量存储设备的使用寿命增加并且改善紧急情况运行能力。

根据一个有利的发展，包括用于对直流电压中间电路供应一个电源电流I_M的一个耦合二极管的一个旁路分支可以与该切换装置并联连接，结果是一个供应电流I_M可以与该切换装置的切换状态无关地流动。因此，只要中间电路的电压V_ZK小于能量存储设备的电压V_B，便可以用纯无源方式对中间电路供应来自能量存储设备的能量，而无需激活切换装置，结果是在无需主动介入的情况下整个设备的操作可靠性以及紧急情况运行能力增加。控制装置可以通过控制电流I_G来主动地控制能量存储设备的充电，并且中间电路的紧急情况供应与切换装置的切换位置无关地发生。

根据一个有利的发展，至少该切换装置可以是一个半导体切换装置，并且连同逆变器设备的半导体切换装置和/或整流器设备的半导体桥二极管一起集成在一个半导体功率模块的一个壳体中，优选在一个IPM（集成功率模块）壳体中。常规的IPM、尤其是DIP-IPM（双列直插封装IPM）不仅包括用于逆变器设备和/或整流器设备的多个功率半导体部件，而且包括例如用于制动斩波器的独立的半导体切换装置，其中这些半导体切换装置可以至少部分地用作用于有源耦合单元的半导体切换装置。因此可以实现紧凑并且有利的设计。

根据一个有利的发展，逆变器设备可以包括一个场定向向量控制单元以用于在无传感器的情况下控制同步电动机的旋转速度，这个向量控制单元可以至少在一个操作模式中并且优选在该同步电动机的300到700rpm的一个较低旋转速度范围中、尤其是在500rpm的额定旋转速度下执行旋转速度控制。然而，应确保的是在紧急操作模式中，在无传感器的情况下可以实现关于超过1500rpm、尤其是在2500rpm的范围内的高旋转速度的快速调整。一个向量控制单元可以执行IPM电动机的旋转速度控制，尤其是在基于传感器的控制器故障的情况下，例如在旋转速度传感器或旋转角度传感器故障的情况下。基本上，旋转速度无传感器控制可以在所有操作模式中、即在未受干扰的正常操作模式中、在故障发生的情况下（故障操作模式）或者在紧急操作模式中控制同步电动机。这种无传感器控制将优选地至少用在故障模式中，其中例如一个传感器支持的控制器的一个或多个旋转速度传感器或旋转角度传感器故障，至少一个电力***相故障，或者当在电力***操作模式与自供电操作模式之间切换时等等。此外，无传感器控制可以有利地带来在具有高风力载荷的紧急操作模式中、在电压供应故障的情况下等等将转子叶片快速调整到翼片位置中。

一般地，将向量控制理解为随着电动机轴旋转的空间向量的移动。它一般是基于来自电动机的控制回路的反馈以及测得的定子电流的连续变换。在向量控制的情况下，借助于所谓的d/q变换，在永磁体激励的三相电流同步机器中，仅借助于定子电流的q分量来调整转矩，并且d分量接近于零。如果在同步电动机的旋转的D-Q场（借助于来自3相***的d/q变换）中的定子流和定子电流是平行的，那么转矩等于零。另一方面，在处于直角的空间向量的情况下，产生最大转矩。在此情况下，励磁器流以及穿过电枢的流彼此垂直，类似于直流电流机器。因此，这是控制的目标状态。常规上，为了补偿处于直角的空间向量，需要一个控制回路，这个控制回路具有反馈并且指示磁极轮的位置。这个反馈通常是借助于旋转速度传感器或编码器（解算器、光学增量和绝对值传感器，或电感式传感器）来执行。所提出的无传感器控制器可以通过返回测量在电动机中感应的相反电压而以阻塞换相（PWM电动机致动）来实施。这个反馈在常规SPM电动机中尤其是在低速下缺点增加，但是尤其是在IPM电动机中可以非常有利地使用，如下文所解释：

逆变器设备可以具有一个微控制器的经适配的控制软件，这个微控制器控制换向过程（旋转方向的反转），这个软件一方面使得有可能控制该同步电动机（优选为IPM同步电动机）而无需传感器，以及在正常操作模式期间利用磁阻转矩来增加电动机的效率。另外，向量控制单元可以能够借助于对应的场减弱而补偿在紧急移动期间从500V以上（具体来说是560V）下降到300V以下（具体来说是200V）的电压，以便继续使必要的峰值功率在输出侧上可供使用。当然，同步电动机（具体来说是IPM同步电动机）具有大小不同的多个电感Ld和Lq，并且具有所谓的磁阻转矩。这些不同的电感可以用来在无传感器的情况下操作电动机，即使在低旋转速度下也是如此。在传统的机器类型中，这仅对于高旋转速度为可能的。在此上下文中，一个正弦注入电流被叠加于设定点电流上，这个注入电流的测量使得在驱动器中计算的技术控制观察器可以估计当前旋转速度。在此描述的IPM同步电动机尤其良好地适合于所描述类型的无传感器控制。所使用并且以逆变器设备的软件实施的电动机控制器可以有利地具有以下性质：

一般存在两种影响电动机的转矩的方式：

磁通量

形成转矩的电动机电流Iq。

当控制AC电动机时，在磁通量与所谓的d电流Id以及形成转矩的电流Iq之间存在着一种直接关系。获得机器的总电流耗用如下：

$I_{\mathrm{abs}}=\sqrt{{I_d}^2+{I_q}^2}$

随着电动机的当前工作点（M_act,n_act）（转矩、旋转速度）的变化使此电流值最小化是损失优化型控制器的功能。当控制优选的IPM同步电动机时，这种类型的控制因为其结构调节性质而尤其有利。这要求IPM同步电动机尤其在这里描述的应用中的场减弱操作的优良可能性。在紧急移动期间请求的旋转速度比在操作期间的平均旋转速度高两到三倍。出于此原因，应当尤其针对低旋转速度来配置电动机，但是电动机必须即使在两倍到四倍速度（优选三倍速度）下也短暂地能够操作（至少10秒以上，优选至少20秒），以便能够执行快速紧急移动。IPM电动机出于结构原因而极为良好地适合于这些要求，因为所述电动机具有埋入式磁体的稳固附接，并且因此允许高的超速，并且磁路在场减弱模式中以及在过载范围中相对于去磁现象均是稳健的。由于q与d电感之间的较大差异，即使在低旋转速度下也有可能执行电动机的无传感器控制。为此目的，在低旋转速度范围中所谓的注入信号被施加于电动机电流上，借助于这个注入信号，技术控制观察器可以基于结构上调节的磁不对称性来检测当前转子位置。由于无传感器控制的可能性，桨距驱动器可以至少在紧急移动中得到调整，并且在全负载的影响下移动到所谓的翼片位置，即使在旋转速度传感器故障的情况下也是如此。

根据一个有利的发展并且由于先前的示例性实施方案，逆变器设备可以包括一个常规传感器控制单元并且包括一个控制切换单元，这个传感器控制单元连接到一个或多个机械旋转速度传感器（编码器）上以用于控制同步电动机的旋转速度，并且这个控制切换单元可以在用于在正常操作模式中的旋转速度控制的传感器控制单元与用于在紧急操作模式中的旋转速度控制的向量控制单元之间切换。这种传感器控制单元根据旋转速度传感器的测得的旋转速度来控制逆变器设备的PWM切换过程，并且可以作为额外的桨距控制单元而优选地执行同步电动机在正常操作模式中的致动。这种控制切换单元可以自主地或根据请求在正常操作模式中起作用的常规传感器控制单元与向量控制单元之间执行电动机控制的切换。这意味着如果在正常操作模式期间发生传感器的故障，那么这个故障会报告给高层级的控制器或控制器切换单元，并且会发生进入无传感器操作模式的自动切换。

根据一个有利的发展，整流器设备可以包括一个电流控制单元以用于限制拾取的电力***电流和/或用于直流电压能量存储设备、中间电路电容器以及逆变器设备的电流受控充电，其中在正常操作模式中，这个电流控制单元可以将中间电路电压V_ZK调整到一个可预设的值。整流器设备的完全受控输入桥可以确保尤其在放电的直流电压能量存储设备的情况下，可以将输入电流限于一个最大可允许的值，其中在能量存储设备的充电期间，可以限制电流流动以便防止过载情形。电流控制单元可以执行以下功能和任务：

将整个中间电路（逆变器、DC中间电路以及能量存储设备）电流受控充电到具体来说为560V的标称中间电路电压V_ZK；

将来自电力***的最大功率耗用限制于一个可调整的值：I_max=K₂·I_Nom，其中K₂=1...2；

可以借助于预充电电路将中间电路电压V_ZK设定于一个可调整的值；

如果发生电流控制单元的过载，那么可以短暂地激活一个有利的紧急制动电阻单元。

根据一个有利的发展，一个紧急制动电阻器单元可以按一种方式连接到直流电压中间电路以使得这个紧急制动电阻器单元可以被激活以便使电能转向而用于同步电动机的快速制动，其中可以尤其在一个增加的中间电路电压V_ZK的情况下激活这个制动电阻器单元。因此，在能量存储设备发生故障或者电流控制单元中发生故障的情况下，仍可以执行电力***支持的紧急移动，包括制动过程。

附图说明

在附图的当前描述中可以发现另外的优点。附图图解说明了本发明的多个示例性实施方案。附图、描述以及权利要求书含有许多特征的组合。本领域的普通技术人员还将方便地分别考虑这些特征并且将这些特征组合以形成适当的其他组合。

在附图中：

图1所示为根据本发明的桨距驱动设备的第一示例性实施方案；

图2所示为根据本发明的桨距驱动设备的第二实施方案；

图3所示为根据本发明的桨距驱动设备的一个示例性实施方案的第一到第四耦合单元；

图4所示为根据本发明的桨距驱动设备的一个示例性实施方案的有源耦合单元；

图5所示为根据本发明的桨距驱动设备的一个示例性实施方案的IPM同步电动机的转子构造的基本草图；

图6所示为相当的IPM/SPM同步电动机之间的转矩/旋转速度区别图。

具体实施方式

相同部件或者同一类型的部件在图中由相同的参考符号表示。以下图式用于提供示意性图解说明，并且因此，例如，一条连接线表明两个电设备之间的电连接并且作为一个原则包括至少一条前向的线和一条返回的线。切换符号不仅表示个别部件，而且表示可以包括一个或多个部件的电路组件。

图1是根据本发明的桨距驱动设备10的第一示例性实施方案的示意性表示。桨距驱动设备10包括一个实施为IPM电动机的同步电动机12，以及一个直流电压能量存储设备20和一个逆变器设备14，这个逆变器设备借助于一个电动机控制设备64经由PWM（脉宽调制）电动机致动线60来致动电动机12，以便设定转子叶片48的所需转子叶片调整。

桨距电动机12经由一个用于转换旋转速度的桨距齿轮机构56而联接到转子叶片48的受支撑的根部点，其中桨距电动机12的一种受控制的操作模式可以改变风力发电站或者水力发电站的转子叶片48的桨距角（桨距）。为了确定电动机12的旋转位置，旋转速度传感器46、旋转角度传感器50以及可以指示转子叶片48的终点停止位置的终点位置传感器52经由一个或多个传感器线72、优选地经由一条传感器总线连接到电动机控制设备64上，其结果是，包含在电动机控制设备64中的一个传感器控制单元32可以接收电动机12的旋转速度和旋转角度。电动机控制设备64可以借助于传感器设备而执行包含在逆变器设备14中的一个逆变器的正确定相的致动，以便设定电动机12的所希望的旋转方向和旋转速度。电动机12可以另外借助于制动器54来制动，并且制动器54又由电动机控制设备64来激活。

在正常操作模式中，经由一个供应电力***64汲取电能，其中一个上游熔丝元件F保护桨距驱动设备10免于过电压。供应电压经由风力发电站的固定短舱的***滑环传输到旋转的转子轴线上。在桨距驱动设备10内，借助于整流器设备16将电力***侧400V三相振荡电流整流成中间电路18的直流电压，该电压一般为V_ZK=560V（400V*1.41）。整流器设备16还包括一个电流控制单元36，这个电流控制单元监测并且限制电流流动，从而使得当桨距驱动设备10启动时，一个减小的电流流动，具体来说用于对能量存储设备20进行充电并且用于产生一个所希望的中间电路电压V_ZK。中间电路电容器26用于使整流器设备16的整流的电压V_ZK平滑并且用于将由逆变设备14的高频切换过程引起的电压峰值带走，该中间电路电容器被连接到中间电路18，位于中间电路18的这些电位导体之间。此外，制动电阻单元38连接到中间电路18上的方式是使得可以借助于一个制动开关元件62来使这个制动电阻单元移位工作，该制动开关元件可以是半导体开关元件。电动机控制设备64可以通过激活制动开关元件62来将来自中间电路18的电流传导到制动电阻器单元38中，其结果是，中间电路18可以变为无能量的，并且桨距电动机12可以因此被电制动。

至少在紧急操作模式中，直流电压能量存储设备20可以经由接触器触点K₀和耦合单元24直接连接到中间电路18。接触器触点K₀和必须手动激活的开关Q₁充当能量存储切换设备66起作用，这些能量存储切换设备允许例如在修理或维护的情况下能量存储设备20从中间电路18上的断开电连接。能量存储设备20包括电容器到高电容量电容器安排22的一种串联和并联连接，该能量存储设备20能够在中间电路18的电位水平V_ZK上存储能量，其中在紧急操作模式中，存储的电能可以被短暂地馈送到中间电路18中，以便至少允许电动机12的紧急运动。能量存储设备20经由一个耦合单元24耦合到中间电路18，其中耦合单元24具有如下功能：在中间电路电压V_ZK与能量存储设备20的电压之间存在略微的电压波动的情况下，抑制电流流动以便减少能量存储设备20的加载，其中电压波动可以由中间电路电容器26吸收。耦合单元24因此用以用确定的方式在能量存储设备20与中间电路电容器24之间分配功能。电动机控制设备64还包括一个控制切换单元34，这个控制切换单元在从正常操作模式转变到紧急操作模式的情况下可以在传感器控制单元32与场定向向量控制单元30之间切换。场定向向量控制单元30基于测得的电动机电流来执行IPM电动机12的无传感器控制，其中IPM电动机的特性配置允许了对桨距驱动器的驱动行为的精确控制，尤其是在低旋转速度范围内。

在紧急操作模式中，例如当供应电力***68、整流器设备16、旋转速度传感器46、旋转角度传感器50、终点位置传感器52等等发生故障时，电动机控制设备64的控制切换单元34从传感器控制设备32切换到一个向量控制单元30，这个向量控制单元基于测得的注入电流来控制IPM电动机12的旋转速度。在这种情况下，来自能量存储设备20的能量被传导到中间电路18中，其中中间电路18的电压V_ZK可以下降到200V以下。由于电动机12的IPM特性，即使在减小的中间电路电压V_ZK和低旋转速度的情况下也可以执行场定向PWM致动，结果是可以采取转子叶片48的至少一个翼片位置。

图2所示为根据本发明的桨距驱动设备10的一个另外的示例性实施方案。图2中图解说明的这个桨距驱动设备10实质上对应于图1中图解说明的实施方案，并且因此较多地省略了对这些单独部件的描述。整流器设备16包括一个三相桥整流器，以便从供应电力***68的该三相电力***电压对中间电路18的直流电压中间电路电压V_ZK进行整流。在中间电路18中，一个或多个电流传导二极管44接通，以便防止电流从逆变器设备到整流器设备16的回流，结果是出现的电压峰值可以单独地由中间电路电容器26吸收。逆变器设备14包括一个三桥逆变器，这个三桥逆变器含有六个半导体切换元件，优选为IGBT切换元件，以便将中间电路18的直流电压V_ZK转换为经PWM调制的致动位置电压而用于在旋转速度控制下操作同步电动机12。逆变器设备14的这些半导体切换元件在正常操作模式中由传感器控制单元32并且在紧急操作模式中由向量控制单元30以正确的相位来切换，其中控制切换单元34在从正常操作模式转变到紧急操作模式时在这两个控制单元30、32之间切换。然而，还可以设想向量控制单元30在正常操作模式中以及在紧急操作模式中均执行旋转速度控制。整流器设备16包括一个电流控制单元36，这个电流控制单元可以控制流入中间电路18中的电流的水平并且可以防止过量的电流流动，尤其是当桨距驱动设备10启动时，并且可以设定中间电路电压V_ZK的水平。为了测量由整流器设备16馈送的电流，将电流的水平以信号方式发送到电动机控制设备64的一个电流测量设备42被连接到DC中间电路18中，该电动机控制设备64又可以致使电流控制单元36控制这个电流的水平。

能量存储设备20经由耦合设备24直接连接到中间电路18，其中该耦合设备24不允许能量在中间电路18与能量存储设备20之间交换，直到超过可预定的电位差V_f为止。在设计、产生功能的方法以及紧急操作模式中的顺序方面，图2中的示例性实施方案在较大程度上对应于图1中的示例性实施方案。

图3是一个无源耦合单元24的四个示例性实施方案的示意图，这个无源耦合单元允许能量存储设备20耦合到桨距驱动设备10的中间电路18。在一些情况下，可以补偿电压波动、使中间电路电压V_ZK平滑并且吸收电压峰值的一个中间电路电容器26被连接到中间电路18。能量存储设备20包括一个电容器安排22，这个电容器安排借助于串联和/或并联连接的多个电容器而允许备用能量存储器的高电容能量存储。能量存储设备20具有的功能是使能量可供使用于桨距驱动器12的临时通知的紧急操作移动、在换向过程的情况下吸收再生的能量，以及在高转矩要求的情况下使能量可供使用于功率峰值。离合器单元24用于在中间电路18与能量存储设备20的内部电容器电压之间的有小的电压差的情况下防止电流流动，因为中间电路电容器26将会用于补偿这些电压差。本发明的耦合单元24可以含有多个单独的元件或者下文呈现的耦合单元24的多个元件的一种组合。

图3a图解说明一个耦合单元24的第一示例性实施方案，这个耦合单元包括两个互连的半导体功率二极管，它们为具有阈值电压V_f的耦合二极管40。在电位差超过耦合单元24的阈值电压V_f之前，不会发生能量存储设备20与中间电路18之间的电流流动。此阈值电压V_f可以如所希望的通过串联连接多个二极管来增加，结果是在适当的情况下，在中间电路电容器26与能量存储设备20之间可能出现一种“工作划分”。

图3b图解说明一个耦合单元24的第二示例性实施方案，这个耦合单元24包括一个或多个另外的中间电路电容器28，这一个或多个中间电路电容器并联连接在互连耦合二极管40的上游，位于中间电路30的电位轨之间。这些另外的中间电路电容器28增加了中间电路电容器26的电容，从而使得可以减轻相对高的电压峰值，并且使得改善的纹波抑制以及较稳定的中间电路电压V_ZK成为可能。

图3c图解说明一个耦合单元24的第三示例性实施方案，这个耦合单元包括一个电感器电路90。电感器电路90可以包括一个或多个电感器，电流可以经由这一个或多个电感器在直流电压能量存储设备20与直流电压中间电路18之间流动。电感器电路90使功率峰值平滑，并且对例如在逆变器设备14的快速切换过程、网络线的故障、电动机12的负载改变或者其他故障的情况下可能发生的谐波进行阻尼。因此，能量存储设备20是被恒定地加载的并且受保护免于高频电流波动的，其结果是增加了使用寿命。

此外，图3d所示为一个耦合单元24，这个耦合单元包括一个齐纳二极管开关92。齐纳二极管开关92可以包括一个或多个齐纳二极管或者相当的部件以满足如下目的：不会出现在中间电路18的方向上来自能量存储设备20的电流流动，直到中间电路电压V_ZK比直流电压能量存储设备20的电压V_B小了齐纳电压V_z的绝对值为止。由于齐纳二极管的特定特性，中间电路18的可更新能量传送到能量存储设备20中。只要能量存储器20的电压V_B比中间电路电压V_ZK高V_Z，包含在能量存储器20中的能量就可以输出到中间电路18。在操作期间，这意味着能量存储器20的电压V_B可以在V_ZK+V_z与V_Bmax（能量存储器20的最大电压）之间变化。

图4图解说明一个有源耦合单元24，通过该有源耦合单元，中间电路18的能量存储设备20可以接通和断开，结果是能量存储设备20可以与中间电路18去耦。耦合单元24包括一个控制装置94，这个控制装置连接到一个切换装置96，这个切换装置在此情况下为功率晶体管，例如IGBT。此外，控制装置94包括：一个电流传感器100，该电流传感器用于感测充电电流I_G，在中间电路18的接通状态下，这个充电电流可以流动到能量存储设备24；以及两个电压测量传感器，这两个电压测量传感器可以检测能量存储设备20处的电压V_B以及中间电路18处的V_ZK。最后，耦合单元24包括一个电感电路90和一个旁路分支102，这个旁路分支含有一个耦合二极管40并且旁路通过切换装置96，结果是只要U_B>U_ZK，电流I_M便可以从能量存储设备20流动到中间电路18。由于切换装置96由控制装置94接通，因此再生电流或者充电电流I_G可以从中间电路18流动到能量存储设备20中。如果中间电路电压U_B下降到能量存储电压U_ZK的水平以下，那么能量存储设备经由二极管40对中间电路18供应电流。切换装置94可以经由一个高层级的控制器连接到例如一个电动机控制设备（未图解说明），并且可以接收与能量存储器20的普通的和/或受控的充电、在逆变器14的加电期间的激活、或者在电动机操作模式期间或在电动机12的特定操作范围的情况下（例如在高负载操作模式或高频操作模式期间）的断开相关的外部命令。控制装置94可以例如当接收到一个外部接通或断开信号时静态地激活切换装置96，或者例如借助于一种控制方法来执行切换装置96的受控激活，例如借助于一个用于控制充电电流I_G的闭合控制回路。

图5是IPM同步机器的永磁体转子74的基本设计的示意图。转子74具有转子轴线80并且包括一个转子叠片铁芯76，这个转子叠片铁芯具有对应于隐蔽磁体的数目的异型极凸出部。转子叠片铁芯76经层压以便抑制涡电流损失。在各自情况下均围绕转子轴线80偏移90°的四个永磁体78被埋入在转子叠片铁芯的内部中，即，径向向内偏移，这与SPM电动机相反。由于此设计，此类型的电动机具有优良的磁阻效应，并且显著适合于无传感器控制，尤其是在低旋转速度范围中以及在场减弱操作模式中（在通过能量存储设备20而可供使用的低中间电路电压的情况下）。

在图6中，用相同的功率数据对一个优选IPM电动机的转矩/旋转速度M/rpm特性曲线与一个SPM电动机进行了对比。这个IPM电动机针对相同的功率耗用具有较高的额定旋转速度范围，并且针对相同的旋转速度rpm具有显著较高的转矩M，并且因此显著优于SPM电动机，尤其是在场减弱操作模式中。因此尤其在具有通过能量存储设备20而可供使用的减小的中间电路电压V_ZK的紧急操作模式中，可以针对高旋转速度rpm下的紧急移动而使高转矩M可供使用，其中在旋转传感器故障的情况下，即使在低旋转速度rpm下也可以借助于优良的磁阻效应来执行无传感器场定向向量控制。

Claims (13)

1.一种桨距驱动设备（10），该桨距驱动设备能够进行紧急操作以用于调整一个风力发电站或一个水力发电站的一个转子叶片，该桨距驱动设备包括一个逆变器设备（14）和一个三相电流驱动电动机，其特征在于，该驱动电动机是一个三相电流IPM（内部永磁体式）同步电动机（12）。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，至少针对一个紧急操作模式，一个直流电压能量存储设备（20）能够实质上直接连接到位于一个整流器设备（16）与该逆变器设备（14）之间的一个直流电压中间电路（18）上，以便至少短暂地将能量供应到该IPM同步电动机（12），结果是即使当中间电路电压U_ZK正在下降，该IPM同步电动机（12）也能至少短暂地在旋转速度控制下操作。

3.如权利要求1或2所述的设备，

其特征在于，该IPM同步电动机（12）是针对300到3000rpm的一个高旋转速度范围来配置的，其中在较低旋转速度范围中，尤其是在500rpm的一个额定旋转速度的范围中可以实现一个最佳效率水平。

4.如权利要求2或3所述的设备，

其特征在于，该直流电压能量存储设备（20）是一个高电容量电容器安排（22）。

5.如前述权利要求2到4中的一项权利要求所述的设备，

其特征在于，该直流电压能量存储设备（20）是针对100V DC到650V DC的一个中间电路电压U_ZK来配置的。

6.如前述权利要求2到5中的一项权利要求所述的设备，

其特征在于，该直流电压能量存储设备（20）经由一个耦合单元（24）、尤其是一个基于二极管和/或基于电感器的耦合单元（24）而连接至该中间电路（18）以便抑制干扰电压峰值，其中该耦合单元（24）优选包括至少一个另外的中间电路电容器（28）以便增加一个中间电路电容器（26）的电容。

7.如权利要求6所述的设备，

其特征在于，该耦合单元（24）包括一个控制装置（94）和一个切换装置（96），因此，至少一个充电电流I_G可以从该直流电压中间电路（18）切换到该直流电压存储设备（20）。

8.如权利要求7所述的设备，

其特征在于，包括用于对该直流电压中间电路（18）供应一个电源电流I_M的一个耦合二极管（40）的一个旁路分支（102）与该切换装置（96）并联连接，结果是一个供应电流I_M能够与该切换装置（96）的切换状态无关地流动。

9.如权利要求6或7所述的设备，

其特征在于，至少该切换装置（96）是一个半导体切换装置，并且优选连同该逆变器设备（14）的半导体切换装置和/或该整流器设备（16）的半导体桥二极管一起集成在一个半导体功率模块的一个壳体中的一个IPM壳体（集成功率模块）中。

10.如前述权利要求中的一项权利要求所述的设备，

其特征在于，该逆变器设备（14）包括一个场定向的向量控制单元（30），该向量控制单元用于在无一传感器的情况下控制该同步电动机（12）的旋转速度，该向量控制单元（30）能够至少在一个操作模式中并且优选在该同步电动机（12）的300到700rpm的一个低旋转速度范围中、尤其是在500rpm的一个旋转速度范围中执行旋转速度控制。

11.如权利要求10所述的设备，

其特征在于，该逆变器设备（14）包括一个传感器控制单元（32），该传感器控制单元连接到一个或多个机械旋转速度/旋转角度/位置传感器（46、50、52）上以用于控制该同步电动机（12）的旋转速度，并且包括一个控制切换单元（34），该控制切换单元可以在用于在正常操作模式中控制该旋转速度的该传感器控制单元（32）与用于在该紧急操作模式中控制该旋转速度的该向量控制单元（30）之间切换。

12.如前述权利要求2到11中一项权利要求所述的设备，

其特征在于，该整流器设备（16）包括一个电流控制单元（36），该电流控制单元用于限制拾取的电力***电流和/或用于该直流电压能量存储设备（20）、该中间电路电容器（26）以及该逆变器设备（14）的电流调节充电，其中在该正常操作模式中，该电流控制单元（36）能够将该中间电路电压U_ZK调整到一个可预设的值上。

13.如前述权利要求中一项权利要求所述的设备，

其特征在于，一个紧急制动电阻器单元（38）以一方式连接到该直流电压中间电路（18）以使得该紧急制动电阻器单元可以被激活以便使电能转向以用于快速制动该同步电动机（12），其中尤其在一个增加的中间电路电压U_ZK的情况下能够激活该制动电阻器单元（38）。

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