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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung für eine Rotorblattverstelleinrichtung einer
Windkraftanlage entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Rotorblätter bei
Windkraftanlagen sind innerhalb eines vorbestimmten Winkelbereiches
um eine Rotorblattachse verstellbar, damit das Rotorblatt in den
Wind gestellt werden kann (pitching-out) oder mit Bezug zur Windrichtung
angestellt werden kann (pitching-in). Da Rotorblätter sehr teuer und empfindlich
sind, ist eine Rotorblattverstellung aufgrund der insbesondere bei
Starkwind herrschenden großen
Kräfte
feinfühlig
und ohne abrupte Verzögerung
und Beschleunigung vorzunehmen. Die Rotorblattverstellung erfolgt
hydraulisch über
ein Hydraulikzylinder mit einer kolbenseitigen Kammer und einer
kolbenstangenseitigen Kammer, denen über eine elektrohydraulische
Steuervorrichtung Druckmittel zugeleitet werden. Die Druckmittelzufuhr
erfolgt in Abhängigkeit
von der erfassten Rotorblattstellung.
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In
der Patentanmeldung
DE 10
2004 044 950 wird ein magnetostriktives Messsystem zum
Erfassen einer Relativverschiebung zwischen einem Kolben und dem
Zylindergehäuse
des Hydraulikzylinders verwendet. Eine derartige lineare Wegmessung
erfordert eine entsprechende Anpassung des Aufbaus des Hydraulikzylinders,
wodurch sich die Kosten für
einen Hydraulikzylinder zur Rotorblattverstellung erhöhen.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Positionsmesseinrichtung
für eine
Rotorblattverstelleinrichtung von Windkraftanlagen mit einem einfachen
Aufbau und genauer Positionsmessung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch die Positionsmesseinrichtung gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Bei
der erfindungsgemäßen Positionsmesseinrichtung
für eine
Rotorblattverstelleinrichtung von Windkraftanlagen mit einem Hydraulikzylinder,
dessen Kolbenstange drehbar mit einem Pitchwinkelverstellglied verbunden
ist, ist ein Drehgeber zum Messen des Relativdrehens bzw. des Relativverschwenkens
zwischen der Kolbenstange und dem Pitchwinkelverstellglied vorgesehen.
Da sich der Drehgeber an vorhandene Hydraulikzylinder und Pitchwinkelverstellglieder
in einfacher Weise anbauen lässt,
ist eine kostengünstige
Fertigung der Rotorblattverstelleinrichtung möglich. Alternativ oder zusätzlich wird
eine Relativdrehung zwischen einem Schwenkzapfen des Hydraulikzylinders
und dem Zylinderlager für
den Hydraulikzylinder gemessen. Somit kann der gleiche Winkel aufgrund
von zwei Pitchpositionen bestimmt werden.
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Vorzugsweise
ist durch den Drehgeber die Rotation zwischen einem Zapfen des Pitchwinkelverstellgliedes
und einem auf den Zapfen aufgebrachten Schwenkauge an der Kolbenstange
erfassbar. Da dieses Relativverschwenken eine vorbestimmte Beziehung
zum Verschwenken des Pitchwinkelverstellgliedes erfüllt, kann
die Schwenkposition des Pitchwinkelverstellgliedes mit hoher Genaugikeit
und geringem mechanischem Aufwand gemessen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführung
ist der Drehgeber im Bereich zwischen Schwenkauge und Zapfen angeordnet,
wodurch keine mechanische Umwandlung der Relativdrehung zwischen
Schwenkauge und Zapfen vor Messung durch den Drehgeber erforderlich
ist und somit eine genaue Messung möglich ist.
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Es
wird eine Übertragung
des Messignals des Drehgebers über
einen Feldbus zu einer Ventileinrichtung zur Ansteuerung des Hydraulikzylinders
bevorzugt, da über
ein Busmodul die notwendige Intelligenz kostengünstig umsetzbar ist.
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Es
wird bevorzugt, dass der Feldbus ein CAN-Bus ist, wodurch ein weit
verbreitetes asynchrones, serielles Bussystem mit kostengünstigen
Komponenten nutzbar ist.
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Erfindungsgemäße Weiterbildungen
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Nachfolgend
wird die vorliegende Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Rotorblattverstelleinrichung mit einer elektrohydraulischen Steuervorrichtung
entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 einen
Hydraulikzylinder entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel,
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3 ein
Rotorblattverstellglied mit einem eingefahrenen Hydraulikzylinder,
und
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4 ein
Rotorblattverstellglied mit einem ausgefahrenen Hydraulikzylinder.
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In
der in 1 gezeigten Rotorblattverstelleinrichtung 1 ist
ein Pitchwinkelverstellglied 2 vorgesehen, das auf ein
nicht dargestelltes Rotorblatt wirkt, um dessen Pitchwinkel einzustellen.
Das Pitchwinkelverstellglied 2 wird durch einen Hydraulikzylinder 6 angetrieben,
dessen Kolbenstange 4 am Pitchwinkelverstellglied 2 angreift
und mit diesem einen Kurbeltrieb bildet, so dass durch Aus- und Einfahren der
Kolbenstange 4 der Pitchwinkel einstellbar ist.
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Der
Hydraulikzylinder 6 wird hydraulisch über eine Steuervorrichtung 8 angesteuert,
der ein elektrisches Steuersignal von einer programmierbaren Logiksteuereinrichtung
(PLC=Programmable Logic Controller) 10 über einen Feldbus zugeführt wird.
Ferner wird der Steuervorrichtung 8 Druckmittel von einer
nicht dargestellten Pumpe und einem Hydraulikspeicher 12 über eine
Zulaufleitung 14 zugeführt.
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Der
Hydraulikzylinder 6 weist einen Kolben 16 auf,
der über
ein an der Kolbenstange angeordnetes Drehgelenk 7 mit dem
Pitchwinkelverstellglied 2 verbunden ist. Der Kolben 16 unterteilt
den Hydraulikzylinder in einen kolbenstangenseitigen Raum 18 und
einen kolbenseitigen Raum 20. Die Steuervorrichtung 8 ist
mit dem kolbenstangenseitigen Raum 18 über eine Rücklaufleitung 22 und
mit dem kolbenseitigen Raum 20 über eine Vorlaufleitung 24 verbunden.
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Die 2 zeigt
eine schematische Draufsicht auf den Hydraulikzylinder 6,
dessen Zylindergehäuse 13 über einen
beidseitig am Zylindergehäuse 13 angeordneten
und durch ein Zylinderlager 15 gelagerten Schwenkzapfen 9 drehbar
gelagert ist. Am Kolben 16 ist die Kolbenstange 4 befestigt,
die ein in 2 in der Draufsicht und in den 3 und 4 in
der Seitenansicht dargestelltes Schwenkauge 5 aufweist,
in dem ein starr an dem Pitchwinkelverstellglied 2 angeordneter
Zapfen 3 drehbar aufgenommen ist. Das Drehgelenk 7 wird
durch das Schwenkauge 5 und den Zapfen 3 gebildet.
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Ein
in den Figuren nicht dargestellter Drehgeber misst in einem Ausführungsbeispiel
die Relativdrehung zwischen dem Zapfen 3 und dem Schwenkauge 5.
Dieser Drehgeber ist beispielsweise zwischen dem Zapfen 3 und
dem Schwenkauge 5 vorgesehen oder ist auf das Schwenkauge 5 und
den Zapfen 3 aufgebracht. Im Drehgeber erfolgt beispielsweise
eine mechanische, magnetische oder optische Abtastung der Relativdrehung
zwischen dem Zapfen 3 und dem Schwenkauge 5 und
die Erzeugung eines Messignals daraus.
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Das
Pitchwinkelverstellglied 2 und der Hydraulikzylinder 6 sind
in 3 in einer ersten Drehposition und in 4 in
einer zweiten Drehposition schematisch dargestellt.
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Die
Drehposition des Pitchwinkelverstellglieds 2 von 3,
bei der sich der Hydraulikzylinder 6 in einer der eingefahrenen
Positionen befindet, unterscheidet sich von der Drehposition von 4,
bei der sich der Hydraulikzylinder 6 in einer der ausgefahrenen
Position befindet, um den in 3 dargestellten
Winkel α und einen
in 4 dargestellten Kippwinkel γ des Hydraulikzylinders 6.
Bei einer Rotation des Pitchwinkelverstellglied 2 um den
Winkel α in
Bezug auf den Schwenkzapfen 9 des Hydraulikzylinders 6 ändert sich
die Relativposition zwischen dem Schwenkauge 5 und dem
Zapfen 3 um den in 4 dargestellten
Winkel β,
der durch den Drehgeber gemessen wird. Der Drehgeber ist über den
in 1 gezeigten Feldbus 11 mit der programmierbaren
Logiksteuereinrichtung 10 verbunden.
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In
der programmierbaren Logiksteuereinrichtung 10 werden aus
dem erfassten Winkel β unter
Berücksichtigung
von geometrischen Kenngrößen des
Pitchwinkelverstellgliedes 2 und des Hydraulikzylinders 6,
die beispielsweise Einfluss auf den Kippwinkel γ des Hydraulikzylinders 6 haben,
beispielsweise mit Hilfe einer Eichkurve, der die Relativrotation
zwischen Pitchwinkelverstellglied 2 und Schwenkauge 5 beschreibende
Winkel α ermittelt
und entsprechende Steuersignale zu den Ventilen in der Steuervorrichtung 8 erzeugt.
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Eine
derartige Positionsmessung des Pitchwinkelverstellgliedes erlaubt
einen einfachen und kostengünstigen
Anbau an beliebige Hydraulikzylinder und Pitchwinkelverstellglieder
aus dem Stand der Technik.
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In
einem alternativen Ausführungsbeispiel
wird statt der Messung des Winkels β der Kippwinkel γ des Hydraulikzylinders 6,
der eine Relativdrehung zwischen dem Schwenkzapfen 9 und
dem Zylinderlager 15, die in 2 gezeigt
ist, widerspiegelt, für
die Positionsmessung des Rotorblatts gemessen und der Logiksteuereinrichtung 10 zur
Verarbeitung als Messgröße zugeführt.
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Nachfolgend
wird der Aufbau der Steuervorrichtung 8 unter Bezugnahme
auf 1 beschrieben.
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Die
Zulaufleitung 14 verzweigt in die Rücklaufleitung 22 und
eine Verbindungsleitung 25, die zu den Eingängen von
Schaltventilen 28, 30 einer Zulauf-Ventilgruppe 26 führt. Die
Schaltventile 28, 30 der Zulauf-Ventilgruppe 26 sind
zwei parallel geschaltete 2/2-Schaltventile mit Magnetbetätigung.
Beide Schaltventile 28, 30 werden durch eine jeweilige
Feder 42, 44 in ihre geöffnete Schaltstellung a vorgespannt.
Durch Betätigung
des jeweiligen Magneten 46, 48 gelangen die Schaltventile 28, 30 in
ihren geschlossenen Schaltstellungen b. Das Schaltventil 28 der
Zulauf-Ventilgruppe 26 hat einen geringen maximalen Durchflussvolumenstrom, während das
Schaltventil 30 der Zulauf-Ventilgruppe 26 einen
großen
maximalen Durchflussvolumenstrom (größere Nennweite) aufweist. Der
Ausgang der parallel geschalteten Schaltventile 28, 30 ist über eine
Arbeitsleitung 31 an die zum kolbenseitigen Raum 20 des
Hydraulikzylinders 6 führende
Vorlaufleitung 24 angeschlossen.
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Von
der Vorlaufleitung 24 zweigt eine Ablaufleitung 32 ab,
die zu den Eingängen
von zwei Schaltventilen 38, 40 einer Ablaufventilgruppe 36 führt. Die
Schaltventile 38, 40 der Ablauf-Ventilgruppe 36 sind
ebenfalls 2/2-Schaltventile,
die durch eine zugeordnete Feder 50, 52 in die
geschlossene Schaltstellung a vorgespannt sind. Durch Betätigung des
jeweiligen Magneten 54, 56 gelangen die Schaltventile 38, 40 in
ihren geöffneten Schaltstellungen
b. Das Schaltventil 38 der Zulauf-Ventilgruppe 36 hat
einen geringen maximalen Durchflussvolumenstrom, während das
Schaltventil 40 der Zulauf-Ventilgruppe 36 einen
großen
maximalen Durchflussvolumenstrom (größere Nennweite) aufweist. Der
Ausgang der parallel geschalteten Schaltventile 38, 40 führt über eine
Tankleitung 41 zu dem Tank 34.
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Die
Magnete 46, 48 der Zulauf-Ventilgruppe 26 und
die Magnete 54, 56 der Ablauf-Ventilgruppe 36 stehen
mit einer Magnetsteuerung 58 in elektrischer Verbindung,
der über
den Feldbus 11 elektrische Signale von der programmierbaren
Logiksteuereinrichtung 10 zuführbar sind.
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Nachfolgend
wird die Funktion der elektrohydraulischen Steuerungsvorrichtung 8 entsprechend
der ersten Ausführungsbeispiel
unter Bezugnahme auf 1 erläutert.
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Die
Zulauf-Ventilgruppe
26 und die Ablauf-Ventilgruppe
36 stellen
jeweils ein Element einer Digitalhydraulik dar. Dabei unterscheiden
sich die maximalen Durchflussvolumenströme der Schaltventile
28,
30 der Zulauf-Ventilgruppe bei
einer bestimmten Druckdifferenz über
dem jeweiligen Ventil um den Faktor 2. Dabei ergibt sich bei einer
entsprechenden Ansteuerung der Schaltventile
28,
30 eine
jeweilige Volumenstromstufe entsprechend der nachfolgenden Tabelle
1.
- *)
normiert mit dem maximalen Durchfluss des kleinsten Ventils
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Auch
bei den Schaltventilen 38, 40 der Ablauf-Ventilgruppe 36 liegt
dieses Verhältnis
von 1 zu 2 von den maximalen Durchflussvolumenströmen bei
einer bestimmten Druckdifferenz über
den Ventil vor, so dass sich entsprechende Volumenströme zum Tank 34 einstellen
lassen.
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Nachfolgend
wird die Funktionsweise der Rotorblattverstelleinrichtung 1 entsprechend 1 beschrieben.
Dabei wird von der Annahme ausgegangen, dass bei eingefahrenem Kolben 16 die
Rotorblätter
mit Bezug zur Windrichtung angestellt sind, während beim ausgefahrenen Kolben 16 die
Rotorblätter
in den Wind gestellt sind.
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In
der Grundstellung sind die Magneten 46, 48 der
Schaltventile 28, 30 der Zulauf-Ventilgruppe 26 bestromt, so
dass die Schaltventile 28, 30 in ihre geschlossene
Schaltstellung b gebracht sind. Die Magneten 54, 56 der
Schaltventile 38, 40 der Ablauf-Ventilgruppe 36 sind
nicht bestromt, so dass die Schaltventile 38, 40 in ihre
geschlossene Schaltstellung a gebracht sind. Der Pumpendruck liegt über die
Zulaufleitung 14 und die Rücklaufleitung 22 im
kolbenstangenseitigen Raum 18 an. In dieser Grundstellung
ist der Hydraulikzylinder 6 hydraulisch blockiert und entsprechend
dem Pitchwinkel festgelegt.
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Wenn
ein Ausfahren des Hydraulikzylinder 6 gewünscht wird,
um das Rotorblatt aus dem Wind zu drehen (Fahnenstellung), so werden
die Magneten 46, 48 der Schaltventile 28, 30 nicht
bzw. teilweise bzw. alle bestromt, um zumindest eines der Schaltventile 28, 30 in
die geöffnete
Schaltstellung a zu bringen. Dabei richtet sich die Art und Weise
die Bestromung der Schaltventile 28, 30 nach dem
gewünschten
Volumenstrom, der von der Zulaufleitung 14 zur Vorlaufleitung 24 gefördert werden
soll, wie es in der vorstehenden Tabelle 1 wiedergegeben ist. Das
Ausfahren des Hydraulikzylinders 6 wird aufgrund der Druckmittelverbindung
zwischen dem kolbenstangenseitigen Raum 18 und dem kolbenseitigen
Raum 20 und aufgrund der Flächendifferenz zwischen der
zum kolbenseitigen Raum 20 weisenden Zylinderfläche 60 am
Kolben 16 und der zum kolbenstangenseitigen Raum 18 weisenden
Ringfläche 62 am
Kolben 16 bewirkt.
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Wenn
aus einer der ausgefahrenen Positionen des Kolbens 16 ein
Einfahren des Hydraulikzylinders 6 gewünscht wird, so werden die Schaltventile 28, 30 über eine
entsprechende Bestromung der Magnete 46, 48 in
ihrer Grundstellung b, in der eine Absperrung der Druckmittelverbindung
zuwischen der Zulaufleitung 14 und der Vorlaufleitung 24 vorliegt,
belassen. Im kolbenstangenseitigen Raum 18 liegt der Druck
in der Zulaufleitung 14 oder im Hyd raulikspeicher 12 an.
Die Magnete 54, 56 der Schaltventile 38, 40 werden
entsprechend dem gewünschten
Einfahrverhalten bestromt, so dass sich eine Druckmittelverbindung
zwischen der Ablaufleitung 32 und der Tankleitung 41 öffnet und
Druckmittel von der aus dem kolbenseitigen Raum 20 zum
Tank 34 abströmen
kann.
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Wenn
die gewünschte
Position des Kolbens 16 sowohl nach einer Einfahrbewegung
als auch nach einer Ausfahrbewegung erreicht ist, werden die Schaltventile
der Zulauf-Ventilgruppe 26 und
der Ablauf-Ventilgruppe 36 in ihre Grundstellung gebracht,
d.h. die Schaltventile 28, 30 in die Schaltposition
b und die Schaltventile 38, 40 in die Schaltposition
a. Damit ist die kolbenseitigen Raum hydraulisch blockiert, so dass
die Bewegung des Kolbens 16 im Hydraulikzylinder 6 gestoppt
werden kann.
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Die
elektrische Ansteuerung der Magnete 46, 48 der
Zulauf-Ventilgruppe 26 und der Magnet 54, 56 der
Ablauf-Ventilgruppe 36 erfolgt über eine
Magnetsteuerung, die Signale über
einen Feldbus 11, vorzugsweise einen CAN-Bus, von der programmierbaren
Logiksteuereinrichtung 10 aufnimmt.
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Sowohl
das Pitchwinkelverstellglied 2, als auch die Kolbenstange 4,
der Hydraulikzylinder 6 und die elektrohydraulische Steuervorrichtung 8 sind
vorzugsweise im Rotor der Windkraftanlage angeordnet, wobei dem
Rotor lediglich der Pumpendruck über
die Zulaufleitung 14 zugeführt und Druckmittel über die
Ablaufleitung 32 zum Tank 34 hin entnommen werden
muss. Die Magnetsteuerung 58 kann sich entweder im Rotor
der Windkraftanlage befinden, oder die Steuersignale zu den Magneten 46, 48, 54, 56 werden
von einer Magnetsteuerung in der Turmdrehegondel außerhalb
des Rotors 5 zugeführt.
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Durch
die Grundstellung des Schaltventils 28, 30 in
die geschlossene Schaltposition b wird sichergestellt, dass die
Schaltventile 28, 30 bei einem Ausfall der elektrischen
Spannungsversorgung mit Hilfe der Federn 42, 44 in
die geöffnete
Schaltstellung a gebracht werden, in denen eine Druckmittelverbindung
zwischen der Zulaufleitung 14 und der Vorlaufleitung 24 auf
gesteuert wird. Die Schaltventil 38, 40 befinden
sich in der Schaltstellung a, so dass das Druckmittel aus dem kolbenseitigen
Raum 20 zum Tank 34 nicht abströmen kann.
Auf Grund einer Druckmittelzufuhr aus dem Hydraulikspeicher 12 zum
kolbenseitigen Raum 20 erfolgt ein Ausfahren des Kolbens 16 und
somit ein Fahren in die Fahnenstellung. Damit lässt sich ein gutes Fail-safe-Verhalten
absichern.
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Statt
zwei Schaltventilen in der Zulauf-Ventilgruppe und der Ablauf-Ventilgruppe
können
in einer der Ventilgruppen oder in beiden Ventilgruppen ein weiteres
Schaltventil oder mehrere weitere Schaltventile in Parallelschaltung
vorgesehen sein. Derartige Ventilgruppen sind in der Parallelanmeldung
mit dem Titel „elektrohydraulische
Steuervorrichtung" des
gleichen Erfinders wie in der vorliegenden Anmeldung beschrieben.
Auf die Offenbarung zu drei, vier und mehr Schaltventilen je Ventilgruppe
in dieser Parallelanmeldung wird sich hiermit explizit bezogen.
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Die
Erfindung betrifft eine Positionsmesseinrichtung für eine Rotorblattverstelleinrichtung
von Windkraftanlagen mit einem Hydraulikzylinder. Die Kolbenstange
des Hydraulikzylinders ist drehbar mit einem Pitchwinkelverstellglied
verbunden. Zum Messen der Relativdrehung zwischen der Kolbenstange
und dem Pitchwinkelverstellglied oder zwischen dem Schwenkzapfen
und dem Zylinderlager ist ein Drehgeber vorgesehen.
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- 1
- Rotorblatt-Verstelleinrichtung
- 2
- Pitchwinkelverstellglied
- 3
- Zapfen
- 4
- Kolbenstange
- 5
- Schwenkauge
- 6
- Hydraulikzylinder
- 7
- Drehgelenk
- 8
- Steuervorrichtung
- 9
- Schwenkzapfen
- 10
- PLC
- 11
- Feldbus
- 12
- Hydraulikspeicher
- 13
- Zylindergehäuse
- 14
- Zulaufleitung
- 15
- Zylinderlager
- 16
- Kolben
- 18
- kolbenstangenseitiger
Raum
- 20
- kolbenseitiger
Raum
- 22
- Rücklaufleitung
- 24
- Vorlaufleitung
- 25
- Verbindungsleitung
- 26
- Zulauf-Ventilgruppe
- 28
- Schaltventil
- 30
- Schaltventil
- 31
- Arbeitsleitung
- 32
- Ablaufleitung
- 34
- Tank
- 36
- Ablauf-Ventilgruppe
- 38
- Schaltventil
- 40
- Schaltvenitl
- 41
- Tankleitung
- 42
- Feder
- 44
- Feder
- 46
- Magnet
- 48
- Magnet
- 50
- Feder
- 52
- Feder
- 54
- Magnet
- 56
- Magnet
- 58
- Magnetsteuerung
- 60
- Zylinderfläche
- 62
- Ringfläche
