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Die
Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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In
einer Vielzahl industrieller Anlagen werden elektrische Antriebe
zum Bewegen und Positionieren von Maschinenelementen eingesetzt.
Bei Windkraftanlagen mit Pitchregelung sind an einer Rotornabe Rotorblätter drehbar
befestigt. Der Anstellwinkel der Rotorblätter wird zum Zweck der Leistungsregulierung
im Betrieb laufend angepasst Neben hydraulischen Antrieben werden
dazu vermehrt elektrische Antriebe eingesetzt. Ein bewährtes Konzept
ist die Verwendung von Gleichstrommotoren. Diese können im
Fall einer Betriebsstörung
direkt mit einer Gleichstromquelle, z.B. Akkumulatoren, verbunden
werden, um die Rotorblätter
in eine Fahnenstellung zu drehen. Nachteilig an solchen Gleichstrommotoren
ist die Verwendung von einem Kommutator und Bürsten, die im Regelbetrieb
schnell verschleißen.
Die Bürsten
müssen
in regelmäßigen Intervallen
ausgetauscht werden und erhöhen
somit den Wartungsaufwand erheblich.
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Durch
den Einsatz von bürstenlosen
Motoren versucht man eine höhere
Verschleißfestigkeit
zu erzielen. Ein solches Antriebskonzept für die Blattverstellung von
Windkraftanlagen zeigt z.B. die
DE 103 35 575 B4 . Hier wird ein Asynchronmotor
mittels eines Umrichters angesteuert. Ein elektrischer Notenergiespeicher
stützt
die Spannung des Zwischenkreises falls eine Netzversorgung ausfällt.
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Nachteilig
ist, dass für
bürstenlose
Antriebe grundsätzlich
ein elektronischer Antriebsregler benötigt wird. Die Leistungshalbleiter
des Antriebsreglers können
ausfallen oder z.B. durch Überspannung
beschädigt
werden.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verschleißarmen und
zuverlässigen elektrischen
Antrieb anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebseinheit mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist die elektrische Antriebseinrichtung mit einem bürstenlosen
elektrischen Motor ausgestattet, der an seinem Versorgungsanschluss
mit einem frequenzvariablen Wechselstrom ansteuerbar ist. Zusätzlich ist
eine Gleichstromquelle vorhanden. Die Besonderheit der vorliegenden
Erfindung ist es, dass der elektrische Motor als permanent erregter
Synchronmotor ausgeführt
ist, dass ein mechanischer Kommutator vorhanden ist, welcher mit
einem Rotor des Synchronmotors gekoppelt ist und welcher in Abhängigkeit
von einer Winkellage des Rotors einen Pol der Gleichstromquelle
mit einem seiner Ausgangsleiter verbindet, und dass ein Schalter
vorgesehen ist, über
den die Ausgangsleiter des Kommutators mit dem Versorgungsanschluss
des Synchronmotors verbindbar sind.
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Auf
diese Weise kann der Synchronmotor zum Einen durch Ansteuerung seines
Versorgungsanschlusses mit Wechselstrom betätigt werden und zum Anderen – bei Notbetrieb – durch
Zuführen
eines Gleichstroms von der Gleichstromquelle gefahren werden. Der
mechanische Kommutator ist eine äußert robuste
Komponente, die bei Überspannungen – z.B. bei
Blitzeinschlägen
in die Windkraftanlage – nicht
beschädigt
wird. Die Ansteuerung des Notbetriebs ist äußert einfach und zuverlässig. Es
wird lediglich die Verbindung zwischen dem Kommutator und dem Versorgungsanschluss
des Synchronmotors über
den Schalter hergestellt. Die Verwendung des permanent erregten
Synchronmotors und die Ankopplung des Kommutators an dessen Rotor
gewährleistet
ein Anlaufen des Rotors sobald eine elektrische Verbindung zwischen
der Gleichstromquelle über
den Kommutator an den Versorgungsanschluss des Synchronmotors besteht.
Im Normalbetrieb führt der
Kommutator keinen Strom. Daher ist die Abnutzung der Bürsten gegenüber einem
herkömmlichen Gleichstrommotor
stark reduziert. Die Abnutzung lässt
sich sogar noch weiter reduzieren indem der Kommutator mechanisch
wirkungslos geschaltet wird.
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Weitere,
vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in
den Unteransprüchen angegeben.
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Eine
hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit
bei dem Anfahren einer sicheren Position lässt sich erzielen, wenn der
Schalter elektrisch ansteuerbar ist und wenn dieser bei Beaufschlagung
mit einem Ansteuerstrom trennt. Dies bedeutet umgekehrt, dass bei
Ausfall eines Ansteuerstrom die Verbindung zwischen dem Kommutator
und dem Versorgungsanschluss des Synchronmotors hergestellt ist
und der Synchronmotor ein angetriebenes Maschinenelement – z.B. ein
Rotorblatt – in
eine sichere Position verfährt.
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Eine
Antriebseinheit mit hohem Wirkungsgrad und ausgereifter, kostengünstiger
Technik erhält man
durch Verwendung eines dreiphasigen Drehstrommotors in Verbindung
mit einem Kommutator mit drei Ausgangsleitern.
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Vorzugsweise
ist durch die Anordnung aus Kommutator und Rotor eine Drehrichtung
bei Gleichstrombetrieb vorgebbar. Dies erlaubt es die Bewegungsrichtung
im Notbetrieb zuverlässig
festzulegen. Dazu wird der Kommutator so an den Rotor gekoppelt,
dass das im Stator erzeugte Drehfeld der Winkellage des Rotors in
der jeweiligen Bewegungsrichtung mit einem bestimmten Versatz aber
mit der gleichen Geschwindigkeit voraus läuft. Das Vorzeichen des Versatzes
und damit die Drehrichtung kann über die
Polung des dem Kommutator zugeführten
Gleichstrom festgelegt werden.
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Um
den Verschleiß an
den Bürsten
zu minimieren, sind diese vorzugsweise mittels einer Einrichtung
von einem Schleifring des Kommutators abhebbar. Eine solches Abheben
kann z.B. mittels eines Stellmagneten bewerkstelligt werden. Alternativ kann
der Kommutator auch über
eine schaltbare Kupplung vom Rotor des Synchronmotors abgekoppelt
werden. Hier ist jedoch zu beachten, dass die Kupplung beim Einkoppeln
eine vorgegebene Winkellage zwischen dem Rotor und dem Schleifring
sicherstellt.
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Nachfolgend
werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme
auf das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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1 stellt
den prinzipiellen Aufbau der elektrischen Antriebseinheit dar.
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In 1 ist
eine elektrische Antriebseinrichtung 1 dargestellt. Mit
dieser elektrischen Antriebseinrichtung 1 wird ein Maschinenbauteil
bewegt bzw. positioniert. Insbesondere ist die elektrische Antriebseinrichtung 1 dazu
geeignet, ein Rotorblatt einer Windkraftanlage um seine Achse zu
drehen. Auf diese Weise kann der Blattanstellwinkel des Rotorblatts
zur Regelung des Betriebszustands der Windkraftanlage verändert werden.
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Die
elektrische Antriebseinrichtung 1 wird im Normalbetrieb
aus einem Wechselstromnetz 3 gespeist. Des Weiteren ist
eine zusätzliche
Energiequelle, die Akkumulatoreinheit 5, vorhanden um auch bei
einem Ausfall des Wechselstromnetzes 3 die elektrische
Antriebseinrichtung 1 betätigen zu können. Damit kann man das entsprechende
Maschinenbauteil in eine sichere Position fahren. So werden z.B.
die Rotorblätter
einer Windkraftanlage bei Ausfall des Wechselstromnetzes 3 in
die Fahnenstellung gebracht.
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Die
elektrische Antriebseinrichtung 1 verfügt über einen Elektromotor 7.
Dieser ist als permanent erregter Synchronmotor ausgeführt. Die
Ansteuerung des Elektromotors 7 erfolgt über ein
Antriebsregelgerät 9.
Das Antriebsregelgerät 9 erzeugt
eine variable Drehstromwechselspannung mit Hilfe eines Winkelsensors 11,
der an die Motorwelle 12 angekoppelt ist. Über ein
Trennschütz 14 sind
die Ausgangsanschlüsse
des Antriebsregelgerätes 9 mit dem
Versorgungsanschluss 16 des Motors verbunden. Des Weiteren
ist die Motorwelle 12 mit einer elektrisch aufsteuerbaren
Bremse 18 und mit einer Kommutatoreinheit 20 gekoppelt.
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Die
Kommutatoreinheit 20 besteht aus einem Schleifringträger 21 auf
den ein Schleifringmuster aufgebracht ist. Weiterhin sind mehrere
Bürsten zur
Kontaktierung des Schleifringträgers 21 vorhanden.
Zwei Bürsten 23 und 24 sind
an die Pole der Akkumulatoreinheit 5 angeschlossen und
dienen dazu, zwei voneinander isolierte, ringförmige Leiterbahnen 30 und 31 des
Schleifringmusters mit einer Gleichspannung zu beaufschlagen. Mit
dieser Gleichspannung werden wechselweise die Ausgangsanschlüsse U, V
und W der Kommutatoreinheit 20 beaufschlagt. Die mit diesen
Anschlüssen
verbundenen Bürsten 25, 26 und 27 laufen
auf einer Bahn zwischen den beiden Leiterbahnen 30 und 31.
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Wechselweise
ragen Vorsprünge
der Leiterbahnen 30 und 31 in die Bahn der Bürsten 25, 26 und 27 hinein
und stellen somit periodisch einen elektrischen Kontakt zwischen
den Polen der Akkumulatoreinheit 5 und den Ausgängen U,
V und W der Kommutatoreinheit her.
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Mit
einer solchen Kommutatoreinheit 20 lässt sich das bei Ansteuerung
mit Drehstrom üblicherweise
im Synchronmotor 7 erzeugte, umlaufende Magnetfeld in 6
diskreten Schritten pro Periode darstellen. Die Abwicklung der Umfangsfläche des
Schleifringträgers 21 ist
in der 1 schematisch gezeigt. Die Bürsten 25, 26 und 27 sind
umlaufend um den Schleifringträger 21 angeordnet.
Die Anzahl der Vorsprünge
ist auf die Polzahl des Synchronmotors 7 abgestimmt. Die
Gesamtzahl der Vorsprünge
entspricht der Anzahl der Magnetpole des Synchronmotors. Je mehr
Polpaare der Synchronmotor 7 aufweist, desto öfter muss
die Bestromung der Anschlüsse
U, V und W während
einer Umdrehung des Rotors des Synchronmotors 7 wechseln.
In dem in 1 dargestellten Beispiel ist
die Kommutatoreinheit 20 für einen vierpoligen Synchronmotor 7 ausgelegt.
Dementsprechend sind je Leiterbahn 30 und 31 jeweils
zwei Vorsprünge
vorhanden. Für
einen zweipoligen Motor würde
jeweils ein Vorsprung genügen.
Der Rotor des Synchronmotors 7 und der Schleifringträger 21 sind so
gekoppelt, dass das momentan im Synchronmotor 7 erzeugte
Magnetfeld in den Umschaltpositionen des Kommutators um etwa einen
Schritt zur Winkelposition des Rotors versetzt ist.
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Weitere
Komponenten der elektrischen Antriebseinrichtung 1 sind
eine Sicherheitssteuerung 35 und ein weiteres Trennschütz 15. Über das
Trennschütz 15 kann
eine Verbindung zwischen den Ausgangsanschlüssen U, V und W der Kommutatoreinheit 20 mit
dem Versorgungsanschluss 16 des Elektromotors 7 hergestellt
werden. Die Sicherheitssteuerung 35 ist über Steuerleitungen
mit den Trennschützen 14 und 15 sowie
mit der Bremse 18 verbunden. Des Weiteren kann die Sicherheitssteuerung 35 dazu
dienen, elektromechanische Steller 36 anzusteuern, mit
denen die Bürsten 23, 24, 25, 26 und 27 von
dem Schleifringträger 21 abgehoben
werden können.
Die Sicherheitssteuerung 35 erhält auf der Signalleitung 40 ein
Statussignal von dem Antriebsregelgerät 9. Dieses Statussignal
wird von einer herkömmlichen
internen Überwachungs schaltung
des Antriebsregelgerätes 9 erzeugt
und zeigt an, ob das Antriebsregelgerät 9 ordnungsgemäß funktioniert. Insbesondere
wird eine ordnungsgemäße Funktion der
Leistungshalbleiter des Antriebsregelgerätes 9 angezeigt.
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Im
Normalbetrieb versorgt die Sicherheitssteuerung 35 das
Trennschütz 14 mit
einem Ansteuerstrom. Das Trennschütz 15 wird nicht angesteuert. Dadurch
wird das Trennschütz 14 in
der geschlossenen Stellung und das Trennschütz 15 in der offenen Stellung
gehalten, wie in der 1 dargestellt. Zusätzlich wird
die Bremse 18 mit einem Ansteuerstrom versorgt, der ein
Lösen der
Bremse 18 bewirkt. Ein weiterer Ansteuerstrom ist dem elektromechanischen
Stellern 36 der Bürsten
zugeführt.
Dieser Ansteuerstrom sorgt dafür,
dass die Bürsten
von dem Schleifringträger 21 abgehoben
sind. In diesem Normalbetrieb wird der Synchronmotor 7 durch
das Antriebsregelgerät 9 mit
elektrischer Energie versorgt. Die Bremse 18 ist gelöst. Die
elektrische Verbindung zur Kommutatoreinheit 20 über das
Trennschütz 15 ist
getrennt. Der Elektromotor 7 lässt sich also innerhalb einer
Positionsregelung oder einer Geschwindigkeitsregelung entsprechend
einem Vorgabesignal ansteuern.
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Insbesondere
findet im Normalbetrieb kein Stromfluss über die Kontaktstellen statt,
an denen die Bürsten 23, 24, 25, 26 und 27 auf
das Leiterbahnenmuster des Schleifringträgers 21 aufsetzen.
Selbst wenn die Bürsten
nicht abgehoben wären,
so wäre der
Verschleiß schon
alleine dadurch stark reduziert. Da die Bürsten 23, 24, 25, 26 und 27 gemäß diesem Ausführungsbeispiel
zusätzlich
vom Schleifringträger 21 abgehoben
sind, findet im Normalbetrieb keinerlei mechanischer Verschleiß statt.
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Erfasst
die Sicherheitssteuerung 35 den Ausfall des Antriebsregelgeräts 9 durch
das ihr von dem Antriebsregelgerät 9 auf
der Signalleitung 40 zugeführten Statussignal, so leitet
sie einen Notbetrieb ein, in dem der Motor 7 in eine sichere
Position gefahren wird. Beim Blattverstellantrieb einer Windkraftanlage
ist diese typischerweise die Fahnenposition des Rotorblattes. Im
Notbetrieb wird dem Trennschütz 15 ein
Ansteuerstrom zugeführt.
Trennschütz 14 wird
nicht angesteuert. infolgedessen trennt das Trennschütz 14 die
elektrische Verbindung zwischen dem Antriebsregler 9 und
dem Versorgungseingang 16 des Elektromotors 7.
Das Trennschütz 15 stellt eine
Verbindung zwischen dem Versorgungsanschluss 16 und den
Ausgängen
U, V und W der Kommutatoreinheit 20 her. Außerdem entfällt die
Bestromung der elektromechanischen Steller 36, sodass die
Bürsten 23, 24, 25, 26 und 27 mit
den Schleifringmuster auf dem Schleifringträger 21 in Kontakt
kommen. Die Bremse 18 bleibt zunächst gelöst.
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Durch
den Kommutator 20 werden bei geschlossenen Trennschütz 15 Statorwicklungen
des Synchronmotors 7 mit der Gleichspannung der Akkumulatoreinheit 5 verbunden.
Der Rotor des Synchronmotors 7 und das Statormagnetfeld
weisen einen Winkelversatz auf, der ein Anlaufen des Rotors bedingt.
Der Rotor nimmt den Schleifringträger 21 des Kommutators 20 bei
seiner Drehbewegung mit. Im Synchronmotor 7 wird bei Drehung
des Rotors ein dem Rotor in der jeweiligen Drehrichtung voranlaufendes
schrittweise geschaltetes magnetisches Drehfeld erzeugt. Die Drehrichtung
kann durch die Polarität
der Akkumulatoreinheit 5 vorgegeben werden.
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Im
Notbetrieb wird also der elektrische Motor 7 durch die
Akkumulatoreinheit 5 über
den Kommutator 20 versorgt. Der Elektromotor 7 treibt
die Motorwelle 12 in Richtung des Erreichens einer sicheren Position
an. Bei Erreichen der sicheren Position kann ein Abschalten der
elektrischen Antriebseinrichtung 1 auf einfache Weise durch
einen Endschalter erfolgen. Nach Erreichen der sicheren Position
wird die Bremse 18 mit der Motorwelle 12 in Eingriff
gebracht. Dadurch wird die Motorwelle 12 in der sicheren
Position festgesetzt.
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Die
Bremse 18 wird nach Beginn der Notbetriebsfahrt zunächst offen
gehalten. Erst wenn die sichere Position – die Fahnenstellung im Beispiel
der Windkraftanlage – erreicht
ist, wird die Bremse in Eingriff gebracht. Das Erreichen der sicheren
Position wird durch einen Endschalter an die Sicherheitssteuerung 35 signalisiert,
die daraufhin das Trennschütz 15 öffnet und
die Bremse 18 in Eingriff bringt. Die Sicherheitssteuerung 35 könnte ebenso
die Verbindung zwischen der Akkumulatoreinheit 5 und der Kommutatoreinheit 20 über ein geeignetes
Schaltschütz
trennen oder die Bürsten 23 und 24 bzw. 25, 26 und 27 von
dem Schleifringträger 21 abheben.
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Der
Notbetrieb wird beendet, wenn die Sicherheitssteuerung 35 nach
erfolgter Fehlerbeseitigung ein fehlerfreies Antriebsregelgerät 9 feststellt. Infolgedessen
wird der für
den Normalbetrieb beschriebene Zustand der Trennschütze 14 und 15,
der Bremse 18 und der elektromechanischen Steller 36 wieder
hergestellt. Damit ist der Elektromotor 7 wieder aus dem
Antriebsregelgerät 9 ansteuerbar.
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Die
Sicherheitssteuerung 35 kann als eigene elektronische bzw.
elektromechanische Baugruppe ausgeführt sein. Diese wird mittels
des Statussignals des Antriebsregelgeräts 9 angesteuert.
Die Sicherheitssteuerung kann jedoch auch in das Antriebsregelgerät 9 integriert
sein.
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Anstelle
des Trennschützes 15,
welches im angesteuerten Zustand schließt, kann ein Trennschütz verwendet
werden, welches im angesteuerten Zustand offen ist. Dieses Trennschütz würde im Normalbetrieb
bestromt und so offen gehalten. Ein solches Trennschütz würde im Notbetriebsfall
selbst bei Ausbleiben einer Stromversorgung für die Sicherheitssteuerung 35 die
Verbindung zwischen dem Kommutator 20 und dem Synchronmotor 7 zuverlässig herstellen.
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Die
vorliegende Erfindung gibt eine elektrische Antriebseinrichtung
an, die mit einem bürstenlosen
permanent erregten Synchronmotor ausgestattet ist. Der permanent
erregte Synchronmotor wird durch ein Antriebsregelgerät mit einem
frequenzvariablem Wechselstrom angesteuert. Zusätzlich wurde die Möglichkeit
geschaffen, den Elektromotor aus einer Akkumulatoreinheit direkt
mit Gleichstrom anzutreiben. Dazu ist ein mechanischer Kommutator
mit dem Rotor des Synchronmotors gekoppelt und ein Schalter vorgesehen,
durch den die Ausgangsleiter des Kommutators mit dem Versorgungsanschluss
des Synchronmotors verbunden werden können. Die vorliegende Erfindung
ermöglicht
somit eine zuverlässigen
Notbetriebsfahrt der elektrischen Antriebseinrichtung in eine sichere
Position unter Verwendung einer Gleichstromquelle und einfachster,
elektromechanischer Schaltmittel.
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- 1
- Elektrische
Antriebseinheit
- 3
- Wechselstromnetz
- 5
- Akkumulatoreinheit
- 7
- Elektromotor
- 9
- Antriebsregelgerät
- 11
- Drehwinkelsensor
- 12
- Motorwelle
- 14
- Trennschütz
- 15
- Trennschütz
- 16
- Versorgungsanschluss
- 18
- Bremse
- 20
- Kommutatoreinheit
- 21
- Schleifringträger
- 23
- Bürste
- 24
- Bürste
- 25
- Bürste
- 26
- Bürste
- 27
- Bürste
- 30
- Leiterbahn
- 31
- Leiterbahn
- 35
- Sicherheitssteuerung
- 36
- Elektromechanische
Steller
- 40
- Statussignalleitung
- U
- Ausgangsleiter
- V
- Ausgangsleiter
- W
- Ausgangsleiter