DE102017204291A1

DE102017204291A1 - Elektrohydraulischer Antrieb, Antriebsanordnung, Strömungsmaschine und Verfahren

Info

Publication number: DE102017204291A1
Application number: DE102017204291.5A
Authority: DE
Inventors: Yukio Kamizuru; Kirsten Eisermann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2018-09-20
Also published as: CN108626184A

Abstract

Offenbart ist ein elektrohydraulischer Antrieb für ein drehbares Rotorblatt einer Windenergieanlage. Dieser hat hierbei zum Verdrehen des Rotorblatts eine Hydromaschine und eine elektrische Maschine. Diese sind gemeinsam zum Verdrehen des Rotorblatts einsetzbar.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen elektrohydraulischen Antrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, der beispielsweise für eine Windenergieanlage oder für eine Strömungsmaschine mit verstellbaren Rotorblättern, einsetzbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Antriebsanordnung die eine Mehrzahl von elektrischen Antrieben aufweist. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf eine Windenergieanlage mit einem derartigen Antrieb und ein Verfahren mit einem derartigen Antrieb.
Hintergrund der Erfindung
Aus dem Stand der Technik sind Windenergieanalagen bekannt, die einen Turm aufweisen, auf dem drehbar eine Gondel angeordnet ist. An dieser wiederum kann drehbar eine Nabe befestigt sein, an der Rotorblätter angeordnet sind. Ein Winkel oder Pitch der Rotorblätter um ihre jeweilige Längsachse kann hierbei einstellbar sein. Zum Einstellen können beispielsweise hydraulische Blattverstellsysteme (H-Pitch) oder elektrische Blattverstellsysteme (E-Pitch) eingesetzt werden. Bei hydraulischen Lösungen versorgt beispielsweise ein (beispielsweise in der Gondel untergebrachtes) zentrales Aggregat über eine Drehdurchführung innerhalb der rotierbaren Nabe Hydraulikzylinder, die jeweils an einer Blattwurzel des Rotorblatts angreifen. Bei elektrischen Blattverstellsystemen kann für ein jeweiliges Rotorblatt eine elektrische Maschine vorgesehen sein, die beispielsweise über ein Getriebe das zugeordnete Rotorblatt verstellen kann. Hierfür kann vorgesehen sein, dass das Getriebe mit einem Ritzel an einen Zahnring des Rotorblatts eingreift, wobei der Zahnring umlaufend an der Blattwurzel angebracht ist. Mit dem Getriebe kann die Motordrehzahl der elektrischen Maschine untersetzt werden und das Drehmoment auf das Rotorblatt übertragen werden.
Bei Blattverstellsystemen ist es notwendig, dass die Rotorblätter aus dem Wind auch bei Fehlerzuständen in Form eines Ausfalls der elektrischen oder hydraulischen Versorgung herausgedreht werden können. Um dies zu gewährleisten kann beispielsweise bei E-Pitch ein elektrischer Speicher eingesetzt sein, wie beispielsweise ein Blei-Gel-Akkumulator oder ein Kondensator oder ein Superkondensator („Super Cap“). Dies führt nachteilig zu Kosten für den Speicher, und die Regelelektronik. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass derartige Speicher vergleichsweise fehleranfällig sind, was zu einem höheren Risiko hinsichtlich einer sinkenden Anlagenverfügbarkeit führt. Beispielsweise kann die mögliche geringere Anlageverfügbarkeit aufgrund von Wartungsarbeiten und Austauscharbeiten bezüglicher der elektrischen Speicher basieren, während denen die Windenergieanlage außer Betrieb ist. Des Weiteren steigt das Risiko, dass die Rotorblätter bei einem ausgefallenen Speicher nicht mehr aus dem Wind gedreht werden können.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde einen elektrohydraulischen Antrieb zu schaffen, mit dem vorrichtungstechnisch einfach ein Rotorblatt sicher bewegbar ist. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung eine Antriebsanordnung mit einer Mehrzahl von derartigen Antrieben zu schaffen. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung eine Strömungsmaschine zu schaffen, die vorrichtungstechnisch einfach und sicher einsetzbar ist. Außerdem soll ein einfaches und sicheres Verfahren zum Betreiben eines Antriebs oder einer Antriebsanordnung oder einer Strömungsmaschine geschaffen werden.
Die Aufgabe hinsichtlich des Antriebs wird gelöst gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich der Antriebsanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13, hinsichtlich der Strömungsmaschine gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 und hinsichtlich dem Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Erfindungsgemäß ist ein elektrohydraulischer Antrieb oder Rotationsantrieb insbesondere für ein Rotorblatt einer Strömungsmaschine vorgesehen. Dieser kann eine elektrische Maschine und eine Hydromaschine aufweisen. Eine jeweilige Maschine kann hierbei mechanisch mit dem Rotorblatt gekoppelt sein, womit eine Leistungsverzweigung zum Verstellen des Rotorblatts vorgesehen sein kann. Vorteilhafter Weise können die elektrische Maschine und die Hydromaschine zum Verdrehen des Rotorblatts, insbesondere parallel, einsetzbar sein. Mit anderen Worten kann ein hybrider Antrieb für die Verstellung des Rotorblatts (Pitch) vorgesehen sein. Der elektrische Antrieb und der hydraulische Antrieb können hierbei mechanisch parallel und/oder in Form einer Leistungsverzweigung wirksam sein.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass durch den hybriden Einsatz der elektrischen Maschine und der Hydromaschine die elektrische Maschine und deren Leistungselektronik für eine geringere Last ausgelegt werden kann. Dies führt zu einem sogenannten „Downsizing“ von der Leistungselektronik und der elektrischen Maschine. Dies wiederum führt zu einer geringeren Baugröße und Masse der in der Nabe einzubauenden Baugruppen, trotz zusätzlicher Hydromaschine. Außerdem wird durch den hybriden Antrieb die Sicherheit erhöht, dass bei einem Stromausfall weiterhin die Hydromaschine zum Verdrehen des Rotorblatts einsetzbar ist. Außerdem hat sich bei Strömungsmaschinen, insbesondere in Form einer Windenergieanlage, gezeigt, dass elektrische und leistungselektronische Komponenten vergleichsweise fehlerbehaftet sind. Durch den geringeren Anteil von Leistungselektronik und Elektrik beim Drehen des Rotorblatts, beispielsweise im Vergleich zu reinen E-Pitch-Antrieben, wird somit insgesamt die Anlagenverfügbarkeit der Windenergieanlage erhöht. Des Weiteren ist äußerst vorteilhaft, dass bei einer Notfahrt eine Verstellung des Rotorblatts hydraulisch ohne Leistungselektronik und Elektrik erfolgen kann. Es ist somit vorteilhafterweise keine Wandlung von elektrischer in mechanische Energie notwendig.
Die Strömungsmaschine ist beispielsweise als Windenergieanlage ausgebildet. Alternativ ist denkbar, dass die Strömungsmaschine als Gezeitenturbine ausgebildet ist. Des Weiteren ist alternativ denkbar, dass die Strömungsmaschine entsprechend der Windenergieanlage ausgebildet ist, allerdings für ein anderes Fluid, wie beispielsweise Wasser eingesetzt ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrohydraulische Antrieb vorzugsweise derart ausgestaltet, dass ein Verdrehen des Rotorblatts alleine durch die Hydromaschine und alleine durch die elektrische Maschine und durch die Hydromaschine und die Elektromaschine gemeinsam, insbesondere zeitgleich oder im Wesentlichen zeitgleich, erfolgen kann. Hierdurch kann eine Tandemanordnung umgesetzt sein. Somit ist der Vorteil des erfindungsgemäßen Antriebs, dass die elektrische Maschine nicht mehr, wie üblich auf die Nennbelastung des Blattverstellmechanismus ausgelegt werden muss. Die Nennbelastung liegt üblicherweise sehr viel höher als die regelmäßig abgerufene Last. Da das Rotorblatt neben der elektrischen Maschine zusätzlich mit der Hydromaschine verdrehbar ist, kann die elektrische Maschine und die Leistungselektronik für eine deutlich geringere Last auslegbar sein, da bei Bedarf eben einfach beide Maschinen eingesetzt werden, um das Rotorblatt zu verdrehen. Dies führt zu erheblichen Kosten- und Gewichtsvorteilen.
Sind die elektrische Maschine und die Hydromaschine über eine Triebwelle mit dem Rotorblatt verbunden, so kann auf einfache Weise eine mechanische Kopplung der Maschinen mit dem Rotorblatt erfolgen. Vorzugsweise ist die Hydromaschine und/oder die elektrische Maschine an die Triebwelle über einen Kraft- und/oder Formschluss gekoppelt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist denkbar, dass die Triebwelle ausgehend von der elektrischen Maschine über einen Durchtrieb der Hydromaschine mit dem anzutreibenden oder antreibenden Rotorblatt verbunden ist. Mit einem derartigen Durchtrieb ist eine äußerst kompakte Ausgestaltung und Anordnung der Maschinen ermöglicht, wodurch ein Bauraumbedarf insbesondere in einer Nabe einer den Antrieb einsetzenden Windenergieanlage sinkt. Alternativ zum Durchtrieb ist denkbar, die Hydromaschine und/oder die elektrische Maschine beispielsweise über einen Kettentrieb oder Riementrieb oder über ein Zahnrad oder über ein Getriebe oder über eine elektromagnetische Kupplung mit der Triebwelle zu verbinden. Außerdem ist alternativ denkbar, die elektrische Maschine mit zwei Wellenenden vorzusehen, wobei an einem Wellenende eine Verbindung zum Rotorblatt erfolgt und am anderen Wellenende die Hydromaschine mit einem der obenstehend genannten Mittel, wie beispielsweise einem Durchtrieb, angeschlossen ist.
Vorzugsweise ist zumindest ein Betriebsmodus der Hydromaschine oder des hydraulischen Antriebs über zumindest ein Ventil oder über mehrere Ventile gesteuert. Beispielsweise ist denkbar, dass ein erster Arbeitsanschluss der Hydromaschine über eine Ventilanordnung, die zumindest ein Ventil hat, mit zumindest einem Hochdruckspeicher verbindbar ist. Ein zweiter Arbeitsanschluss kann dann, beispielsweise über die Ventilanordnung oder direkt, mit einem Niederdruckspeicher verbindbar oder verbunden sein. Die Ventilanordnung kann dann derart ausgestaltet sein, dass Druckmittel vom Hochdruckspeicher über die Hydromaschine zum Niederdruckspeicher und umgekehrt strömbar ist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass über die Ventilanordnung der Strömungspfad zwischen dem Hochdruckspeicher und der Hydromaschine absperrbar ist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Hydromaschine in einem Leerlauf betreibbar ist. Somit sind auf vorrichtungstechnisch äußerst einfache Weise verschiedene Betriebsmodi ermöglicht. So kann beispielsweise in einem Normalbetrieb die Hydromaschine im Leerlauf betrieben werden und der Hochdruckspeicher abgesperrt sein, wodurch dann das Rotorblatt über die elektrische Maschine in beide Verdrehrichtungen verdrehbar ist. Des Weiteren kann hierbei auch das Rotorblatt die elektrische Maschine antreiben, womit diese als Generator eingesetzt werden kann. Dies ist beispielsweise vorteilhaft zum Abbremsen des Rotorblatts, nachdem diese von der elektrischen Maschine zum Verdrehen beschleunigt wurde. Außerdem ist ein Hybridmodus ermöglicht, bei dem Druckmittel vom Hochdruckspeicher über die Hydromaschine zum Niederdruckspeicher strömt, um die Hydromaschine zusammen mit der elektrischen Maschine anzutreiben. Des Weiteren kann hierbei auch ein Abbremsen vorgesehen sein, in dem die Hydromaschine Druckmittel vom Niederdruckspeicher zum Hochdruckspeicher fördert. Außerdem ist eine, insbesondere (elektrisch) ungeregelte, insbesondere hydraulisch gesteuerte, Notfahrt ermöglicht, indem die Hydromaschine alleine, beispielsweise bei einem Stromausfall, eingesetzt ist, indem Druckmittel von Hochdruckspeicher über die Hydromaschine zum Niederdruckspeicher strömt. Somit kann bei einem Ausfall der Antriebsleistung der elektrischen Maschine der Hochdruckspeicher die notwendige Energie für eine Notfahrt bereitstellen. Mit anderen Worten sind die Hoch- und Niederdruckspeicher sowie die Hydromaschine über die Ventilanordnung derart miteinander verbunden, dass eine Leistungsverzweigung in allen Betriebspunkten ermöglicht ist. Vorzugsweise kann dann in jeder Dreh- und Momentenwirkrichtung der Hydromaschine zusätzlich Energie aus dem Hochdruckspeicher zur Unterstützung der Antriebsleistung der elektrischen Maschine bezogen werden. Ebenso kann der Hochdruckspeicher Bremsenergie aufnehmen. Somit können, wie vorstehend bereits angeführt, die elektrischen und leistungselektronischen Komponenten kleiner, insbesondere in Richtung einer Durchschnittsleistung, ausgelegt werden. Der elektrohydraulische Antrieb ist somit insgesamt kostengünstiger als herkömmliche elektrische Blattverstellsysteme.
Es ist denkbar, dass bei Bedarf, insbesondere bei einer Notfahrt, über einen Bremswiderstand der elektrischen Maschine ein Bremsmoment auf die Triebwelle aufbringbar ist.
Um die Hydromaschine vorrichtungstechnisch einfach im Leerlauf zu betreiben, kann diese verstellbar oder verschwenkbar, und/ oder mittels einer Kupplung vom Antriebstrang trennbar sein. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein ein Umlaufventil einzusetzen. Dieses kann dann zum Auf- und Zusteuern einer Verbindung der Arbeitsanschlüsse der Hydromaschine dienen. Bei einem offenen Umlaufventil kann die Hydromaschine dann auch im Leerlauf betrieben werden. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Umlaufventil um ein Schaltventil, dessen Ventilkörper, insbesondere in Form eines Ventilschiebers oder Steuerkolbens, mit der Federkraft einer Ventilfeder in Richtung seiner Schließposition beaufschlagt ist. Über einen elektrischen Aktor kann der Ventilkörper in eine Öffnungsposition geschaltet werden. Somit wird, beispielsweise bei einem Stromausfall, ein Leerlauf der Hydromaschine aufgrund des Umlaufventils vermieden.
Ist ein Umlaufventil eingesetzt, so ist weiter denkbar, dass die Hydromaschine vorrichtungstechnisch und regelungstechnisch einfach als Konstanteinheit ausgebildet ist, da ein Leerlauf dieser Konstanteinheit dann über das aufsteuerbare Umlaufventil ermöglicht ist.
Ist eine Kupplung eingesetzt, so ist denkbar, dass diese in unbetätigter Stellung eine kraft- oder formschlüssige Verbindung, insbesondere zwischen dem Rotorblatt und der Hydromaschine und/oder der elektrischen Maschine, herstellt und somit die Hydromaschine betriebs- und ausfallsicher mit der Haupt-Antriebswelle des Systems oder der Triebwelle des Systems und somit mit der elektrischen Maschine verbindet. Zum Trennen der Kupplung kann im System vorhandene hydraulische oder elektrische Energie aufgebracht werden.
Wie vorstehend bereits angeführt ist/sind vorzugsweise die elektrische Maschine alleine und die Hydromaschine alleine und die elektrische Maschine und die Hydromaschine zusammen von dem Rotorblatt, insbesondere über die Triebwelle, antreibbar. So kann auf einfache Weise ein Abbremsen des Rotorblatts bei einer vorrausgehenden Beschleunigung erfolgen und zusätzlich Energie durch Rekuperation gewonnen werden. Außerdem ist denkbar, das Rotorblatt aufgrund einer Windströmung oder einer Windenergie ohne zusätzlichen Antrieb zu verstellen, wobei das Rotorblatt dann eine der Maschinen oder beide Maschinen antreibt.
Vorzugsweise ist die verstellbare Hydromaschine durchschwenkbar und insbesondere im Vier-Quadranten-Betrieb einsetzbar. Somit kann diese auf einfach Weise als Hydropumpe und Hydromotor in beiden Drehrichtungen eingesetzt werden. Ist eine Konstanteinheit vorgesehen, so ist diese vorzugsweise ebenfalls in beiden Drehrichtungen als Hydropumpe und als Hydromotor einsetzbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhafter Weise vorgesehen, dass der zumindest eine Hochdruckspeicher und/oder der zumindest eine Niederdruckspeicher als Kolbenspeicher ausgebildet ist/sind. Derartige Kolbenspeicher sind äußerst vorteilhaft für eine Windenergieanlage, da sie robust, kompakt und wartungsarm sind. Des Weiteren weisen sie eine geringe Anfälligkeit hinsichtlich einer Stickstoff-Diffusion auf. Dagegen sind im Stand der Technik bei elektrischen Blattverstellsystemen fehleranfällige elektrische Speicher vorgesehen. Durch den Einsatz eines Kolbenspeichers steigt somit die Anlagenverfügbarkeit der Windenergieanlage. Alternativ ist denkbar den zumindest einen Hochdruckspeicher und/oder der zumindest einen Niederdruckspeicher als Blasenspeicher auszubilden, wobei auch eine Kombination aus Blasenspeicher und Kolbenspeicher denkbar ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die elektrische Maschine und die Hydromaschine über eine Kupplung mit dem Rotorblatt verbunden. Insbesondere ist hierbei die Triebwelle über die Kupplung mit dem Rotorblatt verbunden. Die Kupplung hat den Vorteil, dass auf vorrichtungstechnisch einfache Weise im ausgekuppelten Zustand beispielsweise ein Speicherladebetrieb ermöglicht ist, indem die Hydromaschine von der elektrischen Maschine angetrieben ist und Druckmittel vom Niederdruckspeicher zum Hochdruckspeicher fördert. Dies ist äußerst vorteilhaft bei Stillstand des Rotorblattes.
Alternativ oder zusätzlich zur Kupplung kann vorteilhafterweise eine Bremse für das Rotorblatt und/oder für die Triebwelle vorgesehen sein. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise bei aktivierter Bremse eine Parkposition ermöglicht ist, bei der weder das Rotorblatt noch die elektrische Maschine und die Hydromaschine bewegbar sind. Beispielsweise ist weiter denkbar, dass dann hierbei der Hydrospeicher über weitere Mittel geladen werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann ein Getriebe oder ein Riementrieb vorgesehen sein, über das das Rotorblatt mit der elektrischen Maschine und der Hydromaschine, insbesondere mit deren Triebwelle, verbunden ist. So kann eine Motordrehzahl der elektrischen Maschine und/oder der Hydromaschine untersetzt werden. Vorzugsweise ist die Kupplung zwischen der Hydromaschine und dem Getriebe angeordnet. Alternativ ist denkbar, dass die Kupplung zwischen der elektrischen Maschine und dem Getriebe vorgesehen ist, insbesondere wenn die Hydromaschine auf einer Seite der elektrischen Maschine und das Getriebe auf der anderen Seite der elektrischen Maschine angeordnet sind. Ist eine Bremse vorgesehen, so kann diese zwischen der Hydromaschine und dem Getriebe angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich zur Bremse ist denkbar für die elektrische Maschine einen Bremsmotor vorzusehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ventilanordnung ein Hochdruckspeicher(HDS)-Ventil hat. Dieses kann dann zwischen dem Hochdruckspeicher und dem ersten Arbeitsanschluss der Hydromaschine angeschlossen sein. Das HDS-Ventil hat beispielsweise einen Ventilschieber, der über eine Ventilfeder mit einer Federkraft in Richtung einer Öffnungsposition beaufschlagbar ist. In Richtung der Schließposition kann er von einem elektrischen Aktor mit einer Kraft beaufschlagbar sein. Somit kann beispielsweise bei Stromausfall das Ventil über die Federkraft aufgesteuert werden, womit Druckmittel vom Hochdruckspeicher über die Hydromaschine strömen kann, um diese anzutreiben, womit wiederum diese beispielsweise das Rotorblatt aus dem Wind drehen kann.
Vorzugsweise hat die Ventilanordnung ein Niederdruckspeicher(NDS)-Ventil. Dieses kann zwischen dem Niederdruckspeicher und dem zweiten Arbeitsanschluss angeschlossen sein. Das NDS-Ventil hat vorzugsweise einen Ventilschieber, der über eine Ventilfeder mit einer Federkraft in Richtung seiner Öffnungsposition beaufschlagbar ist. In Richtung seiner Schließposition kann der Ventilschieber von einem elektrischen Aktor betätigbar sein. Somit ist vorgesehen, dass bei einem Stromausfall eine Druckmittelverbindung zwischen der Hydromaschine und dem Niederdruckspeicher aufgesteuert ist. Sind ein HDS-Ventil und ein NDS-Ventil vorgesehen, so kann die Hydromaschine vollständig von den Speichern entkoppelt werden. Dies ist vorteilhaft für einen Leerlauf der Hydromaschine.
Mit Vorteil kann die Ventilanordnung ein weiteres zweites Hochdruckspeicher(HDS)-Ventil aufweisen. Dies kann dann zwischen dem Hochdruckspeicher und dem zweiten Arbeitsanschluss angeschlossen sein. Insbesondere ist es zum einen an den Strömungspfad zwischen dem zweiten Arbeitsanschluss und dem ersten NDS-Ventil und zum anderen an den Strömungspfad zwischen dem Hochdruckspeicher und dem ersten HDS-Ventil angeschlossen. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Ventilanordnung ein weiteres zweites Niederdruckspeicher(NDS)-Ventil aufweist. Dieses kann zum einen an den Strömungspfad zwischen dem Niederdruckspeicher und dem ersten NDS-Ventil und zum anderen an den Strömungspfad zwischen dem Umlaufventil und dem ersten Arbeitsanschluss der Hydromaschine angeschlossen sein. Durch diese Ausgestaltung kann beispielsweise die Hydromaschine in Form einer Konstanteinheit in beiden Drehrichtungen zum Abbremsen des Rotorblatts eingesetzt werden.
Vorzugsweise hat/haben das zweite HDS-Ventil und/oder das zweite NDS-Ventil einen Ventilschieber oder jeweils einen Ventilschieber, der über eine Ventilfeder oder die jeweils über eine Ventilfeder mit einer Federkraft in Richtung einer Schließposition beaufschlagbar ist/sind. Dies ist äußerst Vorteilhaft beispielsweise für einen Notfahrbetrieb bei einem Stromausfall womit dann nur das erste HDS-Ventil und das erste NDS-Ventil geöffnet sind. In entgegengesetzter Richtung kann dann der Ventilschieber oder ein jeweiliger Ventilschieber in seiner Öffnungsposition von einem elektrischen Aktor mit einer Kraft beaufschlagbar sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorteilhafterweise ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen, um einen Speicherdruck des Hochdruckspeichers zu begrenzen, wodurch eine Sicherheit erhöht ist. Dieses kann beispielsweise zum einen an dem Strömungspfad zwischen dem ersten HDS-Ventil und dem Hochdruckspeicher und zum anderen direkt an den Niederdruckspeicher angeschlossen sein. Ein Öffnungsdruck des Druckbegrenzungsventils ist vorteilhafterweise einstellbar.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine, insbesondere über ein Antriebsregelgerät oder Steuerteil, mit einem Stromnetz verbunden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine direkt an das Stromnetz angeschlossen. Hierbei kann beispielsweise eine Schleifringvorrichtung oder AC-Schleifringvorrichtung zwischen der Nabe und der Gondel vorgesehen sein. Das Antriebsregelgerät und/oder ein Versorgungsgerät sind hierbei vorzugsweise in der Nabe, insbesondere direkt an der elektrischen Maschine, vorgesehen. Bei einer alternativen Ausführungsform ist ein an das Stromnetz angeschlossenes Versorgungsgerät in der Gondel vorgesehen, das dann über einen Zwischenkreis, in dem ein Gleichstrom vorgesehen ist, mit einem Umrichter verbunden ist, der den Gleichstrom in Wechselstrom zur Versorgung der elektrischen Maschine wandelt. Der Umrichter ist vorzugsweise in der Nabe vorgesehen. Der Zwischenkreis kann ausgehend von der Gondel über eine Schleifringvorrichtung in die Nabe geführt werden. Optional kann, um die Sicherheit des Antriebs zu erhöhen, ein elektrischer Speicher an den Zwischenkreis angeschlossen sein. Durch zumindest einen zusätzlichen elektrischen Speicher kann somit bei einem Ausfall der Stromversorgung die elektrische Maschine weiterhin mit Strom versorgbar sein, um beispielsweise das Rotorblatt aus dem Wind zu drehen. Mit den Hydrospeichern ist somit eine Redundanz geschaffen, die zu einer höheren Sicherheit führt. Als Speicher kann beispielsweise eine Kapazität, wie beispielsweise ein Kondensator oder ein Hochleistungs-Kondensator(„Super Caps“), vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich ist denkbar als Speicher einen Akkumulator, wie beispielsweise einen Blei-Gel-Akkumulator einzusetzen, der dann beispielsweise über einen DC/DC-Wandler mit dem Zwischenkreis verbunden sein kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine weitere Hydromaschine vorgesehen. Deren erster Arbeitsanschluss kann dann mit dem Hochdruckspeicher und deren zweiter Arbeitsanschluss mit dem Niederdruckspeicher verbindbar sein. Die weitere Hydromaschine kann dann beispielsweise als Hydropumpe Druckmittel vom Niederdruckspeicher zum Hochdruckspeicher fördern, um diesen aufzuladen. Dies kann beispielsweise völlig unabhängig der Betriebsmodi erfolgen, insbesondere unabhängig von Schaltzuständen der Ventilanordnung und dem Einsatz der Hydromaschine für die Verdrehung des Rotorblatts. Des Weiteren ist denkbar, dass über die weitere Hydromaschine Druckmittel vom Hochdruckspeicher zum Niederdruckspeicher strömbar ist, um die weiter Hydromaschine als Hydromotor anzutreiben. So kann beispielsweise elektrische Energie gewonnen werden. Die weitere Hydromaschine ist vorzugsweise mit einer weiteren elektrischen Maschine verbunden, um diese anzutreiben und von dieser angetrieben zu sein. Zur Energierückgewinnung über die weitere Hydromaschine ist die elektrische Maschine dann vorzugsweise als Generator eingesetzt. Vorzugsweise ist die weitere elektrische Maschine dann an den Zwischenkreis angeschlossen, insbesondere über einen Wechselrichter. Somit kann die weitere Hydromaschine die elektrische Maschine als Generator antreiben, womit Energie für die elektrische Maschine zum Verdrehen des Rotorblatts gewonnen werden kann und/oder um eine Regelung ohne Stromunterbrechung fortzuführen. Vorzugsweise ist somit eine elektrische Energie gewinnbar, um bei einer kurzzeitigen Unterbrechung der Stromversorgung, insbesondere von weniger als 30s, insbesondere von weniger als 10s, vorzugsweise von weniger als 6s, eine Regelung fortzuführen und/oder das Rotorblatt zu verstellen. Dies ist somit äußerst vorteilhaft bei einem Stromausfall, um elektrische Energie bereitzustellen. Des Weiteren ist denkbar, dass vorteilhafterweise über die weitere elektrische Maschine der zumindest eine an den Zwischenkreis angeschlossene elektrische Speicher geladen wird.
Vorzugsweise ist zwischen dem ersten Arbeitsanschluss der weiteren Hydromaschine und dem Hochdruckspeicher ein Hochdruckspeicher(HDS)-Ventil vorgesehen, mit dem eine Verbindung auf- und zusteuerbar ist. Das HDS-Ventil ist hierbei vorzugsweise am Strömungspfad zwischen dem Hochdruckspeicher und der Ventilanordnung angeschlossen. Des Weiteren kann zwischen dem zweiten Arbeitsanschluss der weiteren Hydromaschine und dem Niederdruckspeicher ein Niederdruckspeicher(NDS)-Ventil vorgesehen sein. Mit diesen kann dann ebenfalls eine Druckmittelverbindung auf- und zusteuerbar sein. Das NDS-Ventil ist hierbei vorzugsweise am Strömungspfad zwischen dem Niederdruckspeicher und der Ventilanordnung angeschlossen. Somit kann die weitere Hydromaschine einfach vom Hochdruckspeicher und/oder von Niederdruckspeicher unabhängig zur Ventilanordnung entkoppelt werden.
Erfindungsgemäß ist eine Antriebsanordnung mit einer Mehrzahl von Antrieben gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Aspekte vorgesehen. Somit kann beispielsweis bei einer Windenergieanlage mit einer Mehrzahl von drehbaren Rotorblättern für ein jeweiliges Rotorblatt ein elektrohydraulischer Antrieb vorgesehen sein. Die elektrischen Maschinen sind beispielsweise einfach an einem gemeinsamen elektrischen Zwischenkreis angeschlossen.
Erfindungsgemäß ist eine Strömungsmaschine, insbesondere eine Windenergieanlage, vorgesehen, die eine Nabe aufweist, die mit einer Gondel verbunden sein kann. An der Nabe ist zumindest ein Rotorblatt verstellbar befestigt, wobei das Rotorblatt mit einem Antrieb gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Aspekte verstellbar ist. Wie vorstehend bereits angeführt kann das Stromnetz über eine Schnittstelle, insbesondere über Schleifkontakte, von der Gondel zur Nabe geführt sein. Der Antrieb oder die Antriebsanordnung sind vorzugsweise in der Nabe angeordnet.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren mit einem Antrieb gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Aspekte oder mit einer Antriebsanordnung gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Aspekte oder mit einer Strömungsmaschine gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Aspekte vorgesehen. Vorzugsweise kann mit dem Verfahren ein Hybridmodus ausgeführt werden, indem die elektrische Maschine und die Hydromaschine das Rotorblatt in zumindest einer Drehrichtung antreiben.
Des Weiteren kann bei dem Verfahren ein Normalmodus vorgesehen sein, in dem die elektrische Maschine alleine das Rotorblatt sowohl in einer ersten Drehrichtung als auch in einer zweiten Drehrichtung antreibt. Hierbei ist die Hydromaschine beispielsweise im Leerlauf.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass im Hybridmodus die elektrische Maschine und die Hydromaschine das Rotorblatt sowohl in einer ersten Drehrichtung als auch in einer zweiten Drehrichtung antreiben. Ist eine Ventilanordnung vorgesehen, so können für die erste Drehrichtung beispielsweise das erste HDS-Ventil und das erste NDS-Ventil geöffnet sein und die übrigen Ventile geschlossen sein. Zum Antreiben in die entgegengesetzte Richtung ist denkbar, dass das zweite HDS-Ventil und das zweite NDS-Ventil geöffnet sind und die übrigen Ventile geschlossen sind.
Vorzugsweise ist bei dem Verfahren vorgesehen, dass alternativ oder zusätzlich im Hybridmodus die elektrische Maschine und die Hydromaschine von dem Rotorblatt zumindest in einer Richtung oder sowohl in der ersten Richtung als auch in der zweiten Richtung antreibbar sind. Hierdurch kann das Rotorblatt abgebremst werden. In diesem Hybridmodus sind bei Vorhandensein einer Ventilanordnung vorzugsweise beim Abbremsen in der ersten Drehrichtung das zweite HDS-Ventil und das zweite NDS-Ventil geöffnet und die übrigen Ventile geschlossen. Zum Abbremsen in der anderen Drehrichtung können das erste HDS-Ventil und das erste NDS-Ventil geöffnet ein und die übrigen Ventile geschlossen sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist ein ungeregelter Notmodus oder eine ungeregelte Notfahrt ermöglicht. Hierbei kann die Hydromaschine das Rotorblatt in die erste Drehrichtung antreiben, wobei es sich bei dieser Drehrichtung um diejenige Richtung handelt, bei der das Rotorblatt aus dem Wind bewegt wird. Ist eine Ventilanordnung vorgesehen, so sind hierbei vorzugsweise das erste HDS-Ventil und das erste NDS-Ventil geöffnet während die übrigen Ventile geschlossen sind.
Vorzugsweise kann bei dem Verfahren ein Stromerzeugungsmodus vorgesehen sein. Hierbei kann Druckmittel vom Hochdruckspeicher über die weitere Hydromaschine zum Niederdruckspeicher strömen, womit die weitere Hydromaschine die zugeordnete elektrische Maschine als Generator antreiben kann. Der Generator kann dann elektrische Energie für die elektrische Maschine zum Verstellen des Rotorblatts erzeugen. Ist/Sind hierbei ein HDS-Ventil und/oder ein NDS-Ventil für die weitere Hydromaschine vorgesehen, so sind diese im Stromerzeugungsmodus vorzugsweise geöffnet. Diese Stromerzeugung kann dann zur Rotorblattverstellung völlig unabhängig von der Ventilanordnung und der Hydromaschine erfolgen.
Des Weiteren ist beim erfindungsgemäßen Verfahren denkbar einen Aufwärmmodus vorzusehen. In diesem kann Druckmittel vom Niederdruckspeicher über die weitere Hydromaschine zum Hochdruckspeicher gefördert werden und umgekehrt kann Druckmittel vom Hochdruckspeicher über die weitere Hydromaschine zum Niederdruckspeicher strömen, wobei dies dann wechselweise erfolgt. Ist eine Bremse vorhanden, so ist diese vorzugsweise im Aufwärmmodus geschlossen. Ist ein Druckbegrenzungsventil vorgesehen, so wird vorzugsweise deren Öffnungsdruck überschritten, womit eine Erwärmung des Druckmittels über das Druckbegrenzungsventil erfolgen kann. Das Druckbegrenzungsventil kann somit vorteilhafterweise neben seiner Sicherungsfunktion zusätzlich zum Aufwärmen dienen. Des Weiteren ist denkbar, dass bei Vorhandensein der Ventilanordnung das zweite HDS-Ventil und das erste NDS-Ventil geöffnet sind und die übrigen Ventile geschlossen sind, um eine Erwärmung des Druckmittels auf einfache Weise über die geöffneten Ventile zu ermöglichen.
Des Weiteren ist denkbar bei dem erfindungsgemäßen Verfahren einen Speicherlademodus vorzusehen, bei dem Druckmittel vom Niederdruckspeicher über die weitere Hydromaschine zum Hochdruckspeicher gefördert wird. Der Speicherlademodus kann äußerst vorteilhaft parallel zu einem der anderen Modi einsetzbar sein. Somit ist ein Laden des Hochdruckspeichers während des Betriebs des elektrohydraulischen Antriebs möglich. Denkbar ist auch den Speicherlademodus alleine vorzusehen. Beim Speicherlademodus sind vorzugsweise die der weiteren Hydromaschine zugeordneten Ventile geöffnet.
Außerdem ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht einen Parkmodus vorzusehen. Bei diesem sind vorzugsweise die Maschinen ausgeschaltet und die Bremse ist geschlossen. Beim Parkmodus sind des Weiteren vorzugsweise alle Ventile geschlossen.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen Schaltplan eines elektrohydraulischen Antriebs gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 in einer schematischen Seitenansicht eine Verbindung zwischen dem Antrieb aus 1 und einem drehbaren Rotorblatt,
3 in einem Schaltplan einen elektrohydraulischen Antrieb gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
4a - 4d jeweils in einem Schaltplan den Antrieb aus 3 in einem jeweiligen Normalmodus,
5a - 5d jeweils in einem Schaltplan den Antrieb aus 3 in einem jeweiligen Hybridmodus und
6a - 6f jeweils in einem Schaltplan den Antrieb aus 3 in weiteren Betriebsmodi.

Gemäß 1 ist eine Windenergieanlage 1 schematisch mit einer Strichlinie dargestellt. Diese hat in ihrer Nabe für ein jeweiliges drehbares Rotorblatt einen elektrohydraulischen Antrieb 2. Dieser weist eine elektrische Maschine 4 und eine Hydromaschine 6 auf. Bei der elektrischen Maschine 4 handelt es sich beispielsweise um eine Servomaschine oder um einen Servomotor. Die Hydromaschine 6 hat einen Durchtrieb, durch den eine Triebwelle 8 geführt ist, die mit der Maschine 4 verbunden ist. Des Weiteren ist die Triebwelle 8 mit einem Getriebe 10 verbunden. Eine weitere Triebwelle 12, das an dem Getriebe 10 angeschlossen ist, dient hierbei zum Antreiben eines drehbaren Rotorblatts. Des Weiteren kann die Triebwelle 12 auch vom Rotorblatt angetrieben sein. Die elektrische Maschine 4 ist über ein Antriebsregelgerät 14 mit einer elektrischen Versorgung 16 verbunden. Das Antriebsregelgerät 14 ist beispielsweise in der Nabe der Windenergieanlage 1 angeordnet und über eine Drehdurchführung 18 mit einem Stromnetz der Gondel verbunden.
Gemäß 1 hat der Antrieb 2 des Weiteren einen Hochdruckspeicher 20 und einen Niederdruckspeicher 22. Der Hochdruckspeicher 20 ist über ein erstes Hochdruckspeicher(HDS)-Ventil 24 mit einem ersten Arbeitsanschluss 26 der Hydromaschine 6 verbunden. Über ein zweites Hochdruckspeicher(HDS)-Ventil 28 ist der Hochdruckspeicher 20 des Weiteren mit einem zweiten Arbeitsanschluss 30 der Hydromaschine 6 verbunden. Der Niederdruckspeicher 22 ist mit einem ersten Niederdruckspeicher(NDS)-Ventil 32 ebenfalls an den zweiten Arbeitsanschluss 30 angeschlossen. Über ein zweites Niederdruckspeicher(NDS) -Ventil 34 ist der Niederdruckspeicher 22 dann an den ersten Arbeitsanschluss 26 der Hydromaschine 6 angeschlossen. Des Weiteren ist ein Umlaufventil 36 vorgesehen, das zwischen die Arbeitsanschlüsse 26 und 30 der Hydromaschine 6 angeschlossen ist. Die Ventile 24, 28 und 32 bis 36 sind hierbei als Schaltventile ausgebildet. Die Ventile 24 und 32 haben hierbei einen Ventilschieber, der über eine Federkraft einer Ventilfeder in eine Öffnungsposition vorgespannt ist. Dagegen sind die andere Ventile 28, 34 und 36 hinsichtlich ihres Ventilschiebers in eine Schließposition mit der Federkraft einer Ventilfeder vorgespannt. Über einen elektrischen Aktor sind die Ventilschieber der Ventile 24 und 32 in die Schließposition schaltbar. Des Weiteren sind über einen elektrischen Aktor die anderen Ventile 28, 34 und 36 hinsichtlich ihres Ventilschiebers in eine Öffnungsposition schaltbar.
Des Weiteren ist gemäß 1 vorgesehen, dass zwischen der Triebwelle 8 und dem Getriebe 10 eine Kupplung 38 angeordnet ist. Über diese kann die Verbindung zwischen der Triebwelle 8 und dem Getriebe 10 eingekuppelt und ausgekuppelt werden.
Bei der Hydromaschine 26 in 1 handelt es sich um eine Konstantmaschine, die als Hydromotor und Hydropumpe in beide Drehrichtungen einsetzbar ist.
Soll der Hochdruckspeicher 20 gemäß 1 geladen werden, so kann die Hydromaschine 6 von der elektrischen Maschine 4 angetrieben werden, womit die Hydromaschine 6 Druckmittel vom Niederdruckspeicher 22 zum Hochdruckspeicher 20 über die geöffneten Ventile 24, 32 fördern kann. Die übrigen Ventile 28, 36, 34 sind geschlossen. Hierbei ist vorzugsweise die Kupplung 38 geöffnet, damit die Triebwelle 12 nicht angetrieben wird. Damit die Triebwelle 12 dann in ihrer Drehposition verbleibt kann zusätzlich eine Bremse 39 vorgesehen sein, die beispielsweise zwischen der Kupplung 38 und dem Getriebe 10 vorgesehen ist.
Betriebsmodi für den Antrieb 2 aus 1 sind untenstehend anhand eines weiteren Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Gemäß 2 ist ein Rotorblatt 40 und dessen Anbindung an den elektrohydraulischen Antrieb 2 aus 1 gezeigt. Gemäß 2 ist Endseitig der Triebwelle 12 ein Ritzel 42 ausgebildet. Dieses ist hierbei in Zahneingriff mit einem Zahnring 44, der an einer Blattwurzel des Rotorblatts 40 vorgesehen ist. Des Weiteren ist das Rotorblatt 40 drehbar an der Nabe über ein Blattlager 46 befestigt, das als Wälzlager ausgebildet ist. Des Weiteren sind zwei Endlagenschalter 48 vorgesehen, die in einer Endlage des Rotorblatts 40 den Antrieb 2 aus 1 anhalten. Des Weiteren greift in den Zahnring 44 ein Messritzel 50 ein, das mit einem entsprechenden Sensor verbunden ist um einen Drehwinkel und eine Drehgeschwindigkeit des Rotorblatts 40 zu erfassen.
Gemäß 3 ist eine zweite Ausführungsform eines elektrohydraulischen Antriebs 52 dargestellt. Diese weist entsprechend der Ausführungsform in 1 die elektrische Maschine und die Hydromaschine 6 auf. Des Weiteren sind die Ventile 24, 28, 32, 34 und 36 entsprechend vorgesehen und angeordnet. Des Weiteren ist der Hochdruckspeicher 20 in Form eines Kolbenspeichers gezeigt. Dieser hat ein Trennelement in Form eines Kolbens 54. Dieser trennt einen Druckmittelraum 56 von einem Gasraum 58. Der Druckmittelraum 56 ist dabei über die Ventile 24 und 28 mit der Hydromaschine 6 verbindbar. Der Gasraum 58 ist über ein Sperrventil 60 mit einer Gasflasche 62 verbunden. Der Niederdruckspeicher 22 ist entsprechend ausgestaltet. Dieser weist auch den Kolben 54, den Druckmittelraum 56, den Gasraum 58, das Sperrventil 60 und die Gasflasche 62 auf. Der Druckmittelraum 56 ist dabei über die Ventile 32 und 34 mit der Hydromaschine 6 verbindbar.
Im Unterschied zur Ausführungsform in 1 ist gemäß 3 ein Druckbegrenzungsventil 64 vorgesehen. Dieses ist mit dem Hochdruckspeicher 20 verbunden und an einen Strömungspfad zwischen den Ventilen 24 und 28 und dem Hochdruckspeicher 20 angeschlossen. Das Druckbegrenzungsventil 64 öffnet hierbei ab einem vorbestimmten Druck hin zum Niederdruckspeicher 22, indem es an diesen ebenfalls angeschlossen ist. Es ist dabei am Strömungspfad zwischen den Ventilen 32 und 34 und dem Niederdruckspeicher 22 angeschlossen. Ein zu begrenzender Druck kann am Druckbegrenzungsventil 64 eingestellt werden.
Des Weiteren ist gemäß 3 im Unterschied zur Ausführungsform in 1 keine Kupplung 38, sondern eine Bremse 66 vorgesehen. Denkbar ist allerdings auch hier eine Kupplung anzuordnen. Mit dieser kann die Triebwelle 8 festgehalten werden und eine Drehung verhindert oder gestoppt werden. Über das Getriebe 10 kann sich auch das Rotorblatt 40, siehe 2, an der Bremse 66 abstützen und bei Bedarf bei geschlossener Bremse 66 somit seine Drehposition beibehalten.
Gemäß 3 ist ersichtlich, dass die elektrische Maschine 4 über das Antriebsregelgerät 14 an einen Zwischenkreis 68 angeschlossen ist. Dieser wiederum ist über einen Umrichter 70 mit dem Stromnetz beziehungsweise der elektrischen Versorgung 16 verbunden. An dem Zwischenkreis 68 ist des Weiteren ein elektrischer Speicher 72, hier beispielhaft in Form eines Kondensators dargestellt, angeschlossen. Der Zwischenkreis 68 ist beispielsweise über eine Schleifkontaktvorrichtung 73 zwischen Nabe und Gondel ausgebildet, wobei der Umrichter 70 gondelseitig und die übrigen Komponenten nabenseitig vorgesehen sein können. Die Schleifkontaktvorrichtung 73 ist schematisch in 3 gezeigt, wobei sie in den weiteren Figuren der Einfachheit halber nicht gezeigt ist.
Des Weiteren ist in 3 im Unterschied zur Ausführungsform in 1 eine weitere Hydromaschine 74 vorgesehen. Hierbei handelt es sich um eine Konstanteinheit, die als Hydropumpe und Hydromotor einsetzbar ist. Ein erster Arbeitsanschluss 76 der Hydromaschine 74 ist über ein weiteres Hochdruckspeicher(HDS)-Ventil 78 am Strömungspfad zwischen dem Hochdruckspeicher 20 und den Ventilen 24 und 28 angeschlossen. Über einen zweiten Arbeitsanschluss 80 ist die Hydromaschine 74 über ein Niederdruckspeicher(NDS)-Ventil 82 an den Niederdruckspeicher 22 angeschlossen, indem es mit dem Strömungspfad zwischen den Ventilen 32 und 34 und dem Niederdruckspeicher 22 verbunden ist. Bei den Ventilen 78 und 82 handelt es sich vorzugsweise um Schaltventile, die beispielsweise entsprechend dem Ventil 28 ausgestaltet sind. Die Hydromaschine 74 ist mit einer weiteren elektrischen Maschine 84 verbunden. Über diese ist die Hydromaschine 74 antreibbar und kann des Weiteren die Maschine 84 antreiben. Die Maschine 84 ist über ein Antriebsregelgerät 86 mit dem Zwischenkreis 68 verbunden. Bei der Hydromaschine 74, den Ventilen 78, 82 und der elektrischen Maschine 84 kann es sich um eine Speicherladeeinheit handeln.
Im Folgenden werden die verschiedenen Betriebsmodi des elektrohydraulischen Antriebs 52 aus Figur 3 näher erläutert.
Gemäß den 4a bis 4d ist jeweils ein Normalmodus gezeigt. Gemäß 4a ist in einem Normalbetrieb Q1 das Rotorblatt alleine durch die elektrische Maschine 4 verstellt. Hierbei sind die Ventile 24, 28, 32, 34, 78, 82 geschlossen und das Umlaufventil 36 geöffnet. Wird die elektrische Maschine 4 nun mit elektrischer Leistung 88 versorgt, so kann sie die Triebwelle 8 mit einer Drehgeschwindigkeit 90 antreiben. Die Hydromaschine 6 läuft hierbei im Leerlauf mit, was durch Pfeile in 4a gekennzeichnet ist. Die Hydromaschine 6 befindet sich hierbei in einem drucklosen Umlauf, wobei Δp etwa Null ist. Das Rotorblatt wird dann über das Getriebe 10 mit einer Drehgeschwindigkeit 92 verstellt. Ein Drehmoment 94 der Triebwelle 12 ist hierbei entgegengesetzt zu einem Drehmoment 96, das dem Rotorblatt aufgrund eines Windes aufgeprägt ist. Gemäß 4a gilt dann der Zusammenhang sign(M_Well*ω_Blatt)>0, wobei M_Welle das Drehmoment 94 ist und ω_Blatt die Drehgeschwindigkeit 92.
Gemäß 4b ist ein Normalmodus Q2 dargestellt. Hierbei soll das Rotorblatt abgebremst werden. Es gilt der Zusammenhang sign(M_Well*ω_Blatt)<0. Die Ventile sind entsprechend gemäß 4a geschaltet. Ein Drehmoment auf die Triebwelle 12 kann hierbei zum einen durch den Wind in Form des Drehmoments 96 und zusätzlich oder alternativ aufgrund einer Massenträgheit des Rotorblatts 40 aufgebracht sein. Im Unterschied zur 4a haben die Drehmomente 94 und 96 in 4b eine umgekehrte Richtung. Die Drehgeschwindigkeit 92 ist in 4b entsprechend der 4a. Beim Abbremsen kann somit über die Triebwelle 12, das Getriebe 10 und die Triebwelle 8 die elektrische Maschine 4 als Generator angetrieben werden und somit die Leistung 88 in dem Zwischenkreis 68 und weiter zur elektrischen Versorgung 16 einspeisen.
In 4c ist ein Normalbetrieb Q3 dargestellt, bei dem das Rotorblatt im Unterschied zur 4a in die andere Drehrichtung bewegt wird. Hierbei gilt der Zusammenhang sign(M_Well*ω_Blatt)>0. Die Ventile in 4c sind hierbei entsprechend der 4a geschaltet. Die Triebwelle 8 wird nun im Unterschied zur 4a in entgegengesetzter Richtung mit einer entsprechend entgegengesetzten Drehgeschwindigkeit 90 angetrieben. Die Hydromaschine 6 fördert in 4c somit ebenfalls in umgekehrter Richtung Druckmittel im Leerlauf über das Umlaufventil 36, was durch die umgedrehten Pfeile gekennzeichnet ist. In 4c sind dann die Drehmomente 94 und 96 und die Drehgeschwindigkeit 92 entsprechend in die entgegengesetzte Richtung orientiert.
4d zeigt einen Normalmodus Q4, bei dem wiederum das Rotorblatt abgebremst wird. Eine Bremsrichtung ist hierbei umgekehrt im Vergleich zur 4b. Somit sind die Drehmomente 94, 96 und die Drehgeschwindigkeit 92 in 4d entsprechend anders orientiert im Vergleich zu 4b. Die Triebwelle 8 weist ebenfalls eine anders orientierte Drehgeschwindigkeit 90 im Vergleich zur 4b auf. Gemäß 4d gilt wieder der Zusammenhang sign(M_Well*ω_Blatt)<0. Der Normalbetrieb gemäß den 4a bis 4d ist auch bei dem elektrohydraulischen Antrieb 2 aus 1 entsprechend ermöglicht.
Gemäß den 5a bis 5d ist ein Hybridmodus gezeigt. In 5a wird das Rotorblatt gemeinsam über die elektrische Maschine 4 und die Hydromaschine 6 angetrieben. Hierfür wird zum einen die elektrische Maschine 4 mit elektrischer Leistung 88 versorgt. Des Weiteren sind im Unterschied zum Normalmodus gemäß 4a in 5a die Ventile 24 und 32 aufgesteuert und das Umlaufventil 36 zugesteuert. Die übrigen Ventile 28, 34, 78 und 82 sind entsprechend der 4a zugesteuert. Somit kann Druckmittel vom Hochdruckspeicher 20 über die Hydromaschine 6 zum Niederdruckspeicher 22 strömen, um die Hydromaschine 6 als Hydromotor anzutreiben. Die Triebwelle 8 wird dann über die elektrische Maschine 4 und die Hydromaschine 6 mit der Drehgeschwindigkeit 90 angetrieben. Die Drehmomente 94 und 96 und die Drehgeschwindigkeit 92 sind in 5a entsprechend der 4a. Der Hybridmodus Q1 wird insbesondere dann eingesetzt, falls ein zusätzliches Drehmoment zur Beschleunigung des Rotorblatts notwendig wird. Ein gesamtes Drehmoment setzt sich somit dann aus dem Drehmoment der elektrischen Maschine 4 und dem Drehmoment der Hydromaschine 6 zusammen. Die Drehmomentregelung des Gesamtdrehmoments ist weiterhin einfach durch kontinuierliche Regelung der elektrischen Maschine 4 ermöglicht. Gemäß 5a gilt dann der Zusammenhang sign(M_Well*ω_Blatt)>0.
In 5b ist ein Hybridmodus Q2 dargestellt bei dem das Rotorblatt abgebremst werden soll. Im Unterschied zu 5a sind die Ventile 24 und 32 zugesteuert und dagegen die Ventile 28 und 34 aufgesteuert. Beim Abbremsen des Rotorblatts kann dann die Hydromaschine 6 als Hydropumpe über die Triebwelle 8 angetrieben werden und hierbei Druckmittel von dem Niederdruckspeicher 22 über das Ventil 34 saugen und über das Ventil 28 zum Hochdruckspeicher 20 fördern. Zusätzlich wird über die Triebwelle 8 die elektrische Maschine 4 als Generator angetrieben, um die elektrische Leistung 88 zu gewinnen. Die Drehgeschwindigkeiten 90, 92 und die Drehmomente 94, 96 sind in 5b entsprechend der 4b. Der Hybridmodus Q2 ist vorzugsweise dann vorgesehen, wenn ein zusätzliches Drehmoment zur Verzögerung notwendig wird. Hierbei wird dann einfach der Hochdruckspeicher 20 zugeschaltet und befüllt. Ein Gesamtdrehmoment zum Bremsen setzt sich dann aus dem Drehmoment der Hydromaschine 6 und der elektrischen Maschine 4 zusammen, wobei das Gesamtdrehmoment weiterhin kontinuierlich durch die elektrische Maschine 4 regelbar ist. Gemäß 5a gilt der Zusammenhang sign(M_Well*ω_Blatt)<0.
Gemäß 5c ist ein Hybridmodus Q3 dargestellt, bei dem das Rotorblatt im Unterschied zu 5a in eine entgegengesetzte Richtung verstellt werden soll. Die Ventile in 5c sind hierbei entsprechend der 5b geschaltet. Somit kann Druckmittel vom Hochdruckspeicher 20, über das Ventil 28, über die Hydromaschine 6 und über das Ventil 34 zum Niederdruckspeicher 22 strömen und hierdurch die Hydromaschine 6 als Hydromotor antreiben. Die Drehrichtung der Hydromaschine 6 in 5c ist hierbei umgekehrt zur 5a. In gleicher Drehrichtung wie die Hydromaschine 6 wird dann die elektrische Maschine 4 mit der elektrischen Leistung 88 angetrieben. Die Drehgeschwindigkeiten 90 und 92 und die Drehmomente 94 und 96 sind hierbei entsprechend der 4c ausgerichtet. Gemäß 5c gilt dann der Zusammenhang sign(M_Well*ω_Blatt)>0.
In 5d ist ein Hybridmodus Q4 dargestellt, bei dem das Rotorblatt abgebremst werden soll. Dies erfolgt dabei im Unterschied zu 5b in entgegengesetzter Richtung. Die Ventile in 5d sind hierbei entsprechend der Ventile in 5a geschaltet. Die Hydromaschine 6 wird über das Rotorblatt über die Triebwelle 8 angetrieben und saugt hierbei Druckmittel vom Niederdruckspeicher 22 über das Ventil 34 und fördert es weiter über das Ventil 24 in den Hochdruckspeicher 20. Es gilt der Zusammenhang sign(M_Well*ω_Blatt)<0.
Der Hybridmodus gemäß des 5a bist 5d ist ebenfalls beim elektrohydraulischen Antrieb 2 aus 1 entsprechend einsetzbar.
In den 6a bis 6f sind weitere Betriebsmodi dargestellt.
Gemäß 6a ist ein Parkmodus gezeigt. Hierbei ist die Bremse 66 geschlossen. Des Weiteren sind die Ventile 24, 28, 32, 34, 36, 78 und 82 zugesteuert. Die elektrische Hydromaschine 4 ist nicht mit elektrischer Leistung versorgt. Somit steht der elektrohydraulische Antrieb 52 still und das Rotorblatt kann sich ebenfalls an der Bremse 66 abstützen.
Gemäß 6 ist ein Speicherlademodus während des Betriebs des elektrohydraulischen Antriebs 52 gezeigt. Hierbei wird zum einen der elektrohydraulische Antrieb 52 gemäß den 4a bis 5d eingesetzt. Zusätzlich wird die elektrische Maschine 84 mit elektrischer Leistung 98 versorgt. Die elektrische Maschine 84 treibt dabei die Hydromaschine 74 als Hydropumpe an. Gemäß 6b sind dann die Ventile 78 und 82 aufgesteuert. Die Hydromaschine 74 kann somit Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 22 über das Ventil 82 saugen und über das Ventil 78 dem Hochdruckspeicher 20 zuführen. Der Speicherlademodus gemäß 6b kann unabhängig von den anderen Betriebsmodi gemäß den 4a bis 5d eingesetzt werden, was in 6b durch die gestrichelt dargestellten Komponenten ersichtlich ist.
In 6d ist ein Notfahrmodus gezeigt. Hierbei wird angenommen, dass die elektrische Versorgung ausgefallen oder unterbrochen ist. Die Ventile 28, 34, 36, 78 und 82 sind hierbei in einer Schließposition, da deren Ventilschieber über die Ventilfeder mit einer Federkraft in Richtung der Schließposition beaufschlagt ist. Dagegen sind die Ventile 24 und 32 in einer Öffnungsposition, da deren Ventilschieber stromlos über die Federkraft in die Öffnungsposition geschaltet sind. Somit kann Druckmittel vom Hochdruckspeicher 20 zum Niederdruckspeicher 22 strömen und hierbei die Hydromaschine 6 als Hydromotor antreiben. Die Hydromaschine 6 kann hierdurch wiederum über die Triebwelle 8 das Rotorblatt aus dem Wind drehen. Somit ist auf äußerst einfache Weise eine ungeregelte Notfahrt ermöglicht. Der Notfahrmodus ist auch bei dem elektrohydraulischen Antrieb 2 aus 1 entsprechend vorgesehen.
Gemäß 6d ist ein Stromerzeugungsmodus dargestellt, der zur Überbrückung kurzfristiger Spannungsausfälle vorgesehen sein kann. Hierbei sind die Ventile 78 und 82 aufgesteuert. Somit kann Druckmittel vom Hochdruckspeicher 20 über die Hydromaschine 74 zum Niederdruckspeicher 22 strömen und hierbei die Hydromaschine 74 als Hydromotor antreiben. Diese wiederum treibt dann die elektrische Maschine 84 als Generator an, womit die elektrische Leistung 98 dem Zwischenkreis 86 zugeführt werden kann. Hierdurch kann beispielsweise der elektrische Speicher 72 geladen werden und/oder die elektrische Maschine 4 angetrieben werden, was äußerst vorteilhaft bei einem Stromausfall ist. Der Stromerzeugungsmodus kann völlig unabhängig von den anderen Betriebsmodi der elektrohydraulischen Antriebe 52 ausgeführt werden, was durch die gestrichelt dargestellten Komponenten ersichtlich ist.
6e stellt einen Aufwärmmodus dar. Hierbei wird die elektrische Maschine 84 mit der elektrischen Leistung 98 wechselweise in ihre beiden Drehrichtungen angetrieben. Entsprechend wird die Hydromaschine 74 als Hydropumpe ebenfalls in beiden Drehrichtungen angetrieben. Die Hydromaschine 74 kann somit Druckmittel hin und her bewegen. Die Ventile 78 und 82 sind hierbei aufgesteuert, während die anderen Ventile geschlossen sind. Die Bremse 66 ist ebenfalls zugesteuert. Eine Erwärmung des Druckmittels kann dann über die Ventile 78 und 82 und über das Druckbegrenzungsventil 64 erfolgen.
In 6f ist ein Speicherlademodus dargestellt, der vor dem Einsatz des gesamten elektrohydraulischen Antriebs 52 erfolgt. Hierbei sind die Ventile 78 und 82 aufgesteuert und die übrigen Ventile zugesteuert. Die elektrische Maschine 84 wird dann über die elektrische Leistung 98 angetrieben, womit die Hydromaschine 74 als Hydropumpe Druckmittel vom Niederdruckspeicher 22 über das Ventil 82 saugt und über das Ventil 78 zum Hochdruckspeicher 20 fördert. Vorzugsweise ist hierbei die Bremse 66 geschlossen.
Offenbart ist ein elektrohydraulischer Antrieb für ein drehbares Rotorblatt einer Windenergieanlage. Dieser hat hierbei zum Verdrehen des Rotorblatts eine Hydromaschine und eine elektrische Maschine. Diese sind gemeinsam zum Verdrehen des Rotorblatts einsetzbar.
Bezugszeichenliste

1: Windenergieanlage
2; 52: elektrohydraulischer Antrieb
4; 84: elektrische Maschine
6; 74: Hydromaschine
8, 12: Triebwelle
10: Getriebe
14; 86: Antriebsregelgerät
16: elektrische Versorgung
18: Drehdurchführung
20: Hochdruckspeicher
22: Niederdruckspeicher
24, 28; 74: Hochdruckspeicher(HDS)-Ventil
26; 76: erster Arbeitsanschluss
30: zweiter Arbeitsanschluss
32, 34; 82: Niederdruckspeicher(NDS)-Ventil
36: Umlaufventil
38: Kupplung
39; 66: Bremse
40: Rotorblatt
42: Ritzel
44: Zahnring
46: Blattlager
48: Endlagenschalter
50: Messritzel
54: Kolben
56: Druckmittelraum
58: Gasraum
60: Sperrventil
62: Gasflasche
64: Druckbegrenzungsventil
68: Zwischenkreis
70: Umrichter
72: elektrischer Speicher
73: Schleifkontaktvorrichtung
88; 98: Leistung
90, 92: Drehgeschwindigkeit
94, 96: Drehmoment

Claims

Elektrohydraulischer Antrieb für ein drehbares Rotorblatt (40) einer Strömungsmaschine (1), mit einer elektrischen Maschine (4) und mit einer Hydromaschine (6), die mechanisch mit dem Rotorblatt (40) in Wirkverbindung stehen und die zum Verdrehen des Rotorblatts (40) einsetzbar sind.
Antrieb nach Anspruch 1, wobei dieser derart ausgestaltet ist, dass das Rotorblatt (40) sowohl durch die Hydromaschine (6) alleine, als auch durch die Elektromaschine (4) alleine, als auch durch die Hydromaschine (6) und die elektrische Maschine (4) zusammen verdrehbar ist.
Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Triebwelle (8) der elektrischen Maschine (4) mit der Hydromaschine (6), insbesondere über einen Durchtrieb, gekoppelt und mit dem bewegbaren Rotorblatt (40) verbunden ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster Arbeitsanschluss (26) der Hydromaschine (6) über eine Ventilanordnung (24) mit zumindest einem Hochdruckspeicher (20) verbindbar ist und wobei ein zweiter Arbeitsanschluss (30) mit einem Niederdruckspeicher (22) verbindbar oder verbunden ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Umlaufventil (36) zum auf- und zusteuern einer Verbindung von Arbeitsanschlüssen (26, 30) der Hydromaschine (6) vorgesehen ist.
Antrieb nach Anspruch 4 oder 5, wobei der zumindest eine Hochdruckspeicher (20) und/oder der zumindest eine Niederdruckspeicher (22) als Kolbenspeicher ausgebildet ist/sind-
Antrieb mach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (4) und die Hydromaschine (6) über eine Kupplung (38) mit dem Rotorblatt (40) verbunden sind, und/oder wobei eine Bremse (66) vorgesehen ist, mit der die Triebwelle (8) festhaltbar oder abbremsbar ist.
Antrieb nach einem der Ansprüche 4 bis 7 wobei die Ventilanordnung ein Hochdruckspeicher-Ventil (24) hat, das zwischen dem Hochdruckspeicher (20) und dem ersten Arbeitsanschluss (26) angeschlossen ist, und wobei die Ventilanordnung ein Niederdruckspeicher-Ventil (32) hat, das zwischen dem Niederdruckspeicher (22) und dem zweiten Arbeitsanschluss (30) angeschlossen ist.
Antrieb nach Anspruch 8, wobei die Ventilanordnung ein weiteres zweites Hochdruckspeicher-Ventil (28) hat, das zwischen dem Hochdruckspeicher (20) und dem zweiten Arbeitsanschluss (30) angeschlossen ist, und wobei die Ventilanordnung ein weiteres zweites Niederdruckspeicher-Ventil (34) hat, das zum einen an den Niederdruckspeicher (22) und zum anderen an den Strömungspfad zwischen dem Umlaufventil (36) und dem ersten Arbeitsanschluss (26) angeschlossen ist.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (4) über ein Antriebsregelgerät (14) mit einem Stromnetz (16) verbunden ist, wobei das Antriebsregelgerät (14) über einen Zwischenkreis (68) an das Stromnetz (16) angeschlossen ist, und wobei ein elektrischer Speicher und/oder eine weitere elektrische Maschine an den Zwischenkreis anschließbar ist/sind.
Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine weitere Hydromaschine (74) vorgesehen ist, deren erster Arbeitsanschluss (76) mit einem oder dem Hochdruckspeicher (20) und deren zweiter Arbeitsanschluss (80) mit einem oder dem Niederdruckspeicher (22) verbindbar ist, wobei die weitere Hydromaschine (74) mit einer weiteren elektrischen Maschine (84) verbunden ist, um diese anzutreiben und von dieser angetrieben zu sein.
Antrieb nach Anspruch 11, wobei die weitere elektrische Maschine (84) elektrisch mit der elektrischen Maschine (4) und/oder mit dem elektrischen Speicher (72) verbindbar ist.
Antriebsanordnung mit einer Mehrzahl von Antrieben gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche.
Strömungsmaschine, insbesondere Windenergieanlage, die eine Nabe aufweist, die mit einer Gondel verbunden ist und an die zumindest ein Rotorblatt (40) verstellbar befestigt ist, wobei dieses mit einem Antrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 verstellbar ist.
Verfahren mit einem Antrieb gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 oder mit einer Antriebsanordnung gemäß Anspruch 13 oder mit einer Strömungsmaschine gemäß Anspruch 14, wobei ein Hybridmodus vorgesehen ist, in dem die elektrische Maschine (4) und die Hydromaschine (6) das Rotorblatt (40) in eine erste Drehrichtung antreiben.