WO2010105647A1 - Antriebsvorrichtung für eine windturbine - Google Patents

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inverter
drive
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brake
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Reinhard Vilbrandt
Christian LÄRITZ
Olaf Willauschus
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Suzlon Energy Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a drive device for a rotor blade of a wind turbine.
  • Such wind turbines comprise a rotatably mounted on a nacelle rotor with a hub, wherein the rotor has at least one electromechanical drive device for adjusting the angle of attack of at least one attachable to the hub rotor blade.
  • This drive unit has an asynchronous machine for adjusting the rotor blade, arranged on the drive unit, electrically actuated brake for setting or braking the drive unit and an electrical supply device, via which the asynchronous machine can be connected to a three-phase network.
  • the supply device comprises a rectifier, an inverter and DC intermediate circuit.
  • a separate drive device is provided for each rotor blade of a wind turbine.
  • emergency power supply equipment is typically provided for adjusting the rotor blades to a safe operating position (e.g., feathering position).
  • a conventional electric drive device is described in DE 103 35 575 B4.
  • the blade adjustment is based on three-phase motors and frequency converters.
  • the frequency converters are powered by three-phase alternating current and provide a DC link via rectifier. From this inverter are then fed to control the three-phase motors.
  • For an emergency supply is usually provided an electrical energy storage, which feeds the DC link.
  • a DC voltage divider connected to the intermediate circuit is provided, via which the brake is electrically powered.
  • Charge control system can be charged from the DC link. As a result, a further voltage source for charging the emergency operating device is superfluous.
  • control unit for controlling the DC voltage controller and / or the charge control system is provided.
  • the charging control system can be integrated directly into the control unit.
  • the control unit may be connected to at least one temperature sensor and / or humidity sensor, and at least one air conditioning and / or heating device for cooling or warming the supply device and / or the emergency operation device is provided, wherein the air conditioning and / or heating device controlled by the control unit is.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention discloses that a structurally identical inverter unit is provided, in which supply device, the DC voltage controller, the charging unit, the charge control system and the control unit are arranged.
  • the invention apparently also includes an inverter unit comprising a rectifier, an inverter, a DC intermediate circuit, wherein the intermediate circuit can be fed by the rectifier, and wherein an asynchronous machine of a drive unit of a pitch of a wind turbine can be fed via the inverter, with a DC voltage divider for driving an electrically actuated brake for the drive unit, with a control unit for controlling the inverter and the DC voltage controller, wherein the inverter unit is designed together with the rectifier, the inverter, the DC intermediate circuit, the DC voltage divider and the control unit as a structural unit.
  • the structural unit of the inverter unit comprises a charging unit and a charging control system for charging and monitoring an external emergency power supply device.
  • the structural unit may include a temperature sensor and a humidity sensor for monitoring the internal environment.
  • additional inputs for additional temperature sensors and / or humidity sensors can be provided.
  • the invention also encompasses a wind turbine with a nacelle arranged on a tower, with a rotor rotatably mounted on the nacelle, comprising a hub and rotor blades arranged rotatably thereon, wherein at least one drive device is arranged in the hub as described above.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a hub of the wind turbine with the drive device
  • Fig. 2 is a simplified circuit and arrangement plan of the drive device.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the inventive drive device 1, wherein an inverter unit 20 n a control cabinet 4 in a hub 3 of a not shown here - A -
  • Windturbine is arranged.
  • the inverter unit 20 feeds the asynchronous machine 6 of the drive unit 7 of the blade adjustment in the rotor blade 9 via electrical connection means 32.
  • the drive unit 7 can have a gear 10, the drive shaft 11 of the gearbox 10 being connected directly to the asynchronous machine 9 and the output shaft 12 to a pinion 13 is.
  • the pinion 13 engages in a rotatably connected to the rotor blade 9 ring gear 14, wherein the rotor blade 9 is mounted by means of a blade bearing 15 rotatably about its longitudinal axis 16 in the hub 4.
  • the inverter unit 20 includes the electric supply apparatus 2 including a rectifier 21, a DC intermediate circuit 22 and an inverter 23, a DC voltage controller 24, a control unit 25, a charge control system 26, and a charging unit 27.
  • This inverter unit 20 is constructed as a structural unit in a compact manner.
  • the control unit is connected via connecting means 28 with the control of the wind turbine.
  • the rectifier 21 is connected to a three-phase supply network 29 and provides a DC voltage UZK in the intermediate circuit 22 ready.
  • the rectifier 21 can be actively controlled by the control unit 25 via connecting means 30.
  • a passive version of the rectifier is conceivable.
  • the inverter 23 provides via the connecting means 32 a suitable supply of three-phase alternating current (three-phase current) for the asynchronous machine 6.
  • the inverter 23 is controllable by means of connection means 31 of the control unit 25 of the inverter unit 20.
  • the control unit 25 therefore specifies to the inverter 23 how the asynchronous machine 6 is to be actuated.
  • an encoder can be provided on the drive unit 7, which reports the position of the rotor blade 9 back to the control unit 25 via connecting means 33.
  • the control unit 25, the drive unit 7 and the encoder together are suitable to represent a control circuit for the pitch adjustment.
  • an electromagnetic brake 5 is arranged on the drive unit 7. This brake 5 can act directly on a shaft 11 of the asynchronous machine 6 or the transmission 10 and be arranged there.
  • a fail-safe embodiment is realized by a non-rotating friction means in the currentless state in the brake 5 applied to a rotatably connected to the shaft 11 brake disc or drum, wherein spring means press the friction means against the brake disc or drum. The normal force caused thereby generates the desired braking or holding torque.
  • the brake 5 is preferably arranged on the fast shaft 11 of the transmission 10.
  • the brake 5 preferably has an electromagnetic actuator with a coil which is adapted to lift the friction means against the spring force of the spring means of the brake disc or drum.
  • the coil in the brake 5 must be energized by the DC voltage divider 24.
  • the DC voltage controller 24 is controlled by the control unit 25 via connecting means 34 such that this receives electrical energy from the DC voltage intermediate circuit 22, and a release voltage UL is applied to the coil of the brake 5.
  • the DC voltage controller 24 is designed such that it provides a constant release voltage U L regardless of the voltage U Z ⁇ in the DC link. As a result, a safe release of the brake 5 is possible.
  • the intermediate circuit 22 is fed by an emergency operating device 35, which is connected directly to the intermediate circuit 22. If the level of the emergency voltage UN of the emergency operating device 35 would not be sufficient to release the brake 5, the rotor blades 9 could no longer be moved to a neutral position. That would be one Wreckage of the entire facility possible. If the DC voltage divider 24 is designed as a boost, the brake 5 can be solved despite the low voltage.
  • the DC voltage controller 24 may be designed such that it can provide different, but in each case constant, solution voltages for different brakes in different types of wind turbines.
  • the drive device 1 according to the invention can be widely and inexpensively used.
  • the brake itself can be provided more cost-effectively, since the coil of the electromagnetic actuator only has to be designed for one voltage level and does not have to tolerate voltage fluctuations in the DC link.
  • the DC voltage controller 24 is designed as a bottom plate.
  • the emergency power supply device 35 comprises storage means 36 for storing electrical energy, such as capacitors, supercaps and / or accumulators.
  • the emergency operation supply device 35 is connected directly to the intermediate circuit 22 in such a way that, in the event of a voltage drop of the intermediate circuit voltage U z ⁇ , electrical energy can flow from the emergency operation supply device 35 into the intermediate circuit 22 under the emergency voltage U N of the storage means 36.
  • one or two diodes 37 may be provided.
  • the storage means 36 can be charged by means of the charging unit 27 from the intermediate circuit 22.
  • the charging unit 27 can be controlled via connecting means 40 by a charging control system 26.
  • the charging control system 26 may conveniently be integrated directly into the control unit 25 of the inverter unit 20. It is also conceivable (as shown in FIG. 2) that the charge control system 26 is provided as an extra unit in the inverter unit 20.
  • the storage means 36 can be short-circuited with the interposition of a defined load (resistor).
  • a defined load resistor
  • the so-called chopper resistor 41 or alternatively an external test resistor 44 can be used.
  • the chopper resistor 41 is normally used to reduce excess energy in the intermediate voltage circuit 22 and convert it into heat.
  • the charge control system 26 closes the switch 42 or 45, whereby the storage means 36 are short-circuited via the chopper resistor 41 or the external test resistor 44.
  • a certain measuring voltage UMe drops, which is representative of the voltage UN of the emergency power supply device 35.
  • the charging control system 26 picks up the measuring voltage U Me on the measuring resistor 47, and depending on the level of the measuring voltage U Me via connecting means 40, gives an instruction to the charging unit 27 to charge the storage means 36. If the measurement voltage U Me indicates a malfunction of the storage means 36, the charge control system 26 returns an error message to the control unit 25 via connection means 49. In this case, the control unit 25 would forward this error message via the connecting means 28 to the control of the wind turbine, whereby possibly the wind turbine would be switched off.
  • the control unit 25 controls the inverter 23 for the operation of the asynchronous machine 6, the voltage equalizer 24 to release the brake 5 and release the drive unit 7, and the charge control system 26, and above the charging unit 27, the switch 42 of the chopper resistor 41 and / or The switch 45 of the external test resistor 44. Due to this extremely advantageous integration of all control operations in the control unit 25 of the inverter unit 20, which in turn combines different functions structurally, a very favorable expression of the drive device 1 is achieved. Continuing with this idea of integration, the inverter unit 20 can have a temperature control system. In this case, 20 inputs for temperature sensors 50, 51, 52, 53, 54 and humidity sensors 59, 60 and control outputs for air conditioning and / or heaters are provided on the control unit 25 of the inverter unit.
  • the hub 4 of the wind turbine is shown schematically, wherein the inverter unit 20 is arranged in a cabinet 3 in the hub 4.
  • a temperature sensor 50 and a humidity sensor 59 are provided directly in the inverter unit 20.
  • the environment vital to the inverters 21, 23, the DC divider 24, the charging unit 27 and the control unit 25 is constantly monitored to protect the sensitive electronic components against overheating and / or short circuits and moisture corrosion.
  • an air conditioning and / or heating device 55 for cooling or warming up the inverter unit 20 is arranged in the control cabinet 3. It is also conceivable to arrange a further temperature sensor 51 in the control cabinet 3.
  • the hub 4 and the emergency power supply device 35 which has a temperature sensor 52 and a separate air conditioning and / or heating device 38 for cooling or reheating the emergency power supply device 35.
  • the performance of certain storage means is very temperature dependent, especially with accumulators, so that the implementation of an air conditioning and / or heating device 38 with a temperature sensor 52 makes the emergency energy supply device 35 much more fail-safe.
  • the temperature control and manipulation of the emergency power supply device 35 is realized by the control unit 25 in the inverter unit 20.
  • the controller 25 may also monitor other components in the hub 4 for temperature.
  • Fig. 1 indicates that in the hub 4, a lubricant device 56 is provided. This serves to provide the components of the blade adjustment 8, in particular the pinion 13 and the ring gear 14 with lubricant (grease) to prevent excessive wear. Due to the temperature dependence of the viscosity of lubricant, at least one further temperature sensor 53 and a heater 57 is provided here, which also with the Control unit 25 are connected. Also, the pump 58 of the lubricant supply 57 can be controlled by the control unit 25 via connecting means 48.
  • a temperature sensor 54 and a humidity sensor 60 connected to inputs of the control unit 25 of the inverter unit 20 are provided in the hub 4 so as to also monitor the surroundings in the hub 4.
  • PT100 elements can be used for temperature detection.
  • the inverter unit 20 must have at least as many temperature inputs as different zones are to be controlled or monitored.
  • An advantageous embodiment discloses to switch a plurality of sensors in a time-nested manner to the control unit 25 by means of a multiplexer. For example, if control unit 25 provides a measurement assembly for eight temperature signals, each sensor is sampled every fifteen seconds, then each temperature value is updated every two minutes. However, this has no negative influence because of the slow temperature changes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung (1) für ein Rotorblatt (9) einer Windturbine. Diese Antriebseinheit weist eine Asynchronmaschine (6) zum Verstellen des Rotorblatts, eine an der Antriebseinheit angeordnete, elektrisch betätigbare Bremse (5) zum Festsetzen oder Abbremsen der Antriebseinheit und eine elektrische Versorgungsvorrichtung (2) auf, über welche die Asynchronmaschine mit einem Drehstromnetz verbindbar ist. Die Versorgungsvorrichtung umfasst einen Gleichrichter (21), einen Wechselrichter (23) und Gleichspannungszwischenkreis. Üblicherweise ist für jedes Rotorblatt einer Windturbine eine eigene Antriebsvorrichtung vorgesehen. Für Notfälle, wie Ausfall von Komponenten oder der Spannungsversorgung, ist in der Regel eine Notbetriebsvorsorgungseinrichtung (35) für das Verstellen der Rotorblätter in eine betriebssichere Position vorgesehen. Dabei ergibt sich u. a. der Nachteil, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen elektrischen Komponenten erforderlich ist. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Antriebssystem für eine Windturbine, und eine Windturbine mit einem solchen Antriebssystem zur Rotorblattverstellung anzugeben, wobei die u. a. die Nachteile des Stands der Technik vermieden werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst, indem ein Gleichspannungssteiler (24) verbunden mit dem Zwischenkreis vorgesehen ist, worüber die Bremse elektrisch gespeist wird. Durch die Versorgung der Bremse durch den Zwischenkreis kann auf eine zusätzliche Spannungsquelle für die Bremse verzichtet werden, und die Bremse kann besonders einfach ausgeführt sein.

Description

Antriebsvorrichtung für eine Windturbine
Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für ein Rotorblatt einer Windturbine. Solche Windturbinen umfassen einen an einem Maschinenhaus drehbar gelagerten Rotor mit einer Nabe, wobei der Rotor wenigstens eine elektromechanische Antriebsvorrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels wenigstens eines an der Nabe befestigbaren Rotorblattes aufweist. Diese Antriebseinheit weist eine Asynchronmaschine zum Verstellen des Rotorblatts, eine an der Antriebseinheit angeordnete, elektrisch betätigbare Bremse zum Festsetzen oder Abbremsen der Antriebseinheit und eine elektrische Versorgungsvorrichtung auf, über welche die Asynchronmaschine mit einem Drehstromnetz verbindbar ist. Die Versorgungsvorrichtung umfasst einen Gleichrichter, einen Wechselrichter und Gleichspannungszwischenkreis. Üblicherweise ist für jedes Rotorblatt einer Windturbine eine eigene Antriebsvorrichtung vorgesehen. Für Notfälle, wie Ausfall von Komponenten oder der Spannungsversorgung, ist in der Regel eine Notbetriebsvorsorgungseinrichtung für das Verstellen der Rotorblätter in eine betriebssichere Position (z.B. Fahnenstellung) vorgesehen.
Ein herkömmliche elektrische Antriebsvorrichtung ist in der DE 103 35 575 B4 beschrieben. Die Blattverstellung basiert auf Drehstrommotoren und Frequenzumrichtern. Die Frequenzumrichter werden durch dreiphasigen Wechselstrom gespeist und stellen über Gleichrichter einen Gleichspannungszwischenkreis bereit. Aus diesem werden dann Wechselrichter zur Steuerung der Drehstrommotoren gespeist. Für eine Notversorgung ist in der Regel ein elektrischer Energiespeicher vorgesehen, der den Zwischenkreis speist.
Dabei ergibt sich u. a. der Nachteil, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen elektrischen Komponenten erforderlich ist, um ein Antriebssystem mit einer Asynchronmaschine, einer Bremse und/oder einer Notbetriebsvorsorgungseinrichtung sicher betreiben zu können. Da in Windturbinen der Bauraum begrenzt ist, insbesondere in der Nabe, zeigt sich die Vielzahl von Komponenten besonders nachteilig. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Antriebssystem für eine Windturbine, und eine Windturbine mit einem solchen Antriebssystem zur Rotorblattverstellung anzugeben, wobei die u. a. die Nachteile des Stands der Technik vermieden werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst, indem ein Gleichspannungssteiler verbunden mit dem Zwischenkreis vorgesehen ist, worüber die Bremse elektrisch gespeist wird. Durch die Versorgung der Bremse durch den Zwischenkreis kann auf eine zusätzliche Spannungsquelle für die Bremse verzichtet werden, und die Bremse kann besonders einfach ausgeführt sein.
Eine weitere Ausführungsform offenbart, dass eine Notbetriebsversorgungseinrichtung mit dem Zwischenkreis verbunden ist und mittels einer Ladeeinheit und eines
Ladekontrollsystems aus dem Zwischenkreis aufgeladen werden kann. Dadurch wird eine weitere Spannungsquelle zum Aufladen der Notbetriebsversorgungseinrichtung überflüssig.
Darüber hinaus ist eine Steuereinheit zur Steuerung des Gleichspannungsstellers und/oder des Ladekontrollsystems vorgesehen. Das Ladekontrollsystem kann direkt in die Steuereinheit eingebunden sein.
Die Steuereinheit kann mit mindestens einem Temperatursensor und/oder Feuchtesensor verbunden sein, und zudem ist zumindest ein Klima- und/oder Heizgerät zum Kühlen oder Aufwärmen der Versorgungsvorrichtung und/oder der Notbetriebsversorgungseinrichtung vorgesehen, wobei das Klima- und/oder Heizgerät durch die Steuereinheit ansteuerbar ist.
Eine besonders günstige Ausführung der Erfindung offenbart, dass eine baulich einheitliche Invertereinheit vorgesehen ist, worin Versorgungsvorrichtung, der Gleichspannungssteller, die Ladeeinheit, das Ladekontrollsystem und die Steuereinheit angeordnet sind. Damit wird die Bauteilkomplexität des Antriebssystems erheblich reduziert, wodurch sich wiederum die Kosten der Herstellung und die Montage und die Fehleranfälligkeit deutlich reduziert werden. Die Erfindung offenbar auch eine Invertereinheit umfassend einen Gleichrichter, einen Wechselrichter, einen Gleichspannungszwischenkreis, wobei der Zwischenkreis durch den Gleichrichter speisbar ist, und wobei eine Asynchronmaschine einer Antriebeinheit einer Blattverstellung einer Windturbine über den Wechselrichter speisbar ist, mit einem Gleichspannungssteiler zum Ansteuern einer elektrisch betätigbaren Bremse für die Antriebseinheit, mit einer Steuereinheit zur Ansteuerung des Wechselrichters und des Gleichspannungsstellers, wobei die Invertereinheit zusammen mit dem Gleichrichter, dem Wechselrichter, dem Gleichspannungszwischenkreis, dem Gleichspannungssteiler und mit der Steuereinheit als eine bauliche Einheit ausgeführt ist.
Eine weitere Ausführung offenbart, dass die bauliche Einheit der Invertereinheit eine Ladeeinheit und ein Ladekontrollsystem zum Aufladen und Überwachen einer externen Notenergieversorgungseinrichtung umfasst. Dabei kann die bauliche Einheit einen Temperatursensor und einen Feuchtesensor zur Überwachung der internen Umgebung umfassen. Zudem sind weitere Eingänge für zusätzliche Temperatursensoren und/oder Feuchtesensoren vorsehbar.
Die Erfindung umfasst auch eine Windturbine mit einem auf einem Turm angeordneten Maschinenhaus, mit einem an dem Maschinenhaus drehbar angeordneten Rotor umfassend ein Nabe und daran drehbar angeordnete Rotorblätter, wobei in der Nabe mindestens eine Antriebsvorrichtung wie zuvor beschrieben angeordnet ist.
Weiter Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Nabe der Windturbine mit der Antriebsvorrichtung, und
Fig. 2 einen vereinfachten Schaltungs- und Anordnungsplan der Antriebsvorrichtung.
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungemäßen Antriebsvorrichtung 1 , wobei eine Invertereinheit 20 n einem Schaltschrank 4 in einer Nabe 3 einer hier nicht dargestellten - A -
Windtυrbine angeordnet ist. Die Invertereinheit 20 speist über elektrische Verbindungsmittel 32 die Asynchronmaschine 6 der Antriebseinheit 7 der Blattverstellung ines Rotorblatts 9. Die Antriebseinheit 7 kann ein Getriebe 10 aufweisen, wobei die Antriebwelle 11 des Getriebes 10 direkt mit der Asynchronmaschine 9 und die Abtriebswelle 12 mit einem Ritzel 13 verbunden ist. Das Ritzel 13 greift in einen mit dem Rotorblatt 9 drehfest verbundenen Zahnkranz 14, wobei das Rotorblatt 9 mittels eines Blattlagers 15 drehbar um seine Längsachse 16 in der Nabe 4 gelagert ist.
Fig. 2 zeigt schematisch die Invertereinheit 20 des Antriebssystems 1. Dabei ist die Asynchronmaschine 6 über eine elektrische Versorgungsvorrichtung 2 mit einem Versorgungsnetz 10 verbunden. Die Invertereinheit 20 umfasst die elektrische Versorgungsvorrichtung 2 mit einem Gleichrichter 21, einem Gleichspannungszwischenkreis 22 und einem Wechselrichter 23, einen Gleichspannungssteller 24, eine Steuereinheit 25, ein Ladekontrollsystem 26 und eine Ladeeinheit 27. Diese Invertereinheit 20 ist als bauliche Einheit in kompakter Weise ausgeführt. Die Steuereinheit ist über Verbindungsmittel 28 mit der Steuerung der Windturbine verbunden.
Der Gleichrichter 21 ist mit einem dreiphasigen Versorgungsnetz 29 verbunden und stellt eine Gleichspannung UZK im Zwischenkreis 22 bereit. Dabei kann der Gleichrichter 21 durch die Steuereinheit 25 über Verbindungsmittel 30 aktiv angesteuert werden. Auch eine passive Ausführung des Gleichrichters ist denkbar. Der Wechselrichter 23 stellt über die Verbindungsmittel 32 eine geeignete Versorgung mit dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) für die Asynchronmaschine 6 bereit. Dabei ist der Wechselrichter 23 mittelsVerbindungsmittel 31 der Steuereinheit 25 der Invertereinheit 20 ansteuerbar. Je nach Bedarf gibt die Steuereinheit 25 dem Wechselrichter 23 also vor, wie die Asynchronmaschine 6 zu betätigen ist. Darüber hinaus kann an der Antriebseinheit 7 ein Geber vorgesehen sein, der über Verbindungsmittel 33 die Stellung des Rotorblatts 9 an die Steuereinheit 25 zurück meldet. So sind die Steuereinheit 25, die Antriebseinheit 7 und der Geber zusammen geeignet, einen Regelkreis für die Blattverstellung darzustellen. Um eine definierte gewünschte Position des Rotorblatts 9 beibehalten zu können, ohne die Asynchronmaschine 6 permanent anzusteuern - oder auch um die Antriebseinheit 7 und das Rotorblatt 9 abzubremsen -, ist an der Antriebseinheit 7 eine elektromagnetische Bremse 5 angeordnet. Diese Bremse 5 kann direkt eine Welle 11 der Asynchronmaschine 6 oder des Getriebes 10 beaufschlagen und dort angeordnet sein.
Eine ausfallsichere Ausführung wird realisiert, indem im stromlosen Zustand in der Bremse 5 ein nicht rotierendes Reibungsmittel eine mit der Welle 11 drehfest verbundene Bremsscheibe oder -trommel beaufschlagt, wobei Federmittel die Reibungsmittel gegen die Bremsscheibe oder -trommel pressen. Die dadurch verursachte Normalkraft erzeugt das erwünschte Brems- oder Haltemoment. Die Bremse 5 ist vorzugsweise an der schnellen Welle 11 des Getriebes 10 angeordnet.
Die Bremse 5 weist vorzugweise ein elektromagnetisches Betätigungselement mit einer Spule auf, welches geeignet ist, die Reibungsmittel entgegen der Federkraft der Federmittel von der Bremsscheibe oder -trommel abzuheben. Um die Bremse 5 zu lösen, muss die Spule in der Bremse 5 durch den Gleichspannungssteiler 24 bestromt werden. Dazu wird der Gleichspannungssteller 24 von der Steuereinheit 25 über Verbindungsmittel 34 derart angesteuert, dass dieser elektrische Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis 22 aufnimmt, und eine Lösespannung UL an die Spule der Bremse 5 anliegt. Der Gleichspannungssteller 24 ist derart ausgelegt, dass dieser unabhängig von der Spannung UZκ im Zwischenkreis eine konstante Lösespannung UL bereitstellt. Dadurch ist ein sicheres Lösen der Bremse 5 möglich.
Dies kann besonders wichtig sein, falls der Notfall eintritt, dass das Drehstrom- Versorgungsnetz 10 keine elektrische Energie der Versorgungsvorrichtung 2 bzw. der Invertereinheit 20 mehr zu Verfügung stellt (z. B. Netzausfall), und die Rotorblätter 9 in eine neutrale Stellung gebracht werden müssen. In diesem Fall wird der Zwischenkreis 22 von einer Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 gespeist, die direkt mit dem Zwischenkreis 22 verbunden ist. Falls das Niveau der Notspannung UN der Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 nicht ausreichen würde, um die Bremse 5 zu lösen, so könnten die Rotorblätter 9 nicht mehr in eine neutrale Stellung gefahren werden. Damit wäre eine Havarie der gesamten Anlage möglich. Wenn der Gleichspannungssteiler 24 als Hochsteller ausgeführt ist, kann die Bremse 5 trotz der niedrigen Spannung gelöst werden.
Zudem kann der Gleichspannungssteller 24 derart ausgeführt sein, dass er für unterschiedliche Bremsen in verschiedenen Typen von Windturbinen unterschiedliche, aber jeweils konstante Lösungsspannungen bereitstellen kann. Damit wird die erfindungsgemäße Antriebsvorrichtung 1 weit und kostengünstig einsetzbar.
Zudem kann bei einer konstanten Lösespannung UL die Bremse an sich kostengünstiger bereitgestellt werden, da die Spule des elektromagnetischen Betätigungselements nur auf ein Spannungsniveau ausgelegt werden muss, und nicht Spannungsschwankungen im Zwischenkreis tolerieren muss. Vorzugweise ist der Gleichspannungssteller 24 als Tiefsteller ausgebildet.
Die Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 umfasst Speichermittel 36 zum Speichern von elektrischer Energie, wie zum Beispiel Kondensatoren, Supercaps und/oder Akkumulatoren. Die Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 ist mit dem Zwischenkreis 22 derart direkt verbunden, dass im Falle eines Spannungsabfalls der Zwischen kreis- spannung Uzκ unter die Notspannung UN der Speichermittel 36 elektrische Energie aus der Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 in den Zwischenkreis 22 fließen kann. Dazu können ein oder zwei Dioden 37 vorgesehen sein. Im Normalbetrieb können die Speichermittel 36 mittels der Ladeeinheit 27 aus dem Zwischenkreis 22 aufgeladen werden.
Die Ladeeinheit 27 ist über Verbindungsmittel 40 von einem Ladekontrollsystem 26 ansteuerbar. Das Ladekontrollsystem 26 kann günstiger Weise direkt in die Steuereinheit 25 der Invertereinheit 20 integriert sein. Denkbar ist auch (wie in Fig. 2 gezeigt), dass das Ladekontrollsystem 26 als extra Baueinheit in der Invertereinheit 20 vorgesehen ist. Um den Zustand und die Notspannung UN der Speichermittel 36 überwachen zu können, sind die Speichermittel 36 unter Zwischenschaltung einer definierten Last (Widerstand) kurzschließbar. Dazu kann zum einen der sog. Chopperwiderstand 41 oder alternativer Weise ein externer Testwiderstand 44 verwendet werden. Der Chopperwiderstand 41 dient im Normalfall dazu, überschüssige Energie im Zwischenspannungskreis 22 abzubauen bzw. in Wärme umzuwandeln. Dies ist der Fall, wenn die Antriebeinheit 7 durch das Rotorblatt 9 bzw. durch den Winddruck oder die Trägheit des Rotorblatts 9 bewegt wird. Dabei ist die Asynchronmaschine 6 in einem generatorischen Betrieb, der Wechselrichter 23 fungiert als Gleichrichter und die erzeugte Energie wird in den Zwischenkreis 22 gespeist. Der Chopperwiderstand 41 wird dann über Verbindungsmittel 43 und einem Schalter 42 von der Steuereinheit 25 bzw. über das Ladekontrollsystem 26 in den Zwischenkreis 22 geschaltet.
Soll die Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 getestet werden, schließt das Ladekontrollsystem 26 den Schalter 42 oder 45, wodurch die Speichermittel 36 über den Chopperwiderstand 41 oder den externen Testwiderstand 44 kurz geschlossen werden. Dabei fällt an einem Messwiderstand 47 eine bestimmte Messspannung UMe ab, welche repräsentativ für die Spannung UN der Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 ist. Das Ladekontrollsystem 26 greift die Messspannung UMe am Messwiderstand 47 ab, und gibt je nach Niveau der Messspannung UMe über Verbindungsmittel 40 eine Anweisung an die Ladeeinheit 27, die Speichermittel 36 aufzuladen. Wenn die Messspannung UMe auf eine Fehlfunktion der Speichermittel 36 schließen lässt, dann gibt die Ladekontrollsystem 26 über Verbindungsmittel 49 eine Fehlermeldung an die Steuereinheit 25 zurück. In diesem fall würde die Steuereinheit 25 diese Fehlermeldung über die Verbindungsmittel 28 an die Steuerung der Windturbine weiterleiten, wodurch ggf. die Windturbine abgeschaltet werden würde.
Die Steuereinheit 25 steuert den Wechselrichter 23 für den Betrieb der Asynchronmaschine 6, den Spannungsgleichsteller 24, um die Bremse 5 zu lösen und die Antriebseinheit 7 freizugeben, und das Ladekontrollsystem 26, und darüber die Ladeeinheit 27, den Schalter 42 des Chopperwiderstands 41 und/ oder den Schalter 45 des externen Testwiderstands 44. Aufgrund dieser äußerst vorteilhaften Integration sämtlicher Steuervorgänge in die Steuereinheit 25 der Invertereinheit 20, welche wiederum unterschiedliche Funktionen in sich baulich vereint, wird eine sehr günstige Ausprägung der Antriebsvorrichtung 1 erreicht. Diesen Integrationsgedanken fortführend, kann die Invertereinheit 20 ein Temperaturkontrollsystem aufweisen. Dabei sind an der Steuereinheit 25 der Invertereinheit 20 Eingänge für Temperatursensoren 50, 51 , 52, 53, 54 und Feuchtesensoren 59, 60 und Steuerausgänge für Klima- und/oder Heizgeräte vorgesehen.
In Fig. 2 ist die Nabe 4 der Windturbine schematisch gezeigt, wobei die Invertereinheit 20 in einem Schaltschrank 3 in der Nabe 4 angeordnet ist. Ein Temperatursensor 50 und ein Feuchtesensor 59 sind direkt in der Invertereinheit 20 vorgesehen. Somit wird die für die Umrichter 21 , 23, den Gleichspannungssteiler 24, die Ladeeinheit 27 und die Steuereinheit 25 vitale Umgebung ständig überwacht, um die empfindlichen elektronischen Komponenten gegen Überhitzung und/oder Kurzschlüsse und Korrosion durch Feuchtigkeit zu schützen. Dazu ist in dem Schaltschrank 3 ein Klima- und/oder Heizgerät 55 zum Kühlen oder Aufwärmen der Invertereinheit 20 angeordnet. Denkbar ist auch einen weiteren Temperatursensor 51 in dem Schaltschrank 3 anzuordnen.
In der Nabe 4 ist auch die Notenergieversorgungseinrichtung 35 vorgesehen, welche einen Temperatursensor 52 und ein separates Klima- und/oder Heizgerät 38 zum Kühlen oder Aufwärmen der Notenergieversorgungseinrichtung 35 aufweist. Die Leistungsfähigkeit bestimmter Speichermittel ist sehr Temperatur abhängig, insbesondere bei Akkumulatoren, so dass die Implementierung eines Klima- und/oder Heizgerät 38 mit einem Temperatursensor 52 die Notenergieversorgungseinrichtung 35 wesentlich ausfallsicherer macht. Die Temperaturkontrolle und -manipulation der Notenergieversorgungseinrichtung 35 wird durch die Steuereinheit 25 in der Invertereinheit 20 realisiert.
Analog dazu kann die Steuereinheit 25 auch andere Komponenten in der Nabe 4 hinsichtlich der Temperatur überwachen. Fig. 1 führt an, dass in der Nabe 4 eine Schmiermittelvorrichtung 56 vorgesehen ist. Diese dient dazu, die Komponenten der Blattverstellung 8, insbesondere das Ritzel 13 und den Zahnkranz 14 mit Schmiermittel (Fett) zu versorgen, um einem übermäßigen Verschleiß vorzubeugen. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Schmiermittel, ist hier zumindest ein weiterer Temperatursensor 53 und eine Heizvorrichtung 57 vorzusehen, die auch mit der Steuereinheit 25 verbunden sind. Auch die Pumpe 58 der Schmiermittelversorgung 57 kann von der Steuereinheit 25 über Verbindungsmittel 48 angesteuert werden.
Vorzugsweise sind in der Nabe 4 ein Temperatursensor 54 und ein Feuchtesensor 60 verbunden mit Eingängen der Steuereinheit 25 der Invertereinheit 20 vorgesehen, um so auch die Umgebung in der Nabe 4 überwachen zu können.
Für die Temperaturerfassung können beispielsweise PT100 Elemente eingesetzt werden. Die Invertereinheit 20 muss über mindestens so viele Temperatureingänge verfügen, wie verschieden Zonen zu regeln bzw. zu überwachen sind.
Eine vorteilhafte Ausführungsform offenbart, mittels eines M ulti plexers mehrere Sensoren zeitlich geschachtelt auf die Steuereinheit 25 zu schalten. Wenn beispielsweise in der Steuereinheit 25 eine Messbaugruppe für acht Temperatursignale vorgesehen ist, jeder Sensor in einem 15-Sekundentakt abgetastet wird, so wird jeder Temperaturwert alle zwei Minuten aktualisiert. Dies hat jedoch wegen der langsamen Temperaturänderungen keinen negativen Einfluss.
Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen sollen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar.
Antriebsvorrichtung 35 Notbetriebsversorgungseinrichtung Versorgungsvorrichtung 36 Speichermittel Schaltschrank 37 Diode Nabe 38 Klima- und/oder Heizgerät Bremse 40 Verbindungsmittel Asynchronmaschine 41 Chopperwiderstand Antriebseinheit 42 Schalter Rotorblatt 43 Verbindungsmittel Getriebe 44 Testwiderstand Welle 45 Schalter Welle 46 Verbindungsmittel Ritzel 47 Messwiderstand Zahnkranz 48 Verbindungsmittel Blattlager 49 Verbindungsmittel Längsachse 50 Temperatursensor Invertereinheit 51 Temperatursensor Gleichrichter 52 Temperatursensor Gleichspannungszwischenkreis 53 Temperatursensor Wechselrichter 54 Temperatursensor Gleichspannungssteiler 55 Klima- und/oder Heizgerät Steuereinheit 56 Schmiermittelvorrichtung Ladekontrollsystem 57 Heizvorrichtung Ladeeinheit 58 Pumpe Verbindungsmittel 59 Feuchtesensor Versorgungsnetz 60 Feuchtesensor Verbindungsmittel (Gleichrichter) Uzk Gleichspannung Verbindungsmittel (wechel UL Lösespannung Verbindungsmittel Asynchron UN Notspannung Verbindungsmittel (Geber) U Me Messspannung Verbindungsmittel

Claims

Patentansprüche
1. Antriebsvorrichtung (1) für ein Rotorblatt (9) einer Windturbine umfassend
■ mindestens eine elektromechanische Antriebseinheit (7) mit einer Asynchronmaschine (6) zum Verstellen des Rotorblatts (9),
■ eine an der Antriebseinheit (7) angeordnete, elektrisch betätigbare Bremse (5) zum Festsetzen oder Abbremsen der Antriebseinheit (6),
■ eine elektrische Versorgungsvorrichtung (2), über welche die Asynchronmaschine (6) mit einem Drehstromnetz verbindbar ist,
■ wobei die Versorgungsvorrichtung (2) einen Gleichrichter (21), einen Wechselrichter (23) und Gleichspannungszwischenkreis (22) aufweist,
■ und wobei die Bremse (5) über einen Gleichspannungssteller (24) mit dem Gleichspannungszwischenkreis (22) verbunden ist.
2. Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Notbetriebsversorgungseinrichtung (35) mit dem Zwischenkreis (22) verbunden ist und mittels einer Ladeeinheit (27) und eines Ladekontrollsystems (26) aus dem Zwischenkreis (22) aufgeladen werden kann.
3. Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsvorrichtung (2) eine Steuereinheit (25) zur Steuerung des Gleichspannungsstellers (24) und/oder des Ladekontrollsystems aufweist.
4. Antriebsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (25) mit Temperatursensoren (50, 51 , 52, 53, 54) und Feuchtesensoren (59, 60) verbunden ist, und zumindest ein Klima- und/oder Heizgerät (38, 55, 57) zum Kühlen oder Aufwärmen der Versorgungsvorrichtung (2) und/oder der Notbetriebsversorgungseinrichtung (35) vorgesehen ist, welches durch die Steuereinheit (35) ansteuerbar ist.
5. Antriebsvorrichtung (1) nach einem der voran gestellten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsvorrichtung (2), der Gleichspannungssteller (24), die Steuereinheit (25), das Ladekontrollsystem (26) und die Ladeeinheit (20) in einer Invertereinheit (20) angeordnet sind.
6. Invertereinheit (20) umfassend einen Gleichrichter (21), einen Wechselrichter (23), einen Gleichspannungszwischenkreis (22), wobei der Zwischenkreis (22) durch den Gleichrichter (21) speisbar ist, und wobei eine Asynchronmaschine (6) einer Antriebeinheit (7) einer Blattverstellung einer Windturbine über den Wechselrichter (23) speisbar ist, mit einem Gleichspannungssteiler (24) zum Ansteuern einer elektrisch betätigbaren Bremse (5) für die Antriebseinheit (7), mit einer Steuereinheit (25) zur Ansteuerung des Wechselrichters (23) und des Gleichspannungsstellers (24), wobei die Invertereinheit (20) zusammen mit dem Gleichrichter (21), dem Wechselrichter (23), dem Gleichspannungszwischenkreis (22), dem Gleichspannungssteller (24) und mit der Steuereinheit (24) als eine bauliche Einheit ausgeführt ist.
7. Invertereinheit (20) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bauliche Einheit eine Ladeeinheit (27) und ein Ladekontrollsystem (26) zum Aufladen und Überwachen einer externen Notenergieversorgungseinrichtung (35) umfasst.
8. Invertereinheit (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bauliche Einheit mindestens einen Temperatursensor (50) und einen Feuchtesensor (59) zur Überwachung der internen Umgebung umfasst, und weiterhin Eingänge für zusätzliche Temperatursensoren und/oder Feuchtesensoren (51 , 52, 53, 54, 60) vorgesehen sind.
9. Schaltschrank (3) mit einer Invertereinheit (20) nach einem der Ansprüche 6 - 8.
10. Schaltschrank (3) nach Anspruch 8, umfassend ein Klima- und/oder Heizgerät (55) zum Kühlen oder Aufwärmen der Invertereinheit (20).
11. Windturbine mit einem auf einem Turm angeordneten Maschinenhaus, mit einem an dem Maschinenhaus drehbar angeordneten Rotor, umfassend ein Nabe (3) und daran drehbar angeordnete Rotorblätter (9), dadurch gekennzeichnet, dass in der Nabe (3) mindestens eine Antriebsvorrichtung (1) nach einem der voran gestellten Ansprüche vorgesehen ist.
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