DE10023440C1

DE10023440C1 - Azimutantrieb für Windenergieanlagen

Info

Publication number: DE10023440C1
Application number: DE10023440A
Authority: DE
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-05-05
Filing date: 2000-05-12
Publication date: 2001-12-20
Anticipated expiration: 2020-05-13

Abstract

Windenergieanlagen haben in der Regel für die Windrichtungsnachführung einen aktiven Antrieb. Dieser verdreht das Maschinenhaus der Windenergieanlage so, dass die Rotorblätter des Rotors in Richtung des Windes ausgerichtet werden. Dieser für die Windrichtungsnachführung benötigte Antrieb ist regelmäßig ein Azimutantrieb, welcher sich mit den zugehörigen Azimutlagern gewöhnlich zwischen Turmkopf und dem Maschinenhaus befindet. Bei kleinen Windenergieanlagen genügt ein Verstellantrieb, größere Windenergieanlagen sind in der Regel mit mehreren Azimutantrieben ausgestattet. DOLLAR A Es ist Aufgabe der Erfindung, den Azimutantrieb für Windenergieanlagen zu verbessern, so dass die vorstehend genannten Probleme beseitigt werden, einen konstruktiv einfachen Azimutantrieb zu schaffen, eine gleichmäßige Lastenverteilung für jeden Azimutantrieb zu gewährleisten und unerwünschte Drehmomentschwankungen der einzelnen Antriebe zu vermeiden. DOLLAR A Windenergieanlage mit einem Maschinenhaus, das einen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt aufnimmt und einer Verstelleinrichtung zur Verstellung des Maschinenhauses zur gewünschten Ausrichtung des Rotors in Richtung des Windes, wobei die Verstelleinrichtung als Antrieb einen Drehstrom-Asynchronmotor aufweist, der für eine Verstellung des Maschinenhauses mit einem Drehstrom variabler Frequenz beaufschlagt wird.

Description

Windenergieanlagen haben in der Regel für die Windrichtungsnachführung einen aktiven Antrieb. Dieser verdreht das Maschinenhaus der Windenergieanlage so, dass die Rotorblätter des Rotors in Richtung des Windes ausgerichtet werden. Dieser für die Windrichtungsnachführung benötigte Antrieb ist regelmäßig ein Azimutantrieb, welcher sich mit den zugehörigen Azimutlagern gewöhnlich zwischen Turmkopf und dem Maschinenhaus befindet. Bei kleinen Windenergie anlagen genügt ein Verstellantrieb, größere Windenergieanlagen sind in der Regel mit mehreren Azimutantrieben ausgestattet.

Bei der Windrichtungsnachführung des Maschinenhauses liefert ein Betriebswind- Meßsystem einen Mittelwert für die Windrichtung über einen gewissen Zeitraum, z. B. 10 Sekunden. Dieser Mittelwert wird immer wieder mit der momentanen Azimutposition des Maschinenhauses verglichen. Sobald eine Abweichung einen bestimmten Wert überschreitet, wird das Maschinenhaus entsprechend nach gestellt, so dass die Windrichtungsabweichung des Rotors, der Gierwinkel, möglichst gering ist, um Leistungsverluste zu vermeiden. Wie eine Windrichtungs nachführung bei bekannten Windenergieanlagen durchgeführt wird, ist in "Windkraftanlagen", Erich Hau, 2. Auflage, 1996, Seite 268 ff. bzw. 316 ff. beschrieben.

Bei bisher bekannten Windenergieanlagen übernimmt eine motorische Windrich tungsnachführung des Maschinenhauses, das Azimutverstellsystem, die Aufgabe, den Rotor und das Maschinenhaus automatisch nach der Windrichtung auszurich ten. Funktionell gesehen ist die Windrichtungsnachführung eine selbständige Baugruppe. Vom konstruktiven Standpunkt aus betrachtet, bildet sie den Übergang des Maschinenhauses zum Turmkopf. Ihre Komponenten sind teils im Maschinen haus, teils in den Turmkopf integriert. Das Gesamtsystem der Windrichtungs nachführung besteht aus den Komponenten Stellantrieb, Haltebremsen, Ver riegelungseinrichtung, Azimutlager und Regelungssystem. Diese Komponenten arbeiten wie folgt:
Für den Stellantrieb gibt es ähnlich wie für den Rotorblattverstellantrieb die Alternative hydraulisch oder elektrisch. Beide Ausführungen sind bei Windenergie anlagen üblich. Kleine Anlagen verfügen meistens über ungeregelte elektrische Antriebsmotoren. Bei großen Anlagen sind die hydraulischen Stellantriebe in der Überzahl.

Um zu vermeiden, dass das Giermoment um die Drehachse nach erfolgter Nachfüh rung von Antriebsmotoren gehalten werden muß, ist eine Drehhemmung oder eine Gierbremse erforderlich. Anderenfalls wäre die Lebensdauer der Antriebsaggregate oder der vorgeschalteten Getriebe kaum zu gewährleisten. Kleine Anlagen begnügen sich meistens mit einer Drehhemmung im Azimutlager, für größere Anlagen sind mehrere lösbare Haltebremsen bekannt. Diese greifen auf einen Bremsring an der Innenseite des Turms oder umgekehrt an einem Ring am Maschinenhaus an. Wäh rend des Nachführvorgangs sind eine oder zwei Azimutbremsen im Eingriff, um die erforderliche Dämpfung der Verstelldynamik zu gewährleisten. Der Stellantrieb muß dabei so ausgelegt werden, dass er gegen diese Reibungsdämpfung nachführen kann. Das Azimut- oder Turmkopflager wird regelmäßig als Wälzlager ausgeführt.

In Fig. 7 ist eine Teilschnittansicht eines bekannten Windrichtungsnachführungs systems mit elektrischem Stellantrieb der Westinghaus WTG-0600 dargestellt.

Während des Betriebs einer Windenergieanlage mit turbulenten Winden treten - in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors - sehr hohe Kräfte und damit verbundene hohe und häufige Lastspitzen in den Azimutantrieben auf.

Wenn mehr als ein Azimutantrieb vorgesehen ist, kommt es zusätzlich zu einer sehr hohen Unsymmetrie in den einzelnen Antrieben. Diese Antriebe haben eine Über setzung mittels eines Getriebes von ca. 15.000. Kleinste Abweichungen in der Ver zahnung am Umfang des Trumlagers führen sofort zu sehr starken Unsymmetrien, wenn mehr als ein Antrieb, z. B. vier Azimutantriebe, am Umfang des Turmlagers mit integrierter Verzahnung angebracht ist. Wegen der hohen Getriebeübersetzung entsprechen diese kleinen Abweichungen auf der Eingangsseite des Antriebs bis zu 15 bis 20 Umdrehungen auf der Ausgangsseite.

Das bedeutet im Ergebnis, dass während und nach jedem Verdrehvorgang des Ma schinenhauses die gesamte Last und das gesamte Drehmoment gleichzeitig auf ein zelne Antriebe, wenn möglich, gleichmäßig verteilt werden muß. Zusätzlich sollen die Antriebe bei starken Azimutlasten während der Stillstandszeiten bei zu hohen Lasten nachgeben und eine leichte Drehung des Maschinenhauses ermöglichen, damit sich eine entsprechende Entlastung einstellen kann.

Ferner treten während der Windnachführung des Maschinenhauses der Windener gieanlage bei starken Turbulenzen auch entsprechend hohe Drehmomente auf. Die se regen die Azimutantriebe derart an, dass die Motoren gegeneinander schwingen. Die Getriebe mit ihrem sehr hohen Übersetzungsverhältnis reagieren dabei wie eine Feder und große Drehmomentschwankungen der einzelnen Antriebe sind die Folge.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Azimutantrieb für Windenergieanlagen zu ver bessern, so dass die vorstehend genannten Probleme beseitigt werden, einen konstruktiv einfachen Azimutantrieb zu schaffen, eine gleichmäßige Lastenver teilung für jeden Azimutantrieb zu gewährleisten und unerwünschte Drehmoment schwankungen der einzelnen Antriebe zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird eine Windenergieanlage nach Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Windenergieanlage mit einem Maschinenhaus, das einen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt aufnimmt, zeichnet sich dadurch aus, dass die Verstelleinrichtung zur Verstellung des Maschinenhauses gemäß der jeweiligen Windrichtung als Azimutantrieb mindestens einen Drehstrom-Asynchronmotor aufweist, der während der Verstellung des Maschinenhauses mit einem Drehstrom variabler Frequenz beaufschlagt wird. Während der Stillstandszeit des Maschinen hauses kann der Drehstrom-Asynchronmotor zeitweise vollständig mit einem Gleichstrom beaufschlagt werden.

Nach dem Verstellvorgang mittels Drehstrom werden die Motoren abgeschaltet und erzeugen somit kein Drehmoment mehr. Um nunmehr auch für eine Bremswirkung des Antriebsmotors zu sorgen und während der Stillstandszeit beim Auftreten von Lastspitzen noch ein ausreichendes Bremsmoment zu erhalten, wird der Drehstrom- Asynchronmotor unmittelbar nach der Trennung vom Drehstromnetz mit einem Gleichstrom beaufschlagt. Dieser Gleichstrom erzeugt ein stehendes Magnetfeld in dem Asynchronmotor, der damit sofort abgebremst wird. Die Gleichstromver sorgung bleibt möglichst während der gesamten Stillstandszeit bestehen.

Zur Unterdrückung von unerwünschten Drehmomentschwankungen wird erfin dungsgemäß eine Drehmomentkontrolle vorgesehen. Die Abbremsung des Drehstrom-Asynchronmotors kann linear mit Hilfe der Höhe des Gleichstroms eingestellt werden. Damit ergibt sich eine einfache Drehmomentkontrolle für die Azimutantriebe von Windenergieanlagen während des eigentlichen Stillstandes.

Ferner werden, wenn die Verstelleinrichtung mehrere Drehstrom-Asynchronmotoren aufweist, die Drehstrom-Asynchronmotoren mit Hilfe eines Stromtransformators in Gegenkopplung gekoppelt, so dass der einzelne Antrieb stabilisiert ist und der bislang unerwünschte Federeffekt unterdrückt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Anordnung von vier Azimut antrieben einer Verstelleinrichtung am Maschi nenhaus;

Fig. 2 eine Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie eines Drehstrom-Asynchronmotors;

Fig. 3 die Kennlinie eines Drehstrom-Asynchronmo tors im Gleichstrombetrieb;

Fig. 4 eine alternative Darstellung zur Fig. 3;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Stromtransformator kopplung von zwei Asynchron-Azimutantrie ben;

Fig. 6a, 6b Schaltbild für einen Azimutmotor;

Fig. 7 Teilschnittansicht einer bekannten Windrich tungsnachführung mit elektrischem Stellan trieb;

Fig. 8 Blockschaltbild einer mit einem Frequenzum richter angesteuerten Asynchronmaschine.

Windenergieanlagen haben in der Regel für die Windrichtungsnachführung einen aktiven Antrieb. Dieser verdreht den Maschinenkopf der Windenergieanlage so, dass die Rotorblätter des Rotors in Richtung des Windes optimal ausgerichtet werden. Der aktive Antrieb für die Windrichtungsnachführung ist ein Azimutantrieb 1 mit dem zugehörigen Azimutlager 2 und befindet sich in der Regel zwischen dem Turmkopf und dem Maschinenhaus. Bei kleinen Windenergieanlagen genügt ein Azimutantrieb, größere Windenergieanlagen sind in der Regel mit mehreren Antrieben, zum Beispiel vier Antrieben, wie in Fig. 1 dargestellt. Die vier Antriebe 1 sind gleichmäßig über dem Umfang des Turmkopfes 3 verteilt (auch eine ungleichmäßige Verteilung ist möglich).

Wenn die Verstellrichtung zur Verstellung des Maschinenkopfes mehr als einen Azimutantrieb 1 aufweist, kommt es zusätzlich zu einer sehr hohen Unsymmetrie in den einzelnen Antrieben 1. Diese Antriebe haben ein Übersetzungsgetriebe 4 (Getriebe nicht dargestellt) mit einer Übersetzung von ca. 15.000. Kleinste Abweichungen in der Verzahnung der Übersetzungsgetriebe am Umfang des Turmlagers führen sofort zu sehr starken Unsymmetrien, wenn mehr als ein Antrieb, am Umfang des Turmlagers mit integrierter Verzahnung angebracht ist. Wegen der hohen Getriebeübersetzung entsprechen diese kleinen Abweichungen auf der Eingangsseite des Antriebs bis zu 15 bis 20 Umdrehungen auf der Ausgangsseite.

Das bedeutet, dass während und nach jedem Verdrehvorgang des Turmkopfes die gesamte Last/Drehmoment gleichmäßig auf einzelne Antriebe verteilt werden muß. Zusätzlich sollen die Antriebe bei starken Azimutlasten während der Stillstands zeiten - des Turmkopfes - bei zu hohen Lasten nachgeben und eine leichte Drehung des Maschinenkopfes ermöglichen.

Jeder Azimutantrieb 1 weist einen eigenen Motor 5 auf und die Motoren sind untereinander verschaltet und werden gemeinsam gesteuert. Wenn während der Windnachführung des Maschinenkopfes der Windenergieanlage - verursacht durch starke Turbulenzen - starke Drehmomente auftreten, regen diese Drehmomente die Azimutantriebe an, dass die Motoren gegeneinander schwingen oder zu Schwingun gen neigen. Die Getriebe 4 mit ihrem sehr hohen Übersetzungsverhältnis reagieren dabei wie eine Feder, was große Drehmomentenschwankungen der einzelnen Antriebe zur Folge hat.

Zur gleichmäßigen Aufteilung der Lasten während der Zeit, in der das Maschinen haus nicht verdreht wird, zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, als Antriebsmotoren zum Azimutantrieb einen Drehstrom-Asynchronmotor als Asynchron-Antriebsmaschine einzusetzen. Deren Drehmoment/Drehzahl-Kennlienie ist in Fig. 2 dargestellt. M_A bedeutet Anfangsdrehmoment, M_K bedeutet Kippmoment.

Nach dem Verstellvorgang des Maschinenhauses werden die vier Drehstrom- Asynchron-Motoren (ASM) abgeschaltet und erzeugen somit kein Drehmoment mehr. Um die Motoren gleichmäßig abzubremsen und auch danach noch ein Bremsmoment zu erhalten, werden die Motoren umgehend nach der Trennung vom Drehstromnetz, möglichst sofort, mit einem Gleichstrom beauftragt (siehe Fig. 6a).

Dieser Gleichstrom erzeugt ein stehendes Magnetfeld in den Motoren (Asyn chronmaschine), die damit sofort abgebremst werden. Diese Gleichstromversorgung bleibt möglichst während der gesamten Stillstandzeit bestehen und kann in der Amplitude geregelt werden.

Nach dem Verstellvorgang werden die ASM-Antriebe mittels einer Regeleinrichtung - in Fig. 6b - mit einem geregelten Gleichstrom versorgt. Langsame Drehbewegun gen des Turmkopfes, die durch unsymmetrische Windböen verursacht werden, werden durch einen kleinen Gleichstrom (ca. 10% vom Nennstrom) nur gedämpft, aber zugelassen. Schnellere Drehbewegungen werden durch einen angepaßten höheren Gleichstrom, und damit höheren Bremsmoment, vermieden. Bei sehr schnellen Drehbewegungen wird der Gleichstrom bis auf den Nennstrom des Motors angehoben.

Die Drehmomenten/Drehzahl-Kennlinie eines Asynchronmotors im Gleichstrombe trieb ist in Fig. 3 dargestellt. Der Antriebsmotor erzeugt mit der Gleichstromma gnetisierung im Stillstand kein Drehmoment. Aber mit steigender Drehzahl - bis etwa 6% der Nenndrehzahl - steigt das erzeugte Drehmoment linear an und das symetrisch in beide Drehrichtungen. Gemäß dieser Kennlinie wird die auftretende Last auch gleichmäßig auf alle Azimutantriebe verteilt und es stellt sich passiv immer ein Gleichgewicht ein.

Zur Drehmomentkontrolle der Azimutantriebe kann die Steilheit der Bremskurve linear mit der Höhe des Gleichstroms eingestellt werden. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. Damit ergibt sich eine einfache Drehmomentkontrolle für die Azimut antriebe von Windenergieanlagen während des eigentlichen Stillstandes.

Ferner ist es sinnvoll, die einzelnen Motoren der Azimutantriebe mit Hilfe eines Stromtransformators zu koppeln. Dies ist in Fig. 5 gezeigt. ASM bedeutet hierbei Asychronmaschine. Eine solche einfache dargestellte Gegenkoppelung stabilisiert die Antriebe.

Fig. 7 zeigt eine Teilschnittansicht einer bekannten Windrichtungsnachführung mit elektrischem Stellantrieb, wie sie aus Erich Hau, "Windkraftanlagen" Springer- Verlag Berlin Heidelberg 1996, Seiten 268-271 bekannt ist.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild wie eine mit einem Frequenzumrichter verbundene Asynchronmaschine, vorzugsweise Drehstrom-Asynchronmotor, mit elektrischem Strom versorgt wird.

Während des Verstellvorgangs des Drehstrom-Asynchronmotors, wenn also das Maschinenhaus der Windenergieanlage auf eine gewünschte Position eingestellt (verdreht) wird, wird der Asynchronmotor mit einem Drehstrom mit variabler Frequenz versorgt.

Während der Stillstandszeit der Asynchronmaschine wird die Asynchronmaschine mit einem Drehstrom mit der Frequenz von Null Hz, also Gleichstrom, versorgt.

Claims

1. Windenergieanlage mit einem Maschinenhaus, welches einen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt aufnimmt und einer Verstelleinrichtung zur Verstellung des Maschinenhauses zur gewünschten Ausrichtung des Rotors in Richtung des Windes, wobei die Verstelleinrichtung als Antrieb (1) einen Drehstrom-Asyn chronmotor aufweist, der für eine Verstellung des Maschinenhauses mit einem Drehstrom variabler Frequenz beaufschlagt wird.

2. Windenergieanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehstrom-Asynchronmotor mittels eines Frequenzumrichters mit elektrischem Strom versorgt wird.

3. Windenergieanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Stillstandszeit des Maschinenhauses der Drehstrom-Asynchronmotor mit einer Frequenz von Null Hz, also Gleichstrom versorgt wird.

4. Windenergieanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung mehrere Drehstrom-Asyn chronmotoren aufweist, welche miteinander gekoppelt sind.

5. Windenergieanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstrom-Asynchronmotoren mittels eines Stromtransformators elektrisch miteinander gekoppelt sind.