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Die
Erfindung betrifft eine Windkraftanlage gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1.
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Bei
derartigen Windkraftanlagen wird die Strömungsenergie des Windes über einen
Rotor in nutzbare Rotationsenergie umgewandelt. Der Anstellwinkel
(Pitch-Winkel) der
Rotorblätter
zum Wind wird hierzu über
einen mechanischen Blattverstellmechanismus in Abhängigkeit
von der Windstärke eingestellt,
um die Windkraft optimal auszunutzen und die Rotorblätter bei
zu starkem Wind in ihre Fahnenstellung, d.h. in eine Sicherheitsstellung,
bei der die Anlage aerodynamisch abgebremst wird (Drehmoment auf
Hauptquelle = 0), zu bringen, um Überlastschäden an der Windkraftanlage
aufgrund einer unzulässig
hohen Drehzahl des Rotors zu vermeiden. Aus Sicherheitsgründen verfügt jedes
einzelne Rotorblatt über
einen eigenen Verstellantrieb, so dass eine hinreichende Drehzahlbegrenzung
auch dann erreicht wird, wenn einer der Verstellantriebe ausfallen
sollte. Da es auch bei einem Ausfall des Stromnetzes möglich sein
muss, die Rotorblätter
in ihre Fahnenstellung zu bringen, ist den Verstellmotoren eine
Notstromversorgung zugeordnet, die im Störfall über elektromagnetische Schalter
(Schütze) aktiviert
wird. Grundsätzlich
ist es erforderlich, dass das Blattwinkelverstellsystem elektrisch
möglichst einfach
und unempfindlich gegen Störungen
aufgebaut ist, da Windkraftanlagen in hohem Maße der Gefahr von Blitzschlägen ausgesetzt
sind und elektronische Bauteile auf Überspannungen sehr empfindlich
reagieren und leicht zerstört
werden. Aus diesem Grund wird soweit wie möglich auf den Einsatz von elektronischen
Bauteilen verzichtet.
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Aus
der
DE 297 22 109
U1 ist beispielsweise eine Windkraftanlage mit mehreren
Rotorblättern
bekannt, denen jeweils eine Antriebseinheit zur Verstellung des
Anstellwinkels zugeordnet ist. Bei dieser Lösung besteht die Antriebseinheit
aus einem Gleichstrommotor, der über
eine Batterie elektrisch versorgt wird. Hierzu wird die Batterie
im Notfall über
einen Not-Aus- oder einen parallel angeordneten Fliehkraftschalter
mit dem Gleichstrommotor verbunden, bis sich die Rotorblätter in
ihrer Fahnenstellung (Sturmstellung) befinden und ein Endschalter
betätigt wird.
Nachteilig bei derartigen Windkraftanlagen ist, dass die mechanisch
kommutierten Gleichstrommotoren aufgrund des Kollektorverschleißes sehr
wartungsintensiv sind und eine begrenzte Lebensdauer bei relativ
großem.
Bauraumbedarf aufweisen. Aus verfahrenstechnischen Gründen ist
es vielfach erwünscht,
die Rotorblätter
abhängig
von der Position des Rotors dynamisch im Dauerbetrieb zu verstellen. Hierzu
sind die Gleichstrommotoren wegen der begrenzten Dynamik und der
geringen Lebensdauer nicht geeignet. Beim Einschalten der Gleichstrommotoren
entstehen zudem sehr hohe Ströme
und Drehmomente. Deshalb müssen
sowohl die elektrischen, als auch die mechanischen Komponenten für diesen Betriebsfall
ausgelegt werden.
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Zur
Verbesserung der Leistungsfähigkeit
der Blattverstellung ist in der
DE 100 09 472 C2 ein Ausführungsbeispiel einer Windkraftanlage
offenbart, bei der die Elektromotoren als Kurzschlussläufer (Asynchronmotoren)
ausgebildet sind. Die Energieversorgung der Motoren erfolgt bei
dieser Lösung über einen
der Rotorwelle zugeordneten Permanentmagnet-Generator, der die zur Blattverstellung
benötigte Energie aus
der Rotationsbewegung des Rotors gewinnt. Das Drehfeld des im Permanent-Generator
erzeugten Drehstromes ist derart mit den Kurzschlussläufern verschaltet
und über
einen Schütz
zuschaltbar, dass diese im Notfall die Rotorblätter in ihre Fahnenstellung
drehen. Diese Lösung
ermöglicht
zwar aufgrund der hohen Dynamik der Asynchronmotoren eine verbesserte
Rotorverstellung, bedingt aber wegen der Drehstromerzeugung über Permanent-Generatoren einen
wesentlich erhöhten
Vorrichtungssaufwand.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Windkraftanlage zu schaffen, die
eine verbesserte Rotorverstellung bei minimalem vorrichtungstechnischem
Aufwand ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Windkraftanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Windkraftanlage
hat eine Vorrichtung zum Verstellen der Anstellwinkel der auf einer
Nabe drehbar angeordneten Rotorblätter, wobei die Rotorblätter über einen
Asynchronmotor im Normalbetrieb einstellbar und im Notbetrieb in
ihre Sicherheitsstellung (Fahnenstellung) drehbar sind. Erfindungsgemäß ist der
Asynchronmotor im Notbetrieb, beispielsweise bei Ausfall der Netzspannung, über einen
von einem Gleichstrommotor angetriebenen Kommutator aus einer netzunabhängigen Gleichstromquelle
gespeist. Durch Drehen des Kommutators wird aus dem von der Gleichstromquelle
gelieferten Gleichstrom ein gepulster Wechselstrom, der ausreicht,
die Rotorblätter
in ihre Sicherheitsstellung zu bringen. Mit anderen Worten, der
Kommutator unterbricht den Gleichstrom der netzunabhängigen Gleichstromquelle
in regelmäßiger Folge
und erzeugt dadurch einen impulsförmigen Wechsel- bzw. Drehstrom
zum Antrieb des Asynchronmotors. Der Gleichstrommotor kann hierbei
relativ klein dimensioniert sein, da zum Betrieb des Kommutators
keine großen
Kräfte
erforderlich sind. Da die Drehstromerzeugung für den Asynchronmotor mechanisch über den
Gleichstrommotor und den Kommutator erfolgt, weist die Notstromversorgung
keine elektronischen Bauteile auf, so dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage
unempfindlich gegen Störungen
und Beschädigungen,
beispielsweise durch bei einem Blitzeinschlag auftretende Überspannungen
ist. Die Notstromversorgung gewährleistet
auch bei Stromausfall ein sicheres Rückstellen der Rotoren in die
Fahnenstellung.
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Gemäß einem
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist zwischen dem Kommutator und dem Asynchronmotor
zumindest ein elektromagnetischer Schalter (Schütz) angeordnet, über den
der Kommutator zur Notstromversorgung ausgangsseitig mit dem Asynchronmotor
verbindbar ist.
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Im
Normalbetrieb wird der Asynchronmotor vorzugsweise über einen
Netzanschluss mit Netzspannung betrieben und die elektrische Verbindung zu
der Notstromversorgung durch den elektromagnetischen Schalter unterbrochen.
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Vorzugsweise
ist der Asynchronmotor im Normalbetrieb über einen Frequenzumrichter
mit dem Netzanschluss verbunden. Der Frequenzumrichter wandelt die
vorhandene 3-phasige Netzspannung fester Frequenz und Amplitude
in eine 3-phasige Spannung mit einstellbarer Frequenz und Amplitude.
Beispielsweise kann ein U/f-Frequenzumrichter, der die Motorspannung
und die Frequenz in einem linearen Verhältnis regelt, oder ein feldorientierter
Frequenzumrichter, der gleichzeitig Drehmoment und Drehzahl regelt
verwendet werden, so dass eine genaue Momenten- und Drehzahlregelung
im Normalbetrieb der Rotorblattverstellung möglich ist.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der Asynchronmotor
im Notbetrieb über zumindest
einen elektromagnetischen Schalter von dem Frequenzumrichter elektrisch
getrennt ist. Dadurch ist der Frequenzumrichter im Notbetrieb elektrisch
entkoppelt und vor Beschädigungen,
beispielsweise durch Blitzeinschlag, geschützt.
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Der
Gleichstrommotor ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung über einen Vorwiderstand
mit der Gleichstromquelle verbunden und über einen Schalter betätigbar.
Der Vorwiderstand dient hierbei zur Drehzahlbegrenzung des Gleichstrommotors.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn als Gleichstromquelle
eine Batterie oder ein Akkumulator Verwendung findet.
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Der
Asynchronmotor betätigt
vorzugsweise über
ein Getriebe, beispielsweise über
ein Planetengetriebe, die Rotorblätter. Dadurch können auch
mit relativ kleinen, leichten Asynchronmotoren die erforderlichen,
hohen Drehmomente zur Rotorverstellung aufgebracht werden.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines elektrischen
Schaltbildes einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage.
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Die
Figur zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1, mit
einer Vorrichtung 2 zum Verstellen der Anstellwinkel der
auf einer Nabe drehbar angeordneten Rotorblätter (nicht dargestellt). Der
Anstellwinkel der Rotorblätter
zum Wind ist über
den Blattverstellmechanismus 2 in Abhängigkeit von der Windstärke einstellbar,
um die Windkraft optimal auszunutzen und die Rotorblätter bei
zu starkem Wind in ihre Sicherheitsstellung zu bringen. Dadurch
werden Überlastschäden an der
Windkraftanlage 1 aufgrund einer unzulässig hohen Drehzahl des Rotors
zu vermieden. Der Blattverstellmechanismus 2 besteht im
Wesentlichen aus einem Verstellantrieb 4, der bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als Asynchronmotor ausgeführt ist
und einem diesem vorgeschalteten Getriebe 6. Dieses kann
beispielsweise als Planetengetriebe ausgeführt sein. Dadurch können auch
mit relativ kleinen, leichten Asynchronmotoren 4 die erforderlichen,
hohen Drehmomente zur Rotorverstellung aufgebracht werden. Der Asynchronmotor 4 ist
meist an dem Rotorblatt befestigt und greift über das vorgeschaltete Planetengetriebe 6 und
ein Zahnrad 8 in eine Verzahnung der Rotornabe ein (nicht
dargestellt). Aus Sicherheitsgründen
ist jedes Rotorblatt über
einen eigenen Verstellantrieb 4 einstellbar, so dass auch
bei Ausfall eines der Verstellantriebe 4 eine hinreichende
Drehzahlbegrenzung des Rotors erreicht wird. Im Normalbetrieb wird
der Asynchronmotor 4 über
einen mit einem Netzanschluss 10 verbundenen Frequenzumrichter 12 betrieben.
Dieser wandelt die vorhandene 3-phasige Netzspannung fester Frequenz
und Amplitude in eine 3-phasige Spannung
mit einstellbarer Frequenz und Amplitude um. Beispielsweise kann
ein U/f-Frequenzumrichter, der die Motorspannung und die Frequenz
in einem linearen Verhältnis
regelt, oder ein feldorientierter Frequenzumrichter der gleichzeitig
Drehmoment und Drehzahl regelt verwendet werden, so dass eine genaue Momenten-
und Drehzahlregelung des Asynchronmotors im Normalbetrieb der Windkraftanlage 1 möglich ist.
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Erfindungsgemäß wird der
Asynchronmotor 4 im Notbetrieb, beispielsweise bei Ausfall
der Netzspannung, über
einen von einem Gleichstrommotor 14 angetriebenen Kommutator 16 aus
einer netzunabhängigen
Gleichstromquelle 18 gespeist. Hierzu ist der Gleichstrommotor 14 über eine
Antriebswelle 20 drehfest mit dem Kommutator 16 gekoppelt.
Elektrisch ist der Gleichstrommotor 14 über einen Vorwiderstand 22 mit
der Gleichstromquelle 18 verbunden und über einen im Batteriestromkreis
vorgesehenen Schalter 24 betätigbar. Der Vorwiderstand 22 dient hierbei
zur Drehzahlbegrenzung des Gleichstrommotors 14 während dem
Betrieb des Kommutators 16. Als Gleichstromquelle 18 findet
bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
eine Batterie Verwendung. Der Kommutator 16 ist eingangsseitig
mit der Batterie 18 verbunden und ausgangsseitig zur Notstromversorgung über drei
Leitungen 26 mit dem Asynchronmotor 4 verbindbar.
Hierzu ist zwischen dem Kommutator 16 und dem Asynchronmotor 4 ein
dreifacher, als Schütz
ausgebildeter elektromagnetischer Schalter 28 angeordnet.
Durch Drehen des Kommutators 16 mittels des Gleichstrommotors 14 wird
aus dem von der Batterie 18 gelieferten Gleichstrom ein
gepulster Wechselstrom zum Betrieb des Asynchronmotors 4 erzeugt,
der ausreicht, die Rotorblätter
auch bei Ausfall der Netzversorgung in ihre Sicherheitsstellung
zu bringen. Mit anderen Worten, der Kommutator 16 unterbricht
den Gleichstrom der Batterie 18 in regelmäßiger Folge
und erzeugt dadurch einen impulsförmigen Drehstrom zum Antrieb
des Asynchronmotors 4, so dass die Notstromversorgung auch
bei Stromausfall ein sicheres Rückstellen
des Rotorblattes in die Fahnenstellung gewährleistet. Da die Drehstromerzeugung
für den
Asynchronmotor 4 mechanisch über den Gleichstrommotor 14 und
den Kommutator 16 erfolgt, weist die Notstromversorgung
keine elektronischen Bauteile auf, so dass die erfindungsgemäße Windkraftanlage 1 unempfindlich
gegen Störungen und
Beschädigungen,
beispielsweise durch bei einem Blitzeinschlag auftretende Überspannungen
ist. Um den Frequenzumrichter 12 im Notbetrieb vor Beschädigungen,
beispielsweise durch Blitzeinschlag zu schützten, ist dieser über einen
dreifachen, als Schütz
ausgebildeten elektromagnetischen Schalter 30 elektrisch
entkoppelbar.
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Zum
besseren Verständnis
der erfindungsgemäßen Windkraftanlage 1 sei
im Folgenden kurz deren Funktion beschrieben.
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Im
Normalbetrieb der Windkraftanlage 1 wird der zur Verstellung
der Rotorblätter
vorgesehene Asynchronmotor 4 über den geschlossenen Schütz 30 von
dem Frequenzumrichter 12 versorgt, der wiederum über den
Netzanschluss 10 von den 3-Phasen des Netzes gespeist ist.
Der Schütz 28 zwischen
dem Kommutator 16 und dem Asynchronmotor 4 ist
im Normalbetrieb geöffnet,
so dass die Notstromversorgung entkoppelt ist. Im Notbetrieb, beispielsweise
bei Ausfall der Netzversorgung, wird der Asynchronmotor über die
Notstromversorgung versorgt. Um ein zu schnelles Drehen des Rotors
mit der damit verbundenen Gefahr des Rotorbruchs zu verhindern,
wird ein Verstellen der Rotorblätter
in ihre Sicherheitsstellung durchgeführt. Hierzu wird der Schütz 30 zwischen dem
Frequenzumrichter 12 und dem Asynchronmotor 4 geöffnet und
dadurch der Frequenzumrichter 12 elektrisch entkoppelt,
um diesen vor Beschädigungen,
beispielsweise durch Blitzeinschlag, zu schützen. In einem weiteren Schritt
wird der im Normalbetrieb geöffnete
Schütz 28 zwischen
dem Kommutator 16 und dem Asynchronmotor 4 geschlossen,
so dass die Notstromversorgung mit dem Asynchronmotor 4 verbunden
ist. Weiterhin wird der Batteriestromkreis über den Schalter 24 geschlossen
und der Gleichstrommotor 14 in Betrieb genommen. Der Gleichstrommotor 14 wird über den,
der Drehzahlbegrenzung dienenden Vorwiderstand 22 von der
Batterie 18 gespeist und treibt über die Antriebswelle 20 den Kommutator 16 an.
Dieser ist eingangsseitig mit der Batterie 18 und ausgangsseitig über den
Schütz 28 mit
dem Asynchronmotor 4 verbunden. Durch Drehen des Kommutators 16 wird
aus dem von der Batterie 18 gelieferten Gleichstrom ein
gepulster Wechselstrom, der ausreicht, den Asynchronmotor 4 anzutreiben
und dadurch das jeweilige Rotorblatt in die Sicherheitsstellung
zu bringen und den Rotor abzubremsen.
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Die
erfindungsgemäße Windkraftanlage 1 ist nicht
auf die beschriebene Batterie 18 als Notstromquelle beschränkt, vielmehr
kann jede aus dem Stand der Technik bekannte Gleichstromquelle,
insbesondere ein Akkumulator Verwendung finden. Erfindungswesentlich
ist, dass der Asynchronmotor 4 im Notbetrieb über einen
von einem Gleichstrommotor 14 angetriebenen Kommutator 16 aus
einer netzunabhängigen
Gleichstromquelle 18 gespeist ist, so dass die Rotorblätter auch
bei Ausfall der Netzversorgung sicher in ihre Fahnenstellung verstellt
werden können
und eine Beschädigung
der Windkraftanlage 1 durch eine zu hohe Rotordrehzahl
ausgeschlossen ist.
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Offenbart
ist eine Windkraftanlage 1 mit einer Vorrichtung 2 zum
Verstellen der Anstellwinkel der auf einer Nabe angeordneten Rotorblätter, wobei
die Rotorblätter über jeweils
zumindest einen Asynchronmotor 4 im Normalbetrieb einstellbar
und im Notbetrieb in ihre Sicherheitsstellung (Fahnenstellung) drehbar
sind. Erfindungsgemäß ist der
Asynchronmotor 4 im Notbetrieb über einen von einem Gleichstrommotor 14 angetriebenen Kommutator 16 aus
einer netzunabhängigen
Gleichstromquelle 18 gespeist.
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- 1
- Windkraftanlage
- 2
- Blattverstellvorrichtung
- 4
- Verstellantrieb
- 6
- Getriebe
- 8
- Zahnrad
- 10
- Netzanschluss
- 12
- Frequenzumrichter
- 14
- Gleichstrommotor
- 16
- Kommutator
- 18
- Gleichstromquelle
- 20
- Antriebswelle
- 22
- Vorwiderstand
- 24
- Schalter
- 26
- Leitung
- 28
- Schalter
(Schütz)
- 30
- Schalter
(Schütz)