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Die
Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem auf einem Turm
angeordneten Maschinenhaus, mit einem Rotor mit mindestens einem
Rotorblatt, und mit mindestens einer Verstelleinrichtung, mit der
eine Komponente der Windenergieanlage motorisch um eine Achse gedreht
werden kann, wobei die Verstelleinrichtung einen Verstellantrieb
aufweist. Ein solcher Verstellantrieb umfaßt üblicherweise
mindestens ein Getriebe, mindestens einen üblicherweise
auf der schnellen Welle des Getriebes angeordneten Elektromotor
sowie oftmals eine oder mehrere elektrische Haltebremsen.
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Die
Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben
einer Windenergieanlage mit einem auf einem Turm angeordneten Maschinenhaus und
mit einem Rotor mit mindestens einem Rotorblatt, bei dem eine Komponente
der Wind energieanlage mit einer Verstelleinrichtung motorisch um
eine Achse gedreht wird, wobei die Verstelleinrichtung einen Verstellantrieb
aufweist.
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Bei
Windenergieanlagen ist es bekannt, Komponenten, wie beispielsweise
Rotorblätter, um ihre Längsachse zu drehen. Dies
wird auch als Pitchregelung bezeichnet. Es ist insbesondere auch
bekannt, bei Windenergieanlagen das Maschinenhaus um die Längsachse
des Turms zu drehen. Für eine solche Azimutausrichtung
des Maschinenhauses ist üblicherweise eine Azimutverstelleinrichtung
mit einem entsprechenden Azimutverstellantrieb vorgesehen. Derartige
Azimutverstellsysteme sind beispielsweise bekannt aus Erich Hau: „Windkraftanlagen",
3. Auflage, Springer Verlag, S. 309ff. Das Azimutsystem einer
Windenergieanlage hat die Aufgabe, die Gondel der Windenergieanlage
auf dem Turmkopf zu halten und sie optimal zur Windrichtung auszurichten, also
auf einen vorgegebenen Winkelwert einzustellen. Die aus dem Turm
in das Maschinenhaus geführten Kabel (Kabelloop) werden
falls notwendig von Zeit zu Zeit durch eine entsprechende Drehung
des Maschinenhauses entdrillt. Das Azimutsystem besteht in der Regel
aus Azimutantrieben, einer Drehverbindung (Kugeldrehverbindung mit
Zahnkranz) und Bremszangen, die um eine Azimutbremsscheibe fassen.
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Für
die Verstellung derartiger Komponenten einer Windenergieanlage werden
oft Elektromotoren eingesetzt, beispielsweise Asynchronmotoren (insbesondere
Drehstromasynchronmotoren). Diese sind üblicherweise passiv
belüftet und weisen eine Bremseinheit (elektrische Bremse)
auf. Als Drehmomentwandler kommen dabei insbesondere mehrstufige
Planetengetriebe zum Einsatz. Die Abtriebsverzahnung des Getriebes
kämmt in die Verzahnung der Azimutdrehverbindung, die die
Gondel auf dem Turmkopf lagert. Die integrierte Elektrobremse erfüllt eine
Haltefunktion zusammen mit den Bremszangen und wird „failsafe-geschlossen"
angesteuert, d. h. die Bremse kann lediglich bei einem ordnungsgemäßen Betrieb
des Bremssystems geöffnet werden.
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Die
Verstellantriebe (Elektromotoren) werden in der Regel mit Nenndrehzahl
betrieben. Die Nenndrehzahl ist der Arbeitspunkt, bei dem sich das Moment
einer Drehstromasynchronmaschine am starren 50 oder 60 Hz Stromnetz
bei ca. 40 bis 50% des Motorkippmoments befindet. So liegt beispielsweise
bei sechspoligen Asynchronmotoren die Nenndrehzahl bei ca. 960 rpm.
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Zur
Ansteuerung der Asynchronmotoren können Frequenzumrichter,
z. B. Azimutfrequenzumrichter, eingesetzt werden. Sie garantieren
eine rampenförmige Drehzahlsteigerung und -reduzierung. Mit
Frequenzumrichtern kann bei einem Verfahren der Komponente der Windenergieanlage
das Drehmoment der Motoren über einen großen Frequenz- bzw.
Drehzahlbereich des Motors konstant gehalten und auf einen für
das Getriebe maximal zulässigen Wert begrenzt werden. Auf
diese Weise wird das Getriebe vor Überlastung geschützt.
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Durch
die Verwendung von Frequenzumrichtern können daher Motoren
eingesetzt werden, die ein höheres Drehmoment zur Verfügung
stellen können, als im Betrieb der Anlage erforderlich
bzw. durch das Getriebe tolerierbar ist. Der Vorteil liegt darin, daß das
von dem Frequenzumrichter begrenzte Motormoment über einen
größeren Drehzahl- bzw. Frequenzbereich des Motors
konstant gehalten werden kann als bei einem kleiner dimensionierten
Motor. Insbesondere erfährt ein mit einem Frequenzumrichter
angesteuerter, höher dimensionierter Motor oberhalb der
Synchrondrehzahl eine geringere Feldschwächung, bei der
das Motormoment absinkt.
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Beim
Verfahren beispielsweise eines Azimutsystems wirken dynamisch wechselnde
Lasten aus dem Wind auf die Azimutantriebe. Um die dadurch entstehenden
Drehzahlschwankungen zu reduzieren, wird durch die dem Azimutantrieb
zugeordneten Bremseinrichtungen, insbesondere die Bremszangen, während
des Verfahrens ein geringes Haltemoment konstant aufrechterhalten.
Dieses erzeugt zusammen mit dem Haltemoment aus der Drehverbindung
ein konstantes Gegenmoment.
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Die
Antriebe derartiger Verstelleinrichtungen, beispielsweise Azimutsysteme,
verfahren bei Nenndrehzahl gegen die auftretenden Lasten, insbesondere
die dynamisch wechselnden Lasten aus dem Wind. Dabei ist das Antriebsmoment
der Verstelleinrichtung, beispielsweise des Azimutsystems, üblicherweise
nicht dafür ausgelegt, beim Auftreten von extremen Lasten
das Azimutsystem mit konstanter Drehzahl zu verfahren. So reagieren
die Antriebe bei Überschreiten einer bestimmten Last mit
Drehzahlabweichungen, insbesondere Drehzahlschwankungen. Bei hohen
Momenten, beispielsweise durch angreifenden Wind, die entgegen der
Verfahrrichtung wirken, reduziert sich die Drehzahl. Bei hohen Momenten,
beispielsweise angreifenden Wind, die die Komponente in die Sollverdrehrichtung
treiben, erhöht sich dagegen die Drehzahl der Antriebe,
insbesondere der Asynchronmotoren. Diese Drehzahlerhöhung
kann über die Synchrondrehzahl der Motoren hinausgehen.
Ab der Synchrondrehzahl beginnt bei Drehstromasynchronmotoren, die
von einem Frequenzumrichter angesteuert werden, der Feldschwächebereich.
Steigt die Drehzahl über die Synchrondrehzahl, sinkt das
Motormoment ab. Durch das Zurückgehen des Motormoments
reduziert sich also das in diesem Fall gegen den angreifenden Wind
abbremsende Antriebsmoment der Asynchronmotoren, was zu einem weiteren
Anstieg der Drehzahl führen kann. Bei sehr hohen Drehzahlen
werden maximal zulässige Schleuderdrehzahlen überschritten,
so daß Teile der Verstelleinrichtung und benachbarter Systeme,
insbesondere das Planetengetriebe, geschädigt werden können.
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Das
Problem wird anhand der 1 näher erläutert.
In 1 ist das Drehmoment M in Nm über der
Frequenz f des Motors in Hz aufgetragen. Die Frequenz f ist proportional
zur Drehzahl des Motors. Die in dem Diagramm in durchgezogener Linie
dargestellte Kurve MMotor zeigt das Drehmoment,
das der eingesetzte Motor (gegebenenfalls mit einer Frequenzumrichteransteuerung)
maximal leisten kann. Die in 1 gestrichelt
dargestellte Kurve MNenn bezeichnet das
durch einen Frequenzumrichter auf das in der Anlage geforderte bzw.
von den Anlagenkomponenten tolerierbare Drehmoment reduzierte Motormoment.
Die gestrichelte Kurve fällt ab ca. 50 Hz ab. Bei dieser
Frequenz beginnt der Feldschwächebereich des von dem Frequenzumrichter
angesteuerten 6-poligen Motors. Die durchgezogene Kurve MMotor fällt dagegen schon bei einer
niedrigen Frequenz als 50 Hz ab. Aufgrund der Tatsache, daß der
Asynchronmotor größer dimensioniert ist, als erforderlich wäre,
beginnt der Feldschwächebereich des mit dem Frequenzumrichter
angesteuerten und begrenzten Motors also später, als wenn
der Asynchronmotor mit seinem vollen Drehmoment betrieben würde.
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Der
Abfall des mittels der Frequenzumrichteransteuerung erzeugten Drehmoments
MNenn im Feldschwächebereich ist
in dem dargestellten Beispiel etwa proportional zu 1/f. Die maximal
zur Verfügung stehende Drehmomentkurve MMotor fällt
in dem dargestellten Beispiel dagegen im Feldschwächebereich
etwa proportional zu 1/f2 ab. Die Drehmomentkurve
des Asynchronmotors verläuft ab dem Kippunkt nicht mehr
auf der in 1 gestrichelt dargestellten
Kurve MNenn, sondern auf der durchgezogen dargestellten
Kurve MMotor. Ab dem Kippunkt kommt es somit
zu einer beschleunigten Verringerung des Drehmoments. Der Drehmomenteinbruch
der durch den Frequenzumrichter angesteuerten Drehstromasynchronmaschine
geschieht anfänglich mit 1/f und ab dem Kippunkt mit 1/f2. Das Auftreten von für die Komponenten
der Versteileinrichtung schädlichen Überdrehzahlen
wird ab dem Kippunkt also erheblich verstärkt. Somit steigt
auch die Gefahr von Beschädigungen der Verstelleinrichtung
sowie benachbarter Komponenten oder Systeme rapide.
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Ausgehend
von dem erläuterten Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine Windenergieanlage sowie ein Verfahren
zum Betreiben einer Windenergieanlage der eingangs genannten Art
bereitzustellen, mit denen ein motorisches Drehen einer Windenergieanlagekomponente um
eine Achse auch bei dynamisch wechselnden Lasten sicher und ohne
die Gefahr einer Beschädigung ermöglicht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche
1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich
in den abhängigen Patentansprüchen sowie der Beschreibung
und den Figuren.
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Für
die eingangs genannte Windenergieanlage löst die Erfindung
das Problem dadurch, daß eine Wirbelstrombremse vorgesehen
ist, mit der der Verstellantrieb abgebremst werden kann, und eine Steuereinrichtung,
mit der die Wirbelstrombremse bei Überschreiten einer Grenzdrehzahl
des Verstellantriebs angesteuert werden kann, so daß die
Wirbelstrombremse die Drehzahl des Verstellantriebs begrenzt.
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Für
ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage der eingangs
genannten Art wird die Aufgabe gemäß der Erfindung
dadurch gelöst, daß bei Überschreiten
einer Grenzdrehzahl des Verstellantriebs eine Wirbelstrombremse
angesteuert wird, die die Drehzahl des Verstellantriebs begrenzt.
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Erfindungsgemäß wird
zur Drehzahlbegrenzung des Verstellantriebs also eine steuerbare
Wirbelstrombremse eingesetzt, die bei Drehzahlen ungleich Null ein
Moment aufbauen kann. Dadurch wird der Verstellantrieb abgebremst.
Eine solche Wirbelstrombremse nutzt die Wirbelstromverluste eines
im Magnetfeld bewegten Leiters zur Bremsung. Die Steuereinrichtung
kann dabei die Drehzahl des Verstellantriebs überwachen
und bei Überschreiten der Grenzdrehzahl die Wirbelstrombremse
aktivieren. Das Auftreten einer solchen Überdrehzahl wird
wie oben beschrieben insbesondere durch einen Momenteneinbruch des
Verstellantriebs verursacht, beispielsweise wenn ein von einem Frequenzumrichter gesteuerter
Asynchronmotor in den Feldschwächebereich kommt. Die eingeschaltete
Wirbelstrombremse erzeugt ein konstantes Moment, welches ein weiteres
Hochdrehen des Verstellantriebs weitgehend verhindert, so daß die
Komponenten der Verstelleinrichtung vor schädigenden Drehzahlen
geschützt werden. Zum Ansteuern bzw. Einschalten der Wirbelstrombremse
wird eine Spannung an diese angelegt und es fließt ein
Strom durch eine Spule der Wirbelstrombremse. Aufgrund von Wirbelstromverlusten
baut die Wirbelstrombremse ein Drehmoment auf, welches der Drehrichtung
des Verstellantriebs entgegenwirkt. Der Einbruch des Drehmoments
des Verstellantriebs, und dabei insbesondere des Asynchronmotors,
kann durch die Wirbelstrombremse also kompensiert werden. Es wird
eine Momentensteuerung durch eine elektrisch verstellbare Wirbelstrombremse
realisiert.
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Dabei
kann insbesondere die Drehzahl des Verstellantriebs oder eine mit
der Drehzahl korrelierende Größe des Verstellantriebs
das Ansteuern der Wirbelstrombremse auslösen. Es ist grundsätzlich auch
denkbar, das Drehmoment des Antriebs zu messen und auf dieser Grundlage
die Wirbelstrombremse auszulösen. Bevorzugt ist jedoch
die Überwachung der Antriebsdrehzahl, da dies in einfacher und
kostengünstiger Weise möglich ist. Um Momentenüberhöhungen
durch das Zusammenwirken des Verstellantriebs und der Wirbelstrombremse
zu vermeiden, sollte die Wirbelstrombremse nicht zu früh eingeschaltet
werden, sondern beispielsweise erst, wenn sich ein Asynchronmotor
tatsächlich im Feldschwächebereich befindet. Die
Momentenüberhöhungen können anderenfalls
das Getriebe schädigen.
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Selbstverständlich
kann die Windenergieanlage mehr als ein Rotorblatt aufweisen. In
der Praxis weisen solche Windenergieanlagen üblicherweise zwei
oder drei Rotorblätter auf.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung kann die Verstelleinrichtung eine Azimutverstelleinrichtung
sein, mit der das Maschinenhaus um die Längsachse des Turms
gedreht werden kann bzw. gedreht wird. In diesem Fall ist der Verstellantrieb
ein Azimutantrieb. Bei dieser Ausgestaltung wird also die Azimutausrichtung
des Maschinenhauses motorisch eingestellt. Es kann dann ein Azimutgetriebe
vorgesehen sein. Das Problem der Überdrehzahlen durch die
dynamisch angreifenden Lasten des Windes und den Feldschwächebereich
der Antriebe, insbesondere ab dem Kippunkt der Motoren, besteht
gerade bei Azimutverstelleinrichtungen. So sind die Antriebe der Azimutsysteme
solcher Anlagen üblicherweise nicht auf Extremlasten und
entsprechend hohe Drehzahlen der motorischen Antriebe ausgelegt.
Das System weicht in einem solchen Fall der Last aus und es entsteht
eine Überdrehzahl. Grundsätzlich ist es auch denkbar,
daß die drehbare Komponente ein Rotorblatt ist, das um
seine Längsachse gedreht wird (Pitchregelung). In der Praxis
sind bei Pitchregelungen jedoch die durch den Wind auftretenden
Belastungen üblicherweise nicht so hoch, daß die
Gefahr von schädlichen Überdrehzahlen besteht.
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Nach
einer besonders praxisgemäßen Ausgestaltung kann
der Verstellantrieb mindestens einen mittels eines Frequenzumrichters
angesteuerten Asynchronmotor mit einem Getriebe aufweisen. Der Azimutantrieb
wird also im wesentlichen durch mindestens einen Asynchronmotor
gebildet, dem ein Getriebe zugeordnet ist. Der Asynchronmotor ist
insbesondere ein Drehstromasynchronmotor, welcher sich üblicherweise
auf der schnellen Seite des Verstellantriebs befindet. Die Verstelleinrichtung
und dabei der Verstellantrieb können mehrere Asynchronmotoren aufweisen.
Das Getriebe ist üblicherweise als Planetengetrie be, insbesondere
mehrstufiges Planetengetriebe ausgestaltet. Wie eingangs erläutert,
treten gerade bei mit einem Frequenzumrichter angesteuerten Asynchronmotoren
bei starken Lasten Momenteneinbrüche im Feldschwächebereich
auf.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung kann die Grenzdrehzahl die Synchrondrehzahl
des Asynchronmotors sein. Die Grenzdrehzahl ist eine definierte
Drehzahl, die normalerweise unter der als vierfache Nenndrehzahl
definierten maximal zulässigen Drehzahl (Schleuderdrehzahl)
des Motors liegt, ab der Schäden am Verstellantrieb auftreten.
Bei durch einen Frequenzumrichter angesteuerten Drehstromasynchronmotoren
beginnt insbesondere ab der Synchrondrehzahl der Feldschwächebereich,
in dem das Motormoment sinkt. Indem ab der Synchrondrehzahl die
Wirbelstrombremse angesteuert wird, wird eine Beschädigung
der Anlagenkomponenten durch einen Drehmomenteinbruch des Asynchronmotors
sicher vermieden.
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Gemäß einer
besonders praxisgemäßen Ausgestaltung kann die
Wirbelstrombremse auf der Welle des Asynchronmotors, und dabei beispielsweise
auf der schnellen Welle des Azimutantriebs, angeordnet sein. In
diesem Fall wirkt die Wirbelstrombremse also auf die Welle des Asynchronmotors, bzw.
auf dieselbe Welle wie der Asynchronmotor. Indem der Asynchronmotor
und die Wirbelstrombremse auf dieselbe Welle wirken, wird das Abbremsen des
Motors und damit des Antriebs durch die Wirbelstrombremse in besonders
einfacher Weise erreicht. Das durch die Wirbelstrombremse erzeugte
abbremsende Moment wirkt direkt auf den Asynchronmotor und begrenzt
dessen Drehzahl. Die Wirbelstrombremse ist vorzugsweise auf der
Motor-Ausgangsseite angeordnet und wirkt auf die schnelle Welle
des Getriebes, also die dem Motor zugeordnete Welle des Getriebes.
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Das
von der Wirbelstrombremse erzeugte Moment kann, gegebenenfalls nach
einer kurzen Anfangsphase (Einschwingzeit), einen konstanten Wert annehmen,
der sich auch bei weiter steigender Drehzahl im wesentlichen nicht
mehr verändert. Die Höhe des von der Wirbelstrombremse
erzeugten Moments kann dabei etwa dem Antriebsmoment des Asynchronmotors
bei seiner Nenndrehzahl entsprechen. Die Höhe des Moments
der Wirbelstrombremse kann auch einen konstanten, etwas niedrigeren
Wert als das Motormoment bei Nenndrehzahl annehmen. Dies ist insbesondere
vorteilhaft, wenn der Asynchronmotor auch bei hohen Drehzahlen noch
ein Restmoment zur Verfügung stellt. In diesem Fall kann der
konstante Drehmomentwert der Wirbelstrombremse um die Höhe
des Restmoments des Motors niedriger sein als das Antriebsmoment
des Motors bei Nenndrehzahl. Dann entspricht das gemeinsam von der
Wirbelstrombremse und dem Asynchronmotor erzeugte Moment etwa dem
Antriebsmoment des Asynchronmotors bei Nenndrehzahl. Durch den Einsatz
der Wirbelstrombremse wird also in jedem Fall das von dem Asynchronmotor
unter normalen Bedingungen zur Verfügung gestellte Drehmoment
als gegen den in Drehrichtung angreifenden Wind abbremsendes Moment
zur Verfügung gestellt. Schädliche Überdrehzahlen
können somit in zuverlässiger Weise vermieden
werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung überschreitet das von der Wirbelstrombremse
und dem Verstellantrieb, insbesondere beispielsweise einem Asynchronmotor
des Verstellantriebs, gemeinsam erzeugte Drehmoment ein für
das Getriebe maximal zulässiges Drehmoment nicht. Bei Einschalten
der Wirbelstrombremse kommt es insbesondere zu einer Addition der
Drehmomente des Verstellantriebs bzw. des Asynchronmotors und der
Wirbelstrombremse. Daher muß der genaue Zuschaltpunkt der
Wirbelstrombremse so gewählt werden, daß das gemeinsame
Drehmoment des Verstellantriebs bzw. des Asynchronmotors und der
Wirbelstrombremse nicht den für das Getriebe zulässigen
Maximalwert des Drehmoments überschreitet. Um dies zu gewährleisten, kann
es auch vorgesehen sein, die Wirbelstrombremse erst nach Überschreiten
der Synchrondrehzahl eines Asynchronmotors einzuschalten, wenn das
Motormoment also schon um einen bestimmten Betrag abgefallen ist.
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Es
kann zusätzlich eine Haltebremse, beispielsweise eine elektrische
Haltebremse, zum Halten des Verstellantriebs, insbesondere eines
Asynchronmotors des Verstellantriebs, vorgesehen sein. Ein mit einer
Wirbelstrombremse abgebremster Leiter wird in dem Wirbelstromfeld
zwar immer langsamer, kommt aber theoretisch nie zum Stillstand.
Eine Wirbelstrombremse eignet sich daher grundsätzlich nicht
als Feststellbremse. Die Wirbelstrombremse wird in der Verstelleinrichtung
aus diesem Grund üblicherweise in Kombination mit einer
insbesondere elektrischen Haltebremse eingesetzt.
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Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Windenergieanlage
kann eine Regeleinrichtung vorgesehen sein, mit der eine der Wirbelstrombremse
zur Ansteuerung zugeführte elektrische Größe
geregelt werden kann. Eine entsprechende Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, daß eine der Wirbelstrombremse zur
Ansteuerung zugeführte elektrische Größe
geregelt wird. Die Regelung kann beispielsweise in Abhängigkeit
von der Drehzahl und/oder dem Drehmoment des Verstellantriebs bzw.
des Asynchronmotors erfolgen. Sie kann auch beispielsweise in Abhängigkeit
von dem von der Wirbelstrombremse und dem Verstellantrieb bzw. Asynchronmotor
gemeinsam erzeugten Drehmoment, beispielsweise an der schnellen
Welle des Antriebs, erfolgen. Sie kann so erfolgen, daß das
von der Wirbelstrombremse und dem Verstellantrieb, insbesondere
dem Asynchronmotor, gemeinsam erzeugte Drehmoment konstant ist,
insbesondere dem Drehmomentwert des Asynchronmotors bei Nenndrehzahl
entspricht. Bei der elektrischen Größe handelt
es sich insbesondere um die zur Ansteuerung zugeführte
elektrische Spannung oder den elektrischen Strom. Durch eine Regelung der
der Wirbelstrombremse zur Ansteuerung zugeführten elektrischen
Größe kann das gemeinsame Drehmoment von Asynchronmotor
und Wirbelstrombremse in besonders genauer Weise so eingestellt werden,
daß es zu keiner unerwünschten Überhöhung
oder Reduzierung des Drehmoments kommen kann. So kann beispielsweise
ab dem Kippunkt, ab dem also der Drehmomenteinbruch des Motors verstärkt
erfolgt, eine Erhöhung der der Wirbelstrombremse zur Ansteuerung
zugeführten elektrischen Größe erfolgen,
so daß ab dem Kippunkt das von der Wirbelstrombremse zur
Verfügung gestellte Drehmoment weiter erhöht wird.
Auch kann der Aufbau des Drehmoments durch die Wirbelstrombremse
beim Einschalten verlangsamt werden, so daß es nicht zu Drehmomentüberhöhungen
kommt. Dadurch ist ein besonders gleichmäßiger
Betrieb der Anlage auch bei dynamisch wechselnden Lasten gewährleistet. Die
Regeleinrichtung kann in die Steuereinrichtung integriert sein.
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand
einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 ein
Diagramm mit Drehmoment-Frequenzkennlinien eines frequenzumrichtergesteuerten
Asynchronmotors,
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2 einen
Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage
in einem Querschnitt,
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3 ein
Diagramm mit Drehmoment-Drehzahlkennlinien bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren,
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4 ein
Diagramm mit Drehmoment-Drehzahlkennlinien einer erfindungsgemäß eingesetzten Wirbelstrombremse,
und
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5 ein
weiteres Diagramm mit Drehmoment-Drehzahlkennlinien bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren.
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In 2 ist
ein Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Windenergieanlage
dargestellt. Dabei ist ein Maschinenträger 1 eines
im Detail nicht dargestellten Maschinenhauses der Windenergieanlage gezeigt.
Der Maschinenträger 1 trägt gondelseitig
einen nicht dargestellten Generator und einen ebenfalls nicht dargestellten
Antriebsstrang mit dem Rotor der Windenergieanlage. Der Rotor trägt
in dem dargestellten Beispiel drei Rotorblätter. Der Maschinenträger 1 und
damit das Maschinenhaus sind drehbar auf dem ausschnittsweise dargestellten
Turm 2 gelagert. Zum Drehen des Maschinenhauses um die Längsachse
des Turms 2 ist eine Azimutdrehverbindung 3 vorgesehen.
Zum Drehen des Maschinenhauses dient eine Verstelleinrichtung 4,
vorliegend eine Azimutverstelleinrichtung 4 mit einem Azimutantrieb 4a als
Verstellantrieb 4a.
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Der
Azimutantrieb 4a weist einen mittels eines nicht dargestellten
Frequenzumrichters angesteuerten Drehstromasynchronmotor 5 auf.
Der Drehstromasynchronmotor 5 wirkt auf eine Welle, deren
Drehachse mit 5a bezeichnet ist. Dabei ist der Asynchronmotor 5 mit
der schnellen Welle eines als Drehmomentwandler fungierenden Getriebes 6,
vorliegend einem mehrstufigen Planetengetriebe 6, formschlüssig
verbunden. Der Asynchronmotor 5 ist passiv belüftet.
Die langsame Abtriebswelle 7 des Getriebes 6 weist
ein Ritzel 8 auf, das von außen mit einem außen
verzahnten Azimutlager 9 kämmt. An dem Azimutlager 9 ist
außenseitig eine Bremsscheibe 10 angeordnet, die
von Bremszangen 11 teilweise umgriffen ist. Die Bremszangen 11 werden
hydraulisch über eine zentrale Hydraulikeinheit betätigt,
die gondelseitig auf dem Maschinenträger 1 angeordnet ist.
Die Bremszangen 11 sind „failsafe-geschlossen" angesteuert.
Selbstverständlich kann die Azimutverstelleinrichtung 4 bzw.
der Azimutantrieb 4a auch mehrere Drehstromasynchronmotoren 5 aufweisen.
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Die
Azimutverstelleinrichtung 4 weist eine elektrische Haltebremse 12 zum
Halten des Asynchronmotors auf. Diese Haltebremse 12 besitzt
eine mit der schnellen Welle des Getriebes 5 verbundene Bremsscheibe 13 sowie
auf die Bremsscheibe 13 wirkende Bremszangen 14.
Weiterhin ist eine Wirbelstrombremse 15 vorgesehen, mit
der der Asynchronmotor 5 abgebremst werden kann. Die Wirbelstrombremse 15 ist
ebenfalls auf der schnellen Welle des Getriebes 6 angeordnet.
Die Wirbelstrombremse 15 und der Asynchronmotor 5 wirken
also auf dieselbe Welle. In dem dargestellten Beispiel ist die Wirbelstrombremse 15 auf
der Motorausgangsseite angeordnet, also zwischen dem Motor 5 und
dem Getriebe 6.
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Schließlich
ist eine Steuereinrichtung 16 vorgesehen, mit der die Wirbelstrombremse 15 angesteuert
werden kann. In dem dargestellten Beispiel wird durch die Steuereinrichtung 16 die
Drehzahl des Asynchronmotors 5 überwacht. Bei Überschreiten
einer im voraus festgelegten Grenzdrehzahl aktiviert die Steuereinrichtung 16 die
Wirbelstrombremse 15. Zur Ansteuerung der Wirbelstrombremse 15 kann mittels
der Steuereinrichtung 16 über nicht näher
dargestellte elektrische Leitungen eine elektrische Spannung zu
der Wirbelstrombremse 15 geleitet werden. Entsprechend
fließt in dem Fachmann an sich bekannter Weise ein elektrischer
Strom durch die Spule bzw. die Spulen der Wirbelstrombremse. Dadurch
wird ein Magnetfeld erzeugt, in dem die schnelle Welle des Getriebes 6 bewegt
wird. Aufgrund der Wirbelstromverluste kommt es dadurch zu einem
der Drehrichtung der Welle entgegenwirkenden Drehmoment, also einer
Abbremsung der Welle und damit auch des Asynchronmotors 5.
Die Wirbelstrombremse 15 begrenzt somit die Drehzahl des Asynchronmotors 5.
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Zur
Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird auf 3 Bezug genommen. In dem in 3 dargestellten
Diagramm ist das Drehmoment M (in Nm) des in der erfindungsgemäßen
Windenergieanlage eingesetzten Drehstromasynchronmotors mit Frequenzumrichteransteuerung über
der Drehzahl n des Motors (in rpm) aufgetragen. Die Kurve 17 stellt
die entsprechende Dreh moment/Drehzahlkennlinie dar. In dem vorliegenden
Beispiel ist der Asynchronmotor 5 ein 6-poliger Motor,
dessen Synchrondrehzahl am 50 Hz-Netz etwa 1.000 rpm beträgt.
Entsprechend ist zu erkennen, daß das Drehmoment des Asynchronmotors 5 bis
zu einer Drehzahl von etwa 1.000 rpm im Wesentlichen konstant ist.
Ab dieser Synchrondrehzahl kommt der Drehstromasynchronmotor 5 in
seinen Feldschwächebereich und es kommt zu einem Abfall
des Drehmoments. In diesem Drehzahlbereich besteht somit grundsätzlich
die Gefahr einer Beschädigung der Komponenten der Windenergieanlage
aufgrund schädlicher Überdrehzahlen.
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In
dem Diagramm ist weiterhin ein Drehmoment-Drehzahlkennlinienverlauf 18 eingezeichnet, wie
er durch eine Aktivierung der Wirbelstrombremse 15 von
dieser erzeugt wird. In dem dargestellten Beispiel wurde die Wirbelstrombremse
bei einer Grenzdrehzahl von 1.000 rpm, also der Synchrondrehzahl des
Asynchronmotors 5, angesteuert. Diese erzeugt ab ihrer
Aktivierung ein der Drehrichtung der Welle des Asynchronmotors 5 entgegenwirkendes
Drehmoment. Dieses Drehmoment stabilisiert sich nach einer kurzen
Anfangsphase auf einen konstanten Wert. In dem dargestellten Beispiel
liegt dieses konstante Drehmoment etwa 20% unterhalb des von dem
Asynchronmotor 5 bis zum Feldschwächebereich erzeugten
Antriebsmoments. Das Restmoment im Feldschwächebereich
des Motors 5 stabilisiert sich bei sehr hohen Drehzahlen
auf einem Restmomentwert von etwa 20% des Antriebsmoments.
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Eine
weitere Kurve 19 in 3 zeigt
das von der Wirbelstrombremse 15 und dem Asynchronmotor 5 gemeinsam
erzeugte, also addierte Drehmoment. Es ist zu erkennen, daß sich
das gemeinsame Drehmoment von einem anfänglich hohen Wert
dem von denn Asynchronmotor 5 bis zum Feldschwächebereich
erzeugten Drehmomentwert annähert und diesen Wert bei hohen
Drehzahlen im wesentlichen erreicht.
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Grundsätzlich
kann vorgesehen sein, daß die Wirbelstrombremse bei konstanter
Spannung eingeschaltet wird. Um sicherzustellen, daß das
Getriebe 6 nicht beschädigt wird, kann vorgesehen
sein, daß das von der Wirbelstrombremse 15 und
dem Motor 5 gemeinsam erzeugte Drehmoment (Kurve 19 in 3)
ein für das Getriebe 6 maximal zulässiges Drehmoment
Mmax nicht überschreitet. Liegt
dieses maximal zulässige Drehmoment Mmax beispielsweise in
dem in 3 dargestellten Beispiel bei etwa 110 Nm, kann
vorgesehen sein, daß die Wirbelstrombremse 15 erst
ab einer Drehzahl von etwa 1.300 rpm eingeschaltet wird. Dieser
Einschaltbereich der Wirbelstrombremse 15 ist in 3 mit
dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Durch dieses verspätete
Einschalten der Wirbelstrombremse 15 wird eine Überlastung
der Anlagenkomponenten, insbesondere des Getriebes 6, durch
das von dem Motor 5 und der Wirbelstrombremse 15 gemeinsam
ausgeübte Drehmoment verhindert. In diesem Fall muß der
in 3 schraffiert dargestellte Bereich 21 als
Momentenloch akzeptiert werden.
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Drehmoment/Drehzahlkennlinien
für eine erfindungsgemäß einsetzbare
Wirbelstrombremse 15 bei unterschiedlichen Strömen
in der Spule sind beispielhaft in 4 dargestellt
(Wirbelstrombremse: 20 VDC, ca. 400 Spulenwindungen,
RKalt: 2,93 Ω/20°C). Dabei
wurde der in der Spule der Wirbelstrombremse 15 fließende
Strom von 1 Ampere bis 7 Ampere variiert. Entsprechend ergeben sich
unterschiedliche Kennlinienverläufe, wobei mit steigendem
Spulenstrom auch das Drehmoment der Wirbelstrombremse ansteigt.
Die unterste Kennlinie in 4 gehört
also zu einem Spulenstrom von 1 Ampere, die nächsthöhere
Kennlinie zu einem Spulenstrom von 2 Ampere usw. bis zu der höchsten
Kennlinie, die zu einem Spulenstrom von 7 Ampere gehört.
Es versteht sich, daß die dargestellten Kennlinien lediglich
beispielhaft sind. Selbstverständlich können auch
anders ausgebildete Wirbelstrombremsen mit entsprechend anderen
Kennlinien zum Einsatz kommen.
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Um
einen besonders gleichmäßigen Betrieb der Azimutverstelleinrichtung
auch bei dynamisch wechselnden Lasten des Windes zu gewährleisten, kann
die der Wirbelstrombremse 15 zur Ansteuerung zugeführte
elektrische Größe, beispielsweise die Spannung
oder der Strom, geregelt werden. Dazu kann eine Regeleinrichtung
vorgesehen sein, die in die Steuereinrichtung 16 integriert
sein kann. Insbesondere kann beispielsweise ab dem Kippunkt die der
Wirbelstrombremse 15 zugeführte elektrische Größe
erhöht werden. Auf diese Weise kann ein von der Wirbelstrombremse 15 und
dem Asynchronmotor 5 gemeinsam erzeugtes Moment so eingestellt
werden, daß es zu keiner Zeit zu einer unerwünschten Überhöhung
oder Reduzierung des Drehmoments kommt. Dies ist in 5 dargestellt.
Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in 3 gleiche
Gegenstände. In 5 ist zu erkennen, daß die
der Wirbelstrombremse zugeführte elektrische Spannung langsam
erhöht wird. Auf diese Weise wird erreicht, daß das
von der Wirbelstrombremse 15 und dem Asynchronmotor 5 gemeinsam
erzeugte Drehmoment 19 (in 5 gestrichelt
dargestellt) auch bei einem Abfall des Motormoments konstant bleibt
und es zu keiner unerwünschten Schwankung des Moments kommt.
Eine Einschaltverzögerung für die Wirbelstrombremse 15 ist
dann nicht erforderlich. Somit tritt auch kein Momentenloch auf.
Die Spannung der Wirbelstrombremse wird in dem dargestellten Beispiel abhängig
vom Drehmoment an der schnellen Welle des Antriebs geregelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - „Windkraftanlagen",
3. Auflage, Springer Verlag, S. 309ff. [0003]