DE102019001355A1

DE102019001355A1 - Rotorblattverstelleinrichtung für Windenergieanlagen

Info

Publication number: DE102019001355A1
Application number: DE102019001355.7A
Authority: DE
Inventors: Heinz-Hermann Letas
Original assignee: Senvion GmbH
Current assignee: Senvion GmbH
Priority date: 2019-02-26
Filing date: 2019-02-26
Publication date: 2020-08-27
Also published as: WO2020173602A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für mindestens ein Rotorblatt (13) eines Windrotors (12) einer Windenergieanlage, mit einem Blattsteuermodul (2) und einem Verstellmotor (20), der an eine elektrische Leistungsversorgung angeschlossen ist und das Rotorblatt (13) zur Veränderung von dessen Anstellwinkel betätigt, wobei das Blattsteuermodul (2) eine Steuereinrichtung umfasst, die in einem Normalbetrieb den Verstellmotor (20) kontrolliert betätigt, und in einem Notbetrieb der Verstellmotor (20) unabhängig von der Steuereinrichtung betätigbar ist, wobei der Verstellmotor (50) eine Nebenschlusswicklung (5) aufweist. Es ist zusätzlich zur Steuereinrichtung eine Notdrehzahlstelleinrichtung des Verstellmotors (20) vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, im Notbetrieb einen Fluss durch die Nebenschlusswicklung (5) je nach einer gewünschten Drehzahländerung des Verstellmotors (20) zu erhöhen oder zu senken. Die Erfindung erreicht mit dem Abstellen auf den Fluss somit auf frappierend einfache Weise eine robuste und von der regulären Steuereinrichtung vollkommen unabhängige Steuerung der Drehzahl des Verstellmotors im Notbetrieb.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotorblattverstelleinrichtung für Windenergieanlagen, eine damit ausgerüstete Windenergieanlage sowie deren jeweiliger Betrieb.
Moderne Windenergieanlagen weisen einen Windrotor mit verstellbaren Rotorblättern auf. Hierbei können mittels einer Rotorblattverstelleinrichtung die Rotorblätter des Windrotors hinsichtlich ihres Anstellwinkels verändert werden. Dieser Anstellwinkel wird in Anlehnung an den im englischen Sprachraum üblichen Fachbegriff für Anstellwinkel, nämlich „Pitch“, auch als Pitchwinkel bezeichnet. Die derart verstellbaren Rotorblätter werden somit auch als pitchverstellbare Rotorblätter bezeichnet. Diese bieten gegenüber dem früher üblichen Windenergieanlagentyp mit fest angeordneten Rotorblättern, den sogenannten stallgeregelten Windenergieanlagen, den Vorteil, dass durch Verstellen der Rotorblätter die aus dem Wind entnommene und in das Generatorsystem der Windenergieanlage eingespeiste mechanische Leistung der Windenergieanlage und damit schließlich auch die abgegebene elektrische Leistung beeinflusst werden kann. Insbesondere ermöglicht dies ein „aus dem Wind gehen“ der Windenergieanlage, um so auch im Fall von hoher Windgeschwindigkeit einen sicheren und effizienten Betrieb zu ermöglichen. Ein weiterer beträchtlicher Vorteil von Windenergieanlagen mit pitchverstellbaren Rotorblättern ist, dass im Falle einer Störung ein schnelles Notabfahren der Windenergieanlage durch Verstellen der Rotorblätter in eine Fahnenstellung möglich ist. Im Fall von Störungen bzw. bei Außerbetriebsetzung der Windenergieanlage aus Sicherheitsgründen, zum Beispiel wegen starker Sturmwinde, kann damit erreicht werden, dass sich der Rotor wie eine Fahne verhält und kein Drehmoment mehr auf die Rotorwelle bzw. den Generator ausübt.
Hinsichtlich der Rotorblattverstelleinrichtung wird im Grunde zwischen drei verschiedenen Betriebsarten unterschieden. Eine erste Betriebsart ist der Normalbetrieb, nämlich eine Versorgung der Rotorblattverstelleinrichtung vom Netz mit elektrischer Energie und eine Regelung durch die eigene Steuereinrichtung mit einem Steller für den Verstellmotor. Diese Normalbetriebsart wird auch als „geregelter Netzbetrieb“ bezeichnet. - Bei Ausfall des Netzes erfolgt eine Versorgung von einem dafür vorgesehenen Akkumulator, wobei der Betrieb der Rotorblattverstelleinrichtung weiterhin durch die eigene Steuereinrichtung geregelt wird. - Fällt schließlich auch die Steuereinrichtung bzw. deren Steller aus, so erfolgt zwar weiterhin eine Versorgung vom Akkumulator, jedoch kann keine Drehzahlregelung mehr erfolgen. Der Verstellmotor wird somit ungeregelt betrieben. Eine Windenergieanlage mit einer entsprechend ausgebildeten Rotorblattverstelleinrichtung ist bekannt aus der EP 1 744 444 A1 ).
In der zuletzt genannten Betriebsart kann die Drehzahl nicht mehr gesteuert werden, sondern es ergibt sich eine Drehzahl abhängig von einer Leerlaufdrehzahl des Motors und äußeren Bedingungen, wie die durch aerodynamische Kräfte auf das Rotorblatt ausgeübten Lasten, die Antriebskraft (Drehmoment) des Verstellmotors abhängig von einer Spannung des Akkumulators sowie von einer Temperatur des Motors bzw. Akkumulators. Somit herrscht keine positive Kontrolle über die Drehzahl und die Verstellrate (Grad/Sekunde) des Rotorblatts. Das ist nachteilig, da aus Gründen der Sicherheit und der Stabilität bestimmte Verstellgeschwindigkeiten für die Rotorblätter möglichst nicht überschritten werden sollen. Außerdem ist bei mehreren Rotorblättern des Windrotors ein Gleichlauf nicht gewährleistet. Dies hat die unerfreuliche Gefahr zur Folge, dass zwischen den Rotorblättern des Windrotors Unterschiede entstehen können, die zu unterschiedlichen Blattwinkeln und damit zu unerwünschten Zusatzlasten führen. Für eine sichere Abschaltung, insbesondere bei Starkwind, ist das kontraproduktiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine verbesserte Rotorblattverstelleinrichtung bzw. mit einer solchen verbesserten Rotorblattverstelleinrichtung versehene Windenergieanlage sowie jeweiliges Betriebsverfahren zu schaffen, bei der dieser Nachteil vermieden ist.
Die erfindungsmäße Lösung liegt in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einer Verstelleinrichtung für mindestens ein Rotorblatt eines Windrotors einer Windenergieanlage, mit einem Blattsteuermodul und einem Verstellmotor, der an eine elektrische Leistungsversorgung angeschlossen ist und das Rotorblatt zur Veränderung von dessen Anstellwinkel betätigt, wobei das Blattsteuermodul eine Steuereinrichtung umfasst, die in einem Normalbetrieb der Verstellmotor kontrolliert betätigt, und in einem Notbetrieb der Verstellmotor unabhängig von der Steuereinrichtung betätigbar ist, wobei der Verstellmotor eine Nebenschlusswicklung aufweist, ist erfindungsgemäß zusätzlich zur Steuereinrichtung eine Not-Drehzahlstelleinrichtung des Verstellmotors vorgesehen, die dazu ausgebildet ist, im Notbetrieb einen Fluss durch die Nebenschlusswicklung je nach einer gewünschten Drehzahländerung des Verstellmotor zu erhöhen oder zu senken.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, zusätzlich zu der Steuereinrichtung eine (einfacher ausgeführte) unabhängige Not-Drehzahlstelleinrichtung vorzusehen. Diese wirkt auf die Nebenschlusswicklung des Verstellmotors. Die Erfindung hat erkannt, dass damit durch (vorzugsweise exklusiven) Eingriff in die Erregung der Nebenschlusswicklung im Notbetrieb eine Drehzahlveränderung durchgeführt werden kann, und zwar mit einfachen Mitteln, also auch dann, wenn die eigentliche Steuereinrichtung ausgefallen ist. Die Not-Drehzahlstelleinrichtung kann gemäß der Erfindung ausgesprochen einfach ausgeführt sein, insbesondere ist sie einfacher ausgeführt als die eigentliche Steuereinrichtung bzw. deren Steller (Umrichter). Andererseits ermöglicht die Erfindung eine bessere Kontrolle über die Verstellgeschwindigkeit als die aus dem Stand der Technik bekannte Betätigung einer batteriegestützten Notfahrt mittels eines einfachen Schalters, die sich im Wesentlichen darauf stützt, dass die Leerlaufdrehzahl des Verstellmotors im Wesentlichen unabhängig von der Ankerspannung ist.
Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass in der Nebenschlusswicklung generell nur kleine Ströme fließen. Es ist dort also nur wenig schaltungstechnischer Aufwand erforderlich zur Veränderung des durch die Nebenflusswicklung bewirkten Flusses. Insbesondere können passive Komponenten (beispielsweise Vorwiderstände) genügen bzw. nur ganz einfache aktive Komponenten wie ein Halbleiterschalter (der deutlich einfacher und störsicherer ist als ein Umrichter). Somit kann zur Drehzahlerhöhung eine Flussreduktion erfolgen durch Verringerung des Stroms durch die Nebenschlusswicklung, entsprechend zur Drehzahlreduktion kann mit einer geteilten Nebenschlusswicklung der Fluss erhöht werden. Insbesondere ist die Not-Drehzahlstelleinrichtung dazu ausgebildet, ausschließlich über das Verändern einer Erregung der Nebenschluss-Wicklung zu wirken. Ein aufwendiger und störanfälliger Umrichter, wie typischerweise bei der regulären Steuereinrichtung vorgesehen, ist nicht erforderlich. Die Not-Drehzahlstelleinrichtung kann daher dank der Erfindung umrichterfrei ausgeführt sein. Der Verstellmotor ist typischerweise ein Gleichstrommotor.
Die Erfindung erreicht mit dem Abstellen auf den Fluss somit auf frappierend einfache Weise eine robuste und von der regulären Steuereinrichtung vollkommen unabhängige Steuerung der Drehzahl des Verstellmotors im Notbetrieb, und zwar mit einfachsten Mitteln. Dies hält nicht nur die Kosten niedrig, sondern erhöht auch die Betriebssicherheit. Außerdem eignet sich die Erfindung gut zur Nachrüstung.
Vorzugsweise ist die Nebenschlusswicklung geteilt ausgeführt und so mit der Not-Drehzahlstelleinrichtung verbunden, dass durch schaltbares elektrisches Aufteilen der Nebenschluss-Wicklung in geteilte Wicklungen deren magnetischer Fluss erhöht ist zum Absenken der Drehzahl, vorzugsweise durch Parallelschalten der geteilten Wicklungen. Damit kann ohne zusätzliche Wicklungen und insbesondere ohne zusätzlichen Bauraum eine Veränderung des Flusses der Nebenschlusswicklung erreicht werden, insbesondere auch eine Erhöhung. Zweckmäßigerweise sind Schalter und/oder Dioden zum schaltbaren Aufteilen der Nebenschlusswicklung vorgesehen. Besonders zweckmäßig ist das Vorsehen einer Diode zum Verbinden der beiden Teile der Nebenschlusswicklung. Damit kann ein Schalter eingespart werden.
Alternativ oder zusätzlich können zweckmäßigerweise zum Erhöhen der Drehzahl eine Mehrzahl schaltbarer Vorwiderstände für die Nebenschlusswicklung vorgesehen sein, die so konfiguriert sind, dass je nach Schaltzustand unterschiedliche Stromflüsse durch die Nebenschlusswicklung eingestellt sind, und zwar vorzugsweise mehrstufig. Somit kann mit geringem Zusatzaufwand eine insbesondere mehrstufige Reduktion des Flusses durch die Nebenschlusswicklung erreicht werden, und zwar allein mit passiven Komponenten.
Alternativ oder zusätzlich kann ferner vorgesehen sein, dass die Nebenschlusswicklung für eine reduzierte Nennspannung ausgelegt ist. Unter einer reduzierten Nennspannung wird hierbei verstanden, dass die Spannung, auf die die Nebenschlusswicklung ausgelegt ist (Nennspannung), kleiner ist als die zum Betrieb des Verstellmotors verwendete Spannung, insbesondere als die Nennspannung für den Ankerstromkreis des Verstellmotors. Die entsprechend reduzierte Spannung kann zweckmäßigerweise gewonnen sein durch einen Referenzwiderstand, der vorzugsweise in Serie geschaltet ist. So kann auf einfache Weise ein reduziertes Spannungsniveau erreicht werden. Diese Ausführungsform mit reduzierter Nennspannung bietet den Vorteil, dass somit auf einfache Weise nicht nur eine Verringerung des Flusses der Nebenschluss-Wicklung erreicht werden kann, nämlich durch Verringern der effektiv angelegten Spannung an der Nebenschlusswicklung, sondern auch eine Erhöhung des Flusses der Nebenschlusswicklung. Das geschieht in der Weise, indem eine Spannung an die Nebenschlusswicklung angelegt wird, die höher ist als die reduzierte Nennspannung, aber immer noch unterhalb der eigentlichen Betriebsspannung. Somit kann auch diese „höhere“ Spannung einfach durch einen Vorwiderstand aus der Betriebsspannung gewonnen werden. Dank diesem Kunstgriff kann die an sich bidirektionale Funktion des Erhöhens bzw. Absenkens der auf die Nebenschluss-Wicklung wirkenden Spannung überführt werden in eine unidirektionale Funktion, nämlich immer eine Absenkung, allerdings von unterschiedlichem Grad. Dies ergibt ein Maximum an flexibler Einstellbarkeit bei einem Minimum an Aufwand.
Die Anpassung der Nebenschlusswicklung an eine reduzierte Nennspannung kann insbesondere erfolgen durch eine Verringerung der Windungszahl, eine Erhöhung des Querschnitts, eine Verringerung des Widerstands der Wicklung und/oder Auslegung auf einen höheren Strom. Insgesamt kann dies zweckmäßigerweise so durchgeführt sein, dass kein größerer Wickelraum erforderlich ist und damit kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn zusätzlich zu dem Referenzwiderstand schaltbare Zusatzwiderstände in Gruppen zum Referenzwiderstand vorgesehen sind. Damit kann eine feingestufte Anpassung der auf die Nebenschlusswicklung wirkenden Spannungsreduktion erzielt werden. Besonders zweckmäßig ist hierbei, wenn eine der Gruppen zur Erhöhung des Gesamtwiderstands geschaltet ist und eine andere der Gruppen zur Verringerung des Gesamtwiderstands geschaltet ist. Unter Gesamtwiderstand wird hierbei der sich insgesamt ergebende Widerstand aus Referenzwiderstand einerseits und den jeweils geschalteten Zusatzwiderständen andererseits verstanden.
Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform kann ein Hoch-/Tiefsetzsteller vorgesehen sein, welcher der Nebenschluss-Wicklung vorgeschaltet ist. Vorzugsweise weist der Hoch-/Tiefsetzsteller mindestens ein aktives Schaltelement zum Hochsetzen und/oder ein aktives Schaltelement zum Tiefsetzen umfasst. Damit kann auf einfache Weise eine im wesentlichen freie Einstellbarkeit der Spannung für die Nebenschlusswicklung erreicht werden. Die mit Vorwiderständen einhergehende Stufigkeit kann so wirksam vermieden werden. Da ein solcher Hoch-/Tiefsetzsteller im Übrigen sehr einfach ausgeführt sein kann, mit im Minimum lediglich einem aktiven Schaltelement, ist zwar mindestens ein aktives Bauelement erforderlich, aber dem steht der beträchtliche Vorteil gegenüber, dass insgesamt sich eine deutliche Vereinfachung des Aufbaus ergibt. Ein solcher einfacher Aufbau ist dank der geringen Bauteilezahl in der Regel auch ein robuster Aufbau und damit ausgesprochen ausfallsicher. So weist ein solcher Steller eine wesentlich geringere Komplexität auf als ein handelsüblicher Umrichter, und ist schon deswegen in Bezug auf seine Zuverlässigkeit deutlich besser.
Mit Vorteil ist der Hoch/Tiefsetzsteller geteilt ausgeführt und mit seinem ersten Teil an einen ersten Teil der Nebenschlusswicklung und mit seinem zweiten Teil an den zweiten Teil der Nebenschlusswicklung angeschlossen. Damit kann eine zweckmäßige Kombination der Vorteile der geteilten Ausführung der Nebenschlusswicklung mit der einfachen Grundkonzeption des Hoch/Tiefsetzstellers erreicht werden. Besonders zweckmäßig ist hierbei, wenn die Teile der Nebenschlusswicklung mittels eines Serienwiderstands, und vorzugsweise mit einer Diode, verbunden sind. Ein die beiden Teile verbindender bzw. trennender Schalter kann damit eingespart sein, und mit dem Serienwiderstand wird auf einfachste Weise zusätzlich eine Flussreduktion ermöglicht (die Flusserhöhung wird durch den Steller erreicht).
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Hoch-/Tiefsetzsteller kombiniert mit einer auf eine reduzierte Nennspannung ausgelegten Nebenschlusswicklung. In diesem Fall genügt es, wenn der Hoch-/Tiefsetzsteller allein zum Tiefsetzen ausgebildet ist und es kann dennoch eine bidirektionale Funktionalität der Flusserhöhung und -senkung erreicht werden, bei vereinfachtem Aufbau.
Vorzugsweise kann als Verstellmotor ein Doppelschluss-Motor vorgesehen sein. Unbedingt nötig ist dies aber nicht, ein Nebenschluss-Motor genügt. Allerdings bietet die Ausführung als Doppelschluss-Motor den Vorteil, dass die Nebenschlusswicklung und deren Beschaltung allein auf die erfindungsgemäße Notbetriebsfunktion optimiert sein können. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Drehzahlverstellung in dem Notbetrieb exklusiv über die Nebenschlusswicklung erfolgt.
Die Erfindung erstreckt sich ferner auf eine Windenergieanlage umfassend einen Rotor mit verstellbaren Blättern, einem von dem Rotor angetriebenen Generator zur Erzeugung elektrischer Leistung und eine Verstelleinrichtung für die Blätter, wie vorstehend beschrieben. Zur näheren Erläuterung wird auf obige Beschreibung verwiesen.
Ferner erstreckt sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren für den Betrieb der Rotorblattverstelleinrichtung bzw. der Windenergieanlage, wobei zur Vermeidung von Wiederholungen zur näheren Erläuterung der Verfahrensweise ebenfalls auf obige Beschreibung verwiesen wird
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beispielhaft anhand von zweckmäßigen Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Gesamtansicht einer Windenergieanlage mit einer erfindungsgemäßen Rotorblatt-Verstelleinrichtung;
2a, b Schaltbilder zu einem Verstellmotor mit Nebenschlusswicklung für ein Rotorblatt der Windenergieanlage gemäß 1;
3a-c Ausführungsformen mit Vorwiderständen zur Flusssenkung der Nebenschlusswicklung;
4a, b Ausführungsformen mit Schaltern zur Teilung der Nebenschlusswicklung zur Flusserhöhung;
5a-c eine weitere Ausführungsform mit reduzierter Nennspannung und mit Vorwiderständen zur Flusssenkung/-erhöhung der Nebenschlusswicklung;
6 eine weitere Ausführungsform mit Hoch-/Tiefsetzsteller zur Flusssenkung/Flussanhebung;
7 eine weitere Ausführungsform mit geteilter Nebenschlusswicklung und mit Vorwiderstand;
8 Diagramme mit Spannungs- und Stromverläufen für die Ausführungsform gemäß 7;
9 eine weitere Ausführungsform mit einer auf reduzierte Nennspannung ausgelegten Nebenschlusswicklung und mit Tiefsetzsteller;
10 eine beispielhafte Kontrollstruktur für die Ausführungsform gemäß 9; und
11 Diagramme mit Spannungs- und Stromverläufen für die Ausführungsform gemäß 9.

In 1 ist dargestellt ein Ausführungsbeispiel für eine mit einer erfindungsgemäßen Rotorblatt-Verstelleinrichtung versehene Windenergieanlage, die in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet ist. Sie umfasst einen Turm 10 als Unterbau. An dessen oberem Ende ist eine Gondel 11 in einer Horizontalebene (Azimutebene) verschwenkbar angeordnet. An einer Stirnseite der Gondel 11 ist ein Windrotor 12 drehbar angeordnet. Er umfasst eine Mehrzahl von Rotorblättern 13, die bezüglich ihres Einstellwinkels β verstellbar in einer Nabe 14 des Windrotors 12 angeordnet sind. Der Windrotor 12 treibt über eine (nicht dargestellte) Rotorwelle einen Generator 15 an, der mit einem Umrichter 16 zusammenwirkt zur Umwandlung der von dem Windrotor 12 zugeführten mechanischen Leistung in elektrische Leistung, die über eine Anschlussleitung 10 von der Windenergieanlage abgegeben wird.
In der Rotornabe 16 ist ein Blattsteuermodul 2 angeordnet, dass zur Verstellung des Einstellwinkels β der Rotorblätter 13 ausgebildet ist. Das Blattsteuermodul 2 umfasst einen Verstellmotor 20, der von einer Steuereinheit 21 mittels eines Stellers 22 angesteuert ist. Der Steller 22 ist typischerweise ausgeführt als ein Umrichter.
Der Verstellmotor 20 ist bei der in 2a) dargestellten Variante als Gleichstrom-Doppelschlussmotor 20' ausgeführt. Dieser umfasst einen Ankerstromkreis 3 mit einem Ankerwiderstand RA 31 sowie einer Ankerinduktivität LA 32 und eine Reihenschlusswicklung 33 mit einer Reihenschlusswicklungsinduktivität LRF 34 und einem Reihenschlusswicklungswiderstand RRF 35. Ferner ist eine Nebenschlusswicklung 5 vorgesehen, die eine Nebenschlussinduktivität LNF 54 und einen Nebenschlusswiderstand RNF 53 aufweist. Die Versorgung erfolgt mittels einer Batterie 29, die bei Notbetrieb über ein Schütz 23 zuschaltbar ist.
Bei der in 2b) dargestellten Variante ist der Verstellmotor 20 in vereinfachter Bauweise ausgeführt, nämlich als reiner Gleichstrom-Nebenschlussmotor. Er weist ebenso wie die Ausführungsform gemäß 2a) einen Ankerstromkreis 3 und eine Nebenschlusswicklung 5 auf, jedoch keine Reihenschlusswicklung 33. Im Übrigen entspricht die Ausführung der in 2a) dargestellten, wobei gleiche Bauelemente dieselben Bezugszeichen tragen.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, eine Flusssenkung des von der Nebenschlusswicklung 5 erzeugten Nebenschlussfelds durchzuführen mittels eines oder mehrerer schaltbarer Vorwiderstände 7. Eine dazu geeignete erste Ausführungsform einer Not-Drehzahlstelleinrichtung 4 ist in 3 dargestellt. Die in 3a) dargestellte Variante umfasst für die Nebenschlusswicklung 5 zusätzlich einen Vorwiderstand 71, der über einen Schalter 71' zuschaltbar ist. Der reguläre Massepfad der Nebenschlusswicklung 5 ist über einen Schalter 70' geschaltet. Durch Betätigen des Schalters 71' (und Öffnen des Schalters 70') wird der Stromfluss durch die Nebenschlusswicklung 5 reduziert und dadurch eine Flusssenkung erreicht. Damit kann eine Drehzahlerhöhung bewirkt werden. Es sei angemerkt, dass bei dieser Ausführungsform der Schalter 71' entfallen und durch eine Brücke ersetzt sein kann; allein durch Öffnen des Schalters 70' kann der Stromfluss durch die Nebenschlusswicklung 5 reduziert werden.
In 3b) und 3c) sind zwei weitere Varianten dargestellt, die jeweils Vorwiderstände 72 und 73 aufweisen, die entsprechend über zusätzliche Schalter 72' und 73' geschaltet sind. Bei der Variante gemäß 3b) sind die Vorwiderstände 71, 72, 73 größenmäßig gestaffelt, wobei der Widerstandswert von dem Vorwiderstand 71 kleiner ist als der Widerstandswert des Vorwiderstands 72 und der wiederum kleiner ist als der Widerstandswert des Vorwiderstands 73. Es wird je nach dem Grad der gewünschten Reduktion dann genau einer der Schalter 71', 72' oder 73' betätigt. Dadurch kann eine Abstufung des Stromflusses durch die Nebenschlusswicklung 5 bewirkt und dementsprechend unterschiedliche Drehzahlerhöhungen erreicht werden. Die Variante gemäß 3c) unterscheidet sich lediglich dadurch, dass dort auch mehrere der Schalter 71', 72' und 73' gleichzeitig betätigt sein können, und dadurch eine Abstufung erreicht ist. Auch hier gilt, dass zur Vereinfachung die Stufe mit der größten Reduktion des Stromflusses, also die den größten Widerstand enthält (vorliegend ist das jeweils der Widerstand 73'), ohne Schalter ausgeführt und stattdessen durch eine Brücke fest verbunden sein kann.
Es wird nun Bezug genommen auf 4. Es wird zuerst Bezug genommen auf 4a). Dort ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Nebenschlusswicklung 5 in zwei Teile 51, 52 aufgeteilt ist. Jeder der Teile hat eine eigene Teilinduktivität 54' und einen eigenen Teilwiderstand 53'. Es sind mehrere Schalter 75, 76, 77 vorgesehen, über die die beiden Teile 51, 52 einzeln zugeschaltet sowie parallel- und seriell geschaltet werden können. Ist allein der Schalter 77 geschlossen, so sind die beiden Teile 51, 52 in Serie geschaltet, sodass sie sich im Grunde wie eine ursprüngliche Nebenschlusswicklung 5 verhalten. Ist der Schalter 77 hingegen geöffnet und stattdessen die Schalter 75, 76 geschlossen; so sind beide Teile 51, 52 parallel geschaltet, sodass sich eine Flusserhöhung ergibt. Dadurch wird die Drehzahl des Verstellmotors 20 verringert. Bei der in 4b) dargestellten Variante ist der Schalter 77 ersetzt durch eine Diode 78, welche die beiden Teile 51, 52 der Nebenschlusswicklung 5 in Serie verbindet. Bei geöffneten Schaltern 75, 76 fließt der Strom durch beide Teile 51, 52 der Nebenschlusswicklung 5, d. h. es findet keine Flusserhöhung statt. Sind die beiden Schalter 75, 76 hingegen geschlossen, so sind die beiden Teile 51, 52 effektiv parallel geschaltet, sodass sich eine Erhöhung des Flusses durch die Nebenschlusswicklung 5 insgesamt und damit eine Drehzahlreduktion ergibt.
In 5 ist eine Variante dargestellt, bei der die Nebenschlusswicklung 5 für eine reduzierte Nennspannung UNF_red ausgebildet ist. Um die Versorgungsspannung UB zu verringern auf die nunmehr reduzierte Nennspannung UNF_red der Nebenschlusswicklung 5 ist ein speziell dafür ausgelegter Referenzwiderstand 74 vorgesehen und in Serie zur Nebenschlusswicklung 5 geschaltet (in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zur Masse). Der Referenzwiderstand 74 ist so bemessen, dass bei Nennstrom durch die Nebenschlusswicklung 5 ein solcher Spannungsabfall U_Δ auftritt, dass ausgehend von der am Ankerkreis 3 anliegenden Betriebsspannung UB des Verstellmotors 20 die Spannung genau so weit abfällt, dass sie die reduzierte Nennspannung UNF_red erreicht. Dies ist in 5a) dargestellt. Um nun eine Veränderung des Stromflusses durch die Nebenschlusswicklung 5 bewirken zu können, sind vorzugsweise wie in 5b) dargestellt, parallel zu dem Referenzwiderstand 74 weitere Zweige geschaltet, die Vorwiderstände 70, 72 und jeweils einen Schalter 70', 72' aufweisen. Ebenso ist für den Zweig mit dem Referenzwiderstand 74 ein Schalter 74' vorgesehen. Hierbei ist der Vorwiderstand 70 so dimensioniert, dass er etwas kleiner ist als der Referenzwiderstand 74 und der Widerstand 72 so dimensioniert, dass er etwas größer ist als der Referenzwiderstand 74. Damit kann je nachdem, welcher der Schalter 70', 72' bzw. 74' betätigt ist, eine Erhöhung oder Reduktion des Stromflusses durch die Nebenschlusswicklung 5 erreicht werden. Somit kann allein durch das Vorsehen von Vorwiderständen mit Schaltern eine Erhöhung oder Reduktion der Drehzahl des Verstellmotors 20 bewirkt werden. Wie in 5c) dargestellt, können auch zusätzliche Zweige mit Vorwiderstand 71, 73 und entsprechendem Schalter 71', 73' vorgesehen sein, um eine feinere Abstufung in Bezug auf Flusserhöhung bzw. Flussreduktion der Nebenschlusswicklung 5 und damit eine Drehzahlreduktion bzw. Drehzahlerhöhung des Verstellmotors 20 zu erreichen.
Bei einer in 6 dargestellten weiteren Ausführungsform erfolgt die Erhöhung bzw. Reduktion des Flusses durch die Nebenschlusswicklung 5 nicht mittels Vorwiderständen, sondern durch die Verwendung eines Hoch-/Tiefsetzstellers 8. Dieser ist mit seinem Eingang an die Spannungsversorgung UB und mit seinem Ausgang an die Nebenschlusswicklung 5 angeschlossen. Der Hoch-/Tiefsetzsteller 8 kann einfach ausgeführt sein und weist jeweils nur einen einzigen aktiven Schalter 81, 82 (zum Beispiel jeweils ein IGBT) für das Tiefsetzen bzw. Hochsetzen der Ausgangsspannung auf. Der Schalter 81 ist am Eingang des Hoch-/Tiefsetzstellers 8 angeordnet und in Reihe geschaltet mit einer in Sperrrichtung geschalteten Diode 83. Ferner ist ein Kondensator 80 am Eingang angeschlossen. Dieser Schalter 81 dient zum Tiefsetzen der Ausgangsspannung. Die so erzeugte Spannung wird über eine am Verknüpfungspunkt zwischen dem Schalter 81 und der Katode der Diode 82 angeschlossene Induktivität 85 abgeführt. An dem anderen Ende der Induktivität 85 ist der zweite Schalter 82 angeordnet und schaltet zur Masse; ferner ist eine Diode 84 in Durchlassrichtung geschaltet und führt zum Ausgang des Hoch-/Tiefsetzstellers 8. Weiter ist an den Ausgang angeschlossen ein zweiter Kondensator 85. Durch gepulstes Betätigen des ersten Schalters 81 (ohne Bestätigen des zweiten Schalters 82) wird eine verminderte Spannung erzeugt, die von der Diode 84 zum Ausgang des Hoch-/Tiefsetzstellers 8 durchgeleitet wird. Ist hingegen der erste Schalter 81 stationär eingeschaltet und stattdessen der zweite Schalter 82 gepulst betätigt, wird unter Verwendung der Induktivität 85 als Ladedrossel und dem zweiten Kondensator 85 als Speicherkondensator ein Hochsetzen der Spannung am Ausgang des Hoch-/Tiefsetzstellers 8 erreicht. An dem Ausgang ist die Nebenschlusswicklung 5 angeschlossen. Damit kann je nach der von dem Hoch-/Tiefsetzsteller 8 erzeugten Spannung der Stromfluss durch die Nebenschlusswicklung 5 verändert und damit der von ihr erzeugte Fluss gesteuert werden, wodurch entsprechend eine Drehzahlerhöhung bzw. Drehzahlerniedrigung gesteuert werden kann.
Die Ausführungsformen können auch miteinander kombiniert sein. So kann der in 6 dargestellte Hoch-/Tiefsetzsteller 8 auch eingesetzt sein bei einer geteilten Ausführung der Nebenschlusswicklung 5 entsprechend der Ausführungsform gemäß 4. Es sind wieder zwei aktive Schaltelemente 81' und 82' vorgesehen, die jeweils in Reihe geschaltet sind mit je einer in Sperrrichtung geschalteten Diode 83' und 84'. Der erste Teil 51 der Nebenschlusswicklung 5 wird versorgt von dem ersten Schalter 81'. Entsprechend ist der zweite Teil 52 der Nebenschlusswicklung 5 über den zweiten Schalter 82' zur Masse geführt. Der erste Teil 51 und der zweite Teil 52 sind miteinander verbunden über eine in Reihe geschaltete Kombination aus einer in Durchlassrichtung geschalteten Diode 86 und einem Widerstand 87. Mittels des zweiten Schalters 81' kann die Spannung U1 über den ersten Teil 51 der Nebenschlusswicklung 5 und somit der Stromfluss I1 eingestellt sein und entsprechend kann mittels des zweiten Schalters 82' die Spannung U2 über den zweiten Teil 52 der Nebenschlusswicklung 5 und somit der Stromfluss I2 eingestellt sein. Es sei angemerkt, dass der Widerstand 87 optional ist. Entfällt er, ist jedoch keine Flussreduktion (und somit keine Drehzahlerhöhung) möglich, sondern nur eine Flusserhöhung (und damit Drehzahlverminderung). Weiter sei angemerkt, dass vorzugsweise die Wicklungszahlen der beiden Teilwicklungen 51, 52 identisch sind, um unerwünschte Transformatoreffekte zu vermeiden.
Die sich hierbei ergebenden Spannungs- und Stromverläufe sind in 8a) bis f) dargestellt. In 8a) ist das Einschalten der Versorgungsspannung zum Zeitpunkt t gleich 0,1s gezeigt. Die ganze Zeit liegt ein hochfrequentes Trägersignalan, wie es durch die Schwingung in 8b) dargestellt ist. Ein Steuersignal für den Hoch-/Tiefsetzsteller 8 für die von ihm abzugebende Ausgangsspannung ist mit dem in durchgezogener Linie dargestellten Rampensignal in 8b) dargestellt. Die damit angesteuerten aktiven Schalter 81, 82 stellen jeweils die gleiche Spannung U1 an dem ersten Teil 51 bzw. U2 an dem zweiten Teil 52 der Nebenschlusswicklung 5 ein. Dies ist in 8c) dargestellt. Beide Spannungen sind identisch, sodass die Kurven übereinanderliegen. Die Summe aus beiden Spannungen ist in 8d) dargestellt. Die sich jeweils ergebenden Ströme I1 und I2 sind in 8e) dargestellt, wobei auch hier die beiden Ströme identisch sind und damit deren Kurven übereinanderliegen. Der sich schließlich durch die Ansteuerung des Hoch-/Tiefsetzstellers 8 ergebende Fluss der Nebenschlusswicklung 5 bzw. von deren ersten Teil 51 ist in 8f) dargestellt. Die untere Kurve stellt hierbei den Fluss durch den ersten Teil 51 der Nebenschlusswicklung 5 dar (der Fluss durch den zweiten Teil 52 ist identisch), und der sich insgesamt ergebende Fluss durch die Nebenschlusswicklung 5 ist durch die obere der beiden Kurven dargestellt. Man erkennt, dass durch die Veränderung des Steuersignals (siehe das rampenartige Ansteigen in 8b) eine entsprechende Änderung der Spannung über den jeweiligen Wicklungsteilen 51, 52 (siehe 8c), den durch sie fließenden Strom (siehe 8e) und schließlich des Flusses durch die Nebenschlusswicklung 5 bzw. ihres Teils 51 (siehe 8f) eingestellt werden kann. Damit kann eine entsprechende Drehzahleinstellung des Verstellmotors 20 erfolgen.
Eine weitere Vereinfachung ist in 9 dargestellt. Sie basiert auf der Ausführungsform gemäß 3a) mit einer auf eine reduzierte Nennspannung ausgelegten Nebenschlusswicklung unter Verwendung eines vereinfachten Stellers, nämlich eines reinen Tiefsetz-Stellers 8'. Er umfasst lediglich einen aktiven Schalter 81, eine dazu in Reihe angeordnete und in Sperrrichtung geschaltete Sperrdiode 83 und einen Eingangskondensator 80. Damit wird eine Ausgangsspannung des Tiefsetz-Stellers 8' so weit heruntergesetzt, dass sie zu der reduzierten Nennspannung UNF_red der Nebenschlusswicklung 5 gemäß der in 3 dargestellten Ausführungsform passt. Durch Veränderung des Ansteuersignals CTL des Tiefsetz-stellers 8' kann somit ausgehend von der reduzierten Nennspannung UNF_red eine Erhöhung oder Erniedrigung der Ausgangsspannung auf einfachste Weise erreicht werden. Funktional entspricht diese Ausführungsform also den Ausführungsformen gemäß 5b oder 5c, jedoch ohne dass dazu eine Vielzahl von Schalteinrichtungen und Vorwiderständen erforderlich würde. Sie kann dafür die Vorteile konstruktiver Einfachheit und stufenloser Einstellung der Ausgangsspannung und damit der Flussreduktion/Erhöhung und damit Erhöhung bzw. Reduktion der Drehzahl für sich buchen.
Eine beispielhafte Ausführungsform für einen möglichen Drehzahlregler hierfür ist in 10 dargestellt. Er ist in seiner Gesamtheit mit der Bezugsziffer 9 bezeichnet und umfasst zwei Eingänge für eine Referenzdrehzahl nref und die tatsächliche Drehzahl n, die an ein Differenzglied 90 angelegt sind. An dessen Ausgang ist über einen Schalter 91 der eigentliche Regelkern mit einem Pl-Regelblock 93 angeschlossen. Das von dem Regelblock 93 ausgegebene Signal ist über ein Begrenzungsglied 94 an einen Eingang eines Summierglieds 95 angeschlossen, wobei über einen anderen Eingang des Summierglieds 95 ein Basissignal für die Drehzahl hinzugefügt wird. Das sich somit ergebende Summensignal wird als Steuersignal für die Pulsweitenmodulation des Stellers 8, 8' ausgegeben. Der Schalter 91 ist betätigt von einem Verzögerungsglied 92. Dieses ist dazu ausgebildet, den Regler mit seinem Reglerblock 93 erst verzögert zu aktivieren. Damit kann ein unerwünschtes Verhalten des Reglers 9 während der Zeit vermieden werden, die für das Hochlaufen des Feldstroms der Nebenschlusswicklung 5 benötigt wird.
Die sich hierbei ergebenden Verläufe sind in 11 dargestellt. In 11a) ist das Lastmoment von dem Verstellmotor 20 dargestellt (wobei die Nulllinie durch eine fette horizontale Linie hervorgehoben ist. In 11b) sind die Referenzdrehzahl nref und die tatsächliche Drehzahl n dargestellt. Der durch das Verzögerungsglied 92 bewirkte verzögerte Start der Regelung 9 ist in 11c) visualisiert (Sprung von Aus zu Ein bei t = 0,75 sek.). Der sich schließlich durch die Aktivität der Regelung ergebende Ausgangswert CTL der Drehzahlregelung (s. 10) sowie der Basiswert sind in 11d) als normierte Größe dargestellt. Das Pulssignal für die Ansteuerung der aktiven Schalter und das daraus gemittelte Tiefpasssignal sind in 11e) dargestellt. Der sich daraus einstellende Strom durch die Nebenschlusswicklung 5 ist in 11f) dargestellt (als normierte Größe). Die Ankerspannung Ua sowie die induzierte Spannung des Motors Ui sind in 11g) dargestellt, und der sich schließlich daraus ergebende Ankerstrom Ia ist in 11h) dargestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1744444 A1 [0003]

Claims

Verstelleinrichtung für mindestens ein Rotorblatt (13) eines Windrotors (12) einer Windenergieanlage, mit einem Blattsteuermodul (2) und einem Verstellmotor (20), der an eine elektrische Leistungsversorgung angeschlossen ist und das Rotorblatt (13) zur Veränderung von dessen Anstellwinkel betätigt, wobei das Blattsteuermodul (2) eine Steuereinrichtung umfasst, die in einem Normalbetrieb den Verstellmotor (20) kontrolliert betätigt, und in einem Notbetrieb der Verstellmotor (20) unabhängig von der Steuereinrichtung betätigbar ist, wobei der Verstellmotor (50) eine Nebenschlusswicklung (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Steuereinrichtung eine Notdrehzahlstelleinrichtung des Verstellmotors (20) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, im Notbetrieb einen Fluss durch die Nebenschlusswicklung (5) je nach einer gewünschten Drehzahländerung des Verstellmotors (20) zu erhöhen oder zu senken.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Notdrehzahlstelleinrichtung dazu ausgebildet ist, ausschließlich über das Verändern einer Erregung der Nebenschlusswicklung (5) zu wirken.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine geteilte Nebenschlusswicklung vorgesehen und so mit der Notdrehzahlstelleinrichtung verbunden ist, dass durch schaltbares elektrisches Aufteilen der Nebenschlusswicklung (5) in geteilte Wicklungen (51, 52) deren magnetischer Fluss erhöht ist zum Absenken der Drehzahl, vorzugsweise durch Parallelschalten der geteilten Wicklungen (51, 52), wobei vorzugsweise das schaltbare Aufteilen mittels mindestens einem Schalter (75, 76, 77) und/oder mindestens einer Diode (78) erfolgt.
Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl schaltbarer Vorwiderstände (71, 72, 73) für die Nebenschlusswicklung (5) zum Erhöhen der Drehzahl vorgesehen ist, die so konfiguriert sind, dass je nach Schaltzustand unterschiedliche Stromflüsse durch die Nebenschlusswicklung (5) eingestellt sind, und zwar vorzugsweise mehrstufig.
Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenschlusswicklung (5) für eine reduzierte Nennspannung (UNF_red) ausgelegt ist, wobei vorzugsweise zur Anpassung an eine Betriebsspannung ein Referenzwiderstand (74) in Serie geschaltet ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass schaltbare Zusatzwiderstände in vorzugsweise zwei Gruppen zum Referenzwiderstand (74) vorgesehen sind, wobei eine der Gruppen zur Erhöhung des Gesamtwiderstands geschaltet ist und eine andere anderen der Gruppen zur Erniedrigung des Gesamtwiderstands geschaltet ist.
Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hoch-/Tiefsetzsteller (8) vorgesehen ist, welcher der Nebenschlusswicklung (5) vorgeschaltet ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hoch-/Tiefsetzsteller (8) mindestens ein aktives Schaltelement (82) zum Hochsetzen und/oder ein aktives Schaltelement (81) zum Tiefsetzen umfasst.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hoch-/Tiefsetzsteller (8) geteilt ausgeführt und mit seinem ersten Teil an einen ersten Teil (51) der Nebenschlusswicklung (5) und mit seinem zweiten Teil (52) an den zweiten Teil der Nebenschlusswicklung (5) angeschlossen ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Teile (51, 52) der Nebenschlusswicklung mittels einer Diode (86), und vorzugsweise mit einem Serienwiderstand (87), verbunden sind.
Verstelleinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmotor (20) als ein Doppelschluss-Motor ausgeführt ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Not-Drehzahlsteuerung im Notbetrieb exklusiv über die Niederschlusswicklung auf den Verstellmotor wirkt.
Windenergieanlage umfassend einen Rotor (12) mit verstellbaren Rotorblättern (13), einen von dem Rotor angetriebenen Generator (15) zur Erzeugung elektrischer Leistung und eine Verstelleinrichtung für mindestens ein Rotorblatt (13) eines Windrotors (12) einer Windenergieanlage, mit einem Blattsteuermodul (2) und einem Verstellmotor (20), der an eine elektrische Leistungsversorgung angeschlossen ist und das Rotorblatt (13) zur Veränderung von dessen Anstellwinkel betätigt, wobei das Blattsteuermodul (2) eine Steuereinrichtung (21) umfasst, die in einem Normalbetrieb den Verstellmotor (20) kontrolliert betätigt, und in einem Notbetrieb der Verstellmotor (20) unabhängig von der Steuereinrichtung (21) betätigbar ist, wobei der Verstellmotor (50) eine Nebenschlusswicklung (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Steuereinrichtung (21) eine Notdrehzahlstelleinrichtung (4) des Verstellmotors (20) vorgesehen ist, die dazu ausgebildet ist, im Notbetrieb einen Fluss durch die Nebenschlusswicklung (5) je nach einer gewünschten Drehzahländerung des Verstellmotors (20) zu erhöhen oder zu senken.
Verfahren zum Betreiben einer Verstelleinrichtung für mindestens ein Rotorblatt (13) eines Windrotors (12) einer Windenergieanlage, mit einem Blattsteuermodul (2) und einem Verstellmotor (20), der an eine elektrische Leistungsversorgung angeschlossen ist und das Rotorblatt (13) zur Veränderung von dessen Anstellwinkel betätigt, wobei das Blattsteuermodul (2) eine Steuereinrichtung umfasst, die in einem Normalbetrieb den Verstellmotor (20) kontrolliert betätigt, und in einem Notbetrieb der Verstellmotor (20) unabhängig von der Steuereinrichtung betätigbar ist, wobei der Verstellmotor (50) eine Nebenschlusswicklung (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Notbetrieb ein Not-Drehzahlverstellen des Verstellmotors (20) erfolgt, wobei im Notbetrieb ein Fluss durch die Nebenschlusswicklung (5) je nach einer gewünschten Drehzahländerung des Verstellmotors (20) erhöht oder gesenkt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 13 verwendet wird.