DE10320580A1

DE10320580A1 - Bremseinrichtung für eine Windenergieanlage mit einem die Windenergie in eine Drehbewegung umsetzenden Rotor und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Bremseinrichtung

Info

Publication number: DE10320580A1
Application number: DE10320580A
Authority: DE
Inventors: Joachim Neumann; Karlheinz Eigenbrod; Harald Behrens
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2003-05-07
Filing date: 2003-05-07
Publication date: 2004-11-25
Also published as: DE502004001856D1; ES2276293T3; ATE343502T1; DK1622800T3; EP1622800B1; WO2004098968A1; EP1622800A1

Abstract

Es wird eine Bremseinrichtung für eine Windenergieanlage beschrieben. Die Windenergieanlage weist einen Rotor auf, der Windenergie in eine Drehbewegung umsetzt. Der Rotor treibt einen elektrischen Generator an, dessen elektrische Energie in ein elektrisches Netz einspeisbar ist. Die Bremseinrichtung enthält eine hydraulisch betätigte Bremse für den Rotor, ein die Druckmittelzufuhr zu der Bremse steuerndes hydraulisches Ventil sowie eine Regeleinrichtung, die ein Steuersignal für das hydraulische Ventil erzeugt. Zur Verbesserung des Verhaltens der Windenergieanlage während des Bremsens ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, die einen Regelkreis für den Druck des der Bremse zugeführten Druckmittels aufweist. Dem Druck-Regelkreis ist das Ausgangssignal eines von dem Druck beaufschlagten Drucksensors zugeführt. Ein Druck-Regler bildet aus der Abweichung des Druck-Istwerts von einem Druck-Sollwert das Steuersignal für das hydraulische Ventil. Zusätzlich ist ein Verfahren zum Betrieb der Bremseinrichtung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung für eine Windenergieanlage mit einem die Windenergie in eine Drehbewegung umsetzenden Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und Verfahren zum Betrieb einer derartigen Windenergieanlage.
Eine derartige, insbesondere für Windenergieanlagen vorgesehene Bremseinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Bremseinrichtung ist aus der US-PS 6 254 197 B1 bekannt. Das Bremssystem besitzt eine von einem hydraulischen Zylinder entgegen der Kraft einer Feder betätigte Bremse. Sie ist als sogenannte passive Bremse ausgebildet, d. h. sie ist im Ruhezustand wirksam und wird erst bei Druckmittelzufuhr gelöst. Die Druckmittelzufuhr zu dem Zylinder ist durch ein Schaltventil gesteuert, das in Abhängigkeit von einem Steuersignal jeweils eine von zwei Schaltstellungen einnimmt. In der einen Schaltstellung verbindet das Schaltventil den Zylinder mit einem von einer hydraulischen Pumpe aufgeladenen Druckspeicher und verringert hierdurch die Bremskraft. In der anderen Schaltstellung leitet das Schaltventil Druckmittel aus dem Zylinder in einen Tank, verringert hierdurch den Druck in dem Zylinder und vergrößert somit die Bremskraft. Eine als Geschwindigkeitsregelung in Form einer Zwei-Punkt-Regelung ausgebildete Regeleinrichtung vergleicht in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten die Ist-Geschwindigkeit mit der Soll-Geschwin digkeit. Ist die Ist-Geschwindigkeit kleiner als die Soll-Geschwindigkeit, wird das Schaltventil in die Stellung geschaltet, in der der Bremse Druckmittel zugeführt wird, und dadurch die Bremskraft verringert. In entsprechender Weise wird, wenn die Ist-Geschwindigkeit größer als die Soll-Geschwindigkeit ist, das Schaltventil in die andere Stellung geschaltet, in der Druckmittel von der Bremse abgeführt wird. Hierdurch wird die Bremskraft vergrößert. Als Alternative zu der Ausbildung der Regeleinrichtung als Geschwindigkeitsregelung ist eine Ausbildung der Regeleinrichtung als Druckregelung beschrieben. Hierbei werden in aufeinanderfolgenden Zeitpunkten aus der Beschleunigung oder der Verzögerung der Maschine Soll-Druckwerte berechnet und das Schaltventil in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Druckabweichung derart von der einen in die andere Schaltstellung geschaltet, daß sich ein gewünschter Geschwindigkeitsverlauf ergibt. Nachteilig ist, daß die Verwendung von Schaltventilen zu Druckschwingungen im Bremssystem führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bremseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen und ein Verfahren zum Betrieb einer derartigen Einrichtung anzugeben, die das Verhalten der Windenergieanlage während des Bremsens des Rotors verbessern, insbesondere die mechanischen Belastungen des Getriebes während des Bremsens verringern.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Bremseinrichtung durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens zu ihrem Betrieb durch die Merkmale der Ansprüche 13 bzw. 16 gelöst. Die Erfindung erlaubt es, den Rotor so abzubremsen, daß während des Bremsens nur geringe mechanische Belastungen auf den im Wesentlichen aus Rotor, Getriebe und Generator gebildeten Antriebsstrang der Windenergieanlage ausgeübt werden. Zusätzlich zu dem Abbremsen des Rotors aus der Betriebsdrehzahl bis zum Stillstand gemäß den im Anspruch 13 angegebenen Verfahrensschritten erlauben die im Anspruch 16 angegebenen Verfahrensschritte, die Rotordrehzahl bei einem kurzzeitigen Ausfall des stützenden elektrischen Netzes zunächst konstant zu halten und in Fällen, in denen das Netz nicht innerhalb eines einstellbaren Zeitraums wiedergekehrt ist, den Rotor bis zum Stillstand abzubremsen. Die Erfindung ist besonders geeignet für den Einsatz bei „stall"-Windenergieanlagen, d. h. Windenergieanlagen ohne „pitch"-Verstellung der Rotorflügel.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind hinsichtlich der Bremseinrichtung in den Ansprüchen 2 bis 12 und hinsichtlich des Verfahrens zum Betrieb der Bremseinrichtung in den Ansprüchen 14 und 15 sowie 17 und 18 angegeben.
Die Erfindung wird im folgenden mit ihren weiteren Einzelheiten anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines mit einer passiven Bremse versehenen Anstriebsstrangs einer Windenergieanlage mit einer Bremseinrichtung gemäß der Erfindung,
2 eine aktive Bremse,
3 als Blockschaltbild dargestellte Einzelheiten der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung,
4 eine als Blockschaltbild dargestellte Einrichtung zur Bildung des Drehzahl-Sollwerts für die Bremseinrichtung,
5 eine als Blockschaltbild dargestellte Einrichtung zur Bildung des Sollwerts für den Öffnungsquerschnitt des hydraulischen Ventils,
6a den Drehzahlverlauf beim Bremsen bis zum Stillstand,
6b den Druckverlauf beim Bremsen bis zum Stillstand,
7 den Drehzahlverlauf bei Netzausfall mit Netzwiederkehr,
8 den Drehzahlverlauf bei Netzausfall ohne Netzwiederkehr und
9 eine hydraulische Sicherheitsschaltung für eine Notbremsung bei einer Störung der Bremseinrichtung.
Die 1 zeigt eine Windenergieanlage in schematischer Darstellung. Der die Windenergieanlage antreibende Wind ist durch Pfeile 10 dargestellt, seine Geschwindigkeit ist mit v_W bezeichnet. Ein Block 11 formt die Windenergie in elektrische Energie um. Der Block 11 umfaßt einen Rotor 12, ein mechanisches Getriebe 13 und einen elektrischen Generator 14, die zusammen den Antriebsstrang der Windenergieanlage bilden. Der Rotor 12 ist über eine erste Welle 15 mit dem Eingang des Getriebes 13 verbunden. Der Ausgang des Getriebes 13 ist über eine zweite Welle 16 mit dem Generator 14 verbunden. Der Generator 14 ist über hier nicht im Einzelnen dargestellte Übertragungseinrichtungen 18 mit einem elektrischen Wechselstromnetz 19 gekoppelt. Der Generator 14 liefert Strom in das Netz 19, wenn seine Drehzahl n größer als eine der Frequenz f_N des Wechselstromnetzes 19 entsprechende Drehzahl n_N ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Generator 14 so ausgelegt, daß eine Drehzahl von 1500 min^–1 einer Netzfrequenz f_N von 50 Hz entspricht. Das Getriebe 13 ist so ausgelegt, daß der Generator 14 sich im Normalbetrieb mit einer etwas höheren Drehzahl von ungefähr 1530 min^–1 dreht. Diese Drehzahl entspricht einem Schlupf in der Größenordnung von 2 % bezogen auf die der Netzfrequenz f_N entsprechende Drehzahl n_N des Generators 14. Ist der Generator 14 mit dem Netz 19 verbunden, stellt sich die Drehzahl n des Generators 14 im Normalbetrieb aufgrund der Rückwirkungen des Netzes 19 so ein, daß sie nur geringfügig um den oben als Beispiel angegebenen Wert von 1530 min^–1 schwankt. Die Drehzahlschwankungen im Normalbetrieb ergeben sich aus Änderungen der Windstärke. In den 6a, 7 und 8 sind die Drehzahlschwankungen qualitativ dargestellt. Das Getriebe 13 ist so ausgelegt, daß es die Drehzahl des Rotors 12 im Normalbetrieb auf die für den Betrieb des Generators 14 erforderliche Drehzahl erhöht. Der Block 11 umfaßt weiterhin eine hydraulisch betätigte Bremse 21 sowie einen Druckgeber 23 und einen Drehzahlgeber 24.
Die Bremse 21 ist als passive Bremse ausgebildet. Sie weist eine Bremsscheibe 26 sowie zwei gleich aufgebaute Bremszangen 27 und 28 auf, die die Bremsscheibe 26 von zwei Seiten umgreifen. Die Bremsscheibe 26 ist an der das Getriebe 13 mit dem Generator 14 verbindenden Welle 16 gehalten, deren Drehzahl in diesem Ausführungsbeispiel größer als die Drehzahl der Welle 15 ist. Die Bremszangen 27 und 28 sind ortsfest angeordnet und um 180° gegeneinander versetzt. Auch bei mehr als zwei Bremszangen ist es vorteilhaft, sie ebenfalls gleichmäßig über dem Umfang der Bremsscheibe 26 zu verteilen. Die Bremszange 27 weist zwei hydraulische Zylinder 30 und 31 mit Kolben 32 bzw. 33 auf. Die Kolben 32 und 33 sind über nicht bezeichnete Kolbenstangen mit Bremsklötzen 34 bzw. 35 verbunden. Federn 36 und 37 drücken die Bremsklötze 34 bzw. 35 gegen die Bremsscheibe 26. Ein hydraulisches Stetigventil 40 steuert in Abhängigkeit von einem Steuersignal x_s die Zu- bzw. Abfuhr von hydraulischem Druckmittel aus einem hydraulischen Drucknetz in die Kammern der Zylinder 30 und 31. Der Druck des Druckmittels, mit dem die Ringflächen der Kolben 32 und 33 beaufschlagt ist, ist mit p bezeichnet. Das hydraulische Drucknetz ist durch einen auf einen Druck p_sp aufgeladenen Speicher 41 dargestellt. Die Kraft, mit der der Bremsklotz 34 gegen die Scheibe 26 drückt, ist durch die Kraft der Feder 36 und durch die in entgegengesetzter Richtung wirkende Kraft, die sich aus dem Produkt der Ringfläche des Kolbens 32 und dem auf diese Fläche wirkenden Druck p des Druckmittels ergibt, bestimmt. Für die weitere Beschreibung wird anstelle der Kraft der Federn 36 und 37 ein dieser entsprechendes Druckäquivalent p_F eingeführt, dessen Größe der durch die Ringfläche der Kolben 32 bzw. 33 geteilten Federkraft entspricht. Die resultierende Bremskraft ist für p = 0 am größten. Für p > p_F überwiegt die von dem hydraulischen Druckmittel ausgeübte Kraft, die Bremse 21 ist völlig gelöst. Damit sich ein derartiger Druck einstellen kann, muß der Druck p_sp des Speichers 41 größer als p_F sein. Zwischenwerte der resultierenden Bremskraft erhält man, wenn der Druck p zwischen null und p_F liegt, wobei eine Verringerung des Drucks p eine Vergrößerung der Bremskraft bewirkt. Die Brems zange 28 ist in der gleichen Weise ausgebildet wie die Bremszange 27, auf eine gesonderte Beschreibung der Bremszange 28 wird daher verzichtet.
Der Druckgeber 23 formt den Druck p in ein Signal p_i um, das einer Regeleinrichtung 44 als Druck-Istwert zugeführt ist. Der Drehzahlgeber 24 formt die Drehzahl n in ein Signal n_i um, das der Regeleinrichtung 44 als Drehzahl-Istwert zugeführt ist. Der Regeleinrichtung 44 ist eine übergeordnete Maschinensteuerung 45 vorgeschaltet. Die Maschinensteuerung 45 entscheidet aufgrund von Signalen, die ihr über schematisch dargestellte Leitungen 47, 48 oder über einen Datenbus zugeführt sind, ob der Rotor 12 bis zum Stillstand abgebremst werden soll oder ob bei einem Ausfall des Netzes 19 die Drehzahl des Rotors 12 zunächst konstant gehalten werden soll. Soll ein Bremsvorgang eingeleitet werden, führt die Maschinensteuerung 45 der Regeleinrichtung 44 über eine Leitung 49 ein entsprechendes Signal zu. Soll die Drehzahl des Rotors 12 konstant gehalten werden, führt die Maschinensteuerung 45 der Regeleinrichtung 44 über die Leitung 50 ein entsprechendes Signal zu.
Die 2 zeigt eine aktive Bremse 52. Sie weist grundsätzlich den gleichen Aufbau auf, wie die in der 1 dargestellte passive Bremse 21. Im Gegensatz zu der passiven Bremse 21 sind die auf den Kolben wirkenden Federn so angeordnet, daß sie die Bremse lösen, wenn der Kolben des Zylinders nicht mit Druck beaufschlagt ist. Bei einem Druck von p < p_F überwiegt die Federkraft und die Bremsklötze sind von der Bremsscheibe 26 abgehoben. Bei p = p_F heben sich die auf den Kolben wirkenden Kräfte auf. Bei einem weiteren Anstieg des Drucks p steigt die Bremskraft in entsprechender Weise an.
In den 1 und 2 werden die Bremszangen 27 und 28 der Bremse 21 sowie die Bremszangen der Bremse 52 gleichzeitig mit demselben Druck p beaufschlagt. Abweichend hiervon ist es aber auch möglich, die Bremszangen der Bremsen 21 bzw. 52 alternierend mit Druck zu beaufschlagen, so daß die Bremsklötze der Bremszangen nur zeitweilig an der Bremsscheibe anliegen.
Die 3 zeigt weitere Einzelheiten der in der 1 schematisch dargestellten Windenergieanlage. Auf den schon anhand der 1 beschriebenen Block 11 wirkt wieder der durch die Pfeile 10 dargestellte Wind ein. Das hydraulische Stetigventil 40 beaufschlagt den Block 11 mit Druckmittel, dessen Druck p durch das Steuersignal x_s bestimmt ist. Ausgangssignale des Blocks 11 sind der Drehzahl-Istwert n_i und der Druck-Istwert p_i. Diese Signale sind der Regeleinrichtung 44 – wie schon in der 1 dargestellt – als Eingangssignale zugeführt. Wie bereits beschrieben, dienen die Leitungen 49 und 50 dazu, der Regeleinrichtung 44 ein Steuersignal für die Einleitung eines Bremsvorgangs bzw. ein Steuersignal für das Konstanthalten der Drehzahl des Rotors 12 zuzuführen. Das Ventil 40 ist als elektrisch angesteuertes Proportionalventil mit Positionsrückführung ausgebildet. Ein Weggeber 55 formt die mit x bezeichnete Position des mit dem Bezugszeichen 56 versehenen Kolbens des Ventils 40 in einen Positions-Istwert x_i um. Ein Rechenglied 58 bildet aus dem als Positions-Sollwert dienenden Steuersignal x_s und dem Positions-Istwert x_i eine Positions-Regeldifferenz x_dx, die einem Positions-Regler 59 als Eingangsgröße zugeführt ist. Der Positions-Regler 59 bildet aus der Positions-Regeldifferenz x_dx eine Stellgröße y_x. Eine Schaltungsanordnung 60 formt die Stellgröße y_x in für die Ansteuerung der mit den Bezugszeichen 62a und 62b versehenen Magnetspulen geeignete Steuersignale um. Der hier beschriebene Positions-Regelkreis führt die Position x des Kolbens 56 dem Steuersignal x_s nach.
Die Regeleinrichtung 44 weist einen Druck-Regler 65 und einen Drehzahl-Regler 66 auf. Der Druck-Regler 65 ist Bestandteil eines Druck-Regelkreises mit dem Druck-Istwert p_i, dem Druck-Sollwert p_s und der Druck-Stellgröße y_p. Dem Eingang des Druck-Reglers 65 ist die aus dem Druck-Istwert p_i und dem Druck-Sollwert p_s gebildete Druck-Regeldifferenz x_dp zugeführt. Ein erster Sollwertbildner 68 liefert den Druck-Sollwert p_s. Dem Sollwertbildner 68 sind der Druck-Istwert p_i, das mit y_n bezeichnete Ausgangssignal des Drehzahl-Reglers 66 und über schematisch dargestellte Leitungen 69 Ausgangssignale einer Steuerschaltung 70 zugeführt. Einzelheiten des Sollwertbildners 68 sind weiter unten anhand der 5 beschrieben. Der Drehzahl-Regler 66 ist Bestandteil eines Drehzahl-Regelkreises mit dem Drehzahl-Istwert n_i, dem Drehzahl-Sollwert n_s und der Drehzahl-Stellgröße y_n. Dem Eingang des Drehzahl-Reglers 66 ist die aus dem Drehzahl-Istwert n_i und dem Drehzahl-Sollwert n_s gebildete Drehzahl-Regeldifferenz x_dn zugeführt. Ein zweiter Sollwertbildner 72 liefert den Drehzahl-Sollwert n_s. Dem Sollwertbildner 72 sind der Drehzahl-Istwert n_i und über die schematisch dargestellten Leitungen 69 Ausgangssignale der Steuerschaltung 70 zugeführt.
Einzelheiten des Sollwertbildners 72 sind weiter unten anhand der 4 beschrieben.
Die Steuerschaltung 70 verarbeitet die über die Leitungen 49 (für „Abbremsen bis zum Stillstand") und 50 (für „Drehzahl konstant halten") zugeführten Signale zu Steuersignalen, die über die Leitungen 69 den Sollwertbildnern 68 und 72 sowie zwei gegenläufig betätigten Schaltern 74a und 74b zugeführt sind. Dem Ventil 40 ist über einen der von der Steuerschaltung 70 betätigten Schalter 74a und 74b entweder ein konstantes Signal x_sNb (74a geschlossen, 74b geöffnet) oder das Ausgangssignal y_p des Druck-Reglers 65 (74a geöffnet, 74b geschlossen) zugeführt.
Die 4 zeigt Einzelheiten einer Ausgestaltung des den Drehzahl-Sollwert n_s bildenden Sollwertbildners 72 in einer seine Funktion verdeutlichenden prinzipiellen Darstellung. Der Sollwertbildner 72 besitzt vier Schalter 76 bis 79, einen Speicher 81 und einen Rampenbildner 82. Die Schalter 76 bis 79 sind durch Steuersignale der Steuerschaltung 70, die den durch Pfeile dargestellten Steuereingängen der Schalter über die Leitungen 69 zugeführt sind, gesteuert.
Die 5 zeigt Einzelheiten einer Ausgestaltung des den Druck-Sollwert p_s bildenden Sollwertbildners 68 in einer seine Funktion verdeutlichenden prinzipiellen Darstellung. Der Sollwertbildner 68 besitzt sechs Schalter 84 bis 89, einen Speicher 92 sowie zwei Rampenbildner 94 und 95. Die Schalter 84 bis 89 sind durch Steuersignale der Steuerschaltung 70, die den durch Pfeile dargestellten Steuerein gängen der Schalter über die Leitungen 69 zugeführt sind, gesteuert.
Im Normalbetrieb der Windenergieanlage befinden sich die Schalter 74a und 74b in der in der 3 dargestellten Stellung, dem Ventil 40 ist das Signal x_sNb zugeführt. Dieses Signal ist so groß gewählt, daß der Positions-Regler 59 den Kolben 56 in eine Lage fährt, in der der Bremse 21 der Druck psp des Speichers 41 zugeführt ist. Bei einer derartigen Ansteuerung des Ventils 40 stellt sich der Druck p auf den Druck p_sp des Speichers 41 ein, der – wie bereits ausgeführt – größer als der Druck p_F ist. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, daß die Bremse 21 im Normalbetrieb vollständig gelöst ist. In diesem Betriebszustand ist der Druck-Regelkreis nicht geschlossen. Es erfolgt stattdessen eine Steuerung der Position x des Kolbens 56 des Ventils 40 durch das Signal x_sNb.
Außerdem ist im Normalbetrieb der Windenergieanlage der Schalter 76 des Sollwertbildners 72 geschlossen und die Schalter 77 bis 79 sind geöffnet. Das bedeutet, daß dem Speicher 81 jeweils der aktuelle Drehzahl-Istwert n_i zugeführt ist. Soll bei einem Ausfall des Netzes 19 die Drehzahl n konstant gehalten werden, öffnet die Steuerschaltung 70 den Schalter 76 und schließt den Schalter 78. Damit dient der letzte Drehzahl-Istwert vor dem Ausfall des Netzes 19 als Drehzahl-Sollwert n_s für den Drehzahl-Regelkreis. Der Sollwertbildner 68 führt bei geschlossenen Schaltern 84 und 85 sowie geöffneten Schaltern 87 bis 89 dem Druck-Regelkreis das von dem Drehzahl-Regler 66 gebildete Stellsignal y_n als Druck-Sollwert p_s zu. Der Schalter 74b ist geschlossen und der Schalter 74a ist geöffnet. In dieser Schalterstellung ist das Stellsignal y_p des Druck-Reglers 65 dem Ventil 40 als Positions-Sollwert x_s zugeführt. Für die Drehzahl-Regelung während eines Ausfall des Netzes 19 sind der Drehzahl-Regelkreis, der diesem unterlagerte Druck-Regelkreis und der dem Druck-Regelkreis unterlagerte Positions-Regelkreis geschlossen. Durch Öffnen des Schalters 84 des Sollwertbildners 68 wird die Regeleinrichtung 44 von Drehzahl-Regelung auf Druck-Regelung umgeschaltet. Bei einer reinen Druck-Regelung ist der Druck-Sollwert p_s unabhängig von dem Ausgangssignal y_n des Drehzahl-Reglers 66.
Die 6a und 6b zeigen den zeitlichen Verlauf der Drehzahl n bzw. des Drucks p beim kontrollierten Abbremsen des Rotors 12 aus einer Betriebsdrehzahl n_G bis zum Stillstand. Bis zum Zeitpunkt t₁₀ befindet sich die Windenergieanlage im Normalbetrieb und die Drehzahl n schwankt geringfügig um einen Wert n_G, der – wie oben ausgeführt – etwas größer als die der Netzfrequenz f_N entsprechende Drehzahl n_N ist. Der Druck p hat sich – wie ebenfalls oben ausgeführt – auf den Druck p_sp des Speichers 41 eingestellt, d. h. die Bremse 21 ist gelöst. Für die folgenden Erläuterungen wird davon ausgegangen, daß die Maschinensteuerung 45 im Zeitpunkt t₁₀ der Regeleinrichtung 44 über die Leitung 49 ein Signal für die Einleitung eines Bremsvorgangs zuführt. Die Steuerschaltung 70 führt den Sollwertbildnern 68 und 72 sowie den Schaltern 74a und 74b Steuersignale zu, die die Regeleinrichtung 44 bis zum Zeitpunkt t₁₁ auf Drehzahl-Regelung schalten. Die Steuerschaltung 70 öffnet im Zeitpunkt t₁₀ den Schalter 76 und schließt die Schalter 77 und 79. Der Schalter 78 bleibt geöffnet. Der Rampenbildner 82 liefert ein Ausgangssignal, das im Zeitpunkt t₁₀ mit dem in dem Speicher 81 enthaltenen Drehzahl-Istwert n_t10 beginnt und nach einer Rampenfunktion bis auf einen unteren Wert n_min abfällt. Die Drehzahl n_min ist so gewählt, daß sie in der Größenordnung von 10% von n_N liegt. Der Zeitpunkt, in dem das Ausgangssignal des Rampenbildners 82 n_min erreicht hat, ist mit t₁₁ bezeichnet. In dem Zeitraum von t₁₀ bis t₁₁ ist das Ausgangssignal des Sollwertbildners 72 dem Drehzahl-Regelkreis als Drehzahl-Sollwert n_s zugeführt. Mit dem Schließen des Druck-Regelkreises im Zeitpunkt t₁₀ ändert sich der Druck p von dem Wert psp auf einen Wert p_Lö, der geringfügig über dem Wert von p_F liegt. Der Wert p_Lö ist so gewählt, daß die Bremse 21 sicher gelöst ist. Während der Drehzahl-Regelung sinkt der Druck p von p_Lö bis auf einen mit p_t11 bezeichneten Wert, der im Zeitpunkt t₁₁ herrscht. Dieser Druckverlauf ist in der 6b zwischen den Zeitpunkten t₁₀ und t₁₁ qualitativ dargestellt. Im Zeitpunkt t₁₁ schaltet die Steuerschaltung 70 den Sollwertbildner 68 der Regeleinrichtung 44 von Drehzahl-Regelung auf Druck-Regelung um. Hierzu öffnet die Steuerschaltung 70 die Schalter 84 und 85, der Schalter 74b bleibt geschlossen. Die Schalter 86 und 87 sind geöffnet. In dem Speicher 92 ist jetzt der Wert p_t11 des Drucks gespeichert, der sich im Zeitpunkt t₁₁ eingestellt hat. Die Steuerschaltung 70 schließt die Schalter 88 und 89. Wie in der 6b dargestellt ist, steigt das Ausgangssignal des Rampenbildners 95 von p_t11 auf p_Lö an. Der Zeitpunkt, zu dem das Ausgangssignal des Rampenbildners 95 den Wert p_Lö erreicht, ist mit t₁₂ bezeichnet. In dem Zeitraum zwischen t₁₁ und t₁₂ ist der Drehzahl-Regelkreis geöffnet. Obwohl sich die Bremskraft aufgrund des Druckanstiegs zwischen den Zeitpunkten t₁₁ bis t₁₂ verringert, bleibt die Drehzahl n in diesem Zeitraum praktisch gleich n_min. Während des bis jetzt beschriebenen Teil des Bremsvorgangs hat sich das zwischen dem Rotor 12 und der Bremse 21 angeordnete Getriebe 13 mechanisch verspannt. Bis zum Zeitpunkt t₁₃ regelt der Druck-Regler 65 den Druck p so, daß er weiterhin gleich p_Lö ist. Das bedeutet, daß die Bremse 21 zwischen den Zeitpunkten t₁₂ und t₁₃ ganz gelöst ist. Während dieser Zeit entspannt sich der aus dem Rotor 12, der Welle 15, dem Getriebe 13, der Welle 16, der Bremsscheibe 26 und dem Generator 14 gebildete Antriebsstrang. Die Dauer des Freilauf-Zeitraums zwischen t₁₂ und t₁₃ ist so gewählt, daß sich das Getriebe 13 auch unter ungünstigen Bedingungen entspannt hat. Wie entsprechende Messungen gezeigt haben, behält die Drehzahl n auch in diesem Zeitraum praktisch den Wert nmin bei. Im Zeitpunkt t₁₃ öffnet die Steuerschaltung 70 den Schalter 89 und schließt die Schalter 86 und 87. Das Ausgangssignal des Rampenbildners 94 sinkt jetzt nach einer Rampenfunktion von p_Lö bis auf Null ab. Dieses Signal ist dem Druck-Regler 65 in dem Zeitraum zwischen t₁₃ und t₁₅ als Druck-Sollwert p_s zugeführt. Wie die 6a zeigt, bleibt die Drehzahl n zunächst konstant, sinkt dann aber immer stärker ab, bis der Rotor 12 bereits im Zeitpunkt t₁₄ zum Stillstand gekommen ist. Die Druckregelung verringert den Druck-Sollwert p_s noch so lange, bis er im Zeitpunkt t₁₅ ebenfalls zu Null geworden ist. Damit ist der Bremsvorgang abgeschlossen. Der Bremsvorgang erfolgt in einem ersten Abschnitt, der sich von t₁₀ bis t₁₁ erstreckt, drehzahlgeregelt nach einer ersten Rampe von n_t10 bis n_min. Der weitere Bremsvorgang erfolgt in drei weiteren Abschnitten druckgeregelt, wobei der Drucksollwert p_s in dem zweiten Abschnitt (t₁₁ bis t₁₂) nach einer zweiten Rampe von p_t11 auf p_Lö ansteigt, während des dritten Abschnitts (t₁₂ bis t₁₃) konstant auf dem Wert pLö gehalten ist und während des vierten Abschnitts (t₁₃ bis t₁₅) nach einer dritten Rampe von p_Lö bis auf Null abfällt. Die Dauer des Bremsvorgangs bis zum Stillstand des Rotors 12 lag bei einer ausgeführten Bremseinrichtung nach der Erfindung in der Größenordnung von 12 Sekunden. Hiervon entfielen sechs Sekunden auf den Zeitraum von t₁₀ bis t₁₁, eine Sekunde auf den Zeitraum von t₁₁ bis t₁₂, zwei Sekunden auf den Zeitraum von t₁₂ bis t₁₃ und vier Sekunden auf den Zeitraum von t₁₃ bis t₁₄. Alternativ hierzu ist es auch möglich, den Rotor 12 ab dem Zeitpunkt t₁₃ drehzahlgeregelt von der Drehzahl n_min bis zum Stillstand nach einer Drehzahlrampe herunterzufahren. Hierfür ist es jedoch erforderlich, einen Drehzahlsensor zu verwenden, der auch kleine Drehzahlen ausreichend genau erfaßt.
Die 7 zeigt den zeitlichen Verlauf der Drehzahl n bei einem kurzzeitigen Netzausfall, d. h. bei einem Netzausfall mit Netzwiederkehr innerhalb eines von dem Betreiber des aufnehmenden Netzes vorgegebenen Zeitraums, der im Folgenden mit Δt bezeichnet ist. Dieser Zeitraum ist in der 7 durch den Abstand zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₂ dargestellt. Bis zum Zeitpunkt t₀ befindet sich die Windenergieanlage im Normalbetrieb. Im Zeitpunkt t₀ fällt das Netz 19 aus und die Maschinensteuerung 45 führt der Regeleinrichtung 44 über die Leitung 50 ein Signal für die Einleitung der Regelung der Drehzahl auf einen konstanten Wert zu. Die Steuerschaltung 70 führt den Sollwertbildnern 68 und 72 sowie den Schaltern 74a und 74b Steuersignale zu, die die Regeleinrichtung 44 auf Drehzahl-Regelung schalten. Da die Drehzahl auf dem Wert n_t10. der sich im Umschaltzeitpunkt eingestellt hatte, konstant gehalten werden soll, öffnet die Steuerschaltung 70 im Zeitpunkt t₁₀ den Schalter 76 und schließt den Schalter 78. Damit ist dem Drehzahl-Regler 66 der Wert n_t10 als Drehzahl-Sollwert n_s zugeführt. Außerdem schließt die Steuerschaltung 70 den Schalter 84 und öffnet die Schalter 87 sowie 89. Damit ist dem Druck-Regler 65 das Ausgangssignal y_n als Druck-Sollwert p_s zugeführt. Dies bedeutet, daß sowohl der Drehzahl-Regelkreis als auch der diesem unterlagerte Druck-Regelkreis mit dem dem Druck-Regelkreis unterlagerten Positions-Regelkreis geschlossen sind. Es wird weiterhin davon ausgegangen, daß das Netz 19 im Zeitpunkt t₁, also vor Ablauf des von dem Betreiber des aufnehmenden Netzes vorgegebenen Zeitraums Δt wiederkehrt. Mit der Wiederkehr des Netzes 19 führt die Maschinensteuerung 45 der Regeleinrichtung 44 über die Leitung 50 ein entsprechendes Signal zu. Daraufhin öffnet die Steuerschaltung 70 den Schalter 74b und schließt den Schalter 74a. Außerdem schaltet sie die Schalter der Sollwertbildner 68 und 72 in die Stellung für Normalbetrieb.
Die 8 zeigt den zeitlichen Verlauf der Drehzahl n bei einem länger andauernden Netzausfall, d. h. bei einem Netzausfall, bei dem das Netz nach Ablauf des Zeitraums Δt noch nicht wiedergekehrt ist. Wie im Zusammenhang mit der 7 beschrieben, befindet sich die Windenergieanlage bis zum Zeitpunkt t₀ im Normalbetrieb. Im Zeitpunkt t₀ fällt das Netz 19 aus und die Maschinensteuerung 45 führt der Regeleinrichtung 44 über die Leitung 50 ein Signal für die Einleitung der Regelung der Drehzahl auf einen konstanten Wert zu. Wie im Zusammenhang mit der 7 beschrieben, hält die Regeleinrichtung 44 die Drehzahl n bis zum Zeitpunkt t₂ konstant. Da im Zeitpunkt t₂ das Netz 19 noch nicht wiedergekehrt ist, führt die Maschinensteuerung 45 der Regeleinrichtung 44 über die Leitung 49 ein Signal für die Einleitung des Bremsvorgangs zu. Der Bremsvorgang läuft wie anhand der 6a und 6b beschrieben ab, wobei der Zeitpunkt t₂ gleich dem Zeitpunkt t₁₀ des Bremsvorgangs ist.
Die Regeleinrichtung 44 ist in vorteilhafter Weise als digitale Reglerbaugruppe ausgebildet, wie sie z. B. von der Bosch Rexroth AG unter Bezeichnung „HNC 100" hergestellt wird. Einzelheiten einer derartigen Baugruppe sind in der Druckschrift „RD 30 131-P/03/01" der Bosch Rexroth AG beschrieben.
Die 9 zeigt eine zusätzlich zu der oben beschriebenen elektrisch gesteuerten Bremseinrichtung vorgesehene hydraulische Sicherheitsschaltung für eine Notbremsung im Fall einer Störung der elektrisch gesteuerten Bremseinrichtung. In der 9 sind eine passive Bremse 21' und das Ventil 40 dargestellt. Die Bremse 21' unterscheidet sich von der in der 1 dargestellten Bremse 21 dadurch, daß die Bremszangen 27 und 28 über je ein Schaltventil 101 bzw. 102 mit dem Ausgang des die Druckmittelzufuhr zu der Bremse 21' steuernden Ventils 40 verbunden sind, wenn sich die Schaltventile 101 und 102 in ihrer Arbeitsstellung befinden. In ihrer Ruhestellung verbinden die Schaltventile 101 und 102 die Bremszangen 27 bzw. 28 mit einem Tank. Zwischen dem Schaltventil 101 und dem Tank 104 sind eine Ablaufdruckwaage 106, im Folgenden kurz als Druckwaage bezeichnet, mit einer Feder 107 und eine Meßblende 108 angeordnet. Die Druckwaage 106 ist im Ruhezustand durch die Kraft der Feder 107 geöffnet. Die Druckwaage 106 steuert die über die Meßblende 108 fließende Druckmittelmenge so, daß sich ein konstanter Druckabfall über der Meßblende 108 einstellt, dessen Größe durch das Druckäquivalent der Feder 107 bestimmt ist. Hierdurch ist sichergestellt, daß in der Ruhestellung des Schaltventils 101 ein konstanter Druckmittelstrom aus den Zylindern 30 und 31 fließt, der unabhängig von der Viskosität des Druckmittels ist. Das bedeutet, daß sich bei einer von einem störungsbedingten Umschalten des Schaltventils 101 von der Arbeitsstellung in die Ruhestellung ausgelösten Notbremsung die Kolben 32 und 33 praktisch unabhängig von der Viskosität des Druckmittels mit einer vorgebbaren Geschwindigkeit auf die Bremsscheibe 26 zubewegen. Damit wird verhindert, daß die Bremsklötze 34 und 35 bei einer Notbremsung in Abhängigkeit von der jeweiligen Viskosität unterschiedlich hart auf der Bremsscheibe 26 auftreffen. Zwischen dem Schaltventil 102 und dem Tank 104 sind eine weitere Ablaufdruckwaage 112, im Folgenden ebenfalls kurz als Druckwaage bezeichnet, mit einer Feder 113 und eine weitere Meßblende 114 angeordnet, die in der gleichen Weise arbeiten wie die Druckwaage 106 und die Meßblende 108.
Der Notbremsvorgang ist somit unabhängig von der Viskosität des Druckmittels, mit dem die Zylinder der Bremse 21' beaufschlagt sind. Da Windenergieanlagen großen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, die die Viskosität des Druckmittels in starkem Maße beeinflussen, ist ein von der Viskosität des Druckmittels unabhängiger Notbremsvorgang bei einer derartigen Anlage von wesentlicher Bedeutung.
Die Schaltventile 101 und 102 erleichtern außerdem ein Auswechseln der Bremsklötze 34, 35. Hierzu wird jeweils das Schaltventil einer Bremszange in die Ruhestellung geschaltet und die andere Bremszange derart mit Druck beaufschlagt, daß die Bremsklötze von der Bremsscheibe 26 abheben. Damit wirkt die druckentlastete Bremszange als Feststellbremse, die während des Wechseln der Bremsklötze der jeweils anderen Bremszange eine Drehbewegung des Antriebsstrangs verhindert.

Claims

Bremseinrichtung für eine Windenergieanlage mit einem die Windenergie in eine Drehbewegung umsetzenden Rotor, der über ein Getriebe einen elektrischen Generator antreibt, dessen erzeugte elektrische Energie in ein elektrisches Netz einspeisbar ist, – mit einer hydraulisch betätigten Bremse für den Rotor, – mit einem die Druckmittelzufuhr zu der Bremse steuernden hydraulischen Ventil und – mit einer Regeleinrichtung, die ein Steuersignal für das hydraulische Ventil erzeugt, dadurch gekennzeichnet, – daß die Regeleinrichtung (44) einen Regelkreis für den Druck (p) des der Bremse (21) zugeführten Druckmittels aufweist, – daß dem Druck-Regelkreis das Ausgangssignal eines von dem Druck (p) beaufschlagten Drucksensors (23) als Druck-Istwert (p_i) zugeführt ist und – daß ein Druck-Regler (65) aus der Abweichung (x_dp) des Druck-Istwerts (p_i) von einem Druck-Sollwert (p_s) das Steuersignal (y_p) für das hydraulische Ventil (40) bildet.
Bremseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die Druckmittelzufuhr zu der Bremse (21) steuernde hydraulische Ventil (40) ein hydraulisches Stetigventil ist.
Bremseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das hydraulische Ventil (40) ein Proportionalventil ist.
Bremseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Proportionalventil mit einer Positionsrückführung (55) versehen ist und daß die Positionsrückführung (55) Bestandteil eines dem Druck-Regelkreis unterlagerten Positions-Regelkreises ist.
Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse (21) zwischen dem Getriebe (13) und dem Generator (14) angeordnet ist.
Bremseinrichtung nach nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse (21; 21'; 52) eine Bremszange (27, 28) aufweist, die von zwei Seiten an einer Bremsscheibe (26) angreift.
Bremseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, auf dem Umfang der Bremsscheibe (26) verteilte Bremszangen (27, 28) an der Bremsscheibe (26) angreifen.
Bremseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremszangen (27, 28) alternierend an der Bremsscheibe (26) angreifen.
Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse als passive Bremse (21; 21') ausgebildet ist.
Bremseinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremse als aktive Bremse (52) ausgebildet ist.
Bremseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem die Druckmittelzufuhr zu der Bremse (21') steuernden Ventil (40) und jeder Bremszange (27, 28) ein Schaltventil (101 bzw. 102) angeordnet ist, das in seiner Arbeitsstellung die Zylinder (30, 31) einer Bremszange (27) mit dem die Druckmittelmenge steuernden Ventil (40) verbindet und das in seiner Ruhestellung die Zylinder (30, 31) der Bremszangen (27, 28) mit einem Tank (104) verbindet, und daß zwischen jedem Schaltventil (101, 102) und dem Tank (104) eine Druckwaage (106 bzw. 112) angeordnet ist, die zusammen mit einer Meßblende (108 bzw. 114) die in der Ruhestellung der Schaltventile (101, 102) zum Tank (104) abfließende Druckmittelmenge konstant hält.
Bremseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (44) zwischen Drehzahlregelung und Druckregelung umschaltbar ist, wobei bei Drehzahlregelung das Ausgangssignal (y_n) des Drehzahl-Reglers (66) dem Druck-Regler (65) als Druck-Sollwert (p_s) zugeführt ist und bei Druckregelung der Druck-Sollwert (p_s) unabhängig von dem Ausgangssignal (y_n) des Drehzahl-Reglers (66) ist.
Verfahren zum Betrieb einer Bremseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, – daß zum kontrollierten Abbremsen des Rotors (12) aus einer Betriebsdrehzahl die Regeleinrichtung (44) zunächst als Drehzahlregelung betrieben wird, wobei der Drehzahl-Sollwert (n_s) ausgehend von dem Drehzahl-Istwert (n_t10) zu Beginn (t₁₀) des Bremsvorgangs nach einer ersten Rampenfunktion bis auf einen vorgebbaren Mindestwert (n_min) verringert wird, – daß die Regeleinrichtung (44) beim Erreichen des Mindestwerts (n_min) von Drehzahlregelung auf Druckregelung umgeschaltet wird, wobei der Druck-Sollwert (p_s) ausgehend von dem Druck-Istwert (p_t11) im Umschaltzeitpunkt (t₁₁) nach einer zweiten Rampenfunktion auf einen Wert (p_Lö) verändert wird, der einem völligen Lösen der Bremse (21) entspricht, – daß die Regeleinrichtung (44) den dem völligen Lösen der Bremse (21) entsprechenden Wert (p_Lö) während eines Freilauf-Zeitraums (t₁₂ bis t₁₃) aufrechterhält, dessen Länge so bemessen ist, daß sich der im wesentlichen aus Generator (14), Bremsscheibe (26) , Getriebe (13) und Rotor (12) gebildete Antriebsstrang entspannt hat, und – daß der Rotor (12) daran anschließend bis zum Stillstand abgebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) nach dem Ablauf des Freilauf-Zeitraums (t₁₂ bis t₁₃) ausgehend von der zu diesem Zeitpunkt (t₁₃) erreichten Drehzahl drehzahlgeregelt nach einer dritten Rampenfunktion bis zum Stillstand abgebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) nach dem Ablauf des Freilauf-Zeitraums (t₁₂ bis t₁₃) nach einer vierten Rampenfunktion druckgeregelt bis zum Stillstand abgebremst wird.
Verfahren zum Betrieb einer Bremseinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, – daß bei einer kurzzeitigen Störung des elektrischen Netzes (19) die Regeleinrichtung (44) als Drehzahlregelung betrieben wird, wobei dem Drehzahl-Regler (66) der Drehzahl-Istwert (n_t0) zu Beginn (t₀) der Störung als Drehzahl-Sollwert (n_s) zugeführt wird, – daß bei einer Beendigung der Störung innerhalb eines vorgebbaren Zeitraums (Δt) der Druck-Regelkreis des hydraulischen Ventils (40) geöffnet wird und das hydraulische Ventil (40) mit einem konstanten Signal (x_sNb) beaufschlagt wird, das zu einem völligen Lösen der Bremse (21) führt, und – daß der Rotor (12), wenn die Störung innerhalb des vorgebbaren Zeitraums (Δt) noch nicht beendet ist, von der Regeleinrichtung (44) kontrolliert bis zum Stillstand abgebremst wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das kontrollierte Abbremsen entsprechend einem der Ansprüche 12 bis 14 erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß im Normalbetrieb der Druck-Regelkreis geöffnet wird und das hydraulische Ventil (40) mit einem konstanten Signal (x_sNb) beaufschlagt wird, das zu einem völligen Lösen der Bremse (21) führt.