DE19720025A1 - Antrieb zur Winkelverstellung von Rotorblättern in Windkraftanlagen - Google Patents

Description

Antrieb zur Winkelverstellung von Rotorblättern in Wind­ kraftanlagen.

Zur Leistungsregelung von Windkraftanlagen werden vermehrt Rotorblätter mit einstellbarem Blattwinkel eingesetzt. Durch die variable Winkel-Einstellung der Rotorblätter wird der Wirkungsgrad der Gesamtanlage verbessert. Werden bei einer drehenden Windkraftanlage ein oder mehre­ re Rotorblätter (1) gemäß Fig. 1 in die Nulllage (auch Fahnenposition genannt) zurückgestellt, so erzeugen diese Rotorblätter ein Bremsmoment und verhindern, daß der Rotor (11) zusammen mit dem Generator (14) beschleunigt wird. Besitzen die Stellantriebe (13) keine Sicherheits-Rück­ fallebene, die bei einer Systemstörung eine Rückstellung der Rotorblätter in Bremsposition ermöglicht, dann muß ei­ ne zusätzliche mechanische Sicherheitsbremse (12) zur Stillsetzung des Rotors (11) installiert werden.

Um die Installation einer zusätzlichen Sicherheitsbremse zu vermeiden, wird bei bekannten elektromotorischen Rotor­ blatt-Stellantrieben (13) den Antrieben jedes Blattes je­ weils eine unabhängige unterbrechungsfreie Stromversorgung zugeordnet, um bei Netzausfall die Stellantriebe weiter mit elektrischer Energie zu versorgen. Dadurch wird er­ reicht, daß der elektrische Teil der Antriebe funktionsfä­ hig bleibt und die Rotorblätter bei einer Gefahren­ situation in Bremslage zurückgestellt werden können. Als Unsicherheit bleibt dabei eine Störung innerhalb des elek­ trischen Antriebssystems, zum Beispiel durch Blitzein­ schlag, trotz eines vorhandenen Blitzschutzes und zum Bei­ spiel des dadurch verursachten Versagens elektronischer Bauelemente oder der Elektromotoren. Weiterhin besteht ein erheblicher Aufwand für Überwachung und Austausch der USV- Batterien zur Energiespeicherung für den Notbetrieb.

Andere Verfahren verwenden direkt am Rotorblatt angebrach­ te Federn, die immer versuchen, das Rotorblatt in die Nulllage zurückzustellen. Nachteilig ist hierbei, daß die Stellantriebe immer gegen die Federkraft arbeiten müssen, daß die Federn durch dauernden Belastungswechsel einer Ermüdung unterliegen und nur mit großem Aufwand ersetzt werden können und diese Federn zudem in der Herstellung sehr teuer sind.

Der im Patentanspruch 1-3 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Funktionssicherheit eines Antriebes (13) für die Rückstellbewegung der Rotorblätter mittels mechanisch wirkender Komponenten zu gewährleisten.

Dieses Problem wird zum Beispiel dadurch gelöst, daß die erfindungsgemäße Anordnung einer Stelleinheit gemäß Fig. 2 im Störungsfall eine Rückstellung des Rotorblattes in eine Bremsposition, durch in der Stelleinheit gespeicherte Federenergie, erfolgen läßt.

Durch Einwirkung des gespeicherten Feder-Drehmomentes über ein Untersetzungsgetriebe (6), das für die Drehmomentver­ stärkung des Rotorblatt-Stellmotors (3) bereits benötigt wird, kann die erforderliche Rückstell-Energie aus einem Federsystem, das eine Vielzahl von Umdrehungen ausführt, bereitgestellt werden.

Die Speicherung und Bereitstellung der Federkraft erfolgt dadurch, daß die Anordnung der in Fig. 2 angegebenen Kom­ ponenten folgenden Funktionsablauf ausführt: Ersatzweise wird das System für einen Rotorblattantrieb beschrieben. Bei Ausführung mit mehreren Rotorblättern summiert sich die Anordnung in identischer Weise. Eine handelsübliche Dauermagnet-Kupplung (32) stellt im stromlosen Zustand einen Kraftschluß zwischen Antriebswel­ le (31) des Stellmotors (3) mit der Antriebswelle (51) des Federspeichers (5) her, indem der Dauermagnet (323) eine Anpreßkraft der Reibscheibe (321) an das Zahnrad (322) erzeugt.

Die zwischen Kupplung (32) und Federspeicher (5) angeord­ nete handelsübliche arbeitsstrom-betätigte Bremse (4) bleibt ebenfalls stromlos und somit ohne Bremswirkung.

Führt der Stellmotor (3) nun eine Drehbewegung in Arbeits­ richtung des Rotorblattes durch, wird durch Drehung der Welle im Federspeicher die Feder (52) solange durch Drehen gespannt, bis sie blockiert. Nach Erkennung der maximalen Aufwicklung der Feder durch Sensoren oder durch Anstieg des Momentenbedarfs des Stellmotors wird die Bremse (4) bestromt und somit die Welle (51) blockiert und die Feder (52) im ge­ spannten Zustand festgehalten, d. h. die Energie ist gespei­ chert. Eine indirekte Überwachung der Federspannung läßt sich zum Beispiel mittels Abtastung des Feder-Wickeldurch­ messers gewährleisten.

Damit der Stellmotor (3) zu seiner ihm zugedachten Aufgabe kommen kann, nämlich der kontinuierlichen Verstellung der Rotorblätter, wird nun die Spule (324) der Kupplung bestromt und dadurch die Wirkung des Dauermagneten aufgehoben. Dies führt zu einer Trennung des Kraftschlusses von Motorwelle (31) und Zahnrad (322) und somit auch zur Welle (51) des Fe­ derspeichers (5). Motorwelle (31) und die Welle (51) des Federspeichers sind zum Beispiel über ein Zahnriemengetriebe (7) verbunden. Die Bremse (4) kann wahlweise auch zwischen Kupplung (32) und Zahnriemengetriebe (7) angeordnet sein.

Die Abgabe der bereitgestellten Energie erfolgt durch Ab­ schaltung der kompletten Stromversorgung, dadurch verbindet die Kupplung (32) den Federspeicher (5) mit dem Getriebe (6), und die öffnende Bremse (4) gibt die gespeicherte Ener­ gie frei. Je nach Ausführung der gespannten Feder wird nun am Getriebe-Eingang eine Vielzahl von Umdrehungen eingelei­ tet, und der Getriebe-Ausgang (61) mit Anbindung an das Ro­ torblatt (1), gemäß Fig. 1, dreht das Rotorblatt in eine Position, die Bremswirkung für die Rotornabe (11) erzeugt. Als beispielhafte Variante besitzt der Federspeicher (5) Spiralfedern (52, 53), deren inneres Ende im Zentrum mit einer drehbaren Welle (51) verbunden ist und deren äußeres Ende am Gehäuse (54) befestigt wird.

Zur Verstärkung des Drehmomentes werden weitere Federn parallel angeordnet.

Da der Winkelbereich für die Rotorblatt-Rückstellung in die Endlage, je nach augenblicklicher Lage des Rotorblat­ tes unterschiedlich sein kann, die gespeicherte Federener­ gie aber für den maximal möglichen Winkel ausgelegt ist, muß die mechanische Endlagenbegrenzung des Rotorblattes mit besonderen Dämpfern zum Abbau eventuell noch vorhande­ ner Energie ausgerüstet werden.

Da für die erfindungsgemäße Art der Erzeugung einer Si­ cherheitsbewegung des Rotorblattes in die Bremslage kei­ nerlei elektrische Komponenten aktiviert werden müssen und jedes im System vorhandene Rotorblatt eine vollkommen un­ abhängig wirkende Rückstelleinheit besitzt, erfährt das Gesamtsystem eine erhöhte Sicherheitsstufe bei einer si­ cherheitsbedingten Abbremsung der Rotornabe (11) gemäß Fig. 1 und bietet somit die Möglichkeit, auf eine zusätz­ liche Sicherheitsbremse (12) zu verzichten.

Die Einbringung der Federenergie nicht direkt am Rotor­ blatt, sondern über eine Getriebestufe, bewirkt eine erhebliche Reduzierung des Aufwandes, da die erforderliche Rückstellkraft durch die Getriebeübersetzung über mehrere Feder-Umdrehungen erzeugt wird.

Weiterer Vorteil ist eine mögliche Anpassung des erforder­ lichen Rückstell-Drehmomentes durch Variation der Anzahl und Stärke der eingesetzten Federn.

Eine Ausgestaltung der Erfindung ist die feste, nicht schaltbare Verbindung der Welle (51) des Federspeichers mit der Welle (31) des Elektromotors. Bremse (4) und Kupplung (32) wird in diesem Fall nicht benötigt. Mit je­ der Drehbewegung des Stellmotors und somit auch des Rotor­ blattes spannt und entspannt sich der Federspeicher. Bei Bedarf, beziehungsweise nach einer definierten Betriebs­ zeit, ermöglicht die beschriebene Anordnung einen einfa­ chen Austausch des Speichersystems.

Claims (4)

1. Antrieb zur Verstellung von Rotorblättern in Windkraft­ anlagen, dadurch gekennzeichnet, daß im Notfall zur Rückstellung des Rotorblattes (1) ein Antriebssystem (11) mit Energie- Vorratspeicher verwendet wird, der von der Normalbetriebs- Energieversorgung für die Rotorblattverstellung völlig un­ abhängig ist und der zur Energieabgabe und Umwandlung in ein Drehmoment am Rotorblatt keine Komponenten benötigt, die elektrisch aktiviert werden müssen und der ein Dreh­ moment erzeugt, das mit Verstärkung über eine mechanische Getriebeübersetzung auf das Rotorblatt wirkt und somit ei­ ne Drehbewegung des Rotorblattes in Bremsrichtung ausübt.

2. Stellantrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Rückstellung erforder­ liche Energie aus einem Federspeicher (5) freigesetzt wird.

3. Stellantrieb nach Patentanspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einleitung der Rückstell­ energie aus dem Speicher (5) auf die Motorwelle (31) und somit auf das Rotorblatt dadurch erfolgt, daß durch Ab­ schaltung der Versorgungsspannung für die Kupplung (32) eine kraftschlüssige Verbindung von Motorwelle (31) zur Welle (51) des Federspeichers hergestellt wird und die Ab­ schaltung der Versorgungsspannung der Bremse (4) oder ei­ ner anderen Verriegelung die Welle (51) drehbar frei­ schaltet und somit die gespeicherte Energie freigibt.

4. Stellantrieb nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Notbetrieb gespeicherte Energiequelle zur Rückstellung der Rotorblätter ein Druckluft- oder ein Hy­ draulik-Vorratstank sein kann, der im Notfall selbständig geöffnet wird und einen entsprechenden Druckluft- oder Hy­ draulikmotor mit Energie versorgt, welcher über ein Ge­ triebe mit dem Rotorblatt verbunden ist und dieses in Nullstellung dreht.