DE202007009660U1 - Electric actuator - Google Patents

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Abstract

Elektrischer Stellantrieb, insbesondere zur Verstellung eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage oder zur Verstellung eines Azimutwinkels einer Gondel einer Windkraftanlage, mit einem elektrischen Motor, mit einer Steueranordnung zur Ansteuerung des Motors, mit einer Hauptstromversorgung, über die der elektrische Motor im Normalbetrieb mit elektrischer Energie versorgbar ist, und mit einer Notstromversorgung, über die der elektrische Motor bei Ausfall der Hauptstromversorgung mit elektrischer Energie versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Notstromquelle einen Hochtemperaturakkumulator umfasst.electrical Actuator, in particular for adjusting an angle of attack a rotor blade of a wind turbine or for adjusting a Azimuth angle of a nacelle of a wind turbine, with an electric Motor, with a control arrangement for controlling the motor, with a main power supply, via the electric motor supplied with electrical energy in normal operation is, and with an emergency power supply, over which the electric motor in case of failure of the main power supply can be supplied with electrical energy is, characterized in that the emergency power source is a Hochtemperaturakkumulator includes.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Stellantrieb gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1.The The invention relates to an electric actuator according to the preamble of the protection claim 1.

Windkraftanlagen hoher Leistung sind fast ausnahmslos mit verstellbaren Rotorblättern ausgestattet. Dadurch lässt sich die Leistung der Windkraftanlage der Windgeschwindigkeit anpassen und bei hohen Windgeschwindigkeiten gegebenenfalls begrenzen. Bei Gefahr einer Überlastung durch starken Wind bzw. um die Anlage außer Betrieb zu nehmen, werden die Rotorblätter in eine so genannte Fahnenstellung gedreht, bei der kein antreibender Auftrieb am Rotorblatt entsteht. Zum Teil genügt es, ein Rotorblatt in die Fahnenstellung zu bringen, um die Windkraftanlage abzubremsen. Vorzugsweise werden alle Rotorblätter aus dem Wind gedreht.Wind turbines high performance are almost invariably equipped with adjustable rotor blades. By doing so leaves adapt the wind turbine power to the wind speed and possibly limit it at high wind speeds. at Danger of overloading by strong wind or to take the plant out of service the rotor blades turned into a so-called flag position, where no driving Buoyancy on the rotor blade is created. In some cases, it is sufficient to have a rotor blade in the To bring flag position to slow down the wind turbine. Preferably become all rotor blades turned from the wind.

Üblicherweise ist jedes Rotorblatt mit einem eigenen Verstellantrieb, einem so genannten Pitch-Antrieb versehen, der in der Rotornabe angeordnet ist. Für den Pitch-Antrieb wird meist ein elektrischer Antrieb verwendet. Bei einem Ausfall der Versorgungsspannung muss jedoch sichergestellt sein, dass die Rotorblätter weiterhin verstellbar sind und nötigenfalls in die Fahnenstellung gedreht werden können.Usually is each rotor blade with its own adjustment, so one provided pitch drive disposed in the rotor hub is. For The pitch drive is usually an electric drive used. In case of failure of the supply voltage must be ensured be that the rotor blades continue to be adjustable and if necessary can be turned into the flag position.

Auch für die Verstellung des Azimutwinkels der Gondel einer Windkraftanlage werden elektrische Antriebe verwendet. Auch bei diesem Anwendungsfall ist die Bereitstellung einer Notstromversorgung wünschenswert. Generell wird bei einer Vielzahl von industriell eingesetzten elektrischen Stellantrieben eine Notstromversorgung benötigt, um bei Ausfall der Hauptstromversorgung einen sicheren Zustand des Stellantriebs herbeizuführen.Also for the Adjustment of the azimuth angle of the nacelle of a wind turbine used electrical drives. Also in this application is the provision of an emergency power supply desirable. Generally will in a variety of industrial electric actuators one Emergency power supply needed, in case of failure of the main power supply to a safe state of the actuator bring about.

Ein herkömmlicher Pitch-Antrieb ist in der DE 103 35 575 A1 beschrieben. Der Antrieb umfasst einen Drehstrommotor und einen Frequenzumrichter zur An steuerung des Motors. Der Frequenzumrichter besteht aus einem Gleichrichter, der an ein Stromnetz angeschlossen ist, aus einem Zwischenkreis und aus einem gesteuerten Wechselrichter, der einen Drehstrom für den Motor erzeugt. An den Zwischenkreis ist eine Notstromversorgung angeschlossen, die bei Ausfall des Stromnetzes den Zwischenkreis mit Energie versorgt. Die Notstromversorgung umfasst einen elektrischen Energiespeicher, z.B. Akkumulatoren oder Kondensatoren, die über einen Schalter und einen nachgeschalteten Ladewiderstand mit dem Zwischenkreis verbunden ist.A conventional pitch drive is in the DE 103 35 575 A1 described. The drive comprises a three-phase motor and a frequency converter for controlling the motor. The frequency converter consists of a rectifier connected to a mains supply, an intermediate circuit and a controlled inverter which generates a three-phase current for the motor. An emergency power supply is connected to the DC link, which supplies the DC link with energy in the event of a mains power failure. The emergency power supply includes an electrical energy storage, such as accumulators or capacitors, which is connected via a switch and a downstream charging resistor to the DC link.

Bisher sind Blei-Akkumulatoren, insbesondere Blei-Gel-Akkumulatoren, „Ultra-Cap" Kondensatoren, wie in der DE 100 33 029 A1 beschrieben, oder Lithium-Ionen Akkumulatoren, wie die DE 10 2005 030 709 A1 zeigt, als Energiespeicher der Notstromversorgung vorgesehen. Blei-Akkumulatoren und Blei-Gel-Akkumulatoren sind besitzen jedoch eine niedrige Leistungsdichte und eine niedrige Energiedichte – der Begriff „Dichte" sei jeweils auf das Gewicht bezogen. Dadurch bedingt sich ein hohes Gewicht dieser Akkumulatoren bei vorgegebener Energiedichte. Außerdem besitzen Blei-basierte Akkumulatoren eine hohe Selbstentladung, eine bei geringen Temperaturen nachlassende Leistungsabgabe, eine geringe Zyklenfestigkeit, und einen raschen Verschleiß, insbesondere bei großer Entladungstiefe. Dies äußert sich in einem hohen Wartungsaufwand. „UltraCap" Kondensatoren haben zwar eine gegenüber normalen Elektrolytkondensatoren gesteigerte Energiedichte, reichen jedoch nicht an Blei-Akkumulatoren heran. Außerdem bedingt die geringe Spannungsfestigkeit von „UltraCap" Kondensatoren ein Hintereinanderschalten von vielen Einzelkondensatoren, was die Fertigung erschwert und die Zuverlässigkeit herabsetzt. Lithium-Ionen Akkumulatoren besitzen zwar eine hohe Energiedichte und Leistungsdichte, sind jedoch empfindlich gegenüber zu hohen Temperaturen und benötigen eine komplexe Ladeelektronik. Außerdem ist die Zyklenfestigkeit bei großer Entladungstiefe gering.So far, lead-acid batteries, especially lead-gel accumulators, are "ultra-cap" capacitors, as in US Pat DE 100 33 029 A1 described, or lithium-ion accumulators, such as the DE 10 2005 030 709 A1 shows, provided as an energy storage of the emergency power supply. However, lead-acid batteries and lead-gel accumulators have a low power density and a low energy density - the term "density" is based on the weight in each case, resulting in a high weight of these accumulators at a given energy density and lead-based accumulators high self-discharge, low-temperature decay, low cycle stability, and rapid wear, especially at high depth of discharge, resulting in a high level of maintenance. "UltraCap" capacitors have an increased energy density compared to standard electrolytic capacitors, but are insufficient Lead accumulators zoom. In addition, the low dielectric strength of "UltraCap" capacitors results in a series connection of many single capacitors, which makes manufacturing more difficult and reduces reliability Lithium-ion batteries have a high energy density and power density, but are sensitive to high temperatures and require complex charging electronics. In addition, the cycle stability at high depth of discharge is low.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen für industrielle Antriebsaufgaben, insbesondere zur Verstellung eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage oder zur Verstellung eines Azimutwinkels einer Gondel einer Windkraftanlage, geeigneten, hochverfügbaren elektrischen Stellantrieb anzugeben.It is the object of the present invention, one for industrial Drive tasks, in particular for adjusting an angle of attack a rotor blade of a wind turbine or for adjusting a Azimuth angle of a nacelle of a wind turbine, suitable, highly available electrical Specify actuator.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen elektrischen Stellantrieb mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a electric actuator with the features of the protection claim 1 solved.

Der erfindungsgemäße elektrische Stellantrieb besitzt als Energiespeicher der Notstromversorgung einen Hochtemperaturakkumulator. Ein typischer Hochtemperaturakkumulator, wie z.B. ein Natrium-Nickelchlorid Akkumulator, zeichnet sich durch eine hohe Zyklenfestigkeit, eine hohe kalendarische Lebensdauer, eine mit Lithium-Ionen Akkumulatoren vergleichbare Energiedichte und eine gegenüber Bleiakkumulatoren erhöhte Leistungsdichte aus. Durch die üblicherweise vorhandene thermische Isolierung bzw. eine integrierte Temperaturregelung sind Hochtemperaturakkumulatoren in einem großen Intervall der Umgebungstemperatur einsetzbar. Erhältliche Hochtemperaturakkumulator sind für den KFZ-Bereich ausgelegt und zeichnen sich durch eine sehr gute mechanische Stabilität sowie einen lageunabhängigen Betrieb aus. Die geladene Kapazität ist vollständig entnehmbar, ohne dass ein erhöhter Verschleiß auftritt. Aufgrund der hohen Zyklenfestigkeit und der hohen kalendarischen Lebensdauer kann ein Hochtemperaturakkumulator ohne Austausch und mit geringsten Wartungsanforderungen für die gesamte projektierte Lebensdauer eines elektrischen Stellantriebs ausgelegt werden. Der Energieinhalt des Akkumulators kann durch Betrachtung einer Ladungsbilanz sehr einfach und präzise nachverfolgt werden, da die zugeführte Ladungsmenge exakt der entnehmbaren Ladungsmenge entspricht.The electric actuator according to the invention has a high-temperature accumulator as energy storage of the emergency power supply. A typical high-temperature accumulator, such as a sodium-nickel chloride accumulator, is characterized by a high cycle stability, a high calendrical life, an energy density comparable to lithium-ion accumulators and an increased power density compared to lead-acid batteries. Due to the usually existing thermal insulation or an integrated temperature control high temperature accumulators can be used in a large interval of the ambient temperature. Available high-temperature accumulators are designed for the automotive sector and are characterized by a very good mechanical stability and a position-independent operation. The charged capacity is completely removable without causing increased wear. Due to the high cycle stability and the high calendar life, a high temperature accumulator without exchange and be designed with the least maintenance requirements for the entire projected life of an electric actuator. The energy content of the accumulator can be traced very easily and precisely by considering a charge balance, since the amount of charge supplied corresponds exactly to the amount of charge that can be removed.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the subclaims.

Vorzugsweise wird ein Natrium-Nickelchlorid Akkumulator mit der Bezeichnung ZEBRA eingesetzt. Solche Akkumulatoren sind zum Zeitpunkt der Anmeldung von der Firma Mes DEA S.A. in der Schweiz kommerziell erhältlich.Preferably is a sodium-nickel chloride accumulator called ZEBRA used. Such accumulators are at the time of registration from the company Mes DEA S.A. commercially available in Switzerland.

Nachfolgend werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.following For example, the present invention and its advantages are incorporated by reference explained in more detail on the embodiments illustrated in the figures.

Es zeigen:It demonstrate:

1 eine Schaltskizze zur Ansteuerung eines Gleichstrommotors unter Verwendung eines Hochtemperaturakkumulator als Notstromversorgung, und 1 a circuit diagram for driving a DC motor using a Hochtemperaturakkumulator as emergency power supply, and

2 eine Schaltskizze zur Ansteuerung eines Wechselstrommotors unter Verwendung eines Hochtemperaturakkumulator als Notstromversorgung. 2 a circuit diagram for driving an AC motor using a Hochtemperaturakkumulator as an emergency power supply.

In der 1 ist eine Schaltungsanordnung eines elektrischen Stellantriebs 1 für die Rotorblattverstellung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. Der Stellantrieb 1 besitzt einen Gleichrichter 3, der aus einem öffentlichen Stromnetz 5 versorgt wird, einen Gleichspannungszwischenkreis 7, welcher von einem Kondensator 9 gestützt wird, sowie einen Gleichspannungsumrichter 11, der eine zum Betrieb des Gleichstrommotors 14 vorgesehene Gleichspannung erzeugt.In the 1 is a circuit arrangement of an electric actuator 1 shown for the rotor blade adjustment of a rotor blade of a wind turbine according to a first embodiment. The actuator 1 has a rectifier 3 that came from a public power grid 5 is supplied, a DC intermediate circuit 7 , which of a capacitor 9 is supported, and a DC converter 11 , one for operation of the DC motor 14 provided DC voltage generated.

Ein Hochtemperaturakkumulator 16 vom Typ ZEBRA kann über mechanische oder elektronische Schalter 18 und 20 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 7 oder direkt mit dem Gleichstrommotor 14 verbunden werden. Über ein Ladegerät 22 bezieht der Hochtemperaturakkumulator 16 Energie aus dem öffentlichen Stromnetz 5.A high temperature accumulator 16 The type ZEBRA can have mechanical or electronic switches 18 and 20 with the DC intermediate circuit 7 or directly with the DC motor 14 get connected. About a charger 22 the high-temperature accumulator refers 16 Energy from the public grid 5 ,

Ein Steuergerät 24 steuert den Gleichspannungsumrichter 11 an, um die Drehzahl des Gleichstrommotor 14 zu bestimmen oder um eine Lageregelung des Rotorblatts durchzuführen. Weiter steuert das Steuergerät 24 das Ladegerät 22 und die Schalter 18 und 20. Das Steuergerät kann zudem den Betriebs- und Ladezustand des Hochtemperaturakkumulators 16 und einen Betriebszustand – z.B. den aktuellen Ladefortschritt – des Ladegeräts erfassen.A control unit 24 controls the DC-DC converter 11 to the speed of the DC motor 14 to determine or to perform a position control of the rotor blade. Next controls the controller 24 The charger 22 and the switches 18 and 20 , The control unit can also control the operating and charging state of the high-temperature accumulator 16 and an operating state - eg the current loading progress - capture the charger.

Im normalen Betriebsfall sind die Schalter 18 und 20 geöffnet. Über den Gleichrichter 3 wird Energie aus dem öffentlichen Netz 5 in den Gleichspannungszwischenkreis 7 eingespeist. Der Gleichspannungsumrichter 11 entnimmt dem Gleichspannungszwischenkreis 7 elektrische Energie zum Betrieb des Gleichstrommotors 14. Bei Ausfall des öffentlichen Netzes 5 wird der Schalter 18 durch das Steuergerät 24 geschlossen. Daraufhin führt der Hochtemperaturakkumulator 16 dem Gleichspannungszwischenkreis 7 Energie zu, so dass der Gleichstrommotors 14 weiterhin betrieben werden kann. Fällt jedoch der Gleichspannungsumrichter 11 aufgrund eines Defektes aus, so führt das Steuergerät 24 durch Schließen des Schalters 20 dem Gleichstrommotor 14 direkt eine Gleichspannung zu. Damit kann z.B. das Rotorblatt in eine durch einen (nicht dargestellten) Endschalter festgelegte Position – üblicherweise die Fahnenstellung – gefahren werden.In normal operation, the switches 18 and 20 open. About the rectifier 3 gets energy from the public network 5 in the DC voltage intermediate circuit 7 fed. The DC-DC converter 11 takes the DC intermediate circuit 7 electrical energy for operation of the DC motor 14 , In case of failure of the public network 5 becomes the switch 18 through the control unit 24 closed. Then the high-temperature accumulator leads 16 the DC intermediate circuit 7 Energy too, so the DC motor 14 can continue to operate. However, the DC-DC converter fails 11 due to a defect, so does the controller 24 by closing the switch 20 the DC motor 14 directly to a DC voltage. Thus, for example, the rotor blade in a by a (not shown) limit switch fixed position - usually the flag position - are driven.

Die 2 zeigt eine Schaltungsanordnung eines elektrischen Stellantriebs 51 für die Rotorblattverstellung eines Rotorblatts einer Windkraftanlage gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels. Im Folgenden werden vorwiegend die Unterschiede zum Stellantrieb 1 nach dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert. Für gleiche Bestandteile werden gleiche Bezugszeichen verwendet.The 2 shows a circuit arrangement of an electric actuator 51 for the rotor blade adjustment of a rotor blade of a wind turbine according to a second embodiment. The following are mainly the differences to the actuator 1 explained according to the first embodiment. The same reference numerals are used for the same components.

Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass für den elektrischen Stellantrieb 51 anstelle eines Gleichstrommotors 14 ein Wechselstrommotor 55 verwendet wird. Über einen Gleichrichter 3 ist dem Gleichspannungszwischenkreis 7 elektrische Energie aus dem öffentlichen Netz 5 zugeführt. Ein Wechselrichter 53 dient der Ansteuerung eines Wechselstrommotors 55 nach Maßgabe des Steuergeräts 24. Der Wechselrichter 53 entnimmt die dazu benötigte Energie dem Gleichspannungszwischenkreis 7. Der Hochtemperaturakkumulator 16 ist über den Schalter 18 mit dem Gleichspannungszwischenkreis 7 verbindbar. Die Ansteuerung des Schalters 18 erfolgt über das Steuergerät 24.The main difference is that for the electric actuator 51 instead of a DC motor 14 an AC motor 55 is used. About a rectifier 3 is the DC intermediate circuit 7 electrical energy from the public network 5 fed. An inverter 53 serves to control an AC motor 55 in accordance with the control unit 24 , The inverter 53 takes the energy required for the DC voltage intermediate circuit 7 , The high temperature accumulator 16 is over the switch 18 with the DC intermediate circuit 7 connectable. The activation of the switch 18 via the control unit 24 ,

Im normalen Betriebsfall ist der Schalter 18 wie im vorhergehenden Ausführungsbeispiel geöffnet. Über den Gleichrichter 3 wird Energie aus dem öffentlichen Netz 5 in den Gleichspannungszwischenkreis 7 eingespeist. Der Wechselrichter 53 entnimmt dem Gleichspannungszwischenkreis 7 elektrische Energie zum Betrieb des Wechselstrommotors 55. Bei Ausfall des öffentlichen Netzes 5 wird der Schalter 18 durch das Steuergerät 24 geschlossen. Daraufhin führt der Hochtemperaturakkumulator 16 dem Gleichspannungszwischenkreis 7 Energie zu, so dass der Wechselstrommotor 55 weiterhin betrieben werden kann.In normal operation, the switch 18 as in the previous embodiment opened. About the rectifier 3 gets energy from the public network 5 in the DC voltage intermediate circuit 7 fed. The inverter 53 takes the DC intermediate circuit 7 electrical energy for operation of the AC motor 55 , In case of failure of the public network 5 becomes the switch 18 through the control unit 24 closed. Then the high-temperature accumulator leads 16 the DC intermediate circuit 7 Energy too, so the AC motor 55 continue to operate ben can be.

Claims (3)

Elektrischer Stellantrieb, insbesondere zur Verstellung eines Anstellwinkels eines Rotorblatts einer Windkraftanlage oder zur Verstellung eines Azimutwinkels einer Gondel einer Windkraftanlage, mit einem elektrischen Motor, mit einer Steueranordnung zur Ansteuerung des Motors, mit einer Hauptstromversorgung, über die der elektrische Motor im Normalbetrieb mit elektrischer Energie versorgbar ist, und mit einer Notstromversorgung, über die der elektrische Motor bei Ausfall der Hauptstromversorgung mit elektrischer Energie versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Notstromquelle einen Hochtemperaturakkumulator umfasst.Electric actuator, in particular for adjusting an angle of attack of a rotor blade of a wind turbine or for adjusting an azimuth angle of a nacelle of a wind turbine, with an electric motor, with a control arrangement for controlling the motor, with a main power supply, via which the electric motor can be supplied with electrical energy in normal operation is, and with an emergency power supply, via which the electric motor can be supplied with electrical energy in case of failure of the main power supply, characterized in that the emergency power source comprises a Hochtemperaturakkumulator. Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturakkumulator ein Natrium-Nickelchlorid Akkumulator ist.Electric actuator according to claim 1, characterized characterized in that the high-temperature accumulator is a sodium-nickel chloride Accumulator is. Elektrischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperaturakkumulator ein Natrium-Schwefel Akkumulator, ein Natrium-Eisenchlorid Akkumulator oder ein Natrium-Kupferclorid Akkumulator ist.Electric actuator according to claim 1, characterized characterized in that the high temperature accumulator is a sodium sulfur Accumulator, a sodium-iron chloride accumulator or a sodium-copper chloride Accumulator is.
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