EP3542053A1 - Windenergieanlage mit bremseinrichtung sowie verfahren zum betreiben derselben - Google Patents

Windenergieanlage mit bremseinrichtung sowie verfahren zum betreiben derselben

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Publication number
EP3542053A1
EP3542053A1 EP17797950.7A EP17797950A EP3542053A1 EP 3542053 A1 EP3542053 A1 EP 3542053A1 EP 17797950 A EP17797950 A EP 17797950A EP 3542053 A1 EP3542053 A1 EP 3542053A1
Authority
EP
European Patent Office
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braking device
switching element
hydraulic
controller
rotor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17797950.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sören Bilges
Eckart Hopp
Karsten Warfen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Gamesa Renewable Energy Service GmbH
Original Assignee
Senvion GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Senvion GmbH filed Critical Senvion GmbH
Publication of EP3542053A1 publication Critical patent/EP3542053A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0244—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for braking
    • F03D7/0248—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for braking by mechanical means acting on the power train
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a wind energy plant with a rotor and a braking device, wherein the braking device comprises a mechanical braking device which is mechanically coupled to the rotor, and wherein the braking device at least one electrical and / or hydraulic switching element for activation and / or deactivation of the braking device.
  • the invention relates to a method for operating a wind energy plant with a rotor and a braking device, wherein the braking device comprises a mechanical braking device, which is mechanically coupled to the rotor, and wherein the braking device is a controller and at least one electrical and / or hydraulic switching element for activating and / or deactivating the braking device, wherein the switching element is designed to be redundant and / or interference-proof.
  • Wind turbines are often set up so that their rotor is braked at high loads.
  • the braking of the rotor is initiated for example by the operation control of the wind turbine.
  • a scenario in which such a deceleration operation is performed occurs when a fault occurs in the internal or external electrical system of the wind turbine concurrently with a failure of the external supply network and an extreme year-long breeze.
  • wind turbines which are dimensioned for low-wind locations, experience in such a scenario high bending loads in the supporting structure, for example the tower. These loads can be crucial for the dimensioning of the support structure. This is especially true for specifically soft tower gondola systems.
  • the rotor is braked by moving the rotor blades via the rotor blade drives (pitch drives) into the so-called 90 ° or flag position.
  • the rotor blades brake the rotor aerodynamically.
  • a mechanical brake is used. This is often one or more disc brakes mounted on the rotor shaft. Likewise, such mechanical brakes on the fast output shaft attack the transmission of the wind turbine.
  • an overspeed of the wind turbine is detected.
  • the rotor of the wind energy plant is shut down with the assistance of the mechanical brake. During this process, the rotor blades are moved at high speed in the direction of the 90 ° position, at the same time in the range of the rated speed or at higher speed, the mechanical brake is activated and remains in continuous engagement until the rotor stops.
  • Specify braking device and a method for operating a wind turbine with a more efficient use of the mechanical braking device should be possible and at the same time the design effort for the mechanical braking device should be kept as low as possible.
  • a wind energy plant with a rotor and a braking device
  • the braking device comprises a mechanical braking device which is mechanically coupled to the rotor, and wherein the braking device at least one electrical and / or hydraulic switching element for activating and / or deactivation the braking device
  • the wind turbine is formed by the fact that the switching element is designed redundant and / or interference-proof
  • a controller is arranged, which is adapted to receive an interference signal and in response to the received interference signal, the switching element and thereby the braking device to activate, taking the control is further adapted to disable the braking device by means of the switching element before the rotor of the wind turbine comes to a standstill.
  • the electrical and / or hydraulic shifting element is in particular an electric-hydraulic shifting element.
  • it is an electrically switchable solenoid valve.
  • the electro-hydraulic switching element is also set up in particular for activating and deactivating the braking device.
  • the term "mechanically coupled” means that the braking device is directly or indirectly mechanically connected to the rotor, for example, in a direct connection, the braking device is mounted on the rotor shaft
  • the brake device is mounted on or connected to the fast output shaft of the transmission.
  • a "mechanical braking device” is understood to mean a mechanically acting brake device or brake which converts kinetic energy into frictional heat.
  • the mechanical brake device is a disc brake or a drum brake.
  • a disc brake is used.
  • the term "fail-safe” designates an embodiment of the hydraulic switching element in the sense of a fail-safe arrangement, in other words, the hydraulic switching element is designed to be redundant and / or fail-safe, ie a hydraulic switching element , which fails in a safe state, which means in particular that in the case of a normal component failure, the system assumes a safe state.
  • an energetic or thermal overloading of the mechanical rotor brake system is avoided. This is mainly the case as a temporary activation of the mechanical rotor braking system and no sustained braking until Standstill of the rotor takes place. This is particularly advantageous for large wind turbines with large rotor diameters of, for example, over 100 meters.
  • the mechanical and design effort to avoid the thermal overload of the mechanical rotor braking system increases namely with increasing braked torques considerably. Mechanical braking systems for large wind turbines are therefore a significant cost factor.
  • the wind turbine according to aspects of the invention is set up in such a way that the mechanical braking device is triggered and / or operated or can be operated in a pulsed manner. It has been found that the mechanical braking device is capable of effecting efficient speed and thrust reduction, even if it is activated only for a limited period of time. The time-limited braking process actually contributes to the reduction of the total load of the wind energy plant, while at the same time the design effort for the mechanical brake is kept low. It has been found that already positive effects on the extreme loads of the wind turbine, so reducing these extreme loads, occur when the brake device is activated at the beginning of braking only for a relatively short time interval in the order of seconds.
  • the design of the wind turbine according to aspects of the invention particularly advantageous because the mechanical braking device is set up for a limited time braking of the rotor, which allows an economical construction and economical operation of the braking device, for example, in view of the wear occurring , At the same time a significant reduction of the extreme loads of the wind turbine is achieved.
  • the fail-safe switching element is a hydraulic switching element which is open when de-energized.
  • the hydraulic switching element is open when a fluidic connection between an input and an output of the switching element is released.
  • the hydraulic switching element is for example a valve, in particular a normally open solenoid valve.
  • the redundant design of the hydraulic switching elements is effected, for example, by being fluidly integrated in parallel in a hydraulic circuit.
  • the hydraulic switching element is integrated in particular in a hydraulic supply circuit for supplying the braking device.
  • the hydraulic supply circuit In the hydraulic supply circuit there is a working pressure.
  • the hydraulic fluid is thus to operate and supply the brake device under pressure.
  • the hydraulic supply circuit is further designed in particular such that at a pressure drop within the supply circuit, wherein the hydraulic fluid emptied, for example in a reservoir, the braking effect of the braking device is lower until it is finally canceled.
  • the hydraulic switching element is integrated into the hydraulic supply circuit so that an open hydraulic switching element causes such a pressure drop in the supply circuit and thus opening or deactivating the braking device.
  • the hydraulic switching element is designed redundant. This technical feature relates in particular to the functionality of the deactivation of the brake device. This also means in particular that the hydraulic switching elements provide a redundant fluidic connection between the braking device and the reservoir and thus cause a safe pressure drop in the supply circuit.
  • a solenoid valve of the mechanical brake device this means, for example, that in case of failure of the electrical control of the solenoid valve, the failure of the control device, a breakage of an electrical or hydraulic line, the burning of the solenoid coil, the demagnetization of a valve installed in the permanent magnet or similar failures th the solenoid valve opens and the braking device is deactivated, so that a secure state is taken.
  • Such an embodiment of the hydraulic switching element is particularly advantageous since, for example, in the event of a power failure, the effect of the
  • Braking device is canceled. If, in such a case, the braking device remained permanently activated, it would constitute a potential source of fire, since there would be the risk of thermal overloading of the braking device in such a state. This is advantageous excluded.
  • the hydraulic see switching element which is open in the de-energized state, helps to improve the reliability of the wind turbine.
  • the brake device is a hydraulically operated brake device and the brake device comprises a hydraulic supply circuit for supplying the brake device with a hydraulic fluid, wherein the hydraulic supply circuit comprises at least a first and a hydraulically parallel thereto connected second hy metallic switching element, which form a redundant design of the switching element.
  • the hydraulic supply circuit connects the brake device to a hydraulic supply source and to a storage container, wherein the hydraulic supply circuit comprises at least a first fluidic path and a second fluidic path parallel thereto between the braking device and the storage container, and wherein the first hydraulic switching element is integrated in the first path and the second hydraulic switching element in the second path.
  • the hydraulic supply source is, for example, a hydraulic pump which removes hydraulic fluid from the storage container and under
  • Pressurized hydraulic fluid adds to the supply circuit.
  • the hydraulic pump is combined with a pressure accumulator.
  • a "fluidic path" in the context of the present description a hydraulic connection line or a portion of such a hydraulic connection line. It is not necessary to have exclusive use of the connection line or a section of the connection line. It is thus possible, for example, for the first and the second fluidic path to extend at least in sections along the same hydraulic connecting line.
  • first and the second path each provide a direct connection between the braking device and the storage container.
  • a direct connection means that in the fluidic
  • the redundant design of the switching element ensures that even in unlikely total failure of the first hydraulic switching element (for example, by jamming movable parts, obstruction of a channel by foreign bodies or sabotage) of existing in the hydraulic supply circuit pressure via the second hydraulic switching element at least can be partially broken down.
  • the braking device is thus configured to reduce the voltage applied to the brake device pressure of the working fluid in the direction of the storage container by a flow of the working fluid through the second switching element.
  • the second solenoid valve which is open in the de-energized state, falls into this open state, and the hydraulic fluid flows from the brake device in the direction of the supply container via the second solenoid valve.
  • the brake device opens and an example used disc brake is not permanently activated. This reduces the risk of fire in the wind turbine, which could potentially be caused by a permanently activated braking device.
  • the above embodiments thus further increase the reliability of the wind turbine. In addition, the transmission is relieved.
  • the controller is adapted to Disable braking device by means of the switching element after a predetermined time interval.
  • This time interval begins with the activation of the braking device and ends with the deactivation of the braking device.
  • the time interval is in particular between 1 second and 10 seconds. It is likewise provided that the interval is between 3 seconds and 9 seconds, and in particular between 4 seconds and 6 seconds.
  • the wind energy plant is further developed in that the control comprises a supply-independent shutdown element which is adapted to activate or keep active the switching element for the duration of a predetermined time interval and to deactivate it after the predetermined time interval has elapsed ,
  • a "supply-independent switch-off element” is to be understood as an element which operates electrically autonomously, in other words, the switch-off element operates without mains supply, ie, without power supply, it is able to apply the switching element for braking for a limited time close or to keep closed and reopen or release after the predetermined time interval,
  • a buffer module for example, a capacitor is provided, which supplies the switching element.
  • the exemplary capacitor discharges in the event of a power failure when the braking device is activated via the electrical resistance of the switching element. If the discharge process has progressed so far that the required
  • the wind energy installation comprises a shutdown device which generates the interference signal which receives the control 5 tion.
  • the shutdown device is for example a part of the operation control of the wind energy plant.
  • the wind turbine is further developed in that the controller is further configured to control a general torque such that upon activation and / or deactivation of the brake device, a torque fluctuation in the drive train of the wind turbine caused by this process is reduced. This also applies, for example, to the case when fault-free mains supply is detected.
  • Time-dependent braking device such that the sum of the generator torque and the braking torque applied by the mechanical braking device is always approximately equal to the nominal torque in the drive train. This ensures advantageous that the initiation of the braking process is smooth.
  • the braking device comprises at least one temperature sensor which is adapted to detect a temperature of at least one friction partner of the braking device, wherein the controller is further adapted to continuously evaluate temperature values detected by the temperature sensor with a predetermined temperature Limit and disable the braking device when the detected temperature exceeds the limit.
  • a friction partner of the brake device is a brake disk or a brake pad in a disc brake used by way of example as a brake device.
  • the braking device be configured redundantly.
  • each braking device is provided in each case with a temperature sensor.
  • the temperature of the braking device is monitored. If the temperature exceeds a predetermined maximum value, the braking process is interrupted. This reduces wear and increases the life of the brake device.
  • the controller is further configured to calculate a brake device cooling time from at least one of the temperature values, a value determined for this cooling time being indicative of a waiting time to be maintained before a renewed restart of the wind turbine. For example, the cooling time and the before a renewed
  • indicative means that the waiting time to be observed before the wind power plant restarts can be derived from the cooling time.
  • the Bremsvoriquessabksselzeit corresponds to the waiting time to be met.
  • the cooling time is determined, for example, by the fact that the temperature of the brake device falls below a predetermined limit. For example, it is waited until the temperature of one of the two friction partners of the braking device below 200 ° C, 150 ° C, 100 ° C, 50 ° C or at about
  • control device is set up in such a way that the brake device is deactivated when the rotor speed has increased by at least 90%, 85%, 80%, 75%, starting from an initial value at which the brake device was activated. 70%, 65%, 60%, 55% or 50%.
  • control is such is set to disable the brake device when a rotor blade angle is greater than a predetermined limit value or when a predetermined limit is exceeded on a pitch travel in the direction of the 90 ° position.
  • This value may also be a relative value added to the current pitch value at which the braking is triggered.
  • the mechanical braking device is deactivated when the rotor blade pitch is greater than 10 °, 15 °, 20 °, 25 °, 30 °, 35 °, 40 °, 45 ° or 50 °.
  • the controller is set up in such a way that it activates the drives of the rotor blades (pitch drives) simultaneously or with predetermined delay times with the activation of the braking device in response to the received interference signal
  • Rotor blades may be moved in the direction of the 90 ° position or "flag position.”
  • Such a "pitching" of the rotor blades in the direction of the 90 ° position may also be initiated, controlled or regulated by the operating control of the wind turbine or by the safety shutdown device of the wind turbine.
  • the object is further achieved by a method for operating a wind energy plant with a rotor and a braking device, wherein the braking device comprises a mechanical braking device which is mechanically coupled to the rotor, and wherein the braking device is a controller and at least one electric and / or Hydraulic switching element for activating and / or deactivating the braking device comprises, wherein the switching element is designed redundant and / or interference-proof, the method is further developed in that the
  • Control receives an interference signal and in response to the receipt of the interference signal triggers a braking operation by the controller activates the braking device by means of the switching element and, before the rotor of the wind turbine has come to a standstill, deactivated.
  • the switching element is opened by this is switched off.
  • the braking device is activated or kept active by means of the switching element for the duration of a predetermined time interval and is deactivated after the predetermined time interval. Values for this time interval are mentioned above in the text, these are provided according to further embodiments in a method according to these further embodiments.
  • the time interval lies between one second and 10 seconds, in particular between 3 seconds and 9 seconds, and in particular between 4 seconds and 6 seconds.
  • the braking device is deactivated when a rotor speed, starting from an initial value at which the braking device has been activated, by at least 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55 % or 50% has dropped.
  • the brake device is deactivated when the rotor blade stop angle is at least 10 °, 15 °, 20 °, 25 °, 30 °, 35 °, 40 °, 45 ° or 50 °.
  • the switching element in case of failure of a power supply of the control, the switching element is activated with a supply-independent shutdown or kept active. After the predetermined time interval, the switching element is deactivated.
  • This supply-independent shutdown is, for example, and as also mentioned above, to a connected to the switching element buffer module, for. B. a capacitor.
  • a generator torque is controlled such that upon activation and / or deactivation of the brake device, a torque fluctuation caused by this process in a drive strlid is reduced.
  • the braking device comprises at least one temperature sensor, which detects a temperature of at least one friction partner of the braking device, wherein continuously detected by the temperature sensor
  • Temperature values are evaluated and compared with a predetermined limit, wherein the braking device is deactivated when the detected temperature values exceed the limit.
  • a brake cooling time is calculated from at least one of the temperature values, wherein a value determined for the brake cooling time is indicative of a waiting time to be maintained before a renewed restart of the wind turbine.
  • Wind energy plant is operated in trickle mode or at low speed.
  • the mechanical braking device cools faster, reducing brake cooling time and enabling the wind turbine to be re-connected to full power faster.
  • a pressure measurement of the hydraulic fluid is made.
  • the measured values of such a pressure measurement can be used for the early detection of errors, for example leaks, in the brake system.
  • chokes are present, so that targeted pressure curves for the brake pressure at the beginning of the braking process and to reduce the pressure at the end of the braking process can be realized.
  • Individual choke branches can be switched off via non-return valves (non-return valves).
  • non-return valves non-return valves
  • Fig. 2 is a schematically simplified hydraulic circuit diagram of a
  • FIGS. 3 a) to 3 f) in each case schematically over time applied exemplary
  • FIG. 3a shows a schematic simplified view of a wind turbine 2.
  • Your rotor 4 includes example three rotor blades 6, each extending between a rotor blade root 8 and a rotor blade tip 10.
  • the rotor blades 6 are attached to their rotor blade root 8 on a rotor hub 12. This drives a main drive train of the wind turbine 2, which runs inside a gondola not visible in FIG.
  • the nacelle is carried by a support structure 14, for example a tower.
  • the wind turbine 2 also comprises a braking device 20, which is arranged for example in the nacelle.
  • a braking device 20 is shown in FIG.
  • the braking device 20 includes a braking device, which is generally designated by reference numeral 22.
  • a first brake device 22a and a second brake device 22b are provided, which together form the brake device 22.
  • the mechanical brake devices 22a, 22b are disc brakes, for example.
  • the braking device 22 of the braking device 20 is therefore executed twice (partially redundant) in the illustrated embodiment. For this purpose, for example, the two disc brakes with the rotor shaft, which is directly driven by the rotor 4 of the wind turbine 2, coupled. It is also envisaged that the mechanical braking devices
  • the braking device 20 further includes, by way of example, a first hydraulic
  • Switching element 24a and a second hydraulic switching element 24b are designated together with reference numeral 24.
  • this is a first solenoid valve, which forms the first switching element 24a, and a second solenoid valve, which forms the second switching element 24b.
  • the first and second switching elements 24a, 24b together form one Switching element 24 for activating and deactivating the braking device 22.
  • the first and the second switching element 24a, 24b are designated together with reference numeral 24.
  • the switching element 24 is redundantly configured with respect to the depressurizing function by providing first and second switching elements 24a, 24b. At the same time, the switching element 24 is executed fail-safe. To ensure this function, hydraulic switching elements or solenoid valves are used as the first and second switching element 24a, 24b, for example, which are open in the direction of storage container 30 in the de-energized state.
  • the switching elements 24a, 24b are not designed to be redundant. This function is provided exclusively by valve 24a.
  • a controller 26 which is adapted to receive an interference signal S, for example, from the operational control of the wind turbine 2.
  • the controller 26 has access to the braking device 20.
  • An interference signal S is generated, for example, if a high overspeed or a high load of the wind turbine 2 occurs and consequently the rotor 4 of the wind turbine 2 is braked.
  • the rotor blade pitch drives Pitch Drives
  • the rotor blade pitch drives are also controlled such that they move the rotor blades 6 of the wind energy plant 2 in the direction of the 90 ° or flag position.
  • the rotor 4 of the wind turbine 2 is also braked aerodynamically.
  • the braking device 22 is activated in response to the received interference signal S.
  • the switching element 24 is driven accordingly.
  • controller 26 is adapted to Disable device 22 by means of the switching element 24 before the rotor 4 of the wind turbine 2 comes to a standstill.
  • the mechanical braking device 24 is driven or operated in pulses.
  • the mechanical braking device 24 is capable of efficient speed and
  • the brake device 20 comprises a hydraulic supply circuit for supplying the brake device 22.
  • the hydraulic supply circuit which is shown schematically and simplified in FIG. 2, comprises a hydraulic supply source 28, for example a hydraulic pump. This takes hydraulic
  • Fluid for example a hydraulic oil
  • a storage container 30 Via a working pressure regulator 32, which provides the working pressure pO, hydraulic fluid is supplied to the hydraulic supply circuit from the hydraulic supply source 28.
  • a safety pressure limiter 34 is also provided, which controls the pressure in the hydraulic supply circuit to a predetermined pressure
  • the hydraulic fluid passes from the working pressure regulator 32 to the first switching element 24a. If this first switching element 24a designed as a solenoid valve, for example, is energized and thus opened to supply the brake but closed in the direction of the storage container 30, the hydraulic fluid passes via the throttle D1 .0 and the throttle D1 .1 to a first branch point 36a. At the first branch point 36a, a pressure diaphragm accumulator 38 is integrated into the hydraulic supply circuit. From the first branch point 36a, the hydraulic fluid then passes to the first and the second mechanical
  • Braking device 22a, 22b At a further branching point in front of the first and second mechanical brake devices 22a, 22b, a pressure sensor 40 is provided which measures the working pressure p-Br of the first and second mechanical brake devices 22a, 22b.
  • a bypass pressure regulator 42 is also integrated in the hydraulic supply circuit.
  • a throttle D1 .2 and a non-return valve 44 (check valve) is integrated in the hydraulic supply circuit parallel to the throttle D1 .1.
  • the first switching element 24a for example, applied to a supply voltage of 24 volts, the previously described way for the hydraulic fluid, starting from the hydraulic supply source 28 to the mechanical braking device 22, released.
  • the second switching element simultaneously becomes
  • a second solenoid valve energized so that it closes and prevents backflow of the hydraulic fluid from the first branch point 36a to the storage container 30.
  • the mechanical braking device 22 engages and unfolds its effect.
  • the switching element 24 After a predetermined time interval DT, which begins with the activation of the mechanical brake device 22, and for example between 1 and 1 0 seconds long, or exceeding an allowable limit temperature in at least one friction partner of the brake device 22, the switching element 24 is de-energized.
  • the time interval DT is also more particularly between 3 and 9 seconds and, for example, between 4 and 6 seconds. If the switching element 24 is de-energized, so in particular the first and the second switching element 24a, 24b are de-energized.
  • first switching element 24a and the second switching element 24b When de-energized, the first switching element 24a and the second switching element 24b open. Starting from the first branch point 36a, there are a first and a second fluidic line between this and a second branch point 36b
  • the hydraulic supply circuit at least one fluidic path and a parallel thereto second fluidic path between the braking device 22 and the storage container 30 includes.
  • the first hydraulic switching element 24a is integrated in the first path and the second hydraulic switching element 24b is integrated in the second path.
  • the first path leads through the throttle D1 .2 and the flow direction, ie in the direction of the first switching element 24a, permeable check valve 44 and the throttle D1 .0 to the second branch point 36b.
  • the second path leads from the first branch point 36a via the throttle D2.0 and the normally open second switching element 24b to the second branch point 36b.
  • the throttles D1 .2 and D2.0 ensure the desired pressure curve during pressure reduction.
  • the first fluidic path just like the second fluidic path, respectively still comprises the connecting line between the first branch point 36a and the first and second mechanical brake devices 22a, 22b and the connecting line between the second branch point 36b and the storage container 30. These too can advantageously be made redundant so that the complete connection lines from the brake devices 22a, 22b to the reservoir 30 are made redundant.
  • the controller 26 is configured to activate or keep the braking device 22 by means of the switching element 24. After a predetermined time interval, the brake device 22 is deactivated.
  • a supply-independent shutdown element is included, which, even if a power supply of the controller 26 fails, the switching element 24 is initially activated or actively held and deactivated after a predetermined time interval DT.
  • one capacitor or else a common capacitor
  • the Capacitor via the ohmic resistance, for example, the first and / or second solenoid valve.
  • the braking device 22 remains activated. Then it switches off automatically.
  • the controller 26 is further configured to control a generator torque of the present in the drive train of the wind turbine 2 generator at detected fault-free network feed so that when activating and / or deactivating the brake device 22 caused by this process torque fluctuation in the drive train is reduced.
  • the generator torque during the activation of the mechanical brake device 22 is reduced in a time-dependent manner so that the sum of the generator torque and the braking torque applied by the mechanical brake device 22 is always approximately equal to the nominal torque in the drive train.
  • a virtually smooth triggering of the mechanical braking process can be achieved.
  • the braking device 20, in particular the braking device 22, further comprises at least one temperature sensor.
  • a first temperature sensor TS1 and a second temperature sensor TS2 are provided.
  • the first temperature sensor TS1 measures the temperature of at least one friction partner of the first brake device 22a.
  • the second temperature sensor TS2 measures the temperature of at least one friction partner of the second brake device 22b. If disk brakes are used as brake devices 22a, 22b, for example, the friction partners are the brake disk and the brake shoes or brake linings. In other words, therefore, the temperatures of the braking devices 22a, 22b are monitored with the temperature sensors T1, T2.
  • the controller 26 is able to read out, record and evaluate temperature values of the temperature sensors TS 1, TS 2 via data lines (not shown). Exceed this a predetermined limit, the brake device 22 or at least one of the two braking devices 22a, 22b is deactivated. Thus, overheating of the brake device 22 can be effectively prevented. According to a further embodiment, it is provided that the controller 26 is further configured to calculate a braking device cooling time from at least one of the temperature values detected by the temperature sensors TS1, TS2.
  • a value determined for this cooling time is indicative of a waiting time to be maintained before a renewed restart of the wind turbine 2.
  • the waiting time can be derived from the value of the brake device cooling time. While the mechanical brake device 22 cools down, the wind turbine 2 can be operated in spinning mode or at low speed, so that its rotor 4 rotates slowly. During the movement, the mechanical brake device 22 cools faster than at rest, so that a quick restart or a faster resumption of the full load operation of the wind turbine 2 is possible.
  • FIGS. 3a to 3f An exemplary braking operation during a method for operating a wind turbine 2 according to an exemplary embodiment will be explained with reference to FIGS. 3a to 3f.
  • Figures 3a to 3f are shown in seconds over the same time scale. For all figures, this is shown by way of example in Fig. 3f.
  • Fig. 3a shows the wind speed in meters per second.
  • FIG. 3b shows a rotor blade pitch or pitch angle in degrees.
  • Fig. 3c shows a generator speed in revolutions per minute (rpm).
  • the curve labeled A shows the course of the generator speed without the intervention of a mechanical braking device.
  • the curve labeled B shows the progression of the generator speed over time using a mechanical braking device.
  • Fig. 3d shows the time course of a mechanical braking torque in kilonewtonmeter (kN m).
  • kN m kilonewtonmeter
  • Fig. 3f shows a Turmfußbiegemoment in the longitudinal direction in kilonewtonmeter (kNm). Again, the history of the tower foot bending moment is shown for a case that the mechanical brake device is not used. This curve is labeled A. B is the curve that results using the mechanical brake. The significant reduction in the maximum load of the support structure 14 of the wind turbine 2 can be seen at the lower deflection of the curve B compared to the curve A at the respective maxima of the Turmfußbiegemoments.
  • the controller 26 deactivates the brake device 22 before the rotor 4 of the wind energy plant 2 has come to a standstill (compare to FIGS. 3 c and 3d). Although the mechanical brake is activated only for a relatively small period of time, namely the time period DT between the times T1 and T2, there is a significant reduction in the maximum load of the wind turbine 2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage (2) sowie ein Verfahren zum Betreiben derselben. Die Windenergieanlage (2) umfasst einen Rotor (4) und eine Bremseinrichtung (20), wobei die Bremseinrichtung (20) eine mechanische Bremsvorrichtung (22) umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist. Die Bremseinrichtung (20) umfasst zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement (24) zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung (22). Das Schaltelement (24) ist redundant und/oder störungssicher ausgeführt. Ferner ist eine Steuerung (26) vorhanden, die dazu eingerichtet ist, ein Störsignal (S) zu empfangen und in Reaktion auf das empfangene Störsignal (S) das Schaltelement (24) und dadurch die Bremsvorrichtung (22) zu aktivieren. Die Bremsvorrichtung (22) wird mittels des Schaltelements (24) deaktiviert, bevor der Rotor (4) der Windenergieanlage zum Stillstand kommt.

Description

Windenergieanlage mit Bremseinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben derselben Die Erfindung betrifft eine Windenergieanlage mit einem Rotor und einer Bremseinrichtung, wobei die Bremseinrichtung eine mechanische Bremsvorrichtung umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung umfasst. Außerdem betrifft die Erfin- dung ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage mit einem Rotor und einer Bremseinrichtung, wobei die Bremseinrichtung eine mechanische Bremsvorrichtung umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung eine Steuerung und zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung um- fasst, wobei das Schaltelement redundant und/oder störungssicher ausgeführt ist.
Windenergieanlagen sind vielfach so eingerichtet, dass bei hohen Belastungen ihr Rotor abgebremst wird . Das Abbremsen des Rotors wird beispielsweise von der Betriebssteuerung der Windenergieanlage eingeleitet. Ein Szenario, bei dem ein sol- eher Abbremsvorgang durchgeführt wird, tritt beispielsweise auf, wenn ein Fehler im internen oder externen elektrischen System der Windenergieanlage gleichzeitig mit einem Ausfall des externen Versorgungsnetzes und einer extremen Einjahresböe auftritt. Vor allem Windenergieanlagen , die für Schwachwind-Standort dimensioniert sind , erfahren in einem solchen Szenario hohe Biegebelastungen in der Tragstruk- tur, beispielsweise dem Turm. Diese Belastungen können für die Dimensionierung der Tragstruktur ausschlaggebend sein . Dies gilt vor allem für spezifisch weiche Turm-Gondel-Systeme.
Das Abbremsen des Rotors erfolgt, indem die Rotorblätter über die Rotorblattantrie- be (Pitch-Drives) in die sogenannte 90°- oder Fahnen-Stellung gefahren werden. In dieser Konfiguration bremsen die Rotorblätter den Rotor aerodynamisch ab. Gleichzeitig kommt eine mechanische Bremse zum Einsatz. Vielfach handelt es sich bei dieser um eine oder mehrere Scheibenbremsen , die auf der Rotorwelle montiert sind . Ebenso können solche mechanischen Bremsen an der schnellen Abtriebswelle des Getriebes der Windenergieanlage angreifen .
Bei großen Windenergieanlagen müssen aufgrund der großen Trägheitsmomente des Rotors entsprechend dimensionierte Bremsen vorgesehen werden. Es ist erfor- derlich , große Energiemengen in thermische Energie umzuwandeln . Dementsprechend sind die eingesetzten Bremsen mechanisch und konstruktiv sehr aufwendig .
In einem Lastfallbeispiel wird eine Überdrehzahl der Windenergieanlage erkannt. In einem herkömmlichen System wird der Rotor der Windenergieanlage lastschonend mit Unterstützung der mechanischen Bremse stillgesetzt. Bei diesem Vorgang werden die Rotorblätter in schneller Fahrt in Richtung der 90°-Stellung verfahren , gleichzeitig wird im Bereich der Nenndrehzahl oder bei darüber liegender Drehzahl die mechanische Bremse aktiviert und bleibt durchgehend bis zum Stillstand des Rotors in Eingriff.
Eine weitere Möglichkeit zum Abbremsen des Rotors einer Windenergieanlage ist aus EP 2 81 1 157 A1 bekannt. Der Rotor wird über den Generator abgebremst, wenn eine DC-Überspannung erkannt wird. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Windenergieanlage mit einer mechanischen
Bremsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage anzugeben , wobei eine effizientere Nutzung der mechanischen Bremsvorrichtung möglich sein soll und gleichzeitig der konstruktive Aufwand für die mechanische Bremsvorrichtung möglichst gering gehalten werden soll.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Windenergieanlage mit einem Rotor und einer Bremseinrichtung, wobei die Bremseinrichtung eine mechanische Bremsvorrichtung umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement zur Aktivie- rung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung umfasst, wobei die Windenergieanlage dadurch fortgebildet ist, dass das Schaltelement redundant und/oder störungssicher ausgeführt ist, wobei eine Steuerung umfasst ist, die dazu eingerichtet ist, ein Störsignal zu empfangen und in Reaktion auf das empfangene Störsignal das Schaltelement und dadurch die Bremsvorrichtung zu aktivieren , wobei die Steuerung ferner dazu eingerichtet ist, die Bremsvorrichtung mittels des Schaltelements zu deaktivieren, bevor der Rotor der Windenergieanlage zum Stillstand kommt.
Das elektrische und/oder hydraulische Schaltelement ist insbesondere ein elekt- rohydraulisches Schaltelement. Beispielsweise handelt es sich um ein elektrisch schaltbares Magnetventil. Das elektrohydraulische Schaltelement ist ferner insbesondere zum Aktivieren und zum Deaktivieren der Bremsvorrichtung eingerichtet.
Im Kontext der vorliegenden Beschreibung ist unter dem Begriff „mechanisch ge- koppelt" zu verstehen, dass die Bremsvorrichtung direkt oder indirekt mit dem Rotor mechanisch verbunden ist. Bei einer direkten Verbindung ist die Bremsvorrichtung beispielsweise auf der Rotorwelle montiert. Bei einer indirekten Verbindung ist die Bremsvorrichtung beispielsweise über ein Getriebe mit dem Rotor verbunden . Beispielsweise ist die Bremsvorrichtung auf der schnellen Abtriebswelle des Getriebes montiert oder mit dieser verbunden .
Unter einer„mechanischen Bremsvorrichtung" ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung eine mechanisch wirkende Bremsvorrichtung oder Bremse zu verstehen , welche Bewegungsenergie in Reibungswärme umwandelt. Beispielsweise ist die mechanische Bremsvorrichtung eine Scheibenbremse oder eine Trommelbremse.
Bevorzugt kommt eine Scheibenbremse zum Einsatz.
Der Begriff „störungssicher" bezeichnet im Kontext der vorliegenden Beschreibung eine Ausführung des hydraulischen Schaltelements im Sinne einer fail-safe- Anordnung. Mit anderen Worten ist also das hydraulische Schaltelement redundant und/oder fail-safe ausgeführt. Es handelt sich also um ein hydraulisches Schaltelement, welches in einen sicheren Zustand versagt, was insbesondere bedeutet, dass im Falle eines üblichen Bauteilversagens das System einen sicheren Zustand einnimmt.
Vorteilhaft wird bei der Windenergieanlage gemäß Aspekten der Erfindung eine energetische bzw. thermische Überbelastung des mechanischen Rotorbremssystems vermieden . Dies ist hauptsächlich der Fall, da eine zeitlich begrenzte Aktivierung des mechanischen Rotorbremssystems und keine Dauerbremsung bis zum Stillstand des Rotors stattfindet. Dies ist insbesondere für große Windenergieanlagen mit großen Rotordurchmessern von beispielsweise über 100 Metern besonders vorteilhaft. Der mechanische und konstruktive Aufwand zur Vermeidung der thermischen Überlastung des mechanischen Rotorbremssystems steigt nämlich mit größer werdenden abzubremsenden Drehmomenten erheblich an. Mechanische Bremssysteme für große Windenergieanlagen sind daher ein erheblicher Kostenfaktor.
Vorteilhaft ist die Windenergieanlage gemäß Aspekten der Erfindung so eingerichtet, dass die mechanische Bremseinrichtung impulsartig angesteuert und/oder be- trieben oder betreibbar wird/ist. Es wurde erkannt, dass die mechanische Bremseinrichtung in der Lage ist, eine effiziente Drehzahl- und Schubreduzierung zu bewirken , auch wenn diese nur für einen begrenzten Zeitraum aktiviert ist. Der zeitlich begrenzte Bremsvorgang trägt tatsächlich zur Verringerung der Gesamtbelastung der Windenergieanlage bei , wobei gleichzeitig der konstruktive Aufwand für die me- chanische Bremse gering gehalten wird. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass bereits positive Auswirkungen auf die Extrembelastungen der Windenergieanlage, also eine Verringerung dieser Extrembelastungen , auftreten , wenn die Bremsvorrichtung zu Beginn des Bremsvorgangs lediglich für ein relativ kurzes Zeitintervall in der Größenordnung von Sekunden aktiviert wird. Eine weitere, also kontinuierlich fortgesetzte mechanische Abbremsung, welche durchgeführt wird, während die Rotorblätter der Anlage weiter in Richtung der 90°-Stellung fahren , führt vielfach lediglich zur Entwicklung von Abwärme an der Bremse, nicht aber zu einer signifikanten Verringerung der Extrembelastungen für die Anlage. Das im Lastfall von der mechanischen Bremsvorrichtung bereitgestellte Bremsmoment steht gemäß Aspekten der Erfindung also nur in einem relativ kurzen Zeitintervall , dafür aber während des entscheidenden Zeitabschnitts des Bremsvorgangs zur Verfügung.
Zusammenfassend ist die Ausgestaltung der Windenergieanlage gemäß Aspekten der Erfindung unter anderen deshalb besonders vorteilhaft, da die mechanische Bremsvorrichtung für einen zeitlich begrenzten Bremsvorgang des Rotors eingerichtet ist, was eine wirtschaftliche Konstruktion und einen wirtschaftlichen Betrieb der Bremsvorrichtung, beispielsweise im Hinblick auf den auftretenden Verschleiß, ermöglicht. Gleichzeitig wird eine signifikante Reduzierung der Extrembelastungen der Windenergieanlage erreicht. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das störungssichere Schaltelement ein hydraulisches Schaltelement, welches im stromlosen Zustand offen ist.
Das hydraulische Schaltelement ist offen, wenn eine fluidische Verbindung zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Schaltelements freigegeben ist. Das hydraulische Schaltelement ist beispielsweise ein Ventil, insbesondere ein stromlos offenes Magnetventil. Die redundante Auslegung der hydraulischen Schaltelemente wird beispielsweise dadurch bewirkt, dass diese fluidisch parallel in einem hydraulischen Schaltkreis integriert sind.
Das hydraulische Schaltelement ist insbesondere in einen hydraulischen Versorgungskreis zur Versorgung der Bremsvorrichtung integriert. In dem hydraulischen Versorgungskreis herrscht ein Arbeitsdruck. Das hydraulische Fluid steht also zum Betreiben und zur Versorgung der Bremsvorrichtung unter Überdruck. Der hydraulische Versorgungskreis ist ferner insbesondere so ausgestaltet, dass bei einem Druckabfall innerhalb des Versorgungskreises, wobei sich das hydraulische Fluid beispielsweise in einen Vorratsbehälter entleert, die Bremswirkung der Bremseinrichtung geringer wird , bis sie schließlich aufgehoben ist. Das hydraulische Schaltelement ist so in den hydraulischen Versorgungskreis integriert, dass ein offenes hydraulisches Schaltelement einen solchen Druckabfall im Versorgungskreis und somit ein Öffnen bzw. Deaktivieren der Bremsvorrichtung bewirkt.
Das hydraulische Schaltelement ist redundant ausgelegt. Dieses technische Merkmal bezieht sich insbesondere auf die Funktionalität der Deaktivierung der Brems- Vorrichtung. Das bedeutet ferner insbesondere, dass die hydraulischen Schaltelemente eine redundante fluidische Verbindung zwischen der Bremsvorrichtung und dem Vorratsbehälter bereitstellen und so einen sicheren Druckabfall im Versorgungskreis bewirken . Im konkreten Fall eines Magnetventils der mechanischen Bremsvorrichtung bedeutet dies beispielsweise, dass bei einem Versagen der elektrischen Ansteuerung des Magnetventils, dem Versagen der Steuereinrichtung, einem Bruch einer elektrischen oder hydraulischen Leitung, dem Durchbrennen der Magnetspule, der Entmagneti- sierung eines im Ventil verbauten Permanentmagneten oder ähnlichen Versagensar- ten das Magnetventil öffnet und die Bremsvorrichtung deaktiviert wird , so dass ein sicherer Zustand eingenommen wird .
Eine solche Ausgestaltung des hydraulischen Schaltelements ist besonders vorteil- haft, da beispielsweise bei einem Ausfall der Stromversorgung die Wirkung der
Bremsvorrichtung aufgehoben wird. Würde in einem solchen Fall die Bremsvorrichtung dauerhaft aktiviert bleiben, so würde sie eine potentielle Brandquelle darstellen , da die Gefahr einer thermischen Überlastung der Bremsvorrichtung in einem solchen Zustand gegeben wäre. Dies ist vorteilhaft ausgeschlossen. Das hydrauli- sehe Schaltelement, welches im stromlosen Zustand offen ist, trägt zur Verbesserung der Betriebssicherheit der Windenergieanlage bei.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen , dass die Bremsvorrichtung eine hydraulisch betriebene Bremsvorrichtung ist und die Bremseinrichtung einen hydraulischen Versorgungskreis zur Versorgung der Bremsvorrichtung mit einem hydraulischen Fluid umfasst, wobei der hydraulische Versorgungskreis zumindest ein erstes und ein hydraulisch parallel dazu geschaltetes zweites hydrau lisches Schaltelement umfasst, welche eine redundante Auslegung des Schaltelements bilden .
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist ferner vorgesehen, dass der hydraulische Versorgungskreis die Bremsvorrichtung mit einer hydraulischen Versorgungsquelle und mit einem Vorratsbehältnis verbindet, wobei der hydraulische Versorgungskreis zumindest einen ersten fluidischen Pfad und einen dazu parallelen zwei- ten fluidischen Pfad zwischen der Bremsvorrichtung und dem Vorratsbehältnis umfasst, und wobei das erste hydraulische Schaltelement in den ersten Pfad und das zweite hydraulische Schaltelement in den zweiten Pfad integriert ist.
Bei der hydraulischen Versorgungsquelle handelt es sich beispielsweise um eine Hydraulikpumpe, die dem Vorratsbehältnis hydraulisches Fluid entnimmt und unter
Druck stehendes hydraulisches Fluid dem Versorgungskreis zufügt. Vorteilhaft ist die Hydraulikpumpe mit einem Druckspeicher kombiniert.
Ein „fluidischer Pfad" ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung beispielsweise eine hydraulische Verbindungsleitung oder ein Abschnitt einer solchen hydraulischen Verbindungsleitung. Es ist nicht erforderlich , dass eine exklusive Nutzung der Verbindungsleitung oder eines Abschnitts der Verbindungsleitung vorliegt. Es ist also beispielsweise möglich, dass sich der erste und der zweite fluidische Pfad zu- mindest abschnittsweise entlang der gleichen hydraulischen Verbindungsleitung erstrecken.
Es ist ferner insbesondere vorgesehen , dass der erste und der zweite Pfad jeweils eine direkte Verbindung zwischen der Bremsvorrichtung und dem Vorratsbehältnis bereitstellen. Eine solche direkte Verbindung bedeutet, dass sich in der fluidischen
Verbindung kein weiteres Schaltelement, insbesondere kein elektrisch schaltbares weiteres Schaltelement, befindet, welches die fluidische Verbindung beispielsweise bei einer Fehlfunktion blockieren könnte. Durch die redundante Auslegung des Schaltelements ist sichergestellt, dass selbst bei unwahrscheinlichem Totalversagen des ersten hydraulischen Schaltelements (beispielsweise durch Verklemmen beweglicher Teile, Verstopfung eines Kanals durch Fremdkörper oder auch durch Sabotage) der in dem hydraulischen Versorgungskreis vorhandene Druck über das zweite hydraulische Schaltelement zumin- dest teilweise abgebaut werden kann . Die Bremseinrichtung ist also dazu eingerichtet, den an der Bremsvorrichtung anliegenden Druck des Arbeitsfluids in Richtung des Vorratsbehältnisses durch einen Fluss des Arbeitsfluids durch das zweite Schaltelement abzubauen . Klemmt also beispielsweise das erste Magnetventil und fällt gleichzeitig die Versorgungsspannung aus, so fällt das zweite Magnetventil , welches im stromlosen Zustand offen ist, in diesen offenen Zustand , und das hydraulische Fluid fließt von der Bremsvorrichtung in Richtung des Versorgungsbehältnisses über das zweite Magnetventil ab. Die Bremsvorrichtung öffnet sich und eine beispielsweise eingesetzte Scheibenbremse ist nicht dauerhaft aktiviert. Dies verringert die Brandgefahr in der Windenergieanlage, welche potentiell durch eine per- manent aktivierte Bremsvorrichtung gegeben sein könnte. Die genannten Ausgestaltungen erhöhen also die Betriebssicherheit der Windenergieanlage weiter. Zudem wird das Getriebe entlastet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuerung dazu eingerichtet, die Bremsvorrichtung mittels des Schaltelements nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls zu deaktivieren.
Dieses Zeitintervall beginnt mit der Aktivierung der Bremsvorrichtung und endet mit der Deaktivierung der Bremsvorrichtung. Das Zeitintervall beträgt insbesondere zwischen 1 Sekunde und 10 Sekunden. Ebenso ist vorgesehen , dass das I ntervall zwischen 3 Sekunden und 9 Sekunden, ferner insbesondere zwischen 4 Sekunden und 6 Sekunden, beträgt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Windenergieanlage dadurch fortgebildet, dass die Steuerung ein versorgungsunabhängiges Abschaltelement umfasst, welches dazu eingerichtet ist bei Ausfall einer Stromversorgung der Steuerung das Schaltelement für die Dauer eines vorgegebenen Zeitintervalls zu aktivieren oder aktiv zu halten und nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls zu deaktivieren.
Unter einem „versorgungsunabhängigen Abschaltelement" ist im Kontext der vorliegenden Beschreibung ein Element zu verstehen , welches elektrisch autonom arbeitet. Mit anderen Worten arbeitet das Abschaltelement ohne Netzversorgung. Es ist also auch ohne Stromversorgung in der Lage, das Schaltelement für eine begrenzte Zeit zum Bremsen zu schließen oder geschlossen zu halten und nach dem vorgegebenen Zeitintervall wieder zu öffnen oder freizugeben . Bevorzugt wird ein Puffermodul, z. B. ein Kondensator vorgesehen , welches das Schaltelement versorgt.
Der beispielhafte Kondensator entlädt sich im Falle eines Netzausfalls bei einer Aktivierung der Bremseinrichtung über den elektrischen Widerstand des Schaltele- ments. Ist der Entladungsvorgang soweit fortgeschritten , dass die erforderliche
Spannung um das Schaltelement angezogen zu halten nicht mehr bereitsteht, öffnet das Schaltelement. Dieser Vorgang nimmt eine bestimmte Zeit in Anspruch , welche von der Kapazität und dem Widerstand des Schaltelements abhängt. Vorteilhaft ist bei einer solchen Windenergieanlage die Funktionalität der Bremseinrichtung auch bei vollständigem Ausfall der Netzversorgung sowie der Steuerung immer noch sichergestellt. Die Bremsvorrichtung wird von dem Schaltelement für eine definierte Zeit aktiviert gehalten und deaktiviert sich anschließend von selbst. Es besteht keine Gefahr, dass die Bremsvorrichtung überhitzt, gleichzeitig ist diese in der Lage, ihre Bremswirkung im gewünschten Umfang zu entfalten .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen , dass die Windenergieanlage eine Abschalteinrichtung umfasst, die das Störsignal erzeugt, welches die Steue- 5 rung empfängt. Die Abschalteinrichtung ist beispielsweise ein Teil der Betriebssteuerung der Windenergieanlage.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die Windenergieanlage dadurch fortgebildet, dass die Steuerung ferner dazu eingerichtet ist ein General i) tormoment so zu steuern , dass beim Aktivieren und/oder Deaktivieren der Bremsvorrichtung eine durch diesen Vorgang bedingte Drehmomentschwankung im Antriebsstrang der Windenergieanlage verringert wird. Die gilt beispielsweise auch für den Fall, wenn fehlerfrei vorhandene Netzeinspeisung festgestellt wird.
15 Insbesondere wird das Generatordrehmoment bei Aktivierung der mechanischen
Bremsvorrichtung zeitabhängig derart verringert, dass die Summe des Generatordrehmoments und des von der mechanischen Bremsvorrichtung aufgebrachten Bremsmoments stets in etwa gleich dem Nenndrehmoment im Triebstrang ist. So ist vorteilhaft sichergestellt, dass die Einleitung des Bremsvorgangs ruckfrei erfolgt.
20 Diese Funktionalität ist selbstverständlich nur dann nutzbar, wenn das Umrichter-
Generator-System selbst nicht, gestört ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Bremseinrichtung zumindest einen Temperatursensor umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, eine 25 Temperatur zumindest eines Reibpartners der Bremsvorrichtung zu erfassen, wobei die Steuerung ferner dazu eingerichtet ist, fortlaufend von dem Temperatursensor erfasste Temperaturwerte auszuwerten , mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen und die Bremsvorrichtung zu deaktivieren, wenn die erfassten Temperaturwerte den Grenzwert überschreiten .
30
Ein Reibpartner der Bremsvorrichtung ist bei einer beispielhaft als Bremsvorrichtung eingesetzten Scheibenbremse eine Bremsscheibe oder ein Bremsbelag.
Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass die Bremsvorrichtung redundant ausge- legt ist, also beispielweise zwei Scheibenbremsen , insbesondere mit zwei Bremsscheiben und zwei Bremszangen auf der Rotorwelle oder der schnellen Getriebewelle montiert sind. Bei einer solchen Ausführungsform ist jede Bremsvorrichtung jeweils mit einem Temperatursensor versehen .
Vorteilhaft wird eine Überhitzung der Bremsvorrichtung vermieden. Hierzu wird die Temperatur der Bremsvorrichtung überwacht. Überschreitet der Temperaturwert einen vorgegebenen Maximalwert, wird der Bremsvorgang unterbrochen. Dies verringert den Verschleiß und erhöht die Lebensdauer der Bremsvorrichtung.
Vorteilhaft ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen , dass die Steuerung ferner dazu eingerichtet ist, aus zumindest einem der Temperaturwerte eine Bremsvorrichtungsabkühlzeit zu berechnen , wobei ein für diese Abkühlzeit bestimmter Wert Indikativ für eine vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage einzuhalten- de Wartezeit ist. Beispielsweise wird die Abkühlzeit und die vor einem erneuten
Wiederanlauf der Windenergieanlage einzuhaltende Wartezeit aus zumindest einem der den vorgegebenen Grenzwert überschreitenden Temperaturwerte berechnet.
Indikativ bedeutet im vorliegenden Zusammenhang, dass sich die vor dem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage einzuhaltende Wartezeit aus der Abkühlzeit ableiten lässt. Beispielsweise entspricht die Bremsvorrichtungsabkühlzeit der einzuhaltenden Wartezeit. Die Abkühlzeit bestimmt sich beispielsweise dadurch, dass die Temperatur der Bremsvorrichtung unter einen vorgegebenen Grenzwert fällt. Beispielsweise wird abgewartet, bis die Temperatur eines der beiden Reibpartner der Bremsvorrichtung unterhalb von 200 °C, 150 °C, 100 °C, 50 °C oder bei in etwa
Umgebungstemperatur liegt.
Gemäß weiterer Ausführungsformen ist vorgesehen , dass die Steuereinrichtung derart eingerichtet ist, dass die Bremsvorrichtung deaktiviert wird , wenn die Rotor- drehzahl ausgehend von einem Anfangswert, bei dem die Bremsvorrichtung aktiviert wurde, um zumindest 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 % oder 50 % abgesunken ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen , dass die Steuerung derart eingerichtet ist, die Bremsvorrichtung zu deaktivieren, wenn ein Rotorblatteinstell- winkel größer als ein vorgegebener Grenzwert ist oder wenn ein vorgegebener Grenzwert auf einer Pitch-Fahrt in Richtung der 90°-Stellung überfahren wird . Bei diesem Wert kann es sich auch um einen relativen Wert handeln , der zu dem aktuel- len Pitch-Wert, bei dem der Bremsvorgang ausgelöst wird , hinzuaddiert wird. Beispielsweise wird die mechanische Bremsvorrichtung deaktiviert, wenn der Rotor- blatteinstellwinkel größer als 10°, 15°, 20° , 25° , 30°, 35°, 40°, 45° oder 50° ist.
In diesem Zusammenhang ist gemäß einer weiteren Ausführungsform vorgesehen , dass die Steuerung derart eingerichtet ist, dass diese in Reaktion auf das empfangene Störsignal gleichzeitig oder mit vorbestimmten Verzögerungszeiten mit der Aktivierung der Bremsvorrichtung auch die Antriebe der Rotorblätter (Pitch-Antriebe) derart ansteuert, dass die Rotorblätter in Richtung der 90°-Stellung oder„Fahnenstellung" verfahren werden. Ein solches „pitchen" der Rotorblätter in Richtung der 90°-Stellung kann ebenso von der Betriebssteuerung der Windenergieanlage oder von der Sicherheitsabschalteinrichtung der Windenergieanlage initiiert, gesteuert oder geregelt werden .
Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Windener- gieanlage mit einem Rotor und einer Bremseinrichtung, wobei die Bremseinrichtung eine mechanische Bremsvorrichtung umfasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung eine Steuerung und zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung umfasst, wobei das Schaltelement redundant und/oder stö- rungssicher ausgeführt ist, wobei das Verfahren dadurch fortgebildet ist, dass die
Steuerung ein Störsignal empfängt und in Reaktion auf den Empfang des Störsignals einen Bremsvorgang auslöst, indem die Steuerung die Bremsvorrichtung mittels des Schaltelements aktiviert und , bevor der Rotor der Windenergieanlage zum Stillstand gekommen ist, deaktiviert.
Auf das Verfahren zum Betreiben der Windenergieanlage treffen gleiche oder ähnliche Vorteile zu , wie sie bereits im Hinblick auf die Windenergieanlage selbst erwähnt wurden , so dass auf Wiederholungen verzichtet wird . Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Schaltelement geöffnet wird , indem dieses stromlos geschaltet wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen , dass die Bremsvorrichtung mittels des Schaltelements für die Dauer eines vorgegebenen Zeitintervalls zu aktiviert oder aktiv gehalten wird und nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls deaktiviert wird. Werte für dieses Zeitintervall sind weiter oben im Text erwähnt, diese sind gemäß weiterer Ausführungsformen bei einem Verfahren gemäß dieser weiteren Ausführungsformen vorgesehen .
Beispielsweise liegt das Zeitintervall zwischen einer Sekunde und 10 Sekunden , insbesondere zwischen 3 Sekunden und 9 Sekunden , ferner insbesondere zwischen 4 Sekunden und 6 Sekunden.
Ferner ist insbesondere vorgesehen , dass die Bremsvorrichtung deaktiviert wird , wenn eine Rotordrehzahl ausgehend von einem Anfangswert, bei dem die Bremsvorrichtung aktiviert wurde, um zumindest 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 70 %, 65 %, 60 %, 55 % oder 50 % abgesunken ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen , dass die Bremsvorrichtung deaktiviert wird , wenn der Rotorblattabstellwinkel zumindest 10°, 15° , 20° , 25° , 30°, 35°, 40° , 45° oder 50° beträgt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass bei Ausfall einer Stromversorgung der Steuerung das Schaltelement mit einem versorgungsunabhängigen Abschaltelement aktiviert oder aktivgehalten wird. Nach Ablauf des vorbestimmten Zeitintervalls wird das Schaltelement deaktiviert. Bei diesem versorgungsunabhängigen Abschaltelement handelt es sich beispielsweise, und wie weiter oben ebenfalls auch bereits erwähnt, um ein mit dem Schaltelement verbundenes Puffermodul, z. B. einen Kondensator.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen , dass ein Generatormoment so gesteuert wird, dass beim Aktivieren und/oder Deaktivieren der Bremsvorrichtung eine durch diesen Vorgang bedingte Drehmomentschwankung in einem Antriebs- sträng verringert wird.
Ferner ist insbesondere vorgesehen , dass die Bremseinrichtung zumindest einen Temperatursensor umfasst, welcher eine Temperatur zumindest eines Reibpartners der Bremsvorrichtung erfasst, wobei fortlaufend von dem Temperatursensor erfasste
Temperaturwerte ausgewertet und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden, wobei die Bremsvorrichtung deaktiviert wird , wenn die erfassten Temperaturwerte den Grenzwert überschreiten . Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen , dass aus zumindest einem der Temperaturwerte eine Bremsenabkühlzeit berechnet wird , wobei ein für die Bremsenabkühlzeit bestimmter Wert indikativ für eine vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage einzuhaltende Wartezeit ist. Ferner ist insbesondere vorgesehen, dass während der Bremsenabkühlzeit die
Windenergieanlage im Trudelbetrieb oder mit geringer Drehzahl betrieben wird . Während des Trudeins / Betriebs mit geringer Drehzahl kühlt die mechanische Bremsvorrichtung schneller ab, so dass sich die Bremsenabkühlzeit verringert und die Windenergieanlage schneller wieder mit voller Leistung ans Netz genommen werden kann .
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass innerhalb des hydraulischen Versorgungskreises eine Druckmessung des hydraulischen Fluids vorgenommen wird . Die Messwerte einer solchen Druckmessung können zur Früherken- nung von Fehlern , beispielsweise Lecks, im Bremssystem herangezogen werden.
Dies erfolgt beispielsweise unter Einsatz einer vereinfachten Nachbildung oder Simulation der Bremse und Überwachung des Bremsdrucks nach dem Beobachterprinzip. So ist es möglich, anhand des aus diesem Beobachter ermittelten Wertes anhand der virtuellen Nachbildung der Bremse den Messwert für den gemessenen
Bremsdruck einer Plausibilitätsprüfung zu unterziehen. Ebenso ist es möglich , anhand des errechneten Beobachters der Bremse die Plausibi lität der Temperaturmessungen zu überprüfen . Durch Einsatz der vereinfachten Nachbildung der Bremse und Überwachung der Temperaturmessung nach dem Beobachterprinzip erfolgt ein Abgleich zwischen der Temperatur der virtuellen Bremse und der tatsächlich an dem zumindest einen Reibpartner der Bremsvorrichtung gemessenen Temperaturen.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele ist vorgesehen , dass in dem hydraulischen Versorgungskreis Drosseln vorhanden sind , so dass gezielt Druckverläufe für den Bremsdruck zu Beginn des Bremsvorgangs und zum Abbau des Drucks gegen Ende des Bremsvorgangs realisiert werden können. Dabei können einzelne Drosselzweige über Rückflussverhinderer (Rückschlagventile) abgeschaltet werden. So werden bei Druckaufbau und bei Druckabbau unterschiedliche Anzahlen von Drosseln durchströmt. Die Anzahl der durchströmten Drosseln verändert sich also in Abhängigkeit von der Fließrichtung. Dies erlaubt voneinander abweichende Öffnungs- und Schließzeiten der Bremse.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich . Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen .
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen :
Fig. 1 eine Windenergieanlage in schematisch vereinfachter Ansicht,
Fig. 2 ein schematisch vereinfachtes hydraulisches Schaltbild einer
Bremseinrichtung und
Fig. 3a) bis 3f) jeweils schematisch über der Zeit aufgetragene beispielhafte
Werte für eine Windgeschwindigkeit (Fig. 3a), einen Rotor- blatteinstellwinkel (Fig. 3b), eine Generatordrehzahl (Fig. 3c), ein mechanisches Bremsmoment der Bremsvorrichtung (Fig. 3d) und ein Turmfußbiegemoment in longitudinaler Richtung (Fig. 3f). In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird . Fig. 1 zeigt in schematisch vereinfachter Ansicht eine Windenergieanlage 2. Ihr Rotor 4 umfasst beispielshaft drei Rotorblätter 6, die sich jeweils zwischen einer Rotorblattwurzel 8 und einer Rotorblattspitze 10 erstrecken . Die Rotorblätter 6 sind an ihrer Rotorblattwurzel 8 an einer Rotornabe 12 befestigt. Diese treibt einen Hauptantriebsstrang der Windenergieanlage 2 an, welcher innerhalb einer in der Fig. 1 nicht sichtbaren Gondel verläuft. Die Gondel wird von einer Tragstruktur 14, beispielsweise einem Turm, getragen.
Die Windenergieanlage 2 umfasst außerdem eine Bremseinrichtung 20, die beispielsweise in der Gondel angeordnet ist. Ein schematisches und vereinfachtes hyd- raulisches Schaltbild der Bremseinrichtung 20 ist in Fig. 2 dargestellt.
Die Bremseinrichtung 20 umfasst eine Bremsvorrichtung, die allgemein mit Bezugszeichen 22 bezeichnet werden soll . Beispielhaft ist eine erste Bremsvorrichtung 22a und eine zweite Bremsvorrichtung 22b vorhanden, die gemeinsam die Bremsvorrich- tung 22 bilden . Bei den mechanischen Bremsvorrichtungen 22a, 22b handelt es sich beispielsweise um Scheibenbremsen . Die Bremsvorrichtung 22 der Bremseinrichtung 20 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel also doppelt (teilredundant) ausgeführt. Hierzu sind beispielsweise die beiden Scheibenbremsen mit der Rotorwelle, welche unmittelbar von dem Rotor 4 der Windenergieanlage 2 angetrieben wird, ge- koppelt. Es ist ebenso vorgesehen , dass die mechanischen Bremsvorrichtungen
22a, 22b indirekt mit dem Rotor 4 der Windenergieanlage 2 gekoppelt sind . Hierzu sind die beiden Scheibenbremsen beispielsweise mit der schnellen Abtriebswelle eines Getriebes der Windenergieanlage 2 mechanisch verbunden . Die Bremseinrichtung 20 umfasst ferner beispielhaft ein erstes hydraulisches
Schaltelement 24a und ein zweites hydraulisches Schaltelement 24b. Es handelt sich beispielhaft um ein erstes Magnetventil , welches das erste Schaltelement 24a bildet, und um ein zweites Magnetventil, welches das zweite Schaltelement 24b bildet. Das erste und das zweite Schaltelement 24a, 24b bilden gemeinsam ein Schaltelement 24 zur Aktivierung und Deaktivierung der Bremsvorrichtung 22. Ebenso wie die erste und die zweite mechanische Bremsvorrichtung 22a, 22b, die gemeinsam auch mit Bezugszeichen 22 bezeichnet werden , sollen das erste und das zweite Schaltelement 24a, 24b gemeinsam mit Bezugszeichen 24 bezeichnet werden .
Das Schaltelement 24 ist redundant in Bezug auf die Druckablassfunktion ausgelegt, indem ein erstes und ein zweites Schaltelement 24a, 24b vorgesehen sind . Gleichzeitig ist das Schaltelement 24 störungssicher ausgeführt. Um diese Funktion zu gewährleisten , werden als erstes und zweites Schaltelement 24a, 24b beispielsweise hydraulische Schaltelemente oder Magnetventile eingesetzt, die im stromlosen Zustand offen in Richtung Vorratsbehältnis 30 sind.
Bezüglich der Beaufschlagung des Bremssystems mit einem Arbeitsdruck sind die Schaltelemente 24a, 24b nicht redundant ausgeführt. Diese Funktion wird ausschließlich vom Ventil 24a bereitgestellt.
Es ist ferner eine Steuerung 26 vorhanden , die dazu eingerichtet ist, ein Störsignal S beispielsweise von der Betriebssteuerung der Windenergieanlage 2 zu empfan- gen. Die Steuerung 26 hat Zugriff auf die Bremseinrichtung 20. Ein Störsignal S wird beispielsweise generiert, wenn eine hohe Überdrehzahl oder eine hohe Belastung der Windenergieanlage 2 eintritt und infolgedessen der Rotor 4 der Windenergieanlage 2 abgebremst wird . Ein solches Szenario tritt möglicherweise auf, wenn ein Fehler im internen oder externen elektrischen System der Windenergieanlage 2 mit einem Ausfall des externen Versorgungsnetzes und einer extremen Einjahresboe zusammentrifft. I n einem solchen Szenario werden auch die Rotorblattverstellantrie- be (Pitch Drives) so angesteuert, dass diese die Rotorblätter 6 der Windenergieanlage 2 in Richtung der 90°- oder Fahnen-Stellung verfahren . So wird der Rotor 4 der Windenergieanlage 2 auch aerodynamisch abgebremst.
Gleichzeitig wird in Reaktion auf das empfangene Störsignal S die Bremsvorrichtung 22 aktiviert. Hierzu wird das Schaltelement 24 entsprechend angesteuert.
Es ist ein wichtiger Aspekt, dass die Steuerung 26 dazu eingerichtet ist, die Brems- Vorrichtung 22 mittels des Schaltelements 24 zu deaktivieren , bevor der Rotor 4 der Windenergieanlage 2 zum Stillstand kommt.
Die mechanische Bremseinrichtung 24 wird impulsartig angesteuert oder betrieben . Die mechanische Bremseinrichtung 24 ist in der Lage, eine effiziente Drehzahl- und
Schubreduzierung zu bewirken , wenn sie für einen begrenzten Zeitraum und zu Beginn des Abbremsvorgangs aktiviert wird. Dieser zeitlich begrenzte Abbremsvorgang trägt zur Verringerung der Gesamtbelastung der Windenergieanlage 2 bei. Gleichzeitig entwickelt die mechanische Bremsvorrichtung 22 keine zu große Abwärme, da sie nicht bis zum Stillstand des Rotors 4 aktiviert bleibt.
Die Bremseinrichtung 20 umfasst einen hydraulischen Versorgungskreis zur Versorgung der Bremsvorrichtung 22. Der hydraulische Versorgungskreis, der in Fig. 2 schematisch und vereinfacht dargestellt ist, umfasst eine hydraulische Versor- gungsquelle 28, beispielsweise eine Hydraulikpumpe. Diese entnimmt hydraulisches
Fluid , beispielsweise ein Hydrauliköl, aus einem Vorratsbehältnis 30. Über einen Arbeitsdruckregler 32, der den Arbeitsdruck pO bereitstellt, wird dem hydraulischen Versorgungskreis von der hydraulischen Versorgungsquelle 28 hydraulisches Fluid zugeführt. Es ist ferner ein Sicherheitsdruckbegrenzer 34 vorgesehen, der den in dem hydraulischen Versorgungskreis vorhandenen Druck auf einen vorgegebenen
Grenzwert begrenzt.
Das hydraulische Fluid gelangt von dem Arbeitsdruckregler 32 zu dem ersten Schaltelement 24a. Ist dieses beispielsweise als Magnetventil ausgeführte erste Schaltelement 24a bestromt und somit zur Druckversorgung der Bremse geöffnet aber in Richtung Vorratsbehältnis 30 geschlossen , gelangt das hydraulische Fluid über die Drossel D1 .0 und die Drossel D1 .1 zu einem ersten Abzweigpunkt 36a. An dem ersten Abzweigpunkt 36a ist ein Druckmembranspeicher 38 in den hydraulischen Versorgungskreis integriert. Von dem ersten Abzweigpunkt 36a gelangt das hydraulische Fluid anschließend zu der ersten und der zweiten mechanischen
Bremsvorrichtung 22a, 22b. An einem weiteren Verzweigungspunkt vor der ersten und der zweiten mechanischen Bremsvorrichtung 22a, 22b ist noch ein Drucksensor 40 vorgesehen , der den Arbeitsdruck p-Br der ersten und zweiten mechanischen Bremsvorrichtung 22a, 22b misst. Parallel zu der Drossel D1 .1 ist außerdem ein Bypass-Druckregler 42 in dem hydraulischen Versorgungskreis integriert. Ebenso ist parallel zu der Drossel D1 .1 eine Drossel D1 .2 und ein Rückflussverhinderer 44 (Rückschlagventil) in den hydraulischen Versorgungskreis integriert.
Indem die Steuerung 26 das erste Schaltelement 24a beispielsweise mit einer Versorgungsspannung von 24 Volt beaufschlagt, wird der zuvor beschriebene Weg für das hydraulische Fluid , ausgehend von der hydraulischen Versorgungsquelle 28 bis zu der mechanischen Bremsvorrichtung 22, freigegeben . Während der Aktivierung der mechanischen Bremsvorrichtung 22 wird gleichzeitig das zweite Schaltelement
24b, also beispielsweise ein zweites Magnetventil bestromt, so dass dieses schließt und einen Rückfluss des hydraulischen Fluids von dem ersten Abzweigpunkt 36a zum Vorratsbehältnis 30 verhindert. Die mechanische Bremsvorrichtung 22 greift ein und entfaltet ihre Wirkung.
Nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls DT, welches mit der Aktivierung der mechanischen Bremsvorrichtung 22 beginnt, und beispielsweise zwischen 1 und 1 0 Sekunden lang ist, oder bei Überschreitung einer zulässigen Grenztemperatur in zumindest einem Reibpartner der Bremsvorrichtung 22 wird das Schaltelement 24 wieder stromlos geschaltet. Das Zeitintervall DT beträgt ferner insbesondere zwischen 3 und 9 Sekunden und beispielsweise zwischen 4 und 6 Sekunden . Wird das Schaltelement 24 stromlos geschaltet, so werden insbesondere das erste und das zweite Schaltelement 24a, 24b stromlos geschaltet. Je nach gewünschter Funktionalität kann es vorteilhaft sein, eines der beiden Schaltelemente 24a, 24b mit einer Verzögerungszeit zu schalten , um beispielsweise eine sanfte Änderung der Bremskraft oder einen bevorzugten zeitabhängigen Verlauf der Bremskraft zu bewirken.
Im stromlosen Zustand öffnen das erste Schaltelement 24a und das zweite Schaltelement 24b. Ausgehend von dem ersten Abzweigpunkt 36a stehen zwischen die- sem und einem zweiten Abzweigpunkt 36b ein erster und ein zweiter fluidischer
Pfad zur Verfügung, über den sich der an der mechanischen Bremsvorrichtung 22 anliegende hydraulische Druck durch Fluss des hydraulischen Fluids in Richtung des Vorratsbehältnisses 30 abbauen kann . Es ist sichergestellt, dass der hydraulische Versorgungskreis zumindest einen fluidischen Pfad und einen dazu parallelen zweiten fluidischen Pfad zwischen der Bremsvorrichtung 22 und dem Vorratsbehältnis 30 umfasst. Das erste hydraulische Schaltelement 24a ist in den ersten Pfad integriert und das zweite hydraulische Schaltelement 24b ist in den zweiten Pfad integriert.
Der erste Pfad führt über die Drossel D1 .2 und das in Flussrichtung, also in Richtung des ersten Schaltelements 24a, durchlässige Rückschlagventil 44 und die Drossel D1 .0 bis zum zweiten Abzweigpunkt 36b. Der zweite Pfad führt vom ersten Abzweigpunkt 36a über die Drossel D2.0 und das stromlos offene zweite Schaltele- ment 24b zum zweiten Abzweigpunkt 36b. Durch die bezüglich des Druckabbaus redundante Auslegung des Schaltelements 24 als ein erstes und ein zweites Schaltelement 24, 24b kann der an der mechanischen Bremsvorrichtung 22 anliegende hydraulische Druck auch bei Totalversagen eines der beiden Schaltelemente 24a, 24b effizient und sicher abgebaut und/oder auf ein sicheres Niveau reduziert wer- den. Die in den hydraulischen Versorgungskreis integrierten Drosseln D1 .0 und D 1 .1 sorgen für den gewünschten Zeitverlauf beim Druckaufbau . Die Drosseln D1 .2 und D2.0 sorgen für den gewünschten Druckverlauf beim Druckabbau. Der erste fluidische Pfad umfasst genauso wie der zweite fluidische Pfad jeweils noch die Verbindungsleitung zwischen dem ersten Abzweigpunkt 36a und der ersten und zweiten mechanischen Bremsvorrichtung 22a, 22b und die Verbindungsleitung zwischen dem zweiten Abzweigpunkt 36b und dem Vorratsbehältnis 30. Auch diese können vorteilhaft redundant ausgeführt werden , sodass die kompletten Verbindungsleitungen von den Bremsvorrichtungen 22a, 22b bis zu dem Vorratsbehälter 30 redundant ausgeführt sind.
Die Steuerung 26 ist dazu eingerichtet, die Bremsvorrichtung 22 mittels des Schaltelements 24 zu aktivieren oder aktiv zu halten . Nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls wird die Bremsvorrichtung 22 deaktiviert. Hierzu ist ein versorgungsunabhängiges Abschaltelement umfasst, welches auch bei Ausfall einer Stromver- sorgung der Steuerung 26 das Schaltelement 24 zunächst aktiviert oder aktiv hält und nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls DT deaktiviert. Zu diesem Zweck ist beispielsweise jeweils ein Kondensator (oder auch ein gemeinsamer Kondensator) in Reihe mit der Spannungsversorgung des ersten und/oder zweiten Schaltelements 24a, 24b geschaltet. Bei Ausfall der Versorgungsspannung entlädt sich der Kondensator über den Ohm'schen Widerstand, beispielsweise des ersten und/oder zweiten Magnetventils. Ist die auf den Kondensatoren vorhandene Ladung soweit abgebaut, dass die anliegende Spannung unter die Haltespannung der Magnetventile sinkt, so öffnen diese von selbst. Für eine durch die Kapazität des Kondensators und die Widerstände der Schaltelemente 24a, 24b vorgegebene Zeitdauer bleibt die Bremsvorrichtung 22 aktiviert. Anschließend schaltet sie selbsttätig ab.
Die Steuerung 26 ist ferner dazu eingerichtet, bei festgestellter fehlerfrei vorhandener Netzeinspeisung ein Generatormoment des im Antriebsstrang der Windenergieanlage 2 vorhandenen Generators so zu steuern , dass beim Aktivieren und/oder Deaktivieren der Bremsvorrichtung 22 eine durch diesen Vorgang bedingte Drehmomentschwankung im Antriebsstrang verringert wird. Beispielsweise wird das Generatordrehmoment bei der Aktivierung der mechanischen Bremsvorrichtung 22 zeitabhängig so verringert, dass die Summe des Generatordrehmoments und des von der mechanischen Bremsvorrichtung 22 aufgebrachten Bremsmoments stets in etwa gleich dem Nenndrehmoment im Triebstrang ist. So kann eine nahezu ruckfreie Auslösung des mechanischen Bremsvorgangs erreicht werden. Gleiches gilt natürlich auch für die Beendigung des Bremsvorgangs.
Die Bremseinrichtung 20, insbesondere die Bremsvorrichtung 22, umfasst ferner zumindest einen Temperatursensor. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind ein erster Temperatursensor TS1 und ein zweiter Temperatursensor TS2 vorgesehen . Der erste Temperatursensor TS1 misst die Temperatur zumindest eines Reibpartners der ersten Bremsvorrichtung 22a. Der zweite Temperatursensor TS2 misst die Temperatur zumindest eines Reibpartners der zweiten Bremsvorrichtung 22b. Werden als Bremsvorrichtung 22a, 22b beispielsweise Scheibenbremsen eingesetzt, so sind die Reibpartner die Bremsscheibe und die Bremsbacken bzw. Bremsbeläge. Mit anderen Worten werden also mit den Temperatursensoren T1 , T2 die Temperaturen der Bremsvorrichtungen 22a, 22b überwacht. Alternativ können auch bei nur einer Bremsvorrichtung 22a, 22b zwei Temperaturen in einander gegenüberliegenden Reibpartnern (z. B. Bremsbelägen) einer einzelnen Bremszange erfasst werden , um die Erfassung des Temperatursignals redundant auszuführen. Die Steuerung 26 ist über nicht dargestellte Datenleitungen in der Lage, Temperaturwerte der Temperatursensoren TS 1 , TS2 auszulesen, zu erfassen und auszuwerten . Überschreiten diese einen vorgegebenen Grenzwert, so wird die Bremsvorrichtung 22 oder zumindest eine der beiden Bremsvorrichtungen 22a, 22b deaktiviert. So kann einer Überhitzung der Bremsvorrichtung 22 wirkungsvoll vorgebeugt werden. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Steuerung 26 ferner dazu eingerichtet ist, aus zumindest einem der Temperaturwerte, welche von den Temperatursensoren TS1 , TS2 erfasst wurden, eine Bremsvorrichtungsabkühlzeit zu berechnen. Ein für diese Abkühlzeit bestimmter Wert ist indikativ für eine vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage 2 einzuhaltende Wartezeit. Mit anderen Worten lässt sich also die Wartezeit aus dem Wert der Bremsvorrichtungsabkühlzeit ableiten . Während die mechanische Bremsvorrichtung 22 abkühlt, kann die Windenergieanlage 2 im Trudelbetrieb oder mit geringer Drehzahl betrieben werden, so dass sich ihr Rotor 4 langsam dreht. Während der Bewegung kühlt die mechanische Bremsvorrichtung 22 schneller ab, als in Ruhe, so dass ein schneller Wiederanlauf oder eine schnellere Wiederaufnahme des Vollastbetriebs der Windenergieanlage 2 möglich ist.
Ein beispielhafter Bremsvorgang während eines Verfahrens zum Betreiben einer Windenergieanlage 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel wird anhand der Fig. 3a bis 3f erläutert.
Die Fig. 3a bis 3f sind über der gleichen Zeitskala in Sekunden dargestellt. Für alle Figuren ist diese beispielhaft in Fig. 3f gezeigt. Fig. 3a zeigt die Windgeschwindigkeit in Meter pro Sekunde. Fig. 3b zeigt einen Ro- torblatteinstellwinkel oder Pitchwinkel in Grad . Fig. 3c zeigt eine Generatordrehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min). Die mit A bezeichnete Kurve zeigt den Verlauf der Generatordrehzahl ohne Eingriff einer mechanischen Bremsvorrichtung . Die mit B bezeichnete Kurve zeigt den Verlauf der Generatordrehzahl über der Zeit unter Verwendung einer mechanischen Bremsvorrichtung. Fig. 3d zeigt den zeitlichen Verlauf eines mechanischen Bremsmoments in Kilonewtonmeter (kN m). Zu einem ersten Zeitpunkt T1 wird die mechanische Bremsvorrichtung aktiviert. Zu einem zweiten Zeitpunkt T2 ist diese wieder vollständig deaktiviert. Der Verlauf der dargestellten Bremsmomente ist beispielsweise von der Steuerung 26 über die Stellung der Schaltelemente 24 aktiv gesteuert und/ oder durch die Dimensionierung der Drosseln festeingestellt.
Fig. 3f zeigt ein Turmfußbiegemoment in longitudinaler Richtung in Kilonewtonmeter (kNm). Wiederum ist der Verlauf des Turmfußbiegemoments für einen Fall dargestellt, dass die mechanische Bremsvorrichtung nicht verwendet wird. Diese Kurve ist mit A bezeichnet. Mit B ist die Kurve bezeichnet, welche sich unter Einsatz der mechanischen Bremse ergibt. Die deutliche Verringerung der maximalen Belastung der Tragstruktur 14 der Windenergieanlage 2 ist am geringeren Ausschlag der Kurve B im Vergleich zur Kurve A an den jeweiligen Maxima des Turmfußbiegemoments zu erkennen .
Die Steuerung 26 deaktiviert die Bremsvorrichtung 22 bevor der Rotor 4 der Windenergieanlage 2 zum Stillstand gekommen ist (vgl. hierzu Fig. 3c und 3d). Obwohl die mechanische Bremse nur für einen relativ geringen Zeitraum, nämlich die Zeitspanne DT zwischen den Zeitpunkten T1 und T2 aktiviert ist, ergibt sich eine signifikante Verringerung der maximalen Belastung der Windenergieanlage 2.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind , werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen . Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein . I m Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere" oder„vorzugsweise" gekennzeichnet sind , als fakultative Merkmale zu verstehen .
Bezuqszeichenliste
Windenergieanlage
Rotor
Rotorblatt
Rotorblattwurzel
Rotorblattspitze
Rotornabe
Tragstruktur
Bremseinrichtung
Bremsvorrichtung
erste mechanische Bremsvorrichtung zweite mechanische Bremsvorrichtung
Schaltelement
erstes Schaltelement
zweites Schaltelement
Steuerung
hydraulische Versorgungsquelle Vorratsbehältnis
Arbeitsdruckregler
Sicherheitsdruckbegrenzer
erster Abzweigpunkt
zweiter Abzweigpunkt
Druckmembranspeicher
Drucksensor
Bypass-Druckregler
Rückflussverhinderer
0 Drossel
erster Temperatursensor
zweiter Temperatursensor
T1 erster Zeitpunkt
T2 zweiter Zeitpunkt
DT Zeitintervall ρθ Arbeitsdruck S Störsignal

Claims

Patentansprüche
Windenergieanlage (2) mit einem Rotor (4) und einer Bremseinrichtung (20), wobei die Bremseinrichtung (20) eine mechanische Bremsvorrichtung (22) um- fasst, die mit dem Rotor mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung (20) zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement (24) zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung (22) um- fasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (24) redundant und/oder störungssicher ausgeführt ist, wobei eine Steuerung (26) umfasst ist, die dazu eingerichtet ist, ein Störsignal (S) zu empfangen und in Reaktion auf das empfangene Störsignal (S) das Schaltelement (24) und dadurch die Bremsvorrichtung (22) zu aktivieren , wobei die Steuerung (26) ferner dazu eingerichtet ist, die Bremsvorrichtung (22) mittels des Schaltelements (24) zu deaktivieren, bevor der Rotor (4) der Windenergieanlage zum Stillstand kommt.
Windenergieanlage (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das störungssichere Schaltelement (24) ein hydraulisches Schaltelement (24) ist, welches im stromlosen Zustand offen ist.
Windenergieanlage (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (24) eine hydraulisch betriebene Bremsvorrichtung (24) ist und die Bremseinrichtung (20) einen hydraulischen Versorgungskreis zur Versorgung der Bremsvorrichtung (22) mit einem hydraulischen Fluid umfasst, wobei der hydraulische Versorgungskreis zumindest ein erstes und ein hydraulisch parallel dazu geschaltetes zweites hydraulisches Schaltelement (24a, 24b) umfasst, welche eine redundante Auslegung des Schaltelements (24) bilden.
Windenergieanlage (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Versorgungskreis die Bremsvorrichtung (22) mit einer hydraulischen Versorgungsquelle (28) und mit einem Vorratsbehältnis (30) verbindet, wobei der hydraulische Versorgungskreis zumindest einen ersten fluidischen Pfad und einen dazu parallelen zweiten fluidischen Pfad zwischen der Brems- Vorrichtung (22) und dem Vorratsbehältnis (30) umfasst, und wobei das erste hydraulische Schaltelement (24a) in den ersten Pfad und das zweite hydraulische Schaltelement (24b) in den zweiten Pfad integriert ist.
Windenergieanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26) dazu eingerichtet ist, die Bremsvorrichtung (22) mittels des Schaltelements (24) nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls (DT) zu deaktivieren .
Windenergieanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26) ein versorgungsunabhängiges Abschaltelement umfasst, welches dazu eingerichtet ist, bei Ausfall einer Stromversorgung der Steuerung (26) das Schaltelement (24) für die Dauer eines vorgegebenen Zeitintervalls zu aktivieren oder aktiv zu halten und nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls (DT) zu deaktivieren.
Windenergieanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Windenergieanlage (2) eine Abschalteinrichtung umfasst, die das Störsignal (S) erzeugt, welches die Steuerung (26) empfängt.
Windenergieanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26) ferner dazu eingerichtet ist, ein Generatormoment so zu steuern, dass beim Aktivieren und/oder Deaktivieren der Bremsvorrichtung (22) eine durch diesen Vorgang bedingte Drehmomentschwankung in einem Antriebsstrang verringert wird.
Windenergieanlage (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (20) zumindest einen Temperatursensor (T1 , T2) umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, eine Temperatur zumindest eines Reibpartners der Bremsvorrichtung (22) zu erfassen , wobei die Steuerung (26) ferner dazu eingerichtet ist, fortlaufend von dem Temperatursensor (T1 , T2) erfasste Temperaturwerte auszuwerten, mit einem vorgegebenen Grenzwert zu vergleichen und die Bremsvorrichtung (22) zu deaktivieren , wenn die erfassten Temperaturwerte den Grenzwert überschreiten .
10. Windenergieanlage (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26) ferner dazu eingerichtet ist, aus zumindest einem der Temperaturwerte eine Bremsvorrichtungsabkühlzeit zu berechnen , wobei ein für diese Abkühlzeit bestimmter Wert indikativ für eine vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage (2) einzuhaltende Wartezeit ist.
1 1 . Verfahren zum Betreiben einer Windenergieanlage (2) mit einem Rotor (4) und einer Bremseinrichtung (20), wobei die Bremseinrichtung (20) eine mechanische Bremsvorrichtung (22) umfasst, die mit dem Rotor (4) mechanisch gekoppelt ist, und wobei die Bremseinrichtung (20) eine Steuerung (26) und zumindest ein elektrisches und/oder hydraulisches Schaltelement (24) zur Aktivierung und/oder Deaktivierung der Bremsvorrichtung (22) umfasst, wobei das Schaltelement (24) redundant und/oder störungssicher ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (26) ein Störsignal (S) empfängt und in Reaktion auf den Empfang des Störsignals (S) einen Bremsvorgang auslöst, indem die Steuerung (26) die Bremsvorrichtung (22) mittels des Schaltelements (24) aktiviert und, bevor der Rotor (4) der Windenergieanlage (2) zum Stillstand gekommen ist, deaktiviert.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (24) geöffnet wird , indem dieses stromlos geschaltet wird .
13. Verfahren nach Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremsvorrichtung (22) mittels des Schaltelements (24) nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls (DT) deaktiviert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zeitintervall (DT) zwischen 3 Sekunden und 9 Sekunden , insbesondere zwischen 4 Sekunden und 6 Sekunden beträgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausfall einer Stromversorgung der Steuerung (26) das Schaltelement (24) mit einem versorgungsunabhängigen Abschaltelement für die Dauer eines vorgegebenen Zeitintervalls zu aktiviert oder aktiv gehalten wird und nach Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls (DT) deaktiviert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei festgestellter fehlerfrei vorhandener Netzeinspeisung ein Generatormoment so gesteuert wird , dass beim Aktivieren und/oder Deaktivieren der Bremsvorrichtung (22) eine durch diesen Vorgang bedingte Drehmomentschwankung in einem Antriebsstrang verringert wird .
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (20) zumindest einen Temperatursensor (TS 1 , TS2) um- fasst, welcher eine Temperatur zumindest eines Reibpartners der Bremsvorrichtung (22) erfasst, wobei fortlaufend von dem Temperatursensor (TS 1 , TS2) erfasste Temperaturwerte ausgewertet und mit einem vorgegebenen Grenzwert verglichen werden , wobei die Bremsvorrichtung (22) deaktiviert wird, wenn die erfassten Temperaturwerte den Grenzwert überschreiten .
8. Verfahren nach Anspruch 1 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus zumindest einem der Temperaturwerte eine Bremsenabkühlzeit berechnet wird , wobei ein für die Bremsenabkühlzeit bestimmter Wert indikativ für eine vor einem erneuten Wiederanlauf der Windenergieanlage (2) einzuhaltende Wartezeit ist.
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