KR20170085565A - 전기기계식 구동 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가동 구성요소(3)를 작동시키기 위한 적어도 하나의 전기기계식 구동 유닛(2)을 구비한 전기기계식 구동 시스템(1)을 제공한다. 전기기계식 구동 유닛(2)은 구동 유닛 제어 신호들(DA)을 수신하기 위한 구동 유닛 인터페이스(20), 구성요소(3)를 작동시키기 위한 작동 신호들(AS)에 의해 제어되는 전기기계식 모터(21), 안전 모듈(4) 및 제1 데이터 접속부(51)를 통해 안전 모듈에 접속되는 위치 센서(5)를 포함한다. 위치 센서는 작동되는 구성요소(3) 및/또는 모터(21)의 구성요소(3) 및/또는 모터(21) 위치 및/또는 속력을 모니터링(S1)하도록 적응되고; 여기서 안전 모듈(4)은 구동 유닛 제어 신호(DA)를 수신하기 위한 구동 유닛 인터페이스(20)에 접속되고, 여기서 안전 모듈은 구성요소(3)를 작동(A)시키기 위한 작동 속력 및 원하는 구성요소 위치와 같은 작동 신호들(AS)을 모터 제어 유닛(22)에 송신하기 위해 제3 데이터 접속부(41)를 통해 모터 제어 유닛(22)에 접속된다. 안전 모듈(4)은 안전 기능(SF)으로서 적어도 휴지 또는 중립 위치(FP)에서의 구성요소(3)의 작동(A)을 포함하고, 이에 의해 안전 모듈(4)은 위치 센서(5)로부터 수신된 센서 데이터에 기초하여 구성요소(3)가 그의 휴지 또는 중립 위치(FP)에 도달할 때까지 구성요소(3)를 계속 작동시킬지 또는 구성요소(3)의 작동을 정지시킬지를 결정하도록 구성된다.
Description
본 발명은 전기기계식 구동 시스템 및 이러한 구동 시스템뿐만 아니라 이러한 구동 시스템들을 각각이 포함하는 피치(pitch) 시스템 및 풍력 터빈을 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.
구성요소들이 작동, 예컨대 이동 또는 회전되어야 하는 몇몇 응용예들이 있다. 위치 및 작동 역학이 장치, 시스템 또는 환경 안전에 큰 영향을 미치는 구성요소들의 경우에, 구성요소는 안전 관련 구성요소이며 높은 무결성 및 신뢰성으로 그의 작동이 수행되어야 한다. 높은 안전 요건들을 충족시키는 이러한 구동 구성요소들은 진단 기능들에 의해 지원되는 랜덤 제어 에러들 및 계통 에러들을 회피하기 위해 신중하게 설계 및 테스트되어야 한다. 안전 요건들을 충족시키기 위해, 상업적으로 입수가능한 전기기계식 구동부들은, 추가적인 고비용의 피드백 제어 회로들 및 고비용이고 고도로 신뢰성 있는 제어 소프트웨어를 포함한, 비용 집약적인 높은 기계적 정밀도로 제조되는 구성요소들을 사용하는 고도로 진보된 모터들 및 모터 제어 유닛들을 포함한다. 결과적인 구동 구성요소들은 이에 따라 높은 개발 및 설계 비용뿐만 아니라 높은 제조 비용을 갖는다.
EP 2 372 478 A2호로부터, 모터에 대한 전력 공급 제어를 수행하도록 구성된 모터 제어부를 포함하는 안전 모듈 및 모터 제어기가 공지되어 있고, 여기서 안전 제어기는 제1 및 제2 센서를 감시한다. 안전 모듈은 모터 제어기에 추가적으로 접속되는 기능 확장기이다. 모터 구동 시스템은 제1 도어를 구비한 제1 안전 펜스에 의해 둘러싸여 있다. 제1 안전 펜스는 제2 도어를 구비한 제2 안전 펜스에 의해 둘러싸여 있다. 제2 센서가 안전 모듈에게 제2 도어가 열려 있음을 통지하는 경우에, 안전 모듈은 예방책으로서 모터를 감속시킬 것이다. 제1 센서가 안전 모듈에게 제1 도어가 열려 있음을 통지하는 경우에, 안전 모듈은 모터를 정지시킬 것이다.
US 7,911,333 B2호는 센서를 포함하는 기계의 모션 모니터링을 위한 방법을 기술하고, 센서 신호는 센서로부터 제어기 또는 구동 장치, 즉, 3개의 독립적인 모니터링 장치들을 포함하는 페일세이프(failsafe) 제어기 또는 구동 장치로 송신되어 위험한 모션들로부터 기계 동작을 보호하게 한다. 공지된 구동 장치는 고장이 발생하는 경우에 중복성(redundancy)을 증가시키기 위해 2개의 셧다운 경로들을 갖는다.
보다 낮은 비용으로 제조될 수 있는, 동일한 레벨의 안전을 제공하는 전기기계식 구동부들을 획득하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 목적은 안전 관련 구성요소들을 작동시키기 위한 구동 시스템을 제공하는 것이고, 이 구동 시스템은 저비용으로 동시에 용이하게 구현가능한 높은 레벨의 신뢰성 및 무결성으로 이들 구성요소들을 작동시키기 위한 안전 요건들을 충족시킨다.
이 목적은 가동(movable) 구성요소를 작동시키기 위한 적어도 하나의 전기기계식 구동 유닛을 구비한 전기기계식 구동 시스템에 의해 해결되고, 전기기계식 구동 유닛은 구동 유닛 제어 신호들을 수신하기 위한 구동 유닛 인터페이스, 구성요소를 작동시키기 위한 작동 신호들에 의해 제어되는 전기기계식 모터, 안전 모듈 및 안전 모듈에 제1 데이터 접속부를 통해 접속되는 위치 센서를 포함하고, 위치 센서는 작동되는 구성요소 및/또는 모터의 구성요소 및/또는 모터 위치 및/또는 속력을 모니터링하도록 적응되고; 여기서 안전 모듈은 구동 유닛 제어 신호를 수신하기 위한 구동 유닛 인터페이스에 접속되고, 여기서 안전 모듈은 구성요소를 작동시키기 위한 작동 속력 및 원하는 구성요소 위치와 같은 작동 신호들을 모터 제어 유닛에 송신하기 위해 제3 데이터 접속부를 통해 모터 제어 유닛에 접속된다. 안전 모듈은 안전 기능들로서 휴지(resting) 또는 중립 위치에서의 구성요소의 작동을 적어도 구현하였다. 안전 모듈은 위치 센서로부터 수신된 센서 데이터에 기초하여 구성요소가 그의 휴지 또는 중립 위치에 도달할 때까지 구성요소를 작동시킬지 또는 구성요소의 작동을 정지시킬지를 결정하도록 구성된다.
전기기계식 구동 시스템은 구성요소를 작동시키기 위한 임의의 시스템일 수 있고, 여기서 작동은 소정 타입의 작동으로 제한되지 않는다. 예를 들어, 작동들은 하나 이상의 방향들로의 선형 이동들 또는 회전들, 예컨대 선형 이동들의 경우에는 전방 및/또는 후방으로의 이동들 또는 회전들의 경우에는 우측 및/또는 좌측으로의 회전들일 수 있고, 여기서 본 발명들에 따른 전기기계식 구동 시스템은 구성요소의 작동의 신뢰성 및 무결성이 구성요소를 동작시키는 것에 대해 안전 관련되고 대응하는 진단 조치들이 준비되어 있는 응용예들로 제한된다. 이들 경계 조건들은 적어도 구성요소의 안전한 작동을 보장하는 위치 센서 및 안전 모듈의 존재에 의해 충족되고, 여기서 "안전한" 및 "안전"이라는 용어들은 IEC 61508 표준 및/또는 IEC 13849 표준에 따라 개발된 이러한 안전 관련 응용들을 위한 그러한 시스템들의 릴리스에 대한 안전 요건들을 충족시키기에 충분한 정도의 신뢰성, 무결성 및 진단들로 수행되어야 하는 작동들을 수행 및/또는 제어하기에 적합한 구성요소들을 나타낸다. 전기기계식 구동 시스템을 포함하는 풍력 터빈들에 대한 피치 시스템의 경우에, 전기기계식 구동 시스템은 풍력 터빈들에 대한 IEC 61400 표준에 따라 개발된다. 그와 대조적으로 "종래의"라는 용어는 구성요소의 작동을 위해 다른 추가적인 구성요소들에 의한 지원 없이 충분한 신뢰성, 무결성 및 진단들을 제공하기 위한 임의의 특정 안전 표준에 적응되지 않는 종래의 모터 제어 유닛, 종래의 전력 유닛 및 종래의 측정 유닛과 같은 구성요소들을 나타낸다.
본 발명에 따른 전기기계식 구동 유닛은 가동 구성요소를 작동시키기 위한 안전 요건들을 충족시키지만, 이 유닛은 또한, 본 발명에 따라 특정된 방식의, 안전한 구성요소들, 여기서는 안전 모듈 및 위치 센서와의 그의 상호작용으로 인해 전기기계식 구동 유닛의 전체 신뢰성, 무결성 및 진단들(=안전)을 제공하는 종래의 구성요소들을 포함한다. 이 문헌에서는, 이후, 안전 모듈에 접속되는 위치 센서는 위치 센서가 안전 모듈에 직접 접속되므로 안전 위치 센서라고 지칭된다. 따라서, 그것은 다른 위치들에 존재할 수 있지만 안전 모듈에 직접 접속되지 않는 다른 위치 센서들과 혼동되어서는 안 된다. 소정의 안전 무결성 레벨을 달성하기 위해, 안전 위치 센서가 또한 앞서 언급된 것들과 같은 안전 요건들을 충족시키는 것이 필요할 수 있다.
구성요소를 작동시키기 위한 전기기계식 모터는 임의의 적합한 모터일 수 있다. 모터는 전기기계식 구동 시스템에 의해 충족되어야 하는 안전 표준들을 준수할 필요가 없다. 전기기계식 모터에 전력공급하기 위한 종래의 전력 유닛은 모터에 전력을 공급하여 전기기계식 모터에 대한 전력 요건들을 제공하기에 적합한 임의의 전력 유닛일 수 있다. 일례로서, 종래의 전력 유닛은 증폭기들, 인버터들, 게이트 구동부들 및 브레이크들 및 모터로의 최종 전력 출력부들을 포함할 수 있다. 시스템에 전력공급하기 위한 전력원은 내부 전력원, 예컨대 배터리이거나, 또는 적합한 접속부를 통해 전기기계식 구동 시스템에 접속되는 외부 전력원, 예컨대 그리드일 수 있다. 종래의 모터 제어 유닛 및 종래의 전력 유닛은 단일 또는 결합 PCB 상에 배열될 수 있다.
종래의 모터 제어 유닛은 모터를 작동시키는 것, 예컨대 구성요소의 소정 작동이 실행될 때까지 특정된 속력으로 모터를 회전시키는 것, 이 속력을 변화시키는 것, 모터를 감속시키는 것 및/또는 모터를 정지시키는 것(모터를 제동하는 것)을 위한 신호들을 나타내는 모터 제어 신호들을 통해 요구된 작동들 또는 정지들을 실행하기 위해 모터를 제어하기에 적합한 임의의 제어 유닛일 수 있다. 모터 속력에 관한 모터 제어 신호들은 PWM 신호들로서 출력될 수 있고, 브레이크 동작들에 관한 모터 제어 신호들은 PWM 브레이크 제어 신호들로서 출력될 수 있다. 일례로서, 모터 브레이크는 홀딩 영구 자석 브레이크일 수 있다. 펄스 폭 변조(PWM)는 변조기 신호 정보에 기초하여 전기 펄스의 (시간에 있어서의) 폭을 제어하는 변조 기법이다. 이 변조는 전기 장치들, 특히 모터들과 같은 관성 부하들에 공급되는 전력의 제어를 가능하게 하기 위해 주로 이용된다.
종래의 모터 제어 유닛에서, 종래의 모터 제어 유닛의 모터 제어 인터페이스는 구동 유닛 인터페이스에 직접 접속된다. 따라서, 구동 유닛 인터페이스를 통해 수신되는 종래의 구동 유닛 구동 제어 신호들은 작동 신호들 또는 작동 명령들로서 각각 모터 제어 유닛에 직접 이송되는 작동 신호들을 형성한다. 이러한 개념의 안전 모듈은 실제적으로 제2 데이터 접속부를 형성하는 구동 유닛 인터페이스에 그리고 제3 데이터 접속부, 예컨대 데이터 버스를 통해 종래의 모터 제어 유닛에 접속된다. 따라서, 안전 모듈은 하나 이상의 안전 기능들에 따른 소정 방식으로 소정 위치들에 대한 구성요소 작동을 실행하기 위해 요구된 입력 데이터를 제공하는 데이터원(data source)과 종래의 모터 제어 유닛 사이의 중간자 장치로서 역할을 한다. 데이터원은 중앙 유닛과 같은 외부 데이터원일 수 있고, 여기서 그에 응답하여, 작동 속력 및 원하는 구성요소 위치와 같은 작동 신호들이 안전 모듈로부터 종래의 모터 제어 유닛으로 송신된다. 안전 모듈 상에서 구현되는 안전 기능들은 구성요소의 안전한 작동을 보장하여 작동들의 신뢰성, 무결성 및 진단들을 보장한다. 따라서, 안전 모듈은, 구성요소의 위치 및/또는 속력을, 기준 신호 및 (안전한 위치 및/또는 속력 데이터를 제공하는) 안전 위치 센서로부터 수신되는 센서 신호들로부터 결정되는 대응하는 데이터와 비교하는 것을 통해 모니터링한다. 안전 규칙들 중 어느 것도 위반되지 않고 안전 위치 센서 데이터가 모터 구동 유닛 또는 안전 위치 센서 자체의 오작동을 표시하지 않는 경우, 안전 모듈은 제3 데이터 접속부에 투명하게 제2 데이터 접속부를 통해 수신되는 작동 명령들을 전달할 수 있다.
안전 위치 센서로부터의 센서 데이터를 사용하면, 안전 모듈은 안전 위치 센서로부터의 정보가 신뢰되어야 하는지, 모터 측정 유닛으로부터의 정보가 신뢰되어야 하는지 또는 이들 정보 중 어느 것도 신뢰되어서는 안 되는지를 판정하기 위한 타당성 검사들을 수행할 수 있게 된다. 이 타당성 검사의 결과로서, 안전 모듈은 정상 동작을 계속할 것, 비상 상황에 들어가서 구성요소가 휴지 또는 중립 위치에 도달할 때까지 구성요소를 작동시킬 것, 또는 심지어, 타당성 검사가 구성요소를 휴지 또는 중립 위치로 계속 작동시키려고 시도하는 것이 너무 위험함을 시사하는 경우에는 구성요소를 정지시킬 것으로 결정할 수 있다. 안전 규칙들이 위반되거나 또는 안전 위치 센서가 에러 신호를 통해 그 자신의 센서 신호가 신뢰할 수 없다고 표시하는 경우에, 안전 모듈은 안전 규칙들의 위반의 오작동의 중대성에 따라 그의 데이터 구동 유닛 인터페이스를 통해 수신되는 제어 신호들을 변경하고 변경된 신호들 또는 명령들을 제3 데이터 접속부를 통해 모터 제어 유닛에 송신할 것 또는 전기기계식 모터를 즉시 정지시키기 위한 신호들 또는 명령들을 생성할 것을 결정할 수 있다. 모터 제어 신호 또는 모터 제어 명령들의 변경은 심지어 모터의 속력을 증가시키는 것을 포함할 수 있다.
위치 센서들이라는 용어는 엔지니어링에서 전반적으로 공지되어 있는 용어로, 기준 위치로부터 시작하여 감시되는 구성요소에 의해 이동된 거리를 측정하기 위한 센서들을 기본적으로 기술한다. 구성요소가 그의 기준 또는 초기 위치로부터 얼마나 멀리 변위되었는지는 위치 센서에 의해 절대 값으로서 또는 증분 값으로서 감지된다. 감시되는 구성요소의 모션의 함수로서, 위치 센서들은 선형 위치 또는 각 위치(angular position)를 측정할 수 있다. 또한, 측정된 변위의 시간을 고려하여 임의의 위치 센서의 센서 데이터는 감시되는 구성요소의 속력 정보 또는 가속도 정보로 변환될 수 있다는 것도 널리 공지되어 있다. 이것은 가역 함수이므로, 적어도 하나의 기준점이 제공될 때 위치를 계산하기 위해 모든 속력 정보 또는 가속도 정보가 사용될 수 있다. 따라서, 위치 센서라는 용어는 작동되는 구성요소의 위치의 표시를 직접적으로 또는 간접적으로 (기준점, 속력 또는 가속도 정보를 통해) 제공하는 모든 종류의 센서들을 커버해야 한다.
안전 위치 센서로부터 안전 모듈로 송신되는 위치 및/또는 속력 데이터를 포함하는 센서 신호들은 작동되는 구성요소의 측정된 구성요소 위치 및/또는 속력에 기초할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 안전 위치 센서로부터 송신되는 데이터는 모터로부터 측정되는 데이터가 안전 요건들을 충족시키기에 충분한 정도의 신뢰성 및 무결성을 제공하는 한 모터의 측정된 모터 위치 및/또는 속력에 기초할 수 있다. 여기서, 안전 위치 센서는 모터 샤프트에 부착될 수 있고, 여기서 샤프트 위치 및 속력과 구성요소 위치 및 속력 사이에 직접적인 상관관계가 존재한다. 일부 응용예들에서, 작동되는 구성요소는 예를 들어 기어 박스와 같은 변속기에 의해 전기기계식 모터에 간접적으로 접속될 수 있다. 변속기들은 작동되는 구성요소의 속력을 증가시키거나 또는 구성요소를 작동시키기 위한 토크를 증가시키는 데 사용될 수 있다. 변속기의 변속비를 고려하여 모터 위치 및/또는 속력으로부터 구성요소 위치 및/또는 속력을 계산하기 위해 센서 신호들이 안전 모듈에 의해 추가로 프로세싱된다.
일 실시예에서, 안전 위치 센서는 위치 인코더, 바람직하게는 구성요소의 회전 위치를 아날로그(예를 들어, 아날로그 직교) 또는 디지털(예를 들어, 디지털 직교, 32비트 병렬, 또는 USB) 전자 신호로 컨버팅하는 안전한 로터리 인코더이거나 또는 구성요소의 선형 위치를 전자 신호로 유사하게 컨버팅하는 선형 인코더로서, 제1 데이터 접속부로서 IEC 61508 표준에 따라 개발된 FS 버스 인터페이스를 통해 안전한 절대 위치 및/또는 속력 및 결함 스테이터스(status) 데이터를 안전 모듈에 제공한다. FS 버스는 IEC 61784-3 또는 그의 대응하는 추가적인 사양 IEC 61784-3-x를 준수하는 임의의 안전한 버스 기반 데이터 통신 프로토콜을 나타낸다. 작동들로서의 회전들을 위한 로터리 인코더의 경우에 안전 위치 센서는 SIL 정격 다회전 인코더일 수 있다. 안전 위치 센서에 의해 제공되는 위치 및/또는 속력 데이터는 또한 안전한 위치 및/또는 속력 데이터로서 나타내어진다. 소정의 안전 무결성 레벨에 대해 승인되는 위치 디코더들 중 일부는 이들 자신의 적절한 기능을 감시한다. 이들 위치 센서들이 오작동을 검출하거나 또는 이들이 제공한 데이터가 결함이 있을 수 있는 경우에, 이들 센서들은 에러 신호 또는 에러 코드를 각각 생성한다. 에러 없는 동작을 표시하는 페일세이프 장치가 실제로 에러가 없다는 절대적인 보장은 없지만, 통계적 접근법으로부터 에러 없는 동작을 표시하는 페일세이프 장치의 결과들은 이러한 정보를 제공하지 않는 센서보다 더 신뢰될 수 있다.
제1 안전 기능은 비상 상황에서 구성요소를 휴지 또는 중립 위치에서 작동시킨다. 이 휴지 또는 중립 위치는 구성요소가 손상되지 않고 구성요소 주위의 환경이 구성요소에 의해 또는 구성요소의 오작동들에 의해 위험에 처해지지 않을 위치를 나타낸다. 일례로서, 풍력 터빈들의 경우에 제1 안전 기능은 로터 블레이드들의 페더링(feathering) 위치를 확립하기 위해 바람으로부터 로터 블레이드들을 회전시키는 안전한 페더링 작업을 나타낸다.
안전 모듈에 의한 안전 기능들의 실행을 위해, 안전 모듈은 하나 이상의 프로그램된 절차를 실행하는 것 및/또는 프로그램된 절차들을 실행하기 위해 안전 모듈 상에 설치된 반도체 구성요소들을 제어하는 것이 가능한 하나 이상의 프로세서들 또는 컴퓨터 칩들을 포함한다. 안전 모듈의 필요한 구성요소들은 프로그램된 절차들을 실행하기 위해 직접적으로 또는 간접적으로 안전 모듈 내의 인터페이스들을 통해 또는 전기기계식 구동 유닛의 다른 구성요소들에 접속된다.
안전 관련 구성요소들을 작동시키기 위해 제공된 전기기계식 구동 시스템은 저비용으로 동시에 용이하게 구현가능한 높은 레벨의 신뢰성, 무결성 및 진단들로 이들 구성요소들을 작동시키기 위한 안전 요건들을 충족시키는데, 이는 모터 및 제어 구성요소들 예컨대 모터 제어 유닛, 전력 유닛 및 측정 유닛이 종래의 구성요소들로서 사용될 수 있기 때문이고, 이 종래의 구성요소들은 낮은 제조, 테스팅 및 릴리스 노력으로 구현가능하여 종래의 구성요소들의 제조 및 구현 비용을 낮춘다. 안전 기능들은 단지 2개의 구성요소들, 즉, 안전 모듈 및 안전 위치 센서 내에서 구현되어 안전한 전기기계식 구동 유닛의 전체 비용을 감소시킨다. 이는 종래의 구성요소들을 제어하기 위한 공통 소프트웨어가 사용될 수 있으므로, 적용된 구성요소 소프트웨어에 대한 개발 비용을 상당히 감소시킨다. 또한, 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템은 안전 기능들이 현재 위치에서 대응하는 구성요소를 정지시키는 것뿐만 아니라 구성요소를 현재 위치로부터 안전한 위치로 구동시킬 수 있는 것으로 제한되지 않는 안전한 구동 시스템을 제공하여 안전한 방식으로 구성요소의 이동 및 정지의 조합을 제공한다.
일 실시예에서, 안전 모듈 상에서 구현되는 안전 기능들은 하기 기능들, 즉, 구성요소의 위치가 허용된 위치 범위 내에 있다는 것을 보장하기 위한 안전 제한 위치 제어(safe-limited-position-control) 기능, 작동되는 구성요소의 속력이 최대 속력을 초과하지 않는다는 것을 보장하기 위한 안전 제한 속력 제어(safe-limited-speed-control) 기능, 구성요소가 원하는 방향으로 작동된다는 것을 보장하기 위한 안전 방향 제어(safe-direction-control) 기능, 구성요소에 적용된 토크가 제로라는 것을 보장하기 위한 안전 토크 오프 제어(safe-torque-off-control) 기능, 모터의 브레이크가 적용된다는 것을 보장하기 위한 안전 브레이크 제어(safe-brake-control) 기능 및/또는 다른 안전 기능들에 따라 정지 절차의 실행을 보장하기 위한 안전 정지 제어(safe-stop-control) 기능 중 하나 이상의 안전 기능들을 추가로 포함하고, 여기서 안전 모듈은 구현되는 안전 기능들을 실행하기 위해 적절히 적응(또는 설계)된다. 안전 기능들은 안전 모듈 내의 기능 관련 소프트웨어를 실행하기 위한 프로세서들을 포함하는 적합한 하드웨어/소프트웨어 모듈들로서 구현된다. 이들 안전 기능들을 적용하면 구성요소가 모든 가능한 상황들에 대해 안전 모드에서 제어될 수 있다.
안전 제한 위치 제어 기능은 구성요소들이 정의된 위치 범위 내에 머무르도록 구성요소 위치를 모니터링한다. 예컨대 작동되는 구성요소로서의 풍력 터빈의 로터 블레이드들의 경우에, 제한된 위치 범위는 0°와 90° 사이의 블레이드 위치이고, 여기서 90°는 페더링 위치를 나타내고 0°는 바람이 로터 블레이드에 최대 하중을 인가하는 위치를 나타낸다. 안전 제한 속력 제어 기능은 구성요소를 작동시키는 모든 모드들 동안 구성요소의 작동 속력을 연속적으로 모니터링한다. 예컨대 작동되는 구성요소로서의 풍력 터빈의 로터 블레이드들의 경우에, 블레이드를 그의 종축을 중심으로 회전시키기 위해 허용가능한 최대 속력은 6°/초이다. 안전 방향 제어 기능은 구성요소의 이동 방향, 예컨대 선형 이동들의 경우에는 전방 또는 후방으로 또는 회전들의 경우에는 우측 또는 좌측으로의 방향을 모니터링한다. 안전 토크 오프 제어 기능은 구성요소에 제로 토크를 제공하기 위해 대응하는 모터 제어 신호를 차단함으로써 전기기계식 모터로부터 전력을 제거하고 이들 다른 안전 기능들의 일부로서 다른 안전 기능에 의해 사용될 수 있다. 예를 들어, 안전 브레이크 제어 기능은 브레이크가 맞물리게 전원차단될 필요가 있는 브레이크 타입임을 암시하여 브레이크가 맞물리게 하기 위해 브레이크로부터의 전력을 제거하고 이들 다른 안전 기능들의 일부로서 다른 안전 기능에 의해 사용될 수 있다. 안전 정지 제어 기능은 전기기계식 모터의 감속 그리고 후속하여, 특정 시간 지연 후에, 구성요소의 안전한 상태를 달성하도록 안전 토크 오프 제어 기능 및 안전 브레이크 제어 기능의 적용을 명령하는 것을 개시할 수 있고 이들 다른 안전 기능들의 일부로서 다른 안전 기능에 의해 사용될 수 있다.
또한, 적어도 안전 기능들, 즉, 안전 제한 위치 제어 기능, 안전 제한 속력 제어 기능 및 안전 방향 제어 기능은 구성요소의 작동의 신뢰성, 무결성 및 진단들을 보장하기 위해 정의된 결함 반응들을 포함할 수 있다. 안전 제한 위치 제어 기능, 안전 제한 속력 제어 기능 및/또는 안전 방향 제어 기능의 결함 반응은 구동 시스템의 동작 모드에 따라 제1 안전 기능의 실행 또는 안전 정지 제어 기능의 요구를 요구할 수 있다.
제1 안전 기능, 안전 제한 위치 제어 기능, 안전 제한 속력 제어 기능 및/또는 안전 정지 제어 기능과 같은 안전 기능들을 실행하기 위해, 안전 관련 명령들 및 데이터가 제3 데이터 접속부, 예컨대 전이중 데이터 버스를 통해 종래의 모터 제어 유닛에 전송될 수 있다.
본 발명의 일 태양에서, 전기기계식 구동 시스템은 모터 위치 및/또는 모터 속력 데이터를 판정하기 위한 리졸버를 구비한 측정 유닛을 포함하여 리졸버의 모터 위치 및/또는 모터 속력 데이터를 사용함으로써 모터를 제1 모드에서 구동한다. 안전 모듈은 측정 유닛에 의해 전달되는 데이터와 위치 센서에 의해 전달되는 센서 데이터 사이의 타당성 검사를 수행하도록 적응된다. 타당성 검사가 위치 센서의 오작동을 표시하는 경우에, 측정 유닛에 의해 제공된 데이터를 사용함으로써 구성요소가 안전 모듈에 의해 휴지 또는 중립 위치로 작동된다.
예를 들어 풍력 터빈의 경우에, 블레이드 위치를 모니터링하는 것과 추정하는 것 각각을 위해, 더 이상 신뢰될 수 없는 위치 센서의 데이터 대신에 측정 유닛의 데이터가 사용된다. 추정된 블레이드 위치를 이용하여 로터 블레이드들이 페더링 위치에 도달할 때까지 모터를 계속 동작시키고 이 위치에서 모터를 정지시키기 위해 모터 제어 유닛에게 정확한 속력 명령들이 발행될 수 있다. 측정 유닛으로부터의 데이터는 모터와 로터 블레이드 사이의 기어 박스가 적절히 작동하고 있는지를 검사하는 것이 가능하지 않지만, 이는 로터 블레이드가 바람에 완전히 노출될 위험이 있다는 측면에서 2차적인 것으로 고려된다.
본 발명의 다른 태양에서, 전기기계식 구동부는 모터 위치 및/또는 모터 속력을 결정하기 위한 리졸버를 구비한 측정 유닛을 포함한다. 안전 모듈은 측정 유닛에 의해 전달되는 데이터와 위치 센서(5)에 의해 전달되는 센서 데이터 사이의 타당성 검사를 수행하도록 적응된다. 타당성 검사가 리졸버의 오작동을 표시하는 경우에, 안전 모듈은 리졸버의 입력을 사용하는 일 없이 측정 유닛이 모터를 구동하는 제2 모드로 모터를 스위칭함으로써 구성요소를 휴지 또는 중립 위치로 작동시킨다.
일 실시예에서, 종래의 모터는 모터 위치 및/또는 모터 속력 데이터를 결정하기에 적합한 종래의 측정 유닛을 포함한다. 일례로서, 측정 유닛은 모터 위치 및 모터 각도를 결정하는 리졸버이다. 측정 유닛으로부터의 데이터는 모터 신호들로서 종래의 모터 제어 유닛에 송신된다. 가용 리졸버들의 고분해능을 이용하여 모터는 본 명세서에서 "정상 모드"라고 불리는 제1 모드에서 정밀하게 제어될 수 있다. 다른 실시예로서, 종래의 측정 유닛은 각도들을 물리적으로 측정하는 인코더 또는 리졸버와 같은 센서를 갖는 일 없이 모터 샤프트의 위치가 추정되므로, 본 명세서에서 "센서리스(sensorless) 모드"라고 불리는 제2 모드에서 모터 위치 및/또는 속력을 결정한다. 대신에, 내재하거나, 또는 의도적으로 추가될 수 있는 모터의 물리적 구성에서의 각도 종속적 특성은 실제 모터 전류를 입력으로서 사용하여 모터의 위치 및/또는 속력을 결정하는 자체 감지 실시간 알고리즘, 예컨대 칼만 필터(Kalman Filter)에 의해 샤프트 각도를 추정하는데 사용된다. 결과들은 정밀하지 않지만, 휴지 위치 또는 중립 위치에 도달될 때까지 비상 동작을 계속할 목적으로는 충분하다.
본 발명의 다른 태양에서, 전기기계식 장치는 모터 위치 및/또는 모터 속력을 결정하기 위한 리졸버를 구비한 측정 유닛을 포함한다. 안전 모듈은 측정 유닛에 의해 전달되는 데이터와 위치 센서에 의해 전달되는 센서 데이터 사이의 타당성 검사를 수행하도록 적응된다. 타당성 검사가 측정 유닛으로부터의 데이터도 위치 센서의 데이터도 신뢰할 수 없다는 것을 표시하는 경우에, 안전 모듈은 모터를 정지시킨다.
추가적으로, 전기기계식 장치들의 시스템의 경우에, 안전 모듈은 시스템 내의 다른 안전 모듈들에게 결함들/고장들에 관해 통지한다. 선택적으로, 이 고장의 통지를 받은 다른 안전 모듈들은 이들의 구성요소들을 휴지 또는 중립 위치로 작동시킬 수 있다. 3개의 로터 블레이드들을 구비한 풍력 터빈의 경우에, 하나의 블레이드가 고장난 경우에 다른 2개의 블레이드들은 이들이 페더링 위치에 도달하도록 관리한다면 로터를 정지시킬 수 있을 것이다.
일 실시예에서, 안전 모듈은 종래의 모터 제어 유닛으로부터 모터 제어 신호들을 수신하는 PWM 차단기 모듈을 포함하고, 여기서 안전 토크 오프 제어 기능 및/또는 안전 정지 제어 기능 중 적어도 하나의 기능의 실행은 모터 제어 신호가 종래의 전력 제어 유닛을 향해 PWM 차단기 모듈을 통과하는 것을 차단시키는 결과에 이르게 된다. 종래의 모터 제어 유닛으로부터 PWM 차단기 모듈로 입력되는 PWM 모터 제어 신호는 PWM 모터 신호 요구들에 기초하여 전력이 모터로 스위칭되는 전기기계식 모터의 표준 거동을 제어한다. PWM 차단기 모듈은 이러한 안전 기능을 실행하기 위해 종래의 모터 제어 유닛으로부터 유래하는 모터 제어 신호를 오버라이드(override)하도록 적응된다. 바람직한 실시예에서, PWM 차단기 모듈의 출력은 이러한 안전 기능을 실행하기 위해 0 V로 설정된다. PWM 차단기 모듈에 대한 안전 입력을 0 V로 설정하면 PWM 차단기 모듈의 출력을 종래의 전력 유닛에 대해 0 V로 설정하게 하는 결과에 이르게 된다. 이 실시예는 안전한 모터 제어 유닛을 필요로 하는 일 없이 모터 제어 신호들로 모터를 정지시키는 안전 기능을 용이하게 구현할 수 있게 한다.
일 실시예에서, 안전 모듈은 종래의 모터 제어 유닛으로부터 모터 제어 신호의 다른 타입으로서 브레이크 제어 신호를 수신하는 브레이크 차단기 모듈을 추가로 포함하고, 여기서 안전 브레이크 제어 기능 및/또는 안전 정지 제어 기능 중 적어도 하나의 기능의 실행은 브레이크 제어 신호가 종래의 전력 제어 유닛을 향해 브레이크 차단기 모듈을 통과하는 것을 차단시키는 결과에 이르게 된다. 종래의 모터 제어 유닛으로부터 브레이크 차단기 모듈로 입력되는 브레이크 제어 신호는 브레이크 신호 요구들(가능하다면 또한 PWM 신호들)에 기초하여 전력이 브레이크로 스위칭되는 브레이크 액션을 포함하는 전기기계식 모터의 표준 거동을 제어한다. 브레이크 차단기 모듈은 이러한 안전 기능을 실행하기 위해 종래의 모터 제어 유닛으로부터 유래하는 모터 제어 신호로서 브레이크 제어 신호를 오버라이드하도록 적응된다. 바람직한 실시예에서, 브레이크 차단기의 출력은 이러한 안전 기능을 실행하기 위해 0 V로 설정된다. 브레이크 차단기 모듈에 대한 안전 입력을 0 V로 설정하면 브레이크 차단기 모듈의 출력을 종래의 전력 유닛에 대해 0 V로 설정하게 하는 결과에 이르게 된다. 이 실시예는 안전한 모터 제어 유닛을 필요로 하는 일 없이 안전 기능을 모터 제어 신호들로 용이하게 구현할 수 있게 한다. 모터 제어 신호들은 모터를 구동하기 위한 모터 제어 신호 및 모터를 제동하기 위한 브레이크 제어 신호를 포함한다.
안전 정지 기능을 실행하기 위해, 앞서 기술된 절차들은 또한 안전 정지 기능의 일부로서 안전 토크 오프 제어 기능 및 안전 브레이크 제어 기능을 실행하기 위해 적용된다. 또한, 제1 안전 기능뿐만 아니라 안전 제한 위치 제어 기능, 안전 제한 속력 제어 기능 및 안전 방향 제어 기능은 이들 안전 기능들에 따라 작동을 종료할 때 안전 토크 오프 제어 기능 및 안전 브레이크 제어 기능의 실행을 포함한다.
본 발명의 다른 태양에서, 모터 제어 유닛의 통신 및/또는 동작에서 에러들이 검출된 경우에, 안전 모듈은 모터 제어 유닛의 리셋 라인으로의 직접 액세스를 통해 모터 제어 유닛을 리셋시키도록 적응된다. 타당성 검사가 실패하는 경우에, 하나의 전략은 모터 제어 유닛을 리셋하는 것이다. 이 리셋은 전형적으로 1초보다 더 적게 걸리므로, 특히 예를 들어 실제 바람 조건들이 즉각적인 위험을 표시하지 않을 때, 리셋을 시도할 가치가 있다. 리셋은 전기기계식 모터로 하여금 구성요소를 휴지 또는 중립 위치로 작동시킬 수 있게 할 수 있다. 전기기계식 모터들의 시스템에서, 리셋 후에 시스템의 모든 전기기계식 모터들에 대해 제1 안전 기능을 부여하여 이들이 안전한 위치, 즉, 휴지 또는 중립 위치에 있도록 권고하는 것이 총 시스템 고장의 위험을 낮추는 양호한 전략일 수 있다.
본 발명의 다른 태양에서, 전기기계식 구동 시스템의 안전 모듈은 구성요소를 휴지 또는 중립 위치로 작동시키는 경우에 제1 부분에서 모터의 속력이 증가되고 제2 부분에서 모터의 속력이 감소되도록 모터에 대한 속력 명령들을 변경하도록 적응된다.
모터의 속력을 증가시키는 것을 포함하는 명령들의 변경은 큰 위험을 가져서 통상적으로 회피될 것이다. 안전 위치 센서에 의해 전달되는 결과들이 신뢰할 수 있는 한, 속력을 증가시켜서 작동되는 구성요소가 위험한 위치로부터 손상들의 위험이 상당히 낮아진 위치로 있을 수 있게 하는 이점으로 인해 이 위험은 완화된다. 풍력 터빈의 경우에, 바람으로부터 블레이드들을 30°만큼 회전시키면 로터 블레이드에 의해 생성되는 리프트가 상당히 낮아진다. 따라서, 블레이드들이 바람으로부터 급속히 회전될수록 풍력 터빈이 빨리 안전한 상태에 있게 된다. 이어서 블레이드들이 더욱 더 느리게 회전될 수 있으므로, 최종 위치가 더 정확히 달성될 수 있다.
일 실시예에서, 안전 모듈은 소위 심장박동 신호에 의해 종래의 모터 제어 유닛의 에러 없는 통신 및 동작을 증명하도록 적응되고, 여기서 종래의 모터 제어 유닛은 적절히 동작하는 경우에 미리 결정된 방식으로 심장박동 신호에 응답한다. 심장박동 신호의 실행은 안전 모듈의 카운터가 증분되고 값이 다음의 심장박동 신호에 제1 파라미터로 기입되어 종래의 모터 제어 유닛에 전송되는 절차를 포함한다. 병행하여, 안전 모듈은 타이머를 시작하여 종래의 모터 제어 유닛과의 통신 타임아웃을 검사한다. 심장박동 신호는 예컨대 제3 데이터 접속부를 통해 종래의 모터 제어 유닛으로 주기적으로 발사되고, 여기서 심장박동 신호는 안전 카드와의 새로운 메시지 교환을 개시한다. 종래의 모터 제어 유닛은 예컨대 제3 데이터 접속부를 통해 안전 모듈로 되전송된 메시지 내에 제2 특정 파라미터를 포함하는 맵핑 구성에 따라 특정 파라미터의 값을 복사하고 특정 파라미터의 값을 이 제2 특정 파라미터로 선택적으로 비트 단위로 반전시킨다. 안전 모듈은 되수신된 메시지로부터 제2 파라미터의 값을 판독하고 그 값(선택적으로 비트 단위로 반전됨)이 그 자신의 카운터와 동일한지 확인한다. 종래의 모터 제어 유닛으로부터 메시지를 판독하기 전에 안전 모듈 내의 타이머가 만료되거나 또는 비교된 값이 자신의 카운터와 상이한 경우, 결함 반응 스킴(scheme)이 개시된다. 결함 반응은 제1 안전 기능의 실행일 수 있다. 안전 모듈과 종래의 모터 제어 유닛 사이에서 정확히 작동하는 통신은 안전 모듈로부터 송신된 제어 명령들이 종래의 모터 제어 유닛에 의해 실행될 수 있다는 것을 보장하고, 이는 진단 절차로서 전기기계식 구동 시스템의 신뢰성 및 무결성의 정도를 증가시킨다. 바람직한 실시예에서, 종래의 모터 제어 유닛의 통신 및/또는 동작에서 에러들이 검출된 경우에, 안전 모듈은 다른 결함 반응들을 개시하기 전에 첫 번째로 실행된 결함 반응으로서 종래의 모터 제어 유닛의 리셋 라인으로의 직접 액세스를 통해 종래의 모터 제어 유닛을 리셋시키도록 적응된다. 이전의 진단 절차로부터 발생한 이러한 조치는 안전 모듈로 하여금 모터 제어 유닛을 다시 적절히 작동시키게 하여 전기기계식 구동 시스템의 신뢰성 및 무결성의 정도를 더욱 개선시킬 수 있게 한다. 작동 시스템의 재확립은 구성요소의 비상 작동의 단순한 실행과 비교하여 구성요소의 정상 동작을 계속하는 것을 가능하게 하는 개선된 솔루션을 제공한다.
일 실시예에서, 안전 모듈은 플러그인 안전 카드로서 배열되고, 플러그인 안전 카드는 작동 신호들을 종래의 모터 제어 유닛에 적어도 송신하기 위해 안전 카드를 종래의 모터 제어 유닛에 접속하기 위한 제3 데이터 접속부로서의 제1 인터페이스, 및 안전 카드를 통해 모터 제어 신호들 및/또는 모터 제어 신호들의 다른 타입으로서의 브레이크 제어 신호를 종래의 전력 유닛에 송신하기 위한 제2 인터페이스들을 포함한다. 이들 실시예들은 개발, 제조 및 구성요소 비용을 절감하기 위해 상이한 응용예들에 적용가능한 플러그인 솔루션에서 종래의 구성요소들의 배선과는 별개로 안전 관련 회로들을 개발할 가능성을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 제1 인터페이스는 이 데이터 이송을 실행하기 위해 안전 인터페이스로서의 FS 버스 및/또는 종래의 데이터 인터페이스로서의 SSI 인터페이스를 포함한다. 여기서, 제1 인터페이스는 검사합 알고리즘들과 같은 안전 조치들이 구현된 종래의 SSI 인터페이스일 수 있거나 또는 안전한 인터페이스이거나 또는 안전한 인터페이스와 종래의 인터페이스의 조합으로서 배열될 수 있다. 이 데이터 접속부를 통해 종래의 모터 제어 유닛은 작동 신호들의 실행에 대한 피드백을 제공하기 위해 모터의 안전하지 않은 속력 및 위치 데이터뿐만 아니라 모터 온도 피드백 및 스테이터스 데이터를 안전 모듈에 송신할 수 있다. 여기서, 안전 카드는 구현된 안전 기능들을 실행하기 위해 필요한 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소들을 포함하는 인쇄 회로 기판을 나타낸다. 안전 카드 및 모터 제어 유닛은 동일한 하우징 내에 배열될 수 있다. 대안적인 실시예에서, 안전 카드 및 적어도 종래의 모터 제어 유닛은 동일한 인쇄 회로 기판 상에 배열된다. 바람직한 실시예에서, 제1 인터페이스는 IEC 61784-3 또는 그의 대응하는 추가적인 사양 IEC 61784-3-x를 준수하는 임의의 데이터 통신 프로토콜을 나타내는 FS 버스, 바람직하게는 IEC 61508 표준에 따라 구현된 안전 프로토콜들을 갖는 인터페이스들을 나타내는 FSOE(EtherCat) 또는 ProfiSafe(ProfiNet) 버스이다.
추가 실시예에서, 전기기계식 구동 시스템은 적어도 2개의 전기기계식 구동 유닛들을 포함하고, 여기서 전기기계식 구동 유닛들의 안전 모듈들은 다른 안전 모듈들을 트리거하여 대응하는 안전 기능들을 정렬된 방식으로 실행하기 위해 임의의 적용된 안전 기능에 관한 정보를 포함하는 정보를 적어도 교환하기 위해 서로 접속된다. 전기기계식 구동 유닛들의 개수는 특정 응용예에 좌우된다. 더 복잡한 응용예들에서, 특히 소정 방식으로 상호작용할 때의 상이한 구성요소들, 예컨대 각각이 별개로 가속(바람의 경우)되거나 로딩(선박 프로펠러의 경우)되지만 동일한 회전축에 프로펠러로서 기계적으로 접속되는 풍력 터빈 또는 선박 프로펠러의 다수의 로터 블레이드들의 작동은, 전체적으로 효율적이고 안전한 시스템을 제공하기 위해 별개의 작동들의 정렬을 필요로 한다. 이러한 정렬은 정보를 교환하기 위해 서로 접속되는 전기기계식 구동 유닛들에 대해 가능하다.
바람직한 실시예에서, 적합한 양방향 인터페이스를 통해 각각의 전기기계식 구동 유닛에 접속되어 구성요소들에 대해 요구된 작동 및/또는 위치 데이터를 각각의 전기기계식 구동 유닛의 안전 모듈들에 전송하여 대응하는 작동 신호들을 생성하고 또한 비상 상황에서 적어도 제1 안전 신호를 안전 모듈들에 전송하는 중앙 유닛 안전 카드를 포함하는 중앙 유닛을 통해 접속이 확립되고, 여기서 안전 모듈들은 제1 안전 신호에 응답하여 제1 안전 기능을 실행하도록 적응된다. 중앙 유닛 안전 카드는 하나 이상의 안전 기능들이 구현되는 구성요소들의 배열을 나타낸다. 중앙 유닛 안전 카드는 하나 이상의 프로그램된 절차를 실행하는 것 및/또는 프로그램된 절차들을 실행하기 위해 중앙 유닛 안전 카드 상에 설치된 반도체 구성요소들을 제어하는 것이 가능한 하나 이상의 프로세서들 또는 컴퓨터 칩들을 포함할 수 있다. 중앙 유닛 안전 카드는 프로그램된 절차들을 실행하기 위해 직접적으로 또는 간접적으로 안전 모듈들 내의 인터페이스들을 통해 접속될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 양방향 인터페이스는 FSOE(EtherCat) 인터페이스이다. 정상 동작 하에서, 중앙 유닛, 바람직하게는 중앙 유닛 안전 카드는 정렬된 방식으로 구성요소 작동들을 실행하기 위해 각각의 전기기계식 구동 유닛의 안전 모듈들을 통해 종래의 모터 제어 유닛들에 대한 속력 명령들을 발행할 수 있다. 제1 안전 신호와 같은 안전 명령들을 전기기계식 구동 유닛들에 전송할 가능성은, 시스템의 전체 상황을 고려할 수 있는 중심 레벨에서 본 발명에 따른 시스템에 추가적인 안전 관련 기능을 제공하고, 이 시스템의 전체 상황은 함께 고려되었을 때 비상 상황에 있을 수 있는데, 이는 시스템의 동일한 상황을 순전히 구동 유닛 레벨에서만 단지 고려할 때에는, 그렇지 않을 수 있다. 각각의 전기기계식 구동 유닛의 안전 모듈들은 이러한 경우에 감시되는 중앙 유닛으로부터 수신되는 제1 안전 신호에 응답하여 제1 안전 기능을 적어도 실행할 것이다. 별개의 안전 모듈들은 일 실시예에서 중앙 유닛에의 통신 접속이 끊어진 경우에 또는 중앙 유닛 내의 내부 에러의 경우에 제1 안전 기능을 또한 실행하도록 배열될 수 있다. 여기서, 안전 모듈은 종래의 모터 제어 유닛과 중앙 유닛 사이의 중간자 장치이다. 다른 실시예에서, 중앙 유닛은 안전 관련 기능들 중 적어도 일부(예컨대, 제1 안전 기능)를 실행하는 중앙 유닛 안전 카드 및 요구된 작동 및/또는 위치 데이터를 구성요소들에 전송하는 중앙 유닛 제어 카드를 포함할 수 있다. 중앙 유닛 안전 카드는 전기기계식 구동 유닛들 내의 안전 모듈들 이외의 구성요소이고, 하나의 전기기계식 구동 유닛이 제1 안전 기능을 실행하는 경우 중앙 유닛 안전 카드가 다른 전기기계식 구동 유닛들의 모든 다른 안전 모듈들에게 제1 안전 기능의 실행에도 또한 반응하도록 요구한다는 것을 보장하기 위한 조정자로서 역할을 한다. 중앙 유닛 안전 카드는 또한 중앙 유닛으로부터 모든 전기기계식 구동 유닛들로 제1 안전 기능을 실행하라는 요구를 확산시키도록 하는 역할을 한다.
다른 실시예에서, 각각의 안전 모듈은 적어도 구성요소의 안전한 위치 및/또는 속력 데이터를 안전 모듈로부터 중앙 유닛으로 리포팅하도록 적응되고, 여기서 중앙 유닛 안전 카드는 리포팅된 안전한 위치 및/또는 속력 데이터를 각각의 작동기의 요구된 위치 및/또는 속력과 비교하도록 적응되고 불일치의 경우에는 제1 안전 신호를 각각의 안전 모듈에 전송하도록 적응된다. 이는 중앙 유닛으로 하여금 전기기계식 구동 유닛들에 의해 작동되는 구성요소들의 요구된 위치들과 안전 위치 센서에 의해 측정되고 대응하는 안전 모듈들을 통해 중앙 유닛에 리포팅되는 현재 위치 사이의 타당성 검사들을 실행할 수 있게 한다. 중앙 유닛 안전 카드 이외에 중앙 유닛 제어 카드를 포함하는 중앙 유닛의 경우에, 타당성 검사들이 중앙 유닛 안전 카드 상에서 수행된다. 안전한 위치 또는 속력 데이터는 안전 위치 센서로부터 수신되는 위치 또는 속력 데이터를 나타낸다.
추가로, 본 발명은 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템을 포함하는 풍력 터빈의 적어도 하나의 로터 블레이드, 바람직하게는 모든 로터 블레이드들을 회전시켜서 로터 블레이드들을 회전시키기에 적합한 피치 시스템에 관한 것이고, 여기서 로터 블레이드는 작동될 구성요소이고, 여기서 전기기계식 모터는 작동으로서 로터 블레이드를 그의 종축을 중심으로 회전시키도록 적응되며 여기서 로터 블레이드를 페더링 위치에서 회전시키기 위한 안전한 페더링 작업은 제1 안전 기능이다. "피치 시스템"이라는 용어는 풍력 터빈의 로터 블레이드들을 그의 종축을 중심으로 회전시키기에 적합한 임의의 시스템을 나타낸다. 풍력 터빈들에 대한 피치 시스템은 2개의 필수 기능들을 충족시켜야 한다: 첫 번째로, 그것은 풍속이 터빈의 정격 값들을 초과할 때 터빈 속력 및 전력 제어를 위한 작동기로서 수행하고, 두 번째로, 그것은 풍력 터빈을 제동하기 위한 작동 시스템으로서 역할을 한다. "안전한 페더링 작업"이라는 용어는 풍력 터빈에 대한 정지 절차를 나타내고, 여기서 모든 또는 적어도 충분한 개수의 로터 블레이드들은 페더링 위치로 이동되어야 하고, 여기서 바람은 특정 로터 블레이드들에 가속력을 인가하지 않으며 절차 동안 모든 구조적 부분들에 대한 하중들이 분산되고 밸런싱된다. 페더링 위치에 도달하기 위해, 로터 블레이드들은 동기적으로 바람으로부터 이동된다. 바람에 의해 인가된 로터 블레이드들에 대한 힘이 임의의 적용가능한 전기기계식 브레이크 시스템들의 제동력들을 초과하기 때문에, 페더링 작업은 풍력 터빈을 정지시킬 유일한 가능성이다.
일 실시예에서, 전기기계식 구동 시스템은 2개 이상의 전기기계식 구동 유닛들을 포함한 것으로, 적합한 양방향 인터페이스, 바람직하게는 FS 버스 또는 FSOE 인터페이스를 통해 각각의 로터 블레이드에 대한 각각의 전기기계식 구동 유닛에 접속되어 로터 블레이드들에 대해 요구된 회전 및/또는 위치 데이터를 각각의 전기기계식 구동 유닛의 안전 모듈들에 전송하여 회전 신호들을 생성하고 또한 비상 상황의 경우에 페더링 신호를 안전 모듈들에 전송하는 중앙 유닛을 추가로 포함하고, 여기서 안전 모듈들은 페더링 신호에 응답하여 각각의 로터 블레이드에 대한 안전한 페더링 작업을 실행하도록 적응된다. 바람직한 실시예에서, 중앙 유닛은 로딩된 로터를 페더링 위치(또는 상태)로 이송하기 위해 3개의 로터 블레이드들을 포함하는 풍력 터빈의 경우에는 3개의 로터 블레이드들 중 적어도 2개에 대해 또는 2개의 로터 블레이드들을 포함하는 풍력 터빈의 경우에는 2개의 로터 블레이드들 중 적어도 하나에 대해 안전한 페더링 작업을 실행하도록 적응된다. 이는, 특정 로터 블레이드에 대한 안전한 페더링 작업을 실행할 수 없는 하나의 전기기계식 구동 유닛의 고장이 중앙 유닛 및 다른 로터 블레이드들을 통해 안전하게 관리되어 참여한 로터 블레이드들에 대해 적응되는 안전한 페더링 작업을 실행하여 안전한 페더링 작업을 실행할 수 없는 하나의 로터 블레이드의 영향을 보상하여 로터를 안전하게 정지시키는 결과에 이르게 될 수 있다는 것을 의미한다. 일 실시예에서, 전기기계식 구동 유닛에 의한 결함 반응의 실행의 경우에, 결함은 전기기계식 구동 유닛의 대응하는 안전 모듈에 의해 중앙 유닛에 리포팅된다. 리포팅된 결함들은 안전한 페더링 작업을 실행할 수 없는 결함을 포함할 수 있다.
추가로, 본 발명은 2개 이상의 로터 블레이드들을 포함하는 풍력 터빈에 관한 것이고, 여기서 각각의 로터 블레이드는 본 발명에 따른 피치 시스템의 별개의 전기기계식 모터에 의해 회전된다.
일 실시예에서, 풍력 터빈은 각각의 로터 블레이드들을 회전시키기 위한 위치 및/또는 속력 명령들을 중앙 유닛에 송신하도록 적응된 풍력 터빈의 나셀(nacelle)에 배열되는 터빈 제어 유닛을 추가로 포함하고, 여기서 중앙 유닛 안전 카드는 각각의 로터 블레이드의 요구된 위치로서 송신된 위치 및/또는 속력 명령들을 각각의 안전 모듈에 의해 중앙 유닛에 리포팅된 안전한 위치 및/또는 속력 데이터와 비교하고 불일치의 경우에는 페더링 작업 신호를 각각의 안전 모듈에 전송하여 안전한 페더링 작업을 실행하도록 적응된다. 풍력 터빈은 타워를 포함하고, 타워는 타워의 수직축을 중심으로 회전할 수 있는 타워의 상부에 있는 나셀을 포함한다. 나셀은 수평 회전축을 추가로 포함하고, 여기서 로터는 허브를 포함하고, 허브는 수평 회전축을 중심으로 회전하고 수평 로터축에 본질적으로 수직인 허브에 장착되는 로터 블레이드들에 의해 가속 또는 감속된다. 터빈 제어 유닛은 터빈의 전체 제어를 제공하고 그리드에 접속된다. 중앙 유닛에의 접속은 FS 버스 또는 FLD 버스를 통해 확립될 수 있고, 여기서 FLD 버스는 풍력 터빈의 회전부로서 로터에 배열되는 피치 시스템에 대한 슬립 링(slip ring) 접속부를 통한, ProfiBus 또는 CAN과 같은 임의의 실시간 산업용 이더넷 또는 산업용 필드버스 기반 데이터 통신 프로토콜을 나타낸다. FS 버스와 함께 사용될 때, FLD 버스는 그 FS 버스, 예컨대 FSOE를 이용하는 EtherCat 또는 ProfiSafe를 이용하는 ProfiNet(ProfiBus)를 지원하는 것이 가능하다. 일 실시예에서, 피치 시스템의 중앙 유닛과 터빈 중앙 유닛 사이의 통신은 위치 및/또는 속력 명령들의 안전한 통신뿐만 아니라 중앙 유닛에 대한 제1 안전 기능의 요구된 실행을 위해 FS 버스와 함께 FLD 버스를 통해 확립될 수 있다. 다른 실시예에서, 피치 시스템의 중앙 유닛과 터빈 중앙 유닛 사이의 통신은 위치 및/또는 속력 명령들의 통신을 위한 비안전성 FLD 버스를 통해 그리고 중앙 유닛에 대한 제1 안전 기능의 실행을 요구하는 수단으로서 확립된 안전 체인 입력 접속부를 통해 확립될 수 있다. 제1 안전 작업을 요구하는 안전 체인 입력은 0 V로 설정된 값일 수 있다.
다른 실시예에서, 중앙 유닛은 로터 블레이드들의 현재 각도/위치 사이의 차이들을 비교하도록 적응되고 (바람에 대한) 2개 이상의 로터 블레이드들의 현재 각도 위치 사이의 편차를 검출하는 경우에, 중앙 유닛은 차이들이 소정의 미리결정된 한도를 초과하는 경우 안전한 페더링 작업의 실행을 시그널링(명령)하기 위한 페더링 신호를 제1 안전 신호로서 발행한다.
추가로, 본 발명은 가동 구성요소를 작동시키기 위한 전기기계식 모터 - 여기서 구성요소의 작동의 신뢰성, 무결성 및 진단들은 구성요소를 동작시키는 것에 안전 관련됨 -, 전기기계식 모터에 전력공급하기 위한 종래의 전력 유닛, 종래의 전력 유닛에 접속되어 종래의 전력 유닛을 모터 제어 신호들을 통해 제어하기 위한 종래의 모터 제어 유닛, 종래의 모터 제어 유닛에 접속되어 모터 위치 및/또는 모터 속력 데이터를 결정하고 이들 데이터를 모터 신호들(MS)로서 종래의 모터 제어 유닛에 전송하기 위한 종래의 측정 유닛, 종래의 모터 제어 유닛 및 종래의 전력 유닛에 접속되는 안전 모듈, 및 안전 모듈에 접속되는 안전 위치 센서를 포함하는 적어도 하나의 전기기계식 구동 유닛을 구비한 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템을 동작시키기 위한 방법에 관한 것이고, 방법은
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안전 위치 센서, 바람직하게는 위치 인코더에 의해 안전 관련 작동들을 위한 안전 요건들을 충족시키기에 충분한 정도의 신뢰성 및 무결성으로 작동되는 구동요소의 구성요소 위치 및/또는 속력을 모니터링하는 단계;
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안전 위치 센서에 의해 위치 및/또는 속력 데이터를 포함하는 대응하는 센서 신호들을 제1 데이터 접속부를 통해 안전 모듈에 전송하는 단계;
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작동 속력 및 원하는 구성요소 위치와 같은 작동 신호들을 제3 데이터 접속부를 통해 안전 모듈로부터 종래의 모터 제어 유닛으로 송신하는 단계;
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안전 모듈에 의한 안전 기능들의 실행을 가능하게 하기 위해 모터 제어 신호들을 안전 모듈을 통해 종래의 전력 유닛에 송신하는 단계;
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구성요소의 안전한 작동을 보장하도록 적어도 안전 모듈 상에서 구현되는 하나 이상의 안전 기능들에 따라 작동 신호들로부터 발생하는 모터 제어 신호들에 기초하여 전기기계식 모터에 의해 구성요소를 작동시키는 단계;
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구성요소의 모니터링된 위치 및 속력을 안전 모듈에 의한 작동 신호들로부터의 예상되는 거동과 비교하는 단계; 및
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적어도 비상 상황에서 안전 모듈에 의해 실행되는 제1 안전 기능으로서 구성요소를 휴지 또는 중립 위치에서 작동시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 전술된 태양들 및 다른 태양들은 또한 도면을 참조한 후에 본 명세서에서 기술되는 본 발명의 실시예들을 참조하여 명백해지고 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 중앙 유닛을 포함하는 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템(또는 피치 시스템)의 다른 실시예를 도시한다.
도 3은 결함 반응에 관련된 전기기계식 구동 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 풍력 터빈의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템을 동작시키기 위한 방법을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 2는 중앙 유닛을 포함하는 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템(또는 피치 시스템)의 다른 실시예를 도시한다.
도 3은 결함 반응에 관련된 전기기계식 구동 시스템의 다른 실시예를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 풍력 터빈의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템을 동작시키기 위한 방법을 도시한다.
도 1은 구동 유닛 제어 신호들(DA)을 수신하기 위한 구동 유닛 인터페이스(20), 전기기계식 모터(21) - 여기서 종래의 전력 유닛(23)이 전기기계식 모터(21)에 전력공급함 -, 종래의 전력 유닛(23)에 접속되고 모터 제어 신호들(MCS)을 통해 종래의 전력 유닛(23)을 제어하는 종래의 모터 제어 유닛(22) 및 종래의 모터 제어 유닛(22)에 접속되어 모터 위치 및/또는 모터 속력 데이터를 결정하고 이들 데이터를 모터 신호들(MS)로서 종래의 모터 제어 유닛(22)에 전송하는 종래의 측정 유닛(24)을 포함하는, 가동 안전 관련 구성요소(3)를 작동시키는 하나의 전기기계식 구동 유닛(2)에 의해 확립되는 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템(1)의 일 실시예를 도시한다. 이 목적을 위해, 측정 유닛(24)은 모터 위치 및 모터 각도를 결정하기 위해 모터 샤프트에 부착되는 리졸버(25)를 포함한다. 이 실시예에서, 선택된 리졸버(25)는 모터 샤프트의 하나의 완전한 회전을 위해 16비트의 고분해능을 제공한다. 따라서, 전기 모터(21)는 본 명세서에서 "정상 모드"라고 불리는 제1 모드에서 정밀하게 제어될 수 있다. 대안적으로, 종래의 측정 유닛(24)은 본 명세서에서 "센서리스 모드"라고 불리는 제2 모드에서 모터 위치 및/또는 속력을 결정하도록 구성된다. 센서리스 모드에서, 모터 샤프트의 위치는 리졸버(25)를 사용하는 일 없이 추정된다. 대신에, 내재하거나, 또는 의도적으로 추가될 수 있는 모터의 물리적 구성에서의 각도 종속적 특성은 실제 모터 전류를 입력으로서 사용하여 모터의 위치 및/또는 속력을 결정하는 자체 감지 실시간 알고리즘, 예컨대 칼만 필터에 의해 샤프트 각도를 추정하는데 사용된다. 결과들은 고분해능 리졸버(25)를 사용하는 경우만큼 정밀하지 않지만, 모터를 동작시키기에는 충분하다. 동작 모드는 안전 모듈(4)에 의해 요구될 수 있다.
구성요소(3)의 안전한 작동(A)을 제공하기 위한 신뢰성, 무결성 및 진단들은 이 실시예에서 플러그인 안전 카드로서 배열되는 안전 모듈(4) 및 안전 위치 센서(5)에 의해 달성되고, 여기서 안전 위치 센서(5)는 안전 관련 작동들을 위한 안전 요건을 충족시키기에 충분한 정도의 신뢰성, 무결성 및 진단들로 작동되는 구성요소(3)의 구성요소 위치 및/또는 속력을 모니터링(S1)하고, 제1 데이터 접속부(51)를 통해 안전 모듈(4)에 접속되어 위치 및/또는 속력 데이터를 포함하는 대응하는 센서 신호들(SS)을 안전 모듈(4)에 전송한다. 안전 위치 센서(5)는 제1 데이터 접속부(51)로서 IEC 61508 표준에 따라 개발된 FS 버스 인터페이스(51)를 통해 안전한 절대 위치, 속력 및 결함 스테이터스 데이터를 안전 모듈(4)에 제공하는 안전한 선형 또는 로터리 인코더일 수 있다. 작동들로서의 회전들을 위한 로터리 인코더의 경우에 안전 위치 센서(5)는 SIL 정격 다회전 인코더일 수 있다. 대안적인 실시예에서, 안전 위치 센서(5)로부터 송신되는 센서 신호들(SS)은 모터(21)로부터 측정되는 데이터가 안전 요건들을 충족시키기에 충분한 정도의 신뢰성 및 무결성을 제공하는 한 모터(21)의 측정된 모터 위치 및/또는 속력에 기초할 수 있다. 모터 위치 및/또는 속력 데이터의 측정은 모터(21)로부터 안전 위치 센서(5)로 지향하는 파선 화살표 S1로 표시된다. 안전 위치 센서(5)는 모터 샤프트(본 명세서에서 상세히 도시되지 않음)에 부착될 수 있고, 여기서 샤프트 위치 및 속력과 구성요소 위치 및 속력 사이에 직접적인 상관관계가 존재한다. 대안적으로, 안전 위치 센서(5)는 기어 박스(도시되지 않음)의 출력부에 부착될 수 있고, 여기서 기어 박스의 입력부에 연결된 모터 샤프트와 기어 박스의 출력 샤프트 사이에 간접적인 상관관계가 존재한다. 기어 박스 피니언(pinion)은 풍력 터빈의 블레이드를 회전시키기 위해 크라운 휠(crown wheel) 또는 환형 기어(도시되지 않음)를 구동할 수 있다. 기어 박스의 출력부, 기어 박스의 피니언, 크라운 휠 또는 환형 기어에의 위치 센서(5)의 부착은 안전 위치 센서(5)가 기어 박스의 적절한 기능 또는 로터 블레이드의 회전을 감시하는 것을 가능하게 한다는 이점을 갖는다. 그러나, 로터 블레이드의 회전 속력과 모터 속력의 상관관계는 기어 박스 내의 기어들 및 변속기의 다른 구성요소들의 플레이/백래시(play/backlash)에 의해 흐려질 수 있다.
센서 신호들(SS)은 모터 위치 및/또는 속력으로부터 구성요소 위치 및/또는 속력을 계산하기 위해 안전 모듈(4)에 의해 추가로 프로세싱된다. 제2 데이터 접속부(40)를 통해 안전 모듈(4)은 데이터 구동 유닛 인터페이스(20)에 접속된다. 추가로, 안전 모듈(4)은 구성요소(3)의 안전한 작동을 보장하도록 적어도 안전 모듈(4) 상에서 구현되는 하나 이상의 안전 기능들(SF)에 따라 구성요소(3)를 작동(A)시키기 위한 작동 속력 및 원하는 구성요소 위치와 같은 작동 신호들(AS)을 종래의 모터 제어 유닛(22)에 송신하기 위해 제3 데이터 접속부(41)를 통해 종래의 모터 제어 유닛(22)에 접속되고, 여기서 제3 데이터 접속부(41)는 바람직하게는 안전 인터페이스(41s)로서의 FS 버스 및/또는 종래의 데이터 인터페이스(41c)로서의 SSI 인터페이스를 포함하는 제1 인터페이스(41)를 포함한다. 종래의 모터 제어 유닛(22)이 실제로 작동 신호들(AS)을 수신한다는 것을 보장하기 위해, 안전 모듈(4)은 소위 심장박동 신호(HS)에 의해 종래의 모터 제어 유닛(22)의 에러 없는 통신 및 동작을 증명하도록 적응되고, 여기서 종래의 모터 제어 유닛(22)은 적절히 동작하는 경우에 미리결정된 방식으로 심장박동 신호(HS)에 응답한다. 종래의 모터 제어 유닛(22)에 대한 통신 및/또는 그의 동작에서 에러들이 검출된 경우에, 안전 모듈(4)은 종래의 모터 제어 유닛(22)의 리셋 라인으로의 직접 액세스(44)를 통해 종래의 모터 제어 유닛(22)을 리셋(R)시킨다. 수행된 리셋(R)은 제1 안전 기능(SFR)의 즉각적인 실행을 야기할 수 있다. 대안적으로, 안전 모듈(4)은 리셋이 실패한 경우 또는 미리결정된 개수의 실패한 리셋들 후에만 제1 안전 기능(SFR)을 야기하도록 구성될 수 있다.
안전 모듈(4)은 구성요소(3)의 모니터링된 위치 및/또는 속력을 작동 신호들(AS)로부터의 예상되는 거동과 비교하고 안전 모듈(4)을 통해 종래의 전력 유닛(23)에 송신되는 모터 제어 신호들(MCS)을 제어한다. 따라서, 안전 모듈(4)은 종래의 모터 제어 유닛(22)으로부터 모터 제어 신호들(MCS)을 수신하는 PWM 차단기 모듈(42)을 포함하고, 여기서 안전 토크 오프 제어 기능(STO) 및/또는 안전 정지 제어 기능(SS1) 중 적어도 하나의 기능의 실행은 모터 제어 신호(MCS)가 종래의 전력 제어 유닛(23)을 향해 PWM 차단기 모듈(42)을 통과하는 것을 차단시키는 결과에 이르게 되고, 바람직하게는 PWM 차단기 모듈(42)의 출력이 0 V로 설정된다. 안전 모듈(4)은 종래의 모터 제어 유닛(22)으로부터 모터 제어 신호(MCS)의 다른 타입으로서 브레이크 제어 신호(BCS)를 수신하는 브레이크 차단기 모듈(43)을 추가로 포함하고, 여기서 안전 브레이크 제어 기능(SBC) 및/또는 안전 정지 제어 기능(SS1) 중 적어도 하나의 기능의 실행은 브레이크 제어 신호(BCS)가 종래의 전력 제어 유닛(23)을 향해 브레이크 차단기 모듈(43)을 통과하는 것을 차단시키는 결과에 이르게 되고, 바람직하게는 브레이크 차단기 모듈(43)의 출력이 0 V로 설정된다.
안전 기능들(SF)은 적어도 비상 상황에서 안전 모듈(4)에 의해 실행되는 제1 안전 기능(SFR)으로서의 휴지(resting) 또는 중립 위치(FP)에서의 구성요소(3)의 작동(A) 및 구성요소(3)의 위치가 소정 범위의 허용된 위치들 내에 있다는 것을 보장하기 위한 안전 제한 위치 제어 기능(SLP), 작동되는 구성요소(3)의 속력이 최대 속력을 초과하지 않는다는 것을 보장하기 위한 안전 제한 속력 제어 기능(SLS), 구성요소(3)가 원하는 방향으로 작동된다는 것을 보장하기 위한 안전 방향 제어(SDI) 기능, 구성요소(3)에 적용된 토크가 제로라는 것을 보장하기 위한 안전 토크 오프 제어(STO) 기능, 브레이크가 적용된다는 것을 보장하기 위한 안전 브레이크 제어 기능(SBC) 및/또는 다른 안전 기능들(SF)에 따라 정지 절차의 실행을 보장하기 위한 안전 정지 제어 기능(SS1)을 포함한다. 따라서, 이 실시예에서, 안전 정지 제어 기능(SS1)은 또한, 예컨대 제1 안전 기능(SFR)의 일부로서, 제1 인터페이스(41)를 통해 종래의 모터 제어 유닛(22)에게 모터(21)를 감속하라고 권고하기 위해 제1 인터페이스(41)에 접속된다. 이 실시예에서, 안전 모듈(4)은 하나 이상의 안전 기능들(SF)에 따른 소정 방식으로 소정 위치에 대한 구성요소 작동을 실행하기 위해 요구된 입력 데이터를 제공하는 외부 데이터원(EDS)과 종래의 모터 제어 유닛(22) 사이의 중간자 장치로서 역할을 하고, 여기서 그에 응답하여 작동 속력 및 원하는 구성요소 위치와 같은 작동 신호들(AS)이 안전 모듈(4)로부터 종래의 모터 제어 유닛(22)으로 송신된다. 일례로서, 데이터원은 도 2에 도시된 중앙 유닛(6)일 수 있다. 안전 모듈(4)은 이들 구현된 안전 기능들(FS)을 실행하도록 적응되고, 따라서 프로그램된 절차를 실행하는 것 및/또는 프로그램된 절차들을 실행하기 위해 안전 모듈(4) 상에 설치된 반도체 구성요소들을 제어하는 것이 가능한 하나 이상의 프로세서들 또는 컴퓨터 칩들을 포함한다. 안전 모듈(4)의 필요한 구성요소들은 프로그램된 절차들을 실행하기 위해 직접적으로 또는 간접적으로 안전 모듈(4)의 인터페이스들을 통해 전기기계식 구동 유닛(2)의 다른 구성요소들에 접속된다. 이들 상세들은 도 1에 명시적으로 도시되어 있지 않다.
안전 모듈(4)은 측정 유닛(24)에 의해 전달되는 데이터와 안전 위치 센서(5)에 의해 전달되는 센서 데이터의 타당성 검사들을 수행하도록 적응된다. 타당성 검사가 측정 유닛으로부터의 데이터도 위치 센서의 데이터도 신뢰할 수 없다는 것, 예를 들어 측정 유닛의 리포팅된 속력이 안전 위치 센서(5)에 의해 검출된 속력보다 상당히 더 낮거나 더 높다는 것을 표시하는 경우에, 모터 샤프트에서 직접 측정되고 기어 박스의 출력부에서 안전 위치 센서로부터 간접적으로 계산되는 속력의 불완전한 상관관계에 대한 마진을 고려하여, 안전 모듈(4)은 그것이 2개의 센서들, 즉, 리졸버(25) 또는 안전 위치 센서(5) 중 어느 것을 더 신뢰하는지를 결정해야 한다.
선택된 안전 위치 센서(5)가 안전 위치 센서(5)의 영구적 자체 테스트가 오작동을 검출할 때 방출되는 에러 신호를 제공하는 것인 경우에 이어서 안전 모듈(4)에 의해 이러한 에러 코드가 수신되지 않는 경우에, 안전 모듈은 리졸버(26)로부터 유도된 속력 정보보다 안전 위치 센서(5)로부터 유도된 속력 정보에 우선권을 줄 것이다. 당업자는 리포팅된 속력의 양을 고려하는 것과 같은 추가적인 타당성 테스트가 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 안전 위치 센서(5)로부터 유도된 속력이 기술적으로 가능한 속력보다 훨씬 더 높다면, 안전 모듈(4)은 리졸버(25)로부터 제공된 속력 정보를 신뢰하는 것으로 또는 양쪽 속력 정보 모두를 신뢰하지 않는 것으로 결정할 수 있다.
타당성 검사가 안전 위치 센서(5)의 오작동을 표시하는 경우에, 안전 모듈은 제1 SFR을 개시할 것이고, 이는 리졸버(25)에 의해 제공된 위치 데이터/속력 데이터를 사용함으로써 로터 블레이드가 전기 모터(21)에 의해 페더링 위치로 작동되게 한다. 이러한 경우에, 안전 모듈(4)은 로터 블레이드 위치를 모니터링하는 것과 추정하는 것 각각을 위해, 더 이상 신뢰될 수 없는 위치 센서에 의해 제공된 데이터 대신에 측정 유닛(24)에 의해 제공된 데이터를 사용한다. 추정된 로터 블레이드 위치를 이용하여 로터 블레이드들이 페더링 위치에 도달할 때까지 전기 모터(21)를 계속 동작시키고 이 위치에서 모터를 정지시키기 위해 모터 제어 유닛(21)에게 정확한 속력 명령들이 발행될 수 있다. 측정 유닛으로부터의 데이터는 모터와 로터 블레이드 사이의 기어 박스가 적절히 작동하고 있는지를 검사하는 것이 가능하지 않지만, 이는 로터 블레이드가 바람에 완전히 노출되는 것보다 더 낮은 위험으로서 간주된다.
타당성 검사가 리졸버(25)의 오작동을 표시하는 경우에, 안전 모듈은 모터를 정상 동작 모드로부터 리졸버(25)의 입력을 사용하는 일 없이 측정 유닛이 모터를 구동하는 센서리스 동작 모드로 스위칭함으로써 구성요소를 페더링 위치로 작동시킨다. 타당성 검사가 측정 유닛으로부터의 데이터도 위치 센서의 데이터도 신뢰할 수 없다는 것을 표시하는 경우에, 안전 모듈은 모터를 즉시 정지시킨다. 모터 유닛(21)에 표시된 속력을 제로로 변경하는 것 이외에 안전 모듈(4)의 오작동에 의해 모터를 정지시키는 것이 억제되는 것을 보장하기 위해, 안전 모듈(4)은 또한 PWM 차단기를 호출하여 전기 모터(21)가 신뢰할 수 있게 정지되는 것을 보장할 수 있다.
전술된 바와 같이, 안전 모듈(4)은 명령들을 작동 신호(AS)로서 종래의 모터 제어 유닛(22)에 포워딩하기 전에, 구동 유닛 인터페이스(20)에서 수신되는 요구된 작동 명령들(DA)로서 수신되는 속력 명령들을 변경할 수 있다. 제1 안전 기능을 실행하는 경우에, 예컨대 로터 블레이드들을 페더링 위치로 작동시키는 경우에, 안전 모듈(4)은 제1 부분에서 전기기계식 모터(21)의 속력이 증가되고, 제2 부분에서 요구된 속력이 유지되고 제3 부분에서, 로터 블레이드가 최종 위치에 접근할 때, 모터의 속력이 감소되도록 명령을 변경할 것이다. 지속기간, 실제 속력 증가 및 감소의 특정 정보는, 다양한 요인들 중 2개만 예를 들면, 풍력 터빈의 치수 및 전기기계식 모터(21)의 전기기계적 특성들에 좌우된다. 당업자는 또한 이들 변경들이 단지 2개의 단계들에서만, 또는 3개보다 훨씬 더 많은 단계들에서 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 2는 하나 이상의 안전 기능들(SF)이 구현되는 중앙 유닛 안전 카드(62)를 포함하는 중앙 유닛(6)을 포함하는 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템(1)(또는 피치 시스템(71))의 다른 실시예를 도시한다. 전기기계식 구동 유닛(2, 2′, 2′′)의 상세들이 도 1에 도시되어 있다. 도 2의 전기기계식 구동 시스템(1)(또는 피치 시스템(71))은 3개의 전기기계식 구동 유닛들(2, 2′, 2′′)을 포함하고, 여기서 전기기계식 구동 유닛들(2, 2′, 2′′)의 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)은 적합한 양방향 인터페이스(61), 바람직하게는 FSOE 인터페이스를 통해 중앙 유닛(6)의 중앙 유닛 안전 카드(62)에 접속되어, 구성요소들에 대한 요구된 작동 및/또는 위치 데이터(DA)를 각각의 전기기계식 구동 유닛(2, 2′, 2′′)의 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)에 전송하여 대응하는 작동 신호들(AS)을 생성한다. 또한 제1 안전 신호(FS)는 비상 상황에서 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)에 전송될 수 있다. 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)은 수신된 제1 안전 신호(FS)에 응답하여 제1 안전 기능(SFR)을 실행할 것이다. 중앙 유닛(6)은 정렬된 방식으로 모든 전기기계식 구동 유닛들(2, 2′, 2′′)에 대한 안전 기능들(SF)의 실행을 가능하게 한다. 또한, 각각의 안전 모듈(4, 4′, 4′′)은 적어도 구성요소(3)의 안전한 위치 및/또는 속력 데이터(PD)를 중앙 유닛 안전 카드(62)에 리포팅하고, 이 중앙 유닛 안전 카드는 리포팅된 위치 및/또는 속력 데이터(PD)를 각각의 작동기(A)의 요구된 위치 및/또는 속력과 비교하고 불일치의 경우에는 제1 안전 신호(FS)를 각각의 안전 모듈(4, 4′, 4′′)에 전송할 것이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 전기기계식 구동 시스템에 대한 결함 반응에 관련된 전기기계식 구동 시스템의 다른 실시예를 도시한다. 안전 기능들, 즉, 안전 제한 위치 제어 기능(SLP), 안전 제한 속력 제어 기능(SLS) 및 안전 방향 제어 기능(SDI)은 전기기계식 구동 시스템의 동작 모드에 따라 구성요소(3)의 작동(A)의 신뢰성, 무결성 및 진단들을 보장하기 위해 정의된 결함 반응들(FR)을 포함한다. 안전 제한 위치 제어 기능(SLP), 안전 제한 속력 제어 기능(SLS) 및/또는 안전 방향 제어 기능(SDI)의 결함 반응(FR)은 전기기계식 구동 시스템의 정상 동작 동안 제1 안전 기능(SFR)의 실행을 요구할 수 있거나 또는 예컨대 전기기계식 구동 시스템의 수동 동작의 경우에는 안전 정지 제어 기능(SS1)을 요구할 수 있는데, SFR 또는 SS1 중 어느 하나로 지향하는 "FR"로 표시된 화살표들로 표시된다. 추가로, 안전 모듈(4)은 소위 심장박동 신호(HS)에 의해 종래의 모터 제어 유닛(22)의 에러 없는 통신 및 동작을 증명하도록 적응되고, 여기서 결함 반응(FR) 스킴은 적절한 접속의 실패한 증명에 응답하여 개시된다. 결함 반응(FR)은 제1 안전 기능(SFR)의 실행일 수 있다. 안전 모듈(4)과 종래의 모터 제어 유닛(22) 사이에서 정확히 작동하는 통신은 안전 모듈(4)로부터 송신된 제어 명령들이 종래의 모터 제어 유닛(22)에 의해 실행될 수 있다는 것을 보장하고, 이는 진단 절차로서 전기기계식 구동 시스템(1)의 신뢰성 및 무결성의 정도를 증가시킨다. 종래의 모터 제어 유닛(22)의 통신 및/또는 동작에서 에러들이 검출된 경우에, 안전 모듈(4)은 종래의 모터 제어 유닛(22)의 리셋 라인으로의 직접 액세스를 통해 종래의 모터 제어 유닛(22)을 리셋시킬 수 있다. 전기기계식 구동 유닛(2)에 의한 결함 반응(FR)의 실행의 경우에, 결함은 전기기계식 구동 유닛(2)(여기서는 상세히 도시되지 않음)의 대응하는 안전 모듈(4)에 의해 중앙 유닛(6)에 리포팅된다. 안전 제한 위치 제어 기능(SLP)은 구성요소들(3)이 정의된 위치 범위 내에 머무르도록 구성요소 위치를 모니터링한다. 안전 제한 속력 제어 기능(SLS)은 속력이 최대 값 미만으로 머무르도록 구성요소를 작동시키는 모든 모드들 동안 구성요소의 작동 속력을 연속적으로 모니터링한다. 안전 방향 제어 기능(SDI)은 구성요소의 이동 방향, 예컨대 선형 이동들의 경우에는 전방 또는 후방으로 또는 회전들의 경우에는 우측 또는 좌측으로의 방향을 모니터링한다. 안전 정지 제어 기능(SS1)은 응답하여 전기기계식 모터(21)의 감속 그리고 후속하여, 특정 시간 지연 후에, 구성요소의 안전한 상태를 달성하도록 안전 토크 오프 제어 기능(STO) 및 안전 브레이크 제어 기능(SBC)의 적용을 명령하는 것을 개시한다. SS1, SBC 및 STO는 또한 제1 안전 기능(SFR)의 일부이다.
도 4는 본 발명에 따른 풍력 터빈(7)의 일 실시예를 개략도에 도시한다. 이 실시예에서, 풍력 터빈(7)은 작동되는 구성요소들(3)로서 3개의 로터 블레이드들(3)을 포함한다. 적합한 피치 시스템(71)은 각각의 로터 블레이드(3)에 대해 제공되는 하나의 전기기계식 구동 유닛(2, 2′, 2′′)을 구비한 전기기계식 구동 시스템을 포함하는데, 여기서 각각의 전기기계식 구동 유닛(2)의 전기기계식 모터(21)는 작동(A)으로서 로터 블레이드(3)를 그의 종축을 중심으로 회전시키도록 적응된다. 비상 상황의 경우에 또는 결함 반응으로서, 제1 안전 기능으로서 안전한 페더링 작업(SFR)은 로터 블레이드(3)를 페더링 위치(FP)에서 회전시킨다. 피치 시스템(71)은 적합한 양방향 인터페이스(61)를 통해 각각의 로터 블레이드(3)에 대한 각각의 전기기계식 구동 유닛(2, 2′, 2′′)에 접속되어 로터 블레이드들(3)에 대해 요구된 회전 및/또는 위치 데이터를 각각의 전기기계식 구동 유닛(2, 2′, 2′′)(여기서는 상세히 도시되지 않음)의 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)에 전송하여 회전 신호들(AS)을 생성하고 또한 비상 상황의 경우에 페더링 신호(FS)를 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)에 전송하는 중앙 유닛(6)을 추가로 포함하고, 여기서 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)은 페더링 신호(FS)에 응답하여 각각의 로터 블레이드(3)에 대한 안전한 페더링 작업(SFR)을 실행하도록 적응된다. 풍력 터빈은 각각의 로터 블레이드들(3)을 회전시키기 위한 위치 및/또는 속력 명령들(TCS) 을 중앙 유닛(6)(여기서는 이해의 용이를 위해 단지 피치 시스템(71)만이 도시되어 있다)에 송신하도록 적응된 풍력 터빈(7)의 나셀(73)에 배열되는 터빈 제어 유닛(72)을 추가로 포함하고, 여기서 중앙 유닛(6) 내의 중앙 유닛 안전 카드(62)는 각각의 로터 블레이드(3)의 요구된 위치로서 송신된 위치 및/또는 속력 명령들(TCS)을 각각의 안전 모듈(4, 4′, 4′′)에 의해 중앙 유닛(6)에 리포팅된 위치 데이터(PD)와 비교하고 불일치의 경우에는 페더링 신호(FS)를 각각의 안전 모듈(4, 4′, 4′′)에 전송하여 안전한 페더링 작업(SFR)을 실행하도록 적응된다. 일 실시예에서, 안전한 페더링 작업(SFR)은 로터 블레이드들(3)의 현재 위치에 따라 2개의 상이한 부분들로 분할된다. 제1 부분은 양의 토크가 로터 블레이드에 적용되는(로터 블레이드에 대한 풍력 하중을 가속시킴) 로터 블레이드(3)의 각도 영역을 나타낸다. 제2 부분은 음의 토크가 로터 블레이드에 적용되는(로터 블레이드(3)에 대한 풍력 하중을 감속시킴) 로터 블레이드(3)의 각도 영역을 나타낸다. 제1 부분과 제2 부분 사이의 천이(transition)가 발생하는 각도는 로터 블레이드(3) 및 풍력 터빈(7) 셋업의 구성에 좌우된다. 전형적으로, 이 천이 각도는 30°의 범위에 있다. 풍력 터빈(7) 상에서 유도된 풍력이 제1 부분에서 가장 높기 때문에, 가능한 한 빨리 이 블레이드 각도 영역에서 로터 블레이드들(3)을 얻는 것이 유리하다. 이러한 이유로, SLS는 로터 블레이드들(3)이 천이 각도를 통과할 때까지 SFR 동안 작아질 수 있다. 일부 실시예들에서, 안전 모듈(4)은 수신된 구동 유닛 제어 신호들(DA)을 변경하여, 이들 변경된 신호들이 작동 신호들로서 모터 제어 유닛에 전달되기 전에 이들 신호들에 표시되는 모터 속력을 증가시켜서, 제1 부분에서 블레이드들의 회전 속력을 가속시킬 수 있다. 천이 각도를 통과한 후에, 로터 블레이드들(3)의 그의 종축을 중심으로 한 회전(A)의 속력은 감속된다. 이는 또한 수신된 구동 제어 신호들을 변경함으로써 달성될 수 있다. 로터 블레이드(3)가 페더링 위치(FP)에 접근할 때 회전 속력이 추가로 감소한다. 속력은 단계적으로 감소될 수 있다. 로터 블레이드들(3)이 페더링 위치(FP)에 도달하였을 때, 안전 정지 제어 기능이 실행되어 안전한 페더링 작업(SFR)을 종료한다. 다른 실시예에서, 중앙 유닛(6)은 로터 블레이드들(3)의 현재 축 사이의 차이들을 비교하도록 적응되고 (바람에 대한) 2개 이상의 로터 블레이드들(3)의 현재 축 사이의 편차를 검출하는 경우에, 중앙 유닛(6)은 차이들이 소정의 미리결정된 한도를 초과하는 경우 안전한 페더링 작업(SFR)을 실행하기 위한 페더링 신호(FS)를 발행한다.
도 5는 본 발명에 따른 전기기계식 구동 시스템을 동작시키기 위한 방법을 도시한다. 방법은 안전 위치 센서(5)에 의해 안전 관련 작동들(A)을 위한 안전 요건들을 충족시키기에 충분한 정도의 신뢰성, 무결성 및 진단들로 작동되는 구동요소(3)의 구성요소 위치 및/또는 속력을 모니터링하는 단계(S1), 안전 위치 센서(5)에 의해 위치 및/또는 속력 데이터를 포함하는 대응하는 센서 신호들(SS)을 제1 데이터 접속부(51)를 통해 안전 모듈(4)에 전송하는 단계(S2), 작동 속력 및 원하는 구성요소 위치와 같은 작동 신호들(AS)을 제3 데이터 접속부(41)를 통해 안전 모듈(4)로부터 종래의 모터 제어 유닛(22)으로 송신하는 단계(S3),
안전 모듈에 의한 안전 기능들의 실행을 가능하게 하기 위해 모터 제어 신호들(MCS)을 안전 모듈(4)을 통해 종래의 전력 유닛(23)에 송신하는 단계(S4), 구성요소(3)의 안전한 작동(A)을 보장하도록 적어도 안전 모듈(4) 상에서 구현되는 하나 이상의 안전 기능들(SF)에 따라 작동 신호들(AS)로부터 발생하는 모터 제어 신호들(MCS)에 기초하여 전기기계식 모터(21)에 의해 구성요소(3)를 작동시키는 단계(S5), 구성요소의 모니터링(S1)된 위치 및 속력을 안전 모듈(4)에 의한 작동 신호들(AS)로부터의 예상되는 거동과 비교하는 단계(S6), 및 적어도 비상 상황에서 안전 모듈(4)에 의해 실행되는 제1 안전 기능(SFR)으로서 구성요소(3)를 휴지 또는 중립 위치(FP)에서 작동시키는 단계(S7)를 포함한다.
다른 실시예에서, 작동되는 구성요소는 함께 작동될 또는 서로 분리될 2개 이상의 하위 구성요소들을 포함할 수 있다. 일례로서, 작동되는 구성요소는 로터일 수 있고 하위 구성요소들은 로터 블레이드들일 수 있다. 이러한 경우에, 안전 모듈은, 예컨대 여기서는 하위 구성요소들 중 하나를 각각이 작동시키는 2개 이상의 하위 모터들을 포함하는 모터 시스템을 나타내는 모터에 모터 제어 신호들을 전송하는 종래의 모터 제어 유닛을 구비한, 모든 하위 구성요소들을 구동하는 전기기계식 구동 유닛과 관련된다. 따라서, 안전 위치 센서는 각각의 하위 구성요소에 관련된 안전한 위치 및/또는 속력 데이터를 측정하는 하위 센서들을 구비한 안전 위치 센서 시스템을 나타낸다.
본 발명이 도면 및 전술한 설명에서 상세히 예시되고 기술되었지만, 이러한 예시 및 기술은 제한적인 것이 아니라 실례가 되거나 예시적인 것으로 간주되어야 하고; 본 발명은 개시된 실시예들로 제한되지 않는다. 개시된 실시예들에 대한 다른 변형들은 도면, 개시물, 및 첨부된 청구범위의 연구로부터 청구된 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 수행될 수 있다. 본 발명이 종래의 모터에서 안전 모듈 및 안전 위치 센서를 구현하는데 유리한 것으로 서술되었지만, 본 발명은 페일세이프 모터들로서 처음부터 설계된 전기 모터들에도 또한 사용될 수 있다는 것이 명백하다.
청구범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정 관사 "a" 또는 "an"은 복수를 배제하지 않는다. 소정 수단들이 상호간에 상이한 종속 청구항들에 인용되어 있다는 단순한 사실만으로 이들 수단들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내지는 않는다. 청구범위 내의 임의의 도면 부호들은 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
1:
전기기계식 구동 시스템
2, 2′, 2′′: 전기기계식 구동 유닛
20: 구동 유닛 인터페이스
21: 전기기계식 모터
22: 종래의 모터 제어 유닛
23: 종래의 전력 유닛
24: 종래의 측정 유닛
25: 리졸버
3: 작동되는 구성요소
4, 4′, 4′′: 안전 모듈
40: 구동 유닛 인터페이스에 대한 제2 데이터 접속부
41: 종래의 모터 제어 유닛에 대한 제3 데이터 접속부/제1 인터페이스
41s: 제1 인터페이스의 일부로서의 안전 인터페이스
41c: 제1 인터페이스의 일부로서의 종래의 데이터 인터페이스
42: PWM 차단기 모듈
43: 브레이크 차단기 모듈
44: 모터 제어 유닛(22)의 리셋 라인으로의 안전 모듈의 직접 액세스
45: 제2 인터페이스
5: 안전 위치 센서, 인코더
51: 제1 데이터 접속부
6: 중앙 유닛
61: 중앙 유닛과 전기기계식 구동 유닛(들) 사이의 양방향 인터페이스
62: 중앙 유닛 안전 카드
7: 풍력 터빈
71: 피치 시스템
72: 터빈 제어 유닛
73: 나셀
A: 구성요소의 작동/작동시키는 것
AS: 작동 신호
BCS: 모터 제어 신호들 중 하나로서의 브레이크 제어 신호
DA: 안전 모듈(4)에 전송되는 요구된 작동 및/또는 위치 데이터
EDS: 외부 데이터원(예컨대 중앙 유닛(6))
FP: 중립 또는 휴지(페더링) 위치
FR: 안전 기능의 결함 반응
FS: 제1 안전 신호, 페더링 신호
HS: 심장박동 신호
MCS: 모터 제어 신호
MS: 모터 신호들
PD: 위치 데이터
R: 리셋(명령)
S1: 구성요소 및/또는 모터의 작동 및 위치를 모니터링함
S2: 센서 신호들을 안전 모듈에 전송함
S3: 작동 신호들을 안전 모듈로부터 종래의 모터 제어 유닛으로 송신함
S4: 안전 모듈에 의해 모터 제어 신호들을 송신함
S5: 하나 이상의 안전 기능들에 따라 구성요소를 작동시킴
S6: 구성요소의 모니터링된 위치/속력을 예상되는 거동과 비교함
S7: 비상 상황에서 구성요소를 휴지 또는 중립 위치에서 작동시킴
SF: 안전 기능
SBC: 안전 브레이크 제어 기능
SDI: 안전 방향 제어 기능
SFR: 제1 안전 기능/안전 페더링 작업
SLP: 안전 제한 위치 제어 기능
SLS: 안전 제한 속력 제어 기능
SS1: 안전 정지 제어 기능
STO: 안전 토크 오프 제어 기능
SS: 센서 신호들
TCS: 터빈 제어 신호
2, 2′, 2′′: 전기기계식 구동 유닛
20: 구동 유닛 인터페이스
21: 전기기계식 모터
22: 종래의 모터 제어 유닛
23: 종래의 전력 유닛
24: 종래의 측정 유닛
25: 리졸버
3: 작동되는 구성요소
4, 4′, 4′′: 안전 모듈
40: 구동 유닛 인터페이스에 대한 제2 데이터 접속부
41: 종래의 모터 제어 유닛에 대한 제3 데이터 접속부/제1 인터페이스
41s: 제1 인터페이스의 일부로서의 안전 인터페이스
41c: 제1 인터페이스의 일부로서의 종래의 데이터 인터페이스
42: PWM 차단기 모듈
43: 브레이크 차단기 모듈
44: 모터 제어 유닛(22)의 리셋 라인으로의 안전 모듈의 직접 액세스
45: 제2 인터페이스
5: 안전 위치 센서, 인코더
51: 제1 데이터 접속부
6: 중앙 유닛
61: 중앙 유닛과 전기기계식 구동 유닛(들) 사이의 양방향 인터페이스
62: 중앙 유닛 안전 카드
7: 풍력 터빈
71: 피치 시스템
72: 터빈 제어 유닛
73: 나셀
A: 구성요소의 작동/작동시키는 것
AS: 작동 신호
BCS: 모터 제어 신호들 중 하나로서의 브레이크 제어 신호
DA: 안전 모듈(4)에 전송되는 요구된 작동 및/또는 위치 데이터
EDS: 외부 데이터원(예컨대 중앙 유닛(6))
FP: 중립 또는 휴지(페더링) 위치
FR: 안전 기능의 결함 반응
FS: 제1 안전 신호, 페더링 신호
HS: 심장박동 신호
MCS: 모터 제어 신호
MS: 모터 신호들
PD: 위치 데이터
R: 리셋(명령)
S1: 구성요소 및/또는 모터의 작동 및 위치를 모니터링함
S2: 센서 신호들을 안전 모듈에 전송함
S3: 작동 신호들을 안전 모듈로부터 종래의 모터 제어 유닛으로 송신함
S4: 안전 모듈에 의해 모터 제어 신호들을 송신함
S5: 하나 이상의 안전 기능들에 따라 구성요소를 작동시킴
S6: 구성요소의 모니터링된 위치/속력을 예상되는 거동과 비교함
S7: 비상 상황에서 구성요소를 휴지 또는 중립 위치에서 작동시킴
SF: 안전 기능
SBC: 안전 브레이크 제어 기능
SDI: 안전 방향 제어 기능
SFR: 제1 안전 기능/안전 페더링 작업
SLP: 안전 제한 위치 제어 기능
SLS: 안전 제한 속력 제어 기능
SS1: 안전 정지 제어 기능
STO: 안전 토크 오프 제어 기능
SS: 센서 신호들
TCS: 터빈 제어 신호
Claims (18)
- 가동(movable) 구성요소(3)를 작동시키기 위한 적어도 하나의 전기기계식 구동 유닛(2)을 구비한 전기기계식 구동 시스템(1)으로서, 상기 전기기계식 구동 유닛(2)은 구동 유닛 제어 신호들(DA)을 수신하기 위한 구동 유닛 인터페이스(20), 상기 구성요소(3)를 작동시키기 위한 작동 신호들(AS)에 의해 제어되는 전기기계식 모터(21), 안전 모듈(4) 및 상기 안전 모듈에 제1 데이터 접속부(51)를 통해 접속되는 위치 센서(5)를 포함하고, 상기 위치 센서는 작동되는 상기 구성요소(3) 및/또는 모터(21)의 구성요소(3) 및/또는 모터(21) 위치 및/또는 속력을 모니터링(S1)하도록 적응되고; 상기 안전 모듈(4)은 상기 구동 유닛 제어 신호(DA)를 수신하기 위한 상기 구동 유닛 인터페이스(20)에 접속되고, 상기 안전 모듈은 상기 구성요소(3)를 작동(A)시키기 위한 작동 속력 및 원하는 구성요소 위치와 같은 작동 신호들(AS)을 모터 제어 유닛(22)에 송신하기 위해 제3 데이터 접속부(41)를 통해 상기 모터 제어 유닛(22)에 접속되고, 상기 안전 모듈(4)은 안전 기능(SF)으로서 적어도 휴지(resting) 또는 중립 위치(FP)에서의 상기 구성요소(3)의 작동(A)을 포함하고, 이로써 상기 안전 모듈(4)은 상기 위치 센서(5)로부터 수신된 센서 데이터에 기초하여 상기 구성요소(3)가 그의 휴지 또는 중립 위치(FP)에 도달할 때까지 상기 구성요소(3)를 계속 작동시킬지 또는 상기 구성요소(3)의 작동을 정지시킬지를 결정하도록 구성되는, 전기기계식 구동 시스템(1).
- 제1항에 있어서, 모터 위치 및/또는 모터 속력 데이터를 판정하기 위한 리졸버(25)를 포함하는 측정 유닛(24)을 구비하여 상기 리졸버(25)의 상기 모터 위치 및/또는 모터 속력 데이터를 사용함으로써 상기 모터를 제1 모드에서 구동하고, 상기 안전 모듈(4)은 상기 측정 유닛(24)에 의해 전달되는 데이터와 상기 위치 센서(5)에 의해 전달되는 센서 데이터 사이의 타당성 검사를 수행하도록 적응되고; 상기 타당성 검사가 상기 위치 센서(5)의 오작동을 표시하는 경우에, 상기 안전 모듈(4)은 상기 측정 유닛(24)에 의해 제공된 데이터를 사용함으로써 상기 구성요소(3)를 상기 휴지 또는 중립 위치(FP)로 작동시키는, 전기기계식 구동 시스템.
- 제1항에 있어서, 모터 위치 및/또는 모터 속력을 판정하기 위한 리졸버(25)를 포함하는 측정 유닛(24)을 구비하고, 상기 안전 모듈(4)은 상기 측정 유닛(24)에 의해 전달되는 데이터와 상기 위치 센서(5)에 의해 전달되는 센서 데이터 사이의 타당성 검사를 수행하도록 적응되고; 상기 타당성 검사가 상기 리졸버(25)의 오작동을 표시하는 경우에, 상기 안전 모듈(4)은 상기 리졸버(25)의 입력을 사용하는 일 없이 상기 측정 유닛(25)이 상기 모터를 구동하는 제2 모드로 상기 모터를 스위칭함으로써 상기 구성요소(3)를 상기 휴지 또는 중립 위치(FP)로 작동시키는, 전기기계식 구동부.
- 제1항에 있어서, 모터 위치 및/또는 모터 속력을 판정하기 위한 리졸버(25)를 포함하는 측정 유닛(24)을 구비하고, 상기 안전 모듈(4)은 상기 측정 유닛(24)에 의해 전달되는 데이터와 상기 위치 센서(5)에 의해 전달되는 센서 데이터 사이의 타당성 검사를 수행하도록 적응되고; 상기 타당성 검사가 상기 측정 유닛(24)으로부터의 데이터도 상기 위치 센서(25)의 데이터도 신뢰할 수 없다는 것을 표시하는 경우에, 상기 안전 모듈(4)은 상기 모터를 정지시키는, 전기기계식 장치.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 제어 유닛(22)의 통신 및/또는 동작에서 에러들이 검출된 경우에, 상기 안전 모듈(4)은 상기 모터 제어 유닛(22)의 리셋 라인으로의 직접 액세스(44)를 통해 상기 모터 제어 유닛(22)을 리셋(R)시키도록 적응되는, 전기기계식 구동 시스템(1).
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안전 모듈(4)은 상기 구성요소(3)를 상기 휴지 또는 중립 위치(FP)로 작동시키는 경우에 제1 부분에서 상기 전기기계식 모터(21)의 속력이 증가되고 제2 부분에서 상기 전기기계식 모터(21)의 속력이 감소되도록 상기 전기기계식 모터(21)에 대한 속력 명령들(AC)을 변경하도록 적응되는, 전기기계식 구동 시스템(1).
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안전 모듈(4) 상에서 구현되는 상기 안전 기능(SF)은 하기 기능들, 즉, 상기 구성요소(3)의 위치가 허용된 위치 범위 내에 있다는 것을 보장하기 위한 안전 제한 위치 제어(safe-limited-position-control) 기능(SLP), 작동되는 상기 구성요소(3)의 속력이 최대 속력을 초과하지 않는다는 것을 보장하기 위한 안전 제한 속력 제어(safe-limited-speed-control) 기능(SLS), 상기 구성요소(3)가 원하는 방향으로 작동된다는 것을 보장하기 위한 안전 방향 제어(safe-direction-control)(SDI) 기능, 상기 구성요소(3)에 적용된 토크가 제로라는 것을 보장하기 위한 안전 토크 오프 제어(safe-torque-off-control)(STO) 기능, 상기 모터(21)의 브레이크가 적용된다는 것을 보장하기 위한 안전 브레이크 제어(safe-brake-control) 기능(SBC) 및/또는 다른 안전 기능들(SF)에 따라 정지 절차의 실행을 보장하기 위한 안전 정지 제어(safe-stop-control) 기능(SS1) 중 하나 이상의 안전 기능들(SF)을 추가로 포함하고, 상기 안전 모듈(4)은 구현되는 안전 기능들(SF)을 실행하기 위해 적절히 적응되는, 전기기계식 구동 시스템(1).
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안전 모듈(4)은
- 상기 모터 제어 유닛(22)으로부터 모터 제어 신호들(MCS)을 수신하는 PWM 차단기 모듈(42) - 상기 안전 토크 오프 제어 기능(STO) 및/또는 안전 정지 제어 기능(SS1) 중 적어도 하나의 기능의 실행은 상기 모터 제어 신호(MCS)가 전력 제어 유닛(23)을 향해 상기 PWM 차단기 모듈(42)을 통과하는 것을 차단시키는 결과에 이르게 되고, 바람직하게는 상기 PWM 차단기 모듈(42)의 출력이 0 V로 설정됨 -,
- 상기 모터 제어 유닛(22)으로부터 모터 제어 신호(MCS)의 다른 타입으로서 브레이크 제어 신호(BCS)를 수신하는 브레이크 차단기 모듈(43) - 상기 안전 브레이크 제어 기능(SBC) 및/또는 안전 정지 제어 기능(SS1) 중 적어도 하나의 기능의 실행은 상기 브레이크 제어 신호(BCS)가 상기 전력 제어 유닛(23)을 향해 상기 브레이크 차단기 모듈(43)을 통과하는 것을 차단시키는 결과에 이르게 되고, 바람직하게는 상기 브레이크 차단기 모듈(43)의 출력이 0 V로 설정됨 - 중 적어도 하나를 포함하는, 전기기계식 구동 시스템(1). - 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안전 모듈(4)은 소위 심장박동 신호(HS)에 의해 상기 모터 제어 유닛(22)의 에러 없는 통신 및 동작을 증명하도록 적응되고, 상기 모터 제어 유닛(22)은 적절히 동작하는 경우에 미리결정된 방식으로 상기 심장박동 신호(HS)에 응답하는, 전기기계식 구동 시스템(1).
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 안전 모듈(4)은 플러그인 안전 카드로서 배열되고, 상기 플러그인 안전 카드는 상기 작동 신호들(AS)을 상기 모터 제어 유닛(22)에 적어도 송신하기 위해 상기 안전 카드(4)를 상기 모터 제어 유닛(22)에 접속하기 위한 상기 제3 데이터 접속부(41)로서의, 바람직하게는 안전 인터페이스(41s)로서의 FS 버스 및/또는 데이터 인터페이스(41c)로서의 SSI 인터페이스를 포함하는, 제1 인터페이스(41), 및 상기 안전 카드(4)를 통해 상기 모터 제어 신호(MCS) 및/또는 상기 브레이크 제어 신호(BCS)를 상기 전력 유닛(23)에 송신하기 위한 제2 인터페이스들(45)을 포함하는, 전기기계식 구동 시스템(1).
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위치 센서(5)는 상기 제1 데이터 접속부(51)로서 IEC 61508 표준에 따라 개발된 FS 버스 인터페이스(51)를 통해 안전한 절대 위치 및/또는 속력 및 결함 스테이터스(status) 데이터를 상기 안전 모듈(4)에 제공하는 안전한 선형 또는 로터리 인코더이고, 바람직하게는 작동들로서의 회전들을 위한 로터리 인코더의 경우에, 상기 위치 센서(5)는 SIL 정격 다회전 인코더인, 전기기계식 구동 시스템(1).
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기기계식 구동 시스템(1)은 적어도 2개의 전기기계식 구동 유닛들(2, 2′, 2′′)을 포함하고, 상기 전기기계식 구동 유닛들(2, 2′, 2′′)의 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)은 다른 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)을 트리거하여 대응하는 안전 기능들(SF)을 정렬된 방식으로 실행하기 위해 임의의 적용된 안전 기능(SF)에 관한 정보를 포함하는 정보를 적어도 교환하기 위해 서로 접속되는, 전기기계식 구동 시스템(1).
- 제12항에 있어서, 적합한 양방향 인터페이스(61), 바람직하게는 FSOE 인터페이스를 통해 각각의 전기기계식 구동 유닛(2, 2′, 2′′)에 접속되어 상기 구성요소들에 대해 요구된 작동 및/또는 위치 데이터(DA)를 각각의 전기기계식 구동 유닛(2, 2′, 2′′)의 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)에 전송하여 대응하는 작동 신호들(AS)을 생성하고 또한 비상 상황에서 제1 안전 신호(FS)를 상기 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)에 전송하는 중앙 유닛 안전 카드(62)를 포함하는 중앙 유닛(6)을 통해 접속이 확립되고, 상기 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)은 상기 제1 안전 신호(FS)에 응답하여 제1 안전 기능(SFR)을 실행하도록 적응되는, 전기기계식 구동 시스템(1).
- 제13항에 있어서, 각각의 안전 모듈(4, 4′, 4′′)은 적어도 상기 구성요소(3)의 안전한 위치 및/또는 속력 데이터(PD)를 대응하는 안전 모듈(4, 4′, 4′′)로부터 상기 중앙 유닛(6)으로 리포팅하도록 적응되고, 상기 중앙 유닛 안전 카드(62)는 리포팅된 상기 안전한 위치 및/또는 속력 데이터(PD)를 각각의 작동기(A)의 요구된 위치 및/또는 속력과 비교하도록 적응되고 불일치의 경우에는 상기 제1 안전 신호(FS)를 각각의 안전 모듈(4, 4′, 4′′)에 전송하도록 적응되는, 전기기계식 구동 시스템(1).
- 제1항에 따른 전기기계식 구동 시스템(1)을 포함하는 풍력 터빈(7)의 적어도 하나의 로터 블레이드(3), 바람직하게는 모든 로터 블레이드들(3)을 회전시켜서 상기 로터 블레이드들(3)을 회전시키기에 적합한 피치(pitch) 시스템(71)으로서, 상기 로터 블레이드(3)는 작동(A)될 구성요소(3)이고, 상기 전기기계식 모터(21)는 상기 작동(A)으로서 상기 로터 블레이드(3)를 그의 종축을 중심으로 회전시키도록 적응되며 상기 로터 블레이드(3)를 페더링(feathering) 위치(FP)에서 회전시키기 위한 안전한 페더링 작업(SFR)은 제1 안전 기능(SFR)인, 피치 시스템(71).
- 제15항에 있어서, 상기 전기기계식 구동 시스템(1)은 2개 이상의 전기기계식 구동 유닛들(2, 2′, 2′′)을 포함하고, 적합한 양방향 인터페이스(61), 바람직하게는 FS 버스 또는 FSOE 인터페이스를 통해 각각의 로터 블레이드(3)에 대한 각각의 전기기계식 구동 유닛(2, 2′, 2′′)에 접속되어 상기 로터 블레이드들(3)에 대해 요구된 회전 및/또는 위치 데이터를 각각의 전기기계식 구동 유닛(2, 2′, 2′′)의 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)에 전송하여 회전 신호들을 생성하고 또한 비상 상황의 경우에 페더링 신호(FS)를 상기 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)에 전송하는 중앙 유닛 안전 카드를 포함하는 중앙 유닛(6)을 추가로 포함하고, 상기 안전 모듈들(4, 4′, 4′′)은 상기 페더링 신호(FS)에 응답하여 각각의 로터 블레이드(3)에 대한 상기 안전한 페더링 작업(SFR)을 실행하도록 적응되는, 피치 시스템(71).
- 2개 이상의 로터 블레이드들(3)을 포함하는 풍력 터빈(7)으로서, 각각의 로터 블레이드(3)는 제15항에 따른 피치 시스템(71)의 별개의 전기기계식 모터(21)에 의해 회전되고, 상기 풍력 터빈(7)은 각각의 로터 블레이드들(3)을 회전시키기 위한 위치 및/또는 속력 명령들(TCS)을 중앙 유닛(6)에 송신하도록 적응된 상기 풍력 터빈(7)의 나셀(nacelle)(73)에 배열되는 터빈 제어 유닛(72)을 추가로 포함하고, 상기 중앙 유닛 안전 카드(62)는 각각의 로터 블레이드(3)의 요구된 위치로서 송신된 상기 위치 및/또는 속력 명령들(TCS)을 각각의 안전 모듈(4, 4′, 4′′)에 의해 상기 중앙 유닛(6)에 리포팅된 안전한 위치 및/또는 속력 데이터(PD)와 비교하고 불일치의 경우에는 상기 페더링 신호(FS)를 각각의 안전 모듈(4, 4′, 4′′)에 전송하여 상기 안전한 페더링 작업(SFR)을 실행하도록 적응되는, 풍력 터빈(7).
- 적어도 하나의 전기기계식 구동 유닛(2)을 구비한 제1항에 따른 전기기계식 구동 시스템(1)을 동작시키기 위한 방법으로서,
상기 전기기계식 구동 유닛은 가동 구성요소(3)를 작동(A)시키기 위한 전기기계식 모터(21) - 상기 구성요소(3)의 작동(A)의 신뢰성, 무결성 및 진단들은 상기 구성요소(3)를 동작시키는 것에 안전 관련됨 -, 상기 전기기계식 모터(21)에 전력공급하기 위한 전력 유닛(23), 상기 전력 유닛(23)에 접속되어 상기 전력 유닛(23)을 모터 제어 신호들(MCS)을 통해 제어하기 위한 모터 제어 유닛(22), 상기 모터 제어 유닛(22)에 접속되어 모터 위치 및/또는 모터 속력 데이터를 판정하고 이들 데이터를 모터 신호들(MS)로서 상기 모터 제어 유닛(22)에 전송하기 위한 측정 유닛(24), 모터 제어 유닛(22) 및 전력 유닛(23)에 접속되는 안전 모듈(4), 및 상기 안전 모듈(4)에 접속되는 안전 위치 센서(5)를 포함하고,
상기 방법은,
- 상기 안전 위치 센서(5), 바람직하게는 위치 인코더(5)에 의해 안전 관련 작동들(A)을 위한 안전 요건들을 충족시키기에 충분한 정도의 신뢰성 및 무결성으로 작동되는 상기 구동요소(3) 및/또는 상기 모터(21)의 구성요소 및/또는 모터 위치 및/또는 속력을 모니터링하는 단계(S1);
- 상기 안전 위치 센서(5)에 의해 위치 및/또는 속력 데이터를 포함하는 대응하는 센서 신호들(SS)을 제1 데이터 접속부(51)를 통해 상기 안전 모듈(4)에 전송하는 단계(S2);
- 작동 속력 및 원하는 구성요소 위치와 같은 작동 신호들(AS)을 제3 데이터 접속부(41)를 통해 상기 안전 모듈(4)로부터 상기 모터 제어 유닛(22)으로 송신하는 단계(S3);
- 상기 안전 모듈에 의한 안전 기능들의 실행을 가능하게 하기 위해 상기 모터 제어 신호들(MCS)을 상기 안전 모듈(4)을 통해 상기 전력 유닛(23)에 송신하는 단계(S4);
- 상기 구성요소(3)의 안전한 작동(A)을 보장하도록 적어도 상기 안전 모듈(4) 상에서 구현되는 하나 이상의 안전 기능들(SF)에 따라 상기 작동 신호들(AS)로부터 발생하는 상기 모터 제어 신호들(MCS)에 기초하여 상기 전기기계식 모터(21)에 의해 상기 구성요소를 작동시키는 단계(S5);
- 상기 구성요소의 모니터링(S1)된 위치 및 속력을 상기 안전 모듈(4)에 의한 상기 작동 신호들(AS)로부터의 예상되는 거동과 비교하는 단계(S6); 및
- 적어도 비상 상황에서 상기 안전 모듈(4)에 의해 실행되는 제1 안전 기능(SFR)으로서 상기 구성요소(3)를 휴지 또는 중립 위치(FP)에서 작동시키는 단계(S7)를 포함하는, 전기기계식 구동 시스템(1)을 동작시키기 위한 방법.
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