NO324945B1 - Asimutdrivanordning for vindkraftanlegg - Google Patents

Description

Vindenergianlegg har som regel et aktivt drivverk for vindretningsetterføring. Dette dreier maskinhuset i vindenergianlegget slik at rotorbladene til rotoren blir rettet inn i vindens retning. Dette drivverket som er nødvendig for vindretningsetterføringen, er som regel et asimutdriwerk som med de tilhørende asimutlagrene vanligvis befinner seg mellom tårnhodet og maskinhuset. Ved små vindenergianlegg er det tilstrekkelig med ett innstillingsdriwerk, større vindenergianlegg er som regel utstyrt med flere asimutdriwerk.

Ved vindretningsetterføringen av maskinhuset leverer et driftsvindmålesystem en middelverdi for vindretningen over et visst tidsrom, f. eks. 10 sekunder. Denne middelverdien blir stadig sammenlignet med asimutposisjonen til maskinhuset i øyeblikket. Så snart et awik overskrider en bestemt verdi blir maskinhuset etterinnstilt tilsvarende, slik at vindretningsavviket til rotoren, giringssvinkelen, er minst mulig for å unngå effekttap. Hvordan en vindretningsetterføring ved kjente vindenergianlegg blir gjennomført, er beskrevet i "Windkraftanlagen", Erich Hau, 2. opplag, 1995, side 268 ff. hhv 316 ff.

Ved hittil kjente vindenergianlegg overtar en motorisert vindretningsetterføring i maskinhuset, asimutinnstillingssystemet, oppgaven med å rette inn rotoren og maskinhuset automatisk etter vindretningen. Funksjonelt sett er vindretningsetterføringen en selvstendig enhet. Betraktet fra et konstruksjonsmessig standpunkt danner denne overgangen mellom maskinhuset og tårnhodet. Dens komponenter er integrert dels i maskinhuset og dels i tårnhodet. Hele systemet for vindretningsetterføringen består av komponentene innstillingsdriwerk, holdebremser, låseinnretning, asimutlager og reguleringssystem. Disse komponentene arbeider som følger: For innstillingsdriwerket finnes det på liknende måte som for rotorblad-innstillingsdriwerket alternativene hydraulisk eller elektrisk drift. Begge utførelser er vanlige i vindenergianlegg. Små anlegg råder for det meste over uregulerte, elektriske driwerksmotorer. Ved større anlegg er det overvekt av hydrauliske innstillingsdriwerk.

For å unngå at giringsmomentet om omdreiningsaksen etter gjennomført etterføring må holdes av driwerksmotorer, er en omdreiningshindring eller en giringsbrems påkrevet. Ellers ville levetiden til driwerksaggregater eller de forankoplede driwerkene neppe kunne garanteres. Små anlegg klarer seg for det meste med en omdreiningshindring i asimutlageret, for større anlegg er flere løsbare holdebremser kjent. Disse griper inn på en bremsering på innersiden av tårnet eller omvendt på en ring på maskinhuset. Under etterføringsforløpet er en eller to asimutbremser i inngrep for å sikre den påkrevde dempningen av innstillingsdynamikken. Innstillingsdriwerket må her være utformet slik at det kan etterføre mot denne friksjonsdempningen. Asimut- eller tårnhodelageret blir som regel utformet som rullelager.

I figur 7 er det vist et delsnittsriss av et kjent vindretningsetterføringssystem med elektrisk innstillingsdriwerk fra Westinghaus WTG-0600.

Under driften av et vindenergianlegg med turbulente vinder opptrer det - avhengig av omdreiningsvinkelen til rotoren - meget store krefter og forbundet med dette høye og hyppige belastningstopper i asimutdriwerkene.

Når det er anordnet mer enn ett asimutdriwerk, blir det i tillegg en meget stor asymmetri i de enkelte driwerkene. Disse drivverkene har en utveksling ved hjelp av en girenhet på ca. 15000. Minste awik i tannfordelingen på omkretsen til tårnlageret fører straks til meget sterke asymmetrier når mer enn ett driwerk, f.eks. fire asimutdriwerk, er anbrakt på omkretsen til tårnlageret med integrert tannfordeling. På grunn av den store girutvekslingen tilsvarer disse små awikene på inngangssiden av driwerket inntil 15 til 20 omdreininger på utgangssiden.

Dette betyr som resultat at under og etter hvert dreieforløp for maskinhuset må om mulig hele belastningen og hele dreiemomentet samtidig fordeles ensartet på hvert enkelt driwerk. I tillegg skal driwerkene ved sterke asimutbelastninger i stillstandstiden ved for høye belastninger gi etter og muliggjøre en lett dreining av maskinhuset, slik at en tilsvarende avlastning kan innstille seg.

Videre opptrer det under vindetterføringen for maskinhuset i vindenergianlegget ved sterk turbulens også tilsvarende høye dreiemomenter. Disse stimulerer asimutdriwerkene på en slik måte at motorene svinger mot hverandre. Girenhetene med sine meget høye utvekslingsforhold reagerer her som en fjær og resultatet er store dreiemomentsvingninger i de enkelte driwerkene.

Det er oppfinnelsens oppgave å forbedre asimutdriwerket for vindenergianlegg, slik at de foranstående nevnte problemene blir fjernet, å skaffe et konstruksjonsmessig enkelt asimutdriwerk, å sikre en jevn belastningsfordeling for hvert asimutdriwerk og å unngå uønskede dreiemomentsvingninger i de enkelte driwerk.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt et vindenergianlegg ifølge krav 1. Fordelaktige videreutviklinger er beskrevet i underkravene.

Vindenergianlegget ifølge oppfinnelsen med et maskinhus som omfatter en rotor med minst ett rotorblad, utmerket seg ved at innstillingsinnretningen for innstilling av maskinhuset i overensstemmelse med den aktuelle vindretning har minst én trefase-asynkronmotor som asimutdriwerk, som under innstillingen av maskinhuset forsynes med trefasestrøm, og under stillstandstiden for maskinhuset forsynes med trefasestrøm, og under stillstandstiden for maskinhuset tidvis eller fullstendig forsynes med likestrøm.

Etter innstillingsforløpet ved hjelp av trefasestrøm blir motorene slått av og skaper dermed ikke lenger noe dreiemoment. For nå også å sørge for en bremsevirkning fra driwerksmotoren og under stillstandstiden når det opptrer belastningstopper fremdeles å få et tilstrekkelig bremsemoment, blir trefase-asynkronmotoren umiddelbart etter atskillelsen fra trefasestrømnettet pålagt en likestrøm. Denne likestrømmen frembringer et stående magnetfelt i asynkronmotoren som dermed straks blir bremset ned. Likestrømsforsyningen blir helst stående på hele tiden mens det er stillstand.

For å undertrykke uønskede dreiemomentsvingninger blir det ifølge oppfinnelsen anordnet en dreiemomentkontroll. Nedbremsingen av trefase-asynkronmotoren kan bli innstilt lineært ved hjelp av høyden på likestrømmen. Dermed blir det en enkel dreiemomentkontroll for asimutdriwerkene i vindenergianlegg under den egentlige stillstanden.

Videre blir, når innstillingsinnretningen har flere trefase-asynkronmotorer, trefase-asynkronmotorene ved hjelp av en strømtransformator koplet i motkopling, slik at det enkelte drivverket er stabilisert og den hittil uønskede fjæreffekten blir undertrykket.

Oppfinnelsen blir i det etterfølgende forklart nærmere ved hjelp av et utformings-eksempel. Her viser figur 1 en skjematisk anordning av fire asimutdriwerk i en innstillingsinnretning på maskinhuset, figur 2 viser en dreiemoment/omdreiningstall-kurve for en trefase-asynkronmotor, figur 3 viser kurven for en trefase-asynkronmotor under likestrømsdrift, figur 4 viser et alternativ til figur 3, figur 5 viser et blokkdiagram for en transformatorkopling av to asynkron-asimutdriwerk, figur 6 viser et koplingsskjema for en asimutmotor, figur 7 viser et delutsnitt i en kjent vindretningsetterføring med elektrisk innstillingsdriwerk, og figur 8 viser et blokkdiagram for en asynkronmaskin styrt med en frekvensomformer.

Vindenergianlegg har som regel et aktivt driwerk for vindretningsetterføringen, slik at rotorbladene til rotoren blir rettet inn optimalt i retning av vinden. Det aktive driwerket for vindretningsetterføringen er et asimutdriwerk 1 med det tilhørende asimutlageret 2 og befinner seg som regel mellom tårntoppen og maskinhuset. Ved små vindenergianlegg er det tilstrekkelig med ett asimutdriwerk, mens større vindenergianlegg som regel har flere driwerk, for eksempel fire driwerk, som vist i figur 1. De fire driwerkene er fordelt likt på omkretsen til tårntoppen 3 (også en ujevn fordeling er mulig).

Under driften av et vindenergianlegg opptrer det med turbulente vinder - avhengig av omdreiningsvinkelen til rotoren - meget store krefter og forbundet med dette høye og hyppige belastningstopper i asimutdriwerkene.

Når innstillingsinnretningen for innstilling av maskinhodet har mer enn ett asimutdriwerk 1 blir det i tillegg en meget stor asymmetri i de enkelte driwerkene 1. Disse driwerkene har et utvekslingsdriwerk 4 (utvekslingsdriwerket ikke vist) med en utveksling på ca. 15000. Minste awik i tannfordelingen for utvekslingsdriwerket på omkretsen til tårnlageret fører straks til meget sterke asymmetrier når mer enn ett driwerk er anbrakt på omkretsen til tårnlageret med integrert tannfordeling. På grunn av den store driwerksutvekslingen tilsvarer disse små awikene på inngangssiden av driwerket inntil 15 til 20 omdreininger på utgangssiden.

Det betyr at under og etter hvert innstillingsforløp for tårntoppen må hele belastningen/dreiemomentet bli fordelt jevnt på hvert enkelt drivverk. I tillegg skal driwerkene ved sterk asimutbelastning i stillstandstiden - for tårntoppen - ved for høye belastninger gi etter og muliggjøre en lett dreining av maskintoppen.

Hvert asimutdriwerk 1 har en egen motor 5 og motorene er koplet etter hverandre og blir styrt sammen. Når det under vindetterføringen for maskintoppen i vindenergianlegget - forårsaket av sterk turbulens - opptrer sterke dreiemomenter, påvirker disse dreiemomentene asimutdriwerkene, slik at motorene svinger mot hverandre eller er tilbøyelige til svingninger. Driwerkene 4 med sine meget høye utvekslingsforhold reagerer her som en fjær, noe som har til følge store dreiemomentsvingninger i hvert enkelt driwerk.

For å sikre en jevn belastning i den tiden maskinhuset ikke blir dreid, blir det ifølge oppfinnelsen foreslått å bruke som drivmotorer for asimutdriften en trefase-asynkronmotor som asynkrondrivmaskin. Dens dreiemoment/omdreiningstall-kurve er vist i figur 2. MA betyr begynnelsesdreiemoment, MK betyr kippmoment.

Etter innstillingsforløpet for maskinhuset blir de fire trefase-asynkronmotorene (ASM) slått av og frembringer dermed ikke lenger noe dreiemoment. For å bremse ned motorene jevnt og også deretter enda å få et bremsemoment, blir motorene omgående etter atskillelsen fra vekselstrømnettet, om mulig straks, pålagt en likestrøm (se figur 6a).

Denne likestrømmen lager et stående magnetfelt i motorene (asynkronmaskinene) som dermed straks blir bremset ned. Denne likestrømsforsyningen forblir om mulig stående på under hele stillstandstiden og amplituden kan bli regulert.

Etter innstillingsforløpet blir ASM-driwerkene ved hjelp av en regulerings-innretning - i figur 6b - forsynt med en regulert likestrøm. Langsomme dreiebevegelser for tårntoppen, som blir forårsaket av usymmetriske vindkast, blir bare dempet men tillatt gjennom en liten likestrøm (ca. 10 % av nominell strøm). Raskere dreiebevegelser blir forhindret gjennom en tilpasset høyere likestrøm og dermed høyere bremsemoment. Ved meget raske dreiebevegelser blir likestrømmen hevet inntil den nominelle strømmen for motoren.

Dreiemoment/omdreiningstall-kurven til en asynkronmotor i Iikestrømsdrift er vist i figur 3. Driwerksmotoren frembringer med likestrømsmagnetiseringen under stillstand ikke noe dreiemoment. Men med stigende omdreiningstall - inntil 6 % av det nominelle omdreiningstallet - stiger det frembrakte dreiemomentet lineært og da symmetrisk i begge omdreiningsretninger. Ifølge denne kurven blir belastningen som opptrer også fordelt jevnt på alle asimutdriwerkene og det innstiller seg passivt alltid en likevekt.

Til dreiemomentkontrollen av asimutdriwerkene kan stigningen på bremsekurven bli innstilt lineært med høyden på likestrømmen. Dette er vist i figur 4. Dermed blir det en enkel dreiemomentkontroll for asimutdriwerkene i vindenergianleggene under den egentlige stillstanden.

Videre er det hensiktsmessig å kople de enkelte motorene i asimutdriwerkene ved hjelp av en strømtransformator. Dette er vist i figur 5. ASM betyr her asynkronmaskiner. En slik enkel motkopling stabiliserer drivverkene. Figur 7 viser et delutsnitt av en kjent vindretningsetterføring med elektrisk innstillingsdriwerk, slik det er kjent fra Erich Hau, "Windkraftanlagen" Springer Verlag Berlin Heidelberg 1996, sidene 268-21. Figur 8 viser i et blokkdiagram hvordan en asynkronmaskin, fortrinnsvis en trefase-asynkronmotor forbundet med en frekvensomformer blir forsynt med elektrisk strøm.

Under innstillingsforløpet til trefase-asynkronmotoren, når altså maskinhuset i vindenergianlegget blir innstilt (dreid til en ønsket posisjon, blir asynkronmotoren forsynt med en vekselstrøm med variabel frekvens.

Under stillstandstiden for asynkronmaskinen blir asynkronmaskinen forsynt med en vekselstrøm med frekvensen null, altså likestrøm.

Claims (5)

1. Vindenergianlegg med et maskinhus som opptar en rotor med minst ett rotorblad og en innstillingsinnretning for innstilling av maskinhuset til den ønskede innretting av rotoren i vindens retning, idet innstillingsinnretningen som driwerk (1) har en trefase-asynkronmotor som for innstilling av maskinhuset kan påvirkes av en trefasestrøm med variabel frekvens, karakterisert ved at det under maskinhusets stillstand er pålagt en likestrøm på trefase-asynkronmotoren for å bygge opp et bremsemoment.

2. Vindenergianlegg ifølge krav 1, karakterisert ved at trefase-asynkronmotoren forsynes med elektrisk strøm ved hjelp av en frekvensomformer.

3. Vindenergianlegg ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at innstillingsinnretningen oppviser flere trefase-asynkronmotorer som er koplet til hverandre.

4. Vindenergianlegg ifølge krav 3, karakterisert ved at trefase-asynkronmotorene er koplet elektrisk til hverandre ved hjelp av en strøm transformator.

5. Fremgangsmåte for innstilling av maskinhuset i et vindenergianlegg ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at det under maskinhusets stillstand pålegges en likestrøm på trefase-asynkronmotoren for å bygge opp et bremsemoment.