WO2011104318A1 - Überspannungssichere steuereinheit für ein verstellsystem von windturbinenrotorblättern - Google Patents

Überspannungssichere steuereinheit für ein verstellsystem von windturbinenrotorblättern Download PDF

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WO2011104318A1
WO2011104318A1 PCT/EP2011/052774 EP2011052774W WO2011104318A1 WO 2011104318 A1 WO2011104318 A1 WO 2011104318A1 EP 2011052774 W EP2011052774 W EP 2011052774W WO 2011104318 A1 WO2011104318 A1 WO 2011104318A1
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WO
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control unit
control
component
input
circuit
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PCT/EP2011/052774
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Olaf Willauschus
Reinhard Vilbrandt
Michael Schulz
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Suzlon Energy Gmbh
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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
    • F03D—WIND MOTORS
    • 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
    • F03D7/022—Adjusting aerodynamic properties of the blades
    • F03D7/0224—Adjusting blade pitch
    • 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
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/30—Lightning protection
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2270/602—Control system actuates through electrical actuators
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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 control unit for controlling and / or regulating at least one control component.
  • a control component may be an inverter of a drive device for a rotor blade of a wind turbine.
  • the rotor blade is arranged substantially in rotation about its longitudinal axis on a hub of the wind turbine.
  • the control unit comprises at least one input and / or output for electrical signals, wherein the control unit via the input and / or output to the control component and / or another component, in particular a measuring or sensor unit, is electrically connectable.
  • electrical control and / or status signals can be transmitted between the control unit and the control component and / or between the control unit and the further component.
  • Such a wind turbine with such a control unit is widely known from the prior art.
  • DE 102 53 81 1 A1 discloses a wind turbine with an inverter system for adjusting the rotor blades.
  • the instantaneous position of the rotor blade is used as an input variable for the control unit.
  • This input signal for the control unit is provided, for example, by an angle transmitter on the adjusting mechanism of the rotor blade and / or by an angle transmitter on the motor of the adjustment drive of the rotor blade.
  • These components are located outside the control unit and act on signal inputs thereof.
  • the reliability is to be increased.
  • a protective circuit with a galvanically isolating transmission element is effectively arranged.
  • This protection circuit is arranged between the control unit and the control component and / or between the control unit and the further component in such a way that the control unit and the control component and / or the control unit and the further component can be arranged separately from one another. This has the effect that a possible overvoltage of a component can no longer be transferred to the control unit. This protects it from destruction.
  • the protective circuit may have an at least partial input circuit and an output circuit.
  • the input and output circuits are galvanically isolated from each other via the transmission element, but at the same time are logically operatively connected. This has the consequence that although the electrical separation of the two circles information can be transmitted, in particular a digital signal zero or one.
  • the transmission element has an active element assigned to the input circuit and a switching element assigned to the output circuit.
  • a current flow through the active element triggers a switching operation of the switching element.
  • the input circuit may comprise a constant current source. This has the property that the current through the active element is limited to a certain maximum value, preferably 10 milliamps. This applies to a certain maximum input voltage at the input circuit of about 500 volts.
  • the input and output circuits are to be understood as subcircuits, which are only by connecting to other subcircuits of electrical components to closed circuits.
  • the input and output circuits may have further subcircuits without thereby limiting the invention.
  • the output circuit is electrically connected to the input of the control unit and the input circuit is electrically connected to the control component and / or the further component.
  • the output circuit is electrically connected to the control component and / or the further component and the input circuit is electrically connected to the output of the control unit.
  • the input circuit is electrically connected to the output of the control unit.
  • An embodiment of the invention discloses the transmission element is designed as an optocoupler.
  • the active element of the optocoupler can be designed as a light-emitting diode, wherein the switching element is a phototransistor.
  • a diode light causes a base current in the phototransistor, thereby causing another circuit in the output circuit or in an undercurrent circuit.
  • the input circuit of the control unit preferably has at least one first branch with a first transistor, and preferably a first resistor and a second branch arranged electrically parallel thereto with a second transistor, and preferably with a second resistor in series.
  • the active element that is to say preferably the light-emitting diode of the opto-coupler or the coil of the relay, is arranged in series in front of the first transistor in the first branch.
  • the first branch is electrically connected to the base of the second transistor and the second branch is electrically connected to the base of the first transistor, thereby the current through the first branch levels to a value which is in part independent of the input voltage and of the choice of resistances depends.
  • Favorable is an expression of the resistors to a current of 10 milliamps, whereby a contact cleaning of the electrical contacts is ensured.
  • At least one third branch with a third resistor is provided in the input circuit. This is arranged electrically parallel to the first and second branch and serves to ensure the maximum current through the first branch.
  • the third branch can be advantageous in the third branch to provide a manipulation device, such as switches, potentiometers, etc. in series or else parallel to the resistor. This would achieve that the maximum value of the current through the active element would be variable, in particular adjustable. Thus, a higher tolerance to input voltages could be achieved.
  • the protection circuit could withstand over 1000 volts input voltage. It is advantageous to provide several or even all inputs and outputs, each with a protection circuit according to the effective direction.
  • the protective circuits are to be integrated into the structural unit of the inverter, or the protective circuits are to be designed as a structural unit with the control unit.
  • Such a control unit with a protective circuit is used in an inventive manner in a drive device for a rotor blade of a wind turbine.
  • Such wind turbines comprise a rotatably mounted on a nacelle rotor with a hub, wherein the rotor has at least one electromechanical drive device for adjusting the angle of attack of at least one attachable to the hub rotor blade.
  • This drive unit has an electric machine for adjusting the rotor blade, an electrically actuatable brake arranged on the drive unit for setting or braking the drive unit, and an electrical control component via which the electric machine can be connected to a power supply.
  • the electrical machine can be designed as an asynchronous machine, synchronous machine, DC.
  • control component is designed as an inverter unit comprising a rectifier, an inverter and DC intermediate circuit.
  • the control unit with a protection circuit controls the control component. If the control unit fails due to overvoltage, the entire pitch adjustment is paralyzed. This can lead to destruction of the entire wind turbine at overspeed. This is effectively prevented by the protection device.
  • emergency power supply equipment is typically provided for adjusting the rotor blades to a safe operating position (e.g., feathering position).
  • the control component may further comprise components, such as DC voltage adjusters connected to the intermediate circuit, via which the brake of the drive unit is electrically powered. By supplying the brake through the DC link can be dispensed with an additional voltage source for the brake.
  • an emergency operating supply device can be provided which is connected to the intermediate circuit and can be charged from the intermediate circuit by means of a charging unit and a charging control system. As a result, a further voltage source for charging the emergency operating device is superfluous.
  • the charging control system can be integrated directly into the control unit.
  • the rotor blade is arranged substantially in rotatable about its longitudinal axis on a hub of the wind turbine.
  • the drive device comprises a drive unit for moving the rotor blade about its longitudinal axis.
  • the drive device may also be a hydraulic adjustment system.
  • the control component is designed as a motor and pump with valves.
  • the engine drives a pump, which in turn drives a cylinder that can adjust the rotor blade via a lever drive.
  • the control unit may be connected to its input channels with temperature sensors and / or humidity sensor, and also an air conditioning and / or heating device for cooling or warming up the supply device and / or the emergency operation device may be provided, wherein the air conditioning and / or heating device by the control unit are controllable.
  • the control unit is protected against overvoltage in these components.
  • the invention comprises a wind turbine with a drive device with a control unit according to the embodiments and embodiments described above.
  • a wind turbine shows a mounted on a tower engine house with the machine frame.
  • the rotor is rotatably mounted with the hub and at least one rotor blade fastened thereto.
  • a separate drive device is usually provided for each rotor blade.
  • the individual control units individual drive devices are connected to the central control of the wind turbine, and also still controlled by a central control device in the hub. Further details of the invention will become apparent from the drawings with reference to the description.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a hub of the wind turbine with a drive device and a control unit
  • FIG. 2 is a functional block diagram of the control unit
  • FIG. 3 is a schematic representation of the control unit
  • FIG. 4 is a schematic representation of the control unit with protection circuit
  • FIG. 5 is an enlarged view 6 shows a block diagram of the protection circuit
  • FIG. 7 shows an exemplary wind turbine.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a hub 4 of the wind turbine 101 with a drive device 2 with a control unit 1
  • Fig. 2 shows a simplified circuit and arrangement plan of the drive device 2 is shown.
  • This embodiment of the drive device 2 comprises an inverter unit 20 in a control cabinet 4 in a hub 3 of a wind turbine 101.
  • the inverter unit 20 feeds the drive unit 7 of the blade adjustment of a rotor blade 9 via electrical connection means 32.
  • the drive unit 7 can have a transmission 10, the drive shaft 11 of the transmission 10 being connected directly to an asynchronous machine 6 and the output shaft 12 to a pinion 13.
  • the pinion 13 engages in one the rotor blade 9 rotatably connected ring gear 14, wherein the rotor blade 9 is mounted by means of a blade bearing 15 rotatably about its longitudinal axis 16 in the hub 4.
  • FIG. 2 schematically shows the inverter unit 20 of the drive device 2.
  • the asynchronous machine 6 is connected to a supply network 29 via the inverter unit 20.
  • the inverter unit 20 comprises a rectifier 21, a DC intermediate circuit 22 and an inverter 23, a DC voltage controller 24, a control unit 1, a charge control system 26 and a charging unit 27.
  • This inverter unit 20 is designed as a structural unit in a compact manner and includes the control unit 1 with a , The control unit 1 is connected via connecting means 28 to the control of the wind turbine 101.
  • the rectifier 21 is connected to a three-phase supply network 29 and provides a DC voltage U Z K in the intermediate circuit 22 ready.
  • the rectifier 21 can be actively controlled by the control unit 1 via connecting means 30.
  • a passive embodiment of the rectifier 21 is conceivable.
  • the inverter 23 provides via the connecting means 32 a suitable supply of three-phase alternating current (three-phase current) for the asynchronous machine 6.
  • the inverter 23 can be controlled by means of connecting means 31 of the control unit 1 of the inverter unit 20. Depending on the needs, the control unit 1 therefore tells the inverter 23 how to operate the asynchronous machine 6.
  • the control unit 1, the drive unit 7 and the encoder 17 are together suitable to represent a control circuit for the pitch adjustment.
  • an electromagnetic brake 5 is arranged on the drive unit 7. This brake 5 can directly a Apply shaft 1 1 of the induction machine 6 or the transmission 10 and arranged there.
  • a fail-safe embodiment is realized by a non-rotating friction means in the currentless state in the brake 5 applied to a rotatably connected to the shaft 1 1 brake disc or drum, wherein spring means press the friction means against the brake disc or drum. The normal force caused thereby generates the desired braking or holding torque.
  • the brake 5 is preferably arranged on the fast shaft 1 1 of the transmission 10.
  • the brake 5 preferably has an electromagnetic actuator with a coil which is adapted to lift the friction means against the spring force of the spring means of the brake disc or drum.
  • the coil in the brake 5 must be energized by the DC voltage controller 24.
  • the DC voltage controller 24 is controlled by the control unit 1 via connecting means 34 such that this receives electrical energy from the DC voltage intermediate circuit 22, and a release voltage U L is applied to the coil of the brake 5.
  • the DC voltage controller 24 is designed such that it provides a constant release voltage UL regardless of the voltage U Z K in the DC link. As a result, a safe release of the brake 5 is possible.
  • the intermediate circuit 22 is fed by an emergency operating device 35, which is connected directly to the intermediate circuit 22. If the level of the emergency voltage U N of Not sunnysmakerss- device 35 would not be sufficient to solve the brake 5, the rotor blades 9 could no longer be driven to a neutral position. This would be a disaster of the entire system possible.
  • the DC voltage controller 24 as Hochsteller is executed, the brake 5 can be solved despite the low voltage.
  • the emergency power supply device 35 comprises storage means 36 for storing electrical energy, such as capacitors, supercaps and / or accumulators.
  • the emergency operation supply device 35 is connected directly to the intermediate circuit 22 in such a way that, in the event of a voltage drop of the intermediate circuit voltage U Z K, electrical energy can flow from the emergency operation supply device 35 into the intermediate circuit 22 under the emergency voltage U N of the storage means 36.
  • one or two diodes 37 may be provided.
  • the storage means 36 can be charged by means of the charging unit 27 from the intermediate circuit 22.
  • the charging unit 27 can be controlled via connecting means 40 by a charging control system 26.
  • the charging control system 26 may favorably be integrated directly into the inverter unit 20 and will be logically connected and controllable via connecting means 49 with inputs E1, E2, E3, E4 and / or outputs A1, A2, A3 of the control unit 1.
  • the charge control system 26 is provided as an extra unit in the inverter unit 20.
  • the storage means 36 can be short-circuited with the interposition of a defined load (resistance).
  • a defined load resistance
  • the so-called chopper resistor 41 or alternatively an external test resistor 44 can be used.
  • the chopper resistor 41 is normally used to reduce excess energy in the intermediate voltage circuit 22 and convert it into heat. This is the case when the drive unit 7 is moved by the rotor blade 9 or by the wind pressure or the inertia of the rotor blade 9. In this case, the asynchronous machine 6 is in a generator operation, the inverter 23 acts as a rectifier and the energy generated is fed into the intermediate circuit 22. The chopper resistor 41 is then connected via connecting means 43 and a switch 42 of the control unit 1 and via the charge control system 26 in the intermediate circuit 22.
  • the charge control system 26 closes the switch 42 or 45, whereby the storage means 36 are short-circuited via the chopper resistor 41 or the external test resistor 44.
  • a specific measuring voltage U Me which is representative of the voltage UN of the emergency power supply device 35, drops across a measuring resistor 47.
  • the charging control system 26 picks up the measuring voltage UMe at the measuring resistor 47 and, depending on the level of the measuring voltage UMe via connecting means 40, sends an instruction to the charging unit 27 to charge the storage means 36. If the measurement voltage UMe indicates a malfunction of the storage means 36, the charge control system 26 returns an error message to the control unit 1 via connection means 49. In this case, the control unit 1 would forward this error message via the connecting means 28 to the control of the wind turbine 101, whereby possibly the wind turbine 101 would be switched off.
  • the control unit 1 controls the inverter 23 for the operation of the asynchronous machine 6, the voltage equalizer 24 to release the brake 5 and release the drive unit 7, and the charge control system 26, and above the charging unit 27, the switch 42 of the chopper resistor 41 and / or The switch 45 of the external test resistor 44. Due to this extremely advantageous integration of all control operations in the control unit 1 of the inverter unit 20, which in turn combines different functions structurally, a very favorable expression of the drive device 2 is achieved. Continuing this idea of integration - but not necessarily belonging to the idea of the invention - the inverter unit 20 may have a temperature control system. In this case, 20 inputs for temperature sensors 50, 51, 52, 53, 54 and are on the control unit 1 of the inverter unit Humidity sensors 59, 60 and control outputs for air conditioning and / or heating devices provided.
  • the inverter unit 20 is shown schematically.
  • a temperature sensor 50 and a humidity sensor 59 are provided directly in the inverter unit 20.
  • the environment vital to the inverters 21, 23, the DC voltage controller 24, the charging unit 27 and the control unit 1 is constantly monitored to protect the sensitive electronic components against overheating and / or short circuits and corrosion by moisture.
  • an air conditioning and / or heating device 55 for cooling or warming up the inverter unit 20 is arranged in the control cabinet 3. It is also conceivable to arrange a further temperature sensor 51 in the control cabinet 3.
  • the hub 4 and the emergency power supply device 35 which has a temperature sensor 52 and a separate air conditioning and / or heating device 38 for cooling or reheating the emergency power supply device 35.
  • the performance of certain storage means is very temperature dependent, especially with accumulators, so that the implementation of an air conditioning and / or heating device 38 with a temperature sensor 52 makes the emergency energy supply device 35 much more fail-safe.
  • the temperature control and manipulation of the emergency power supply device 35 is realized by the control unit 1 in the inverter unit 20.
  • control unit 1 may also monitor other components in the hub 4 for temperature.
  • Fig. 1 indicates that in the hub 4, a lubricant device 56 is provided. This serves to provide the components of the blade adjustment 8, in particular the pinion 13 and the ring gear 14 with lubricant (grease) to prevent excessive wear. Due to the temperature dependence of the viscosity of lubricant, at least one further temperature sensor 53 and a heating device 57 are to be provided here, which are also connected to the control unit 1. Also, the pump 58 of the Lubricant supply 57 can be controlled by the control unit 1 via connecting means 48.
  • a temperature sensor 54 and a humidity sensor 60 connected to inputs of the control unit 1 of the inverter unit 20 are provided so as to also monitor the environment in the hub 4 can.
  • the control unit 1 for exchanging control or status signals has different data inputs E1, E2, E3, E4 and outputs A1, A2, A3 (channels), to which connection means 30, 31, 33, 34 and other connecting means, for. B. formed as a cable, can be arranged. Via these channels signals between the individual components, such as the encoder 17, sensors, 51, 52, 53, 54, 60, the heater 38, the brake 5, the DC voltage controller 24, the charging control system 26, the charging unit 27 and / or the inverter 21, 23 and the control unit 1, preferably digital, exchanged.
  • various electrical components such as power supplies or relays can be connected to the channels via the connecting means 30, 31, 33, 34, etc.
  • a voltage U e is at a certain level, preferably 22 to 26 volts and more preferably about 24 volts.
  • a or at the channels of the control unit 1 may also be present for safety reasons a voltage U tax to indicate readiness for operation. If this voltage U control is not applied between the individual contacts 108 of a channel, the component 5, 17, 51, 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27 and / or control components 21, 23 or inverters connected thereto is connected 21, 23 not controllable. In the worst case, this can lead to a complete breakdown of the wind turbine.
  • the invention discloses that between the components 5, 17, 51, 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27, 21, 23 and the control unit 1, a protection circuit 100 (FIG. 3) is provided, which prevents the voltage level U e of the electrical components of the components 5, 17, 51, 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27, 21, 23 not directly to the inputs E1, E2, E3, E4 of the control unit 1 pass.
  • a protection circuit 100 FIG. 3
  • the protection circuit 100 comprises a transmission element 102 for galvanic isolation, which between the input circuit 103 and the output circuit 106 in the protection circuit 100, ie between the (control) component and an input E1 and / or - not shown - inputs E1, E2, E3 , E4 and outputs A1, A2, A3 of the control device 25 is effectively arranged.
  • the channel of the control device 25 and the current between the contacts 106 and 108 of the control unit 1 voltage level U Trust, before a fault -. b. an overvoltage - from an electrical circuit of the component 5, 17, 51, 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27, 21, 23 protected.
  • the function-relevant voltage level U control is always present at the channels of the control unit 1, and thus the operational readiness is always guaranteed.
  • the transmission element 102 can be designed as an optical optocoupler or mechanical relay.
  • the protection circuit 100 further includes a constant current source 110 arranged between the transmission element 102 and the circuit 104 of the component.
  • the implementation of the constant current source 1 10 causes a high tolerance to overvoltage U e .
  • the transmission element 102 is preceded by a protective diode 1 12, whereby negative voltages and reverse polarity are prevented.
  • this protective diode 1 12 has a dielectric strength, which is above the highest in the System occurring level is, preferably over 450 volts.
  • the protective diode 102 exhibits a high avalanche resistance, and is therefore preferably not pronounced as a surface diode.
  • the protection circuit 100 of the control unit 1 of the drive device 2 of the wind turbine 101 is characterized by a very high tolerance to high input voltages U e , in particular to the highest voltage level occurring in the system.
  • the protection circuit 100 of the control unit 1 in particular by the input circuit of the control card (CPU, motherboard) of the control unit 1 with a protection circuit 100 allows the control unit 1 almost completely separated from the rest of the electrical system of the drive system 2 of the wind turbine 101, thereby creating a Overvoltage due to failure of the control unit 1, and thus the entire drive system 2, is effectively prevented.
  • the individual elements of the protection circuit 100 should be designed such that even at a voltage level of 450 volts in a circuit 104 of the component, the input voltage U control at the channels preferably 22 to 26 volts and more preferably about 24 volts is not exceeded. This is ensured by the fact that only the internal voltage source of the control unit 1 is used on the transistor side of the transmission element 102, and thus also its voltage U Trust is applied.
  • the protection circuit 100 is shown in connection with the control unit 1.
  • the constant current source works as follows: In the normal case, the input voltage U e of preferably 24 volts is applied to the input contacts 1 14, 15 of the protection circuit 100. Thus, current flows through the protective diode 1 12.
  • the formed as an optocoupler 102 transmission element 102 causes the potential separation.
  • the resistor R2 causes a base current in the transistor T1 in the first branch 104 of the input circuit 103, which in turn generates a current flow through the transistor T1 from collector to emitter becomes.
  • This current flow lu leads to the illumination of the diode 1 16 of the optocoupler 102.
  • the current flow lu is caused in the resistor R1, whereby a base current flows in the transistor T2. Thereby it conducts and the current flow in the base of the transistor T1 is throttled.
  • this circuit 1 10 levels to a constant current, which is determined by R1 or R2.
  • the current through the diode 1 16 is limited, preferably to 10 mA.
  • the resistor R1 or R2 must be designed such that it can dissipate the excess input energy in the form of heat.
  • input circuit 103 of protection circuit 100 is provided with a third branch parallel to the other two branches 104, 105, which includes an additional resistor R3.
  • the maximum tolerable input voltage U e of the protection circuit can be influenced.
  • FIG. 1 An exemplary wind turbine 101 is shown in FIG. This comprises a tower 25, a machine house 19 and a rotor, wherein the machine house 19 by means of an azimuth bearing 18 to a in the Main vertical axis rotatably mounted on the tower 25 to allow wind tracking.
  • the rotor is arranged, which comprises a hub 4, on which in turn preferably three rotor blades 9 are arranged.
  • the rotor is mounted on the machine carrier and drives a generator for generating electric power.
  • Control unit 1 supply network 29
  • Rotor blade 9 Air conditioning and / or heating device 38
  • DC voltage controller 24 Air conditioning and / or heater 55
  • Constant current source 1 10 Voltage U-control

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Steuern und/oder Regeln von mindestens einer Steuerkomponente. Eine solche Steuerkomponente kann ein Umrichter einer Antriebsvorrichtung für ein Rotorblatt einer Windturbine sein. Das Rotorblatt ist im Wesentlichen in um seine Längssachse drehbar an einer Nabe der Windturbine angeordnet. Die Steuereinheit umfasst mindestens einen Ein- und/oder Ausgang für elektrische Signale, wobei die Steuereinheit über den Ein- und/oder Ausgang mit der Steuerkomponente und/oder einer weiteren Komponente, insbesondere einer Mess- oder Sensoreinheit, elektrisch verbindbar ist. Damit sind zwischen der Steuereinheit und der Steuerkomponente und/oder zwischen der Steuereinheit und der weiteren Komponente elektrische Steuer- und/oder Statussignale übertragbar. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Steuereinheit anzugeben, welche unter anderem die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Insbesondere soll dabei die Ausfallsicherheit erhöht werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst, indem an mindestens einem Ein- und/oder Ausgang der Steuereinheit eine Schutzschaltung mit einem galvanisch trennenden Übertragungselement wirksam angeordnet ist. Diese Schutzschaltung ist zwischen der Steuereinheit und der Steuerkomponente und/oder zwischen der Steuereinheit und der weiteren Komponente derart angeordnet, dass die Steuereinheit und die Steuerkomponente und/oder die Steuereinheit und die weitere Komponente galvanisch voneinander getrennt anordenbar sind. Dies hat zur Wirkung, dass eine mögliche Überspannung einer Komponente nicht mehr auf die Steuereinheit übertragen werden kann. Damit ist diese vor Zerstörung geschützt.

Description

ÜBERSPANNUNGSSICHERE STEUEREINHEIT FÜR EIN VERSTELLSYSTEM VON
WINDTURBINENROTORBLÄTTERN
Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit zum Steuern und/oder Regeln von mindestens einer Steuerkomponente. Eine solche Steuerkomponente kann ein Umrichter einer Antriebsvorrichtung für ein Rotorblatt einer Windturbine sein. Das Rotorblatt ist im Wesentlichen in um seine Längssachse drehbar an einer Nabe der Windturbine angeordnet. Die Steuereinheit umfasst mindestens einem Ein- und/oder Ausgang für elektrische Signale, wobei die Steuereinheit über den Ein- und/oder Ausgang mit der Steuerkomponente und/oder einer weiteren Komponente, insbesondere einer Mess- oder Sensoreinheit, elektrisch verbindbar ist. Damit sind zwischen der Steuereinheit und der Steuerkomponente und/oder zwischen der Steuereinheit und der weiteren Komponente elektrische Steuer- und/oder Statussignale übertragbar.
Eine solche Windturbine mit einer solchen Steuereinheit ist weitläufig aus dem Stand der Technik bekannt. Zum Beispiel offenbart die DE 102 53 81 1 A1 eine Windturbine mit einem Umrichtersystem zur Verstellung der Rotorblätter. Hierzu wird als eine Eingangsgröße für die Steuereinheit die momentane Position des Rotorblatts verwendet. Dieses Eingangssignal für die Steuereinheit wird zum Beispiel von einem Winkelgeber am Verstellgetriebe des Rotorblatts und/oder von einem Winkelgeber am Motor des Versteilantriebes des Rotorblatts bereitgestellt. Diese Komponenten sind außerhalb der Steuereinheit angeordnet und beaufschlagen Signaleingänge derselben. Für den Fall einer Überspannung im elektrischen System der Nabe, zum Beispiel durch einen Blitzeinschlag in die Nabe oder durch elektromagnetische Aufladung der Nabe, kann nun der Eingang der Steuereinheit mit einer unzulässig hohen Spannung beaufschlagt werden. Diese könnte zu einer Beschädigung der Steuereinheit führen. Damit wären Umrichter der Antriebsvorrichtung für die Rotorblätter nicht mehr ansteuerbar. Dies kann im schlimmsten Fall zur kompletten Havarie der Windturbine führen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Steuereinheit anzugeben, welche unter anderem die Nachteile des Stands der Technik vermeidet. Insbesondere soll dabei die Ausfallsicherheit erhöht werden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst, indem an mindestens einem Ein- und/oder Ausgang der Steuereinheit eine Schutzschaltung mit einem galvanisch trennenden Übertragungselement wirksam angeordnet ist. Diese Schutzschaltung ist zwischen der Steuereinheit und der Steuerkomponente und/oder zwischen der Steuereinheit und der weiteren Komponente derart angeordnet, dass die Steuereinheit und die Steuerkomponente und/oder die Steuereinheit und die weitere Komponente galvanisch voneinander getrennt anordenbar sind. Dies hat zur Wirkung, dass eine mögliche Überspannung einer Komponente nicht mehr auf die Steuereinheit übertragen werden kann. Damit ist diese vor Zerstörung geschützt.
Insbesondere kann dabei die Schutzschaltung einen zumindest teilweisen Eingangsstromkreis und einen Ausgangsstromkreis aufweisen. Der Eingangs- und Ausgangsstromkreis sind über das Übertragungselement galvanisch voneinander getrennt, jedoch gleichzeitig logisch wirksam verbunden. Dies hat zu Folge, dass obgleich der elektrischen Trennung der beiden Kreise eine Information übertragen werden kann, insbesondere ein digitales Signal Null oder Eins.
In einer besonderen Ausführung der Erfindung weist das Übertragungselement ein dem Eingangsstromkreis zugeordnetes Aktivelement und ein dem Ausgangsstromkreis zugeordnetes Schaltelement auf. Ein Stromfluss durch das Aktivelement löst einen Schaltvorgang des Schaltelements aus. Vorteilhafter Weise kann der Eingangsstromkreis eine Konstantstromquelle umfassen. Diese hat die Eigenschaft, dass der Strom durch das Aktivelement auf einem bestimmten maximalen Wert, vorzugsweise 10 Milliampere, begrenzt ist. Dies gilt für eine gewisse maximale Eingangsspannung am Eingangsstromkreis von ca. 500 Volt.
Die Eingangs- und Ausgangsstromkreise sind als Teilkreise zu verstehen, welche erst durch das Verbinden mit weiteren Teilkreisen von elektrischen Komponenten zu geschlossenen Stromkreisen werden. Zudem können die Ein- und Ausgangsstromkreise weitere Unterkreise aufweisen, ohne dadurch die Erfindung zu limitieren.
In einer Ausführung der Erfindung ist der Ausgangsstromkreis elektrisch mit dem Eingang der Steuereinheit verbunden und der Eingangsstromkreis elektrisch mit der Steuerkomponente und/oder der weiteren Komponente verbunden ist. Diese Anordnung hat zu Folge, dass die Steuereinheit vor externen Überspannungen geschützt ist. Die Steuereinheit ist quasi eine elektrische Insel gegenüber der elektrischen Umgebung hinsichtlich der eingehenden Signale.
Denkbar ist jedoch zusätzlich oder alternativ, dass der Ausgangsstromkreis elektrisch mit der Steuerkomponente und/oder der weiteren Komponente und der Eingangsstromkreis elektrisch mit dem Ausgang der Steuereinheit verbunden sind. Somit ist eine externe Komponente vor eine Überspannung am Ausgang der Steuereinheit geschützt.
Eine Ausbildung der Erfindung offenbart das Übertragungselement als Optokoppler ausgebildet ist. Das Aktivelement des Optokopplers kann als Leuchtdiode ausgebildet sein, wobei das Schaltelement ein Fototransistor ist. Ein Leuchten der Diode verursacht einen Basisstrom in dem Fototransistor, wodurch dieser einen weiteren Stromkreis im Ausgangsstromkreis bzw. in einem Unterstromkreis verursacht. Eine alternative Ausführung offenbart, das Übertragungselement als Relais auszuführen, wobei das Aktivelement als Einheit der Spule, des Ankers und des Schalthebels ausgebildet wäre und das Schaltelement als Arbeitkontakte.
Der Eingangsstromkreis der Steuereinheit weist vorzugsweise mindestens einen ersten Zweig mit einem ersten Transistor, und vorzugsweise einen ersten Widerstand und einen dazu elektrisch parallel angeordneten zweiten Zweig mit einem zweiten Transistor, und vorzugsweise mit einem zweiten Widerstand in Reihe auf. Das Aktivelement, also vorzugsweise die Leuchtdiode des Optokopplers oder die Spule des Relais, ist in Reihe vor dem ersten Transistor in dem ersten Zweig angeordnet. Zudem ist der erste Zweig elektrisch mit der Basis des zweiten Transistors und der zweite Zweig ist elektrisch mit der Basis des ersten Transistors verbunden, dadurch pendelt sich der Strom durch den ersten Zweig auf einen Wert ein, der zum Teil unabhängig von der Eingangsspannung ist und von der Wahl der Widerstände abhängt. Günstig ist eine Ausprägung der Widerstände auf einen Strom von 10 Milliampere, wodurch eine Kontaktreinigung der elektrischen Kontakte gewährleistet wird.
In einer weiteren Ausprägung der Erfindung ist im Eingangsstromkreis mindestens einen dritten Zweig mit einem dritten Widerstand vorgesehen. Dieser ist elektrisch parallel zum ersten und zweiten Zweig angeordnet und dient zur Gewährleistung des maximalen Stroms durch den ersten Zweig.
Vorteilhaft kann es sein, im dritten Zweig eine Manipulationsvorrichtung, wie Schalter, Potentiometer, etc. in Reihe oder auch parallel zum Widerstand vorzusehen. Dies würde erreichen, dass der maximale Wert des Stroms durch das Aktivelement veränderbar, insbesondere einstellbar wäre. Somit könnten eine höhere Toleranz gegenüber Eingangsspannungen erreicht werden. Wenn vorteilhafter Weise der Strom auf 100 Mikroampere begrenzt würde, könnte die Schutzschaltung über 1000 Volt Eingangsspannung ertragen. Günstig ist es mehrere oder auch alle Ein- und Ausgänge mit jeweils einer Schutzschaltung entsprechend der Wirkrichtung zu versehen. Zudem sind die Schutzschaltungen aus Gründen der Praktikabilität in die Baueinheit des Inverters zu integrieren, bzw. die Schutzschaltungen als Baueinheit mit der Steuereinheit auszubilden.
Eine solche Steuereinheit mit einer Schutzschaltung findet in erfinderischer Weise Anwendung in einer Antriebsvorrichtung für ein Rotorblatt einer Windturbine. Solche Windturbinen umfassen einen an einem Maschinenhaus drehbar gelagerten Rotor mit einer Nabe, wobei der Rotor wenigstens eine elektromechanische Antriebsvorrichtung zur Verstellung des Anstellwinkels wenigstens eines an der Nabe befestigbaren Rotorblattes aufweist. Diese Antriebseinheit weist eine elektrische Maschine zum Verstellen des Rotorblatts, eine an der Antriebseinheit angeordnete, elektrisch betätigbare Bremse zum Festsetzen oder Abbremsen der Antriebseinheit und eine elektrische Steuerkomponente auf, über welche die elektrische Maschine mit einem Stromnetz verbindbar ist. Die elektrische Maschine kann als Asynchronmaschine, Synchronmaschine, Gleichstrom ausgebildet sein. Wenn eine Asynchronmaschine verwendet wird, dann ist die Steuerkomponente als Invertereinheit ausgebildet, welche einen Gleichrichter, einen Wechselrichter und Gleichspannungszwischenkreis umfasst. Die Steuereinheit mit einer Schutzschaltung steuert dabei die Steuerkomponente. Fällt die Steuereinheit auf Grund von Überspannung aus, ist die gesamte Blattverstellung lahm gelegt. Dies kann zu Zerstörung der gesamten Windturbine bei Überdrehzahl führen. Dies wird durch die Schutzvorrichtung effektiv verhindert.
Für Notfälle, wie Ausfall von Komponenten oder der Spannungsversorgung, ist in der Regel eine Notbetriebsvorsorgungseinrichtung für das Verstellen der Rotorblätter in eine betriebssichere Position (z.B. Fahnenstellung) vorgesehen.
Die Steuerkomponente kann weiterhin Komponenten, wie Gleichspannungssteller verbunden mit dem Zwischenkreis umfassen, worüber die Bremse der Antriebseinheit elektrisch gespeist wird. Durch die Versorgung der Bremse durch den Zwischenkreis kann auf eine zusätzliche Spannungsquelle für die Bremse verzichtet werden. Zudem kann eine Notbetriebsversorgungseinrichtung vorgesehen sein, die mit dem Zwischenkreis verbunden ist und mittels einer Ladeeinheit und eines Ladekontrollsystems aus dem Zwischenkreis aufgeladen werden kann. Dadurch wird eine weitere Spannungsquelle zum Aufladen der Notbetriebsversorgungseinrichtung überflüssig. Das Ladekontrollsystem kann direkt in die Steuereinheit eingebunden sein.
Das Rotorblatt ist dabei im Wesentlichen in um seine Längssachse drehbar an einer Nabe der Windturbine angeordnet. Die Antriebsvorrichtung umfasst eine Antriebseinheit zum Bewegen des Rotorblatts um dessen Längsachse.
Die Antriebvorrichtung kann jedoch auch ein hydraulisches Verstellungssystem sein. Die Steuerkomponente ist dabei als Motor uns Pumpe mit Ventilen ausgebildet. Der Motor treibt eine Pumpe an, und diese wiederum einen Zylinder, der über einen Hebeltrieb das Rotorblatt verstellen kann.
Die Steuereinheit kann an seinen Eingangskanälen mit Temperatursensoren und/oder Feuchtesensor verbunden sein, und zudem kann ein Klima- und/oder Heizgerät zum Kühlen oder Aufwärmen der Versorgungsvorrichtung und/oder der Notbetriebsversorgungseinrichtung vorgesehen sein, wobei das Klima- und/oder Heizgerät durch die Steuereinheit ansteuerbar sind. Durch die Schutzschaltung ist die Steuereinheit gegen eine Überspannung in diesen Komponenten geschützt.
Weiterhin umfasst die Erfindung eine Windturbine mit einer Antriebsvorrichtung mit einer Steuereinheit gemäß den oben beschriebenen Ausführungs- und Ausgestaltungsformen. Eine solche Windturbine zeigt ein auf einem Turm gelagertes Maschinenhaus mit dem Maschinenträger. An dem Maschinenträger ist der Rotor mit der Nabe und mindestens einem daran befestigbaren Rotorblatt drehbar gelagert. ln einer Windturbine ist gewöhnlich für jedes Rotorblatt eine eigene Antriebvorrichtung vorgesehen. Dabei sind die einzelnen Steuereinheiten einzelnen Antriebsvorrichtungen mit der zentralen Steuerung der Windturbine verbunden, und zudem noch von einer zentralen Steuervorrichtung in der Nabe ansteuerbar. Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Zeichnungen anhand der Beschreibung hervor.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 schematische Darstellung einer Nabe der Windturbine mit einer Antriebsvorrichtung und einer Steuereinheit, Fig. 2 ein funktionales Blockschaltbild der Steuereinheit, Fig. 3 eine schematische Darstellung der Steuereinheit, Fig. 4 eine schematische Darstellung der Steuereinheit mit Schutzschaltung, Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung der Schutzschaltung der Steuereinheit, Fig. 6 ein Blockschaltbild der der Schutzschaltung, und Fig. 7 eine exemplarische Windturbine.
In Fig. 1 wird eine schematische Darstellung einer Nabe 4 der Windturbine 101 mit einer Antriebsvorrichtung 2 mit einer Steuereinheit 1 , und in Fig. 2 einen vereinfachten Schaltungs- und Anordnungsplan der Antriebsvorrichtung 2 gezeigt. Diese Ausführungsform der Antriebsvorrichtung 2 umfasst eine Invertereinheit 20 in einem Schaltschrank 4 in einer Nabe 3 einer Windturbine 101 . Die Invertereinheit 20 speist über elektrische Verbindungsmittel 32 die Antriebseinheit 7 der Blattverstellung eines Rotorblatts 9. Die Antriebseinheit 7 kann ein Getriebe 10 aufweisen, wobei die Antriebwelle 1 1 des Getriebes 10 direkt mit einer Asynchronmaschine 6 und die Abtriebswelle 12 mit einem Ritzel 13 verbunden ist. Das Ritzel 13 greift in einen mit dem Rotorblatt 9 drehfest verbundenen Zahnkranz 14, wobei das Rotorblatt 9 mittels eines Blattlagers 15 drehbar um seine Längsachse 16 in der Nabe 4 gelagert ist.
Fig. 2 zeigt schematisch die Invertereinheit 20 der Antriebsvorrichtung 2. Dabei ist die Asynchronmaschine 6 über die die Invertereinheit 20 mit einem Versorgungsnetz 29 verbunden. Die Invertereinheit 20 umfasst einen Gleichrichter 21 , einen Gleichspannungszwischenkreis 22 und einen Wechselrichter 23, einen Gleichspannungssteller 24, eine Steuereinheit 1 , ein Ladekontrollsystem 26 und eine Ladeeinheit 27. Diese Invertereinheit 20 ist als bauliche Einheit in kompakter Weise ausgeführt und schließt die Steuereinheit 1 mit ein. Die Steuereinheit 1 ist über Verbindungsmittel 28 mit der Steuerung der Windturbine 101 verbunden.
Der Gleichrichter 21 ist mit einem dreiphasigen Versorgungsnetz 29 verbunden und stellt eine Gleichspannung UZK im Zwischenkreis 22 bereit. Dabei kann der Gleichrichter 21 durch die Steuereinheit 1 über Verbindungsmittel 30 aktiv angesteuert werden. Auch eine passive Ausführung des Gleichrichters 21 ist denkbar. Der Wechselrichter 23 stellt über die Verbindungsmittel 32 eine geeignete Versorgung mit dreiphasigem Wechselstrom (Drehstrom) für die Asynchronmaschine 6 bereit. Dabei ist der Wechselrichter 23 mittels Verbindungsmittel 31 der Steuereinheit 1 der Invertereinheit 20 ansteuerbar. Je nach Bedarf gibt die Steuereinheit 1 dem Wechselrichter 23 also vor, wie die Asynchronmaschine 6 zu betätigen ist. Darüber hinaus kann an der Antriebseinheit 7 ein Geber 17, beispielsweise in Baunähe der Bremse 5 vorgesehen sein, der über Verbindungsmittel 33 die Stellung des Rotorblatts 9 an die Steuereinheit 1 zurück meldet. So sind die Steuereinheit 1 , die Antriebseinheit 7 und der Geber 17 zusammen geeignet, einen Regelkreis für die Blattverstellung darzustellen. Um eine definierte gewünschte Position des Rotorblatts 9 beibehalten zu können, ohne die Asynchronmaschine 6 permanent anzusteuern - oder auch um die Antriebseinheit 7 und das Rotorblatt 9 abzubremsen -, ist an der Antriebseinheit 7 eine elektromagnetische Bremse 5 angeordnet. Diese Bremse 5 kann direkt eine Welle 1 1 der Asynchronmaschine 6 oder des Getriebes 10 beaufschlagen und dort angeordnet sein.
Eine ausfallsichere Ausführung wird realisiert, indem im stromlosen Zustand in der Bremse 5 ein nicht rotierendes Reibungsmittel eine mit der Welle 1 1 drehfest verbundene Bremsscheibe oder -trommel beaufschlagt, wobei Federmittel die Reibungsmittel gegen die Bremsscheibe oder -trommel pressen. Die dadurch verursachte Normalkraft erzeugt das erwünschte Brems- oder Haltemoment. Die Bremse 5 ist vorzugsweise an der schnellen Welle 1 1 des Getriebes 10 angeordnet.
Die Bremse 5 weist vorzugweise ein elektromagnetisches Betätigungselement mit einer Spule auf, welches geeignet ist, die Reibungsmittel entgegen der Federkraft der Federmittel von der Bremsscheibe oder -trommel abzuheben. Um die Bremse 5 zu lösen, muss die Spule in der Bremse 5 durch den Gleichspannungssteller 24 bestromt werden. Dazu wird der Gleichspannungssteller 24 von der Steuereinheit 1 über Verbindungsmittel 34 derart angesteuert, dass dieser elektrische Energie aus dem Gleichspannungszwischenkreis 22 aufnimmt, und eine Lösespannung UL an die Spule der Bremse 5 anliegt. Der Gleichspannungssteller 24 ist derart ausgelegt, dass dieser unabhängig von der Spannung UZK im Zwischenkreis eine konstante Lösespannung UL bereitstellt. Dadurch ist ein sicheres Lösen der Bremse 5 möglich.
Dies kann besonders wichtig sein, falls der Notfall eintritt, dass das Drehstrom- Versorgungsnetz 29 keine elektrische Energie der Invertereinheit 20 mehr zu Verfügung stellt (z. B. Netzausfall), und die Rotorblätter 9 in eine neutrale Stellung gebracht werden müssen. In diesem Fall wird der Zwischenkreis 22 von einer Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 gespeist, die direkt mit dem Zwischenkreis 22 verbunden ist. Falls das Niveau der Notspannung UN der Notbetriebsversorgungs- einrichtung 35 nicht ausreichen würde, um die Bremse 5 zu lösen, so könnten die Rotorblätter 9 nicht mehr in eine neutrale Stellung gefahren werden. Damit wäre eine Havarie der gesamten Anlage möglich. Wenn der Gleichspannungssteller 24 als Hochsteller ausgeführt ist, kann die Bremse 5 trotz der niedrigen Spannung gelöst werden.
Die Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 umfasst Speichermittel 36 zum Speichern von elektrischer Energie, wie zum Beispiel Kondensatoren, Supercaps und/oder Akkumulatoren. Die Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 ist mit dem Zwischenkreis 22 derart direkt verbunden, dass im Falle eines Spannungsabfalls der Zwischenkreis- spannung UZK unter die Notspannung UN der Speichermittel 36 elektrische Energie aus der Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 in den Zwischenkreis 22 fließen kann. Dazu können ein oder zwei Dioden 37 vorgesehen sein. Im Normalbetrieb können die Speichermittel 36 mittels der Ladeeinheit 27 aus dem Zwischenkreis 22 aufgeladen werden.
Die Ladeeinheit 27 ist über Verbindungsmittel 40 von einem Ladekontrollsystem 26 ansteuerbar. Das Ladekontrollsystem 26 kann günstiger Weise direkt in die Invertereinheit 20 integriert sein und wird über Verbindungsmittel 49 mit Eingängen E1 , E2, E3, E4 und/oder Ausgängen A1 , A2, A3 der Steuereinheit 1 mit dieser logisch verbunden und ansteuerbar sein.
Denkbar ist auch (wie in Fig. 2 gezeigt), dass das Ladekontrollsystem 26 als extra Baueinheit in der Invertereinheit 20 vorgesehen ist. Um den Zustand und die Notspannung UN der Speichermittel 36 überwachen zu können, sind die Speichermittel 36 unter Zwischenschaltung einer definierten Last (Widerstand) kurzschließbar. Dazu kann zum einen der sog. Chopperwiderstand 41 oder alternativer Weise ein externer Testwiderstand 44 verwendet werden.
Der Chopperwiderstand 41 dient im Normalfall dazu, überschüssige Energie im Zwischenspannungskreis 22 abzubauen bzw. in Wärme umzuwandeln. Dies ist der Fall, wenn die Antriebeinheit 7 durch das Rotorblatt 9 bzw. durch den Winddruck oder die Trägheit des Rotorblatts 9 bewegt wird. Dabei ist die Asynchronmaschine 6 in einem generatorischen Betrieb, der Wechselrichter 23 fungiert als Gleichrichter und die erzeugte Energie wird in den Zwischenkreis 22 gespeist. Der Chopperwiderstand 41 wird dann über Verbindungsmittel 43 und einem Schalter 42 von der Steuereinheit 1 bzw. über das Ladekontrollsystem 26 in den Zwischenkreis 22 geschaltet.
Soll die Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 getestet werden, schließt das Ladekontrollsystem 26 den Schalter 42 oder 45, wodurch die Speichermittel 36 über den Chopperwiderstand 41 oder den externen Testwiderstand 44 kurz geschlossen werden. Dabei fällt an einem Messwiderstand 47 eine bestimmte Messspannung UMe ab, welche repräsentativ für die Spannung UN der Notbetriebsversorgungseinrichtung 35 ist. Das Ladekontrollsystem 26 greift die Messspannung UMe am Messwiderstand 47 ab, und gibt je nach Niveau der Messspannung UMe über Verbindungsmittel 40 eine Anweisung an die Ladeeinheit 27, die Speichermittel 36 aufzuladen. Wenn die Messspannung UMe auf eine Fehlfunktion der Speichermittel 36 schließen lässt, dann gibt die Ladekontrollsystem 26 über Verbindungsmittel 49 eine Fehlermeldung an die Steuereinheit 1 zurück. In diesem Fall würde die Steuereinheit 1 diese Fehlermeldung über die Verbindungsmittel 28 an die Steuerung der Windturbine 101 weiterleiten, wodurch ggf. die Windturbine 101 abgeschaltet werden würde.
Die Steuereinheit 1 steuert den Wechselrichter 23 für den Betrieb der Asynchronmaschine 6, den Spannungsgleichsteller 24, um die Bremse 5 zu lösen und die Antriebseinheit 7 freizugeben, und das Ladekontrollsystem 26, und darüber die Ladeeinheit 27, den Schalter 42 des Chopperwiderstands 41 und/ oder den Schalter 45 des externen Testwiderstands 44. Aufgrund dieser äußerst vorteilhaften Integration sämtlicher Steuervorgänge in die Steuereinheit 1 der Invertereinheit 20, welche wiederum unterschiedliche Funktionen in sich baulich vereint, wird eine sehr günstige Ausprägung der Antriebsvorrichtung 2 erreicht. Diesen Integrationsgedanken fortführend - jedoch nicht zwingend zum Erfindungsgedanken hinzugehörend - kann die Invertereinheit 20 ein Temperaturkontrollsystem aufweisen. Dabei sind an der Steuereinheit 1 der Invertereinheit 20 Eingänge für Temperatursensoren 50, 51 , 52, 53, 54 und Feuchtesensoren 59, 60 und Steuerausgänge für Klima- und/oder Heizgeräte vorgesehen.
In Fig. 2 ist die Invertereinheit 20 schematisch gezeigt. Ein Temperatursensor 50 und ein Feuchtesensor 59 sind direkt in der Invertereinheit 20 vorgesehen. Somit wird die für die Umrichter 21 , 23, den Gleichspannungssteller 24, die Ladeeinheit 27 und die Steuereinheit 1 vitale Umgebung ständig überwacht, um die empfindlichen elektronischen Komponenten gegen Überhitzung und/oder Kurzschlüsse und Korrosion durch Feuchtigkeit zu schützen. Dazu ist in dem Schaltschrank 3 ein Klima- und/oder Heizgerät 55 zum Kühlen oder Aufwärmen der Invertereinheit 20 angeordnet. Denkbar ist auch einen weiteren Temperatursensor 51 in dem Schaltschrank 3 anzuordnen.
In der Nabe 4 ist auch die Notenergieversorgungseinrichtung 35 vorgesehen, welche einen Temperatursensor 52 und ein separates Klima- und/oder Heizgerät 38 zum Kühlen oder Aufwärmen der Notenergieversorgungseinrichtung 35 aufweist. Die Leistungsfähigkeit bestimmter Speichermittel ist sehr Temperatur abhängig, insbesondere bei Akkumulatoren, so dass die Implementierung eines Klima- und/oder Heizgerät 38 mit einem Temperatursensor 52 die Notenergieversorgungseinrichtung 35 wesentlich ausfallsicherer macht. Die Temperaturkontrolle und -manipulation der Notenergieversorgungseinrichtung 35 wird durch die Steuereinheit 1 in der Invertereinheit 20 realisiert.
Analog dazu kann die Steuereinheit 1 auch andere Komponenten in der Nabe 4 hinsichtlich der Temperatur überwachen. Fig. 1 führt an, dass in der Nabe 4 eine Schmiermittelvorrichtung 56 vorgesehen ist. Diese dient dazu, die Komponenten der Blattverstellung 8, insbesondere das Ritzel 13 und den Zahnkranz 14 mit Schmiermittel (Fett) zu versorgen, um einem übermäßigen Verschleiß vorzubeugen. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Viskosität von Schmiermittel, ist hier zumindest ein weiterer Temperatursensor 53 und eine Heizvorrichtung 57 vorzusehen, die auch mit der Steuereinheit 1 verbunden sind. Auch die Pumpe 58 der Schmiermittelversorgung 57 kann von der Steuereinheit 1 über Verbindungsmittel 48 angesteuert werden.
Vorzugsweise sind in der Nabe 4 ein Temperatursensor 54 und ein Feuchtesensor 60 verbunden mit Eingängen der Steuereinheit 1 der Invertereinheit 20 vorgesehen, um so auch die Umgebung in der Nabe 4 überwachen zu können.
Gemäß Fig. 3, 4, 5, 6 weist die Steuereinheit 1 zum Austausch von Steuer- oder Statussignalen weist unterschiedliche Dateneingänge E1 , E2, E3, E4 und Ausgänge A1 , A2, A3 (Kanäle) auf, an denen Verbindungsmittel 30, 31 , 33, 34 und weitere Verbindungsmittel, z. B. als Kabel ausgebildet, anordenbar sind. Über diese Kanäle werden Signale zwischen den einzelnen Komponenten, wie dem Geber 17, Sensoren, 51 , 52, 53, 54, 60, dem Heizgerät 38, der Bremse 5, dem Gleichspannungssteller 24 dem Ladekontrollsystem 26, der Ladeeinheit 27 und/oder der Umrichter 21 , 23 und der Steuereinheit 1 , vorzugsweise digital, ausgetauscht. Das bedeutet, dass über die Verbindungsmittel 30, 31 , 33, 34, etc. diverse elektrische Bauteile, wie Netzteile oder Relais an die Kanäle anschließbar sind. An diesen elektrischen Bauteilen, wie auch der Steuerstromkreise der Umrichter, liegt eine Spannung Ue mit einem bestimmten Niveau vor, vorzugweise 22 bis 26 Volt und besonders bevorzugt ca. 24 Volt.
An den Ein- und Ausgängen E, A bzw. an den Kanälen der Steuereinheit 1 kann ebenfalls aus Sicherheitsgründen eine Spannung Usteuer vorliegen, um Betriebsbereitschaft anzuzeigen. Wenn diese Spannung Usteuer nicht zwischen den einzelnen Kontakten 108 eines Kanals anliegt, so ist die damit verbundene Komponente 5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27 und/oder Steuerkomponenten 21 , 23 oder Umrichter 21 , 23 nicht ansteuerbar. Dies kann im schlimmsten Fall zur kompletten Havarie der Windturbine führen.
Die Erfindung offenbart, dass zwischen den Komponenten 5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27, 21 , 23 und der Steuereinheit 1 eine Schutzschaltung 100 (Fig. 3) vorgesehen ist, welche verhindert, dass das Spannungsniveau Ue der elektrischen Bauteile der Komponenten 5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27, 21 , 23 nicht direkt an die Eingänge E1 , E2, E3, E4 der Steuereinheit 1 weitergeben werden. Selbstverständlich ist denkbar, dass die Eingängen E1 , E2, E3, E4 und Ausgänge A1 , A2, A3 der Steuereinheit 1 integriert mit der oben genannten Schutzschaltung 100 ausgestattet sind.
Die Schutzschaltung 100 umfasst dabei ein Übertragungselement 102 zur galvanischen Trennung, welches zwischen dem Eingangsstromkreis 103 und dem Ausgangsstromkreis 106 in der Schutzschaltung 100, also zwischen der (Steuer)Komponente und einem Eingang E1 und/auch - nicht dargestellt - Eingänge E1 , E2, E3, E4 und Ausgänge A1 , A2, A3 der Steuervorrichtung 25 wirksam angeordnet ist. Dadurch ist der Kanal der Steuervorrichtung 25 bzw. das zwischen den Kontakten 106 und 108 der Steuereinheit 1 anliegende Spannungsniveau Usteuer, vor einer Störung - z. b. einer Überspannung - aus einem elektrischen Stromkreis der Komponente 5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27, 21 , 23 geschützt. Dies führt dazu, dass das funktionsrelevante Spannungsniveau Usteuer an den Kanälen der Steuereinheit 1 immer vorhanden ist, und somit die Betriebsbereitschaft immer gewährleistet ist.
Das Übertragungselement 102 kann dabei als optischer Optokoppler oder mechanisches Relais ausgebildet sein. Die Schutzschaltung 100 umfasst weiterhin eine Konstantstromquelle 1 10, welche zwischen dem Übertragungselement 102 und dem Stromkreis 104 der Komponente angeordnet ist. Die Implementierung der Konstantstromquelle 1 10 bewirkt eine hohe Toleranz gegenüber einer Überspannung Ue. Dem Übertragungselement 102 ist eine Schutzdiode 1 12 vorgeschaltet, wodurch negative Spannungen und Verpolung verhindert werden. Insbesondere weist diese Schutzdiode 1 12 eine Spannungsfestigkeit auf, welche über dem höchsten im System vorkommenden Niveau liegt, vorzugsweise über 450 Volt. Zudem zeigt die Schutzdiode 102 eine hohe Avalanchefestigkeit, und ist deshalb bevorzugt nicht als Flächendiode ausgeprägt. Somit ist die Schutzschaltung 100 der Steuereinheit 1 der Antriebsvorrichtung 2 der Windturbine 101 durch eine sehr hohe Toleranz gegenüber hohen Eingangsspannungen Ue gekennzeichnet, insbesondere gegenüber dem höchsten im System auftretende Spannungsniveau. Durch die Schutzschaltung 100 der Steuereinheit 1 , insbesondere durch die Eingangsbeschaltung der Steuerkarte (CPU, Mainboard) der Steuereinheit 1 mit einer Schutzschaltung 100 wird erstmals ermöglicht die Steuereinheit 1 quasi vollständig von dem übrigen elektrischen System des Antriebssystem 2 der Windturbine 101 zu trennen, wodurch ein überspannungsbedingter Ausfall der Steuereinheit 1 , und folglich des gesamten Antriebssystems 2, wirkungsvoll verhindert wird.
Die einzelnen Elemente der Schutzschaltung 100 sollen derart ausgebildet sein, dass selbst bei einem Spannungsniveau von 450 Volt in einem Stromkreis 104 der Komponente die Eingangsspannung Usteuer an den Kanälen vorzugweise 22 bis 26 Volt und besonders bevorzugt ca. 24 Volt nicht überschritten wird. Das wird dadurch sichergestellt, dass auf der Transistorseite des Übertragungselements 102 nur die interne Spannungsquelle der Steuereinheit 1 benutzt wird und folglich auch dessen Spannung Usteuer anliegt. In Fig. 4, 5 und 6 wird die Schutzschaltung 100 im Zusammenhang mit der Steuereinheit 1 gezeigt. Die Konstantstromquelle funktioniert wie folgt: Dabei liegt im Normalfall an den Eingangskontakten 1 14, 1 15 der Schutzschaltung 100 die Eingangsspannung Ue von bevorzugt 24 Volt an. Damit fließt Strom durch die Schutzdiode 1 12. Das als Optokoppler 102 ausgebildete Übertragungselements 102 bewirkt die Potenzialtrennung. In einem zweiten Zweig 105 des Eingangsstromkreises 104 bewirkt der Widerstand R2 einen Basisstrom in dem Transistor T1 im ersten Zweig 104 des Eingangsstromkreises 103, wodurch wiederum ein Stromfluss durch den Transistor T1 von Kollektor nach Emitter erzeugt wird. Dieser Stromfluss lu führt zum Leuchten der Diode 1 16 des Optokopplers 102. Weiterhin wird der Stromfluss lu in dem Widerstand R1 hervorgerufen, wodurch ein Basisstrom im Transistor T2 fließt. Dadurch leitet dieser und der Stromfluss in der Basis des Transistors T1 wird gedrosselt. Damit pendelt sich diese Schaltung 1 10 auf einen konstanten Strom ein, der durch R1 bzw. R2 bestimmt wird. Da die Diode 1 16 des Optokopplers 102 leuchtet, steuert der Fototransistor 1 18 auf der Sekundärseite des Optokopplers 102 durch. Dadurch wird ein Basisstrom in dem Transistor T3 erzeugt, wodurch wiederum Strom vom Kollektor des Transistors T3 zum Emitter T3 und damit in den Eingang vom Frequenzumrichter bewirkt wird. Dies ist das Signal am Eingang E1 der Steuereinheit 1.
Wenn die Eingangsspannung Ue negativ oder Null ist, dann liegt keine Spannung am Eingang 106 der Steuereinheit 1 an.
Auch im Fall einer Überspannung Ue am Eingang 1 14 bzw. im Eingangskreis 104 wird der Strom durch die Diode 1 16 begrenzt, bevorzugt auf 10 mA. Der Widerstand R1 bzw. R2 muss dabei derart ausgelegt sein, dass er die Überschüssige Eingangsenergie in Form von Wärme abführen kann.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform ist Eingangskreis 103 der Schutzschaltung 100 ein dritter Zweig parallel zu den beiden anderen Zweigen 104, 105 vorgesehen, welcher einen zusätzlichen Widerstand R3 aufwei ßt. Dadurch ist die maximale tolerierbare Eingangsspannung Ue der Schutzschaltung beeinflussbar.
Eine weitere nicht dargestellte Ausführung offenbart, dass an dem dritten Zweig eine Manipulationsvorrichtung in Reihe zum Widerstand derart vorgesehen ist. Dies würde erreichen, dass der maximale Wert des Stroms durch das Aktivelement veränderbar, insbesondere einstellbar wäre. Um den Kontext der Erfindung deutlich zu machen, wird in Fig. 7 eine exemplarische Windturbine 101 gezeigt. Diese umfasst einen Turm 25, ein Maschinenhaus 19 und einen Rotor, wobei das Maschinenhaus 19 mittels eines Azimutlagers 18 um eine im Wesentlichen vertikale Achse drehbar auf dem Turm 25 gelagert ist, um eine Windnachführung zu ermöglichen. An dem Maschinenhaus 19 ist der Rotor angeordnet, welcher eine Nabe 4 umfasst, an der wiederum vorzugweise drei Rotorblätter 9 angeordnet sind. Der Rotor ist auf dem Maschinenträger gelagert und treibt einen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom an.
Die in den beschriebenen Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmalskombinationen sollen nicht limitierend auf die Erfindung wirken, vielmehr sind auch die Merkmale der unterschiedlichen Ausführungen miteinander kombinierbar.
Bezugszeichenliste
Steuereinheit 1 Versorgungsnetz 29
Antriebsvorrichtung 2 Verbindungsmittel 30
Schaltschrank 3 Verbindungsmittel 31
Nabe 4 Verbindungsmittel 33
Bremse 5 Verbindungsmittel 34
Asynchronmaschine 6 Notbetriebsversorgungseinrichtung 35
Antriebseinheit 7 Speichermittel 36
Blattverstellung 8 Dioden 37
Rotorblatt 9 Klima- und/oder Heizgerät 38
Getriebe 10 Verbindungsmittel 40
Antriebwelle 1 1 Chopperwiderstand 41
Abtriebswelle 12 Schalter 42
Ritzel 13 Verbindungsmittel 43
Zahnkranz 14 Testwiderstand 44
Blattlagers 15 Schalter 42
Längsachse 16 Schalter 45
Geber 17 Messwiderstand 47
Azimutlager 18 Verbindungsmittel 48
Maschinenhaus 19 Verbindungsmittel 49
Invertereinheit 20 Temperatursensor 51
Umrichter 21 Temperatursensor 52
Zwischenkreis 22 Temperatursensor 53
Umrichter 23 Temperatursensor 54
Gleichspannungssteller 24 Klima- und/oder Heizgerät 55
Turm 25 Schmiermittelvorrichtung 56
Ladekontroll System 26 Schmiermittelversorgung 57
Ladeeinheit 27 Pumpe 58
Verbindungsmittel 28 Feuchtesensor 59 Feuchtesensor 60 Eingang E1 , E2, E3, E4
Schutzschaltung 100 Widerstand R1
Windturbine 1 01 Widerstand R2
Optokopplers 102 Transistor T1
Eingangsstromkreis 103 Transistor T2
Zweig 1 04 Transistor T3
Zweig 1 05 Lösespannung U L
Ausgangsstromkreis 106 Zwischenkreisspannung UZK
Kontakt 106 Notspannung UN
Kontakt 108 Messspannung ΙΙΜΘ
Konstantstromquelle 1 10 Spannung Usteuer
Schutzdiode 1 1 2 Eingangsspannungen Ue
Eingangskontakt 1 14
Eingangskontakt 1 1 5
Diode 1 16
Fototransistor 1 18
Ausgang A1 , A2, A3

Claims

Patentansprüche
1. Steuereinheit (1 ) zum Steuern und/oder Regeln von mindestens einer Steuerkomponente (21 , 23), insbesondere einen Umrichter (21 , 23), einer Antriebsvorrichtung (2) für ein Rotorblatt (9) einer Windturbine (101 ), wobei das Rotorblatt (9) im Wesentlichen in um seine Längssachse (16) drehbar an einer Nabe (4) der Windturbine (101 ) anordenbar ist,
■ mit mindestens einem Eingang (E1 , E2, E3, E4) und/oder Ausgang (A1 , A2, A3) für elektrische Signale,
■ wobei die Steuereinheit (1 ) über den Eingang (E1 , E2, E3, E4) und/oder Ausgang (A1 , A2, A3) mit der Steuerkomponente (21 , 23) und/oder einer weiteren Komponente (5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27), insbesondere einer Messoder Sensoreinheit, derart elektrisch verbindbar ist,
■ so dass zwischen der Steuereinheit (1 ) und der Steuerkomponente (21 , 23) und/oder zwischen der Steuereinheit (1 ) und der weiteren Komponente (5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27) elektrische Steuer- und/oder Statussignale übertragbar sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
■ an mindestens einem Eingang (E1 , E2, E3, E4) und/oder Ausgang (A1 , A2, A3) der Steuereinheit (1 ) eine Schutzschaltung (100) mit einem galvanisch trennenden Übertragungselement (102) wirksam angeordnet ist,
■ wobei die Schutzschaltung (100) zwischen der Steuereinheit (1 ) und der Steuerkomponente (21 , 23) und/oder zwischen der Steuereinheit (1 ) und der weiteren Komponente (5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27) derart anordenbar ist,
■ so dass die Steuereinheit (1 ) und die Steuerkomponente (21 , 23) und/oder die Steuereinheit (1 ) und die weitere Komponente (5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27) galvanisch voneinander getrennt anordenbar sind.
2. Steuereinheit (1 ) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
■ die Schutzschaltung (100) einen Eingangsstromkreis (103) und einen Ausgangsstromkreis (106) aufweist, wobei Eingangs- und Ausgangsstromkreis (1 03, 106) über das Übertragungselement (102) galvanisch voneinander getrennt und logisch wirksam verbunden sind,
■ wobei das Übertragungselement (102) ein dem Eingangsstromkreis (103) zugeordnetes Aktivelement (1 16) und dem Ausgangsstromkreis (106) zugeordnetes Schaltelement (1 1 8) aufweist,
■ und wobei ein Stromfluss (I UA) des Aktivelements (1 1 6) einen Schaltvorgang des Schaltelements (1 18) bewirkt,
■ und der Eingangsstromkreis (103) eine Konstantstromquelle (1 10) aufweist, welche derart ausgebildet ist, dass der Strom (lu) durch das Aktivelement (1 16) auf einem bestimmten maximalen Wert (lu_max) begrenzt wird.
3. Steuereinheit (1 ) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der
Ausgangsstromkreis (106) der Schutzschaltung (100) elektrisch mit dem Eingang (E1 , E2, E3, E4) der Steuereinheit (1 ) verbunden ist, und der Eingangsstromkreis (103) der Schutzschaltung (1 00) elektrisch mit der Steuerkomponente (31 , 32) und/oder der weiteren Komponente (5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27) verbindbar ist.
4. Steuereinheit (1 ) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der
Ausgangsstromkreis (106) der Schutzschaltung () elektrisch mit der Steuerkomponente () und/oder der weiteren Komponente (5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27) verbindbar ist, und der Eingangsstromkreis (103) der Schutzschaltung (1 00) elektrisch mit dem Ausgang (A1 , A2, A3, A4) der Steuereinheit (1 ) verbunden ist.
5. Steuereinheit (1 ) nach einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement (1 02) als Optokoppler (102) ausgebildet ist, wobei das Aktivelement (1 16) als Leuchtdiode (1 16) und das Schaltelement (1 1 8) als Fototransistor (1 1 8) ausgebildet ist.
6. Steuereinheit (1 ) nach einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsstromkreis (103) mindestens einen ersten Zweig (104) mit einem ersten Transistor (T1 ) und einen dazu elektrisch parallel angeordneten zweiten Zweig (105) mit einem zweiten Transistor (T2) aufweist, wobei das Aktivelement (1 16) in Reihe vor dem ersten Transistor (T1 ) in dem ersten Zweig (104) angeordnet ist, und der erste Zweig (104) elektrisch mit der Basis des zweiten Transistors (T2) und der zweite Zweig (105) elektrisch mit der Basis des ersten Transistors (T1 ) verbunden ist.
7. Steuereinheit (1 ) nach einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsstromkreis (103) mindestens einen dritten Zweig mit einem Widerstand (R3) aufweist, wobei der dritte Zweig elektrisch parallel zum ersten und zweiten Zweig (104, 105) angeordnet ist.
8. Steuereinheit (1 ) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Zweig eine Manipulationsvorrichtung in Reihe zum dritten Widerstand (R3) derart vorgesehen ist, so dass der maximale Wert (lu_max) der durch das Aktivelement (1 16) fließenden Stroms (lu) veränderbar, insbesondere einstellbar ist.
9. Steuereinheit (1 ) nach einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (1 ) mehrere Schutzschaltungen (100) Eingänge (E1 , E2, E3, E4) und mehrere Ausgänge (A1 , A2, A3) aufweist, wobei im Wesentlichen jeder Ein- bzw. Ausgang mit einem Ausgangsstromkreis (106) bzw. einem Eingangsstromkreis (106) jeweils einer der Schutzschaltungen (100) verbunden ist.
10. Steuereinheit (1 ) nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die
Schutzschaltungen (100) als Baueinheit mit der Steuereinheit (1 ) ausgebildet sind.
1 1 . Antriebsvorrichtung (2) für ein Rotorblatt (9) einer Windturbine (101 ), wobei das Rotorblatt (9) im Wesentlichen in um seine Längsachse (16) drehbar an einer Nabe (4) der Windturbine (101 ) anordenbar ist, umfassend eine Antriebseinheit (7) zum Bewegen des Rotorblatts (9), eine Steuerkomponente (21 , 23) zum Speisen der Antriebseinheit (7), wobei die Steuerkomponente (21 , 23) mit einer Stromversorgung (29) verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, dass die Antriebsvorrichtung (2) eine Steuereinheit (1 ) nach einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche aufweist.
12. Antriebsvorrichtung (2) nach Anspruch 1 1 gekennzeichnet dadurch, dass die
Antriebseinheit (7) als Elektromotor, und die Steuerkomponente als Umrichter (21 , 23), insbesondere als Gleichrichter und/oder als Wechselrichter, zum Bestromen des Elektromotors (7) ausgebildet sind.
13. Antriebsvorrichtung (2) nach einem oder mehreren der voran stehenden Ansprüche gekennzeichnet dadurch, dass die weitere Komponente (5, 17, 51 , 52, 53, 54, 60, 38, 24, 26, 27) als Mess-, Geber- oder Sensoreinheit ausgebildet ist.
14. Windturbine (101 ) umfassend einen Turm (25), ein darauf drehbar gelagertes Maschinenhaus (19) mit einem Maschinenträger, einen an dem Maschinenträger drehbar gelagerten Rotor mit einer Nabe (4) und mindestens ein daran befestigbares Rotorblatt (9), gekennzeichnet, durch eine Antriebsvorrichtung (2) nach einem oder mehreren der voran gestellten Ansprüche 1 1 bis 13.
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