专利名称：用于风能设备的叶片调节装置的能量供应机构的制作方法
用于风能设备的叶片调节装置的能量供应机构
本发明涉及一种用于通常的风能设备的、特别是具有带有转子叶片 的转子的风能设备的叶片调节装置的能量供应机构，其中为了调节转子
叶片设有与斜度电路(Pitchkrds)和紧急电路连接的伺服电机。
具有斜度可调节的转子叶片的风能设备出于工作安全的原因通常 具有紧急驱动装置，该紧急驱动装置带有自给自足的蓄能器，例如蓄电 池。具有自己的蓄能器的该紧急驱动装置用于干扰情况下的、更确切地 说，特別是当斜度调节驱动机构的主系统由于能量供应机构的缺陷或者 故障而无法再工作时的备用。为了即使在这种情况下也能使得风能设备 安全地停机，设有紧急驱动装置。由DE-B-103 35 575已知一种具有紧 急驱动装置的斜度调节驱动机构。斜度调节驱动机构包括网络馈电的驱 动三相电机的变换器，该三相电机调节一个或多个配设的转子叶片的偏 角。另外，作为紧急驱动装置，设有蓄电池作为独立的能量源。该蓄电 池与变换器连接，从而在故障情况下通过蓄电池的开关与变换器的中间 电路连接，并由此提供对于操纵电机必需的能量。但已表明，在紧急驱 动装置的工作中会出现一定的负载状态，在这种状态下，待调节的转子 叶片驱动电机。于是产生一种滑动状态。这种滑动状态导致在电机中产 生电能，由此会出现功率回馈到蓄电池中的状况。因为在这种情况下会 出现很强的电流，所以会产生蓄电池大电流充电的风险。另外，由此形 成短暂的缩短蓄电池的寿命的充电周期。由此增加了蓄电池的损耗，甚 至产生提前失效的危险。
本发明的目的在于，提供一种用于叶片调节的能量供应机构，其可 避免前述缺点。
本发明的解决方案在于独立权利要求的特征。有益的改进是从属权 利要求的主题。
对于具有带有转子叶片的转子的风能设备而言，转子叶片的偏角可 通过斜度调节装置来改变，其中为了调节转子叶片，设有连到斜度电路 和紧急电路上的伺服电机，其中在正常工作模式中转子叶片通过斜度电 路来操纵，而在紧急工作中则通过紧急电路来操纵，紧急驱动机构具有 电的蓄能器、开关装置、接至伺服电机的连接导线和保护装置，根据本
发明规定，保护装置包括功率流探测模块，该功率流探测才莫块被设计用 于确定电功率是否流入到伺服电机中或者从伺服电机中流出，保护装置 还包括放电才莫块，该放电模块被设计用于在从伺服电机中流出功率时限 制紧急电路中的电压和/或电流。
由于空气动力，特别是在转子叶片快速地调节至旗位置
(Fahnenstellung)时，会在斜度调节驱动机构中出现滑动状态。这意味 着，转子叶片驱动斜度调节驱动机构。伺服电机于是起到发电机的作用。 在紧急电路中，功率流的方向由此反向。如果伺服电机用作发电机，那 么电功率相应地从祠服电机中流出。通过本发明可以实现，在伺月良电机 如此发电机般地工作时，所产生的电功率不会流入到紧急驱动机构的电
模块识另:，于是电功率通过另 一 根据本发明设置的放电模块从紧急电路 中输出。这可如下实现紧急电路中的电压减小或者相应地电流减小。
的蓄能器的危险由此得到抑帝i"。此外， 紧急电路中可能的电压上升得到
限制，从而不会达到有害的值。这些对于电的蓄能器的寿命和容量不利 的因素，例如过压和短暂的充电周期(在现有技术的设备中，它们通过 在发电机般的工作中反向流动的功率引起)由于本发明而得以避免。电 的蓄能器的提前老化或者甚至故障由此得到克服。
除了对电的蓄能器的防护外，本发明还实现了对工作性能的改善。 已表明，就通常的设备而言，系统特性曲线的稳定性在出现滑动状态时 和由此引起的发电机般的工作时会受到不利的影响。由于根据本发明通 过对功率流的确定识别出这种状态，所以如此产生的功率不是导入到电 的蓄能器中，而通过放电模块导出，由此实现对系统特性曲线的改善。
本发明的另 一 优点在于，有关对电的蓄能器的保护和对系统特性曲 线的改善的所述优点可以以较d 、的硬件花费来实现。
确定功率流的一种简单的可行方案在于，保护装置确定紧急电^^中 的电压并限制紧急电路中的电压上升。在这种情况下，本发明可以利用 本简单的关系，即在伺服电机发电机般地工作时其端电压提高，由此整 个紧急电路中的电压上升。不同于正常工作中，其中紧急电路中的电压 最多与紧急电路的电的蓄能器的标称电压一样高，在紧急工作和功率从 伺服电机中流出的情况下，会出现电压升高超过电的蓄能器的标称电压
的情况。这种电压变化可以通过功率流探测模块识别出来，并由此可以
确定功率流方向。功率流探测模块与放电模块如下配合在功率流乂人伺
服电机中流出的情况下限制紧急电路中的电压，更确切地说，优选限制 到适合于电的蓄能器的值。在其它情况下由电压上升所产生的有害的对 蓄能器的大电流充电可以通过这种方式得到可靠的防止。保护装置最好
如下设计在紧急工作中，紧急电路中的电压被限制到略高于电的蓄能 器的标称电压的值，更确切地说，优选限制为约高于标称电压5%至20%。
但并非一定强制利用放电模块单独通过电压来进行功率限制。可以 替代地或附加地规定，对紧急电路中的电流进行限制。这对于低欧姆的 电的蓄能器来说特别有益，在这种蓄能器中，大电流充电在电压变化较 小或者几乎测量不到的情况下就已经发生了 。视所使用的用于电的蓄能 器的技术而定，最好也可以针对功率流探测模块考虑参数电压和电流的 组合，特别是作为由电压和功率构成的附有符号的积。
为了将多余的由伺服电机在滑动运行中产生的电功率导出，放电模 块最好具有带有制动电阻的制动断开器(Bremschopper )。制动断开器 是脉冲的开关器(断开器)与作为能量转变器(从电能到热能)的欧姆 的电阻的组合。通过改变在触发脉冲的开关器时的占空比，可以确定有 多少电功率通过放电模块转变成热能并由此从紧急电路中排出。这种制 动断开器由此可以在硬件代价较小的情况下实现对紧急电路中的功率 流的灵壽丈的改变。
优选制动断开器是变换器的制动断开器，且在紧急工作中通过开关 元件与紧急电路连接。本发明在此利用了如下情况即通常的变换器具 有本来就有的制动断开器，以便必要时将多余的能量排出。通过将大多 数情况下本来就存在的该制动断开器用作紧急电路的制动电阻，就此而
言，对于实现本发明来说几乎不需要附加的硬件。设置在斜度电路中的 变换器通常如下构造它具有中间电路。在这种情况下，制动断开器可 以有益地与中间电路连接。但也可以规定，制动断开器与逆变器或H-桥式电路连接。尽管将制动断开器设置在变换器上是最常见的实施方 式，但本发明也可以使用如下构造方式制动断开器与变换器的逆变器 连接，或者与在该变换器之后连接的用于触发直流电机的H-桥式电^各连 接。根据本发明的 一种特别优选的方面，放电^t块具有用于中间电^各的 额定值改变模块。该额定值改变模块被设计用于改变中间电路的能量状 态的额定值，更确切地说，在紧急工作的情况下这时通过紧急电路对伺 服电机的操纵。在直流电压中间电路的情况下，该额定值是电压，阈值 改变模块被设计用于在紧急工作中将较小的电压值作为额定值预先给 定。于是中间电路的额定电压最好下降到约在电的蓄能器的标称电压的
高度的电压。优选阈值约为电的蓄能器的标称电压以上5%至20%。由 此实现制动电阻的快速响应，更确切地说，特别是在变换器的本来就存 在的断开器作为制动电阻工作的情况下。(相应的情况适于直流中间电 5^中的电流。)
放电模块最好具有网络分离装置，该网络分离装置被设计用于将变 换器从其供电网分离。为此可以设有单独的或本来就存在的分离接触 器。单独的接触器尽管会提高所需的成本，却提供了高度冗余的优点， 由此提供了高度的故障安全性。
另外可以规定，代替用于斜度电路和紧急电路的共用的伺月l电才凡， 分别设置自己的电机。尽管这会造成部件成本提高，但由此增加了整个 斜度调节系统的冗余度。这特别在如下情况下有益为转子的转子叶片 只设有 一 个共用的斜度调节系统。于是利用用于紧急电路的单独的电
确保可以将转^叶片调节到旗位置。在不利的情况下可能会出现斜度I 路的电机由于缺陷而卡锁的现象。为了即使在这种情况下仍能实现通过 紧急电路的电机的调节，斜度电路的电机最好通过可分离的耦合机构和 /或剪切连接机构(Scherverbindung )与转子叶片耦合。该耦合机构可以 被控制，其例如是磁耦合机构，因此在斜度电路的电机出现故障时打开； 4旦它也可以是滑动耦合^几构(Rutschkupplung )。
斜度电路的电机最好是三相电机，而紧急电路的电机最好是直流电 机。直流电机具有从电的蓄能器、例如蓄电池中简单地供应以直流的优 点。斜度电路的三相电机提供了高转矩、容易安装和利用变换器的良好 的可调节性的优点。
本发明还涉及一种用于通过斜度调节装置的伺服电机调节风能设 备的转子的叶片的方法，其中在正常工作中通过斜度电路对转子叶片进 行调节，在紧急工作中通过紧急电路对转子叶片进行调节，其中根据本
发明确定紧急电路中的功率流，并通过减小紧急电路中的电压和/或电流 来限制在紧急工作中从伺服电机流出的电功率。为了说明本方法，参见 上述说明。
下面对照
本发明，附图中示出了有益的实施例。图中示出 图1为本发明的风能设备的示意图2为根据本发明具有斜度电路和紧急电路的斜度调节机构的示意
图3为替代于图2的实施方式的示意图；和 图4为另一替代的实施方式的示意图。
整体上标有附图标记l的风能设备包括带有吊厢11的塔10,吊厢 11在方位面中可旋转地设置在塔的上端。在吊厢11的端侧设有可通过 转子轴20旋转的转子2。转子2包括多个(在所示实例中为两个)转子 叶片21。转子叶片轮毂22将螺旋桨叶片21与转子轴20连接。转子轴 20驱动设置在吊厢11中的用于产生电能的发电机13。电能被输送至变 换器14,并通过三相导线(只示出一相)15和变压器16输送至电网9。 在吊厢11中还设有另一个用于风能设备1的控制装置18。该控制装置 用于以已公知的方式控制风能设备的工作。
转子叶片21在其偏角(Anstellwinkel) 方面可调节地设置在轮毂 22上。为此设有斜度调节装置3。该斜度调节装置包括斜度控制机构30 和分别配属于单个转子叶片21的驱动单元31。
现在对照图2说明驱动单元31的结构和工作原理。它包括4牛度电 路4和用于操纵伺服电机45的紧急电路5。斜度电路4用于在正常工作 中调节转子叶片21的偏角 。紧急电路5用于即使当斜度电路4本身 或者其能量供应(即来自于电网9)出现故障时也能确保将转子叶片21 调节至安全的位置(旗位置)。
斜度电路4包括与电网9连接的用于能量供应的接触器49和具有 网络侧的整流器41、中间电路42和逆变器43的变换器48。逆变器43 产生三相的施加到伺服电机45上的输出信号。为此，设计成直流电动 机的伺服电机45通过电动机接触器44和H-桥式电路47与逆变器43连 接。H-桥式电路47允许以本已公知的方式在逆变器的输出处可调节地 驱动直流电动才几。
紧急电路5用于即使当斜度电路4本身或者其能量供应(所示为通
过电网9)出现故障时也能实现对转子叶片21的调节。紧急电^各5包括 作为电的蓄能器的蓄电池50、具有接至伺服电机55的连接导线52的开 关装置51,其通过紧急电动机接触器54通断。紧急电路5在紧急工作 中如下工作电能从蓄电池50经由开关装置51流入到连接导线52中， 并经由紧急电动机接触器54流入到伺服电机45中，该伺服电机45将 配属于它的转子叶片21调节到安全的旗位置。这种工作方式称为"未调 节的蓄电池运行"。本申请的主题涉及这种工作方式。在调节转子叶片 21时，在一定的条件下，特别是由于空气动力，会出现转子叶片21驱 动伺服电机45的情况。这产生一种滑动状态。伺服电机45于是产生电 能，该电能通常经由连接导线52导入到蓄电池50中。由此产生蓄电池 50的大电流充电的危险。
根据本发明设有保护装置6。它包括作为主要部件的功率流探测模 块60以及方文电才莫块69。
功率流探测模块60包括传感器单元61和分析单元62。传感器单元 61优选具有用于紧急电路4中的电压的测量装置。就通常在紧急电路5 中的来自于蓄电池50的288伏特的标称电压的电压而言，电压可以通 过通常的本已公知的测量装置直流地测量。但也可以设有无接触的测量 装置。此外可以替代地或附加地进行电流测量。为此可以使用本已公知 的电流测量仪，例如通过测电钳或霍尔传感器工作的形式。优选电流被 附有符号地(vorzeichenbehaftet)测量。传感器单元61的测量结果纟皮输 送至分析单元62。该分析单元一皮设计用于基于蓄电池50的已知的标称 电压从电压和/或电流的测量值中确定出电功率在紧急电路5中的流动 方向。通常情况为当调节转子叶片时，电功率通过紧急电路5流入到 伺服电机45中。在符号正确地连接由传感器单元61提供的用于电压和 电流的测量值的情况下，产生正的电功率值，因此按照规定产生指向伺 服电机45的流向。如果未规定通过传感器单元61进行电流测量，那么 可以通过所测得的电压求得以蓄电池50上的电压为参照的沿着紧急电 路5的电压降的量。通过这种方式，可以通过纯丰争的电压测量，以4交低 的测量技术的花费确定功率流。如果由传感器单元61测得的电压低于 蓄电池50上的端电压，则功率流向伺服电机45;该测得的电压较高， 则功率流从电的伺服电机45流出，也就是说，该伺服电机45起到发电 机的作用。
放电装置6包括控制装置63以及制动断开器(Bremschopper ) 66 和制动电阻67。制动断开器66与通向电的伺服电机45的连接导线52 连接。在控制装置63上作为输入信号施加关于功率流的方向的由功率 流模块的控制单元62求得的信号，必要时还输入上级运行控制器18的 控制信号(未示出)。制动断开器66与控制装置63的输出端连接。
图2所示的实施方式如下工作在正常工作中，接触器49和44闭 合，而接触器51、 54则打开。于是单独通过斜度电路4用伺服电机45 对进行转子叶片12进行调节。在紧急工作中，接触器51和54闭合， 而接触器49和44则打开。于是伺服电机45从蓄电池50被供应以电能。 伺服电机45调节配属于它的转子叶片21的偏角G)。为了避免与正常的 斜度电路4的不希望的作用，斜度电路4的所述接触器44打开。接触 器64最好也打开，以便使得斜度电路4的变换器48与网络9分离。功 率流探测模块60确定在紧急情况下电功率沿着紧急电路5的连接导线 朝向哪个方向流动。如果电功率从电的伺服电机45流出，那么这意味 着，伺服电机45起到发电机的作用。功率流探测模块60的控制单元62 在这种情况下将控制信号输送至放电模块69的控制装置63。控制装置 63激活制动断开器66,由此连接导线通过制动电阻67几乎短接。由起 发电机作用的伺服电机45馈入到连接导线52中的电能由此以热能耗 散。由此保护蓄电池50免于因起发电机作用的伺服电机45所产生的电 功率而引起的不希望的大电流充电。另外，在紧急电路5中的不希望的 电压上升得到了限制。控制装置63最好如下设计它将电压限制到在 蓄电池50的标称电压以上最多约10%的值。
图3示出了第二实施方式，其中制动断开器66与斜度电路4的变 换器48的中间电路42连接。放电模块69的控制装置63还具有额定值 改变^t块65。该额定值改变^t块被设计用于使得中间电路42的额定电 压从正常工作中约为800伏特的较高的电压水平下降到紧急工作中4支低 的电压水平，该较低的额定电压水平通常为蓄电池50的标称电压以 上约5%至20%，优选约为10%。在所示实施例中，在蓄电池50的 标称电压为288伏特时，该降低的电压水平为约320伏特的变低的额 定电压。
在本实施方式中，放电才莫块6还包括开关元件68。开关元件68一皮 构造成双极的接触器，这种双极的接触器使得紧急电路5的两个连接导
线52与斜度电^各4的直流电压中间电路42的相应的导线连接。开关元 件68具有受控制装置63操纵的开关输入。另外，作为用于在紧急工作 中变换器48至网络9的连接不再存在的附加的安全措施，设有构造成 附加的接触器的网络分离装置64 。该网络分离装置用于确保在紧急工作 中电功率只通过放电装置6流入到中间电路42中。
本发明如下工作正常工作如同才艮据图2的实施方式一样进4亍。在 紧急工作中，接触器51和54闭合，而接触器49、 64和44则打开。由 此祠服电机45从蓄电池50被供应以电能。伺服电机45调节配属于它 的转子叶片21的偏角0。为了避免与正常的斜度电路4的不希望的作 用，斜度电路4的接触器44打开。接触器64打开，以便使得斜度电路 4的变换器48与网络9分离。在该工作模式中，开关元件68^皮接合。 这意味着，紧急电路5的连接导线52与直流电压中间电路42连接。制 动断开器66的开关阈值被控制装置63从其约为800伏特的正常值置为 320伏特的值，即在蓄电池50的288伏特的标称电压以上约10% 。如 果由于空气动力在转子叶片21上出现滑动状态，从而伺服电机45产生 电能且该电能通过接触器45馈入到紧急电路5中，那么该电能通过放 电装置6输入到直流电压中间电^各42中。直流电压中间电^各42中的电 压由此上升，直至该电压达到制动断开器66的开关阔值。该电压通过 控制装置63的额定值改变才莫块65下降到蓄电池50的标称电压以上约 10%的值。中间电路42中的电压的进一步上升受到制动断开器66的限 制，其方式为，电能从直流电压中间电路42中^皮取出并通过制动电阻 67被转变成热能。由于由伺服电机45在滑动状态下产生的电能导入到 直流电压中间电路42中，随后通过制动断开器66消灭，所以蓄电池50 4K呆护免于大电流充电。
图4中所示的替代的实施方式与图3中所示的和前述的实施方式的 区别主要在于，代替共用的伺服电机，斜度电路4和紧急电路5分别具 有自己的电机45'、 55'。此外，相同的部件标有与根据图2的实施方式 相同的附图标记。斜度电路4的电机45'是三相同步电机，并以本已公 知的方式由变换器48的触发。如同根据图2的实施方式，紧急电路5 的电机55'是直流电机，以便可以实现从蓄电池50中简单地馈电。电机 45'、 55'分别作用于转子叶片21 (图3中用虚线示出)。但斜度电路4 的电机45'不直接作用于转子叶片21,而是通过电磁耦合装置46作用于
转子叶片21。电磁耦合装置46被设计用于在紧急工作的情况下通过紧
急电路5打开，并因此中断电机45'和转子叶片21之间的能流。
权利要求
1. 一种具有带有转子叶片(21)的转子(2)的风能设备，所述转子叶片的偏角可通过斜度调节装置来改变，其中为了实现调节，设有连在斜度电路(4)和紧急电路(5)上的伺服电机(45)，其中在正常工作中所述转子叶片(21)通过所述斜度电路(4)来操纵，而在紧急工作中则通过所述紧急电路(5)来操纵，所述紧急电路(5)具有电的蓄能器(50)、开关装置(51)、接至所述伺服电机(45)的连接导线(52)和保护装置，其特征在于，所述保护装置(6)包括被设计用于确定电功率是流入到所述伺服电机(45)中还是从所述伺服电机(45)中流出的功率流探测模块(60)，且还包括被设计用于在从所述伺服电机(45)中流出功率时限制所述紧急电路(5)中的电压和/或电流的放电模块(69)。
2. 如权利要求1所述的风能设备，其特征在于，所述功率流探测模 块(60)被设计用于确定所述紧急电路(5)中的电压，所述放电模块(69)— 皮设计用于在从所述伺;^良电机(45)中流出功率时限制电压。
3. 如权利要求2所述的风能设备，其特征在于，所述放电^t块具有 额定值改变模块(65),在紧急工作中所述紧急电路(5)中的电压被 调节至略高于所述电的蓄能器(50)的标称电压的值，更确切地说，优 选高于约5%至20%。
4. 如权利要求1所述的风能设备，其特征在于，所述功率流探测才莫 块(60)被设计用于确定所述紧急电路(5)中的电流，所述放电才莫块(69)被设计用于在从所述伺服电机(45)中流出功率时使电流旁接。
5. 如权利要求1至4中任一项所述的风能设备，其特征在于，所述 放电模块(69)具有至少一个带有至少一个制动电阻(67)的制动断开 器(66 )。
6. 如权利要求5所述的风能设备，其特征在于，所述制动断开器 (66)是变换器(48)的制动断开器(66),且在紧急工作中通过开关元件(68)与所述紧急电路(5)连接。
7. 如权利要求6所述的风能设备，其特征在于，所述制动断开器 (66)连在与所述变换器(48)的中间电路(42)上。
8. 如权利要求6所述的风能设备，其特征在于，所述制动断开器 (66)与逆变器(43)或所述变换器(48)的H-桥式电路(47)连接。
9. 如前述权利要求中任一项所述的风能设备，其特征在于，所述放电模块(6)还设有将所述变换器(48)与其供电网分离的网络(9)分 离的网络分离装置(64)。
10. 如前述权利要求中任一项所述的风能设备，其特征在于，所述 伺服电机通过所述斜度电路(4)的电机(45')和所述紧急电路(5)的 电机(55')被设计成冗余。
11. 如权利要求10所述的风能设备，其特征在于，所述斜度电路(4) 的电机(45')是三相电机，而所述紧急电路(5)的电机(55')是直流 电机。
12. 如权利要求10或11所述的风能设备，其特征在于，至少所述 斜度电路的电机(45')通过可分离的耦合机构(46)和/或剪切连接机 构与所述转子叶片连接。
13. —种方法，用于通过斜度调节装置的伺服电机(45)调节风能 设备的转子(2)的转子叶片(21),其中在正常工作中通过斜度电路(4)进行所述调节，在紧急工作中通过紧急电路(5)进行所述调节， 其特征在于，确定所述紧急电路(5)中的功率流，并通过限制所述紧 急电路(5 )中的电压和/或电流来限制在紧急工作中从所述伺服电机(45 ) 流出的电功率。
14. 如权利要求13所述的方法，其特征在于，使用如权利要求1 至12中任一项所述的风能设备。
全文摘要
本发明涉及一种具有带有转子叶片(21)的转子(2)的风能设备，所述转子叶片的偏角可通过斜度调节装置来改变，其中为了实现对所述转子叶片(21)的调节，设有与斜度电路(4)和紧急电路(5)连接的伺服电机(45)，其中在正常工作中所述转子叶片(21)通过所述斜度电路(4)来操纵，而在紧急工作中则通过所述紧急电路(5)来操纵。所述紧急电路(5)具有电的蓄能器(50)、开关装置(51)和接至所述伺服电机(45)的连接导线(52)。根据本发明，保护装置具有被设计用于确定电功率是否流入到所述伺服电机(45)中或者从所述伺服电机(45)中流出的功率流探测模块(60)，且还具有被设计用于在从所述伺服电机(45)中流出功率时限制所述紧急电路(5)中的电压和/或电流的放电模块(69)。本发明由此实现将通过滑动状态在紧急工作中由所述伺服电机(45)产生的电能导出和消灭。由此可以保护所述紧急电路(5)的电的蓄能器(50)免于不希望的大电流充电。这不仅延长了所述电的蓄能器(50)的寿命，而且改善了所述紧急电路(5)的系统特性。
文档编号F03D7/02GK101389856SQ200780006232
公开日2009年3月18日 申请日期2007年2月23日 优先权日2006年2月24日
发明者H·-H·莱塔斯, K·沃芬 申请人:再生动力系统股份公司