专利名称：用于改变风力发电设备转子叶片角度位置的系统和方法
用于改变风カ发电设备转子叶片角度位置的系统和方法本发明涉及用于改变风カ发电设备转子叶片角度位置的一种系统和ー种方法，其中设置了相应地个自地分配给所述转子叶片的驱动单元以及相应地个自地分配给所述驱 动单元的调整机构。
背景技术：
现代的风カ发电设备根据升カ原理来工作，其中单个的转子叶片与机翼相类似地在风力作用下产生升力。所述设备一般构造为所谓的高速转动的风カ涡轮机，并且通常拥有较少的(比如两个或者三个)转子叶片。在这样的风カ发电设备中，设置了叶片调节机制(所谓的斜度系统)，通过所述叶片调节机制能够改变转子叶片的角度位置(斜度)。角度调节的首要任务是，通过对相应产生的升力的影响来调节转子的功率及转速。此外，可以使转子停止，方法是将所述转子叶片移到所谓的附装羽毛状位置(Fahnenstellung)中，在所述附装羽毛状位置中不再有转矩作用于转子轴。功率系数、并且由此所述设备功率直接与相对于风向或者相对于设备的旋转平面的转子叶片位置相关联。通过围绕着转子叶片的纵轴线来调节转子叶片这种方式，来直接影响所述设备的输出功率。通过升カ的减小或者消除，可以在出现过分剧烈的风时防止风カ发电设备受到过负荷。通常所述转子叶片通过相应地个别地为其分配的驱动单元利用相应的调整机构在不依赖于彼此的情况下来进行调节。换句话说，为每个转子叶片设置一自身的调整机构，所述调整机构在不依赖于用于其它转子叶片的调整机构的情况下进行工作。用于各个调整机构的额定值由上级的控制中心比如根据风速来确定。对于能够调节的转子叶片来说，需要所有叶片的尽可能同步的调节。各个转子叶片的不同的位置导致转子上的不均匀的气动カ分布，并且由此导致空气动力学上的不平衡，这引起所述设备的过分的机械的负荷。通常在相应的调节系统中所使用的驱动装置比如在无刷的电动机的基础上得到实现。但是这些无刷的电动机尤其由于对其运行来说必要的复杂的调节系统仅仅有限制地在有故障时是可靠的。因此必须采取措施，所述措施能够在失灵时或者在出现功能性故障时实现所述设备的可靠的继续运行或者切断。对于传统的风力发电设备来说，在驱动单元的调节系统中出现故障时立即切断所述设备，以便避免通过不对称的叶片角度位置引起的过负荷。但是这种立即切断处理导致收益损失，因为在每次失灵的情况下在继续运行之前需要维护。在DE 10 2007 006 966 Al中提出，在一台马达的调整机构失灵时通过另一台马达的调整机构交替地用这另一台马达来控制前述马达。然而为此需要不断地进行切換，这提高应该相应地设置的功率开关(接触器)的负荷，可能通过异步的调节导致叶片位置中的不对称性，并且引起微小的调节动力。一种类似的但是具有相同的缺点的系统在EP I 664527 BI中得到描述。在这种背景下面，因而存在着对用于改变风カ发电设备转子叶片角度位置的系统
3的容忍故障(ausfalltolerant)的设计的要求。本发明的公开内容
按本发明，提出用于改变风カ发电设备的转子叶片的角度位置的具有独立权利要求所述特征的一种系统和ー种方法，其中设置了相应地个别地分配给所述转子叶片的驱动单元以及相应地个别地分配给所述驱动单元的调整机构。有利的设计方案是从属权利要求及以下说明的主題。本发明的优点
所述按本发明的措施包括，在用于转子叶片的驱动单元的调整机构失灵或者出现功能性故障时，通过其它转子叶片的调整机构来对这个驱动单元进行调整。与现有技术相对比，在此两个驱动单元并行地并且同时通过ー个唯一的调整机构(比如相应地受到调节的变频器)来进行控制。本发明因而提出在出现故障的情况下进行所述驱动単元的直接的并联。由此减少按照现有技术在进行冗余的控制时需要的不断的切換，并且由此避免应该相应地设置的接触器的负荷。由于切换时间的省却，就減少了叶片位置中的不对称性，并且提高了调节动力。因而相对于现有技术，本发明提供巨大的优点，即在进行切換之后，不仅第一驱动装置而且第二驱动装置都同时得到控制。在进行这种同时的控制时，仅仅一次性地在出现故障时进行切换并且所述系统而后就保持在相应的状态中，而按照现有技术在交替地控制时需要不断的切換。所使用的接触器的使用寿命由此可以得到提高，并且获得转换周期的数目方面的优点。此外，仅仅应该一次性地注意所使用的接触器及制动器的无效时间。因为所述驱动装置不是有规律地得到制动，在毎次切换过程中在进行交替控制时就是这种情况，所以可以更好地对角度位置-额定值进行跟踪。虽然在本申请的范围内谈及通过调整机构来并行地控制两个驱动装置，但是要强调的是，即使在两个或者更多个的调整机构失灵时，分配给这些调整机构的驱动装置也可以在存在相应的功率特征时通过其它(功能正常的)调整机构来进行控制。转子叶片的(几乎)相同的角度位置通过以下方式来达到，即比如通过U/f控制来预先给定所述频率(并且相应地预先给定电动机的转速)。在并联所述电动机时，只要通过并联线路没有超过承担着控制任务的调整机构中的相应的变频器的最大电流，那么在调节动力方面就不会出现很大的损失。如果相应的变频器没有相应的功率储备，那么必要时可以相应地降低ー种调节动力。所提出的系统不仅可以在使用异步电动机的情况下来实现，而且也可以在使用同步电动机的情况下来实现。对于同步电动机来说，在负载カ矩超过通过电动机上的电压和频率所能够达到的失步转矩(Kippmoment)时,可能存在的超过90°的磁极转子角度的危险可以有利地通过以下方式来加以避免，即在使用电动机模型的情况下进行磁极转子角度监控。如果在此识别出大大的磁极转子角度，那就可以如此降低所述系统或者驱动装置的动力，使得降低应该由电动机提供的カ矩，并且由此又降低磁极转子角度。对于异步电动机来说，取代磁极转子角度而出现机械的转子和电场的转速的差异。通过这种称为“转差率”的差异，两台异步电动机在负载カ矩不同时尽管电压及频率相同也提供不同的カ矩，但是不存在“倾覆(Wegkippen)”的危险。但是在所述电动机之间产生细微的转速差。因此，在加载负载时，可以对转子叶片-角度位置中的随着时间增加的偏差进行观察(角度位置“四处扩散”)。其原因在于，相应的驱动单元的电动机的不同的负载カ矩。根据第一轴的负载カ矩并且根据其所检测到的角度位置，在一在出现故障的情况下控制两个驱动装置的调整机构中形成第二轴的转速额定值。但是因为所述两个驱动装置获得不同的负载カ矩，所以它们相应地具有不同的角速度。分配给所述电动机的转子叶片的尤其从中产生的角差可以有利地通过以下方式来降低，即在达到特定的阈值-角差时实现角度同步化。为此有利地通过制动机构使“前行的”电动机停止(“制动住”)，使“后行的”电动机一直继续运行，直至这两台电动机又具有相同的角度(或者低于相应有待设置的阈值)。随后又并行地运行这两台电动机。为此优选地通过编码器(Geber)来确定两台电动机的角度位置。 所使用的制动机构有利地是机电的制动器，该制动器在无电流的状态中(在制动器电路断开时)使电动机制动。同时在此有利地断开电动机相位(Motorphase )，从而避免受到制动的电动机的过负荷。因而应该有利地在电动机电路及制动器电路中设置相应的(比如保护线路的形式的)开关机构。本发明的其它优点和设计方案从说明书及附图中获得。不言而喻，前面提到的以及下面还要解释的特征不仅能够在相应表明的组合中而且也能够在其它的组合中或者単独地使用，而不离开本发明的构思范围。本发明借助于实施例在附图中示意性地示出，并且下面參照附图进行详细描述。
图I是按现有技术的转子叶片连同为其分配的角度调节机构的示意 图2a是按现有技术的具有两个所示出的用于转子叶片的角度调节机构的系统的示意
图2b是按本发明的一种优选的实施方式的具有两个所示出的用于转子叶片的角度调节机构的系统；并且
图3是按本发明的一种优选的实施方式的方法的流程。在下面的附图中，相同的或者起相同作用的元件利用相同的附图标记来表明，并且为了简明起见不重复解释。
具体实施例方式在图I中示意性地示出了按现有技术的具有所属的角度调节机构的转子叶片。该装置在总体上用10来表示。该装置作为主要的组件具有空心体的形式的转子叶片I、电动机的形式的驱动单元2以及分配给所述驱动单元2的调整机构3。所述驱动単元2通过传动机构4与正齿轮5相连接，所述正齿轮则与所述转子叶片I的内侧面上的齿元件6处于齿啮合之中。通过所述驱动单元2及传动机构4，借助于所述正齿轮5根据所述调整机构3能够将转矩导入到所述转子叶片I中。所述转子叶片I支承在叶片轴承7中，该叶片轴承保证了通过所述正齿轮5围绕着所述转子叶片I的轴线来调节该转子叶片。同样设置了上级的构造为运行管理机构的形式的控制机构9，该控制机构通过控制连接机构8与所述调整机构3处于连接之中，并且保证所有的调节机构提供相同的转子叶片位置。所述上级的控制机构9可以与其它上级的元件相连接，所述其它的上级的元件比如在风カ的基础上提供用于转子位置的预先規定。在图2a中示出了具有两个用于改变转子叶片I角度位置的调节机构的系统，并且该系统在总体上用100来表示。该系统100具有两个驱动单元21、22，这两个驱动单元分别分配给相应的转子叶片I。尽管在附图中仅仅示出了两个调节机构，但是不言而喻，所述系统也可以以相同的方式用在具有两个以上的转子叶片的设备中。所述驱动単元21、22具有马达M以及分配该马达M的制动器B。通过所述制动器B，比如可以如上面所解释的一祥，使该马达制动，由此能够确定叶片位置，并且能够使异步的转子叶片位置实现同步化。为所述驱动单元21、22分别分配了调整机构31、32，并且所述调整机构通过构造为控制线路形式的控制连接机构311、312、321、322与所述驱动单元21、22相连接。所述控制连接机构311、321在此分别将由变频器提供的工作电压提供给所述马达M。所述制动器B的控制通过所述控制连接机构312和322来进行。为了转换所述制动器B，可以设置相应的开关元件。正如已经结合图I所解释的那样，各个调节机构通过控制连接机构8与上级的控制机构9处于接触之中。从图2a中可以清楚地看出，在所述调整机构31、32之一失灵时，按照现有技术再也不能调节相应的叶片角度，因为再也不能对于相应的马达M和/或相应的制动器B进行控制。正如所解释的那样，然而从现有技术中知道，设置了下述机构该机构在所述调整机构31、32之一失灵时能够在与本来所分配的马达M交替地控制相应另一台马达M。但是正如所解释的那样，通过切换过程并且/或者通过由切换过程引起的无效时间从中产生重大的缺点。在图2b中示出了根据本发明实现的系统。在所述用200表示的系统中，设置了和在图2a中相同的元件，但是在图2b中为了简明起见放弃了所述控制连接机构311、312以及所述调整机构31的图示。在图2b中示出的调整机构32首先通过控制连接机构321与所述马达M处于连接之中，并且通过控制连接机构322与(相应所述驱动单元22的)制动器B处于连接之中。但是按照本发明，额外地设置了另外的控制连接机构331和332连同为其分配的比如构造为保护线路的形式的开关机构S。所述开关机构S比如可以作为功率开关来实现。通过所述开关机构S，可以引起所述调整机构32与所述驱动単元21之间的连接，从而通过所述调整机构32可以并行地对于所述驱动単元21和22进行控制。为此设置了另外的控制连接机构340，该控制连接机构能够实现马达相位和制动器电路的同步的转换。所述开关机构S的转换在此要么可以根据上级的控制机构(该控制机构探测到调整机构31中的故障)并且/要么通过所述调整机构的相互的监控来进行。在图3中示出了按ー种优选的实施方式的构造为流程图的形式的方法的流程，并且该流程在总体上用300来表示。如果在步骤301中识别出调整机构31、32的功能性故障，那么该方法就可以发挥作用。所述识别比如根据通过所述调整机构31、32所提供的信号310、320或者在上级的并且通过连接机构8与所述调整机构31、32处于连接之中的上级的単元9的信号90的基础上进行。在步骤301中在识别出功能性故障之后，在步骤302中对于开关机构S进行控制S’，由此正如上面所解释的那样，可以并行地通过单个的调整机构31、32来控制所述驱动单元21、22。在执行完步骤302之后，由此进行对于所述控制単元21、22的并行的同时的控制。如果比如在所述控制単元21、22中使用异步马达M，那么可能有利的是，在步骤303中持续地对所述马达M的角度位置M’进行监控，并且必要时开始如上面所解释的那样的同步步骤304。如果有其它的用于保证所述角度位置的对称性的机构可供使用，那么为了进行简化也可以放弃步骤303和304。在进行所述并行的控制时，一直保持所述按本发明的方法，直到在步骤305中比如由于维护而再次保证了此前失灵的或者有功能性故障的调整机构31、32的正常的运行。
权利要求
1.用于改变风カ发电设备转子叶片(I)角度位置的系统(200)，具有相应地单独地分配给所述转子叶片(I)的驱动单元(2、21、22)以及相应地单独地分配给所述驱动单元(2、21、22)的调整机构(31、32)，其特征在于能够借助于开关机构(S)来转换的控制连接机构(331、332、340)，通过所述控制连接机构，在至少ー个调整机构(31、32)失灵或者出现功能性故障的情况下，分配给这个调整机构(31、32)的驱动单元(2、21、22)能够与其它的驱动単元(2、21、22)并行地并且同时地利用分配给所述其它的驱动单元(2、21、22)的调整机构(31、32)进行控制。
2.按权利要求I所述的系统(200)，其中所述驱动単元(2、21、22)分别具有电动机(M)和制动机构(B)，所述电动机(M)和制动机构(B)能够通过所述开关机构(S)同时与分配给所述其它的驱动单元(2、21、22)的调整机构(31、32)相连接并且能够从所述调整机构分开。
3.按权利要求I或2所述的系统(200)，其中所述驱动单元(2、21、22)分别具有ー异步电动机形式的电动机(M)。
4.按权利要求I或2所述的系统(200)，其中所述驱动単元(2、21、22)分别具有一同步电动机形式的电动机(M)。
5.按前述权利要求中任一项所述的系统(200)，其中至少ー个驱动单元(2、21、22)具有位置传感器。
6.按前述权利要求中任一项所述的系统(200)，其中设置了另外的调整机构(9)，通过所述另外的调整机构对于所述至少一个驱动単元(2、21、22)的控制能够与所述其它的驱动单元(2、21、22 )并行地利用分配给所述其它的驱动单元(2、21、22 )的调整机构(31、32 )来引发。
7.用于在按前述权利要求中任一项所述的系统(200)中改变风カ发电设备转子叶片(O角度位置的方法，其中在至少ー个调整机构(31、32)失灵或者出现功能性故障的情况下，分配给这个调整机构(31、32)的驱动单元(2、21、22)与其它的驱动单元(2、21、22)并行地并且同时地利用分配给所述其它的驱动单元(2、21、22)的调整机构(31、32)来进行控制。
8.按权利要求7所述的方法，其中确定所述转子叶片(I)的角度位置，并且通过对于驱动单元(2、21、22)的分配给所述转子叶片(I)的电动机(M)所进行的制动和/或跟踪来使所述角度位置实现同步化。
9.按权利要求7或8所述的方法，其中在超过驱动単元(2、21、22)的至少一台构造为同步电动机的分配给转子叶片的电动机(M)的临界的磁极转子角度时，降低所述电动机(M)的控制功率。
10.按权利要求9所述的方法，其中确定所述电动机(M)的机械的角度、求得所属的电场的角度，并且将所述机械的角度与所述电场的角度进行比较，以确定所述至少一台电动机(M)的磁极转子角度。
全文摘要
本发明涉及一种用于改变风力发电设备转子叶片(1)角度位置的系统(200)，具有相应地个别地分配给所述转子叶片(1)的驱动单元(2、21、22)以及相应地个别地分配给所述驱动单元(2、21、22)的调整机构(31、32)，其中设置了能够借助于开关机构(S)来转换的控制连接机构(331、332、340)，通过所述控制连接机构在至少一个调整机构(31、32)失灵或者出现功能性故障时使得分配给这个调整机构(31、32)的驱动单元(2、21、22)能够与其它的驱动单元(2、21、22)并行地并且同时地利用分配给所述其它的驱动单元(2、21、22)的调整机构(31、32)进行控制。
文档编号G05B9/03GK102918264SQ201180028336
公开日2013年2月6日 申请日期2011年5月20日 优先权日2010年6月8日
发明者A.瓦特, A.雷德尔贝格尔, A.穆施塔菲 申请人:罗伯特·博世有限公司