本发明涉及用于风力涡轮机中的俯仰驱动单元的冷却系统，具体地涉及用于在备用电源放电期间使用的冷却系统。
背景技术：
在风力涡轮机中，已知提供一个或多个转子叶片，每个转子叶片具有可调俯仰角。通常，通过在俯仰驱动单元中使用俯仰驱动电机来控制俯仰角。在紧急情况下，已知使用俯仰驱动电机来更改转子叶片的角度，使得入射在转子叶片上的风力在转子叶片上几乎没有引起转矩，并且叶片本身用作气制动器以减慢转子的移动。这被称为将叶片置于顺桨位置。为了能够在对风力涡轮机的电力供应损失的情况下将转子叶片置于顺桨位置，已知在风力涡轮机中(例如，在俯仰驱动单元中)提供备用电源，该备用电源储存用于在电源中断的情况下给俯仰驱动电机供电的能量。此类备用电源通常以非常高的电压(例如，420V)储存能量，并且可以采取超级电容器或电池的形式。
当维修人员需要进入风力涡轮机时，风力涡轮机必须处于对于维修人员来说安全的状态，并且至少满足各种最低安全要求，诸如寿命零件的电压降低到其不会对人造成问题的水平。为此目的，风力涡轮机的转子叶片可以首先被驱动成处于顺桨位置，使得风力不能转动叶片并且然后风力涡轮机与电网断开。即使可能没有触摸寿命零件，另一个问题是风力涡轮机不可以保持足以意外设置运动中的风力涡轮机致动器的任何能量，这可能危害接近或接触风力涡轮机的致动零件的维修人员。因此，例如在维修人员进入风力涡轮机的危险区之前，应当使应急电源和中间电容器充分放电。
用于使电能储存装置放电的布置可以是俯仰驱动器的一部分，该俯仰驱动器即旋转风力涡轮机的转子叶片的驱动器。它也可以是俯仰驱动系统的一部分，该俯仰驱动系统包括用于风力涡轮机的每个转子叶片的俯仰驱动器。特别地，该布置可以布置在便携式外壳中作为单独放电装置，在风力涡轮机未配备其自身放电布置的情况下，维护人员将该单独放电装置带到风力涡轮机。
备用电源可以通过俯仰系统内的电阻器放电，电阻器将能量作为热量耗散。为了减小风力涡轮机的停机时间(即风力涡轮机未操作、同时执行维护程序的时间)，所期望的是使备用电源尽可能快地放电，从而导致电阻器的高加热水平。例如，已知使备用电源在10分钟内基本完全放电。
技术实现要素：
为了减轻至少一些以上问题，本发明提供了如在所附独立权利要求中限定的俯仰驱动单元和用于使备用电源放电的方法。在从属权利要求中描述了本发明的优选特征。
在优选实施方案中，提供了风力涡轮机俯仰驱动单元，其包括备用电源、电阻器、以及被布置成在电阻器上方提供空气流动的冷却风扇。俯仰驱动单元被配置成通过以下操作使备用电源放电：将备用电源连接到电阻器，使得来自备用电源的电流流过电阻器；当跨备用电源的电压达到第一预定阈值时，将备用电源与电阻器断开；并且一旦电压已经达到第一预定阈值，就利用备用电源给冷却风扇供电，由此冷却电阻器并且使备用电源进一步放电。
还优选地提供了用于使俯仰距驱动单元中的备用电源放电的方法，包括：将备用电源连接到电阻器；当跨备用电源的电压达到第一预定阈值时，将备用电源与电阻器断开；并且一旦电压已经达到第一预定阈值，就利用备用电源给冷却风扇供电，由此冷却电阻器并且进一步使备用电源放电。
有利地，本发明允许使备用电源通过电阻器快速放电，直到备用电源达到特定电压(例如，一旦储存在备用电源中的大部分能量已经被释放)，同时一旦备用电源已经从电阻器断开就允许对电阻器的附加冷却。因此，本发明允许备用电源的放电，同时减小电阻器的温度(并且因此减小风力涡轮机内的其他部件的温度)，由此进一步增强风力涡轮机内的维护人员的安全。
优选地，在使备用电源通过电阻器放电的同时(即在达到第一预定阈值电压之前)，冷却风扇还在电阻器上方提供空气流动。优选地，这通过在达到第一预定阈值之前允许冷却风扇从备用电源汲取电流来进行。有利地，这通过使用来自备用电源的否则将作为电阻器中的热量而耗散的电荷，而不是使用其他源来给冷却风扇供电，减小了俯仰驱动单元处的功耗。
在优选实施方案中，确定第一阈值电压，使得其对应于备用电源中的一定剩余电荷水平，以便给冷却风扇供电持续足以充分冷却电阻器的时间。例如，可以基于在最坏情况环境条件下的系统热测试，和/或基于要通过电阻器释放的电荷量，和/或基于所测量的电阻器温度来确定第一阈值。因此，第一阈值可以是固定值，或者可以在放电过程之前和/或放电过程期间动态地计算该第一阈值。任选地，第一预定阈值电压可以由俯仰驱动单元中存在的控制逻辑确定。因此，本发明有利地允许针对特定的俯仰驱动单元、备用电荷和/或环境条件定制放电过程，由此增加放电过程的效率。
优选地，通过冷却风扇的放电持续，直到备用电源的电压达到第二预定电压，该第二预定电压对应于冷却风扇的最小操作电压、满足安全要求的电压、或基本为0V。
任选地，当电压达到第三预定电压时，从备用电源通过电阻器释放的电流减小，其中第三预定电压具有比第一预定电压高的量值。例如，如本领域中已知的，可以通过施加脉宽调制(例如，通过周期性地连接和断开电阻器)来减小电流。有利地，这减小了在放电操作的后期阶段在电阻器中生成的热量，并且因此减小冷却风扇必须提供的冷却量，然而这也增加了执行放电所需的总时间。
要放电的电能储存装置可以是风力涡轮机中使用的任何电能储存装置。优选地，所有能量电源都应该被放电以便防止风力涡轮机中的致动器可能通电，或者人可能触摸其电压过高以至对人生命构成威胁的寿命零件。中间电容器或电池、或者用于应急电源的电容器中的至少一者是需要利用所建议的布置来放电的电能储存装置。
附图说明
现将仅通过举例以及参考附图来描述本发明的详细实施方案，在附图中：
图1A示出了根据本发明实施方案的俯仰驱动单元的示意图。
图1B示出了根据本发明实施方案的放电设备的示意图。
图2示出了根据本发明的用于使风力涡轮机中的备用电源放电的方法的流程图。
具体实施方式
在以下附图中，类似的参考数字始终是指类似的元件。
图1A示出了根据本发明优选实施方案的俯仰驱动单元的示意图。在本发明的优选实施方案中，提供了用于在风力涡轮机中使用的俯仰驱动单元100。俯仰驱动单元100包括俯仰驱动电机102和备用电源104。俯仰驱动电机可以是如本领域中已知的AC电机或DC电机。电机由电机控制器101控制。电机控制器取决于正在使用的俯仰驱动电机102—例如，如果俯仰驱动电机102是AC电机，则电机控制器101可以是用于提供三相功率以驱动电机的H桥、或者如本领域中已知的另一个AC电机控制器。优选地，提供超级电容器(例如，电容为2F的超级电容器可以用于其相关联转子叶片的长度为110m的俯仰驱动单元)作为备用电源104。另选地，备用电源可以是电池，诸如锂离子电池或如本领域中已知的任何其他合适的能量储存装置。在下文中，备用电源104用作需要被放电的电能储存装置的一个示例。本领域技术人员将理解，风力涡轮机中可能存在也需要以类似方式放电以便将风力涡轮机置于安全状态的各种能量储存装置。
备用电源104具有充电连接106(例如，对经由AC/DC转换器连接到电网的DC总线的连接)，该充电连接为了给备用电源104充电的目的而将来自电网(未示出)的电力提供到备用电源104。在发生紧急情况时(例如，由电网向风力涡轮机供应的电力破坏)，备用电源104被配置成将电力供应到俯仰驱动电机102，使得俯仰驱动电机102调整相关联转子叶片以便将其置于如本领域中已知的顺桨位置。
备用电源104具有相关联电压，其中电压取决于储存在该备用电源中的电荷量。在使备用电源104放电时，储存在其内的电荷量减小，从而导致跨该备用电源的电压减小。优选地，俯仰驱动单元包括电压传感器105，其被配置成测量跨备用电源104的电压。
俯仰驱动单元100还包括电阻器107，该电阻器通过第一电连接器108耦接到备用电源104。还提供了第一开关109，其被配置成在需要时将电阻器107与备用电源104隔离。电阻器107优选为本领域中已知的制动电阻器或斩波器电阻器。当俯仰驱动电机102进入发电机模式时(例如，如果入射在转子叶片上的一阵风致使俯仰驱动电机102移动并由此生成电流)，斩波器电阻器通常用于控制电压。除了现在流回驱动单元100中的电流之外，处于发电机模式的电机可能产生比驱动单元100中使用的电气部件的额定电压高的电压峰值。如果检测到发电机模式，则斩波器电阻器将通过第一开关109(或另选地，另外的开关)连接到俯仰驱动电机102，以便吸收由电机102产生的能量并且从而避免对俯仰驱动单元100中的其他电气部件的损坏。另选地，电阻器可以是适于在备用电源104放电时耗散功率的另一电阻元件，诸如俯仰驱动电机102的转子或定子(或两者)中的电枢、或专门为了使备用电源104放电的目的而提供的电阻器。当在非紧急情况下期望使备用电源104放电时，例如在维护人员要存在于风力涡轮机的情况下期望使备用电源安全时，关闭开关109，由此有助于通过电阻器107来快速释放储存在备用电源108中的能量。流过电阻器107的电流致使电阻升温—流过电阻器的电流越高(即，备用电源104放电越快)，电阻器107中生成的热量就越多。在电阻器107中生成的热量进而可以例如通过对流来加热俯仰驱动单元100/风力涡轮机的其他部件，诸如俯仰驱动单元100的壳体、以及用于固定壳体和/或俯仰驱动单元部件的固定件(诸如螺钉等)。
在优选实施方案中，还提供了冷却风扇110，其经由第二电源连接112来电耦接到备用电源104。优选地，冷却风扇经由DC/DC转换器112a(例如420V/24V DC/DC转换器)耦接到备用电源，从而允许冷却风扇在由备用电源供应给DC/DC转换器的大范围电压内(例如，在40V-500V范围内)操作。优选地，冷却风扇110与备用电源104之间的连接112包括开关113，其使得冷却风扇110能够与备用电源104隔离。冷却风扇任选地还包括电网电源连接114，其被配置成允许冷却风扇110从电网电源汲取电力。例如，电网电源连接114可以是经由DC/DC转换器114a到DC总线的连接，其允许冷却风扇110从电网电源(未示出)汲取电力。当在操作时，冷却风扇110在电阻器107上方提供气流116，由此冷却电阻器107。
当如上所述的通过电阻器107使备用电源104放电时，给冷却风扇供电，使得在电阻器107上方提供空气流116。由电网电源通过连接114给冷却风扇供电，或者更优选地，通过关闭开关113从备用电源104向冷却风扇110供应电力(该后一个选项允许冷却风扇在电网电源已经断开或以其他方式不可用时操作)。在后一种情况下，俯仰驱动单元100优选地被配置成使得储存在备用电源104中的大部分电荷通过电阻器107放电，同时相对小的电流由冷却风扇110汲取，使得流过冷却风扇110的电流不超过预定的可接受水平，由此防止过电流损坏冷却风扇110。
优选地，俯仰驱动单元包括俯仰驱动单元100内的控制逻辑118，控制逻辑118与俯仰驱动单元100的部件进行通信。另选地，控制逻辑118可以位于风力涡轮机内的采用俯仰驱动单元100的另一个位置中。在较不优选的实施方案中，控制逻辑118设置在远离风力涡轮机的位置处。控制逻辑118被配置成控制俯仰驱动单元100的各种部件的操作。具体来说，控制逻辑118被配置成控制备用电源104的放电率、备用电源与电阻器107和冷却风扇110之间的连接、俯仰驱动电机102的操作等。控制逻辑118还被配置成从电压传感器105接收跨备用电源104的电压的指示。当控制逻辑118存在于风力涡轮机处时，它优选地由备用电源104、AC电源(未示出)、或另外的电源(例如电池，诸如9V电池组)供电。优选地，在备用电源正在放电时，由备用电源104自身向控制逻辑118供应电力，由此节约能源并且辅助使备用电源104放电。
任选地，俯仰驱动单元还包括热传感器120，其被配置成如下所述地测量电阻器108和/或俯仰驱动单元100的其他部件的温度。
图1A的实施方案任选地还包括指示器121(例如，LED或显示器)，其中指示器121被配置成如以下参考图2所描述地提供对备用电源104的放电状态的指示。
图1B示出了根据本发明第二实施方案的放电设备122。设备122包括：电阻器107，开关109、冷却风扇110、开关113、电气/电源连接108,112，以及控制逻辑122。在该第二实施方案中，电阻器107、开关109、冷却风扇110、开关113、电气/电源连接执行以上关于图1A描述的类似元件的功能，区别在于它们设置在单独的放电设备122中，而不是在俯仰驱动单元本身中。放电设备122被配置成与预先存在的俯仰驱动单元100接合。具体来说，设备122设置有连接124，其被配置成与俯仰驱动单元100中的备用电源104接合，这允许备用电源104通过电阻器107和冷却风扇110放电。
第二实施方案的放电设备任选地包括另外的连接126，其被配置成与电网电源接合，并且由此经由合适的连接114给冷却风扇110提供来自电网电源的电力。
优选地，放电设备122包括用于向冷却风扇110提供电力的任何连接的DC/DC转换器112a,114a，以便向冷却风扇110供应适当的电压(如以上关于图1A的第一实施方案所讨论的)。
第二实施方案的放电设备任选地还包括热传感器120，其被配置成测量电阻器107和/或放电设备122的其他部件的温度。在一个示例中，热传感器还被配置成测量放电设备122连接到的俯仰驱动单元的一个或多个部件的温度。
第二实施方案的放电设备任选地还包括如以上关于图1A描述的指示器121。
在第二实施方案中，有利地，可以将放电设备改装到现有的俯仰驱动单元100，以便允许进行本发明的有利放电程序而不需要替换整个俯仰驱动单元。放电设备也可以是便携式装置，其由维护人员携带到现场，并且在经授权维护人员已经移除罩盖或面板之后，连接到风力涡轮机中的布置所提供的接口或连接到单独的内部引线。
在图2中示出了用于使俯仰驱动单元中的备用电源放电的方法200。优选地，根据图2的方法200操作图1A中示出的俯仰驱动单元100(以及类似地，图1B中示出的放电设备122)。任选地，可以通过向控制逻辑118提供指示用户期望使备用电源104放电的信号来启动方法200(信号可以源自远离风力涡轮机的源或设置在风力涡轮机自身处的输入装置，远程源/输入装置与控制逻辑118进行通信)。
任选地，在方法行进到步骤S202之前，方法可以包括步骤S201A和S201B。在步骤S201A中，控制逻辑118确定在备用电源104放电之前其中储存的电荷(并且因此确定能量)，例如通过使用电压传感器105来测量跨备用电源104的电压结合对备用电源电容的了解。在步骤S201B中，如以下更详细描述的，控制逻辑118基于当前储存在备用电源104中的能量/电荷来确定第一阈值电压。
另选地，不执行步骤S201A和S201B，并且代替性地，第一阈值电压采取预定的固定电压，如以下更详细描述的那样。
方法200行进到步骤S202，其中将备用电源104连接到电阻器107，例如通过关闭备用电源104与电阻器107之间的第一电连接108中的第一开关109。然后在步骤S204中，以本领域中已知的方式开始通过电阻器107使备用电源104快速放电。
优选地，如步骤S206所示的，在执行快速放电时给冷却风扇110供电(优选地，如以上所讨论的，通过从备用电源104汲取电流、或者另选地从电网电源汲取电流(如果可用的话))。有利地，在快速放电正在进行时，这冷却了电阻器107和俯仰驱动单元100内的其他内部部件。任选地，在该操作阶段期间不采用冷却风扇110，尽管这不是优选的，因为这增加了冷却电阻器所需的总时间。
任选地，如步骤S208所示的，俯仰驱动单元100被配置成在电压传感器105所测量的跨备用电源104的电压达到某个特定电压时，减小流过电阻器107的电流。换言之，一旦跨备用电源104的电压已经达到预定值，备用电源104的放电率就会减慢。这延长了使备用电源104完全放电所花费的时间量；然而，有利的是，这使得电阻器107能够在放电的后期阶段期间产生较少的热量，由此在放电过程结束时允许进一步减小电阻器107的温度。可以在所汲取的电流中执行这种减少，例如通过施加脉宽调制(例如，通过周期性地连接和断开电阻器107)。另选地，不执行步骤S208，由此允许备用电源104更快地放电。
快速放电继续，直到由电压传感器105测量的跨备用电源104的电压达到第一预定阈值电压。此时，在步骤S210中，将电阻器107从备用电源104断开(例如，通过打开相关开关109)。同时或随后，如步骤S212所示的，仅使用备用电源104来给冷却风扇110供电。相应地，如果冷却风扇110先前已经连接到备用电源104，则它保持连接，并且如果冷却风扇110先前从电网电源连接114汲取电力，则相反地它切换到从备用电源104汲取电力。随后，如步骤S214所示的，通过冷却风扇110使得备用电源104放电，直到备用电源104已经完全放电或已经达到被认为足够小以满足相关安全要求的电压(例如，第二阈值电压)。具体来说，备用电源的最终电压小于120V，优选小于60V，并且最优选基本上为0V。在一些情况下，备用电源104的最终电压由以下确定：能够给冷却风扇110供电的最小电压、或能够给控制逻辑118供电的最小电压。例如，如果冷却风扇仅能够基于大于40V备用电压的输入电压进行操作，则当备用电源的电压达到60V时，可以停止放电。有利地，根据EN60204-1和EN61800-5-1标准，这样小的电压被认为对于要在附近工作的工作人员来说是安全的。另选地，即使当电压不足以致使冷却风扇进行操作时，备用电源的放电也可以通过冷却风扇110中的电机绕组(诸如定子绕组)继续—在这种情况下，能量作为热量消散在绕组中。
有利地，这种布置规定，在备用电源104的放电的后期阶段，没有电流流过电阻器107。相应地，电阻器107不生成进一步的热量。此外，冷却风扇110继续操作，直到备用电源104已经完全放电，使得在停止生成热量之后的附加时间段内冷却电阻器107(以及俯仰驱动单元100内的其他部件)。因此，本发明允许备用电源104的完全快速放电，同时在维护人员进入风力涡轮机之前，进一步减小电阻器107和俯仰驱动单元100的其他内部部件的温度。
优选基于所需的冷却风扇110的操作时间来确定在步骤S210中使用的第一阈值电压—阈值电压被优选地选择，使得该阈值电压对应于备用电源104中的一定剩余电荷水平，以便给冷却风扇110供电持续足以充分冷却电阻器107和/或俯仰驱动单元100中的其他部件的时间(例如像DIN EN ISO13732-1标准所推荐的，将电阻器冷却到70摄氏度，这涉及可触摸表面的最大允许温度)。充分冷却电阻器107和其他部件所需的时间将取决于各种因素，包括：风力涡轮机/俯仰驱动单元100的内部设计、必须从备用电源104释放的总电荷量、电阻器107的特性、冷却风扇110的特性、以及风力涡轮机所处的环境条件。
在第一示例中，第一阈值是固定的(在这种情况下，不执行以上的任选步骤S201A和201B)，并且基于俯仰驱动单元100的特性。在这种情况下，优选通过针对最坏情况环境条件的系统热测试来确定冷却部件所需的时间。例如，测试俯仰驱动单元100承受最坏情况放电条件(例如，备用电源104可以是完全充电的，并且环境温度可以是已安装的风力涡轮机所预期的最高值、或甚至更大)，并且针对这些条件测量给冷却风扇110供电持续足够长的时间以冷却电阻器107所需的最小备用电源电压。然后将该电压用作第一阈值。可替代或此外，第一阈值可以基于冷却风扇110的特性。例如，阈值电压可以等于、或小于冷却风扇110的最大输入电压。
在第二示例中，第一阈值是动态的，并且在每次要执行放电时，在控制逻辑118中计算该第一阈值(在这种情况下，执行以上的任选步骤S201A和201B)。电阻器107所达到的温度(以及因此冷却风扇110必须操作以冷却电阻器107的时间量)取决于通过电阻器107释放的电荷量。在该示例中，控制逻辑118在放电开始之前确定储存在备用电源104中的电荷。在步骤S212和S214期间，控制逻辑118使用该信息来预测冷却风扇110需要消耗的能量(并且因此预测在步骤S212开始时备用电源必须具有的最小电压)。理想情况下，这最小化了执行放电操作和冷却操作所花费的总时间。该预测可以基于如以上讨论的最坏情况场景测试，其中在各种不同的备用电源104起始电荷下执行测试。另选地，预测可以基于电阻器108的预期温度的计算(该计算基于必须通过该电阻器释放的总电荷)，其中预期温度取决于在通过电阻器108的电流流动的时间内积分的所述电流的平方。在该后一种情况下，也可以在预测中考虑俯仰驱动单元的环境温度—环境温度可以由合适的温度传感器(诸如任选的热传感器120)测量。
任选地，或者除了以上两个示例之外，可以基于以下中的一者或多者来计算第一阈值：在快速放电期间经由任选热传感器120实时测量的电阻器108的温度；基于如EN60204-1和EN61800-5-1标准所限定的已接受的安全电压等级的特定值，如诸如60V(如果有在快速放电完成之后、但在冷却过程结束之前人员可能进入风力涡轮机的风险，则这是特别有用的)。另选地，特定值可以大于60V，例如为120V，尽管这是较不优选的，因为使备用电源104放电的总时间将会增加—由于冷却风扇110所消耗的电力通常低于电阻器107所消耗的电力，因此备用电源104必须通过冷却风扇110来释放的电荷量越大(即停止通过电阻器107的放电时，备用电源电压越高)，完成使备用电源放电就将花费越长的时间。
如上所述，俯仰驱动单元100/放电设备122任选地包括指示器121。在这种情况下，在步骤S214结束时(即，一旦达到第二阈值/备用电源104已经完全放电)，指示器121被配置成向用户提供备用电源104已经放电的指示。此外，指示器121还任选地被配置成提供另外的指示，例如一旦跨备用电源104的电压达到被认为安全的水平(例如EN60204-1和EN61800-5-1标准中提到的60V)，或者一旦电阻器107的温度达到被认为安全的水平(例如像DIN EN ISO 13732-1标准所推荐的70摄氏度)。有利地，这提高了用户对备用电源104的放电状态的意识，以及因此提高了对某些时间点的与俯仰驱动单元上的工作相关联的潜在风险的意识。
俯仰驱动单元100的各种部件的操作可以由控制逻辑118控制，该控制逻辑存在于俯仰驱动单元100/放电设备122处或位于如上所述的其他地方。类似地，方法200的步骤可以由控制逻辑118实现。应当注意，控制逻辑118可以在接收到来自远程位置的信号之后启动方法200的执行，以便使备用电源104放电。在备用电源104的放电期间，控制逻辑118优选从备用电源104汲取电力，或者另选地从AC电源或单独电池(例如，9V电池)汲取电力。
以上实施方案仅作为示例提供，并且不旨在限制本发明的范围。本发明的另外方面根据所附权利要求书将是显而易见的。