DE10253811B4

DE10253811B4 - Antriebsvorrichtung für eine Windkraftanlage mit elektrisch verstellbaren Flügeln

Info

Publication number: DE10253811B4
Application number: DE10253811.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Bünte; Achim Engelmann; Horst Dicke; Kurt Palm
Original assignee: Moog Unna GmbH
Current assignee: Moog Unna GmbH
Priority date: 2002-11-18
Filing date: 2002-11-18
Publication date: 2018-08-23
Anticipated expiration: 2022-11-19
Also published as: DE10253811A1

Abstract

Pitch-Antriebsvorrichtung für eine Windkraftanlage mit einem Antrieb in beide Drehrichtungen mit positivem und negativem Drehmoment, bestehend aus mindestens einem Flügel (18), dessen Anstellwinkel zum Wind mittels eines Gleichstrom-Motorsmit einer Schaltungskombination, bestehend aus einer Ankerwicklung (2), einer Reihenschlusswicklung (3) und einer Feldgleichrichterbrücke (4),wobei die Ankerwicklung (2) des Motors in Serie zu der Reihenschlusswicklung (3) angeordnet ist unddie Reihenschlusswicklung (3) in der Mitte der Feldgleichrichterbrücke (4) angeordnet ist,einer Nebenschlusswicklung (5) undeinem dreiphasigen Pulswechselrichter (6)variiert werden kann,wobei der Motor ein Gleichstrom-Doppelschlussmotor (19) ist,die Schaltungskombination, bestehend aus der Ankerwicklung (2), der Reihenschlusswicklung (3) und der Feldgleichrichterbrücke (4), zwischen zwei Strängen des dreiphasigen Pulswechselrichters (6) angeordnet ist undein erstes Ende der Nebenschlusswicklung (5) des Gleichstrom-Doppelschlussmotors (19) mit einem dritten Strang des dreiphasigen Pulswechselrichters (6) direkt verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung, die zum Verstellen der Flügel einer Windkraftanlage genutzt wird. Als Antrieb wird ein Gleichstrom-Doppelschlussmotor 19 eingesetzt. Erfindungsgemäß wird der Gleichstrom-Doppelschlussmotor 19 mit einem leistungselektronischen Wechselrichter 6, vorzugsweise einem Pulswechselrichter 6, betrieben, wobei sich die durch die transformatorische Kopplung von Reihenschluss- und Nebenschlusswicklung 5 möglichen Überspannungen nicht auswirken können. Die Erfindung betrifft darüber hinaus Verfahren, die diese Vorrichtung verwenden.
Nach dem Stand der Technik werden die Flügel von Windkraftanlagen im Winkel so gestellt, dass sich die Windkraftanlage bezüglich Drehzahl, Drehmoment und abgegebener Leistung optimal den örtlich vorherrschenden Windverhältnissen anpasst. Dieser Vorgang wird auch als „Pitchen“ bezeichnet; der zugeordnete Antrieb für die Flügelverstellung heißt „Pitchantrieb“. Oft wird dieser Pitchantrieb mit elektrischen Antrieben realisiert. Die Flügelverstellung ist dabei extrem sicherheitskritisch, da bei einem falsch eingestellten Flügelwinkel eine unzulässig hohe Drehzahl der Windkraftanlage erreicht werden kann, die zur mechanischen Beschädigung der Windkraftanlage führt. In der Regel werden die Antriebssysteme deshalb auf eine maximale Zuverlässigkeit ausgelegt. Zu diesem Zweck werden beispielsweise Drehgeber redundant ausgeführt. Von besonderer Bedeutung ist, dass der Antrieb auch bei Störungen, wie zum Beispiel Netzausfall, die Flügel in eine sichere Position fahren können muss (Sicherheitsfahrt, bei der die Anlage aerodynamisch abgebremst wird). Aus diesem Grund ist ein Speicher für elektrische Energie, in der Regel ein Akkumulator, in der Windkraftanlage enthalten, der die für die Sicherheitsfahrt notwendige, netzunabhängige elektrische Energie liefert.
Als Motoren werden deshalb oft Asynchronmotoren eingesetzt. Sie erlauben mit einem einfachen, von dem Akkumulator gespeisten, Wechselrichter 6 ohne funktionsfähigem Drehgeber durch eine U/f-Steuerung eine Sicherheitsfahrt. Mehr Sicherheit bieten, insbesondere mit einer Reihenschlusscharakteristik, Gleichstrommotoren. Sie erlauben eine Sicherheitsfahrt ohne empfindliche leistungselektronische Komponenten, indem der Gleichstrommotor über mechanisch oder leistungselektronische Schalter mit dem Akkumulator verbunden wird. Kritisch ist dabei die Drehzahl-Drehmomentcharakteristik der Reihenschlussmaschine; im Leerlauf können unzulässig große Verstellgeschwindigkeiten des Flügelwinkels auftreten. Als ein weiterer Nachteil der Gleichstrom-Reihenschlussmaschine gestaltet sich allerdings der Normalbetrieb mit Stromrichter oder Pulswechselrichter 6 schwieriger, wenn ein 4-Quadranten-Betrieb des Antriebs möglich sein muss. 4-Quadranten-Betrieb meint, dass der Antrieb in beiden Drehrichtungen mit positivem und negativem Drehmoment betrieben wird. Eine Gleichstrom-Reihenschlussmaschine erlaubt zunächst nur einen 2-Quadranten-Betrieb, da der Ankerstrom stets das gleiche Vorzeichen wie die Reihenschlusswicklung 3 hat. Für einen 4-Quadranten-Betrieb wird in der Regel ein Feldgleichrichter 4 eingesetzt, durch den das Vorzeichen des Reihenschlussstroms unabhängig von dem Vorzeichen des Ankerstroms konstant ist. Die Feldgleichrichtung für Reihenschlussmotoren ist zum Beispiel aus DE 40 06 115 A1 bekannt. Ein weiterer Nachteil der Reihenschlussmaschine ist, dass im Leerlauffall eine Schätzung der mechanischen Drehzahl ω aus den elektrischen Größen Motorspannung und Motorstrom nur eingeschränkt möglich ist. Es gilt für den stationären Fall die folgende, vereinfachte Spannungsgleichung, bei der aus Gründen der Übersicht die Feldgleichrichtung nicht berücksichtigt wird: $\begin{array}{l} u_{m} = R_{g e s} \cdot i_{a} + k \cdot ω \cdot i_{a} \\ ω = \frac{u_{m} - R_{g e s} \cdot i_{a}}{k \cdot i_{a}} \end{array}$
Im Leerlauffall ist der Ankerstrom i_α gleich Null, so dass die Drehzahl nur durch eine Division durch Null zu bestimmen ist.
Der Einsatz von Gleichstrommotoren zur Pitchverstellung ist bereits aus DE 101 40 793 A1 bekannt. Es kommen hier zwei Verstelleinheiten pro Flügel zum Einsatz, wodurch eine Redundanz bei den Antriebseinheiten erreicht wird. Die prinzipiellen Nachteile der Reihenschlussmaschine werden auch hier erkannt und die Begrenzung der Motordrehzahl bei geringer mechanischer Last durch einen zweiten, auf die gleiche Mechanik einwirkenden Motor mit Nebenschlusscharakteristik erreicht. Durch die Verwendung von zwei Motoren entstehen aber weitere Nachteile, insbesondere wird die Ansteuerung und Speisung mittels Leistungselektronik sehr aufwändig, da sich aufgrund der unterschiedlichen Betriebscharakteristik eine direkte elektrische Parallelschaltung mit der Folge einer unsymmetrischen Stromaufteilung verbietet. Bei einer Reihenschaltung beider Motoren ist die im Falle einer Batterienotfahrt begrenzte Batteriespannung zu beachten, die eine optimale Ausnutzung der Motoren verhindert. Darüber hinaus wird die in DE 10140 793 A1 angesprochene Redundanz nur durch eine Überdimensionierung der Gesamtantriebsleistung erreicht. Zudem gelten elektrische Motoren bei regelmäßiger Wartung, insbesondere der Lager, des Kommutators und der Kohlebürsten als betriebssicher, so dass eine Redundanz im Motorbereich nicht zwingend geboten ist.
In WO 02/40862 A1 wird ebenfalls der Einsatz von mehr als einem Motor für die Verstellung eines Flügels beschrieben, wobei unter anderem auch Gleichstrommotoren erwähnt werden. Auch hier entsteht ein großer Aufwand durch die vergleichsweise große Anzahl von Komponenten. Ebenfalls entsteht eine Überdimensionierung der Gesamtantriebsleistung, wenn durch die hohe Anzahl von Motoren eine Redundanz erreicht werden soll. Wie die Motoren angesteuert und leistungselektronisch gespeist werden sollen, ist nicht bekannt.
In der Schrift DE 40 06 115 A1 wird der 4-Quadranten-Betrieb eines Reihenschlussmotors mit leistungselektronischen Hilfsmitteln beschrieben. Es kommt eine H-Brücke und ein Brückengleichrichter zur Feldgleichrichtung zum Einsatz. Mit der beschriebenen Vorrichtung ist ein Betrieb eines Doppelschlussmotors nicht möglich.
Aus der JP S62- 31 390 A geht eine Ansteuerschaltung für einen Gleichstrommotor mit Nebenschlusswicklung hervor, die einen dreiphasigen Wechselrichter umfasst. Dabei ist der Läufer des Gleichstrommotors zwischen zwei Halbbrücken des Wechselrichters angeschlossen, während die Nebenschluss-Feldwirkung zwischen der freien Halbbrücke und einem Zwischenkreispotential liegt. Durch diese Schaltung lässt sich Anker und Nebenschlusswicklung des Motors getrennt voneinander ansteuern, jedoch ermöglicht diese Konfiguration keine Bestimmung der Drehzahl des Motors, noch offenbart diese Vorrichtung keine weiteren Anschlussmöglichkeiten der Nebenschlusswicklung in Bezug auf die Läuferwicklung.
Erfindungsgemäß werden die Nachteile durch die spezielle Kombination einer Gleichstrom-Doppelschlussmaschine mit einem handelsüblichen, kostengünstigen 3-phasigen Wechselrichter vermieden. Durch die zusätzliche Nebenschlusswicklung 5 ändert sich das Betriebsverhalten des Motors und die maximale Leerlaufdrehzahl ist eindeutig begrenzt. Für einen 4-Quadranten-Betrieb sind beim Gleichstrom-Doppelschlussmotor 19 bezüglich der Feldgleichrichtung beide Erregerwicklungen zu berücksichtigen. Allerdings verbietet sich der Einsatz eines zweiten Feldgleichrichters, da die beiden Erregerwicklungen transformatorisch gekoppelt sind und speziell in der Nebenschlusswicklung 5 aufgrund der hohen Windungszahl sehr hohe Spannungen induziert werden können, die einen Feldgleichrichter 4 zerstören können. Die Nebenschlusswicklung 5 muss deshalb unabhängig von der Schaltungskombination aus Ankerwicklung und Reihenschlusswicklung 3 mit Feldgleichrichter 4 betrieben werden.
Erfindungsgemäß kann die Nebenschlusswicklung 5 zwischen zwei Strängen eines dreiphasigen Pulswechselrichters 6 geschaltet werden, während die Schaltungskombination aus Ankerwicklung und Reihenschlusswicklung 3 mit Feldgleichrichter 4 zwischen dem dritten Strang des Pulswechselrichters und einen bereits für die Nebenschlusswicklung 5 benutzten Strang geschaltet wird. Die Richtung des Flussaufbaus durch die Reihenschlusswicklung 3 ist konstant und die gleiche Richtung des Flussaufbaus kann für die Nebenschlusswicklung 5 eingestellt werden. Hohe, induzierte Spannungen in der Nebenschlusswicklung 5 werden so vermieden, da die Freilaufdioden des Wechselrichters die Spannung an der Nebenschlusswicklung 5 auf den Betrag der Zwischenkreisspannung begrenzen.
Ebenfalls erfindungsgemäß kann die Schaltungskombination aus Ankerwicklung und Reihenschlusswicklung 3 mit Feldgleichrichter 4 zwischen zwei Strängen des Pulswechselrichters geschaltet werden, während die Nebenschlusswicklung 5 zwischen dem dritten Strang und dem negativen, positiven oder dem Mittenpotential geschaltet wird. Auch hier kann eine einheitliche Richtung des Flussaufbaus der beiden Erregerwicklungen sichergestellt werden. Ebenfalls wird auch hier die Spannung durch die Freilaufdioden des Pulswechselrichters auf zulässige Werte begrenzt.
Weiterhin kann erfindungsgemäß die Nebenschlusswicklung 5 unabhängig vom Pulswechselrichter 6 mit einem getrennten Netzteil oder einer anderen Gleichspannungsquelle versorgt. Durch die Spannungseinprägung werden Überspannungen sicher vermieden.
Durch die Trennung der Nebenschlusswicklung 5 von der Schaltungskombination aus Ankerwicklung und Reihenschlusswicklung 3 mit Feldgleichrichter 4 ergeben sich weitere Möglichkeiten, die in Windkraftanlagen vorteilhaft verwendet werden können. Der durch die Nebenschlusswicklung 5 aufgebaute Fluss kann unabhängig vom aktuellen Spannungsbedarf der Ankerwicklung eingestellt werden. Beispielsweise kann der durch die Nebenschlusswicklung 5 erzeugte Fluss auf einen Mindestwert begrenzt werden. Somit kann auch im Leerlauffall aus der Ankerspannung ein Schätzwert für die mechanische Drehzahl bestimmt werden. Dieser Schätzwert erlaubt eine sensorlose Drehzahlregelung des Motors oder eine zuverlässige Überwachung des eingesetzten Drehgebers. Durch diese Redundanz kann ein Drehgeber eingespart werden und es ergibt sich ein Preisvorteil.
Die Qualität der Drehzahlschätzung kann weiter verbessert werden, indem durch ein Rechenwerk der an der Nebenschlusswicklung 5 wirksamen Spannung ein Testsignal überlagert wird. Die drehzahlabhängigen Auswirkungen des Testsignals auf die Ankerspannung und den Ankerstrom lassen sich mit mathematischen Modellen, wie digitale Filter, Beobachter, Kalman-Filter, Fourier-Analyse oder Korrelationverfahren hochgenau bestimmen und lassen so einen Rückschluss auf die aktuelle mechanische Drehzahl des Motors zu. Für die Doppelschlussmaschine gilt im stationären Fall folgende vereinfachte Ankerspannungs-gleichung: $\begin{array}{l} u_{m} = R_{g e s} \cdot i_{a} + k_{1} \cdot ω \cdot i_{a} + k_{2} \cdot ω \\ ω = \frac{u_{m} - R_{g e s} \cdot i_{a}}{k_{1} \cdot i_{a} + k_{2}} \end{array}$
Der Faktor k₂ ist dabei vom Erregerfluss der Nebenschlusswicklung 5 abhängig, so dass bei einer geeigneten Vorgabe für die Nebenschlusswicklung 5 eine Division durch Null sicher vermieden wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind der Zeichnung zu entnehmen.
Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt und zwar zeigt:

1 Den schematischen Aufbau einer Windkraftanlage.
2 Eine Realisierung des Pitchantriebes mit einem Gleichstrom-Reihenschlussmotor nach dem Stand der Technik.
3 Einen Pitchantrieb mit Gleichstrom-Doppelschlussmotor, der an einen dreiphasigen Pulswechselrichter angeschlossen wird.
4 Eine andere Ausführungsform des Pitchantriebs mit Gleichstrom-Doppelschlussmotor und dreiphasigem Pulswechselrichter.
5 Eine andere Ausführungsform des Pitchantriebs mit Gleichstrom-Doppelschlussmotor und unabhängiger Spannungsquelle.
6 Eine Ausführungsform des Pitchantriebs mit Gleichstrom-Doppelschlussmotor und sensorloser Drehzahlregelung.
7 Eine Ausführungsform des Pitchantriebs mit Gleichstrom-Doppelschlussmotor und Drehgeberüberwachung.
8 Eine Ausführungsform des Pitchantriebs mit Gleichstrom-Doppelschlussmotor bei der Sicherheitsfahrt mit Akkumulator.

1 zeigt den schematischen Aufbau einer Windkraftanlage, bei der die Einbaulage des Pitchantriebes gekennzeichnet ist. Mit diesem Antrieb wird der Anstellwinkel der Flügel im Wind variiert.
2 zeigt die Schaltung für einen Pitchantrieb mit Gleichstrom-Reihenschlussmotor nach dem Stand der Technik. Er kann wie in der Zeichnung dargestellt, mit einem Pulswechselrichter 6 oder alternativ mit einem netzgeführten Stromrichter oder anderen leistungselektronischen Schaltungen gespeist werden. Die für den 4-Quadrantenbetrieb notwendige Feldgleichrichtung wird vorteilhafterweise mit einem Feldgleichrichter 4, z. B. einer Brückenschaltung bestehend aus 4 Dioden, realisiert. Es sind aber auch andere Verfahren nach dem Stand der Technik zur Gleichrichtung möglich.
3 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Gleichstrom-Doppelschlussmotor 19 und dreiphasigem Pulswechselrichter 6. Die beiden Erregerwicklungen haben hier einen gemeinsamen Bezugspunkt am Pulswechselrichter 6. Die dargestellte Schaltung bietet die Möglichkeit eines 4-Quadrantenbetriebs, da die PWM des Pulswechselrichters 6 so vorgegeben werden kann, dass der Erregerfluss von der Richtung her mit der der Reihenschlusswicklung 3 übereinstimmt. Vorzugsweise wird der Betrag der Erregerspannung für die Nebenschlusswicklung 5 gleich dem Betrag der Ankerspannung gewählt. Alternativ zum Pulswechselrichter 6 können netzgeführte Stromrichter oder andere leistungselektronische Schaltungen eingesetzt werden.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Gleichstrom-Doppelschlussmotor 19 und dreiphasigem Pulswechselrichter 6. Die beiden Erregerwicklungen haben hier keinen gemeinsamen Bezugspunkt am Pulswechselrichter 6. Die dargestellte Schaltung bietet die Möglichkeit eines 4-Quadrantenbetriebs, da die PWM des Pulswechselrichters 6 so vorgegeben werden kann, dass der Erregerfluss von der Richtung her mit der der Reihenschlusswicklung 3 übereinstimmt. Vorzugsweise wird der Betrag der Erregerspannung für die Nebenschlusswicklung 5 gleich dem Betrag der Ankerspannung gewählt. Alternativ zum Pulswechselrichter 6 können netzgeführte Stromrichter oder andere leistungselektronische Schaltungen eingesetzt werden.
5 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Gleichstrom-Doppelschlussmotor 19 und dreiphasigem Pulswechselrichter 6. Die Nebenschlusswicklung 5 wird hier unabhängig vom Pulswechselrichter 6 für die Reihenschlusswicklung 3 mit einer eigenen Spannungs- oder Stromquelle betrieben. Die Schaltung bietet die Möglichkeit eines 4-Quadrantenbetriebs, da der Erregerfluss der Nebenschlusswicklung 5 in Übereinstimmung mit dem Erregerfluss der Reihenschlusswicklung 3 eingestellt werden kann.
6 zeigt eine Anordnung für die sensorlose Regelung des Gleichstrom-Doppelschlussmotors 19. Ein Rechenwerk 15 erfasst die Istwerte von der, über der Reihenschlusswicklung 3 und Ankerwicklung abfallenden, Spannung und von dem Ankerstrom und bestimmt mittels mathematischer Modelle, Beobachter, Kalman-Filter, usw. einen Schätzwert für die mechanische Drehzahl und mit diesem Drehzahlschätzwert wird der Drehzahlregler beaufschlagt. Vereinfacht wird die Drehzahlschätzung durch eine geeignete Vorgabe des Erregerflussanteils, der durch die Nebenschlusswicklung 5 hervorgerufen wird. Der Fall, bei der der Gesamt-Erregerfluss verschwindet und bei dem die Schätzung der Drehzahl problematisch ist, kann so vermieden werden. Vorteilhafterweise kann durch das Rechenwerk 12 ein Testsignal, z. B. eine Gleichspannung mit überlagertem Sinus aufgeschaltet werden und im Rechenwerk 15 beispielsweise mit einem Korrelationsverfahren ausgewertet werden.
7 zeigt eine ähnliche Anordnung wie 6, allerdings wird der Drehzahlschätzwert des Rechenwerks 16 nicht für eine sensorlose Regelung benutzt, sondern für eine Überwachung des an der Gleichstrom-Doppelschlussmaschine angekoppelten Dreh- bzw. Drehzahlgebers. Ein defekter Dreh- bzw. Drehzahlgebers kann so festgestellt werden und dieser Fehler an eine übergeordnete Steuerung ausgewertet werden. Die in 6 und 7 zum Einsatz kommenden Rechenwerke können analog oder digital realisiert und in einem gemeinsamen Rechenwerk kombiniert werden.
8 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Gleichstrom-Doppelschlussmotor 19 und dreiphasigem Pulswechselrichter 6, bei der der Gleichstrom-Doppelschlussmotor 19 mittels Schütze 8, 9 vom Pulswechselrichter 6 abgekoppelt werden und alternativ mit einer Notstromversorgung 10 verbunden werden kann.

Claims

Pitch-Antriebsvorrichtung für eine Windkraftanlage mit einem Antrieb in beide Drehrichtungen mit positivem und negativem Drehmoment, bestehend aus mindestens einem Flügel (18), dessen Anstellwinkel zum Wind mittels eines Gleichstrom-Motors mit einer Schaltungskombination, bestehend aus einer Ankerwicklung (2), einer Reihenschlusswicklung (3) und einer Feldgleichrichterbrücke (4), wobei die Ankerwicklung (2) des Motors in Serie zu der Reihenschlusswicklung (3) angeordnet ist und die Reihenschlusswicklung (3) in der Mitte der Feldgleichrichterbrücke (4) angeordnet ist, einer Nebenschlusswicklung (5) und einem dreiphasigen Pulswechselrichter (6) variiert werden kann, wobei der Motor ein Gleichstrom-Doppelschlussmotor (19) ist, die Schaltungskombination, bestehend aus der Ankerwicklung (2), der Reihenschlusswicklung (3) und der Feldgleichrichterbrücke (4), zwischen zwei Strängen des dreiphasigen Pulswechselrichters (6) angeordnet ist und ein erstes Ende der Nebenschlusswicklung (5) des Gleichstrom-Doppelschlussmotors (19) mit einem dritten Strang des dreiphasigen Pulswechselrichters (6) direkt verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wicklungsanschluss der Nebenschlusswicklung (5) und ein Anschluss der Schaltungskombination, bestehend aus der Ankerwicklung (2), der Reihenschlusswicklung (3) und einer Feldgleichrichterbrücke (4), mit einem gemeinsamen Strang des Wechselrichters (6) verbunden werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenschlusswicklung (5) zwischen dem dritten Strang und dem negativen, positiven oder dem Mittenpotential geschaltet wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen des Gleichstrom-Doppelschlussmotors (19) durch Schütze (8, 9), von dem Wechselrichter (6) getrennt und mit netzunabhängigen elektrischen Energiespeichern (10) verbunden werden, wobei im netzunabhängigen Betrieb die Nebenschlusswicklung (5) und die Schaltungskombination, bestehend aus der Ankerwicklung (2), der Reihenschlusswicklung (3) und der Feldgleichrichterbrücke (4), parallel geschaltet werden.