风力涡轮机变桨系统

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机变桨系统。本发明还涉及一种制造风力涡轮机变桨系统的方法。

背景技术

DE 2010 036 358 A1公开了一种用于风力涡轮机的变桨控制驱动装置，其中，在变桨控制驱动装置的电机上安装或法兰连接有变流器。作为一个所谓的全变流器，变流器具有一个输入级和一个输出级，其中变流器的控制可以附加到电机上。应急供电系统可以集成到直流中间电路中，该直流中间电路形成于输入和输出级之间。

DE 3642724 A1公开了一种具有集成变频器的电动机。该变频器包括输入电路和输出电路。公开了在一个变体中，输入电路也可以布置在外部。

DE 10 2014 114 129 A1公开了一种布置有逆变器的交流电动机。

交流电动机，特别是异步电动机，一般比直流电动机功率更大、价格更便宜。在下文中，交流电动机通常被称为“电动机”。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于风力涡轮机的改进的变桨系统(Blatt-verstellsystem，通常也称为“Pitch-System”)。

根据第一方面，该目的通过一种风力涡轮机变桨系统来实现，包括：

-至少一个可通过逆变器进行控制的电动机；其中，

-该逆变器可通过整流器进行控制；并且其中，

-该风力涡轮机变桨系统中的该整流器和该逆变器是彼此分开地布置的。

有利的是，这就不再需要用于单个转子桨叶或相应地用于风力涡轮机变桨系统的开关柜。整流器在一定程度上是集中的，并可用于向远处的电动机供电。这样，可以有利地节省风力涡轮机内的安装空间，其中在整流器和逆变器之间形成直流中间电路。

根据第二方面，该目的通过制造风力涡轮机变桨系统的方法来实现，该方法包括以下步骤：

-提供至少一个可由逆变器控制的电动机；其中，

-该逆变器被实施为可由整流器控制；并且其中，

-该风力涡轮机变桨系统中的该整流器和该逆变器必须局部彼此分开地布置。

从属权利要求中表明了风力涡轮机变桨系统的优选实施例。

风力涡轮机变桨系统的一个优选实施例是逆变器被布置在电动机中。这使得将电动机作为一个模块化、分散式伺服驱动系统成为可能，在该系统中，中央整流器充当馈入和耦合模块。

风力涡轮机变桨系统的另一优选实施例的特征在于，其具有多个电动机，每个电动机都具有指派给相应电机的逆变器，并布置在相应的电动机中，其中该逆变器可通过分配装置由整流器控制。有利的是，这允许控制风力涡轮机的所有转子桨叶，从而有助于风力涡轮机的安全和优化操作。

风力涡轮机变桨系统的另一优选实施例是电动机可由至少一个储能系统提供能量。这意味着，即使在一个电源发生故障的情况下，也可以调整风力涡轮机的转子桨叶，以使整个风力涡轮机可以安全地停用。

风力涡轮机变桨系统的另一优选实施例的特征在于，每台电动机被指派至少一个储能系统，其中每个电动机可由指派给它的储能系统供电。其优点是提供了冗余，从而进一步提高了风力涡轮机运行的可靠性。例如，如果由于短路，单个储能系统不再有足够的电力来运行指定的电机，则在发生电源故障时，至少可以运行指定储能系统的另一个电机，并且风力涡轮机的相关转子桨叶可以旋转、或相应地根据风进行调整以确保风轮机安全制动或相应地停用。

在风力涡轮机变桨系统的另一个优选实施例中，通过分配装置，每个电动机可以从分配给多个电动机中一个电动机的至少一个另外的储能系统获取电力。这样，每台电动机都可以从任何储能系统中获得能量，这进一步提高了风力涡轮机的可靠性。

风力涡轮机变桨系统的另一个优选实施例是分配装置位于整流器的内部或外部。这样能够优化风力涡轮机内部安装空间的使用。

风力涡轮机变桨系统的另一实施例的特征在于，该至少一个逆变器通过指派给该至少一个逆变器的线路连接到该整流器，可通过该线路传输电力和数据。这就使得仅通过一条线路就能够能量上且逻辑上控制电动机，这有助于安装空间优化装配和风力涡轮机的优化运行。

风力涡轮机变桨系统的其他优选实施例的特征在于，滑环布置在风力涡轮机的轮毂中或吊舱中，其中风力涡轮机变桨系统的电力和/或数据可通过滑环传输。有利的是，这提供了不同的技术实现可能性，其中将滑环放置在吊舱内的优点是中央整流器暴露在比轮毂中更有利的环境条件下。

风力涡轮机变桨系统的另一优选实施例是至少一个逆变器具有电流控制器。这有利于为电动机提供最佳电流。在具有多个电动机的风力涡轮机变桨系统中，多个或所有电动机也可以具有电流调节器。

风力涡轮机变桨系统的另一优选实施例设置为至少一个逆变器具有速度控制器。这有助于进一步改进风力涡轮机的运行。在具有多个电动机的风力涡轮机变桨系统中，多个或所有电动机可以具有速度控制器。

风力涡轮机变桨系统的另一优选实施例的特征在于至少一个逆变器具有位置控制器。这有利于在风力涡轮机运行期间提供转子桨叶的最佳位置。在具有多个电动机的风力涡轮机变桨系统中，多个或所有电动机可以具有位置控制器。

附图说明

下面参照附图更详细地描述本发明，其中：

图1描绘了根据本发明的风力涡轮机变桨系统的第一实施例的原理；

图2示出根据本发明的风力涡轮机变桨系统的第二实施例的原理；

图3示出根据本发明的风力涡轮机变桨系统的第三实施例的原理；

图4描绘了根据本发明的风力涡轮机变桨系统的第四实施例的原理；

图5示出根据本发明的风力涡轮机变桨系统的第五实施例的原理；以及

图6示出了用于制造风力涡轮机变桨系统的方法的原理。

具体实施方式

本发明的中心思想特别体现在以下事实中：在风力涡轮机变桨系统中，整流器和逆变器局部彼此间隔地布置。这有利地导致这样一个事实：在整流器和逆变器之间的直流中间电路中，只传输直流电，并且对于全变流器不需要开关柜，因为不存在全变流器。开关柜可能仅被电储存系统所需要，尽管这将是更小的和更具成本效益。这样，整流器在一定程度上是“集中”的，并可用于为风力涡轮机变桨系统的所有电动机供电。

图1示出了根据本发明风力涡轮机变桨系统300第一实施例的基本概述框图，其中，本发明的风力涡轮机变桨系统300布置在风力涡轮机(未示出)的轮毂200和吊舱100内。通过未示出的供电网络，经由馈电线路11以交流电的形式向中央整流器20供电。

馈电线路11通过第一滑环150从吊舱100引至轮毂200。中央整流器20将交流电转换为直流电。经由另一供电线路12，直流电从中央整流器20传输到第一分配装置21。除了电能，还可以选择使用供电线路12来传输数据，这可以利用工业现场总线系统来实现。优选地，供电线路12是

中央整流器20可以通过本文未示出的上级控制系统来控制。或者，也可以设想第一分配装置21机械地和/或功能地集成到中央整流器20中。在本文未示出的其它实施例中，各个分配装置可机械地和/或在功能上集成到中央整流器20中。

可以看出，第一线路31将第一分配装置21与第一逆变器41连接。因此，该第一线路31被指派给该第一逆变器41。该第一逆变器41设置在第一电动机51处以驱动它。该逆变器41优选地设置在该电动机51的内部。

电动机51的设计是模块化的，并且可以与馈入和耦合模块(未示出)、分配模块(未示出)和分散伺服驱动器级联执行，其中该馈入和耦合模块由中央整流器20表示。

通过第一电动机51，可以驱动第一机械轴601，其中第一机械轴601运行地连接到第一转子部分61。第一转子部分61包括两个旋转编码器、一个齿轮箱和一个转子桨叶(所有元件未示出)。根据风力涡轮机的指南规定，风力涡轮机变桨系统中必须使用两个编码器，第一转子部分61的第一编码器位于齿轮箱前面，第一转子部分61的第二编码器位于齿轮箱后面。第一转子部分61的两个旋转编码器以通信方式连接到第一逆变器41的位置控制器和/或速度控制器。

或者，出于通信目的，第一转子部分61的两个编码器可以连接到本文未示出的上级控制器的中央控制器。齿轮箱与转子桨叶机械连接。如果第一机械轴601由电动机51驱动，则移动或相应调整第一转子部分61的转子桨叶。

类似于第一电动机51与分配装置21的连接，第二电动机52经由第二线路32连接至第二逆变器42，第三电动机53经由第三线路33连接至第三逆变器43。因此，第二线路32被指派给第二逆变器42，并且第三线路33被指派给第三逆变器43。这样，通过中央整流器20，直流电可经由第一、第二和第三线路31、32、33传导到第一、第二和第三逆变器41、42、43，从而向第一、第二和第三电动机51、52、53供电。根据风力涡轮机的设计和对应的指南，也可以提供多于或少于三个的逆变器41、42、43以及与它们相连的电动机51、52、53。

还可以识别连接到第一分配装置21的电气的储能系统71(其可以例如包括电池、蓄电池和/或电容器)，当供电网络发生电源故障时，该系统可为第一、第二和/或第三电动机51、52、53提供应急电源，从而根据风对风力涡轮机的相关转子桨叶进行旋转或定位，采用这种方式以使风力涡轮机安全制动或相应地停用。

第一、第二和第三线路31、32、33可以另外提供数据传输，其中第一、第二和第三线路31、32、33还具体实现为

第一、第二和第三逆变器41、42、43均与第一分配装置21局部分离。第一储能系统71同样可以与第一分配装置21在空间上分开布置。

第一逆变器41被设计成控制第一电动机51。为此，第一逆变器41通过全桥或半桥将直流电转换为交流电。第一逆变器41和第一电动机51形成物理单元并且彼此紧密靠近布置。

第二电机52和第三电机53的电路和运行模式类似于第一电机51的电路和运行模式，这就是为了简单起见而在这里不给出详细描述的原因。

优选地，第一、第二和/或第三逆变器41、42、43中的至少一个具有另外的位置控制器(未示出)和/或速度控制器(未示出)。优选地，第一、第二和第三逆变器41、42、43具有位置控制器和/或速度控制器(未示出)。优选地，第一、第二和/或第三逆变器41、42、43中的至少一个还具有电流控制器(未示出)，该电流控制器确保由第一、第二或第三逆变器41、42、43控制的第一、第二或第三电动机51、52、53分别获得适当的或相应优化的电流。这使得全桥或半桥的第一、第二和第三逆变器41、42、43不必由上级控制系统中的中央控制器控制。

第一、第二和第三逆变器41、42、43优选地各自包括用于数据通信的现场总线连接。在图1的风力涡轮机变桨系统300的实施例中，第一、第二和第三逆变器41、42、43的现场总线连接件被连接到相应的第一、第二和第三线路31、32、33，因为如上所述，第一、第二和第三线路31、32、33可以同时提供数据和电能传输。

第一、第二和第三电动机51、52、53优选为异步电动机。

第一储能系统71被设计用于存储电能。出于规定的冗余的原因，第一储能系统71包括本文未示出的两个储能元件。第一储能系统71可由其自身的控制单元(未示出)或由上级控制器(未示出)充电或放电。例如，第一储能系统71的储能元件包括蓄电池和/或电容器，尤其是所谓的超级电容器。第一储能系统71是应急电源系统(备用系统)的必要组件。

如果不再通过馈电线路11或供电线路12传输电力，则必须调整风力涡轮机的至少一个转子桨叶，借此使得风力涡轮机的轮毂200不再由风驱动。为此，通常只需通过电动机调整风力涡轮机的单个转子桨叶就足够了，尽管实际上出于安全原因要对风力涡轮机的所有转子桨叶都进行调整。

第一储能系统71以这样的方式具体实现，在上述例外情况下，可以提供足够的电能来调整风力涡轮机的所有转子桨叶。第一储能系统71、第四线路34或第一分配装置21具有图1中未示出的分隔装置，用于将第一储能系统71与电气分配装置21电隔离。例如，这对于保护具体实施为电池的第一储能系统71在风力涡轮机的运行期间不被第一、第二和/或第三电动机51、52、53进行不必要的放电是必要的，该第一储能系统71是通过相应的电路充满电的。然而，在例外情况下，一旦通过变流器20的第一、第二和/或第三电动机51、52、53的电源不再可用，则分隔装置自动关闭，以使得第一、第二和/或第三电动机51、52、53可以如前述地使用第一储能系统71来运行。

这样，第一、第二和第三逆变器41、42、43、第一、第二、第三和第四线路31、32、33、34、第一分配装置21以及储能系统71形成共享的直流中间电路。上述直流中间电路的电气中间电路电压尤其可能为约565V至约680V。

第一分配装置21可以包括直流中间电路的中间电路电容，其中用于平滑直流电的中间电路电容的容量值可为例如1120μF。

图1的风力涡轮机变桨系统300的上述第一实施例的部件可以由本文未示出的上级控制系统集中控制。

图2示出了提出的用于风力涡轮机的风力涡轮机变桨系统300第二实施例的框图。基本部件与根据图1的第一实施例相同，因此在此不再解释。在这种变体中，中央整流器20位于吊舱100内部。这确保中央整流器20不会暴露在轮毂200内的恶劣环境条件下。因此，中央整流器20的外壳在其实施例中可以有利地变弱，因此更具成本效益。在风力涡轮机变桨系统300′第二实施例中，有利地是，不需要供电线路11具有第一滑环150，因为可替代的供电线路12具有第二滑环160，通过第二滑环160将直流电从整流器20馈送至第一分配装置21。

与所提出的在吊舱100或轮毂200中的风力涡轮机变桨系统300第二实施例相关的所描述的部件的布置当然对于风力涡轮机变桨系统300″、300″′、300″″的第三、第四和第五实施例也是可想到的和可能的，因此，对吊舱100和轮毂200的部件的空间分配不限于风力涡轮机变桨系统300的第二实施例。这尤其适用于中央整流器20的空间布置。

图3示出了提出的用于风力涡轮机的风力涡轮机变桨系统300″第三实施例的框图。第三实施例与图1的风力涡轮机变桨系统300的第一实施例非常相似。第一实施例的基本部件同样被包括在第三实施例中，并因此在这里不再次解释，这是为何以下仅解释差异。

作为第一分配装置21的代替，可以看到第二分配装置210。第二分配装置210在功能上与第一分配装置21相当。与第一分配装置21相比，第二分配装置210还包括用于第六线路36的连接件和用于第八线路38的另外的连接件。

第一线路31在功能上将第二分配装置210与第四逆变器401连接，并因此第一线路31被指派给第四逆变器401。第二线路32在功能上将第二分配装置210与第五逆变器402连接，并因此第二线路32被指派给第五逆变器402。第三线路33在功能上将第二分配装置210与第六逆变器403连接，并且因此第三线路33被指派给第六逆变器403。

第四线路34在功能上将第二分配装置210与第二储能系统701连接。第六线路36在功能上将第二分配装置210与第三储能系统702连接。第八线路38在功能上将第二分配装置210与第四储能系统703连接。第五线路35在功能上将第二储能系统701与第四逆变器401连接。第七线路37在功能上将第三储能系统702与第五逆变器402连接。第九线路39在功能上将第四储能系统703与第六逆变器403连接。

第三实施例的风力涡轮机变桨系统300″的第一至第九线路31…39将直流电传输至第四、第五和第六逆变器401、402、403，或相应地传输至第二、第三和第四储能系统701、702、703。第一到第九线路31…39可以在前述部件之间提供附加的数据连接，这尤其可以通过将前述线路实施为

第四逆变器401和图1的第一逆变器41之间的唯一区别是第四逆变器401具有两个连接：一个连接用于第一线路31，一个连接用于第五线路35。第四逆变器401与第一电动机51形成结构单元。在功能上，第四逆变器401和第一逆变器41彼此没有区别。

第五逆变器402和图1的第二逆变器42之间的唯一区别是第五逆变器402具有两个连接：一个连接用于第二线路32，一个连接用于第七线路37。第五逆变器402与第二电动机52形成结构单元。在功能上，第五逆变器402和第二逆变器42彼此没有区别。

第六逆变器403与图1的第三逆变器43的区别仅仅在于第六逆变器403具有两个连接：一个连接用于第三线路33，一个连接用于第九线路39。第六逆变器403与第三电动机53形成结构单元。在功能上，第六逆变器403和第三逆变器43彼此没有区别。

相较于第一实施方式的风力涡轮机变桨系统300，第三实施方式的风力涡轮机变桨系统300″具有第二、第三和第四储能系统701、702、703。考虑到功能，前述的第二、第三和第四储能系统701、702、703可以具体实现为与风力涡轮机变桨系统300的第一实施例的第一储能系统71相似。风力涡轮机变桨系统300″的第三实施例的第二、第三和第四储能系统701、702、703具有可以减小单个储能元件的电存储量的优点。因此，第四、第五和第六逆变器401、402、403中的每一个具有自己的第二、第三和第四储能系统701、702、703，这意味着第二、第三和第四储能系统701、702、703中每一个的容量不必那么大。

通过以下事实以有利的方式实现冗余：每个第一到第三电动机51、52、53被指派给其自己的第二到第四储能系统701、702、703，然而，其中，每个第一到第三电动机51、52、53可以通过第二分配装置210从第二到第四储能系统701、702、703中的每一个来进行能量馈送。

因此，第四、第五和第六逆变器401、402、403、第一至第九线路31…39、第二分配装置210以及第二、第三和第四储能系统701、702、703的部分由此形成共享的电气直流中间电路。

在图中未示出的风力涡轮机变桨系统的另一实施例中，可以省略第五线路35、第七线路37和第九线路39。然后，第二到第四储能系统701、702、703以及第四到第六逆变器401、402、403之间的电能转移不经由直接连接件执行，而是经由第二分配装置210和第一、或第二、或第三线路31、32、33执行。

图4示出了所提出的风力涡轮机变桨系统300″′第四实施例的基本框图。第四实施例与图3中风力涡轮机变桨系统300″第三实施例非常相似。基本部件也包含在第四个版本中，因此在这里不再解释，这就是为何以下只解释差异。

第五线路35在功能上将第二储能系统701与第四逆变器401连接。第七线路37在功能上将第三储能系统702与第五逆变器402连接。第九线路39在功能上将第四储能系统703与第六逆变器403连接。

风力涡轮机变桨系统300″′第四实施例的第一到第三线路31、32、33和第五、第七和第九线路35、37、39将直流电传输到第四、第五和第六逆变器401、402、403和传输到第二、第三和第四储能系统701、702、703。第一到第三线路31、32、33和第五、第七和第九线路35、37、39可以提供前述部件之间的另外的数据连接，这尤其可以通过将前述线路形成为

与第三实施例的风力涡轮机变桨系统300″不同，第四实施例的风力涡轮机变桨系统300″′不包括第二、第三和第四储能系统701、702、703与第二分配装置210之间的第四、第六和第八线路34、36、38。就功能而言，第二、第三和第四储能系统701、702、703可实施为类似于第一实施例的风力涡轮机变桨系统300的第一储能系统71或第三实施例的风力涡轮机变桨系统300″的第二、第三和第四储能系统701、702、703。第三实施例的风力涡轮机变桨系统300″的第二、第三和第四储能系统701、702、703具有单个电力存储元件的电存储量可减小的优点。因此，第四、第五和第六逆变器401、402、403中的每一个都分别具有自己的第二、第三和第四储能系统701、702、703，这意味着第二、第三和第四储能系统701、702、703中每一个的容量不必那么大。

根据第四实施例风力涡轮机变桨系统300″′的设计具有独特的优点：第二、第三和第四储能系统701、702、703互不影响。例如，如果第二、第三和第四储能系统701、702、703中的一个由于短路而意外放电，则这有利地不影响第二、第三和第四储能系统701、702、703中的另两个，以便它们在紧急状态下可以继续向指派给它们的第一、第二或第三电机51、52、53供应电能。

图5显示了提出的第五实施例风力涡轮机变桨系统300″″。第五实施例基本上可与根据图1的第一实施例风力涡轮机变桨系统300相比较。第一实施例的许多部件也包括在第五实施例中，例如第一储能系统71。可以看出，第五实施例包括第三实施例风力涡轮机变桨系统300″中的第四、第五和第六逆变器401、402、403。

可以看出，第三分配装置211仅包括三个连接件：用于第一线路31的第一连接件、用于第四线路34的第二连接件以及用于供电线路12的第三连接件。

第十线路301将第四逆变器401与第五逆变器402连接。第十一线路302将第五逆变器402与第六逆变器403连接。第六逆变器403的一个连接件未被占用且未被使用。有利地，可以省略第五逆变器402和第三分配装置211之间的线路。有利地，可以省略第六逆变器403和第三分配装置211之间的连接。第十和第十一线路301、302优选用于在第四、第五和第六逆变器401、402、403之间进行数据交换和电流传输，并且为此目的可以例如实现为

图6示出了用于制造风力涡轮机变桨系统的方法的基本流程图。

在第一步骤400中，提供至少一个电动机51、52、53，其可由逆变器41、42、43、401、402、403控制。

在第二步骤410中，逆变器41、42、43、401、402、403被实施为由整流器20可控制。

在第三步骤430中，整流器20和逆变器41、42、43、401、402、403在风力涡轮机变桨系统300；300`；300`；300```；300````中局部分隔地布置。

总之，本发明提供了一种用于风力涡轮机的电动的转子桨叶调节系统，或相应提供了具有“分布式”变流器的风力涡轮机变桨系统。分配变流器允许连接一个或多个储能装置(例如电池、电容器组)，这作为变桨系统的紧急运行或优化运行的安全特征是非常有用的。