风力涡轮机和用于改善风力涡轮机的电磁兼容性的方法

技术领域

本发明涉及一种风力涡轮机，其包括承载机舱的中空塔架以及在操作期间发射电磁波的至少一个功率电子部件，其中，塔架充当由功率电子部件产生的电磁波的波导。本发明还涉及一种用于改善风力涡轮机的电磁兼容性（EMC）的方法。

背景技术

用于电磁波的波导在现有技术中是已知的，并且指的是在端点之间传送电磁波的至少基本上线性的结构。波导是有利的，因为不需要返回线路，例如在带状线、同轴线缆等中所需要的返回线路。因此，波导使用外导体来经由电磁波传输电能。

通常，波导包括具有导电或相对导电边界的几何形状。在这种几何形状内，电磁波能够传播。

波导的特征在于所谓的“截止频率”，其是由波导（不需要返回线路）传输的最低频率。基于波导的形状，特别是对于圆柱形和矩形波导，在现有技术中已经知道用于计算截止频率的不同公式。另外，用于计算波导内部的电磁波的波长的公式也是已知的，而且用于计算群速度和相速度的公式也是已知的。

波导被用于不同的技术领域，特别是微波技术（例如雷达应用），以传输能量。由于低的介电常数ε

另一方面，在现有技术中，已经提出了用于陆上和海上应用的风力涡轮机。通常，这种风力涡轮机的构造是塔架用于承载机舱，该机舱具有发电机并且承载毂，板固定到该毂。在塔架的底部，在陆上应用中，有时甚至在地面以下，提供了诸如逆变器的功率电子部件，其可经由例如在塔架内引导的线缆而电连接到发电机。

一方面，这些塔架通常是具有五米或更大的大直径的大型结构。另一方面，风力涡轮机的塔架的基体材料通常包括相对导电的材料，使得原则上塔架可以充当波导。考虑到塔架的尺寸，这种风力涡轮机塔架的截止频率可以非常低，在具有六米直径的圆柱形塔架的情况下，例如甚至低于30 MHz。这意味着，截止频率可低于被容纳在下部塔架中或下部塔架下方的功率电子部件的操作频率，使得塔架可充当由至少一个功率电子部件的操作产生的电磁波的波导。这些电磁波的能量然后被传输到机舱，机舱进而可引起来自风力涡轮机的强辐射发射。关于风力涡轮机的电磁兼容性，这是不期望的效果。例如，已知使用具有30MHz或更高的开关频率的逆变器，其电磁波因此可以通过作为波导的塔架传播。其它部件（例如冷却集合体）也可以发出这种相关的电磁波。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有更好电磁兼容性的风力涡轮机。

根据本发明，该目的通过包括至少一个吸收器元件的塔架来实现，所述至少一个吸收器元件至少减少功率电子部件的电磁波沿着塔架的传输。

本发明的发明人已经认识到，风力涡轮机塔架可以充当用于塔架的下部中的或塔架下方的功率电子部件（特别是逆变器）的波导，使得可能发生通过作为波导的塔架到机舱的不期望的传输，并且因此发生来自风力涡轮机的不期望的电磁能量的发射。为了防止或至少减轻这种效果，提出了在波导（在这种情况下是塔架）内部使用一个或多个吸收器元件，其也可以被称为滤波器元件。模拟和实验已经表明，使用这种吸收器元件可以极大地减少来自风力涡轮机的电磁辐射，从而改善电磁兼容性。

至少一个吸收器元件放置在塔架内，即，放置在电磁波以及因此能量通过塔架所使用的路径中。由于至少一个吸收器元件包括具有高的相对介电常数的材料，所以电磁能量将会至少部分地被至少一个吸收器元件吸收并且被转换成热。换句话说，已经被识别为可能的波导的塔架通过使用对应的吸收器元件而被变换成滤波器，其也可被称为滤波器元件。

如从波导技术中已知的，可以计算波导内的电场和磁场的分布，从而也可以计算振幅，特别是使用模拟和/或分析计算。结果可以是波导（在这种情况下是塔架）内的图，示出了相应场的振幅，特别是电场的振幅，其中，如果分布不是静止的，则这些振幅也可以是随时间的平均值。当然，这些值取决于预定的塔架几何形状和电磁波的特性，特别是其频率/波长。对于这种模拟/计算，通常使用由功率电子部件产生的电磁波的至少一个频率，因为这些电磁波将会被过滤。

在至少一个吸收器元件的位置处的电场的振幅越高，越多的能量可以被吸收/转换成热。

关于至少一个吸收器元件的位置的选择，当然，尽管模拟和/或计算是在没有任何吸收器元件的情况下执行的，但是可以在包括至少一个吸收器元件的情况下重新确定塔架的内部中的电场分布，以尤其是已经在设计阶段评估至少一个吸收器元件的效果。

总之，换句话说，根据电磁波的频率和波导（即塔架）的尺寸，存在不同的区域具有电磁波的高振幅（即电场强度），其中，至少一个吸收器元件优选地放置在这些区域中的至少一个中，其典型地围绕电场强度的局部最大值。

为了清楚起见，在这一点上，至少一个吸收器元件的定位涉及沿着塔架的纵向方向（即高度方向）的放置。

如果使用多个吸收器元件（这根据本发明是优选的），则这些多个吸收器元件优选地被隔开由功率电子部件产生的电磁波的波长的一半和/或波长的倍数。以这种方式，高效地实现了对功率电子部件的辐射发射的能量的吸收。

如上所述，优选地，至少一个吸收器元件在水平面中延伸穿过塔架的内部。在这方面，优选地，吸收器元件还可以另外充当塔架的稳定化元件，因为它们在大多数情况下将会连接塔架的内表面的相对侧。换句话说，至少一个吸收器元件优选地放置成填充塔架的内部的至少一部分，至少部分地替换塔架内部的空气，电磁波在塔架内部传播。

至少一个吸收器元件的具体几何形状提供了附加的自由参数，用于使吸收或过滤功能分别适应于将要被吸收的电磁波的具体性质。特别地，可以针对电磁波的不同频率/波长选择至少一个吸收器元件的不同几何形状。

在具体的实施例中，至少一个吸收器元件中的至少一个可以包括或者是圆柱体和/或至少一个板条和/或可以具有结构化表面，特别是包括角锥形状。如已经解释的，可以使用不同的几何形状来抑制波导内部的特定频率。然而，尤其是在吸收器元件应该实现附加功能（例如稳定化功能和/或平台功能）的情况下，设计也可以由这些附加功能支配。例如，如果至少一个吸收器元件另外被用作塔架中的中间平台，则板条状几何形状可以是优选的。

在一种特别优选的实施例中，至少一个吸收器元件具有至少一个开口，特别是在塔架的中心的通孔和/或至少一个开口，至少一个线缆被引导通过所述至少一个开口。通常，结构和/或物体在高度方向上延伸穿过塔架，例如，将位于机舱中的发电机连接到至少一个功率电子部件的线缆。另一个例子可以是梯子或用于人和/或物体的其它运输装置。为了适应这些结构，可以在至少一个吸收器元件中设置开口，特别是中心开口，例如通孔，在塔架的中间用于引导线缆，特别是沿着如本领域中原则上已知的线缆引导结构引导线缆。然而，开口或孔也可以偏离中心放置，例如当引导线缆时。例如，对于板条状吸收器元件和中心开口，吸收器元件可以在水平面中具有环形形状。

在这一点上应当注意，本发明不限于圆柱形和/或矩形塔架，而是塔架在相关频率范围中充当波导的任何塔架形状均可以设置有至少一个吸收器元件。还应注意，在多个吸收器元件的情况下，这些吸收器元件当然可以在几何形状和/或取向上不同。

优选地，如已经指出的，吸收器元件由至少一种非导电材料和/或至少一种具有高的相对介电常数的材料制成，特别是大于30 MHz的相对介电常数，优选地大于60 MHz的相对介电常数。

在具体实施例中，材料可以例如包括钛酸钡（其中，可以使用具有200至2200的相对介电常数的合金或混合物）和/或铁氧体（尤其是具有10000至40000的相对介电常数）和/或聚乙烯醇乙酸酯（其具有小于58的相对介电常数）。

在具体实施例中，例如，如果功率电子部件是逆变器，则功率电子部件可以被构造成执行产生电磁波的开关过程。如上所述，在现有技术中已经提出了具有大约30或60 MHz的开关频率的逆变器。已经描述了具有从150 kHz到100 MHz的频率的常规硅基慢开关IGBT（硅）。未来的SiC-IGBT可能具有甚至更快的开关时间，从而具有更高的频率。

总之，可以说存在许多自由参数来定制至少一个吸收器元件、其几何形状、材料性质和/或其位置，使得某些频率的电磁波被充分抑制。换句话说，与吸收器元件的吸收和位置有关的数量、尺寸、组合、材料性质允许控制吸收效果和可以被吸收的频率。在这一点上要注意的是，由于通过作为波导的塔架传输的辐射从在塔架的顶部处的结构（例如机舱）发射，所以在一些情况下甚至可以在塔架的顶部处提供至少一个吸收器元件。

本发明还涉及一种用于改善根据本发明的风力涡轮机的电磁兼容性的方法，该方法的特征在于，至少一个吸收器元件被用于减少功率电子部件的电磁波沿着塔架的传输。关于风力涡轮机的所有注释和特征也适用于根据本发明的方法。

特别地，对于塔架中的电磁波的至少一个波长，吸收器元件可以定位于在忽略吸收器元件的情况下围绕电磁波的最大电场振幅的位置的区域中。优选地，通过模拟和/或分析计算来确定最大电场振幅的至少一个位置。已知的电磁模拟软件可以用于执行模拟，例如被称为CST studio、ANSYS和/或NX Magnetics的软件。

最后要注意的是，特别是通过使用本发明，塔架被转换成所谓的波导过滤器。在这种情况下，吸收器元件充当过滤器的部件，阻挡由功率电子部件产生的某些频率的传输。如在本发明中，在已知的波导过滤器中，介电元件可以用于实现过滤功能。关于合适的材料，也参考如下书籍：Dielectric Materials and Applications，Arthur von Hippel，ArtechHouse Inc.，1995。

附图说明

本发明的进一步细节和优点可以从下面结合附图对优选实施例的描述中得到，附图中

图1示出了根据本发明的风力涡轮机的示意性总体视图，

图2示出了第一实施例中的塔架中的吸收器元件，

图3示出了第二实施例中的塔架中的吸收器元件，

图4示出了第三实施例中的塔架中的吸收器元件，

图5示出了第四实施例中的塔架中的吸收器元件，

图6是根据第五实施例的具有吸收器元件的塔架的横截面图，

图7示出了第六实施例中的塔架中的吸收器元件，

图8示出了第七实施例中的塔架中的吸收器元件，

图9示出了第八实施例中的塔架中的吸收器元件，以及

图10示出了第九实施例中的塔架中的吸收器元件。

具体实施方式

图1是根据本发明的风力涡轮机1的示意图，在这种情况下是陆上风力涡轮机1。风力涡轮机1包括承载机舱3的塔架2，带有叶片5的毂4附接到机舱3。发电机6设置在机舱3中并且连接到塔架2的底部处的至少一个另外的功率电子部件7，在这种情况下是逆变器8。为了连接逆变器8和发电机6，线缆（未示出）被引导通过塔架2的中空内部9。

在示例性实施例中，逆变器8以例如30 MHz的频率执行开关过程，使得该频率的电磁波被发射到塔架2的内部9中。由于塔架2的尺寸提供了低于30 MHz的截止频率，所以塔架2充当这些电磁波的波导，这些电磁波在塔架2的顶部的方向上传播，如箭头10所示。例如，如果使用了具有六米直径的基本圆柱形塔架，则截止频率约为29.6 Mhz。

为了防止电磁波的能量到达机舱3，从而导致从风力涡轮机1发射，或者为了至少显著地降低其强度，提供了至少一个吸收器元件11，该至少一个吸收器元件11在水平面中延伸穿过塔架2的内部9，由非导电的（即具有高的相对介电常数）的介电材料制成，例如ε

也就是说，通过使用至少一个吸收器元件11，塔架2从波导被转换成波导过滤器，从而至少阻挡由逆变器8发射的电磁波的频率。在这方面，至少一个吸收器元件11也可以被称为过滤器元件。

如已经提到的，吸收器元件11的材料性质、尺寸、位置和数量提供了多个自由参数，其可以被调整以获得优化的滤波器性质。然而，在多个吸收器元件11的情况下，这些吸收器元件优选地以塔架2中将要被吸收的电磁波的波长的一半或其倍数彼此间隔开。

图3至图10示出了吸收器元件11的具体实施例及其在塔架2的内部9中的位置。

在图2的第一实施例中，三个圆柱形吸收器元件11a设置在塔架2的内部9中。应注意，这些吸收器元件11a可另外被设计成具有稳定化功能，其它实施例的稳定器元件11也是如此。

图3示出了第二实施例，其中，使用了两个板条状吸收器元件11b，其在塔架9的整个横截面上延伸。

图4示出了优选实施例，其中，板条状吸收器元件11c具有中心开口12，例如线缆可以沿着线缆引导结构被引导通过该中心开口12。这些开口12和/或另外的开口的替代用途可以是在塔架2内部传输人和/或物体。其它实施例也可以具有至少一个非中心开口12。

图5示出了第四实施例，特别是塔架2的顶部13处的横截面。在这种情况下，吸收器元件11d定位在塔架2的顶部处并且包括角锥形表面。

图6示出了在水平面中穿过塔架2的另一横截面。在这种情况下，两部分式吸收器元件11e包括由开口14分开的两个板条状部分。

虽然这些实施例涉及基本上圆柱形塔架2，但类似的或修改的实施例也可用于矩形塔架。图7至图10中示出了这种实施例的示例。

图7示出了板条状吸收器元件11f的使用，其以交替方式相对于彼此偏移。在图8中，两部分式吸收器元件11g相对于彼此交替地旋转90°。注意，在两种情况下，都存在开口15，其可以用于例如引导线缆等。

在图9中，示出了如从图2中已知的圆柱形吸收器元件11a用于矩形塔架2。根据图10，也可以使用具有矩形横截面的梁状吸收器元件11h。

尽管已经参照优选实施例详细描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，本领域技术人员能够从所公开的示例中得出其它变型而不脱离本发明的范围。