具有增强型过压保护的风能装置 【技术领域】
本发明涉及一种具有转子的风能装置，该转子被可转动地支承在吊舱上，且包括轮轴。所述转子至少包括一台电驱动调节设备，用于调节至少一个转子叶片的螺旋角。该转子叶片可附在或固定在轮轴上，且与发电机转子连接。该发电机转子连同定子构成发电机，用于向调节设备供电。本发明也涉及一种使用本发明所述的风能装置产生电能的方法。
背景技术
风能装置中的每个转子叶片通常均具有单独的调节驱动器。通常提供在出现部件或电源故障的紧急情况时所需的应急操作设备，以将转子叶片调节到故障安全位置(例如标记位置)。可通过电力、液力或机械力的形式提供应急动力。
传感器信号和控制信号通过电线从吊舱传输到轮轴，反之亦然。由于轮轴可转动，所有信号必须被引导经过集电环。集电环也用于将电能传输到轮轴内。通过转动馈入装置将液压能传输到转子轴内，或液压叶片调节完全位于轮轴中。在这种情形下，也通过集电环传输所需电能。
由于吊舱和轮轴的电缆连接，可将由雷击或故障引起的潜在过电压从吊舱传输到轮轴。转子叶片内的雷击通过轮轴、吊舱和塔被偏转到地下。由于在轮轴中部件之间以及部件与轮轴之间的电连接，不能避免通过这些部件和组件发生偏转。然而特别的是，与安全相关的叶片调节模块在任何情况下都不会完全失效，否则风能装置会发生超压、损坏、甚至破坏。
在DE 10335575B4中描述了标准的电力叶片节距驱动器。叶片调节是以三相电动机和变频器(伺服控制器)为基础的。变频器被供以三相电流，且通过整流器提供直流过渡电路。随后从这一电路向反相器供电，以控制三相电动机。对于应急电源，通常提供向过渡电路供电的储能设备。可通过可充电电池或电容器获得上述储能设备。
由DE 102004005169B3可知，可使用直流电动机调节叶片。
与用于叶片调节的电力系统一样，例如由DE 10146986A1得到的液压系统也为人所知。该系统由电泵驱动的液压泵、蓄压器、控制装置和液压缸组成。通过控制装置进行适当控制和供给来自液压缸的增压剂，可调节转子叶片的螺旋角。
在DE 20017994U 1中描述了由各个叶片的电力调节与具有液压应急电源的液压应急调节构成的组合。
由DE 102004024563A1、DE 10009472C2、DE 20020232U1和DE 19644705A1可知，可使用轴侧辅助发电机提供轮轴中的辅助能量。通常以某种方式将辅助发电机附在转子轴上，以使其转子具有旋转磁场绕组，轴被一体化，且定子是以静止方式由永久磁铁或励磁绕组构成的。优选地，也可以可转动地安装外部定子，以改变转子与定子(永久磁铁)之间的相对转速，并可由此改变电容量。也可通过对励磁绕组中激励电压和频率的适当控制设定电容量。
这种解决方案的缺点是轴侧辅助发电机被单独地使用，以提供应急动力和达到转子叶片的标记位置。
在DE 29705011U 1中描述了一种集电环，该集电环用于风力发电站中在两个相互可转动的系统之间进行有线电能传输。
由DE 4445899A1、DE 4436197C2和DE 19501267A1可知用于风力发电站的避雷设备。该保护功能在于由过压引起的电流渠化偏转。
【发明内容】
本发明的目的是以某种方式改进一种风能装置、以及一种使用该风能装置产生电能的方法，以显著降低由吊舱或叶片雷击效应的过压导致的使轮轴中叶片调节系统损坏的可能性。
这一目的可通过权利要求1中描述的本发明的风能装置、并采用权利要求10中描述的本发明的由风能产生电能的方法实现。
在从属权利要求2至9和11至15中将分别描述本发明所述设备的优选的实施例和本发明所述方法。
根据本发明，提供一种具有转子的风能装置，该转子被可转动地支承在吊舱上，且包括轮轴。所述转子至少包括一台电驱动调节设备，用于调节至少一个转子叶片的螺旋角。该转子叶片可附在或固定在轮轴上，且与发电机转子连接。该发电机转子连同定子构成发电机，用于向调节设备供电。根据本发明，以某种方式安装和设计定子，以通过它可产生相对于发电机转子的旋转磁场，且该发电机转子相对于吊舱处于静止状态。这意谓着所述转子包括被设计成额外机器零件的轮轴，且该机器零件与转子牢固连接。该处转子与发电机转子连接，这种方式具体表现了转子与发电机转子之间固定连接的结构实施方式，或也包括了发电机转子是转子整体部件的实施方式。转子与发电机转子之间连接的主要特征是发电机转子以某种方式基本上被安装在转子上，以使其不能转动。发电机转子和定子共同构成辅助发电机。即这里描述的定子不用作风能装置转子的配对物，以产生向电网供给的能量，而只是用于产生使所述调节设备工作的能量，且在适当时用作转子上的另一辅助设备。辅助发电机的发电机转子与调节设备电力连接。它优选是一种例如可包括电动机的电力驱动调节设备，或也可以是一种例如用于液压电动机的电力驱动泵。
在另一种形式的实施例中，风能装置的转子只包括一台用于调节一些转子叶片的调节设备，该转子包括齿轮，以移动叶片。为通过辅助发电机产生动力，该辅助发电机由发电机转子和定子构成，该定子与能源连接，以产生转动能场。调节设备的电源以某种方式与吊舱电分离，以保证例如在雷击时的过压保护。
通过使用本发明所述的装置，尤其通过使用静止的发电机转子，例如使用转子叶片的弱风条件或标记位置，定子的旋转磁场在发电机转子中有可能感生出可使调节设备工作的电流。因此，当转子静止时，可改变转子叶片的螺旋角，由此使这些转子叶片受风力作用，在转子中感生出风生扭矩。根据本发明所述的实施例，不排除通过使用定子，可产生相对于发电机转子的旋转磁场，且该发电机转子相对于吊舱转动。这或由定子使磁场转动实现，或由发电机转子相对于定子转动得到的静止定子磁场实现。在转子转动的情况下，优选假设定子以及适当时其上安装的永久磁铁相对于吊舱静止，且由发电机转子与定子之间的相对运动在辅助发电机中感生出电流。在一些场合，尤其应使用这些不同形式的辅助发电机驱动器，例如由于风太大应减小转子的螺旋角时。
已获得本发明所述的两种不同形式，以形成由定子产生的可旋转磁场。在第一个实施例中，可通过线路实现旋转磁场，且电流可通过该线路以定子上绕组的形式流动；以某种方式布置这些线路，以使当以交流或三相电流的形式施加电流时，该线路产生旋转磁场。
在第二个实施例中，假设旋转磁场可至少通过一个被可转动地安装的电动机驱动式永久磁铁获得。该处永久磁铁可被可转动地安装在定子上，或可假设包括永久磁铁的定子自身被可转动地支承。
优选的，这里定子被如此的设计，以至于可调节旋转磁场的转速。
这可通过使用频率调节器施加交流或三相电流实现。
通过使用转动永久磁铁的实施例，可采用控制单元调节转速，以影响驱动电动机的转速，从而驱动永久磁铁。
本发明在以下场合特别适用于实现所述目的，即所述风能装置包括用于保护线路免于过压的设备，且相对于转子实施调节设备含电流部件的电分离。
风能装置有利地包括未被安装在转子上的中央控制设备，且安装有用于接收和处理无线传输信号的调节设备；风能装置至少包括一个信号传输单元，用于信号从中央控制系统到调节设备的无线传输。为此，应在中央控制系统和调节设备上安装无线电接口。
为避免由过压造成的损坏，适宜将轮轴设计成法拉第笼。
在一优选实施例中，为保证能量自足，风能装置可包括在吊舱和/或轮轴中的应急电源设备。
根据本发明，还提供一种通过风能装置由风能产生电能的方法，该风能装置安装有具有转子叶片的转子。至少可使用电力可驱动调节设备调节该转子的螺旋角，以影响转子的转速。发电机转子与所述转子连接，且发电机转子连同定子构成发电机。
根据本发明，相对于发电机转子产生旋转磁场，该旋转磁场与相对于吊舱静止的发电机转子相互作用，在发电机转子中感生出可启动调节设备的电流。这意谓着在风能装置的工作期间使用这种方法，以产生动力，且借助于调节设备，使转子叶片的螺旋角发生变化。可通过这里给出的本发明所述的设备，使用本发明所述的方法。该方法特别涉及调节设备的电源，该调节设备具有转子，该转子相对于吊舱静止。这里所指的情形是转子不转动，且不采用一种阻止转子相对于吊舱转动的结构设计。这里，通过向以定子上绕组形式存在的线路施加交流或三相电流，可获得旋转磁场。可选地，至少可通过一个被可转动地安装的电动机驱动式永久磁铁，获得旋转磁场。
为影响由旋转磁场产生的电流或由其产生的电能，可在转动期间改变旋转磁场的转速。
优选地，以无线方式，将用于启动调节设备的信号传输到所述装置，以保证转子与吊舱之间完全的电分离。本发明所述的方法是以优选的方式被特别设计的，即当转子静止时产生旋转磁场，以感生出用于启动调节设备的电流。因此，特别是对于转子叶片的螺旋角为0°的情形(转子叶片的标记位置)，为使转子并由此使发电机转子处于静止位置，当要求返回风能装置的运行状态时，可通过调节设备将叶片设定在某一角度。为此，必须向调节设备提供能量。因此，当发电机转子静止时，由定子产生的旋转磁场可在发电机转子自身内感生出电流。
根据本发明，应通过适当的无线传输通道，实现风能装置(塔和吊舱)的固定区域与可转动区域(轮轴)之间的整个通信。为此，在轮轴和吊舱和/或塔中提供传输和接收单元。
例如，可通过已知系统实现无线连接，例如Bluetooth(IEEE 802.15.1)、WLAN(IEEE 802.11)、ZigBee(IEEE 802.15.4)或Wireless FireWire(IEEE802.15.3)。同样地，可使用只在将来才公开的无线电标准。虽然估计成本将很高，也有可能设计出单独的无线电接口。虽然模拟无线电连接也是可行的，但是由于数字无线电接口发生故障的可能性较低，以及已改进的在控制和传感器系统中的潜在实施方式，所以还是优选使用数字无线电接口。也可选择使用其他方法进行数据的无线传输，例如红外线接口。
一种适当的实现形式是提供微控制器，用于单独的叶片调节系统中，对风能装置进行控制。如果不采用微控制器，则可采用基于SPS、计算机技术或其他系统的适当控制设备。控制中心和分布式叶片调节系统具有无线电通信接口。这里，每个叶片调节均应能至少与中央控制系统通信。在进一步的设计中，中央无线电接口也适用于所有叶片调节系统，正如在叶片调节系统之间通过无线电接口进行通信。
可在轮轴中直接附上环境传感器(温度、气压、湿度等)、用于叶片调节(角度位置、调节速度)的传感器、用于一般操作(转子速度)的传感器、以及未列出的其他传感器。这些传感器或传感器组具有其各自的无线电接口，或者在一优选实施例中与各个叶片系统的控制系统连接，并可由此通过其无线电接口访问中央控制系统和其他叶片调节系统。
通过双向无线电接口，可在中央控制系统与叶片调节系统之间传输控制规格和状态报告。
天线一般用于信号的无线电传输。对此应以某种方式进行选择，以使在信号传输时不发生干扰，或只发生低的干扰。天线被附在吊舱和轮轴内，或在进一步的设计中通过电缆延伸部分被附到吊舱和轮轴的外侧。由此可避免屏隔，该屏蔽会干扰无线电波，尤其是在轮轴上的无线电波。
作为一可选实施例，可在中央控制系统与轮轴之间以光学方式进行无线数据传输。为此，例如可安装红外线接口。
在吊舱或轮轴内安装应急电源，以备发生电压故障或其他严重故障时使用。
应急电源例如通过辅助发电机上的励磁绕组，可进一步保持旋转磁场，并由此保证轮轴内的电力供给。同样有可能在轮轴内安装一台应急电源。为尽可能保证操作的安全性，可提供单独的叶片调节系统。在进一步的设计中，也可在吊舱和轮轴中为冗余实施方式提供应急电源系统。
轮轴被设计成法拉第笼。尽可能将小金属块设计成一球体。通过适当的网栅或金属板结构，关闭叶片附件和维修通路所需的插座口，以完成笼。在轮轴内的所有部件均与轮轴电绝缘，并由此被附到法拉第笼上。因此，可避免由雷击造成的过压偏转危险或在叶片调节的安全相关部件上的错误。对于高蠕变强度要求，可通过将适当的附件材料与绝缘段或间隙连接，实现保护性绝缘。
由于本发明所述的特征，提高了叶片调节的有效性，并由此增强了设备的总体安全性。此外，由于吊舱与轮轴之间的系统性潜在分离，避免了轮轴内任何可能的地电位位移，并由此避免了潜在误差源。
下文将结合附图，对本发明作更详细的说明。
图1为本发明所述的风能装置的吊舱和转子的运行段。它可被理解为一种在不同设计和实施例中的实现选项。
图2为本发明所述的轮轴结构，该轮轴被设计为法拉第笼，该法拉第笼的电力部件被另外绝缘。
图1显示风能装置中吊舱2的转子1和主要零件。该图中显示具有可调节的转子叶片4的轮轴3。转子叶片4被可转动地支承在轴承5上，且可沿转动方向7绕转动轴6被调节。在轮轴3内，转子叶片4例如可分别通过电动机8和齿轮组9转动。虽然在图中未显示如下这些选项，可选择对于一个转子叶片4，将一个驱动器用于一些转子叶片4，或将一些驱动器用于一个转子叶片4。同样可能的是，虽然以下选项也未在图中被显示，可将电动机8与齿轮组9的组合用作其他类型的驱动器，例如液压系统。根据图1，电动机8由转换器10供电和控制。当出现电压故障的紧急状况时，转换器10的过渡电路由储能设备11支持，并使转子叶片4能稳固定位在标记位置12处(显示为虚线)。已知将不同类型的可充电电池和电容器用作储能设备11。
图1中显示轮轴3的其他部件。这些部件包括传感器系统13、一或多个无线电接口14、以及中央通信单元15。传感器系统13可与控制转换器10直接连接，且这里可被一或多个调节系统利用；在附图中未显示这一设计选项。附加传感器系统13可与中央通信单元15耦合，以被中央控制系统ZS访问，或具有其各自的通信接口(未显示)。通信单元15捆绑和管理在轮轴部件与中央控制系统ZS之间的通信。通过无线电接口14传输数据。在图中未被显示的进一步的设计中，这些部件也可均具有其各自的无线电接口。可通过电缆、无线电接口或其他适当传输路径，获得各个轮轴部件之间的接线16。
轮轴与转子轴17连接，转子轴17在图1中被显示为水平空心轴。该轴由轴承18可转动地支承。这些轴承与支承系统19牢固连接。转子轴17通过齿轮组20与主发电机G连接。辅助发电机HG被附在空心轴中，且在发电机或变压器模式下发电。与轮轴部件的电力连接是通过电力线21实现的，该电力线21随着转子系统1一起转动，如同轮轴3和辅助发电机HG一样，因而使集电环的使用冗余。由此保证电分离。
用于产生辅助发电机HG的磁场的励磁系统22可包括永久磁铁或励磁绕组。为对轮轴3部件产生足够能量，即使当转子1是静止时，励磁系统22可以是被可转动地支承的永久磁铁，且可通过自转保证供电。如果在一可选实施例中在励磁系统22中提供励磁绕组，通过适当配线/控制23-例如通过在发电机模式下或当静止时在变压器模式下的中央控制系统ZS-可通过由绕组产生的磁场的转动，由辅助发电机HG传输电力。因此，即使当风能装置或转子静止时，也可通过调节设备9’，将转子叶片设定在某一角度，以将扭矩引入到转子内，驱动转子。
在一优选实施例中，中央控制系统ZS采用对吊舱和轮轴3内部件控制的方式。分散控制虽未被显示，也是有可能的。中央控制系统ZS通过无线电接口24或其他非电缆束接口以及在轮轴3中的模拟接口14，与传感器系统13和电动机控制系统10双向连接，以调节叶片。在所示设计中，中央通信单元15用于轮轴3中。
图2中显示轮轴3通过被设计为法拉第笼以及由于电力部件的电去耦而被电性和电磁性屏蔽。通过所有电力部件的电保护绝缘IS、以及轮轴3通过金属外部屏蔽AS而成为法拉第笼，实现本发明所述的防止过压及其结果的保护措施。
产生模式
在产生模式中，风能装置产生电能，并将其馈送到电网内。中央控制系统ZS记录所产生电能的特性、电网操作员的要求、诸如风力和风向的环境条件、以及在子系统和部件中的运行状态和任何潜在故障。通过调节转子叶片4，还可仅参考控制和调节选项。中央控制系统ZS记录风速、转子速度和叶片位置。根据调节要求(速度限制或最佳风能利用)，确定叶片位置的设定值。通过在轮轴3内中央控制系统ZS与通信单元15之间的双向无线连接14和24，可永久传输传感器数据(真实值、叶片位置)，同时按要求传输设定值。随后由转换器10进行叶片调节。由辅助发电机HG以所述方式提供用于轮轴内调节、传感器和通信的能量。
同时，中央控制系统ZS监测有可能发生的任何故障或临界运行状态。轮轴内部件故障的错误信息通过无线连接14和24被传输到中央控制系统ZS。当发生严重故障时，有可能有必要采取应急制动操作；而对于其他故障，有可能需要使设备在受控条件下制动直到静止。通常通过将叶片4调节到标记位置12，制动风能装置。出于安全考虑，设备的两或多个转子叶片4均具有其各自的调节设备；当系统出现故障时，其他叶片4可被置于标记位置12处，并由此可使设备停止或至少保护它免于超压。
应急操作
如果出现诸如输电干线电压故障的严重故障，必须立刻将该设备制动到静止状态。如果中央控制系统ZS以及辅助发电机HG的励磁是由应急储能设备(未画出)支持的，则中央控制系统ZS可检测到输电干线电压故障，且允许通过将叶片位置的设定值指定在标记位置12处实现轮轴3内的叶片调节。
如果辅助发电机HG的励磁系统22不是由应急储能设备支持的，或如果辅助发电机HG自身由于励磁系统22或辅助发电机HG中的缺陷而出现故障，则电源故障被记录在轮轴3中。在这种情况下，通过使用局部应急储能设备11，由转换器10将转子叶片4应急调节到标记位置12处。如果无线通信14和/或24出现故障，该故障也会在轮轴3中被检测到(例如通过通信装置15)，且由转换器10自动地应急调节到标记位置12处。
参考编号列表：
1转子 15通信单元
2吊舱 16接线
3轮轴 17转子轴
4转子叶片 18轴承
5轴承 19支承系统
6转动轴 20齿轮组
7转动方向 21电线
8电动机 22励磁系统
9齿轮组 23配线/控制
9’调节设备 24无线电接口
10转换器 ZS中央控制系统
11储能设备 G主发电机
12标记位置 HG辅助发电机
13传感器系统 IS电保护绝缘
14无线电接口 AS外部屏蔽