WO2011107208A2 - Verfahren zum abbremsen einer windenergieanlage und abbremsvorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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Robert Bosch GmbH
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0244—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for braking
    • F03D7/0248—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for braking by mechanical means acting on the power train
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2270/107—Purpose of the control system to cope with emergencies
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a method for braking a wind energy plant and a braking device for carrying out the method.
  • First rotor blades of a rotor are rotated in their flag positions.
  • a deceleration control unit in a control unit of the wind energy plant activates electrically controllable control valves which apply braking torques to a brake disk of the deceleration device of a drive train.
  • a braking device for braking a rotor of a wind energy plant is known.
  • the brake device has at least one hydraulically actuable brake cylinder whose brake pressure can be regulated by means of a continuously adjustable control valve.
  • the braking device has a drain line from this directional valve to a tank, wherein a check valve is arranged, which allows a leak-free shut-off of the pressure medium flow path to the tank.
  • slow braking slows down such that it comes close to a theoretically possible aperiodic limit case by gently braking each overshoot is suppressed by the braking force is metered so that a steep torque increase, as would be required in emergency situations to decelerate a rotor of a wind turbine in a very short time, with such a braking device is not feasible.
  • the transmission gear Due to the torsional vibrations occurring in such emergency braking, the transmission gear is designed to three to four times the operating load in conventional wind turbines, resulting in wind turbines disadvantageous to considerable weights in the generator nacelle.
  • Notabbremsclar the rotor blades are moved into a flag or feathered position, ie taken out of the wind and a mechanical brake is activated on the fast-rotating transmission output shaft.
  • the emergency braking may serve to prevent the rotor from spinning in the event of a generator failure or in a critical operating state in which, for example, a sensor system required for the control has failed.
  • the entire emergency stop pre-cooking must be completed within a few seconds, so that the well-known from the prior art gentle deceleration method is unsuitable.
  • the mechanical brake is abruptly applied, the above-mentioned torsional overload in the drive train, which is a multiple of the braking torque, occurs. conditions and leads to a load on the tower due to the braking torque from the inertial forces, which can result in destruction of the wind turbine.
  • the powertrain in large wind turbines consists of the slowly rotating shaft, which is directly coupled to the hub and the rotor, the gearbox and a coupled to the generator fast rotating output shaft of the transmission.
  • a mechanical braking device which is usually designed as a disc brake, wherein a static braking torque acts with the aid of the brake shoes on the disc brake and brakes the rotor shaft via the transmission.
  • the brake shoes can be closed hydraulically or pneumatically and by appropriate springs, an open position of the brake shoes and the braking device can be ensured in normal operation.
  • the drive train from the rotor to the output shaft of the transmission gear is a vibratory system whose lowest natural frequency is in the range of 2 Hz to 3.
  • the object of the invention is to avoid a torsion overload, such as occurs when inserting the disc brake emergency shutdown by exploiting the vibration characteristics of the drive train.
  • a torsion overload such as occurs when inserting the disc brake emergency shutdown by exploiting the vibration characteristics of the drive train.
  • a method for braking a wind energy plant and a braking device for carrying out the method is provided.
  • Rotor blades of a rotor are first rotated into a flag position and activated a braking unit in a control unit of the wind turbine.
  • the deceleration control unit controls electrically controllable control valves in such a way that braking torques are applied to a brake disc of the deceleration device of a drive train with stepwise increase of the brake elements in at least two brake stages.
  • This method has over the known method with a gentle increase in the braking torque has the advantage that the stepwise increased braking torque on the drive unit so affects that the rotor comes to a standstill in a few seconds.
  • the gradual increase of the braking torque also has the advantage that overshoot, as occurs in a full braking is significantly reduced because preferably in the first stage, only half the braking torque is applied and only in a second stage, the full braking torque is effective ,
  • the overshoot can be further contained, with at first one third of the maximum permissible braking torque acting on the brake disk and thus on the drive train and two thirds of the maximum permissible braking torque being applied in a second stage and finally, only in a third stage, the full braking torque is achieved, so that a torsional load for the drive train from a kinetostatic and a dynamic see composite.
  • the vibration component which characterizes the overshoot can be influenced by a corresponding control by means of electrically controllable valves.
  • This method is based on the consideration that the torsional moment of the residual vibration is composed of a static component M, which may be due to the magnitude of the total braking torque, and a dynamic residual vibration T, which is the
  • the dynamic residual vibration T can be determined analytically and is a function of the size and direction of the intended braking torque stages and the activation times, which decide the phase position of the vibration.
  • the number of brake torque stages can be denoted by i, the time of their engagement with tj, their magnitude by ⁇ , and the relevant natural angular frequency by ⁇ 0 .
  • This results in the dynamic residual vibration to: where r, ⁇ 0 • t l the phase position and bM t the i ' te brake torque level of a total of i
  • Each individual brake torque stage causes an excitation of the torsional vibrations, the total vibration resulting from the superimposition of the individual vibrations.
  • the superposition of the harmonic oscillation whose common frequency corresponds to the relevant lowest natural frequency of the drive train ⁇ 0 , can be graphically illustrated by means of a phasor diagram, as shown in FIG. 2; in the complex number plane.
  • the pointer of the resulting oscillation results as a vector addition of the partial oscillations and the resulting residual oscillation has the same frequency as the partial oscillations.
  • the resulting residual vibration is the zero vector, ie the individual vectors will form a closed polygon or an n-edge, as shown in FIG. 3 for three stages.
  • the braking process itself is subdivided according to the invention into two or more staggered braking stages and the braking stages are coordinated in time such that the resulting dynamic loads cancel out simultaneously, as stated above.
  • the natural frequency spectrum of the drive train must be determined either by means of an approximation calculation, or by a sensor, for example by a strain gauge on the rotor shaft. be grasped.
  • the detection of the natural frequency is advantageous, especially as the natural frequencies can change over time due to manufacturing tolerances and wear.
  • a possible alternative to the gradual setting of the braking torque is that the braking torque is ramped up via a ramp, wherein the startup time approximately 0.5 seconds (seconds) and thus the approximate period of the relevant lowest driveline natural vibration corresponds.
  • t is the response time of, for example, the hydraulic system and t p is the period of the relevant drive train vibration.
  • the hydraulically or pneumatically controlled braking system may preferably be implemented with electronically controlled switching valves. However, if high-frequency braking requirements of> 10 Hz are required, it is advantageous to use servo valves.
  • the Abbrems Kunststoffech for a gradual application of a braking torque with a table of values, which was previously determined based on the mechanical and in particular elastic data of the components of the drive train. This takes into account that the permissible torsional torques of the drive train from the rotor to the gearbox are not exceeded.
  • the time duration (.DELTA. ⁇ ) of the stepwise increasing the braking torque is set depending on a lowest natural frequency (f e ) of the drive train of the Abbrems askaji the time duration (.DELTA. ⁇ ) of the stepwise increasing the braking torque is set.
  • This process principle can also be used when starting up the wind power plant, whereby load torques of a generator are increased stepwise, so that the wind energy plant is not started up under full generator load.
  • This method principle can also be used for releasing a braking device.
  • Another aspect of the invention relates to a braking device of a wind turbine with a drive train of rotor, rotor shaft and transmission gear.
  • the braking device has at least one brake disk with brake shoes.
  • a deceleration control unit is activated in a control unit of the wind energy plant with electrically controllable control valves in a deceleration case. This takes place in such a way that the control unit, which cooperates with electrically controllable control valves, a stepwise increase of a braking torque for the
  • Brake disc controls depending on a permissible torque load capacity of the drive train.
  • Such a device has the advantage over conventional devices that no smooth braking is provided with a high timing, but that with this device, a rapid deceleration of a wind turbine can be performed without overloading the drive train and other equipment components.
  • the required electrically controllable valves can be either hydraulic control valves or pneumatic control valves.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a wind turbine with braking device according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a vector diagram with two vectors in FIG
  • FIG. 2B shows the extinction of the residual oscillations within a natural frequency period of the drive train.
  • FIG. 3 shows a vector diagram with three vectors in FIG
  • FIG. 3B shows the extinction of the residual oscillations within a natural frequency period.
  • Figure 4 shows the increase of the braking torque when applying the same in a single stage and comparatively in two stages.
  • Figure 5 shows the course of the torsional moment when applying a braking torque in a single stage and comparatively in two stages.
  • Figure 6 shows in a further scale the time course of the torsional moment in two-stage application of the braking torque and after releasing a braking device.
  • Figure 1 shows a schematic diagram of a stationary wind turbine 1 with braking device 3 according to an embodiment of the invention.
  • the wind turbine 1 converts mechanical energy of a rotor 15 via mechanical components and a generator 16 into electrical energy, which by means of a frequency converter 17, for example, to a
  • the rotational frequency of the rotor 15 in a frequency range of a few tenths Hertz is translated via a transmission gear 13, which is arranged in a nacelle 19 together with the downstream generator 16 and the frequency converter 17 to a much higher rotational frequency.
  • the transmission gear 13 can thereby achieve rotational frequencies of a transmission output shaft 20 between a few 10 Hz and a few 100 Hz and thus drive the generator 16.
  • the transmission output shaft 20 may have a significantly smaller diameter and thus a lower area moment of inertia than the rotor shaft 14.
  • a braking device 3 with a brake disk 7 on the transmission output shaft 20 can be dimensioned significantly smaller than if such a braking device is arranged in the region of the rotor shaft 14.
  • the transmission shafts and gears of the transmission gear 13 must be dimensioned accordingly in order to transmit the braking torques acting on the brake disk 7 via the brake shoes 10 and 11 of the braking device 3. In this case, a maximum permissible torsional moment must not be exceeded neither for the transmission shafts nor for the rotor shaft 14.
  • a control unit 9 which applies the braking torques under stepwise increase over the brake shoes 10 and 1 1 on the brake disc 7.
  • a critical value such as 20 revolutions per minute
  • a deceleration process is initiated.
  • the rotational speed of the rotor 15 or of the rotor shaft 14m can be signaled to a control unit 9 via a rotational speed sensor 21.
  • the control unit 9 has a Abbrems Kunststoffmaschine 8, which in turn via electrically controllable valves 6 and a hydraulic line 22, the brake shoes 10 and 1 1 with gradual increase in the braking torque of the hub 7 and ' thus the drive train 2 gradually decelerates while the rotor blades 4 of the rotor 15 are adjusted to a rotated in the direction of arrow B flag position.
  • the angular velocity with which the adjustment of the rotor blades 4 is possible is at high-performance wind turbines 1 with correspondingly large rotor blades 4 at about 15 ° per second, so that starting from an operating position of 15 °, the 90 ° feathering position is reached after 5 s (seconds).
  • the application of the full braking torque takes place in a significantly shorter period of time ⁇ t when the natural vibration behavior of the drive train is utilized during the deceleration process.
  • the braking process must be initiated so quickly and quickly to prevent in emergency situations, such as the failure of the generator, to prevent the above-mentioned critical rotor shaft speed is exceeded, for example, 20 revolutions per minute, so that despite a shortened period At no increase and thus no Overload due to torsional moments occurs.
  • Figure 2 illustrates in Figure 2A shows a vector diagram with two vectors ⁇ and AM 2, the th as dynamic residual vibration in a two-step increase of the braking torque occurring, as already discussed in the introduction.
  • FIG. 3 shows in FIG. 3A a phasor diagram with three vectors AM 1 AM 2 and AM 3 , which occur as dynamic residual oscillations in the case of a three-stage increase in the braking torque and form a triangle as vector polygon.
  • FIG. 3B the extinction of the residual oscillations within a natural frequency period with the three torque stages AM, AM 2 and AM 3 is shown.
  • Figure 4 shows the time increase of the braking torque M when applying the braking torque in a single stage and comparatively in two stages.
  • the dashed line te curve the increase of the braking torque M when applying the same in a single stage and the solid curve comparatively shows the timing of application of the braking torque M in two stages, taking into account the natural frequency period of the drive train.
  • FIG. 5 shows the curve of the torsional moment when a braking torque M shown in FIG. 4 is applied.
  • the torsional moment load of the rotor shaft becomes again with a single-stage application of the braking torque with the dashed curve, and the torsional moment load with the application of a braking torque in two stages with the solid curve shown.
  • This diagram assumes that the emergency occurs at 20 seconds and the full braking torque is effective within a half natural frequency period of the powertrain.
  • Figure 6 shows in a further scale the time course of the torsional moment in two-stage application of the braking torque and after release of the braking device as soon as the rotor and the rotor shaft have come to a standstill.
  • this simulation again initially assumes an operating condition in which loaded with more than 600 kilonewtonmeter drive train and the generator fails after about 20 s on the timeline and the single-stage application of the braking torque and the two-stage application of the braking torque shortly thereafter use about a quarter of a second.
  • Figure 6 shows that the dynamic load at one-stage deceleration is significantly higher when the dashed curve is compared with the solid curve.
  • the solid curve shows the case, if with a two-stage increase of

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbremsen einer Windenergieanlage (1) und eine Abbremsvorrichtung (3) zur Durchführung des Verfahrens. Dabei werden zunächst Rotorblätter (4) eines Rotors (15) in eine Fahnenstellung (5) gedreht. Anschließend wird eine Abbremssteuereinheit (8) in einem Steuergerät (9) der Windenergieanlage (1) aktiviert. Danach erfolgt ein Ansteuern von elektrisch steuerbaren Steuerventilen (6), die Bremsmomente auf eine Bremsscheibe (7) der Abbremsvorrichtung eines Antriebstranges unter stufenweiser Erhöhung der Bremsmomente in mindestens zwei Stufen aufbringen.

Description

Verfahren zum Abbremsen einer Windenergieanlage und Abbremsvorrichtung zur
Durchführung des Verfahrens
Beschreibung
Verfahren zum Abbremsen einer Windenergieanlage und Abbremsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbremsen einer Windenergieanlage und eine Ab- bremsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei werden zunächst Rotorblätter eines Rotors in ihre Fahnenstellungen gedreht. Eine Abbremssteuereinheit in einem Steuergerät der Windenergieanlage aktiviert elektrisch steuerbare Steuerventile, die Bremsmomente auf eine Bremsscheibe der Abbremsvorrichtung eines Antriebstranges aufbringen. Aus der Druckschrift DE 10 2004 057 0729 A1 ist eine Bremseinrichtung zum Abbremsen eines Rotors einer Windenergieanlage bekannt. Die Bremseinrichtung hat zumindest einen hydraulisch betätigbaren Bremszylinder, dessen Bremsdruck mittels eines stetig verstellbaren Regelventils regelbar ist. Dazu weist die Bremseinrichtung eine Ablaufleitung von diesem Wegeventil zu einem Tank auf, wobei ein Sperrventil angeordnet ist, das ein leckagefreies Absperren des Druckmittelstrompfades zum Tank ermöglicht.
Mit dieser Bremseinrichtung wird lediglich eine leckagedichte Absperrung eines hydraulisch betätigbaren Bremszylinders für eine Windenergieanlage gewährleistet. Dabei soll eine sichere Bremsdruck- oder Bremslüftungsdruckmodulation mit hoher Genauigkeit möglich wer- den, so dass ein sanftes Abbremsen des Rotors sichergestellt ist. Aufgrund dieses sanften Abbremsens des Rotors hat eine derartige Bremseinrichtung den Nachteil, dass sie für Notsituationen, in denen ein Rotor einer Windkraftanlage in kürzest möglicher Zeit abzubremsen ist, nicht geeignet ist. Vielmehr wird durch das sanfte Abbremsen ein Abbremsvorgang derart verlangsamt, dass er einem theoretisch möglichen aperiodischen Grenzfall nahe kommt, bei dem jedes Überschwingen unterdrückt wird, indem die Bremskraft so dosiert wird, dass ein steiler Drehmomentanstieg, wie es in Notsituationen zum Abbremsen eines Rotors einer Windenergieanlage in kürzester Zeit erforderlich wäre, mit einer derartigen Bremseinrichtung nicht realisierbar ist.
Um bei herkömmlichen Windenergieanlagen den Rotor in einer Notsituation abzubremsen, führt das Einfallen einer Bremse mit vollem Bremsmoment aufgrund der rotierenden hohen Massen zu einem dynamischen Drehmomentanstieg im Antriebstrang, der das durch das Bremsmoment verursachte kinetostatische Torsionsmoment überschreitet. Um derartige Spitzen der Torsionsmomente beim Abbremsen eines Rotors in einer Notsituation durch den Antriebstrang aufnehmen zu können, müssen die im Leistungsfluss liegenden Komponenten des Antriebstranges wie Rotorwelle und Übersetzungsgetriebe der Windenergieanlage entsprechend überdimensioniert werden, damit derartige dynamische Spitzendrehmomente nicht zur Beschädigung der Energiegewinnungsanlage führen.
Aufgrund der bei einer derartigen Notbremsung auftretenden Torsionsschwingungen wird bei herkömmlichen Windenergieanlagen das Übersetzungsgetriebe auf das drei- bis vierfache der Betriebsbelastung ausgelegt, was bei Windkraftanlagen nachteilig zu erheblichen Gewichten in der Generatorgondel führt. Ähnliches gilt auch für die Rotorwelle, die aufgrund ihrer Dimensionen und Elastizität sowie ihres Querschnitt bedingten Torsionsmomentes eine Eigenfrequenz aufweist, die über der maximal zulässigen Antriebsfrequenz des Rotors in allen Betriebsphasen der Windenergieanlage liegen muss, Deshalb ist der Antriebstrang unverzüglich abzubremsen, sobald die Rotorfrequenz in die Nähe der Eigenfrequenz der Rotorwelle kommt.
Bei solchen Notabbremsverfahren werden die Rotorblätter in eine Fahnen- oder Segelstellung verfahren, d.h. aus dem Wind genommen und eine mechanische Bremse wird an der schnell drehenden Getriebeabtriebswelle aktiviert. Dabei kann die Notabbremsung dazu dienen ein Durchdrehen des Rotors bei einem Generatorausfall oder in einem kritischen Be- triebszustand, bei dem z.B. eine für die Regelung benötigte Sensorik ausgefallen ist, zu vermeiden. Der gesamte Notabbremsvorgarig muss innerhalb weniger Sekunden beendet sein, so dass das aus dem Stand der Technik bekannte sanfte Abbremsverfahren ungeeignet ist. Jedoch kommt es bei zu abrupten Einsetzen der mechanischen Bremse zu der oben erwähnten Torsionsüberlast im Antriebstrang, die ein Vielfaches des Bremsmomentes betra- gen kann und zu einer Belastung des Turms aufgrund des Bremsmomentes aus den Trägheitskräften führt, was eine Zerstörung der Windenergieanlage zur Folge haben kann.
Der Antriebstrang bei großen Windenergieanlagen besteht aus der langsam drehenden Wel- le, welche direkt mit der Nabe und dem Rotor gekoppelt ist, dem Übersetzungsgetriebe und einer mit dem Generator gekoppelten schnell drehenden Abtriebswelle des Getriebes. Zwischen der Abtriebswelle des Getriebes und dem Generator befindet sich eine mechanische Bremsvorrichtung, die üblicherweise als Scheibenbremse ausgeführt ist, wobei ein statisches Bremsmoment mit Hilfe der Bremsbacken auf die Scheibenbremse einwirkt und über das Getriebe die Rotorwelle abbremst. Dabei können die Bremsbacken hydraulisch oder pneumatisch geschlossen werden und durch entsprechende Federn kann eine Offenstellung der Bremsbacken bzw. der Bremsvorrichtung im normalen Betrieb sichergestellt werden. Der Antriebstrang vom Rotor bis zu der Abtriebswelle des Übersetzungsgetriebes ist ein schwingungsfähiges System, dessen niedrigste Eigenfrequenz im Bereich von 2 Hz bis 3 liegt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Torsionsüberlastung, wie sie beim Einsetzen der Scheibenbremse bei Notabschaltverfahren entsteht, durch eine Ausnutzung der Schwingungseigenschaften des Antriebstranges zu vermeiden. Durch eine Verringerung der maximalen Torsionsbelastung soll gleichzeitig eine Kostenreduzierung bei der Auslegung der mechani- sehen Antriebstrangkomponenten wie Bremsbacken, Bremsscheibe, Übersetzungsgetriebewellen, Zahnrädern und Rotorwelle erreicht werden.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Abbremsen einer Windenergieanlage und eine Ab- bremsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgesehen. Dabei werden zunächst Rotorblätter eines Rotors in eine Fahnenstellung gedreht und eine Abbremseinheit in einem Steuergerät der Windenergieanlage aktiviert. Dazu steuert die Abbremssteuereinheit elekt- risch steuerbare Steuerventile in der Weise, dass Bremsmomente auf eine Bremsscheibe der Abbremsvorrichtung eines Antriebstranges unter stufenweiser Erhöhung der Bremsmo^ mente in mindestens zwei Bremsstufen aufgebracht werden. Dieses Verfahren hat gegenüber dem bekannten Verfahren mit einem sanften Anstieg des Bremsmomentes den Vorteil, dass sich das stufenweise erhöhte Bremsmoment auf die Antriebseinheit derart auswirkt, dass der Rotor in wenigen Sekunden zum Stillstand kommt. Die stufenweise Erhöhung des Bremsmomentes hat darüber hinaus den Vorteil, dass ein Über- schwingen, wie es bei einer Vollbremsung auftritt deutlich vermindert ist, da vorzugsweise in der ersten Stufe lediglich das halbe Bremsmoment aufgebracht wird und erst in einer zweiten Stufe das volle Bremsmoment wirksam wird.
Wird die Erhöhung des Bremsmomentes auf drei Bremsstufen verteilt, so kann das Über- schwingen weiter eingedämmt werden, wobei zunächst ein Drittel des maximal zulässigen Bremsmomentes auf die Bremsscheibe und damit auf den Antriebstrang einwirkt und in einer zweiten Stufe zwei Drittel des maximal zulässigen Bremsmomentes aufgebracht werden und schließlich erst in einer dritten Stufe das volle Bremsmoment erreicht wird, so dass sich eine Torsionsbelastung für den Antriebstrang aus einem kinetostatischen und einem dynami- sehen Anteil zusammensetzt. Dabei kann die Schwingungskomponente, die das Überschwingen kennzeichnet durch eine entsprechende Steuerung mit Hilfe von elektrisch steuerbaren Ventilen beeinflusst werden.
Diesem Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, dass das Torsionsmoment der Rest- Schwingung sich aus einem statischen Anteil M, der durch die Größe des gesamten Bremsmomentes bedingt sein kann, und einer dynamischen Restschwingung T, welche die
Schwingungskomponente des Momentes darstellt, zusammensetzt, wobei sich eine Torsionsüberhöhung bei der Notbremsung von
Tm maax = M + T
ergibt. Die dynamische Restschwingung T lässt sich analytisch bestimmen und ist eine Funktion der Größe und Richtung der vorgesehenen Bremsmomentstufen und der Aktivierungszeitpunkte, welche die Phasenlage der Schwingung entscheiden. Die Anzahl der Bremsmomentstufen kann mit i bezeichnet werden, der Zeitpunkt ihres Eingrifft mit tj, ihre Größe mit ΔΜ, und die relevante Eigenkreisfrequenz mit ω0 bezeichnet werden. Damit ergibt sich die dynamische Restschwingung zu:
Figure imgf000006_0001
wobei r, = ω0•tl die Phasenlage und bMt die i'te Bremsmomentstufe von insgesamt i
Bremsmomentstufen beschreibt. Jede einzelne Bremsmomentstufe bewirkt eine Anregung der Torsionsschwingungen, wobei sich die Gesamtschwingung durch Überlagerung der Einzelschwingungen ergibt.
Die Überlagerung der harmonischen Schwingung, deren gemeinsame Frequenz der relevanten niedrigsten Eigenfrequenz des Antriebstranges ω0 entspricht, kann graphisch anhand eines Zeigerdiagramms, wie es die Figur 2 zeigt; in der komplexen Zahlenebene dargestellt werden. Der Zeiger der resultierenden Schwingung ergibt sich als Vektoraddition der Teil- Schwingungen und die resultierende Restschwingung hat die gleiche Frequenz wie die Teilschwingungen.
Der Bremsvorgang wird nun mit Hilfe der Ansteuerungseinheit so eingestellt, dass die resul- tierende Restschwingung T = 0 wird. In dem Zeigerdiagramm der Figur 1 bedeutet dies, dass die resultierende der Restschwingung der Nullvektor ist, d.h. die Einzelvektoren werden ein geschlossenes Polygon bzw. ein n-Eck bilden, wie es die Figur 3 für drei Stufen zeigt. Wenn der Bremsvorgang lediglich über zwei Momentstufen realisiert wird, wie es Figur 2 zeigt, bedeutet dies, dass die Bremsmomentstufe die gleiche Amplitude und eine Phasendifferenz von einer halben Schwingung mit τ, = 0 und τ2 = π hat. Damit ist die Bedingung T = 0 mit ΔΜτ = ΔΜ2 erfüllt. Es ergeben sich somit für zwei Bremsmomentstufen einerseits
Δ , cosx, + ΔΜ2 cosx2 = 0
und andererseits
Δ , sin τ, + Δ 2 sin τ2 = 0.
Dieses Prinzip der Auslöschung der Restschwingung und der Vektoraddition werden in den Zeigerdiagrammen der Figuren 2 und 3 dargestellt.
Der Bremsvorgang selbst wird erfindungsgemäß in zwei oder mehrere zeitlich versetzte Bremsstufen unterteilt und die Bremsstufen derart zeitlich koordiniert, dass die resultierenden dynamischen Belastungen sich gleichzeitig, wie oben ausgeführt, auslöschen.
Um den geeigneten Zeitpunkt zum Setzen des Bremsmomentes zu finden, muss das Eigenfrequenzspektrum des Antriebstranges entweder über eine Näherungsrechnung bestimmt werden, oder durch einen Sensor, z.B. durch einen Dehnmessstreifen an der Rotorwelle er- fasst werden. Das Erfassen der Eigenfrequenz ist von Vorteil, zumal sich im Laufe der Zeit durch Fertigungstoleranzen und Verschleiß die Eigenfrequenzen ändern können.
Eine mögliche Alternative zum stufenweise Setzen des Bremsmomentes besteht darin, dass das Bremsmoment über eine Rampe hochgefahren wird, wobei die Hochfahrzeit ca. 0,5 s (Sekunden) und damit der ungefähren Periodendauer der relevanten niedrigsten Antriebstrang-Eigenschwingung entspricht.
Für die hydraulische Ansprechdauer ist eine Vorgabe von t/tp < 0,2 relevant, wobei t die An- sprechdauer beispielsweise der Hydraulik und tp die Periodendauer der relevanten Antriebstrangschwingung ist. Das hydraulische oder pneumatisch angesteuerte Bremssystem kann vorzugsweise mit elektronisch gesteuerten Schaltventilen ausgeführt werden. Sind jedoch hochfrequente Bremsanforderungen mit > 10 Hz erforderlich, so ist es von Vorteil, Servoven- tile einzusetzen.
Anstelle der oben erwähnten Überprüfung des Eigenschwingungsverhaltens des Antriebstranges mit Hilfe von Sensoren, arbeitet in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung die Abbremssteuereinheit für ein stufenweise Aufbringen eines Bremsmomentes mit einer Wertetabelle, die vorher aufgrund der mechanischen und insbesondere elastischen Daten der Komponenten des Antriebstranges ermittelt wurde. Dabei wird berücksichtigt, dass die zulässigen Torsionsmomente des Antriebstranges von dem Rotor bis zu dem Getriebe nicht überschritten werden. Dazu wird in Abhängigkeit von einer niedrigsten Eigenfrequenz (fe) des Antriebstranges von der Abbremssteuereinheit die Zeitdauer (Δί.) des stufenweise Erhöhens des Bremsmomentes eingestellt.
Dabei wird die Zeitdauer Δί des stufenweise Erhöhens des Bremsmomentes mit der Anzahl i der Stufen und der niedrigsten Eigenfrequenz fe mit nachfolgender Beziehung
At = 1/(fe i)
ermittelt.
Dieses Verfahrensprinzip kann auch beim Hochfahren der Windenergieanlage eingesetzt werden, wobei Lastmomente eines Generators stufenweise erhöht werden, so dass die Windenergieanlage nicht unter voller Generatorlast hochgefahren wird. Auch lässt sich dieses Verfahrensprinzip für ein Lösen einer Abbremsvorrichtung einsetzen. Bei einem Verfahren zum Lösen einer Abbremsvorrichtung eines Antriebstranges einer Windenergieanlage werden nachfolgende Verfahrensschritte durchgeführt. Zunächst erfolgt ein Ansteuern von elektrisch steuerbaren Steuerventilen mittels einer Abbremssteuereinheit in einem Steuergerät, wobei die Steuerventile Bremsmomente mittels Bremsbacken auf eine Bremsscheibe des Antriebstranges stufenweise in mindestens zwei Stufen bis zur völligen Freigabe der Bremsscheibe vermindern. Dadurch können die durch ein zu abruptes Anhalten verursachten Schwenkbewegungen der Rotorblätter und damit verbundene Torsionsstöße vermieden werden.
Auch bei diesem Verfahren zum Lösen einer Abbremsvorrichtung, die vorher unter Vollbremsung stand, geht es darum, dass einerseits das Lösen zügig abgewickelt werden kann und andererseits eine Überlastung des Antriebstranges durch plötzliches Freigeben der Ab- bremsvorrichtung und damit verbundenen Überlastungen der Torsionselemente im Antriebstrang vermieden werden.
Ein weitere Aspekt der Erfindung betrifft eine Abbremsvorrichtung einer Windenergieanlage mit einem Antriebstrang aus Rotor, Rotorwelle und Übersetzungsgetriebe. Die Abbremsvor- richtung weist mindestens eine Bremsscheibe mit Bremsbacken auf. Dabei werden die
Bremsbacken mittels Federn in Offenstellung gehalten und für einen Abbremsfall in eine Schließstellung gepresst. Dazu wird eine Abbremssteuereinheit in einem Steuergerät der Windenergieanlage mit elektrisch steuerbaren Steuerventilen in einem Abbremsfall aktiviert. Dieses erfolgt in der Weise, dass das Steuergerät, welches mit elektrisch steuerbaren Steu- erventilen zusammenwirkt, eine stufenweise Erhöhung eines Bremsmomentes für die
Bremsscheibe in Abhängigkeit von einer zulässigen Drehmomentbelastbarkeit des Antriebstranges steuert.
Eine derartige Vorrichtung hat gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen den Vorteil, dass kein sanftes Abbremsen mit einer hohen Zeitvorgabe vorgesehen ist, sondern dass mit dieser Vorrichtung ein zügiges Abbremsen einer Windenergieanlage durchgeführt werden kann, ohne den Antriebstrang und andere Anlagenkomponenten zu überlasten. Die dazu erforderlichen elektrisch steuerbaren Ventile können entweder Hydrauliksteuerventile oder pneumatische Steuerventile sein. Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer Windenergieanlage mit Bremsvorrichtung ge- mäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt ein Zeigerdiagramm mit zwei Vektoren in Figur 2A, die als dynamische
Restschwingungen bei einer zweistufigen Erhöhung des Bremsmomentes auftreten. Mit Figur 2B wird die Auslöschung der Restschwingungen innerhalb ei- ner Eigenfrequenzperiode des Antriebstranges gezeigt.
Figur 3 zeigt ein Zeigerdiagramm mit drei Vektoren in Figur 3A, die als dynamische
Restschwingungen bei einer dreistufigen Erhöhung des Bremsmomentes auftreten. In Figur 3B wird die Auslöschung der Restschwingungen innerhalb ei- ner Eigenfrequenzperiode gezeigt.
Figur 4 zeigt den Anstieg des Bremsmomentes beim Aufbringen desselben in einer einzigen Stufe und vergleichsweise in zwei Stufen. Figur 5 zeigt den Verlauf des Torsionsmomentes bei Aufbringen eines Bremsmomentes in einer einzigen Stufe und vergleichsweise in zwei Stufen.
Figur 6 zeigt in einem weiteren Maßstab den zeitlichen Verlauf des Torsionsmomentes bei zweistufigem Aufbringen des Bremsmomentes und nach Lösen einer Abbremsvorrichtung.
Figur 1 zeigt eine Prinzipskizze einer stationären Windenergieanlage 1 mit Abbremsvorrichtung 3 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Windenergieanlage 1 setzt mechanische Energie eines Rotors 15 über mechanische Komponenten und einen Generator 16 in elektrische Energie um, die mit Hilfe eines Frequenzumformers 17 beispielsweise an eine
Last oder an ein Netz abgegeben wird. Ein derartiger Rotor 15 weist im Gegensatz zu dem hier gezeigten schematisch dargestellten Rotor Dimensionen auf, die es erforderlich machen, die Windenergieanlage 1 auf einem Turm 18 anzuordnen. Dabei ist der Rotor 15 mit seinen Rotorblättern 4 der Windkraft ausgesetzt, die eine Rotorwelle 14 in Pfeilrichtung A in Rotation versetzt.
Die Rotationsfrequenz des Rotors 15 in einem Frequenzbereich von einigen Zehntel Hertz wird über ein Übersetzungsgetriebe 13, das in einer Gondel 19 zusammen mit dem nachgeschalteten Generator 16 und dem Frequenzumformer 17 angeordnet ist, auf eine deutlich höhere Rotationsfrequenz übersetzt. Das Übersetzungsgetriebe 13 kann dabei Rotationsfrequenzen einer Getriebeabtriebswelle 20 zwischen einigen 10 Hz und einigen 100 Hz erreichen und damit den Generator 16 antreiben. In Folge dieser Übersetzung kann die Getrie- beabtriebswelle 20 einen deutlich geringeren Durchmesser und damit ein geringeres Flächenträgheitsmoment aufweisen als die Rotorwelle 14.
Ferner kann eine Abbremsvorrichtung 3 mit einer Bremsscheibe 7 auf der Getriebeabtriebswelle 20 deutlich kleiner dimensioniert werden, als wenn eine derartige Abbremsvorrichtung im Bereich der Rotorwelle 14 angeordnet ist. Die Übersetzungswellen und Zahnräder des Übersetzungsgetriebes 13 müssen jedoch entsprechend dimensioniert werden, um die auf die Bremsscheibe 7 über die Bremsbacken 10 und 11 einwirkenden Bremsmomente der Abbremsvorrichtung 3 übertragen zu können. Dabei darf ein maximal zulässiges Torsionsmoment weder für die Getriebewellen noch für die Rotorwelle 14 nicht überschritten werden.
Um eine kurzfristige Notabbremsung für den Rotor 15 zu gewährleisten, ist ein Steuergerät 9 vorgesehen, das die Bremsmomente unter stufenweiser Erhöhung über die Bremsbacken 10 und 1 1 auf die Bremsscheibe 7 aufbringt. In einem Notfall, bei dem beispielsweise der Generator 16 ausfällt und die Drehzahl des Rotors 15 einen kritischen Wert wie beispielsweise 20 Umdrehungen pro Minute überschreitet, wird ein Abbremsverfahren eingeleitet. Dazu kann die Drehzahl des Rotors 15 bzw. der Rotorwelle 14m über einen Drehzahlsensor 21 einem Steuergerät 9 signalisiert werden. Das Steuergerät 9 weist eine Abbremssteuereinheit 8 auf, die wiederum über elektrisch steuerbare Ventile 6 und eine Hydraulikleitung 22 die Bremsbacken 10 und 1 1 unter stufenweise Erhöhung des Bremsmomentes der Drehscheibe 7 und ' damit den Antriebstrang 2 stufenweise abbremst, während gleichzeitig die Rotorblätter 4 des Rotors 15 auf eine in Ffeilrichtung B gedrehte Fahnenstellung verstellt werden.
Die Winkelgeschwindigkeit, mit der die Verstellung der Rotorblätter 4 möglich ist, liegt bei leistungsstarken Windenergieanlagen 1 mit entsprechend großen Rotorblättern 4 bei etwa 15° pro Sekunde, so dass von einer Betriebsstellung von 15° ausgehend die 90° Fahnenstellung nach 5 s (Sekunden) erreicht ist. Demgegenüber erfolgt selbst bei stufenweisem Aufbringen des Bremsmomentes das Aufbringen des vollen Bremsmomentes in deutlich kürzerer Zeitspanne At, wenn das Eigenschwingverhalten des Antriebstranges beim Abbremsvor- gang genutzt wird.
Die Zeitspanne At wird in Abhängigkeit von dem Kehrwert der niedrigsten Eigenfrequenz und dem Kehrwert der Anzahl der vorgesehenen Stufen bestimmt. Bei einer niedrigsten Eigenfrequenz fe = 2 Hz ergibt sich daraus bei einer Anzahl i von zwei Bremsmomentstufen eine Zeitspanne von At von 0,25 s, so dass in relativ kurzer Zeit das volle Bremsmoment anliegt, noch bevor die Rotorblätter 4 die endgültige Fahnenstellung erreicht haben. Der Bremsvorgang muss so schnell und zügig eingeleitet werden, um in Notfallsituationen, wie bei Ausfall des Generators erforderlich, zu verhindern, dass die oben erwähnte kritische Rotorwellendrehzahl von beispielsweise 20 Umdrehungen pro Minute überschritten wird, so dass trotz verkürzter Zeitspanne At keine Erhöhung und damit keine Überlast durch Torsionsmomente auftritt.
Figur 2 zeigt mit Figur 2A ein Zeigerdiagramm mit zwei Vektoren ΔΜτ und AM2, die als dynamische Restschwingungen bei einer zweistufigen Erhöhung des Bremsmomentes auftre- ten, wie es bereits einleitend erörtert wurde. Figur 2B zeigt dazu die Auslöschung der Restschwingungen innerhalb einer Eigenfrequenzperiode des Antriebstranges. Für diese zweistufige Abbremsung wird zunächst das halbe Bremsmoment einer einstufigen Vollbremsung aufgebracht und nach cot = p das volle Bremsmoment mit Hilfe der Bremsbacken an die Bremsscheibe angelegt, so dass sich die Restschwingungen, wie es Figur 2B zeigt, gegen- seitig auslöschen.
Figur 3 zeigt in Figur 3A ein Zeigerdiagramm mit drei Vektoren AM^ AM2 und AM3, die als dynamische Restschwingungen bei einer dreistufigen Erhöhung des Bremsmomentes auftreten und als Vektorpolygon ein Dreieck bilden. In Figur 3B wird dazu die Auslöschung der Restschwingungen innerhalb einer Eigenfrequenzperiode mit den drei Drehmomentstufen AM,, AM2 und AM3 gezeigt.
Figur 4 zeigt den zeitlichen Anstieg des Bremsmomentes M beim Aufbringen des Bremsmomentes in einer einzigen Stufe und vergleichsweise in zwei Stufen. Dazu zeigt die gestrichel- te Kurve den Anstieg des Bremsmomentes M bei Aufbringen derselben in einer einzigen Stufe und die durchgezogene Kurve zeigt vergleichsweise den zeitlichen Ablauf des Aufbringen des Bremsmomentes M in zwei Stufen unter Berücksichtigung der Eigenfrequenzperiode der des Antriebstrangs.
Figur 5 zeigt den Verlauf des Torsionsmomentes bei Aufbringen eines in Figur 4 gezeigten Bremsmomentes M. Dabei wird wieder die Torsionsmomentbelastung der Rotorwelle bei einem einstufigen Aufbringen des Bremsmoments mit der gestrichelten Kurve, und die Torsionsmomentbelastung bei dem Aufbringen eines Bremsmomentes in zwei Stufen mit der durchgezogenen Kurve gezeigt. Bei diesem Diagramm wird davon ausgegangen, dass bei 20 s der Notfall eintritt und innerhalb einer halben Eigenfrequenzperiode des Antriebstrangs das volle Bremsmoment wirksam ist.
Figur 6 zeigt in einem weiteren Maßstab den zeitlichen Verlauf des Torsionsmomentes bei zweistufiger Aufbringung des Bremsmomentes und nach Lösen der Abbremsvorrichtung, sobald der Rotor und die Rotorwelle zum Stillstand gekommen sind. Dazu wird bei dieser Simulation wieder zunächst von einem Betriebszustand ausgegangen, bei dem mit mehr als 600 Kilonewtonmeter der Antriebstrang belastet wird und der Generator nach etwa 20 s auf der Zeitachse ausfällt und die einstufige Aufbringung des Bremsmomentes als auch die zweistufige Aufbringung des Bremsmomentes kurz darauf nach etwa einer Viertelsekunde einsetzen.
Dabei zeigt Figur 6, dass die dynamische Belastung bei einstufiger Abbremsung deutlich höher ist, wenn die gestrichelte Kurve mit der durchgezogenen Kurve verglichen wird. Die durchgezogene Kurve zeigt dabei den Fall, wenn mit einer zweistufigen Erhöhung des
Bremsmomentes gearbeitet wird, wobei zunächst für die halbe Frequenzperiode der Eigenschwingung, nämlich für 0,25 s das halbe Bremsmoment angelegt wird und nach diesen 0,25 s das volle Bremsmoment aufgebracht wird. Dabei geht deutlich das Überschwingen, wie es die durchgezogene Kurve zeigt, zurück, so dass eine Überlastung des Antriebstranges selbst bei schwächerer Dimensionierung des Antriebstranges nicht auftritt. Sobald die Rotorblätter zum Stillstand gekommen sind und ihre Segel- bzw. Fahnenstellung erreicht haben, ist nach etwa 6 s der Bremsvorgang beendet und die Bremse kann wieder stufenweise gelöst werden. Bezuqszeichenliste
1 Windenergieanlage
2 Antriebstrang
3 Abbremsvorrichtung
4 Rotorblätter
5 Fahnenstellung
6 Steuerventil
7 Bremsscheibe 8 Abbremssteuereinheit
9 Steuergerät
10 Bremsbacke
1 1 Bremsbacke
12 Bremsscheibe 13 Übersetzungsgetriebe
14 Rotorwelle
15 Rotor
16 Generator
17 Frequenzumformer 18 Turm
19 Gondel
20 Getriebeabtriebswelle
21 Drehzahlsensor
22 Hydraulikleitung

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Abbremsen eines Antriebstranges (2) einer Windenergieanlage (1 ) mittels einer Abbremsvorrichtung (3), das folgende Verfahrensschritte aufweist,
Drehen von Rotorblättern (4) eines Rotors (15) in eine Fahnenstellung (5);
Ansteuern von elektrisch steuerbaren Steuerventilen (6), mittels einer Abbremssteuereinheit (8) in einem Steuergerät (9), wobei
die Steuerventile (6) mittels Bremsbacken (10, 11 ) Bremsmomente auf eine Bremsscheibe (7) der Abbremsvorrichtung (3) des Antriebstranges (2) unter stufenweiser Erhöhung der Bremsmomente in mindestens zwei Stufen aufbringen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als Steuerventile (6) elektrisch einstellbare Hydraulikventile eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei als Steuerventile (6) elektrisch einstellbare
Pneumatikventile eingesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abbremssteuereinheit (8) den Antriebstrang (2) in einer ersten Abbremsstufe mit einem halben zulässigen Bremsmoment beaufschlagt und in einer zweiten Abbremsstufe das volle zulässige Bremsmoment aufbringt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Abbremssteuereinheit (8) mindestens drei Abbremsstufen ausführt, wobei in einer ersten Abbremsstufe 1/3 des zulässigen Bremsmomentes, in einer zweiten Abbremsstufe 2/3 des zulässigen Bremsmomentes und in einer dritten Abbremsstufe das volle zulässige Bremsmomente aufgebracht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abbremssteuereinheit (8) für ein stufenweises Aufbringung eines Bremsmomentes mit einer Wertetabelle arbeitet, welche berücksichtigt, dass die zulässigen Torsionsmomente des Antriebstranges von dem Rotor bis zum Getriebe nicht überschritten werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in Abhängigkeit von einer niedrigsten Eigenfrequenz (fe) des Antriebstranges (2) die Abbremssteuereinheit (8) die Zeitdauer (At) des stufenweise Erhöhens des Bremsmomentes einstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zeitdauer ΔΙ des stufenweise Erhöhens des Bremsmomentes mit der Anzahl i der Stufen und der niedrigsten Eigenfrequenz fe mit nachfolgender Beziehung
At = 1/(f, - i)
ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Hochfahren der Windenergieanlage (1) Lastmomente eines Generators (16) stufenweise erhöht werden, so dass die Windenergieanlage (1 ) nicht unter voller Generatorlast hochgefahren wird.
10. Verfahren zum Lösen einer Abbremsvorrichtung (3) eines Antriebstranges (2) einer Windenergieanlage (1 ), das folgende Verfahrensschritte aufweist,
- Ansteuern von elektrisch steuerbaren Steuerventilen (6), mittels einer Abbremssteuereinheit (8) in einem Steuergerät (9), und
- stufenweises Vermindern von Bremsmomenten auf eine Bremsscheibe (7) des Antriebstranges (2) mittels der Steuerventile (6) über Bremsbacken (10, 11 ) bis zur völligen Freigabe der Bremsscheibe (7).
Windenergieanlage mit einer Abbremsvorrichtung (3), wobei in einem Antriebstrang (2) aus Rotor (15), Rotorwelle (14) und Übersetzungsgetriebe (13) die Abbremsvorrichtung (3) nach dem Übersetzungsgetriebe (13) angeordnet ist, und mindestens eine Bremsscheibe (7) mit Bremsbacken (10, 11 ) aufweist, wobei die Bremsbacken (10, 1 1 ) mittels Federn in Offenstellung gehalten sind und für einen Abbremsfall in eine Schließstellung gepresst werden, und wobei ein Steuergerät (9) der Windenergieanlage (1 ) elektrisch steuerbare Steuerventile (6) in einem Abbremsfall aktiviert, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass das Steuergerät (6) eine Abbremssteuereinheit (8) aufweist, die eine stufenweise Erhöhung eines Bremsmomentes für die Bremsscheibe (7) in Abhängigkeit von einer zulässigen Drehmomentbelastbarkeit des Antriebstranges (2) steuert. Windenergieanlage nach Anspruch 10, wobei die Abbremsvorrichtung (3) zur Steuerung des Bremsmomentes für die Bremsscheibe (7) elektrisch steuerbare Hydrauliksteuerventile aufweist.
Windenergieanlage nach Anspruch 10, wobei die Abbremsvorrichtung (3) zur Steuerung des Bremsmomentes für die Bremsscheibe (7) elektrisch steuerbare pneumatische Steuerventile aufweist.
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