DE102010009857A1

DE102010009857A1 - Verfahren zum Abbremsen einer Windenergieanlage und Abbremsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102010009857A1
Application number: DE102010009857A
Authority: DE
Inventors: Christian Eitner; Friedmar Dresig; Boris Buchtala
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2010-03-02
Publication date: 2011-09-08
Also published as: WO2011107208A2; WO2011107208A3

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

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abbremsen einer Windenergieanlage und eine Abbremsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Dabei werden zunächst Rotorblätter eines Rotors in ihre Fahnenstellungen gedreht. Eine Abbremssteuereinheit in einem Steuer gerät 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 werden, 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 Betriebszustand, bei dem z. B. eine für die Regelung benötigte Sensorik ausgefallen ist, zu vermeiden. Der gesamte Notabbremsvorgang 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 betragen 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 Welle, 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 mechanischen 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 Abbremsvorrichtung 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 elektrisch steuerbare Steuerventile in der Weise, dass Bremsmomente auf eine Bremsscheibe der Abbremsvorrichtung eines Antriebstranges unter stufenweiser Erhöhung der Bremsmomente 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 Überschwingen, 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 Überschwingen 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 dynamischen 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 Restschwingung 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 T_max = 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 t_i, ihre Größe mit ΔM_i und die relevante Eigenkreisfrequenz mit ω₀ bezeichnet werden. Damit ergibt sich die dynamische Restschwingung zu:
wobei τ_i = ω₀·t_i die Phasenlage und ΔM_i 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 2 zeigt, in der komplexen Zahlenebene dargestellt werden. Der Zeiger der resultierenden Schwingung ergibt sich als Vektoraddition der Teilschwingungen und die resultierende Restschwingung hat die gleiche Frequenz wie die Teilschwingungen.
Der Bremsvorgang wird nun mit Hilfe der Ansteuerungseinheit so eingestellt, dass die resultierende Restschwingung T = 0 wird. In dem Zeigerdiagramm der 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 3 für drei Stufen zeigt. Wenn der Bremsvorgang lediglich über zwei Momentstufen realisiert wird, wie es 2 zeigt, bedeutet dies, dass die Bremsmomentstufe die gleiche Amplitude und eine Phasendifferenz von einer halben Schwingung mit τ₁ = 0 und τ₂ = π hat. Damit ist die Bedingung T = 0 mit ΔM₁ = ΔM₂ erfüllt. Es ergeben sich somit für zwei Bremsmomentstufen einerseits ΔM₁cosτ₁ + ΔM₂cosτ₂ = 0 und andererseits ΔM₁sinτ₁ + ΔM₂sinτ₂ = 0.
Dieses Prinzip der Auslöschung der Restschwingung und der Vektoraddition werden in den Zeigerdiagrammen der 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 erfasst 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/t_p < 0,2 relevant, wobei t die Ansprechdauer beispielsweise der Hydraulik und t_p 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, Servoventile 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 (f_e) des Antriebstranges von der Abbremssteuereinheit die Zeitdauer (Δt) des stufenweise Erhöhens des Bremsmomentes eingestellt.
Dabei wird die Zeitdauer Δt des stufenweise Erhöhens des Bremsmomentes mit der Anzahl i der Stufen und der niedrigsten Eigenfrequenz f_e mit nachfolgender Beziehung Δt = 1/(f_e·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 Abbremsvorrichtung 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 Abbremsvorrichtung 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 Steuerventilen 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.
1 zeigt eine Prinzipskizze einer Windenergieanlage mit Bremsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt ein Zeigerdiagramm mit zwei Vektoren in 2A, die als dynamische Restschwingungen bei einer zweistufigen Erhöhung des Bremsmomentes auftreten. Mit 2B wird die Auslöschung der Restschwingungen innerhalb einer Eigenfrequenzperiode des Antriebstranges gezeigt.
3 zeigt ein Zeigerdiagramm mit drei Vektoren in 3A, die als dynamische Restschwingungen bei einer dreistufigen Erhöhung des Bremsmomentes auftreten. In 3B wird die Auslöschung der Restschwingungen innerhalb einer Eigenfrequenzperiode gezeigt.
4 zeigt den Anstieg des Bremsmomentes beim Aufbringen desselben in einer einzigen Stufe und vergleichsweise in zwei Stufen.
5 zeigt den Verlauf des Torsionsmomentes bei Aufbringen eines Bremsmomentes in einer einzigen Stufe und vergleichsweise in zwei Stufen.
6 zeigt in einem weiteren Maßstab den zeitlichen Verlauf des Torsionsmomentes bei zweistufigem Aufbringen des Bremsmomentes und nach Lösen einer Abbremsvorrichtung.
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 Getriebeabtriebswelle 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 11 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 11 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 Pfeilrichtung 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 Δt, wenn das Eigenschwingverhalten des Antriebstranges beim Abbremsvorgang genutzt wird.
Die Zeitspanne Δt wird in Abhängigkeit von dem Kehrwert der niedrigsten Eigenfrequenz und dem Kehrwert der Anzahl der vorgesehenen Stufen bestimmt. Bei einer niedrigsten Eigenfrequenz f_e = 2 Hz ergibt sich daraus bei einer Anzahl i von zwei Bremsmomentstufen eine Zeitspanne von Δt 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 Δt keine Erhöhung und damit keine Überlast durch Torsionsmomente auftritt.
2 zeigt mit 2A ein Zeigerdiagramm mit zwei Vektoren ΔM₁ und ΔM₂, die als dynamische Restschwingungen bei einer zweistufigen Erhöhung des Bremsmomentes auftreten, wie es bereits einleitend erörtert wurde. 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 ωt = p das volle Bremsmoment mit Hilfe der Bremsbacken an die Bremsscheibe angelegt, so dass sich die Restschwingungen, wie es 2B zeigt, gegenseitig auslöschen.
3 zeigt in 3A ein Zeigerdiagramm mit drei Vektoren ΔM₁, ΔM₂ und ΔM₃, die als dynamische Restschwingungen bei einer dreistufigen Erhöhung des Bremsmomentes auftreten und als Vektorpolygon ein Dreieck bilden. In 3B wird dazu die Auslöschung der Restschwingungen innerhalb einer Eigenfrequenzperiode mit den drei Drehmomentstufen ΔM₁, ΔM₂ und ΔM₃ gezeigt.
4 zeigt den zeitlichen Anstieg des Bremsmomentes M beim Aufbringen des Bremsmomentes in einer einzigen Stufe und vergleichsweise in zwei Stufen. Dazu zeigt die gestrichelte 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.
5 zeigt den Verlauf des Torsionsmomentes bei Aufbringen eines in 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.
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 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.
Bezugszeichenliste

1: Windenergieanlage
2: Antriebstrang
3: Abbremsvorrichtung
4: Rotorblätter
5: Fahnenstellung
6: Steuerventil
7: Bremsscheibe
8: Abbremssteuereinheit
9: Steuergerät
10: Bremsbacke
11: Bremsbacke
12: Bremsscheibe
13: Übersetzungsgetriebe
14: Rotorwelle
15: Rotor
16: Generator
17: Frequenzumformer
18: Turm
19: Gondel
20: Getriebeabtriebswelle
21: Drehzahlsensor
22: Hydraulikleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1020040570729 A1 [0002]

Claims

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.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Steuerventile (6) elektrisch einstellbare Hydraulikventile eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei als Steuerventile (6) elektrisch einstellbare Pneumatikventile eingesetzt werden.
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.
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.
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 vor einer niedrigsten Eigenfrequenz (f_e) des Antriebstranges (2) die Abbremssteuereinheit (8) die Zeitdauer (Δt) des stufenweise Erhöhens des Bremsmomentes einstellt
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zeitdauer Δt des stufenweise Erhöhens des Bremsmomentes mit der Anzahl i der Stufen und der niedrigsten Eigenfrequenz f_e mit nachfolgender Beziehung Δt = 1/(f_e·i) ermittelt wird.
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.
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, 11) 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, dadurch gekennzeichnet, 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.