Bei der Windrichtungsnachführung des Maschinenhauses liefert ein Betriebswind- Meßsystem einen Mittelwert für die Windrichtung über einen gewissen Zeitraum, z. B. 10 Sekunden. Dieser Mittelwert wird immer wieder mit der momentanen Azimutposition des Maschinenhauses verglichen. Sobald eine Abweichung einen bestimmten Wert überschreitet, wird das Maschinenhaus entsprechend nach- gestellt, so daß die Windrichtungsabweichung des Rotors, der Gierwinkel, möglichst gering ist, um Leistungsverfuste zu vermeiden. Wie eine Windrichtungsnachführung bei bekannten Windenergieaniagen durchgeführt wird, ist in"Windkraftanlagen", Erich Hau, 2. Auflage, 1995, Seite 268 ff. bzw. 316 ff. beschrieben.

Bei bisher bekannten Windenergieanlagen übernimmt eine motorische Windrich- tungsnachführung des Maschinenhauses, das Azimutverstellsystem, die Aufgabe, den Rotor und das Maschinenhaus automatisch nach der Windrichtung auszurich- ten. Funktionell gesehen ist die Windrichtungsnachführung eine selbständige Baugruppe. Vom konstruktiven Standpunkt aus betrachtet, bildet sie den Übergang des Maschinenhauses zum Turmkopf. Ihre Komponenten sind teils im Maschinen- haus, teils in den Turmkopf integriert. Das Gesamtsystem der Windrichtungs- nachführung besteht aus den Komponenten Stellantrieb, Haltebremsen, Ver- riegelungseinrichtung, Azimutlager und Regelungssystem. Diese Komponenten arbeiten wie folgt : Für den Stellantrieb gibt es ähnlich wie für den Rotorblattverstellantrieb die Alternative hydraulisch oder elektrisch. Beide Ausführungen sind bei Windenergie- anlagen üblich. Kleine Anlagen verfügen meistens über ungeregelte elektrische Antriebsmotoren. Bei großen Anlagen sind die hydraulischen Stellantriebe in der Überzahl.

Um zu vermeiden, daß das Giermoment um die Drehachse nach erfolgter Nachfüh- rung von Antriebsmotoren gehalten werden muß, ist eine Drehhemmung oder eine Gierbremse erforderiich. Anderenfalls wäre die Lebensdauer der Antriebsaggregate oder der vorgeschalteten Getriebe kaum zu gewährleisten. Kleine Anlagen begnügen sich meistens mit einer Drehhemmung im Azimutlager, für größere Anlagen sind mehrere lösbare Haltebremsen bekannt. Diese greifen auf einen Bremsring an der Innenseite des Turms oder umgekehrt an einem Ring am Maschinenhaus an. Wäh- rend des Nachführvorgangs sind eine oder zwei Azimutbremsen im Eingriff, um die erforderliche Dämpfung der Verstelidynamik zu gewährleisten. Der Stellantrieb muß dabei so ausgelegt werden, daß er gegen diese Reibungsdämpfung nachführen kann. Das Azimut-oder Turmkopflager wird regelmäßig als Wälzlager ausgeführt.

In Figur 7 ist eine Teilschnittansicht eines bekannten Windrichtungsnachführungs- systems mit elektrischem Stellantrieb der Westinghaus WTG-0600 dargestellt.

Während des Betriebs einer Windenergieanlage mit turbulenten Winden treten-in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors-sehr hohe Kräfte und damit verbundene hohe und häufige Lastspitzen in den Azimutantrieben auf.

Wenn mehr als ein Azimutantrieb vorgesehen ist, kommt es zusätzlich zu einer sehr hohen Unsymmetrie in den einzelnen Antrieben. Diese Antriebe haben eine Über- setzung mittels eines Getriebes von ca. 15.000. Kleinste Abweichungen in der Ver- zahnung am Umfang des Trumlagers führen sofort zu sehr starken Unsymmetrien, wenn mehr als ein Antrieb, z. B. vier Azimutantriebe, am Umfang des Trumiagers mit integrierter Verzahnung angebracht ist. Wegen der hohen Getriebeübersetzung entsprechen diese kleinen Abweichungen auf der Eingangsseite des Antriebs bis zu 15 bis 20 Umdrehungen auf der Ausgangsseite.

Das bedeutet im Ergebnis, daß während und nach jedem Verdrehvorgang des Ma- schinenhauses die gesamte Last und das gesamte Drehmoment gleichzeitig auf ein- zelne Antriebe, wenn möglich, gleichmäßig verteilt werden muß. Zusätzlich sollen die Antriebe bei starken Azimutlasten während der Stillstandszeiten bei zu hohen Lasten nachgeben und eine leichte Drehung des Maschinenhauses ermöglichen, damit sich eine entsprechende Entlastung einstellen kann.

Ferner treten während der Windnachführung des Maschinenhauses der Windener- gieanlage bei starken Turbulenzen auch entsprechend hohe Drehmomente auf. Die- se regen die Azimutantriebe derart an, daß die Motoren gegeneinander schwingen.

Die Getriebe mit ihrem sehr hohen Übersetzungsverhältnis reagieren dabei wie eine Feder und große Drehmomentschwankungen der einzelnen Antriebe sind die Folge.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den Azimutantrieb für Windenergieanlagen zu ver- bessern, so daß die vorstehend genannten Probleme beseitigt werden, eine konstruktiv einfachen Azimutantrieb zu schaffen, eine gleichmäßige Lastenver- teilung für jeden Azimutantrieb zu gewährleisten und unerwünschte Drehmoment- schwankungen der einzelnen Antriebe zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird eine Windenergieanlage nach Anspruch 1 vorgeschlagen.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die erfindungsgemäße Windenergieanlage mit einem Maschinenhaus, das einen Rotor mit wenigstens einem Rotorblatt aufnimmt, zeichnet sich dadurch aus, daß die Verstelleinrichtung zur Verstellung des Maschinenhauses gemäß der jeweiligen Windrichtung als Azimutantrieb mindestens einen Drehstrom-Asynchronmotor aufweist, der während der Verstellung des Maschinenhauses mit Drehstrom und während der Stillstandszeit des Maschinenhauses zeitweise oder vollständig mit Gleichstrom beaufschlagt wird.

Nach dem Verstellvorgang mittels Drehstrom wird die Motoren abgeschaltet und erzeugt somit kein Drehmoment mehr. Um nunmehr auch für eine Bremswirkung des Antriebsmotors zu sorgen und während der Stillstandszeit beim Auftreten von Lastspitzen noch ein ausreichendes Bremsmoment zu erhalten, wird der Drehstrom- Asynchronmotor unmittelbar nach der Trennung vom Drehstromnetz mit einem Gleichstrom beaufschlagt. Dieser Gleichstrom erzeugt ein stehendes Magnetfeld in den Asynchronmotor, der damit sofort abgebremst wird. Die Gleichstromversorgung bleibt möglichst während der gesamten Stillstandszeit bestehen.

Zur Unterdrückung von unerwünschten Drehmomentschwankungen wird erfin- dungsgemäß eine Drehmomentkontrolle vorgesehen. Die Abbremsung des Drehstrom-Asynchronmotors kann linear mit Hilfe der Höhe des Gleichstroms eingestellt werden. Damit ergibt sich eine einfache Drehmomentkontrolle für die Azimutantriebe von Windenergieanlagen während des eigentlichen Stillstandes.

Ferner werden, wenn die Verstelleinrichtung mehrere Drehstrom-Asynchronmotoren aufweist, die Drehstrom-Asynchronmotoren mit Hilfe eines Stromtransformators in Gegenkopplung gekoppelt, so daß der einzelne Antrieb stabilisiert ist und der bislang unerwünschte Federeffekt unterdrückt wird.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeich- nungen näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Anordnung von vier Azimutantrie- ben einer Verstelleinrichtung am Maschinenhaus ; Fig. 2 eine Drehmoment/Drehzahl-Kennlinie eines Drehstrom- Asynchronmotors ; Fig. 3 die Kennlinie eines Drehstrom-Asynchronmotors im Gleichstrombetrieb ; Fig. 4 eine alternative Darstellung zur Fig. 3 ; Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Stromtransformatorkopplung von zwei Asynchron-Azimutantrieben ; Fig. 6 Schaltbild für einen Azimutmotor Fig. 7 Teilschnittansicht einer bekannten Windrichtungs- nachführung mit elektrischem Stellantrieb.

Windenergieanlagen haben in der Regel für die Windrichtungsnachführung einen aktiven Antrieb. Dieser verdreht den Maschinenkopf der Windenergieanlage so, daß die Rotorblätter des Rotors in Richtung des Windes optimal ausgerichtet werden.

Der aktive Antrieb für die Windrichtungsnachführung ist ein Azimutantrieb 1 mit dem zugehörigen Azimutlager 2 und befindet sich in der Regel zwischen dem Turm- kopf und dem Maschinenhaus. Bei kleinen Windenergieanlagen genügt ein Azimut- antrieb, größere Windenergieanlagen sind in der Regel mit mehreren Antrieben, zum Beispiel vier Antrieben, wie in Figur 1 dargestelit. Die vier Antriebe 1 sind gleichmäßig über dem Umfang des Turmkopfes 3 verteilt (auch eine ungleichmäßige Verteilung ist möglich).

Während des Betriebs einer Windenergieanlage mit turbulenten Winden treten-in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Rotors-sehr hohe Kräfte und damit verbundene hohe und häufige Lastspitzen in den Azimutantrieben auf.

Wenn die Verstellrichtung zur Verstellung des Maschinenkopfes mehr als einen Azimutantrieb 1 aufweist, kommt es zusätzlich zu einer sehr hohen Unsymmetrie in den einzelnen Antrieben 1. Diese Antriebe haben ein Übersetzungsgetriebe 4 (Getriebe ; nicht dargestellt) mit einer Übersetzung von ca. 15.000. Kleinste Abweichungen in der Verzahnung der Übersetzungsgetriebe am Umfang des Turm- lagers führen sofort zu sehr starken Unsymmetrien, wenn mehr als ein Antrieb, am Umfang des Turmlagers mit integrierter Verzahnung angebracht ist. Wegen der hohen Getriebeübersetzung entsprechen diese kleinen Abweichungen auf der Eingangsseite des Antriebs bis zu 1 5 bis 20 Umdrehungen auf der Ausgangsseite.

Das bedeutet, daß während und nach jedem Verdrehvorgang des Turmkopfes die gesamte Last/Drehmoment gleichmäßig auf einzelne Antriebe verteilt werden muß.

Zusätzlich sollen die Antriebe bei starken Azimutlasten während der Stillstands- zeiten-des Turmkopfes-bei zu hohen Lasten nachgeben und eine leichte Drehung des Maschinenkopfes ermöglichen.

Jeder Azimutantrieb 1 weist einen eigenen Motor 5 auf und die Motoren sind un- tereinander verschaltet und werden gemeinsam gesteuert. Wenn während der Wind- nachführung des Maschinenkopfes der Windenergieanlage-verursacht durch starke Turbulenzen-starke Drehmomente auftreten, regen diese Drehmomente die Azimutantriebe an, daß die Motoren gegeneinander schwingen oder zu Schwingun- gen neigen. Die Getriebe 4 mit ihrem sehr hohen Übersetzungsverhältnis reagieren dabei wie eine Feder, was große Drehmomentenschwankungen der einzelnen An- triebe zur Folge hat.

Zur gleichmäßigen Aufteilung der Lasten während der Zeit, in der das Maschinen- haus nicht verdreht wird, zu gewährleisten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, ais Antriebsmotoren zum Azimutantrieb einen Drehstrom-Asynchronmotor als Asynchron-Antriebsmaschine einzusetzen. Deren Drehmoment/Drehzahl-Kennlienie ist in Figur 2 dargestellt. MA bedeutet Anfangsdrehmoment, MK bedeutet Kipp- moment.

Nach dem Versteilvorgang des Maschinenhauses werden die vier Drehstrom- Asynchron-Motoren (ASM) abgeschaltet und erzeugen somit kein Drehmoment mehr. Um die Motoren gleichmäßig abzubremsen und auch danach noch ein Brems- moment zu erhalten, werden die Motoren umgehend nach der Trennung vom Dreh- stromnetz, möglichst sofort, mit einem Gleichstrom beauftragt (siehe Figur 6a).

Dieser Gleichstrom erzeugt ein stehendes Magnetfeld in den Motoren (Asyn- chronmaschine), die damit sofort abgebremst werden. Diese Gleichstromversorgung bleibt möglichst während der gesamten Stillstandzeit bestehen und kann in der Amplitude geregelt werden.

Nach dem Verstellvorgang werden die ASM-Antriebe mittels einer Regeleinrichtung -in Figur 6b-mit einem geregelten Gleichstrom versorgt. Langsame Drehbewegun- gen des Turmkopfes, die durch unsymmetrische Windböen verursacht werden, werden durch einen kleinen Gleichstrom (ca. 10% vom Nennstrom) nur gedämpft, aber zugelassen. Schnellere Drehbewegungen werden durch einen angepaßten höheren Gleichstrom, und damit höheren Bremsmoment, vermieden. Bei sehr schnellen Drehbewegungen wird der Gleichstrom bis auf den Nennstrom des Motors angehoben.

Die Drehmomenten/Drehzahl-Kenniinie eines Asynchronmotors im Gleichstrombe- trieb ist in Figur 3 dargsteilt. Der Antriebsmotor erzeugt mit der Gieichstrommagne- tisierung im Stillstand kein Drehmoment. Aber mit steigender Drehzahl-bis etwa 6 % der Nenndrehzahl-steigt das erzeugte Drehmoment linear an und das symetrisch in beide Drehrichtungen. Gemäß dieser Kennlinie wird die auftretende Last auch gleichmäßig auf alle Azimutantriebe verteilt und es stellt sich passiv immer ein Gleichgewicht ein.

Zur Drehmomentkontrolle der Azimutantriebe kann die Steilheit der Bremskurve linear mit der Höhe des Gleichstroms eingestellt werden. Dies ist in Figur 4 dargestellt. Damit ergibt sich eine einfache Drehmomentkontrolle für die Azimut- antriebe von Windenergieanlagen während des eigentlichen Stillstandes.

Ferner ist es sinnvoll, die einzelnen Motoren der Azimutantriebe mit Hilfe eines Stromtransformators zu koppeln. Dies ist in Figur 5 gezeigt. ASM bedeutet hierbei Asychronmaschine. Eine solche einfache dargestellte Gegenkoppelung stabilisiert die Antriebe.

Figur 7 zeigt eine Teilschnittansicht einer bekannten Windrichtungsnachführung mit elektrischem Stellantrieb, wie sie aus Erich Hau,"Windkraftanlagen"Springer- Verlag Berlin Heidelberg 1996, Seiten 268-271 bekannt ist.