Beschreibung

Elektrische Antriebsvorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .

In einer Vielzahl industrieller Anlagen werden elektrische Antriebe zum Bewegen und Positionieren von Maschinenelementen eingesetzt. Bei Wind- kraftanlagen mit Pitchregelung sind an einer Rotornabe Rotorblätter drehbar befestigt. Der Anstellwinkel der Rotorblätter wird zum Zweck der Leistungsregulierung im Betrieb laufend angepasst. Neben hydraulischen Antrieben werden dazu vermehrt elektrische Antriebe eingesetzt. Ein bewährtes Konzept ist die Verwendung von Gleichstrommotoren. Diese können im Fall einer Betriebsstö- rung direkt mit einer Gleichstromquelle, z.B. Akkumulatoren, verbunden werden, um die Rotorblätter in eine Fahnenstellung zu drehen. Nachteilig an solchen Gleichstrommotoren ist die Verwendung von einem Kommutator und Bürsten, die im Regelbetrieb schnell verschleißen. Die Bürsten müssen in regelmäßigen Intervallen ausgetauscht werden und erhöhen somit den Wartungsaufwand erheblich.

Durch den Einsatz von bürstenlosen Motoren versucht man eine höhere Verschleißfestigkeit zu erzielen. Ein solches Antriebskonzept für die Blattverstellung von Windkraftanlagen zeigt z.B. die DE 103 35 575 B4. Hier wird ein Asynchronmotor mittels eines Umrichters angesteuert. Ein elektrischer Notenergiespeicher stützt die Spannung des Zwischenkreises falls eine

Netzversorgung ausfällt.

Nachteilig ist, dass für bürstenlose Antriebe grundsätzlich ein elektronischer Antriebsregler benötigt wird. Die Leistungshalbleiter des Antriebsreglers können ausfallen oder z.B. durch überspannung beschädigt werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verschleißarmen und zuverlässigen elektrischen Antrieb anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Antriebseinheit mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Antriebseinrichtung mit einem bürstenlosen elektrischen Motor ausgestattet, der an seinem Versor- gungsanschluss mit einem frequenzvariablen Wechselstrom ansteuerbar ist. Zusätzlich ist eine Gleichstromquelle vorhanden. Die Besonderheit der vorliegenden Erfindung ist es, dass der elektrische Motor als permanent erregter Synchronmotor ausgeführt ist, dass ein mechanischer Kommutator vorhanden ist, welcher mit einem Rotor des Synchronmotors gekoppelt ist und welcher in Abhängigkeit von einer Winkellage des Rotors einen Pol der Gleichstromquelle mit einem seiner Ausgangsleiter verbindet, und dass ein Schalter vorgesehen ist, über den die Ausgangsleiter des Kommutators mit dem Versorgungsanschluss des Synchronmotors verbindbar sind. Auf diese Weise kann der Synchronmotor zum Einen durch Ansteuerung seines

Versorgungsanschlusses mit Wechselstrom betätigt werden und zum Anderen - bei Notbetrieb - durch Zuführen eines Gleichstroms von der Gleichstromquelle gefahren werden. Der mechanische Kommutator ist eine äußert robuste Komponente, die bei überspannungen - z.B. bei Blitzeinschlägen in die Windkraftanlage - nicht beschädigt wird. Die Ansteuerung des Notbetriebs ist äußert einfach und zuverlässig. Es wird lediglich die Verbindung zwischen dem Kommutator und dem Versorgungsanschluss des Synchronmotors über den Schalter hergestellt. Die Verwendung des permanent erregten Synchronmotors und die Ankopplung des Kommutators an dessen Rotor gewährleistet ein Anlaufen des Rotors sobald eine elektrische Verbindung zwischen der Gleichstromquelle über den Kommutator an den Versorgungsanschluss des Synchronmotors besteht. Im Normalbetrieb führt der Kommutator keinen Strom. Daher ist die Abnutzung der Bürsten gegenüber einem herkömmlichen Gleichstrommotor stark reduziert. Die Abnutzung lässt sich sogar noch weiter reduzieren indem der Kommutator mechanisch wirkungslos geschaltet wird.

Weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den

Unteransprüchen angegeben.

Eine hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit bei dem Anfahren einer sicheren Position lässt sich erzielen, wenn der Schalter elektrisch ansteuerbar ist und wenn dieser bei Beaufschlagung mit einem Ansteuerstrom trennt. Dies bedeutet umgekehrt, dass bei Ausfall eines Ansteuerstrom die Verbindung zwischen dem

Kommutator und dem Versorgungsanschluss des Synchronmotors hergestellt ist und der Synchronmotor ein angetriebenes Maschinenelement - z.B. ein Rotorblatt - in eine sichere Position verfährt.

Eine Antriebseinheit mit hohem Wirkungsgrad und ausgereifter, kostengünstiger Technik erhält man durch Verwendung eines dreiphasigen Drehstrommotors in

Verbindung mit einem Kommutator mit drei Ausgangsleitern .

Vorzugsweise ist durch die Anordnung aus Kommutator und Rotor eine Drehrichtung bei Gleichstrombetrieb vorgebbar. Dies erlaubt es die Bewegungsrichtung im Notbetrieb zuverlässig festzulegen. Dazu wird der Kommutator so an den Rotor gekoppelt, dass das im Stator erzeugte Drehfeld der Winkellage des Rotors in der jeweiligen Bewegungsrichtung mit einem bestimmten Versatz aber mit der gleichen Geschwindigkeit voraus läuft. Das Vorzeichen des Versatzes und damit die Drehrichtung kann über die Polung des dem Kommutator zugeführten Gleichstrom festgelegt werden. Um den Verschleiß an den Bürsten zu minimieren, sind diese vorzugsweise mittels einer Einrichtung von einem Schleifring des Kommutators abhebbar. Eine solches Abheben kann z.B. mittels eines Stellmagneten bewerkstelligt werden. Alternativ kann der Kommutator auch über eine schaltbare Kupplung vom Rotor des Synchronmotors abgekoppelt werden. Hier ist jedoch zu beachten, dass die Kupplung beim Einkoppeln eine vorgegebene Winkellage zwischen dem Rotor und dem Schleifring sicherstellt.

Nachfolgend werden die vorliegende Erfindung und deren Vorteile unter Bezugnahme auf das in der Figur dargestellte Ausführungsbeispiel näher erläutert. Figur 1 stellt den prinzipiellen Aufbau der elektrischen Antriebseinheit dar.

In Figur 1 ist eine elektrische Antriebseinrichtung 1 dargestellt. Mit dieser elektrischen Antriebseinrichtung 1 wird ein Maschinenbauteil bewegt bzw. positioniert. Insbesondere ist die elektrische Antriebseinrichtung 1 dazu geeignet, ein Rotorblatt einer Windkraftanlage um seine Achse zu drehen. Auf diese Weise kann der Blattanstellwinkel des Rotorblatts zur Regelung des Betriebszustands der Windkraftanlage verändert werden.

Die elektrische Antriebseinrichtung 1 wird im Normalbetrieb aus einem Wechselstromnetz 3 gespeist. Des Weiteren ist eine zusätzliche Energiequelle, die Akkumulatoreinheit 5, vorhanden um auch bei einem Ausfall des Wechselstromnetzes 3 die elektrische Antriebseinrichtung 1 betätigen zu können. Damit kann man das entsprechende Maschinenbauteil in eine sichere Position fahren.

So werden z.B. die Rotorblätter einer Windkraftanlage bei Ausfall des Wechselstromnetzes 3 in die Fahnenstellung gebracht.

Die elektrische Antriebseinrichtung 1 verfügt über einen Elektromotor 7. Dieser ist als permanent erregter Synchronmotor ausgeführt. Die Ansteuerung des Elektromotors 7 erfolgt über ein Antriebsregelgerät 9. Das Antriebsregelgerät 9 erzeugt eine variable Drehstromwechselspannung mit Hilfe eines Winkelsensors 1 1 , der an die Motorwelle 12 angekoppelt ist. über ein Trennschütz 14 sind die Ausgangsanschlüsse des Antriebsregelgerätes 9 mit dem Versorgungsan- schluss 16 des Motors verbunden. Des Weiteren ist die Motorwelle 12 mit einer elektrisch aufsteuerbaren Bremse 18 und mit einer Kommutatoreinheit 20 gekoppelt.

Die Kommutatoreinheit 20 besteht aus einem Schleifringträger 21 auf den ein Schleif ringmuster aufgebracht ist. Weiterhin sind mehrere Bürsten zur Kontak- tierung des Schleifringträgers 21 vorhanden. Zwei Bürsten 23 und 24 sind an die Pole der Akkumulatoreinheit 5 angeschlossen und dienen dazu, zwei voneinander isolierte, ringförmige Leiterbahnen 30 und 31 des Schleifringmusters mit einer Gleichspannung zu beaufschlagen. Mit dieser Gleichspannung werden wechselweise die Ausgangsanschlüsse U, V und W der Kommutatoreinheit 20 beaufschlagt. Die mit diesen Anschlüssen verbundenen Bürsten 25, 26 und 27 laufen auf einer Bahn zwischen den beiden Leiterbahnen 30 und 31.

Wechselweise ragen Vorsprünge der Leiterbahnen 30 und 31 in die Bahn der

Bürsten 25, 26 und 27 hinein und stellen somit periodisch einen elektrischen Kontakt zwischen den Polen der Akkumulatoreinheit 5 und den Ausgängen U, V und W der Kommutatoreinheit her.

Mit einer solchen Kommutatoreinheit 20 lässt sich das bei Ansteuerung mit Drehstrom üblicherweise im Synchronmotor 7 erzeugte, umlaufende Magnetfeld in 6 diskreten Schritten pro Periode darstellen. Die Abwicklung der Umfangsflä- che des Schleifringträgers 21 ist in der Figur 1 schematisch gezeigt. Die Bürsten 25, 26 und 27 sind umlaufend um den Schleifringträger 21 angeordnet. Die Anzahl der Vorsprünge ist auf die Polzahl des Synchronmotors 7 abge- stimmt. Die Gesamtzahl der Vorsprünge entspricht der Anzahl der Magnetpole des Synchronmotors. Je mehr Polpaare der Synchronmotor 7 aufweist, desto öfter muss die Bestromung der Anschlüsse U ₁ V und W während einer Umdrehung des Rotors des Synchron motors 7 wechseln. In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel ist die Kommutatoreinheit 20 für einen vierpoligen Synchronmotor 7 ausgelegt. Dementsprechend sind je Leiterbahn 30 und 31 jeweils zwei Vorsprünge vorhanden. Für einen zweipoligen Motor würde jeweils ein Vorsprung genügen. Der Rotor des Synchronmotors 7 und der Schleifringträger 21 sind so gekoppelt, dass das momentan im Synchronmotor 7 erzeugte Magnetfeld in den Umschaltpositionen des Kommutators um etwa einen Schritt zur Winkelposition des Rotors versetzt ist.

Weitere Komponenten der elektrischen Antriebseinrichtung 1 sind eine Sicherheitssteuerung 35 und ein weiteres Trennschütz 15. über das Trennschütz 15 kann eine Verbindung zwischen den Ausgangsanschlüssen U, V und W der Kommutatoreinheit 20 mit dem Versorgungsanschluss 16 des Elektromo- tors 7 hergestellt werden. Die Sicherheitssteuerung 35 ist über Steuerleitungen mit den Trennschützen 14 und 15 sowie mit der Bremse 18 verbunden. Des Weiteren kann die Sicherheitssteuerung 35 dazu dienen, elektromechanische Steller 36 anzusteuern, mit denen die Bürsten 23, 24, 25, 26 und 27 von dem Schleifringträger 21 abgehoben werden können. Die Sicherheitssteuerung 35 erhält auf der Signalleitung 40 ein Statussignal von dem Antriebsregelgerät 9.

Dieses Statussignal wird von einer herkömmlichen internen überwachungs-

Schaltung des Antriebsregelgerätes 9 erzeugt und zeigt an, ob das Antriebsregelgerät 9 ordnungsgemäß funktioniert. Insbesondere wird eine ordnungsgemäße Funktion der Leistungshalbleiter des Antriebsregelgerätes 9 angezeigt.

Im Normalbetrieb versorgt die Sicherheitssteuerung 35 das Trennschütz 14 mit einem Ansteuerstrom. Das Trennschütz 15 wird nicht angesteuert. Dadurch wird das Trennschütz 14 in der geschlossenen Stellung und das Trennschütz 15 in der offenen Stellung gehalten, wie in der Figur 1 dargestellt. Zusätzlich wird die Bremse 18 mit einem Ansteuerstrom versorgt, der ein Lösen der Bremse 18 bewirkt. Ein weiterer Ansteuerstrom ist dem elektromechanischen Stellern 36 der Bürsten zugeführt. Dieser Ansteuerstrom sorgt dafür, dass die

Bürsten von dem Schleifringträger 21 abgehoben sind. In diesem Normalbetrieb wird der Synchronmotor 7 durch das Antriebsregelgerät 9 mit elektrischer Energie versorgt. Die Bremse 18 ist ge ( löst. Die elektrische Verbindung zur

Kommutatoreinheit 20 über das Trennschütz 15 ist getrennt. Der Elektromotor 7 lässt sich also innerhalb einer Positionsregelung oder einer Geschwindigkeitsregelung entsprechend einem Vorgabesignal ansteuern.

Insbesondere findet im Normalbetrieb kein Stromfluss über die Kontaktstellen statt, an denen die Bürsten 23, 24, 25, 26 und 27 auf das Leiterbahnenmuster des Schleifringträgers 21 aufsetzen. Selbst wenn die Bürsten nicht abgehoben wären, so wäre der Verschleiß schon alleine dadurch stark reduziert. Da die

Bürsten 23, 24, 25, 26 und 27 gemäß diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich vom Schleifringträger 21 abgehoben sind, findet im Normalbetrieb keinerlei mechanischer Verschleiß statt.

Erfasst die Sicherheitssteuerung 35 den Ausfall des Antriebsregelgeräts 9 durch das ihr von dem Antriebsregelgerät 9 auf der Signalleitung 40 zugeführten Statussignal, so leitet sie einen Notbetrieb ein, in dem der Motor 7 in eine sichere Position gefahren wird. Beim Blattverstellantrieb einer Windkraftanlage ist diese typischerweise die Fahnenposition des Rotorblattes. Im Notbetrieb wird dem Trennschütz 15 ein Ansteuerstrom zugeführt. Trennschütz 14 wird nicht angesteuert. Infolgedessen trennt das Trennschütz 14 die elektrische

Verbindung zwischen dem Antriebsregler 9 und dem Versorgungseingang 16 des Elektromotors 7. Das Trennschütz 15 stellt eine Verbindung zwischen dem Versorgungsanschluss 16 und den Ausgängen U, V und W der Kommutatoreinheit 20 her. Außerdem entfällt die Bestromung der elektromechanischen Steller 36, sodass die Bürsten 23, 24, 25, 26 und 27 mit den Schleif ringmuster auf dem Schleifringträger 21 in Kontakt kommen. Die Bremse 18 bleibt zunächst gelöst.

Durch den Kommutator 20 werden bei geschlossenen Trennschütz 15 Statorwicklungen des Synchronmotors 7 mit der Gleichspannung der Akkumulatoreinheit 5 verbunden. Der Rotor des Synchronmotors 7 und das Statormagnetfeld weisen einen Winkelversatz auf, der ein Anlaufen des Rotors bedingt. Der Rotor nimmt den Schleifringträger 21 des Kommutators 20 bei seiner Drehbewegung mit. Im Synchronmotor 7 wird bei Drehung des Rotors ein dem Rotor in der jeweiligen Drehrichtung voranlaufendes schrittweise geschaltetes magnetisches Drehfeld erzeugt. Die Drehrichtung kann durch die Polarität der Akkumulatoreinheit 5 vorgegeben werden.

Im Notbetrieb wird also der elektrische Motor 7 durch die Akkumulatoreinheit 5 über den Kommutator 20 versorgt. Der Elektromotor 7 treibt die Motorwelle 12 in Richtung des Erreichens einer sicheren Position an. Bei Erreichen der sicheren Position kann ein Abschalten der elektrischen Antriebseinrichtung 1 auf einfache Weise durch einen Endschalter erfolgen. Nach Erreichen der sicheren Position wird die Bremse 18 mit der Motorwelle 12 in Eingriff gebracht. Dadurch wird die Motorwelle 12 in der sicheren Position festgesetzt.

Die Bremse 18 wird nach Beginn der Notbetriebsfahrt zunächst offen gehalten. Erst wenn die sichere Position - die Fahnenstellung im Beispiel der Windkraft- anläge - erreicht ist, wird die Bremse in Eingriff gebracht. Das Erreichen der sicheren Position wird durch einen Endschalter an die Sicherheitssteuerung 35 signalisiert, die daraufhin das Trennschütz 15 öffnet und die Bremse 18 in Eingriff bringt. Die Sicherheitssteuerung 35 könnte ebenso die Verbindung zwischen der Akkumulatoreinheit 5 und der Kommutatoreinheit 20 über ein

geeignetes Schaltschütz trennen oder die Bürsten 23 und 24 bzw. 25, 26 und

27 von dem Schleifringträger 21 abheben.

Der Notbetrieb wird beendet, wenn die Sicherheitssteuerung 35 nach erfolgter Fehlerbeseitigung ein fehlerfreies Antriebsregelgerät 9 feststellt. Infolgedessen wird der für den Normalbetrieb beschriebene Zustand der Trennschütze 14 und 15, der Bremse 18 und der elektromechanischen Steller 36 wieder hergestellt.

Damit ist der Elektromotor 7 wieder aus dem Antriebsregelgerät 9 ansteuerbar.

Die Sicherheitssteuerung 35 kann als eigene elektronische bzw. elektromecha- nische Baugruppe ausgeführt sein. Diese wird mittels des Statussignals des Antriebsregelgeräts 9 angesteuert. Die Sicherheitssteuerung kann jedoch auch in das Antriebsregelgerät 9 integriert sein.

Anstelle des Trennschützes 15, welches im angesteuerten Zustand schließt, kann ein Trennschütz verwendet werden, welches im angesteuerten Zustand offen ist. Dieses Trennschütz würde im Normalbetrieb bestromt und so offen gehalten. Ein solches Trennschütz würde im Notbetriebsfall selbst bei Ausblei- ben einer Stromversorgung für die Sicherheitssteuerung 35 die Verbindung zwischen dem Kommutator 20 und dem Synchronmotor 7 zuverlässig herstellen.

Die vorliegende Erfindung gibt eine elektrische Antriebseinrichtung an, die mit einem bürstenlosen permanent erregten Synchronmotor ausgestattet ist. Der permanent erregte Synchronmotor wird durch ein Antriebsregelgerät mit einem frequenzvariablem Wechselstrom angesteuert. Zusätzlich wurde die Möglichkeit geschaffen, den Elektromotor aus einer Akkumulatoreinheit direkt mit Gleichstrom anzutreiben. Dazu ist ein mechanischer Kommutator mit dem Rotor des Synchronmotors gekoppelt und ein Schalter vorgesehen, durch den die Ausgangsleiter des Kommutators mit dem Versorgungsanschluss des Synchronmotors verbunden werden können. Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit eine zuverlässigen Notbetriebsfahrt der elektrischen Antriebseinrichtung in eine sichere Position unter Verwendung einer Gleichstromquelle und einfachster, elektromechanischer Schaltmittel.

Bezugszeichenliste

1 Elektrische Antriebseinheit

3 Wechselstromnetz

5 Akkumulatoreinheit

7 Elektromotor

9 Antriebsregelgerät

11 Drehwinkelsensor

12 Motorwelle

14 Trennschütz

15 Trennschütz

16 Versorgungsanschluss

18 Bremse

20 Kommutatoreinheit

21 Schleifringträger

23 Bürste

24 Bürste

25 Bürste

26 Bürste

27 Bürste

30 Leiterbahn

31 Leiterbahn

35 Sicherheitssteuerung

36 Elektromechanische Steller

40 Statussignalleitung

U Ausgangsleiter

V Ausgangsleiter

W Ausgangsleiter