專利名稱：用于風力或水力發電站的能夠進行緊急操作的槳距驅動設備的制作方法
用于風力或水力發電站的能夠進行緊急操作的槳距驅動設備
背景技術：
本發明涉及一種能夠進行緊急操作以用于調整風力或水力發電站的轉子葉片槳距的槳距驅動設備。這種屬類的設備用于相對于一個轉子葉片的流動的空氣或水媒介來改變槳距角(槳距)，以便驅動一個能量產生設備，具體來說是驅動一個發電機?，F有技術已經披露了在機電驅動系統中使用DC和AC異步電動機(ASM)來調整風力或水力發電站的一個轉子的轉子葉片，這可以是依據旋轉速度來控制的。使用DC機器的原因在于，即使在控制電子設備和電力電子設備故障的情況下，它們也允許轉子葉片的能量移動到翼片位置，其中在電力系統故障的情況下，一個蓄能器組或電池組供應直流電壓。經常使用AC機器的原因在于，AC機器實際上無需維護并且具有成本效益，而且可以使高轉 矩的功率水平可供使用。作為一個原則的是，旋轉速度可以由電力電子設備控制的異步電動機在大多數情況下用作AC機器，其中所述電力電子設備通常包括一個整流器設備和一個逆變器設備，以及用于電動機繞組的PWM致動的一個控制設備。對于緊急操作模式，在許多情況下提供了替代的DC驅動器，這些DC驅動器在電源故障的情況下可以借助于直流電壓源來執行緊急移動。作為一個原則基于從旋轉速度傳感器或者位置傳感器測得的數據來控制旋轉速度。在傳感器故障的情況下，在v/f操作模式(電壓/頻率控制)中控制的ASM可以移動到安全位置，具體來說是移動到翼片位置。在DC和AC電動機類型中，即使在低直流電壓中間電路電壓的情況下也可以使場減弱以便允許高旋轉速度。場減弱模式意味著在旋轉速度增加時，驅動磁場的強度減弱，同時電流保持恒定。在此上下文中，可以輸出的轉矩也減小，因為轉矩是磁場與電流的乘積?，F有技術中存在若干缺點DC電動機非常昂貴并且需要大量維護。由于DC電動機的低功率密度，其質量慣性矩一般是高的。結果是，這些電動機不適合于動態應用，例如在換向模式中的連續個別葉片控制。AC機器具有的缺點在于，理論峰值轉矩隨著電壓的二次方而下降。由于在故障情況下小于400伏的低中間電路電壓VZK，AC機器必須針對低電壓進行配置，并且強制地帶動逆變器必須生成以供使用的一個高電流流動。這些缺點由如獨立權利要求I所述的設備解決。有利的發展是附屬權利要求的標的物。

發明內容
根據本發明，提出了一種能夠進行緊急操作以用于調整風力或水力發電站的轉子葉片的槳距驅動設備，該槳距驅動設備包括至少一個逆變器設備和一個三相電流驅動電動機。該三相電流驅動電動機被實施成一個永磁體激勵的三相電流IPM (內部永磁體式)同步電動機。IPM同步電動機具有一個轉子，該轉子配備有多個永磁體，這些永磁體埋入在轉子的內部中，該IPM同步電動機在下降的中間電路電壓的情況下，例如在一個三相電流電力系統供應的一個或兩個電力系統相故障、一個整流器的一個分支中的或逆變器的缺陷的情況下或者在借助于一個中間電路緊急操作直流電壓源的緊急操作的情況下，可以達到比具有被供應直流電流的一個移動的線圈轉子或SPM (表面附接永磁體)轉子的一個相當的常規同步電動機更高的轉矩。結果是，在下降的供應電壓的情況下，尤其在故障的情況下可以實現一個高轉矩，并且在故障的情況下可以實現轉子的快速緊急移動或調整。結果，轉子葉片調整設備的穩健性顯著增強，并且發電站的安全性得到改善。針對緊急操作模式，一個直流電壓能量存儲設備可以有利地實質上直接連接到位于一個整流器設備與該逆變器設備之間的一個直流電壓中間電路，以便至少短暫地將能量供應到該同步電動機，結果是即使當中間電路電壓Vzk正在下降，該IPM同步電動機也可以至少短暫地在旋轉速度控制下操作。因此，至少在緊急操作模式中，能量存儲設備可以將DC能量直接饋送到整流器設備與逆變器設備之間的中間電路中，并且同步電動機可以在旋轉速度控制下操作，只要能量存儲設備可以生成可供使用的能量即可。本發明是基于組合了多種不同優點的一個系統概念。一種有利的槳距驅動設備包括三個核心部件具有永磁體轉子的一個同步機器，該同步機器具有埋入的磁體并且充當 槳距驅動電動機；一個逆變器單元，該逆變器單元作為一個伺服功率逆變器；以及最后，一個直流電壓能量存儲設備，該直流電壓能量存儲設備作為備用能量存儲器，有利地包括多個高電容量電容器。直流電壓能量存儲設備直接耦合到整流器單元與逆變器單元之間的中間電路上，而無需例如現有技術中已知必須使用的隔離二極管。這意味著功率逆變器設備與能量存儲設備的中間電路的電壓水平Vzk是標稱上相同的。在電力系統供應故障的情況下，直流電壓能量存儲設備通常無法維持560V DC的中間電路電壓的高水平，結果是直流電壓Vzk可能隨著槳距驅動器的能量消耗以及存儲容量的能量消耗而下降到100V。在此情形中，常規的SPM (表面永磁體式)同步電動機只能不足夠地并且在窄限制內受到旋轉速度控制，這些電動機的轉矩經歷了一個嚴重的減小并且存在著槳距驅動器故障的高風險。同步電動機一般具有的優點是，定態轉矩只取決于可用的電動機電流，并且對可用電壓不具有任何依賴性，例如在復合繞組的情況下或者在異步機器中。根據本發明，同步電動機是具有埋入在內側上的多個轉子磁體的IPM (內部永磁體)同步電動機。IPM同步電動機具有高磁阻，結果是IPM同步電動機具有與磁阻電動機相似的性質。在此上下文中，由于埋入的磁體帶來的磁阻特性提供了兩個優點在低中間電路電壓的情況下機器的峰值功率高于配備有表面磁體的機器的峰值功率。此外，機器的磁阻效應可以用來在低旋轉速度下用大的轉矩儲備來控制機器而無需使用傳感器。因此，在旋轉信號產生器故障的情況下，葉片仍可以可靠地移動到翼片位置中。這個優點通過IPM電動機的以下性質而成為可能IPM同步電動機在縱向電感Ld與橫向電感Lq之間具有顯著的差異，其中作為一個原則Lq>Ld。Ld和流過它的電流Id描述磁場的場形成分量，并且Lq和Iq描述轉矩形成分量。由于此差異，在相對低旋轉速度的情況下以及在減小的電壓的情況下，如圖6中圖解說明的IPM電動機極為適合于使相對高的轉矩可供使用，并且適合于在無傳感器的情況下受到控制。在IPM設計的情況下，這些永磁體配合到轉子中的多個切口中，如圖5中圖解說明。結果是，可以實現一個小的機械氣隙，這導致對定子繞組的電感值的相對大的影響。由于這種永磁體安排，在轉子通量軸線的方向(d方向)上的有效氣隙大于q方向上的有效氣隙，結果，與q橫向軸線中的電感相比，d方向上的電感下降。機器的這種不對稱性(LcKLq)帶來一個額外的磁阻轉矩并且允許了上文提到的優點。根據本發明的設備、下文描述的有利發展以及先前的系統特征具有以下目的增加系統效率在換向期間產生的能量不會如先前制動斬波器(制動電阻器)的情況那樣轉換為熱，而是可以存儲在能量存儲單元中，優選一個電容器安排中。由于同步電動機、尤其是一個IPM (集成永磁體式)同步電動機的特殊特性，可以在給定一個對應的負載的情況下使電動機的功率耗用最小。
由于中間電路輸入電流的限制，可以通過能量存儲單元中存儲的能量來吸收必要的負載峰值。滑環上以及電力系統上的最大加載下降。功率損失減少，并且轉子滑環受到保護。由于這種設計帶來的同步電動機的低質量慣性矩，在驅動器的加速以及制動期間的損失可以減少。增加系統安全性由于在無傳感器的情況下控制同步電動機的可能性，至少在緊急操作模式中，SP使在旋轉信號產生器故障的情況下在非常低的旋轉速度下，槳距驅動設備也可以自動執行進入安全翼片位置的受控移動。當電力系統側電壓供應故障時，也可以使必要的輸出側功率/轉矩峰值可供使用。如果能量存儲單元故障，則仍然可以借助于一個有利的緊急制動電阻器單元來確保制動功能性。仍然可以執行進入翼片位置的受控緊急移動。概括來說，本發明允許在下降的中間電路電壓Vzk的情況下槳距驅動設備在旋轉速度控制下具有高轉矩的至少一個緊急操作模式，其中作為能量緩沖器的這種直流電壓能量存儲設備改善了效率，并且減少了經由轉子滑環的電流傳輸。根據一個有利發展，IPM同步電動機可以針對300到3000rpm的一個大的旋轉速度范圍來配置，其中在較低旋轉速度范圍中，尤其是在500rpm的一個額定旋轉速度的范圍中應當可以實現一個最佳效率。具體來說，在緊急移動的情況下，可以使用2500rpm或者更高的高旋轉速度來在短時間內將轉子葉片移動到翼片位置中。如果IPM同步電動機的磁阻轉矩是借助于逆變器設備的對應地修改的控制來利用的，那么IPM電動機在一個直流中間電路電壓的情況下具有的轉矩旋轉速度范圍大于具有安排在表面上的多個磁體(SPM表面永磁體)的一個相當的同步電動機的轉矩旋轉速度范圍。大的旋轉速度轉矩范圍的這種性質是有利的，尤其是對于用作轉子葉片驅動器而言，因為在緊急行程期間必須在短時間內使大的功率儲備可供使用，即，必須在高旋轉速度下使峰值力矩可供使用。通過IPM同步電動機而可供使用的場減弱模式的可能性允許即使在能量存儲設備(尤其是一個電容器安排)的中間電路電壓已經下降到一個低值(100到200V DC)的情況下也能夠利用一個大的轉矩/旋轉速度范圍。由于利用一個大電壓范圍的可能性，可以使能量存儲設備的存儲容量比使用常規槳距驅動電動機時的存儲容量更小。另一方面，有可能用一個非常大的轉矩來配置IPM同步電動機。大的轉矩常量意味著IPM同步電動機允許針對給定的電流流動產生一個大的轉矩。迄今為止，這個常量的量值是受到限制的，因為轉矩常量的增加會直接影響最大旋轉速度。如果例如在標準SPM (表面永磁體)同步電動機的情況下，轉矩常量增加40%，那么由于相對大的感應電壓，最大可能旋轉速度會下降大約40%。然而,如果在IPM電動機的建議的使用的情況下，高達30%的轉矩是源自于所謂的磁阻力矩的，該磁阻力矩對感應電壓不具有任何影響。如果如以上實例中的希望使轉矩常量增加例如40%，那么最大旋轉速度僅減少28%。結果，變得清楚的是由于IPM電動機的使用，可以針對一個對應的轉矩使功率耗用最小，并且確保了實現所希望的功率目標值(MmaxONniax)t5根據一個有利發展，該直流電壓能量存儲設備可以是一個高電容量電容器安排。該電容器安排可以實質上直接連接到中間電路，結果是整個中間電路電壓存在于這些電容器處。在轉子葉片的調整期間，連續的換向過程、即旋轉方向的頻繁反轉過程，典型地發生在同步電動機處，其結果是產生多個電壓峰值以及反饋再生能量或者制動能量。高電容量電容器安排能夠吸收再生能量或者電壓峰值，結果是再生能量或者電壓峰值不必如同迄今為止那樣通過一個制動電阻器來消除并且轉換為熱。這增加了系統的效率并且用以使能量最小。此外，對于轉子葉片驅動器的短暫的功率峰值而言這些電容器是可供使用的，并且因此使來自電力系統的功率流最小并且因此減輕將能量從固定短艙(gondola)傳輸到移動的 轉子軸中的系統滑環上的負載。在此上下文中，根據一個有利的發展，該直流電壓能量存儲設備可以針對100V DC到600V DC的一個中間電路電壓Vzk來配置。槳距驅動設備中的電能存儲設備具有以下功倉泛I.在電力系統側供應故障的情況下(高達20秒的時間范圍)，使能量可供使用來執行逆變器控制的緊急移動；2.供應短暫的功率峰值(超過4秒、至少3秒的時間范圍)；3.存儲在槳距驅動器被制動時發生的全部能量。(換向過程)。迄今為止，已知的能量存儲設備，優選為電容器安排僅僅是針對在I中指定的功能來配置的。這只涉及無源能量存儲器，即電池或蓄能器，這些無源能量存儲器僅在緊急行程期間作用，以便執行在I中指定的功能。這些已知能量存儲設備的電壓水平通常低于大約560V DC的標稱中間電路水平，并且所述設備因此借助于隔離二極管而受到保護以避免通過中間電路進行的不希望的充電，并且常常僅在緊急操作模式中連接至中間電路。此外，針對已知的能量存儲設備，一個分離的充電單元通常對于對備用蓄能器安排進行充電并且維持備用蓄能器安排的電荷來說是必要的。另外，存在能量存儲設備，其中執行電容器安排到中間電路的直接耦合以便執行在2.和3.中指定的功能，但這些并不丨兩足在I.中指定的功能。在此上下文中，明顯地針對大約100V的減小的中間電路電壓來配置這些電容器安排。以下是與先前的現有技術相比，有利的能量存儲設備、尤其是這種提出的電容器安排的特定特征能量存儲設備的標稱電壓是慣常的中間電路電壓VZK，具體來說是大約560V ；能量存儲設備實際上直接連接至中間電路；再生能量主要由能量存儲設備收集。中間電路電壓對應地增加，并且可以省卻制動電阻器；
在電力系統側電壓供應故障的情況下，能量存儲設備電壓、并且因此還有中間電路電壓可以從初始560V DC下降到150V DC ；允許緊急移動期間的這種電壓下降意味著電容器安排的電容可以是最小化的，因為在相對高電壓的情況下，可以用較小的電容存儲更多能量。與先前的“低電壓”配置相比，電容器安排的電容可以變小高達50倍，因此，可以實現非常大的成本節省。減小的電容要求使得能夠使用替代的具有成本效益的電容器技術來用于電容器安排，并且帶來了槳距驅動設備的成本的減少。根據一個有利的發展，該直流電壓能量存儲設備可以經由一個耦合單元、尤其是一個基于二極管的耦合單元而連接到中間電路以便抑制干擾電壓峰值，其中為了增加中間電路電容器的電容，該耦合單元優選可以包括至少一個另外的中間電路電容器。耦合單元確保切換損失可以由內部中間電路電容器涵蓋而不是由能量存儲設備來涵蓋，因為這提供了關于EMC (對電磁兼容性做出的要求)以及效率的優點。在此上下文中，耦合單元可以允許在Vf的電壓水平下能量存儲設備與中間電路的去耦，其中耦合，即電流流動僅在Vzk與能量存儲設備的電壓之間存在差異時且發生大于Vf的電壓差的情況下發生。由于基于二極管的耦合單元，能量存儲設備不會被電流紋波加載，只要中間電路電壓不下降到低于耦合單 元的部件特定值Vf即可。此外，耦合單元可以優選通過連接于中間電路的這些DC線之間的另外的中間電路電容器來擴展，其結果是，內部中間電路電容可以通過多個相應合適的電容器來擴展，以便進一步減小中間電路的電壓波動。替代地或者另外地，這種耦合單元可以包括一個電感電路，以便抑制高頻干擾并且使電流平滑，結果是能量存儲設備可以被較輕地加載以及卸載。還有可能的是在串聯電路中在中間連接一個齊納二極管電路或相當的電路，例如一個或多個齊納二極管，這些齊納二極管的齊納電壓Vz可以對應于例如電壓Vf。優選可以包括無源耦合單元中的以上組成元件的組合。根據一個有利的發展，耦合單元可以包括一個控制裝置和一個切換裝置，其結果是，至少一個充電電流Ie可以從直流電壓中間電路切換到直流電壓存儲設備。這個發展的耦合單元包括有源部件，這些有源部件可以用任何可能的組合連接到上述無源部件，并且可以切換至少該充電電流Ie。切換裝置可以是一個機電切換裝置，例如接觸器或繼電器，或者一個電子半導體切換裝置，例如IGBT (絕緣柵極雙極型晶體管)、功率FET或類似物?？刂蒲b置可以是一個電子控制電路、FPGA、微控制器或類似物。控制裝置可以接收來自外部監測和控制設備的切換命令，并且例如在緊急情況中、當中間電路電壓下降時、當驅動電動機正在啟動時、在電力系統故障、整流器設備處的缺陷或類似的情況下激活，即接通切換裝置，并且例如在正常操作模式中或者在IPM電動機的特殊負載范圍(其中在中間電路中發生高電流脈沖)期間停止激活該切換裝置。能量存儲設備的受控充電和/或中間電路的再生能量的受控吸收通過切換裝置的選擇性激活而成為可能?？刂蒲b置可以基本上用兩種不同方式激活切換裝置一方面借助于一種控制方法，例如用于借助于類似PWM的控制概念或類似物來控制充電電流Ie的閉合控制回路。另一方面，借助于基于外部控制信號對切換裝置的靜態激活/停止激活，例如通過一個高層級的槳距電動機控制設備。可以借助于首先提到的控制方法來使能量存儲設備的充電控制成為可能(對中間電路的恒定電流或恒定電壓的調整)。在其次提到的可能性的范圍內，有可能在每當再生能量從能量存儲器流回到中間電路中時便激活切換裝置，即閉合切換裝置。
可以類似于逆變器中的斬波器IGBT的常規控制來控制切換裝置。結果，可以將再生能量存儲在能量存儲器中，并且可以在再生階段(例如IPM電動機的發電機驅動的再生階段)結束之后將這能量供應回到電動機。可以在逆變器正在啟動時激活切換裝置。因此，切換裝置可以通過中間電路的預充電而允許并且幫助電動機的電流受限的啟動。在預充電過程期間，可以閉合切換裝置，并且在正常操作模式中，可以對能量存儲器進行再充電。結果是，可以帶來能量存儲設備與中間電路的可切換的耦合和去耦，并且因此能量存儲設備繼續受到保護免于在電動機操作期間發生的電流峰值。這允許能量存儲設備的使用壽命增加并且改善緊急情況運行能力。根據一個有利的發展，包括用于對直流電壓中間電路供應一個電源電流Im的一個耦合二極管的一個旁路分支可以與該切換裝置并聯連接，結果是一個供應電流Im可以與該切換裝置的切換狀態無關地流動。因此，只要中間電路的電壓Vzk小于能量存儲設備的電壓Vb,便可以用純無源方式對中間電路供應來自能量存儲設備的能量，而無需激活切換裝置， 結果是在無需主動介入的情況下整個設備的操作可靠性以及緊急情況運行能力增加?？刂蒲b置可以通過控制電流Ie來主動地控制能量存儲設備的充電，并且中間電路的緊急情況供應與切換裝置的切換位置無關地發生。根據一個有利的發展，至少該切換裝置可以是一個半導體切換裝置，并且連同逆變器設備的半導體切換裝置和/或整流器設備的半導體橋二極管一起集成在一個半導體功率模塊的一個殼體中，優選在一個IPM (集成功率模塊)殼體中。常規的IPM、尤其是DIP-IPM (雙列直插封裝IPM)不僅包括用于逆變器設備和/或整流器設備的多個功率半導體部件，而且包括例如用于制動斬波器的獨立的半導體切換裝置，其中這些半導體切換裝置可以至少部分地用作用于有源耦合單元的半導體切換裝置。因此可以實現緊湊并且有利的設計。根據一個有利的發展，逆變器設備可以包括一個場定向向量控制單元以用于在無傳感器的情況下控制同步電動機的旋轉速度，這個向量控制單元可以至少在一個操作模式中并且優選在該同步電動機的300到700rpm的一個較低旋轉速度范圍中、尤其是在500rpm的額定旋轉速度下執行旋轉速度控制。然而，應確保的是在緊急操作模式中，在無傳感器的情況下可以實現關于超過1500rpm、尤其是在2500rpm的范圍內的高旋轉速度的快速調整。一個向量控制單元可以執行IPM電動機的旋轉速度控制，尤其是在基于傳感器的控制器故障的情況下，例如在旋轉速度傳感器或旋轉角度傳感器故障的情況下?；旧?，旋轉速度無傳感器控制可以在所有操作模式中、即在未受干擾的正常操作模式中、在故障發生的情況下(故障操作模式)或者在緊急操作模式中控制同步電動機。這種無傳感器控制將優選地至少用在故障模式中，其中例如一個傳感器支持的控制器的一個或多個旋轉速度傳感器或旋轉角度傳感器故障，至少一個電力系統相故障，或者當在電力系統操作模式與自供電操作模式之間切換時等等。此外，無傳感器控制可以有利地帶來在具有高風力載荷的緊急操作模式中、在電壓供應故障的情況下等等將轉子葉片快速調整到翼片位置中。—般地，將向量控制理解為隨著電動機軸旋轉的空間向量的移動。它一般是基于來自電動機的控制回路的反饋以及測得的定子電流的連續變換。在向量控制的情況下，借助于所謂的d/q變換，在永磁體激勵的三相電流同步機器中，僅借助于定子電流的q分量來調整轉矩，并且d分量接近于零。如果在同步電動機的旋轉的D-Q場(借助于來自3相系統的d/q變換)中的定子流和定子電流是平行的，那么轉矩等于零。另一方面，在處于直角的空間向量的情況下，產生最大轉矩。在此情況下，勵磁器流以及穿過電樞的流彼此垂直，類似于直流電流機器。因此，這是控制的目標狀態。常規上，為了補償處于直角的空間向量，需要一個控制回路，這個控制回路具有反饋并且指示磁極輪的位置。這個反饋通常是借助于旋轉速度傳感器或編碼器(解算器、光學增量和絕對值傳感器，或電感式傳感器)來執行。所提出的無傳感器控制器可以通過返回測量在電動機中感應的相反電壓而以阻塞換相(PWM電動機致動)來實施。這個反饋在常規SPM電動機中尤其是在低速下缺點增加,但是尤其是在IPM電動機中可以非常有利地使用，如下文所解釋逆變器設備可以具有一個微控制器的經適配的控制軟件，這個微控制器控制換向過程(旋轉方向的反轉)，這個軟件一方面使得有可能控制該同步電動機(優選為IPM同步電動機)而無需傳感器，以及在正常操作模式期間利用磁阻轉矩來增加電動機的效率。另外，向量控制單元可以能夠借助于對應的場減弱而補償在緊急移動期間從500V以上(具體來說是560V)下降到300V以下(具體來說是200V)的電壓，以便繼續使必要的峰值功率在輸出側上可供使用。當然，同步電動機(具體來說是IPM同步電動機)具有大小不同的多個電 感Ld和Lq，并且具有所謂的磁阻轉矩。這些不同的電感可以用來在無傳感器的情況下操作電動機，即使在低旋轉速度下也是如此。在傳統的機器類型中，這僅對于高旋轉速度為可能的。在此上下文中，一個正弦注入電流被疊加于設定點電流上，這個注入電流的測量使得在驅動器中計算的技術控制觀察器可以估計當前旋轉速度。在此描述的IPM同步電動機尤其良好地適合于所描述類型的無傳感器控制。所使用并且以逆變器設備的軟件實施的電動機控制器可以有利地具有以下性質一般存在兩種影響電動機的轉矩的方式磁通量形成轉矩的電動機電流Iq。當控制AC電動機時，在磁通量與所謂的d電流Id以及形成轉矩的電流Iq之間存在著一種直接關系。獲得機器的總電流耗用如下/秦二 ///+ //隨著電動機的當前工作點(Mac;t，nac;t)(轉矩、旋轉速度)的變化使此電流值最小化是損失優化型控制器的功能。當控制優選的IPM同步電動機時，這種類型的控制因為其結構調節性質而尤其有利。這要求IPM同步電動機尤其在這里描述的應用中的場減弱操作的優良可能性。在緊急移動期間請求的旋轉速度比在操作期間的平均旋轉速度高兩到三倍。出于此原因，應當尤其針對低旋轉速度來配置電動機，但是電動機必須即使在兩倍到四倍速度(優選三倍速度)下也短暫地能夠操作(至少10秒以上，優選至少20秒)，以便能夠執行快速緊急移動。IPM電動機出于結構原因而極為良好地適合于這些要求，因為所述電動機具有埋入式磁體的穩固附接，并且因此允許高的超速，并且磁路在場減弱模式中以及在過載范圍中相對于去磁現象均是穩健的。由于q與d電感之間的較大差異，即使在低旋轉速度下也有可能執行電動機的無傳感器控制。為此目的，在低旋轉速度范圍中所謂的注入信號被施加于電動機電流上，借助于這個注入信號，技術控制觀察器可以基于結構上調節的磁不對稱性來檢測當前轉子位置。由于無傳感器控制的可能性，槳距驅動器可以至少在緊急移動中得到調整，并且在全負載的影響下移動到所謂的翼片位置，即使在旋轉速度傳感器故障的情況下也是如此。根據一個有利的發展并且由于先前的示例性實施方案，逆變器設備可以包括一個常規傳感器控制單元并且包括一個控制切換單元，這個傳感器控制單元連接到一個或多個機械旋轉速度傳感器(編碼器)上以用于控制同步電動機的旋轉速度，并且這個控制切換單元可以在用于在正常操作模式中的旋轉速度控制的傳感器控制單元與用于在緊急操作模式中的旋轉速度控制的向量控制單元之間切換。這種傳感器控制單元根據旋轉速度傳感器的測得的旋轉速度來控制逆變器設備的PWM切換過程，并且可以作為額外的槳距控制單元而優選地執行同步電動機在正常操作模式中的致動。這種控制切換單元可以自主地或根據請求在正常操作模式中起作用的常規傳感器控制單元與向量控制單元之間執行電動機控制的切換。這意味著如果在正常操作模式期間發生傳感器的故障，那么這個故障會報告給高層級的控制器或控制器切換單元，并且會發生進入無傳感器操作模式的自動切換。根據一個有利的發展，整流器設備可以包括一個電流控制單元以用于限制拾取的電力系統電流和/或用于直流電壓能量存儲設備、中間電路電容器以及逆變器設備的電流受控充電，其中在正常操作模式中，這個電流控制單元可以將中間電路電壓Vzk調整到一個可預設的值。整流器設備的完全受控輸入橋可以確保尤其在放電的直流電壓能量存儲設備·的情況下，可以將輸入電流限于一個最大可允許的值，其中在能量存儲設備的充電期間，可以限制電流流動以便防止過載情形。電流控制單元可以執行以下功能和任務將整個中間電路(逆變器、DC中間電路以及能量存儲設備)電流受控充電到具體來說為560V的標稱中間電路電壓Vzk ；將來自電力系統的最大功率耗用限制于一個可調整的值=Imax=K2 Inmi，其中K2=L . . 2 ；可以借助于預充電電路將中間電路電壓Vzk設定于一個可調整的值；如果發生電流控制單元的過載，那么可以短暫地激活一個有利的緊急制動電阻單
J Li o根據一個有利的發展，一個緊急制動電阻器單元可以按一種方式連接到直流電壓中間電路以使得這個緊急制動電阻器單元可以被激活以便使電能轉向而用于同步電動機的快速制動，其中可以尤其在一個增加的中間電路電壓Vzk的情況下激活這個制動電阻器單元。因此，在能量存儲設備發生故障或者電流控制單元中發生故障的情況下，仍可以執行電力系統支持的緊急移動，包括制動過程。


在附圖的當前描述中可以發現另外的優點。附解說明了本發明的多個示例性實施方案。附圖、描述以及權利要求書含有許多特征的組合。本領域的普通技術人員還將方便地分別考慮這些特征并且將這些特征組合以形成適當的其他組合。在附圖中圖I所示為根據本發明的槳距驅動設備的第一示例性實施方案；圖2所示為根據本發明的槳距驅動設備的第二實施方案；圖3所示為根據本發明的槳距驅動設備的一個示例性實施方案的第一到第四耦合單元；
圖4所示為根據本發明的槳距驅動設備的一個示例性實施方案的有源耦合單元；圖5所示為根據本發明的槳距驅動設備的一個示例性實施方案的IPM同步電動機的轉子構造的基本草圖；圖6所示為相當的IPM/SPM同步電動機之間的轉矩/旋轉速度區別圖。
具體實施例方式相同部件或者同一類型的部件在圖中由相同的參考符號表示。以下圖式用于提供示意性圖解說明，并且因此，例如，一條連接線表明兩個電設備之間的電連接并且作為一個原則包括至少一條前向的線和一條返回的線。切換符號不僅表示個別部件，而且表示可以包括一個或多個部件的電路組件。圖I是根據本發明的槳距驅動設備10的第一示例性實施方案的示意性表示。槳 距驅動設備10包括一個實施為IPM電動機的同步電動機12，以及一個直流電壓能量存儲設備20和一個逆變器設備14，這個逆變器設備借助于一個電動機控制設備64經由PWM (脈寬調制)電動機致動線60來致動電動機12，以便設定轉子葉片48的所需轉子葉片調整。槳距電動機12經由一個用于轉換旋轉速度的槳距齒輪機構56而聯接到轉子葉片48的受支撐的根部點，其中槳距電動機12的一種受控制的操作模式可以改變風力發電站或者水力發電站的轉子葉片48的槳距角(槳距)。為了確定電動機12的旋轉位置，旋轉速度傳感器46、旋轉角度傳感器50以及可以指示轉子葉片48的終點停止位置的終點位置傳感器52經由一個或多個傳感器線72、優選地經由一條傳感器總線連接到電動機控制設備64上，其結果是，包含在電動機控制設備64中的一個傳感器控制單元32可以接收電動機12的旋轉速度和旋轉角度。電動機控制設備64可以借助于傳感器設備而執行包含在逆變器設備14中的一個逆變器的正確定相的致動，以便設定電動機12的所希望的旋轉方向和旋轉速度。電動機12可以另外借助于制動器54來制動，并且制動器54又由電動機控制設備64來激活。在正常操作模式中，經由一個供應電力系統64汲取電能，其中一個上游熔絲元件F保護槳距驅動設備10免于過電壓。供應電壓經由風力發電站的固定短艙的系統滑環傳輸到旋轉的轉子軸線上。在槳距驅動設備10內，借助于整流器設備16將電力系統側400V三相振蕩電流整流成中間電路18的直流電壓，該電壓一般為Vzk=560V (400V*1. 41)。整流器設備16還包括一個電流控制單元36，這個電流控制單元監測并且限制電流流動，從而使得當槳距驅動設備10啟動時，一個減小的電流流動，具體來說用于對能量存儲設備20進行充電并且用于產生一個所希望的中間電路電壓VZK。中間電路電容器26用于使整流器設備16的整流的電壓Vzk平滑并且用于將由逆變設備14的高頻切換過程引起的電壓峰值帶走，該中間電路電容器被連接到中間電路18，位于中間電路18的這些電位導體之間。此外，制動電阻單元38連接到中間電路18上的方式是使得可以借助于一個制動開關元件62來使這個制動電阻單元移位工作，該制動開關元件可以是半導體開關元件。電動機控制設備64可以通過激活制動開關元件62來將來自中間電路18的電流傳導到制動電阻器單元38中，其結果是，中間電路18可以變為無能量的，并且槳距電動機12可以因此被電制動。至少在緊急操作模式中，直流電壓能量存儲設備20可以經由接觸器觸點Ktl和耦合單元24直接連接到中間電路18。接觸器觸點Ktl和必須手動激活的開關Q1充當能量存儲切換設備66起作用，這些能量存儲切換設備允許例如在修理或維護的情況下能量存儲設備20從中間電路18上的斷開電連接。能量存儲設備20包括電容器到高電容量電容器安排22的一種串聯和并聯連接，該能量存儲設備20能夠在中間電路18的電位水平Vzk上存儲能量，其中在緊急操作模式中，存儲的電能可以被短暫地饋送到中間電路18中，以便至少允許電動機12的緊急運動。能量存儲設備20經由一個耦合單元24耦合到中間電路18，其中耦合單元24具有如下功能在中間電路電壓Vzk與能量存儲設備20的電壓之間存在略微的電壓波動的情況下，抑制電流流動以便減少能量存儲設備20的加載，其中電壓波動可以由中間電路電容器26吸收。耦合單元24因此用以用確定的方式在能量存儲設備20與中間電路電容器24之間分配功能。電動機控制設備64還包括一個控制切換單元34，這個控制切換單元在從正常操作模式轉變到緊急操作模式的情況下可以在 傳感器控制單元32與場定向向量控制單元30之間切換。場定向向量控制單元30基于測得的電動機電流來執行IPM電動機12的無傳感器控制，其中IPM電動機的特性配置允許了對 槳距驅動器的驅動行為的精確控制，尤其是在低旋轉速度范圍內。在緊急操作模式中，例如當供應電力系統68、整流器設備16、旋轉速度傳感器46、旋轉角度傳感器50、終點位置傳感器52等等發生故障時，電動機控制設備64的控制切換單元34從傳感器控制設備32切換到一個向量控制單元30，這個向量控制單元基于測得的注入電流來控制IPM電動機12的旋轉速度。在這種情況下，來自能量存儲設備20的能量被傳導到中間電路18中，其中中間電路18的電壓Vzk可以下降到200V以下。由于電動機12的IPM特性，即使在減小的中間電路電壓Vzk和低旋轉速度的情況下也可以執行場定向PWM致動，結果是可以采取轉子葉片48的至少一個翼片位置。圖2所示為根據本發明的槳距驅動設備10的一個另外的示例性實施方案。圖2中圖解說明的這個槳距驅動設備10實質上對應于圖I中圖解說明的實施方案，并且因此較多地省略了對這些單獨部件的描述。整流器設備16包括一個三相橋整流器，以便從供應電力系統68的該三相電力系統電壓對中間電路18的直流電壓中間電路電壓Vzk進行整流。在中間電路18中，一個或多個電流傳導二極管44接通，以便防止電流從逆變器設備到整流器設備16的回流，結果是出現的電壓峰值可以單獨地由中間電路電容器26吸收。逆變器設備14包括一個三橋逆變器,這個三橋逆變器含有六個半導體切換兀件,優選為IGBT切換兀件，以便將中間電路18的直流電壓Vzk轉換為經PWM調制的致動位置電壓而用于在旋轉速度控制下操作同步電動機12。逆變器設備14的這些半導體切換元件在正常操作模式中由傳感器控制單元32并且在緊急操作模式中由向量控制單元30以正確的相位來切換，其中控制切換單元34在從正常操作模式轉變到緊急操作模式時在這兩個控制單元30、32之間切換。然而，還可以設想向量控制單元30在正常操作模式中以及在緊急操作模式中均執行旋轉速度控制。整流器設備16包括一個電流控制單元36，這個電流控制單元可以控制流入中間電路18中的電流的水平并且可以防止過量的電流流動，尤其是當槳距驅動設備10啟動時，并且可以設定中間電路電壓Vzk的水平。為了測量由整流器設備16饋送的電流，將電流的水平以信號方式發送到電動機控制設備64的一個電流測量設備42被連接到DC中間電路18中，該電動機控制設備64又可以致使電流控制單元36控制這個電流的水平。能量存儲設備20經由耦合設備24直接連接到中間電路18，其中該耦合設備24不允許能量在中間電路18與能量存儲設備20之間交換，直到超過可預定的電位差Vf為止。在設計、產生功能的方法以及緊急操作模式中的順序方面，圖2中的示例性實施方案在較大程度上對應于圖I中的示例性實施方案。圖3是一個無源耦合單元24的四個示例性實施方案的示意圖，這個無源耦合單元允許能量存儲設備20耦合到槳距驅動設備10的中間電路18。在一些情況下，可以補償電壓波動、使中間電路電壓Vzk平滑并且吸收電壓峰值的一個中間電路電容器26被連接到中間電路18。能量存儲設備20包括一個電容器安排22,這個電容器安排借助于串聯和/或并聯連接的多個電容器而允許備用能量存儲器的高電容能量存儲。能量存儲設備20具有的功能是使能量可供使用于槳距驅動器12的臨時通知的緊急操作移動、在換向過程的情況下吸收再生的能量，以及在高轉矩要求的情況下使能量可供使用于功率峰值。離合器單元24用于在中間電路18與能量存儲設備20的內部電容器電壓之間的有小的電壓差的情況下防止電流流動，因為中間電路電容器26將會用于補償這些電壓差。本發明的耦合單元24可以含有多個單獨的元件或者下文呈現的耦合單元24的多個元件的一種組合。圖3a圖解說明一個耦合單元24的第一示例性實施方案，這個耦合單元包括兩個互連的半導體功率二極管，它們為具有閾值電壓Vf的耦合二極管40。在電位差超過耦合單元24的閾值電壓Vf之前，不會發生能量存儲設備20與中間電路18之間的電流流動。此閾值電壓Vf可以如所希望的通過串聯連接多個二極管來增加，結果是在適當的情況下，在中間電路電容器26與能量存儲設備20之間可能出現一種“工作劃分”。圖3b圖解說明一個耦合單元24的第二示例性實施方案，這個耦合單元24包括一個或多個另外的中間電路電容器28，這一個或多個中間電路電容器并聯連接在互連耦合二極管40的上游，位于中間電路30的電位軌之間。這些另外的中間電路電容器28增加了中間電路電容器26的電容，從而使得可以減輕相對高的電壓峰值，并且使得改善的紋波抑制以及較穩定的中間電路電壓Vzk成為可能。圖3c圖解說明一個耦合單元24的第三示例性實施方案，這個耦合單元包括一個電感器電路90。電感器電路90可以包括一個或多個電感器，電流可以經由這一個或多個電感器在直流電壓能量存儲設備20與直流電壓中間電路18之間流動。電感器電路90使功率峰值平滑，并且對例如在逆變器設備14的快速切換過程、網絡線的故障、電動機12的負載改變或者其他故障的情況下可能發生的諧波進行阻尼。因此，能量存儲設備20是被恒定地加載的并且受保護免于高頻電流波動的，其結果是增加了使用壽命。此外，圖3d所示為一個耦合單元24，這個耦合單元包括一個齊納二極管開關92。齊納二極管開關92可以包括一個或多個齊納二極管或者相當的部件以滿足如下目的不會出現在中間電路18的方向上來自能量存儲設備20的電流流動，直到中間電路電壓Vzk比直流電壓能量存儲設備20的電壓Vb小了齊納電壓Vz的絕對值為止。由于齊納二極管的特定特性，中間電路18的可更新能量傳送到能量存儲設備20中。只要能量存儲器20的電壓Vb比中間電路電壓Vzk高Vz，包含在能量存儲器20中的能量就可以輸出到中間電路18。在操作期間，這意味著能量存儲器20的電壓Vb可以在VZK+Vz與VBmax (能量存儲器20的最大電壓)之間變化。圖4圖解說明一個有源耦合單元24，通過該有源耦合單元，中間電路18的能量存儲設備20可以接通和斷開，結果是能量存儲設備20可以與中間電路18去耦。耦合單元24包括一個控制裝置94，這個控制裝置連接到一個切換裝置96，這個切換裝置在此情況下為功率晶體管，例如IGBT。此外，控制裝置94包括一個電流傳感器100，該電流傳感器用于感測充電電流Ie，在中間電路18的接通狀態下，這個充電電流可以流動到能量存儲設備24 ;以及兩個電壓測量傳感器，這兩個電壓測量傳感器可以檢測能量存儲設備20處的電壓Vb以及中間電路18處的VZK。最后，耦合單元24包括一個電感電路90和一個旁路分支102，這個旁路分支含有一個耦合二極管40并且旁路通過切換裝置96，結果是只要UB>UZK，電流Im便可以從能量存儲設備20流動到中間電路18。由于切換裝置96由控制裝置94接通，因此再生電流或者充電電流Ie可以從中間電路18流動到能量存儲設備20中。如果中間電路電壓Ub下降到能量存儲電壓Uzk的水平以下，那么能量存儲設備經由二極管40對中間電路18供應電流。切換裝置94可以經由一個高層級的控制器連接到例如一個電動機控制設備(未圖解說明)，并且可以接收與能量存儲器20的普通的和/或受控的充電、在逆變器14的加電期間的激活、或者在電動機操作模式期間或在電動機12的特定操作范圍的情況下(例如在高負載操作模式或高頻操作模式期間)的斷開相關的外部命令。控制裝置94可以例如當接收到一個外部接通或斷開信號時靜態地激活切換裝置96，或者例如借助于一種控制方法來執行切換裝置96的受控激活，例如借助于一個用于控制充電電流Itj的閉合控制回路。 圖5是IPM同步機器的永磁體轉子74的基本設計的示意圖。轉子74具有轉子軸線80并且包括一個轉子疊片鐵芯76，這個轉子疊片鐵芯具有對應于隱蔽磁體的數目的異型極凸出部。轉子疊片鐵芯76經層壓以便抑制渦電流損失。在各自情況下均圍繞轉子軸線80偏移90°的四個永磁體78被埋入在轉子疊片鐵芯的內部中，即，徑向向內偏移，這與SPM電動機相反。由于此設計，此類型的電動機具有優良的磁阻效應，并且顯著適合于無傳感器控制，尤其是在低旋轉速度范圍中以及在場減弱操作模式中(在通過能量存儲設備20而可供使用的低中間電路電壓的情況下)。在圖6中，用相同的功率數據對一個優選IPM電動機的轉矩/旋轉速度M/rpm特性曲線與一個SPM電動機進行了對比。這個IPM電動機針對相同的功率耗用具有較高的額定旋轉速度范圍，并且針對相同的旋轉速度rpm具有顯著較高的轉矩M，并且因此顯著優于SPM電動機，尤其是在場減弱操作模式中。因此尤其在具有通過能量存儲設備20而可供使用的減小的中間電路電壓Vzk的緊急操作模式中，可以針對高旋轉速度rpm下的緊急移動而使高轉矩M可供使用，其中在旋轉傳感器故障的情況下，即使在低旋轉速度rpm下也可以借助于優良的磁阻效應來執行無傳感器場定向向量控制。
權利要求
1.一種槳距驅動設備(10)，該槳距驅動設備能夠進行緊急操作以用于調整一個風力發電站或一個水力發電站的一個轉子葉片，該槳距驅動設備包括一個逆變器設備(14)和一個三相電流驅動電動機，其特征在于，該驅動電動機是一個三相電流IPM (內部永磁體式)同步電動機(12)。
2.如權利要求I所述的設備，其特征在于，至少針對一個緊急操作模式，一個直流電壓能量存儲設備(20)能夠實質上直接連接到位于一個整流器設備(16)與該逆變器設備(14)之間的一個直流電壓中間電路(18)上，以便至少短暫地將能量供應到該IPM同步電動機(12)，結果是即使當中間電路電壓Uzk正在下降，該IPM同步電動機(12)也能至少短暫地在旋轉速度控制下操作。
3.如權利要求I或2所述的設備， 其特征在于，該IPM同步電動機(12)是針對300到3000rpm的一個高旋轉速度范圍來配置的，其中在較低旋轉速度范圍中，尤其是在500rpm的一個額定旋轉速度的范圍中可以實現一個最佳效率水平。
4.如權利要求2或3所述的設備， 其特征在于，該直流電壓能量存儲設備(20 )是一個高電容量電容器安排(22 )。
5.如前述權利要求2到4中的一項權利要求所述的設備， 其特征在于，該直流電壓能量存儲設備(20)是針對100V DC到650V DC的一個中間電路電壓Uzk來配置的。
6.如前述權利要求2到5中的一項權利要求所述的設備， 其特征在于，該直流電壓能量存儲設備(20)經由一個耦合單元(24)、尤其是一個基于二極管和/或基于電感器的耦合單元(24)而連接至該中間電路(18)以便抑制干擾電壓峰值，其中該耦合單元(24)優選包括至少一個另外的中間電路電容器(28)以便增加一個中間電路電容器(26 )的電容。
7.如權利要求6所述的設備， 其特征在于，該耦合單元(24)包括一個控制裝置(94)和一個切換裝置(96)，因此，至少一個充電電流Ie可以從該直流電壓中間電路(18)切換到該直流電壓存儲設備(20)。
8.如權利要求7所述的設備， 其特征在于，包括用于對該直流電壓中間電路(18 )供應一個電源電流Im的一個耦合二極管(40)的一個旁路分支(102)與該切換裝置(96)并聯連接，結果是一個供應電流Im能夠與該切換裝置(96)的切換狀態無關地流動。
9.如權利要求6或7所述的設備， 其特征在于，至少該切換裝置(96)是一個半導體切換裝置，并且優選連同該逆變器設備(14)的半導體切換裝置和/或該整流器設備(16)的半導體橋二極管一起集成在一個半導體功率模塊的一個殼體中的一個IPM殼體(集成功率模塊)中。
10.如前述權利要求中的一項權利要求所述的設備， 其特征在于，該逆變器設備(14)包括一個場定向的向量控制單元(30)，該向量控制單元用于在無一傳感器的情況下控制該同步電動機(12)的旋轉速度，該向量控制單元(30)能夠至少在一個操作模式中并且優選在該同步電動機(12)的300到700rpm的一個低旋轉速度范圍中、尤其是在500rpm的一個旋轉速度范圍中執行旋轉速度控制。
11.如權利要求10所述的設備， 其特征在于，該逆變器設備(14)包括一個傳感器控制單元(32)，該傳感器控制單元連接到一個或多個機械旋轉速度/旋轉角度/位置傳感器(46、50、52)上以用于控制該同步電動機(12)的旋轉速度，并且包括一個控制切換單元(34)，該控制切換單元可以在用于在正常操作模式中控制該旋轉速度的該傳感器控制單元(32)與用于在該緊急操作模式中控制該旋轉速度的該向量控制單元(30 )之間切換。
12.如前述權利要求2到11中一項權利要求所述的設備， 其特征在于，該整流器設備(16)包括一個電流控制單元(36)，該電流控制單元用于限制拾取的電力系統電流和/或用于該直流電壓能量存儲設備(20)、該中間電路電容器(26)以及該逆變器設備(14)的電流調節充電，其中在該正常操作模式中，該電流控制單元(36)能夠將該中間電路電壓Uzk調整到一個可預設的值上。
13.如前述權利要求中一項權利要求所述的設備， 其特征在于，一個緊急制動電阻器單元(38)以一方式連接到該直流電壓中間電路(18)以使得該緊急制動電阻器單元可以被激活以便使電能轉向以用于快速制動該同步電動機(12)，其中尤其在一個增加的中間電路電壓Uzk的情況下能夠激活該制動電阻器單元(38)。
全文摘要
本發明涉及一種槳距驅動設備(10)，該槳距驅動設備能夠進行緊急操作以用于調整一個風力發電站或一個水力發電站的一個轉子葉片槳距。該槳距驅動設備(10)包括一個逆變器設備(14)和一個三相電流驅動電動機。該驅動電動機實施為一個三相IPM同步電動機(12)(內部永磁體式)。一個直流電流電力存儲設備(20)可以有利地是至少針對緊急操作而言實質上直接連接至位于一個整流器設備(16)與該逆變器設備(14)之間的一個中間直流電流電路(18)，以便至少短暫地將電力供應到該同步電動機(12)上，從而使得當中間電路電壓UZK正在下降時，該IPM同步電動機(12)也可以至少短暫地在速度控制下操作。本發明使得當在緊急操作中一個中間電路電壓UZK正在下降時該槳距驅動設備在高轉矩下能夠速度受控緊急操作，其中該直流電流能量存儲設備可以例如作為一個能量緩沖器來改善效率，并且減少經由轉子滑環的電流傳送。
文檔編號H02J9/04GK102812238SQ201180014896
公開日2012年12月5日 申請日期2011年3月23日 優先權日2010年3月23日
發明者托拜厄斯·羅斯曼, 拉斯·考克 申請人:穆格昂納公司