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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verstellen von Rotorblättern einer
Windkraftanlage mit einem Verstellmotor und mit einer Notstromversorgungseinrichtung
enthaltend einen Energiespeicher, der im Notfallbetrieb mit dem
Verstellmotor verbindbar ist zur Wahlstellung der für eine Verstellung der
Rotorblätter
in eine Fahnenstellung derselben erforderlichen elektrischen Energie.
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Moderne
Windkraftanlagen in einem Leistungsbereich größer 500 kW mit bevorzugt horizontal ausgeführter Rotorwelle
besitzen verstellbare Rotorblätter.
Dadurch lässt
sich die Angriffsfläche
der Windgeschwindigkeit anpassen und eine annähernd konstante Leistung der
Windkraftanlage einstellen. Windkraftanlagen dieser Art können somit
noch bei vergleichsweise hohen Windgeschwindigkeiten oberhalb der
Nennwindgeschwindigkeit betrieben werden. Oberhalb der Nennwindgeschwindigkeit,
für die eine
Windkraftanlage konstruktiv ausgelegt ist, ist es notwendig, die
Leistung zu begrenzen. Dieses wird durch verstellen der Rotorblätter in
Richtung Fahnenstellung realisiert, was eine Verschlechterung des Rotorwirkungsgrads
zur Folge hat. Auf diese weise können
Schäden
an den Windkraftanlagen durch Überbelastungen
vermieden werden.
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Als
weiterer unplanmäßiger Belastungsfall einer
Windkraftanlage ist der mögliche
Wegfall der elektrischen Last durch den Hauptgenerator anzusehen.
Ursachen für
diese Notsituation können
beispielsweise der Ausfall des Stromnetzes, des Umrichters oder
auch des Hauptgenerators selbst sein. Dadurch kann es zu einem sehr
schnellen Hochlaufen der Rotorwelle durch das nun fehlende Gegenmoment
des Hauptgenerators kommen. Eine mechanische Überbelastung der Windkraftanlage
durch unzulässig
hohe Drehzahlen wäre
die Folge. Zur Vermeidung eines solchen Belastungsfalles werden üblicherweise
die Rotorblätter
oder auch nur eines in eine sogenannte Fahnenstellung verdreht.
Vorteilhafter Weise werden alle Rotorblätter aus dem Wind gedreht.
Dabei wird entweder die Vorderkante oder die Hinterkante des Rotorblattprofils
in den Wind verdreht, so dass kein antreibender Auftrieb mehr an dem
Rotorblattprofil entstehen kann.
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Die
Einrichtung zur Verstellung der Rotorblätter in die Fahnenstellung
ist im technischen Sinne sicher auszuführen. Es ist folglich sicherzustellen, dass
z. B. auch in der Notsituation eines Netzausfalls eine energetische
Versorgung für
die Verstellantriebe der Rotorblätter
gewährleistet
ist. Aus diesem Grund ist es bekannt, eine unabhängige Hilfsenergieeinrichtung
in Form eines Akkumulators als Energiespeicher zu verwenden, der
im Fehlerfall die Energie für die
Stellantriebe zur Verfügung
stellt.
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In
Notsituationen, wie z. B. im Ausfall der elektrischen Stromversorgung,
ist also sicherzustellen, dass die Position der Rotorblätter verstellbar
ist. Dies ist beispielsweise auch dann notwendig, wenn zu starke
Winde auf die Flügel
einwirken. Der oder die Motoren zur Verstellung der Stellung der
Rotorblätter
der Windkraftanlage werden z. B. über einen Umrichter gespeist.
Das elektrische Antriebssystem weist einen Gleichrichter, einen
Zwischenkreis und einen Wechselrichter auf. Das elektrische Antriebssystem
wird über
ein elektrisches Stromversorgungsnetz gespeist. Für den Notbetrieb
der Verstellung der Rotorblätter
der Windkraftanlage wird der Zwischenkreis des Umrichters durch
einem Akkumulatorsatz gespeist. Hierdurch ist ein autarker netzunabhängiger Betrieb
sichergestellt. Der Akkumulator ist durch ein Netzteil, welches
einen Gleichrichter darstellt, ladbar. Ungünstig ist bei allen derzeit
eingesetzten elektrischen Antriebssystemen die direkte Aufkopplung
des Energiespeichers auf den Zwischenkreis oder direkt auf einen
Gleichstrommotor. Da für
die Auslegung die Verstellgeschwindigkeit eines Rotorblattes bei
Netzausfall, also bei Notbetrieb maßgebend ist, muss die Auslegung
des Systems auf die Akkumulatorspannung erfolgen. Denn gerade bei Lastabfall
ist die höchste
Verstellgeschwindigkeit nötig,
um die Windenergieanlage vor unzulässiger Überdrehzahl zu schützen. Derzeit
werden Akkumulatorsätze
eingesetzt, deren Nennspannung nur einen Bruchteil der nominellen
Zwischenkreisspannung (U × √2) be trägt. Um den
Netz Einschaltstrom bei Wiederkehr der Netzspannung zu begrenzen, werden
gesteuerte Stromrichter oder Transformatoren zur Reduzierung der
Spannung eingesetzt. All diese Systeme haben u. a. den Nachteil,
dass die mögliche
Zwischenkreisspannung U·√2) nur
zu einem Bruchteil genutzt wird, da die Akkumulatorspannung Netz
maßgebend
für die
Antriebsauslegung der Notfahrt ist. Da die benötigte Antriebsleistung nun durch
mehr Strom bereitgestellt werden muss, sind somit der Wechselrichter
und der Motor wie auch Stecker und Kabel für deutlich höhere Ströme zu dimensionieren.
Diese deutlich höheren
Ströme
verursachen erhöhte
Verlustleistung (I2·R), welche zu Folgeproblemen
bei der Wärmeabfuhr
aus den Steuerkästen
führt.
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Aus
der
DE 100 09 472
A1 ist eine Vorrichtung zum Verstellen von Rotorblättern einer
Windkraftanlage bekannt, die eine Notstromversorgungseinrichtung
für einen
die Rotorblätter
verstellenden Verstellmotor vorsieht. Die Notstromversorgungseinrichtung
weist einen Permanentmagnet-Generator auf,
der über
elektrische Leitungen mit dem Verstellmotor verbindbar ist. Zur
Aktivierung des Notfallbetriebs ist ein Schütz vorgesehen. Nachteilig an
der bekannten Vorrichtung ist, dass für den Notfallbetrieb eine zusätzliche
Maschine erforderlich ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Verstellen
von Rotorblättern
einer Windkraftanlage derart weiterzubilden, dass auf einfache Weise
auch im Notfallbetrieb an dem Zwischenkreis zumindest eine Nennspannung
anliegt, obwohl ein Energiespeicher für eine geringere Nennspannung
ausgelegt ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff
des Schutzanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Notstromversorgungseinrichtung
mit einer Netzstromversorgungseinrichtung gekoppelt ist, die für den elektrischen
Energiefluss von einem Stromnetz zu dem Verstellmotor einen stromnetzseitigen
Gleichrichter, einen demselben nachgeordneten Zwischenkreis und
einem demselben nachgeordneten Wechselrichter aufweist, und dass
der Energiespeicher mittels eines Wandlers an dem Zwischenkreis
der Netzstromversorgungseinrichtung gekoppelt ist, derart, dass
im Notfallbetrieb zumindest eine im Normalbetrieb am Zwischenkreis
anliegende Zwischenkreisnennspannung bereitgestellt wird.
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Der
besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch Vorsehen
eines Wandlers in der Notstromversorgungseinrichtung auch im Notfallbetrieb
eine Zwischenkreisspannung bereitgestellt werden kann, die zumindest
der Zwischenkreisnennspannung im Normalbetrieb entspricht, obwohl
die Nennspannung des Energiespeichers kleiner ist als die Nennspannung
des Zwischenkreises. Der erfindungsgemäße Wandler transformiert im
Notfallbetrieb die Klemmenspannung des Energiespeichers auf die
Zwischenkreisnennspannung hoch und sorgt damit für eine Rotorblattverstellung
ohne Geschwindigkeits- und Drehmomenteinbußen. Durch das Aufrechterhalten
der Zwischenkreisnennspannung kommt es auch bei Wiedervorliegen
der Netzspannung im Normalbetrieb zu keinen Stromspitzen im Stromnetzeingang.
Auch im Normalbetrieb kann durch Aktivierung des Wandlers der Energiespeicher und
der Wandler mit maximalem Strom getestet werden. Die erfindungsgemäße Notstromversorgungseinrichtung
eignet sich vorzugsweise für
Antriebssysteme mit Gleichstrom- und Drehstrommotoren als Verstellmotoren.
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Wird
zum Beispiel ein Gleichstrommotor bei einer Notfahrt direkt auf
den Zwischenkreis geschaltet, so kann dieser sogar noch mit einer
variablen Spannung im Bereich von Nennspannung des Energiespeichers
bis zur Maximalspannung des Zwischenkreises versorgt werden, was
somit eine begrenzte Drehzahlregelung während der Notfahrt möglich macht.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung sind die Netzstromversorgungseinrichtung und die Notstromversorgungseinrichtung
in einer gemeinsamen Schaltungsanordnung integriert zusammengeschaltet.
Vorteilhaft ergibt sich hierdurch ein einfacher Schaltungsaufbau.
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Nach
einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung ist der Wandler der Notstromversorgungseinrichtung als
ein Aufwärtswandler
ausgebildet, wobei in einem Ausschaltzustand eines elektronischen
Schalters ein direkter Energiefluss von dem Energiespeicher zu dem
Zwischenstromkreis erfolgt. Im Einschaltzustand des Schalters wird
die in einer Speicherdrossel gespeicherte elektrische Energie an den
Zwischenkreis weitergegeben. Das Verbringen des elektronischen Schalters
von dem Einschaltzustand in den Ausschaltzustand und vice versa
erfolgt in Abhängigkeit
von einem unteren bzw. oberen Stromschwellwert. Dieser Stromschwellwert
ist vorzugsweise vorgegeben und kann von Steuermitteln für den elektronischen
Schalter erkannt werden.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Regel- und/oder Steuereinheit vorgesehen,
so dass bei Erkennen des Vorliegens einer durch das Stromnetz gelieferten
Nennspannung am Zwischenkreis der Schalter selbsttätig in den Ausschaltzustand
versetzt wird und damit der Notfallbetrieb beendet ist.
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Vorteilhaft
dient die Freilaufdiode des Aufwärtswandlers
als eine Sperrdiode, die im Normalbetrieb ein Entladen des Energiespeichers über den Zwischenkreis
verhindert.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist der Energiespeicher über einen
Abwärtswandler
an einem Anschluss des Stromnetzes angeschlossen, so dass der Energiespeicher
im Normalbetrieb stets aufgeladen werden kann.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist der Energiespeicher als ein
Lithium-Ionen-Akkumulatorsatz ausgebildet. Vorteilhaft kann der
Energiespeicher hierdurch relativ klein und leicht ausgeführt sein, so
dass eine relativ hohe Energiedichte gewährleistet werden kann.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer Schaltungsanordnung enthaltend eine Netzstromversorgungseinrichtung
und eine Notstromversorgungseinrichtung,
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2 ein
Schaltbild einer Notstromversorgungseinrichtung, die ausgangsseitig
an einem Zwischenkreisumrichter und eingangsseitig an eine Ladeschaltung
angeschlossen ist und
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3 ein
Schaltbild einer Notstromversorgungseinrichtung, in der ein Aufwärts- und
ein Abwärtswandler
integriert sind.
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In 1 ist
eine Vorrichtung zum Verstellen von Rotorblättern einer Windkraftanlage
dargestellt, die im Wesentlichen aus einer Netzstromversorgungseinrichtung 1 und
einer Notstromversorgungseinrichtung 2 besteht. Die Netzstromversorgungseinrichtung 1 dient
zur Stromversorgung eines Verstellmotors 3, mittels dessen
der Anstellwinkel der Rotorblätter
verstellt werden kann. Hierdurch kann beispielsweise die Drehzahl
des Rotors der Windkraftanlage in Abhängigkeit von der Windstärke eingestellt
werden. Beispielsweise können
die Rotorblätter bei
einer Störung
in eine Fahnenstellung gebracht werden, bei der Profilhinterkanten
oder Profilvorderkanten des Rotorblattes gegen den Wind ausgerichtet
sind. Bei Ausfall der Netzstromversorgungseinrichtung 1 wird
selbsttätig
die Notstromversorgungseinrichtung 2 aktiviert, die eine
für den
Weiterbetrieb des Verstellmotors 3 erforderliche Spannung
bereitstellt.
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Die
Netzstromversorgungseinrichtung 1 besteht im Wesentlichen
aus einem Gleichrichter 4, einem Zwischenkreis 5 sowie
einem Wechselrichter 6. Zwischen dem Zwischenkreis 5 und
dem Wechselrichter 6 ist ein Bremschopper 7 angeordnet,
der die Zwischenkreisspannung UZ auf einen
definierten Maximalwert begrenzt, wenn generatorische Energie in den
Zwischenkreis 5 zurückgespeist
wird.
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Die
Notstromversorgungseinrichtung 2 besteht im Wesentlichen
aus einem Energiespeicher 8 und einem Aufwärtswandler 9.
Der Energiespeicher 8 kann beispielsweise als Akkumula tor
bzw. wiederaufladbare Batterie ausgebildet sein. Der Aufwärtswandler 9 ermöglicht im
Notfallbetrieb, in dem die Notstromversorgungseinrichtung 1 ausgefallen
ist, ein Hochsetzen der am Energiespeicher 8 anliegenden
Energiespeicherspannung UE auf zumindest
einen Nennwert der am Zwischenkreis 5 anliegenden Zwischenkreisspannung
UZ.
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Der
Energiespeicher 8 ist über
einen Abwärtswandler 10 mit
dem Gleichrichter 4 gekoppelt, so dass die am Ausgang des
Gleichrichters 4 liegende gleichgerichtete Netzspannung
UN auf die Nennspannung der Energiespeicherspannung
UE verringert wird.
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Zwischen
dem Gleichrichter 4 und den Netzanschlüssen L1, L2, L3 ist ein Netzfilter 11 angeordnet.
Der in 1 dargestellte Bremschopper 7 kann vollständig entfallen,
wenn ein Aufwärtswandler 9 und
ein Abwärtswandler 10 sowie
ein durch Lithiumionenbatterien oder Kondensatoren gebildeter Energiespeicher 8 vorgesehen
sind. Denn in diesem Fall kann die gesamte Rückspeiseenergie über den
Abwärtswandler 10 in
den Energiespeicher 8 zurückgespeist werden.
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Der
Aufwärtswandler 9 besteht
aus einem elektronischen Schalter 12, einer Drosselspule 13 und
einer Freilaufdiode 14.
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Im
Normalbetrieb ist der beispielsweise als Schalttransistor ausgebildete
Schalter 12 offen, wobei durch die als Sperrdiode dienende
Diode 14 ein Stromfluss in Richtung des einen niedrigen
Spannungswert aufweisenden Energiespeichers 8 verhindert
wird.
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Bricht
die Netzspannung UN bei Ausfall der Netzstromversorgung
ein, fließt
ein Strom 2 von dem Energiespeicher 8 über die
Drosselspule 4 und der Diode 14 zu dem Zwischenkreis 5.
Der Stromfluss setzt ein, sobald die aktuelle Zwischenkreisspannung UZ kleiner ist als ein vorgegebener Spannungswert. Dann
der Aufwärtswandler
an und transformiert die relativ niedrige Energiespeicherspannung
UE auf die vorgegebenen Nennspannung UZ des Zwischenkreises 5.
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Dem
Schalter 13 sind Steuermittel zugeordnet, so dass bei Absinken
des Stroms I unter einen vorgegebenen unteren Schwellwert oder in
Abhängigkeit
von einer Zeit der Schalter 12 derart angesteuert wird,
dass er in den Einschaltzustand versetzt wird. Der Schalter 12 ist
an einem zwischen der Speicherdrossel 13 und der Diode 14 angeordneten
Verzweigungspunkt V einerseits und einem Anschluss A2 des Energiespeichers 8 andererseits
angeschlossen. Während
des Einschaltzustands des Schalters 12 nimmt die Speicherdrossel 13 elektrischer
Energie auf. Diese Energie wird im Ausschaltzustand des Schalters 12 an
den Zwischenkreis 5 abgegeben. Der Schalter 12 wird
mittels Steuermitteln in den Ausschaltzustand in Abhängigkeit
von einem vorgegebenen oberen Schwellwert des Stroms I geschaltet.
Der Stromfluss kommutiert von dem Zweig des Schalters 12 auf
den Zweig der Freilaufdiode 14, wobei der Strom nach und
nach abnimmt. Wird ein vorgegebener Stromschwellwert unterschritten,
wird der Schalter 12 mittels der Steuermittel wieder von
dem Ausschaltzustand in den Einschaltzustand versetzt. Durch Betrieb
des Aufwärtswandlers 9 kann
somit von dem Energiespeicher 8 eine Zwischenkreisspannung
UZ bereitgestellt werden, die der Höhe der Nennspannung
Zwischenkreisspannung UZ im Normalbetrieb
zumindest ent spricht. Optional kann die bereitgestellte Spannung
UZ auch größer sein.
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Eine
nicht dargestellte Regel- und/oder Steuereinheit ist vorgesehen,
mittels derer bei Vorliegen einer Netzspannung UN,
die vom Stromnetz gespeist ist, der Schalter 12 in den
Ausschaltzustand versetzt wird, so dass der Notfallbetrieb beendet
ist. Da die aktuelle Zwischenkreisspannung UZ im
Normalbetrieb stets höher
als die Spannung UE des Energiespeichers 8,
wird der Stromfluss mittels der Diode 14 über den
Aufwärtswandler 9 verhindert.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform
der Notstromeinrichtung 2 gemäß 2 kann der
Energiespeicher 10 auch über eine Ladeschaltung 18 wiederaufgeladen
werden.
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Nach
einer alternativen Ausführungsform
gemäß 3 kann
ein integrierter Aufwärts-/Abwärtswandler 19 vorgesehen
sein, bei dem im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel
sowohl der Aufwärtswandler
als auch der Abwärtswandler eine
gemeinsame Speicherdrossel 20 nutzen.
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Der
Energiespeicher 8 weist einen Anschluss A1 auf, an dem
die Speicherdrossel 13 angeschlossen ist. Ferner ist an
dem Anschluss A1 eine Spule 15 des Abwärtswandlers 10 angeschlossen. Der
Abwärtswandler 10 umfasst
ferner einen elektronischen Schalter 16 sowie eine Diode 17.
Im Einschaltzustand des Schalters 16 fließt ein Strom
von dem Ausgang des Gleichrichters 4 über die Spule 15 zu
dem Energiespeicher 8. Die während der Einschaltzeit des
Schalters 16 von der Drossel 15 aufgenommene Energie
wird bei wieder geöffnetem
Schalter 16 (Ausschaltzustand) über die Freilaufdiode 17 an
den Ausgang des Abwärtswandlers 9 bzw.
an den Eingang des Energiespeichers 8 abgegeben.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des Energiespeichers ist dieser
als Blei- oder Lithium-Ionen-Akkumulator (Lithium-Ionen-Akkumulatorsatz) bzw.
als ein Kondensator ausführbar.
Als Kondensator sind vorteilhafter Weise Ultracaps einsetzbar, wobei
diese auch als Superkondensatoren bzw. als Ultrakondensatoren bezeichnet
werden. Der Kondensator ist beispielsweise ein einzelner Kondensator oder
als ein Kondensatorsatz ausgeführt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Notstromversorgungseinrichtung
ist ein Abwärtswandler integriert,
welcher die Zwischenkreisspannung herunter transformiert und den
Akkumulatorsatz lädt. Dieser
Abwärtswandler
ist bei Bleiakkus erheblich kleiner zu dimensionieren als der Aufwärtswandler, da
die zulässigen
Ladeströme
viel kleiner sind als die maximalen Entladeströme.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Notstromversorgungseinrichtung
zumindest eine Sicherung auf. Durch die Sicherung ist die Notstromversorgung
vor zu hohen Strömen
geschützt. Diese
Sicherung ist in den Zeichnungen aufgrund besserer Übersichtlichkeit
nicht eingezeichnet.
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Werden
Li-Ionen-Akkus oder Ultrakondensatoren eingesetzt, so kann der Ladestrom
nahe der zulässigen
Entladeströme
der Akkus liegen, so dass der Abwärtswandler von der Strombelastbarkeit gleich
dem Aufwärtswandler
dimensioniert werden kann. Das bringt den Vorteil, dass nur eine Drossel für den Aufwärts- und
Abwärtswandler
benötigt
wird.
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Bei
der Konfiguration mit Li-Ionen-Akkus oder Ultrakondensatoren kann
auch Bremsenergie vom Antrieb in den Akkusatz zurückgeführt werden. In
diesem Fall kann auf einen Bremschopper oder Ballastschaltung oder
Netzrückspeisung
verzichtet werden, wenn der Akkumulatorsatz nicht überladen wird.
Die nominelle Ladung sollte in diesem Fall nicht 100 % betragen.
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Wird
die Steuer- und Regeleinheit der Notstromversorgungseinrichtung
mit einer Schnittstelle zur Temperaturmessung, zur einzelnen Blockspannungsmessung
und zur Kommunikation mit evtl. Equalizermodulen auf den einzelnen
Akkus ausgestattet, so kann die Notstromversorgung auch das Batteriemanagement übernehmen,
wenn die nötige Software
integriert ist. Diese Lösung
bietet sich an, da die Messwerte wie Akkumulatorstrom und Spannung
schon durch die vorhandenen Messwandler erfasst werden.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist auch durch eine Windkraftanlage lösbar, welche
eine Notstromversorgungseinrichtung nach einer der vorgenannten Ausbildungen
aufweist. Die Windkraftanlage weist Rotorblätter auf, wobei die Rotorblätter mindestens mittels
einer elektrischen Maschine verstellbar sind und die elektrische
Maschine mittels eines Umrichters gespeist wird, wobei der Umrichter
einen Gleichrichter, einen Zwischenkreis und einen Wechselrichter
aufweist und die Notstromversorgungseinrichtung am Zwischenkreis
angeschlossen ist.