JP2005507630A - ロータユニットへの無接触電力伝送手段を有する風力発電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、正弦波交流電圧を発生すための風力発電装置に関し、発電機ロータおよび発電機ステータを有する発電機、発電機ロータに結合されたロータブレードを有するロータユニット、およびこの風力発電装置の非回転部からロータユニットへ電気的パワーを伝送するためのパワー伝送手段を備えた風力発電装置に関する。
【0002】
〔発明が解決しようとする課題〕
風力発電装置の場合、種々の目的のために、パワーを非回転部から回転部に伝送する必要がある。例えば、電磁励起同期発電機の場合、磁極ホイールのために、および適した電気モータの手段(これもパワーを必要とする)によるロータブレード調節器のために、励起電流として直流電流が必要である。現時点では、前記パワーは、風力発電装置の非回転部から回転部にスリップリングを用いている。しかしながらこのスリップリングは、含まれる摩擦のために損失が発生するという不都合(即ち、効率の低下、大きい騒音の発生を基本的に抱え、特に、高いレベルの疲労による弊害を持ち、そのため、時折、修理または交換が必要となる。さらに、電気的なフラッシュオーバーがスリップリングの箇所で起こり得る。また、部分的な摩耗に対し、運転時間の増大することにさらに留意する必要があった。
【0003】
従って、この発明の目的は、風力発電装置の非回転部から回転部への電気的パワーを伝送するための改善された方法を提供することである。
【0004】
〔発明の効果〕
この発明によれば、この明細書の冒頭で述べた風力発電装置に対しては、前記目的は、電気的パワーを回転部に無接触で伝送するために、電力伝送手段が非同期マシンを有し、そのステータが風力発電装置の非回転部にて構成され、そしてそのロータが回転部にて構成されることで達成される。
【0005】
〔課題を解決するための手段〕
それについて、この発明は、発生する摩擦に基づく機械的な問題が無接触で電気的パワーを伝送することにより回避できる認識に基づく。それを行う簡単な方法は、この発明に基づいて提案される非同期マシン(そのロータが風力発電装置の回転部、好ましくは回転ハブに結合され、一方、それのステータは、風力発電装置の非回転部、つまりマシンのキャリアに結合される)により記述される。相対移動のために、非同期マシンのロータと、回転するステータの磁界との間のように、ロータの巻き線に磁界が誘起され、そして、ロータ巻き線にそのようにして電圧が発生する。この状況下では、非同期マシンは、発電機モードで運転される。ロータ巻き線に誘起した交流電圧は、風力発電装置の回転部分において所望の目的のために、適した別の手段によりさらに処理される。
【0006】
電気的パワー無接触伝送のためのこの発明に基づき提案された構成は、実質的にロスがより少なく、無疲労である。発生するノイズレベルは、周知のスリップリングを用いた時に比べ、著しく低減される。
【0007】
この発明の有利な形態は、付記したクレーム中に述べている。この発明は好ましくは、電磁励起される同期発電機で用いられ、非同期マシンにより伝送された電気的パワーから、同期発電機のロータのための励起電流として直流電流を得ている。その目的のために、風力発電装置の回転部内に適した整流器を備え、別の実施例では、同期マシンの磁極ホイールの反作用を、例えば高調波の範囲で補償するために、それの入力部にLCフィルタが接続される。
【0008】
この発明の別の有利な形態では、別の少なくとも一つの整流器が備えられ、風力発電装置のロータユニット上の別のユニットに電気的パワーを供給するために、その整流器で直流電圧または同時に直流電流が生成される。例えば、個々のロータユニットのブレードのブレード角調整のために、直流電圧が供給されるべき電気モータが備えられる。その供給は本発明により、簡単な方法で実行される。
【0009】
好ましくは、風力発電装置の非回転部内に、パワー伝送目的のために、本発明に基づき備えられた非同期マシンのステータに交流電圧を供給するインバータが備えられる。そのインバータは、好ましくは、およそ400から600Hzの周波数の交流電圧を発生する。発電機のロータ励起電流の調整は、発電機の回転速度および電気的出力に応じて、インバータにより実行できる。特に、同期発電機の磁極ホイールのための励起電流の振幅は、そのインバータにより有利に調整される。
【0010】
多くの目的のために、風力発電装置のロータユニット内に、可能な限り一定の直流電圧が必要である。その目的のために、整流器のほかに、整流器の出力電圧を平滑化するコンデンサを補足的に備えることも可能である。コンデンサをピーク値まで繰り返して充電するために、インバータが周期的に電圧パルスを発生することもできる。同時に、そのコンデンサは、電流供給の事故時であっても、十分な電気的パワーを提供できるように、少なくともエネルギー調整手段のために、中間の格納デバイスとして機能させてもよい。
【0011】
非同期マシンは、400から600Hzの周波数で有利に動作し、かつ、1次巻き線と2次巻き線へのエアギャップがあるので、非同期マシンは極めて高い皮相電流の要求がある。ステータに供給される電流の皮相電流を設定するために、非同期マシンのステータの入力側にLCフィルタが接続されるなら、この発明によるこの皮相電流を与えることができる。
【0012】
この発明は、図面を参照してより詳細に以下述べる。
【0013】
〔発明を実施するための最良の形態〕
図1の回路図は、風力発電装置の非同期部から回転部に電気的パワーを無接触で伝送するための本発明に基づく解決を示す。その目的のために、まず、400から600Hz、好ましくはおよそ500Hzの交流電圧を発生するインバータ1が備えられる。インバータ1と非同期マシン4のステータ5との間の接続ライン内に、短絡制限用リアクタ2および、ステータの回路形態に接続されたLCフィルタ3が備えられる。インバータ1により発生され、リアクタ・チョーク2により平滑化された交流電圧は、非同期マシン4の非回転部のステータ5に供給される。ステータ巻き線内で回転するステータ磁界のために、ロータとステータ磁界との間の相対移動によって、ロータ6の2次巻き線内に電界が誘起され、その結果、ステータ巻き線内に電圧が発生する。
【0014】
回転するロータ6は風力発電装置のハブに機械的に結合されている。その結果、電気的パワーは、無接触で静止部、つまり風力発電装置のマシンのキャリアから回転部、ロータユニットヘッドに伝送される。
【0015】
ロータ6で生じた交流電圧は一方で、交流電圧を整流する整流器8および、風力発電装置の電磁的に励起された同期発電機の磁極ホイール7に供給される。整流器8はその結果、誘導性負荷を持ち、そして磁極ホイール7で作用する電圧は、電圧の実効平方2乗平均である。好ましくはインバータ1は、整流器1の出力部での実効電圧で磁極ホイール7に対して所望の直流電流が流れるように、出力電圧を調整する。その状況では、磁極ホイール7の高いインダクタンスが電流を平滑し、整流器8の出力電圧の波形を平坦にする。もし、インバータ1が短時間に高電圧を発生するなら、そして、その後に低電圧が発生されるなら、磁極ホイール7のインダクタンスにより、相殺される。従って、磁極ホイール7に対して調整された直流電流を与えるために、整流器8と協力する非同期マシン4で可能である。磁極ホイール7に対する励起電流の振幅は、その場合、インバータ1により、回転速度および同期発電機の電気的パワーに依存して調整されるべきである。
【0016】
ロータ6で誘起された交流電圧は、風力発電装置の回転部に対して更に別の目的にも利用できる。従って、例えば、ロータブレード調整ユニット10は、直流電圧を要求する。その直流電圧は整流器11によってロータ6の交流電圧から生成される。その直流電圧はロータ6の出力電圧の振幅(整流ピーク値)に依存する。
【0017】
コンデンサ12は、常に充電される。コンデンサ12の容量については、故障発生時に、風力発電装置の緊急停止を安全に行ない、ロータブレードの回転がフェザード(90°のブレード角)位置となるように、各ロータブレードのロータブレード調整ユニット10を作動させるために十分となる電流量が格納されるようにする。
【0018】
非同期マシンの形態の伝送装置4は従って、無接触で電気的パワーを風力発電装置の回転部に供給し、そして、一方で、発電機の磁極ホイールに直流電流を供給し、そして他方で、別の電気的ユニット(ロータブレード調整ユニットのごときもの)に直流電圧を供給する。その目的のために、インバータ1は、周期的に電圧パルスを発生してコンデンサ12をピーク値まで充電する。インバータ1の出力電圧についての電圧波形を図2に示す。コンデンサ12を所望の電圧に充電するための周期的な電圧パルスPを明瞭に見ることができる。しかしながら、これらのピークは必要ではなく、これらのピークなしでも、コンデンサを、ブレード調整駆動手段を作動させるために十分に高い電圧に充電することも可能である。
【0019】
非同期マシン4は、好ましくはおよそ500Hzの周波数で動作され、そして、1次巻き線から2次巻き線に対してエァギャップを有する。これらの二つの条件は、極めて高い皮相電流を要求する。LCフィルタ3は、高い皮相電流を供給するためのものである。整流器8の出力側に接続される磁極ホイール7も極めて高い皮相電流を要求する。それは、部分的に基本振動および、例えば5次、7次、11次および13次のような高調波を含む。LCフィルタ9は、3本のスター結線の分岐からなり、その各々は、コンデンサおよび、抵抗とインダクタとのパラレル回路からなる。このLCフィルタ9は皮相電力を供給するためのものである。パワー伝送部の全体的な効率レベルは、この二つのフィルタ3、9により、大幅に改善される。
【0020】
この発明により解決は、従って、種々の目的のために、風力発電装置の非回転部から回転部にパワーを無接触で容易に伝送できる。その点について、疲労もノイズも発生させない。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】この発明に基づく解決を示す回路図
【図2】非同期マシンに供給するためのインバータの電圧の形状を示す図
【符号の説明】
【0022】
1 インバータ
2 短絡制限用リアクタ
3 LCフィルタ
4 非同期マシン
5 ステータ
6 ロータ
7 磁極ホイール
8 整流器
10 ロータブレード調整ユニット
Claims (8)
- 正弦波交流電圧を発生するための風力発電装置であり、発電機ロータおよび発電機ステータを持つ発電機、発電機ロータに結合されたロータブレードを有するロータユニット、および、風力発電装置の非回転部からの電気的パワーをロータユニットへ伝送するためのパワー伝送手段を備え、このパワー伝送手段は、無接触で電気的パワーをロータユニットへ伝送するために、非同期マシンを有し、それのステータは風力発電装置の非回転部に形成され、前記非同期マシンのロータはロータユニットに形成される風力発電装置。
- 前記発電機は電磁的に励起される同期発電機であり、非同期マシンのロータに伝送された電気的パワーを、励起電流として発電機のロータに供給される直流電流に変換する整流器がロータユニットに備えられる請求項1記載の風力発電装置。
- 皮相電流を調整するためのフィルタが整流器の入力側に接続される請求項2記載の風力発電装置。
- 非同期マシンのロータに伝送された電気的パワーを、直流電圧に変換するために、特にロータブレード調整ユニットに供給するために、整流器がロータユニットに備えられる請求項1から3のいずれかに記載の風力発電装置。
- 非同期マシンのステータに交流電圧を発生するためのインバータを、風力発電装置の非回転部に備えた請求項1から4のいずれかに記載の風力発電装置。
- 前記インバータは、発電機の回転速度および電気的パワーに依存して、発電機のロータの励起電流を調整するように構成される請求項5記載の風力発電装置。
- 前記インバータは、周期的に電圧パルスを発生するように構成される請求項5または6に記載の風力発電装置。
- 非同期発電機のステータの入力側に、ステータに供給される電流の皮相電流を調整するためのLCフィルタが備えられる請求項1から7のいずれかに記載の風力発電装置。
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