JP4536716B2 - 可変のパワーを伝達するためのドライブトレイン - Google Patents

Description

本発明は、可変の入力回転数と一定の出力回転数とを有する可変のパワーを伝達するためのドライブトレインに関する。本発明は、特に、風、水および他のリソースの自然のエネルギ発生を利用する場合に生じるような、可変のパワー投入を有する設備に関する。

ＷＯ−Ａ−８１／０１４４４は、請求項１の上位概念に基づくドライブトレインを記述している。これは、エネルギ発生設備、パワー分岐トランスミッションおよび電気的ジェネレータを有している。その場合に流体圧的循環を用いて２つのパワー分岐路間の接続が形成され、かつパワーの流れは、ジェネレータの入力回転数が一定であるように、調節される。
風エネルギの利用は、特にパワーが１ＭＷを越える場合に興味をもたれる。さらに、設備の駆動ガイドを、最小の動的負荷において最大のパワー収穫が行われるように構成することが必要である。システム全体の効率を、特に設備のランアップの段階と駆動段階かつ停止時に、最適に構成するために、作業機械のための回転数制御が必要とされ、その回転数制御は領域的に他の制御種類（たとえばロータブレード調節）によって支援することもできる。

従って、以下で、風力設備の例を用いて、時間的に可変のパワー伝達の問題点が、特にパワー伝達におけるサブ条件としてほぼ時間的に一定の出力回転数が要求される場合に、特に時間的に可変の入力回転数とそれに応じて時間的に可変のトルクにおいて、示される。

従って、風力設備の駆動は、上述した問題点に特徴的である。とういのは、風力設備によって発生された電気エネルギが、固定のネット周波数を有する電気的複合ネットへ供給されるからである。ネット周波数は、ネット自体の安定化および制御のための一次変量であるので、風力設備のジェネレータのダイレクトカップリングは、そのジェネレータが一定の回転数を有するドライブトレインから給電されることを、前提とする。この種の風力設備は、回転数固定の風力設備とも称される。

その場合に、回転数固定の風力設備のために、通常、原理によってもたらされるスリップに基づいて簡単な方法で複合ネットへ接続することのできる、非同期ジェネレータが使用される。

ドライブトレインにおける一定の出力回転数のシステム要請と対照的なのは、変動する風状況に基づく、風力設備の時間的に可変のパワーチャージである。その場合にこの問題点は、さらに、空気流の運動エネルギをロータ運動の運動エネルギに変換する機械的エネルギ変換のシステムに内在する特性によって、先鋭化される。回転数固定の風力設備においては、所定のロータ周波数への、あるいはわずかな数のロータ周波数への固定が存在し、その場合に１つより多いロータ周波数は、ジェネレータが極切替えを有し、あるいは異なるジェネレータが使用される場合にのみ可能である。その場合にロータの所望の回転周波数は、通常ロータブレードの角度調節によって得られ、それはピッチ制御とも称される。

回転数固定の風力設備における欠点は、典型的な風状況において頻発する、部分負荷においては、減少された効率でしか駆動できないことである。

風力設備が部分負荷領域において回転数可変に駆動される場合に、可変の出力回転数を有するドライブトレインを形成するか、あるいは一定の出力周波数を有するドライブトレインを形成する可能性がある。両方の場合において、出力パワーは時間的に変化するトルクに基づいて、同様に時間的に変化する。

前者の場合には、風力設備のために、直流中間回路を有する周波数コンバータを使用することになる。しかしこの考えは、ここに示される課題から離れるものであって、特に、増大された調波周波数および高い無効電力と結びついた激しいネット反作用のような、他の困難を伴う。

第２の考え、すなわち風力設備の可変のロータ回転数を一定のジェネレータ回転数と結合することは、ここに示す、可変の入力回転数と一定の出力回転数とを有する可変のパワーを伝達するためのドライブトレインのテーマに相当する。特に風力設備についての、この問題点の既知の解決は、ドライブトレイン内に、機械的パワーを分岐ないしは重畳するために使用される、重畳トランスミッションを使用する。回転数可変の風力設備において、これに基づく２つの考えが知られており、それらはジェネレータ周波数を一定に維持するために使用される。

第１のシステムにおいては、重畳トランスミッションを介して入力パワーが大きいジェネレータと小さいサーボモータへ供給され、その場合に通常、サーボモータへは入力パワーの約３０％が伝達される。ジェネレータは、周波数固定で電流網と接続されており、サーボモータは周波数コンバータを介してネットに接続されている。ジェネレータ回転数を安定させるために、サーボモータはモータとして、あるいはジェネレータとして駆動される。このシステムも、電流網にとっては反作用なしではない。さらに、この種のシステムは、制御が困難であって、エネルギ貯蔵器として、大体においてドライブトレインとロータの慣性的な質量しか持たない。さらに、周波数コンバータの使用により、投資コストが比較的高くなる。

流体静力学的に働く、第２のシステムにおいては、電気的サーボモータの代わりに、流体圧モータとポンプが使用される。ここでも、困難な制御特性、特に緩慢な応答行動と重大なデッドタイムおよび著しい非線形性、という問題点が生じる。さらに、流体圧のシステムコンポーネントは、構造的複雑さと重量により、欠点がある。

風力設備の有効電力を制御する、示されている様々な既知の制御が、以下の表にまとめられている。

本発明の課題は、可変のパワーを伝達するためのドライブトレインを、パワーレシーバにほぼ一定の回転数を供給することができるので、伝達プロセスが高い効率で行われ、かつドライブトレイン内の衝撃が最小限に抑えられるように、構成することである。さらに、システムの制御特性を改良するために、ドライブトレイン内に短時間エネルギ貯蔵器が形成される。さらに、関与する構成部品の数と投資コストが低い水準に抑えられる。

この課題は、請求項１の特徴によって解決される。

本発明に基づく原理は、極めて良好な効率をもたらす。風力設備においては、本発明に基づくドライブトレインは、不均一なウィンドプロフィールとそれに結びついた様々なロータ回転数においても、ほぼ均一な水準のジェネレータ回転数をもたらす。

これまで、風力設備内で、効率に多かれ少なかれ良好な影響を有する、種々の閉ループ制御および開ループ制御可能性が知られている：
−ロータブレード角度の調節
−ジェネレータの可変の回転数
−スリップ制御
−ジェネレータの回転数の絞り
−極数切替えおよび
−重畳トランスミッション内の回転数制御

回転数制御の本発明に基づく作用機構のために、既存の閉ループ制御および開ループ制御の可能性、たとえばロータブレード角度の調節および重畳トランスミッション内の回転数制御との組み合わせを変換することができる。その場合に風力設備のロータは、常にその最適な特性曲線で駆動され（最適な効率）、かつ一定の回転数がジェネレータへ出力される。

本発明を、図面を用いて詳細に説明する。

風力設備のロータパワーＰ_Ｒは、風速Ｖ_ｗに対してほぼ以下の関係にある：
Ｐ_Ｒ＝ｋｃ_ｐ（Ｖ_ｗ,ω_Ｒ,β）Ｖ^３ _ｗ

その場合に、ｋとして、たとえばブレード幾何学配置と空気の密度のような、種々の定数がまとめられる。さらに、ｃ_ｐは、パワー係数であって、それがまた、示されるように、ロータ回転数ω_Ｒの速度Ｖ_ｗとピッチ角度βに依存する。このパワー係数は、風速Ｖ_ｗが増大する場合により大きいロータ回転数ω_Ｒへシフトする、グローバルマキシマムを特徴とする。

図２は、この関係を種々の風速を考慮して、ロータの有効電力についての実線のカーブ群とロータによって吸収される、風力設備のトルクについての破線のカーブ群の表示によって示しており、その場合にカーブ群の個々のカーブはそれぞれ実例として風速に対応づけられている。特徴的なのは、風速の増大につれて、最適なロータ回転数がより高い値へシフトすることであって、その場合にこれは、図２に示す、放物線として記入されたカーブ上に位置している。従って回転数可変の設備は、提供される風速に従って、それぞれ最適なパワー係数において駆動することができる。

典型的に、風力設備は、公称回転数と結びついた、所定の公称パワーのために設計されている。ウィンドパワーがこのしきい値よりも上にある場合には、ピッチ制御によって、あるいは停止制御によってパワー制限が行われるので、風力設備の回転数可変の駆動のためには、特に部分負荷駆動が重要である。

本発明に基づくドライブトレインは、全回転数領域にわたって伝達する場合に、極めて良好な効率を有しており、その場合に図１０に示す実施例を参照することができ、その実施例においてはｎ＝１５００回転／分の一定の従動回転数において、ｎ＝１０−１８回転／分の駆動回転数領域によって２．５ＭＷの最大伝達パワーが計算された。図１０のカーブＩは、均一な高さの効率を示し、カーブIIによって、この例について伝達されるパワーが示されている。

風力設備のために、本発明に基づくドライブトレインによって、風に従って以下の制御課題ないし駆動状態が考慮された：
−オンとオフ
−ロータの制動
−変化する風速による駆動および
−最適な駆動点を中心とする一定の風速による駆動

回転数可変の風力設備は、好ましくは本発明に基づくドライブトレインによって、可変の入力回転数と一定の出力回転数（これがまたジェネレータへ伝達される）を有する可変のパワーを伝達するために形成することができる。

これについて図１は、この種の本発明に基づくドライブトレイン１を簡単な方法で示している。ドライブトレインは、入力軸２を有しており、それが風力機械のロータ３と少なくとも間接的に結合されている。この場合には、風力機械のロータ３と入力軸２との間に一定の変速比を有するトランスミッション４が配置されている。この種の中間接続されたトランスミッション４は、効果的であるが、必ずしも必要ではなく、このトランスミッションはそれぞれ適用場合に応じて、可能なロータ回転数の領域を拡大し、かつ効率を最適に維持するために用いることができる。

本発明に基づくドライブトレインは、パワー分岐するための重畳トランスミッションを有しており、それを以下においてはパワー分岐トランスミッション５と称する。図示の実施例において、ドライブトレイン１のパワー分岐トランスミッション５として、プラネットホィールトランスミッションが使用され、その場合に入力軸２がプラネットホィール支持体６と結合されている。パワー分岐トランスミッション５内には、２つのパワー分岐路が存在し、第１のパワー分岐路７は、パワーをサンホィール９を介してドライブトレインの出力軸１０へ案内する。この出力軸１０は、少なくとも間接的に電気的ジェネレータ１１を駆動し、かつ流体動力学的操作変換器と作用結合されており、その操作変換器はこの実施例においては流体動力学的循環１２として用いられる。そのために出力軸１０は、少なくとも間接的に流体力学的操作変換器のポンプホィール１３と結合されている。

好ましくは出力軸１０は、高速回転する軸である。本出願において、高速回転する軸というのは、その回転数が入力軸２の回転数の多数倍となる軸である。特に好ましくは、電気的ジェネレータ１１を直接駆動するのに適した、出力軸１０の典型的な回転数は、たとえば１５００回転／分である。出力軸１０のための他の回転数も、それぞれ電気的ジェネレータ１１の極数ないし存在するネット周波数に応じて考えられる。高速回転する出力軸１０の形成について、少なくとも間接的に出力軸１０と作用結合されている、流体動力学的循環１２、ここでは流体動力学的操作変換器が、効果的に、すなわち高い回転数で駆動できることが、効果的である。

反応部材１５として、流体動力学的変換器内に、操作羽根を有する案内ホィールが使用され、その案内ホィールによってポンプの吸収パワーとそれに伴ってタービンホィール１４へのパワーの流れを調節することができる。タービンホィール１４を介してここでも中空ホィール１７へのパワー変換を有するパワー帰還が行われ、そのパワー帰還は、スタンドトランスミッションとして形成された、第２のプラネットホィールセット１６を介して変換される。この付加的なプラネットホィールセット１６は、選択的であるが、効果的である。というのは、この手段によって、好ましくは高速回転数軸である、出力軸１０上の回転数増大と、流体動力学的循環１２内のポンプホィール１３およびタービンホィール１４の相対回転数の増大が達成されるからである。そこから特に、流体動力学的循環１２を小型に形成する可能性が生じる。

パワー分岐トランスミッション５の中空ホィール１７への可変のパワー帰還は、可変に調節可能な変速比をもたらす。これは、パワー分岐トランスミッションの第２のパワー分岐路１８であって、それが本実施例においてはパワー帰還のために用いられる。その場合にプラネットホィールセット１６は選択的であると見なされる。これは、本発明に基づくドライブトレインの本実施例においては、タービン回転数を切り下げるために用いられ、そのタービン回転数によって流体動力学的操作変換器を駆動することができる。より高いポンプ回転数およびタービン回転数は、効率向上をもたらし、ないしは流体動力学的操作変換器を小型に形成する可能性をもたらす。

流体動力学的循環１２としての流体動力学的操作変換器を有する、本発明に基づくドライブトレインは、構造的に、パワー分岐トランスミッション内の機械的変換の選択によって、かつ流体動力学的操作変換器の寸法設計によって、ウィンドロータ３による最適なパワー吸収の放物線特性が模擬されるように、構成されている。そのための出発点は、各風速について、空気流からの最大のパワー吸収のための理想的なロータ回転数を示すことができることである。そのために、図２についての上述した説明を参照することができる。同時に、他の条件として、電気的ジェネレータのために、ドライブトレインのほぼ一定の出力回転数が前もって設定される。この場合において、この出力回転数は、ｆ＝５０Ｈｚのネット周波数において１５００回転／分である。パワー分岐トランスミッションのトランスミッションコンポーネント、たとえば中空ホィール１７とサンホィール９の必要な周速度は、この設定を考慮して、かく風速について部分負荷領域内で決定することができる。そのために、ドライブトレインが流体動力学的操作変換器１２の反応部材１５のほぼ一定に留まる位置のための、双曲線のパワー吸収特性を模擬しなければならないことが、考慮される。

図３は、図１に示す実施例の形態を用いて、ドライブトレインに生じる回転数と個々の分岐内で伝達されるパワーを示している。詳細には、カーブＡは従動軸１０の回転数、カーブＢは流体動力学的操作変換器のタービンホィール１４の回転数、カーブＣは入力軸２の回転数、そしてカーブＤはパワー分岐トランスミッション５の中空ホィール１７上の回転数である。パワーの流れについて、カーブＦはウィンドロータによって吸収されるパワーを示し、カーブＥは流体動力学的操作変換器１２のサンホィール９上のパワーであり、カーブＧはドライブトレインから電気的ジェネレータへ伝達されるパワー、そしてカーブＨは第２のパワー分岐路１８を介して流体動力学的操作変換器からパワー分岐トランスミッション５へ還流するパワーを示している。

図４は、再度、図１に示す実施例についてのパワーの流れと流体動力学的操作変換器（この場合には案内ホィール）の反応部材１５の調節を示している。パワーの流れカーブＥ、Ｆ、ＧおよびＨは、図３のものに相当する。図から明らかなように、ドライブトレインの特性によって模擬することのできる、放物線に沿った最適なパワー吸収において、図示されている全負荷領域にわたってほぼ一定に留まる案内羽根位置で処理することができる。この調節は、以下においては、流体動力学的変換器の調整された調節と称する。従って、同時に可変の最適なウィンドロータ回転数において、電気的ジェネレータに供給するためのドライブトレインの出力回転数を一定に維持するために、本来の意味における反応部材の制御は不要である。その場合に、パワー吸収を特徴づける放物線の急峻性は、流体動力学的操作変換器の寸法設計によるような、パワー分岐トランスミッションのコンポーネントの変換比寸法設計によって調節することができる。本発明に基づくドライブトレインのこの特性は、本出願において自己制御と称される。

図１は、パワー分岐されたドライブトレインを一般化して示しており、そのドライブトレインは流体動力学的循環１２を有しており、その循環は、メインレーン（このメインレーンによって電気的ジェネレータ１１が駆動される）からパワーを分岐し、ないしは反作用するようにパワー分岐トランスミッション５へ伝達する。また、ドライブトレインを、パワー分岐トランスミッション５から流体動力学的操作変換器を介して第１のパワー分岐路７へ、部分パワーが導入されるように、構成することも考えられる。その場合には、流体動力学的循環１２として流体動力学的操作変換器、流体動力学的カップリングあるいはトリロック（Triloc）変換器を使用することが可能である。上述したように、流体動力学的操作変換器を使用する場合には、ウィンドロータのパワー吸収特性と流体動力学的操作変換器の自己特性との間の一致に基づく自己制御の利点がある。それとは異なり、流体動力学的循環１２として流体動力学的カップリングを選択する場合には、カップリング半体間のパワーの流れをアクティブに制御しなければならず、その場合にそれに必要な測定および操作手段とそれぞれ選択された制御器を当業者の裁量の枠内で構成することができる。それにもかかわらず、所定の適用においては、流体動力学的カップリングのために利点が得られる。これは特に、カップリングによって簡単な方法で、全負荷領域が生じた場合に風力設備の下方制御が支援されることに基づいており、これは特に、開放した海上で使用するために建設計画された、大型の風力設備のために効果的である。トリロック変換器は、ここでも、所定の駆動領域において、その高い効率により、オルタネーティブ流体動力学的循環１２として優れている。

図５には、本発明に基づくドライブトレインの形態が図示されており、それにおいては流体動力学的循環として、流体動力学的カップリングが使用される。ドライブトレインの他のコンポーネントとパワーの流れは、図１のそれに相当する。駆動装置から入力軸２を介してパワー分岐トランスミッション５へ伝達されるパワーは、第１のパワー分岐路７と第２のパワー分岐路１８に分割され、その場合に図示の実施例においては、第２のパワー分岐路１８内でパワーは駆動装置方向へ、すなわちパワー分岐トランスミッションへ還流する。本実施例においては、パワー分岐のためにプラネットホィールトランスミッションが使用される。その場合に駆動側のパワー投入は、プラネットホィール支持体６を介して行われる。さらに、２つのパワー分岐路は、サンホィール９と第１のパワー分岐路７および中空ホィール１７と第２のパワー分岐路１８の間に作用結合が存在するように、形成されている。図１に示す形態に従って、第２のパワー分岐路１８内に中間接続されているプラネットトランスミッション１６は、従動軸１０上の回転数上昇とそれに伴って流体動力学的循環１２の効率向上のために用いられるが、これは選択的である。

さらに、図５には、少なくとも間接的に第１のパワー分岐路７ないし従動軸１０と結合されたポンプホィール１３と、少なくとも間接的に第２のパワー分岐路と結合されたタービンホィール１４とを有する、流体動力学的カップリングが示されている。参照符号２５は、充填装置を示しており、それは、流体動力学的カップリング内の駆動手段の充填状態と、それに伴ってポンプホィール１３とタービンホィール１４との間のパワー伝達を調節するために用いられる。図５には詳細に示されていない、測定および制御するための他の手段によって、一定に維持すべき、従動軸１０の回転数が測定されて、好ましくは流体動力学的カップリング内の駆動手段の充填状態が、充填装置２５によって、従動軸１０上の回転数がほぼ一定の目標値に維持されるように、制御される。

一般的に、流体動力学的循環１２として、少なくとも所定の程度においてそのパワー吸収とそのパワー放出が制御できるものが使用される。この課題設定のため、かつ特に風力設備内で使用するために、この流体動力学的コンポーネントが制御可能であることが、極めて重要である。

当業者の能力の枠内において、本発明に基づくドライブトレインを様々に形成することが可能である。その場合に、以下においては、パワーの流れの、本発明に基づく２つの変形例が区別され、それが図６ａ、６ｂ、６ｃと、図７ａ、７ｂ、７ｃ内の例を用いて示されている。ドライブトレインの一致するコンポーネントのための参照符号は、図１と同様に選択されている。

図６ａに基づくパワーの流れ図式は、図１のものに相当し、その場合にパワー分岐トランスミッション５によって、入力軸２を介して投入されるパワーが、ここでは回転数ｎ_１において、第１のパワー分岐路７と第２のパワー分岐路１８に分割され、第１のパワー分岐路は少なくとも間接的に電気的ジェネレータを駆動し、かつ一定の出力回転数ｎ_２を有している。

図６ａ、６ｂ、６ｃに示す、第１の実施変形例について特徴的なことは、第２のパワー分岐路１８を介して無効電力の形式のパワーがパワー分岐トランスミッショ５へ還流することである。流体動力学的循環１２を介しての第１と第２のパワー分岐路７、１８の一致する接続も効果的であって、その場合に好ましくは、ポンプホィール１３は少なくとも間接的に第１のパワー分岐７と、タービンホィール１４は少なくとも間接的に第２のパワー分岐路１８と接続されている。

図６ａ、６ｂ、６ｃに示されている形態の差は、パワー分岐トランスミッション５内のパワー分岐の種類から生じる。図６ａによれば、パワー導入はプラネットホィール支持体６を介して行われ、第１のパワー分岐路７はサンホィール９と作用結合されており、第２のパワー分岐路１８は中空ホィール１７への帰還作用をもたらす。図６ｂによれば、パワー導入は中空ホィール１７を介して行われ、第１のパワー分岐路７はここでもサンホィール９と作用結合されており、第２のパワー分岐路１８は少なくとも間接的にプラネットホィール支持体６と結合されている。図６ｃによれば、プラネットホィール支持体６を介してパワーが導入される場合に、第１のパワー分岐路７は中空ホィール１７と、そして第２のパワー分岐路１８はサンホィール９と作用結合することができる。さらに、付加的なトランスミッションをスタンドトランスミッションとしてパワー分岐路内に介在させることができ、このトランスミッションは実施例においてはプラネットホィールトランスミッションとして示されており、かつ参照符号１６および１６．２を有している。

本発明に基づくドライブトレインの他の実施変形例が、図７ａ、７ｂおよび７ｃに示されている。上述した実施形態とは異なり、ここでは第２のパワー分岐路１８内のパワーの流れは、前進方向、すなわち従動側の方向に行われる。そのために、図７ａと７ｂに示す形態においては、流体動力学的循環１２のポンプホィール１３、ここでは流体動力学的操作変換器は、少なくとも間接的に第２のパワー分岐路１８と接続されており、かつタービンホィール１４を介して第１のパワー分岐路７への作用接続と、それに伴って、一定の回転数ｎ_２で回転する出力軸１０への作用アクセスが存在する。

図７ａに示す形態と７ｂに示す形態の差は、パワー分岐トランスミッション５内のパワー導入とパワー分岐の種類から生じ、その場合に図７ａでは、プラネットホィール支持体６は入力軸２と少なくとも間接的に結合されており、かつ中空ホィール１７を介して第２のパワー分岐路１８への、そしてサンホィール９を介して第１のパワー分岐路７への作用接続が存在する。図７ｂによれば、パワー導入は中空ホィール１７を介して行うこともでき、かつプラネットホィール支持体６を介して第２のパワー分岐路１８への、そしてサンホィール９を介して第１のパワー分岐路７への作用接続が存在することができる。

さらに、ここでもパワー分岐路内の異なる中間トランスミッションを実現することができ、その場合にその中間トランスミッションは、たとえばプラネットトランスミッション１６として形成することができる。さらに、付加的なトランスミッション段１６．３を、パワー分岐路７、１８を有する流体動力学的循環の間接的カップリングの領域に形成することができる。これが、図７ｂに基づく形態に図示されている。

第２のパワー分岐路１８内の前進方向のパワーの流れについての他の実施例が、図７ｃに示されている。ここでは、ポンプホィール１３への結合を介して、第２のパワー分岐路１８から流体動力学的循環１２への作用接続が存在し、タービンホィール１４を介しては、パワーが、少なくとも間接的に第１のパワー分岐路７内へ投入される。

可変の入力回転数と可変のパワー投入においてほぼ一定の出力回転数を有する、本発明に基づくドライブトレインの展開が、図８ａ、８ｂおよび８ｄに示されている。上述した実施形態とは異なり、流体動力学的循環１２は第１のパワー分岐路７への、ないしは、少なくとも間接的に電気的ジェネレータを駆動する、パワー分岐トランスミッション５の出力軸１０への作用接続は存在しない。その代わりに、流体動力学的循環１２は、第２のパワー分岐路１８、無効電力分岐路上のパワーの流れを制御し、このパワー分岐路はパワー分岐トランスミッション５とも、入力軸２とも、少なくとも間接的に接続されており、パワーをパワー分岐トランスミッション５へフィードバックする。

図８ａにおいては、パワー分岐トランスミッション５へのパワー導入は、プラネットホィール支持体６を介して行われる。同様にプラネットホィール支持体６にスタンドトランスミッション、ここではプラネットホィールトランスミッション１６が接続されており、このプラネットホィールトランスミッションは回転数増大のために用いられ、かつ流体動力学的操作変換器のポンプホィール１３を駆動する。その場合にタービンホィール１４と付加的なスタンドトランスミッション１６．２を介して、無効電力の形式のパワーがパワー分岐トランスミッション５のサンホィール９へ還流する。流体動力学的循環１２により無効電流の流れを制御することによって、少なくとも間接的に中空ホィール１７と接続されている、従動軸１０の回転数を、ほぼ一定に維持することができる。図８ｂと８ｃは、この原理の他の形態を示しており、その場合にパワー分岐トランスミッション５への駆動側のパワー導入が変化される。

本発明に基づく、パワー分岐トランスミッション５との組み合わせにおける流体動力学的循環１２に特徴的なことは、反応度におけるある程度の柔軟性である。その柔軟性の下で、好ましい制御行動のためにパワー損失のない十分な緩衝が利用され、それは流体動力学的循環１２の移動される質量からもたらされる。従って風力設備において陰影効果により、あるいは突風の際に発生するような、システム内の特に短時間の変動は、本発明に基づくシステムによって良好に緩衝することができ、それは、本発明に基づくドライブトレインの従動回転数を一定に維持する場合に、制御技術的観点から本質的な利点を表す。

さらに、本発明に基づく配置に特徴的なことは、パワー分岐トランスミッション５へ反作用する、少なくとも１つの流体動力学的循環１２の使用によって、少なくとも短時間の、エネルギ蓄積作用が実現されることである。これも、本発明に基づくドライブトレインの制御特性のために、効果的に作用する。

図１１は、再び風力設備の例において、ドライブトレインの入力回転数の柔軟な適合とそれに伴って風に適合されたロータ回転数を示しており、その場合に同時に、一定の従動回転数（ジェネレータ回転数）が前提とされる。種々の駆動点Ａ、ＢおよびＣが示されており、それらは、対応づけられたロータ回転数ω_Ｃ、ω_Ａおよびω_Ｂを有する種々のパワー係数に相当する。点Ａにおいて、ロータは空気流から最適なパワーを取り出す。点Ｃでは、可能なロータパワーの一部しか利用されず、従って流体動力学的循環は、メインレーンと重畳トランスミッションへ還流される、放出されたパワーからのパワー吸収において、ロータが加速されて最適な駆動点Ａに達するように、制御される。逆の符号によって、制御は駆動点Ｂから行われる。従ってこれは、一定と見なされる風速において、最適な作業点における制御に相当する。

さらに、風にある程度の変動が発生する可能性があり、それによって一定の作業点が移動する。その例が、点Ｄであって、この点は点Ａと同様に最適なパワーのカーブ上に位置しており、より小さい風速に相当する。従って本発明に基づくドライブトレインによって、入力回転数における時間的可変性を有する時間的に可変の入力パワーも調節可能ないし制御可能である。

それについて図９は、時間的に変動する風速を有するウィンドプロフィールを示しており、その風速もまた最適なロータ回転数に変換される。その場合に使用される機械的コンポーネント、ロータ、トランスミッション、流体動力学的循環などの慣性に基づき、所定の平滑化が行われる。

一般的に、所定の精度で出力回転数を一定に維持する配置も、一定の出力回転数を有するドライブトレインを提供する、という本発明に基づくアイデアの枠内にある。その場合にある程度の偏差は、許容可能である。その場合に偏差は、たとえば、目標回転数の±１０％、好ましくは±５％、特に好ましくは±１％の領域にあるようにすることができる。しかし、分配者ネットと厳しく接続されているジェネレータにおいて、風力設備に使用する場合には、駆動すべきネットをさらに案内するように支援する、最大±０．５％の従動回転数の高い一貫性が優先される。

本発明に基づくドライブトレインの、風力を越える他の適用可能性が、たとえば特殊な水力設備において得られ、その水力設備においてタービンが使用され、そのタービンは一定の回転数では駆動できない。この種の条件は、たとえば水力および潮力式発電所において、あるいは水門システム内の特殊配置において、生じる可能性がある。さらに、本発明に基づく原理によって、天然の、従って時間的に可変のエネルギ源、たとえば波力を、一定の入力回転数を要求する電気的ジェネレータへ伝達することが、考えられる。

流体動力学的循環としての流体動力学的操作変換器を有する、本発明に基づいてパワー分岐された風力設備を概略的に示している。 ウィンドロータのトルクおよびパワー吸収機構とそれに結びついた、本発明に基づくドライブトレインの可変の入力回転数およびジェネレータへの一定の出力回転数を、風速とウィンドロータ回転数に従って示す、グラフを示している。 機械−流体圧−ドライブトレインの個々の分岐のパワーの流れと回転数を、ウィンドタービン回転数に従って示している。 機械−流体圧−ドライブトレインの反応部材のパワーの流れと調節を、ウィンドタービン回転数に従って示している。 流体動力学的循環としての流体動力学的カップリングを有する、本発明に基づいてパワー分岐された風力設備を概略的に示している。 図６ａ−６ｃは、本発明に基づくドライブトレインの実施例を示しており、それらにおいて流体動力学的循環によって第１と第２のパワー分岐路の間が結合され、かつ無効電力が第２のパワー分岐路を介してパワー分岐トランスミッションへフィードバックされる。 図７ａ−７ｃは、本発明に基づくドライブトレインの実施例を示しており、それらにおいて第２のパワー分岐路上でパワーは前進方向に案内され、かつ流体動力学的循環を通して第１のパワー分岐路へ導入される。 図８ａ−８ｃは、本発明に基づくドライブトレインの実施例を示しており、それらにおいて第１のパワー分岐路によって電気的ジェネレータが駆動され、第２の、分離されたパワー分岐路内では流体動力学的循環が無効電力の流れを制御する。 本発明に基づく設備のウィンドプロフィールと付属のロータ回転数を示している。 本発明に基づくドライブトレインを有する風力設備の有効電力推移を概略的に示している。 ロータの最適なパワー出力のための制御を示している。

Claims (9)

1. １．ウィンドタービン（３）または水タービンのような、流れ機械によって駆動されるエネルギ発生設備のための、可変の入力回転数を有する可変のパワーを伝達するためのドライブトレインであって；
   １．１ パワーを少なくとも１つの第１のパワー分岐路（７）と少なくとも１つの第２のパワー分岐路（１８）に分割するための、パワー分岐トランスミッション（５）を有し；
   １．２ 第１のパワー分岐路（７）は、少なくとも間接的に電気的ジェネレータ（１１）を駆動し；
   １．３ パワー分岐トランスミッション（５）に対して従動側に配置されている流体圧的循環（１２）を用いて、第１のパワー分岐路（７）と第２のパワー分岐路（１８）との間の接続が形成され、かつ流体圧的循環（１２）によってパワーの流れが、電気的ジェネレータ（１１）を駆動する回転数がほぼ一定であるように調節される；
   前記ドライブトレインにおいて、
   １．４ 流体圧的循環が、流体動力学的循環であることを特徴とする可変の入力回転数を有する可変のパワーを伝達するためのドライブトレイン。
2. 流体動力学的循環（１２）として、流体動力学的操作変換器または流体動力学的カップリングまたはトリロック変換器が使用されることを特徴とする請求項１に記載の可変の入力回転数を有する可変のパワーを伝達するドライブトレイン。
3. 流体動力学的操作変換器（１２）または流体動力学的カップリングまたはトリロック変換器のポンプホィール（１３）が、パワー分岐トランスミッション（５）の高速回転する軸上に配置されており、高速回転する軸がドライブトレインの出力軸（１０）であって、前記出力軸と電気的ジェネレータ（１１）が少なくとも間接的に接続されていることを特徴とする請求項１−２の少なくとも１項に記載の可変の入力回転数を有する可変のパワーを伝達するドライブトレイン。
4. ４．請求項１から３のいずれか１項に記載のドライブトレインであって、次の特徴：
   ４．１ 第２のパワー分岐路（１８）が、少なくとも間接的にパワー分岐トランスミッション（５）の入力軸（２）と接続されており、かつこのパワー分岐トランスミッションへ無効電力をフィードバックし；
   ４．２ 第２のパワー分岐路（１８）内の無効電力の流れを調節するために、第２のパワー分岐路（１８）内に流体動力学的循環（１２）が配置されている、
   ことを特徴とするドライブトレイン。
5. パワー分岐トランスミッション（５）の前段または後段に、他のトランスミッションが接続されていることを特徴とする請求項１−４の少なくとも１項に記載の可変の入力回転数を有する可変のパワーを伝達するためのドライブトレイン。
6. 第２のパワー分岐路（１８）内に、流体動力学的循環（１２）を駆動する回転数を増大させるために、付加的なトランスミッションが配置されていることを特徴とする請求項１−５の少なくとも１項に記載の可変の入力回転数を有する可変のパワーを伝達するためのドライブトレイン。
7. 出力回転数が、目標値の±１０％の最大偏差で一定に維持されることを特徴とする請求項１−６のいずれか１項に記載の可変の入力回転数を有する可変のパワーを伝達するためのドライブトレイン。
8. 出力回転数が、目標値の±５％の最大偏差で一定に維持されることを特徴とする請求項１−６のいずれか１項に記載の可変の入力回転数を有する可変のパワーを伝達するためのドライブトレイン。
9. 出力回転数が、目標値の±１％の最大偏差で一定に維持されることを特徴とする請求項１−６のいずれか１項に記載の可変の入力回転数を有する可変のパワーを伝達するためのドライブトレイン。

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