KR100456861B1 - 동기화 장치를 갖는 풍력 설비 - Google Patents

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Abstract

동기화 장치들은 많은 다양한 형태들로 알려져 왔다. 발전기로써의 동작과, 모터로써의 동작, 예를 들어 연결 단자들 또는 스테이터 와인딩(stator winding)에서의 단락과 같은 단락 상황에서 이러한 동기화 장치들은 매우 높은 단락토크(short-circuit torque)를 발생시킨다. 이러한 점에 있어서, 상기와 같은 매우 높은 단락 토크이 피크(peak)는 상기 동기화 장치의 정격토크의 6~8배 정도의 값을 가지게 된다. 그러므로, 상기 동기화 장치의 기계적 구조에 대하여, 수반하여 발생되는 매우 높은 단락 토크에 대하여 고려해야 하고, 상기 단락 토크가 잘 발생하지 않도록 고려하여야 한다.
본 발명의 목적은 동기화 장치의 구조를 간소화하고, 상기 언급된 단점들을 회피하는데 있다.
동기화 장치는 로터와 스테이터를 구비하며, 상기 스테이터는 상호 전기적 및/또는 공간적으로 분리된 적어도 2개 이상의 독립된 교류 전류(3상) 와인딩을 갖는다.

Description

동기화 장치를 갖는 풍력 설비{A WIND POWER INSTALLATION WITH A SYNCHRONOUS MACHINE}
상기 기술된 종류의 동기화 장치들은 이미 에네르콘(Enercon)사의 풍력 설비에서 이미 오랜 기간 동안 사용하여 왔다. 이러한 종류의 풍력 설비에 있어서, 상기 동기화 장치들은 링(ring)형 발전기의 형태로 되어 있으며, 상기 발전기 로터(generator rotor)는 발전기 스테이터(generator stator)내에서 회전하고, 상기 발전기 로터는 상기 풍력 설비의 로터에 직접적으로 설치되는 플랜지(flange)에의해 탑재된다. 구동장치에 설치된 플랜지에 의해 직접적으로 탑재되는 발전기 로터의 경우에 있어서, 단락 상황하에 있어서 매우 높은 단락 토크가 발생되며, 이러한 중요 손상을 피하기 위하여 매우 고가의 설비비와 유지비가 들게된다.
그러므로, 예를 들어 에네르콘사의 E-40타입의 풍력설비에서 사용되는 동기화 장치에 있어서, 쉬어링 핀 커플링(shearing pin coupling) 형태의 기계적 안전장치가 개발되어졌고 사용되어져 왔다. 이러한 경우에 스테이터(발전기의 고정부재)를 지지하는, 소위 스테이터 캐리어 스타(stator carrier star) 또는 스파이더(spider) (캐리어)는 역시 고정되어 있는 액슬 저널(axle journal)이나 스터브 액슬(stub axle)에 상기 쉬어링 핀으로 연결된다. 발전기 단락의 경우에 있어서, 상기 핀들은 쉬어링 되고, 또한 상기 스테이터가 상기 액슬 저널에 대하여 회전하도록 허용한다. 이러한 방식으로 상기 전달된 토크는 정격토크의 최대 4배까지로 제한되며, 드라이브 트레인(drive train)이 발전기 단락 상황하에서 안전하도록 보장받게 된다.DE 197 29 034는 스테이터 와인딩을 구비한 발전기 스테이터와, 상기 스테이터에 대하여 이동할 수 있는 발전기 로터를 갖는 동기화 장치를 구비한 풍력 설비를 개시하고 있다. 상기 실시예에 의하면 상기 스테이터는 6상 스테이터 와인딩을 갖는다. 상기 동기화 발전기의 6상 스테이터 와인딩은 일반적인 정류기 회로(rectifier circuit)에 연결된다.WO 88/07782는 로터와 스테이터를 갖는 전기적 발전기를 구비한 풍력 설비를 개시하고 있다. 상기 스테이터는 바람직한 출력 신호를 생성하기 위하여 적절한 스위칭 수단에 의하여 다양한 방식으로 상호 연결될 수 있는 다수의 전환점(turns)을 갖는다.DE 40 32 492는 전환될 수 있는 다상의 스테이터 와인딩을 포함하는 전력 컨버터 조작을 위한 전기적 장치를 개시하고 있는데, 그것은 역시 풍력 설비에 사용될 수 있다. 그러한 경우에 있어서 상기 스테이터 와인딩은 동전기적으로(galvanically) 나뉘어지고, 별(star) 모양이나 다각형형상으로 고정적으로 연결되는, 유사한 각각 m 상(m-phase)와인딩 서브시스템으로 세분된다. 특별한 전환요소가 상기 와인딩을 전환하기 위하여 제공된다.
동기화 장치들은 많은 다양한 형태들로 알려져 왔다. 발전기로서의 동작과, 모터로서의 동작, 예를 들어 연결 단자들 또는 스테이터 와인딩(stator winding)에서의 단락과 같은 단락 상황에서 이러한 동기화 장치들은 매우 높은 단락토크(short-circuit torque)를 발생시킨다. 이러한 점에 있어서, 상기와 같은 매우 높은 단락 토크 피크(peak)는 상기 동기화 장치의 정격토크의 6~8배 정도의 값을 가지게 된다. 그러므로, 상기 동기화 장치의 기계적 구조에 대하여, 수반하여 발생되는 매우 높은 단락 토크에 대하여 고려해야 하고, 상기 단락 토크가 잘 발생하지 않도록 고려하여야 한다.
본 발명은 하기 도면상에 도시된 실시예에 의해서 좀더 상세히 설명되어질 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 동기화 발전기(synchronous generator)를 구비하는 풍력 설비 포드(pod)를 도시한 단면도.
도 2는 공지된 동기화 발전기를 구비한 공지된 풍력 설비 포드의 단면도.
도 3a는 본 발명에 의한 동기화 발전기를 부분적으로 도시한 도면.
도 3b는 위상 컨덕터 분배(phase conductor distribution)를 도시한 개략도.
도 3c는 공지된 동기화 발전기를 부분적으로 도시한 도면.
도 4a는 화살 모양의 폴 헤드(pole head)를 도시한 사시도.
도 4b는 화살 모양의 폴 헤드를 도시한 평면도.
도 5는 단락이 없을 경우 자속의 형상을 도시한 도면.
도 6은 단락이 있는 경우 자속의 형상을 도시한 도면.
도 7 및 도 8은 부분적인 또는 전체적인 부하를 갖는 단락 상황하에서의 측정 기록을 도시한 도면.
본 발명의 목적은 동기화 장치의 구조를 간소화하고, 상기 언급된 단점들을 회피하는데 있다.
본 발명에 의하면, 그러한 목적은 청구항 1항에 개시된 특징을 갖는 동기화 장치에 의하여 달성된다.
본 발명은 최대 단락 토크가 지금까지 일반적이었던 것처럼 부분적으로 제한되는 것이라면, 예를 들어 쉬어링 핀 커플링(shearing pin coupling)과 같은 특별한 안전장치가 필요치 않다는 사실에 근거를 두고 있다. 바람직하게는, 본 발명에 의한 동기화 장치에서 단락 토크는 항상 토크의 두배 이하이다.
단락 토크를 제한하기 위하여 로터가 상호 전기적 및/또는 공간적으로 분리된 적어도 두 개의 독립적인 3상 와인딩을 갖는다. 그것은 발전기의 전력이 두 개의 다른 3상 시스템들로 나누어지도록 한다. 상기 두 개의 독립적인 3상 시스템들로서, 각각의 시스템은 정격 전력의 단지 50%만을 포함한다. 더욱이, 그러한 시스템들은 30도의 각도를 통하여 위치된다. 이는 두 개의 3상 시스템들이 전기적, 기계적(공간적)으로 분리되는 것을 의미한다. 그러나 그러한 방법으로 리랙턴스 Xd는 또한 대략 두 배가 되며, 따라서 단락 전류는 절반이 된다. 이는 특정한 이점, 즉 시스템에서 단락의 경우에 단지 절반의 단락 전력이 발생하는 이점을 갖는다. 따라서, 일반적인 단일 시스템 설비에 대하여 최대 단락 모멘트(예를 들어, U1 및 V1의 두 개의 상을 갖는 단락)에서 50%의 감소를 갖는 것이 가능하다.
단락 토크를 감소시키기 위한 다른 방법은 특히 리액턴스 Xd"와 Xd'가 동적 단락 전류 형상을 결정하기 때문에 댐퍼 케이지(damper cage)를 제공하는 것이다. 최대 단락 토크는 댐퍼 케이지를 제거함으로써, 즉 댐퍼 와인딩없이 돌출 폴 장치(salient pole machine)를 사용함으로써 대략 30%가 감소될 수 있다.
토크를 감소시키기 위한 부가적인 방법이 관련될 때, 로터의 폴 헤드는 대략적으로 화살모양의 형상인 것으로 제안된다. 두 개의 3상 시스템들의 하나에서 단락의 경우에, 여자기 폴(exciter pole)에서의 자속(magnetic flux)는 회전 방향에서 매우 빠르게 편향될 수 있다. 그것은 홈(groove)내의 스테이터 자속(stator flux)과 여자기 자속(exciter flux)의 유연한 동적 디커플링(decoupling)을 가능하게 한다. 폴의 폭마다 단락 전류는 모두 6개의 홈들중 두 개의 홈에서만 흐른다. 여자기 자속(exciter flux)의 동적인 디커플링(decoupling)은 더욱 단락 토크를 감소시키게 된다.
도 1은 액슬 저널(axle journal)(2)또는 스터브 액슬(stub axle)상에 지지되는 로터(1)를 구비한 풍력 설비 포드(pod)를 부분적으로 도시한 도면이다. 상기 로터(1)는 동기화 발전기의 발전기 로터에 직접적인 전달없이 연결된다. 상기 로터 발전기는 상기 액슬 저널(2)에 직접적으로 설치된 플랜지(flange)상에 탑재되는 발전기 스테이터(3)내에 위치한다. 그 상부에 설치되는 전체 드라이브 트레인(drive train)과 같이, 상기 액슬 저널(2)은 발전기 이외에, 기계 캐리어(4)에 의해 지지된다. 역시, 로터 허브(5)와 베어링(6)이 도시된다.
도 2는 공지된 동기화 발전기를 구비한 풍력 설비 포드(pod)를 도시한 도면으로서, 여기서 발전기 스테이터(3)는 스테이터 캐리어 스타(stator carrier star)(7) 또는 스파이더에 의해 지지받으며, 상기 스테이터 캐리어 스타(7)는 액슬 저널(2)상에 차례로 배치되고, 쉬어링 핀 커플링(shearing pin coupling)(8)에 의하여 굳게 고정된다.
예를 들어, 연결 단자들 또는 스테이터 와인딩(stator winding)(미도시 됨)에서의 단락의 경우, 매우 높은 단락 토크(torque)가 상기 동기화 발전기내에 발생하게 된다. 정격 토크의 6~8배의(또는 그 이상의) 값에 도달할 수 있는 이러한 매우 높은 단락 토크 피크는 관련되는 기계적 구조에 의하여 고려되어져야 한다. 도 2에 도시된 에네르콘(Enercon)사의 E-40 타입의 풍력 설비에 있어서, 그러한 기계적 구조는 쉬어링 핀 커플링(shearing pin coupling)과 같은 형태의 기계적 안전장치에 의해 구현되었다. 발전기 단락의 경우에 있어서, 상기 핀들은 쉬어링 되고, 역시 상기 스테이터가 상기 액슬 저널에 대하여 회전하도록 허용한다. 이러한 방식으로 상기 전달된 토크는 정격토크의 최대 4배까지 제한되며, 드라이브 트레인(drive train)이 발전기 단락 상황하에서 안전하도록 보장받게 된다.
도 3a는 본 발명에 따른 동기화 장치(동기화 발전기)를 부분적으로 도시한 단면도이다. 이 경우에 있어서, 로터는 스테이터내에서 회전하게 되며, 상기 로터 돌출 폴(salient-pole) 장치는 댐퍼 케이지(댐퍼 와인딩)이나 단락 링(short-circuit ring)을 갖지 않는다.
부가적으로, 두 개의 독립된 3상 와인딩 U1, V1, W1 및 U2, V2, W2는 스테이터내에 위치된다. 따라서, 상기 발전기의 전력은 두개의 3상 와인딩(3상 시스템)으로 나뉘어지므로써, 각각의 3상 시스템은 정격 전력의 단지 50%만을 다루게 된다. 상기 2개의 3상 시스템은 30%의 전기적 각을 통해 변위되며, 따라서, 전기적으로 기계적으로(공간적으로) 상호 분리된다. 그것은 그러나 리액턴스 Xd가 역시 대략적으로 두배이고, 따라서, 단락 전류는 절반인 것을 의미한다. 그것은 3상 시스템내의 단락의 경우에 있어서 단락 전력이 단지 절반만 발생되는 장점이 있다. 그것은, 최대 단락 모멘트[2상(예를 들어, U1, V1)의 단락]에서 시스템 설비에 대하여 50%까지 감소를 허여한다. 도 3b는 스테이터의 보다 큰 영역에 대한 두 개의 3상 시스템들의 각각의 위상의 배열을 도시하는 보다 좋은 개략도이다.
도 3c는 발전기 로터가 댐퍼 케이지를 갖고 발전기의 전력이 단지 하나의 3 상 시스템 U, V, W에 의하여 흡수되는 공지된 동기화 장치[댐퍼 케이지를 갖는 풀-폴(full-pole) 장치](E-40 타입)를 도시한 부분 단면도로서, 폴 코어(pole core)(9), 단락 링(short-circuit ring)(10), 댐퍼 바(11), 스테이트 플레이트(state plate)(12)가 도시된다.
도 3a에 도시한 바와 같이, 로터의 폴 코어상에 지지되는 폴 슈(pole shoes) 또는 폴 헤드(pole heads)는 도 4a에 도시한 바와 같은 화살모양으로 형성되어 있다.
이러한 경우에 있어서, 에어 갭(air gap)을 향한 표면상의 평면도에서 도 4b에 도시한 폴 헤드는 화살모양이다. 도 3a에서 화살표로 식별되는 로터의 운동의 방향에서 프론트 에지(front edge)인 에지는, 서로 각을 갖는 관계로 배열되고 로터와 폴 헤드의 운동방향에 대하여 경사지게 배열되는 점을 형성하도록 만나는 두 개의 에지 부분을 갖는다. 상기 에지 부분들은 로터의 운동방향에 대하여 대략 150도의 각으로 배열된다. 로터의 운동방향에서 트레일링 에지(trailing edge)인, 폴 헤드의 에지는 또한 로터의 운동의 방향에 대하여 경사지도록 배열되는 에지 부분을 갖는다.
도 5는 단락이 없는 상태의 본 발명에 따른 발전기 (로터 ---> 스테이터)에서 자속(magnetic flux)을 도시한 도면이다. 이러한 경우에 자속은 홈(groove)들 사이로 폴 헤드에서 스테이터로 균일하게 직접적으로 흐른다.
도 6에 있어서, U2에 의하여 식별되는 홈내의 단락에 있어서, 자속 라인(자속 Φ)은 편향되어야만 한다. 폴 헤드의 화살 형상은 우측방향으로 그리고 좌측방향으로 폴(pole)내에서의 편향을 허용함으로써 자속은 다른 인접하는 홈 랜드(groove land)로 분배될 수 있다. 회전 방향으로 여자기 폴(exciter pole)에서 자속의 편향은 홈 내에서 여자기 자속(exciter flux)과 스테이터 자속(stator flux)의 부드러운 역동적인 쉽게 디커플링(decoupling)을 가능하게 한다. 이 여자기 자속의 역동적인 디커플링은 더욱더 단락 토크를 감소시키게 된다.
도 7 및 도 8은, 부분 부하(1200kW)와 완전부하(1500kW) 및 인공적으로 생성된 발전기 단락하에서 1.5MW 동기화 발전기(에네르콘사의 E-66 타입)의 로터 토크,전력과 속도에 관한 일련의 시간 측정을 도시한 도면이다. 측정은 2상 발전기 단락으로 인하여 모든 동작 단계들에서 발생하는 최대 토크가 현저하게 정격 토크의 두 배 이하임을 나타낸다.
설명한 바와 같이, 다양한 수단들 -적어도 두 개의 독립적인 3상 시스템들, 댐퍼 케이지가 없는, 화살 형상의 폴 헤드-의 조합은 단락 모멘트의 상당한 감소를 제공하며, 이것은 풍력 설비에서 사용하기 위한 발전기의 경우에 특히 이롭다. 단락 모멘트의 감소와 관련하여, 전체 스테이터 캐리어 구조 (도 1)가 이전의 디자인 형상 (도 2)과 비교하여 상당히 단순화될 수 있기 때문에 단순한 장치 디자인을 얻는 것이 또한 가능하다.

Claims (12)

  1. 스테이터는 상호 전기적으로 분리된 적어도 두 개의 독립된 3상 시스템을 가지며, 동기화 장치는 스테이터 와인딩에서 단락의 경우에 발생하는 단락 토크를 최대 정격 토크의 4배, 바람직하게는 정격 토크의 2배로 항상 제한하는 수단을 가짐을 특징으로 하는, 로터와 스테이터를 구비한 동기화 장치를 갖는 풍력 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터는 댐퍼 케이지 또는 댐퍼 와인딩을 갖지 않음을 특징으로 하는 풍력설비.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 단락 토크는 항상 정격 토크의 두 배이하임을 특징으로 하는 풍력 설비.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 로터는 실질적으로 화살 모양 형상의 폴 슈를 가짐을 특징으로 하는 풍력 설비.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 로터와 스테이터는 일반적인 액슬 저널에 의해 지지되며, 상기 스테이터는 상기 액슬 저널에 직접적으로 설치되는 플랜지에 의해 탑재됨을 특징으로 하는 풍력 설비.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스테이터는 캐리어에 의해 고정되며, 상기 동기화 장치의 로터와 캐리어는 고정 액슬 저널에 의해 지지되며, 상기 캐리어 및 액슬 저널은 구조적 유니트의 형태임을 특징으로 하는 풍력 설비.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 동기화 장치는 동기화 발전기 및/또는 스테이터 캐리어이고, 상기 액슬 저널은 일체의 캐스트 스틸 요소(integral cast steel component)의 형태임을 특징으로 하는 풍력 설비.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스테이터와 액슬 저널 사이에 단락의 경우 상기 스테이터를 해제하는 기계적 안전 요소가 없음을 특징으로 하는 풍력 설비.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    제1의 3상 시스템은 제2의 3상 시스템에 대하여 대략 30도의 (전기적인) 각을 통하여 변위되도록 함을 특징으로 하는 풍력 설비.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    적어도 100kW의 전력, 바람직하게는 500kW~10MW의 전력을 가짐을 특징으로 하는 풍력 설비.
  11. 삭제
  12. 삭제
KR10-2001-7014413A 1999-05-26 2000-03-03 동기화 장치를 갖는 풍력 설비 KR100456861B1 (ko)

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