KR101044060B1 - 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 풍력 터빈(3) 또는 수력 터빈과 같은 터보 기계에 의해 구동되는 발전소에 대한 가변 입력 회전수로 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인에 관한 것이다. 상기 구동 트레인은 파워를 하나 이상의 제 1 파워 분기(7)와 하나 이상의 제 2 파워 분기(18)로 분할하기 위한 파워 분할 전동장치(5)를 포함한다. 상기 제 1 파워 분기(7)는 적어도 간접적으로 발전기(11)를 구동시키고, 출력측이 상기 파워 분할 전동장치(5)를 향해 배치된 유체 역학적 회로(12)에 의해, 상기 제 1 파워 분기(7)와 상기 제 2 파워 분기(18) 사이의 접속이 형성된다. 상기 유체 역학적 회로(12)에 의해, 발전기(11)가 구동되는 속도가 실질적으로 일정하도록, 파워 흐름이 영향을 받는다.
Figure R1020057016833
풍력 발전소, 터빈, 터보 기계, 구동 트레인, 파워 분할 전동장치, 파워 분기, 유체 역학적 회로.

Description

가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인{DRIVE TRAIN FOR THE TRANSMISSION OF A VARIABLE POWER}
본 발명은 가변 입력 회전수 및 일정한 출력 회전수로 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인에 관한 것이다. 본 발명은 특히 바람, 물 및 다른 자원의 천연 에너지를 이용할 때 나타나는 바와 같은 가변 파워가 도입되는 장치에 관한 것이다.
바람 에너지의 사용은 특히 1 MW 이상의 파워에서 중요하다. 또한, 최소의 동적 부하에서 최대 파워 수율이 얻어지도록 상기 장치의 작동을 제어해야 한다. 특히 장치의 가속 단계 및 작동 단계에서 그리고 정지 시에, 전체 시스템의 효율을 최적화하기 위해, 영역별로도 다른 조절 방식(예컨대, 회전자 블레이드 조정)에 의해 지원될 수 있는 기계용 회전수 조절이 필요하다.
이하에서, 파워 전달 시 2차 조건으로서 실질적으로 시간적으로 일정한 출력 회전수가 요구되면, 특히 시간 가변 입력 회전수 및 시간 가변 모멘트에서 시간 가변 파워 전달의 문제점을 풍력 발전소의 예로 설명한다.
풍력 발전소에 의해 발생된 전기 에너지가 고정 라인 주파수를 갖는 전기 회로망 내로 공급되기 때문에, 풍력 발전소의 작동 시에 상기 문제점이 나타난다. 라인 주파수가 회로망의 안정화 및 조절을 위한 1차 크기이기 때문에, 풍력 발전소의 발전기의 직접적인 커플링은 구동 트레인으로부터 일정한 회전수가 이것에 공급된다고 가정한다. 이러한 풍력 발전소는 회전수 고정 풍력 발전소라고도 한다. 회전수 고정 풍력 발전소에는 통상적으로 비동기 발전기가 사용되는데, 상기 발전기는 원리에 기인한 슬립으로 인해 간단한 방식으로 회로망에 접속될 수 있다.
풍력 발전소에서 변하는 바람 조건으로 인해 시간적으로 가변하는 파워의 도입은 구동 트레인에서 일정한 출력 회전수에 대한 시스템 요구와 대조를 이룬다. 이 문제점은 추가로 공기 유동의 운동 에너지를 회전자 운동의 운동 에너지로 변환하는 기계적 에너지 변환에 있어 시스템 고유의 특성에 의해 첨예화된다. 회전수 고정 풍력 발전소에서는 하나의 특정 회전자 주파수 또는 소수의 회전자 주파수가 결정되는데, 발전기가 극 전환 장치를 갖거나 또는 상이한 발전기가 사용되는 경우에만 하나 이상의 회전자 주파수가 가능하다. 이 경우, 회전자의 소정 회전 속도는 통상적으로 회전자 블레이드의 각도 조정에 의해 얻어지며, 이것은 피치 조절이라고도 한다.
회전수 고정 풍력 발전소에서의 단점은 이것이 전형적인 바람 조건에서 자주 발생하는 부분 부하에서 감소된 효율로만 작동될 수 있다는 것이다.
풍력 발전소가 부분 부하 범위에서 회전수 가변적으로 작동되면, 가변 출력 회전수 또는 일정 출력 회전수를 가진 구동 트레인을 형성할 수 있는 가능성이 있다. 상기 2가지 경우에 출력 파워는 시간 가변적 모멘트로 인해 마찬가지로 시간적으로 변한다.
첫 번째 경우는 풍력 발전소에 있어서 직류 중간 회로를 가진 주파수 변환기의 사용을 필요로 한다. 그러나, 이 경우는 여기에 제시된 목적과는 동떨어져 있으며, 특히 증가된 표면 진동 부하 및 높은 블라인드 파워과 함께 심한 회로 피드백과 같은 다른 어려움을 수반한다.
풍력 발전소의 가변 회전자 회전수를 일정한 발전기 회전수와 관련시키는 제 2 경우는 가변 입력 회전수와 일정한 출력 회전수로 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인의 여기에 설명된 주제에 상응한다. 특히 풍력 발전소에 있어서 상기 문제의 공지된 해결책은 기계적 파워를 분할 또는 중첩하기 위한 중첩 전동장치를 구동 트레인에 사용하는 것이다. 회전수 가변 풍력 발전소에서, 이것에 기초하는 2가지 경우가 공지되어 있는데, 이들은 발전기 주파수를 일정하게 유지하기 위해 사용된다.
제 1 시스템에서, 입력 파워는 중첩 전동장치를 통해 대형 발전기 및 소형 서보 모터로 분할된다. 이 경우, 통상적으로 입력 파워의 약 30%가 서보 모터로 전달된다. 발전기는 주파수 고정적으로 전류 회로망과 연결되는 한편, 서보 모터는 주파수 변환기를 통해 회로망에 접속된다. 발전기 회전수의 안정화를 위해, 서보 모터가 모터로서 또는 발전기로서 작동된다. 또한, 이 시스템은 전류 회로망에 대해 피드백한다. 또한, 이 시스템은 조절하기 어렵고 에너지 저장기로서 실질적으로 구동 트레인 및 회전자의 관성 질량만을 갖는다. 또한, 주파수 변환기의 사용으로 인해 투자 비용이 비교적 높다.
유체 정력학적으로 작동하는 제 2 시스템에서는, 전기 서보 모터 대신에 유 압 모터와 펌프가 사용된다. 여기서도, 어려운 조절 특성의 문제점, 특히 관성 응답 특성, 관련 사장 시간(dead time) 및 심한 비선형성이 나타난다. 또한, 유압 시스템 부품은 구조적 비용 및 중량으로 인해 불리하다.
하기 표는 풍력 발전소의 유효 파워의 공지된 여러 가지 조절을 나타낸다.
변환기를 구비한 발전기 고정 변속비를 가진 전동장치 및 변환기를 구비한 발전기 중첩 전동장치를 구비한 발전기
시스템
타입		 전자적 일단
전동장치		 전동장치 전동장치 E-모터를 구비한 유체 정력학적 장치를 구비한
발전기 영구
여기식
동기
발전기		 동기 발전기 4/6 극
비동기 또는 동기 발전기		 4/6 극
더블 피드
비동기
발전기		 4/6 극
비동기
또는 동기 발전기		 4/6 극
비동기
또는 동기 발전기
변환기 PWM-VSI PWM-VSI PWM-VSI PWM_VSI
전동장치 유성 단 유성 단
+
스퍼기어 단		 유성 단
+
스퍼기어 단		 유성 단
+
중첩 전동장치 단		 유성 단
+
중첩 전동장치 단
조절 회전자 블레이드

회전수		 회전자 블레이드

회전수		 회전자 블레이드

슬립

극 전환		 회전수의
스로틀링		 회전자
블레이드

회전수
 회전자
블레이드

회전수
본 발명의 목적은 파워 소비재에 실질적으로 일정한 회전수가 제공됨으로써 전달 과정이 높은 효율로 이루어지고 구동 트레인에서의 충격이 최소화되도록, 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인을 형성하는 것이다. 또한, 시스템의 조절 특성을 개선하기 위해, 단시간 에너지 저장기가 구동 트레인에 형성되어야 한다. 또한, 관련 부품의 수 및 투자 비용이 낮은 레벨로 유지되어야 한다.
상기 목적은 청구항 1의 특징에 의해 해결된다.
본 발명에 따른 원리에 의해 매우 양호한 효율이 얻어진다. 풍력 발전소에서 본 발명에 따른 구동 트레인은 불규칙적인 바람 프로파일 및 그에 따른 상이한 회전자 회전수에서도 거의 균일한 레벨의 발전기 회전수를 야기한다.
지금까지는 풍력 발전소에서 효율에 대해 다소 양호한 영향을 주는 여러 가지 조절 및 제어 가능성이 공지되어 있다:
- 회전자 블레이드 각도의 조정,
- 발전기의 가변 회전수,
- 슬립 제어,
- 발전기의 회전수의 스로틀링,
- 극 수 전환 및
- 중첩 전동장치에서 회전수 조절.
회전수 조절의 본 발명에 따른 작용 메커니즘에 있어서, 기존 조절 및 제어 가능성, 예컨대 회전자 블레이드 각도의 조정 및 중첩 전동장치에서의 회전수 조절과의 조합이 이루어질 수 있다. 이 경우, 풍력 발전소의 회전자는 항상 그 최적 특성 곡선으로 작동되고(최적의 효율) 일정한 회전수를 발전기로 전달한다.
이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참고로 구체적으로 설명한다.
도 1은 유체 역학적 회로로서 유체 역학적 조절 변환기를 구비한 본 발명에 따른 파워 분할 풍력 발전소의 개략도.
도 2는 풍속 및 풍력 회전자 회전수에 따른 풍력 회전자의 토크 및 파워 소 비 특성, 본 발명에 따른 구동 트레인의 가변 입력 회전수 및 발전기에 대한 일정한 출력 회전수를 나타낸 그래프.
도 3은 풍력 터빈 회전수에 따른 기계적-유체 역학적 구동 트레인의 개별 분기의 파워 흐름 및 회전수를 나타낸 그래프.
도 4는 풍력 터빈 회전수에 따른 기계적-유체 역학적 구동 트레인의 반응 소자의 파워 흐름 및 조정을 나타낸 그래프.
도 5는 유체 역학적 회로로서 유체 역학적 커플링을 구비한 본 발명에 따른 파워 분할 풍력 발전기의 개략도.
도 6a-c는 유체 역학적 회로에 의해 제 1 및 제 2 파워 분기 사이의 연결이 이루어지고 블라인드 파워가 제 2 파워 분기를 통해 파워 분할 전동장치로 반송되는 본 발명에 따른 구동 트레인의 실시예.
도 7a-c는 파워가 제 2 파워 분기에서 순방향으로 안내되고 유체 역학적 회로를 통해 제 1 파워 분기 내로 도입되는 본 발명에 따른 구동 트레인의 실시예.
도 8a-c는 제 1 파워 분기에 의해 발전기가 구동되고 제 2의, 분리된 파워 분기에서 유체 역학적 회로가 블라인드 파워 흐름을 조절하는 본 발명에 따른 구동 트레인의 실시예.
도 9는 본 발명에 따른 장치의 바람 프로파일 및 관련 회전자 회전수를 나타낸 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 구동 트레인을 가진 풍력 발전소의 유효 파워 경과를 나타낸 그래프.
도 11은 회전자의 최적 파워 송출을 위한 조절의 개략도.
풍력 발전소의 회전자 파워(PR)는 풍속(vW)에 대해 근사적으로 하기 식을 성립한다:
PR = k cP(vW, ωR, β)v3 W
상기 식에서, k는 블레이드 형상 및 공기 밀도와 같은 상이한 상수이다. cP는 나타나는 바와 같이 풍속(vW), 회전자 회전수(ωR) 및 피치 각(β)에 의존하는 파워 계수이다. 상기 파워 계수는 풍속(vW)의 증가에 따라 더 큰 회전자 회전수(ωR)로 시프트되는 글로벌 최대치를 갖는다.
도 2는 이러한 관계를 회전자의 유효 파워에 대한 실선 곡선 군으로 그리고 상이한 풍속을 고려해서 회전자에 의해 소비되는 풍력 발전소의 토크에 대한 파선 곡선 군으로 나타낸다. 상기 곡선 군들의 개별 곡선은 각각 풍속에 할당된다. 풍속의 증가에 따라 최적의 회전자 회전수가 더 큰 값으로 시프트되는 것이 특징이다. 이것은 도 2에서 포물선으로 표시되어 도시된 곡선에 놓인다. 따라서, 회전수 가변 발전소는 풍속에 의존해서 각각 최적의 파워 계수로 작동될 수 있다.
전형적으로 풍력 발전소는 정격 속도에 관련된 특정 정격 파워에 대해 설계된다. 상기 한계치 이상의 바람 파워에서는 피치 제어에 의해 파워 제한이 이루어지므로, 풍력 발전소의 회전수 가변 작동을 위해 부분 부하 작동이 특히 중요하다.
본 발명에 따른 구동 트레인은 전달시 전체 회전수 범위에 걸쳐 매우 양호한 효율을 가지며, 이 경우 2.5 MW의 최대 전달 파워까지 n=1500 rpm의 일정한 출력 회전수에서 n=10-18 rpm의 구동 회전수 범위가 고려된 도 10에 도시된 실시예를 참고할 수 있다. 도 10의 곡선 Ⅰ은 균일하게 높은 효율을 나타내며, 곡선 Ⅱ은 상기 실시예에 있어 전달되는 파워를 나타낸다.
풍력 발전소에 있어서 본 발명에 따른 구동 트레인에 의해 하기 조절 과제 또는 작동 상태가 바람에 따라 고려된다:
- 접속 및 차단,
- 회전자의 브레이크,
- 변하는 풍속을 가진 작동 및
- 최적의 작동점에서 일정한 풍속을 가진 작동.
회전수 가변 풍력 발전소는 바람직하게는 가변 입력 회전수와, 발전기로 전달될 일정한 출력 회전수로 가변 파워의 전달을 위한 본 발명에 따른 구동 트레인으로 형성될 수 있다.
도 1은 이러한 본 발명에 따른 구동 트레인(1)을 간단히 도시한다. 구동 트레인(1)은 풍력 발전기의 회전자(3)와 적어도 간접적으로 연결된 입력 샤프트(2)를 포함한다. 본 경우, 일정한 변속비를 가진 전동장치(4)가 풍력 발전기의 회전자(3)와 입력 샤프트(2) 사이에 위치한다. 이러한 중간 접속된 전동장치(4)는 바람직하지만, 반드시 필요한 것은 아니며, 용도에 따라 가능한 회전자 회전수 범위를 확대시키고 효율을 최적화하기 위해 사용된다.
본 발명에 따른 구동 트레인은 파워 분할을 위한 중첩 전동장치를 구비한다. 상기 전동장치를 이하에서 파워 분할 전동장치(5)라 한다. 여기에 도시된 실시예에서, 구동 트레인(1)의 파워 분할 전동장치(5)로는 유성 기어 장치가 사용된다. 입력 샤프트(2)는 유성 기어 캐리어(6)와 연결된다. 파워 분할 전동장치(5) 내에는 2개의 파워 분기가 주어지는데, 제 1 파워 분기(7)는 태양 기어(9)를 통해 구동 트레인의 출력 샤트프(10)로 파워를 안내한다. 상기 출력 샤프트(10)는 적어도 간접적으로 발전기(11)를 구동시키고, 본 실시예에서는 유체 역학적 회로(12)로 사용되는 유체 역학적 조절 변환기와 작용적으로 연결된다. 이를 위해, 출력 샤프트(10)는 유체 역학적 조절 변환기의 펌프 휠(13)과 적어도 간접적으로 연결된다.
상기 출력 샤프트(10)는 바람직하게는 신속하게 회전하는 샤프트이다. 본 출원서에서 신속하게 회전하는 샤프트는 입력 샤프트(2)의 회전수의 수배인 회전수를 가진 샤프트를 의미한다. 발전기(11)의 직접적인 작동에 적합한 출력 샤프트(10)의 전형적인 회전수는 예컨대 1500 rpm인 것이 특히 바람직하다. 발전기(11)의 극 수 또는 주어진 라인 주파수에 따라 출력 샤프트(10)의 다른 회전수 값도 가능하다. 신속하게 회전하는 출력 샤프트(10)의 구성에 있어서, 유체 역학적 회로(12), 여기서는 출력 샤프트(10)와 적어도 간접적으로 작용적으로 연결된 유체 역학적 조절 변환기가 효율적으로, 즉 높은 회전수로 작동될 수 있는 것이 바람직하다.
유체 역학적 변환기 내에 조절 블레이드를 가진 안내 휠이 반응 소자(15)로서 사용된다. 상기 휠에 의해 펌프의 파워 소비 및 그에 따라 터빈 휠(14)로의 파 워 흐름이 조정될 수 있다. 상기 터빈 휠(14)을 통해 내부 기어(17)로의 파워 변환을 가진 파워 역류가 일어나고, 상기 파워 역류는 피벗 연결부로서 형성된 제 2 유성 기어 세트(16)를 통해 변속된다. 상기 부가의 유성 기어 세트(16)는 선택적이지만, 상기 조치에 의해 출력 샤프트(10), 바람직하게는 신속하게 회전하는 샤프트에서의 회전수 상승 및 유체 역학적 회로(12) 내의 펌프 휠(13)과 터빈 휠(14)의 상대 회전수 증가가 이루어지기 때문에 바람직하다. 이로부터, 특히 유체 역학적 회로(12)를 작게 형성할 수 있는 가능성이 주어진다.
파워 분할 전동장치(5)의 내부 기어(17)로의 가변 파워 역류은 가변 조정 가능한 변속비를 야기한다. 이것은 본 실시예에서 파워 역류에 사용되는 파워 분할 전동장치의 제 2 파워 분기(18)를 형성한다. 이 경우, 유성 기어 세트(16)는 선택적인 것으로 볼 수 있다. 상기 유성 기어 세트는 본 발명에 따른 구동 트레인의 본 실시예에서 유체 역학적 조절 변환기가 작동될 수 있는 터빈 회전수를 강하시키기 위해 사용된다. 보다 높은 펌프 회전수 및 터빈 회전수는 효율을 증가시키거나 또는 유체 역학적 조절 변환기를 작게 형성할 수 있는 가능성을 제공한다.
유체 역학적 회로(12)로서 유체 역학적 조절 변환기를 가진 본 발명에 따른 구동 트레인은, 파워 분할 전동장치에서 기계적 변속의 선택에 의해 그리고 유체 역학적 조절 변환기의 치수 설계에 의해 풍력 회전자(3)에 의한 최적의 파워 소비의 포물선형 특성 곡선이 시뮬레이트되도록, 구조적으로 형성된다. 이것에 대한 출발점은 각각의 풍속에 대해서 공기 유동으로부터 최대 파워 소비에 대한 이상적인 회전자 회전수가 제공될 수 있다는 것이다. 이것에 대해 도 2에 대한 전술한 설명을 참고할 수 있다. 또 다른 조건으로는 동시에 발전기에 대한 구동 트레인의 실질적으로 일정한 출력 회전수가 미리 주어지는 것이다. 본 경우에는 이것이 라인 주파수 f=50 Hz에서 1500 rpm이다. 파워 분할 전동장치의 전동장치 부품, 예컨대 내부 기어(17) 및 태양 기어(9)의 필요한 회전 속도는 부분 부하 범위에서 각각의 풍속에 대한 상기 프리세팅을 고려해서 정해질 수 있다. 이것에는, 구동 트레인이 유체 역학적 조절 변환기(12)의 반응 소자(15)의 실질적으로 일정하게 유지되는 위치에 대해 포물선형 파워 소비 특성을 시뮬레이트해야 한다는 것이 고려된다.
도 3은 도 1에 따른 실시예의 구성을 참고로 구동 트레인에서 조정될 회전수 및 개별 분기로 전달되는 파워를 나타낸다. 구체적으로, 곡선 A는 출력 샤프트(10)의 회전수를, 곡선 B는 유체 역학적 조절 변환기의 터빈 휠(14)의 회전수를, 곡선 C는 입력 샤프트(2)의 회전수를 그리고 곡선 D는 파워 분할 전동장치(5)의 내부 기어(17)에서의 회전수를 나타낸다. 파워 흐름에 있어서, 곡선 F는 풍력 회전자에 의해 소비되는 파워를, 곡선 E는 유체 역학적 조절 변환기(12)의 태양 기어(9)에서의 파워를, 곡선 G는 구동 트레인으로부터 발전기로 전달되는 파워를 그리고 곡선 H는 유체 역학적 조절 변환기로부터 제 2 파워 분기(18)를 통해 파워 분할 전동장치(5)로 역류하는 파워를 나타낸다.
도 4는 도 1에 따른 실시예에 대한 파워 흐름 및 유체 역학적 조절 변환기, 본 경우 안내 휠의 반응 소자(15)의 조정을 재차 나타낸다. 파워 흐름 곡선 E, F, G 및 H는 도 3의 것에 상응한다. 구동 트레인의 특성에 의해 시뮬레이트될 수 있는 포물선을 따른 최적의 파워 소비시에, 도시된 전체 부분 부하 범위에 걸쳐 실질 적으로 동일하게 유지되는 안내 블레이드 위치로 작동될 수 있는 것이 나타나 있다. 이러한 조정은 이하에서 유체 역학적 변환기의 조정이라 한다. 즉, 발전기에 전달하기 위한 구동 트레인의 출력 회전수의 불변성과 동시에 최적의 가변 풍력 회전자 회전수를 얻기 위해 실제적인 의미의 반응 소자의 조절이 필요 없다. 여기서, 파워 소비를 특성화하는 포물선의 기울기는 예컨대 유체 역학적 조절 변환기의 치수 설계와 같은 파워 분할 전동장치의 부품의 변속 설계에 의해 조정될 수 있다. 본 발명에 따른 구동 트레인의 상기 특성은 본 출원서에서 자체 조절이라 한다.
도 1은 파워 분할된 구동 트레인을 도시한다. 구동 트레인은 유체 역학적 회로(12)를 포함하며, 상기 회로(12)는 발전기(11)를 구동하는 주 트레인으로부터 나온 파워를 분기하거나 또는 파워 분할 전동장치(5)에 대해 피드백하도록 전달한다. 또한, 부분 파워가 파워 분할 전동장치(5)로부터 유체 역학적 조절 변환기를 통해 제 1 파워 분기(7)로 도입되도록 구동 트레인을 구성하는 것도 가능하다. 이 경우, 유체 역학적 회로(12)로서 유체 역학적 조절 변환기, 유체 역학적 커플링 또는 트리록(triloc) 변환기를 사용할 수 있다. 전술한 바와 같이, 유체 역학적 조절 변환기를 사용하면, 풍력 회전자의 파워 소비 특성과 유체 역학적 조절 변환기의 특성 간의 일치로 인해 자체 조절의 장점이 있다. 이와는 달리, 유체 역학적 회로(12)로서 유체 역학적 커플링이 선택되면, 커플링 절반 간의 파워 흐름이 액티브하게 조절되어야 한다. 이를 위해 필요한 측정 및 조절 수단 그리고 각각 선택된 조절기는 당업자의 재량 범주에서 형성될 수 있다. 그럼에도, 특정 용도에서는 유체 역학적 커플링이 바람직하다. 그 이유는 특히 커플링에 의해 간단한 방식으 로 전부하 범위의 발생시 풍력 발전소의 조절이 지원될 수 있기 때문이며, 이것은 특히 공해에 설계된 풍력 발전소에 사용하기에 특히 바람직하다. 트리록 변환기는 특정 작동 범위에서 대안의 유체 역학적 회로(12)보다 높은 효율로 인해 바람직하다.
도 5에는 유체 역학적 회로로서 유체 역학적 커플링 사용되는 본 발명에 따른 구동 트레인의 실시예가 도시된다. 구동 트레인의 다른 부품 및 파워 흐름은 도 1에 따른 실시예에 상응한다. 구동 장치로부터 입력 샤프트(2)를 통해 파워 분할 전동장치(5)로 전달되는 파워는 제 1 파워 분기(7)와 제 2 파워 분기(18)로 분할된다. 도시된 실시예에서 제 2 파워 분기(18)에서 파워는 구동 방향으로, 즉 파워 분할 전동장치 쪽으로 역류한다. 본 실시예에서, 유성 기어 장치는 파워 분할을 위해 사용된다. 이 경우, 구동측 파워 도입은 유성 기어 캐리어(6)를 통해 이루어진다. 또한, 2개의 파워 분기는 태양 기어(9)와 제 1 파워 분기(7)간의 그리고 내부 기어(17)와 제 2 파워 분기(18)간의 작용 연결이 이루어지도록 형성된다. 도 1의 실시예에 따라 제 2 파워 분기(18)에서 중간 접속된 유성 기어 장치(16)는 출력 샤프트(10)에서의 회전수 증가를 위해, 그에 따라 유체 역학적 회로(12)의 효율 증가를 위해 사용되지만, 이것은 선택적이다.
또한, 도 5에는 제 1 파워 분기(7) 또는 출력 샤프트(10)와 적어도 간접적으로 연결된 펌프 휠(13), 및 제 2 파워 분기와 적어도 간접적으로 연결된 터빈 휠(14)을 가진 유체 역학적 커플링이 도시된다. 충전 장치(25)는 유체 역학적 커플링 내의 작동 매체의 충전 레벨을, 그에 따라 펌프 휠(13)과 터빈 휠(14) 사이의 파워 전달을 조정하기 위해 사용된다. 도 5에 상세히 도시되지 않은 측정 및 조절을 위한 다른 수단에 의해, 출력 샤프트(10)의 일정하게 유지될 회전수가 측정되고, 바람직하게는 유체 역학적 커플링 내의 작동 매체의 충전 레벨이 충전 장치(25)에 의해, 출력 샤프트(10)에서의 회전수가 일정한 설정값으로 유지되도록 조절된다.
유체 역학적 회로(12)로는 일반적으로 파워 소비 및 파워 송출이 적어도 일정 정도 조절될 수 있는 유체 역학적 회로가 사용된다. 본 과제 해결을 위해, 특히 풍력 발전소에 사용하기 위해, 상기 유체 역학적 부품의 조절 가능성은 매우 중요하다.
당업자의 지식 범주에서, 본 발명에 따른 구동 트레인을 상이하게 형성할 수 있다. 이하에서, 한편으로는 도 6a, 6b, 6c에 그리고 다른 한편으로는 도 7a, 7b, 7c에 도시된 실시예를 참고로, 파워 흐름에 대한 본 발명에 따른 2가지 실시예를 구별한다. 도 1의 구동 트레인의 부품과 일치하는 부품은 도 1과 동일한 도면 부호를 갖는다.
도 6의 파워 흐름도는 도 1의 것에 상응한다. 입력 샤프트(2)를 통해 제공된 파워, 이 경우 회전수(n1)는 파워 분할 전동장치(5)에 의해 제 1 파워 분기(7)와 제 2 파워 분기(18)로 분할되고, 상기 제 1 파워 분기(7)는 적어도 간접적으로 발전기를 구동하고 일정한 출력 회전수(n2)를 갖는다.
도 6a, 6b, 6c에 도시된 제 1 실시예에서는 블라인드 파워 형태의 파워가 제 2 파워 분기(18)를 통해 파워 분할 전동장치(5)로 역류하는 것이 특징이다. 유체 역학적 회로(12)를 통해 제 1 및 제 2 파워 분기(17, 18)의 일치하는 연결도 바람직하며, 이 경우 펌프 휠(13)이 적어도 간접적으로 제 1 파워 분기(7)에 연결되고, 터빈 휠(14)은 적어도 간접적으로 제 2 파워 분기에 연결된다.
도 6a, 6b, 6c에 도시된 실시예 차이는 파워 분할 전동장치(5)에서의 파워 분할의 방식으로부터 주어진다. 도 6a에 따르면, 유성 기어 캐리어(6)를 통한 파워 유입이 이루어지고, 제 1 파워 분기(7)는 태양 기어(9)와 작용적으로 연결되고, 제 2 파워 분기(18)는 내부 기어(17)로 피드백된다. 도 6b에 따르면, 내부 기어(17)를 통한 파워 유입이 이루어지고, 제 1 파워 분기(7)는 태양 기어(9)와 작용적으로 연결되고, 제 2 파워 분기(18)는 적어도 간접적으로 유성 기어 캐리어(6)와 결합된다. 도 6c에 따르면, 유성 기어 캐리어(6)를 통한 파워 도입이 이루어지고, 제 1 파워 분기(7)는 내부 기어(17)와 작용적으로 연결되고, 제 2 파워 분기(18)는 태양 기어(9)와 작용적으로 연결된다. 또한, 실시예에서 유성 기어 장치로서 도시되고 도면 부호 16과 16.2를 가진 파워 분기 내에 피벗 연결부로서의 추가의 전동장치가 중간 접속되는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 구동 트레인의 다른 실시예가 도 7a, 7b 및 7c에 도시된다. 전술한 실시예와는 달리, 여기서는 제 2 파워 분기(18)에서의 파워 흐름은 순방향으로, 즉 출력측의 방향으로 이루어진다. 이를 위해, 도 7a 및 7b에 따른 실시예에서 유체 역학적 회로(12), 여기서는 유체 역학적 조절 변환기의 펌프 휠(13)이 적어도 간접적으로 제 2 파워 분기(18)와 연결되고, 터빈 휠(14)을 통해 제 1 파워 분기(7)에 대한 작용 연결, 그에 따라 일정한 회전수(n2)로 회전하는 출력 샤프트(10)에 대한 작용 연결이 이루어진다.
도 7a 와 도 7b 에 따른 실시예 간의 차이는 파워 분할 전동장치(5)에서의 파워 도입 및 파워 분할의 방식으로부터 주어진다. 도 7a 에서는 유성 기어 캐리어(6)가 입력 샤프트(2)와 적어도 간접적으로 결합되고, 내부 기어(17)를 통해 제 2 파워 분기(18)에 그리고 태양 기어(9)를 통해 제 1 파워 분기(7)로 작용적으로 연결된다. 도 7b 에 따르면 내부 기어(17)를 통해 파워 도입이 이루어질 수 있고, 유성 기어 캐리어(6)를 통해 제 2 파워 분기(18)로 그리고 태양 기어(9)를 통해 제 1 파워 분기(7)로 작용적으로 연결된다.
또한, 예컨대 유성 기어 장치(16)로서 형성될 수 있는 여러 가지 중간 전동장치가 파워 분기 내에 구현될 수 있다. 또한, 부가의 전동장치 단(16.3)이 유체 역학적 회로와 파워 분기(7, 18)와의 간접적인 커플링의 영역 내에 형성되는 것이 가능하다. 이것은 도 7b의 실시예에 도시되어 있다.
제 2 파워 분기(18)에서 순방향으로의 파워 흐름에 대한 또 다른 실시예가 도 7c에 도시되어 있다. 여기서는 펌프 휠(13)에 대한 커플링을 통해 제 2 파워 분기(18)로부터 유체 역학적 회로(12)로의 작용 연결이 이루어지는 한편, 터빈 휠(14)을 통해 적어도 간접적으로 파워가 제 1 파워 분기(7)내로 도입된다.
가변 입력 회전수와 가변 파워 도입시 실질적으로 일정한 출력 회전수를 갖는 본 발명에 따른 구동 트레인의 실시예는 도 8a, 8b 및 8c에 도시된다. 전술한 실시예와는 달리, 유체 역학적 회로(12)가 제 1 파워 분기(7)에, 또는 적어도 간접적으로 발전기를 구동시키는 파워 분할 전동장치(5)의 출력 샤프트(10)에 작용 연결되지 않는다. 그 대신, 유체 역학적 회로(12)는 제 2 파워 분기(18)에서, 즉 파워 분할 전동장치(5) 및 입력 샤프트(2)와 적어도 간접적으로 연결된 블라인드 파워 분기에서, 파워 흐름을 제어하고, 파워를 파워 분할 전동장치(5)로 반송시킨다.
도 8a 에서는 유성 기어 캐리어(6)를 통해 파워 분할 전동장치(5)로의 파워 도입이 이루어진다. 마찬가지로 유성 기어 캐리어(6)에는 피벗 연결부, 여기서는 유성 기어 장치(16)가 연결되는데, 상기 유성 기어 장치(16)는 회전수 상승을 위해 사용되며 유체 역학적 조절 변환기의 펌프 휠(13)을 구동시킨다. 이 경우, 블라인드 파워 형태의 파워가 터빈 휠(14)과 추가의 피벗 연결부(16.2)를 통해 파워 분할 전동장치(5)의 태양 기어(9)로 역류한다. 유체 역학적 회로(12)를 이용한 블라인드 파워 흐름의 제어에 의해, 내부 기어(17)와 적어도 간접적으로 연결된 출력 샤프트(10)의 회전수가 실질적으로 일정하게 유지될 수 있다. 도 8b 및 도 8c는 상기 원리의 또 다른 실시예를 도시하며, 각각 파워 분할 전동장치(5)내로의 구동측 파워 도입이 변화된다.
파워 분할 전동장치(5)와의 본 발명에 따른 조합에서 유체 역학적 회로(12)의 특징은 반응성에서의 일정한 유연성이다. 그로 인해, 유체 역학적 회로(12)의 이동된 질량으로부터 결과하는 바람직한 조절 특성에 대한 성능 저하 없이 충분한 댐핑이 이용된다. 따라서, 풍력 발전소에서 셰이딩(shading) 효과에 의해 또는 돌풍 시에 발생하는 바와 같은 시스템에서의 단시간의 변동은 본 발명에 따른 시스템 에 의해 양호하게 제거될 수 있고, 이것은 본 발명에 따른 구동 트레인의 출력 회전수가 일정하게 유지될 때 조절 기술적 관점에서 중요한 장점을 형성한다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 파워 분할 전동장치(5)로 피드백되는 하나 이상의 유체 역학적 회로(12)의 사용에 의해 에너지 저장기 효과가 적어도 단시간 동안 구현될 수 있다는 특징을 갖는다. 이것은 또한 본 발명에 따른 구동 트레인의 조절 특성에 바람직하게 작용한다.
도 11은 풍력 발전소의 실시예로 구동 트레인의 입력 회전수의 유연한 적응, 그에 따라 풍력에 대해 최적으로 적응된 회전자 회전수를 도시한다. 동시에, 일정한 출력 회전수(발전기 회전수)가 전제된다. 해당 회전자 회전수(ωC, ωA 및 ωB)를 가진 상이한 파워 계수에 상응하는 상이한 작동점(A, B 및 C)이 도시된다. 점(A)에서 회전자는 공기 유동으로부터 최적의 파워를 얻는다. 점(C)에서는 가능한 회전자 파워의 일부만이 이용됨으로써, 유체 역학적 회로가 주 트레인의 파워 소비에서, 그리고 송출된 파워가 중첩 전동장치로의 반송에서, 회전자가 최적의 작동점(A)에 이를 때까지 가속되도록 조절된다. 반대 부호에 의해, 조절은 작동점(B)에서부터 이루어진다. 따라서, 이것은 일정한 풍속에서 최적의 작동점에서의 조절에 상응한다.
또한, 바람에서 어떤 변동이 일어나는 것이 가능하기 때문에, 상기 일정한 작동점은 시프트된다. 이것에 대한 예가 작동점(D)이다. 작동점(D)은 작동점(A)에서와 같이 최적 파워의 곡선에 놓이고 보다 낮은 풍속에 상응한다. 따라서, 본 발명에 따른 구동 트레인에 의해, 입력 회전수의 시간적 가변성을 가진 시간적 가변 입력 파워가 조정 또는 조절될 수 있다.
도 9는 시간적으로 변하는 풍속을 가진 바람 프로파일을 도시한다. 상기 풍속은 재차 최적의 회전자 회전수로 변환된다. 이 경우, 사용되는 기계 부품, 즉 회전자, 전동장치, 유체 역학적 회로 등의 관성으로 인해 일정한 평활화가 이루어진다.
일반적으로, 본 발명에 따른 사상의 범주에서, 일정한 출력 회전수를 가진 구동 트레인, 즉 일정한 정확도를 가진 출력 회전수를 일정하게 유지시키는 장치를 형성한다. 이 경우, 어느 정도의 편차는 허용될 수 있다. 상기 편차는 예컨대 설정 출력 회전수의 ± 10%, 바람직하게는 ± 5%, 특히 바람직하게는 ± 1%의 범위 내에 있을 수 있다. 풍력 발전소에 사용하는 경우, 분배기 회로에 결합된 발전기에서는, 작동될 회로를 지원하는 최대 ± 0.5%의 매우 높은 출력 회전수 편차가 바람직하다.
본 발명에 따른 구동 트레인은 풍력 발전소 외에, 예컨대 일정한 회전수로 작동될 수 없는 터빈이 사용되는 특별한 수력 발전소에 사용될 수 있다. 이러한 조건은 예컨대 기력 발전소 및 조력 발전소 또는 수문 시스템에서의 특수 장치에 주어질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 원리에 의해 천연의, 따라서 시간적 가변의 에너지원, 예컨대 파력(wave power)을 일정한 입력 회전수를 필요로 하는 발전기로 전달할 수 있다.

Claims (7)

  1. 풍력 터빈(3) 또는 수력 터빈과 같은 터보 기계에 의해 구동되는 발전소에 대한 가변 입력 회전수로 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인으로서,
    상기 파워를 하나 이상의 제 1 파워 분기(7) 및 하나 이상의 제 2 파워 분기(18)로 분할하기 위한 파워 분할 전동장치(5)를 포함하고,
    상기 제 1 파워 분기(7)는 적어도 간접적으로 발전기(11)를 구동시키고,
    출력측에서 파워 분할 전동장치(5)를 향해 배치된 유체 역학적 회로(12)에 의해 상기 제 1 파워 분기 및 상기 제 2 파워 분기(18)간의 연결이 이루어지고, 상기 유체 역학적 회로(12)에 의해 상기 발전기(11)를 구동하는 회전수가 실질적으로 일정하도록, 상기 파워가 조절되어 전달되는 것을 특징으로 하는 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 유체 역학적 회로(12)로서 유체 역학적 조절 변환기 또는 유체 역학적 커플링 또는 트리록 변환기가 사용되는 것을 특징으로 하는 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 유체 역학적 조절 변환기 또는 상기 유체 역학적 커플링 또는 상기 트리록 변환기의 펌프 휠(13)이 파워 분할 전동장치(5)의 신속히 회전하는 샤프트 상에 배치되고, 상기 신속히 회전하는 샤프트는 상기 구동 트레인의 출력 샤프트(10)이고, 상기 출력 샤프트(10)에는 상기 발전기(11)가 적어도 간접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인.
  4. 풍력 터빈(3) 또는 수력 터빈과 같은 터보 기계에 의해 구동되는 발전소에 대한 가변 입력 회전수로 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인으로서,
    입력 샤프트(2), 하나 이상의 제 1 파워 분기(7) 및 하나 이상의 제 2 파워 분기(18)를 포함하는 파워 분할 전동장치(5)를 포함하고,
    상기 제 1 파워 분기(7)는 적어도 간접적으로 발전기(11)를 구동시키고,
    상기 제 2 파워 분기(18)는 적어도 간접적으로 상기 입력 샤프트(2)와 연결되고 블라인드 파워를 상기 파워 분할 전동장치(5)로 반송하고,
    상기 제 2 파워 분기(18)에 배치된 유체 역학적 회로(12)에 의해, 상기 발전기(11)를 구동하는 회전수가 실질적으로 일정하도록, 상기 제 2 파워 분기(18)에서의 블라인드 파워 흐름이 영향을 받는 것을 특징으로 하는 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 파워 분할 전동장치(5) 전 또는 후에, 다른 전동장치가 접속되는 것을 특징으로 하는 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 제 2 파워 분기(18)에는, 상기 유체 역학적 회로(12)를 작동시키는 회전수를 증가시키기 위해 추가의 전동장치가 배치되는 것을 특징으로 하는 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인.
  7. 제 6항에 있어서, 출력 회전수가 설정값의 ±10 %의 최대 편차로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 가변 파워를 전달하기 위한 구동 트레인.
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