KR101678725B1 - 풍력 터빈의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고정자(2), 자계를 발생하여 각각의 회전자 극(6) 안으로 유도하는 극 권선(32, 42)을 각각 구비한 2개 이상의 회전자 극(6)을 가지는 폴휠(4) 및 고정자(2)와 폴휠(4) 사이에 있는 에어갭(8)을 포함하는 발전기(1)를 구비한 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 하기의 단계들 - 각각의 극 권선(32, 42)를 통해 흐르는 각각의 여자 전류를 제어하는 단계 - 상기 그외 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류와 관련하여 상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하는 단계 및/또는 - 고정자(2)와 관련하여 회전자(4)의 위치에 따라 상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하는 단계를 포함한다.

Description

풍력 터빈의 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING A WIND TURBINE}
본 발명은 풍력 터빈의 제어 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 풍력 터빈에 관한 것이다.
풍력 터빈은 일반적으로 공지되어 있으며, 도 1에는 풍력 터빈의 일반적인 구조가 도시되어 있다. 공기 역학적 회전자(aerodynamic rotor)는 의도한 바와 같이 바람에 의해 회전 운동을 하며 그 결과 발전기의 전기 기계 회전자(elctromechanical rotor)를 구동한다. 이런 점에서, 본 발명은 동기 발전기를 사용하는 풍력 터빈에 관한 것이다. 그러므로 동기 발전기의 폴휠(pole wheel)은 동기 발전기의 고정자와 관련하여 회전한다. 고정자에 대한 폴휠의 상대 회전을 통해 고정자에서 전류가 발생되므로, 바람의 운동 에너지가 전기 에너지로 변환된다.
폴휠과 고정자 사이에 에어갭이 있으며, 이 에어갭은 폴휠과 고정자 사이의 자기 회로에서 상당한 자기 저항을 의미한다. 이 자기 저항은 특히 에어갭의 두께에 의존적이므로 에어갭의 두께는 가능한 한 작게 선택된다. 본 발명은 특히 기어리스 풍력 터빈(gearless wind turbine)에 관한 것으로서, 중간에 삽입되는 기어 없이 상기 폴휠이 공기 역학적 회전자와 연결되어 공기 역학적 회전자와 같은 속도로 회전한다. 일반적인 속도는, 1MW 이상의 정격 전력을 갖는 대형 풍력 터빈에 대해 여기에서 예컨대 분당 5 내지 15회전의 범위에 있다. 발전기의 에어갭의 영역에서 이와 같은 발전기의 직경은 - 에어갭 직경이라고도 칭함 - 일반적으로 적어도 수 미터, 즉 적어도 2m 또는 3m이고 현재 알려진 풍력 터빈의 경우에 최고 10m에 달할 수도 있다. 이 에어갭의 두께는 이와 같은 대형 발전기에서도 작으며 일반적으로 단지 몇 mm를 갖는다.
고정자와 폴휠의 각 편심들 때문에 에어갭의 두께가 상이해진다. 또한, 이러한 컴포넌트들의 탄성 및 결과적으로 특히 폴휠의 탄성, 경우에 따라서는 고정자의 탄성들 때문에 마찬가지로 에어갭의 두께가 원주 방향으로, 특히 관성력들, 중력들 및 자력들의 영향 하에 상이해질 수 있다.
일정한 영역에서 에어갭 두께가 감소하여 이 영역에서 자기 저항이 작아지고 자속 밀도가 증가한다. 이는 거기에서 다시 방사상 힘 밀도의 증대를 야기하고 에어갭 두께의 추가적 감소를 야기할 수도 있으며, 이는 각각의 경우 관련 탄성에도 의존적이다. 그러므로 강화 효과가 발생한다.
어떤 경우에도 폴휠과 고정자의 접촉은 억제될 수 있다. 그 때문에 이들은, 제조 공차 및 조립 공차로 인해 및 재료 탄성으로 인해 어쩔 수 없이 야기되는 자력들이 지지 구조를 통해 흡수될 수 있도록, 기계적으로 강화될 수 있다. 발전기의 직경이 커질수록 그 때문에 야기되는 재료 투입이 상당히 커져 발전기 중량을 현저히 증가시킨다. 그 결과, 그 자체로서 발전기에 대한, 및 이 발전기를 지지하는 컴포넌트들에 대한, 특히 머신 캐리어에 대한 그리고 또한, 풍향 추적을 가능하도록 하기 위해 발전기를 포함해서 상기 머신 캐리어를 지지해야 하는 아지무스 베어링(azimuth bearing)에 대한 재료 비용이 크게 발생한다.
일반적인 종래 기술로서 DE 10 2006 056 893 A1호 및 C. Patsios, A. Chaniotis, E. Tsampouris 및 A. Kladas 저: IEEE 자기학 2010년 8월 제48권 제8호 트랜잭션 "영구 자석 발전기 풍력 터빈 분석을 위한 전자기장 계산(Electromagnetic Field Computation for Permanent Magnet Generator Wind Turbine Analysis)"을 참고할 수 있다.
그러므로 본 발명의 과제는 위에서 언급한 문제점들을 제거하는데, 적어도 줄이는 데 있다. 특히, 발전기의 중량 감소 및/또는 발전기의 중량과 정격 전력 사이의 비율 개선을 달성할 수 있는 가능성을 제공하는 데 있다. 특히, 중량 절감을 달성하는 데 있다. 적어도, 하나의 대안적 해법이 제안되어 있다.
본 발명에 의거하여 제1항에 따른 방법이 제안되어 있다. 따라서, 고정자와 폴휠을 구비한 동기 발전기를 포함하는 풍력 터빈이 제어되며, 이때 폴휠은 각 회전자 극에 유도되는 자계를 발생하기 위한 극 권선을 각각 구비한 2개 이상의 회전자 극을 포함한다. 고정자와 폴휠 사이에 에어갭이 형성되어 있다. 각각의 경우에 여자 전류는 각 극 권선 모두를 통해 제어된다. 이 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류는 다른 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류와 관련하여 변한다. 즉, 극 권선들은 상이한 여자 전류를 받는다. 이런 변화는 지속적으로 이루어질 수도 있고 또는 단지 간헐적으로 이루어질 수도 있다. 변화가 간헐적인 경우, 이 변화는 주기적으로 이루어질 수 있고 그리고/또는 다른 파라미터들 또는 측정값들에 따라 이루어질 수 있다. 추가로 또는 대안으로서, 상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류의 변화는 고정자와 관련하여 폴휠의 위치에 따라 이루어질 수 있다. 그러므로 여자 전류들에 대한 개별적인 제어가 제안되어 있다. 이러한 개별적인 여자 전류 제어를 통해 특히 에어갭 두께의 상이성이 고려된다. 특히, 상기 회전자 극에서 에어갭의 두께가 평균적인 에어갭 두께보다 더 크면, 한 극의 여자 전류가 평균적인 여자 전류에 비해 증가하였다. 반대로, 그 에어갭 두께가 평균적인 에어갭 두께보다 더 작은 극의 경우에서는 더 작은 여자 전류가 제안되어 있다.
에어갭 두께가 더 작으면 회전자 극과 고정자 사이에 인력 효과가 더 커진다. 이는 전술한 것처럼 여자 전류의 감소를 통해 억제된다. 외적 상황에 따라서, 이는 에어갭 두께의 증가를 야기할 수 있다. 적어도, 이러한 두께 안에서 작아진 그와 같은 에어갭의 영역에서 부하 증가가 여자 전류의 감소를 통해 억제된다.
각 여자 전류에 대한 제어의 구체적 방식은 에어갭 두께가 다르게 발생하는 근거 또는 근거들에 의존한다.
바람직하게는, 상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류는 주기적으로 변한다. 이러한 여자 전류는 항상 폴휠의 일정한 위치에서, 즉 관련 극의 일정한 위치에서 예컨대 최대값을 취한다. 만약 예컨대 폴휠에서 중량에 따른 탄성 변형만이 존재하고 이때 수평축 풍력 터빈(horizontal axis wind turbine)을 전제로 하여 발전기의 축 역시 실질적으로 수평이면, 에어갭이 발전기의 하측 영역에서, 즉 소위 6시-위치의 영역에서 가장 작을 것이며 그리고 발전기의 상측 영역에서, 즉 소위 12시-위치에서 가장 클 것이다. 이는 내부 회전자에도 적용되고 정확하게 정반대로 외부 회전자에도 적용된다. 이는 발전기 및 특히 회전자, 즉 폴휠이 최적으로 형성되어 있는 이상적인 경우에 대한 예시적 설명일뿐이다. 또한, 이러한 설명은 회전자의 탄성 변형을 전제로 한다. 이런 경우에 관련 극의 여자 전류는 자신의 6시-위치에서 최소값을 그리고 자신의 12시-위치에서 최대값을 가질 것이다. 이런 예는 - 회전자의 구체적 구조에 따라 - 적어도 질적으로 같은 정도로 그외 회전자들에, 경우에 따라서는 모든 회전자에 적용될 수 있다. 이런 경우에 각 여자 전류 모두는 주기적으로 변할 것이며 각각의 경우에 관련 극의 6시-위치에서 최소값을 그리고 12시-위치에서 최대값을 가질 것이다.
대안으로서 또는 추가로, 상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류가 다른 하나의 여자 전류와 관련하여 비동기식으로 제어된다. 전술한 주기적 변화는, 예컨대 이것이 복수의 회전자 극에 또는 모든 회전자 극에 적용되면, 비동기식 제어에 대한 예를 의미한다. 전술한 것처럼, 이 예에서 방금 6시-위치에 있는 회전자 극들의 여자 전류들이 최소값을 가질 것이며 그 순간에 12시-위치에 있는 회전자 극들의 여자 전류는 최대값을 가질 것이고 그 결과 이들 여자 전류는 비동기식으로 서로 제어될 것이다. 그러나 상이한 회전자 극들의 여자 전류가, 적어도 양적으로, 다른 이유들 때문에 다르게 제어되는 것도 고려된다. 주기적인 변화는 고정자의 일정한 변형의 경우에도 제공될 수 있다.
추가로 또는 대안으로서 상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류는 일정한 보상 성분만큼 변경될 수 있는, 즉 작아지거나 커질 수 있다. 이와 같은 감소 또는 증가는 한편으로, 실행의 방식과 무관하게, 모든 회전자 극과 관련하여 평균적인 여자 전류에 비해 양적인 증가로서 이해될 수 있다. 그러나 추가로 또는 대안으로서 이러한 감소 또는 증가는 구조적, 제어 기술적 및/또는 회로 기술적 실시의 가능성에 관한 것으로서, 그 구조, 제어 및/또는 회로는 각각의 경우에 평균적인 또는 일반적인 여자 전류를 제공하며 그외에도 각각의 경우에 감소하는 또는 증가하는 여자 전류 성분이 보충된다. 그러므로 총 여자 전류의 증가를 위해 여자 전류를 보충하도록 하기 위해 또는 부호가 바뀌면 감소를 야기하기 위해, 권선이 보충을 위해 회전자 극에 구조적으로 제공될 수 있다. 제어 기술적으로 예컨대 감소 또는 증가는 대응하는 목표값 변경을 통해 실시될 수 있고 따라서 제어 기술적으로 검출될 수 있다. 회로 기술적으로 전류 성분의 보충 또는 제거를 위한 또는 상기 여자 전류의 강화 또는 약화를 위한 회로 요소가 제공될 수 있다. 이는 단지 예들이며, 이 예들은 조합될 수도 있다.
예컨대, 일정한 보상 성분은, 폴휠이 관련 회전자 극의 영역에서 변형을 받고 및/또는 폴휠은 이 회전자 극의 영역에서 평균적인 반경에 비해 증가된 또는 감소된 반경을 가지며 그 결과 에어갭의 두께가 이 회전자 극의 영역에서 감소 또는 증가되면, 유리하다. 감소된 또는 증가된 에어갭 두께는 이런 경우에 회전자 극과 함께 회전한다. 그러므로 이 회전자 극에서 에어갭 두께가 작아지는 경우 항상 이 회전자 극의 영역에서 폴휠과 고정자 사이의 힘 작용이 커지고, 일정한 보상 성분을 통해 이러한 힘 작용은 억제될 수 있다. 또한, 그와 같은 변형은 언급한 영역에서 자기 유도에 영향을 주며 여기에서도 전술한 일정한 보상 성분을 통한 지속적 제어를 통해 영향받을 수 있다.
일정한 보상 성분의 제공은 주기적인 변화처럼 다이나믹하게 변하는 보상 성분과 조합될 수 있다.
바람직하게는 하나 이상의 회전자 극의 여자 전류는 고정자에 대한 관련 회전자 극의 순간 거리에 따라서, 특히 관련 회전자 극의 영역에서 순간 에어갭 두께에 따라서 제어된다. 지금까지 설명한 사상들 역시 에어갭 두께의 상이성 문제점들을 해결하는 여자 전류들의 제어 및/또는 변화에 기반하였다. 그러나 각각의 회전자 극에서 각각의 순간 에어갭 두께를 직접 고려하는 것이 바람직하다. 이와 같은 고려는 측정, 특히 연속적인 측정을 통해 이루어질 수 있다. 그런 점에서 연속적인 측정은 폴휠의 회전 동안 적어도 중복적 측정을 의미한다. 그러나 이 에어갭 두께는 한번 또는 여러 번의 사전 측정을 통해서도 결정될 수 있고 그런 경우 산술적으로 고려될 수 있다. 즉, 이것은 한편으로 경우에 따라서는 외삽 또는 내삽될 수 있고 그리고 다른 한편으로 앞서 검출된 관계들에 근거하여 각각의 경우 폴휠 위치에 따라서, 즉 관련 회전자 극의 각 위치에 따라서 계산될 수 있다. 여자 전류를 제어하기 위해 에어갭 두께 측정의 직접적인 실시 역시, 예컨대 유사한 방식으로 고려된다. 예컨대, 하나의 회전자 극, 복수의 회전자 극 또는 각각의 경우에 모든 회전자 극에서 에어갭 두께에 따른 전압이 각 회전자 극의 여자 전류의 제어 또는 영향을 위해 제어할 수 있다.
다른 한 실시예에 따라 관련 회전자 극의 영역에서 순간 자계에 따라서, 즉 관련 회전자 극의 영역에서 에어갭 내 자계에 따라서 하나 이상의 회전자 극의 여자 전류를 제어하는 것이 제안되어 있다. 여기에서도, 예컨대 대응하는 제어 수단을 제어하는 측정이 제공될 수 있다. 예컨대, 홀 센서의 출력 전압은 트랜지스터의 입력 전압을 제어한다. 마찬가지로 자계의 그와 같은 값은 산술적으로 변환될 수 있다. 마찬가지로 자계의 순시(瞬時)값 역시 검출될 수 있고 또는 보충적으로 산술적으로 검출될 수 있다. 이를 위해, 예컨대 상태 관측기가 고려되고, 따라서 단지 하나의 예가 언급될 수 있다. 또한, 각 여자 전류에 대한 에어갭에 따른 그리고 자계에 따른 제어는 조합될 수 있다. 바람직하게는 한 회전자 극의 여자 전류의 변화 시에 하나의 또는 복수의 인접한 회전자 극의 회전자 전류의 제어 및/또는 변화가 고려된다. 이에, 특히 폴휠이 다수의 회전자 극을, 예컨대 72개의 회전자 극을 포함하면 그와 같은 인접한 회전자 극들의 여자 전류의 변화가 언급한 인접한 그외 회전자 극들에 대한 에어갭 두께에도 영향을 줄 수 있다는 사상이 근거한다. 그러므로 공동의 고려가 바람직한 변형예이다. 이러한 공동의 고려는 예컨대 다변수 제어를 통해, 즉 제어 시에 공동으로 고려되는 복수의 입력 변수들과 복수의 출력 변수들에 의한 제어를 통해 이루어질 수 있다.
다른 한 실시예에 따라, 상기 방법은 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류가 고정자의, 폴휠의 및/또는 에어갭의 사전에 검출된 비대칭에 따라 제어되는 것을 특징으로 한다. 비대칭들은 동기 발전기의 측정을 통해 예컨대 지오메트리 측정을 통해 미리 이루어질 수 있다. 특히, 사전 측정이 시운전을 통해 또는 시운전 동안 이루어질 수 있도록, 예컨대 회전자의 균일한 여자에서 발전기는 회전하고 이때 측정되며, 발생된 전류들은 고정자 권선들에서 측정되고 고정자 내 회전자의 상대 위치에 할당되고 및/또는 회전자 위치에 대한 관계가 존재하는지 여부가 검출된다. 만약 비대칭들이 사전에 알려져 있으면, 이들 비대칭은 특히 전술한 방식으로 보상될 수 있으며, 비대칭들 또는 이들의 효과의 연속적인 측정이 작동 동안 중단될 수 있다. 그럼에도, 여자 전류들은 바람직하게는 의존하여 사전에 검출되는데, 비대칭들은 작동 동안 지속적으로 모니터링되는 비대칭들에 의존하여 제어되기 때문이다. 따라서 바람직하게는 복합 작동이 제안되어 있다.
다른 한 실시예의 방법은 에어갭 두께의 주기적 변화 및/또는 원주 방향으로 에어갭 두께의 변화가 적어도 부분적으로 억제되도록 하나 이상의 여자 전류가 제어되는 것을 특징으로 한다.
에어갭 두께의 주기적 변화는 회전자가 회전하는 동안 주기적으로 발생하는 변화이다. 그와 같은 주기적 변화는 특히 회전자의 비대칭에 근거한다. 만약 한 지점에서 회전자의 직경이 다른 지점들에서보다 더 크면, 이 경우 기본적으로 에어갭이 더 작다.
원주 방향으로 에어갭 두께의 변화는 에어갭의 절대 위치에 관한 변화이다. 그와 같은 변화는 비대칭적 고정자를 통해 야기된다. 그러므로 에어갭 두께의 이런 변화들 중 하나 이상의 변화가 억제되도록 하나 이상의 여자 전류를 제어하는 것이 제안되어 있다. 이때, 주기적 변화에 대해 보상을 위해 상기 하나 이상의 여자 전류의 일정한 보상 성분이 중요할 수 있다. 원주 방향의 비대칭에서, 하나의, 복수의 또는 모든 여자 전류들이 회전자 안에서 주기적으로 보상을 위해 제어되는 것이 중요하다.
바람직하게는, 하나 이상의 회전자 극의 영역에서 에어갭 두께 및/또는 하나 이상의 회전자 극의 영역에서 에어갭 내 자속 밀도가 측정되고 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류가 측정된 하나 이상의 에어갭 두께에 따라서 및/또는 측정된 하나 이상의 자속 밀도에 따라서 제어되는 것이 제안되어 있다. 그러므로 직접적인 상황에 따라서 실제로 각 여자 전류가 조정될 수 있고 실제의 측정된 상황에 적응될 수 있다. 이때, 값들은 온라인으로 측정되고 그리고 컴퓨터 시스템 또는 마이크로컨트롤러에 의해 평가되고 대응하는 여자 전류들 또는 하나 이상의 여자 전류가 그에 따라서 조정되어 제어될 수 있다. 바람직하게는 측정값들은 제어하려는 하나 이상의 여자 전류에 직접 영향을 준다. 특히, 이를 위해, 대응하는 하나의 여자 전류 또는 이의 복수의 여자 전류들을 직접 제어하는 측정 전류가 예컨대 측정된 에어갭 두께에 따라서 및/또는 측정된 자속 밀도에 따라서 조정되는 아날로그 기술이 제공될 수 있다. 이와 같은 제어는 예컨대 트랜지스터에 의해 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 만약 에어갭 두께가 회전자 극의 영역에서 증가하고 및/또는 회전자 극의 여자 전류가 감소하면, 에어갭 두께가 회전자 극의 영역에서 감소하면, 하나 이상의 회전자 극의 여자 전류가 증가한다. 이런 점 때문에 고려할 사실은, 증가된 에어갭 두께는 약화를 야기할 수 있고, 이는 관련 여자 전류의 증가를 통해 적어도 부분적으로 보상되어야 한다는 것이다. 그외에도, 관련 영역에서 여자 전류의 증가로 인해 회전자와 고정자 사이의 자기적인 인력이 증가하고, 이는 경우에 따라서는 에어갭 두께의 감소를 야기할 수 있다. 에어갭 두께의 감소를 검출하는 경우 반대의 조치가 제안되는, 즉 하나 이상의 관련 여자 전류의 감소가 제안된다.
바람직하게는 제안된 방법의 경우에서, 상기의 하나 이상의 여자 전류의 변화가 관련 극 권선의 일부에서만 이루어지고 및/또는 각 극 권선의 일부가 전기적으로 스위칭온 또는 스위칭오프되도록 상기 하나 이상의 여자 전류의 변화가 이루어진다. 따라서 2개 이상의 영역들, 즉 2개 이상의 부분 권선들을 가지는 하나의 극 권선이 기초가 되고, 이때 2개의 부분 권선들 중 하나 이상의 극 권선이 베이스 여자 전류를 위해 제공되어 있으며, 이 베이스 여자 전류는 에어갭 등의 비대칭의 어떤 보상을 위해 변하지는 않는다. 하나 이상의 그외 부분 권선은 보상을 위한 여자 전류 성분을 위해 제공되어 있다. 가장 간단한 경우에, 여기에서 여자 전류 성분이 보상을 위해 스위칭온 또는 스위칭오프된다. 바람직하게는, 보상하려는 여자 전류 성분의 크기는 필요에 따라 변한다. 이를 위해 대응하는 회로가 제공될 수 있으며, 이때 회로는 상기 권선 부분과 단지 효과적으로 연결되어 있다.
본 발명에 따라 제10항에 따른 풍력 터빈이 제안되어 있다. 그와 같은 풍력 터빈은 동기 발전기, 고정자, 폴휠 및 고정자와 폴휠 사이에 있는 에어갭을 포함한다. 간단히 회전자라고도 칭할 수 있는 폴휠은 각각의 회전자 극 안에 유도되는 자계를 발생하기 위한 극 권선을 각각 포함하는 2개 이상의 회전자 극을 갖는다. 또한, 각 극 권선 모두를 통해 여자 전류를 각각 제어하기 위한 제어 장치가 제공되어 있다. 이 제어 장치는 다른 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류와 관련하여 상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하고 및/또는 고정자와 관련하여 폴휠의 위치에 따라 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하도록 제공되어 있다.
동기 발전기의 폴휠은 동기 발전기의 작동 동안 폴휠 내에 자계를 제공하고, 이것은 폴휠이 회전하는 동안 전압 유도 및 그 결과 전류의 유도를 야기한다. 자계가 콘스턴트 자석(constant magnet)에 의해 제공되지 않으면, 이것은 일반적으로 직류에 의해 제공되며, 이 직류는 회전자 극의 극 권선을 통해 흐르며 그 결과 관련 자계를 발생한다. 관련 동기 발전기의 작동이 이루어지는 풍력 터빈의 작동 상태에 따라, 폴휠의 자계의 변화가 제공되고 그 결과 여자 전류의 변화가 제공될 수 있다. 그러나 그와 같은 변화는 일반적으로 전체 폴휠에 관한 것이며 종래 풍력 터빈에서 동기 발전기들은 여자 전류 또는 여자 전류들의 차별화된 제어를 제공하도록 제공되어 있지 않다.
그에 반해, 한 회전자 극의 하나 이상의 여자 전류를 같은 폴휠의 그외 회전자 극의 그외 여자 전류와 관련해 변경하는 것이 제안되어 있다. 그러므로 폴휠 내에서 여자 전류들의 차별화된 변화 및 그 결과 차별화된 제어가 발생한다. 이런 제어는 폴휠 내 비대칭 또는 폴휠의 비대칭을 고려할 수 있으며 제어 기술적으로 의도한 대로 영향받을 수 있다. 대안으로서 또는 보충적으로 이 제어 장치는, 상기 폴휠의 위치에 따라서 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하도록 제공되어 있으며, 특히 주기적인 변화가 그로 인해 달성될 수 있다. 이는 기본적으로 경우에 따라 풍력 터빈의 작동 상태에 따라서, 특히 주된 풍속에 따라서 폴휠의 전체 여자 전류에 대한 지금까지 알려진 조정과 다르다. 폴휠의 위치에 따른 그와 같은 제어는 훨씬 더 빠르게 이루어져야 하며 게다가 - 대안으로서 또는 추가로 - 다른 입력 파라미터들, 하나 이상의 다른 입력 파라미터를 고려한다.
특히, 제어 장치는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법과 관련하여 위에서 설명한 것처럼 동기 발전기를 제어하도록 제공되어 있다.
바람직하게는, 극 권선들 중 복수에, 특히 각각의 모든 극 권선에, 관련 여자 전류의 변경을 위한, 특히 스로틀링을 위한 하나 이상의 개별 제어 수단이 제공되어 있다. 이런 점 때문에 특히 모든 극 권선 중에서 복수의 극 권선을 위해 여자 전류가 개별적으로 제어될 수 있다. 그러므로 상기 여자 전류들의 대응하는 차별화된 제어 및 그 결과 폴휠 또는 동기 발전기의 자계의 차별화된 제어가 전체적으로 가능해진다. 그와 같은 개별 제어 수단은 스위치, 특히 반도체 스위치, 예컨대 트랜지스터 또는 사이리스터가 될 수 있다.
한 실시예에 따라 풍력 터빈이 각 회전자 극의 영역에서 에어갭 두께를 측정하기 위한 하나 이상의 거리 측정 수단 및 각 회전자 극의 영역에서 에어갭 내 자속 밀도를 측정하기 위한 자속 밀도 측정 수단을 포함하며, 이 거리 측정 수단 또는 자속 측정 수단은 상기 제어 장치와 연결되어 있으므로, 하나 이상의 여자 전류의 제어가 측정된 에어갭 두께에 따라서 및/또는 측정된 자속 밀도에 따라서 실시될 수 있다. 그러므로 에어갭 두께 및/또는 에어갭 내 자속 밀도를 측정하기 위한 측정 수단이 상기 제어 장치와 연결되므로, 이 에어갭 두께 또는 자속 밀도에 의해 여자 전류 제어가 영향받는 것이 제안되어 있다. 특히, 여자 전류는 - 예컨대 평균적인 에어갭 두께에 비해 - 에어갭 두께가 커지면 증가하도록, 제어가 이루어진다. 마찬가지로 - 예컨대 평균적인 자속 밀도에 비해 - 자속 밀도가 더 약한 경우 관련 여자 전류도 마찬가지로 증가할 수 있다. 이런 점에서 보상에 의해 간섭하는 여자 전류 제어가 용이하게 실시될 수 있다.
바람직하게는, 동기 발전기가 링 발전기로서 형성되어 있다. 링 발전기는 고정자와 회전자의 자기적으로 작용하는 요소들이 예컨대 링 형상으로, 즉 에어갭을 따라서 형성되어 있는 발전기이다. 상기 자계 또는 자계들은 - 관점에 따라서 - 실질적으로 이 링의 영역에, 즉 에어갭의 영역에 형성되어 있으며 그 결과 자기력선이 발전기의 회전 중심을 지나가지 않는다. 특히, 바람직한 하나의 실시예는 20개 이상, 30개 이상, 특히 40개 이상의 회전자 극들을 포함하는 다극 회전자에 관한 것이다. 이와 같은 링 발전기는 비교적 큰 직경을 가지며 일반적으로 그에 대응하게 큰, 그 결과 무거운 구조의 안정화를 필요로 한다. 제안된 발명은 의도한 제어 기술적 간섭을 통해 어떠한 비대칭도 및/또는 작동에 의해 야기된 변형도 적어도 부분적으로 보상할 수 있는 가능성을 제공한다. 따라서, 회전자 또는 폴휠의 안정화를 위한 구조는 더 약하게 형성될 수 있으며, 이는 재료 절감을 가능하게 한다. 게다가, 다극 발전기를 사용하면, 예컨대 폴휠의 각각의 극 모두에서 여자 전류 제어를 위한 다양한 간섭 가능성이 존재한다.
또한, 본 발명에 따라 제안된 동기 발전기는 사용된 제어 장치의 특징들을 포함하는, 풍력 터빈과 관련하여 설명한 발전기 특징들을 가지며 바람직하게는 전술한 방법들 중 하나를 실시하도록 제공되어 있다. 정격 전력의 크기 역시 풍력 터빈을 위한 동기 발전기에 대한 하나의 특징으로 간주될 수 있다. 바람직하게는 이와 같은 동기 발전기는 100kW 이상의 정격 전력을 가지며, 바람직하게는 250kW 이상의 정격 전력을 그리고 특히 500kW 이상의 정격 전력을, 바람직하게는 1MW 이상의 정격 전력을 갖는다. 바람직하게는 2MW의 정격 전력 또는 2MW 이상 전력의 동기 발전기가 제공되어 있다. 이와 같은 동기 발전기는 현대의 풍력 터빈에서 사용하기 위해 제공될 수 있다.
유리하게는 본 발명에 따른 방법 및/또는 본 발명에 따른 풍력 터빈 및/또는 본 발명에 따른 동기 발전기가 사용되며, 이때 동기 발전기는 2미터 이상, 특히 3미터 이상 그리고 특히 바람직하게는 5미터 이상의 에어갭 직경을 가지는, 예컨대 7미터 또는 10미터의 직경도 가지는 동기 발전기이다. 그에 대응하게 큰 회전자 직경을 전제로 하는 그와 같은 큰 에어갭 직경에서, 전통적인 동기 발전기의 재료 하중이 특히 크며, 그 결과 본 발명은 그에 대응하는 절감 잠재력을 제공한다. 또한, 그와 같은 직경에서 여자 전류들의 제어에 의해 실제 지오메트리에 대한 그에 대응하게 강한 효과가 기대될 수 있다.
본 발명은 특히 폴휠 내 자계가 하나의 여자 전류 또는 복수의 여자 전류들에 의해 발생되는 동기 발전기에 관한 것이다. 마찬가지로, 본 발명은 일정한 자석들을 포함하는 폴휠을 가지는 동기 발전기에서 보충적으로 이용될 수 있다.
하기에서 첨부 도면들의 참고하에 실시예들을 활용해 예시적으로 본 발명을 상술한다.
도 1은 발전기의 고정자와 폴휠의 중심들의 편심의 일례에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2는 회전자의 탄성 때문에 가능한 비대칭을 축방향의 시야에서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 회전자의 탄성으로 인한 비대칭의 다른 일례를 축방향의 시야에서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 각각의 에어갭 두께에 따라 동기 발전기에서 자력 밀도의 관계를 축방향 시야에서 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 풍력 터빈의 링 발전기의 한 영역에 관한 사시도이다.
도 6은 상이한 극 권선들에서 상기 여자 전류들의 제어의 효과들 및 관계들을 보여주는 동기 발전기의 일부에 대한 개략도이다.
도 7은 상기 폴휠의 각각의 극의 전체 권선을 사용하는 해법의 예에서 개개의 회전자 전류 제어의 장치에 의한 실시에 관한 개략도이다.
도 8은 관련 여자 전류를 변경하기 위해 폴휠의 모든 극 권선의 일부만을 사용할 때 회전자 전류 제어의 실시에 관한 개략도이다.
도 9는 풍력 터빈에 관한 개략적인 사시도이다.
하기에서 여러 개의 개략적인 도면들을 참고하여 본 발명을 설명한다. 다수의 유사한 요소들은 상이한 도면들에서 부분적으로 상이하게 도시되어 있다. 이해를 용이하게 하기 위해 동일한, 그러나 경우에 따라서는 같지 않은 요소들에 대해, 특히 기능적으로 동일한 요소들에 대해 동일한 도면 부호들을 사용한다.
도 1에서 링 발전기로서 도시되어 있는 동기 발전기(1)는 고정자(2)와 회전자(4)를 갖는다. 회전자(4)는 다수의 회전자 극(6)을 지지하며, 다수의 회전자 극들 중 수 개만이 예시적으로 도시되어 있다. 회전자 극들(6)에 의해 외주가 결정되는 회전자(4)와 고정자(2) 사이에 에어갭(8)이 위치하며, 이 에어갭의 두께(δ)는 가변적일 수 있다. 도 1에는 더 나은 이해를 위해와 예시를 위해 고정자 중심(12) 및 회전자 중심(14)이 도시되어 있다. 이상적으로는 양 중심들(12와 14)은 중첩되어야 한다. 그러나 이들이 중첩되지 않으면, 그 점 때문에 에어갭 두께(δ)가 도 1에 도시되어 있는 것처럼 결과적으로 다를 수 있다. 이러한 중심들의 이동을 편심(Δ)이라 칭할 수 있다. 이러한 편심(Δ)의 상이한 방향들을 고려할 수 있도록, 예시를 위해 도 1에 제1 방향으로 편심(Δx)이 도시되어 있고 제1 방향에 대해 수직 방향인 제2 방향으로 편심(Δy)이 도시되어 있다. 회전자(rotor)(4)를 폴휠(pole wheel)(4)이라 칭할 수도 있다.
도 2에는 상기 동기 발전기의 컴포넌트들, 특히 회전자의 탄성으로 인한 에어갭 두께(δ)의 변화가 도시되어 있다. 더 나은 이해를 위해 도 2에는 기본적으로 에어갭(8)만이, 즉 회전자(4)의 외측 한계와 고정자(2)의 내측 한계가 도시되어 있다. 도 2의 예에는 탄성이 하나의 주 방향으로 도시되어 있는, 즉 실질적으로 상방으로 그리고 하방으로 표현되어 있다. 그 결과, 에어갭(8)에서 변화가 생기고, 이런 변화는 어느 한 영역에서 작은 에어갭 두께(δ1)를 야기하고 다른 한 영역에서 큰 에어갭 두께(δ2)를 야기한다. 탄성으로 인한 변화에 도 1에 도시되어 있는 편심이 추가될 수 있다. 탄성에 근거한 변형은 예컨대 관성력들, 중력들 및 자력들과 같은 힘들의 영향에 의해 야기되거나 또는 강화될 수 있다.
도 3에는 탄성으로 인해 2개의 주 방향으로 발생하는 변형에 대해 상이한 에어갭 두께(δ1 및 δ2)를 보여주는 그외 일례가 도시되어 있다. 그러므로 회전자(4)는 - 과장된 표현을 통해 도시된 것처럼 - 사각형의 형상으로 변형된다.
회전자의 극 권선들에 충분히 같은 전류가 흐르면 에어갭에서 자속 밀도가 발생하고, 이러한 자속 밀도는 자기 유도라고도 칭하며 에어갭(δ)의 국지적 두께에 의존적이다. 에어갭 두께의 이러한 국지적 의존성의 직접적 결과는 에어갭 두께가 일정하지 않은 경우 상기 컴포넌트들의 표면에서 방사상 힘 밀도(
Figure 112013113304077-pct00001
)가 상이하다는 것이다. 이때, - 명확하게 말하면 -
Figure 112013113304077-pct00002
은
Figure 112013113304077-pct00003
로 표시된 표면 영역에 대한 방사상 힘을 의미한다. 그러므로 에어갭 두께가 더 작을수록 힘 밀도가 더 커진다.
도 4에는 개략적으로 상당히 간략하게 도시된 동기 발전기(1)에서 자력(
Figure 112013113304077-pct00004
)이 도시되어 있다. 도 4의 표현에 따르면 회전자(4)의 회전자 중심(14)은 고정자 중심(12)과 관련하여 이동되어 있으므로, 에어갭(8)에서 에어갭 두께(δ)가 결과적으로 상이하다. 이와 관련하여, 이런 원리에 따라 에어갭 두께(δ)의 상이성을 보여주기 위해, 에어갭(8)이 과장적으로 도시되어 있다. 도 4는 극 권선들에 균일한 전류가 흐른다는 점에 기반하므로, 대칭적 지오메트리인 경우 힘 밀도의 고른 분포 역시 생길 것이다. 그러나 에어갭 두께들이 서로 상이하기 때문에 결과적으로 방사상 큰 힘들이 상이하고 그 결과 방사상 큰 힘 밀도들(
Figure 112013113304077-pct00005
)이 상이하다. 도 4에는 힘들이 그에 대응하는 길이를 갖는 힘 화살표(16)를 통해 도시되어 있다. 힘 화살표들(16)의 화살촉을 따라 하나의 파선이 회전자(4)를 중심으로 비대칭적으로 형성된 력장(force field)이 도시되어 있다. 과장된 표현을 통해 도 4가 보여주는 바는, 자력이 크면 클수록 에어갭 두께(δ)는 더 작아진다는 것이다.
에어갭 두께가 작을수록 방사상 힘 밀도가 더 커지는 효과 때문에, 도 1 내지 도 3을 참고하여 설명하였던 에어갭(8)의 두께(δ)의 상이성이, 즉 편심으로 인한 그리고 탄성으로 인한 상이성이 강화된다. 이때, 상기 효과는 고정자 및 폴휠 또는 회전자에 보상되지 않은 자력들을 야기한다. 도 4에서 힘 화살표들(16)을 통해 도시된 방사상 자력 밀도(
Figure 112013113304077-pct00006
)로부터 보상되지 않은 자력(
Figure 112013113304077-pct00007
)이 결과적으로, 하기의 식에 따라 전체 표면에 대한 방사상 자력 밀도(
Figure 112013113304077-pct00008
)의 적분을 통해 나온다:
Figure 112013113304077-pct00009
풍력 터빈에 사용되는 동기 발전기의 크기를 소개하기 위해, 동기 발전기(1)의 한 영역이 도 5에 도시되어 있다. 도 5에는 고정자 캐리어(18)가 도시되어 있으며, 이 고정자 캐리어는 다양한 고정자 지지암(20)을 가지며 그 결과 예컨대 별 형상으로 보여 별 형상 캐리어라고도 칭하는 또는 영어식 명칭 "스타 캐리어(star-carrier)"라고도 칭한다. 또한, 도 5에는 동기 발전기(1)가 도시되어 있으며, 이때 동기 발전기는 외부에 있는 고정자(2)와 내부에 있는 회전자(4), 즉 소위 내부 회전자(internal rotor)를 포함하고 있다. 에어갭(8)을 도 5에서 볼 수는 없지만, 이의 대략적인 위치는 거기에서 도면 부호(8)를 통해 표시되어 있다. 동기 발전기(1)의 크기에 대한 이해를 돕기 위해, 풍력 터빈의 설치를 담당하는 사람(22)이 도시되어 있다. 작업 플랫폼의 영역에 예컨대 고정자 중심(12)이 위치하고 회전자 중심(14)도 위치한다. 에어갭에서, 도면에 도시된 동기 발전기(1)는 - 에어갭 직경이라고도 칭하는 약 10m의 직경을 가지지만 에어갭 두께(δ)는 단지 수 밀리미터이다.
그러므로 도 1 내지 도 4의 과장된 표현에 따른 크기에서 파악할 수 있었던 정도로 에어갭의 변화가 나타나지 않음은 분명하지만, 예컨대 1밀리미터의 에어갭 두께의 변화는 10m의 에어갭 직경에서 관련 컴포넌트들의 강도에 따라 나타날 수 있으며, 에어갭의 두께의 1mm의 변화는 이 예에서 측정할 때 에어갭의 직경의 만분의 일에 상응하는, 즉 단지 0.01%의 직경 변형에 상응할 것이다.
폴휠과 고정자의 접촉을 억제하기 위해, 제조 공차 및 조립 공차로 인해 및 재료 탄성으로 인해 어쩔 수 없이 야기된, 보상되지 않은 자력들이 지지 구조를 통해 흡수될 수 있도록 상기 양 컴포넌트들이 기계적으로 보강될 수 있다. 고정자에서 발전기 스타(generator star)라고도 칭하는 도 5의 고정자 캐리어(18)가 그와 같은 지지 구조를 형성한다. 이때, 도 5에는 에너콘(Enercon GmbH)사의 E112명의 풍력 터빈의 고정자의 발전기 스타가 도시되어 있다.
링 발전기의 직경이 증가할 수록 그로 인한 재료 투입이 상당히 증가하여 발전기 중량을 현저히 증가시킨다. 본 발명은 링 발전기의 이러한 단점들을 줄이고자하는, 특히 즉 가능한 한 동기 발전기 및 풍력 터빈의 안전성 및 신뢰성을 전반적으로 저해하지 않고 재료 감소의 가능성을 제공하고자 한다.
비대칭들과 그 때문에 생기는 결과들 및 위험들을 억제하기 위해, 모든 또는 일부의 극 권선들의 전류들(I)이 각각의 국지적 에어갭 두께(δ)에 따라 제어되므로, 자기 유도(B)와 관련한 차이들이 가능한 한 작아진다. 이는 도 6에서 제1 회전자 극(30) 및 제2 회전자 극(40)에서 예시적으로 도시되어 있다. 이들 회전자 극들(30과 40)은 단지 예시적이며 도면에 도시되어 있지 않은 그외 극들을 대표하여 도시되어 있으며, 특히 도 6의 표현에 따르면 제1 회전자 극(30)과 제2 회전자 극(40) 사이에도 그외 회전자 극들이 위치한다. 특히, 본 발명 및 도 6 역시 다극 회전자(4)를 포함하는 동기 발전기에 관한 것이다. 상기 양 회전자 극들(30과 40) 모두의 사이에 에어갭(8)이 형성되고, 이러한 에어갭은 각각 다른 두께를 가지는, 즉 제1 회전자 극(30)에서 에어갭 두께(δ1)를 그리고 제2 회전자 극(40)에서 에어갭 두께(δ2)를 갖는다. 따라서 제1 자계 또는 제2 자계는 자기 유도(B1 또는 B2)로 조정될 수 있다. 회전자 극(30과 40) 모두는 각각 극 권선(32 또는 42)을 가지며, 이들 극 권선은 각각의 코어(34 또는 44)를 감싸고 있으며, 코어들은 관련 회전자 극(30 또는 40)에서 자계를 유도한다. 이 자계는, 극 권선(32) 또는 극 권선(42)을 통해 흐르는 각각 여자 전류(11 또는 12)를 통해 발생된다.
상기 자기 유도(B1 또는 B2)는 에어갭 두께(δ1 또는 δ2)에 의존적이며 대응하는 여자 전류(11 또는 12)의 대응하는 제어를 통해 영향을 받을 수 있다. 그 결과, 본 발명에 따라 자기 유도(B1 또는 B2)가 영향을 받고 그로 인해 에어갭 두께(δ1 또는 δ2)도 영향을 받는다. 예컨대 제1 회전자 극(30)의 에어갭 두께(δ1)가 제2 회전자 극(40)의 에어갭 두께(δ2)보다 작으면, 여자 전류(I2)보다 더 작게 여자 전류(I1)를 조정하도록 제안되어 있다. 바람직하게는, 양 회전자 극들(30과 40)의 자기 유도가 같아지도록, 조정이 이루어지므로, 등식 B1=B2이 가능한 한 충족된다.
기술적 구현 가능성이 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. 따라서 일부 회전자 극들에, 바람직하게는 모든 회전자 극들에, 두께 센서 및/또는 "B" 센서라고도 칭할 수 있는 자계 센서가 배치되어 있다. 자계 센서로서 예컨대 홀 센서가 고려된다. 도 7에 예컨대 제1 회전자 극(30)에 대해 자계 센서(50)가 도시되어 있으며, 이러한 자계 센서는 자계, 즉 제1 회전자 극(30)의 영역에 있는 에어갭(8)에서 자기 유도를 측정한다. 그 결과는 "컨트롤러"라고도 칭할 수 있는 제어 유닛(52)에 제공된다. 이러한 제어 유닛은 자계 센서(50)의 결과를 평가하여 제어 신호를 조정 요소(54)에 제공하며, 이 조정 요소는 트랜지스터로서 형성될 수도 있고 또는 전류 제어를 실시하기 위한 필수 소자로서 하나 이상의 트랜지스터를 포함할 수도 있다. 제어 신호는 전류 제어에 대해 펄스-휴지 비율, 즉 한 주기, 즉 펄스와 휴지로 이루어진 합의 전체 폭에 대한 펄스 폭의 비율을 제공하는 듀티 사이클(TV)을 전송할 수 있다. 그런 경우, 조정 요소(54)는 자계 센서(50)의 측정 결과에 따라서 계자 전류(I1)를 제어하며, 이때 계자 전류는 제1 회전자 극(30)의 극 권선(32)을 통해 흐른다. 이를 위해, 이 조정 요소(54)는 직류 단자(56)에 의해 직류를 공급받을 수 있다. 제어 유닛(52)은 추가로 회전각 센서(58)에 의해 회전자(4)의 실제적인 회전각에 관한 정보를 받을 수 있는 반면, 회전자(4)는 회전자 중심(14)을 중심으로 회전한다. 그러므로 추가의 정보들이 사용될 수 있으며, 이 정보들은 사전에 기록되었었고 회전자(4)의 그리고 예시적으로 도시된 제1 회전자 극(30)의 절대적 위치에 의존적이다. 또한, 회전자(4)의 회전 속도는 회전각 센서로부터 도출될 수 있고 제어가 컨트롤러 안에서 적절하게 세팅될 수 있다.
예컨대, 다이내믹스, 즉 제어 유닛(52) 안에서 실행되는 제어기의 제어 속도는 회전 속도에 의존적이다. 또한, 각각의 경우에 검출된 회전각 및 자계 센서(50)의 - 또는 두께 센서의 - 결과에 의해 회전각에 따른 값들, 특히 회전각에 따른 비대칭이 기록되어, 상기 제어가 개선될 수 있는, 특히 회전자(4)의 회전수를 늘려 개선될 수 있다.
도 8에 도시되어 있는 다른 한 실시예의 경우에, 제1 회전자 극(30')은 제1 권선 부분(60)과 제2 권선 부분(62)으로 분할되는 극 권선(32')을 갖는다. 제1 권선 부분(60)을 통해 일정한 전류 성분(Ic)이 흐르고, 제2 권선 부분(62)을 통해 가변적인 전류 성분(Iv)이 흐른다. 양 전류는 함께 총 여자 전류(I1)를 형성한다. 그러므로 이러한 실시예에 따라 조정 요소(54')에 의해 전류(Iv)만이 가변적으로 제어된다. 그 결과, 이 조정 요소(54)는 총 전류(I1)가 이 전류 요소(54')를 통해 흘러야 하는 경우보다 더 작은 크기를 가질 수 있다. 동시에 여자 전류(I1)의 너무 강한 변화, 특히 오류로 너무 강한 변화가 일정한 성분(Ic)을 통해 억제된다. 이 경우에도 이런 제어는 자계 센서(50')에 의해 그리고 마이크로프로세서로서 형성될 수 있으며 컨트롤러라고도 칭할 수 있는 제어 유닛(52')을 추가로 사용하여 자기 유도의 측정에 따라서 이루어질 수도 있다. 따라서 이 제어 유닛(52')은 제어 신호를 조정 요소(54')에 제공한다. 또한, 도 8의 제어 유닛(52')은 예컨대 회전각 센서의 측정치들 및/또는 사전에 결정된 측정값들 또는 작동 동안 검출된 그외 측정값들처럼 그외 정보들을 처리할 수 있다.
그러므로 개개의 회전자 극들에 대해 또는 회전자 극들의 그룹들에 대해 개별화된 여자 전류 제어 장치를 제공하는 다양한 변형예들이 제공되어 있다. 폴휠의 각 극 모두의 하나의 완전한 권선 또는 폴휠의 각 극 모두의 부분 권선의 연결이 고려된다. 제어를 위해 강압 변환기 또는 승압 변환기가 사용될 수 있으며, 이것은 예컨대 도 7의 조정 요소(54) 또는 도 8의 조정 요소(54')를 형성할 수 있다. 이와 같은 강압 변환기 및 승압 변환기는 단극을 위해 또는 극 그룹(pole group)을 위해 제공될 수 있다. 바람직하게는 계산 유닛의 사용 및/또는 두께 센서 및/또는 유도 센서의 사용이 제안된다. 또한, 바람직하게는 회전각 센서가 제공되어 있다.
도 9에는 풍력 터빈이 사시도로 도시되어 있다. 이러한 풍력 터빈은 3개의 회전자 블레이드를 구비한 회전자를 포함하는 나셀을 가지며, 이것은 자신의 위치에 있어서 타워에서 가변적으로 배치되어 있다. 본 발명에 따른 동기 발전기 및 이 동기 발전기의 본 발명에 따른 제어 장치가 나셀 안에 예컨대 허브 또는 스피너의 영역에 위치하며, 이것은 기본적으로 회전자 블레이드를 포함하지 않는 풍력 터빈의 회전 부분을 칭한다.

Claims (22)

  1. 고정자(2), 자계를 발생하여 각각의 회전자 극(6) 안으로 유도하는 극 권선(32, 42)을 각각 구비한 2개 이상의 회전자 극(6)을 가지는 폴휠(4) 및 이 고정자(2)와 폴휠(4) 사이에 있는 에어갭(8)을 포함하는 발전기(1)를 구비하고, 상기 발전기(1)는 링 발전기로서 형성되어 있는 것인 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법으로서,
    - 각각의 극 권선(32, 42)를 통해 흐르는 각각의 여자 전류를 제어하는 단계와,
    - 다른 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류와 관련하여 상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하는 단계로서, 상기 여자 전류는 하나 이상의 관련 회전자 극(6)에 대하여 개별적으로 제어되는 것인 단계, 또는
    - 고정자(2)와 관련하여 폴휠(4)의 위치에 따라 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하는 단계로서, 상기 여자 전류는 하나 이상의 관련 회전자 극(6)에 대하여 개별적으로 제어되는 것인 단계를 포함하고,
    - 하나 이상의 관련 회전자 극(6)의 영역에서 에어갭 두께, 또는
    - 하나 이상의 관련 회전자 극(6)의 영역에서 에어갭 내 자속 밀도가 측정되고,
    상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류가
    - 측정된 하나 이상의 에어갭 두께에 따라서, 또는
    - 측정된 하나 이상의 자속 밀도에 따라서 개별적으로 제어되는 것인 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류가 주기적으로 변경되거나, 하나의 다른 여자 전류와 관련하여 비동기식으로 제어되거나, 또는 일정한 보상 성분만큼 감소 또는 증가되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 관련 회전자 극(6)의 여자 전류는 고정자(2)에 대한 관련 회전자 극(6)의 순시(瞬時) 거리에 따라서 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    하나 이상의 관련 회전자 극(6)의 여자 전류는 관련 회전자 극(6)의 영역에서의 순시 에어갭 두께에 따라서 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 관련 회전자 극(6)의 여자 전류가 관련 회전자 극(6)의 영역에서의 순시 자계에 따라서 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자계는 관련 회전자 극(6) 및 고정자(2) 사이의 영역에서의 에어갭 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류가 고정자(2), 폴휠(4) 또는 에어갭의 사전에 검출된 비대칭에 따라서 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 여자 전류는, 에어갭 두께의 주기적 변화 또는 원주 방향으로 에어갭 두께의 변화가 적어도 부분적으로 억제되도록 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    하나 이상의 관련 회전자 극(6)의 여자 전류는 에어갭 두께가 상기 회전자 극(6)의 영역에서 증가하면 증가하거나, 또는 상기 관련 회전자 극(6)의 여자 전류는 에어갭 두께가 상기 회전자 극(6)의 영역에서 감소하면 감소하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    하나 이상의 관련 회전자 극(6)에 대한 에어갭 두께가 평균 에어갭 두께 보다 크면 상기 관련 회전자 극(6)의 여자 전류는 평균 여자 전류에 대하여 증가하거나, 또는
    하나 이상의 관련 회전자 극(6)에 대한 에어갭 두께가 평균 에어갭 두께보다 작으면 상기 관련 회전자 극(6)의 여자 전류는 평균 여자 전류에 대하여 감소하는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기의 하나 이상의 여자 전류의 변화가 관련 극 권선(32, 42)의 일부에서만 이루어지거나, 또는 각 극 권선(32, 42)의 일부가 전기적으로 스위칭온 또는 스위칭오프되도록 상기의 하나 이상의 여자 전류의 변화가 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈을 제어하기 위한 방법.
  13. 풍력 터빈으로서,
    - 고정자(2),
    - 자계를 발생하여 각각의 회전자 극(6) 안으로 유도하는 극 권선(32, 42)을 각각 구비한 2개 이상의 회전자 극(6)을 가지는 폴휠(4), 및
    - 고정자(2)와 폴휠(4) 사이에 있는 에어갭을 포함하는 발전기를 포함하고,
    - 상기 발전기(1)는 링 발전기로서 구성되고,
    - 각각의 극 권선(32, 42)를 통해 흐르는 각각의 여자 전류를 개별적으로 제어하도록 구성되는 제어 장치를 더 포함하며,
    - 제어 장치가,
    - 상기 여자 전류들 중 하나 이상의 다른 여자 전류와 관련하여 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하되, 여자 전류는 하나 이상의 관련 회전자 극(6)에 대하여 개별적으로 제어되도록, 또는
    - 고정자(2)와 관련하여 폴휠(4)의 위치에 따라 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하되, 여자 전류는 하나 이상의 관련 회전자 극(6)에 대하여 개별적으로 제어되도록 구성되며,
    상기 풍력 터빈이 각 회전자 극(6)의 영역에서 에어갭 두께를 측정하기 위한 하나 이상의 거리 측정 수단 또는 각 회전자 극(6)의 영역에서 에어갭 내 자속 밀도를 측정하기 위한 하나 이상의 자속 측정 수단을 포함하며, 상기 거리 측정 수단 또는 자속 밀도 측정 수단이 제어 장치와 연결되어 있으므로, 하나 이상의 여자 전류가 측정된 에어갭 두께에 따라서 또는 측정된 자속 밀도에 따라서 제어될 수 있는 것인 풍력 터빈.
  14. 제13항에 있어서,
    하나 이상의 관련 회전자 극(6)의 여자 전류는 고정자(2)에 대한 관련 회전자 극(6)의 순시(瞬時) 거리에 따라서 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  15. 제14항에 있어서,
    하나 이상의 관련 회전자 극(6)의 여자 전류는 관련 회전자 극(6)의 영역에서의 순시 에어갭 두께에 따라서 개별적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  16. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 극 권선들(32, 42) 중 복수의 극 권선에 대하여 관련 여자 전류의 변경을 위한 개별 제어 수단이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  17. 제16항에 있어서,
    각각의 극 권선들(32, 42)에 대하여 개별 제어 수단이 제공되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 변경은 스로틀링에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 바람에 의해 야기된 회전 운동을 전기 에너지로 변환하기 위한 풍력 터빈에 사용되기 위한 동기 발전기로서,
    - 고정자(2),
    - 자계를 발생하여 각각의 회전자 극(6) 안으로 유도하는 극 권선(32, 42)을 각각 구비한 2개 이상의 회전자 극(6)을 가지는 폴휠(4),
    - 고정자(2)와 폴휠(4) 사이에 있는 에어갭을 포함하고,
    - 상기 발전기(1)는 링 발전기로서 형성되어 있고,
    - 각각의 극 권선(32, 42)을 통해 각각의 여자 전류를 제어하기 위한 제어 장치를 더 포함하고,
    - 상기 제어 장치가
    - 다른 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류와 관련하여 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하되, 여자 전류는 하나 이상의 관련 회전자 극(6)에 대하여 개별적으로 제어되도록, 또는
    - 고정자(2)와 관련하여 폴휠(4)의 위치에 따라 여자 전류들 중 하나 이상의 여자 전류를 변경하되, 여자 전류는 하나 이상의 관련 회전자 극(6)에 대하여 개별적으로 제어되도록 구성되며,
    상기 동기 발전기가 각 회전자 극(6)의 영역에서 에어갭 두께를 측정하기 위한 하나 이상의 거리 측정 수단 또는 각 회전자 극(6)의 영역에서 에어갭 내 자속 밀도를 측정하기 위한 하나 이상의 자속 측정 수단을 포함하며, 상기 거리 측정 수단 또는 자속 밀도 측정 수단이 제어 장치와 연결되어 있으므로, 하나 이상의 여자 전류가 측정된 에어갭 두께에 따라서 또는 측정된 자속 밀도에 따라서 제어될 수 있는 것는 것인 동기 발전기.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 동기 발전기가 제13항 또는 제14항에 따른 풍력 터빈에 사용되는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
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