KR20020093987A - 풍력발전장치용 방위각 구동장치 - Google Patents

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Abstract

풍력발전장치들은 일반적으로 풍향을 따르는 능동 구동 유닛을 갖는다. 상기 능동 구동 유닛은 로터의 로터 블레이드들이 풍력의 방향으로 배치되도록 상기 기계 하우스를 회전시킨다. 상기 풍향을 따르기 위해 필요한 상기 구동 유닛은 대개 방위각 구동 유닛으로, 일반적으로 대응 방위각 베어링들과 함께, 탑 헤드와 상기 기계 하우스 사이에 배치된다. 작은 풍력발전장치들의 경우, 일반적으로 하나의 조정 구동 유닛으로 충분하지만, 보다 큰 풍력발전장치들에는 일반적으로 수 개의 방위각 구동 유닛들이 구비된다. 본 발명의 목적은 상기한 문제점들을 방지할 수 있으며, 간단한 방위각 구동 유닛이 얻어지며, 각 방위각 구동 유닛에 균등한 부하 분포를 포장하고 개개의 유닛들의 바람직하지 못한 토크 요동을 방지하기 위해서 풍력발전장치용 방위각 구동장치를 개선함에 있다. 상기한 목적은 기계 하우스를 구비한 풍력발전장치에 의해 달성되며, 상기 기계 하우스는 적어도 하나의 로터 블레이드를 구비한 로터 및 풍력의 방향으로 상기 로터를 바람직하게 배향시키기 위해 상기 기계 하우스를 조정하는 조정 유닛을 갖추고 있다. 상기 조정 유닛은 구동 유닛으로서 3-상 비동기 모터를 포함하며, 상기 3-상 비동기 모터에는 상기 기계 하우스의 조정을 위한 가변 주파수의 3-상 전원이 공급된다.

Description

풍력발전장치용 방위각 구동장치{AZIMUTH DRIVE FOR WIND ENERGY PLANTS}
풍력발전장치들은 일반적으로 풍향을 추적(tracking)하기 위한 능동 구동장치(active drive)를 갖고 있다. 상기 능동 구동장치는 로터(rotor)의 로터 블레이드(blade)들이 풍력 방향으로 배향 되도록 상기 풍력발전장치의 기계 하우징(housing)을 회전시킨다. 풍향을 추적하기 위해 필요한 상기 구동장치는 일반적으로 방위각 구동장치(azimuthal drive)이며, 상기 방위각 구동장치는 대개 결합된 방위각 베어링들과 함께 파일론(pylon)이나 탑 상부 및 상기 기계 하우징 사이에 배치된다. 소형 풍력발전장치들은 하나의 이동 구동장치(displacement drive)로 충분하지만, 보다 큰 풍력발전장치들은 일반적으로 복수의 방위각 구동장치들을 갖추고 있다.
기계 하우징의 풍향 추적과정에서, 풍력측정 동작 시스템은 어떤 시간, 예를 들면 10초 동안의 풍향의 평균값을 제공한다. 상기 평균값은 상기 기계 하우징의 순간적인 방위각 위치와 반복적으로 비교된다. 편차가 소정 값을 초과하는 즉시, 풍력 손실을 방지하기 위해서 상기 로터의 풍향 편차, 즉 편요각(yaw angle)이 가능한 한 작게 되도록 상기 기계 하우징은 적당히 재배치된다. 간행물 "빈트크라프트안라겐(Windkraftanlagen: 풍력발전장치)", 에리히 하우(Erich Hau), 2판, 1995년, 268 ff 페이지와 316 ff 페이지에는 각각 공지된 풍력발전장치들에서 풍향 추적 실행방법이 기재되어 있다.
이전의 공지된 풍력발전장치들, 기계 하우징의 모터동력 풍향 추적에서, 방위각 이동 시스템은 풍향에 따라 로터와 기계 하우징을 자동적으로 배향시키는 기능을 수행한다. 기능적인 측면에서, 상기 풍향 추적 시스템은 독립 유닛(unit)이다. 구조적인 측면에서, 상기 풍향 추적 시스템은 상기 파일론 상부(top)에 대한 상기 기계 하우징의 천이(transition)를 형성한다. 상기 풍향 추적 시스템의 구성요소들은 부분적으로 상기 기계 하우징 안에 통합되고 부분적으로 상기 파일론 상부에 통합된다. 풍향 추적의 전체 시스템은 설정 구동장치(setting drive), 유지 브레이크(holding brake)들, 로킹장치(locking device), 방위각 베어링(bearing)들 및 조정 시스템으로 이루어진 구성요소들을 포함한다. 상기 구성요소들은 다음과 같이 동작한다.
상기 설정 구동장치의 경우, 상기 로터 블레이드의 이동 구동장치와 유사한 방식으로 수압 또는 전기 방식으로 동작한다. 양 설계 구성들은 풍력발전장치들과 관련해서 일반적인 것이다. 소형 풍력발전장치들은 대부분 비조정 전기 구동 모터(unregulated electrical drive motor)들을 갖는다. 대형 풍력발전장치들의 경우에는, 대부분 수압 설정 구동장치들이 구비된다.
구동 모터들에 의해서 추적 동작이 이루어진 후 고정되어야만 하는 회전 축주위에서의 요오 모멘트(yaw moment)를 방지하기 위해서 회전운동검사장치(rotary movement-check arrangement) 또는 요오 브레이크가 요구된다. 그렇지 않은 경우, 상기 구동 조립품들 또는 상류부분에 연결된 전동 조립품들의 수명이 보장될 수 없다. 소형 풍력발전장치들은 일반적으로 상기 방위각 베어링 내 회전운동검사장치로 충분한 반면에, 보다 대형의 풍력발전장치들은 복수의 분리 가능한 유지 브레이크들이 필요하다. 상기 유지 브레이크들은 상기 파일론의 내측 또는 역으로 상기 기계 하우징 상의 링(ring)에서 제동 링(braking ring)과 결합한다. 추적 동작 중에 이동 역학에 필요한 감쇠(damping) 작용을 보장하기 위해서 하나 또는 두 개의 방위각 브레이크들이 결합된다. 이런 경우에, 상기 설정 구동장치는 상기 마찰 감쇠 작용에 대하여 상기 추적 운동을 수행할 수 있도록 설계되어야만 한다. 방위각 또는 파일론 상부 베어링은 일반적으로 구름 베어링(rolling bearing) 조립품의 형태로 이루어진다.
도 7은 "베스팅하우스(Westinghaus)" WTG-0600의 전기 설정 구동장치를 구비한 공지된 풍향 추적 시스템의 부분 단면도이다.
풍력발전장치가 난류 풍력- 로터의 회전각에 의한 풍력에 의해서 동작하는 동안에 매우 큰 힘들이 발생하고, 그것에 결합하여 상기 방위각 구동장치들에서 높고 빈번한 부하 피크(load peak)들이 발생한다.
두 개 이상의 방위각 구동장치가 있는 경우, 추가적으로 개개의 구동장치들에서 매우 높은 정도의 비대칭이 관련된다. 상기 구동장치들은 전동 조립품에 의해서 약 15,000의 세트업 전동비(set-up transmission ratio)를 갖는다. 두 개 이상의 구동장치, 예를 들면 4 개의 방위각 구동장치들이 통합된 톱니(tooth)장치들을 구비한 상기 파일론 베어링의 주변에 설치되는 경우, 상기 파일론 베어링 주위에서 상기 톱니 구성의 매우 작은 편차들은 즉시 매우 심한 비대칭을 초래하게 된다. 높은 전동 세트업비 때문에 상기 구동 장치의 입력측 상의 적은 편차들은 출력측 상에서 최대 15 내지 20 회전에 상응하게 된다.
따라서 이는 상기 기계 하우징의 각 회전 과정 중 그리고 그 후에, 전체 부하 및 전체 토크(torque)가 개개의 구동 장치들에 대해 동시에 가능하다면 균등하게 분포되어야만 한다는 것을 의미한다. 추가적으로, 중 방위각 부하(heavy azimuthal load)들이 관련되는 경우, 과도하게 높은 부하 레벨(level)들이 발생하는 정지 시간 동안에 상기 구동장치들이 항복(yield)하고 상기 기계 하우징의 용이한 회전 운동을 허용해야만 적당한 부하 제거효과가 생길 수 있다.
추가적으로, 상기 풍력발전장치의 기계 하우징의 풍향 추적 중에, 심한 난류가 있으면, 그에 상응하여 또한 높은 토크들이 발생한다. 상기 모터들이 서로에 대해 발진하는 방식으로 상기 토크들은 상기 방위각 구동장치들을 여자시킨다. 그런 경우에, 매우 높은 세트업 전동비를 갖는 전동장치(transmission arrangement)들은 스프링(spring)처럼 반응하므로, 개개의 구동장치들에서 주된 토크 요동(torque fluctuation)이 생긴다.
본 발명은 방위각 구동장치에 관한 것으로, 특히 풍력발전장치용 방위각 구동장치에 관한 것이다.
도 1은 기계 하우징 상의 이동장치의 4개 방위각 구동장치들의 개략적인 배치도이다.
도 2는 3-상 비동기 모터의 토크/회전속도의 특성 곡선을 나타낸다.
도 3은 직류 동작 모드에서 3-상 비동기 모터의 특성 곡선을 나타낸다.
도 4는 도 3과 관련된 다른 곡선을 나타낸다.
도 5는 두 개의 비동기 방위각 구동장치들을 결합한 변류기(current transformer)의 블록 회로도이다.
도 6은 방위각 모터의 회로도이다.
도 7은 전기 설정 구동장치를 구비한 공지된 풍향 추적장치의 부분 단면도이다.
도 8은 주파수 변환기(frequency converter)로 작동되는 비동기기의 블록 회로도이다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 풍력발전장치들용 방위각 구동장치를 개선하여 구조적으로 단순한방위각 구동장치를 제공하고, 각 방위각 구동장치에 균등한 부하 분포를 보장하며, 개개의 구동장치들에서 바람직하지 못한 토크 요동을 방지하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따라 청구항 1에 기재된 풍력발전장치가 제공된다. 바람직한 세부사항들은 종속항들에 기재되어 있다.
본 발명에 따른 풍력발전장치는 적어도 하나의 로터 블레이드들을 수용하는 기계 하우징을 포함하며, 각각의 풍향에 따라 상기 기계 하우징을 이동시키기 위한 이동장치는 방위각 구동장치로서 적어도 하나의 3-상 비동기 모터(three-phase asynchronous motor)를 가지며, 상기 기계 하우징의 이동 중에 상기 3-상 비동기 모터에 3-상 전류가 공급되고, 상기 기계 하우징의 정지 중에 상기 3-상 비동기 모터에 때때로 또는 완전히 직류가 공급되는 것을 특징으로 한다.
상기 3-상 전류에 의한 이동 동작 후 상기 모터들은 스위치 오프 되므로 더 이상 토크가 생성되지 않는다. 상기 구동 모터의 부분 상에서 제동 작용을 제공하고 부하 피크들이 발생하는 정지 시간 동안에 적당한 제동 토크를 유지하기 위해서, 상기 3-상 비동기 모터는 3-상 네트워크(network)로부터 분리된 후 즉시 직류에 의해 작동된다. 상기 직류는 상기 비동기 모터에서 정지 자기장(stationary magnetic field)을 발생시키며, 그것에 의해 상기 비동기 모터는 즉시 감속된다. 정지 시간 내내 가능한 한 상기 직류 공급이 유지된다.
본 발명에 따라서, 바람직하지 못한 토크 요동들을 억제하는 토크 제어가 제공된다. 상기 3-상 비동기 모터의 감속은 상기 직류의 크기에 의해서 선형적으로 설정될 수 있다. 이는 실제 정지 중에 풍력발전장치들의 상기 방위각 구동장치들에간단한 토크 제어를 제공한다.
추가적으로, 상기 이동장치가 복수의 3-상 비동기 모터들을 갖는 경우, 상기 3-상 비동기 모터들은 부궤환(negative feedback) 관계로 연결되므로, 개개의 구동장치가 안정화되고 지금까지의 바람직하지 못한 스프링 효과가 억제된다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
풍력발전장치들은 일반적으로 풍향 추적을 위한 능동 구동장치(activedrive)를 갖는다. 로터의 로터 블레이드들이 풍력 방향에서 최적의 방식으로 배향 되도록 상기 능동 구동장치는 상기 풍력발전장치의 기계 헤드(head)를 회전시킨다. 풍향 추적용의 상기 능동 구동장치는 결합된 방위각 베어링(2)을 구비한 방위각 구동장치(1)이며, 일반적으로 파일론 상부와 상기 기계 하우징 사이에 배치된다. 소형 풍력발전장치들의 경우에는 하나의 방위각 구동장치로 충분하지만, 보다 대형의 풍력발전장치들은 대개 복수의 구동장치들, 예를 들면 도 1에 도시된 것과 같은 4개의 구동장치들을 갖는다. 상기 4개의 구동장치들은 상기 파일론 상부(3) 주변으로 균등하게 분포된다 (비균등 분포도 또한 가능하다).
풍력발전장치가 난류 풍력- 상기 로터의 회전각에 의한 풍력에 의해 동작하는 동안에 매우 큰 힘들이 생성되고, 그것에 결합하여 상기 방위각 구동장치들에서 높고 빈번한 부하 피크들이 생성된다.
상기 기계 헤드의 이동용 이동장치가 두 개 이상의 방위각 구동장치(1)를 갖는 경우, 추가적으로 매우 높은 레벨의 비대칭이 상기 개개의 구동장치들(1)에서 발생한다. 상기 구동장치들은 세트업(set-up) 전동비가 약 15,000인 세트업 전동장치(4) (전동 장치: 미도시)를 갖는다. 두 개 이상의 구동장치가 통합된 톱니 구성을 갖는 상기 파일론 베어링 주위에 설치되는 경우, 상기 파일론 베어링 주위에서 상기 전동장치들의 톱니 구성의 매우 작은 편차들은 매우 심한 레벨의 비대칭을 초래하게 된다. 높은 전동비 때문에 상기 구동장치의 입력측 상의 상기 소수의 편차들은 상기 출력측 상에서 최대 15 내지 20 회전에 상응하게 된다.
이는 상기 파일론 상부의 각각의 회전 과정 중 그리고 그 후에, 전체 부하/토크가 개개의 구동장치들에 균등하게 분포되어야만 한다는 것을 의미하는 것이다. 추가적으로, 방위각 중부하들의 경우에는, 상기 구동장치들은 정지 시간 중- 과도하게 높은 부하의 경우 상기 파일론 상부의 정지 시간 중에 항복하고, 상기 기계 헤드의 약간의 회전 운동을 허용해야만 한다.
각각의 방위각 구동장치(1)는 각자 모터(5)를 갖으며, 상기 모터들은 상호 연결되어 공동으로 제어된다. 상기 풍력발전장치의 기계 헤드의 풍향 추적 운동 중에 심한 난류에 의해 야기되는 주된 토크들이 발생하는 경우, 상기 토크들은 상기 모터들이 서로에 대해 발진(oscillation)하거나 발진을 수행하는 경향을 갖도록 상기 방위각 구동장치들을 여자시킨다. 매우 높은 전동비를 갖는 상기 전동장치들(4)은 상기 경우에 스프링(spring)처럼 반응하여, 개개의 구동장치들에서 주된 토크 분포를 야기한다.
상기 기계 하우징이 회전되지 않는 동안에 상기 부하들의 균등한 분포를 보장하기 위해서, 본 발명에서는 상기 방위각 구동장치의 구동 모터들과 같이 3-상 비동기 모터가 상기 비동기 구동기로서 사용된다. 상기 3-상 비동기 모터의 토크/회전속도 특성 곡선이 도 2에 나타나 있다. MA는 초기 토크를 나타내며, MK는 탈출 토크(pull-out torque)를 나타낸다.
상기 기계 하우징의 이동 동작 후 상기 4개의 3-상 비동기 모터(three-phase asynchronous motor: 이하 'ASM'이라 함)들은 스위치 오프 되므로 더 이상 어떠한 토크도 생성되지 않는다. 상기 모터들을 균등하게 감속하고 그 후에도 제동토크(braking torque)를 얻기 위해서, 상기 3-상 네트워크로부터 분리된 후에 가능한 한 즉시 상기 모터들에 직류가 공급된다 (도 6a 참조).
상기 직류는 상기 모터들(비동기기)에서 정지 자기장을 생성하므로 상기 모터들은 즉시 감속된다. 상기 직류 공급은 가능한 한 정지 시간 내내 유지되며 진폭과 관련하여 조정될 수 있다.
이동 동작 후 상기 도 6b에 나타낸 바와 같이, 조정장치에 의해서 상기 ASM-구동장치들에 조정 직류(regulated direct current)가 공급된다. 비대칭 돌풍력에 의해 야기되는 상기 파일론 상부의 느린 회전운동들은 낮은 직류 (공칭 전류의 약 10%)에 의해서만 감쇠 또는 감소하지만, 그런 운동들이 허용된다. 보다 빠른 회전운동들은 적당하게 적용된 보다 높은 직류, 즉 보다 높은 제동 모멘트에 의해서 방지된다. 매우 빠른 회전운동들의 경우에, 상기 직류는 상기 모터의 공칭 전류까지 증가된다.
직류 동작 모드에서 비동기 모터의 상기 토크/회전속도 특성 곡선이 도 3에 도시되어 있다. 상기 구동 모터는 정지 조건에서 직류 자화(magnetisation)를 갖는 어떠한 토크도 발생시키지 않는다. 그러나 회전속도가 증가 - 상기 공칭 회전속도의 최대 약 6%까지 증가함에 따라 발생된 토크는 선형적으로 상승하여 회전의 양 방향들에서 대칭이 된다. 상기 특성 곡선에 따라서, 발생하는 부하도 또한 모든 방위각 구동장치들에 균등하게 분포되며, 평형 조건은 항상 수동적으로 발생한다.
상기 방위각 구동장치들에 대한 토크 제어를 제공하기 위해서, 상기 제동 곡선의 기울기는 상기 직류의 크기에 의해 선형으로 설정될 수 있다. 이는 도 4에 도시되어 있다. 이는 실제 정지 동안에 풍력발전장치들의 상기 방위각 구동장치들에 간단한 토크 제어를 제공한다.
또한 상기 방위각 구동장치들의 개개의 모터들은 변류기에 의해 연결될 수 있다. 이는 도 5에 도시되어 있다. 이런 경우에 ASM은 비동기기(asynchronous machine)를 나타낸다. 도시된 것과 같은 간단한 부궤환은 상기 구동장치들을 안정화시킨다.
도 7은 전기 설정 구동장치를 구비한 공지된 풍향 추적장치의 부분 단면도를 나타내며, 상기 추적장치는 에리히 하우(Erich Hau), "빈트크라프트안라겐(Windkraftanlagen: 풍력발전장치)", 스프링거르-페르라크 베를린 하이델베르크(Springer-Verlag Berlin Heidelberg) 1996, 268-271 페이지에 기재되어 있다.
도 8은 주파수 변환기에 연결된 비동기기, 바람직하게는 3-상 비동기 모터에 전류를 공급하는 방법을 나타낸 블록 회로도이다.
상기 3-상 비동기 모터의 이동 과정 중, 상기 풍력발전장치의 기계 하우징이 소망 위치에 설정(회전)되어 있는 경우 상기 비동기 모터에 가변 주파수의 3-상 전류가 공급된다.
상기 비동기기의 정지 중에 상기 비동기기에 주파수가 0 Hz인 3-상 전류, 즉 직류가 공급된다.
본 발명은 풍력발전장치용 방위각 구동장치에 관한 것으로, 풍력발전장치에이용 가능하다. 또한 본 발명에 따른 방위각 구동장치는 구조적으로 단순한 방위각 구동장치를 제공하고, 각 방위각 구동장치에 균등한 부하 분배를 보장하며, 개개의 구동장치들에서 바람직하지 못한 토크 요동을 방지한다.

Claims (5)

  1. 기계 하우징을 포함하며, 상기 기계 하우징이 적어도 하나의 로터 블레이드를 구비한 로터 및 상기 로터가 풍력 방향으로 배향 되도록 상기 기계 하우징을 이동시키는 이동장치를 수용하도록 구성된 풍력발전장치에 있어서,
    상기 이동장치에 구동장치(1)로서 3-상 비동기 모터가 구비되며, 상기 기계 하우징의 이동을 위해서 상기 3-상 비동기 모터는 가변 주파수의 3-상 전류에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  2. 제1항에 있어서, 주파수 변환기에 의해 상기 3-상 비동기 모터에 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기계 하우징의 정지 중에 상기 3-상 비동기 모터에 주파수가 0 Hz인 전류, 즉 직류가 공급되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 이동장치에 복수의 3-상 비동기 모터들이 구비되며, 상기 복수의 3-상 비동기 모터들은 함께 결합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 3-상 비동기 모터들은 변류기(current transformer)에 의해 전기적으로 함께 결합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력발전장치.
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