KR20090093694A

KR20090093694A - 풍력 발전기의 전원 공급장치

Info

Publication number: KR20090093694A
Application number: KR1020080019378A
Authority: KR
Inventors: 신수철; 조동혁; 강윤종
Original assignee: 주식회사 효성
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-02

Abstract

본 발명은 풍력발전기의 허브측에 전원을 공급하는 전원 공급장치에 관한 것이다. 본 발명은 풍력발전기에서 다수의 블레이드가 설치되어 바람의 힘으로 회전하는 허브(200)의 회전운동을 전기에너지로 변환하기 위해 증속기와 발전기가 너셀(100)에 구비된다. 그리고 상기 너셀(100)을 지지하는 베이스 프레임(300)상에 전원공급부(110)가 구성된다. 상기 전원공급부(110)는 상기 베이스 프레임(300)상에 일단이 고정되며 코일(122)이 감싸있는 제1코어(120)와, 상기 제1코어(120)와 이격 설치되고 일단이 상기 허브(200)의 회전축에 장착된 슬립링(140)과 연결되어 상기 회전축이 회전하면 같이 회전하여 전압을 유기하도록 코일(132)이 감싸있는 제2코어(130)로 이루어진다. 상기 허브(200)의 회전상태와 상관없이 허브(200)측으로는 전원이 공급되는데, 상기 허브(200)가 정지하고 있으면 상용주파수를 갖는 2차 교류전압이 제2코어(130)의 코일(132)로부터 유기되어 상기 허브(200)에 공급된다. 그리고 상기 허브(200)가 회전하는 경우에는 회전속도에 따라 다른 주파수를 갖는 전압이 유기되기 때문에 이를 상용주파수를 갖는 전압으로 변환 공급하기 위한 전력변환부(210)가 구비된다. 상기 전력변환부(210)는 허브(200)와 너셀(100) 중 어느 하나에 설치될 수 있다. 이와 같은 본 발명에 따르면 허브측에 필요한 전원을 용이하게 공급할 수 있는 이점이 있다.

Description

풍력 발전기의 전원 공급장치{APPARATUS FOR POWER SUPPLY OF WIND POWER GENERATOR}

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풍력 발전기의 허브측에 전원을 공급하기 위한 장치에 관한 것이다.

풍력발전기는 공기의 운동에너지를 이용하여 전기를 얻는 일련의 발전장치이다.

도 1에는 이와 같은 풍력발전기의 일반적인 구조가 부분 단면 사시도로 도시되어 있다.

도 1을 살펴보면, 풍력발전기는 지면에서 적정 높이로 고정되게 설치되는 타워(1) 상단에 베이스 프레임(3)이 회전 가능하게 설치된다. 상기 베이스 프레임(3)은 아래에서 설명할 내부 구성을 보호하기 위해 커버(미도시)가 씌여진다. 상기 베이스 프레임(3) 상에는 2개의 메인 베어링(5)으로 저널링되는 회전축(7)이 구성된다. 상기 회전축(7)은 비어있는 공간이다. 그리고 상기 회전축(7) 일단으로 증속기(9)와 발전기(10)가 설치되어 있다. 상기 증속기(9)는 상기 발전기(10)의 입력축의 회전 속도를 증가시키는 역할을 한다. 참고로 상기 증속기(9)와 발전기(10)를 포함하는 구성을 너셀(20)이라고 하는데, 상기 너셀(20)은 후술하는 허브(32)의 회전운동을 전기에너지로 변환하는 기능을 수행한다. 상기 증속기(9)와 발전기(10) 사이의 회전축에는 슬립링(40)이 장착된다.

그리고 상기 발전기(10)의 반대쪽인 베이스 프레임(3) 선단에는 바람의 힘으로 회전하는 로터(30)가 구비된다. 상기 로터(30)는 허브(32)와 노즈콘(34)으로 이루어진다. 상기 허브(32)에는 다수의 블레이드(미도시)가 설치된다.

그와 같은 구성에 따르면, 공기의 운동에너지를 상기 블레이드가 제공받아 로터(30)가 회전되고, 상기 로터(30)가 회전되면 회전축(7)을 통해 운동에너지를 증속기(9)에서 극대화한 후, 발전기(10)를 통해 전기를 생산하게 된다.

한편, 상기 블레이드는 풍향 및 풍속의 변화에 따라 회전하는 속도가 다르게 나타난다. 그래서 강풍에 노출되었을 때 블레이드가 파손되지 않도록 안정성을 확보하고, 또 불어오는 바람의 에너지를 최대한 활용하여 발전효율을 최대화하기 위하여, 상기 허브(32)에는 블레이드의 피치각을 조절하는 피치제어기 및 상기 블레이드에 쌓이는 얼음이나 눈을 녹이기 위한 히팅부가 구비된다.

상기 피치제어기 및 히팅부의 구동을 위해서는 상기 허브(32)측에 전원이 공급되어야 한다. 상기 허브(32)로의 전원공급은 너셀(20)측에서 공급되는데, 이때 전원 공급을 위해서 슬립링(40)이 이용되었다.

도 2에는 도 1에 도시된 일반적인 풍력발전기에 사용되는 슬립링(40)의 구성도가 도시되어 있다. 상기 슬립링(40)은 일반적으로 원통형의 케이스(42) 내부에 전원부(44)와 신호부(46)가 설치 구성되고, 케이스(42) 후방에는 전원 및 신호 입출력을 위한 단자부(48)가 형성된다. 그리고 상기 전원부(44)와 신호부(46)는 리드선(미도시)를 통해 단자부(48) 및 허브(32)와 연결되어 있어, 너셀(20)로부터 공급되는 전원 및 제어신호를 허브(32)로 공급할 수 있게 구성된다.

하지만 풍력발전기에서 슬립링(40)을 이용하여 전원을 공급하는 것에는 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저, 슬립링(40)은 반영구적으로 사용하지 못한다. 그래서 슬립링(40)의 내마모 성능에 따라 유지보수가 필요하다. 만약 장기간 사용으로 슬립링(40)이 고장난 경우 전원이 너셀(20)에서 허브(32)로 정상적으로 공급되지 못하여 상기 피치제어기 또는 히팅부가 정상 구동되지 못한 경우가 발생할 수 있다.

또 슬립링(40)이 고장난 경우에는 이를 보수하거나 교체해야 하는데, 이 경우 보수 시간과 교체비용이 많이 소요되는 문제가 발생한다.

또 슬립링(40)은 마찰로 인한 손실이 발생하므로 효율이 저하되는 문제도 있다.

또 브러쉬 성능에 따라 브러쉬가 접촉되는 발전기(10) 접촉부에서 노이즈가 발생하거나 단락 사고가 발생할 우려가 있다.

그리고 풍력발전기는 바람이 많이 부는 높은 고도에 설치되는 경우가 많아 낙뢰에 노출될 가능성이 많기 때문에, 접지 능력에 따라 만약 낙뢰사고가 발생하면 슬립링(40)과 브러쉬가 파손될 문제가 있다. 예컨대, 풍력 발전기는 주로 바람이 풍부하고 민가에서 멀리 떨어진 지역에 설치되기 때문에 주변 구조물에 비해 풍력 발전기의 높이가 높고 접지 구조는 취약하다. 비록 피뢰침이 설치되어 있기 하나 상기 너셀(20)의 전체 크기가 상당히 큼을 고려할 때 상기 피뢰침은 너셀(20)의 각 부위 중 그 설치가 이루어진 부위만을 낙뢰로부터 보호할 뿐 상기 피뢰침이 설치된 부위와는 상대적으로 떨어진 측의 부위는 낙뢰로부터 보호하지는 못하였다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 변압기를 이용한 무접점 전원공급장치에 의해 허브측에 전원을 공급할 수 있도록 한 풍력 발전기의 전원 공급 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 허브의 회전상태에 상관없이 허브측에 전원을 공급할 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 허브의 회전속도가 달라지더라도 허브측에 항상 상용주파수를 갖는 2차 전압을 공급하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 다수의 블레이드가 설치되어 바람의 힘으로 회전하는 허브; 상기 허브의 회전운동을 전기에너지로 변환하기 위해 증속기와 발전기가 구비되는 너셀; 그리고, 상기 너셀을 지지하는 베이스 프레임상에 일단이 고정되며 코일이 감겨져 있는 제1코어와, 상기 제1코어와 이격 설치되어 상기 허브의 회전운동에 따라 가변주파수를 갖는 전압을 유기하도록 코일이 감겨져 있는 제2코어로 구성되는 전원공급부를 포함하여 구성되고, 상기 전원공급부로부터 유기된 전압은 상기 허브로 공급되게 된다.

상기 허브가 회전하는 경우, 상기 가변주파수를 갖는 전압을 상용주파수를 갖는 2차 교류전압으로 변환시켜 상기 허브에 공급하는 전력변환부가 더 구비되고, 상기 전력변환부는 허브와 너셀 중 어느 하나에 설치될 수 있다.

상기 전력변환부는, 상기 제2코어로부터 출력되는 교류전압을 소정 레벨의 직류전압으로 변환하는 AC-DC 컨버터와, 상기 AC-DC 컨버터에 의해 변환된 직류전압을 충전하는 충전부와, 상기 AC-DC 컨버터의 직류전압 또는 상기 충전부에 충전된 직류전압을 공급받고 상기 허브에 구비된 피치제어기 또는 히팅부가 요구하는 교류전압으로 변환하여 출력하는 DC-AC 인버터로 구성된다.

상기 제2코어의 코일은 상기 전력변환부와 연결 구성되거나, 상기 피치제어기 또는 히팅부와 직접 연결되어 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 엔코더가 장착되며 너셀의 베이스 프레임에 고정된 제1코어 및 상기 제1코어의 주파수 제어를 위한 제어유닛이 설치되는 너셀 고정부와, 상기 제1코어와 대칭되게 이격 설치되며 허브가 회전하면 함께 회전되는 제 2코어가 설치되는 너셀 회전부로 구성되고, 상기 허브가 회전하면, 상기 제어유닛은 상기 제2코어의 회전각속도를 상기 엔코더로부터 인가받아 상기 제1코어의 주파수를 제어하고, 상기 주파수 제어에 따라 상기 제2코어에서 일정 주파수를 갖는 2차전압이 항상 상기 허브로 공급되게 한다.

상기 제어유닛은 출력 전압을 일정치로 고정하는 정전압가변주파수(CVVF) 제어를 하는 DC-AC 인버터인 것이 바람직하다.

그리고 상기 허브가 정지하고 있는 경우에는 상용주파수를 갖는 2차 교류전압이 상기 제2코어의 코일로부터 유기되어 상기 허브에 공급될 수 있다.

또 상기 제2코어는 상기 허브의 회전축에 설치된 슬립링과 연결될 수 있다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의한 풍력 발전기의 전원 공급 장치에서는 다음과 같은 효과가 있다.

먼저 풍력발전기의 피치제어기 및 히팅부로 전원을 공급하는 전원선이 슬립링을 통하지 않고 전달될 수 있기 때문에, 슬립링의 마모로 인해 전원이 공급되지못하는 것을 방지할 수 있다.

또 허브의 회전속도에 상관없이 허브측으로 항상 일정한 상용주파수를 갖는 2차전압이 인가되기 때문에 전원공급의 안정성을 향상시킨다.

또 허브가 회전하지 않더라도 상용주파수를 갖는 2차전압이 제2코어에서 유기되어 허브에 공급되기 때문에, 허브가 미구동상태에서도 피치제어기 및 히팅부 구동을 수행할 수 있다.

또 종래 슬립링이나 접촉부의 사용이 배제되기 때문에, 브러쉬 성능에 따라 브러쉬가 접촉되는 발전기 접촉부에서 노이즈가 발생하거나 단락 사고의 발생 가능성을 차단할 수 있고, 낙뢰에 의한 영향도 최소화되는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 풍력발전기의 구조를 보인 부분 단면 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 슬립링의 구조도.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전원 공급장치의 블록 구성도.

도 4는 도 3의 전원 공급장치의 변압기 구조를 설명하기 위한 구성도.

도 5는 도 3의 전원 공급장치가 풍력 발전기에 장착된 구성도.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전원 공급장치의 블록 구성도.

도 7은 도 6의 전원 공급장치의 변압기 구조를 설명하기 위한 구성도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

100 : 너셀 110 : 전원공급부

120 : 제1코어 130 : 제2코어

140 : 슬립링 200 : 허브

210 : 전력변환부 212 : AC-DC 컨버터

214 : DC-AC 인버터 216 : 충전부

220 : 피치제어기 230 : 히팅부

이하 본 발명에 의한 풍력 발전기의 전원 공급 장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전원 공급장치의 블록 구성도가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 전원 공급장치의 상세 구성도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 전원 공급장치가 풍력 발전기에 장착된 구성도가 도시되어 있다.

도면을 참조하여 설명하면, 풍력발전기는 너셀(100)과 허브(200)를 포함하여 구성되는데, 상기 너셀(100)에는 본 실시 예의 전원공급부(110)가 구성된다. 상기 전원공급부(110)는 변압기를 이용한 무접점 전원공급장치이다. 상기 전원공급부(110)는 슬립링(140)이 설치되어 있는 회전축에 설치된다. 상기 전원공급부(110)의 구조는 아래에서 상세하게 설명하기로 한다.

상기 허브(200)에는 상기 전원공급부(110)로부터 전원을 공급받아 구동하는 피치제어기(220) 및 히팅부(230)가 구비된다. 피치제어기(220)는 허브(200)에 연결된 블레이드의 피치를 제어하는 역할을 한다. 히팅부(230)는 블레이드의 얼음이나 눈을 녹이도록 열을 가하는 역할을 한다.

또 허브에는 전력변환부(210)가 구비된다. 상기 전력변환부(210)는 허브(200)가 회전하면 그 회전속도에 따라 상용주파수와 다른 주파수를 갖는 전압이 상기 전원공급부(110)로부터 공급되는데, 이를 상기 피치제어기(220) 및 히팅부(230)가 요구하는 전압으로 변환시키기 위한 것이다. 즉 허브(200)는 풍향, 풍속에 따라 회전속도가 일정하지 않기 때문에, 상용주파수보다 빠르거나 느린 주파수를 갖는 전압이 유기되는데, 이를 상용주파수를 갖는 전압으로 생성하기 위함이다.

상기 전력변환부(210)는, 상기 전원공급부(110)로부터 출력되는 교류전압을 소정 레벨의 직류전압으로 1차 변환하는 AC-DC 컨버터(212)와, 상기 AC-DC 컨버터(212)에 의해 1차 변환된 직류전압을 충전하는 충전부(214)와, 상기 AC-DC 컨버터(212)의 직류전압 또는 상기 충전부(214)에 충전된 직류전압을 공급받고 피치제어기(220) 및 히팅부(230)가 요구하는 교류전압으로 변환하여 출력하는 DC-AC 인버터(216)로 구성된다.

그와 같은 구성을 갖는 전력변환부(210)는 반드시 필요하지는 않다. 즉 허브(200)의 회전속도가 일정하여 전원공급부(110)로부터 출력되는 교류전압이 피치제어기(220) 및 히팅부(230)에 직접 공급될 수 있는 경우에는 필요하지 않다. 또 전력변환부(210)는 허브(200)에 구성되는 것으로 설명하고 있으나, 반드시 그러할 필요는 없고 너셀(100)에 구성될 수도 있다.

다음 도 4를 참조하여 전원공급부의 구조를 설명한다.

상기 전원공급부(110)에는 일정 갭을 두고 마주보게 설치되는 대략 'ㄷ'형상의 제1코어(120) 및 제2코어(130)가 구비된다. 상기 제1코어(120) 및 제2코어(130)는 원통형의 구조이고, 외주면에는 1차 코일(122)과 2차 코일(132)이 각각 감겨 있다. 상기 제1 코어(120) 및 제2코어(130)의 중심부분에는 연장부(124)(134)가 형성된다. 상기 제1코어(120)의 연장부(124) 끝단은 너셀(100)을 지지하는 베이스프레임(300) 상면에 고정된다. 상기 제2코어(130)의 연장부(134)는 슬립링(140)이 설치되어 있는 회전축과 결합한다. 그래서 제2코어(130)는 회전하게 된다. 이때 상기 제2코어(130)의 연장부(134) 끝단은 상기 슬립링(140)이 끼워져서 결합할 수 있는 구조이다. 예컨대, 연장부(134) 끝단은 슬립링(140)을 끼움 고정할 수 있도록 적정 간격만큼 벌어질 수 있는 구조를 갖는다. 물론 다른 방법에 의해서도 슬립링(140)과 제2코어(130)가 결합이 되는 어떠한 구조이어도 상관없다.

한편, 상기 제1코어(120)에 감겨져 있는 1차코일(122)은 베이스프레임(300)과 연결된다.

그리고 상기 제2코어(130)에 감겨져 있는 2차코일(132)은 허브(200)측에 구비된 전력변환부(210)와 연결되거나, 또는 허브(200)에 구비된 피치제어기(220) 및 히팅부(230)와 연결될 수 있다. 참고로 상기 2차코일(132)은 상기 슬립링(140)의 외면에 형성된 요홈을 따라 허브(200)측으로 배선되어진다. 물론 요홈이 형성되어 있지 않은 경우에는 회전축을 따라 배선하도록 한다. 그래서 허브(200)가 회전하면 제2코어(130)도 함께 회전하기 때문에, 2차코일(132)의 꼬임이 방지된다.

여기서 상기 1차코일(120)과 2차코일(130)은 상기 허브(200)가 회전하고 있지 않은 경우에 2차코일(132)에서 상용주파수를 갖는 2차전압이 유기될 수 있는 조건으로 감아져야 한다.

상기한 전원공급부(110)가 풍력발전기에 장착된 경우를 도5에 도시하고 있다. 즉 회전축의 슬립링(140)에 제2코어(130)가 연결되고, 제1코어(120)는 베이스프레임(300)과 연결된다.

도5에서 도면부호 '400'은 증속기이고, '500'은 발전기이다.

이와 같이 구성된 본 실시 예의 전원 공급장치를 이용하여 전원이 허브에 공급되는 과정을 설명한다.

본 실시 예는 허브(200)의 회전 여부에 상관없이 허브(200)측으로 전원을 공급할 수가 있다. 따라서 허브(200)가 정지하고 있는 경우와 회전하고 있는 경우로 구분하여 설명하도록 한다.

먼저 허브(200)가 정지하고 있는 경우이다.

허브(200)가 정지하고 있으면 회전축도 정지하고 있기 때문에 슬립링(140)과 연결된 제2코어(130)도 정지하고 있다. 이 경우 1차코일(122)과 2차코일(132) 상호간에 형성된 자기장에 의해 상기 2차코일(132)에서는 약 60㎐의 상용주파수를 갖는 2차전압이 유기된다. 상기 유기된 2차전압은 허브(200)로 공급된다. 상기 공급된 2차전압은 전력변환부(210)의 변환과정없이 바로 피치제어기(220) 또는 히팅부(230)의 구동전원으로 공급된다. 물론 전력변환부(210)를 통해 공급될 수도 있다.

이때 상기 피치제어기(220)나 히팅부(230)의 구동을 제어하는 제어신호는 너셀(100)에 있는 주제어기(미도시)로부터 슬립링(140)을 통해 허브(200)로 전달되게 된다. 즉 제어신호는 슬립링(140)을 통해 전달되지만, 제어신호에 의해 구동하게 되는 피치제어기(220) 또는 히팅부(230)의 구동전원은 회전축에 연결된 상기 전원공급부(110)로부터 유기되어 공급되는 것이다.

다음 허브(200)가 회전하고 있는 경우이다.

풍력발전기의 구동에 따라 허브(200)가 회전되면 운동에너지는 증속기(400)에서 극대화되고, 발전기(500)를 통해 전기를 생산하게 된다.

상기 풍력발전기 구동중에 피치제어기(220) 및 히팅부(230)를 제어할 필요가 발생한다. 예컨대 풍향 및 풍속 변화에 따라 발전효율을 최대화하기 위해 블레이드의 피치각을 조절해야하는 경우, 또는 블레이드의 표면에 얼음이나 눈이 쌓여 이를 녹이고자 하는 경우이다.

이에 너셀(100)에 구비된 주제어기는 피치제어기(220)나 히팅부(230)의 구동을 제어하기 위해 제어신호를 슬립링(140)을 통해 허브(300)로 전달한다.

상기 제어신호가 피치제어기(220) 및 히팅부(230)로 전달될 때, 피치제어기(220) 및 히팅부(230)의 구동전원도 공급되어야 한다.

상기 구동전원 공급은 다음과 같이 이루어진다.

일단 풍력발전기 구동에 따라 허브(200)는 계속하여 회전하고 있기 때문에, 허브(200)와 연결된 회전축도 계속 회전하고 있다. 상기 회전축이 회전하면 그 회전축의 슬립링(140)과 연결된 제2코어(130)도 회전하게 된다.

상기 제2코어(130)가 회전하게 되면, 회전속도에 따라 상용주파수보다 빠르거나 또는 느린 주파수를 갖는 전압이 유기되게 된다. 이와 같이 유기된 전압은 상기 피치제어기(220) 및 히팅부(230)의 구동전원으로 적합하지 않다. 즉 피치제어기(220) 및 히팅부(230)는 일정 레벨로 정해진 교류전압에 의해 구동되는데, 상용주파수가 아닌 다른 주파수를 갖는 전압으로는 피치제어기(220) 및 히팅부(230)를 정상적으로 구동시킬 수 없다.

그래서 상기 유기된 전압은 전력변환부(210)에 의해 상용주파수를 갖는 전압으로 변환되어야 한다. 즉 AC-DC 컨버터(212)는 상기 유기된 교류성분의 전압을 직류전압으로 변환시킨다. 그리고 DC-AC 인버터(216)는 상기 변환된 직류전압을 피치제어기(220) 및 히팅부(230)의 구동전원으로 사용할 수 있도록 교류전압으로 변환시킨다.

이와 같이 변환된 교류전압은 상용 주파수를 갖는 2차전압인 것이다.

상기 2차전압인 교류전압은 피치제어기(220) 및 히팅부(230)의 구동전원으로 사용할 수 있고, 따라서 너셀(100)의 주제어기로부터 전달되는 제어신호와 함께 전원이 공급되면 상기 피치제어기(220) 및 히팅부(230)는 해당 기능을 수행하게 된다.

다음으로 본 발명의 다른 실시 예를 설명한다.

다른 실시 예를 설명함에 있어 설명의 편의상 앞서 설명한 실시 예와 동일한 구성에 대해서는 그 설명은 생략하기로 한다.

도 6에는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전원 공급장치의 블록 구성도가 도시되어 있고, 도 7에는 도 6의 전원 공급장치의 변압기 구조를 설명하기 위한 구성도가 도시되어 있다.

도 6을 참조하면, 풍력발전기는 너셀(600)과 허브(700)를 포함하여 구성된다.

상기 너셀(600)에는 베이스프레임(800)(도7)과 연결되어 고정되는 제1코어(610)와, 상기 허브(700)가 회전하면 같이 회전하게 되는 제2코어(630)가 설치된다.

상기 제1코어(610)에는 상기 허브(700)의 회전운동에 따라 제1코어(610)의 주파수를 제어하기 위한 DC-AC 인버터(620)가 연결된다. 상기 DC-AC 인버터(620)는 후술하는 엔코더에서 발생하는 회전각속도를 인가받고 주파수 제어를 수행하는 역할을 한다. 즉 상기 DC-AC인버터(620)는 정전압가변주파수(CVVF : Constant Voltage Variable Frequency) 제어를 수행한다. 상기 제2코어(630)는 상기 주파수 제어에 의해 일정 주파수를 갖는 2차전압을 유기하여 상기 허브(700)로 전원을 공급하는 역할을 한다. 참고로, 제1코어(610)는 항상 고정되어 있기 때문에, 제1코어(610)와 DC-AC 인버터(620)가 포함된 부분을 너셀 고정부(602)라 하고, 슬립링(640)과 연결되는 제2코어(630) 부분을 너셀 회전부(604)라 한다. 상기 DC-AC 인버터(620)는 상기 너셀 고정부(602)의 소정 부위에 위치하게 된다.

그리고 상기 허브(700)에는 피치제어기(710) 및 히팅부(720)가 구비되어 있다. 상기 피치제어기(710) 및 히팅부(720)는 상기 너셀(600)로부터 제어신호와 전원이 공급되면 구동된다.

다음, 도 7을 참조하여 제1코어(610) 및 제2코어(630) 구조를 설명한다.

상기 제1코어(610)와 제2코어(630)는 1차 코일(612)과 2차 코일(632)이 각각 감겨져 있는 원통형의 대략 'ㄷ'형상의 구조로 이루어지고, 개방된 부분이 서로 마주보게 위치한다.

그리고 상기 제1코어(610)는 연장부(614)에 의해 베이스프레임(800)과 결합되고, 제2코어(630)는 연장부(634)에 의해 슬립링(640)과 결합된다. 또 1차코일(612)은 베이스프레임(800)과 연결되고, 2차코일(632)은 상기 피치제어기(710) 및 히팅부(720)와 연결된다.

한편, 상기 제2코어(630)는 허브(700)가 회전하면 같이 회전하게 되는데, 상기 허브(700)의 회전 운동에 따라 상기 DC-AC 인버터(620)는 제1코어(610)의 주파수를 제어하여 제2코어(630)에서 일정 주파수를 갖는 2차전압이 유기되어 허브(700)로 공급되어야 한다. 그래서 제1코어(610)에는 제2코어(630)의 회전각속도를 검출하기 위한 엔코더(650)가 설치된다. 설치구조는 제1코어(610)에 로드바(611)가 고정 설치되고, 그 로드바(611)의 중앙에 엔코더(650)가 설치되는데, 이때 엔코더(650)의 회전축(652)은 제2코어(630)측을 향하도록 위치시킨다. 그리고 상기 제2코어(630)에 설치된 로드바(631)의 중심부에 상기 엔코더(650)의 회전축(652)이 삽입되어 결합시킨다. 그래서 엔코더(650)가 제2코어(630)의 회전각속도를 검출할 수 있도록 한다. 상기 제2코어(630)의 로드바(631)는 알루미늄과 같은 비자성체인 것이 좋다.

그와 같은 구조에 따른 동작 상태를 설명한다.

일단 허브(700)가 회전하면, 허브(700) 회전축의 슬립링(640)과 연결된 제2코어(630)는 회전한다.

상기 제2코어(630)가 회전하게 되면, 제2코어(630)의 로드바(631)와 연결된 엔코더(650)는 제2코어(630)의 회전각속도를 검출한다. 상기 검출된 회전각속도는 DC-AC 인버터(620)에 인가된다.

상기 DC-AC 인버터(620)는 상기 회전각속도를 참조하여 상기 제1코어(610)의 주파수를 제어한다. 즉 제2코어(630)의 회전속도에 따라 상용주파수보다 빠르거나 느린 주파수를 갖는 2차전압이 제2코어(630)에서 유기되는데, DC-AC 인버터(620)는 이를 제어하여 상용주파수를 갖는 2차전압이 제2코어(630)에서 유기될 수 있도록 제1코어(610)의 주파수를 제어하는 것이다.

그렇게 하면 제2코어(630)에서는 항상 상용주파수를 갖는 2차전압이 유기되기 때문에, 상기 유기된 2차전압은 피치제어기(710) 및 히팅부(720)를 구동시키기 위한 구동전원으로 직접 공급되게 된다. 따라서 별도의 전력 변환부가 필요하지 않게 된다.

즉 본 발명의 다른 실시 예는 엔코더(650)에 의해 제2코어(630)의 회전각속도를 검출하고, 이를 기초로 DC-AC 인버터(620)가 제1코어(610)의 주파수를 제어하여, 제2코어(630)에서는 항상 일정 주파수를 갖는 2차전압이 유기되도록 하는 것이다.

한편 허브(700)가 정지하고 있는 경우에도, 1차코일(612)과 2차코일(632) 상호간에 형성된 자기장에 의해 2차코일(632)에서는 약 60㎐의 상용주파수를 갖는 2차전압이 유기되어 허브(700)로 공급된다. 따라서 허브(700)가 정지된 상태에서도 피치제어기(710) 및 히팅부(720)를 구동할 수 있다.

이와 같은 본 실시 예들에 따르면 허브내의 피치제어기 및 히팅부에 전원을 공급할 때 슬립링을 통하지 않고서도 전원을 공급할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

즉 본 실시 예에서는 풍력 발전기의 허브에 전원을 공급하는 것으로 설명하고 있으나, 기계설비장치에서의 모든 회전축에 변압기를 이용한 무접점 공급장치를 장착하고, 그로부터 발생하는 전원을 이용할 수 있는 것이다.

또 피치제어기 및 히팅부 구동을 위한 제어신호가 반드시 슬립링을 통해 인가될 필요는 없다. 예를 들면 너셀측에서 허브측으로 무선프로토콜을 이용하여 제어신호가 전송될 수도 있다.

Claims

다수의 블레이드가 설치되어 바람의 힘으로 회전하는 허브;

상기 허브의 회전운동을 전기에너지로 변환하기 위해 증속기와 발전기가 구비되는 너셀; 그리고,

상기 너셀을 지지하는 베이스 프레임상에 일단이 고정되며 코일이 감겨져 있는 제1코어와, 상기 제1코어와 이격 설치되어 상기 허브의 회전운동에 따라 가변주파수를 갖는 전압을 유기하도록 코일이 감겨져 있는 제2코어로 구성되는 전원공급부를 포함하여 구성되고,

상기 전원공급부로부터 유기된 전압은 상기 허브로 공급됨을 특징으로 하는 풍력 발전기의 전원 공급장치.
제1항에 있어서,

상기 허브가 회전하는 경우, 상기 가변주파수를 갖는 전압을 상용주파수를 갖는 2차 교류전압으로 변환시켜 상기 허브에 공급하는 전력변환부가 더 구비되고,

상기 전력변환부는 허브와 너셀 중 어느 하나에 설치됨을 특징으로 하는 풍력 발전기의 전원 공급장치.
제2항에 있어서,

상기 전력변환부는,

상기 제2코어로부터 출력되는 교류전압을 소정 레벨의 직류전압으로 변환하는 AC-DC 컨버터와, 상기 AC-DC 컨버터에 의해 변환된 직류전압을 충전하는 충전부와, 상기 AC-DC 컨버터의 직류전압 또는 상기 충전부에 충전된 직류전압을 공급받고 상기 허브에 구비된 피치제어기 또는 히팅부가 요구하는 교류전압으로 변환하여 출력하는 DC-AC 인버터로 구성됨을 특징으로 하는 풍력 발전기의 전원 공급장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 제2코어의 코일은 상기 전력변환부와 연결 구성되거나,

상기 피치제어기 또는 히팅부와 직접 연결 구성됨을 특징으로 하는 풍력 발전기의 전원 공급장치.
엔코더가 장착되며 너셀의 베이스 프레임에 고정된 제1코어 및 상기 제1코어의 주파수 제어를 위한 제어유닛이 설치되는 너셀 고정부와,

상기 제1코어와 대칭되게 이격 설치되며 허브가 회전하면 함께 회전되는 제 2코어가 설치되는 너셀 회전부로 구성되고,

상기 허브가 회전하면, 상기 제어유닛은 상기 제2코어의 회전각속도를 상기 엔코더로부터 인가받아 상기 제1코어의 주파수를 제어하고, 상기 주파수 제어에 따라 상기 제2코어에서 일정 주파수를 갖는 2차전압이 항상 상기 허브로 공급되게 하는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 전원 공급장치.
제5항에 있어서,

상기 제어유닛은 출력 전압을 일정치로 고정하는 정전압가변주파수(CVVF) 제어를 하는 DC-AC 인버터인 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 전원 공급장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 허브가 정지하고 있는 경우에도 상용주파수를 갖는 2차 교류전압이 상기 제2코어의 코일로부터 유기되어 상기 허브에 공급됨을 특징으로 하는 풍력 발전기의 전원 공급장치.
제1항 또는 제5항에 있어서,

상기 제2코어는 상기 허브의 회전축에 설치된 슬립링과 연결되는 것을 특징으로 하는 풍력 발전기의 전원 공급장치.