KR20220085724A - 풍력 터빈 빌전기용 전기자 및 관련 방법 - Google Patents

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훌리오 세자르 우레스티
클라비호 하비에르 루퀘
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제너럴 일렉트릭 레노바블레스 에스빠냐 에스.엘.유.
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Abstract

본 개시는 풍력 터빈 발전기용 전기자에 관한 것이다. 발전기는 영구 자석 발전기일 수 있다. 본 개시는 또한, 그러한 전기자, 발전기, 및 풍력 터빈을 작동시키기 위한 방법들에 관한 것이다. 방법이, 제1 스위치를 닫음으로써 전기자 권선들을 부분적으로 단락시키는 것 및 풍력 터빈 블레이드들 상에 작용하는 바람에 의해 전기자 권선들에 전류를 유도하는 것을 포함할 수 있다.

Description

풍력 터빈 빌전기용 전기자 및 관련 방법{ARMATURE FOR A WIND TURBINE GENERATOR AND RELATED METHODS}
본 개시는, 전기기계용 전기자에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는, 풍력 터빈의 발전기, 예를 들면 영구 자석 발전기용 전기자, 및 이러한 전기자, 발전기, 및 풍력 터빈을 작동시키는 방법들에 관한 것이다.
현대의 풍력 터빈들은 전력망에 전기를 공급하는 데 흔히 사용된다. 이런 종류의 풍력 터빈들은 일반적으로 타워 및 타워에 배치된 로터를 포함한다. 전형적으로 허브와 복수의 블레이드를 포함하는 로터는 블레이드들에 가해지는 풍력의 영향 하에서 회전하도록 된다. 이 회전은 보통 로터 샤프트를 통해, 직접 또는 기어박스의 사용을 통해, 발전기로 전달되는 토크를 발생시킨다. 이와 같이, 발전기는 전력망에 공급될 수 있는 전기를 생산한다.
풍력 터빈 허브는, 기관실(nacelle)의 전방에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 풍력 터빈 허브는, 로터 샤프트에 연결될 수 있고, 다음으로 로터 샤프트는 기관실 내부의 프레임에 배치된 하나 이상의 로터 샤프트 베어링을 사용하여 기관실에 회전 가능하게 장착될 수 있다. 기관실은, 풍력 터빈 타워의 상부에 배치되는 하우징이다. 기관실은 예를 들면, 기어박스(존재하는 경우) 및 선택적으로 발전기, 그리고 풍력 터빈에 따라, 전력 변환기와 같은 추가 구성요소들 및 보조 시스템들을 수용하고 보호할 수 있다.
풍력 터빈의 발전기는, 자기장 발생기와 전기자를 구비할 수 있는데, 자기장 발생기는 자기장을 발생시키도록 구성되고, 전기자는 회전 시 변화하는 자기장의 영향으로 인해 그 권선에 유도되는 전류를 전도하도록 구성된다.
발전기는, 발전기의 신뢰성과 서비스 수명을 늘리는 데 도움이 될 수 있는 절연체를 포함할 수 있다. 절연체는, 예를 들면, 열 및 전압 스파이크 보호를 제공할 수 있다. 절연체는, 예를 들면, 발전기의 전기자의 코일들 사이에 배치될 수 있다.
어떠한 이유로든 풍력 터빈 발전기가 정지되면, 발전기의 절연체가 젖거나 습해질 수 있다. 예를 들어, 전력망의 정전(grid outage) 기간 도중에, 특히 풍력 터빈이 해상 풍력 터빈인 경우에는, 발전기 내의 습기의 양이 제어되지 않을 수 있으며 수분 응결 또는 습기 흡수가 발생할 수 있다. 절연체의 수분 응결은, 그라운드까지의 추적면(tracking surfaces)을 생성할 수 있는데, 이는 발전기를 재기동하기 전에 절연체가 건조되지 않으면 지락(ground fault)을 유발할 수 있다. 절연체에 의한 습기 흡수는, 증기 팽창으로 인해 절연체가 박리되게 할 수 있으며, 이는 다시 장기적으로 절연체를 열화시킬 수 있다. 또한, 수분 흡수는, 절연체의 유전 특성을 크게 저하시킬 수 있다. 이는 절연체를 건조시키지 않고 발전기를 재차 초기화할 경우에 절연 파괴를 초래할 수 있다.
따라서, 발전기를 안전하게 재기동하기 위해서는, 절연체의 습기를 회피하는 것이 중요한다. 몇몇 경우에는, 발전기의 절연체를 먼저 건조시켜야 할 수도 있다. 예를 들어, 절연체가 발전기를 재기동하기에 적합한지 여부를 체크하기 위해 수작업 검사를 수행하는 것이 육상 풍력 터빈들에서 행해지는 것으로 알려져 있다. 이는 귀찮은 작업이며, 게다가 해상 풍력 터빈들에서는 접근성 제한으로 인해 유사한 검사가 다소 어려울 수 있다. 이러한 경우들에서, 절연체가 건조하고 발전기가 안전하게 재기동될 수 있도록 하는 가능한 방법은 일정 시간 동안 전기자를 통해 온풍을 불어넣는 것이다. 이러한 기간은 예를 들면, 8 내지 24 시간일 수 있다. 이는 풍력 터빈의 작동이 가열 및 건조가 이루어질 때까지 지연되어야 할 수 있음을 의미한다.
다른 옵션은 발전기의 권선에 전류를 제공하고 그에 따라 열 손실로 인해 이슬점보다 위로 절연체를 가열하기 위해 저전압에서 풍력 터빈의 전력 변환기를 사용하는 것일 수 있다. 하지만, 이 옵션은 전력 변환기가 존재하며 온전히 작동하는 경우에만 가능할 수 있는데, 이는 설치 또는 유지보수 중에는 그렇지 않을 수 있다. 또한, 발전기의 절연체를 건조시키는 데 사용하기 전에 전력 변환기의 절연체를 건조시켜야 할 수도 있다.
본 개시의 양태에서는, 풍력 터빈을 작동시키는 방법이 제공된다. 풍력 터빈은 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드를 포함하는 로터, 및 전기자를 포함하는 발전기를 포함한다. 전기자는, 3개 이상의 권선을 포함하며 그리고 3개 이상의 전기적 위상을 제공하도록 구성된다. 제1 권선이 제1 전기적 위상을 제공하도록 구성되며 그리고 제2 권선이 제2 전기적 위상을 제공하도록 구성되며, 제2 전기적 위상과 제1 전기적 위상은 상이한 전기적 위상(out of electrical phase)이다. 본 방법은, 제1 권선의 출력 와이어와 제2 권선의 출력 와이어 사이의 제1 스위치를 닫음으로써 전기자 권선들을 부분적으로 단락시키는 것을 포함한다. 본 방법은, 풍력 터빈 블레이드들 상에 작용하는 바람에 의해 전기자 권선들에 전류들을 유도하는 것을 더 포함한다.
이 양태에 따르면, 전기자는, 적어도 제1 스위치의 존재로 인해 부분적으로 단락될 수 있다. 그래서, 발전기 절연체는, 풍력 터빈 블레이드들의 움직임 및 대응하는 발전기 로터의 회전으로 인해 부분적으로 단락된 전기자 권선들에 유도되는 전류들에 의해 가열될 수 있다. 즉, 발전기 절연체는 전력 변환기를 사용할 필요 없이 건조될 수 있다.
특히, 예를 들면 발전기 전기자의 권선들의 3개의 전기적 위상 중의 2개 사이의 부분적인 단락이, 발전기 전기자에 유도되는 전류들을 저감시킬 수 있고 그래서 발전기 로터의 회전을 달성하는 데 필요할 수 있는 토크를 저감시킬 수 있다. 이는 발생된 자기장의 크기가 변동되지 않을 수 있으며 전기자에 유도되는 전류들이 풍력 터빈 블레이드들 주위를 흐르는 바람과 그 속도에 의존할 수 있는 영구 자석 발전기들에 특히 유리할 수 있다.
또한, 발전기 냉각 시스템에 의해 온풍이 송풍되는 경우에 비해 발전기 절연체를 가열하는 시간이 크게 단축될 수 있다. 이러한 시간은 예를 들면, 1 시간 또는 2 시간으로 단축될 수 있다.
본 개시 전체에 걸쳐, 권선은 발전기 전기자에 포함된 도전체, 예를 들면 와이어인 것이 이해될 수 있다. 권선(winding)은 예를 들면, 전기자 톱니 둘레에 턴들(turns)을 형성하도록 감겨질 수 있다. 턴들의 그룹(group of turns)은 코일로 지칭될 수 있다. 일부 예에서, 코일은 단 하나의 턴을 포함할 수 있다. 그래서, 권선은 하나 이상의 코일을 포함할 수 있다. 예를 들어, 권선은 3개의 코일을 포함할 수 있고, 각 코일은 전기자 톱니(armature tooth) 둘레에 감겨질 수 있다.
권선은 출력 와이어를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 출력 와이어는 권선에 유도되는 전류들을 멀리, 예를 들면 풍력 터빈에 포함되어 있는 경우 전력 변환기 쪽으로, 또는 직접 전력망 쪽으로 운반하도록 구성된다는 것이 이해될 수 있다. 출력 와이어는 대응하는 권선과 일체로 형성될 수 있는데, 예를 들면 권선의 단부가 출력 와이어일 수 있으며, 또는 권선에 연결되는 별개의 요소로 제공될 수도 있다.
변화하는 자기장, 예를 들면 영구 자석들을 포함하는 로터의 회전에 의해 초래되는 회전 자기장은 전기자 권선에 교류 전압(및 그에 따라 교류 전류)을 유도할 수 있다. 본 개시 전체에 걸쳐, 전기적 위상은 권선에 유도되는 교류 전압일 수 있음이 이해될 수 있다. 이러한 전압은 사인파형을 가질 수 있다. 그래서, 전기자가 예를 들면 3개의 권선을 갖는 경우, 각 권선은 변화하는 자기장의 존재하에서 전기적 위상을 제공할 수 있다.
따라서, 본 개시 전체에 걸쳐 전기적 위상을 제공하는 권선에 대한 모든 언급은 변화하는 자기장에 의해 권선에(예를 들면, 권선의 하나 이상의 코일에) 교류 전압이 유도된다는 사실을 의미할 수 있다.
2개의 전기적 위상은, 그들 사이에 전기적 위상차를 가질 수 있다. 본 명세서에서, 전기적 위상차는, 2개의 전기적 위상 사이의 각도차로 이해될 수 있다. 2개의 전기적 위상 사이의 전기적 위상차가 0일 때, 2개의 전기적 위상은 동위상(in phase)이라고 할 수 있다. 2개의 전기적 위상 사이의 전기적 위상차가 0(또는 360°의 배수, 즉 n = 1, 2, 3, …일 때 n·360°)이 아닐 때, 2개의 전기적 위상은 상이한 위상(out of phase)이라고 할 수 있다. 3-상 전기자, 즉 3개의 권선을 가지며 각 권선이 전기적 위상을 제공하는 전기자에서, 3개의 전기적 위상 중 임의의 2개 사이의 전기적 위상차는 예를 들면, 120°일 수 있다.
본 개시 전체에 걸쳐, 단락(short-circuiting)은, 낮은 저항의 전기적 연결을 제공하는 것으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 2개의 권선은 예를 들면, 와이어 또는 스위치를 통해 전기적으로 연결함으로써 단락될 수 있다. 그래서, 단락 후에는, 즉 새로운 전기 경로를 생성한 후에는, 전류가 이러한 전기 경로를 통해 이동할 수 있다.
본 명세서에서, 스위치는 전기 회로에서 도전 경로를 전기적으로 연결하거나 단절할 수 있는 임의의 전기 요소를 가리킬 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 스위치는 그 연결된(예를 들면, 부착된) 와이어들 사이에서 전류가 통하도록 선택적으로 허용할 수 있다. 스위치는 전류가 흐를 수 있는 하나 이상의 전기적 연결을 제공할 수 있다.
"전류(current)" 및 "전류들(currents)"이라는 용어들은 본 개시 전체에 걸쳐 상호교환가능하게 사용될 수 있다.
도 1은 풍력 터빈의 일례의 사시도를 도시한다.
도 2는 도 1의 풍력 터빈의 기관실의 일례의 간략화된 내부도를 도시한다.
도 3a는 발전기 전기자의 예를 개략적으로 도시한다.
도 3b는 예에 따라 도 3a의 전기자가 제공할 수 있는 전기적 위상 출력을 개략적으로 나타낸다.
도 4는 로터의 속도의 함수로서 도 3a의 전기자에 유도될 수 있는 단락 전류의 예를 도시한다.
도 5는 도 4의 예의 회전 속도 및 유도 전류를 달성하는 데 필요할 수 있는 토크의 예를 도시한다.
도 6은 도 5의 토크 값들에 도달하기 위해 필요할 수 있는 풍속의 예를 도시한다.
도 7은 풍력 터빈을 작동시키기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 8은 본 발명에 따른 발전기 전기자의 예를 개략적으로 도시한다.
도 9는 예에 따라 도 8의 전기자가 제공할 수 있는 전기적 위상 출력을 개략적으로 나타낸다.
도 10a는 본 발명에 따른 발전기 전기자의 다른 예를 개략적으로 도시한다.
도 10b는 예에 따라 도 10a의 전기자가 제공할 수 있는 전기적 위상 출력을 개략적으로 나타낸다.
도 11은 풍력 터빈의 발전기의 절연체를 가열하기 위한 방법의 흐름도를 도시한다.
도 12는 로터 회전 속도의 함수로서 도 10a의 예의 권선에서 순환될 수 있는 단락 전류의 예를 도시하며, 이를 도 4의 단락 전류와 비교한다.
도 13은 도 12에 도시된 전류 값들에 도달하는 데 필요할 수 있는 로터 속도의 함수로서의 토크를 도시한다.
이제 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 참조가 이루어질 것이며, 그 하나 이상의 예가 도면들에 도시되어 있다. 각 예는 본 발명의 한정으로서가 아니라, 본 발명의 설명으로서 제공된다. 실제로, 본 발명의 범위 또는 사상으로부터 일탈함이 없이 본 발명에는 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 본 기술분야의 통상의 기술자에게는 명확할 것이다. 예를 들어, 일 실시예의 일부로서 도시되거나 설명된 특징들은 다른 실시예와 함께 사용되어 또 다른 실시예를 만들어낼 수 있다. 그래서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 그 동들물들의 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 커버하도록 의도된다.
풍력 터빈들의 발전기들용의 전기자 모듈들 및 전기자들에 대해 예들이 특별히 도시되어 있으나, 동일한 전기자 모듈들 및 전기자들은 다른 전기기계들 및/또는 다른 용도들에도 사용될 수 있다.
도 1은 풍력 터빈(160)의 일례의 사시도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 풍력 터빈(160)은, 지지 표면(150)으로부터 연장되는 타워(170), 타워(170)에 장착되는 기관실(nacelle)(161), 및 기관실(161)에 결합되는 로터(115)를 포함한다. 로터(115)는, 회전 가능한 허브(110) 및 허브(110)에 결합되어 이로부터 외측으로 연장되는 적어도 하나의 로터 블레이드(120)를 포함한다. 예를 들어, 도시된 실시예에서, 로터(115)는 3개의 로터 블레이드(120)를 포함한다. 하지만, 대체 실시예에서, 로터(115)는 3개보다 많거나 적은 로터 블레이드(120)를 포함할 수 있다. 각 로터 블레이드(120)는, 바람으로부터의 운동 에너지가 사용 가능한 기계적 에너지로, 및 후속적으로 전기 에너지로 전달되는 것을 허용하도록, 로터(115)의 회전을 용이하게 하기 위해 허브(110) 둘레에서 이격될 수 있다. 일부 예에서, 허브(110)는, 전기 에너지가 생산될 수 있도록 하기 위해 기관실(161) 내부에 배치되는 발전기(162)(도 2)에 회전 가능하게 결합될 수 있다.
도 2는 도 1의 풍력 터빈(160)의 기관실(161)의 일례의 간략화된 내부도를 도시한다. 이 예에 나타낸 바와 같이, 발전기(162)는 기관실(161) 내에 배치될 수 있다. 일반적으로, 발전기(162)는 로터(115)에 의해 발생되는 회전 에너지로부터 전력을 발생시키기 위해 풍력 터빈(160)의 로터(115)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 로터(115)는 허브(110)와 함께 회전하도록 허브(110)에 결합되는 메인 로터 샤프트(163)를 포함할 수 있다. 다음으로 발전기(162)는 로터 샤프트(163)의 회전이 발전기(162)를 구동하도록 로터 샤프트(163)에 결합될 수 있다. 예를 들면, 도시된 실시예에서, 발전기(162)는 기어박스(164)를 통해 로터 샤프트(163)에 회전 가능하게 결합되는 발전기 샤프트(166)를 포함한다.
이 예에서, 로터 샤프트(163), 기어박스(164), 및 발전기(162)는, 풍력 터빈 타워(170)의 상부에 배치되는 지지 프레임 또는 베드 플레이트(bedplate)(165)에 의해 기관실(161) 내에서 지지될 수 있다.
기관실(161)은, 기관실(161)이 요 축(yaw axis)(YA)을 중심으로 회전할 수 있도록 요 시스템(yaw system)(20)을 통해 타워(170)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 요 시스템(20)은, 다른 하나에 대해 회전하도록 구성되는 2개의 베어링 구성요소를 갖는 요 베어링(yaw bearing)을 포함한다. 타워(170)가 베어링 구성요소들 중 하나에 결합되고, 기관실(161)의 베드 플레이트 또는 지지 프레임(165)이 다른 하나의 베어링 구성요소에 결합된다. 요 시스템(20)은, 환형 기어(21), 및 모터(23), 기어박스(24), 및 베어링 구성요소들 중 하나를 다른 하나에 대해 회전시키기 위해 환형 기어(21)와 치합하기 위한 피니언(25)을 갖는 복수의 요 드라이브(22)를 포함한다.
몇몇 다른 예에서, 발전기(162)는 기관실(161) 내에 없을 수도 있다. 예를 들어, 발전기(162)는, 직접 구동 풍력 터빈들에서 로터(115)와 기관실(161) 사이에 배치될 수 있다.
블레이드들(120)은, 블레이드(120)와 허브(110) 사이의 피치 베어링(100)에 의해 허브(110)에 결합된다. 피치 베어링(100)은, 내측 링과 외측 링을 포함한다. 풍력 터빈 블레이드는, 내측 베어링 링 또는 외측 베어링 링 중 어느 하나에 부착될 수 있는 반면, 허브는 나머지 하나에 연결된다. 피치 시스템(107)이 작동될 때, 블레이드(120)는 허브(110)에 대해 상대적인 회전 운동을 수행할 수 있다. 내측 베어링 링은 따라서, 외측 베어링 링에 대해 회전 운동을 수행할 수 있다. 도 2의 피치 시스템(107)은, 풍력 터빈 블레이드를 피치 축(PA)을 중심으로 회전시키기 위해 내측 베어링 링에 구비되는 환형 기어(109)와 치합하는 피니언(108)을 포함한다.
예를 들면, 정지되고 난 후 발전기(162)를 안전하게 시동하기 위해서는, 발전기 절연체를 건조시키는 것이 필요할 수 있다. 이 목적에 적합한 장치 및 방법들이 본 명세서에 개시되어 있다.
그 전체가 즉, 모든 전기자 권선들 사이에 전기적 연결을 제공함으로써 단락될 수 있는 전기자(300)의 예가, 도 3a에 도시되어 있다. 이 예에서, 전기자(300)는 3-상 전기자(즉, 3개의 전기적 위상을 제공하도록 구성된 전기자)이며 병렬로 연결되는 3개의 권선(310)을 포함한다. 다른 예들에서는, 권선들이 직렬로 연결될 수도 있다. 이들 상황 양자 모두가 도 3a에 나타나 있는 것으로 간주되어야 한다.
각 권선(310)은 출력 와이어(330)를 갖는다. 권선들(310)에 유도되는 전류들은 출력 와이어들(330)을 통해, 풍력 터빈에 포함된 경우 전력 변환기 쪽으로, 또는 직접 전력망 쪽으로 전도될 수 있다. 전기자(300)는, 이 예에서, 별모양 구성, 와이형 구성 즉 Y-자형 구성으로 연결된다.
각 권선(310)은 3개 이상의 전기적 위상(340)을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 권선(311)은 제1 전기적 위상(341)을 제공하도록 구성될 수 있고, 제2 권선(312)은 제2 전기적 위상(342)을 제공하도록 구성될 수 있으며, 제3 권선(313)은 제3의 전기적 위상(343)을 제공하도록 구성될 수 있다. 도 3b는 이들 전기적 위상(340) 및 이들 사이의 전기적 위상차들(350)을 개략적으로 나타낸다.
도 3b의 예에서, 모든 전기적 위상들(340)은 이들 사이에 실질적으로 동일한 전기적 위상차(350)를 갖는다. 즉, 전기적 위상들(340)의 각 쌍 사이의 전기적 위상차(350)는 실질적으로 동일하다. 전기적 위상차(350)는 그래서 도 3b에서는 120°이다.
변환기와 같은 별개의 드라이브의 부재시에, 전기자 권선들(310)에서 일정 수준의 전류에 도달하기 위해서는, 발전기 로터가 풍력 터빈 블레이드들(120) 위로의 바람의 작용에 의해 일정 회전 속도로 회전될 필요가 있다. 마찬가지로, 충분한 회전 속도를 달성하기 위해서는, 소정 시간 동안 일정한 풍속을 초과하는 것이 필요하다. 도 4 내지 도 6은 이를 도시하는 예들이다.
도 4는 도 3a의 3-상 전기자와 같은 3-상 전기자가 그 전체가 단락될 때, 즉 3개의 출력 와이어(330)가 전기적으로 접촉될 때 풍력 터빈 예를 들면, 영구 자석 발전기를 포함하는 풍력 터빈의 로터의 속도의 함수로서 전기자 권선들(310)을 통해 흐르는 단락 전류의 전개의 예시적인 예를 도시한다. 권선들(310)의 전체 단락은 도 3a에서 370으로 표기되어 있다. 이 도면에 나타낸 바와 같이, (로터의 영구 자석 구성에 의해 결정되는) 주어진 자기장에 대해, 로터의 회전 속도가 높을수록 단락된 권선들에서의 유도 전류가 높을 수 있다.
단락 전류(short-circuit current)는 본 명세서에서는 하나 이상의 스위치(320)에 의해 제공되는 전기 경로를 통해 (적어도) 흐르는 전기자 권선들에 유도되는 전류를 가리킬 수 있는데, 이 경로는 발전기(162)의 정상 작동 중에는 제공되지 않는다. 또한, 본 개시 전체에 걸쳐, 단락은 이전에는 이용 가능하지 않았던 전기 경로를 가능하게 하는 이러한 연결을 제공하는 것을 가리킬 수 있다. 예를 들면, 스위치를 닫음으로써 하나 이상의 전기 경로 또는 전기 연결이 제공될 수 있다.
도 5는 도 4의 예의 회전 속도 및 유도 전류를 달성하는 데 필요할 수 있는 토크의 예시적인 예이다. 도 5는 토크가 회전 속도와 함께 급격히 증가할 수 있으며 일반적으로 높은 토크 값들, 예를 들면 0.4 내지 0.6 pu(공칭 토크를 기준값으로 하는 단위당(per unit) 값들)가 로터의 매우 낮은 회전 속도, 예를 들면 0.1 또는 0.2 rpm에서 이미 도달될 수 있음을 보여준다.
도 6의 예에 나타낸 바와 같이, 단락된 전기자 권선들(310)에 전류들을 유도하기 위해 로터를 충분한 속도로 회전시키는 데 필요한 토크를 얻기 위해 다소 높은 풍속이 필요할 수 있다. 예를 들면, 0.4 내지 0.6 pu의 토크를 제공하려면 7 내지 9 m/s의 풍속이 필요할 수 있다. 이는 풍력 터빈을 시동하기 전에, 스테이터에 전류들을 유도하고 권선들 및 주변 절연체를 가열하기 위해 통상적인 풍속(prevalent wind speed)이 충분한 시간 동안 이 수준을 초과해야 함을 의미한다. 이는 주어진 순간에 풍력 터빈을 안전하게 시동할 수 없거나, 시동을 수 시간, 수일, 또는 심지어는 수 주 동안 지연시켜야 할 수도 있음을 의미할 수 있다.
하지만, 전기자 권선들(310)을 부분적으로 단락시키는 것은 주어진 회전 속도에 대해 권선들(310)에 보다 적은 전류를 유도할 수 있다. 유사하게, 그러한 로터 속도로 로터를 회전시키기 위해서는 보다 적은 토크, 및 그에 따라 보다 적은 풍속이 필요할 수 있다. 중단 후의 풍력 터빈의 시동은 그래서 보다 적은 시간을 필요로 할 수 있다.
본 개시 전체에 걸쳐, 부분적으로 단락시키는 것은 모든 전기자 권선들이 동시에 전기적으로 접촉되지는 않는 방식으로 권선들 사이에 하나 이상의 전기 경로를 가능하게 하는 것을 가리킬 수 있다. 일례에서, 전기자는 3개의 권선을 포함할 수 있고, 권선들 중의 2개 사이에 전기적 연결을 제공함으로써 부분적으로 단락될 수 있다.
다른 예에서, 전기자는 6개의 권선, 예를 들면 권선 1 내지 권선 6을 포함할 수 있다. 6개의 권선은 3 쌍의 권선, 예를 들면 권선 1과 권선 2를 포함하는 제1 쌍, 권선 3과 권선 4를 포함하는 제2 쌍, 권선 5와 권선 6을 포함하는 제3 쌍으로 생각할 수 있다. 이러한 전기자는 예를 들면, 권선 쌍마다 하나씩, 즉 권선 1과 권선 2 사이에 하나, 권선 3과 권선 4 사이에 하나, 및 권선 5와 권선 6 사이에 하나의, 3개의 전기 연결을 제공함으로써 부분적으로 단락될 수 있다. 따라서, 모든 권선들이 실제로 단락될 수 있으나, 도 3a에서와 같이 모든 권선들이 전기적으로 접촉되는 것은 아니므로, 전기자(또는 전기자 권선들)는 여전히 부분적으로 단락될 수 있으나 전체적으로는 단락되지 않는다.
따라서, 본 발명의 양태에서는, 풍력 터빈(700), 예를 들면 도 1의 풍력 터빈(160)을 작동시키기 위한 방법이 제공될 수 있다. 도 7은 이러한 방법의 흐름도를 나타낸다. 풍력 터빈(160)은 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(120)를 포함하는 로터(115), 및 전기자(300)를 포함하는 발전기(162)를 포함한다.
전기자(300)는 3개 이상의 권선(310)을 포함하며 3개 이상의 전기적 위상(340)을 제공하도록 구성되는데, 제1 권선(311)은 제1 전기적 위상(341)을 제공하도록 구성되고 제2 권선(312)은 제2 전기적 위상(342)을 제공하도록 구성되며, 제2 전기적 위상(342)과 제1 전기적 위상(341)은 상이한 위상(out of phase)이다.
본 방법은, 블록 710에서 제1 권선(311)의 출력 와이어(331)와 제2 권선(312)의 출력 와이어(332) 사이의 제1 스위치(321)를 닫음으로써 전기자 권선들(310)을 부분적으로 단락시키는 것을 포함한다. 즉, 제1 스위치(321)는 제1 권선(311)의 출력 와이어(331)와 제2 권선(312)의 출력 와이어(332) 사이에 전기적 연결을 제공한다.
출력 와이어(330)는 몇몇 예에서 대응하는 권선(310)과 일체로 형성될 수 있다. 다른 예들에서, 출력 와이어(330)와 권선(300)은, 서로 연결되는, 예를 들면 물리적으로 연결되는 개별 요소들로 제공될 수 있다.
이러한 전기자(300)의 예는 도 8에서 볼 수 있다. 도 8의 전기자는 도 3a의 3-상 전기자에 대응할 수 있으나, 스위치(320)가 출력 와이어들(331, 332) 사이에 연결된다. 이 도면에서, 스위치(320)는 따라서 도 3a에서와 같이 3개의 출력 와이어(331, 332, 333) 모두 사이의 전기적 연결을 가능하게 하는 것이 아니라, 와이어들(331, 332) 사이의 전기적 연결을 가능하게 할 수 있다.
스위치(320), 예를 들면 제1 스위치(321)는, 그 연결된(예를 들면, 부착된) 와이어들 사이에서 전류가 통할 수 있게 하는데 적합한 임의의 전기 요소일 수 있다.
본 방법은, 블록 720에서, 풍력 터빈 블레이드들(120) 상에 작용하는 바람에 의해 전기자 권선들(310)에 전류들을 유도하는 것을 더 포함한다.
이러한 방식으로 전기자(300)를 부분적으로 단락시키는 것은, 신속하고 효율적인 방식으로 발전기 절연체를 건조시키는 것을 용이하게 할 수 있다. 이는 발전기 절연체가 전력 변환기 없이 및 높은 풍속 없이 가열될 수 있다는 사실에 기인한다. 특히, 예를 들면 절연체를 건조시키기 위해 온풍을 불어넣을 때와 비교하여 가온(warming) 시간이 단축될 수 있다. 일부 예에서, 발전기(162)를 시동하기 전에 1 시간 또는 2 시간의 가온 기간이면 충분할 수 있다. 스테이터 권선들(310)에 유도되는 자기장은, 영구 자석 발전기에서는 변동되지 않을 수 있으므로, 이 방법은 이러한 발전기에 특히 유리할 수 있다.
따라서, 도 3a에서와 같이 발전기 전기자(300)의 권선들(310)을 완전히 단락시키는 대신에, 예를 들면 도 8에 도시된 바와 같이 이들은 부분적으로 단락될 수 있다.
일부 예에서, 본 방법은, 하나 이상의 스위치(320)를 제공하는 것 및 제1 전기자 권선(311)의 출력 와이어(331)와 제2 전기자 권선(312)의 출력 와이어(332)의 사이에 제1 스위치(321)를 연결하는 것을 더 포함할 수 있다.
위에서 나타낸 바와 같이, 발전기 전기자(300)는, 모든 전기적 위상차(350)가 실질적으로 동일한 전기적 위상 출력을 제공하도록 구성될 수 있다. 하지만, 몇몇 다른 예에서, 전기자(300)는, 전기자의 다른 전기적 위상차(350)보다 낮은, 전기적 위상들(340) 중의 2개 사이의 전기적 위상차(355)를 제공하도록 구성될 수 있다.
이러한 예들 중 몇몇에서, 그리고 도 9의 전기적 위상 출력(360)에 나타낸 바와 같이, 전기자는, 전기자가 제공하도록 구성되는 다른 전기적 위상차들 중의 임의의 것보다 낮은, 전기적 위상차를 제공하도록 구성될 수 있다. 이 도면에서 볼 수 있듯이, 상이한 권선들 사이의 2개의 전기적 위상차가 뚜렷하다. 몇몇 다른 예에서는, 권선들 사이의 3개 이상의 전기적 위상차가 상이할 수 있다. 전기적 위상차(350)는, 상이한 전기적 위상들(340)을 제공하는 권선들(310)에 포함된 코일들 사이의 거리(방위각 측면에서)를 조정함으로써 구성될 수 있다.
일부 예에서, 제1 전기적 위상(341)과 제2 전기적 위상(342)은, 어떤 다른 전기적 위상들 사이의 전기적 위상차보다 낮은 전기적 위상차(355)를 가질 수 있다.
전기적 위상들(340)의 개수 및 전기적 위상차들(350)의 값들에 따라, 다른 또는 어떤 다른 출력 와이어들(330)보다 낮은 전기적 위상차들을 제공하도록 구성된 출력 와이어들(330)을 연결하기 위한 복수의 옵션이 있을 수 있다.
예를 들어, 도 9에는 전기적 위상들(340) 사이에 명확하게 식별되는 최소의 전기적 위상차(355)가 하나 있다. 본 명세서에서 "최소"라 함은 전기적 위상차(355)가 다른 전기적 위상차들(350)보다 낮다는 사실을 가리킨다. 그래서 몇몇 예에서 전기자는 최소의 전기적 위상차(355)를 제공하도록 구성될 수 있다고 말할 수 있다. 이 최소의 전기적 위상차(355)는 예를 들면 80°일 수 있고, 다른 2개의 전기적 위상차(350)는 예를 들어 140°일 수 있다.
그러나 다른 3-상 예에서, 하나의 전기적 위상차는 예를 들면 180°일 수 있고, 최소의 전기적 위상차(355)는 예를 들면 90°일 수 있다. 즉, 하나 초과의 최소의 전기적 위상차(355)가 가능하다. 이 예에서, 스위치(320)는 90°의 전기적 위상차 중의 임의의 것을 제공하는 2개의 출력 와이어 사이에 연결될 수 있다. 혹은, 스위치(320)가 3개의 출력 와이어(330) 사이에 연결될 수 있으나, 특정 시간에는 90°의 전기적 위상차(355)를 제공하는 한 쌍의 와이어 사이에 또는 90°의 전기적 위상차(355)를 제공하는 다른 쌍의 와이어 사이에 전기적 연결이 제공될 수 있다.
최소의 전기적 위상차(355)를 제공하도록 구성된 권선들(310) 사이를 단락시키는 것은, 풍력 터빈 블레이드들(120)에 대한 바람의 작용에 의해 로터가 회전될 때 유도 전류를 재차 감소시킬 수 있다. 따라서, 특히 도 3a에서와 같이 발전기 권선들(310)의 모든 출력 와이어들(330)이 단락된 경우와 비교하여, 발전기 절연체를 가열하는 것이 효율적으로 수행될 수 있다.
일부 예에서, 도 10a와 관련하여 아래에서 더 설명되는 바와 같이, 3개 이상의 권선(310)이 예를 들면, 3개의 권선의 권선 그룹(405, 410)으로 배치될 수 있다. 이들 예 중 몇몇에서, 각 그룹(405, 410)은 그 자체의 중성 와이어(neutral wire)(380)에 연결될 수 있다. 몇몇 다른 예에서, 각 그룹(405, 410)은 동일한 중성 와이어(380)에 연결될 수 있는데; 즉, 권선 그룹들(405, 410)의 개수와 동일한 개수의 중성 와이어들(380) 대신에 하나의 중성 와이어(380)만이 존재할 수 있다.
전기자가 2개 이상의 권선 그룹(405, 410)을 포함할 수 있고 각 그룹이 그 자체의 중성 와이어(380)를 포함하는 일부 예에서, 본 방법은, 모든 중성 와이어들(380)이 전기적으로 접촉할 수 있도록 각 권선 그룹(405, 410)의 중성 와이어들(380) 사이에 하나 이상의 스위치(320)를 연결하는 것을 더 포함할 수 있다. 이러한 스위치들(320)은 권선들(310)의 출력 와이어들(330)을 전기적으로 접촉시킬 수 있는 스위치들과 구별하기 위해 본 명세서에서는 중성 스위치들(322)로 지칭될 수 있다. 이들 예 중 몇몇에서, 전기자(300)는 6-상 전기자(즉, 6개의 전기적 위상을 제공하도록 구성된 전기자)일 수 있으며 예를 들면, 도 10b와 관련하여 설명되는 바와 같이 전기자의 다른 전기적 위상차들보다 낮은 전기적 위상차가 존재하도록 구성될 수 있다.
일부 예에서, 본 방법은, 복수의 출력 와이어(330) 쌍을 전기적으로 연결하는 것(500)를 더 포함할 수 있는데, 출력 와이어(330) 쌍들에 의해 제공되는 전기적 위상들(340) 사이의 전기적 위상차들(355)은 동일하다. 여기서, "동일하다"라는 것은 전기적 위상차들이 다른 전기적 위상들 사이의 전기적 위상차보다 낮은 전기적 위상차(355)와 동일하다는 사실을 의미한다. 다른, 예를 들면 어떤 다른 전기적 위상차보다 낮은 전기적 위상차(355)를 제공하도록 구성된 출력 와이어(330) 쌍들의 일부 또는 모두의 출력 와이어들(330)은 전기적으로 연결(500)될 수 있다.
예를 들어, 도 10a에서는 3개의 출력 와이어 쌍: 와이어들(331 및 331')을 포함하는 제1 쌍, 와이어들(332 및 332')을 포함하는 제2 쌍, 및 와이어들(333 및 333')을 포함하는 제3 쌍이 제공될 수 있다. 이들 출력 와이어(330) 쌍 각각은 최소의 전기적 위상차(355)를 제공하도록 구성될 수 있다. 그래서, 이들 쌍 중 하나 이상의 출력 와이어들(330)은 몇몇 예에서 전기적으로 연결(500)될 수 있다. 예에서, 와이어들(331 및 331')(또는 332 및 332'; 또는 333 및 333')은 전기적으로 접촉(500)될 수 있다. 다른 예들에서, 와이어(331)는 와이어(331')와 전기적으로 연결될 수 있고, 와이어(332)는 와이어(3332')와 전기적으로 연결될 수 있으며, 와이어(333)는 와이어(333')와 전기적으로 연결될 수 있다.
본 방법은, 따라서, 전기자(300)가 제공하도록 구성되는 가능한 최소의 이용 가능한 전기적 위상차들(355)의 개수와 동일한, 다수의 전기적 연결(500)을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 단락 전류의 추후 순환을 가능하게 하는 것은, 전류가 모든 권선들(310)로 흐를 수 있으므로, 균일하면서 신속한 방식으로 발전기 절연체를 가열하는 것을 용이하게 할 수 있다. 여전히, (도 3a에서와 같이 모든 출력 와이어들(330)이 그들 사이에 전기적으로 연결되지는 않기 때문에) 단락은 부분적일 수 있으므로, 요구되는 로터 회전 속도 및 풍력 터빈 블레이드들(120) 상에 작용하는 풍속은 예를 들면, 모든 출력 와이어들(330)이 예를 들면 도 3a에서와 같이 전기적으로 접촉될 수 있는 전체 단락 상황과 비교하여 저감될 수 있다.
일부 예에서, 본 방법은, 제1 시간에 하나 이상의 전기적 연결(500)을 제공하며 그리고 추후 시간에 하나 이상의 전기적 연결(500)을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 이와 같이, 전기자 권선들의 일부를 먼저 가열하고 그리고 나서 전기자 권선들의 다른 부분을 가열하는 데 단락 전류가 사용될 수 있다. 일부 예에서, 일부는 2회 이상 가열될 수 있다. 예에서는, 출력 와이어들(331 및 331') 및 출력 와이어들(332 및 332')이 먼저 전기적으로 접촉될(500)(도 10a 참조) 수 있고 후에 단락 전류가 이들을 통과할 수 있다. 추후에, 출력 와이어들(331 및 331') 사이의 전기적 연결이 중지될 수 있고, 출력 와이어들(333 및 333')이 전기적으로 접촉될(500) 수 있다(도 10a 참조). 따라서, 단락 전류는 와이어들(332, 332') 뿐만 아니라 후에는 와이어들(333, 333')도 통과할 수 있다.
일반적으로, 어느 전기적 연결들(500)이 언제, 얼마나 오랫동안 수행될 수 있는지가 조정될 수 있다. 어떤 경우든, 단락 전류가 전기적으로 접촉된(500) 와이어들을 통해 흐를 수 있으며 발전기 절연체를 가열할 수 있다.
일부 예에서, 단락 전류는 3개 이상의, 즉 모든 권선(310) 각각을 통해 순환될 수 있다. 예를 들어, 스위치(320)의 3개의 전기적 연결(500)이 도 10a에 제공되는 경우, 단락 전류는 예를 들면, 실질적으로 동일한 시간 동안 와이어들(331 및 331'), 와이어들(332 및 332'), 및 와이어들(333 및 333')을 통해 흐를 수 있다. 몇몇 다른 예에서, 스위치(320)의 대응하는 전기적 연결(500)이 와이어들(331 및 331') 사이에는 전류 통과를 허용하지만 와이어들(332 및 332') 사이 및 와이어들(333 및 333') 사이에는 허용하지 않는 경우 단락 전류가 이들 와이어(331 및 331')를 통해 흐를 수 있다.
일부 예에서, 본 방법은 3시간 미만, 바람직하게는 2 시간 미만 동안 전기자 권선들(310)을 통해 단락 전류를 순환시키는 것을 더 포함할 수 있다.
일부 예에서, 본 방법은 단락된 출력 와이어들(330) 사이에 전류의 통과를 불능화시키는 것을 더 포함할 수 있다. 일부 예에서, 발전기 권선들(310)의 출력 와이어들(300) 사이에 연결된 스위치들(320)은 비활성화될 수 있는데, 즉 스위치(320)가 제공할 수 있는 모든 전기적 연결이 중단될 수 있다. 2개의 권선(310) 그룹의 중성 와이어들(380) 사이에 스위치(322)가 연결되는 경우, 이 스위치(322)는 발전기(162)의 시동 전에 불능화될 필요가 없을 수 있다.
일부 예에서, 본 방법은 발전기(162)를 시동하는 것을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 스위치(320)를 포함하는 전기자 권선들(310)에 전류가 흐르기 시작한 후 일정 시간이 경과하면, 발전기(162)는 전력망에 다시 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서는, 풍력 터빈(160)의 발전기(162)의 절연체를 가열하기 위한 방법(1100)이 도 11에 제공된다. 풍력 터빈은, 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(120)를 포함하는 로터(115), 및 전기자(300)를 포함하는 발전기(162)를 포함한다.
본 방법은, 블록 1110에서 전기자(300)의 제1 출력 와이어(331)를 전기자(300)의 제2 출력 와이어(332)와 전기적으로 연결하는 것을 포함하는데, 전기자(300)는 3개 이상의 권선(310)을 포함하고, 각 권선(310)은 출력 와이어(330)를 가지며, 전기자의 출력 와이어들 사이의 전기적 위상차들(350)은 모두 동일하지는 않다. 즉, 전기자(310)는, 전기자(310)가 제공하도록 구성되는 다른 전기적 위상차들보다 낮은 전기적 위상차(355)를 제공하도록 구성된다.
전기자(300)는 예를 들면, 도 8 또는 도 10a의 전기자일 수 있다.
일부 예에서, 전기자 권선들(310)은 별모양 또는 와이형 구성으로 연결될 수 있다.
일부 예에서, 전기자(300)는, 6-상 전기자(즉, 6개의 전기적 위상을 제공하도록 구성된 전기자) 또는 9-상 전기자(즉, 9개의 전기적 위상을 제공하도록 구성된 전기자)일 수 있다. 이들 예 중 몇몇에서, 6개의 권선(310)은 동일한 중성 와이어(380)에 연결될 수 있다. 이들 예 중 몇몇 다른 예에서, 6개의 권선(310)은 2개의 그룹(405, 410)으로 그룹화될 수 있는데, 각 그룹(405, 410)은 3개의 권선(310)을 포함하고 그 자체의 중성 와이어(380)에 연결된다. 이들 예에서, 본 방법은 예를 들면, 각 권선(310) 그룹(405, 410)의 중성 와이어들(380) 사이에 중성 스위치(322)를 연결함으로써 전기적 연결(500)을 제공하는 것을 더 포함할 수 있다.
일부 예에서, 제1 출력 와이어(331) 및 제2 출력 와이어(332)는, (개별적으로) 제1 전기적 위상(341) 및 제2 전기적 위상(342)을 제공할 수 있으며, 제1 전기적 위상(341)과 제2 전기적 위상(342)은 이들 사이에 다른, 특히 어떤 다른 전기적 위상들(340) 사이의 전기적 위상차(350)보다 낮은 전기적 위상차(355)를 갖는다.
일부 예에서, 본 방법은, 다른, 예를 들면 어떤 다른 전기적 위상차들(350)보다 낮은 전기적 위상차(355)를 제공하도록 구성되는, 모든 출력 와이어(330) 쌍들의 출력 와이어들 사이에 전기적 연결(500)을 제공하는 것을 더 포함할 수 있다. 도 10a에 관한 설명이 여기에 적용될 수 있다.
본 방법은, 블록 1120에서 적어도 전기적으로 연결된 제1 출력 와이어(331) 및 제2 출력 와이어(332)에 전류들을 유도하기 위해 바람이 로터(115)를 회전시키도록 허용하는 것을 포함한다.
일부 예에서, (부분적인) 단락 전류들이 전기자(300)의 모든 권선들(310)에 유도될 수 있다. 일부 예에서, 단락 전류들은 동일한 시간 동안 전기자(300)의 모든 권선들(310)에 순환될 수 있다. 이들 예 중 몇몇에서, 전류들은 3시간 미만 동안 순환될 수 있다.
본 명세서에 설명된 두 방법(700, 1100)은 결합될 수 있는데, 즉 하나의 방법은 다른 방법의 특징들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 방법 1100(도 11)은 방법 700(도 7)과 관련하여 설명된 특징들을 포함할 수 있다. 이들 방법 중 임의의 것이 아래에서 설명되는 전기자(300)에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서는, 발전기용 전기자(300)가 제공된다. 발전기는 풍력 터빈(160) 발전기(162)일 수 있으며, 특히 영구 자석 발전기일 수 있다. 전기자(300)는 도 8 및 도 10a와 관련하여 설명된 전기자들(300) 중 어느 하나일 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 전기자(300)는 상이한 전기적 위상들(340)을 갖는 3개 이상의 출력을 제공하도록 구성된 3개 이상의 권선(310)을 포함하고, 제1 권선은 제1 전기적 위상(341)을 제공하도록 구성되고 제2 권선은 제2 전기적 위상(342)을 제공하도록 구성되며, 제1 전기적 위상과 제2 전기적 위상은 상이한 위상이다.
전기자(300)는 제1 권선(311)의 출력 와이어(331)와 제2 권선(312)의 출력 와이어(332)를 선택적으로 (전기적으로) 연결하도록 구성된 제1 스위치(321)를 더 포함한다. 제1 스위치(321), 또는 일반적으로 임의의 스위치(320)는 하나 이상의 전기적 연결(500)을 제공할 수 있다.
이러한 방식으로 연결된 적어도 하나의 스위치(320)를 갖는 전기자(300)를 구비하는 것은, 전력 변환기를 사용할 필요 없이 전기자 권선들(310)을 부분적으로 단락시키고 발전기 로터를 회전시킴으로써 발전기 절연체를 가열하는 것을 가능하게 할 수 있다. 이는 또한 바람이 풍력 터빈 블레이드들(120) 위로 흐를 필요가 있을 수 있는 속도를 감소시킬 수 있다.
전기자(300)는 몇몇 예에서 6-상 전기자(즉, 6개의 전기적 위상을 제공하도록 구성된 전기자) 또는 전기적 9-상 전기자(즉, 9개의 전기적 위상을 제공하도록 구성된 전기자)일 수 있다.
이상에 제1 방법(방법 700)과 관련하여 언급된 바와 같이, 일부 예에서, 전기자(300)는 전기자의 다른 전기적 위상차들보다 낮은 전기적 위상차(355)를 제공하도록 구성될 수 있다. 이들 예 중 몇몇에서, 제1 전기적 위상(341)과 제2 전기적 위상(342)은 다른, 특히 어떤 다른 전기적 위상들(340) 사이의 전기적 위상차(350)보다 낮은 전기적 위상차(355)를 가질 수 있다. 전기자(300)는 최소의 전기적 위상차(355), 즉 어떤 다른 전기적 위상들(340) 사이의 전기적 위상차(350)보다 낮은 전기적 위상차(355)인 제1 전기적 위상(341)과 제2 전기적 위상(342) 사이의 전기적 위상차(350)를 제공하도록 구성될 수 있다.
이들 예 중 몇몇에서, 전기자(300)는, 상이한 출력 와이어(300) 쌍들 사이에 전기적 연결들(500)을 제공하도록 구성되는, 하나 이상의 스위치(320)를 포함할 수 있는데, 각각의 전기적 연결(500)은, 출력 와이어(330) 쌍들 사이에 제공되고, 각각의 전기적 연결(500)은, 동일한 전기적 위상차(350), 즉 도 10a를 참조하여 설명되는 바와 같이, 다른, 예를 들면 어떤 다른 전기적 위상들(340) 사이의 전기적 위상차(350)보다 낮은 전기적 위상차(355)를 갖는 전기적 위상들(340)을 제공하도록 구성된 출력 와이어(330) 쌍들 사이에 제공된다.
또한 도 8에 도시된 바와 같이, 몇몇 예에서 전기자 권선들(310)은 별모양 구성으로 연결될 수 있다. 예를 들면, 도 8과 같은 이들 예 중 몇몇에서는, 3개 이상의 권선(310)이 동일한 중성 와이어(380)에 연결될 수 있다.
몇몇 다른 예에서, 3개 이상의 권선(310)은 예를 들면, 3개의 권선의 권선 그룹으로 배치될 수 있고, 각 그룹(405, 410)은 그 자체의 중성 와이어(380)에 연결될 수 있다. 이들 예 중 몇몇에서, 중성 와이어들(380)을 선택적으로 (전기적으로) 연결하기 위해 그룹들의 중성 와이어들(380) 사이에 하나 이상의 스위치(320)(중성 스위치(322))가 연결될 수 있다.
이와 관련된 예는 도 10a에서 볼 수 있다. 도 10a는 2개의 3-상 권선 그룹(405, 410)으로 배치된 6개의 권선(310)을 포함하는 6-상 전기자(300)를 개략적으로 나타낸다. 각 그룹(405, 410)은 그 자체의 중성 와이어(380)에 연결되며, 스위치(320)(중성 스위치(322))는 2개의 중성 와이어(380)를 연결한다. 몇몇 다른 예에서, 권선(310) 그룹들은 동일한 중성 와이어(380)에 연결될 수 있으며, 중성 와이어들(380)을 연결하는 스위치(320, 322)는 필요하지 않을 수 있다.
도 10a에서, 스위치(320)는 권선들(310)의 출력들(330) 사이의 전기적 연결(500)을 가능하게 할 수 있다. 특히, 권선들(310)의 출력들(330)을 연결하는 스위치(320)는 제1 스위치(321)일 수 있다. 제1 스위치(321)는 어느 출력 와이어들(330)이 언제 전기적으로 접촉(500)되는지를 조절할 수 있다.
출력 와이어들(331, 332, 333, 331', 332', 333')은 각각, 전기적 위상(340)을 제공할 수 있다. 일부 예에서, 전기적 위상 출력은 전기적 위상차(355)가 어떤 다른 전기적 위상각들보다도 낮도록 될 수 있다. 도 10b는 도 10a의 전기자 권선들(310)에 의해 제공되는 그러한 전기적 위상 출력(360)의 예를 개략적으로 나타낼 수 있다. 이 예에서, 각 권선 그룹(405, 410)은 실질적으로 동일한 위상차들을 갖는 전기적 3-상(three-electrical phase) 출력(490, 490')을 제공한다. 이들 전기적 3-상 출력 중 하나(490), 예를 들면 그룹(405)에 의해 제공되는 전기적 위상 출력은 실선(341, 342, 343)으로 표시되어 있고, 다른 하나의 전기적 3-상 출력(490'), 예를 들면 그룹(410)에 의해 제공되는 전기적 위상 출력은 짧은 파선(341', 342', 343')으로 표시되어 있다. 2개의 전기적 3-상 출력(490, 490')은, 이 예에서는 다른 전기적 위상차들 어느 것보다 낮은 전기적 위상차(450)만큼 이격되어 있다. 즉, 전기적 위상차(450)는 이 예에서 최소의 전기적 위상차(355)이다.
그래서, 도 10a의 출력 와이어들을 연결하는 스위치(320)는, 다른 전기적 위상차들보다 낮은 전기적 위상차(355)를 제공하도록 구성된 출력 와이어들 사이에 전기적 연결(500)을 제공하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 출력 와이어들(331, 332, 333, 331', 332', 333')이 각각 전기적 위상(341, 342, 343, 341', 342', 343')을 제공하는 경우, 제1 스위치(321)는 도 10a에 도시된 바와 같이 와이어들(331과 331'), 와이어들(332와 332'), 및 와이어들(333과 333') 사이의 전기적 연결(500)을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 전기자(300)가 제공하도록 구성될 수 있는 다른 전기적 위상각들(350) 어느 것보다 낮은 가능한 전기적 위상차들(355)의 개수와 동일한 개수의 전기적 연결(500)이 제1 스위치(321)에 의해 제공되거나 가능하게 될 수 있다.
몇몇 다른 예에서는, 권선들(310)의 출력 와이어들 사이에 모든 전기적 연결들(500)을 제공하기 위한 하나의 스위치(321)를 갖는 대신에, 2개 이상의 스위치(320)가 제공될 수도 있다. 예를 들어, 하나의 전기적 연결(500)을 가능하게 하기 위해 하나의 스위치가 제공될 수 있다. 즉, 일례에서는, 3개의 연결(500) 각각을 제공하기 위해 3개의 스위치(320)가 도 10a에 포함될 수 있다.
도 12는 최소의 전기적 위상을 제공하는 출력 와이어들, 예를 들면, 331과 331', 332와 332', 333과 333'(하부 곡선)이 접촉되었을 때 도 10a의 6-상 전기자와 같은 6-상 전기자(300)의 권선들(310)을 통해 순환할 수 있는 단락 전류의 예를 도시한다. 이 곡선은 3-상 전기자가 그 전체가 단락된 경우의 도 4에 도시된 단락 전류와 비교가 이루어진다.
도 13은 도 12에 묘사된 전류에 도달하는 데 필요한 토크가 로터의 회전 속도의 함수로서 그려진 그래프를 도시한다(하부 곡선). 이 곡선은 3-상 전기자가 그 전체가 단락된 경우의 도 4에 도시된 토크와 비교가 이루어진다. 알 수 있다시피, 필요한 토크는 여기에 개시된 예들을 이용함으로써 크게 감소될 수 있다. 따라서, 이러한 토크 값들을 생성하는 데 필요할 수 있는 풍력 터빈 블레이드들(120) 주위의 풍속은 도 6에 도시된 것보다 작을 수 있으며, 하나 이상의 스위치(120)를 갖는 전기자 및 본 개시 전체에 걸쳐 설명된 방법들은 발전기 권선들(310)의 전체 단락이 전류를 유도하는 것을 가능하게 하지 않을 수 있는 풍속에서 전력 변환기를 필요로 함이 없이 효율적인 발전기 절연을 제공할 수 있다.
일반적으로, 본 발명에 따라 예를 들면, 도 8 내지 도 10b에 관한 설명들에 따라 전기자(300)를 조립하기 위한 임의의 단계가, 본 명세서에 기재된 방법들 중의 임의의 것에 통합될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 전기자(300)는 발전기(162)에 포함될 수 있다. 그래서, 본 명세서에 개시된 전기자(300)를 포함하는, 예를 들면 풍력 터빈(160)용의 발전기(162)가 제공될 수 있다. 일부 예에서, 발전기(162)는 영구 자석 발전기일 수 있다.
일부 예에서, 본 발명에 따른 전기자(300)를 포함하는 발전기(162)는, 풍력 터빈(160)에 포함될 수 있다. 따라서, 풍력 터빈 타워(170), 타워(170)의 상부의 기관실(161), 기관실(161)에 장착되는 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(120)를 포함하는 로터, 및 나셀(161) 내부의 본 개시 전체에 걸쳐 설명된 전기자(300)를 포함하는 발전기(162)를 포함하는, 풍력 터빈(160)이, 제공될 수 있다.
이러한 기술된 설명은, 바람직한 실시예들을 포함하는 본 발명을 개시하기 위해, 또한 본 기술분야의 통상의 기술자가 임의의 디바이스들 또는 시스템들을 제작하고 사용하는 것 및 임의의 통합된 방법들을 수행하는 것을 포함하여, 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해, 예들을 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 청구범위에 의해 규정되며, 본 기술분야의 통상의 기술자에게 떠오를 수 있는 다른 예들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예들은 청구범위의 문자적 언어와 다르지 않은 구조적 요소들을 가지고 있거나 청구범위의 문자적 언어와 경미한 차이를 갖는 동등한 구조적 요소들을 포함하는 경우 청구범위의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 기재된 다양한 실시예들로부터의 양태들 및 이러한 각각의 양태들에 대한 다른 알려진 동등물들은 본 출원의 원리에 따라 추가 실시예들 및 기법들을 구성하기 위해 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 혼합 및 매칭될 수 있다. 도면들과 관련된 참조 기호들이 청구항에서 괄호 안에 배치되는 경우, 이들은 청구항의 명료성을 높이는 것만을 위한 것이며, 청구항의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (15)

  1. 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(120)를 포함하는 로터(115) 및 전기자를 포함하는 발전기를 포함하는, 풍력 터빈(160)을 작동시키는 방법으로서,
    상기 전기자(300)는, 3개 이상의 권선(310)을 포함하며 그리고 3개 이상의 전기적 위상을 제공하도록 구성되고, 제1 권선(311)이 제1 전기적 위상을 제공하도록 구성되며 그리고 제2 권선(312)이 제2 전기적 위상을 제공하도록 구성되며, 상기 제2 전기적 위상과 상기 제1 전기적 위상은 상이한 위상(out of phase)인 것인, 방법에 있어서,
    상기 제1 권선(311)의 출력 와이어(330)와 상기 제2 권선(312)의 출력 와이어(330) 사이의 제1 스위치를 닫음으로써 상기 전기자 권선들(310)을 부분적으로 단락시키는 것; 및
    상기 풍력 터빈 블레이드들(120) 상에 작용하는 바람에 의해 상기 전기자 권선들(330)에 전류들을 유도하는 것
    을 포함하는 것인, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기자(300)는, 상기 전기자의 전기적 위상들 중의 2개 사이의 다른 전기적 위상차보다 낮은, 상기 전기적 위상들(340) 중의 2개 사이의 전기적 위상차를 제공하도록 구성되는 것인, 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 전기적 위상(341) 및 상기 제2 전기적 위상(342)은, 다른 전기적 위상들 중의 임의의 것 사이의 어떤 전기적 위상차보다 낮은 전기적 위상차(350)를 갖는 것인, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기자는, 2개 이상의 권선 그룹(winding groups)을 포함하고, 각 그룹은, 그 자체의 중성 와이어(neutral wire)을 포함하며, 그리고 방법은, 모든 중성 와이어들이 전기적으로 접촉할 수 있도록, 각 권선 그룹의 상기 중성 와이어들 사이에 하나 이상의 스위치를 연결하는 것을 더 포함하는 것인, 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    방법은, 복수의 출력 와이어 쌍(pairs of output wires)을 전기적으로 연결하는 것을 더 포함하고, 상기 출력 와이어 쌍들에 의해 제공되는 상기 전기적 위상들 사이의 상기 전기적 위상차들은 동일한 것인, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3개 이상의 권선 각각을 통해 단락 전류를 순환시키는 것을 더 포함하는 것인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    3시간 미만 동안 상기 전기자 권선들을 통해 단락 전류를 순환시키는 것을 더 포함하는 것인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    단락된 상기 출력 와이어들 사이에 전류의 통과를 불능화시키는 것을 더 포함하는 것인, 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발전기의 작동을 개시하는 것을 더 포함하는 것인, 방법.
  10. 풍력 터빈 발전기용 전기자로서,
    3개 이상의 전기적 위상을 제공하도록 구성되는 3개 이상의 권선(311, 312, 313)으로서, 제1 권선이 제1 전기적 위상을 제공하도록 구성되며 그리고 제2 권선이 제2 전기적 위상을 제공하도록 구성되며, 상기 제1 전기적 위상(311)과 상기 제2 전기적 위상(312)은 상이한 위상인 것인, 3개 이상의 권선(311, 312, 313); 및
    상기 제1 권선의 출력 와이어와 상기 제2 권선의 출력 와이어를 선택적으로 연결하도록 구성되는 제1 스위치(320)
    를 포함하는 것인, 전기자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 전기적 위상 및 상기 제2 전기적 위상은, 상기 전기적 위상들 중 다른 것, 특히 임의의 다른 것, 사이의 전기적 위상차(350, 350')보다 낮은, 전기적 위상차(450)를 갖는 것인, 전기자.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 전기자는, 상이한 출력 와이어 쌍들 사이에 전기적 연결들을 제공하도록 구성되는 하나 이상의 스위치를 포함하고, 각각의 전기적 연결은, 동일한 전기적 위상차를 갖는 전기적 위상들을 제공하도록 구성되는 출력 와이어 쌍들 사이에 제공되는 것인, 전기자.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기자는 6-상 전기자 또는 9-상 전기자인 것인, 전기자.
  14. 풍력 터빈(160)용 전기 발전기(162)로서,
    제10항 내지 제13항 중 어느 한 항의 전기자를 포함하는 것인, 풍력 터빈용 전기 발전기.
  15. 풍력 터빈(160)으로서,
    풍력 터빈 타워, 상기 타워(170)의 상부의 기관실(nacelle)(161), 상기 기관실에 장착되는 하나 이상의 풍력 터빈 블레이드(120)를 포함하는 로터(115), 및 제14항의 발전기(162)를 포함하는 것인, 풍력 터빈.
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