(57)【要約】この発明は、正弦波交流電圧を発生するための風力発電装置に関し、ロータ(７)およびステータを持つ発電機、電機子に結合されたブレードを有するロータ、および、風力発電装置の非回転部からの電気的パワーをロータへ伝送するためのパワー伝送手段を備える。スリップリングを用いたパワー伝送による疲労、ノイズ、低効率のような欠点を避けるために、このパワー伝送手段は、ロータへの無接触のパワー伝送を確実に行うために非同期マシンを有し、それのステータ(５)は風力発電装置の非回転部に形成され、それの電機子(６)はロータに形成される。
2005507630.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正弦波交流電圧を発生するための風力発電装置であり、発電機ロータおよび発電機ステータを持つ発電機、発電機ロータに結合されたロータブレードを有するロータユニット、および、風力発電装置の非回転部からの電気的パワーをロータユニットへ伝送するためのパワー伝送手段を備え、このパワー伝送手段は、無接触で電気的パワーをロータユニットへ伝送するために、非同期マシンを有し、それのステータは風力発電装置の非回転部に形成され、前記非同期マシンのロータはロータユニットに形成される風力発電装置。
【請求項２】
前記発電機は電磁的に励起される同期発電機であり、非同期マシンのロータに伝送された電気的パワーを、励起電流として発電機のロータに供給される直流電流に変換する整流器がロータユニットに備えられる請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
皮相電流を調整するためのフィルタが整流器の入力側に接続される請求項２記載の風力発電装置。
【請求項４】
非同期マシンのロータに伝送された電気的パワーを、直流電圧に変換するために、特にロータブレード調整ユニットに供給するために、整流器がロータユニットに備えられる請求項１から３のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項５】
非同期マシンのステータに交流電圧を発生するためのインバータを、風力発電装置の非回転部に備えた請求項１から４のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項６】
前記インバータは、発電機の回転速度および電気的パワーに依存して、発電機のロータの励起電流を調整するように構成される請求項５記載の風力発電装置。
【請求項７】
前記インバータは、周期的に電圧パルスを発生するように構成される請求項５または６に記載の風力発電装置。
【請求項８】
非同期発電機のステータの入力側に、ステータに供給される電流の皮相電流を調整するためのLCフィルタが備えられる請求項１から７のいずれかに記載の風力発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この発明は、正弦波交流電圧を発生すための風力発電装置に関し、発電機ロータおよび発電機ステータを有する発電機、発電機ロータに結合されたロータブレードを有するロータユニット、およびこの風力発電装置の非回転部からロータユニットへ電気的パワーを伝送するためのパワー伝送手段を備えた風力発電装置に関する。
【０００２】
〔発明が解決しようとする課題〕
風力発電装置の場合、種々の目的のために、パワーを非回転部から回転部に伝送する必要がある。例えば、電磁励起同期発電機の場合、磁極ホイールのために、および適した電気モータの手段(これもパワーを必要とする)によるロータブレード調節器のために、励起電流として直流電流が必要である。現時点では、前記パワーは、風力発電装置の非回転部から回転部にスリップリングを用いている。しかしながらこのスリップリングは、含まれる摩擦のために損失が発生するという不都合(即ち、効率の低下、大きい騒音の発生を基本的に抱え、特に、高いレベルの疲労による弊害を持ち、そのため、時折、修理または交換が必要となる。さらに、電気的なフラッシュオーバーがスリップリングの箇所で起こり得る。また、部分的な摩耗に対し、運転時間の増大することにさらに留意する必要があった。
【０００３】
従って、この発明の目的は、風力発電装置の非回転部から回転部への電気的パワーを伝送するための改善された方法を提供することである。
【０００４】
〔発明の効果〕
この発明によれば、この明細書の冒頭で述べた風力発電装置に対しては、前記目的は、電気的パワーを回転部に無接触で伝送するために、電力伝送手段が非同期マシンを有し、そのステータが風力発電装置の非回転部にて構成され、そしてそのロータが回転部にて構成されることで達成される。
【０００５】
〔課題を解決するための手段〕
それについて、この発明は、発生する摩擦に基づく機械的な問題が無接触で電気的パワーを伝送することにより回避できる認識に基づく。それを行う簡単な方法は、この発明に基づいて提案される非同期マシン(そのロータが風力発電装置の回転部、好ましくは回転ハブに結合され、一方、それのステータは、風力発電装置の非回転部、つまりマシンのキャリアに結合される)により記述される。相対移動のために、非同期マシンのロータと、回転するステータの磁界との間のように、ロータの巻き線に磁界が誘起され、そして、ロータ巻き線にそのようにして電圧が発生する。この状況下では、非同期マシンは、発電機モードで運転される。ロータ巻き線に誘起した交流電圧は、風力発電装置の回転部分において所望の目的のために、適した別の手段によりさらに処理される。
【０００６】
電気的パワー無接触伝送のためのこの発明に基づき提案された構成は、実質的にロスがより少なく、無疲労である。発生するノイズレベルは、周知のスリップリングを用いた時に比べ、著しく低減される。
【０００７】
この発明の有利な形態は、付記したクレーム中に述べている。この発明は好ましくは、電磁励起される同期発電機で用いられ、非同期マシンにより伝送された電気的パワーから、同期発電機のロータのための励起電流として直流電流を得ている。その目的のために、風力発電装置の回転部内に適した整流器を備え、別の実施例では、同期マシンの磁極ホイールの反作用を、例えば高調波の範囲で補償するために、それの入力部にＬＣフィルタが接続される。
【０００８】
この発明の別の有利な形態では、別の少なくとも一つの整流器が備えられ、風力発電装置のロータユニット上の別のユニットに電気的パワーを供給するために、その整流器で直流電圧または同時に直流電流が生成される。例えば、個々のロータユニットのブレードのブレード角調整のために、直流電圧が供給されるべき電気モータが備えられる。その供給は本発明により、簡単な方法で実行される。
【０００９】
好ましくは、風力発電装置の非回転部内に、パワー伝送目的のために、本発明に基づき備えられた非同期マシンのステータに交流電圧を供給するインバータが備えられる。そのインバータは、好ましくは、およそ４００から６００Hzの周波数の交流電圧を発生する。発電機のロータ励起電流の調整は、発電機の回転速度および電気的出力に応じて、インバータにより実行できる。特に、同期発電機の磁極ホイールのための励起電流の振幅は、そのインバータにより有利に調整される。
【００１０】
多くの目的のために、風力発電装置のロータユニット内に、可能な限り一定の直流電圧が必要である。その目的のために、整流器のほかに、整流器の出力電圧を平滑化するコンデンサを補足的に備えることも可能である。コンデンサをピーク値まで繰り返して充電するために、インバータが周期的に電圧パルスを発生することもできる。同時に、そのコンデンサは、電流供給の事故時であっても、十分な電気的パワーを提供できるように、少なくともエネルギー調整手段のために、中間の格納デバイスとして機能させてもよい。
【００１１】
非同期マシンは、４００から６００Hzの周波数で有利に動作し、かつ、１次巻き線と２次巻き線へのエアギャップがあるので、非同期マシンは極めて高い皮相電流の要求がある。ステータに供給される電流の皮相電流を設定するために、非同期マシンのステータの入力側にLCフィルタが接続されるなら、この発明によるこの皮相電流を与えることができる。
【００１２】
この発明は、図面を参照してより詳細に以下述べる。
【００１３】
〔発明を実施するための最良の形態〕
図１の回路図は、風力発電装置の非同期部から回転部に電気的パワーを無接触で伝送するための本発明に基づく解決を示す。その目的のために、まず、４００から６００Hz、好ましくはおよそ５００Hzの交流電圧を発生するインバータ１が備えられる。インバータ１と非同期マシン４のステータ５との間の接続ライン内に、短絡制限用リアクタ２および、ステータの回路形態に接続されたLCフィルタ３が備えられる。インバータ１により発生され、リアクタ・チョーク２により平滑化された交流電圧は、非同期マシン４の非回転部のステータ５に供給される。ステータ巻き線内で回転するステータ磁界のために、ロータとステータ磁界との間の相対移動によって、ロータ６の２次巻き線内に電界が誘起され、その結果、ステータ巻き線内に電圧が発生する。
【００１４】
回転するロータ６は風力発電装置のハブに機械的に結合されている。その結果、電気的パワーは、無接触で静止部、つまり風力発電装置のマシンのキャリアから回転部、ロータユニットヘッドに伝送される。
【００１５】
ロータ６で生じた交流電圧は一方で、交流電圧を整流する整流器８および、風力発電装置の電磁的に励起された同期発電機の磁極ホイール７に供給される。整流器８はその結果、誘導性負荷を持ち、そして磁極ホイール７で作用する電圧は、電圧の実効平方２乗平均である。好ましくはインバータ１は、整流器１の出力部での実効電圧で磁極ホイール７に対して所望の直流電流が流れるように、出力電圧を調整する。その状況では、磁極ホイール７の高いインダクタンスが電流を平滑し、整流器８の出力電圧の波形を平坦にする。もし、インバータ１が短時間に高電圧を発生するなら、そして、その後に低電圧が発生されるなら、磁極ホイール７のインダクタンスにより、相殺される。従って、磁極ホイール７に対して調整された直流電流を与えるために、整流器８と協力する非同期マシン４で可能である。磁極ホイール７に対する励起電流の振幅は、その場合、インバータ１により、回転速度および同期発電機の電気的パワーに依存して調整されるべきである。
【００１６】
ロータ６で誘起された交流電圧は、風力発電装置の回転部に対して更に別の目的にも利用できる。従って、例えば、ロータブレード調整ユニット１０は、直流電圧を要求する。その直流電圧は整流器１１によってロータ６の交流電圧から生成される。その直流電圧はロータ６の出力電圧の振幅(整流ピーク値)に依存する。
【００１７】
コンデンサ１２は、常に充電される。コンデンサ１２の容量については、故障発生時に、風力発電装置の緊急停止を安全に行ない、ロータブレードの回転がフェザード(９０°のブレード角)位置となるように、各ロータブレードのロータブレード調整ユニット１０を作動させるために十分となる電流量が格納されるようにする。
【００１８】
非同期マシンの形態の伝送装置４は従って、無接触で電気的パワーを風力発電装置の回転部に供給し、そして、一方で、発電機の磁極ホイールに直流電流を供給し、そして他方で、別の電気的ユニット(ロータブレード調整ユニットのごときもの)に直流電圧を供給する。その目的のために、インバータ１は、周期的に電圧パルスを発生してコンデンサ１２をピーク値まで充電する。インバータ１の出力電圧についての電圧波形を図２に示す。コンデンサ１２を所望の電圧に充電するための周期的な電圧パルスＰを明瞭に見ることができる。しかしながら、これらのピークは必要ではなく、これらのピークなしでも、コンデンサを、ブレード調整駆動手段を作動させるために十分に高い電圧に充電することも可能である。
【００１９】
非同期マシン４は、好ましくはおよそ５００Hzの周波数で動作され、そして、１次巻き線から２次巻き線に対してエァギャップを有する。これらの二つの条件は、極めて高い皮相電流を要求する。LCフィルタ３は、高い皮相電流を供給するためのものである。整流器８の出力側に接続される磁極ホイール７も極めて高い皮相電流を要求する。それは、部分的に基本振動および、例えば５次、７次、１１次および１３次のような高調波を含む。LCフィルタ９は、３本のスター結線の分岐からなり、その各々は、コンデンサおよび、抵抗とインダクタとのパラレル回路からなる。このLCフィルタ９は皮相電力を供給するためのものである。パワー伝送部の全体的な効率レベルは、この二つのフィルタ３、９により、大幅に改善される。
【００２０】
この発明により解決は、従って、種々の目的のために、風力発電装置の非回転部から回転部にパワーを無接触で容易に伝送できる。その点について、疲労もノイズも発生させない。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明に基づく解決を示す回路図
【図２】非同期マシンに供給するためのインバータの電圧の形状を示す図
【符号の説明】
【００２２】
１  インバータ
２  短絡制限用リアクタ
３  LCフィルタ
４  非同期マシン
５  ステータ
６  ロータ
７  磁極ホイール
８  整流器
１０  ロータブレード調整ユニット
【国際公開パンフレット】
2005507630.tif 000003
2005507630.tif 000004
2005507630.tif 000005
2005507630.tif 000006
2005507630.tif 000007
2005507630.tif 000008
2005507630.tif 000009
2005507630.tif 000010
2005507630.tif 000011
2005507630.tif 000012
2005507630.tif 000013
2005507630.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月26日(2003.3.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正弦波交流電圧を発生するための風力発電装置であり、発電機ロータおよび発電機ステータを持つ発電機、発電機ロータに結合されたロータブレードを有するロータユニット、および、風力発電装置の非回転部からの電気的パワーをロータユニットへ伝送するためのパワー伝送手段を備え、このパワー伝送手段は、無接触で電気的パワーをロータユニットへ伝送するために、非同期マシン(４)を有し、それのステータ(５)は風力発電装置の非回転部に形成され、前記非同期マシンのロータ(６)は、ロータユニットに形成され、そして、周期的な電圧パルスを非同期マシン(４)のステータ(５)に供給するために、風力発電装置の非回転部に、インバータ(１)を備える風力発電装置。
【請求項２】
前記発電機は電磁的に励起される同期発電機であり、非同期マシン(４)のロータに伝送された電気的パワーを、励起電流として発電機のロータに供給される直流電流に変換する整流器(８)がロータユニットに備えられる請求項１記載の風力発電装置。
【請求項３】
皮相電流を調整するためのフィルタが整流器(８)の入力側に接続される請求項２記載の風力発電装置。
【請求項４】
非同期マシンのロータに伝送された電気的パワーを、直流電圧に変換するために、特にロータブレード調整ユニット(１)に供給するために、整流器(１１)がロータユニットに備えられる請求項１から３のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項５】
前記インバータ(１)は、発電機の回転速度および電気的パワーに依存して、発電機のロータの励起電流を調整するように構成される請求項１〜４のいずれかに記載の風力発電装置。
【請求項６】
非同期発電機(４)のステータ(５)の入力側に、ステータ(５)に供給される電流の皮相電流を調整するためのLCフィルタ(３)が備えられる請求項１から５のいずれかに記載の風力発電装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
風力発電装置の場合、種々の目的のために、パワーを非回転部から回転部に伝送する必要がある。例えば、電磁励起同期発電機の場合、磁極ホイールのために、および適した電気モータの手段(これもパワーを必要とする)によるロータブレード調節器のために、励起電流として直流電流が必要である。現時点では、前記パワーは、風力発電装置の非回転部から回転部にスリップリングを用いている。しかしながらこのスリップリングは、含まれる摩擦のために損失が発生するという不都合(即ち、効率の低下、大きい騒音の発生を基本的に抱え、特に、高いレベルの疲労による弊害を持ち、そのため、時折、修理または交換が必要となる。さらに、電気的なフラッシュオーバーがスリップリングの箇所で起こり得る。また、部分的な摩耗に対し、運転時間の増大することにさらに留意する必要があった。
DE 198 01 803 A1 は、静止のステータおよび回転可能なロータを有する電気的回転マシンを開示している。この場合、ステータ伝送巻き線およびロータ伝送巻き線をそれぞれ有し、これらの伝送巻き線は、電気的な伝送を形成し、そしてそれぞれが交流電流で動作するように設計されている。これらの伝送巻き線を用いて、給電網から供給された３相電流は、風力発電装置の回転部に伝送でき、そして、励起目的のために、風力発電装置の発電機のステータ内の３相電流発電機巻き線に供給される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
この発明によれば、この明細書の冒頭で述べた風力発電装置に対しては、前記目的は、電気的パワーを回転部に無接触で伝送するために、電力伝送手段が非同期マシンを有し、そのステータが風力発電装置の非回転部にて構成され、そしてそのロータが回転部にて構成され、そして、非同期マシンのステータに供給するために周期的な電圧パルスを持つ交流電圧を発生するためのインバータを、風力発電装置の非回転部に備えることで達成される。




【手続補正書】
【提出日】平成15年6月27日(2003.6.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
風力発電装置の場合、種々の目的のために、パワーを非回転部から回転部に伝送する必要がある。例えば、電磁励起同期発電機の場合、磁極ホイールのために、および適した電気モータの手段(これもパワーを必要とする)によるロータブレード調節器のために、励起電流として直流電流が必要である。現時点では、前記パワーは、風力発電装置の非回転部から回転部にスリップリングを用いている。しかしながらこのスリップリングは、含まれる摩擦のために損失が発生するという不都合(即ち、効率の低下、大きい騒音の発生を基本的に抱え、特に、高いレベルの疲労による弊害を持ち、そのため、時折、修理または交換が必要となる。さらに、電気的なフラッシュオーバーがスリップリングの箇所で起こり得る。また、部分的な摩耗に対し、運転時間の増大することにさらに留意する必要があった。
DE 198 01 803 A1 は、静止のステータおよび回転可能なロータを有する電気的回転マシンを開示している。この場合、ステータ伝送巻き線およびロータ伝送巻き線をそれぞれ有し、これらの伝送巻き線は、電気的な伝送を形成し、そしてそれぞれが交流電流で動作するように設計されている。これらの伝送巻き線を用いて、給電網から供給された３相電流は、風力発電装置の回転部に伝送でき、そして、励起目的のために、風力発電装置の発電機のステータ内の３相電流発電機巻き線に供給される。
US No 5 770 909 は、電気駆動車のための同期マシンを開示しており、発電機のパワーがすべての移動条件で特に0から毎分数千の回転で最適化される。
【国際調査報告】
2005507630.tif 000015
2005507630.tif 000016
2005507630.tif 000017
2005507630.tif 000018