(57)【要約】【課題】水平軸風力タービン発電機のヨー回転を制御するシステムを提供する。【解決手段】あるシステムでは、ヨー回転を生成するモーター１０の出力トルクは、モーター速度が所定の範囲内のとき実質的に一定に保持されて、出力トルクの変動を低減する。別のシステムでは、ヨー回転は、各々が発電機のタワー上に搭載されたモーター１０で制御されるピニオンギア９によって生成され、ナセルに取り付けられた主歯車８を回転させる。ピニオンギア９と主歯車８との間のバックラッシュの差から生じるモーター１０の摩耗を防止するために、全てのピニオンギア９が主歯車８と噛合うまで、各モーター１０は低出力トルクを発生するように制御された後、フル出力トルクが全てのモーター１０に適用される。更なるシステムでは、制動は、外部負荷に依存し、機械式ブレーキ１１又はモーター１０によって逆トルクを発生させる。【選択図】図２
2015533999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平軸風力タービン発電機の制御システムであって、タワー上に搭載されるナセルを備え、該ナセルはモーターによって前記タワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成され、該システムは、
回転速度が最小速度及び最高速度によって規定される所定の値の範囲内に保持される間、前記モーターの出力トルクも最小トルク及び最高トルクによって規定される所定の値の範囲内に維持されるように、前記モーターに供給される電力を制御する手段を備え、前記最大速度の前記最小速度に対する比は、前記最大トルクの前記最小トルクに対する比より大きいことを特徴とする、水平軸風力タービン発電機の制御システム。
【請求項２】
前記モーターに供給される前記電力を制御する前記手段は、前記回転速度が前記所定の値の範囲外に変動すると、前記回転速度を前記所定の範囲内のレベルに戻すために、前記モーターの前記出力トルクが新たな所定の値の範囲へ変更されるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
前記モーターに供給される前記電力を制御する前記手段は、前記回転速度が前記所定の範囲内に保持される間、前記モーターは実質的に一定の出力トルクに維持されるように構成される、請求項１又は２に記載の制御システム。
【請求項４】
水平軸風力タービン発電機の制御システムであって、水平軸風力タービン発電機は、ナセルが複数の電動モーターによってタワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成され、各々の電動モーターはそれぞれのピニオンギアの回転を制御するように構成され、前記ピニオンギアは単一の歯車と噛み合うように構成されており、該システムは、
各モーターの速度を制御する手段を備え、該速度は、前記それぞれのピニオンギアが前記単一の歯車と完全に噛み合うまで第１のレベルであり、その後、前記ナセル及び前記タワーの相対回転を引き起こすような第２のレベルになり、前記第２のレベルは、前記第１のレベルより高くなるように制御される、水平軸風力タービン発電機の制御システム。
【請求項５】
前記ピニオンギアが前記単一の歯車と完全に噛み合ったとき、前記モーターに供給される電力は、回転速度が最小速度及び最高速度によって規定される所定の値の範囲内に保持される間、前記モーターの前記出力トルクも最小トルク及び最高トルクによって規定される所定の値の範囲内にも維持されるような電力であり、前記最大速度の前記最小速度に対する比は、前記最大トルクの前記最小トルクに対する比より大きいことを特徴とする、請求項４に記載の制御システム。
【請求項６】
各モーターの前記出力トルクを決める手段を更に備える、請求項４又は５に記載の制御システム。
【請求項７】
前記トルクを決める手段は、各モーターの前記出力回転速度を検出する手段を備えることを特徴とする、請求項６に記載の制御システム。
【請求項８】
水平軸風力タービン発電機の制御システムであって、ナセルは、１つ又は複数の電動モーターによってタワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成され、機械式ブレーキが設けられており、該システムは、
前記風力タービン発電機の第１の動作状態と第２の動作状態とを検出する手段と、
検出された第１の動作状態に応答して、前記ナセル及び前記タワーの相対的な回転を制動するために前記機械式ブレーキを噛み合わせる手段と、検出された第２の動作状態に応答して、前記ナセル及び前記タワーの前記相対的な回転を制動するための逆トルクを発生するように構成された前記モーター（複数の場合もある）であって、前記モーター（複数の場合もある）に供給される電力を制御する手段と、を備える、制御システム。
【請求項９】
前記モーター（複数の場合もある）が逆トルクを発生するように構成されるとき、前記モーター（複数の場合もある）に供給される前記電力は、前記回転速度が最小速度及び最高速度によって規定される所定の値の範囲内に保持される間、前記モーター（複数の場合もある）の前記出力トルクも最小トルク及び最高トルクによって規定される所定の値の範囲内に維持されるような電力であり、前記最大速度の前記最小速度に対する比は前記最大トルクの前記最小トルクに対する比より大きいことを特徴とする、請求項８に記載の制御システム。
【請求項１０】
前記検出された第１の動作状態に応答して、前記モーター（複数の場合もある）は実質的に出力トルクを発生しないように構成されることを特徴とする、請求項８又は９に記載の制御システム。
【請求項１１】
前記検出された第２の動作状態に応答して、前記機械式ブレーキの噛み合わせが外されることを特徴とする、請求項８〜１０のいずれか１項に記載の制御システム。
【請求項１２】
前記検出された第１の動作状態は、第１の所定の値より小さい外部負荷であることを特徴とする、請求項８〜１１のいずれか１項に記載の制御システム。
【請求項１３】
前記検出された第２の動作状態は、第２の所定の値より大きい外部負荷であることを特徴とする、請求項８〜１２のいずれか１項に記載の制御システム。
【請求項１４】
前記外部負荷の前記第１の所定の値は、前記外部負荷の前記第２の所定の値より小さいことを特徴とする、請求項１３に記載の制御システム。
【請求項１５】
水平軸風力タービン発電機を制御する方法であって、水平軸風力タービン発電機は、タワー上に搭載されるナセルを備え、該ナセルは１つ又は複数のモーターによって前記タワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成されており、該方法は、
回転速度が最小速度及び最高速度によって規定される所定の値の範囲内に保持される間、前記モーター（複数の場合もある）の前記出力トルクは、最小トルク及び最高トルクによって規定される所定の値の範囲内に維持されるように前記モーター（複数の場合もある）に供給される電力を制御すること、を含み、前記最大速度の前記最小速度に対する比は、前記最大トルクの前記最小トルクに対する比より大きいとする、水平軸風力タービン発電機の制御の方法。
【請求項１６】
水平軸風力タービン発電機を制御する方法であって、水平軸風力タービン発電機は、ナセルが複数の電動モーターによってタワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成され、各々の電動モーターはそれぞれのピニオンギアの回転を制御するように構成され、前記ピニオンギアは単一の歯車と噛み合うように構成されており、該方法は、
各モーターに供給される電力を制御することを含み、トルクは、前記それぞれのピニオンギアが前記単一の歯車と完全に噛み合うまで第１のレベルにあり、その後、前記ナセル及び前記タワーの相対回転を引き起こすような第２のレベルになり、前記第２のレベルは、前記第１のレベルより高くなるように制御する方法。
【請求項１７】
水平軸風力タービン発電機を制御する方法であって、水平軸風力タービン発電機は、ナセルが少なくとも１つの電動モーターによってタワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成され、機械式ブレーキが設けられ、該方法は、
前記風力タービン発電機の第１の動作状態と第２の動作状態とを検出することと、
検出された第１の動作状態に応答して、前記ナセル及び前記タワーの相対的な回転を制動するために前記機械式ブレーキをかけることと、第２の検出される動作状態に応答して、前記ナセル及び前記タワーの前記相対的な回転を制動するための逆トルクを発生するように構成された前記モーター（複数の場合もある）であって、前記モーター（複数の場合もある）に供給される電力を制御することと、を含む、方法。
【請求項１８】
実質的に添付の図面を参照して上記で説明したような風力タービン発電機の制御システム。
【請求項１９】
実質的に添付の図面を参照して上記で説明したような水平軸風力タービン発電機の制御の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は風力タービン発電機に関し、より詳細には、水平軸の回りを回転するように構成された１つ又は複数のブレードの組立体を備え、また、そのブレード組立体は垂直軸の回りをヨー回転又は方位角回転としても知られている回転運動をするように構成されている風力タービン発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブレード組立体が、垂直軸の回りを回転することを可能にすることによって、ブレードが常に風の向きに面し、それにより風のエネルギーを最適な効率で電気的なエネルギーに変換するように、ブレード組立体の向きを合わせることを可能にする。
【０００３】
通常の風力タービン発電機が図１に示されている。風力タービン発電機１は、タワー２と、タワー２の最上部に搭載されたナセル３と、ナセル３内の発電機５に動作可能に結合されたローター４とを備える。風力タービン発電機１は、風の運動エネルギーを電気的なエネルギーに変換する。ナセル３は、発電機５に加えて、風のエネルギーを電気的なエネルギーに変換するのに必要な種々のコンポーネントとともに、風力タービン発電機１を動作させ、その性能を最適化するのに必要な種々のコンポーネントも収容している。タワー２は、ナセル３と、ローター４と、ナセル３内の他の風力タービンコンポーネントとによってもたらされる負荷を支持する。
【０００４】
ローター４は、中心ハブ６と、中心ハブ６から外側に向かって放射状に延在する略平坦な形状の３つの縦長のローターブレード７とを備える。動作中、ブレード７は、通過する気流と相互作用して揚力を生成するように構成され、その揚力によって中心ハブ６がその長さ方向の軸の回りを回転するようにする。最小レベルを超える風はローター４を作動させ、風の方向に実質的に垂直な平面内でローター４を回転させる。その回転は発電機５によって電力に変換されて、通常は電力系統に供給される。
【０００５】
ナセル３は、ナセル３が、及びそれによりブレード７も垂直軸の回りを回転することができるようにする継手によってタワー２の上に搭載される。ヨー回転は以下のシーケンスで実行される。（ａ）ナセルの回転を起動する。（ｂ）ナセルの回転を維持する。（ｃ）ナセルの回転を停止する。
【０００６】
通常、ヨー回転は、ヨーギアとしても知られている１つ又は複数の電動モーターによって動力供給される。ナセル方向に対する風の向きが感知されて、制御信号が生成される。この制御信号は、電動モーターに供給されて、ブレード７が風の向きに面するようにブレード組立体の回転を引き起こす。
【０００７】
通常、ブレード組立体は、動作している間、回転モーメントを生じさせる大きな剪断力を受け、この剪断力は、ブレード組立体を所望のヨー角から遠ざける方向に回転させる向き（sense）に作用する場合がある。従来、こうした回転モーメントを阻止するために、制御システムはブレード組立体を所望のヨー角に維持するように構成される受動的な機械式ブレーキを装備する。代替的に、又は加えて、電動モーターを配置して、回転モーメントが剪断力から生じる向きとは逆の向きでブレード組立体に作用する逆トルクを発生させることができる。
【０００８】
次に、風力タービンブレードのヨー角を制御する通常の構成を、図２を参照して説明する。
【０００９】
大きな歯車（toothed gear wheel）８が風力タービン発電機１のタワー２に取り付けられている。複数のピニオンギア９が大きな歯車８の円周において噛み合わされている。ピニオンギア９は風力タービン発電機１のナセル３上に搭載されているそれぞれの電動モーター１０によって駆動される。全ての歯車構成は歯車を備えているので、「ロストモーション」、「遊び」又は「ヒステリシス」とも呼ばれる、或る程度のバックラッシュが存在し、このバックラッシュは、ピニオンギア９が主歯車（main gear wheel）８の歯と完全には噛み合っていないことから生じる。したがって、回転の向きが反転する間、ピニオンギア９は主歯車８と完全に噛み合う前に或る程度回転する。バックラッシュの範囲は製造の許容誤差に依存し、その結果、各ピニオンギア９に対するバックラッシュの程度は概して異なる。ナセル３の回転を防止するために、機械式摩擦ブレーキ１１が主歯車に対して矢印１２の方向に適用される。
【００１０】
電動モーター１０は制御モジュール１３によって制御される。風の向きがセンサーモジュール１４によって検出され、センサーモジュール１４は出力信号を生成し、その出力信号は制御モジュール１３に供給される。
【００１１】
他のヨーシステムが特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】欧州特許第２４０２５９７号
【特許文献２】欧州特許第２１８９６５６号
【特許文献３】米国特許第５９９０５６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
こうした従来のシステムの動作中に複数の問題が発生する。
【００１４】
第１に、電動モーター１０によって発生させる必要があるトルクは上記で言及した剪断力の影響を受け、この剪断力は急速に変化する場合がある。これにより、風力タービン発電機１内に望ましくない振動を発生させる可能性があり、風力タービン発電機１のコンポーネントの耐用年数を短くする場合がある。
【００１５】
第２に、バックラッシュの程度はピニオンギア９ごとに異なるので、ヨー回転における反転の間、全てのピニオンギア９が主歯車８と同時に噛み合うわけではなく、したがって、モーター１０のうちのいくつかは他のモーター１０より非常に高いレベルの出力トルクを発生させることが要求される。経時的に、最も少ない量のバックラッシュを有するピニオンギア９を駆動するモーター１０にはより大きな負荷がかかることになり、したがって、他のモーター１０より大きな摩耗を呈し、より頻繁に保守又は交換が必要となる。
【００１６】
第３に、受動的な機械式ブレーキを用いた制動動作の間、剪断力は、ときどきブレーキが損傷するかスリップするほどに、非常に大きくなる可能性がある。このことはブレード組立体が所望のヨー角から離れた角度に向けられることになるだけでなく、風力タービン発電機１の他のコンポーネントを損傷又は破損する可能性もある。
【００１７】
したがって、上述した既知のシステムの不利益の全て又は一部を克服するか、少なくとも軽減する制御システムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
したがって、本発明の第１の態様によれば、水平軸風力タービン発電機の制御システムであって、タワー上に搭載されるナセルを備え、ナセルはモーターによって前記タワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成され、該システムは、
回転速度が最小速度及び最高速度によって規定される所定の値の範囲内に保持される間、前記モーターの出力トルクも最小トルク及び最高トルクによって規定される所定の値の範囲内に維持されるように、前記モーターに供給される電力を制御する手段を備え、前記最大速度の前記最小速度に対する比は前記最大トルクの前記最小トルクに対する比より大きい、水平軸風力タービン発電機の制御システムが提供される。
【００１９】
このようにして、モーターによって生成されるトルクのレベルはモーターの回転速度より少ない範囲で変動し、それにより、出力トルクが変化するとき発生する望ましくない振動を低減する。
【００２０】
好ましい制御システムにおいて、前記モーターに供給される前記電力を制御する前記手段は、前記回転速度が前記所定の値の範囲外に変動すると、前記モーターの前記出力トルクが新たな所定の値の範囲へ変更されて、これにより前記回転速度が前記所定の範囲内のレベルに戻るように構成される。これにより、モーターの効率が最適化されるトルク−速度領域においてモーターを動作させることを可能にする。
【００２１】
回転速度が所定の範囲内に保持されるときは、いつでもモーターが制御されて実質的に一定の出力トルクが提供されることが特に好ましい。こうした制御手順を用いて、トルクにおける任意の変動はモーターの回転速度がモーターの目下の範囲外に変動するときの状況に制約される。
【００２２】
回転速度の所定の値の範囲は、風力タービン発電機の動作状態にしたがって変更することができる。
【００２３】
モーターの回転速度の所定の値の範囲は、動作状態の所与の組に対して固定されたままであることが好ましいが、代替的に、出力トルクの様々な離散値に対して異なるそれぞれの所定の値の範囲を提供することが可能である。
【００２４】
本発明の第２の態様によれば、水平軸風力タービン発電機の制御システムであって、水平軸風力タービン発電機は、ナセルが複数の電動モーターによってタワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成され、各々の電動モーターはそれぞれのピニオンギアの回転を制御するように構成され、前記ピニオンギアは単一の歯車と噛み合うように構成されており、該システムは、各モーターの速度を制御する手段を備え、該速度は、前記それぞれのピニオンギアが前記単一の歯車と完全に噛み合うまで第１のレベルにあり、その後、前記ナセル及び前記タワーの相対回転を引き起こすような第２のレベルになり、前記第２のレベルは、前記第１のレベルより高くなるように制御される、制御システムが提供される。
【００２５】
これにより、任意の単一のモーターの出力トルクが、全てのピニオンギアが単一の歯車と完全に噛み合う前にナセルのヨー回転を生じさせるのに必要とされる高いレベルに上昇するのを防止し、それにより、さもなければ、関連付けられるモーターがヨー回転に必要とされるフル出力トルクまで上昇する前に１つのみ又はいくつかのピニオンギアが完全に噛み合った場合に引き起こされるモーターの摩耗を低減する。
【００２６】
ピニオンギアが単一の歯車と完全に噛み合ったとき、モーターに供給される電力は、回転速度が最小速度及び最高速度によって規定される所定の値の範囲内に維持される間、モーターの出力トルクも最小トルク及び最高トルクによって規定される所定の値の範囲内に保持するような電力であることが好ましく、最大速度の最小速度に対する比は最大トルクの最小トルクに対する比より大きい。
【００２７】
制御システムは、各モーターの出力トルクを求める手段を更に備えることが好ましい。このようにして、高レベルの出力トルクを発生させるのに十分な電力をモーターに供給する前に、各モーターの出力トルクが実際に低レベルにあるようにすることを容易に確立することができる。
【００２８】
トルクを求める手段は、各モーターの回転速度を感知する手段を備えることが好ましい。こうした感知する手段は容易に利用可能であり、モーターシャフト上に搭載される簡易な光学式又は磁気式の回転変位エンコーダーの形態をとることができる。次に、回転速度の値を用いて、モーターに供給される電力のレベルからモーターの出力トルクを求める。
【００２９】
本発明の第３の態様によれば、水平軸風力タービン発電機の制御システムであって、ナセルは、１つ又は複数の電動モーターによってタワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成され、機械式ブレーキが設けられており、該システムは、前記風力タービン発電機の第１の動作状態と第２の動作状態とを検出する手段と、感知された第１の動作状態に応答して、前記ナセル及び前記タワーの相対的な回転を制動するために前記機械式ブレーキを噛み合わせる手段と、感知された第２の動作状態に応答して、前記ナセル及び前記タワーの前記相対的な回転を制動するための逆トルクを発生するように構成された前記モーター（複数の場合もある）であって、前記モーター（複数の場合もある）に供給される電力を制御する手段と、を備える、制御システムが提供される。
【００３０】
このようにして、全体的な制動負荷をモーター（複数の場合もある）と共有することによって、機械式ブレーキ上の摩耗を低減することができる。
【００３１】
前記モーター（複数の場合もある）が逆トルクを発生するように構成されるとき、前記モーター（複数の場合もある）に供給される前記電力は、前記回転速度が最小速度及び最高速度によって規定される所定の値の範囲内に保持される間、前記モーター（複数の場合もある）の前記出力トルクも最小トルク及び最高トルクによって規定される所定の値の範囲内に維持されるような電力であることが好ましく、前記最大速度の前記最小速度に対する比は前記最大トルクの前記最小トルクに対する比より大きく、これにより、上記で言及した利点が提供される。
【００３２】
制御システムは、第１の感知される動作状態に応答して、モーター（複数の場合もある）が実質的に出力トルクを発生しないように構成されることが好ましい。
【００３３】
制御システムは、第２の感知される動作状態に応答して、機械式ブレーキが外されるように構成されることが好ましく、これによりブレーキの摩耗のレベルを低減する。
【００３４】
第１の感知される動作状態は第１の所定の値より小さい外部負荷とすることができ、第２の感知される動作状態は第２の所定の値より大きい外部負荷とすることができる。
【００３５】
この場合、外部負荷の第１の所定の値は、外部負荷の第２の所定の値より小さいことが有利である。なぜなら、外部負荷の第１の所定の値及び第２の所定の値が同じであるように選択された場合において、外部負荷がこの値に近いとき、制動の異なるモードが急速に交番するので不安定性が高まる。このことは、第１の所定の値が第２の所定の値より小さいことを要求することによって有効に防止される。この状況は、家庭セントラルヒーティングシステムにおける二重の閾値のサーモスタット設定と類似しており、この設定では、システムは、温度が第１の低い値を下回るときエネルギー供給し、温度が第２の高い値を超えるとき、実質的にエネルギー供給を遮断し、それによって、単一の温度閾値が用いられていた場合に生じる急速なオン／オフ振動を防止する。
【００３６】
本発明は、水平軸風力タービン発電機を制御する方法であって、水平軸風力タービン発電機は、タワー上に搭載されるナセルを備え、該ナセルは１つ又は複数のモーターによって前記タワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成されており、該方法は、前記回転の速度が最小速度及び最高速度によって規定される所定の値の範囲内に保持される間、前記モーター（複数の場合もある）の前記出力トルクは、最小トルク及び最高トルクによって規定される所定の値の範囲内に維持されるように前記モーター（複数の場合もある）に供給される電力制御すること、を含み、前記最大速度の前記最小速度に対する比は、前記最大トルクの前記最小トルクに対する比より大きいとする、水平軸風力タービン発電機の制御の方法に拡張される。
【００３７】
本発明は、水平軸風力タービン発電機を制御する方法であって、水平軸風力タービン発電機は、ナセルが複数の電動モーターによってタワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成され、各々の電動モーターはそれぞれのピニオンギアの回転を制御するように構成され、前記ピニオンギアは単一の歯車と噛み合うように構成されており、該方法は、各モーターに供給される電力を制御することを含み、トルクは、前記それぞれのピニオンギアが前記単一の歯車と完全に噛み合うまで第１のレベルにあり、その後、前記ナセル及び前記タワーの相対回転を引き起こすような第２のレベルになり、前記第２のレベルは、前記第１のレベルより高くなるように制御する方法にも拡張される。
【００３８】
本発明は、水平軸風力タービン発電機を制御する方法であって、水平軸風力タービン発電機は、ナセルが少なくとも１つの電動モーターによってタワーに対して垂直軸の回りに回転するように構成され、機械式ブレーキが設けられ、該方法は、前記風力タービン発電機の第１の動作状態と第２の動作状態とを検出することと、感知された第１の動作状態に応答して、前記ナセル及び前記タワーの相対的な回転を制動するために前記機械式ブレーキをかけることと、第２の感知される動作状態に応答して、前記ナセル及び前記タワーの前記相対的な回転を制動するための逆トルクを発生するように構成された前記モーター（複数の場合もある）であって、前記モーター（複数の場合もある）に供給される電力を制御することと、を含む、方法に更に拡張される。
【００３９】
ここで、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】風力タービンの主なコンポーネントを示す図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態の制御システムの概略図である。
【図３】本発明の第１の実施形態による好ましい方法を示すフローチャートである。
【図４】図３の実施形態による出力トルクと回転速度との間の関係を示すグラフである。
【図５】図３の実施形態による出力トルク及び回転速度の双方の時間変動を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の実施形態による好ましい方法を示すフローチャートである。
【図７】図６の実施形態による、時間に対する出力トルクの変動を示すグラフである。
【図８】本発明の第３の実施形態による好ましい方法を示すフローチャートである。
【図９】図８の実施形態による、回転速度に対する出力トルクの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
以下の好ましい実施形態の説明において、同じ又は等価な要素又は特徴部を説明するのに同じ参照符号が全体を通して用いられる。
【００４２】
図２に戻って参照すると、本発明の好ましい実施形態において、複数の電動モーター１０がそれぞれの数のピニオンギア９の回転を制御するように構成されている。各モーター１０は制御モジュール１３から電力を受け取り、各モーター１０はそれぞれの回転変位符号化器（図示せず）を組み込んでおり、回転変位符号化器は制御モジュール１３へ出力信号を提供する。その出力信号は制御モジュール１３によってそのときのモーターの回転速度を計算するのに用いられる。したがって、制御モジュール１３は、（ａ）モーターに供給される電力レベル、及び（ｂ）モーターの回転速度に依拠して、各モーターの出力トルクを計算することが可能である。
【００４３】
電動モーター１０のそれぞれは、本線電力系統（mains grid）から電力供給されるＡＣモーターである。電動モーター１０のそれぞれは、周波数コンバーター（図示せず）を介して本線電力系統に接続され、周波数コンバーターは地域によって通常５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの本線周波数をモーター１０の所望の回転速度に対して適切な周波数に変換する。
【００４４】
以下、より詳細に説明するように、電動モーター１０に供給される電力レベルは、複数の動作条件に基づいて制御される。制御モジュール１３は、電動モーター１０にいくつかの動作モードのうちの１つに適した或るレベルの電力を供給するように構成されている。こうした動作モードは以下のものを含むことができる。すなわち、（ａ）静止モードであり、このモードでは風力タービンブレード７は所望のヨー角に維持される。（ｂ）ヨーイングモードであり、このモードでは風力タービンブレード７は、所望のヨー角に向かって回転される。（ｃ）制動モードであり、このモードではブレードは、その時点でヨー軸の回りを、例えば、風の剪断力に起因して所望のヨー角から離れて回転している。モーター１０は、風向きの変化、気流の乱れ具合及び／又は風力タービン発電機の１つ又は複数の構成部品（parts）にかかる負荷レベルに基づいて制御することもできる。
【第１の実施形態】
【００４５】
本発明の第１の実施形態において、制御モジュール１３は、電動モーター１０のそれぞれに以下の手順（ｐｒｏｔｏｃｏｌ）によって求められるレベルの電力を供給する。モーターの回転速度が所定の値の範囲内にあるとき、モーターの出力トルクは実質的に一定に保持される。しかしながら、もし、モーター速度がこの範囲外のレベルに移ったとき、回転速度が所定の範囲内の値に戻るように、モーターの出力トルクが異なるレベルにシフトされる。この手順は、各モーターの出力トルクのレベルにおける変化数を、モーターの回転速度が所定の範囲外に変動する機会の数に制限することを理解されたい。このようにして、出力トルクの変化数が多いことの望ましくない影響が軽減される。
【００４６】
この手順のステップが図３に示されており、ステップ１５において各モーター１０に対して目下の回転速度が感知され、速度が所定の範囲内であるか否かの判断がなされる。範囲内である場合、ステップ１６において目下のトルクレベルが保持され、手順はステップ１５へ戻る。一方、速度がこの範囲外のレベルへシフトしていた場合、ステップ１７において回転速度が所定の範囲を下回っているか否かに関して判断がなされる。下回っている場合、ステップ１８において出力トルクはより高いレベルに増加され、手順はステップ１５へ戻る。一方、ステップ１７において、目下の回転速度が所定の範囲を超えていると評価される場合、ステップ１９においてトルクレベルはより低いレベルに低減され、手順はステップ１５へ戻る。
【００４７】
このようにして、モーター１０の回転速度が所定の範囲内にとどまる場合、各モーター１０の出力トルクは略一定レベルに保持され、モーター１０の回転速度が範囲外に変動するときのみ新たなレベルにシフトする。
【００４８】
この手順は、回転速度が所定の範囲内にあるとき、出力トルクを実質的に一定値に保持することによって最適化されるが、トルクのレベルはこの一定値からわずかにシフトする場合があることは理解されたい。この手順の重要な特徴は、各モーターの出力トルクにおける変動は、可能な限り、最小に保たれることである。
【００４９】
モーター１０の出力トルクＴのモーター１０の回転速度ωへの依存性が図４に示されており、この図から、回転速度が値ω１と値ω２との間にあるとき、出力トルクＴはレベルＴ１に保持されることが見て取れる。回転速度ωのこの範囲の外側では、トルクＴは新たなレベル（図示せず）にランプアップ又はランプダウンしている。この関係は図５に更に示されている。この図は、時間ｔに対するトルクＴ及び回転速度ωの双方の変動を示しており、回転速度ωがω±Δωによって規定される所定の範囲内のレベルからこの範囲外のレベルへ移ったとき、回転速度を所定の範囲内の値に戻すために、出力トルクＴが第１の比較的低い一定レベルＴａから第２の比較的高い一定レベルＴｂに移ることを示している。
【第２の実施形態】
【００５０】
風力タービンブレード７のヨー回転を開始させるのに用いられる、本発明の第２の実施形態において、制御モジュール１３は、図６のフローチャートによって示される以下の手順によって求められるレベルの電力を電動モーター１０のそれぞれに供給する。
【００５１】
ヨー回転を開始するために、制御モジュール１３はヨー回転コマンド信号を生成する。したがって、手順の第１のステップ２０はそのようなヨーコマンド信号が生成されたか否かを判定することである。ヨーコマンド信号が生成されていなかった場合、信号が生成される時間まで、このステップ２０が連続して繰り返され、信号が生成される時点で、ステップ２１において、全ての電動モーター１０が第１の低い速度でのエネルギーを供給される。上記で説明したように、各モーター１０の出力トルクは、モーターの回転速度とモーター１０の入力電力とを測定することによって計算される。最初は、ピニオンギア９のいくつかは、バックラッシュの影響に起因して主歯車８と完全には噛み合わない。したがって、これらのピニオンギア９に連結されるそれらのモーター１０の初期の回転速度は、関連付けられた低い出力トルクを有して比較的高いレベルになる。なぜなら、主歯車８の慣性から回転に対するいかなる抵抗も存在しないからである。一方、すでに主歯車８と完全に噛み合っているピニオンギア９に対して、関連付けられるモーター１０の回転速度は、関連付けられた高い出力トルクを有して比較的低いレベルになる。なぜなら、関連付けられるモーター１０は、主歯車８から慣性抵抗に直面するからである。したがって、ステップ２２において全てのピニオンギア９が主歯車８と完全に噛み合っているか否かが、モーター１０のそれぞれの回転速度を測定することによって判定される。モーターのうちのいずれかの回転速度が高いレベルにある場合、これは関連付けられるピニオンギア９がまだ完全には噛み合っていないことを示唆しており、この判定ステップ２２は、全てのピニオンギア９が主歯車８と完全に噛み合うまで繰り返され、噛み合った時点で、ステップ２３において、全てのモーターに基準速度でのエネルギーが供給される。
【００５２】
この手順の背景にある理屈は、モーター１０のうちのいずれかが最大トルクで作動する前に全てのピニオンギア９が主歯車８と完全に噛み合うことを確実にすることである。このようにして、モーター１０にかかる負荷は分配され、それによりモーターの摩耗及び頻繁な交換の必要性を低減する。製造上の許容誤差によって同じピニオンギア９が他のピニオンギア９より先に主歯車８と繰り返し噛み合うことの誘因になることは理解されたい。したがって、こうした手順がなければ、主歯車８と最初に噛み合う傾向があるピニオンギア９に関連付けられるモーター１０が最大の負荷を負わされ、真っ先に保守又は交換が必要となることになる。
【００５３】
この実施形態における、時計回りの回転の時間ｔＣＷ（又は反時計回りの回転の時間ｔＣＣＷ）に対するモーター１０の出力トルクＴの絶対値の増加が図７に示されており、この図から、出力トルクは初期値がゼロであり、開始トルクすなわち負荷前トルクＴＳ（時計回り回転の場合、反時計回りの場合は−ＴＳ）に達するまで徐々に増加し、この点ですべての駆動が主歯車８と噛み合い主歯車８を回転させるのに必要な最大トルクにランプアップする準備ができることがわかる。
【第３の実施形態】
【００５４】
風力タービンブレード７のヨー回転の速度の低減を制御するのに用いられる、本発明の第３の実施形態において、制御モジュール１３は、外部負荷に依存して必要な制動を制御するように構成される。この構成において、図２を参照して説明したセンサーモジュール１４は、外部負荷を示す出力信号を提供するように構成される。外部負荷が低レベルであるとき、純粋に機械式摩擦ブレーキ１１（図２参照）を用いて、全ての制動が行われる。一方、外部負荷が高レベルであるとき、適切な逆トルク、すなわち、風力タービンブレード７のヨー速度を低減させる向きのトルクを電動モーター１０の各々に適用することによって全ての制動が行われる。２つの外部負荷の間にインターバルがある理由は、外部負荷の単一の閾値を用いて行われるべき制動のタイプを判断した場合に、もたらされる可能性がある望ましくない振動の発生を防止することである。このことは、二重の閾値を用いてサーモスタットを制御する家庭セントラルヒーティングシステムと類似している。制動が始動され、外部負荷がこれらの値の間にあるとき、システムはどの制動モードを用いるべきかを判断することができなければならないことは明らかである。この場合、単一の閾値が用いられる。一方、動作中に、システムは上記で説明した二重の閾値手順に復帰する。
【００５５】
こうした構成は、外部負荷が高いとき、及びそれゆえに必要とされる制動力も高くなる可能性が高いとき、モーターの負荷が分配されることを可能にする点で有利である。加えて、この構成は機械式摩擦ブレーキ１１における摩耗のレベルを低減する。
【００５６】
この手順は図８に示されている。ステップ２４においてブレーキコマンド信号が生成されたか否かが最初に判定される。ブレーキコマンド信号が存在しない場合、ステップ２５において機械式ブレーキ又は逆トルクが適用されていないことが確実になる。次に、ステップ２４が、ブレーキコマンド信号が生成されることになるまで繰り返され、生成された場合、次に、ステップ２６において、外部負荷が単一の閾値未満であるか否かが判定される。閾値未満であるとき、ステップ２７において機械式ブレーキが始動され、次に、ブレーキコマンド信号が依然として存在していることを確認するステップ２８が続く。ブレーキコマンド信号がもはや存在していない場合、手順はステップ２４に戻る。ブレーキコマンド信号が依然として存在している場合、次に、ステップ２９において外部負荷が高い閾値を超えて上昇しているか否かが判定される。高い閾値を超えて上昇していない場合、手順は次にステップ２７に復帰し、ステップ２７において機械式ブレーキが保持される。一方、外部負荷が実際に高い閾値を超えて上昇した場合、ステップ３０において機械式ブレーキが停止され（図示せず）、モーター１０は逆トルク制動を発生させるように制御され、その後、ブレーキコマンド信号が依然として存在していることを確認するステップ３１が続く。ブレーキコマンド信号がもはや存在していない場合、手順はステップ２４に戻る。ブレーキコマンド信号が依然として存在している場合、次に、ステップ３２において外部負荷が低い閾値を超えて下回っているか否かが判定される。低い閾値を超えて下回っていない場合、次に手順はステップ３０に復帰し、ステップ３０において、逆トルク制動が保持される。一方、外部負荷が実際に低い閾値を超えて下回っている場合、ステップ２７において逆トルク制動が停止され（図示せず）、機械式な摩擦制動が加えられる。
【００５７】
この手順において、いずれの時点においても単一制動モード、すなわち、機械式ブレーキ又は逆トルクブレーキのいずれかのみが存在しているが、代替的に、低外部負荷時に機械式ブレーキ及び逆トルクブレーキの双方が適用されるように構成することが可能である。なぜなら、これにより機械式摩擦ブレーキ１１における摩耗をより一層低減するからである。加えて、双方のモードを用いた制動を開始させ、その後、外部負荷が低い閾値を下回るか、若しくは高い閾値を超えるとき、単一制動モードに復帰することが可能である。
【００５８】
この手順において、モーター１０の出力トルクＴのモーター１０の回転速度ωへの依存性を図９に示す。制動モード中、ピニオンギア９は、ナセル３のヨー回転の結果として、関連付けられるモーター１０によってではなく、歯車８によって駆動されることが強調されるべきである。図からわかるように、回転速度の大きさ、すなわち、絶対値がω３より小さいとき、モーター１０は逆トルクＴを発生させない。回転速度ωの大きさがω３より大きいときのみ、逆トルクＴが適用され、逆トルクＴのレベルは、回転速度ωにつれて単調に増加する。
【００５９】
本発明の範囲から逸脱することなく、上記で説明した実施形態の多くの変更形態を作成することができ、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって規定されることは理解されたい。
【００６０】
例えば、それぞれがそれぞれの制御手順を含む、３つの好ましい実施形態が存在するが、これらの実施形態が結合される場合があることは予想される。したがって、図３を参照して上記で説明した第１の手順は、ヨー回転の間、第２の実施形態の高レベルトルクがモーターの回転速度に依存した値を使用するように、図６のフローチャートにおいて説明した第２の手順に適用することができる。加えて、第１の手順は、逆トルク制動中、モーターによって生成される逆トルクのレベルが同様にモーターの回転速度に依存した値を使用するように、図８のフローチャートを参照して上記で説明した第３の手順に適用することができる。
【００６１】
加えて、上記で説明した好ましい実施形態において、ピニオンギア９は主歯車８内に配置されるが、当然、ピニオンギア９を主歯車８内か、又は主歯車８の外側の周縁部のいずれかに配置することも可能である。更に、好ましい実施形態において、モーターは本線電力系統から周波数コンバーターを介して電力供給されるＡＣモーターであるが、代替的にＤＣモーターを用いることが可能である。
【図１】
2015533999.tif 000003
【図２】
2015533999.tif 000004
【図３】
2015533999.tif 000005
【図４】
2015533999.tif 000006
【図５】
2015533999.tif 000007
【図６】
2015533999.tif 000008
【図７】
2015533999.tif 000009
【図８】
2015533999.tif 000010
【図９】
2015533999.tif 000011
【国際調査報告】
2015533999.tif 000012
2015533999.tif 000013
2015533999.tif 000014
2015533999.tif 000015
2015533999.tif 000016