(57)【要約】      （修正有）【課題】風力マシンから動力を受け取り、それを発電機に転送する駆動ラインにおける速度制御方法。【解決手段】駆動ラインの入力シャフトが流動動力マシンからの動力入力と直接的に駆動され、駆動ラインの出力シャフトが少なくとも発電機を直接的に駆動し、それによって出力シャフトが入力シャフトの速度よりも高い速度で回転していることから成る駆動ラインを制御する方法であって、発電機が本質的には一定のグリッド周波数を特徴とする電気的グリッドと接続され、駆動ラインの、動力配分伝動装置及び流体力学的サーボ変換器の組み合わせが、最適動力速度誘導での動力入力のものと同一特性を特徴とし、万一駆動ラインの入力シャフトの速度が特定の閾値レベルを超えれば、流体力学的サーボ変換器の反作用部材が、駆動ラインの入力シャフトが駆動ラインの当該入力シャフトによって受け取られた運動量の関数である中間速度が付与されるように設定される。【選択図】  図１
2005180425.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
駆動ラインの入力シャフトが少なくとも風力マシン、水力マシン、或は、他の流動動力マシンからの動力入力により直接的に駆動され、前記駆動ラインの出力シャフトが少なくとも発電機を直接的に駆動し、それによって前記出力シャフトが前記入力シャフトの速度よりも高い速度で回転していることから成る駆動ラインを制御する方法であって、
前記発電機が本質的には一定のグリッド周波数を特徴とする電気的グリッドと接続され、
前記駆動ラインが動力配分伝動装置及び流体力学的サーボ変換器を備え、
前記動力配分伝動装置が２つの動力分岐を含み、
前記流体力学的サーボ変換器が、ポンプ・ホイール、タービン・ホイール、並びに、調整可能な反作用部材を含み、
前記駆動ラインの前記入力シャフトを介して、動力が少なくとも直接的に前記動力配分伝動装置に供給され、
前記動力配分伝動装置の第１動力分岐が少なくとも前記駆動ラインの前記出力シャフトに動力を直接的に転送し、
前記流体力学的サーボ変換器の前記ポンプ・ホイールが少なくとも前記駆動ラインの前記出力シャフトと直接的に接続され、
前記流体力学的サーボ変換器の前記タービン・ホイールが少なくとも前記動力配分伝動装置の前記第２動力分岐と直接的に接続されて、流動バック動力を前記動力配分伝動装置にもたらし、
前記動力配分伝動装置及び前記流体力学的サーボ変換器の組み合わせが、原則として、最適動力速度誘導での動力入力のものと同一特性を特徴とし、
万一前記駆動ラインの前記入力シャフトの速度が特定の閾値レベルを超えれば、前記流体力学的サーボ変換器の前記反作用部材が、前記駆動ラインの前記入力シャフトが前記駆動ラインの当該入力シャフトによって受け取られた運動量の関数である中間速度が付与されるように設定されることから成る駆動ラインを制御する方法。
【請求項２】
前記駆動ラインの前記入力シャフトの速度に対する閾値範囲が、前記風力ロータが特定のノイズ・レベルを超えないように為すべく選択されることを特徴とする、請求項１に記載の駆動ラインを制御する方法。
【請求項３】
前記駆動ラインの前記入力シャフトの速度が特定の閾値レベル範囲以上で本質的には一定であることを特徴とする、請求項１或は２に記載の駆動ラインを制御する方法。
【請求項４】
前記駆動ラインの前記出力シャフトが本質的に一定速度で回転することを特徴とする、請求項１或は２に記載の駆動ラインを制御する方法。
【請求項５】
前記風力タービンと該風力タービンによって駆動される前記駆動ラインが動力入力に関して本質的に同一速度感度を実証していることを特徴とする、請求項１乃至４の内の何れか一項に記載の駆動ラインを制御する方法。
【請求項６】
前記閾値レベル範囲がサイズに関して変動しているように規定され得ることを特徴とする、請求項１乃至５の内の何れか一項に記載の駆動ラインを制御する方法。
【請求項７】
前記閾値レベル範囲の設定によって、前記システムにおける変動する柔軟性及び短期エネルギー貯蔵の構成が規定されることを特徴とする、請求項１乃至６の内の何れか一項に記載の駆動ラインを制御する方法。
【請求項８】
あらゆる作業点において、風力ロータに対する放物線状流動進行が存在していることを特徴とする、請求項１乃至７の内の何れか一項に記載の駆動ラインを制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風力マシン或は水力マシン等の流体流動動力エンジンから動力を受け取り、それを発電機に転送する駆動ラインであり、速度誘導、動力衝撃低減を短期エネルギー貯蔵の柔軟性と共に特徴とする駆動ラインに関する。
【０００２】
発電機の駆動に対して風力及び水力等の自然資源を利用する流体流動動力エンジンは出力転送と云う点で駆動ラインを特に要求している。典型的には、ひどく揺動する出力収量が駆動ラインの入力シャフトでの一時的な流動プロセスで利用可能である。付加的には、流体流動媒体の運動エネルギーの風力モータ或は水力タービン等の動力取り入れの運動エネルギーへのエネルギー変換中、特性及び力学に関わる特定の問題を考慮しなければならない。したがって、流体流動動力エンジンの駆動ラインの入力シャフトには、システム固有の出力変換特性が存在する。この特性は、例えば空気や水といった媒体の特定の速度に対し、最適な回転速度／回転運動量比を動力取り込み部の高速運転の総計に応じて割り当てるが、この高速運転の総計は、更に、動力入力装置の大きさや設計に依存している。
【０００３】
もし駆動ラインが電力供給グリッドに電気的エネルギーを供給する発電機を駆動する場合、ネットワーク周波数が一定レベルを支配的に実証することを考慮しなければならない。ネットワーク周波数における揺動は非常に小さな程度のみ存在するが、それはこの大きさがネットワーク自体から直接的に引き出されるからである。
【０００４】
駆動ラインの先行して記載された要件は風力プラントの場合に特に成立する。ここで、可変動力入力が風力エンジンによって取り入れられ、加えて、気流から最適な機械的エネルギーを抽出できるように為すために、風力ロータが風速に依存する特定の回転速度で特徴付けされる必要がある。それ故に以下において、風力プラントの例を用いて、動力衝撃低減及び短期エネルギー貯蔵を伴う速度誘導された駆動ラインに関わる問題が説明される。
【０００５】
もし、最初に、風力プラントの駆動ラインに対して為される要件は発電機側から考慮されれば、グリッドに対する発電機の接続に対する初期解決策は駆動ライン全体そしてそれによっての固定速度としての風力ローラを設計することであり得る。そうした固定速度風力プラントは、非同期発電機が使用されている場合、単純な形成及び方式で条件付スリップの原理に基づく電気的エンジンとしての電気的動力供給グリッドの電圧に接続され得る。これによって、速度不変性は風力ロータに対する伝動装置によって駆動ラインに伝達されて、風力ロータが変動する風速で且つ最適動力出力で移動しないように為す。固定速度風力プラントの特別な短所は、頻繁にある典型的な風条件の場合にそれらプラントが特に部分的に負荷された場合に、制限された効率のみで作動可能であることである。
【０００６】
もし一般風力プラントや特に部分的負荷範囲において可変速度で動作させられると、可変或は一定の出力速度の何れかでの駆動ラインを設計する可能性が生ずる。それによって、双方の場合、動力出力も一時的な変動運動量の理由で一時的に変化可能である。
【０００７】
その第１の場合は、必要とされる周波数で発電機を起動するような、或は、既存のグリッド周波数の差を補償して可変速度発電機を可能とするような周波数変換器の風力プラントでの使用に至る。しかしながらこの構成はここで図示されるタスクから我々を遠ざけ、規制及び制御回路の複雑性、周波数変換器において風力ロータの放物線状特性をマッピングする困難性、周波数変換器による規定された発電機特性曲線の頑強性等々の困難性であり、環境的負荷、例えば低い調和負荷及び無効電力の発生等の極端に精密な手段によってのみ動作可能なグリッド供給品質の動作信頼性に関する低レベルの困難性が特に付随される。
【０００８】
第２の場合、即ち風力プラントの可変ロータ速度を周波数変換器無しで一定の発電機速度と接続する場合は、可変入力速度及び一定出力速度を伴う可変動力転送に対する駆動ラインのここに説明される中心問題を表す。この問題への既知の解決策は、特に風力プラントに対する解決策は、機械的動力を複数の分岐に分割すべく使用されるオーバーレイ伝動装置を展開することである。可変速度風力プラントの場合、これに基づく２つのケースが知られており、それらは発電機周波数を一定レベルに保持するために使用される。
【０００９】
第１システムにおいて、入力動力は大きな発電機と小さなサーボ・モータの間のオーバーレイ伝動装置を介して配分され、それによって入力動力の約３０％がサーボ・モータに中継されることが一般的である。発電機は固定速度でグリッドと接続されるか、或は、当該発電機に機械的に結合された補助発電機を介して供給される。発電機速度を安定化するために、サーボ・モータはモータとして動作させられるか或は変動する周波数での発電機として動作させられる。この種のシステムにおいて、同一問題が周波数規制発電機に存在する。
【００１０】
第２システムは、流体力学的に動作し、このシステムでは電気的サーボ・モータが使用される代わりに流体力学的ポンプやモータが使用される。ここでもまた、難しい規制特性、特に反応及び関連絶対期間と顕著な非線形特徴の問題が生ずる。更に流体力学的システム構成要素はそれらの精巧な設計の理由より不利益がある。
【００１１】
電気的発電機との接続に対して流体流動エンジン用の駆動ラインに対する先に記載された要件に加えて、破壊的であると感知され得るノイズの発生を規定レベルまで低減するために、特に動力プラントとの関連においてロータ・ブレードの先端が特定の速度を超えていると想定されないと云う特異性が生ずる。それ故に風力ロータの径に依存して、それらの回転速度を特定の最大量まで、或は、風負荷に依存する特定の速度閾値以上に制限する必要があって、特定の最大レベルを超えない出来る限り接近した速度シーケンスであるが、例えば岸辺近くか或は岸辺から離れているか等の各箇所に依存して変動し得る特定の最大レベルを超えない出来る限り接近した速度シーケンスを指定する。この要求を達成するために、発電機に対する周波数変換器が使用され得て、その周波数による必要とされる速度を発電機に付与し、それによって風力ロータの速度を制限する。しかしながらこれは先に説明された解決策の使用をその短所の全てと一緒に必要とする。
【００１２】
周波数変換器を用いると、駆動ラインによって中継されたトルクの変動を介して風力モータの実質的に一定に維持された速度も可変動力を発電機に中継できる可能性が生じ、その動力は気流の有効な運動エネルギーに依存する。しかしながら、利用された変換器テクノロジーの理由によって、これまで指定された公称曲線に沿っての固定速度誘導のみが達成され、それ故に特に風流動における短期揺動に反応することができないと云う短所がある。その結果、突風から生ずる負荷衝撃は短期速度変更によって補償され得ず、そしてその結果、発電機や機械的構造に対して直接的な影響を有する。これは特に、負荷蓄積とそれに接続された風力プラントの動作期間に関して短所であると見なされる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明に基づくタスクは流体流動エンジン用の駆動ラインを指定することであり、特に、速度誘導を許容する風力及び水力のエンジン用の駆動ラインを指定することである。これによって一方では、発電機の駆動に対する駆動速度はグリッドからの影響によって一定にされるように想定され、そして他方では、入力シャフトに対する速度が入力された運動量に依存する特定の公称シーケンスに制限されるか、或は、決定された一定レベルに制限される。特に全負荷の動作条件下では、駆動ラインの入力側速度が制限されている最中、その駆動ラインは反作用に関して充分な柔軟性によって、駆動ラインの入力に対する短期動力揺動の支配を和らげてそれらを利用することができるようになる、エネルギーの短期貯蔵を実行すべく過負荷中の能力を特徴するように想定されている。
【００１４】
この問題に解決策を提供するために、本発明者は、各種要件に従った駆動ラインが、動力配分伝動装置と流体力学的サーボ・トルク変換器との組み合わせから成るように構成されるべきであることを最初から認識した。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
動力配分伝動装置の入力シャフトは、そのように行う点に関して、例えば風力ロータを伴う風力プラント用、或は、適切なタービンを伴う水力プラント用の流体流動エンジンの動力入力と少なくとも直接的に接続される。動力入力と動力配分伝動装置への入り口との間の可能性ある中間要素として、例えば伝動装置が利用され得るが、固定結合も可能である。
【００１６】
可変伝動比を伴う遊星歯車伝動装置として構成され得る動力配分伝動装置において、２つの分岐が構築されている。第１動力分岐において、駆動ラインの出力シャフトは風力ロータによって提供される機械的動力で駆動され、それによってこの出力シャフトは発電機と少なくとも直接的に接続される。これによって必要とされることは、発電機駆動のための出力シャフトが一定速度以上で回転することである。これを達成するために、ポンプ・ホイールを伴う流体力学的変換器は駆動ラインの出力シャフトから少なくとも直接的に駆動され、それによって出力シャフト及びポンプ・ホイールの間に直接結合が存在する。これの前提条件は、出力シャフトが、入力シャフトの速度との比較によって相当程度より高い速度での動力配分伝動装置における転送によって供給されることである。発電機に対する典型的な速度は例えば１５００Ｕ／分である。出力シャフト上のこうした高い回転速度によって、同様にして、流体力学的サーボ変換器の実効的動作も可能となる。
【００１７】
風力プラントが始動すると、先ず駆動ラインの入力シャフト及び出力シャフトは該出力シャフトと接続された発電機がその公称速度レベルに到達するまで加速し、発電機が結合された電気的グリッドとの同期が実施され得る。そうして到達した公称動作条件において、グリッド周波数は発電機そしてそれ故の駆動ラインの出力シャフトに指定された公称速度を付与する。
【００１８】
流体力学的サーボ変換器の反作用部材の位置、典型的な環境下ではグリッド・ブレードを伴うステータの位置とは独立して、ポンプと該ポンプと接続された動力転送の特殊な動力入力が流体力学的サーボ変換器のタービン・ホイール上に生ずる。これは、気流から風力ロータの運動エネルギーへのエネルギー変換から生ずるシステムに固有の特性とサーボ変換器のシステム特性との理由から、動力配分伝動装置と流体力学的変換器の反作用部材とにおける変換比が、一般にオーバーレイ伝動装置と関連するサーボ変換器のシステムに固有であると共に特に風力タービンの部分的負荷範囲に固有の規制効果の理由から、駆動ラインの出力シャフト上に付与された一定発電機速度を伴う入力シャフトに対する風力ロータ用の最適入力速度が達成され得る。これは、流体流動エンジンとしての風力ロータ及びサーボ変換器の特徴、速度／動力及び速度／運動量の同一特性と、それらのシステムの振る舞いの調和の理由で、そしてそうした同等振る舞いパターンが必要されると云う事実を含む。
【００１９】
更なる段階で、駆動ラインの入力シャフトに対する回転速度限界に到達するために、変換器の調整は反作用部材によって請け負われて、流体力学的サーボ変換器に対する変更速度トルクがそれ自体を調整し、それによって動力配分伝動装置における新変換比も生じ、それが本発明に係る駆動ラインの入力シャフトの自己調整に至り、それによって風力ロータに対して特定速度トルク比内となる。この発明に係る方法に従えば、放物線状特性の故意のシフトと、それによって駆動ライン内の流体力学的サーボ変換器の「調整解除」とによって、実際には気流の最適動力を利用することができないが、特定の選択された回転速度を受け入れる風力ロータに対する誇張された対抗運動量が構築される。
【００２０】
この方法で、風力ロータの回転速度が、ノイズの発生に対して臨界的である閾値速度領域下方のレベルに保持されることが上首尾の内に達成され得る。代替的には、風力ロータにおける特定の速度が超越される場合、特定の調和された速度限界曲線が設定され、それは風力ロータに付与された気流からの運動量に排他的に依存する。風力ロータに対するそうした付与された速度シーケンスは、例えば、明らかに急峻で多かれ少なかれ一定として選択され得るか、或は、同様に、風力の増大に伴って、速度に関する特定の増大を許容することも可能であり、それは本発明に係る駆動ラインのシステムにおける固有の柔軟性を付加的に支援する。
【００２１】
出力シャフトからの受け取りと動力配分伝動装置に対する動力還流を伴う動力配分伝動装置及び流体力学的サーボ変換器を有する駆動ラインは、機械的伝動装置構成要素の配置によって放物線状流動進行に非常に似た特徴を有する風力ロータの最適な受け取り特性が駆動ラインによってマッピングされるように設計されている。駆動ラインにおけるそうした調整可能性に対して、流体力学的サーボ変換器の反作用部材、可変動力入力、最適速度に沿っての風力ロータの動力入力への誘導、一定発電機速度等の原則として非変動調整が達成され得る。この効果はレイアウトに単純に依存する駆動ラインの出力速度の自己規制に至り、以下に説明され得るものであり、即ち動力の動力配分伝動装置への流動バックを許容する流体力学的変換器は同様に放物線状特性を特徴とする。流体力学的サーボ変換器は反作用部材のシフトによって「調整解除」され、駆動ラインの転送振る舞いは新速度−トルク特性曲線に移転され、それは気流に依存して、通過させられると共に放物線状特性を特徴とする。
【００２２】
風力ロータの特定速度、例えば所定の速度閾値以上の一定速度の設定のため、流体力学的サーボ変換器の反作用要素を介して特定調整を選択する必要性があり、結果として特定の新作業点となる。この発生に基づき、各選択作業点が近似的な放物線状特性曲線上に横たわり、突風の結果として生ずる動力入力における短期揺動に対して、駆動ラインの先行して記載された自己規制特性は各場合において選択された作業点をつかむ。一方においてこれは発電機や駆動ラインの全体機構に対する突風からの衝撃のクッションに至る。他方、突風の影響下、駆動ラインの入力速度に対して、特定程度まで加速され、それによって、風力ロータ及び駆動ラインの加速に対して、駆動ラインにおける運動量増大の低減に至り、発電機におけるエネルギー生産の短期揺動領域を低減し、それによって突風が治まった後の入力速度に関して駆動ラインが、その自己規制特性の理由から、再び選択作業点に戻り、現行の付加的運動エネルギーを風力ロータから発電機への駆動ラインまで引き渡す。
【００２３】
以下、本発明に従った方法は図面を参照することによってより明確に記載されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
風力プラントのロータ動力ｐＲは風速ｖＷとの以下の関係において近似的には数式１の通りである。
【数１】
2005180425.tif 000003
【００２５】
ここでｋは、要約すれば、空気密度と共にブレード形状等の様々な定数を言及している。更にｃｐは、風速ｖｗ、ロータ速度ωＲ、並びに、ロータ・ブレードの角度位置、所謂、ピッチ角βに依存する図示されたような動力係数を言及している。この動力係数は、風速ｖｗの増大に伴ってより大きなロータ速度ωＲにシフトするグローバル最大値によって識別される。
【００２６】
この関係は、図２における様々な風速を考慮した場合の風力ロータの実効的な動力の図示で示される。そこには、風速１８ｍ／ｓ、１６ｍ／ｓ、１４ｍ／ｓ、１２ｍ／ｓ、８ｍ／ｓに対する一定ロータ・ブレード位置での７０ｍ径を有する風力ロータによって気流から取り入れられた動力を例示的に示す複数の曲線（連続的に描写された曲線）から成る配列がある。特性は、風速の増大と伴ってより高レベルでの最適ロータ速度のシフトである。各場合において、動力最大は放物線又はパラボラとしても示される曲線上に横たわっている。最適動力入力のこの曲線に沿っての速度誘導は、本発明に係る駆動ラインの入力シャフトに対する動力最適速度誘導として以下に指定される。このようにして、可変速度プラントは、最適動力係数で各場合において有効である風速に依存して作動され得る。部分的な負荷での可変速度動作に加えて、特定の公称動力用に典型的には据えられた風力プラントは、各場合において全負荷で達成され且つそこに保持される公称速度と接続される。
【００２７】
図２において描写された曲線の点線配列を見ることによって風力ロータのトルクを見ることができる。描写されたようなトルク・流動進行は各場合において風速に依存する動力に割り当てられ、即ち、各トルクに属する最適な動力速度は問題とされる風速で最大トルクを表さず、異なる値を想定している。これに関しては図２における肉太印刷された速度入力曲線を参照すること。風力ロータによるトルク入力で、発電機は本発明に係る駆動ラインを介して始動される。同期発電機に対するトルク／速度比が図示されている図２から明白なことは、様々な異なる転送トルクのための駆動ラインの駆動シャフト上における５０Ｈｚの付与グリッド周波数に対して、この例では１５００Ｕ／分出力側の一定速度が規定され且つ保持され得る。もし、同期発電機の代わりに、非同期発電機が使用されれば、事情は周囲の状況に割り当てられるように実証し、その理由は、線形領域での動作中、出力は急峻なトルク／速度比からであり得て、駆動ラインの駆動シャフト速度は殆どの部分に対して一定レベルで特徴付けられることなる。
【００２８】
図１は本発明に従った駆動ライン１の可能な設計レイアウトを示し、ロータ３に伴う入力シャフトは風力マシンのロータ３と少なくとも直接的に接続されている。提示されているこの場合、一定伝動比を有する伝動装置４は風力マシンのロータ３と入力シャフト２の間に据えられている。図示されたこの実証的な例において、遊星歯車伝動装置６が駆動ライン１の動力配分伝動装置５として使用され、それによって入力シャフト２が遊星歯車伝動装置６と接続されている。動力配分伝動装置において、２つの動力分岐が存在し、第１動力分岐７が動力を太陽ホイール９を介して駆動ラインの出力シャフト１０へ導いている。この出力シャフト１０は、少なくとも発電機１１を直接的に励起し且つ実効的に流体力学的なサーボ変換器１２と接続している。これに加えて、出力シャフト１０は少なくとも流体力学的サーボ変換器１２のポンプ・ホイール１３と直接的に接続されている。反作用部材１５として、位置決めブレードを伴うステータが流体力学的変換器１２内に使用され、そのブレードで、動力流動はタービン・ホイール１４上に設定され得る。タービン・ホイール１４を介して、動力流動バックが生じ、それが再び第２の固定遊星歯車組１６を介して転送されるが、その固定遊星歯車組はその一部で動力配分伝動装置５にその効力を発揮し、それによって速度比に影響している。これは、動力バック流動に供する動力配分伝動装置の第２動力分岐１８を説明している。
【００２９】
本発明に係る駆動ラインは、動力配分伝動装置における機械的転送の選択によると共に変換器の大きさによって、最適動力取り入れの放物線状特性曲線が風力ロータ３によって模倣されるように、設計に関して形成される。これに対する出発点は、あらゆる風速に対して、気流からの最大動力取り入れに対する理想的なロータ速度が挿入され得る。この点は図２に対する先行する記述が参照される。同時に更なる条件として、発電機に対する駆動ラインの一定出力速度も指示される。提示されているこの場合、これは１５００Ｕ／分に横たわる。例えば出力ホイール及び太陽ホイール等の動力配分伝動装置の伝動装置構成要素の必須の循環速度は、部分的な負荷範囲における各風速に対するこれら明細を考慮して設定され得る。この件に対して駆動ラインが、原則として流体力学的サーボ変換器１２の反作用部材１５の位置の一定保持に対する放物線状動力取り入れ特性を模倣しなければならないことを考慮すべきである。
【００３０】
図３は、駆動ライン内に設定された複数の速度と動力を転送している個々別々の分岐内におけるそれら速度が図示されている。各場合において、曲線Ａは出力シャフト１０の速度を示し、曲線Ｂは流体力学的変換器１２のタービン・ホイール１４の速度を示し、曲線Ｃは入力シャフト２の速度を示し、そして、曲線Ｄは動力配分器５の外側ホイール１７の速度を示している。動力流動に対して、曲線Ｅは風速ロータから取り入れられた動力を図示し、曲線Ｆは太陽ホイール９の動力である。曲線Ｇは駆動ラインによって転送された動力であり、そして、曲線Ｈは流体力学的変換器１２から動力配分伝動装置５への第２動力分岐１８を介して戻ってくる動力をあらわしている。
【００３１】
図４はこの実施例に対する動力流動と、提示されているこの場合ではステータの流体力学的サーボ変換器の反作用部材の設定とを再度示している。動力流動曲線Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈは図３からのものを表している。理解して頂けるように、駆動ラインの特性によって模倣され得る放物線に沿っての最適動力取り入れで、誘導翼位置の一貫した平行レベルで、図示される部分的負荷範囲全体にわたって作業することが可能である。この設定は、これ以降、流体力学的変換器の調整済み設定として指定される。それ故に反作用部材の規制は、同時可変の最適風力ロータ速度で発電機の供給に対する、駆動ラインの出力速度の一定レベルに達成する必要性が全くない。ここで指摘しなければならないことは、動力取り入れを特徴付ける放物線の急峻性は、動力配分伝動装置の構成要素の転送規模と共に変換器の大きさによって設定され得る。本発明に係る駆動ラインのこの特性は、これ以降、自己規制と呼称される。
【００３２】
図５は、特定速度領域以上である特定の公称速度を風力ロータに付与するために、そして特にこの速度閾値以上の一定速度で保持するために、最適動力入力放物性が流動力学的サーボ変換器の調整解除によって放置されている場合を図示している。この図示された曲線アレイは様々なステータ位置（Ｈ＝０．２５〜１．０）を表している。提示されているこの場合、流体力学的サーボ変換器はＨ＝０．２５のステータ位置で調整されている。
【００３３】
閾値速度より低く、提示されているこの実施例において１５．５ｒｐｍに横たわる速度は理想的な動力取り入れ放物線に従っている。これは風流動からの最適動力取り入れでの風力タービンに対する速度誘導の先行して図示された状況を表し、それによって同時に駆動ラインの出力シャフト上の発電機の要求された一定速度に固守される。
【００３４】
１５．５ｒｐｍの提示されているこの場合での閾値速度以上において、流体力学的サーボ変換器の反作用部材のシフトによって駆動ラインは、風力ロータの全システム及び駆動ラインが新動力取り入れ放物線上の新作業点にラインアップされるように設定される。これによって駆動ラインの出力速度とそれによる発電機の速度は一定のまま維持され続ける。
【００３５】
図５から理解して頂けるように、流体力学的サーボ変換器の調整解除によって様々な異なる作業点が選択され得る。これは風力タービンの速度に対する設定を為す可能性を明らかにし、最も単純な場合、速度はこのように制限され、しかしながら同様に、風力タービンを介して取り入れられたトルクに依存する曲線に沿って風力タービンの所望速度に対する作業点を設定することも可能である。このように、特に駆動ラインの柔軟性を風力プラントの全負荷動作の限界に適合することができる。
【００３６】
変換器の調整解除によって設定された各作業点まわりに、変動風速で通過させられる放物線状動力取り入れ特性が生ずる。この状況は図５に図示されている。これによって、特定の作業点の設定がゆっくりと引き受けられ得て、即ち数分の範囲内で引き受けられ得て、中間風速に依存することが考慮されるべきである。各場合において駆動ラインのシステム特性によって補償されることになるこの作業点のまわりの可能性ある変動は、特に風輪郭において生ずるような突風からの変動等の短期効果である。変動のこの幅は作業点における所望速度の±３０％以下、より好ましくは±１０％以下、特に±５％以下を超えるべきではない。
【００３７】
先の本発明に係る方法によって、機械的な流体力学的駆動ラインの調整解除によっての風力タービンの速度閾値は動力配分伝動装置及び流体力学的サーボ変換器による動力取り入れの特性に適合され、部分的負荷、他の動作点、高い柔軟性によるノイズ展開の限界に対する速度の制限、並びに、駆動ラインの自己規制特性の間でのクロスオーバー中、風力タービンの密閉を組み合わせることは上首尾のうちに可能である。特に後者は、図６に示されるように、変換器によって制御される発電機が駆動ラインの動力除去に対して生成する運動量による密閉を伴うシステムとは対照的に突風が生ずる際の長所である。
【００３８】
図６において、相対的な風速の移送を通じての一時的な流動進行における突風の発生が個々別々に示されている。反作用として、本発明の方法に従って制御される駆動ラインを伴うシステムと完全に固定されたレイアウトを伴うシステムとの間での比較が為される。固定レイアウト・システムは突風から生ずる付加的な運動量の衝撃と風力タービンに対する衝撃とを和らげなければならず（曲線１に従ったトルク流動進行を参照のこと）、他方、本発明に係るシステムは単に作業点を動力取り入れ放物線に沿って放置し、突風の結果、速度に特定の上昇が生じ（曲線ＩＶ）、それによって風力ロータ及び伝動装置の慣性モーメントによる付加的な動力取り入れも生じて、駆動ラインにおける運動量の実質的な低減を実証し（曲線ＩＩ）、それは駆動ラインのレイアウトに対する過負荷の場合を実質的に低減している。本発明に係る駆動ラインはそれによって動力衝撃低減によって識別される。突風後、風力ロータの速度は作業点の設定の自己規制効果を考慮して再度平均化され、風力ロータにおける付加的な既存の運動エネルギーや駆動ラインは発電機へ渡される。これとは対照的に、固定システムは突風が生じた際に付加的な動力を何等取り入れない。明かなことは、本発明に係るシステムは実質的により柔軟に反応し、これは特に過負荷の場合のレベルにおける低減のために風力プラントの動作寿命スパンに対する長所である。この効果は機械的な流体力学的駆動ラインの短期エネルギー貯蔵に帰するべきものである。
【００３９】
図７ａに示されるような典型的な風輪郭を出発点として考慮すれば、適切に電気的制御された従来システムＩＩを本発明に係る駆動ラインＩと比較することができる。図７ｂはロータ速度の流動進行を示し、本発明に係る駆動ラインＩがより低い速度偏向を特徴としていることが明かとなる。更には、図７ｃから理解して頂けるように、電気的制御システムとは対照的に、発電機速度が一定レベルで実質的な程度まで保持され得ることである。加えて図７ｄが示すことは、本発明に係る駆動ラインＩで、動力衝撃を動力自体に変換することが可能であることであり、それによって明らかに相当により平滑なトルク流動進行を達成できることである。
【００４０】
図８は風力プラント用の駆動ラインに対する様々な異なる制御要件を要約している（放物線状、ノイズ制限且つ動力衝撃低減を伴う短期エネルギー貯蔵）。特定の閾値速度以上での風力ロータのノイズ展開の制限に対する風力ロータの最適な動力速度誘導は放棄され、駆動ラインの入力シャフトの速度がより急峻な流動進行曲線に沿って誘導される。本発明に係る駆動ラインの重要な長所は、そのロータ速度公称流動進行のあらゆる作業点において、自己規制の特性が起動され、そうして、短期エネルギー貯蔵及び動力衝撃低減が達成される。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明に従った、出力側におけるサーボ変換器を伴う動力配分風力プラントの概略図である。
【図２】図２は、風力プラントにおける最良点での実効的な動力流動を概略的に示す。
【図３】図３は、風力タービン速度に依存する機械的な流体力学的駆動ラインの個々別々の分岐の動力流動及び速度を示す。
【図４】図４は、風力タービン速度に依存する機械的な流体力学的駆動ラインの反作用部材の動力流動及び設定を示す。
【図５】図５は、特定の速度閾値範囲以上の風力タービンの特定の公称速度を伴う作業点の設定を示す。
【図６】図６は、オーバーレイ伝動装置及びサーボ変換器による固定速度及び可変速度の動作での誘導された風力タービン速度での風力プラントにおける突風の影響を示す。
【図７ａ】図７ａは、既存の解決策による周波数変換器及び一定変速比を伴う風力プラントと、出力側におけるサーボ変換器を伴う動力配分風力プラントの駆動ラインにおけるトルク影響の比較を示す。
【図７ｂ】図７ｂは、既存の解決策による周波数変換器及び一定変速比を伴う風力プラントと、出力側におけるサーボ変換器を伴う動力配分風力プラントの駆動ラインにおけるトルク影響の比較を示す。
【図７ｃ】図７ｃは、既存の解決策による周波数変換器及び一定変速比を伴う風力プラントと、出力側におけるサーボ変換器を伴う動力配分風力プラントの駆動ラインにおけるトルク影響の比較を示す。
【図７ｄ】図７ｄは、既存の解決策による周波数変換器及び一定変速比を伴う風力プラントと、出力側におけるサーボ変換器を伴う動力配分風力プラントの駆動ラインにおけるトルク影響の比較を示す。
【図８】図８は、風力プラントに対する駆動ラインに為された規定需要を示す。
【符号の説明】
【００４２】
２    入力シャフト
３    ロータ
４    伝動装置
５    動力配分伝動装置
６    遊星歯車伝動装置
９    太陽ホイール
１０  出力シャフト
１１  発電機
１２  流体力学的サーボ変換器
１３  ポンプ・ホイール
１４  タービン・ホイール
１５  反作用部材
１６  固定遊星歯車組
【図１】
2005180425.tif 000004
【図２】
2005180425.tif 000005
【図３】
2005180425.tif 000006
【図４】
2005180425.tif 000007
【図５】
2005180425.tif 000008
【図６】
2005180425.tif 000009
【図７ａ】
2005180425.tif 000010
【図７ｂ】
2005180425.tif 000011
【図７ｃ】
2005180425.tif 000012
【図７ｄ】
2005180425.tif 000013
【図８】
2005180425.tif 000014
【外国語明細書】
1. Title of Invention
Drive line for Fluid Flow Power Engine with Speed Guidance, Power Impact Reduction and Short-term Energy Storage.
2. Detailed Description of Invention
The invention refers to a drive line  which picks up power from a fluid flow power engine, such as a wind or water power machine, and  transfers this to an electrical generator and which features a speed guide, a power impact reduction as well as a short-term energy storage facility. 
Fluid flow engines which avail themselves of natural resources such as wind and water power, for the drive of an electrical generator make particular demands upon a drive line in terms of output transfer. It is typical that a heavily fluctuating output  yield is available in the temporal flow process  at the input shaft of the drive line. Additionally, there must be taken into account the  particular problems involved in  the characteristics and dynamics during the energy conversion of the kinetic energy of the  fluid flow medium into the kinetic energy of the power intake, such as a wind power motor or a water power turbine.  There thereby exists on the input shaft of a drive line for  fluid flow power engines a system-inherent characteristic for the output conversion, which allocates a particular flow speed of the medium present (e.g. air and water) an optimal revolution speed/revolution momentum ration according to the rapid-run count for the power intake, which, in its turn, is dependent upon the geometry and the design of the power input facility. 
If it is the case that the drive line drives an electrical generator which feeds electrical energy into an electrical power supply grid, then it must be taken into account that the network frequency predominantly demonstrates a constant level. Fluctuations in the network frequency exist only to a very small extent since the dimension of this is drawn directly from the network itself.  
The previously described  requirements of a drive line are in particular in existence in the case of wind power plant. Here a variable power input is taken in by the wind power engine, in addition the wind power rotor has to feature a certain revolution speed which is dependent upon the wind speed in order to be 
able to extract optimal mechanical energy out of the air stream. In the following therefore there will be illustrated, using the example of a wind power plant, the problems involved in a speed-guided drive line with power impact reduction and short-term energy storage. 
If, initially, the requirements made upon a drive line of a wind power plant are considered from the generator side, then an initial solution for the connection of an electrical generator onto the grid can be to design the entire drive line and thereby also the wind power rotor as fixed-speed. Such fixed-speed wind power plants can, when non-synchronous generators are being used,  be connected  in a simple form and manner to the voltage of an electrical power supply grid as electrical engines based upon the principles of conditional slip. Hereby the speed constancy will be  conveyed to the drive line by the  transmission on the wind rotor, so that the wind rotor  does not travel at its optimum power output at varying wind speeds.  It is a particular disadvantage of fixed-speed wind power plants that they,  in particular when partially loaded, which is frequently the case with typical wind conditions, can only be operated with limited efficiency. 
If a wind power plant in general, and in particular in the area of partial loading, is operated with variable speeds, then  there arises the possibility of designing  a drive line with either variable or constant output speed. Thereby, in both cases, the power output is also temporally changeable on account of the temporally varying momentum. 
The first case leads to the use in wind power plant of frequency converters which motivate the generator with the required frequency or, respectively,  provide compensations to the difference of the existing grid frequency and thereby make possible a variable-speed generator. This formulation however leads us away from the task herein illustrated and is particularly invested with difficulties, such as the complexity of the regulation and control circuits, the difficult to map parabolic characteristics of the wind rotor in the frequency converter, the stiffness of the defined generator characteristic curve  by the frequency converter, of the  low level of operational reliability in cases of high environmental burdens, a grid feed-in quality which can only be operated by extremely elaborate means such as e.g. low harmonic loading  and the production of reactive volt-amperes. 
The second case,  namely to connect a variable rotor speed of the wind power plant with a constant generator speed without frequency converter,  represents the topic here illustrated of a drive line for the transfer of a variable power with a variable input speed and constant output speed. The known solutions to this problem, in particular for wind power plant, deploy an overlay transmission which is used to split the mechanical power up into branches. In the case of variable-speed wind power plants there have become known two cases based upon this and which are used in order to keep the generator frequency at a constant level. 
In the first system the input power is distributed via the  overlay transmission between a large generator as well as a small servo-motor whereby it is generally the case that  approximately 30% of the input power is relayed to the servo-motor. The generator is connected at fixed-speed to the grid or is fed via an auxiliary generator which  is mechanically coupled to the generator. In order to stabilize the  generator speed the servo-motor is either operated as a motor or as a generator with varying frequencies.  In this kind of system the same problems exist as in the frequency-regulated generators. 
In the second system, which works hydrostatically, instead of the electrical servo-motor hydraulic motors and pumps are used. Here also the problems arise of a difficult regulation characteristic, in particular of a laziness of response and relevant dead periods as well as pronounced non-linear features. Furthermore the hydraulic system components are disadvantageous on account of their elaborate design. 
In addition to the previously described requirements for a drive line for fluid flow engines for connection to an electrical generator there arises in particular in connection with wind power plant the peculiarity that  the tips of the rotor blades are not supposed to exceed a certain speed in order to  reduce to a defined level the noise development which  can be perceived to be disruptive. Depending upon the  diameter of the wind power rotors, it is therefore necessary to limit their revolution speed to a certain maximum amount or, respectively, above a certain speed threshold, depending upon the wind-loading, to prescribe a speed sequence which, as near as possible, does not exceed a certain maximum level which however can vary, depending upon each location, for example whether an onshore or offshore location. In order to fulfill this stipulation a frequency converter on the generator can be used which  imprints the required speed by means of its frequency on the generator and thereby limits the speed of the wind power rotor.   This however requires the use of the solution  explained above together with all of its disadvantages. 
When using frequency converters the possibility arises that, where a substantially constantly sustained speed of the wind power motor via the variation of the torque relayed by the drive line, can also relay a variable power onto the generator, a power which is dependent upon the available kinetic energy of the airflow.  It is however disadvantageous that, on account of the  converter technology deployed,  hitherto only a fixed speed guide along a prescribed nominal curve could be attained and thus it is in particular not possible to react to short-term fluctuations in wind flow. As a consequence, loading impacts resulting from gusts of wind cannot be compensated for by means of a short-term speed alteration and, as a consequence, have a direct effect on the generator and the mechanical structures.  This is in particular to be  regarded as being disadvantageous in respect of the  loading accumulation and the  operating period of the wind power plant connected thereto. 
At the basis of the invention is the task is to indicate a drive line for fluid flow engines, and in particular for wind power and waterpower engines, which allows for speed guidance. Hereby, on the one hand, the drive speed of the drive line for the drive of an electrical generator is supposed to stay constant by means of the imprint from the grid, and on the other hand the speed on the input shaft shall be limited to a certain nominal sequence dependent upon the momentum entered in, or to a constant level decided upon. In particular, under operational conditions of full loading, during which the input side speed of the drive line is limited, the drive line is supposed to feature, by virtue of a sufficient softness in reaction, or , respectively, the ability during overloading to effect a short-term storage of energy, with which it is possible, in particular, to cushion the subjection to short-term power fluctuations on the input of the drive line, and also to utilize these. 
In order to provide a solution to this problem the inventor has initially recognized that a drive line  in accordance with the requirements  has to be constructed which consists of a combination of a power-distributing transmission with a hydrodynamic servo torque converter. 
The input shaft of the power-distributing transmission is, in so doing, at least directly connected with a power input  of a fluid flow engine, for a wind power plant this is, for example, a wind power rotor,  for a waterpower plant  the appropriate turbine. As possible intermediate elements between the power input and the entrance to the power-distributing transmission there can be deployed, for instance, transmission gears, but a fixed coupling is also possible. 
In the power-distributing transmission, which can, for example, be constructed as a planetary gearset transmission with variable transmission ratios, there are two power branches built in. In the first power branch the output shaft of the drive line is driven with a mechanical power provided by the wind rotor, whereby this output shaft is at least directly coupled with the electrical generator. It is hereby necessary that the output shaft for the generator drive turns over at a constant speed.  In order to achieve this a hydrodynamic converter with its pump wheel is at least directly driven from the output shaft of the drive line, whereby there exists a direct coupling between output shaft and pump wheel. A prerequisite of this is that the output shaft is fed by means of a transfer in the power-distributor transmission with a speed which is, by comparison to the speed of the input shaft, appreciably higher. A typical speed for the electrical generator is, for instance, 1500 U/min. With revolution speeds as high as this  on the output shaft it is, by the same token, possible to have an effective operation of the hydrodynamic servo-converter. 
When the wind power plant is started up, initially the input shaft and the output shaft of the drive line accelerate until the electrical generator which is connected with the output shaft attains its nominal speed level and a synchronization with the electrical grid into which the generator is coupled, can be effected. In the then attained normal operation condition the grid frequency imprints onto the electrical generator, and thereby onto the output shaft of the drive line, the prescribed nominal speed. 
Independently of the position of the reaction member of the hydrodynamic servo-converter, under typical circumstances a stator with guide blades, there takes place a specific power input of the pump and of the power transfer connected with it onto the turbine wheel of the hydrodynamic servo-converter. This has the consequence that, because characteristics inherent in the system emanating from the energy conversion  out of an airflow into the kinetic energy of a wind power rotor and the system characteristics of the servo-converter, the conversion ratios in the power-distributor transmission and the reaction member of the hydrodynamic converter can be adjusted in such a way that, by means of a regulation effect inherent in the system of the servo-converter in connection with the overlay transmission in general as well as in particular in the partial-loading area of the  wind power turbine, an optimal input speed for the wind power rotor on the input shaft with the imprinted constant generator speed on the output shaft of the drive line can be attained.  This is inclusive of the fact that  wind rotor and servo-converter feature, as fluid flow engines, the same characteristics of speed/power and speed/momentum and, on account of the concordance  of their system behavior,  and that such identical behavioral patterns are required. 
In order to reach a revolution speed limitation on the input shaft of the drive line, now, in a further step, the adjustment of the converter is undertaken by means of the reaction members in such a way that  an altered speed torque ratio on the hydrodynamic servo-converter adjusts itself and thereby also a new conversion ratio in the power-distributor transmission results, which in its turn leads to a self-adjustment of the input shaft of the invention-like drive line, and thereby for the wind power rotor,  in a certain speed torque ratio. After this invention-like procedure, there is built up by means of a deliberate shifting of the parabolic characteristics and thereby a “de-adjustment”  of the hydrodynamic servo-converter in the drive line,  such an exaggerated counter momentum for the wind power rotor that  this is indeed not able to take advantage of the optimal power of the airflow, however accepts a certain, selected revolution speed. 
With the procedure it can successfully be achieved that the rotation speed of the wind power rotor is kept to a level beneath the threshold speed field which is critical for the development of noise. Alternatively, when a certain speed in the wind power rotor is exceeded, a certain attuned  speed limitation curve sets in which is exclusively dependent upon the momentum from the airflow applying itself to the wind power rotor. Such an imprinted speed sequence on the wind power rotor can, for example, be selected as explicitly steep, more or less constant, , or, by the same token, it is possible also to permit, with increasing wind power, a certain increase in the speed, which  the inherent softness in the system of the invention-like drive line additional supports. 
The drive line with power-distributor transmission and hydrodynamic servo-converter with pick-off from the output shaft and power reflux onto the power-distributor transmission is designed in such a way that by means of the coordination of the mechanical transmission components the optimal pick-up characteristics of the wind power rotor, which  has features closely resembling a parabolic flow progression, are mapped by the drive line. For such an adjustment possibility in the drive line there can be achieved, for an in principle unvarying adjustment of the reaction member of the hydrodynamic servo-converter, a variable power input, the guidance of the wind rotor along the optimal speed to power input as well as a constant generator speed.  
This effect, which leads to a self-regulation of the output speed of the drive line which is simply dependant upon the layout, which can be explained as follows, namely that the hydrodynamic converter, which  allows power to flow back to the power-distributor transmission,  by the same toke features a parabolic characteristic. When the hydrodynamic servo-converter is “de-adjusted” by the shifting of the reaction member, then the  transfer behavior of the drive line is relocated to a new speed-torque characteristic curve, which then, in its turn, dependant upon the air flow speed can be passed through and also features a parabolic characteristic. 
For the setting  of a certain speed of the wind power rotor, for instance of a constant speed above a determined speed threshold,  it is necessary to select a certain adjustment via the reaction element of the hydrodynamic servo-converter and consequently a certain, new work point. On the basis of this occurrence there arises the advantage that each selected work point lies on an approximately parabolic characteristics curve, so that for short-term fluctuations in the power input, such as there could arise as a result of gusts of wind,  the previously described self-regulation characteristic of the drive line seizes in each case upon the  selected work point.  This leads, on the one hand, to a cushioning of the impact from gusts of wind on the electrical generator and the entire mechanism of the drive line. On the other hand it  is possible, under the influence of a gust of wind, for the input speed of the drive line to be, to a certain extent, accelerated, thereby there arises, for the acceleration  of the wind rotor and the drive line, a power input which  leads to a reduction of momentum increase in the drive line and reduces the short-term fluctuation field of the energy production in the electrical generator, whereby  the drive line in respect of its input speed after the dying down of the wind gusts, will, on account of its self-regulation characteristics, once again return to the selected work point and  hands over the currently present additional kinetic energy from the wind rotor and the drive line to the generator. 
Below the procedure according to the invention is more exactly described by reference to illustration figures.  The following are illustrated individually therein:
The rotor power ｐＲ  of a wind power plant is approximately in the following relationship to wind speed ｖＷ :
【式1】
2005180425.tif 000015
Hereby k refers to various constants such as, for example, the blade geometry as well as the density of the air summarized together.  Further ｃｐ refers to the power coefficient, which, in its turn, as illustrated, is dependent upon the wind speedｖＷ, the rotor speed ωＲ  and the angle position of the rotor blades, the so-called pitch angle β. This power coefficient distinguishes itself by a global maximum which, with increasing wind speeds  ｖＷ shifts to greater rotor speeds ωＲ5.

Figure 2 shows this connection through the illustration of the effective power of a wind rotor, taking into account various wind speeds. There is illustrated an array of curves (drawn-through curves) which  exemplarily show the power taken in from the airflow by a wind rotor with 70 m diameter at a constant rotor blade position for the wind speeds 18 m/s, 16 m/s, 14 m/s, 12 m/s, 8 m/s. Characteristic is the shifting of the optimal rotor speed at higher levels with increasing wind speed.  In each case the power maximums lie on a curve which is also designated as a parabola.  A speed guiding along this curve of the optimal power input is designated in the following as power-optimal speed guiding for the input shaft of the invention-like drive line. In this way a variable speed plant can be operated with dependence upon the  wind speeds available in each case at optimal power coefficients. In addition to the variable speed operation at partial loading, wind power plants which are typically laid out for certain nominal powers, connected with a nominal speed which is in each case achieved at full loading and is held there. 
From Figure 2 there is visible, by looking at the dotted array of curves as depicted, the torque of the wind rotor. The torque flow progressions as depicted are allocated in each case to the powers which are dependant upon the wind speed, i.e.  there belongs to every torque an optimal power speed which however does not represent the maximum torque at the wind speed in question, but  rather assumes a different value − refer on this to the bold-printed speed input curve in Figure 2. With the torque put in by the wind rotor the electrical generator is started via the invention-like drive line. From Figure 2 in which is illustrated a torque/speed ratio for a  synchronous generator it can clearly be seen that for an imprinted grid frequency of 50 Hz on the drive shaft of the drive line, for the various different transferred torques,  a constant speed of, in this example 1500 rpm output-side, was prescribed and  could be kept to. If instead of a synchronous generator, a non-synchronous generator is used, then  the situation will  demonstrate itself as appropriate to the circumstances, since  during operation in a linear field the output can be from such a steep torque/speed ratio that the speed of the drive shaft of the drive line will feature for the most part a constant level. 
Figure 1 shows a possible design layout of a drive line according to the invention 1, of which the input shaft with the rotor 3 is at least directly connected to the rotor 3 of a wind power machine. In the case submitted a transmission gear 4  with a constant transmission ratio is placed between  the rotor 3 of the wind power machine and the input shaft 2. In the demonstration example illustrated here a planetary gear transmission 6 is used as power-distributor transmission 5 of the drive shaft 1, whereby the input shaft 2 is connected to the planetary gear transmission 6. In the power-distributor transmission there are now two power branches in existence, the first power branch 7  leads power via the sun wheel 9 to the output shaft 10 of the drive line. This output shaft 10  energizes,  at the very least, directly the electrical generator 11  and  is in effective connection with the hydrodynamic servo-converter 12.  In addition hereto the output shaft 10 is, at the very least, directly connected with the pump wheel 13 of the hydrodynamic servo-converter 12. As reaction member 15 there is used in the hydrodynamic converter 12 a stator with positioning blades 
with which the power flow can be set onto the turbine wheel 14. Via the turbine wheel 14 there takes place, in turn, a power flow-back which once again is transferred via a second, fixed planetary gear set 16 which for its part exercises its effect upon the power-distributor transmission 5 and thereby influences the velocity ration. This illustrates the second power branch 18 of the power-distributor transmission which serves the power back-flow.
The invention-like drive line is now formed in design terms in such a way that by means of  the choice of mechanical  transfers in the power-distributor transmission as well as by means of the dimensioning of the converter, the parabolic characteristic curve of the optimal power intake is emulated by the wind power rotor 3. The point of departure for this is that for every wind speed there can be put in an ideal rotor speed for the maximum power intake out of the air flow. On this point  reference is made to the previous statement on Figure 2. As a further condition, at the same time, a constant output speed of the drive line for the electrical generator is also prescribed. In the case submitted this  lies at 1500 rpm. The necessary circulation speeds of the transmission components of the power-distributor transmission, for example the outer wheel and the sun wheel, can now be established taking into account these specifications for each wind speed in the partial loading area. On this matter it is to be taken into account that the drive line must emulate the parabolic power intake characteristics for an, in principle, constant holding of the position of the reaction member 15 of the hydrodynamic servo-converter 12. 
Figure 3 illustrates the speeds setting themselves into the drive line as well as these in the individual branches transferring power. In each individual case, the curve A shows the speed of the output shaft 10, curve B shows the speed of the turbine wheel 14 of the hydrodynamic converter 12, curve C shows the speed  of the input shaft 2 and the curve D shows the speed of the outer wheel 17 of the power-distributor 5. For the power flows the curve E illustrates the power taken in from the wind rotor, curve F is the power on the sun wheel 9, curve G  the power transferred by the drive line, and curve H gives the power flowing back
via the second power branch 18 from the hydrodynamic converter 12 onto the power-distributor transmission 5. 
Figure 4 shows once again the power flow for this execution example as well as the setting of the reaction member of the hydrodynamic servo-converter, in the case submitted, of the stator. The power flow curves E, F, G and H represent those from Figure 3.  It can be seen that  at an optimal power intake along the parabola, which can be emulated by means of the characteristics of the drive line, it is possible to work throughout the entire illustrated partial loading area, with a persistently even level of guide vane position. This setting is, hereinafter, designated as  the adjusted setting of the hydrodynamic converter.  Therefore no regulation of the reaction member is necessary to attain the constant level of the output speed of the drive line for the  feeding of the electrical generator at a simultaneously variable, optimal wind rotor speed. It must herewith be pointed out that  the steepness of the parabola characterizing the  power intake can be set by means of the transfer dimensioning of the components of the power-distributor transmission, just as well as by means of the dimensioning of the converter. This characteristic of the invention-like drive line  is hereinafter referred to as self-regulation. 
Figure 5 now illustrates the case that the optimal  power input parabola is left by means of the de-adjustment of the hydrodynamic servo-converter in order to imprint a certain nominal speed onto the wind power rotor which is above a certain speed threshold area  and, in particular, to hold it at a constant speed even above this speed threshold. The illustrated array of curves represents a variety of stator positions (H=0.25-1.0). In the case submitted the hydrodynamic servo-converter is adjusted at a stator position of H=0.25. 
Speeds which are lower than the threshold speed, which in the execution example submitted lies at 15.5 rpm, follow the ideal power intake parabola. This represents the previously illustrated situation of a speed guidance on a wind power turbine at the optimal power intake from the wind flow, whereby simultaneously
the constant speed demanded of the electrical generator onto the output shaft of the drive line is adhered to. 
Above the threshold speed, in the case submitted of 15.5 rpm, the line drive will, by means of a shifting of the reaction member of the hydrodynamic servo-converter,  be set in such a way that the entire system of wind power rotor and drive line are lined up in a new work point on a new power intake parabola. Hereby the  output speed of the drive line and thereby the speed of the electrical generator, continue to remain constant. 
From Figure 5 it can be seen that by means of the de-adjustment of  the hydrodynamic servo-converter various different work points can be selected.  This opens up the possibility of making settings for the speed of the wind power
turbine, in the simplest of cases the speed will  be  limited in this way, and by the same token it is however also possible to set the work points for the desired speed of the wind power turbine along a curve which  is dependant upon the torque taken in via the wind power turbine. In this way it is possible, in particular, to adapt the softness of the drive line to the limit of the full-loading operation of the wind power plant. 
Around each  work point which is set by means of the de-adjustment of the converter, there arises in its turn the parabolic power intake characteristic which is passed through at varying wind speeds. This situation is illustrated in Figure 5. It must, hereby, be taken into account that  the setting of a certain work point can be undertaken slowly, i.e. in an area of minutes, and is dependant upon medium wind speeds.  The possible fluctuations around this work point, which will in each case be compensated for by the  system characteristics  of the drive line, are short-term effects such as fluctuations, in particular from gusts of wind such as will arise in the wind profile. This width of fluctuation should not exceed anything smaller than ± 30% of the desired speed in the work point, preferably ± 10% and in particular ± 5%. 
By means of the invention-like procedure above a speed threshold of the wind power turbine by means of the de-adjustment of a  mechanically hydrodynamic drive line  otherwise adapted to the characteristics of the power intake with a power-distributor transmission and a hydrodynamic servo-converter it is successfully possible to combine a sealing off of the wind power turbine during the crossover between partial loading and other operational points and a limitation of the speed on the limitation of noise development with a high softness and a self-regulating characteristic of the drive line. In particular, the latter is, as shown in Figure 6, an advantage when wind gusts arise in contrast to systems with a sealing off by means of the momentum which an electrical generator controlled by a converter generates onto the power take-off side of the drive line. 
In Figure 6 there is shown individually the occurrence of a gust of wind in a temporal flow progression through the remit of the relative wind speed. As a reaction a comparison is made between  a system with a drive line controlled according to the invention-like procedure with a system with a completely fixed layout. The fixed layout system has to cushion the impact of  the additional momentum arising from the gust of wind and impacting upon the wind power turbine (refer torque flow progression according to curve 1)), whilst the invention-like system merely leaves the work point along the power intake parabola and, as a consequence of the gust of wind, there arises a certain rise in speed (curve IV) and thereby also an additional power intake by means of the moment of inertia of wind rotor and transmission and thereby demonstrates a substantial reduction of momentum (curve II) in the drive line, which  substantially reduces the cases of overloading  for the layout of the drive line. The invention-like drive line thereby distinguishes itself by virtue of a power impact reduction. After the gust of wind the speed of the wind power rotor evens out again on account of the self-regulating effect of the  setting of the work points and the additionally existing kinetic energy  in the wind rotor and the drive line are passed on to the generator.  In contrast to this, the fixed system takes in no additional power when a gust of wind arises.  It can be clearly seen that the invention-like system reacts substantially more softly, which is in particular of advantage for the operating life-span of the wind power plant because of the reduction in the level of cases of overloading. This effect is to be attributed to a short energy storage of the mechanically hydrodynamic drive line. 
Taking as the point of departure − a typical wind profile such as is shown in Figure 7a, it is possible to compare an appropriately electronically controlled state-of-the-art system II with the invention-like drive line I. Figure 7b shows the flow progression of the rotor speeds and  makes it clear that the invention-like drive line I features lower speed deflection. Furthermore it can be seen from Figure 7c that , in contrast to the electronically controlled system, the generator speed can be kept to a substantial extent at a constant level. In addition Figure 7d shows that with the invention-like drive line I it is possible to convert power impacts into power itself and thereby to achieve a clearly much smoother torque flow progression. 
Figure 8 summarizes the various  different control requirements upon a drive line for a wind power plant (parabolic, noise-limited and short-term energy storage with  power impact reduction). The  optimal power speed guidance of the wind rotor for a limitation of noise development of the wind power rotor above a certain threshold speed is abandoned and the speed of the input shaft of the drive line is guided along a steeper flow progression curve. An important advantage of the invention-like drive line is that  in every work point  of this rotor speed nominal flow progression the property of self-regulation  is activated and  thus a short-term energy storage and a power impact reduction are attained. 
3.Brief Description of the Drawings
Figure 1    is a schematic portrayal, according to the invention,  of a  power-distributor wind power plant with a servo-converter on the output side.
Figure 2    shows schematically the effective power flow at the best point on a wind power plant.
Figure 3    illustrates the power flows and speeds of the individual branches of the mechanical-hydrodynamic drive line as dependant upon the wind turbine speed. 
Figure 4    illustrates the power flows and the setting of the reaction member of the mechanical-hydrodynamic drive line as dependant upon the wind turbine speed.
Figure 5    shows the setting  of a work point with a certain nominal speed of the wind turbine above a certain speed threshold area.
Figure 6    shows the influence of a gust of wind  on a wind power plant with guided wind turbine speed in fixed speed and variable speed operation by means of overlay transmission and servo-converter. 
Figures 7a up to 7d    show the comparison  of the torque imprint in the drive line by means of the existing solution of wind power plants with  frequency converters and constant transmission gearing and a power-distributor wind power plant with a servo-converter on the output side.  
Figure 8    Regulation demands made upon a drive line for wind power plants
CLAIMS:
1.  Procedure for the control of a drive line the input shaft of which , at the very least,  is directly driven by a power input from a wind power or waterpower machine or from another flow power machine and of which the output shaft, at the very least, directly drives an electrical generator, whereby the output shaft rotates with a speed which is higher than the speed of the input shaft;
1.1  the generator is connected to an electricity grid which features an essentially constant grid frequency;
1.2  the drive line comprises a power-distributor transmission and a hydrodynamic servo-converter;
1.3  the power-distributor transmission comprises two power branches;
1.4  the hydrodynamic  servo-converter comprises a pump wheel a turbines wheel and an adjustable reaction member;
1.5  via the input shaft of the drive line power is, at the very least, directly fed into the power-distributor transmission;
1.6  a first power branch of the power-distributor transmission, at the very least, transfers directly power to the output shaft of the drive line;
1.7  the pump wheel of the hydrodynamic servo-converter is, at the very least, directly connected to the output shaft of the drive line;
1.8  the turbine wheel of the hydrodynamic servo-converter is, at the very least, directly connected with the second power branch of the power-distributor transmission and produces a flow-back power to the power-distributor transmission;
1.9  the combination of power-distributor transmission and hydrodynamic servo-converter features, as a rule, the same characteristics as those of the power input at optimal power speed guidance;
1.10  should the speed of the input shaft of the drive line exceed a certain threshold level, then the reaction member of the hydrodynamic servo-converter will be set in such a way that the input shaft of the drive line  will be imprinted with a medium speed which  is a function of the momentum picked up by the input shaft of the drive line. 
2.  Procedure for the control of a drive line as per claim 1, distinguished by the fact that the threshold area for the speed of the input shaft of the drive line is selected in such a way that the wind power rotor does not exceed a certain noise level.
3.  Procedure for the control of a drive line as per claims 1 or 2, distinguished by the fact that the speed of the input shaft of the drive line is essentially constant above a certain threshold level area.
4.  Procedure for the control of a drive line as per claims 1 or 2, distinguished by the fact that the output shaft of the drive line  rotates essentially at a constant speed.
5.  Procedure for the control of a drive line as per one of the claims 1 to 4, distinguished by the fact that the wind power turbine and the drive line driven by the wind power turbine demonstrates essentially the same speed sensitivity in power input. 
6.  Procedure for the control of a drive line as per claims 1 to 5, distinguished by the fact that the threshold level area  can be defined to be varying in size.
7.  Procedure for the control of a drive line as per claims 1 to 6, distinguished by the fact that there are defined, by means of the establishment of the threshold level area, varying softnesses and short-term energy storage features in the system. 
8.  Procedure for the control of a drive line as per claims 1 to 7, distinguished by the fact that in every work point there exists a parabolic flow progression for the wind rotor. 
1. Abstract
Procedure for the control of a drive line the input shaft of which , at the very least,  is directly driven by a power input from a wind power or waterpower machine or from another flow power machine and of which the output shaft, at the very least, directly drives an electrical generator, whereby the output shaft rotates with a speed which is higher than the speed of the input shaft;
-  the generator is connected to an electricity grid which features an essentially constant grid frequency;
-  the drive line comprises a power-distributor transmission and a hydrodynamic servo-converter;
-  the power-distributor transmission comprises two power branches;
-  the hydrodynamic  servo-converter comprises a pump wheel a turbine wheel and an adjustable reaction member;
-  via the input shaft of the drive line power is, at the very least, directly fed into the power-distributor transmission;
-  a first power branch of the power-distributor transmission, at the very least, transfers directly power to the output shaft of the drive line;
-  the pump wheel of the hydrodynamic servo-converter is, at the very least, directly connected to the output shaft of the drive line;
-  the turbine wheel of the hydrodynamic servo-converter is, at the very least, directly connected with the second power branch of the power-distributor transmission and produces a flow-back power to the power-distributor transmission;
-  the combination of power-distributor transmission and hydrodynamic servo-converter features, as a rule, the same characteristics as those of the power input at optimal power speed guidance;
-  should the speed of the input shaft of the drive line exceed a certain threshold level, then the reaction member of the hydrodynamic servo-converter will be set in such a way that the input shaft of the drive line  will be imprinted with a medium speed which  is a function of the momentum picked up by the input shaft of the drive line.
2.Representative Drawing:  Fig.1
【図１】
2005180425.tif 000016
【図２】
2005180425.tif 000017
【図３】
2005180425.tif 000018
【図４】
2005180425.tif 000019
【図５】
2005180425.tif 000020
【図６】
2005180425.tif 000021
【図７ａ】
2005180425.tif 000022
【図７ｂ】
2005180425.tif 000023
【図７ｃ】
2005180425.tif 000024
【図７ｄ】
2005180425.tif 000025
【図８】
2005180425.tif 000026