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JP2002530590A - 風力発電設備の風向き追従駆動装置 - Google Patents

風力発電設備の風向き追従駆動装置

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JP2002530590A
JP2002530590A JP2000584198A JP2000584198A JP2002530590A JP 2002530590 A JP2002530590 A JP 2002530590A JP 2000584198 A JP2000584198 A JP 2000584198A JP 2000584198 A JP2000584198 A JP 2000584198A JP 2002530590 A JP2002530590 A JP 2002530590A
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power generation
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wind
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    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D7/00—Controlling wind motors 
    • F03D7/02—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor
    • F03D7/0204—Controlling wind motors  the wind motors having rotation axis substantially parallel to the air flow entering the rotor for orientation in relation to wind direction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2270/00—Control
    • F05B2270/10—Purpose of the control system
    • F05B2270/20—Purpose of the control system to optimise the performance of a machine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

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  • Devices For Conveying Motion By Means Of Endless Flexible Members (AREA)
  • Stopping Of Electric Motors (AREA)
  • Nitrogen Condensed Heterocyclic Rings (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Toys (AREA)
  • Catching Or Destruction (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 ローター羽根が取付けられたロータと、風向きに対してモーターを所望方向に向ける変位装置とを収納する機器ハウジングからなる風力発電設備であって、前記変位装置が、その駆動装置(1)として三相非同期モーター利用している。該モーターは三相直流で動作して前記機器ハウジングの変位をもたらす。機器ハウジングの停止中は直流の供給を時折、或いは完全に行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （技術分野） 本発明は、風力発電設備の風向き追従駆動装置に関する。
【０００２】 （背景技術） 風力発電設備には一般に風向きに追従させるための能動駆動装置が備わってい
る。この能動駆動装置で風力発電設備の機器ハウジングを回転させて、ローター
の羽根が風上に向かうようにしている。このように風向き追従に必要な駆動装置
は、一般に方位追従駆動装置と言われていて、柱の頂部と機器ハウジングとの間
にある方位装着部と連繋して配置されている。風力発電設備が小型であれば一基
の変位駆動装置で充分ではあるが、大型風力発電設備では複数の方位追従駆動装
置を利用するのが通常である。
【０００３】 機器ハウジングの風向き追従動作においては、例えば１０秒とかの所定時間に
わたる風向きについての平均値が風速測定システムから供給されるようになって
いる。その平均値は、機器ハウジングのその時の方位と周期的に比較される。こ
の比較の結果、風向きに対するズレが所定値よりも大きくなると、風向きに対す
るロータのズレができるだけ小さくなるよう機器ハウジングの振れ角(yawing an
gle)が適当に調節され、これにより発電損失を防いでいる。従来公知の風力発電
設備で採られている風向き追従方法については、Erich Hau著「Windkraftanlagen
(風力発電設備)」(1955年刊、268頁から316頁)で説明されているところである。
【０００４】 機器ハウジングの風向き追従が電動機により行われている従来公知の風力発電
設備では、方位変位システムがローターと機器ハウジングとを風向きに自動的に
合わせる機能をなしている。この機能から見れば風向き追従システムは独立した
装置であるが、構造の観点から見れば、機器ハウジングと柱頂部との間に介在す
る中間構造体を形成している。その構成部品は、一部は機器ハウジングに、残り
は柱頂部に集積化して組み込まれている。風向き追従システム全体としては、設
定駆動装置、保持制動装置、ロック装置、方位装着部、調節システムとからなる
。これらの構成部品は下記の如く機能する。
【０００５】 設定駆動装置の場合、ローター羽根変位駆動装置と同様に、流体圧式と電気式
との両方がある。何れも風力発電設備では通常利用されているものである。大抵
の小型発電設備では、調節の利かない電動駆動が利用されているが、大型発電設
備では流体圧式設定駆動装置が一般によく使われている。
【０００６】 風向き追従動作を行った後に駆動モーターにより回転軸を中心とする揺れモー
メントが維持されるのを防ぐために、回転式移動検出装置、即ち、揺れ制動機が
必要である。そうでなければ、駆動装置ないし、上流側に連結した伝動機構の寿
命を保証することができなくなる。小型発電設備では、この回転式移動検出装置
は方位装着部に設けても充分ではあるが、大型発電設備では複数の解放自在保持
制動機が使われていることは知られているところである。保持制動機は、柱の内
側における制動リング、或いは、機器ハウジングにおけるリングと係合するよう
になっている。そこで、風向き追従動作時に、一つか二つの方位制動機が互いに
係合して変位ダイナミックのための所要ダンピング作用が確実に行えるようにな
っている。この場合、設定駆動装置は摩擦ダンピング作用に抗して風向き追従動
作が行えるように構成されている必要がある。方位ないし柱頂部装着部は転がり
軸受け装置で構成されている。
【０００７】 図７は、ウェスチングハウス社製のWTG-0600型電動式設定駆動装置を備えた従
来公知の風向き追従システムの部分断面図を示している。
【０００８】 風が荒れている時に風力発電設備を動作させている間、ロータの回転軸に応じ
て、非常の大きな力が発生し、それが方位追従駆動装置に伝わり、大きな負荷ピ
ークが度々作用するようになる。
【０００９】 方位追従駆動装置が二台以上あれば、それぞれの駆動装置に高度な非対称性が
もたらされるような状況になる。このような駆動装置では、約１５,０００程度
の伝達装置による設定伝達比を有している。柱の装着部の外周における歯形が僅
かだけズレても、二台以上、例えば四台の方位追従駆動装置が歯車係合を介して
柱の装着部に外周に装着されている場合では、著しくひどい非対称性がもたらさ
れるのである。このように設定伝達比が大きいことから、駆動装置の入力側での
小さなズレは出力側からすれば１５〜２０回転に相当する。
【００１０】 従って、機器ハウジングが一回転している間、或いはその後、全ての負荷と全
ての回転モーメントとが、できればそれぞれの駆動装置と同時に均一に分配され
なければならない。また、大きな方位追従負荷が関係する場合では、過度の負荷
が発生したときに停止時間中に駆動力が発生して、負荷緩和が適当に行われるよ
うに機器ハウジングが容易に回転するようでなければならない。
【００１１】 更に、風力発電設備の風向き追従移動中に、風の乱流が発生した場合、それに
対応して大きなトルクが発生する。このトルクにより、モーターが互いに反対方
向へ揺動するほど方位追従駆動装置を作用させてしまう。この場合、設定伝動比
が大きい伝達装置はバネのように作用し、その結果、それぞれの駆動装置におい
て大きなトルク変動が発生する。
【００１２】 （発明の開示） 本発明の目的は、前述した諸問題を解消して、構造が簡単な方位追従駆動装置
を備え、書く方いつ移住駆動装置においての負荷が均一に分布するようにし、ま
た、望ましくないトルク変動を防ぐべく、風力発電設備のための方位追従駆動装
置を改良することにある。 本発明によれば、請求項１に記載の風力発電設備が提供されている。この請求
項１に従属する請求項には、好ましい改良点が記載されている。
【００１３】 本発明による風力発電設備は、少なくとも一本の羽根を有するローターを収納
する機器ハウジングからなるものであって、風向きに応じて機器ハウジングを変
位させる変位駆動装置に、少なくとも一台の三相非同期モーターを方位追従駆動
装置として利用し、この三相非同期モーターに機器ハウジングが変位している間
に三相電流を供給する一方、停止時には直流を時折、または、完全に供給するよ
うにしたことを特徴とするものである。
【００１４】 三相電流で変位動作を行った後、モーターをオフにし、従ってトルクが発生し
ないようにする。駆動モーター側に制動作用を持たせると共に、負荷ビークが発
生したときに停止中での制動トルクを適切に維持するために、三相ネットワーク
から切り離した直後に直流で三相非同期モーターが起動するようにする。直流に
より非同期モーターに定常(stationary)磁界が発生するので、モーターは直ちに
減速する。できれば、停止時間中は直流の供給を維持する。
【００１５】 また、本発明によれば、望ましくないトルク変動を抑制するためのトルク制御
器が提供されている。三相非同期モーターの減速は、直流の大きさにより直線状
に行われる。これにより、実際の停止段階中での風力発電設備の方位追従駆動装
置のための簡単なトルク制御器が得られる。
【００１６】 更に、変位駆動装置が複数の三相非同期モーターを備えているものであれば、
これらの三相非同期モーターは、それぞれの駆動装置が安定し、それまでの望ま
しくない弾性作用を抑制できるように、電流トランスフォーマーを介して負帰還
方式で接続されている。
【００１７】 （発明を実施するための最良の形態） 以後、添付図面を参照しな伽藍本発明の好ましい実施の形態を詳述する。 風力発電設備には、一般に風向き追従のための能動駆動装置が備わっている。
この能動駆動装置で、ローター羽根が風向きに対して最適条件で向くように、風
力発電設備の機器ヘッドが回転させられるのである。
【００１８】 風向き追従用能動駆動装置は、方位追従装着部２を備えた方位追従駆動装置１
からなり、一般に柱頂部と機器ハウジングとの間に介在させられている。小型風
力発電設備の場合ではこの方位追従駆動装置は一台で充分ではあるが、大型風力
発電設備では図１に示した如く方位追従駆動装置を四台備えている。これらの四
台の方位追従駆動装置は、柱頂部３の外周に沿って均等に配置されている。(均
等配置でないこともあり得る。)
【００１９】 風が乱れている最中で風力発電設備が稼働している間、ローターの回転角度に
応じて、非常の大きな力が発生し、それが方位追従駆動装置に伝わり、大きな負
荷ピークが度々作用するようになる。
【００２０】 機器ヘッドを変位させる変位装置が二台以上の方位追従駆動装置１からなる場
合、それぞれの駆動装置１に非常に高度の非対称性も発生する。駆動装置には、
起動伝達比を約１５,０００とする起動伝達装置４(伝達装置:図示せず)が備わっ
ている。柱の装着部の外周における伝達装置の歯列に僅かでもズレがあると、二
台以上の駆動装置が柱の装着部の外周に共通の歯列を以て装着されている場合で
は著しくひどい非対称性が直ちに発生する。伝達比が非常に大きいことから、駆
動装置側にこれほどの僅かのズレは、出力側の１５〜２０回転に相当する。
【００２１】 これは、柱頂部機器ハウジングが一回転している間、全ての負荷ないしトルク
が、できればそれぞれの駆動装置に均一に分配されなければならない。また、大
きな方位追従負荷が関係する場合では、過度の負荷が発生したときに柱頂部の停
止時間中に駆動力が発生して、機器ヘッドが僅かだけ回転するようでなければな
らない。
【００２２】 各方位追従駆動装置１にはモーター５が備わっており、これらのモーターは相
互連結されていると共に、共通して制御される。風力発電設備の機器ヘッドが風
向き追従動作を行っている最中に暴風とかにより大きなトルクが発生した場合、
これらのトルクの作用により方位追従駆動装置におけるモーターが互いに反対方
向に揺動するか、揺動する傾向を持つようになる。伝達比の非常に大きい伝達装
置４はその場合、バネの如く弾性作用を起こして、それぞれの駆動装置にトルク
変動をもたらすようになる。
【００２３】 機器ハウジングが回転していないときに負荷が均等に分布するのを確実にする
ために、本発明では、方位追従駆動のための駆動モーターとして非同期駆動機と
して三相非同期モーターを利用している。この三相非同期モーターのトルクない
し回転速度特性曲線を図２に示す。
【００２４】 機器ハウジングを変位させた後、四台の三相非同期モーター(ＡＳＭ)をオフに
して、トルクが発生しないようにする。これらのモーターを等しく減速させると
共に、その後制動トルクが得られるようにするために、これらのモーターには、
三相ネットワークから切り離した直後には、できるだけ速やかに直流を供給する
(図６ａを参照のこと)。この直流により、モーター(非同期機器)内に定常磁界が
発生し、従って直ちに減速する。このような直流供給は、できるだけ停止期間中
に維持し、振幅を調整してもよい。
【００２５】 変位動作後、ＡＳＭ駆動装置に図６ｂに示す調節装置から調節した直流を供給
する。非対称な突風によりる柱頂部の緩やかな回転は、低直流(通常電流の約１
０％)を供給することで緩和ないし減衰させることができるが、そのようになっ
ている。また、高速回転は、適当に順応させた高直流を供給する、従って、大き
な制動モーメントを作用させることで防ぐことができる。回転が非常の高速であ
れば、供給直流を通常の電流値へと上昇させる。
【００２６】 直流動作時での非同期モーターのトルクないし回転速度特性曲線を図３に示す
。駆動モーターは停止状態では直流電流の磁化作用でトルクを発生するようなこ
とはない。回転速度が上昇すると、例えば通常の回転速度の約６％まで上昇する
と、トルクが直線状に発生するが、互いに反対の回転方向では対称になる。その
ような特性曲線により、発生する負荷は全ての方位追従駆動装置に均一に分配さ
れ、かくて平衡状態が常に積極的の起こるのである。
【００２７】 方位追従駆動装置のトルク制御を行うには、制動曲線の勾配を直流の大きさと
共に線形となるように設定してもよい。このことは図４に示されているところで
ある。それにより、実際に停止している段階において風力発電設備の方位追従駆
動装置のトルク制御を簡単に行えるのである。
【００２８】 また、方位追従駆動装置のそれぞれのモーターを電流トランスフォーマーで接
続するのが望ましい。これを図５に示す。同図において、ＡＳＭは非同期機器を
表す。図示の如く簡単な負帰還方式により駆動装置を安定させることができる。
【００２９】 図７は、Erich Hau著「Windkraftanlagen(風力発電設備)」(1955年刊、268頁か
ら316頁)で説明されている従来公知の風力発電設備で採られている風向き追従装
置の部分断面図を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 機器ハウジングにおける変位装置の四台の方位追従駆動装置を示
す概略図。
【図２】 三相非同期モーターのトルクないし回転速度特性曲線を示す説明
図。
【図３】 直流動作時での三相非同期モーターの特性曲線を示す説明図。
【図４】 図３に示したものの変形を示す図。
【図５】 二台の非同期方位追従駆動装置を電流トランスフォーマーで接続
しているところを示すブロック回路図。
【図６ａ】 方位追従用モーターの回路図。
【図６ｂ】 方位追従用モーターの回路図。
【図７】 電動式設定駆動機を備えた従来公知の風向き追従装置の部分断面
図。
【符号の説明】
１…方位追従駆動装置 ２…装着部 ３…柱頂部 ４…起動伝達装置 ５…モーター
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年１１月２４日（２０００．１１．２４）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＵ，ＢＲ，Ｃ Ａ，ＩＮ，ＪＰ，ＮＯ，ＮＺ，ＴＲ，ＵＳ

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一つのローター羽根と共にロータと、風向きに対
    してモーターを所望方向に向けるべく機器ハウジングを変位させる変位装置とを
    収納する機器ハウジングからなる風力発電設備であって、前記変位装置が、その
    駆動装置(1)として三相非同期モーターからなり、該モーターが三相直流で動作
    して前記機器ハウジングの変位をもたらし、機器ハウジングの停止中は前記直流
    の供給を時折、或いは完全に行うことよりなる風力発電設備。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のものであって、前記三相非同期モータは、
    三相電流をオフにした後、減速のために直流電流で動作することを特徴とする風
    力発電設備。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のものであって、変位動作の終わり
    における三相非同期モータの減速が、直流の大きさにより制御されることを特徴
    とする風力発電設備。
  4. 【請求項４】 請求項１から３までの何れか一項に記載のものであって、前
    記変位装置が、互いに連結した複数の三相非同期モーターからなることを特徴と
    する風力発電設備。
  5. 【請求項５】 請求項４に記載のものであって、前記三相非同期モーターが
    電流トランスフォーマーにより互いに電気接続されていることを特徴とする風力
    発電設備。
JP2000584198A 1998-11-26 1999-10-12 風力発電設備の風向き追従駆動装置 Expired - Lifetime JP3709137B2 (ja)

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