JP2015068186A - 風力発電システム、風力発電システムの制御方法、回転電機システムおよび回転電機の制御装置 - Google Patents

風力発電システム、風力発電システムの制御方法、回転電機システムおよび回転電機の制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ヒータに依らずに回転電機の軸受部を昇温させて、軸受部の潤滑性能が低下するのを抑制することのできる風力発電システム、風力発電システムの制御方法、回転電機システムおよび回転電機の制御装置を提供することを目的とする。【解決手段】実施形態の一態様に係る風力発電システムは、回転電機と、昇温制御部とを備える。昇温制御部は、回転電機の温度が上昇するように、回転電機の巻線に通電させる。【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、風力発電システム、風力発電システムの制御方法、回転電機システムおよび回転電機の制御装置に関する。
従来、風力によってプロペラを回転させ、プロペラの回転で回転電機を駆動させて発電を行う風力発電システムが知られている。また、風力発電システムにおいては、上記した発電用の回転電機の他に、例えば、プロペラの各ブレードのピッチ角を変えるための回転電機や、ナセルを塔体に対して回転駆動させるための回転電機を備える。
上記したような風力発電システムは、寒冷地の屋外に設置されることがある。その場合、風力発電システムの始動時などにおいて、環境温度によっては回転電機の軸受部の温度が低下してグリスの粘度が増大するため、軸受部の潤滑性能が低下して、回転電機の回転がスムーズに行われないことがある。そこで、環境温度が低いときにヒータを用いて軸受部を昇温させることで、軸受部の潤滑性能が低下するのを抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−１９８１６７号公報
しかしながら、近年、上記したようなヒータに依らないで、回転電機の軸受部を昇温させる技術が求められていた。なお、かかる技術は、上記した風力発電システムの回転電機に限らず、環境温度が比較的低い場所に設置される回転電機に対しても、求められる技術である。
実施形態の一態様は、ヒータに依らずに回転電機の軸受部を昇温させて、軸受部の潤滑性能が低下するのを抑制することのできる風力発電システム、風力発電システムの制御方法、回転電機システムおよび回転電機の制御装置を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係る風力発電システムは、回転電機と、昇温制御部とを備える。昇温制御部は、前記回転電機の温度が上昇するように、前記回転電機の巻線に通電させる。
実施形態の一態様によれば、ヒータに依らずに回転電機の軸受部を昇温させることができ、軸受部の潤滑性能が低下するのを抑制することができる。
図１は、実施形態に係る風力発電システムの構成を示すブロック図である。 図２は、誘導機の模式断面図である。 図３は、同期機の模式断面図である。 図４は、電力変換部の構成例を示す図である。 図５は、図４に示す双方向スイッチの構成例を示す図である。 図６は、同期機に交流電流を供給したときに回転電機に生じる回転トルクを示すグラフである。 図７は、風力発電システムを全体的に示す模式図である。 図８は、発電用の回転電機やピッチ角用の回転電機などの構成を模式的に示す模式側面図である。 図９は、ナセル用の回転電機などの構成を模式的に示す模式側面図である。 図１０は、回転電機の温度を上昇させる昇温動作の具体的な処理を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して、本願の開示する風力発電システム、風力発電システムの制御方法、回転電機システムおよび回転電機の制御装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
［風力発電システムの構成］
図１は、実施形態に係る風力発電システムの構成を示すブロック図である。なお、説明を分かり易くするために、図１では風力発電システムの一部の構成を図示していない。かかる不図示の構成については、図７を参照して後述する。
図１に示すように、実施形態に係る風力発電システム１は、回転電機１０と、ブレーキ２０と、温度センサ３０と、ヒータ４０と、回転電機の制御装置５０と、電力変換部６０とを備える。
なお、風力発電システム１における回転電機１０は、後述するように複数あり、それぞれの回転電機１０は用途に応じて発電機または電動機として機能する。図１においては、理解の便宜のため、複数ある回転電機１０のうちの一つの回転電機１０を例にとって説明する。したがって、図１における回転電機１０は、発電機および電動機のいずれであってもよく、さらには発電機および電動機の両方の機能を備えた回転電機であってもよい。
ブレーキ２０は、回転電機１０の回転を制動する。温度センサ３０は、回転電機１０の温度を示す信号を出力する。ヒータ４０は、回転電機１０を加温する。電力変換部６０は、交流電源７０からの電力を変換して回転電機１０へ出力する。
回転電機１０の制御装置５０は、昇温制御部５１と、交流指令部５２と、直流指令部５３と、制動部５４と、判定部５５と、ヒータ制御部５６とを備える。
昇温制御部５１は、回転電機１０の温度が上昇するように、回転電機１０の巻線（図１で図示せず）に通電させる。回転電機１０の温度が上昇することによって、例えば回転電機１０に設けられた軸受部（後述）をヒータに依らずに昇温させることができる。これによって、軸受部のグリスの温度は上昇し、グリスの粘度が低下することから、軸受部の潤滑性能が低下するのを抑制することができる。
また、交流指令部５２は、昇温制御部５１が回転電機１０の巻線に通電させる際に、回転電機１０に対して交流電流を供給させる。直流指令部５３は、昇温制御部５１が回転電機１０の巻線に通電させる際に、回転電機１０に対して直流電流を供給させる。制動部５４は、ブレーキ２０の動作を制御する。判定部５５は、回転電機１０の温度が所定の条件（後述）を満たしているか否かを判定する。ヒータ制御部５６は、ヒータ４０の動作を制御する。
以下、上記した回転電機１０や回転電機の制御装置５０などの各要素について、詳しく説明する。
［回転電機の構成］
回転電機１０は、例えばかご形誘導機である。図２は、回転電機１０たる誘導機１０ａの模式断面図である。図２に示すように、誘導機１０ａは、フレーム１１と、固定子１２と、回転子１３と、回転軸１４と、軸受部１５とを備える。
フレーム１１は、例えば内部空間１１ａを有する筒状に形成され、内部空間１１ａには固定子１２や回転子１３などが配置される。なお、フレーム１１は、例えば図示しない支柱を介して風力発電システム１の適宜位置に固定されるものとする。
フレーム１１の内周には、固定子１２が固着される。固定子１２は、固定子コア１２ａと、巻線１２ｂとを備える。この固定子１２の内周側には空隙を介して回転子１３が対向して配置される。
回転子１３は、回転子コア１３ａと、回転子バー１３ｂと、エンドリング１３ｃとを備える。回転子コア１３ａは、例えば円筒状に形成され、回転軸１４の外周面に取り付けられる。また、回転子コア１３ａの外周部付近には、回転子バー１３ｂが複数埋設されている。回転子バー１３ｂは、両端部が回転子コア１３ａから露出するように配置され、その露出した部分がエンドリング１３ｃによって連結される。
回転軸１４は、フレーム１１に固定された軸受部１５によって回転可能に軸支される。軸受部１５は、図示しないグリスが充填されており、グリスによって潤滑される。なお、上記では、誘導機１０ａをかご形誘導機としたが、これに限定されるものではなく、例えば巻線形誘導機であってもよい。
そして、例えば交流指令部５２が、上記した回転電機１０（誘導機１０ａ）の巻線１２ｂに対して交流電流を供給させると、固定子１２に回転磁界が生じ、回転子１３には回転磁界によって誘導電流が流れる。
この誘導電流によって、回転電機１０の回転軸１４は回転させられるが、ここで例えば制動部５４がブレーキ２０（図２で図示せず）を作動させ、回転軸１４を静止または極低速の状態にして、すべりＳが１または１より僅かに小さい値になるようにする。
これにより、回転電機１０においては、回転軸１４の回転に使われるはずのエネルギが熱エネルギに変わり、回転子１３は自己発熱させられる。すなわち、回転子１３には、巻線１２ｂからの電磁誘導による発熱が生じる。回転子１３で生じた熱は、例えば図２に矢印Ａで示すように、熱伝達率が比較的高い回転軸１４を介して軸受部１５へ伝達され、よって軸受部１５が昇温させられる。
なお、上記では、制動部５４が回転電機１０を静止または極低速回転させるようにしたが、好ましくは静止させるようにした方がよい。回転電機１０が静止させられると、回転電機１０が極低速回転させられる場合に比べて、回転軸１４の回転に使われるはずのエネルギがより多く熱エネルギに変わることから、回転子１３をより一層発熱させることができる。
また、交流電流が供給される固定子１２にも巻線抵抗による発熱が生じる。固定子１２で生じた熱は、図２に矢印Ｂで示すように、熱伝達率が比較的高いフレーム１１を介して軸受部１５へ伝達され、軸受部１５が昇温させられる。
このように、制動部５４が回転電機１０を静止または極低速回転させている際に、交流指令部５２が誘導機１０ａの巻線１２ｂに交流電流を供給すると、回転子１３および固定子１２の両方に発熱が生じることから、回転電機１０の軸受部１５を早期に昇温させることができる。
また、仮に回転電機が部分的に加熱されるように構成された場合、回転電機の各部位における熱膨張量に差が生じて、回転電機の寿命が低下するおそれがある。しかしながら、本実施形態にあっては、フレーム１１内に配置された回転子１３や固定子１２が発熱することから、軸受部１５を含む回転電機１０全体を昇温させることができる。これにより、回転電機１０の各部位における熱膨張量の差が生じ難くなり、結果として回転電機１０の寿命の低下を抑制することができる。
上記では、回転電機１０が誘導機１０ａである場合を例にとって説明したが、回転電機１０はそれに限定されるものではなく、例えば同期機であってもよい。図３は、回転電機１０が同期機１０ｂである場合の例を説明するための、同期機１０ｂの模式断面図である。図３においては、誘導機１０ａと略同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図３に示すように、同期機１０ｂの回転子１６は、回転軸１４の外周面に設けられる円筒状の回転子コア１６ａと、回転子コア１６ａの外周側に埋設された複数の永久磁石１６ｂとを備える。すなわち、同期機１０ｂは、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）形の同期機である。なお、同期機１０ｂは、ＩＰＭ形の同期機に限定されるものではなく、例えばＳＰＭ（Surface Permanent Magnet）形の同期機であってもよい。
そして、例えば交流指令部５２が、上記した回転電機１０（同期機１０ｂ）の巻線１２ｂに対して交流電流を供給させるとともに、制動部５４がブレーキ２０（図３で図示せず）を作動させ、回転軸１４を静止または極低速の状態にする。これにより、固定子１２には巻線抵抗による発熱が生じる。固定子１２で生じた熱は、図３に矢印Ｃで示すように、熱伝達率が比較的高いフレーム１１などを介して軸受部１５へ伝達され、よって軸受部１５が昇温させられる。
また、上記では、回転電機１０の巻線１２ｂに交流電流が流れるようにしたが、直流指令部５３が直流電流を流すようにしてもよい。巻線１２ｂに直流電流が流される場合であっても、固定子１２には巻線抵抗による発熱が生じ、固定子１２の熱は、矢印Ｂや矢印Ｃで示す経路で軸受部１５に伝わり、軸受部１５が昇温させられる。
なお、直流電流の場合は、固定子１２には回転磁界が生じず、回転子１３および回転軸１４にも回転トルクが発生しないことから、必ずしも制動部５４がブレーキ２０を作動させて回転軸１４を静止等の状態にする必要はない。
図１の説明に戻ると、ブレーキ２０は、回転電機１０の回転軸１４に接続され、回転軸１４を制動する。ブレーキ２０としては、電磁式あるいは油圧式のディスクブレーキを用いることができるが、それに限定されるものではなく、例えばドラムブレーキなどその他の種類のブレーキであってもよい。
温度センサ３０は、例えば回転電機１０の近傍に配置され、回転電機１０の温度を示す信号を出力する。ヒータ４０は、例えば回転電機１０のフレーム１１に取り付けられ、ヒータ制御部５６によって通電させられるとき、回転電機１０を加温する。ヒータ４０としては、例えば電気ヒータを用いることができる。
［電力変換部の構成］
電力変換部６０は、回転電機１０と交流電源７０との間で双方向に電力変換を行う。電力変換部６０としては、例えばマトリックスコンバータを用いることができる。かかる電力変換部６０の構成例については、図４を用いて説明する。図４は、電力変換部６０の構成例を示す図である。
電力変換部６０は、交流電源７０の各相と回転電機１０の各相との間に配置された複数の双方向スイッチＳｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕ、Ｓｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖ、Ｓｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗ（以下、双方向スイッチＳｗと総称する場合がある）を含むマトリックスコンバータである。
双方向スイッチＳｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕは、交流電源７０のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と回転電機１０のＵ相との間にそれぞれ接続される。双方向スイッチＳｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖは、交流電源７０のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と回転電機１０のＶ相との間にそれぞれ接続される。双方向スイッチＳｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗは、交流電源７０のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と回転電機１０のＷ相との間にそれぞれ接続される。
双方向スイッチＳｗは、例えば、図５に示すように、ダイオードＤ１、Ｄ２と、片方向スイッチング素子Ｓｗ１、Ｓｗ２によって構成することができる。図５は、図４に示す双方向スイッチＳｗの構成例を示す図である。片方向スイッチング素子Ｓｗ１、Ｓｗ２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子である。
なお、双方向スイッチＳｗは、図５に示す構成に限られない。例えば、双方向スイッチＳｗは、片方向スイッチング素子およびダイオードとの直列接続体が逆並列接続された構成でもよい。また、双方向スイッチＳｗは、例えば、逆阻止型のスイッチング素子で構成された片方向スイッチング素子が互いに逆方向に並列接続された構成でもよい。
このように、電力変換部６０をマトリックスコンバータとしたことから、従来のインバータとした場合に比べて高調波フィルタや電解コンデンサなどが不要になり、風力発電システム１を簡素化することができる。また、電解コンデンサなどが不要になるため、風力発電システム１の小型化、およびメンテナンス性の向上を図ることもできる。
［回転電機の制御装置の構成］
図１の説明に戻ると、回転電機の制御装置５０の昇温制御部５１は、回転電機１０の巻線１２ｂにトルク制御によって通電させる。具体的に例えば、昇温制御部５１は、回転電機１０の回転トルクを指示するトルク指令を交流指令部５２および直流指令部５３へ出力する。また、昇温制御部５１は、制動部５４に対し、ブレーキ２０を作動させる作動指令を出力する。
なお、上記したトルク指令は、例えば回転電機１０の回転トルクが所定値となるように設定される、具体的に例えばブレーキ２０の制動トルクよりも低い値となるように設定される。
昇温制御部５１は、回転電機１０の巻線１２ｂへの通電によって発生する回転トルクが、ブレーキ２０の制動トルクよりも低くなるようなトルク制御を行うことから、制動部５４は、ブレーキ２０を作動させることで、回転電機１０を容易に静止または極低速回転させることができる。これにより、回転電機１０の回転子１３および固定子１２を確実に発熱させることができる。
また、昇温制御部５１は、回転電機１０の巻線１２ｂにトルク制御によって通電させることから、図示しない異常判定部によって回転電機１０の回転異常と判定されることを回避できる。すなわち、例えば仮に、ブレーキが作動している状態で、昇温制御部が回転電機の巻線に速度制御や位置制御によって通電させた場合、通電しているにもかかわらず、回転軸が指令された速度や位置とならないため、異常判定部によって回転電機の回転異常と判定されることがある。そこで、本実施形態にあっては、昇温制御部５１が回転電機１０の巻線１２ｂにトルク制御によって通電させることで、ブレーキ２０が作動している状態であっても、回転電機１０には指令された回転トルクが生じることから、異常判定部によって回転電機１０の回転異常と判定されることを回避できる。
交流指令部５２は、昇温制御部５１からトルク指令が出力されると、トルク指令に応じた交流電流を回転電機１０に供給させるように、電力変換部６０の動作を制御する。このような交流通電の場合、例えば電力変換部６０における双方向スイッチＳｗのスイッチング素子に対する負担を、直流通電のときに比べて小さくすることができる。
直流指令部５３は、昇温制御部５１からトルク指令が出力されると、トルク指令に応じた直流電流を供給させるように、電力変換部６０の動作を制御する。
具体的に例えば、交流指令部５２および直流指令部５３は、トルク指令に基づいて電圧指令を生成し、マトリックスコンバータのＰＷＭ制御方法によって電圧指令に応じた電圧を回転電機１０に出力するように、電力変換部６０の動作を制御する。
なお、風力発電システム１にあっては、回転電機１０に交流電流を供給する交流モードと、回転電機１０に直流電流を供給する直流モードとの間で切り替え自在とされる。具体的に、交流モードが選択される場合は、交流指令部５２が電力変換部６０の動作を制御する一方、直流モードが選択される場合は、直流指令部５３が電力変換部６０の動作を制御する。
上記した交流モードおよび直流モードの選択は、予め設定されるものであるが、これに限定されない。すなわち、例えばユーザが図示しない外部機器を介して交流モードおよび直流モードの選択を行うようにしてもよい。
制動部５４は、ブレーキ２０に接続され、昇温制御部５１から作動指令が出力されると、ブレーキ２０の動作を制御して回転電機１０の回転軸１４を制動する。制動部５４は、上記したように、ブレーキ２０を作動させることで、回転電機１０を静止または極低速回転させる。ここで、極低速回転とは、定常運転には至らないような微速の回転であり、定常運転時の回転電機１０の回転に比べて極めて低い速度での回転を意味する。
なお、上記において、制動部５４は、昇温制御部５１からの作動指令に応じてブレーキ２０を作動させるようにしたが、これに限定されるものではなく、例えば回転軸１４の回転状態に応じてブレーキ２０を適宜に作動させるようにしてもよい。
判定部５５は、温度センサ３０から出力される信号に基づいて回転電機１０の温度を検出し、検出した回転電機１０の温度が所定の条件を満たしているか否かを判定する。具体的に例えば、判定部５５は、回転電機１０の温度が、比較的低い値であって、軸受部１５を昇温させる必要があるような値の場合、所定の条件を満たすと判定する。
詳しく説明すると、回転電機１０の温度が低いと、軸受部１５の温度も低下してグリスの粘度が増大する。グリスの粘度が増大すると、軸受部１５の潤滑性能が低下するおそれがある。そこで、判定部５５においては、回転電機１０の温度が低い場合に、所定の条件を満たし、軸受部１５において昇温が必要であると判定するようにした。判定部５５は、回転電機１０の温度が所定の条件を満たすと判定した場合、回転電機１０を昇温させる動作を許可する昇温許可信号を昇温制御部５１へ出力する。
ヒータ制御部５６は、ヒータ４０に接続され、ヒータ４０の動作を制御する。ヒータ制御部５６はさらに、断線などのヒータ４０の故障の有無も検知できるように構成される。ヒータ制御部５６は、ヒータ４０の故障を検知した場合、故障信号を昇温制御部５１へ出力する。昇温制御部５１は、判定部５５からの昇温許可信号、およびヒータ制御部５６からの故障信号を受けて、回転電機１０の温度が上昇するように、巻線１２ｂに通電させる。
ここで、誘導機１０ａに交流電流が供給される場合、同期機１０ｂに交流電流が供給される場合、同期機１０ｂに直流電流が供給される場合の３つを例にとって、それぞれの構成を説明する。
［誘導機に交流電流が供給される場合］
上記した実施形態において、回転電機１０が誘導機１０ａであり、回転電機１０に対して交流電流が供給されるような構成である場合、昇温制御部５１は、先ず作動指令を制動部５１に出力する。制動部５４は、昇温制御部５１から作動指令が出力されると、ブレーキ２０を作動させ、回転電機１０を静止等の状態とする。また、昇温制御部５１は、トルク指令を交流指令部５２へ出力する。交流指令部５２は、トルク指令を受けて、トルク指令に応じた交流電流が回転電機１０に供給されるように、電力変換部６０の動作を制御する。
［同期機に交流電流が供給される場合］
また、上記した実施形態において、回転電機１０が同期機１０ｂであり、回転電機１０に対して交流電流が供給されるような構成である場合、昇温制御部５１は、作動指令を制動部５１に出力する。制動部５４は、作動指令が出力されると、ブレーキ２０を作動させて回転電機１０を静止等の状態とする。また、昇温制御部５１は、トルク指令を交流指令部５２へ出力する。交流指令部５２は、出力されたトルク指令に応じた交流電流が回転電機１０に供給されるように、電力変換部６０の動作を制御する。
なお、同期機１０ｂに対して交流電流が供給される場合、同期機１０ｂには図６に示すような正弦波の回転トルクが発生する。図６は、同期機１０ｂに交流電流が供給されるときに同期機１０ｂに生じる回転トルクを示すグラフである。
同期機１０ｂには、上記した正弦波の回転トルクのトルク脈動によって振動が生じる。この振動の発生を抑制するためには、固定子１２の回転磁界速度を低下させ、回転軸１４も低速で回転させる必要がある。また、昇温制御部５１によって正弦波の回転トルクがブレーキ２０の制動トルクを超えないように通電制御する必要も生じ、結果として同期機１０ｂの温度を効率良く上昇させることができないおそれがあった。そのため、回転電機１０が同期機１０ｂの場合は、直流電流が電力変換部６０から回転電機１０に供給されるのが好ましい。
ただし、例えば仮に、電力変換部がインバータであった場合、特定のスイッチング素子に対して電流が集中して負担が大きくなり、電力変換部の信頼性低下の要因となるおそれがある。
［同期機に直流電流が供給される場合］
そこで、本実施形態にあっては、回転電機１０が同期機１０ｂであり、回転電機１０に対して直流電流が供給されるような構成である場合、電力変換部６０としてマトリックスコンバータを用いるようにした。
具体的に昇温制御部５１は、トルク指令を直流指令部５３へ出力する。直流指令部５３は、トルク指令を受けて、トルク指令に応じた直流電流が回転電機１０に供給されるように、マトリックスコンバータを含む電力変換部６０の動作を制御する。
これにより、直流指令部５３は、例えば図４に矢印で示すような、Ｕ相から入ってＶ相、Ｗ相から出る直流電流を生成する際、双方向スイッチＳｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕを適宜にスイッチング動作させればよい。したがって、電流が特定のスイッチング素子に集中することを避けられるので、スイッチング素子に対する負担を軽減でき、電力変換部６０の信頼性の低下を抑制することができる。
［風力発電システムにおける回転電機の構成］
風力発電システム１は、用途に応じた回転電機１０を複数備えている。上記した回転電機１０の温度を上昇させるようにする構成は、複数の回転電機１０に対してそれぞれ適用することができる。その適用される回転電機１０について、図７以降を参照して説明する。
図７は、風力発電システム１を全体的に示す模式図である。なお、図７以降では、図示の簡略化のため、温度センサ３０やヒータ４０などの図示を省略した。
図７に示すように、風力発電システム１は、複数の回転電機１０と、塔体８０、ナセル８１およびプロペラ８２を有する風車８３とを備える。ナセル８１は、塔体８０に回転自在に支持される。また、プロペラ８２は、ハブ８２ａと、ハブ８２ａの異なる位置にそれぞれ取り付けられる複数（例えば３つ）のブレード８２ｂとを備える。複数のブレード８２ｂは、ピッチ角が変更可能である。
複数の回転電機１０は、具体的にはプロペラ８２に接続されてプロペラ８２の回転によって発電する発電用の回転電機１０１、ブレード８２ｂのピッチ角を変更するピッチ角用の回転電機１０２、ナセル８１を回転させるナセル用の回転電機１０３である。
図８は、回転電機１０１，１０２などの構成を模式的に示す模式側面図である。図８に示すように、回転電機１０１は、ナセル８１内に収納され、プロペラ軸８４を介してプロペラ８２に接続される。なお、回転電機１０１とプロペラ８２とは、回転軸１４とプロペラ軸８４とが同軸となるようにして接続される。回転電機１０１は、具体的に発電機であるが、電動機としても用いることができる回転電機である。
また、ナセル８１内には、上記した回転電機１０１に加え、ブレーキ２０１、増速機８５が設けられる。ブレーキ２０１は、図１に示すブレーキ２０に対応するものであり、回転電機１０１の回転軸１４およびプロペラ軸８４を制動する。
増速機８５は、プロペラ軸８４に接続され、プロペラ８２の回転を増速して回転電機１０１へ出力する。回転電機１０１は、増速機８５で増速された回転による回転エネルギを電気エネルギへ変換して発電する。
回転電機１０２は、ハブ８２ａ内に収納され、ブレード８２ｂに回転軸１４を介して接続される。そして、回転電機１０２が回転することでブレード８２ｂが回転し、これによってブレード８２ｂのピッチ角が変更される。
なお、図８では、図示の簡略化のため、複数のブレード８２ｂのうち１つのブレード８２ｂのみを示し、かかるブレード８２ｂに接続される回転電機１０２のみを示したが、実際は複数のブレード８２ｂに対応する数の回転電機１０２がハブ８２ａ内に収納される。
ハブ８２ａ内には、回転電機１０２に加え、ブレーキ２０２が設けられる。ブレーキ２０２も、図１に示すブレーキ２０に対応するものであり、回転電機１０２の回転軸１４を制動する。
図７の説明に戻ると、回転電機１０３も、回転電機１０１と同様、ナセル８１内に配置される。図９は、回転電機１０３などの構成を模式的に示す模式側面図である。図９に示すように、回転電機１０３は、ナセル８１の底板８１ａに固定されるとともに、回転軸１４が塔体８０側に突出するように配置される。回転電機１０３の回転軸１４の先端には、第１ギヤ９０が取り付けられる。
一方、塔体８０においてナセル８１と近接する上端位置には、第１ギヤ９０と噛合する第２ギヤ９１ａが内周側に形成されたギヤリム９１が固定される。また、ナセル８１は、ギヤリム９１に軸受部９２を介して回転可能に支持されている。したがって、回転電機１０３が回転すると、その回転に伴って第１ギヤ９０は、第２ギヤ９１ａと噛合しながら第２ギヤ９１ａに対して相対変位し、これによりナセル８１が塔体８０に対して回転することとなる。
また、ナセル８１の底板８１ａにおける塔体８０側には、ブレーキ２０３が配置される。ブレーキ２０３は、図１に示すブレーキ２０に対応するものであって、具体的にはディスクブレーキである。ブレーキ２０３にあっては、本体部２０３ａがナセル８１に固定される一方、ディスク部２０３ｂがギヤリム９１に固定されている。したがって、ブレーキ２０３を作動させて、ディスク部２０３ｂを本体部２０３ａのパッド部２０３ｃで挟み込むことで、ナセル８１は塔体８０に対して回転しないようになる。
また、ブレーキ２０３を作動させると、ナセル８１が塔体８０に対して回転しないようになることから、第１ギヤ９０が第２ギヤ９１ａに対して相対変位せず、回転電機１０３の回転軸１４が制動されることとなる。よってブレーキ２０３は、回転電機１０３の回転軸１４を制動しているといえる。
上記した回転電機１０１，１０２，１０３に対し、回転電機１０１，１０２，１０３の温度を上昇させるようにする構成がそれぞれ適用される。
［回転電機の温度を上昇させる昇温動作］
次いで、回転電機１０の温度を上昇させる昇温動作の具体的な処理について説明する。図１０は、その昇温動作の処理を示すフローチャートである。なお、図１０に示す処理は、回転電機の制御装置５０によって実行される。また、図１０に示す処理は、風力発電システム１の始動時に実行されるが、それに限られるものではなく、例えば風力発電システム１の通常運転中に適宜なタイミングで行われるようにしてもよい。
先ず回転電機の制御装置５０の判定部５５は、温度センサ３０から出力される信号に基づいて回転電機１０の温度を検出する（ステップＳ１）。次いで、判定部５５は、検出した回転電機１０の温度が所定の条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２の処理は、言い換えれば、軸受部１５において昇温が必要か否かを判定する処理であり、具体的には回転電機１０の温度が第１所定温度未満か否かを判定している。
回転電機１０の温度が第１所定温度以上と判定、すなわち、回転電機１０の温度が所定の条件を満たさず、軸受部１５において昇温が必要ないと判定された場合（ステップＳ２，Ｎｏ）、そのまま処理を終了する。一方、回転電機１０の温度が第１所定温度未満と判定、すなわち、回転電機１０の温度が所定の条件を満たし、軸受部１５において昇温が必要と判定された場合（ステップＳ２，Ｙｅｓ）、ヒータ制御部５６は、ヒータ４０が故障しているか否かを判定する（ステップＳ３）。
ヒータ４０が故障していると判定された場合（ステップＳ３，Ｙｅｓ）、制動部５４は、ブレーキ２０を作動させて回転電機１０を静止または極低速回転させる（ステップＳ４）。
次いで、昇温制御部５１は、電力変換部６０から回転電機１０の巻線１２ｂに通電させる（ステップＳ５）。なお、ステップＳ５においては、交流モードが選択される場合、交流指令部５２が、電力変換部６０から回転電機１０に対して交流電流を供給させ、直流モードが選択される場合、直流指令部５３が、電力変換部６０から回転電機１０に対して直流電流を供給させる。上記したステップＳ４やステップＳ５の処理によって、回転電機１０の温度が上昇し、軸受部１５が昇温させられることは、前述した通りである。
次いで、判定部５５は、温度センサ３０から出力される信号に基づいて回転電機１０の温度を再度検出する（ステップＳ６）。そして、判定部５５は、ステップＳ６で検出された温度が所定の条件を満たすか否かを判定する（ステップＳ７）。具体的にステップＳ７では、回転電機１０の温度が、第１所定温度と同じ値または第１所定温度よりも大きい値に設定された第２所定温度未満か否かを判定する。
回転電機１０の温度が所定の条件を満たすと判定、すなわち、回転電機１０の温度が第２所定温度未満と判定された場合（ステップＳ７，Ｙｅｓ）、ステップＳ６の処理に戻る。一方、回転電機１０の温度が所定の条件を満たさなくなったと判定、すなわち、回転電機１０の温度が第２所定温度に到達した場合（ステップＳ７，Ｎｏ）、軸受部１５が十分に昇温されたと推定し、昇温制御部５１は回転電機１０の巻線１２ｂへの通電を停止し、制動部５４はブレーキ２０による制動を解除する（ステップＳ８）。
このように、回転電機１０の温度が所定の条件下にある場合に、回転電機１０の温度が上昇するように、回転電機１０の巻線１２ｂに通電させるようにしたことから、軸受部１５において昇温が必要な適切なタイミングで巻線１２ｂへ通電して、軸受部１５を昇温させることができる。
また、ヒータ４０が故障した場合に、回転電機１０の巻線１２ｂに通電させて軸受部１５を昇温させるようにしたことから、ヒータ４０の故障時であっても軸受部１５を確実に昇温させることができる。
図１０フローチャートの説明を続けると、ヒータ４０が故障していないと判定された場合（ステップＳ３，Ｎｏ）、ヒータ制御部５６は、ヒータ４０を通電させ、回転電機１０を加温する（ステップＳ９）。これにより、回転電機１０の温度が上昇し、それに伴って軸受部１５を昇温させることができる。
次いで、ステップＳ１０，Ｓ１１の処理が実行されるが、ステップＳ１０，Ｓ１１は、上記したステップＳ６，Ｓ７の処理と同一であるので、説明を省略する。そして、回転電機１０の温度が所定の条件を満たさなくなったと判定された場合（ステップＳ１１，Ｎｏ）、ヒータ制御部５６はヒータ４０への通電を停止する（ステップＳ１２）。
なお、上記したステップＳ７においては、回転電機１０への通電を停止するタイミングを回転電機１０の温度に基づいて判定するようにしたが、これに限定されるものではない。すなわち、ステップＳ１で検出された回転電機１０の温度に基づき、回転電機１０の温度が例えば第２所定温度まで上昇するのに必要な時間を推定し、推定された時間が経過するまで回転電機１０の巻線１２ｂに通電、あるいはヒータ４０に通電するような構成であってもよい。
また、上記では、ヒータ４０の故障時に回転電機１０に通電するようにしたが、これに限定されるものではない。すなわち、回転電機１０の温度が所定の条件を満たす際、回転電機１０への通電およびヒータ４０への通電の両方を行うように構成してもよい。具体的に図１０フローチャートにおいては、ステップＳ３を除去するとともに、ステップＳ２において回転電機１０の温度が所定の条件を満たすと判定された場合に、ステップＳ４およびステップＳ９の処理を行うようにしてもよい。これにより、回転電機１０の温度を早期に上昇させることができ、軸受部１５も早期に昇温させることが可能となる。
また、ヒータ４０およびヒータ制御部５６を除去して、回転電機１０への通電のみで軸受部１５を昇温させるように構成してもよい。その場合、図１０フローチャートにおいては、ステップＳ３、Ｓ９〜Ｓ１２を除去するとともに、ステップＳ２において回転電機１０の温度が所定の条件を満たすと判定された場合に、ステップＳ４の処理を行うこととなる。このように、ヒータ４０およびヒータ制御部５６を除去することから、風力発電システム１の構成を簡素化できるとともに、ヒータ４０のメンテナンスも不要にできるため、風力発電システム１のメンテナンス性も向上させることができる。
また、直流モードが選択されて回転電機１０（同期機１０ｂ）に直流電流が供給される場合は、固定子１２には回転磁界が生じず、回転子１３および回転軸１４にも回転トルクが発生しない。したがって、直流電流が供給される場合は、ブレーキ２０および制動部５４を除去するように構成してもよい。その場合、図１０フローチャートにおいては、ステップＳ４を除去し、ステップＳ３においてヒータ４０が故障していると判定された場合、ステップＳ５の処理を行うこととなる。このように、ブレーキ２０および制動部５４を除去することで、風力発電システム１の構成を簡素化することができる。
上述してきたように、本実施形態に係る風力発電システム１では、回転電機１０と、昇温制御部５１とを備える。昇温制御部５１は、回転電機１０の温度が上昇するように、回転電機１０の巻線１２ｂに通電させる。これにより、ヒータ４０に依らずに回転電機１０の軸受部１５を昇温させることができ、軸受部１５の潤滑性能が低下するのを抑制することができる。
なお、上記の風力発電システム１では、回転電機１０が風力発電に用いられるように構成したが、回転電機１０の用途は風力発電に限定されるものではない。すなわち、例えば上記した回転電機１０を、水力発電システムや屋外用ポンプなどの環境温度が比較的低い場所に設置される回転電機に適用することも可能である。その場合、上記した回転電機１０、ブレーキ２０、回転電機の制御装置５０等は「回転電機システム」として機能することとなる。
また、風力発電システム１において、ブレーキ２０を備えるようにしたが、これに限定されるものではなく、要は回転軸１４を制動できれば、どのような種類の制動機構であってもよい。すなわち、例えば回転軸１４に孔を穿設し、穿設した孔にロックピンを嵌合させることで、回転軸１４を制動するような制動機構であってもよい。
また、温度センサ３０を、複数の回転電機１０にそれぞれ対応するように配置したが、これに限定されるものではない。すなわち、温度センサを例えばナセル８１内または屋外に一つ配置するようにし、その一つの温度センサによって検出されたナセル８１内の温度または屋外の環境温度が所定の条件を満たすか否かを判定部５５で判定するようにしてもよい。
また、電力変換部６０の例としてマトリックスコンバータを挙げたが、これに限られるものではなく、例えばインバータであってもよい。また、図１においては、回転電機の制御装置５０と電力変換部６０とが別体で設けられる場合の例を示したが、回転電機の制御装置５０と電力変換部６０とが一体的に構成されてもよい。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ 風力発電システム
１０ 回転電機
１０ａ 誘導機
１０ｂ 同期機
１１ フレーム
１２ 固定子
１２ｂ 巻線
１３ （誘導機の）回転子
１４ 回転軸
１５ 軸受部
１６ （同期機の）回転子
２０ ブレーキ
３０ 温度センサ
４０ ヒータ
５０ 回転電機の制御装置
５１ 昇温制御部
５２ 交流指令部
５３ 直流指令部
５４ 制動部
５５ 判定部
５６ ヒータ制御部
６０ 電力変換部
７０ 交流電源
８０ 塔体
８１ ナセル
８２ プロペラ
８３ 風車

Claims (12)

  1. 回転電機と、
    前記回転電機の温度が上昇するように、前記回転電機の巻線に通電させる昇温制御部と
    を備えることを特徴とする風力発電システム。
  2. 交流電源と前記回転電機との間に配置された複数の双方向スイッチを含み、前記昇温制御部が前記回転電機の巻線に通電させる際に、前記回転電機に電力を供給するマトリックスコンバータ
    を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の風力発電システム。
  3. 前記回転電機を静止または極低速回転させる制動部
    を更に有し、
    前記昇温制御部は、
    前記制動部が前記回転電機を静止または極低速回転させている際に、前記回転電機の巻線に通電させること
    を特徴とする請求項１または２に記載の風力発電システム。
  4. 前記昇温制御部は、
    前記制動部が前記回転電機を静止または極低速回転させている際に、前記回転電機の巻線にトルク制御によって通電させること
    を特徴とする請求項３に記載の風力発電システム。
  5. 前記昇温制御部が前記回転電機の巻線に通電させる際に、前記マトリックスコンバータにより前記回転電機に対して直流電流を供給させる直流指令部
    を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の風力発電システム。
  6. 前記回転電機は、
    誘導機であり、
    前記昇温制御部が前記回転電機の巻線に通電させる際に、前記回転電機に対して交流電流を供給させる交流指令部
    を更に備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の風力発電システム。
  7. 前記回転電機の温度が所定の条件を満たしているか否かを判定する判定部
    を備え、
    前記昇温制御部は、
    前記判定部によって前記回転電機の温度が前記所定の条件を満たしていると判定された場合、前記回転電機の巻線に通電させること
    を特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の風力発電システム。
  8. 前記回転電機に取り付けられるヒータ
    を備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の風力発電システム。
  9. 前記昇温制御部は、
    前記ヒータが故障した場合、前記回転電機の巻線に通電させること
    を特徴とする請求項８に記載の風力発電システム。
  10. 回転電機の回転軸を軸支する軸受部において昇温が必要か否かを判定するステップと、
    前記回転電機の温度が上昇するように、前記回転電機の巻線に通電させるステップと
    を含むことを特徴とする風力発電システムの制御方法。
  11. 回転電機と、
    前記回転電機の温度が上昇するように、前記回転電機の巻線に通電させる昇温制御部と
    を備えることを特徴とする回転電機システム。
  12. 回転電機の温度が上昇するように、前記回転電機の巻線に通電させる昇温制御部
    を備えることを特徴とする回転電機の制御装置。
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