JP2004248391A - 分散電源用発電装置の整流回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭコンバータを使用しないで、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機より最大出力をダイオード整流により取り出す分散電源用発電装置の整流回路において、低出力時のダイオード及びリアクトルの電圧ドロップによる損失が大きいという問題があった。
【解決手段】異なる誘起電圧実効値を出力永久磁石型発電機の複数の巻線を複数の誘起電圧実効値及び複数の位相を発生する多相巻線により構成し、同一位相の異なる誘起電圧実効値を発生する多相巻線の一方の出力端子はダイオードが直列に接続された個別のダイオード整流器の中点に各々接続し、多相巻線の他方の出力端子はタップを設けたインダクタンス値の異なるリアクトルの一端に各々接続し、該リアクトルの他端は直列に接続されたコンデンサの中点に一括して接続する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機から概略の最大出力を取り出す分散電源用発電装置の整流回路に関し、特に、異なる誘起電圧実効値を出力する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機よりＰＷＭコンバータを用いずに定電圧充電を行う分散電源用発電装置の整流回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は先に、風車又は水車に接続された永久磁石型発電機より、ＰＷＭコンバータを用いずに交流を直流に変換して概略の最大出力を取り出すために、永久磁石型発電機の異なる誘起電圧実効値を出力する複数の巻線の出力端子をリアクトルを経て個別のダイオード整流器に各々接続し、この個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する分散電源用発電装置について【特願２００２−２２１７１４号】の「小型風力発電装置」、及び【特願２００２−３０９７９０号】の「分散電源用発電装置」、にて提案している（出願特許文献１及び２）。
【０００３】
かかる先願技術を、図６の風車又は水車に接続された分散電源用発電装置を示す主回路単線結線図、及び図７の風車又は水車により駆動される分散電源用発電装置の永久磁石型発電機の構造図を参照して詳述する。
図６において、１は風車、２は先願技術の分散電源用発電装置、３は永久磁石型発電機、４〜６は第１〜第３のリアクトル、７〜９は第１〜第３のダイオード整流器、１０は正側出力端子、１１は負側出力端子、１２はバッテリ、１３〜１５は第１〜第３の出力端子である。
図７において、４０は回転子、３０は固定子、３１〜３６は第１〜第６の固定子歯、３７は固定子ヨーク、２１〜２３は第１〜第３の巻線であり、図６と同一番号は同一構成部品を表す。
図７においては、永久磁石型発電機３の第１〜第６の固定子歯３１〜３６に、それぞれ巻き回される第１〜第３の巻線２１〜２３は、位相が１２０度異なる３相電圧を外部に出力するので、全部で９種類の電圧を出力するような構造になっている。
【０００４】
図６及び図７を相互に参照しながら説明すると、永久磁石型発電機３は、誘起電圧実効値の異なる３巻線を有し、３巻線の中の巻数が一番少ないために一番誘起電圧実効値の低い第１の巻線２１に接続される第１の出力端子１３は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１のダイオード整流器７に接続される。
次に巻数が多い第２の巻線２２に接続される第２の出力端子１４は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２のダイオード整流器８に接続される。
又、巻数が一番多いために一番誘起電圧実効値の高い第３の巻線２３に接続される第３の出力端子１５は、第３のリアクトル６に接続され、さらに第３のダイオード整流器９に接続される。
上記第１〜第３のダイオード整流器７〜９の各々の直流側は、正側出力端子１０及び負側出力端子１１に接続され、各巻線の合計出力がバッテリ１２に充電される。
【０００５】
このように構成される分散電源用発電装置２より、概略の風車最大出力を得る方法を以下に示す。
図５は、風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明した図である。
風車は、風車の形状及び風速Ｕが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、例えば風速Ｕｘ及びＵｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図４の実線で示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図５の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
すなわち、図５の風車回転数対風車出力特性において、風速がＵｘの時は、風速Ｕｘの風車出力曲線と最大出力曲線との交点Ｓｘに示すように、風車回転数Ｎｘにおいて、風車最大出力Ｐｘとなる。
又、風速がＵｙの時は、風車回転数Ｎｙにおいて、風速Ｕｙでの風車最大出力Ｐｙとなる。
【０００６】
すなわち、図５の最大出力曲線を見方を変えて見ると、風から最大出力を得るためには、風車回転数Ｎが決まると、その時の永久磁石型発電機の出力Ｐを一義的に、最大出力曲線上の値に定めれば良いことを表している。
【０００７】
図４は、先願技術が対象とする分散電源用発電装置２の直流出力をバッテリ等の定電圧源に接続した場合の説明図であり、分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機内３の第１〜第３の巻線２１〜２３の各出力は、各巻線の誘起電圧実効値の違い、及び各巻線内部インダクタンスと各出力端子に接続されるリアクトルによる電圧降下のために、図４の風車回転数対出力特性に示すＷ１〜Ｗ３のようになる。
【０００８】
すなわち、風車回転数Ｎが低い場合には、第３の巻線２３の発生電圧ＶＷ３がバッテリ電圧ＶＢより低いために、バッテリには充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ３付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ３になると、第３の巻線２３の出力Ｗ３はＰＷ３となる。これ以上に風車回転数Ｎが上昇して誘起電圧が上昇しても、バッテッリ電圧は、ほぼ一定であるが、巻線のインダクタンスによるインピーダンスが周波数に比例するために、出力Ｗ３はＰＷ３よりも漸増するに留まる。
第２の巻線２２については、さらに回転数Ｎが上昇することにより出力が取れるが、内部インダクタンス等が小さいために大きな出力が取れる。第１の巻線２１については、さらに回転数Ｎが上昇したときに、さらに大きな出力が取れる。
【０００９】
このように構成される分散電源用発電装置２のバッテリ１２等の定電圧源への出力は、第１〜第３の巻線２１〜２３の出力Ｗ１〜Ｗ３を加算して得られる合計出力と同一である。
図３は、先願技術が対象とする分散電源用発電装置の風車回転数対風車出力特性図である。
図３の実線で示す最大出力曲線は、図５で示した最大出力曲線と同一の曲線であり、風車回転数Ｎに対する出力Ｐが、この曲線上にあれば、風車より最大出力を取り出せる。
従って、分散電源用発電装置２では、図３の点線で示すが如き近似出力曲線上の出力で近似的に取り出す。すなわち、前記の第１〜第３の巻線２１〜２３の出力Ｗ１〜Ｗ３を加算して得られる出力により、近似出力曲線上の合計出力を実現している。
【００１０】
ここで、分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機３内の巻線内部インダクタンスは巻数の２乗に比例する。従って、第３の巻線に接続されるリアクトルの値は第２の巻線に接続されるリアクトルの値よりも大きく、第２の巻線に接続されるリアクトルの値は第１の巻線に接続されるリアクトルの値よりも大きくして、概略３次曲線である図３の実線で示す最大出力曲線に近似する分散電源用発電装置２の出力曲線を実現している。
【００１１】
さらに、図７の永久磁石型発電機構造の実施例においては起動時のトルクを低減させるために、誘起電圧値が一番低い第１の巻線２１は、位相が１２０度異なる３相電圧を外部に出力し、他の第２、第３の巻線２２、２３についても同様に３相電圧を外部に出力するので、全部で９種類の電圧を出力するような構造になっている。
【００１２】
【出願特許文献１】
特願２００２−２２１７１４号（第１図）
【出願特許文献２】
特願２００２−３０９７９０号（第１図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に低風速時の状態は時間的には長いが低出力であり、このような分散電源用発電装置２において、風速が低い時にも効率良く出力を得るためにはダイオードの電圧ドロップによる損失も無視できなくなるが、第１〜第３のダイオード整流器７〜９が通常の全波整流回路であると、永久磁石型発電機３からの充電電流は＋側とー側のダイオードを経て流れるために、ダイオードの電圧ドロップによる損失の割合が大きかった。
又、永久磁石型発電機３により出力される誘起電圧実効値が異なる第１〜第３の巻線２１〜２３は、各々、位相が１２０度異なる３相電圧を外部に出力するために各巻線につき３個のリアクトルが必要であり、通常の全波整流回路であると、２個のリアクトルを経て流れるために、このリアクトルの電圧ドロップによる損失の割合も大きかった。
さらに風車より最大出力を取り出すためには、図３の実線で示す最大出力曲線と分散電源用発電装置の整流回路出力とが整合が取れている必要があるが、風車又は発電装置の製造誤差により整合が取れないことがある。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、主として、その目的とするところは、永久磁石型発電機３から充電する時に発生するダイオード及びリアクトルの電圧ドロップによる損失を減少させ、風車との整合が取り易い、複数の巻線により構成される永久磁石型発電機を有する分散電源用発電装置の整流回路を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明では、前記異なる誘起電圧実効値を出力する複数の巻線を複数の誘起電圧実効値及び複数の位相を出力する複数の多相巻線により永久磁石型発電機を構成し、同一位相の異なる誘起電圧実効値を出力する多相巻線の一方の各出力端子はダイオードが直列に接続された個別のダイオード整流器の中点と各々接続し、前記多相巻線の他方の各出力端子はタップを設けたインダクタンス値の異なるリアクトルの一端に各々接続し、このリアクトルの他端は直列に接続されたコンデンサの中点に一括して接続して、複数の巻線により構成される永久磁石型発電機を有する分散電源用発電装置の整流回路を構成するものである。
【００１５】
本発明は上記原理に基づき、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための各手段は、
１）請求項１において、
風車又は水車により駆動されて、異なる誘起電圧実効値を出力する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の交流出力を、前記複数の巻線の出力端子にリアクトルを経て個別のダイオード整流器により整流し、該個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する分散電源用発電装置の整流回路は、前記複数の巻線は複数の同一誘起電圧実効値を出力する複数の多相巻線により構成するとともに、前記多相巻線は複数の位相を出力する複数の巻線により構成することを特徴とするものである。
【００１６】
２）請求項２において、
請求項１記載の複数の多相巻線において、同一位相の異なる誘起電圧実効値を出力する多相巻線の一方の出力端子は前記個別のダイオード整流器の中点に各々接続し、前記多相巻線の他方の出力端子はインダクタンス値の異なるリアクトルの一端に各々接続し、該インダクタンス値の異なるリアクトルの他端は直列に接続されたコンデンサの中点に一括して接続することを特徴とするものである。
【００１７】
３）請求項３において、
請求項２記載のインダクタンス値の異なるリアクトルにおいて、一番高い誘起電圧実効値を出力する出力端子に接続されるリアクトルを複数のリアクトルにより構成し、該複数のリアクトルの接続点に低い誘起電圧実効値を発生する出力端子を接続することを特徴とするものである。
【００１８】
４）請求項４において、
請求項２記載のインダクタンス値の異なるリアクトルにおいて、前記リアクトルにタップを設けたことを特徴とするものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の、風車又は水車より直流出力を得る分散電源用発電装置の整流回路を説明するための図であり、異なる誘起電圧実効値を出力する多相巻線の数は図６及び図７と異なり２の場合であり、又、同一の誘起電圧実効値を出力する多相巻線の数は、図７と同様に３の場合について説明する。
同図において、７１〜７３は第１巻線のダイオード整流器、８１〜８３は第２巻線のダイオード整流器、４１〜４３は第１巻線のリアクトル、５１〜５３は第２巻線のリアクトル、１３１〜１３６は第１巻線のＵ、Ｖ、Ｗ相出力端子、１４１〜１４６は第２巻線のＵ、Ｖ、Ｗ相出力端子、６１、６３、６５は上側コンデンサ、６２、６４、６６は下側コンデンサであり、図６及び図７と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。
【００２０】
巻数の少ない第１巻線のＵ相出力端子１３１は第１巻線のダイオード整流器７１の中点に、第１巻線のＶ相出力端子１３３は第１巻線のダイオード整流器７２の中点に、第１巻線のＷ相出力端子１３５は第１巻線のダイオード整流器７３の中点に、それぞれ接続される。
巻数の多い第２巻線のＵ、Ｖ、Ｗ相出力端子１４１、１４３、１４５も同様に第２巻線のダイオード整流器８１、８２、８３の中点にそれぞれ接続される。
【００２１】
巻数の少ない第１巻線の他方のＵ相出力端子１３２は第１巻線のリアクトル４１に、第２巻線の他方のＵ相出力端子１４２は第２巻線のリアクトル５１にそれぞれ接続され、第１巻線のリアクトル４１及び第２巻線のリアクトル５１の反各相出力端子側は直列に接続された上側及び下側コンデンサ６１及び６２の中点に一括して接続される。
他の第１巻線のＶ、Ｗ相出力端子１３４、１３６も同様に第１巻線のリアクトル４２、４３に、他の第２巻線のＶ、Ｗ相出力端子１４４、１４６も同様に第２巻線のリアクトル５２、５３にそれぞれ接続され、第１巻線のリアクトル４２及び第２巻線のリアクトル５２の反出力端子側は直列に接続された上側及び下側コンデンサ６３及び６４の中点に、第１巻線のリアクトル４３及び第２巻線のリアクトル５３の反出力端子側は直列に接続された上側及び下側コンデンサ６５及び６６の中点にそれぞれ一括して接続される。
【００２２】
このように接続される分散電源用発電装置の整流回路において、例えば第２巻線のＵ相巻線についてのみ説明すると、Ｕ相出力端子１４１の電位がＵ相出力端子１４２の電位より高い時には、電流はダイオード整流器８１の上側のダイオード、上側のコンデンサ６１、第２巻線のリアクトル５１を通って流れる。そして第２巻線のＵ相出力端子１４２の電位がＵ相出力端子１４１の電位より高い時には、電流は第２巻線のリアクトル５１、下側のコンデンサ６２、ダイオード整流器８１の下側のダイオードを通って流れる。従って、コンデンサ６１及び６２を充電する時に、出力端子より流れる電流は１個のダイオードを通って流れるために、ダイオードの電圧ドロップによる損失を減少させることができる。
【００２３】
Ｕ相の他の第１巻線についても同様の充電動作となり、他のＶ、Ｗ相についても同様である。
この時、上側コンデンサと下側コンデンサの合計電圧がバッテリ１２の電圧に印加されるために、通常の整流回路の倍の電圧でバッテリ１２を充電することが可能である。
又、この充電動作は、風車回転数が低い時は第２巻線からの充電のみであるが、風車回転数が上昇してくると第１巻線からの充電も始まり、両方の巻線から充電される。
【００２４】
さらに第１巻線のリアクトル４１〜４３、及び第２巻線の５１〜５３にタップを設けることにより、風車から図３の近似出力曲線で示す出力を得るための微調整が行いやすくなる。
【００２５】
図２は、本発明の第２の実施例であり、５４〜５６は第２のリアクトルであり、図１と同一番号は同一構成部品を表す。
図２において、巻数の多い第２の巻線に接続される第２のリアクトル５４〜５６の値は、図１の第２のリアクトル５１〜５３の値から第１のリアクトル４１〜４３の値を減じた値に等しいように構成されるために、図１の第１の実施例とほぼ同じ出力を得ることができる。
しかし、図２の第２の実施例では、第２のリアクトル５４〜５６の値を小さくできるために、第２のリアクトル５４〜５６の重量ひいては全体の重量を減少させることができる。本実施例では多相巻線の数が２の場合で説明したが、多相巻線の数が３以上の場合には、同様にリアクトルを分割することにより、さらに全体の重量を減少させることができる。
又、第１のリアクトル４１〜４３にのみタップを設けることにより、図３の近似出力曲線で示す出力を風車から得るための微調整を行うことができるので、製造コストの低減を図ることができる。
【００２６】
このように接続される分散電源用発電装置の整流回路においては、図１の本発明の第１の実施例と同様に、出力端子より流れる電流は１個のダイオード及びリアクトルを通って流れるために、ダイオード及びリアクトルの電圧ドロップによる損失を減少させることができる。
【００２７】
本発明の第１及び第２の実施例では、異なる誘起電圧実効値を発生する多相巻線の数が２、同一の誘起電圧実効値を発生する巻線の相数が３の場合について説明したが、多相巻線の数が３以上、相数が２及び４以上であっても、本発明の分散電源用発電装置の整流回路を構成することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上、本発明のＰＷＭコンバータを使用しないで風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機より最大出力を取り出すための分散電源用発電装置の整流回路は、永久磁石型発電機を複数の誘起電圧実効値及び複数の位相を出力する多相巻線により構成し、その各多相巻線出力端子を複数のダイオード整流器の中点に各々接続し、この各多相巻線の他方の出力端子をタップを設けたリアクトルの一方の端に接続し、同一位相を出力する巻線に接続されるリアクトルの他方の端は直列に接続されたコンデンサの中点に一括して接続した構成となっている。
そのため、永久磁石型発電機３から充電する時に発生するダイオード及びリアクトルの電圧ドロップによる損失を減少させることができるので、低風速時にも有効にエネルギーを取り出すことができる。
さらにタップを設けたリアクトルの微調整により、図３の近似出力曲線で示す出力を風車から得るための微調整を行うことができ、実用上おおいに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、風車又は水車により駆動される分散電源用発電装置の整流回路を説明するための図である。
【図２】本発明の、別の風車又は水車により駆動される分散電源用発電装置の整流回路を説明するための図である。
【図３】先願出願が対象とする分散電源用発電装置の風車回転数対風車出力特性図である。
【図４】先願出願が対象とする分散電源用発電装置の動作原理を説明するための図である。
【図５】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明する図である。
【図６】先願出願の分散電源用発電装置の主回路単線結線図である。
【図７】先願出願の分散電源用発電装置の永久磁石型発電機の構造図である。
【符号の説明】
１ 風車
２ 分散電源用発電装置
３ 永久磁石型発電機
４〜６ 第１〜第３のリアクトル
７〜９ 第１〜第３のダイオード整流器
１０ 正側出力端子
１１ 負側出力端子
１２ バッテリ
１３〜１５ 第１〜第３の出力端子
２１〜２３ 第１〜第３の巻線
３０ 固定子
３１〜３６ 第１〜第６の固定子歯
３７ 固定子ヨーク
４０ 回転子
４１〜４３ 第１巻線のリアクトル
５１〜５６ 第２巻線のリアクトル
６１〜６３ 上側コンデンサ
６４〜６６ 下側コンデンサ
７１〜７３ 第１巻線のダイオード整流器
８１〜８３ 第２巻線のダイオード整流器
１３１〜１３６ 第１巻線のＵ、Ｖ、Ｗ相出力端子
１４１〜１４６ 第２巻線のＵ、Ｖ、Ｗ相出力端子

Claims (4)

1. 風車又は水車により駆動されて、異なる誘起電圧実効値を発生する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の交流出力を、前記複数の巻線の出力端子よりインダクタンス値の異なるリアクトルを経て個別のダイオード整流器により整流し、該個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する分散電源用発電装置の整流回路において、前記複数の巻線は同一発電機回転数において複数の同一誘起電圧実効値を出力する複数の多相巻線により構成するとともに、前記多相巻線は複数の位相を出力する複数の巻線により構成することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
2. 請求項１記載の多相巻線において、同一位相の異なる誘起電圧実効値を出力する多相巻線の一方の出力端子はダイオードが直列に接続された前記個別のダイオード整流器の中点に各々接続し、前記多相巻線の他方の出力端子はインダクタンス値の異なるリアクトルの一端に各々接続し、該リアクトルの各々の他端は直列に接続されたコンデンサの中点に一括して接続することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
3. 請求項２記載のインダクタンス値の異なるリアクトルにおいて、高い誘起電圧実効値を出力する出力端子に接続されるリアクトルを複数のリアクトルにより構成し、該複数のリアクトルの接続点に低い誘起電圧実効値を発生する出力端子を接続することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
4. 請求項２記載のインダクタンス値の異なるリアクトルにおいて、前記リアクトルにタップを設けたことを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。

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