【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発電機出力の短絡により風車の回転を減速することができる風力発電機とその設計方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
風力発電は、風力エネルギーを発電機により電気エネルギーに変換することにより発電を行うもので、一般的に風車と交流発電機とから構成される。
【０００３】
この風力発電システムは、数ｋＷ程度の比較的小型のものから、数百ｋＷを超える大型のものまであり、通常、秒速２ｍ程度から１５ｍ程度の風速において発電を行うように設計されている。
【０００４】
この上限を超える風速においては、風力発電システムが極端な過出力状態となり、過回転により風車や交流発電機が損傷などを招くため、強風時にはこれを防止する保護機構が施されているのが一般的である。
【０００５】
この保護装置としては、風車のブレードがフェザリング機構を有して回転数を落とす方法があるが、風車に機械機構を内蔵する必要があり、小型の風車には不適である。また、かかる保護装置として、制動ディスクなどを用いて機械的に減速する方法、あるいは発電機の短絡電流による電磁ブレーキを利用して減速する方法が知られている。
【０００６】
例えば、機械的に減速する方法として、特開２００２−３０３２５５号公報には油圧式のディスクブレーキを用いる方法が提案されている。また、発電機出力の短絡による電磁ブレーキを利用した減速方法としては、例えば、特開２０００−１９９４７３号公報及び特開２００２−３３９８５６号公報などが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前者の機械的に減速する方法では、風力発電システムの構造が複雑になり、システム保守の問題がある。また、制御回転速度の設定を自由に行うことができないという問題があった。
【０００８】
また、後者の電磁ブレーキを利用して減速する方法では、巻線仕様によっては十分な制動トルクが得られないという問題があり、特に、開２００２−３３９８５６号公報では回路が複雑になるなどの問題があった。
【０００９】
この発明は、風力発電機の構造及び電子回路の構造を複雑化することなく、発電機出力の短絡により風車の回転を減速することができる風力発電機とその設計方法の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、電磁ブレーキを利用して減速する方法について種々検討した結果、風車が高速回転（例えば１０００ｒｐｍ以上）している時に、出力端子を短絡させると、発電機消費エネルギーよりも風車の出力が大となって、発電機が減速しない場合があるということを知見した。
【００１１】
そこで、発電機出力を低下させることなく、すなわち発電電圧Ｖ、電流Ｉを変化させることなく、出力端子短絡時に発電機消費エネルギーを増加させる方法を検討した。発明者らは、出力端子短絡時に発電機消費エネルギー（Ｉ２Ｒ）を増加させるためにはインピーダンスを変えないで、抵抗Ｒを増加させる、インピーダンス配分を変えωＬ／Ｒを低下させる、つまりωＬを低下させることが必要であると考え、その具体的手段を鋭意研究した。
【００１２】
発明者らは、風車の回転数を同じとした場合、電圧周波数ｆを下げるには、発電出力を重視した発電機よりも極数を減らすこと、インダクタンスＬを下げ、Ｒを増加させるには、コイルの巻線方法を分布巻にすることが最適な手段であることを知見し、それらの構成を採用することよって、風車の回転を安定して減速できることを確認し、この発明を完成した。
【００１３】
すなわち、この発明は、風車による発電機の過回転を発電機の短絡電流による電磁ブレーキを利用して減速可能にした電気回路を有し、発電機の発電電圧と電流を変化させることなく短絡した電気回路のインピーダンスの配分を変化させて、誘導リアクタンス（ωＬ）を減じ実効成分である抵抗Ｒを増加させる手段を有し、風車の出力よりも短絡時の発電機消費エネルギーを大きくすることを特徴とする風力発電機とその設計方法である。
【００１４】
また、この発明は、上記構成の風力発電機において、誘導リアクタンス（ωＬ）を減じ抵抗Ｒを増加させる手段として、発電機に少極数で分布巻コイルを有する構成を採用する風力発電機である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１に示すこの発明による風力発電機は、８極２４スロットであり、コイルは、３相Ｙ結線、分布巻（直列）されている。図２に示す従来の風力発電機は、１６極１８スロットであり、コイルは、３相Ｙ結線、集中巻（２コイル並列／相）されている。
【００１６】
図１に示すこの発明による風力発電機と、図２に示す従来の風力発電機とは、発電機の外径、長さ、発電電圧を同じとした場合、この発明による風力発電機の方が、極数を減少させている分、電圧周波数ｆが低下する。また、コイル巻線を分布巻にしているので、インダクタンスＬを下げ、Ｒを増加させることができる。従って、発電機消費エネルギー（Ｉ２Ｒ）が増加する。
【００１７】
すなわち、図３により説明すると、発電電圧Ｖ、電流Ｉは変えない、言い換えれば、インピーダンスＺ（＝Ｒ２＋（ωＬ）２）１／２）は変化させずに、かつ、発電機の外径、長さを同じとした場合、図２に示す従来の発電機は、図３Ａに示す如き消費エネルギーであるといえる。この場合、発電機消費エネルギーは小さく、発電機消費エネルギーよりも風車の出力が大となり、発電機を減速することができない。
【００１８】
一方、図１に示すこの発明による発電機は、上記インピーダンスＺの配分を変化させ、ωＬ／Ｒ（ωＬ＝２πｆＬ）を小さくするとともに、実効成分であるＲを大きくする。これは図３Ｂに示す如く、Ｉ＝Ｉ’、Ｒ’＞Ｒ、ωＬ’＜ωＬで、すなわち、極数を減少させることによりω（＝２πｆ）を小さくし、コイル巻線を分布巻にすることにより、インダクタンスＬを下げ、Ｒを大きくする。
【００１９】
これによって、電流Ｉを変化させることなく、短絡時の発電機消費エネルギーを増加させることができ、風車の出力よりも発電機消費エネルギーを大とすることができ、発電機を安定して減速することが可能になる。
【００２０】
この発明の発電機は、コイルを分布巻することが特徴である。コイル線径、ターン数は、発電機の形状、出力などによって適宜選定すればよい。また、発電機の構造としては、図１に示すインナーロータ型でもよいし、アウターロータ型でも構わない。使用する磁石は、高性能なＲ−Ｆｅ−Ｂ系永久磁石を用いることが好ましい。
【００２１】
以上を要するに、この発明による風力発電機の設計方法は、風車による発電機の過回転を発電機の短絡電流による電磁ブレーキを利用して減速するに際し、当該発電機の発電電圧と電流を変化させることなく、短絡した電気回路のインピーダンスＺの配分を変化させて、誘導リアクタンス（ωＬ＝２πｆＬ）を減じ実効成分である抵抗Ｒを増加させる手段を用いることにより、風車の出力よりも短絡時の発電機消費エネルギー（Ｉ２Ｒ）を大きくすることができる。
【００２２】
【実施例】
実施例１
図１に示すこの発明による風力発電機を製作した。発電機の構成、諸特性は以下のとおりである。
発電機は、外径１５０ｍｍ、長さ３５ｍｍ、構造は８極２４スロット、巻線は３相Ｙ結線、分布巻（直列）である。コイル線径は０．９ｍｍであり、１４ターン／コイル×２並列とした。電気特性は、発電電圧５３．７Ｖ／ｋｒｐｍ、直流抵抗０．７６Ω、インダクタンス０．００２７Ｈであった。
【００２３】
図４にこの発明による風力発電機の発電機特性を示す。図中、白丸印は規格値、黒丸印は測定値を示す。また、表１に、発電電圧（Ｖ）及びＲ（Ω）、ωＬ（Ω）、ωＬ／Ｒのそれぞれの値と短絡時の消費エネルギー（Ｗ）を示す。
【００２４】
比較例１
図２に示す従来の風力発電機を作製した。発電機の構成、諸特性は以下のとおりである。
発電機は、外径１５０ｍｍ、長さ２７ｍｍ、構造は１６極１８スロット、巻線は３相Ｙ結線、集中巻（２コイル並列／相）である。コイル線径は１．０ｍｍであり、４８ターン／コイルとした。電気特性は、発電電圧５４．０Ｖ／ｋｒｐｍ、直流抵抗０．３３Ω、インダクタンス０．００２３Ｈであった。
【００２５】
表１に、発電電圧（Ｖ）及びＲ（Ω）、ωＬ（Ω）、ωＬ／Ｒのそれぞれの値と短絡時の消費エネルギー（Ｗ）を示す。
【００２６】
【表１】
【００２７】
表１から明らかなように、この発明による風力発電機は、従来の風力発電機に比べ、発電電圧（Ｖ）はほぼ同じでありながら、Ｒが大きく、ωＬ、ωＬ／Ｒが小さく、短絡時の消費エネルギーが大きく向上していることが分かる。
【００２８】
風車の出力は、実施例と比較例ともに１０００ｒｐｍで４１９Ｗであるため、比較例の消費エネルギー（２５２Ｗ）では、回転出力を下回り、減速することができないが、この発明によれば、消費エネルギーは１３３２Ｗとなり、安定した減速が可能となることが分かる。
【００２９】
【発明の効果】
この発明によれば、風力発電機及び電子回路の構造を複雑化することなく、風車による発電機の過回転を発電機の短絡電流による電磁ブレーキを利用して減速する際、短絡時の消費エネルギーを風車の出力より大きくすることができ、確実に風車の回転を減速することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による風力発電機の構成例を示す断面説明図であり、発電機構造は、８極２４スロットであり、コイルは、３相Ｙ結線、分布巻（直列）されている。
【図２】従来の風力発電機の構成例を示す断面説明図あり、発電機構造は、１６極１８スロットであり、コイルは、３相Ｙ結線、集中巻（２コイル並列／相）されている。
【図３】Ａ，Ｂは発電機消費エネルギーの増加方法を示す説明図である。
【図４】発電特性（回転数と発電量との関係）を示すグラフである。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wind power generator capable of decelerating the rotation of a windmill by a short circuit of a generator output and a design method thereof.
[0002]
[Prior art]
Wind power generation generates power by converting wind energy into electrical energy by a generator, and generally includes a windmill and an AC generator.
[0003]
This wind power generation system ranges from a relatively small one of about several kW to a large one over several hundred kW, and is usually designed to generate power at a wind speed of about 2 m to 15 m per second.
[0004]
At wind speeds exceeding this upper limit, the wind power generation system becomes extremely overpowered, and overwinding causes damage to the windmill and AC generator, so it is common to have a protection mechanism to prevent this during strong winds. Is.
[0005]
As this protection device, there is a method in which the blade of the windmill has a feathering mechanism to reduce the rotation speed, but it is necessary to incorporate a mechanical mechanism in the windmill, which is not suitable for a small windmill. As such a protective device, a method of mechanically decelerating using a brake disk or the like, or a method of decelerating using an electromagnetic brake due to a short-circuit current of a generator is known.
[0006]
For example, as a method of mechanically decelerating, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-303255 proposes a method using a hydraulic disc brake. Moreover, as a deceleration method using an electromagnetic brake due to a short circuit of a generator output, for example, JP 2000-199473 A and JP 2002-339856 A have been proposed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the former method of mechanically decelerating, the structure of the wind power generation system becomes complicated and there is a problem of system maintenance. Further, there is a problem that the control rotation speed cannot be set freely.
[0008]
In addition, the latter method using the electromagnetic brake has a problem that a sufficient braking torque cannot be obtained depending on the winding specifications, and in particular, the problem is that the circuit is complicated in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-339856. was there.
[0009]
An object of the present invention is to provide a wind power generator capable of decelerating the rotation of a windmill by a short circuit of a generator output without complicating the structure of a wind power generator and the structure of an electronic circuit, and a design method thereof.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
As a result of various investigations on the method of decelerating using an electromagnetic brake, the inventors have determined that when the output terminal is short-circuited when the windmill is rotating at a high speed (for example, 1000 rpm or more), the output of the windmill is greater than the energy consumption of the generator. I found out that the generator might not slow down.
[0011]
Therefore, a method for increasing the generator energy consumption when the output terminal is short-circuited without reducing the generator output, that is, without changing the generated voltage V and the current I was studied. The inventors do not change the impedance to increase the generator energy consumption (I 2 R) when the output terminal is short-circuited, but increase the resistance R, change the impedance distribution, and decrease ωL / R, that is, reduce ωL. We thought that it was necessary to reduce it, and intensively studied the specific means.
[0012]
The inventors of the present invention have the same number of rotations of the windmill, in order to reduce the voltage frequency f, to reduce the number of poles compared to the generator that emphasizes the power generation output, to reduce the inductance L, and to increase R, The present inventors have found that it is an optimum means to use a coil winding method as distributed winding, and by adopting these configurations, it has been confirmed that the rotation of the windmill can be stably decelerated, and the present invention has been completed.
[0013]
In other words, the present invention has an electric circuit that can decelerate over-rotation of a generator by a windmill using an electromagnetic brake due to a short-circuit current of the generator, and short-circuited without changing the power generation voltage and current of the generator. It has means for changing the impedance distribution of the electric circuit to reduce the inductive reactance (ωL) and increase the resistance R, which is an effective component, and to increase the generator energy consumption at the time of short circuit than the output of the windmill. And the design method.
[0014]
Further, the present invention is a wind power generator adopting a structure in which the generator has a small number of poles and distributed winding coils as means for reducing the inductive reactance (ωL) and increasing the resistance R in the wind power generator having the above configuration. .
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The wind power generator according to the present invention shown in FIG. 1 has 8 poles and 24 slots, and the coils are three-phase Y-connected and distributedly wound (in series). The conventional wind power generator shown in FIG. 2 has 16 poles and 18 slots, and the coils are three-phase Y-connected and concentrated winding (two coils in parallel / phase).
[0016]
When the wind turbine generator according to the present invention shown in FIG. 1 and the conventional wind turbine generator shown in FIG. 2 have the same outer diameter, length, and power generation voltage, the wind turbine generator according to the present invention is more suitable. As the number of poles is reduced, the voltage frequency f is lowered. Further, since the coil winding is distributed, the inductance L can be reduced and R can be increased. Therefore, the generator energy consumption (I 2 R) increases.
[0017]
That is, referring to FIG. 3, the generated voltage V and the current I are not changed, in other words, the impedance Z (= R 2 + (ωL) 2 ) 1/2 ) is not changed and the outer diameter of the generator is changed. When the lengths are the same, it can be said that the conventional generator shown in FIG. 2 consumes energy as shown in FIG. 3A. In this case, the generator consumption energy is small, the output of the windmill is larger than the generator consumption energy, and the generator cannot be decelerated.
[0018]
On the other hand, the generator according to the present invention shown in FIG. 1 changes the distribution of the impedance Z, reduces ωL / R (ωL = 2πfL) and increases the effective component R. As shown in FIG. 3B, I = I ′, R ′> R, ωL ′ <ωL, that is, by reducing the number of poles, ω (= 2πf) is reduced, and the coil winding is distributed. As a result, the inductance L is lowered and R is increased.
[0019]
As a result, the generator consumption energy at the time of the short circuit can be increased without changing the current I, the generator consumption energy can be made larger than the output of the windmill, and the generator can be decelerated stably. It becomes possible.
[0020]
The generator of the present invention is characterized in that coils are distributedly wound. What is necessary is just to select a coil wire diameter and the number of turns suitably according to the shape, output, etc. of a generator. Further, the generator structure may be the inner rotor type shown in FIG. 1 or the outer rotor type. The magnet used is preferably a high-performance R—Fe—B permanent magnet.
[0021]
In short, the wind turbine generator design method according to the present invention changes the generated voltage and current of the generator when decelerating over-rotation of the generator by the windmill using an electromagnetic brake due to a short-circuit current of the generator. Without altering the distribution of the impedance Z of the short-circuited electric circuit to reduce the inductive reactance (ωL = 2πfL) and increase the effective component resistance R, the power generation at the time of the short circuit rather than the output of the windmill The machine energy consumption (I 2 R) can be increased.
[0022]
【Example】
Example 1
A wind power generator according to the present invention shown in FIG. 1 was produced. The configuration and characteristics of the generator are as follows.
The generator has an outer diameter of 150 mm, a length of 35 mm, a structure of 8 poles and 24 slots, a winding of three-phase Y connection, and distributed winding (in series). The coil wire diameter was 0.9 mm, and 14 turns / coil × 2 in parallel. The electrical characteristics were a generated voltage of 53.7 V / krpm, a DC resistance of 0.76Ω, and an inductance of 0.0027H.
[0023]
FIG. 4 shows the generator characteristics of the wind power generator according to the present invention. In the figure, white circles indicate standard values and black circles indicate measured values. Table 1 shows the values of the generated voltage (V) and R (Ω), ωL (Ω), and ωL / R and the energy consumption (W) at the time of short circuit.
[0024]
Comparative Example 1
A conventional wind power generator shown in FIG. 2 was produced. The configuration and characteristics of the generator are as follows.
The generator has an outer diameter of 150 mm, a length of 27 mm, a structure of 16 poles and 18 slots, a winding of three-phase Y connection, and concentrated winding (two coils in parallel / phase). The coil wire diameter was 1.0 mm and was 48 turns / coil. The electrical characteristics were a generated voltage of 54.0 V / krpm, a DC resistance of 0.33Ω, and an inductance of 0.0023H.
[0025]
Table 1 shows the values of power generation voltage (V), R (Ω), ωL (Ω), and ωL / R and energy consumption (W) at the time of short circuit.
[0026]
[Table 1]
[0027]
As is apparent from Table 1, the wind power generator according to the present invention has substantially the same power generation voltage (V) as that of the conventional wind power generator, but has a large R, small ωL, ωL / R, and a short circuit. It can be seen that the energy consumption is greatly improved.
[0028]
Since the output of the windmill is 419 W at 1000 rpm in both the example and the comparative example, the energy consumption of the comparative example (252 W) is below the rotational output and cannot be decelerated. However, according to the present invention, the energy consumption is 1332 W. It can be seen that stable deceleration is possible.
[0029]
【The invention's effect】
According to the present invention, energy consumption at the time of a short circuit can be reduced when the over-rotation of the generator by a wind turbine is decelerated using an electromagnetic brake due to a short-circuit current of the generator without complicating the structure of the wind power generator and the electronic circuit. Can be made larger than the output of the windmill, and the rotation of the windmill can be surely decelerated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional explanatory view showing a configuration example of a wind power generator according to the present invention, in which a generator structure has 8 poles and 24 slots, and a coil is three-phase Y-connected and distributed winding (in series).
FIG. 2 is a cross-sectional explanatory view showing a configuration example of a conventional wind power generator, the generator structure is 16 poles and 18 slots, and the coils are three-phase Y-connected and concentrated winding (two coils in parallel / phase) Yes.
FIGS. 3A and 3B are explanatory diagrams showing a method of increasing generator energy consumption. FIGS.
FIG. 4 is a graph showing power generation characteristics (relationship between rotation speed and power generation amount).
