JP2006271186A - 風力発電装置の過回転防止装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 渦電流ブレーキを作動させるブレーキ制御手段を有する風力発電装置の過回転防止装置においては、直流出力電力を検出するための電圧および電流検出手段、および励磁コイルへ余剰電力を出力するパワー変換器制御手段が必要であり、高価になるという問題点がある。
【解決手段】 永久磁石型発電機の交流出力を整流器により直流出力に変換する風力発電装置において、前記永久磁石型発電機の交流出力側に直列にリアクトルを接続し、このリアクトルの反永久磁石型発電機側に前記整流器を接続し、前記永久磁石型発電機と前記リアクトルの接続点に前記リアクトルと並列に渦電流用整流器を接続し、この渦電流用整流器の直流出力側に直列に定電圧回路を接続し、この定電圧回路に直列に励磁コイルを接続し、この励磁コイルにより励磁される円盤状ロータを備えたことを特徴とする風力発電装置の過回転防止装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、風車により駆動される発電機から電気エネルギーを取り出す風力発電装置の過回転防止装置に関わり、特に渦電流ブレーキを用いた風力発電装置の過回転防止装置に関するものである。

従来の風力発電装置の過回転防止装置においては、永久磁石型同期発電機の出力電力が設定値以上となった場合に、渦電流ブレーキ装置を作動させて過回転を防止している（例えば、特許文献１参照）。

かかる先願技術を、図５の従来の風力発電装置の過回転防止装置を説明する図を参照して詳述する。
図５において、１は風車、２は永久磁石型同期発電機、３は整流器、４はバッテリー、５は負荷、６は逆流防止ダイオード、７はブレーキ制御手段、１１は渦電流ブレーキ、１２は円盤状ロータ、１３は磁性体、１４は励磁コイルである。

このブレーキ制御手段７は、強風下において永久磁石型同期発電機２のバッテリー４および負荷５への直流出力電力が設定値以上となった場合に、渦電流ブレーキ１１の励磁コイル１４へ余剰電力を供給する。その結果、直流電磁石が形成されて、円盤状ロータ１２に渦電流が流れ、円盤状ロータ１２に直結される風車１が制動されて、その回転数が抑制される。

また、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を発生する複数の巻線の交流出力端子に各リアクトルを経て直列に各整流器を接続し、これらの整流器の直流出力を並列接続して外部に出力する分散電源用発電装置について提案している（例えば、公開特許文献２参照。）。
この分散電源用発電装置では、リアクトルを接続することは必須であり、このリアクトルが接続されることを本発明では利用する。
特開２００４−１０４９７５号（図１） 特開２００４−６４９２８号（図１）

解決しようとする問題点は、上記のような渦電流ブレーキ１１を作動させるブレーキ制御手段７を有する風力発電装置の過回転防止装置においては、直流出力電力を検出するための電圧および電流検出手段、および励磁コイル１４へ余剰電力を出力するパワー変換器制御手段が必要であり、高価になるという点である。
さらに、ブレーキ制御手段７は待機電力が必要であるという点である。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、風車により駆動される永久磁石型発電機２の交流出力側に直列に接続されるリアクトルと整流器３を経て、バッテリー４および負荷５に供給される直流出力を得るとともに、このリアクトルと並列に渦電流用整流器を接続し、その直流出力を直列に接続される定電圧回路を経て励磁コイル１４に供給し、この励磁コイルにより励磁される円盤状ロータを備えたことを特徴とする風力発電装置の過回転防止装置である。

本発明の風力発電装置の過回転防止装置は、直流出力電力を検出するための電圧および電流検出手段、および励磁コイル１４へ余剰電力を出力するパワー変換器制御手段を有することなく、風車の過回転を防止する渦電流ブレーキを構成することができ、装置の価格を下げることができる。

風車１により駆動される永久磁石型発電機２の交流出力側に接続されるリアクトルと整流器３を経て、バッテリー４および負荷５に供給される直流出力を得るとともに、このリアクトルと並列にトランスを接続し、このトランスの出力に渦電流用整流器を接続し、その直流出力と直列に定電圧回路を接続し、この定電圧回路と直列に励磁コイル１４を接続し、この励磁コイル１４に電力を供給して渦電流ブレーキ用の直流電磁石を形成するものである。

図1は、本発明の風力発電装置の過回転防止装置を説明するための図である。
同図において、１５はリアクトル、１６は励磁電流発生回路、１７はトランス、１８は渦電流用整流器、１９は定電圧回路であり、図５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。

リアクトル１５は、永久磁石型発電機２の交流出力に直列に接続され、その反永久磁石型発電機２側に整流器３が接続されて、バッテリー４及び負荷５に直流出力を供給する。
トランス１７は、永久磁石型発電機２の交流出力とリアクトル１５の接続点に並列に接続され、その２次側は渦電流用整流器１８に接続される。渦電流用整流器１８は、交流を直流に変換し、その直流出力は定電圧回路１９と励磁コイル１４の直列回路に出力し、この直流出力により、励磁コイル１４に電流が流れて、円盤状ロータ１２に渦電流が流れてブレーキがかかる。

ここでリアクトル１５は、永久磁石型発電機２の交流出力との接続点の電圧を、風車１の回転数の増加に応じて増加させるために設けたものである。
整流器３の交流側の電圧は、バッテリー４の電圧に固定されるが、直列に接続したリアクトル１５の反整流器３側の電圧は、リアクトル１５のインピーダンス降下のために変化する。すなわち、風速が上昇して風車１の回転数が上昇すると、永久磁石型発電機２の誘起電圧が上昇するとともに、バッテリー４に充電する電流が増加するために、リアクトル１５のインピーダンス降下により、永久磁石型発電機２の交流出力とリアクトル１５との接続点の電圧が上昇する。
本発明は、この接続点の電圧上昇を利用して励磁コイル１４の励磁電流の制御を電圧および電流検出手段を用いずに行い、渦電流ブレーキ１１の制御を行うものである。

図４は、本発明の回転数に対するトルクを説明するための図である。
風速の上昇により風車１の回転数が，図４のＮｒよりも上昇して、永久磁石型発電機２の交流出力とリアクトル１５の接続点の電圧が上昇すると、渦電流用整流器１８の直流電圧が定電圧回路１９の電圧値よりも上昇して、励磁コイル１４に励磁電流が流れ始める。 励磁電流が流れると、図４の如くトルクが発生して、渦電流ブレーキ１１が作動する。

ここで、渦電流ブレーキ１１が作動を開始する風車１の回転数設定は、永久磁石型発電機２の交流出力とリアクトル１５の接続点の電圧により決定できる。従って、トランス１７の変圧比と定電圧回路１９の電圧値の組み合わせには自由度がある。すなわち、定電圧回路１９の電圧値が高ければ、トランス１７の変圧比を小さくすることで対応できる。

以上、本発明の実施例では、定電圧（ツェナー）ダイオード等で構成する定電圧回路１９には励磁電流が流れるために、定電圧回路１９の電圧値と励磁電流の積である電力の損失が発生する。
従って、定電圧回路１９の電圧値は低い方が望ましいので、トランス１７は降圧トランスが望ましく、特に絶縁トランスである必要は無く、単巻トランスでも可能である。
またトランス１７は、渦電流ブレーキ１１が作動を開始する永久磁石型発電機２の交流出力とリアクトル１５の接続点電圧の微調整を行うために、タップ付きで構成することもできる。

定電圧回路１９は、定電圧（ツェナー）ダイオードで構成すると安価であるが、励磁電流が多い場合には、通常の整流ダイオードの順方向電圧降下を利用して、多数の整流ダイオードを直列に接続しても構成できる。
逆に、定電圧回路１９を電子回路等で構成すれば、定電圧回路１９での電力損失は増加するが、トランス１７を省略する構成とすることができる。

図２に本発明の第２の実施例を示す。
図２は、公開特許文献２に記載されている、異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を有する永久磁石型発電機２に適用したものであり、永久磁石型発電機２の交流出力端子にリアクトルが接続されることを利用したものである。
同図において、１５’は第２のリアクトル、３’は第２の整流器であり、図１と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図２について説明する。

励磁電流発生回路１６は、複数の巻線を有する永久磁石型発電機２と第２のリアクトル１５’ の間に接続される。風車１の回転数が図４のＮｒよりも上昇すると、励磁電流が流れて、図４の如くトルクが発生し、渦電流ブレーキ１１が作動する。
ここで、励磁電流発生回路１６は、永久磁石型発電機２と第１のリアクトル１５の間に接続しても、同様の効果が得られる。
また、図２の説明では、複数の巻線の種類が２の場合で説明したが、３以上の巻線の種類においても、同様に適用できる。

本発明の第２の実施例では、低回転時は風車１より最大エネルギーを取り出すことができるとともに、風車１の回転数が図４のＮｒよりも上昇すると、風車１の過回転を防止できる。

図３に本発明の第２の実施例を示す。
図３は、円盤状ロータ１２として鉄の鋳物を用いて、機械ブレーキ用の円盤と兼用させたものである。
同図において、１２は鉄の鋳物で生成される円盤状ロータ、２０は機械ブレーキであり、図１と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図３について説明する。

機械ブレーキ２０は、図示しない制御装置により制御されて、風車を停止させるために使用される。
このとき、円盤状ロータ１２は鉄の鋳物で生成されるために、上記請求項２記載の渦電流ブレーキ１１のための円盤状ロータ１２としても兼用できる。

本発明の第３の実施例では、円盤状ロータ１２として汎用のブレーキパッドを利用できるために、渦電流ブレーキ１１を含む過回転防止装置を安価に構成できる。

以上の請求項２および３の説明においては、励磁電流発生回路１６が１台の場合で説明したが、図４の渦電流ブレーキ開始回転数Ｎｒと回転数対トルクの傾きが異なる、２台以上の渦電流ブレーキ１１を組み合わせた過回転防止装置を構成できる。
このようにすると、ソフトにブレーキをかける過回転防止装置を構成できる。

本発明の風力発電装置の過回転防止装置によれば、直流出力電力を検出するための電圧および電流検出手段、および励磁コイル１４へ電力を出力するパワー変換器制御手段を有することなく、風車１の過回転を防止する渦電流ブレーキ１１を構成することができるので、安価な装置を提供できる。
また、円盤状ロータ１２として汎用のブレーキパッドを利用すると、さらに安価な渦電流ブレーキ１１を構成することができる。
さらに、電圧および電流検出手段のための待機電力がなく、パワー変換器制御手段が不必要なので渦電流ブレーキ１１を作動させるための電力消費が抑えられ、特に小型の風力発電装置においては積算発電電力量の著しい増加が図れる。

本発明の実施例であり、風力発電装置の過回転防止装置を説明するための図である。 本発明の第２の実施例であり、風力発電装置の過回転防止装置を説明するための図である。 本発明の第３の実施例であり、風力発電装置の過回転防止装置を説明するための図である。 本発明の回転数に対するトルクを説明するための図である。 従来の風力発電装置の過回転防止装置を説明するための図である。

符号の説明

１ 風車
２ 永久磁石型発電機
３、３’ 整流器
４ バッテリー
５ 負荷
６ 逆流防止用ダイオード
７ ブレーキ制御手段
１１ 渦電流ブレーキ
１２ 円盤状ロータ
１３ 磁性体
１４ 励磁コイル
１５、１５’ リアクトル
１６ 励磁電流発生回路
１７ トランス
１８ 渦電流用整流器
１９ 定電圧回路
２０ 機械ブレーキ

Claims (3)

1. 風車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力を整流器により直流出力に変換して負荷に電力を供給する風力発電装置において、前記永久磁石型発電機の交流出力側に直列にリアクトルを接続し、該リアクトルの反永久磁石型発電機側に前記整流器を接続し、前記永久磁石型発電機と前記リアクトルの接続点に前記リアクトルと並列に渦電流用整流器を接続し、該渦電流用整流器の直流出力側に直列に定電圧回路を接続し、該定電圧回路に直列に励磁コイルを接続し、該励磁コイルにより励磁される円盤状ロータを備えたことを特徴とする風力発電装置の過回転防止装置。
2. 前記永久磁石型発電機を異なる誘起電圧を発生する複数の巻線で構成し、該複数の巻線の各交流出力端子に各リアクトルを経て直列に各整流器を接続し、該整流器の直流出力を並列接続して負荷に電力を供給する風力発電装置において、前記交流出力端子と前記リアクトルの任意の接続点に前記リアクトルと並列に前記渦電流用整流器を接続することを特徴とする請求項１記載の風力発電装置の過回転防止装置。
3. 前記励磁コイルにより励磁される円盤状ロータを、機械ブレーキ用の円盤ロータと兼用させることを特徴とする請求項１または請求項２記載の風力発電装置の過回転防止装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

Images