JP2006288184A - エスアール発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】低速及び高速領域での発電性能が改善されたエスアール（ＳＲ：Switched Reluctance）発電機を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態によるエスアール発電機は、相巻線３００に励磁電流を供給する励磁キャパシティ９３０の励磁電圧を制御する昇圧変換器を具備することによって、励磁電流を制御することが可能となり、相巻線３００に十分な励磁電流を供給することによって、効率を改善することが可能になる。本発明の別の実施形態によると、この昇圧変換器は、発電された電力を貯蔵するバッテリ９５５と励磁キャパシティ９３０との間に配置され、バッテリ９５５の電圧を昇圧させて励磁キャパシティ９３０に供給することによって、昇圧のための追加的な電源を含まないので、全体的な構成が簡単で低廉になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、エスアール（ＳＲ：Switched Reluctance）発電機に関するもので、特に低速及び高速領域での発電性能が改善されたエスアール発電機に関するものである。

エスアール発電機は、電子スイッチングによって、一定範囲の回転子角度の間は、電圧源から一つ以上の相を有する巻線に電気エネルギーを供給し、それ以外の回転子角度の間は、この供給されたエネルギーよりもっと多いエネルギーを相巻線から引き出すエネルギー変換装置である。このような追加エネルギーは、回転方向にトルクを加えることによって、発電機回転子に付与される機械的なエネルギーである。このようなエスアール発電機は、出力の形態が電流なので、低速でも発電が可能であるという長所がある。

従来の風力発電では、誘導型発電機または同期型発電機が主に使用されていたが、誘導型発電機の場合、構造が簡単で価格が低廉であることに反し、発電時一定速度を維持しなければならないので、別途のギアボックスが必要であり、発電がなされる風の速度範囲が制限されるという短所があり、同期型発電機の場合、構造が複雑で価格が高いという短所がある。また、同期型発電機の場合も、低い風速では発電機から出力される電圧が小さいため、バッテリに充電が行なわれない。

従って、韓国のように風速が低い地域では、誘導型または同期型発電機を利用して発電するのに相当な問題が存在する。本発明者は、低速でも風力発電を効率的に遂行するための発電機を開発する過程で、エスアール発電機がこのような応用分野に適合するように改良することができるという点を発見し、本発明を創案するに至った。

本発明は、低速及び高速領域での効率が改善されたエスアール発電機を提供することを目的とする。

更に、本発明は、構造が簡単で、耐久性の優れたエスアール発電機を提供することを目的とする。

前記目的を達成するための本発明の一実施形態によるエスアール発電機は、相巻線に励磁電流を供給する励磁キャパシティの励磁電圧を制御する昇圧変換器を具備することを特徴とする。

これによって、励磁電流を制御することが可能となり、相巻線に十分な励磁電流を供給することができることによって、効率を改善することが可能になる。

本発明の別の実施形態によると、この昇圧変換器が、発電された電力を貯蔵するバッテリと前記励磁キャパシティとの間に配置され、前記バッテリの電圧を昇圧して前記励磁キャパシティに供給する。

これによって、昇圧のための追加的な電源を含まないので、全体的な構成が簡単で低廉になる。

本発明の更に別の実施形態によると、この昇圧変換器は、回転子の回転速度が一定速度以下である時動作する。また、昇圧変換器は、回転子の回転速度が低いほど励磁電流が増加するように動作する。

このような実施形態によって、本発明によるエスアール発電機は低速での効率が改善される。

本発明の更に別の実施形態によると、この昇圧変換器は、回転子の回転速度が一定速度以上の時動作する。また、昇圧変換器は回転子の回転速度が高いほど励磁電流が増加するように動作する。

このような実施形態によって、本発明によるエスアール発電機は高速での効率が改善される。

本発明の更に別の実施形態によると、相巻線のインダクタンスを低速では大きくし、高速では小さくなるように制御することを特徴とする。

本発明のこのような実施形態によって、低速でインダクタンスの位相角に対する変化率が大きくなり、これによって低速でも出力エネルギーが増加して発電効率が改善される。

本発明の更に別の実施形態によると、固定子の位相巻線は、単相で構成される。

これによって、発電機は必要なスイッチの個数が減って、更に低廉で簡単に構成される。

以下に詳細に説明するように、本発明によるエスアール発電機は、低速及び高速領域で励磁電圧を昇圧させて供給するので、十分な励磁電流を確保することができることによって、低速及び高速領域での発電効率が改善される。

更に、本発明によるエスアール発電機は、発電された電圧が充電されるバッテリの電圧を昇圧させて励磁キャパシティに供給するので、追加的な電源装置を具備せず、最小限の部品追加だけで発電効率を改善することができる作用効果がある。

更に、本発明によるエスアール発電機は、固定子巻線のインダクタンスを低速では大きくし、高速では小さくなるように制御することによって、低速でインダクタンスの位相角に対する変化率が大きくなり、これによって低速でも出力エネルギーが増加して発電効率が改善される。

前述した本発明の実施形態及び追加の実施形態について、添付の図面を参照して記述される好適実施例によって当業者が容易に理解し、実施できる程度に詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例によるエスアール発電機の全体的な構成を概略的に示した図である。図示されているように、本発明によるエスアール発電機は、回転子１０と、相巻線３００が巻かれた固定子３０と、相巻線３００の電流を制御する駆動スイッチ１００と、駆動スイッチ１００のスイッチングを制御する電力制御器５００とを含む。

エスアール発電機の場合、初期励磁電流を供給する必要があるが、独立型発電システムでは、このために発電機と並列で装着された小型同期モータを駆動して必要な電源を供給する。図１で、電流源９１０は、このような初期励磁電流を供給するモータ、例えば、ＢＬＤＣモータを回路的に表現したものである。モータによって供給される励磁電流は、励磁キャパシティ９３０を充電する。一旦励磁キャパシティ９３０が充電されると、以後は回転子の回転角度の一定範囲では励磁キャパシティ９３０に充電された電圧が駆動スイッチ１００を経て相巻線３００に供給され、回転子の別の回転角度範囲では、相巻線３００に誘導される剰余の電気エネルギーがバッテリ９５５に充電される。電力制御器５００は、速度検出部５３０で検出された回転子の回転角度によって駆動スイッチ１００をオン／オフさせ、このような動作を制御する。

相巻線３００は、駆動スイッチ１００の電子的なスイッチングによって、一定範囲の回転子角度の間は、電圧源である励磁キャパシティ９３０から電気エネルギーの供給を受け、それ以外の回転子角度の間は、上記の供給されるエネルギーよりもっと多くのエネルギーをバッテリ９５５に供給する。駆動スイッチ１００の電子的なスイッチングを制御する電力制御器５００は、速度検出部５３０で検出された回転子の位置によって、このようなスイッチングを制御するパルス幅変調信号を出力する。このような電力制御器５００の構成としては公知の多様な形態のものがある。周知のように、速度検出部５３０は、ホールセンサや電流検出方式などを利用する多様な形態のものが公知であり、例えば変位を検出してこれを微分したり、また別の等価的な例として、一定時間の間エンコーダから出力されるパルス列をカウントして速度を検出することができる。

バッテリ９５５の出力は、負荷６００に供給される。その代りに、バッテリ９５５の出力を、昇圧型ＤＣ−ＤＣ変換器を経て負荷６００に供給することもできる。図でダイオード９５１，９５３は、バッテリに充電された電力が相巻線３００に逆流することを防止するダイオードである。

実施例では、固定子の相巻線３００が単相で図示されている。単相エスアール発電機は、エネルギー変換のためのスイッチの個数が少ないため、低廉な価格で具現が可能である。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。

図示された実施例において、エスアール発電機は、相巻線３００に励磁電流を供給する励磁キャパシティ９３０の励磁電圧を制御する昇圧変換器を具備する。本発明の追加的な実施形態に従い図示された実施例において、昇圧変換器は、発電された電力を貯蔵するバッテリ９５５と励磁キャパシティ９３０との間に配置され、バッテリ９５５の電圧を昇圧して励磁キャパシティ９３０に供給する。一実施例において、昇圧変換器は、ブーストコンバータで具現される。即ち、本実施例においては、説明のために最も簡単なブーストコンバータ回路が例示的に図示されている。このブーストコンバータ回路は、バッテリ９５５からの電流が供給されるブースト用インダクタ８１０と、インダクタ電流の供給を断続するスイッチ８５０と、このスイッチのオン・オフによって励磁キャパシティ９３０に電流を供給し、逆流を防止するダイオード８３０とで構成される。このようなブーストコンバータ回路の動作は周知のものなので、詳細な説明は省略する。

図示された実施例において、エスアール発電機は、回転子の回転速度を検出する速度検出部５３０と、この速度検出部５３０で検出された回転子の速度が一定速度以下の時、上記の昇圧変換器を動作させる励磁制御部８００とを含む。この時、励磁制御部８００は、回転子の回転速度が低いほど励磁電流が増加するように昇圧変換器を制御するのが好ましい。

本発明の別の実施形態に従い図示された実施例において、励磁制御部８００は、速度検出部で検出された回転子の速度が一定速度以上の時、昇圧変換器を動作させる。この時、励磁制御部８００は、回転子の回転速度が高いほど励磁電流が増加するように昇圧変換器を制御する。

以下では、このような昇圧変換器の動作原理に関して数式を用いて説明する。

エスアール発電機において、電圧方程式は次のとおりである。

ここで、

であるので、エネルギーの流れは、

ここで、最初の項は銅損で、二番目の項は｛鉄損＋磁気エネルギー｝であり、三番目の項は機械的な出力で発電電力を示す。ｄＬ／ｄθ＞０である区間では機械的な出力が正（＋）の値を有するので、モータで動作する区間で、ｄＬ／ｄθ＜０である区間では機械的な出力が負（−）の値を有するので、発電機で動作する区間である。

発電機で得られる電力エネルギー（Energy）を示す三番目の項は、

で表示され、ここで電流ｉは相巻線で供給される励磁電流に比例する。従って、励磁電流を増加させることにより発電エネルギーを高めることができる。つまり、低速では角速度ω_mの値が小さいので発電エネルギーが低下するが、本発明の特徴的な実施形態によって励磁電圧を増加させ励磁電流を増加させれば電流ｉが大きくなって発電エネルギーを維持することができる。この時、速度が低くなるほど励磁電流を増加させることによって、角速度ω_mの低下分を補償することが可能になる。

また、高速では角速度ω_mの値は大きいが、励磁に必要な時間が減少して、実質的に励磁電流が減少して発電エネルギーが低下する。この時、励磁電圧を増加させ、励磁電流の大きさを増加させることによって、発電エネルギーを維持することができる。この時、速度が速くなるほど励磁電流の大きさを増加させることによって、実質的な励磁電流を維持して発電エネルギーを補償することが可能である。図２は、このように補償された励磁電圧の速度に対する関係を示したグラフである。グラフで補償が開始される角速度ω₁とω₂は実験によって適正値に設定することができる。図３は、このように補償された励磁電圧によって得られる発電エネルギー量を回転子の回転速度に対して概略的に示したグラフである。図示されているように、低速及び高速領域で従来は発電エネルギー量が少なかったが、本発明によって相対的に大きくなる特性が得られることが分かる。

図４は、本発明の別の実施例によるエスアール発電機の構成を概略的に示したものである。図示された実施例において、図１に図示された実施例と類似した構成には同じ参照符合を使用した。図示された実施例によるエスアール発電機は、相巻線３００が複数の単位巻線３１０，３３０，３５０と、この単位巻線間の接続を断続させる少なくとも一つ以上の巻線スイッチ３４０，３６０とを含み、また速度検出部５３０で検出された速度によって、低速ではインダクタンスを大きくし、高速ではインダクタンスが小さくなるように巻線スイッチ３４０，３６０のスイッチングを制御する結線制御部７００を含んでいる点で図１に図示された実施例と差がある。

以下では、本発明の特徴的な実施形態による結線制御部７００の動作を、図面を参照して説明する。結線制御部７００は、速度検出部５３０で検出された速度によって相巻線３００内の巻線スイッチ３４０，４６０のスイッチングを制御して単位巻線３１０，３３０，３５０の結線方式を変更する。

本発明の特徴的な実施形態によって、一実施例による結線制御部７００は、各単位巻線が低速では直列に、高速では並列に接続されるように制御する。図４は、単一の相からなる相巻線３００が、三つの単位巻線３１０，３３０，３５０と、これらの結線を制御する二つの巻線スイッチ３４０，３６０とで構成された実施例を図示したものである。図５は、このようなエスアール発電機の固定子の結線構造を示したものである。図示した実施例において、前記の各々の単位巻線は、放射状に配置された複数の固定子磁極（magnetic pole）を均分し、複数の隣接した磁極で構成されたグループごとに割り当てられ、各グループ内では、隣接した磁極同士が交互に反対極性を有するように巻線される。つまり、各々の磁極は、隣接した磁極と反対極性を有し、全体的に三つの単位巻線が磁極を三つのグループに分け、一つのグループごとに一つの単位巻線が巻かれている。図面でＯ，Ｘは、巻線の巻き方向を示す。単相の極数を大きく設計し、巻線の結線方式を改善することによって、低速でより高いエネルギー効率を達成することができる。

図６は、エスアール発電機において、回転子の位相角に対する相インダクタンスと発電機電流及びモータ電流間の関係を示したグラフである。図示されているように、θ＝θｍａｘでインダクタンスは最大値Ｌｍａｘを有し、θ＝θｍｉｎでインダクタンスは最小値Ｌｍｉｎを有する。

図７（ａ）は、図５に図示された結線構造を有する固定子において、低速での結線方式を図示したもので、図７（ｂ）は、高速での結線方式を示したものである。また、図８（ａ）は、図５に図示された結線構造を有する固定子において、低速でのインダクタンスと発電電流の関係を示したものであり、図８（ｂ）は、高速での同じ関係を示したものである。

式（３）から分るように、エスアール発電機で発電されるエネルギー（Energy）は、

で示される。図８（ａ）に図示されているように、インダクタンスのプロファイルを見ると、低速では単位巻線が直列に接続されインダクタンスが大きくなるので、Ｌｍａｘ及びＬｍｉｎが全て大きくなりｄＬ／ｄθが大きくなり、低速での発電効率が良くなる。更に、励磁電流についても、低速ではＬｍａｘは大きいが低速であるので、励磁に十分な時間が確保されるだけでなく、本発明の別の実施形態によって励磁電圧が昇圧され十分な励磁電流を得ることができる。従って、低速での発電エネルギーは、角速度ωは小さいがｄＬ／ｄθが大きいので十分な発電がなされる。

一方、高速では単位巻線が並列に接続されインダクタンスが減るので、Ｌｍａｘ及びＬｍｉｎが全て小さくなってｄＬ／ｄθが小さくなるが、角速度ωが大きいだけでなく、本発明の更に別の実施形態によって励磁電圧が昇圧されて供給されるので、やはり十分な励磁電流を得ることができ、発電が改善される。

本発明は、添付の図面を参照して記述される好適実施例を中心に説明されたが、これに限定されるものではなく、当業者なら導出できる自明な変形例を包括するように意図された特許請求の範囲により解釈されるべきである。

本発明の一実施例によるエスアール発電機の全体的な構成を概略的に示した図である。 本発明によって補償された励磁電圧の速度に対する関係のグラフを示す図である。 本発明によって補償された励磁電圧によって得られる発電エネルギー量を回転子の回転速度に対して概略的に示したグラフを示す図である。 本発明の別の実施例によるエスアール発電機の構成を概略的に示した図である。 図４に図示された実施例の単一相固定子を示したもので、相巻線が三つの単位巻線で構成されたエスアール発電機の例示的な結線構造を示した図である。 エスアール発電機において、回転子の位相角に対する相インダクタンスと発電機電流及びモータ電流間の関係のグラフを示す図である。 図７（ａ）は、図５に図示された結線構造を有する固定子において、低速での結線方式を示した図であり、図７（ｂ）は、高速での結線方式を示した図である。 図８（ａ）は、図５に図示された結線構造を有する固定子において、低速でのインダクタンス及び発電電流の関係を示した図であり、図８（ｂ）は、高速での同じ関係を示した図である。

符号の説明

１０ 回転子
３０ 固定子
１００ 駆動スイッチ
３００ 相巻線
５００ 電力制御器
５３０ 速度検出部
６００ 負荷
８００ 励磁制御部
８１０ ブースト用インダクタ
８３０ ダイオード
８５０ スイッチ
９１０ 電流源
９３０ 励磁キャパシティ
９５１，９５３ ダイオード
９５５ バッテリ

Claims (12)

1. 相巻線に励磁電流を供給する励磁キャパシティの励磁電圧を制御する昇圧変換器を具備することを特徴とするエスアール発電機。
2. 前記昇圧変換器は、発電された電力を貯蔵するバッテリと前記励磁キャパシティとの間に配置され、前記バッテリの電圧を昇圧させて前記励磁キャパシティに供給することを特徴とする請求項１に記載のエスアール発電機。
3. 回転子の回転速度を検出する速度検出部と、
   前記速度検出部で検出された回転子の速度が一定速度以下である時、前記昇圧変換器を動作させる励磁制御部と、
   を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のエスアール発電機。
4. 前記励磁制御部は、回転子の回転速度が低いほど励磁電流が増加するように昇圧変換器を制御することを特徴とする請求項３に記載のエスアール発電機。
5. 少なくとも一つの巻線スイッチによって接続が断続される複数の単位巻線を含む相巻線に励磁電流を供給する励磁キャパシティの励磁電圧を制御する昇圧変換器を具備することを特徴とするエスアール発電機。
6. 前記巻線スイッチは、前記の各単位巻線を、低速ではインダクタンスが大きくなり、高速ではインダクタンスが小さくなるように接続することを特徴とする請求項５に記載のエスアール発電機。
7. 前記巻線スイッチは、前記の各単位巻線を、低速では直列に、高速では並列に接続することを特徴とする請求項５に記載のエスアール発電機。
8. 前記相巻線は、単相であることを特徴とする請求項５に記載のエスアール発電機。
9. 前記相巻線の各々の単位巻線は、放射状に配置された複数の固定子磁極を均分し、複数の隣接した磁極で構成されたグループごとに割り当てられ、各グループ内では、隣接した磁極同士が交互に反対になる極性を有するように巻かれていることを特徴とする請求項５に記載のエスアール発電機。
10. 前記昇圧変換器は、発電された電力を貯蔵するバッテリと前記励磁キャパシティとの間に配置され、前記バッテリの電圧を昇圧させて前記励磁キャパシティに供給することを特徴とする請求項５に記載のエスアール発電機。
11. 回転子の回転速度を検出する速度検出部と、
    前記速度検出部で検出された回転子の速度が一定速度以下である時、前記昇圧変換器を動作させる励磁制御部と、
    を更に含むことを特徴とする請求項５に記載のエスアール発電機。
12. 前記励磁制御部は、回転子の回転速度が低いほど励磁電流が増加するように昇圧変換器を制御することを特徴とする請求項１１に記載のエスアール発電機。

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