JP2006288186A - 低速での発電効率が改善されたエスアール発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】低速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】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、固定子に巻かれた相巻線３００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相巻線３００の結線を制御する。本発明のこのような実施形態によって、低速では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。また、固定子の相巻線３００を単相で構成して、相巻線３００の結線変更に必要なスイッチ１００の個数を減らすことによって、より価格が低廉になる作用効果がある。
【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、低速でも発電が可能な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、固定子に巻かれた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、低速では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、固定子の相巻線を単相で構成する。これによって、発電機は、必要なスイッチの個数が減って、より低廉で簡単に構成される。

以下で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、固定子に巻かれた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。

更に、本発明によるエスアール発電機は、固定子の相巻線を単相で構成し、必要なスイッチの個数を減らすことによって、更に価格が低廉になるという作用効果がある。

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の巻かれた固定子３０と、相巻線３００内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とを含み、相巻線３００のインダクタンスが、低速では大きく、高速では小さくなるように構成されることを特徴とする。

本発明の一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する少なくとも一つの巻線スイッチ３４０，３６０とを含み、また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から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とを含む。

単相エスアール発電機の場合は、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及びキャパシティ９３０は、このような初期励磁電流供給システムを回路的に表現したものである。本実施例では、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の場合は、エネルギー変換のためのスイッチの個数が少ないため、低廉な価格で実施が可能である。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。

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、こ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から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。また、電力制御器５００は、電流検出部５１０を介して発電機の出力電流を検出して、過電流を防止するようにパルス幅変調信号を調整する。このような電力制御器５００は多様な形態のものが公知である。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。

図示された実施例において、エスアール発電機は、固定子の相巻線３００から出力される電流を充電するバッテリ９５５と、このバッテリ９５５の出力電圧を昇圧させる昇圧型直流−交流インバータ４００とを更に含む。インバータ４００の出力は、負荷６００に供給される。図面で、ダイオード９５１，９５３は、バッテリに充電された電力が相巻線に逆流するのを防止するダイオードである。

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から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、単位巻線３１０，３３０，３５０の結線方式を変更する。

エスアール発電機において、電圧方程式は、

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の区間では、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あり、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。図２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。

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、単位巻線の接続を、低速では直列に接続され、高速では並列に接続されるように制御する。図１では、単一相からなった相巻線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式的に示している。図３は、前記の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。図示された実施例において、上記の各々の単位巻線は、放射状に配置された固定子磁極（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反対になる極性を有するように巻線される。つまり、各々の複数の磁極は、隣接した磁極が互に反対極性を有し、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線されている。図面でＯ，Ｘは巻線の巻き取り方向を示す。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、低速で更に高いエネルギー効率を達成することができる。

図４（Ａ）は、図３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もので、図４（Ｂ）は、高速での結線方式を示したものである。また、図５（Ａ）は、図３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もので、図５（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は、

で表わされる。図５（Ａ）に図示されているように、インダクタンスプロファイルを見る時、低速では単位巻線が直列で接続され、インダクタンスが大きくなるので、Ｌｍａｘ及びＬｍｉｎが全て大きくなってｄＬ／ｄθが大きくなるので、低速での発電効率が良くなる。更に、励磁電流を見ても、低速ではＬｍａｘは大きいが、低速なので、励磁に十分な時間が確保され、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が大きくて、十分な発電が行なわれる。

一方、高速では、単位巻線が並列で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は小さいが、角速度ωが大きくて、十分な発電になる。図６は、本発明の一実施例によるエスアール発電機において、風速による発電エネルギー量を概略的に示したグラフである。図面の点線領域で低速部分の発電効率が改善されることが分かる。

本発明は、添付の図面を参照に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って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。 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す図である。 単一相の固定子で、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固定子の結線構造を示した図である。 図４（Ａ）は、図３に図示された結線構造を有する固定子の低速での結線方式を示した図で、図４（Ｂ）は、高速での結線方式を示した図である。 図５（Ａ）は、図３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、図５（Ｂ）は、高速での同じ関係を示した図である。 本発明の一実施例によるエスアール発電機において、風速に対する発電エネルギー量の概略的なグラフを示した図である。

符号の説明

１０ 回転子
３０ 固定子
１００ 駆動スイッチ
３００ 相巻線
３４０ スイッチ
４００ インバータ
５００ 電力制御器
５１０ 電流検出部
５３０ 速度検出器
６００ 負荷
７００ 結線制御部
９１０ 電流源
９３０ キャパシティ
９５１，９５３ ダイオード
９５５ バッテリ

Claims (7)

1. 低速ではインダクタンスが大きく、高速ではインダクタンスが小さくなるように相巻線が巻かれた固定子を具備することを特徴とするエスアール発電機。
2. 前記相巻線は単相であ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. 前記相巻線が複数の単位巻線で構成され、前記単位巻線間の接続を少なくとも一つの巻線スイッチが断続することを特徴とする請求項１または２に記載のエスアール発電機。
4. 前記相巻線の各々の単位巻線は、放射状に配置された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、前記の各グループ内では、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. 前記固定子に対応する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前記巻線スイッチのスイッチングを制御する結線制御部と；
   を含むことを特徴とする請求項３に記載のエスアール発電機。
6. 前記結線制御部の制御によって、前記巻線スイッチが、低速では前記の各単位巻線を直列に接続し、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。
7. 前記エスアール発電機が、
   固定子巻線から出力される電流を充電するバッテリと、
   前記バッテリの出力電圧を昇圧させる昇圧型直流−交流インバータと、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。

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