JP2007110789A - 分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＷＭコンバータ無しで風力等より最大出力を得る分散電源用発電装置の永久磁石型発電機においては、その場合のスロットに、巻数の異なる多種類の巻線を設けなければならないために、巻線作業および巻線間の絶縁作業が煩雑になるとともに、量産品の固定子コアを使用できず、コスト高になるという問題があった。
【解決手段】 風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機にリアクトルを接続して交流より得られる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おいて、風車又は水車により第１および第２の永久磁石型発電機を駆動し、低い電圧を発生する前記第１の永久磁石型発電機の交流出力端子を第１のリアクトルを経て第１の整流器に接続し、高い電圧を発生する前記第２の永久磁石型発電機の交流出力端子を第２のリアクトルを経て第２の整流器に接続し、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。
【選択図】 図１

Description

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、風速又は流速に関わらず、風又は水より得られる概略の最大出力を取り出すための分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法に関し、特に、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発電機と整流器の接続方法に関するものである。

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１参照。）。

かかる先願技術を、図７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を参照して詳述する。
図７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、５は第１および第２のリアクトル、６、７は第１および第２の整流器、１１は正側出力端子、１２は負側出力端子、１３はバッテリである。
図７においては、永久磁石型発電機３は、２種類の巻数を有し、３相の場合を示している。

図７において、永久磁石型発電機３の巻数が少ないために誘起電圧実効値の低い第１の巻線Ｗ１は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１の整流器６に接続される。
巻数が多い第２の巻線Ｗ２は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２の整流器７に接続される。
上記第１、第２の整流器６、７の各々の直流側は、正側出力端子１１及び負側出力端子１２に接続され、各巻線の合計出力がバッテリ１３に充電される。

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６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６のように示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図６に示す最大出力曲線Ｐｔのようになる。
すなわち、図６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。

すなわち、図６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３の出力Ｐを一義的に、最大出力曲線Ｐｔ上の値に定めれば良いことを表している。

図５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３の第１、第２の巻線の各出力は、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５の風車回転数対出力特性に示すＰ１、Ｐ２のようになる。

すなわち、風車回転数Ｎが低い場合には、永久磁石型発電機３内の第１および第２の巻線の発生電圧がバッテリ電圧Ｖｂより低いために、バッテリ１３には充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ２付近になると、第２の巻線に電流が流れ始め、風車回転数Ｎの上昇と共に電流が上昇し、第２の巻線による出力はＰ２のようになる。この時、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、第２の巻線のインダクタンスおよび第２のリアクトル５によるインピーダンスが周波数に比例するために、出力Ｐ２は漸増するに留まる。
第１の巻線については、さらに回転数Ｎが上昇することにより出力が取れるが、第１の巻線の内部インダクタンスおよび第２のリアクトル４が小さいために大きな出力が取れる。

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１３等の定電圧源への出力は、永久磁石型発電機３内の第１、第２の巻線の出力Ｐ１、Ｐ２を加算して得られる合計出力である最大出力曲線Ｐｔと概略同一である。
特開２００４−６４９２８号（図１）

解決しようとする問題点は、上記のような分散電源用発電装置の永久磁石型発電機においては、永久磁石型発電機内のスロットに、巻数の異なる多種類の巻線を設けなければならない。
従って、巻線作業および巻線間の絶縁作業が煩雑になるとともに、永久磁石型発電機内の第２の巻線は、高い電圧を発生するために絶縁耐圧を強化しなければならないという点である。
また、永久磁石型発電機が多種類の巻線をスロットに収める必要があるために、スロット部分のみが特別に大きくなるので、量産品の固定子コアを使用できず、永久磁石型発電機がコスト高になるという点である。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機３にリアクトルを接続して交流より得られる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おいて、風車又は水車により第１および第２の永久磁石型発電機を駆動し、低い電圧を発生する前記第１の永久磁石型発電機の交流出力端子を第１のリアクトルを経て第１の整流器に接続し、高い電圧を発生する前記第２の永久磁石型発電機の交流出力端子を第２のリアクトルを経て第２の整流器に接続し、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ことを特徴とする分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法である。

本発明の分散電源用発電装置の発電機と整流回路の接続方法においては、量産品の永久磁石型発電機を使用して分散電源用発電装置を構成できるために、分散電源用発電装置の価格を下げることができる。

風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機３にリアクトルを接続して交流より得られる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おいて、風車又は水車により第１および第２の永久磁石型発電機を駆動し、前記第１の永久磁石型発電機の交流出力端子を第１のリアクトルを経て第１の整流器に接続し、前記第２の永久磁石型発電機の交流出力端子を第２のリアクトルを経て昇圧整流器に接続し、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ことを特徴とする分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法である。

図1は、本発明を風車に適用した場合であり、風車により駆動される分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法を示す図である。
同図において、３１は第１の永久磁石型発電機、３２は第２の永久磁石型発電機であり、２台の永久磁石型発電機が風車軸に直結されている。ここで、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。

第１の永久磁石型発電機３１の交流出力端子Ｗ１は、第１のリアクトル４、および第１の整流器６を経てバッテリ１３に直流出力される。
第２の永久磁石型発電機３２の交流出力端子Ｗ２は、第２のリアクトル５、および第２の整流器７を経てバッテリ１３に直流出力される。
従って、バッテリ１３には、これらの合計直流出力が出力される。

ここで、同一回転数において、第２の永久磁石型発電機３２の誘起電圧Ｖ２が、第１の永久磁石型発電機３１の誘起電圧Ｖ１よりも高くなる発電機を選定し、第１および第２のリアクトル４および５のインダクタンス値を調整することにより、従来と同様に、バッテリ１３等の定電圧源への合計直流出力を、図６の最大出力曲線Ｐｔと概略同一にすることができる。

図２に本発明の第２の実施例を示す。
図２は、本発明の第２の永久磁石型発電機３２の交流出力端子に、２倍昇圧整流器を適用した場合の分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法を示す図である。
同図において、２１は２倍昇圧整流器、２２は第１の直流コンデンサ、２３は第２の直流コンデンサ、２４は単相整流器であり、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。

第１の永久磁石型発電機３１の交流出力端子Ｗ１は、第１のリアクトル４を経て、第１の整流器６に接続される。
第２の永久磁石型発電機３２の交流出力端子Ｗ２は、第２のリアクトル５を経て、２倍昇圧整流器２１に接続される。
このように接続される第１の整流器６および２倍昇圧整流器２１の直流出力は、並列接続され、その合計直流出力はバッテリ１３に出力される。

２倍昇圧整流器２１は以下のように接続される。
第２のリアクトル５の出力である３相の交流出力線の中で、２相の交流出力線が単相整流器２４に接続され、他の１相の交流出力線は直列に接続される第１の直流コンデンサ２２と第２の直流コンデンサ２３の中点Ｍに接続される。
第１の直流コンデンサ２２の反中点Ｍ側は、単相整流器２４の正側直流出力端子に接続され、第２の直流コンデンサ２３の反中点Ｍ側は、単相整流器２４の負側直流出力端子に接続される。さらに、単相整流器２４の正側および負側直流出力端子は、第１の整流器６の正側および負側直流出力端子に各々並列接続される。

このように構成される分散電源用発電装置２において、第１および第２のリアクトル４および５のインダクタンス値を調整することにより、従来と同様に、バッテリ１３等の定電圧源への合計直流出力を、図６の最大出力曲線Ｐｔと概略同一にすることができる。

図３は、本発明を風車に適用した場合の第３の実施例であり、風車により駆動される分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法を示す図である。
同図において、１０１は第１の変速装置、１０２は第２の変速装置であり、２台の永久磁石型発電機３１、３２は風車１により駆動される。
ここで、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。

第１の変速装置１０１を介して駆動される第１の永久磁石型発電機３１の交流出力端子Ｗ１は、第１のリアクトル４、および第１の整流器６を経てバッテリ１３に直流出力される。
第２の変速装置１０２を介して駆動される第２の永久磁石型発電機３２の交流出力端子Ｗ２は、第２のリアクトル５、および第２の整流器７を経てバッテリ１３に直流出力される。
従って、バッテリ１３には、これらの合計直流出力が出力される。

ここで、第２の永久磁石型発電機３２の誘起電圧Ｖ２が、第１の永久磁石型発電機３１の誘起電圧Ｖ１よりも高くなるように変速装置を選定し、第１および第２のリアクトル４および５のインダクタンス値を調整することにより、従来と同様に、バッテリ１３等の定電圧源への合計直流出力を、図６の最大出力曲線Ｐｔと概略同一にすることができる。
すなわち、例えば、同一回転数において同一の誘起電圧を発生する永久磁石型発電機であれば、第２の永久磁石型発電機３２に接続される第２の変速装置１０２の変速比を、第１の永久磁石型発電機３１に接続される第１の変速装置１０１の変速比のギヤー比よりも、２〜３倍高くすることにより可能である。
ここで変速装置は、歯車やＶベルト等の変速比を変えられる装置であれば良い。

図４に本発明の第４の実施例を示す。
図４は、本発明の第２の永久磁石型発電機３２の交流出力に、４/√３倍昇圧整流器を適用した場合の分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法を示す図である。
同図において、２５は４/√３倍昇圧整流器、２６は第１の交流コンデンサ、２７は第２の交流コンデンサ、８は第３の整流器であり、図２と同一番号は同一構成部品を表す。
Ｇは第２の永久磁石型発電機３２の中性点端子、Ｍは第１および第２の直流コンデンサ２２および２３の直流中性点を示す。
以下、図４について説明する。

第２の永久磁石型発電機３２の交流出力端子Ｗ２は、第２のリアクトル５および第１の交流コンデンサ２６を経て、第２の交流コンデンサ２７および第３の整流器８に並列接続される。
第２の交流コンデンサ２７の反第１の交流コンデンサ２６側は、第２の整流器７に接続される。
第１および第２の直流コンデンサ２２および２３は直列接続され、その直列接続点である直流中性点Ｍと、第２の整流器７の負側と第３の整流器８の正側の直列接続点が接続される。

第１の直流コンデンサ２２の反直流中性点Ｍ側と第２の整流器７の正側が並列接続され、第２の永久磁石型発電機３２の中性点端子Ｇ、第３の整流器８の負側、第２の直流コンデンサ２３の反直流中性点Ｍ側が並列接続される。
ここで、第１および第２の交流コンデンサ２６および２７、第２および第３の整流器７および８、第１および第２の直流コンデンサ２２および２３により、４/√３倍昇圧整流器が構成される。

第１の永久磁石型発電機３１の交流出力端子Ｗ１は、第１のリアクトル４を経て、第１の整流器６に接続される。
このように接続される第１の整流器６および４/√３倍昇圧整流器２５の直流出力は、並列接続されて、その合計直流出力が正側出力端子１１および負側出力端子１２よりバッテリ１３に出力される。
このとき、第１および第２のリアクトル４および５のインダクタンス値を調整することにより、従来と同様に、バッテリ１３等の定電圧源への合計直流出力を、図６の最大出力曲線Ｐｔと概略同一にすることができる。

以上においては、永久磁石型発電機が２台の場合について説明したが、永久磁石型発電機が３台の場合においても、巻数の少ない順に通常の整流器、２倍昇圧整流器、４／√３倍昇圧整流器を用いる方法、および／または３台の変速装置の変速比を組み合わせる方法により、永久磁石型発電機が２台の場合よりも、図６の風車最大出力曲線Ｐｔに、より近似した出力が可能である。
また、上記は３相の永久磁石型発電機を用いる場合について説明したが、単相、または単相と３相の組合せにおいても、同様の方法が可能である。
さらに、第２のリアクトル５は直流出力電流を抑えるために必要であるが、第１の永久磁石型発電機の誘起電圧値の選定次第では、第１のリアクトル４は無くとも、同様の方法が可能である。

本発明の分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法によれば、２台または３台の量産品の永久磁石型発電機を用いて、変速装置の組合せ、または、および整流器と昇圧整流器の組合せにより、風車から概略の最大出力を得ることができる。
すなわち、巻線作業および巻線間の絶縁作業が煩雑な、特殊な永久磁石型発電機を製作することなく、また量産品の固定子コアを用いた永久磁石型発電機を使用できるので、安価な分散電源用発電装置を提供できる。

本発明の第１の実施例であり、分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法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、２倍昇圧整流器を用いた分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法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、変速装置を用いた分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法を説明するための図である。 本発明の第４の実施例であり、４/√３倍昇圧整流器を用いた分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法を説明するための図である。 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。 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。 先願出願の分散電源用発電装置の主回路結線図である。

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
３１、３２ 第１、第２の永久磁石型発電機
４，５ 第１、第２のリアクトル
６，７、８ 第１、第２、第３の整流器
１１ 正側出力端子
１２ 負側出力端子
１３ バッテリ
２１ ２倍昇圧整流器
２２、２３ 第１、第２の直流コンデンサ
２４ 単相整流器
２５ ４/√３倍昇圧整流器
２６、２７ 第１、第２の交流コンデンサ

Claims (4)

1. 風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機にリアクトルを接続して交流より得られる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おいて、風車又は水車により第１および第２の永久磁石型発電機を直結駆動し、低い電圧を発生する前記第１の永久磁石型発電機の交流出力端子を第１のリアクトルを経て第１の整流器に接続し、高い電圧を発生する前記第２の永久磁石型発電機の交流出力端子を第２のリアクトルを経て第２の整流器に接続し、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ことを特徴とする分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法。
2. 請求項１記載の前記第２の永久磁石型発電機の交流出力端子を前記第２のリアクトルを経て２倍昇圧整流器に接続したことを特徴とする請求項１記載の分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法。
3. 請求項１記載の前記第１および第２の永久磁石型発電機を変速装置を介して風車又は水車により駆動することを特徴とする請求項１記載の分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法。
4. 請求項１記載の前記第２の永久磁石型発電機の交流出力端子を前記第２のリアクトルを経て４/√３倍昇圧整流器に接続したことを特徴とする請求項１記載の分散電源用発電装置の発電機と整流器の接続方法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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