JP2007288954A

JP2007288954A - 分散電源用発電装置の直流出力回路

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Publication number: JP2007288954A
Application number: JP2006115127A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Isaka; 勉井坂; Takeshi Shioda; 剛塩田; Keita Tanaka; 啓太田中
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2006-04-19
Filing date: 2006-04-19
Publication date: 2007-11-01
Anticipated expiration: 2026-04-19
Also published as: JP4804211B2

Abstract

【課題】ＰＷＭコンバータ無しで風力等より最大出力を得るために多種類の巻線を有する永久磁石型発電機を用いた分散電源用発電装置においては、永久磁石型発電機による交流出力は遅れ電流であるために、永久磁石型発電機のギャップ磁束が減磁し、内部誘起電圧が減少するという問題があった。
【解決手段】異なる誘起電圧実効値を発生する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の交流出力を個別の整流器により整流する分散電源用発電装置において、複数の巻線の中で高い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子にリアクトルを経て個別の整流器を接続するリアクトル直列整流回路とコンデンサを経て個別の整流器を接続するコンデンサ直列整流回路を並列に接続したもので、高い誘起電圧実効値を発生する巻線の内部インダクタンスとコンデンサとの直列合成インピーダンスが、永久磁石型発電機の定格回転数範囲内において容量性となるようにすること。
【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分散電源用発電装置の主回路に関し、特に、永久磁石型発電機より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直流出力回路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、特許文献１参照。）。

かかる先願技術を、図１３の風車に接続された分散電源用発電装置を示す主回路結線図を参照して詳述する。
図１３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、６は第１および第２のリアクトル、８、１０は第１および第２の整流器、１２は正側出力端子、１３は負側出力端子、１４はバッテリである。
図１３においては、永久磁石型発電機３は、２種類の巻数を有し、各巻線が３相の場合を示している。

図１３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の巻線の交流出力端子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８に接続される。
巻数が多い第２の巻線の交流出力端子Ｗ２は、第２のリアクトル６に接続され、さらに第２の整流器１０に接続される。
上記第１、第２の整流器８、１０の各々の直流側は、正側出力端子１２及び負側出力端子１３に並列接続され、各巻線の合計出力がバッテリ１４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１０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が一義的に定まる。例えば、風速Ｕｘ及びＵｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図１０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１０に示す最大出力曲線Ｐｔのようになる。
すなわち、図１０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１０の最大出力曲線の見方を変えると、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１１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１１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１４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６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始め、第１の巻線の内部インダクタンスおよび第１のリアクトル４が小さいために大きな出力が取れる。

図１２は、先願が対象とする分散電源用発電装置のバッテリ等の定電圧源への出力を示す図である。
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は近似出力曲線Ｐｓとなる。
特開２００４−６４９２８（図１）

しかしながら、以上のような分散電源用発電装置２の主回路より電力を得る時、永久磁石型発電機３の巻線による交流出力は遅れ電流であるために、永久磁石型発電機３のギャップ磁束を減磁させる方向であり、内部誘起電圧が減少して分散電源用発電装置２の出力が減少する要因となっている。
特に、巻数が多い第２の巻線は流れる電流は少ないが、巻数が多いために遅相分電流と巻数の積に比例する減磁作用の影響が大きくなり、巻数が少ない第１の巻線が大きな交流出力を出せない。

この減磁作用による影響を、図１２の従来の分散電源用発電装置２のバッテリ等の定電圧源への出力で見ると、風車回転数Ｎが大きい時に最大出力曲線Ｐｔと近似出力曲線Ｐｓとの差である出力差Ｐｚが大きくなってしまう。
この減磁作用を軽減させるためには、例えば、永久磁石型発電機３内の永久磁石の磁束方向の厚みを増加させなければならない。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、主として、その目的とするところは、永久磁石型発電機３内の高価な永久磁石の量を減らして、永久磁石型発電機３の価格を減少させるとともに、風車回転数Ｎが大きい時にも最大出力曲線Ｐｔと近似出力曲線Ｐｓをほぼ一致させることができる分散電源用発電装置の直流出力回路を提供することである。

請求項１による発明は、
風車又は水車により駆動されて、異なる誘起電圧実効値を発生する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の巻線の交流出力を、個別の整流器により整流し、該個別の整流器の直流出力を並列に加算して外部に出力する分散電源用発電装置の直流出力回路において、前記複数の巻線の中で低い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子にリアクトルを経て前記個別の整流器を接続し、前記複数の巻線の中で高い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子にリアクトルを経て前記個別の整流器を接続するリアクトル直列整流回路とコンデンサを経て前記個別の整流器を接続するコンデンサ直列整流回路を並列に接続し、前記高い誘起電圧実効値を発生する巻線の内部インダクタンスによる誘導性インピーダンスと前記コンデンサによる容量性インピーダンスとの直列合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるようにすることを特徴としている分散電源用発電装置の直流出力回路である。

請求項２による発明は、
前記請求項１による発明において、前記複数の巻線を２種類とすることを特徴としている分散電源用発電装置の直流出力回路である。

請求項３による発明は、
前記請求項１による発明に記載の分散電源用発電装置の直流出力回路において、前記複数の巻線を３種類とし、前記３種類の巻線の中で一番低い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子と前記個別の整流器との間に直列にリアクトルを接続し、前記３種類の巻線の中で２番目に高い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子にリアクトルを経て前記個別の整流器を接続するリアクトル直列整流回路とコンデンサを経て前記個別の整流器を接続するコンデンサ直列整流回路を並列に接続し、前記３種類の巻線の中で一番高い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子と前記個別の整流器との間に直列にリアクトルを接続し、前記３種類の巻線の中で２番目に高い誘起電圧実効値を発生する巻線の内部インダクタンスの誘導性インピーダンスと前記コンデンサによる容量性インピーダンスとの直列合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるようにすることを特徴としている分散電源用発電装置の直流出力回路である。

請求項４による発明は、
風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力を個別の整流器により整流して外部に出力する分散電源用発電装置の直流出力回路において、前記永久磁石型発電機の交流出力端子にリアクトルを経て前記個別の整流器を接続するリアクトル直列整流回路とコンデンサを経て前記個別の整流器を接続するコンデンサ直列整流回路を並列に接続し、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記コンデンサとの直列合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるようにすることを特徴としている分散電源用発電装置の直流出力回路である。

永久磁石型発電機３内の高価な永久磁石の量を減らして、永久磁石型発電機３の価格を減少させるとともに、風車回転数Ｎが大きい時にも最大出力曲線Ｐｔと近似出力曲線Ｐｓをほぼ一致させることができる分散電源用発電装置の直流出力回路を提供できる。また、風車回転数Ｎが小さい場合にもリアクトル直列整流回路により発電可能となるとともに、風車回転数Ｎが増大してくるとコンデンサによる増磁作用により、永久磁石型発電機３内の複数の巻線の巻数を減少させることができ、発電機を小型化できる。

異なる誘起電圧実効値を発生する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の複数の交流出力を、個別の整流器により整流し、該個別の整流器の直流出力を加算して外部に出力する分散電源用発電装置の直流出力回路において、前記複数の巻線の中で高い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子にリアクトルを経て前記個別の整流器を接続するリアクトル直列整流回路を接続し、さらに前記巻線の高い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子にコンデンサを経て前記個別の整流器を接続するコンデンサ直列整流回路を接続し、前記永久磁石型発電機の高い誘起電圧実効値を発生する巻線の内部インダクタンスと直列に接続された前記コンデンサの合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるようにするものである。

図１は、本発明の、風車又は水車より直流出力を得る分散電源用発電装置の直流出力回路を説明するための図である。
同図において、７はコンデンサ、１１はコンデンサに接続される整流器であり、図１３と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について、本発明における原理を説明した図５および図６を参照しつつ説明する。

巻数の多い第２の巻線の交流出力端子Ｗ２には、リアクトル６および第２の整流器１０が直列に接続される。さらに第２の巻線の交流出力端子Ｗ２にコンデンサ７および第３の整流器１１が直列に接続される。巻数の少ない第１の巻線の交流出力端子Ｗ１には、第１のリアクトル４が接続され、さらに第１の整流器８が直列に接続される。
第１の整流器８、第２の整流器１０および第３の整流器１１の出力は、並列に接続され、その合計直流出力がバッテリ１４に充電される。

ここで、第２の巻線に接続されるリアクトル６は風車回転数Ｎが小さい時でも出力が取れるように設計される。さらに第２の巻線の内部インダクタンスによる誘導性インピーダンスと、直列に接続されたコンデンサ７による容量性インピーダンスとの合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機３の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるように、前記永久磁石型発電機３内の第２の巻線の内部インダクタンスに基づきコンデンサ７を設計する。
このように設計することにより、ある風車回転数以上になると第２の巻線には、バッテリ１４への有効分電流と容量性インピーダンスによる進相分電流がベクトル的に加算された交流電流が流れる。

本願が対象とする分散型電源用発電装置２の定圧電源への各巻線の出力について図５を参照にしつつ説明する。
風車回転数Ｎが低い場合には、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１４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、リアクトル６および整流器１０を通って電流が流れ始めて、リアクトル６を通って流れる直流出力はＰ_Ｌとなる。この時、コンデンサ７のインピーダンスは大きいために、コンデンサ７を通って流れる直流出力Ｐ_Ｃは小さい。従って、風車回転数Ｎ２’付近までは、コンデンサ７およびリアクトル６を通って流れる第２の巻線の合計出力Ｐ２とリアクトル６を通って流れる直流出力Ｐ_Ｌとは、ほぼ等しくなる。

風車回転数Ｎの増加により、永久磁石型発電機３の周波数および誘起電圧が増加するが、第２の巻線の内部インダクタンス及びリアクトル６により、インピーダンスが周波数に比例するために出力Ｐ_Ｌは漸増するに留まる。しかしながら、コンデンサ７は周波数に比例してインピーダンスが減少するために誘起電圧の増加と相まって出力Ｐ_Ｃが回転数の２乗に比例して増加する。すなわち、風車回転数Ｎ２’付近になるとコンデンサ７および整流器１１を通って流れる電流がリアクトル６を通って流れる電流よりも大きくなる。そして、誘起電圧の上昇と相まって第２の巻線による交流出力電流は周波数の２乗に比例して増加する。

また、風車回転数Ｎ２’以上になると第２の巻線のコンデンサ７によって進相分電流を流しているために、永久磁石型発電機３のギャップ磁束を増磁させる方向であり、第１の巻線および第２の巻線の内部誘起電圧が増加する。

風車回転数Ｎが上昇することにより、内部インダクタンス等が小さい第１の巻線は、大きな出力が取れ始める。
従って、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またはコンデンサ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。

図６は、本願が対象とする分散電源用発電装置２のバッテリ等の定電圧源への各巻線の合計出力を示す図である。
ここで、第２の巻線が進相分電流を流しているために、第１の巻線の内部誘起電圧が増加する。しかし、第１の巻線自身の遅相分電流による減磁作用により、第２の巻線の進相分電流による増磁作用は、第１の巻線電流の増加とともに抑制される。
しかしながら全体として、第２の巻線の進相分電流による増磁作用により、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は、図１２の従来の近似出力曲線Ｐｓよりも大きくなり、図６に示す近似出力曲線Ｐｓの如き出力が取れ、最大出力曲線Ｐｔに類似した出力が取れる。

図２に本発明の第２の実施例を示す。
図２は、永久磁石型発電機３内の巻線の種類が３種類で、巻数の１番多い巻線に本発明を適用した時の、分散電源用発電装置の直流出力回路を示す図である。
同図において、５はリアクトル、９は整流器であり、図１および図１３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。

永久磁石型発電機３内の巻数の多い第３の巻線の交流出力端子Ｗ３には、第３のリアクトル６および第３の整流器９が直列に接続され、さらにコンデンサ７および第４の整流器１１が直列に接続される。次に巻数の多い第２の巻線の交流出力端子Ｗ２には、第２のリアクトル５および第２の整流器９が直列に接続される。巻数の一番少ない第１の巻線の交流出力端子Ｗ１には、第１のリアクトル４および第１の整流器８が直列に接続される。
第１〜第４の整流器８〜整流器１１の出力は、並列に接続され、その合計直流出力がバッテリ１４に充電される。

ここで、第３の巻線に接続されるリアクトル６は風車回転数Ｎが低い時でも出力が取れるように設計される。さらに第３の巻線の内部インダクタンスによる誘導性インピーダンスと、直列に接続されたコンデンサ７による容量性インピーダンスとの合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機３の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるように、前記永久磁石型発電機３内の第３の巻線の内部インダクタンスに基づきコンデンサ７を設計する。
このように設計することにより、ある風車回転数以上になると、第３の巻線には、バッテリ１４への有効分電流と容量性インピーダンスによる進相分電流がベクトル的に加算された交流電流が流れる。

風車回転数Ｎが低い場合、第３の巻線の発生電圧がバッテリ電圧Ｖｂより低いため、バッテリ１４は充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ３付近になると、リアクトル６および整流器１０を通って電流が流れ始め、リアクトル６を通って流れる直流出力はＰ_Ｌとなる。この時、コンデンサ７のインピーダンスが大きいために、コンデンサ７を通って流れる直流出力Ｐ_Ｃは小さい。従って、風車回転数Ｎ３’付近までは、コンデンサ７およびリアクトル６を通って流れる第３の巻線の合計出力Ｐ３とリアクトル６を通って流れる直流出力Ｐ_Ｌとは、ほぼ等しくなる。

風車回転数Ｎの増加により、永久磁石型発電機３の周波数および誘起電圧が増加するが、第３の巻線の内部インダクタンス及びリアクトル６により、インピーダンスが周波数に比例するために出力Ｐ_Ｌは漸増するに留まる。しかしながら、コンデンサ７は周波数に比例してインピーダンスが減少するために誘起電圧の増加と相まって出力Ｐ_Ｃが回転数の２乗に比例して増加する。すなわち、風車回転数Ｎ３’付近になるとコンデンサ７および整流器１１を通って流れる電流がリアクトル６を通って流れる電流よりも大きくなる。そして、誘起電圧の上昇と相まって第３の巻線による交流出力電流は周波数の２乗に比例して増加する。

また、第３の巻線が進相分電流を含んでいるために、永久磁石型発電機３のギャップ磁束を増磁させる方向であり、第３の巻線に電流が流れると、第１〜第３の巻線の内部誘起電圧が増加する。
しかし第１および第２の巻線の遅相分電流による減磁作用により、第３の巻線の進相分電流による増磁作用は、第１および第２の巻線電流の増加とともに抑制される。

図７は、本発明の第２の実施例における各巻線の出力であり、風車回転数Ｎが上昇すると各巻線の出力が増加しているが、特に、第３の巻線の出力は、風車回転数Ｎすなわち周波数の２乗にほぼ比例して増加している。
これら第１〜第３の巻線の出力Ｐ１〜Ｐ３を加算して得られる合計出力は、永久磁石型発電機３が３種類の巻線を持つために、図６に示す２巻線の場合の近似出力曲線Ｐｓよりも、より最大出力曲線Ｐｔに近似する出力が取れる。

図３に本発明の第３の実施例を示す。
図３は、永久磁石型発電機３内の巻線の種類が３種類の場合であり、さらに巻数が２番目に多い巻線の交流出力端子に本発明を適用した時の分散電源用発電装置の直流出力回路を示す図である。
同図において、７はコンデンサであり、１１は整流器である。図２および図１３と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図３について図８を参照しつつ説明する。

巻数の一番多い第３の巻線の交流出力端子Ｗ３には、第３のリアクトル６が接続され、さらに第４の整流器１０が直列に接続される。
次に巻数の多い第２の巻線の交流出力端子Ｗ２には、第２のリアクトル５および第２の整流器９が直列に接続され、さらにコンデンサ７および第３の整流器１１が直列に接続される。
巻数の一番少ない第１の巻線の交流出力端子Ｗ１には、第１のリアクトル４が接続され、さらに第１の整流器８が直列に接続される。
第１〜第４の整流器８〜整流器１１の出力は、並列に接続され、その合計直流出力がバッテリ１４に充電される。

ここで、第２の巻線に接続されるリアクトル５は風車回転数Ｎが小さい時でも出力が取れるように設計される。さらに、第２の巻線の内部インダクタンスによる誘導性インピーダンスと、直列に接続されたコンデンサ７による容量性インピーダンスとの合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機３の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるように、前記永久磁石型発電機３内の巻線の内部インダクタンスに基づきコンデンサ７を設計する。
このように設計することにより、ある風車回転数以上になると、第２の巻線には進相分電流が流れる。

風車回転数Ｎが低い場合、各巻線の発生電圧がバッテリ電圧Ｖｂより低いため、バッテリ１４は充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ３付近になると、第３巻線に接続されるリアクトル６および整流器１０を通って電流が流れ始め、リアクトル６を通って流れる直流出力はＰ３となる。この直流出力Ｐ３は、風車回転数の上昇とともに増加するが、第３の巻線の内部インダクタンスおよびリアクトル６により、インピーダンスが周波数に比例するため出力Ｐ３は漸増するに留まる。

さらに風車回転数が上昇し、風車回転数Ｎ２付近になると、リアクトル５および整流器９を通って電流が流れ始め、リアクトル５を通って流れる直流出力はＰ_Ｌとなる。この時、コンデンサ７のインピーダンスが大きいために、コンデンサ７を通って流れる直流出力Ｐ_Ｃは小さい。従って、風車回転数Ｎ２’付近までは、コンデンサ７およびリアクトル５を通って流れる第２の巻線の合計出力Ｐ２とリアクトル５を通って流れる直流出力Ｐ_Ｌとは、ほぼ等しくなる。

風車回転数Ｎの増加により、永久磁石型発電機３の周波数および誘起電圧が増加するが、第２の巻線の内部インダクタンスおよびリアクトル５により、インピーダンスが周波数に比例するため出力Ｐ_Ｌは漸増する。しかしながら、コンデンサ７は周波数に比例してインピーダンスが減少するために誘起電圧の増加とともに出力Ｐ_Ｃが回転数の２乗に比例して増加する。よって、風車回転数Ｎ２’付近になるとコンデンサ７および整流器１１を通って流れる電流がリアクトル５を通って流れる電流よりも大きくなる。そして、誘起電圧の上昇と相まって、第２の巻線の出力が風車回転数Ｎすなわち周波数の２乗に比例して増加している。
また、第２の巻線が進相分電流を流しているために、永久磁石型発電機３のギャップ磁束を増磁させる方向であり、風車回転数が上昇して、第２の巻線に電流が流れ始めると第１〜第３の巻線の内部誘起電圧が増加する。
さらに、風車回転数Ｎが上昇することにより、内部インダクタンス等が小さい第１の巻線は、大きな出力が取れ始める。

図８は、本発明の第３の実施例における各巻線の出力であり、風車回転数Ｎが上昇すると各巻線の出力が増加しているが、特に、第２の巻線の出力は、風車回転数Ｎすなわち周波数の２条にほぼ比例して増加している。
これら第１〜第３の巻線の出力Ｐ１〜Ｐ３を加算して得られる合計出力は、永久磁石型発電機３が３種類の巻線を持つために、図６に示す近似出力曲線Ｐｓよりも、より最大出力曲線Ｐｔに近似する出力が取れる。
しかし第１および第３の巻線の遅相分電流による減磁作用により、第２の巻線の進相分電流による増磁作用は、第１および第３の巻線電流の増加とともに抑制される。

このように巻数が２番目に多い第２の巻線に直列にコンデンサ７を接続する時は、コンデンサ７に流れる電流が多く、しかも第２の巻線の内部インピーダンスが小さいために、コンデンサ７の容量が大きくなるように思われるが、進相電流を流す風車回転数Ｎの範囲が狭いために、定格回転数範囲内において容量性インピーダンスにするためのコンデンサ７の容量が、小さくても良いという利点がある。

図４に本発明の第４の実施例を示す。
図４は、永久磁石型発電機３内の巻線の種類が１種類の場合に、本発明を適用した時の分散電源用発電装置の直流出力回路を示す図である。
同図において、図１および図１３と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図４について説明する。

第１の巻線の交流出力端子Ｗ１には、リアクトル４および第１の整流器８が直列に接続され、さらに前記第１の巻線の交流出力端子Ｗ１にコンデンサ７および第２の整流器１１が直列に接続される。
ここで、第１の巻線に接続されるリアクトル４は風車回転数Ｎが小さい時でも出力が取れるように設計される。さらに第１の巻線の内部インダクタンスによる誘導性インピーダンスと直列に接続されるコンデンサ７による容量性インピーダンスとの直列合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機３の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるように、前記永久磁石型発電機３内の巻線の内部インダクタンスに基づきコンデンサ７を設計する。

このように設計することにより、風車回転数Ｎが上昇して、第１の巻線の誘起電圧がバッテリ電圧Ｖｂより大きくなると、第１の巻線には進相分電流とバッテリ電圧Ｖｂへの充電電流である有効分電流が流れる。
従って、第１の巻線に電流が流れ始めると、進相分電流により、第１の巻線の内部誘起電圧が増加する。

図９は、本発明の第４の実施例における第１の巻線の出力であり、風車回転数Ｎが上昇して、風車回転数ＮがＮ１付近になると、リアクトル４および整流器８を通って電流が流れ始め、リアクトル４を通って流れる直流出力はＰ_Ｌとなる。この時、コンデンサ７のインピーダンスが大きいため、コンデンサ７を通って流れる直流出力Ｐ_Ｃは小さい。従って、風車回転数ＮがＮ１’付近までは、第１の巻線の合計出力Ｐ１とリアクトル４を通って流れる直流出力Ｐ_Ｌとは、ほぼ等しくなる。

風車回転数Ｎの増加により、永久磁石型発電機３の周波数および誘起電圧が増加するが、第１の巻線の内部インダクタンスおよびリアクトル４により、インピーダンスが周波数に比例するため出力Ｐ_Ｌは漸増する。しかしながら、コンデンサ７は周波数に比例してインピーダンスが減少するために誘起電圧の増加とともに出力Ｐ_Ｃが回転数の２乗に比例して増加する。すなわち風車回転数Ｎ１’付近になるとコンデンサ７および整流器１１を通って流れる電流がリアクトル４を通って流れる電流よりも大きくなる。そして、誘起電圧の上昇と相まって、第１の巻線の出力が風車回転数Ｎすなわち周波数の２乗に比例して増加している。
この第１の巻線の直流出力Ｐ１は、図５の近似出力曲線Ｐｓよりは最大出力曲線Ｐｔに近似していないが、永久磁石型発電機３のギャップ磁束が増磁するために、従来の整流器のみが接続される分散電源用発電装置の主回路よりも簡便な方法で、最大出力曲線Ｐｔに近似する出力が取りだせる。

本発明の分散電源用発電装置の直流出力回路によれば、風車回転数Ｎが大きい時にも最大出力曲線Ｐｔと近似出力曲線Ｐｓをほぼ一致させることができると共に、永久磁石型発電機３内の高価な永久磁石の量を減らして、永久磁石型発電機３の価格を減少させることができる。

また、コンデンサの接続により、巻数の多い巻線の増磁作用が存在するために、巻数の少ない巻線の巻数を減少させても、必要な誘起電圧が得られるようになるので、巻線および巻線スペースの減少により、永久磁石型発電機３の体格・重量を減少させることができる。従って、永久磁石型発電機が軽くなり、プロペラ型風車のナセル内に納める場合にもナセル全体が軽くなり、実用上おおいに有用である。

本発明の分散電源用発電装置の直流出力回路は、永久磁石型発電機の効率を一番高くしたい回転数の時に、各巻線の進み電流または遅れ電流が最適になるようにして、永久磁石型発電機の全銅損を最小にすることができる。

また、永久磁石型発電機３の内部インダクタンスとコンデンサ７が共振すると、インピーダンスが抵抗分のみとなって、大きな電流が流れる。従って、永久磁石型発電機３の定格回転数以上において、上記共振状態が起こるようにコンデンサ７の容量を決めれば、回転数の上昇とともに、徐々に作動する風車停止用の電気ブレーキにもなる。

本発明の分散電源用発電装置の直流出力回路は、風速計や高価なＰＷＭコンバータが不要であり、さらに永久磁石型発電機内の永久磁石を減少させたために、安価に構成することができるとともに、前記ＰＷＭコンバータでは必要となる待機電力が不要になるので、年間を通した発電量を増加させる事ができ、実用上おおいに有用である。

上記の実施例２および３の説明では、巻数の１番多い巻線か、または２番目に多い巻線にコンデンサ７を接続するとして説明してきたが、巻数が１番多い巻線と２番目に多い巻線の両方にコンデンサ７を接続しても良い。

上記は、風力により説明したが、例えば、水力のように水車の形状が定まれば、最大出力を取り出すときの回転数対出力特性が一義的に定まるような用途にも適用可能である。
また、上記の説明では、３相で説明してきたが、単相および他の相数でも適用可能である。
さらに、第１〜第４の実施例では、第１の巻線の交流出力端子Ｗ１に第１のリアクトル４を接続すると説明してきたが、必要な第１のリアクトル４のインダクタンス値が小さくなるように永久磁石型発電機３を設計して、第１のリアクトルを削除することが可能である。

本発明の、風車により駆動される分散電源用発電装置の直流出力回路を説明するための図である。永久磁石型発電機内の巻線の種類が３種類で、巻数の１番多い巻線に本発明を適用した場合の第２の実施例を説明するための分散電源用発電装置の直流出力回路図である永久磁石型発電機内の巻線の種類が３種類で、巻数の２番目に多い巻線に本発明を適用した場合の第３の実施例を説明するための分散電源用発電装置の直流出力回路図である。永久磁石型発電機内の巻線の種類が１種類の場合に適用した、本発明の第４の実施例を説明するための分散電源用発電装置の直流出力回路図である。本発明の第１の実施例における各巻線の出力を説明するための図である。本願が対象とする分散電源用発電装置のバッテリ等の定電圧源への出力を説明するための図である。本発明の第２の実施例における各巻線の出力を説明するための図である。本発明の第３の実施例における各巻線の出力を説明するための図である。本発明の第４の実施例における各巻線の出力を説明するための図である。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。先願が対象とする分散電源用発電装置の各巻線の出力を説明するための図である。先願が対象とする分散電源用発電装置のバッテリ等の定電圧源への出力を説明するための図である。先願の分散電源用発電装置の主回路図である。

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
４第１のリアクトル
５第２のリアクトル
６第３のリアクトル
７コンデンサ
８第１の整流器
９第２の整流器
１０第３の整流器
１１第４の整流器
１２正側出力端子
１３負側出力端子
１４バッテリ

Claims

風車又は水車により駆動されて、異なる誘起電圧実効値を発生する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の巻線の交流出力を、個別の整流器により整流し、該個別の整流器の直流出力を並列に加算して外部に出力する分散電源用発電装置の直流出力回路において、前記複数の巻線の中で低い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子にリアクトルを経て前記個別の整流器を接続し、前記複数の巻線の中で高い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子にリアクトルを経て前記個別の整流器を接続するリアクトル直列整流回路とコンデンサを経て前記個別の整流器を接続するコンデンサ直列整流回路を並列に接続し、前記高い誘起電圧実効値を発生する巻線の内部インダクタンスによる誘導性インピーダンスと前記コンデンサによる容量性インピーダンスとの直列合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるようにすることを特徴とする分散電源用発電装置の直流出力回路。
前記請求項１記載の分散電源用発電装置の直流出力回路において、前記複数の巻線を２種類とすることを特徴とする分散電源用発電装置の直流出力回路。
前記請求項１記載の分散電源用発電装置の直流出力回路において、前記複数の巻線を３種類とし、前記３種類の巻線の中で一番低い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子と前記個別の整流器との間に直列にリアクトルを接続し、前記３種類の巻線の中で２番目に高い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子にリアクトルを経て前記個別の整流器を接続するリアクトル直列整流回路とコンデンサを経て前記個別の整流器を接続するコンデンサ直列整流回路を並列に接続し、前記３種類の巻線の中で一番高い誘起電圧実効値を発生する巻線の交流出力端子と前記個別の整流器との間に直列にリアクトルを接続し、前記３種類の巻線の中で２番目に高い誘起電圧実効値を発生する巻線の内部インダクタンスの誘導性インピーダンスと前記コンデンサによる容量性インピーダンスとの直列合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるようにすることを特徴とする分散電源用発電装置の直流出力回路。
風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力を個別の整流器により整流して外部に出力する分散電源用発電装置の直流出力回路において、前記永久磁石型発電機の交流出力端子にリアクトルを経て前記個別の整流器を接続するリアクトル直列整流回路とコンデンサを経て前記個別の整流器を接続するコンデンサ直列整流回路を並列に接続し、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記コンデンサとの直列合成インピーダンスが、前記永久磁石型発電機の定格回転数範囲内において容量性インピーダンスとなるようにすることを特徴とする分散電源用発電装置の直流出力回路。