JP2009071918A - 分散電源用発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風力等よりＰＷＭコンバータを使用しないで整流出力により、最大出力を得るための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】永久磁石型発電機の交流出力を整流器により整流する分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の永久磁石を内蔵する回転子の構造をd軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqより大きい回転子構造にし、前記交流出力端子と前記整流器との間に直列にコンデンサを接続して、該コンデンサと前記永久磁石型発電機との直列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である。
【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分散電源用発電装置に関し、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、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し、この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において、複数の巻線の高い誘起電圧実効値を発生する交流出力端子と個別の整流器との間に直列にコンデンサを接続し、複数の巻線の低い誘起電圧実効値を発生する交流出力端子と個別の整流器との間に直列にリアクトルを接続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５の先願が対象とする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、および図６、７の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を参照して詳述する。
先願および本願においては、以下のことを利用している。
風車１は、風車の形状及び風速Ｕが決まると、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、風車回転数Ｎに対して３乗特性となる。すなわち、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の入力Ｐを一義的に、最大出力曲線上の値に定めれば良い。

図５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はリアクトル、５、６は第１および第２の整流器、７はコンデンサ、８は正側出力端子、９は負側出力端子、１０はバッテリである。
図５においては、永久磁石型発電機３は、２種類の異なる誘起電圧実効値を発生する２種類の巻数を有し、３相の場合を示している。

図５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５に接続される。この交流出力は、図７に示す出力Ｐ１のように整流出力される。
巻数が多い第２の巻線の交流出力端子Ｗ２は、コンデンサ７に接続され、さらに第２の整流器６に接続される。この交流出力は、図７に示す出力Ｐ２のように整流出力される。
ここで、コンデンサ７が接続されている第２の巻線には進み電流が流れるために、永久磁石型発電機３にとっては磁束の増加になる。
上記出力Ｐ１、Ｐ２は、正側出力端子８及び負側出力端子９に並列接続され、図６の近似出力Ｐｓで示されるような合計出力がバッテリ１０に充電される。

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１０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Ｖｂ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コンデンサ１０による合成インピーダンスが周波数に概略反比例するために、出力Ｐ２は概略２乗曲線で増加する。
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るが、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。
特開２００７−９７２７２号公報（図１）

回転子表面に電流が流れない構造で、一種類の固定子巻線を有する永久磁石型発電機３の出力は、固定子抵抗分を無視すると式（１）のように表される。

ここで、
Id，Iq：直軸および横軸固定子電流
Ld，Lq：直軸および横軸インダクタンス
E：無負荷時誘起電圧
ω：回転子電気角速度
Ρ：発電機出力
であり，上式は回転子の磁束方向をd軸とし，それと直交した方向をq軸としたdq座標で表されている。

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の永久磁石を内蔵する回転子の構造によって、式（１）の第２項が作用して、永久磁石型発電機３の出力は以下のように変化する。
d軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqよりは小さい時は、d軸電流Id が負の時に出力が大きく取れる。反対に、d軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqよりは大きい時は、d軸電流Id が正の時に出力が大きく取れる。
上記とは、反対の構造および電流にすると、電流が流れないので出力が取れない。
従って、永久磁石型発電機３の永久磁石を内蔵する回転子を、d軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqよりは大きい構造にして、しかも永久磁石型発電機３の出力端子に直列にコンデンサを接続して、d軸電流Id が正、すなわち進み電流にして増磁効果を持たせることにより出力が大きく取り出せる。

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、先願発明よりも永久磁石型発電機３の巻線の種類を減少させた構造とし、風車回転数Ｎに対して概略３乗出力特性が得られる分散電源用発電装置を提供することである。

請求項１の発明によれば、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、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において、前記永久磁石型発電機の永久磁石を内蔵する回転子の構造をd軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqよりは大きい回転子構造にし、前記交流出力端子と整流器との間に直列にコンデンサを接続し、前記交流出力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和が、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。

請求項２の発明によれば、前記請求項１記載の分散電源用発電装置の主回路において、前記永久磁石型発電機の固定子巻線が発生する誘起電圧の巻線を２種類以上とすることを特徴とする。

すなわち、本発明では、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、整流して外部に出力する分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の回転子はd軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqよりは大きい回転子構造にし、前記永久磁石型発電機の交流出力端子に直列にコンデンサを接続するものである。

永久磁石型発電機３内の巻線の種類を先願発明よりも減少させた、風車回転数Ｎに対して概略３乗出力特性が得られる分散電源用発電装置を提供できる。
さらに、永久磁石型発電機３には進み電流しか流れないために、回転子に内蔵する永久磁石に対して減磁方向の電流が流れることが無い。従って、磁石の永久減磁の心配をする必要がないために、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。

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、整流して外部に出力する分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の固定子巻線の種類を１種類とし、前記永久磁石型発電機の回転子はd軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqよりは大きい回転子構造にし、前記永久磁石型発電機の交流出力に直列にコンデンサを接続し、前記永久磁石型発電機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和が、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を説明するための図である。
図１において、７はコンデンサであり、図５と同一番号は同一構成部品を表す。

図２は、永久磁石型発電機３の回転子において、d軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqよりは大きい４極の回転子構造の例を示す。
１１は第１の永久磁石、１２は第２の永久磁石、１３は回転子鉄心、１４はシャフト、１５は空洞部である。
以下、図１および図２について、本発明における原理を説明した図３を参照しつつ説明する。

図４は、本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る。
永久磁石型発電機の交流出力端子Ｗ１には、直列にコンデンサ７が接続され、さらに第１の整流器５が接続される。
第１の整流器５の出力は、正側出力端子８および負側出力端子９を経て、バッテリ１０に充電される。

ここで、巻線Ｗ１の内部インダクタンスとコンデンサ７の直列インピーダンスが、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Ｗ１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、巻線Ｗ１には、バッテリ１０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が低い場合には、永久磁石型発電機３内の巻線Ｗ１の発生電圧が、バッテリ電圧Ｖｂより低いために、バッテリ１０には充電されない。
しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ１付近になると、電流が流れ始める。
風車回転数Ｎの増加、すなわち永久磁石型発電機３の周波数増加により、巻線Ｗ１の内部インダクタンスとコンデンサ７の直列インピーダンスが減少するために、誘起電圧の上昇と相まって巻線Ｗ１による交流出力電流は、周波数の２乗に概略比例して増加する。

図２において、永久磁石型発電機３の回転子において、第１の永久磁石１１および第２の永久磁石１２は回転子鉄心の回転方向に磁化が形成されている。さらに、第１の永久磁石１１は回転子鉄心側がＮ極に、第２の永久磁石１２は回転子鉄心側がＳ極に形成されている。従って、回転方向に第１の永久磁石１１で囲まれる回転子鉄心部分がd軸方向を形成し、空洞部１５がq軸方向を形成するので、d軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqよりは大きい回転子構造となる。
従って、式（１）で説明したように永久磁石型発電機３の出力が大きく取り出せる。

本発明の分散電源用発電装置によれば、風車回転数Ｎに対して、概略、風車最大出力に一致した出力が得られると共に、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、永久磁石型発電機３の巻線の種類を１種類とすることにより、永久磁石型発電機３の大きさ・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。

また、巻線Ｗ１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主回路は、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。

上記の実施例では、巻線の種類が１種類の場合で説明したが、図４および図５のように、異なる誘起電圧を発生させる巻線の種類が２種類以上の場合でも、永久磁石型発電機３の回転子構造をd軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqよりは大きくし、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。

本発明の、風車により駆動される分散電源用発電装置を説明するための図である。 本発明の、永久磁石型発電機の回転子の構造例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、他の実施例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。 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。

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 リアクトル
５ 第１および第２の整流器
６ 第１および第２の整流器
７ コンデンサ
８ 正側出力端子
９ 負側出力端子
１０ バッテリ
１１ 第１の永久磁石
１２ 第２の永久磁石
１３ 回転子鉄心
１４ シャフト
１５ 空洞部

Claims (2)

1. 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、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において、該永久磁石型発電機の永久磁石を内蔵する回転子の構造をd軸方向のインダクタンスLdがq軸方向のインダクタンスLqよりは大きい回転子構造にし、該交流出力の端子と整流器との間に直列にコンデンサを接続し、前記交流出力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該コンデンサによる容量性インピーダンスとの和が、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。
2. 前記請求項１記載の分散電源用発電装置の主回路において、前記永久磁石型発電機の固定子巻線が発生する誘起電圧の巻線を２種類以上とすることを特徴とする分散電源用発電装置。

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