JP2009296782A - 分散電源用発電装置の主回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＰＷＭコンバータ無しで風力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、低風速または風車の起動性能が悪い場合に風車が起動しないという問題があった。
【解決手段】 風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交流出力を、個別のリアクトルを経て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主回路において、前記複数の巻線の中で巻数の多い巻線に接続される個別のリアクトルにタップを設け、前記風車の回転数を検出して、該回転数がある値を超えると前記巻数の多い巻線に接続される個別のリアクトルのタップを短絡する接触器を有することを特徴とする分散電源用発電装置の主回路である。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車により駆動される永久磁石型発電機から、風速の値に関わらず、風より風車又が得ることができ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電源への充電を行う分散電源用発電装置の主回路に関するものである。

本出願人は先に、風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７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７において、１は先願技術の分散電源用発電装置、２は永久磁石型発電機、３１，３２は第１および第２のリアクトル、４１，４２は第１および第２の整流器、１０は風車、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２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２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３１に接続され、さらに第１の整流器４１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３２に接続され、さらに第２の整流器４２に接続される。
上記第１、第２の整流器４１，４２の各々の直流側は、正側出力端子１１及び負側出力端子１２に並列接続され、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１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Ｐｔ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、風速Ｕｙの風車出力曲線と最大出力曲線Ｐｔとの交点Ｓｙに示すように、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Ｐｔ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２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。実際には、永久磁石型発電機２の入力と風車最大出力とを一致させるという表現が好ましいが、この特許明細書では、永久磁石型発電機３を含む分散電源用発電装置１の損失は無視して説明する。

図５は、先願技術が対象とする分散電源用発電装置１の直流出力をバッテリ等の定電圧電源に接続した場合の説明図であり、分散電源用発電装置１の永久磁石型発電機２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２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の巻線の発生電圧がバッテリ電圧Ｖｂ以上になるので、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の巻線の内部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。

図４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２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）

風車は、通常、大きな慣性モーメントを有する。また、直線翼垂直軸型風車は風向に対して無指向性であるが、プロペラ形風車に比べて自己始動特性が悪い。このような条件がある風車においては、低風速下においては、風車１０が加速しづらく、出力が実際に取り出せる状態になり難いという問題がある。

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、低風速時においても風車１０を加速させて、永久磁石型発電機よりＰＷＭコンバータを用いずに定電圧電源への充電を行う分散電源用発電装置の主回路を提供することである。

従って、本発明では、風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交流出力を、個別のリアクトルを経て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主回路において、前記複数の巻線の中で巻数の多い巻線に接続される個別のリアクトルにタップを設け、前記巻数の多い巻線に接続される個別のリアクトルのタップを短絡する接触器を接続するものである。

低風速で風車１０が加速していかない場合には、上記接触器を開放することにより、近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔよりも右側にシフトさせて、風車より最大出力は得られないが、風車１０の加速を容易にし、風車１０が加速して安定して回る場合には、上記接触器を短絡することにより、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により風車より最大出力を得る分散電源用発電装置の主回路を提供できる。

本発明では、風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交流出力を、個別のリアクトルを経て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主回路において、前記複数の巻線の中で巻数の多い巻線に接続される個別のリアクトルにタップを設け、前記風車１０の回転数Ｎを検出して、該回転数Ｎがある値を超えると前記巻数の多い巻線に接続される個別のリアクトルのタップを短絡する接触器を接続するものである。

図１は、本発明の、風車より直流出力を得る分散電源用発電装置の主回路を説明するための図である。
同図において、５はタップ付きリアクトル、６は接触器、７は回転数検出回路であり、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、本発明における原理を説明した図２〜図５を参照しつつ説明する。

巻数の少ない第１の巻線Ｗ１の交流出力端子には、直列に第１のリアクトル３１が接続され、さらに第１の整流器４１が接続される。巻数の多い第２の巻線Ｗ２の交流出力端子には、直列にタップ付きリアクトル５が接続され、さらに第２の整流器４２が接続され、タップ付きリアクトル５には並列に接触器６が接続される。
第１の整流器４１および第２の整流器４２の出力は、並列に接続され、その合計直流出力がバッテリ１３に充電される。

接触器６をＯＦＦにしてタップ付きリアクトル５のインダクタンス値を大きくした場合の永久磁石型発電機２の交流出力を図２および図３に示す。巻数の多い第２の巻線Ｗ２の交流出力端子には小さな電流が流れて、図３の出力Ｐ２´になる。巻数の少ない第１の巻線Ｗ１の出力は、図５のＰ１と変わらないので、巻数の多い第２の巻線Ｗ２と巻数の少ない第１の巻線Ｗ１の合計直流出力が、図２に示すように、近似出力曲線Ｐｓ´となり最大出力曲線Ｐｔよりも右側にシフトさせた出力を得ることができる。

接触器６がＯＮになると、永久磁石型発電機２の交流出力に接続されるインピーダンスが小さくなるために、大きな電流が流れて、図４および図５に示すように、最大出力曲線Ｐｔと近似出力曲線Ｐｓをほぼ一致させて風車より最大出力を得ることができる。このような近似出力は従来発明品と同一である。
回転数検出回路７は、風車１０の回転数Ｎが、ある一定以上の大きな値になると、接触器６をＯＮにして、タップ付きリアクトル５のインダクタンス値を小さくする。
風車１０の回転数Ｎが、ある一定値以下に下がると、接触器６をＯＦＦにしてタップ付きリアクトル５のインダクタンス値を大きくする。

ここで、接触器６をＯＮにする回転数Ｎの値をＮｏｎ、接触器６をＯＦＦにする風車１０の回転数Ｎの値をＮｏｆｆとすると、Ｎｏｎの値はＮｏｆｆの値よりも大きくして、ヒステリシスを持たせる。
すなわち、風車１０の回転数Ｎが低いときは接触器６がＯＦＦなので、風車１０に加わる負荷トルクが小さいために風車１０の回転数Ｎが上昇するとともに、最大出力曲線Ｐｔよりは小さな出力が得られる。風車１０の回転数Ｎが上昇すると、接触器６をＯＮにすると、風車１０の回転数Ｎが多少下がるが、同一風速における最大出力が得られるので、最大出力曲線Ｐｔに添った大きな出力が得られる。
風速Ｕが下がって、風車１０の回転数Ｎが、Ｎｏｆｆの値よりも下がると接触器６をＯＦＦにして、風車１０が失速状態にならないようにする。

このようにタップ付きリアクトル５のインダクタンス値を大きくすることで、風車１０の回転数の上昇を容易にするとともに、一旦出力が取れるようになるとタップ付きリアクトル５のインダクタンス値を小さくすることで、風車１０より風車最大出力Ｐｓを取り出すことができる。

本発明の、風車により駆動される分散電源用発電装置の主回路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。 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。 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。 先願の分散電源用発電装置の主回路図である。

符号の説明

１ 分散電源用発電装置
２ 永久磁石型発電機
３１、３２ 第１、第２のリアクトル
４１，４２ 第１、第２の整流器
５ タップ付きリアクトル
６ 接触器
７ 回転数検出回路
１０ 風車
１１ 正側出力端子
１２ 負側出力端子
１３ バッテリ

Claims (1)

1. 風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交流出力を、個別のリアクトルを経て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主回路において、前記複数の巻線の中で巻数の多い巻線に接続される個別のリアクトルにタップを設け、前記風車の回転数を検出して、該回転数がある値を超えると前記巻数の多い巻線に接続される個別のリアクトルのタップを短絡する接触器を有することを特徴とする分散電源用発電装置の主回路。

Images