JP2011019374A

JP2011019374A - 風力発電装置における過回転防止装置

Info

Publication number: JP2011019374A
Application number: JP2009163878A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Maruyama; 一樹丸山
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】渦電流ブレーキを作動させるブレーキ制御手段を有する風力発電装置の過回転防止装置においては、直流出力電力を検出するための電圧および電流検出手段、および励磁コイルへ余剰電力を出力するパワー変換器制御手段が必要であり、高価になるという問題点がある。
【解決手段】風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直流出力に変換して、バッテリに電力を供給する風力発電装置において、前記永久磁石型発電機に同一誘起電圧位相を発生する第一巻線と第二巻線を直列に接続した交流出力端子から前記バッテリへ直流出力し、第一巻線のみの出力端子から渦電流用整流器へ接続し、該渦電流用整流器の直流出力を励磁コイルに接続し、該励磁コイルの他端は前記バッテリに接続された構造であり、前記励磁コイルにより励磁される円盤状ロータを備えた風力発電装置の過回転防止装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車により駆動される発電機から電気エネルギーを取り出す風力発電装置の過回転防止装置に関わり、特に渦電流ブレーキを用いた風力発電装置の過回転防止装置に関するものである。

従来の風力発電装置の過回転防止装置においては、永久磁石型同期発電機の出力電力が設定値以上となった場合に、渦電流ブレーキ装置を作動させて過回転を防止している（例えば、公開特許文献１参照。）。

かかる先願技術を、図３の従来の風力発電装置の過回転防止装置を説明する図を参照して詳述する。
図３において、１は風車、２は永久磁石型同期発電機、３は整流器、４はバッテリ、５は負荷、６は逆流防止ダイオード、７はブレーキ制御手段、１１は渦電流ブレーキ、１２は円盤状ロータ、１３は磁性体、１４は励磁コイルである。

このブレーキ制御手段７は、強風下において永久磁石型同期発電機２のバッテリ４および負荷５への直流出力電力が設定値以上となった場合に、渦電流ブレーキ１１の励磁コイル１４へ余剰電力を供給する。その結果、直流電磁石が形成されて、円盤状ロータ１２に渦電流が流れ、円盤状ロータ１２の直結される風車１が制動されて、その回転数が抑制される。

また、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推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を適用している(例えば、公開特許文献２参照。)。
また、過回転防止装置は、直流出力電力を検出するための電圧及び電流検出手段、及び励磁コイル１４へ余剰電力を出力するパワー変換器制御手段を有することなく、風車の過回転を防止する渦電流ブレーキを構成していることを特徴としている。

特開２００４−１０４９７５号公報（図１）特開２００４−６４９２８号公報（図１）

問題点は、上記のような渦電流ブレーキ１１を作動させるブレーキ制御手段７を有する風力発電装置の過回転防止装置においては、直流出力電力を検出するための電圧および電流検出手段、および励磁コイル１４へ余剰電力を出力するパワー変換器制御手段が必要であり、高価になるという点である。
さらに、ブレーキ制御手段は待機電力が必要であるという点である。

請求項１の発明によれば、風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直流出力に変換して、バッテリに電力を供給する風力発電装置において、該永久磁石型発電機に同一誘起電圧位相を発生する第一巻線と第二巻線を直列に接続した交流出力端子から該バッテリへ直流出力し、第一巻線のみの出力端子から渦電流用整流器へ接続し、該渦電流用整流器の直流出力を励磁コイルに接続し、該励磁コイルの他端は前記バッテリに接続された構造であり、前記励磁コイルにより励磁される円盤状ロータを備えたことを特徴とする風力発電装置の過回転防止装置。

請求項２の発明によれば、前記第一巻線と前記第二巻線の巻線数の比率を変え，ブレーキ動作が開始する風車回転数を任意に決定できる機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置の過回転防止装置。

すなわち、風車１により駆動される永久磁石型発電機２の交流出力を整流器３により直流出力に変換して、バッテリ４に電力を供給する風力発電装置において、永久磁石型発電機２に同一誘起電圧位相を発生する第一巻線と第二巻線を直列に接続した交流出力端子からバッテリ４へ直流出力し、第一巻線のみの出力端子から渦電流用整流器へ接続し、該渦電流用整流器の直流出力を励磁コイル１４に接続し、励磁コイル１４の他端はバッテリ４に接続された構造であり、励磁コイル１４により励磁される円盤状ロータ１２を備えた風力発電装置の過回転防止装置である。

本発明の風力発電装置の過回転防止装置は、直流出力電力を検出するための電圧および電流検出手段、および励磁コイル１４へ余剰電力を出力するパワー変換器制御手段を有することなく、風車の過回転を防止する渦電流ブレーキを構成することができ、装置の価格を下げることができる。

本発明の実施例であり、風力発電装置の過回転防止装置を説明するための図である。本発明の回転数に対するトルクを説明するための図である。従来の風力発電装置の過回転防止装置を説明するための図である。

風車１により駆動される永久磁石型発電機２の交流出力を整流器３により直流出力に変換して、バッテリ４に電力を供給する風力発電装置において、永久磁石型発電機２に同一誘起電圧位相を発生する第一巻線と第二巻線を直列に接続した交流出力端子からバッテリ４へ直流出力し、第一巻線のみの出力端子から渦電流用整流器へ接続し、該渦電流用整流器の直流出力を励磁コイル１４に接続し、励磁コイル１４の他端は前記バッテリ４に接続された構造であり、励磁コイル１４により励磁される円盤状ロータ１２を備えた風力発電装置の過回転防止装置である。

過電流ブレーキを利用する過回転防止装置について、作動させる直流出力電力の検出やパワー変換器制御の各種手段を有することなく設置することができる。

図１は、本発明の風力発電装置の過回転防止装置を説明するための図である。同図において、１６は渦電流用整流器、２０および２１は永久磁石同期発電機２で用いられている誘起電圧を発生する第一および第二巻線を表し、２０と２１は直列に接続されている。図１のＡおよびＢは内部巻線の端子を表し、ＧＮＤは３相の場合の中性点を表す。ここで、図３と同一番号は同一構成部品を表す。以下、図１において説明する。

最初に、渦電流ブレーキ１１を接続していない状況について説明する。つまり、図１の端子Ｂは開放されている。風車１が回転することにより、永久磁石型同期発電機２より、第一巻線２０および第二巻線２１に同一位相の誘起電圧が発生し、端子Ａに交流出力を得る。端子Ａの交流出力は整流器３を介して直流出力となり、バッテリ４に電力供給される。しかしながら、整流器３はバッテリ４に接続されているため、風速が低く風車１の回転数が小さく、それに伴い端子Ａの誘起電圧がバッテリ電圧を下回っている場合、端子Ａに交流出力は発生しない。すなわち、風車１がある回転数に達し、端子Ａの誘起電圧がバッテリ電圧を越えることにより永久磁石型発電機２から交流出力を得られ、バッテリ４への電力供給を実現することができる。

次に、図１の端子Ｂに渦電流ブレーキ１１を接続した場合について説明する。渦電流用整流器１６には直列に励磁コイル１４が接続され、さらにバッテリ４に接続する。ここで、同一誘起電圧位相を発生する第一巻線２０および第二巻線２１は直列に接続されており、端子Ａには大きな誘起電圧を発生し、バッテリ４へ電力供給される。一方、端子Ｂには小さな誘起電圧が発生し、渦電流用整流器１６に電流が流れ、励磁コイル１４に直流電流が流れる。しかし、励磁コイル１４はバッテリ４に接続されているため、端子Ｂの電圧がバッテリ電圧を超えない限り、渦電流用整流器１６に電流は流れない。つまり、風車１が低速域の場合渦電流ブレーキ１１は動作しない。

ここで、風車１の回転数が上昇した場合について以下に説明する。
図２は、本発明の回転数に対するトルクを説明するための図である。ここで、図２の風車回転数Ｎｒは、図１中の端子Ｂの誘起電圧が、バッテリ電圧と等しくなった時の回転数とする。
風速の上昇により風車１の回転数が増加すると、永久磁石型同期発電機２の第一巻線２０に発生する誘起電圧も増加する。そして、風車１の回転数がＮｒを超えると、渦電流用整流器１６に電流が流れ始め、渦電流用整流器１６を介して励磁コイル１４に直流電流が流れる。直流電流が流れると、円盤状ロータ１２に流れる渦電流により、図２の如くトルクが発生して、渦電流ブレーキ１１が作動する。このトルクは風車１のブレーキ力に相当し、風車１の回転数に対して増加する。

図１の永久磁石型同期発電機は単相で説明したが、３相、４相発電機の場合でも適用可能である。この場合、渦電流用整流器１６は適用される相数の整流器が接続される。また、渦電流ブレーキに用いられる励磁コイル１４は、２個以上の複数にしても良い。
また、公開特許文献２のように、永久磁石型同期発電機２の異なる誘起電圧が発生する巻線が複数存在する場合にも適用可能であり、この場合いずれかの巻線を一つ選定すれば良い。

また，本装置は第一巻線２０、第二巻線２１の巻線の比率を変えることで，渦電流ブレーキ１１を動作させる風車１の回転数を任意に決定することができる。例えば，風車1が低回転数の領域で渦電流ブレーキ１１を作動させる場合は，第一巻線２０＞第二巻線２１の巻線比率を実現できるよう，図１の端子Ｂの結線位置を決めれば良い。逆に，渦電流ブレーキ１１の動作条件を高回転域に設定する場合は，第一巻線２０＞第二巻線２１の巻線比率で端子Ｂの結線位置を決定すれば良い。

風力発電装置を設置した場合、強風等による風車の過回転を抑制するための装置であり、作動させる直流出力電力の検出やパワー変換器制御の各種手段を有することなく設置することができるため、装置の価格を抑えることができる。

１風車
２永久磁石型発電機
３整流器
４バッテリ
５負荷
６逆流防止用ダイオード
７ブレーキ制御手段
１１渦電流ブレーキ
１２円盤状ロータ
１３磁性体
１４励磁コイル
１６渦電流用整流器
２０第一巻線
２１第二巻線

Claims

風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直流出力に変換して、バッテリに電力を供給する風力発電装置において、該永久磁石型発電機に同一誘起電圧位相を発生する第一巻線と第二巻線を直列に接続した交流出力端子から該バッテリへ直流出力し、第一巻線のみの出力端子から渦電流用整流器へ接続し、該渦電流用整流器の直流出力を励磁コイルに接続し、該励磁コイルの他端は前記バッテリに接続された構造であり、前記励磁コイルにより励磁される円盤状ロータを備えたことを特徴とする風力発電装置の過回転防止装置。
前記第一巻線と前記第二巻線の巻線数の比率を変え，ブレーキ動作が開始する風車回転数を任意に決定できる機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の風力発電装置の過回転防止装置。