JP2011254603A

JP2011254603A - 分散電源用発電装置の整流回路

Info

Publication number: JP2011254603A
Application number: JP2010125849A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Maruyama; 一樹丸山
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-15

Abstract

【課題】風車等の駆動に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同期発電機を適用した分散電源用発電装置においては、巻数の多い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。
【解決手段】風車等により駆動される永久磁石同期発電機の絶縁された複数の巻線の出力端子にリアクトルまたはコンデンサを接続し、其々の巻線から得られる交流出力を整流器により直流出力とし、こ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おいて、巻数が多い巻線の交流出力端子に接続されたリアクトルまたはコンデンサに電解コンデンサの負極側を接続する。この電解コンデンサにはダイオードが並列接続されており、電解コンデンサの正極側とダイオードのカソード側が一致するようにする。そこで電解コンデンサの正極と整流器を接続し、更に永久磁石同期発電機の巻数の多い巻線の中性点を整流器の直流側の負極に接続する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風車または水車により駆動される永久磁石型発電機から、風速または流速に関らず，風また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整流回路に関し，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整流回路に関するものである。

本出願人は先に、風車また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３の風車に接続された分散電源用発電装置２を示す主回路結線図を参照して詳述する。
図３において、１は風車、２は分散電源用発電装置、３は永久磁石型発電機、４は第１巻線に接続された第１のリアクトル、５は第２巻線に接続された第２のリアクトル、６は第１巻線に接続された整流器、７は第２巻線に接続された整流器、８はバッテリである。なお、永久磁石型発電機３はＹ結線の３相巻線構造の場合を示す。さらに、永久磁石型発電機３は複数の巻線を有するが、図３ではＷ１、Ｗ２の２巻線の場合とし、巻数の関係をＷ１巻線の巻数＜Ｗ２巻線の巻数と定義する。

図３において、永久磁石同期発電機３の巻数の少ないＷ１巻線の３相出力端子は、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。
巻数の多いＷ２巻線の３相出力端子は、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の各々から発生する直流電流の和が、バッテリ８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４は、風速をパラメータにした時の、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、風車の形状および風速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およびＵｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図４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４に示す最大出力曲線Ｐｔのようになる。
すなわち、図４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。
また、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。

ここで、図４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、その時の永久磁石同期発電機３の出力Ｐを一義的に、最大出力曲線Ｐｔ上の値に定めればよ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の永久磁石同期発電機３のＷ１、Ｗ２巻線の各出力は、各巻線の誘起電圧実効値の違い、およ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、永久磁石同期発電機３のＷ１およびＷ２巻線の発生電圧がバッテリ８の電圧Ｖｂより低いために、バッテリ８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、最初に巻数の多いＷ２巻線に電流が流れ始め、風車回転数Ｎの上昇とともに電流が上昇し、Ｗ２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、バッテリ８の電圧Ｖｂはほぼ一定であるが、Ｗ２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。
Ｗ１巻線については、さら回転数Ｎが上昇することにより出力Ｐ１が取れるが、Ｗ１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Ｐ１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８等の定電圧源への出力は、永久磁石同期発電機３のＷ１、Ｗ２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（図１）

上記のような分散電源用発電装置２の永久磁石同期発電機３においては、巻数の多いＷ２巻線は高い電圧を発生するために、永久磁石同期発電機３内のＷ２巻線の絶縁耐圧を強化させる必要がある。例えば、Ｗ２巻線の巻数をＷ１巻線の２倍にして、図５における風車回転数Ｎ２をＮ１の１/２にしたい場合は、Ｗ２巻線の絶縁耐圧はＷ１巻線の２倍にしなければならない。

請求項１の発明によれば、風車また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巻数の少ない巻線の交流出力端子に第１のリアクトルを経て第１の整流器を接続し、前記複数の巻線の中で巻数の多い巻線の交流出力端子に第２のリアクトルを経て、該第２のリアクトルと直列に電解コンデンサの負極側を接続し、該電解コンデンサと並列にダイオードを接続し、かつ該ダイオードのカソード側と前記電解コンデンサの正極側を結線し、前記電解コンデンサの正極側に直列に第２の整流器を接続し、該第２の整流器の負側と前記永久磁石同期発電機の巻数の多い巻線の中性点を接続し、前記第１の整流器と前記第２の整流器からの直流出力を加算して出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。

請求項２の発明によれば、風車また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２の直流出力回路において、前記複数の巻線の中で巻数の少ない巻線の交流出力端子に第１のリアクトルを経て第１の整流器を接続し、前記複数の巻線の中で巻数の多い巻線の交流出力端子にコンデンサを経て、該コンデンサと直列に電解コンデンサの負極側を接続し、該電解コンデンサと並列にダイオードを接続し、かつ該ダイオードのカソード側と前記電解コンデンサの正極側を結線し、前記電解コンデンサの正極側に直列に第２の整流器を接続し、該第２の整流器の負側と前記永久磁石同期発電機の巻数の多い巻線の中性点を接続し、前記第１の整流器と前記第２の整流器からの直流出力を加算して出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。

本発明の分散電源用発電装置２の整流回路においては、永久磁石同期発電機３の細い巻線での構成が可能なＷ２巻線は、Ｗ２巻線からの発生電圧を２/√３倍に昇圧させることが可能となり、バッテリ８に充電を開始するＷ２巻線の誘起電圧を従来例の√３/２倍に減少させることができる。従って、風車回転数Ｎが従来例より低い段階からバッテリ８への充電を実現できるため、低速域における発電効率が上昇するとともに、Ｗ２巻線の絶縁耐圧を強化する必要が無いので、分散電源用発電装置２の価格を下げることができる。

本発明の第１の実施例における分散電源用発電装置の整流回路を説明するための図である。本発明の第２の実施例における分散電源用発電装置の整流回路を説明するための図である。先願技術の分散電源用発電装置の主回路結線図である。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ための図である。先願技術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。本発明の第２の実施例における各巻線の出力特性を説明するための図である。

以下に図面を参照して、分散電源用発電装置を風車に接続した場合の整流回路において、好適な実施の形態を詳細に説明する。

Ｗ１巻線およびＷ２巻線が３相の場合である図１を用いて請求項１の発明の一実施例について説明する。

図１において、９は電解コンデンサ、１０はダイオードであり、図３との同一番号は同一構成部品を示す。なお、巻数の多いＷ２巻線の中性点は第２の整流器７の直流側の負極と接続されており、これをＷ２中性点接続線１１と定義する。また、電解コンデンサ９とダイオード１０と第２の整流器により、昇圧回路１３を構成する。

Ｗ２巻線側の第２のリアクトル５と直列に、電解コンデンサ９の負極側が接続されており、電解コンデンサ９と並列にダイオード１０が接続されている。ダイオード１０を接続させる理由として、電解コンデンサ９は正極端子、負極端子と極性が定まっているため、逆方向に電圧が印加されると破壊する恐れがある。この破壊を防ぐことを目的としている。ここで、電解コンデンサ９とダイオード１０の結線条件として、電解コンデンサ９の正極側とダイオード１０のカソード側を接続させることが必須である。そして、電解コンデンサ９の正極と第２の整流器７を直列に接続する。

最初に、従来技術であった図３について説明する。風車１の回転により永久磁石発電機３から三相交流電圧が発生する。この時Ｗ２巻線に発生する線間電圧をＶ１とする。

一方、提案技術である図１において、風車１の回転数Ｎが、線間電圧Ｖ１を発生した時と同じとすると、Ｗ２巻線の中性点接続線１１を基準とした相電圧はＶ１/√３となる。この相電圧が電解コンデンサ９に蓄電される。この状態でＷ２巻線の線間電圧は、（Ｖ１/√３）×２となる。従って、永久磁石同期発電機３からの交流出力電圧が２/√３倍に昇圧されるため、バッテリ８に充電を開始するＷ２巻線の誘起電圧を従来例の√３/２倍に減少させることができる。

Ｗ１巻線およびＷ２巻線が３相の場合である図２、図６を用いて請求項２の発明の一実施例について説明する。

図２において、１２はコンデンサであり、図１との同一番号は同一構成部品を示す。また図６は、図２の状態での直流出力特性図である。

図２の構造について、巻数の多いＷ２巻線出力端子にコンデンサ１２を直列接続している。この時、出力特性の概要は図６に示す通りとなる。図６において、Ｗ２巻線の出力Ｐ２に着目すると、回転数Ｎが大きくなると出力Ｐ２の増加の割合が、リアクトル５を接続していた状態での図４のＰ２特性と比較して大きい特徴がある。これは、コンデンサ１２を接続しているためＷ２巻線には進み電流が流れ、巻線と交鎖する磁束を増加させるからである。

ここで、昇圧回路１３は非線形要素であるダイオード１０を有しているため、コンデンサ１２と永久磁石同期発電機３の内部インダクタンスとの共振を防ぎ、部品の破壊を防止する効果を有している。

図２において、電解コンデンサ９、およびダイオード１０を接続させていない状態を仮定する。この状態において、風車１の回転により永久磁石発電機３から三相交流電圧が発生する。この時Ｗ２巻線に発生する線間電圧をＶ２とする。

一方、電解コンデンサ９、およびダイオード１０を図２のように接続させた状態において、風車１の回転数Ｎが、線間電圧Ｖ２を発生した時と同じとすると、Ｗ２巻線の中性点接続線１１を基準とした相電圧はＶ２/√３となる。この相電圧が電解コンデンサ９に蓄電される。この状態でＷ２巻線の線間電圧は、（Ｖ２/√３）×２となる。従って、永久磁石同期発電機３からの交流出力電圧が２/√３倍に昇圧されるため、バッテリ８に充電を開始するＷ２巻線の誘起電圧を従来例の√３/２倍に減少させることができる。
以上、３相の場合で説明したが、単相および単相・３相の組合せでも実現可能である。

本発明の分散電源用発電装置２の整流装置によれば、永久磁石同期発電機３の巻数の多い巻線において、バッテリ８への充電開始電圧および絶縁耐圧を√３/２倍に減少させることができる。従って、低速域における発電効率が向上するとともに、安価な分散電源用発電装置２を提供することが可能であり、実用上大いに有効である。

１風車
２分散電源用発電装置
３永久磁石同期発電機
４第１のリアクトル（Ｗ１巻線）
５第２のリアクトル（Ｗ２巻線）
６第１の整流器（Ｗ１巻線）
７第２の整流器（Ｗ２巻線）
８バッテリ
９電解コンデンサ
１０ダイオード
１１Ｗ２巻線中性点接続線
１２コンデンサ
１３昇圧回路

Claims

風車また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巻数の少ない巻線の交流出力端子に第１のリアクトルを経て第１の整流器を接続し、前記複数の巻線の中で巻数の多い巻線の交流出力端子に第２のリアクトルを経て、該第２のリアクトルと直列に電解コンデンサの負極側を接続し、該電解コンデンサと並列にダイオードを接続し、かつ該ダイオードのカソード側と前記電解コンデンサの正極側を結線し、前記電解コンデンサの正極側に直列に第２の整流器を接続し、該第２の整流器の負側と前記永久磁石同期発電機の巻数の多い巻線の中性点を接続し、前記第１の整流器と前記第２の整流器からの直流出力を加算して出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
風車また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２の直流出力回路において、前記複数の巻線の中で巻数の少ない巻線の交流出力端子に第１のリアクトルを経て第１の整流器を接続し、前記複数の巻線の中で巻数の多い巻線の交流出力端子にコンデンサを経て、該コンデンサと直列に電解コンデンサの負極側を接続し、該電解コンデンサと並列にダイオードを接続し、かつ該ダイオードのカソード側と前記電解コンデンサの正極側を結線し、前記電解コンデンサの正極側に直列に第２の整流器を接続し、該第２の整流器の負側と前記永久磁石同期発電機の巻数の多い巻線の中性点を接続し、前記第１の整流器と前記第２の整流器からの直流出力を加算して出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。