JP2012253924A

JP2012253924A - 分散電源用発電機の直流出力回路

Info

Publication number: JP2012253924A
Application number: JP2011125143A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shioda; 剛塩田; Tsutomu Isaka; 勉井坂; Kazuki Maruyama; 一樹丸山; Reijiro Mikamo; 礼二郎三鴨
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2012-12-20

Abstract

【課題】風力より風車の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とリアクトルで構成する直流出力回路においては、永久磁石型発電機内に広い巻線スペースが必要となるので発電機が高価になるという問題がある。
【解決手段】風車又は水車より流速変動時も概略の最大出力を得るために、永久磁石型発電機内の巻線の種類を１種類とし、この巻線の出力端子から第１のリアクトルを経て第１の整流回路に接続し、前記出力端子に並列に絶縁トランスを接続し、前記絶縁トランスに直列に第２のリアクトルを経て第２の整流回路を接続し、前記第１の整流回路の出力と前記第２の整流回路の出力を加算して直流電源に出力する分散電源用発電機の直流出力回路である。
【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、風または水の流速に関わらず、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機の直流出力回路に関するものである。

風車または水車に接続された永久磁石型発電機より、異なる流速から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大きさの誘起電圧値を発生する絶縁された複数の巻線の出力端子にリアクトルを経て直列に整流器を接続し、こ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機の直流出力回路がある（例えば、後述する特許文献１の図１参照）。

このような第１の従来例を、図１２の風車に接続された分散電源用発電機の直流出力回路を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。

図１２において、２１は風車、１は永久磁石型発電機、２および３は第１および第２のリアクトル、７および８は第１および第２の整流器、１０は上記従来例の分散電源用発電機の直流出力回路、１３は正側出力端子、１４は負側出力端子、２２はバッテリである。上記第１の従来例の分散電源用発電機の直流出力回路は、永久磁石型発電機１、第１および第２のリアクトル２および３、第１および第２の整流器７および８、正側出力端子１３および負側出力端子１４で構成される。

図１２において、永久磁石型発電機１の固定子は異なる大きさの誘起電圧値を出力する相互に絶縁された第１の巻線Ｗ１および第２の巻線Ｗ２の２種類の巻線を内蔵する。前記永久磁石型発電機１の巻数が少ないために低い誘起電圧値を出力する第１の巻線Ｗ１の交流出力は、第１のリアクトル２に接続され、さらに直列に第１の整流器７に接続される。

巻数が多いために大きい誘起電圧値を出力する第２の巻線Ｗ２の交流出力は、第２のリアクトル３に接続され、さらに直列に第２の整流器８に接続される。

前記第１、第２の整流器７、８の各々の直流側は、正側出力端子１３及び負側出力端子１4に並列接続され、各巻線の合計出力がバッテリ２２に充電される。

このように構成される分散電源用発電機の直流出力回路１０より、概略の風車最大出力を得られる方法を以下に示す。

図１１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Ｖ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Ｖｘ及びＶｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図１１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１１に示す風車最大出力曲線Ｐｔのような風車回転数Ｎに対して３乗特性となる。

すなわち、図１１の風車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が定まると、その時の永久磁石型発電機１の入力Ｐを一義的に、風車最大出力曲線Ｐｔ上の値に定めれば良いことを表している。

図１０は、前記従来例が対象とする分散電源用発電機の直流出力回路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。以下では、風車出力と永久磁石型発電機１の入力が等しく、発電機損失を考慮して説明する。

永久磁石型発電機１の第１および第２の巻線Ｗ１およびＷ２の直流出力Ｐ１およびＰ２は、Ｗ１およびＷ２巻線の誘起電圧値の小と大およびＴ１、Ｔ２出力端子に接続される第１、第２のリアクトル２、３のインダクタンス値の小と大により、図１０の風車回転数対出力特性に示すようになる。すなわち、誘起電圧値の大きいＷ２巻線の出力は風車回転数Ｎ２から発電を開始し、その直流出力Ｐ１に比べて小さな出力値は第２のリアクトル３の大きなインダクタンス値により抑えられ、直流出力Ｐ２のようになる。

また、誘起電圧値の小さいＷ１巻線の出力は風車回転数Ｎ１から発電を開始し、その直流出力Ｐ２に比べて大きな出力値は第１のリアクトル２の小さなインダクタンス値により定まり、直流出力Ｐ１のようになる。
第１および第２の巻線Ｗ１およびＷ２の出力Ｐ１およびＰ２を加算して得られる合計直流出力は、近似発電機出力曲線Ｐｓとなり風車より概略の最大出力を得ることができる。

また第２の従来例として、風車または水車に接続された永久磁石型発電機より、異なる流速から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大きさの誘起電圧を発生する絶縁された複数の巻線の出力端子に、各々のリアクトルと各々のトランスを経て直列に整流器を接続し、こ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機の直流出力回路がある（例えば、後述する特許文献２の図１参照）。

このような第２の従来例を、図１３の風車に接続された分散電源用発電機の直流出力回路を示す主回路単線結線図で示す。図１３において、２３は第１のトランス、２４は第２のトランスであり、図１２と同一番号は同一構成部品を表す。

図１３において、第１および第２のトランス２３および２４は、バッテリ２２の適用直流電圧値が分散電源用発電機の直流出力回路の初期設計時の値と異なるときに、制御回路の待機電力が必要なＤＣ/ＤＣコンバータなどの変換装置を用いることなく、風車または水車に接続された永久磁石型発電機より概略の最大出力を取り出すために、永久磁石型発電機およびリアクトルの設計変更を行うことなく、永久磁石型発電機の複数の巻線の電圧を昇圧または降圧して用いられる。
例えば、初期設計時のバッテリ２２の直流電圧値が２４Ｖで、今回適用するバッテリ２２の直流電圧値が４８Ｖであれば、第１および第２のトランス２３および２４の昇圧比を、どちらも同じ１：２とすることにより達成できる。

さらに第３の従来例として、風車または水車に接続された永久磁石型発電機より、異なる流速から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大きさの誘起電圧を発生する絶縁された複数の巻線の出力端子の一方にリアクトルを経て整流器を接続し、出力端子の他方にコンデンサを経て整流器を接続し、各々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機の直流出力回路がある（例えば、後述する特許文献３の図１参照）。

このような第３の従来例を、図１４の風車に接続された分散電源用発電機の直流出力回路を示す主回路単線結線図で示す。図１４において、６は第２のコンデンサであり、図１２と同一番号は同一構成部品を表す。

図１４においては、第１の従来例に示す第２のリアクトル３に換えて第２のコンデンサ６を接続するものである。このコンデンサの直列接続によって、従来のリアクトル直列接続時の永久磁石型発電機の遅れ電流による発電機巻線との鎖交磁束ひいては発電機誘起電圧の減少を防ぎ、逆に鎖交磁束ひいては発電機誘起電圧の増加を図るものであり、永久磁石型発電機内の高価な永久磁石の量を減らして、永久磁石型発電機の価格を減少させることができる。

特開２００４−６４９２８号公報特開２００８−１８７８５５号公報特開２００７−９７２７２号公報

しかし、上記のように構成される第１乃至第３の従来例の分散電源用発電機の直流出力回路１０においては、永久磁石型発電機１は２種類の巻線で構成されるために、永久磁石型発電機１内のスロットに広い巻線スペースが必要となるとともに、２種類の巻線間の絶縁が必要となる。そのために発電機が大きくなり、かつ製作工数も多くなるので高価になるという問題があった。

また、発電機が複数の巻線を有するために、発電機出力端子とリアクトルとの接続が複数箇所になり、発電機とリアクトル等の直流出力回路の接地場所が異なる場合、例えば、風車を例にすれば、発電機をナセル上に、リアクトルを地上に設置というように離して配置する必要がある場合には配線作業が煩雑になるという問題があった。

さらに、第２の従来例の分散電源用発電機の直流出力回路１０における２台のトランスを接続する目的は、バッテリ２２の適用直流電圧値の違いを補償することである。そして、第２の従来例においては、上記の発電機製作工数が多くなるという問題の他に、トランスを２台設置しなければならないので、２台分のトランス損失の増加が発生するという問題があった。

第１の従来例においては、永久磁石型発電機１の２種類の巻線の交流端子には、リアクトルが接続されるために、遅れ電流による発電機巻線との鎖交磁束ひいては発電機誘起電圧が減少するという問題点の他に、２種類の巻線に流れる電流の力率が悪いために巻線の断面積を増やさなければならないという問題があった。

第３の従来例においては、上記の発電機誘起電圧の減少という問題点については、逆に鎖交磁束ひいては発電機誘起電圧の増加を図ることはできる。しかし、例えばリアクトルが接続されたＷ１巻線は遅れ力率、コンデンサが接続されたＷ２巻線は進み力率となり、各巻線の力率を１にできないために、永久磁石型発電機１内のスロットに納める２種類の巻線の断面積を増やさなければならず、永久磁石型発電機１の体格が大きくなるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、インバータ等の制御回路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においては、発電機内に広い巻線スペースが必要となるので発電機が大きくなり、かつ製作工数が多くなるのに対し、その点を改善するために従来から製作されている１種類の巻線を有する永久磁石型発電機を用いることで、発電機を小型化し、且つ製作工数も少なくして提供できるものとせんとするものである。

そのため本発明の構成は、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、風または水の流速に関わらず、制御回路を用いずに風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電機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は第１のリアクトルを経て第１の整流回路に接続し、前記第１のリアクトルに並列に第１の絶縁トランスを接続し、前記第１の絶縁トランスに直列に第２のリアクトルを経て第２の整流器に接続し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを基本的特徴としている。

また他の方法として、近似発電機出力Ｐｓを風車最大出力Ｐｔにより近似するために、他の第２の絶縁トランスと第３のリアクトルを使って、直流出力の種類を３種類とすることを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路である。

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る永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電機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第１のリアクトルを経て第１の整流回路に接続し、前記第１のリアクトルに並列に第１の絶縁トランスを接続し、該第１の絶縁トランスの反交流出力端子側に直列に第２のリアクトルを経て第２の整流器を接続し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。

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る永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電機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は第１のリアクトルを経て第１の整流回路に接続し、前記第１のリアクトルに並列に第１の絶縁トランスを接続し、該第１の絶縁トランスの反交流出力端子側に直列に第２のコンデンサを経て第２の整流器を接続し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。

請求項３の発明によれば、前記請求項２記載の分散電源用発電機の直流出力回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１の絶縁トランスの漏れインダクタンスと前記第２のコンデンサの容量との直列回路のリアクタンスを容量性となし、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のリアクトルのインダクタンスとの直列回路のリアクタンスを誘導性となし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該容量性リアクタンスと該誘導性リアクタンスの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。

請求項４の発明によれば、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、風または水の流速に関わらず風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電機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は第１のコンデンサを経て第１の整流回路に接続し、前記第１のコンデンサに並列に第１の絶縁トランスを接続し、該第１の絶縁トランスの反交流出力端子側に直列に第２のリアクトルを経て第２の整流器を接続し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。

請求項５の発明によれば、前記請求項４記載の分散電源用発電機の直流出力回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１の絶縁トランスの漏れインダクタンスと前記第２のリアクトルのインダクタンスとの直列回路のリアクタンスを誘導性となし、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のコンデンサの容量との直列回路のリアクタンスを容量性となし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該誘導性リアクタンスと該容量性リアクタンスの和を零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。

請求項６の発明によれば、前記請求項１記載の分散電源用発電機の直流出力回路において、前記第１のリアクトルおよび前記第１の絶縁トランスに並列に第２の絶縁トランスを接続し、該第２の絶縁トランスの反交流出力端子側に直列に第３のリアクトルを経て第３の整流器を接続し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力と前記第３の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。

本発明の風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電機の直流出力回路は、永久磁石型発電機内の巻線が１種類で構成されるために永久磁石型発電機が小さくなるので重量が軽くなり、かつ製作工数も少なくなるという優れた効果がある。また、直流出力回路を構成する絶縁トランスは市販のトランスを利用できるので、絶縁トランス、リアクトルおよび整流器で構成される直流出力回路を安価に製作できるという優れた効果がある。さらに、発電機が１種類の巻線を有するために、発電機出力端子とリアクトルとの接続箇所が減少するので、配線作業が容易になるという効果がある。

本発明の第１の実施例に係る分散電源用発電機の直流出力回路を説明するための主回路単線結線図である。本発明の第２の実施例に係る分散電源用発電機の直流出力回路を説明するための主回路単線結線図である。本発明の第３の実施例に係る分散電源用発電機の直流出力回路を説明するための主回路単線結線図である。本発明の第４の実施例に係る分散電源用発電機の直流出力回路を説明するための主回路単線結線図である。第３の従来例および本発明の第２、第３の実施例に係る風車回転数対風車最大出力および分散電源用発電機の直流出力回路の近似出力特性の概要を示す説明図である。本発明の第２、第３の実施例が対象とする風車回転数対風車出力特性および分散電源用発電機の直流出力回路の各整流回路の出力特性の概要を示す説明図である。本発明の第２、第３の実施例に係る電気角周波数に対する、発電機と発電機に接続されるリアクタンスの直列リアクタンス特性の概要を示す説明図である。本発明の第２、第３の実施例に係る電気角周波数に対する、発電機電流の力率を説明するための説明図である。本発明の第４の実施例に係る風車回転数対風車最大出力および分散電源用発電機の直流出力回路の近似出力特性の概要を示す説明図である。第１、第２の先願および本発明の第２の実施例に係る風車回転数対風車最大出力および分散電源用発電機の直流出力回路の近似出力特性の概要を示す説明図である。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。第１の従来例の分散電源用発電機の直流出力回路の主回路単線結線図である。第２の従来例の分散電源用発電機の直流出力回路の主回路単線結線図である。第３の従来例の分散電源用発電機の直流出力回路の主回路単線結線図である。

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概略の風車または水車の最大出力を得る分散電源用発電機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は第１のリアクトルを経て第１の整流回路に接続し、前記第１のリアクトルに並列に絶縁トランスを接続し、該絶縁トランスの低圧側端子は前記永久磁石型発電機の交流出力端子に接続し、前記絶縁トランスの高圧側端子は第２のリアクトルを経て第２の整流回路に接続し、前記第１の整流回路および第２の整流回路の直流出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路である。

図１は、本発明を風車に適用した場合であり、風車により駆動される分散電源用発電機の直流出力回路を説明する主回路単線結線図である。

同図において、１１は第１の絶縁トランスであり、図１２と同一番号は同一構成部品を表す。本発明の分散電源用発電機の直流出力回路１０は、永久磁石型発電機１、第１の絶縁トランス１１、第１および第２のリアクトル２および３、第１および第２の整流器７および８、正側出力端子１３、負側出力端子１４で構成される。

以下、図１について説明する。永久磁石型発電機１は、第１〜第３の従来例と異なり１種類の巻線で構成される。永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔは、第１のリアクトル２を経て第１の整流器７に接続される。

また、前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔには前記第１のリアクトル２に並列に第１の絶縁トランス１１が接続され、この第１の絶縁トランス１１の低圧側端子Ｔr１は前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔに接続され、この第１の絶縁トランス１２の高圧側端子Ｔr２は第２のリアクトル３を経て第２の整流器８に接続される。第１の整流器７および第２の整流器８の合計出力が正側出力端子１３、負側出力端子１４を経てバッテリ２２に出力される。

このように構成される分散電源用発電機の直流出力回路１０において、第１の絶縁トランス１１、第２のリアクトル３および第２の整流器８で構成される回路は、第１の絶縁トランス１１の高圧側端子Ｔr２の電圧がバッテリ２２の直流電圧より高くなると出力を開始する。

したがって、図１２に示す第１の従来例における永久磁石型発電機１内のＷ２巻線、第２のリアクトル３および第２の整流器８で構成される回路と同一作用を行わせることができる。
すなわち、第１の従来例においては永久磁石型発電機１内において、Ｗ２巻線はＷ１巻線よりも電圧が高くなるように相互に絶縁して構成されていた。その高い電圧を発生させる作用を第１の絶縁トランス１１で行うものである。また、図１３の第２の従来例ではＷ１およびＷ２巻線が相互に絶縁されているために、第１および第２のトランス２３および２４は絶縁トランスである必要は無く、単巻トランスでも構成できる。しかし、本発明においては単巻トランス、リアクトルおよび整流器を経由する短絡電流を防ぐために絶縁トランスで構成される。

本願の設計方法としては、先ず図１０の発電機出力Ｐ１を開始する風車回転数Ｎ１において、永久磁石型発電機１の誘起電圧がバッテリ２２の直流電圧よりも高くなるように永久磁石型発電機１を設計する。そして、第１の絶縁トランス１１の昇圧比は、図１０において発電機出力Ｐ２を開始する風車回転数Ｎ２の値から決められる。すなわち、図１０において風車回転数Ｎ２はＮ１の半分程度なので、昇圧比を１：２程度にすることで実現できる。したがって、風車回転数Ｎ２よりも少し低い回転数から発電を開始させたければ昇圧比を１：２より大きくし、風車回転数Ｎ２よりも少し高い回転数から発電を開始させたければ昇圧比を１：２より小さくすれば実現できる。ここで、バッテリ２２の直流電圧値が、ほぼ一定でないと直流出力Ｐ１およびＰ２の値が異なってくるので、避けなければならない。

このように構成される分散電源用発電機の直流出力回路１０において、第１の絶縁トランス１１、第２のリアクトル３および第２の整流器８で構成される回路により、風車回転数Ｎ２から出力を開始し、第２のリアクトル３の値を適切に選ぶことにより直流出力Ｐ２の大きさが決まり、その直流出力Ｐ２がバッテリ２２に出力される。

また、風車回転数が高くなると第１のリアクトル２および第１の整流器７で構成される回路により直流出力Ｐ１がバッテリ２２に出力され、上記の直流出力Ｐ２と合計した直流出力は図９の近似発電機出力Ｐｓとほぼ同一となり、異なる流速においても概略の風車または水車最大出力を得ることができる。

このように、大きな出力は直接にリアクトルを経由して整流出力し、一方の小さな出力は絶縁昇圧トランスおよびリアクトルを経由して整流出力し、その合計出力をバッテリ２２に出力できる分散電源用発電機の直流出力回路を構成できる。永久磁石型発電機１は、１巻線で構成されるために、第１の従来例で用いられる永久磁石型発電機よりも安価に構成できる。

また第１の絶縁トランス１１は、市販のトランスを利用できるために、永久磁石型発電機、リアクトル、絶縁昇圧トランスおよび整流器で構成される分散電源用発電機の直流出力回路全体の価格を下げることができる。さらに、図１においては、第２のリアクトル３は第１の絶縁トランス１１の第２の整流器側に接続したが、適切な値にすることにより第１の絶縁トランス１１の永久磁石型発電機１側に接続しても良い。

以上は、第１の絶縁トランス１１の端子Ｔｒ１に対するＴｒ２の電圧比が高い昇圧トランスで説明してきた。しかし、初期に設計した分散電源用発電機の直流出力回路をバッテリ２２の電圧が低い場合に適用を変更するときは、第１のリアクトル２を経由する出力を直流出力Ｐ２となるように構成し、降圧トランスとした第１の絶縁トランス１１を経由する出力を直流出力Ｐ１となるように構成することにより、異なる流速においても概略の風車または水車最大出力を得ることができる。

図１の本発明の第１の実施例では主回路を単線結線図で説明したが、永久磁石型発電機およびリアクトル等を３相またはそれ以外の相数で構成することができる。また、永久磁石型発電機１を３相で構成し、第１のリアクトル２および第１の整流器７は３相構成として直流出力Ｐ１を出力し、第１の絶縁トランス１１、第２のリアクトル３および第２の整流器８で構成される回路は単相で構成して直流出力Ｐ２を出力することができる。この時、永久磁石型発電機１の３相電流がアンバランスとなるが、直流出力Ｐ２の電流は小さいために大きな問題とはならず、分散電源用発電機の直流出力回路を安価に構成できる。

本発明の第２の実施例は、本発明の第１の実施例で説明した第２のリアクトル３をコンデンサに置き換えて、近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近似する方法であり、図２に示す本発明の第２の実施例の主回路単線結線図、図５の本発明の風車回転数対風車最大出力および分散電源用発電機の直流出力回路の近似出力特性の概要を示す説明図、図６の本発明の風車回転数対風車出力特性および分散電源用発電機の直流出力回路の各整流回路の出力特性の概要を示す説明図、および図７の本発明の電気角周波数に対する発電機と発電機に接続されるリアクタンスの直列リアクタンス特性の概要を示す説明図により説明する。

図２において、６は第２のコンデンサであり、図１と同一番号は同一構成部品を表す。本発明の第２の実施例の分散電源用発電機の直流出力回路１０は、永久磁石型発電機１、第１の絶縁トランス１１、第２のコンデンサ６、第１のリアクトル２、第１および第２の整流器７および８、正側および負側出力端子１３および１４で構成される。

永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔは、第１のリアクトル２を経て第１の整流器７に接続される。また、前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔには前記第１のリアクトル２に並列に第１の絶縁トランス１１が接続され、前記第１の絶縁トランス１１の低圧側端子Ｔr１は前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔに接続され、前記第１の絶縁トランス１１の高圧側端子Ｔr２は第２のコンデンサ６および第２の整流回路８を経て正側および負側出力端子１３および１４に接続される。

このように第１の絶縁昇圧トランス１１、第２のコンデンサ６および第２の整流回路８で構成される回路においては、第１の絶縁昇圧トランス１１の昇圧比を適切に決めることにより、図６に示す風車回転数Ｎ２より出力を開始する。そして、風車回転数の上昇とともに、図６に示す直流出力Ｐ２のごとき出力がバッテリ２２に流れる。
さらに風車回転数Ｎが上昇することにより、図２の第１のリアクトルおよび第１の整流回路７を経て、図６の直流出力Ｐ１がバッテリ２２に流れ、合計した出力は図５の近似出力曲線Ｐｓが如くなる。

図７に、前記永久磁石型発電機１の内部インダクタンスと前記第１の絶縁トランス１１の１次側に換算した漏れインダクタンスを加算したインダクタンス値をＬとし、第２のコンデンサ６の容量を１次側に換算した値をＣとした時のインダクタンスＬと容量Ｃのリアクタンス特性を示す。
図に示すωＬ−１/（ωＣ）が、インダクタンスと容量の直列リアクタンス特性であり、風車回転数Ｎの上昇すなわち永久磁石型発電機１の電気角周波数ωの上昇とともに、リアクタンスＸが容量性から誘導性に変化する特性となる。

永久磁石型発電機１、第１の絶縁トランス１１、第２のコンデンサ６、第２の整流回路８、バッテリ２２で構成される回路には、永久磁石型発電機１の誘起電圧、図７の如きリアクタンス特性およびバッテリ２２の直流電圧値により決まる電流が流れる。ここで、風車回転数Ｎが上昇して、図７に示す電気角周波数ωがインダクタンスＬと容量Ｃの直列共振角周波数ω_０と一致すると、共振状態となり過大な電流が流れて装置が破壊される。

したがって、本発明の第２の実施例は、風車２１により駆動される永久磁石型発電機１の定格電気角周波数ω_ｒが、図７に示す直列共振角周波数ω_０よりも低い値となるように設定することを特徴とする。すなわち、図５に示す近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近づけるには、永久磁石型発電機１、第１の絶縁トランス１１および第２のコンデンサ６で構成される直列回路のリアクタンスを、風車定格回転数Ｎｒ内で容量性とすることにより達成される。前記直列回路のリアクタンスを容量性とすることで、永久磁石型発電機１内の巻線には進相電流が流れて、巻線との鎖交磁束が増加して発電機誘起電圧が無負荷誘起電圧よりも上昇する。

しかしながら、風車回転数Ｎが上昇して、図２の第１のリアクトル２および第１の整流回路７を経て、図６の出力Ｐ１がバッテリ２２に流れると、永久磁石型発電機１内の巻線には遅相電流が流れて、前記第２のコンデンサによる進相電流の効果が薄れて発電機誘起電圧の上昇が鈍る。

図１２の永久磁石型発電機１および第２のリアクトルで構成される直列回路のインピーダンスが誘導性であるために、発電機巻線との鎖交磁束が減少して、図１０においては、例えば直流出力Ｐ２は風車回転数の上昇とともに飽和状態となっている。しかし、図６では出力Ｐ２は風車回転数の上昇とともに増加しているので、高速での出力減少を抑えて、図５に示す近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近づけることができる。

また、風速の変動ひいては風車回転数の変動により電気角周波数ωが変動して、電気角周波数ωが図７に示す直列共振角周波数ω_０と一致する共振状態を防ぐために、永久磁石型発電機１の内部インダクタンス、第１の絶縁トランス１１の漏れインダクタンスおよび第２のコンデンサ６の容量を正確に把握し、定格電気角周波数ω_ｒの値を直列共振角周波数ω_０の80〜90％にすることが必要である。

また、図２に示す永久磁石型発電機１に流れる電流Ｉは、第１のリアクトル２を流れる遅相電流と、第２のコンデンサ６を流れる進相電流のベクトル和である。したがって、風車定格回転数Ｎｒ付近で、永久磁石型発電機１の内部インダクタンス、第１の絶縁トランス１１および第２のコンデンサ６の直列回路のリアクタンスを容量性となし、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第１のリアクトル２の直列回路のリアクタンスを誘導性となし、該容量性リアクタンスと該誘導性リアクタンスの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１にでき、永久磁石型発電機１の体格を最小にすることができる。

図８は、永久磁石型発電機１に流れる電流Ｉの力率を１にする方法を説明するための図である。図において、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第１のリアクトル２の直列回路のリアクタンスはＸ１、永久磁石型発電機１の内部インダクタンス、第１の絶縁トランス１１および第２のコンデンサ６の直列回路のリアクタンスをＸ２として示す。風車定格回転数Ｎｒ付近では、リアクタンスＸ１とＸ２の絶対値が等しくなり、永久磁石型発電機１には有効分電流だけ流れて、電流Ｉの力率は１となる。

図３に示す本発明の第３の実施例は、本発明の第１の実施例で説明した第１のリアクトル２をコンデンサに置き換えて、近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近似する方法であり、図３に示す本発明の第３の実施例の主回路単線結線図、図５の本発明の風車回転数対風車最大出力および分散電源用発電機の直流出力回路の近似出力特性の概要を示す説明図、図６の本発明の風車回転数対風車出力特性および分散電源用発電機の直流出力回路の各整流回路の出力特性の概要を示す説明図、および図７の本発明の電気角周波数対発電機と発電機に接続されるリアクタンスの直列リアクタンス特性の概要を示す説明図により説明する。

図３において、５は第１のコンデンサであり、図１および図１２と同一番号は同一構成部品を表す。本発明の第３の実施例の分散電源用発電機の直流出力回路１０は、永久磁石型発電機１、第１のコンデンサ５、第１の絶縁トランス１１、第２のリアクトル３、第１および第２の整流器７および８、正側および負側出力端子１３および１４で構成される。

永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔは、第１のコンデンサ５を経て第１の整流器７に接続される。また、前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔには前記第１のコンデンサ５に並列に第１の絶縁トランス１１が接続され、この第１の絶縁トランス１１の低圧側端子Ｔr１は前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔに接続され、この第１の絶縁トランス１１の高圧側端子Ｔr２は第２のリアクトル３および第２の整流回路８を経て正側および負側出力端子１３および１４に接続される。

このように第１の絶縁昇圧トランス１１、第２のリアクトル３および第２の整流回路８で構成される回路においては、第１の絶縁昇圧トランス１１の昇圧比を適切に決めることにより、図６に示す風車回転数Ｎ２より出力を開始する。そして、風車回転数の上昇とともに、図６に示す直流出力Ｐ２のごとき出力がバッテリ２２に流れる。
さらに風車回転数Ｎが上昇することにより、図３の第１のコンデンサ５および第１の整流回路７を経て、図６の直流出力Ｐ１がバッテリ２２に流れ、合計した出力は図５の近似出力曲線Ｐｓが如くなる。

図２で説明した如く、風車定格回転数Ｎｒ付近で、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスと第１のコンデンサ５の直列回路のリアクタンスを容量性となし、永久磁石型発電機１の内部インダクタンス、第１の絶縁昇圧トランス１１および第２のリアクトル３の直列回路のリアクタンスを誘導性となし、該容量性リアクタンスと該誘導性リアクタンスの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１にでき、永久磁石型発電機１の体格を最小にすることができる。さらに、このようにして高速での出力減少を抑えて、図５に示す近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近づけることができる。

図４に示す本発明の第４の実施例は、本発明の第１の実施例で説明した２種類の直流出力を３種類の直流出力として、近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔにより近似する方法を説明する主回路単線結線図であり、図９の本発明の第４の実施例の風車回転数対風車および発電機出力特性の概要を示す説明図とともに説明する。

図４において、１２は第２の絶縁トランス、４は第３のリアクトル、９は第３の整流回路であり、図１と同一番号は同一構成部品を表す。本発明の第４の実施例の分散電源用発電機の直流出力回路１０は、永久磁石型発電機１、第１の絶縁トランス１１、第２の絶縁トランス１２、第１〜第３のリアクトル２〜４、第１〜第３の整流器７〜９、正側出力端子１３、負側出力端子１４で構成される。

以下、図４について説明する。永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔは、第１のリアクトル２を経て第１の整流器７に接続される。
また、前記永久磁石型発電機２の交流出力端子Ｔには前記第１のリアクトル２に並列に第１の絶縁トランス１１が接続され、前記第１の絶縁トランス１１の低圧側端子Ｔr１は前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔに接続され、前記第１の絶縁トランス１１の高圧側端子Ｔr２は第２のリアクトル３および第２の整流回路８を経て正側および負側出力端子１３および１４に接続される。

さらに、前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔには前記第１のリアクトル４および前記第１の絶縁トランス１１に並列に第２の絶縁トランス１２が接続され、前記第２の絶縁トランス１２の低圧側端子Ｔr３は前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔに接続され、前記第２の絶縁トランス１２の高圧側端子Ｔr４は第３のリアクトル４および第３の整流回路９を経て正側および負側出力端子１３および１４に接続される。

このように第２の絶縁トランス１２、第３のリアクトル４および第３の整流回路９で構成される回路においては、第１の絶縁トランス１１、第２のリアクトル３および第２の整流回路８で構成される回路がバッテリ２２に出力を開始する風車回転数Ｎ２よりは、低い風車回転数Ｎ３で出力を開始するように第２の絶縁昇圧トランス１２の昇圧比が決定される。すなわち、例えば第１の絶縁トランス１１の昇圧比が１：２であれば、第２の絶縁トランス１２の昇圧比は１：３というように決められる。そして第３のリアクトル４の値を適切に選ぶことにより直流出力Ｐ３の大きさが決まり、図９に示す直流出力Ｐ３がバッテリ２２に出力される。

また、第１の絶縁トランス１１、第２のリアクトル３および第２の整流回路８で構成される回路は、風車回転数Ｎ２から出力を開始して図９に示す直流出力Ｐ２をバッテリ２２に出力する。第１のリアクトル２および第１の整流回路７で構成される回路は、風車回転数Ｎ１から出力を開始して図９に示す直流出力Ｐ１をバッテリ１３に出力する。

直流出力Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を合計した直流出力は、図９の近似発電機出力Ｐｓとほぼ同一となり、異なる流速においても概略の風車または水車最大出力を得ることができる。

図４の本発明の第４の実施例では主回路を単線結線図で説明したが、永久磁石型発電機およびリアクトル等を３相またはそれ以外の相数で構成することができる。また、永久磁石型発電機１を３相で構成し、第１のリアクトル２および第１の整流器７は３相構成として直流出力Ｐ１を出力し、第１および第２の絶縁トランス１１および１２、第２および第３のリアクトル３および４、および第２および第３の整流器８および９で構成される回路は単相で構成して直流出力Ｐ２およびＰ３を出力することができる。この時、永久磁石型発電機１の３相電流がアンバランスとなるが、直流出力Ｐ２およびＰ３の電流は小さいために大きな問題とはならず、分散電源用発電機の直流出力回路を安価に構成できる。

図４における第１および第２の絶縁トランス１１および１２を、２巻線絶縁トランスを２台ではなく、３巻線で構成される絶縁トランスとすることにより安価に構成できる。

本発明によれば、インバータ等の制御回路を用いることなく、風車または水車より流速変動時も概略の風車または水車最大直流出力を得ることができる分散電源用発電機の直流出力回路においては、永久磁石型発電機内の巻線の種類を１種類とすることができるので発電機の体格を小さくすることができる。また、３相に限らず単相やその他の相数を有する永久磁石型発電機に適用できることは言うまでもない。さらに、永久磁石型発電機１を３相で構成し、絶縁トランスが接続される回路は単相で構成しても良い。さらに、永久磁石型発電機内には内部リアクタンスが存在するために、第１のリアクトル２を省略できるように設計しても、安価な分散電源用発電機の直流出力回路を構成することができる。さらに、リアクトルとコンデンサの値を適切に選ぶことにより、永久磁石型発電機に流れる電流の力率を１にすることができるので、永久磁石型発電機の体格がさらに小さくなり極めて有用である。

１永久磁石型発電機
２、３、４第１、第２、第３のリアクトル
５、６第１、第２のコンデンサ
７、８、９第１、第２、第３の整流器
１０分散電源用発電機の直流出力回路
１１、１２第１、第２の絶縁トランス
１３正側出力端子
１４負側出力端子
２１風車
２２バッテリ
２３、２４第１、第２のトランス

Claims

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、風または水の流速に関わらず風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電機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第１のリアクトルを経て第１の整流回路に接続し、前記第１のリアクトルに並列に第１の絶縁トランスを接続し、該第１の絶縁トランスの反交流出力端子側に直列に第２のリアクトルを経て第２の整流器を接続し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。
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、風または水の流速に関わらず風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電機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は第１のリアクトルを経て第１の整流回路に接続し、前記第１のリアクトルに並列に第１の絶縁トランスを接続し、該第１の絶縁トランスの反交流出力端子側に直列に第２のコンデンサを経て第２の整流器を接続し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。
前記請求項２記載の分散電源用発電機の直流出力回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１の絶縁トランスの漏れインダクタンスと前記第２のコンデンサの容量との直列回路のリアクタンスを容量性となし、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のリアクトルのインダクタンスとの直列回路のリアクタンスを誘導性となし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該容量性リアクタンスと該誘導性リアクタンスの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。
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、風または水の流速に関わらず風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電機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は第１のコンデンサを経て第１の整流回路に接続し、前記第１のコンデンサに並列に第１の絶縁トランスを接続し、該第１の絶縁トランスの反交流出力端子側に直列に第２のリアクトルを経て第２の整流器を接続し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。
前記請求項４記載の分散電源用発電機の直流出力回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１の絶縁トランスの漏れインダクタンスと前記第２のリアクトルのインダクタンスとの直列回路のリアクタンスを誘導性となし、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のコンデンサの容量との直列回路のリアクタンスを容量性となし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該誘導性リアクタンスと該容量性リアクタンスの和を零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。
前記請求項１記載の分散電源用発電機の直流出力回路において、前記第１のリアクトルおよび前記第１の絶縁トランスに並列に第２の絶縁トランスを接続し、該第２の絶縁トランスの反交流出力端子側に直列に第３のリアクトルを経て第３の整流器を接続し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力と前記第３の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電機の直流出力回路。