JP2016165197A - 回転電機の制御装置、回転電機、および風力発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 発電機出力を増大できるようにすること。【解決手段】 実施形態によれば、回転子外周面の周方向にＮｒ個のロータティース１４を有する回転子２１と、回転子２１の外側にエアギャップＧを介して同芯上に配置される固定子２２とを具備し、固定子２２が、Ｎｒ個のロータティース１４と対向するように設けられたＮｆ個のステータティース１６を有するとともに、これらステータティース１６の間のスロットに設けられ各ステータティース１６に巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線１７およびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線１８を有し、ＮｒとＮｆとＮａとの間にＮｆ＋Ｎａ＝２Ｎｒなる関係のある回転電機の制御装置において、三相電機子巻線１８の電機子電流を増加させるに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持する制御を行う制御手段を具備する。【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、回転電機の制御装置、回転電機、および風力発電システムに関する。

多極リラクタンス式同期回転電機として、回転子外周面の周方向に複数のロータティースを有する回転子と、この回転子の外側にエアギャップを介して同芯上に配置され、ステータティースを有するとともにこれらステータティースの間のスロットに界磁巻線および三相の電機子巻線を有する固定子とを具備し、回転子が回転可能に軸支された発電機が知られている。この発電機は、界磁巻線を界磁電流により直流励磁し、固定子に静止磁界を形成して、この静止磁界を回転子によって磁気変調させて、エアギャップに回転磁界を発生させる。その結果、電機子巻線に三相交流電圧が誘導される（例えば、非特許文献１参照）。

深見正, 他４名, "A Multipole Synchronous Machine With Nonoverlapping Concentrated Armature and Field Windings on the Stator", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.59, No.6, June 2012, p.2583-2591

近年、風力発電システムは洋上に設置し大容量化が進められ、風車ブレードの大直径化と強度の関係による低速化が図られている。さらに、洋上設置に対応して保守の負担低減と信頼性の向上をはかるため、風車ブレードの回転数と発電機の回転数との差を無くすべく風車と発電機との間に設置していた増速機を排除し、発電機を一分間当たり１０回転程度の低速で直接駆動するようになってきた。

このような発電システムにおいては、出力部で５０から６０Ｈｚの電圧を発電し、発電機出力はインバータで周波数変換される。発電機の発電電圧をインバータの入力下限周波数の１０Ｈｚ前後で発電をしようとすると、発電機の極数は１２０〜１４０極となり、発電機は低速化し大型化するが、大型化に伴って発電機出力を増大できるわけではない。また、発電機スロット数は７２０から８４０となり、スロット１個当たりの断面積が小さくなり、スロット内に挿入可能な巻線の断面積が小さくなるので、銅損（巻線の電気抵抗によって失われるエネルギー）が大きくなる。

例えば、非特許文献１には、磁気変調により、電機子巻線の極数よりもエアギャップ部に発生する磁極数を多くする多極リラクタンス式同期回転電機が提案されており、この技術を用いれば、電機子巻線のコイル数を減少させ、銅損を低減することができる。しかしながら、非特許文献１に記載の技術を適用しても、発電機は大型化し、単位体積あたりの発電機出力を増大させることは難しい。具体的には、電機子電流を０から増加させると発電機出力は途中までは増加するが、電機子電流が定格値(１p.u.)に近づくにつれ、発電機電圧の低下とともに発電機出力の増加が少なくなる。電機子電流が定格値(１p.u.)を超えると、発電機出力は逆に低下し始める。

本発明が解決しようとする課題は、発電機出力を増大させることができる、回転電機の制御装置、回転電機、および風力発電システムを提供することにある。

実施形態によれば、回転子外周面の周方向にＮｒ個のロータティースを有する回転子と、前記回転子の外側にエアギャップを介して同芯上に配置される固定子とを具備し、前記固定子が、前記Ｎｒ個のロータティースと対向するように設けられたＮｆ個のステータティースを有するとともに、これらステータティースの間のスロットに設けられ各ステータティースに巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線およびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線を有し、ＮｒとＮｆとＮａとの間にＮｆ＋Ｎａ＝２Ｎｒなる関係のある回転電機の制御装置において、前記三相電機子巻線の電機子電流を増加させるに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持する制御を行う制御手段を具備することを特徴とする回転電機の制御装置が提供される。

本発明によれば、発電機出力を増大させることができる。

一実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示す図。 同実施形態に係る発電機の一部の断面形状を示す図。 同実施形態に係る発電機の制御装置に関わる部分の構成を中心に示す図。 図３中に示される発電機制御部の機能構成を示す図。 同実施形態に係る発電機を発電機制御部により制御して得られる結果を従来技術と比較して示す図。 インナーロータタイプの発電機の一部の概略構成を示す図。 アウターロータタイプの発電機の一部の概略構成を示す図。 アキシャルタイプ（その１）の発電機の一部の概略構成を示す図。 アキシャルタイプ（その２）の発電機の一部の概略構成を示す図。 図１の風力発電システムの構成の別の例を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態に係る風力発電システムの全体構成を示す図である。

図１に示されように、風力発電システムは、発電機１と、ナセル２と、ロータハブ３と、風車ブレード４と、タワー（支持柱）５とによって構成されている。

発電機１は、ナセル２に収納されている。このナセル２は、タワー５に取り付けられている。回転軸１１は、ロータハブ３に取り付けられている。また、このロータハブ３には、複数の風車ブレード４が取り付けられている。

このような構成において、風により風車ブレード４が回転すると、その回転力がロータハブ３から回転軸１１を通じて発電機１のロータに伝えられる。

図２は、同実施形態に係る発電機１の一部の断面形状を示す図である。この図２では、電機子巻線２極分と、それに対応する回転子５極分(５ティース)に相当する部分のみが図示されている。

図２に示す発電機１は、多極リラクタンス式同期回転電機の一例であり、ここではインナーロータタイプの発電機の例が図示されている。

発電機１は、回転子２１と、この回転子２１の外側にエアギャップＧを介して同芯上に配置される固定子２２とを有する。

回転子２１は、図１に示した回転軸１１から放射状に延びる回転軸リブ１２に取り付けるロータコア１３と、ロータコア１３の外周面の周方向にＮｒ個のロータティース１４とを有する。

一方、固定子２２は、ステータコア１５と、Ｎｒ個のロータティース１４と対向するようにステータコア１５の内周面に設けられたＮｆ個のステータティース１６と、これらステータティース１６の間のスロットに設けられ各ステータティースに巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線１７およびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線１８を有する。

なお、ロータコア１３とロータティース１４とは、例えば電磁鋼板を積層して形成されている。この場合、ロータコア１３は、例えば、鉄などの強磁性体部材を円形に折り曲げたものであってもよいし、円筒形の強磁性体部材で構成されていてもよい。また、円筒形の強磁性体部材は、鋳物等により構成されていてもよい。

ここで、ＮｒとＮｆとＮａとの間には、「Ｎｆ＋Ｎａ＝２Ｎｒ」なる関係、言い換えると「（Ｎｆ＋Ｎａ）／２＝Ｎｒ」なる関係がある。例えば、回転子２１のロータティース１４の数がＮｒ＝１５個で、固定子２２のステータティース１６の数がＮｆ＝１８個（界磁巻線１７が発生させる磁極の数がＮｆ＝１８個）である場合、三相電機子巻線１８が発生させる磁極の数はＮａ＝１２個となる。

上記構成において、界磁巻線１７を界磁電流により直流励起すると、ステータコア１５、ステータティース１６、界磁巻線１７、および三相電機子巻線１８を含む固定子２２にＮｆ極の静止磁界が形成される。ここで、ロータコア１３およびロータティース１４を含む回転子２１を、発電機１の外部に設けられた原動機によって回転速度Ｎ［min^−１］で駆動すると、この静止磁界がＮｒ個のロータティース１４によって磁気変調されて、エアギャップＧに、Ｎａ個の回転磁界が発生する。その結果、三相電機子巻線１８に、発電周波数ｆ［Ｈｚ］の三相交流電圧が誘導される。発電周波数ｆ［Ｈｚ］は、以下の式（１）で表わされる。

ｆ＝｛（Ｎｆ＋Ｎａ）／１２０｝×Ｎ ・・・式（１）
なお、三相電機子巻線１８に誘導される電圧は、界磁巻線１７に供給する界磁電流を調整することにより制御することができる。

図３は、同実施形態に係る発電機１の制御装置に関わる部分の構成を中心に示す図である。

発電機１と電力系統Ｓとの間には、発電機１が出力する電力を電力系統Ｓの周波数・電圧と同じになるように変換して出力するコンバータ／インバータ３１が設けられる。回転軸１１には、回転数ωを検出する回転数検出部３２が備えられる。また、発電機１とコンバータ／インバータ３１との間には、発電機１の出力電流Ｉ（三相電機子巻線１８の電機子電流に相当）を検出する電流検出部３３および発電機１の出力電圧Ｖ（三相電機子巻線１８に誘導される電圧に相当）を検出する電圧検出部３４が備えられる。そして、主な制御機能として、風力発電制御部３５と、発電機制御部３６とが設けられる。

風力発電制御部３５は、状況に応じた適切な風力発電制御を行うため、風車ブレード４のピッチ角が所望のピッチ角となるように制御すると共に、回転数検出部３２により検出される回転軸１１の回転数ωを取得しつつ発電機１のトルクを指示するトルク指令Ｔ_Ｄを発電機制御部３６に送る。

発電機制御部３６は、風力発電制御部３５から指示されるトルク指令Ｔ_Ｄに従い、トルク指令Ｔ_Ｄと、回転軸１１の回転数ωと、発電機１の出力電流Ｉ，出力電圧Ｖとに基づき、コンバータ／インバータ３１を駆動するためのパルス信号を供給し、発電機１が所望のトルクで運転されるように制御する。この発電機制御部３６は、発電機１の三相電機子巻線１８の電機子電流を増加させて発電機出力を得るに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持するための制御（即ち、電流Ｉが電圧Ｖに対して進み位相となるような制御）を、上記パルス信号を通じて実施する機能を有する。

上記発電機制御部３６は、図４に示されるように、電流・電圧マップ部４１と、位相計算部４２と、ＰＷＭ制御部４３とを備えている。

電流・電圧マップ部４１は、風力発電制御部３５から与えられるトルク指令Ｔ_Ｄと回転軸１１の回転数ωとから、予め用意されたマップ情報もしくは演算式を用いて、対応する電流指令値ｉ^＊，電圧指令値ｖ^＊を得て、ＰＷＭ制御部４３へ出力する。その際、電流・電圧マップ部４１は、後述する位相計算部４２から提供される電流Ｉ，電圧Ｖの間の位相差θを示す情報を取得しつつ、この位相差θが所望の正の値をとるように（即ち、電流Ｉが電圧Ｖに対して進み位相となるように）電流指令値ｉ^＊，電圧指令値ｖ^＊を設定して出力する。

位相計算部４２は、電流検出部３３により検出された電流Ｉと、電圧検出部３４により検出された電圧Ｖとから、双方の位相差θを算出し、算出した結果を電流・電圧マップ部４１へ供給する。

ＰＷＭ制御部４３は、電流・電圧マップ部４１から指示された電流指令値ｉ^＊，電圧指令値ｖ^＊に対応するパルス信号を生成してコンバータ／インバータ３１へ出力する。

図５は、同実施形態に係る発電機１を発電機制御部３６により制御して得られる結果を従来技術と比較して示す図である。

図５においては、発電機１の三相電機子巻線１８の電機子電流を増加させて発電機出力を得るに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持するための位相制御を行った場合（即ち、「実施形態」の場合）と、該位相制御を行わなかった場合（即ち、「従来」の場合）とで、発電機電圧や発電機出力の変化が異なる様子が示されている。なお、ここでは界磁電流を定格値（即ち、最大値で且つ一定）としている。

従来のように位相制御を行わない場合、電機子電流を０から増加させていくと発電機出力は途中までは増加するが、電機子電流が定格値(１p.u.)に近づくにつれ、発電機電圧の低下とともに発電機出力の増加が少なくなる。電機子電流は概ね定格値(１p.u.)で最大値をとり、電機子電流が定格値(１p.u.)を超えると、それ以上電機子電流を増やしても発電機出力は増加することはなく、逆に低下していく。この間、発電機電圧は無負荷時の値から二次曲線的に減少していく。

これに対し、本実施形態では、電機子電流を０から定格値(１p.u.)に向けて増加させるに際し、当該電流の電圧に対する位相の進み角を０度から例えば２０度（予め定めた値）に向けて増加させていく。また、電機子電流を定格値から更に増加させる場合には、当該電流の電圧に対する位相の進み角を更に増加させる。これにより、電機子電流の増加に対する発電機電圧の低下を抑制することができる。なお、位相の進み角を増加させる際には、電機子電流の増加に対して発電機電圧が一定に保たれるように位相の進み角を変化させる制御を行うようにしてもよい。

冷却の観点から、電機子電流は無制限に大きくすることはできない。発電機は電機子電流が定格値の時に最適に冷却されるように設計されることを考慮すると、電機子電流の位相の進み角の制御範囲としては、定格値(１p.u.)において１０度から２０度までの間となるようにすることが望ましい。

上述した進み位相の制御を行うことにより、電機子電流を増加させるに際して発電機電圧が略一定に保たれ、この間、発電機出力は電機子電流の増加に応じて線形に増加していく。この結果、定格値(１p.u.)において、位相制御を行わない場合に比べ、発電機出力を約２０％増加させることが可能となる。また、上述した進み位相の制御を行うことにより、界磁電流を定格以上に増やさずに所望の電圧を得ることができるようになり、発電機寸法の増大を抑えつつ発電機出力を増大させることが可能となり、単位体積あたりの出力を増大させることが可能となる。

また、このような発電機を備えた風力発電システムにおいては、塔上に同一体積、ひいては同一重量で出力を増大させることができるコンパクトなシステムを実現できる。

なお、上記実施形態では、インナーロータタイプの発電機を例に説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、他のタイプの発電機にも適用することができ、同様の効果を得ることができる。図６〜図９に各種の発電機の概略構成を示す。図６は、上記実施形態で説明したインナーロータタイプの発電機の一部の概略構成を示す図である。一方、図７は、アウターロータタイプの発電機の一部の概略構成を示す図である。また、図８は、アキシャルタイプ（その１）の発電機の一部の概略構成を示す図である。図９は、アキシャルタイプ（その２）の発電機の一部の概略構成を示す図である。

例えば、本発明を図７のアウターロータタイプの発電機に適用する場合は、回転子内周面の周方向にＮｒ個のロータティース１４を有する回転子２１と、回転子２１の内側にエアギャップＧを介して同芯上に配置される固定子２２とを具備し、固定子２２が、前記Ｎｒ個のロータティース１４と対向するように設けられたＮｆ個のステータティースを有するとともに、これらステータティースの間のスロットに設けられ各ステータティースに巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線１７およびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線１８を有し、ＮｒとＮｆとＮａとの間にＮｆ＋Ｎａ＝２Ｎｒなる関係のある発電機において、三相電機子巻線１８の電機子電流を増加させるに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持する制御を行う制御手段を備えるように構成すればよい。

また、本発明を図８のアキシャルタイプ（その１）の発電機に適用する場合は、回転子軸方向端面の回転方向にＮｒ個のロータティース１４を有する回転子２１と、回転子２１の軸方向にエアギャップＧを介して配置される固定子２２とを具備し、固定子２２が、Ｎｒ個のロータティース１４と対向するように設けられたＮｆ個のステータティースを有するとともに、これらステータティースの間のスロットに設けられ各ステータティースに巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線１７およびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線１８を有し、ＮｒとＮｆとＮａとの間にＮｆ＋Ｎａ＝２Ｎｒなる関係のある発電機において、三相電機子巻線１８の電機子電流を増加させるに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持する制御を行う制御手段を備えるように構成すればよい。

また、本発明を図９のアキシャルタイプ（その２）の発電機に適用する場合は、回転子軸方向両端面の回転方向にそれぞれＮｒ個のロータティース１４Ａ，１４Ｂを有する回転子２１’と、回転子２１’を軸方向にエアギャップＧを介して両側から挟みこむように配置される２つの固定子２２Ａ，２２Ｂとを具備し、固定子２２Ａが、Ｎｒ個のロータティース１４Ａと対向するように設けられたＮｆ個のステータティース１６Ａを有するとともに、これらステータティース１６Ａの間のスロットに設けられ各ステータティースに巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線１７ＡおよびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線１８Ａを有し、固定子２２Ｂが、Ｎｒ個のロータティース１４Ｂと対向するように設けられたＮｆ個のステータティース１６Ｂを有するとともに、これらステータティース１６Ｂの間のスロットに設けられ各ステータティースに巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線１７ＢおよびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線１８Ｂを有し、ＮｒとＮｆとＮａとの間にＮｆ＋Ｎａ＝２Ｎｒなる関係のある発電機において、三相電機子巻線１８の電機子電流を増加させるに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持する制御を行う制御手段を備えるように構成すればよい。

また、上記実施形態では、風力発電システムの発電機に本発明を適用する例を示したが、本発明はこれに限られず、風力発電システム以外の発電機に本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では、ロータハブ３の回転数がそのまま回転軸１１を通じて発電機１に伝わる場合の例を示したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１０に示す風力発電システムのように、ロータハブ３の回転軸１１ａと発電機１の回転軸１１ｂとの間にギア５０を設け、ロータハブ３の回転数がギア５０により変換されてから発電機１に伝わるように構成してもよい。

以上詳述したように、実施形態によれば、発電機出力を増大させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…発電機、２…ナセル、３…ロータハブ、４…風車ブレード、５…タワー、１１…回転軸、１２…回転軸リブ、１３…ロータコア、１４…ロータティース、１５…ステータコア、１６…ステータティース、１７…界磁巻線、１８…三相電機子巻線、２１…回転子、２２…固定子、３１…コンバータ／インバータ、３２…回転数検出部、３３…電流検出部、３４…電圧検出部、３５…風力発電制御部、３６…発電機制御部、５０…ギア、Ｇ…エアギャップ、Ｓ…電力系統。

Claims (8)

1. 回転子外周面の周方向にＮｒ個のロータティースを有する回転子と、前記回転子の外側にエアギャップを介して同芯上に配置される固定子とを具備し、前記固定子が、前記Ｎｒ個のロータティースと対向するように設けられたＮｆ個のステータティースを有するとともに、これらステータティースの間のスロットに設けられ各ステータティースに巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線およびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線を有し、ＮｒとＮｆとＮａとの間にＮｆ＋Ｎａ＝２Ｎｒなる関係のある回転電機の制御装置において、
   前記三相電機子巻線の電機子電流を増加させるに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持する制御を行う制御手段を具備することを特徴とする回転電機の制御装置。
2. 前記制御手段は、前記三相電機子巻線の電機子電流を０から定格値に向けて増加させるに際し、当該電流の電圧に対する位相の進み角を０から予め定めた値に向けて増加させる制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の制御装置。
3. 前記制御手段は、前記三相電機子巻線の電機子電流を定格値から更に増加させる場合、当該電流の電圧に対する位相の進み角を更に増加させる制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機の制御装置。
4. 回転子内周面の周方向にＮｒ個のロータティースを有する回転子と、前記回転子の内側にエアギャップを介して同芯上に配置される固定子とを具備し、前記固定子が、前記Ｎｒ個のロータティースと対向するように設けられたＮｆ個のステータティースを有するとともに、これらステータティースの間のスロットに設けられ各ステータティースに巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線およびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線を有し、ＮｒとＮｆとＮａとの間にＮｆ＋Ｎａ＝２Ｎｒなる関係のある回転電機の制御装置において、
   前記三相電機子巻線の電機子電流を増加させるに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持する制御を行う制御手段を具備することを特徴とする、回転電機の制御装置。
5. 回転子軸方向端面の回転方向にＮｒ個のロータティースを有する回転子と、前記回転子の軸方向にエアギャップを介して配置される固定子とを具備し、前記固定子が、前記Ｎｒ個のロータティースと対向するように設けられたＮｆ個のステータティースを有するとともに、これらステータティースの間のスロットに設けられ各ステータティースに巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線およびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線を有し、ＮｒとＮｆとＮａとの間にＮｆ＋Ｎａ＝２Ｎｒなる関係のある回転電機の制御装置において、
   前記三相電機子巻線の電機子電流を増加させるに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持する制御を行う制御手段を具備することを特徴とする、回転電機の制御装置。
6. 回転子軸方向両端面の回転方向にそれぞれＮｒ個のロータティースを有する回転子と、前記回転子を軸方向にエアギャップを介して両側から挟みこむように配置される２つの固定子とを具備し、各固定子が、前記Ｎｒ個のロータティースと対向するように設けられたＮｆ個のステータティースを有するとともに、これらステータティースの間のスロットに設けられ各ステータティースに巻き回されたＮｆ個の磁極を発生させる界磁巻線およびＮａ個の磁極を発生させる三相電機子巻線を有し、ＮｒとＮｆとＮａとの間にＮｆ＋Ｎａ＝２Ｎｒなる関係のある回転電機の制御装置において、
   前記三相電機子巻線の電機子電流を増加させるに際し、当該電流の位相を電圧に対して進み側に維持する制御を行う制御手段を具備することを特徴とする、回転電機の制御装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の制御装置を備えたことを特徴とする回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機の回転子に風車の動力が伝わるように構成されたことを特徴とする風力発電システム。