JP2019195237A - 交流発電機の短絡ブレーキ回路 - Google Patents

Abstract

【課題】高速回転時にも制動トルクを効果的に生じさせることができる短絡ブレーキ回路を提供する。【解決手段】交流発電機の出力電流が流れる送電線間に接続されかつ導通又は遮断するように制御可能な短絡電流路と、前記出力電流が増加する位相の期間には該出力電流に対して前記短絡電流路が導通し、前記出力電流が減少する位相の期間には該出力電流に対して前記短絡電流路が遮断されるように構成された制御回路と、を備えたことを特徴とする交流発電機の短絡ブレーキ回路である。【選択図】図１

Description

本発明は、風力発電装置等における交流発電機の短絡ブレーキ回路に関する。

例えば、風力発電装置において風車の回転数が過剰となった場合、風車及びこれに接続された交流発電機を保護するために回転数を低下させるように制動トルクを発生する機構が知られている。特許文献１、２、３には、交流発電機の出力電流が流れる送電線間を短絡させることによって出力電流を増大させ、その結果、交流発電機に制動トルクを発生させる、いわゆる短絡ブレーキの機構が開示されている。

特許文献３は、短絡ブレーキ回路をラッチリレーにより起動させることにより、リレーがオンした後は、オフにする信号が入らない限りリレーが開放されないというフェールセーフ機構を開示している。

特開２０００−１９９４７３号公報 特開２００７−１８９７７０号公報 特開２００８−１１８８０７号公報

ここで、交流発電機の短絡ブレーキは、発電機の高速回転時に制動トルクが効かなくなるという問題がある。例えば同期発電機において、界磁を形成するロータが、出力電流の流れる電機子コイルからなるステータに近づいていくときに短絡電流が流れると、ロータとステータが反発し合って制動トルクが生じる。これに対し、ロータがステータから遠ざかっていくときに短絡電流が流れると、やはりロータとステータが反発し合うため、この場合は制動トルクとは逆方向の加速トルクが生じてブレーキの妨げとなる。

以上の問題点に鑑み本発明の目的は、風力発電装置等の交流発電機において、高速回転時にも制動トルクを効果的に生じさせることができる短絡ブレーキ回路を提供することである。

上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・ 本発明による交流発電機の短絡ブレーキ回路の態様は、
交流発電機の出力電流が流れる送電線間に接続されかつ導通又は遮断されるように制御可能な短絡電流路と、
前記出力電流が増加する位相の期間には該出力電流に対して前記短絡電流路が導通し、前記出力電流が減少する位相の期間には該出力電流に対して前記短絡電流路が遮断されるように構成された制御回路と、を備えたことを特徴とする。
・ 上記態様において、前記短絡電流路が、互いに逆向きに直列接続されかつそれぞれ制御端を具備する第１及び第２のスイッチング素子を有し、
前記制御回路が電流トランスを有し、前記電流トランスの一次コイルが前記送電線の一方に直列に挿入接続されると共に、二次コイルの一端が前記第１のスイッチング素子の制御端に、二次コイルの他端が前記第２のスイッチング素子の制御端にそれぞれ接続されており、
前記第１及び第２のスイッチング素子は、前記出力電流によって前記電流トランスの二次コイルに生じる電圧によりそれぞれオンオフ制御されることが好適である。
・ 上記態様において、前記交流発電機の回転数が所定の設定値未満のときは前記短絡ブレーキ回路を停止状態に維持すると共に、前記交流発電機の回転数が所定の設定値を超えたときは前記短絡ブレーキ回路を稼動状態とするように切り換える切換回路をさらに有することが好適である。

本発明の交流発電機の短絡ブレーキ回路は、交流発電機の出力電流が増加するときに発電機の送電線間の短絡電流路が導通すると共に、交流発電機の出力電流が減少するときに短絡電流路が遮断される。従って、短絡電流は、交流発電機のロータに対して制動トルクとして作用し得る期間にのみ流れるので、有効にブレーキを掛けることができる。

図１は、本発明の短絡ブレーキ回路の一例を概略的に示す図である。 図２（ａ）〜（ｇ）は、図１の短絡ブレーキ回路における電圧波形又は電流波形の一例を模式的に示したものである。 図３は、図１の短絡ブレーキ回路のモードＩ及びIIの動作を示す図である。 図４は、図１の短絡ブレーキ回路のモードIII及びIVの動作を示す図である。 図５は、本発明の効果を説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明による交流発電機の短絡ブレーキ回路の実施形態について詳細に説明する。本発明が適用される交流発電機は、同期発電機である。好適には永久磁石形同期発電機であるが、電磁石形同期発電機でもよい。

本発明は、好適には、風力発電の交流発電機の三相交流出力に適用される。三相交流の場合、三相のうちの二つの相の送電線間に短絡電流を流すことにより交流発電機に制動トルクを発生し回転を制動することができる。その結果、風車の回転に対してブレーキを掛けることができる。

（１）回路構成
図１は、本発明の短絡ブレーキ回路の一例を概略的に示す図である。本発明の短絡ブレーキ回路は、交流発電機（図示せず）からの出力電流が流れる一対の送電線に対して設けられる。交流発電機の出力電流は、正弦波である。

図１の回路において、端子１、２は、交流発電機の出力端子に接続される。端子３、４は、多様な形態をとり得る負荷（例えばスイッチング電源等の電源回路）に接続される。端子１と端子３の間のラインが、第１の送電線ｒであり、端子２と端子４の間のラインが第２の送電線ｓである。

Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相からなる三相出力の交流発電機の場合、図１の短絡ブレーキ回路を、各線間にそれぞれ独立して設けることができる。もちろん、本回路は、単相出力の交流発電機にも適用可能である。

本発明の短絡ブレーキ回路は、送電線ｒと送電線ｓとの間に接続された短絡電流路５と、短絡電流路５が導通又は遮断されるように制御可能な制御回路６とを備えている。

＜短絡電流路＞
短絡電流路５は、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２により構成されている。第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、送電線ｒと送電線ｓの間に互いに逆向きに直列接続され、それぞれ制御端を有する。

ここでは、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｑ１のドレインが第１の送電線ｒに、スイッチング素子Ｑ２のドレインが第２の送電線ｓに接続されている。スイッチング素子Ｑ１とＱ２のソース同士が接続され、接続点は接地されている。

好適例として、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のボディダイオードと同じ向きに外付けダイオードＤ１、Ｄ２が接続されている。外付けダイオードＤ１、Ｄ２の役割は、ボディダイオードと同じである。すなわち、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２がオフ状態であっても、外付けダイオード（又はボディダイオード）の順方向となる向きであれば電流が流れることができる。本発明におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、オン状態の主電流の方向に対して逆方向となるボディダイオード又は外付けダイオードを備えている。

＜制御回路＞
制御回路６は、電流トランスＣＴを有する。電流トランスＣＴの一次コイルｎ１は、一対の送電線の一方、ここでは第１の送電線ｒに直列に挿入接続されている。電流トランスＣＴの二次コイルｎ２は、その一端（ここでは巻き始端）がスイッチング素子Ｑ１の制御端に、その他端（ここでは巻き終端）がスイッチング素子Ｑ２の制御端にそれぞれ接続されている。従って、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、出力電流よって電流トランスＣＴの二次コイルｎ２の一端と他端に生じる電位により、それぞれオンオフ制御される。

電流トランスＣＴは、一般的に、一次コイルｎ１と二次コイルｎ２に流れる電流の比（変流比）が極めて大きく設定される（例えば４００：１、１００：１等）。変流比は、二次コイルｎ２と一次コイルｎ１の巻数比でもある。図１では、一次コイルｎ１と二次コイルｎ２の巻き始端を黒丸で示している。図示の例では、入力端子側が巻き始端であるが、出力端子側が巻き始端でもよい。

さらに、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のそれぞれの制御端は、ツェナーダイオードＺ１、Ｚ２のカソードに接続され、ツェナーダイオードＺ１、Ｚ２のアノードは接地されている。ツェナーダイオードＺ１、Ｚ２は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の保護用であり、制御端に印加される電圧の上限を規定している。

さらに、二次コイルｎ２の一端と他端の間に接続された抵抗Ｒは、電流トランスＣＴの二次コイルがオープン状態となることを防止するための素子である。

＜稼動停止切換回路＞
さらに、短絡ブレーキ回路は、その稼動と停止を切り換える切換回路７を有する。切換回路７は、交流発電機の回転数が所定の設定値未満のときは短絡ブレーキ回路を停止状態に維持する。交流発電機の回転数は、公知の任意の回転数検知手段により検知することができる。ここでの回転数検知手段には、交流発電機の出力電圧を検知することによって回転数を判定するものも含まれるものとする。交流発電機の回転数が所定の設定値を超えたことが回転数検知手段により検知されたとき、切換回路７は、短絡ブレーキ回路を稼動状態とするように切り換えられる。

図１に示した切換回路７は、電流トランスＣＴの二次コイルｎ２の両端間に接続されたスイッチＳである。スイッチＳは、交流発電機の回転数が所定の設定値未満のときは閉じられている。スイッチＳが閉じられているときは、電流トランスＣＴの二次コイルｎ２が短絡状態である。この場合、短絡電流路５のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各々の制御端は接地電位となるので、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はいずれも遮断状態となる。また、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各々のボディダイオード及び外付けダイオードＤ１、Ｄ２は、常に、いずれかが交流発電機の出力電流に対して逆方向となる。よって、短絡電流路５に短絡電流は流れない。

また、二次コイルｎ２が短絡状態のとき、一次コイルｎ１も短絡状態と等価である。従って、スイッチＳが閉じているとき、交流発電機の出力電流は負荷電流として端子３、４へと流れる。

交流発電機の回転数が所定の設定値を超えると、スイッチＳが開かれる。これにより、短絡ブレーキ回路が始動する。スイッチＳが開かれている限り、短絡ブレーキ回路は稼動状態に維持される。

スイッチＳは、外部からの制御信号が供給され続けることにより閉状態（短絡ブレーキ回路が停止状態）を維持し、外部からの制御信号が消失したことにより開状態（短絡ブレーキ回路が稼動状態）となることが、好適である。これにより、短絡ブレーキ回路のフェールセーフ機構を実現することができる。しかしながら、切換装置７がフェールセーフではない構成、すなわち外部からの制御信号が供給されることによりスイッチＳが開状態（短絡ブレーキ回路が稼動状態）を維持する構成も、本発明に含まれるものとする。

切換回路７は、図１に示した構成以外にも多様な構成が可能である。例えば、二次コイルｎ２に中間端子を設け、その中間端子と接地電位との間に十分に大きい負電圧を印加し続けることにより、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２をオフ状態に維持し、よって短絡ブレーキ回路を停止状態に維持することができる。

（２）回路動作
図２（ａ）〜（ｇ）は、図１の短絡ブレーキ回路の稼動状態（すなわちスイッチＳが開状態）における電圧波形又は電流波形の一例を模式的に示したものである。横軸は時間であり、縦軸は任意の単位である。

図２（ａ）は、交流発電機から出力される出力電流Ｉｇを示している。但し、図２（ａ）の出力電流Ｉｇの正弦波の波形は、この周波数において本発明の短絡ブレーキ回路を非稼動としたときの波形である。実際には、短絡ブレーキ回路が稼動して短絡電流が流れた場合、出力電流Ｉｇの波形は、図２（ａ）の波形とは異なってくる。図２（ａ）は、短絡ブレーキ回路における各箇所の電流及び電圧の位相の基準とするための波形である。

図２（ｂ）は、短絡ブレーキ回路の稼動状態における電流トランスＣＴの一次コイルｎ１に生じる電圧Ｖｎ１（巻き始端の電位）であり、（ｃ）は二次コイルｎ２に生じる電圧Ｖｎ２（巻き始端の電位）である。交流発電機の出力電流により、一次コイルｎ１に位相が９０°ずれた電圧Ｖｎ１が生じると、電流トランスＣＴの巻数比に従って二次コイルｎ２には電圧Ｖｎ２が生じる。電圧Ｖｎ２は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の制御端にそれぞれ印加される。この結果、図２（ｄ）及び（ｅ）に示すようにスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、背反的にオン状態とオフ状態を繰り返すこととなる。

図２（ｆ）は、短絡ブレーキ回路の短絡電流路に流れる短絡電流を、図２（ｇ）は出力端子へと流れる負荷電流を示している。次に、図３及び図４を参照して、短絡ブレーキ回路の動作を詳細に説明する。

短絡ブレーキ回路の動作は、交流発電機の出力電流の位相により、以下の４つのモードに大まかに分けられる。
・モードＩ：正の出力電流が増加する位相
・モードII：正の出力電流が減少する位相
・モードIII：負の出力電流が増加する位相
・モードIV：負の出力電流が減少する位相

ここで、「出力電流が増加」又は「出力電流が減少」というときは、電流の極性すなわち向きに関係なく、電流の絶対値が増加又は減少することを意味する。以下、各モード毎に図１の短絡ブレーキ回路の動作を説明する。

＜モードＩ＞
図３（ａ）は、モードＩにおける回路動作を示す。モードＩは、交流発電機の出力電流Ｉｇの位相が０°〜９０°の期間に相当する（図２（ａ）参照）。回路に流れる電流を矢印付き実線で示す（以下の図でも同様）。モードＩにおける出力電流は、端子１から流入する向きに流れて増加する（図２（ａ）参照）。増加する出力電流が電流トランスＣＴの一次コイルｎ１を流れることにより、巻き始端が正電位となる電圧が誘起され（図２（ｂ）参照）、相互誘導により二次コイルｎ２にも巻き始端が正電位となる電圧を生じる（図２（ｃ）参照）。

このような二次コイルｎ２の電位状態のとき、スイッチング素子Ｑ１はオン状態、スイッチング素子Ｑ２はオフ状態である（ここでは、説明を簡略化するために、ＭＯＳＦＥＴであるスイッチング素子の数ボルト程度のゲート電圧を無視し、正のゲート電圧でオン状態、負のゲート電圧でオフ状態とみなす。以下同じ）。スイッチング素子Ｑ２はオフ状態であるが、外付けダイオードＤ２（又はボディダイオード）が出力電流に対して順方向である。この場合、短絡電流路が導通する。従って、モードＩでは、出力電流は、端子１→スイッチング素子Ｑ１→外付けダイオードＤ２（又はボディダイオード）→端子２の短絡電流路を、短絡電流Ｉｓ１として流れる。短絡電流Ｉｓ１が流れることにより、交流発電機に制動トルクがかかる。

＜モードII＞
図３（ｂ）は、モードIIにおける回路動作を示す。モードIIは、交流発電機の出力電流Ｉｇの位相が９０°〜１８０°の期間に相当する（図２（ａ）参照）。モードIIにおける交流発電機の出力電流は、モードＩに引き続き端子１から流入する向きに流れるが、その大きさは減少する（図２（ａ）参照）。減少する出力電流が電流トランスＣＴの一次コイルｎ１を流れることにより巻き終端が正電位となる電圧が誘起され（図２（ｂ）参照）、相互誘導により二次コイルｎ２にも巻き終端が正電位となる電圧を生じる（図２（ｃ）参照）。

このような二次コイルｎ２の電位状態のとき、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態、スイッチング素子Ｑ２はオン状態となる。スイッチング素子Ｑ２はオン状態であるが、スイッチング素子Ｑ１がオフ状態でありかつその外付けダイオードＤ１（及びボディダイオード）は出力電流に対して逆方向となるため、出力電流は短絡電流路を流れることができない。この場合、短絡電流路は遮断される。その結果、出力電流は、負荷電流Ｉｏ１として端子３へと流れる。負荷電流Ｉｏ１は、後段に接続された負荷を流れるので、その大きさは短絡電流Ｉｓ１に比べて小さい。

＜モードIII＞
図４（ａ）は、モードIIIにおける回路動作を示す。モードIIIは、交流発電機の出力電流Ｉｇの位相が１８０°〜２７０°の期間に相当する（図２（ａ）参照）。モードIIIにおける出力電流は、端子２から流入する向きに流れて増加する（図２（ａ）参照）。増加する出力電流が電流トランスＣＴの一次コイルｎ１を流れることにより、巻き終端が正電位となる電圧が誘起され（図２（ｂ）参照）、相互誘導により二次コイルｎ２にも巻き終端が正電位となる電圧を生じる（図２（ｃ）参照）。

このような二次コイルｎ２の電位状態のとき、スイッチング素子Ｑ１はオフ状態、スイッチング素子Ｑ２はオン状態である（図２（ｄ）（ｅ）参照）。スイッチング素子Ｑ１はオフ状態であるが、外付けダイオードＤ１（又はボディダイオード）が出力電流に対して順方向である。この場合、短絡電流路が導通する。従って、モードIIIでは、出力電流は、端子２→スイッチング素子Ｑ２→外付けダイオードＤ１（又はボディダイオード）→端子１の短絡電流路を、短絡電流Ｉｓ２として流れる（図２（ｆ）参照）。短絡電流Ｉｓ２が流れることにより、交流発電機に制動トルクがかかる。

図４（ｂ）は、モードIVにおける回路動作を示す。モードIVは、交流発電機の出力電流の位相が２７０°〜３６０°の期間に相当する（図２（ａ）参照）。モードIVにおける交流発電機の出力電流は、モードIIIに引き続き端子２から流入する向きに流れるが、その大きさは減少する（図２（ａ）参照）。減少する出力電流が電流トランスＣＴの一次コイルｎ１を流れることにより、巻き始端が正電位となる電圧が誘起され（図２（ｂ）参照）、相互誘導により二次コイルｎ２にも巻き始端が正電位となる電圧を生じる（図２（ｃ）参照）。

このような二次コイルｎ２の電位状態のとき、スイッチング素子Ｑ１はオン状態、スイッチング素子Ｑ２はオフ状態となる（図２（ｄ）（ｅ）参照）。スイッチング素子Ｑ１はオン状態であるが、スイッチング素子Ｑ２がオフ状態でありかつその外付けダイオードＤ２（及びボディダイオード）は出力電流に対して逆方向となるため、出力電流は短絡電流路を流れることができない。この場合、短絡電流路は遮断される。その結果、出力電流は、負荷電流Ｉｏ２として端子４へと流れる（図２（ｇ）参照）。なお、負荷電流Ｉｏ２は、後段に接続された適宜の負荷を流れるので、その大きさは短絡電流Ｉｓ２に比べて小さい。

図５は、本発明の効果を説明するための図である。図５（ａ）は、図２（ａ）と同じ図であり、交流発電機の出力電流Ｉｇの位相とモードＩ〜IVとの対応を示す。

図５（ｂ）は、上側に同期発電機のロータの回転状況を模式的に示し、下側にそれに対応してモードＩ〜IVに送電線間に流れる電流を示している。ここでは、ロータが永久磁石又は界磁コイルであり、ステータが電機子コイルである同期発電機を想定している。電機子コイルから出力電流が出力される。

ここでは説明を簡単とするために、ステータは、位相９０°と２７０°でロータのＮ極とＳ極に向かい合う一箇所のみに設けられているとする。先ずロータのＮ極がモードＩでステータに近づいていき、モードIIでステータから離れていき、その後、ロータのＳ極がモードIIIでステータに近づいていき、モードIVでステータから離れていく。

外力（例えば風力）により生じるロータの回転トルクの向きを白抜き矢印Ｔｒで示す。モードＩで流れる短絡電流Ｉｓ１は、ロータに対し制動トルクＴｂｒを生じさせる結果、回転トルクＴｒを減少させる。モードIIで流れる負荷電流Ｉｏ１は、ロータに対し加速トルクＴａｃを生じさせるが、負荷電流Ｉｏ１は短絡電流Ｉｓ１に比べて小さいため、回転トルクＴｒの増加への寄与は小さい。モードIII及びIVについても同様である。総合的に、本発明の短絡ブレーキ回路において短絡電流Ｉｓ１、Ｉｓ２が流れることにより、ロータの回転トルクＴｒを減少させることになる。

これに対し図５（ｃ）は、図５（ｂ）と同様の図であるが、短絡電流Ｉｓが連続的に流れる場合を示している。例えば、特許文献１〜３の短絡ブレーキ回路において流れる短絡電流がこれに相当する。この場合、モードII及びIVにおいても短絡電流が流れるために、モードＩ及びIIIの短絡電流により得られる制動トルクＴｂｒと、モードII及びIVの短絡電流により生じる加速トルクＴａｃが同程度となる。従って、総合的に相殺しあって回転トルクＴｒを減少させることができない。この現象は特に高速回転において生じる問題である。本発明により、この現象を改善することができる。

本発明は、図示し説明した構成例に限られず、本発明の原理に沿って多様な変形形態が可能であり、それらについても本発明の範囲に含まれる。

１、２、３、４ 端子
５ 短絡電流路
６ 制御回路
７ 切換回路
Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子
ｒ、ｓ 送電線
Ｄ１、Ｄ２ 外付けダイオード
Ｚ１、Ｚ２ ツェナーダイオード
Ｉｓ１、Ｉｓ２ 短絡電流
Ｉｏ１、Ｉｏ２ 負荷電流

Claims (3)

1. 交流発電機の出力電流が流れる送電線間に接続されかつ導通又は遮断されるように制御可能な短絡電流路と、
   前記出力電流が増加する位相の期間には該出力電流に対して前記短絡電流路が導通し、前記出力電流が減少する位相の期間には該出力電流に対して前記短絡電流路が遮断されるように構成された制御回路と、を備えたことを特徴とする交流発電機の短絡ブレーキ回路。
2. 前記短絡電流路が、互いに逆向きに直列接続されかつそれぞれ制御端を具備する第１及び第２のスイッチング素子を有し、
   前記制御回路が電流トランスを有し、前記電流トランスの一次コイルが前記送電線の一方に直列に挿入接続されると共に、二次コイルの一端が前記第１のスイッチング素子の制御端に、二次コイルの他端が前記第２のスイッチング素子の制御端にそれぞれ接続されており、
   前記第１及び第２のスイッチング素子は、前記出力電流によって前記電流トランスの二次コイルに生じる電圧によりそれぞれオンオフ制御されることを特徴とする請求項１に記載の交流発電機の短絡ブレーキ回路。
3. 前記交流発電機の回転数が所定の設定値未満のときは前記短絡ブレーキ回路を停止状態に維持すると共に、前記交流発電機の回転数が所定の設定値を超えたときは前記短絡ブレーキ回路を稼動状態とするように切り換える切換回路をさらに有することを特徴とする請求項１又は２に記載の交流発電機の短絡ブレーキ回路。

Images