JP3847740B2 - Power generator - Google Patents
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Description
この発明は、交流発電装置に関し、殊に小型化を図り回転駆動力の大小にかかわらず一定周波数の出力を得るようにした発電装置に関する。 The present invention relates to an AC power generation device, and more particularly to a power generation device that is downsized to obtain an output with a constant frequency regardless of the magnitude of the rotational driving force.
例えば、水力発電や火力発電の原理としては、水車やタービンの回転駆動力を交流発電機に伝え、この交流発電機の回転子の回転に基づき発電し、交流電力を出力するものである。この場合、発電機出力としての交流電力を得るためには、一定の周波数になること、定格を超えない電圧に調整されていること、さらには使用電力や送電線路の送電容量に応じた電流および位相が調整されること、等種々の調整制御が必要になる。このために、例えば、発電機入力である水車やタービンの回転力を調整するためガスや水量の調整制御すなわちガバナによる調整制御、原動機の羽根の角度調整、等の種々の機械的調整や制御が必要になる。 For example, as a principle of hydroelectric power generation or thermal power generation, the rotational driving force of a water turbine or a turbine is transmitted to an AC generator, power is generated based on the rotation of the rotor of the AC generator, and AC power is output. In this case, in order to obtain AC power as the generator output, it must be a constant frequency, adjusted to a voltage that does not exceed the rating, and the current and power according to the power used and the transmission capacity of the transmission line. Various adjustment controls such as phase adjustment are required. For this purpose, for example, various mechanical adjustments and controls such as adjustment control of gas and water amount, that is, adjustment control by a governor, angle adjustment of a blade of a prime mover, etc. to adjust the rotational force of a turbine or turbine as a generator input. I need it.
一方、最近の趨勢として、小水力発電、風力発電などの小出力の発電装置(風力発電は最近では大出力のものも出現している)も種々商品化されており、自然環境下でのいわゆるクリーンなエネルギーを余すところなく電力に変えようとする動向に沿うものである。そして、これら小出力の発電装置にあってもガバナ等の装置や設備が必要となり保守点検も面倒となるのであるが、さらにはこれらの発電装置の設置については、回転駆動力を得るための風力等の強弱変化の影響をできるだけ少なくするように前述の火力発電等と同等あるいはそれ以上に予め設置環境を考慮することにより効率よくエネルギーを取得できる設置場所を厳密に選択するという必要も生ずる。 On the other hand, as a recent trend, small output power generators such as small hydroelectric power generation and wind power generation (wind power generation has recently appeared with high output) are also commercialized, so-called under natural environment. This is in line with the trend of converting clean energy into electric power. Even with these small output power generators, devices and equipment such as governors are required, which makes maintenance and inspection cumbersome. Furthermore, regarding the installation of these power generators, wind power for obtaining rotational driving force is required. There is also a need to strictly select an installation location where energy can be obtained efficiently by considering the installation environment in advance or equivalent to or more than the above-mentioned thermal power generation so as to minimize the influence of such intensity changes.
また、発電機である以上単独運転用のものを除き系統連系をする必要があるが、この系統連系をする場合発電機出力を商用電源周波数に同期させる必要があるため、従来では交流出力を一旦直流に変換しインバータによって商用交流電源に同期された交流を作成し、この交流を系統につなぐという方策を採っている。 In addition, it is necessary to connect to the grid except for the generator that is for single operation. In the case of this grid connection, it is necessary to synchronize the generator output with the commercial power frequency. Is converted to direct current, an alternating current synchronized with a commercial alternating current power source is created by an inverter, and this alternating current is connected to the system.
上述のように大規模な発電プラントにあっても、あるいは小出力の発電装置にあっても、設備コストの低減、装置の簡素化、係員による保守点検の軽減等のために発電機の本体である交流発電機以外の検出器、調整装置、制御装置、保護装置等極めて多く存在する装置や設備をできるだけ複合化して簡素化し、あるいはできれば除去することによって発電装置のスリム化を図りたいという要請がある。そしてこのスリム化の要請に沿うことは、装置の小型化につながり、季節や時期によって、例えば、水量の豊富な時期、風の強い時期に簡便に設置して発電するという、簡便に設置や収納を可能とする発電装置の提供につながる。 Regardless of whether it is in a large-scale power generation plant or a small-output power generation device as described above, the generator body can be used to reduce equipment costs, simplify equipment, reduce maintenance and inspections by personnel, etc. There is a request to streamline the power generation equipment by simplifying by combining as many as possible devices and facilities such as detectors, adjustment devices, control devices, protection devices, etc. other than an AC generator as much as possible. is there. Meeting this demand for slimming leads to downsizing of the equipment. Depending on the season and season, for example, it can be easily installed and stored in a season with a lot of water or during a windy period. This will lead to the provision of a power generation device that makes it possible.
また、風力発電等では設置場所を厳密に選択してなるべく定常入力が得られるようにしているのが、仮に、回転駆動力に大きな変化があったとしてもその変化の影響を少なくして恒常的に発電出力が得られる発電装置を得たいという要請がある。 Moreover, in wind power generation, etc., the installation location is strictly selected so that a steady input can be obtained as much as possible. Even if there is a large change in the rotational driving force, the influence of the change is reduced and is constantly There is a demand to obtain a power generation device that can generate power generation.
さらに、例えば船舶とか山小屋等に使用される単独運転用の発電装置などにおいては特別な場合であるが、他の発電装置や送配電設備との系統連系を取る場合においては、同期を採る必要があることから、従来ではインバータが別途必要となって高価なものとなり、またインバータの利用に伴う交流−直流、あるいは直流−交流変換作用にて効率が低下するという問題があった。また、系統連系を行う場合、断線等による負荷停電時でもインバータの動作による活線に伴う危険を防止すべく系統切り離しのための単独運転防止対策や負荷短絡時の防護のための高速遮断器等の連系保護装置が必要となるため、高価で構成上複雑なものとならざるを得なかった。 Furthermore, it is a special case in a power generator for single operation used in ships, mountain huts, etc., but it is necessary to synchronize when connecting to other power generators and power transmission and distribution facilities. For this reason, conventionally, an inverter is separately required and expensive, and there is a problem that the efficiency is reduced due to the AC-DC or DC-AC conversion effect associated with the use of the inverter. In addition, when performing grid connection, high-speed circuit breakers are used to prevent isolated operation for system disconnection and to protect against load short-circuits in order to prevent dangers associated with live operation due to operation of the inverter even in the event of a load power failure due to disconnection. Therefore, it is necessary to make the connection protection device expensive and complicated.
さらには、風力発電において、強風時に回転駆動力を発電装置から切り離すことなく、風力エネルギーを発電にできるだけ利用したいという要請もある。 Furthermore, in wind power generation, there is also a demand to use wind energy as much as possible for power generation without separating the rotational driving force from the power generation device during strong winds.
この発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、調整制御装置等の設備や装置あるいは保守点検作業をできるだけ少なくしてスリムな発電装置とし、入力である回転駆動力の大小にかかわらず発電を可能とし、系統連系をする場合にはインバータ等の変換器や従来系統連系に必要な単独運転防止対策や連系保護装置等の構成をできるだけ少なくし、回転エネルギーをできるだけ有効利用するようにした発電装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is possible to reduce the number of facilities and devices such as an adjustment control device or maintenance / inspection work as much as possible to make a slim power generator, regardless of the magnitude of the rotational driving force that is an input. When power generation is possible and grid connection is used, the number of converters such as inverters, isolated operation prevention measures and connection protection devices required for conventional grid connection are minimized, and rotational energy is used as effectively as possible. An object of the present invention is to obtain such a power generation device.
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる発電装置は、固定子と、該固定子に巻かれ交流電源が印加されるべき固定子巻線と、回転子と、該回転子に巻かれ直流電源からスイッチングされた電圧が印加されるべき回転子巻線と、該回転子巻線に接続された整流子と、該交流電源により同期して回転する電動機と、該電動機の回転によりこれと同期して回転するブラシと、を備え、前記交流電源の周波数に同期して回転する前記ブラシと、前記整流子と、を介して前記回転子巻線に給電することにより前記回転子に回転磁界を発生させ、前記固定子巻線から前記交流電源に同期した発電出力を得ることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a power generation device according to the present invention includes a stator , a stator winding wound around the stator and to which an AC power supply is to be applied, a rotor, A rotor winding wound around a rotor and to which a voltage switched from a DC power source is to be applied, a commutator connected to the rotor winding, an electric motor that rotates in synchronization with the AC power supply, and the electric motor A brush that rotates in synchronization with the rotation of the power supply, and supplies power to the rotor winding through the brush that rotates in synchronization with the frequency of the AC power source and the commutator. A rotating magnetic field is generated in the rotor, and a power generation output synchronized with the AC power supply is obtained from the stator winding .
この発明によれば、交流電源の周波数に同期して回転するブラシと、整流子と、を介して回転子巻線に給電することにより回転子に回転磁界を発生させることができるので、固定子巻線に磁束変化による起電力が誘起され、発電が可能となる。また、固定子巻線は、交流電源に接続されて交流励磁されるので、系統連系が可能となる。 According to the present invention, a rotating magnetic field can be generated in the rotor by supplying power to the rotor winding through the brush that rotates in synchronization with the frequency of the AC power source and the commutator. An electromotive force due to a change in magnetic flux is induced in the winding, and power generation becomes possible. Further, since the stator winding is connected to an AC power source and is AC-excited, system interconnection is possible.
つぎの発明にかかる発電装置は、上記の発明において、前記ブラシに印加される電圧は、前記電動機の回転とともに回転するスリップリングを介して前記直流電源から給電されることを特徴とする。 The power generator according to the next invention is characterized in that, in the above invention, the voltage applied to the brush is fed from the DC power supply via a slip ring that rotates with the rotation of the electric motor .
この発明によれば、ブラシに印加される電圧を、電動機の回転とともに回転するスリップリングを介して直流電源から給電するようにしているので、直流電源を回転軸に搭載した一体構造とする必要がない。 According to the present invention, since the voltage applied to the brush is fed from the DC power source via the slip ring that rotates with the rotation of the electric motor, the DC power source needs to be integrated with the rotating shaft. Absent.
この発明によれば、固定子と、固定子に巻かれ交流電源が印加されるべき固定子巻線と、回転子と、回転子に巻かれ直流電源からスイッチングされた電圧が印加されるべき回転子巻線と、回転子巻線に接続された整流子と、交流電源により同期して回転する電動機と、電動機の回転によりこれと同期して回転するブラシと、が具備され、交流電源の周波数に同期して回転するブラシと、整流子と、を介して回転子巻線に給電することとしたので、固定子巻線から交流電源に同期した発電出力を得ることが可能であるという効果を奏する。 According to the present invention, a stator , a stator winding wound around the stator and to which an AC power source is to be applied, a rotor, and a rotation around which the voltage wound around the rotor and switched from the DC power source is to be applied. And a brush that rotates in synchronism with the rotation of the motor, and includes a commutator connected to the rotor winding, a commutator connected to the rotor winding, and a brush that rotates in synchronization with the rotation of the motor. Since the rotor winding is fed via a brush that rotates in synchronization with the rotor and the commutator, it is possible to obtain a power generation output synchronized with the AC power source from the stator winding. Play.
つぎの発明によれば、ブラシに印加される電圧を、電動機の回転とともに回転するスリップリングを介して直流電源から給電することとしたので、直流電源を回転軸に搭載した一体構造とすることなく発電装置を構成することができるという効果を奏する。 According to the next invention, the voltage applied to the brush, so it was decided to be powered from a DC power source via a slip ring which rotates with the rotation of the motor, without an integral structure equipped with a DC power source to the rotary shaft There exists an effect that a power generator can be constituted .
以下に図面を参照して、この発明にかかる好適な発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。 Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
[第1の実施形態]
図1は、この発明の第1の実施の形態にかかる発電装置の簡略構成図である。この発電装置は、単独運転の発電装置としても系統連系の発電装置としても機能させることができるが、この実施形態は、単独運転の発電装置として機能させる場合の構成を示すものである。なお、同図に示す構成図では、発電装置の構成をわかりやすく説明するために多少の変形を加え、あるいは模式的な構成として表示している。例えば、実際の発電装置では、回転子6が磁極片22の内部に挿入される形で構成されるが、同図では、回転子6の概略構造を明確にするため磁極片22と重ならないように表示している。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a simplified configuration diagram of a power generator according to a first embodiment of the present invention. Although this power generation device can function as a single-operation power generation device or a grid-connected power generation device, this embodiment shows a configuration in the case of functioning as a single-operation power generation device. In the configuration diagram shown in the figure, some modifications are made or a schematic configuration is shown for easy understanding of the configuration of the power generation device. For example, in an actual power generation apparatus, the
図1において、界磁巻線(固定子巻線)1が巻かれた固定子鉄心2を有する固定子3に対して、回転子巻線4が巻かれた回転子鉄心5を有する回転子6が原動機である風車7を駆動源として回転自在に配置される。回転子6には、回転子巻線4と結線されている複数の整流子片81を有する整流子8が一体に回転可能に取り付けられている。
In FIG. 1, a
界磁巻線1が巻回された固定子鉄心2のヨーク21の端は、磁極片22をそれぞれ有する2極の界磁極を構成する。この場合、界磁極としては、2極の構成だけでなく2の倍数の極数とすることもできる。また、界磁巻線1は、三相交流電源にも接続することができるが、界磁極として3極もしくは3の倍数の極数に構成することもできる。なお、図1の固定子鉄心2の形状は、実際に即した形状ではなく、説明の都合上、固定子鉄心2のヨーク21の端を形成しているものとして示している。また、磁極片(界磁極)22は、回転子6に合わせた形状とし、ヨーク21は、磁極片22を連結して界磁巻線1が巻回された構造として簡略図示している。
The end of the
回転子6は、その外周の周方向に等しく配置して形成され軸方向に直線状に形成されたスロット内にコイル辺41を挿入した複数の型巻コイルからなる回転子巻線4を有している。各型巻コイルの巻線端(電気的入出力端子)はそれぞれ整流子片81に個別に結線されている。以上説明したように、固定子3および回転子6の構造は、いわゆる交流整流子機の構造である。
The
一方、この交流整流子機の構造を有する発電機とは別に、商用交流電源に接続される同期電動機9が備えられている。同期電動機9の回転軸17には、2個のスリップリング10、11と、整流子8の整流子片81に対して所望の接触抵抗値を有して接触するブラシ12を支持するブラシホルダを含めた支持部材13とが一体に連結されている。したがって、これらスリップリング10、11および支持部材13は回転軸17と一体に回転するようになっている。この場合、整流子8の整流子片81に対をなして接触するブラシ12は、電気的にはそれぞれ別々にスリップリング10、11に接続されている。そして、これらのスリップリング10、11は、ブラシ12を介して充電可能な直流電源14に接続されている。なお、図1では、単相の2個のブラシであるブラシ12を図示しているが、相数あるいは極数に応じてブラシの個数は変化する。また、この実施の形態に係わらず、直流電源14は、二次電池以外のどのような直流電源でも使用できる。
On the other hand, a
このように、ブラシ12は、整流子8に接触しつつ同期電動機9の駆動にて整流子8の周方向に同期回転されることになる。すなわち、図1は発電機としてはいわゆる交流整流子機の構造を有しているのであるが、ブラシ12は、対をなすブラシ相互の位置関係を保ったまま、しかも整流子片81との間で所望の接触抵抗値を保ったままで整流子8の周方向(以下単に周方向と称する)に同期回転されることになる。ブラシ12の同期回転状態は、回転子6ひいては整流子8が風車からの回転駆動力がなく停止中であろうと回転駆動力により回転中であろうと常に保たれる。
Thus, the
なお、図1において、同期電動機9の回転軸17に取り付けられたスリップリング10、11は、設置状態に置かれる直流電源14を回転部分であるブラシ12に接続するために必要であるが、直流電源14を回転軸に搭載した一体回転する構造とするときにはスリップリング10、11やこのスリップリング10、11に接触するブラシは不要になる。
In FIG. 1, slip rings 10 and 11 attached to the
図2は、回転子巻線4に流れる電流方向の変化を説明するための図であり、12個の単位巻線(型巻コイル)からなる回転子巻線4と回転子巻線4が接続される整流子8とを有する交流整流子機を平面的に展開した状態を示している。ここで、一般的な交流整流子機に備えられた回転子巻線の構造は、本願発明の発電装置に備えられる回転子巻線4の構造と基本的な点において同一であるため、この交流整流子機を例にとって上述の電流方向の変化の説明を行うことにする。
FIG. 2 is a diagram for explaining a change in the direction of the current flowing through the rotor winding 4, and the rotor winding 4 composed of 12 unit windings (form winding coil) is connected to the rotor winding 4. The state which expand | deployed the alternating current commutator machine which has the
図2において、整流子8の整流子片81にブラシ12が接触することによって、直流電源14と回転子巻線4との間で閉回路が形成される。このとき、直流電源14による電流は、同図中、左側のニの位置から右側のニの位置に向って回転子巻線4内を右方向と左方向の2方向に分流することになる。ついで、ブラシ12の回転によって、つぎのブラシ移動位置、例えば、整流子片81のホ、ホ位置に、ブラシ12が接触した場合では、左側のホの位置から右側のホの位置に向って回転子巻線4内を右方向と左方向の2方向に分流することになる。
In FIG. 2, when the
このように、ブラシ12を商用電源周波数に同期させて回転させることによってブラシ12の接触位置が順にシフトし、回転子巻線4内を流れる直流電源14からの電流が順に隣の単位巻線に変移していくことになる。このことは、直流電源14から回転子巻線4内に流れる電流によって生じた図中破線で示す電磁石Mが、電流の変移によって商用電源周波数に同期して回転する回転磁界を発生させることになる。つまり、整流子片81上のブラシ12の順移動により、ブラシ12と整流子片81との導通切り替わり(接触スイッチング手段を構成すること)が生じ、直流電源14からの電流が回転子巻線4における変移電流によって回転子6に回転磁界を生起させることになる。
Thus, by rotating the
図3は、回転子の回転磁界によって界磁巻線に生ずる磁界の変化を説明するための図である。回転子6において、直流電源14からスリップリング11(図示省略)、ブラシ12a(図中黒丸で示す)を介して流れ込む電流が回転子巻線4を流れ、ブラシ12b(図中白丸で示す)、スリップリング10(図示省略)を抜けて直流電源14に戻る。この回転子巻線4を流れる電流によって、回転子6には同図に示すような回転磁界が生ずる。この回転磁界は、磁極片22での磁界の変化をもたらし、界磁巻線1に誘導起電力を生じさせる。
FIG. 3 is a diagram for explaining a change in the magnetic field generated in the field winding by the rotating magnetic field of the rotor. In the
図3では、界磁巻線1に生ずる磁界の強度変化を、図中N、Sの文字の大きさによって示している。この磁界の変化は、界磁巻線に鎖交する磁束量が変化することによって引き起こされる。1の状態では、同図左側の磁極片では回転磁界のN極と逆極性のS極が生じ、同図右側の磁極片では回転磁界のS極と逆極性のN極が生ずる。これに対して、5の状態では、同図左側の磁極片では回転磁界のS極と逆極性のN極が生じ、同図右側の磁極片では回転磁界のN極と逆極性のS極が生ずる。このように、回転磁界の回転によって界磁巻線に生ずる磁界の強さが1〜5のように変化する。一方、界磁巻線に生ずる起電力は磁束量の変化、つまり磁界の変化量に比例するので、同図に示すように、3の状態ときに最大となり、1および5の状態のときには略0となる。
In FIG. 3, the change in the strength of the magnetic field generated in the field winding 1 is indicated by the size of letters N and S in the figure. This change in the magnetic field is caused by a change in the amount of magnetic flux linked to the field winding. In the
これまでの説明では、特に断りを入れることなく、風車7は停止している状態にあり、回転子6は物理的に回転していないものとして取り扱ってきた。そこで、つぎに、風車7の回転によって回転子6が物理的に回転している場合について説明する。
In the description so far, the
まず、回転磁界の周期について考える。回転磁界の変化は、上述したようにブラシ12を回転させることによって生ずる。すなわち、回転磁界の変化は、図3に示すように、1〜5の間で半周期の回転磁界が形成され、この周期は、界磁巻線1に誘導される起電力の周期と同一である。すなわち、回転磁界の周期は、ブラシ12の回転周期と同一であり、回転子6の回転速度には依存しない。このことから、図1において、界磁巻線1から出力される交流出力の周波数は、回転子6の回転速度に依存することなく、同期電動機9によって制御することができる。例えば、同期電動機9が商用電源の周波数に同期して回転することにより、商用電源と同一周波数の交流出力を取り出すことができる。
First, consider the period of the rotating magnetic field. The change in the rotating magnetic field is caused by rotating the
つぎに、界磁巻線1に生ずる起電力の大きさについて考える。界磁巻線1に生ずる起電力の大きさが界磁巻線1を鎖交する磁束の変化量に比例するという事実は、上述したとおりである。つまり、界磁巻線1に生ずる起電力の大きさは、単位時間あたりに界磁巻線1を鎖交する磁束量に比例することになる。一方、風車7が物理的に回転し、回転速度が増加するにつれて、界磁巻線1を横切る回転子巻線4の単位巻線の数が増加する。これは、単位時間当たりに界磁巻線1を通過する磁束量が増大することであり、したがって、回転子6の回転速度が増加すると、界磁巻線1に生ずる起電力が増大することになり、この関係を示したものが図4である。
Next, the magnitude of the electromotive force generated in the field winding 1 will be considered. The fact that the magnitude of the electromotive force generated in the field winding 1 is proportional to the amount of change in the magnetic flux interlinking the field winding 1 is as described above. That is, the magnitude of the electromotive force generated in the field winding 1 is proportional to the amount of magnetic flux interlinking the field winding 1 per unit time. On the other hand, as the
図4は、第1の実施の形態の発電装置における回転子6の回転速度と界磁巻線1に生ずる起電力(電圧)との関係を示す図である。同図に示す2本のカーブは、それぞれ異なる作用によって生ずる起電力を示しており、一方は、トランス結合作用による起電力(T)であり、他方は、回転による起電力(R)である。なお、これらの2つの起電力の定義(意味)については、後述する。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the rotational speed of the
つぎに、図1に示すこの実施の形態の発電装置において、風車7の動きを加味したときの動作について、図1または図4を用いて説明する。
具体的には、
1 回転子6が停止している場合
また、風車7の回転により生ずる回転駆動力によって、
2 回転子6が同期速度未満で回転している場合
3 同期速度で回転している場合
4 同期速度を超える速度で回転している場合、
の各状態にわたって、界磁巻線1での発生電圧などについて説明する。
Next, in the power generation apparatus of this embodiment shown in FIG. 1, the operation when the movement of the
In particular,
1 When the
2 When the
A description will be given of a voltage generated in the field winding 1 over each of the states.
(回転子6が停止している場合)
図1において、ブラシ12が同期速度で回転するとき、回転子巻線4には、ブラシ12の移動によって直流電源14から流れる直流電流の切り替わりが生じる。また、この直流電流の切り替わりにより、回転子6には同期回転磁界が生じ、この回転磁界によって界磁巻線1には、この直流電流の切り替わりに同期した誘導起電力が生じる。ここで、この界磁巻線1に生ずる起電力は、界磁巻線1と回転子巻線4との磁気結合に基づいて発生し、また、このとき発生する起電力の大きさは、両者の巻線比等に依存するので、この起電力をトランス結合作用による起電力と呼称する。
(When
In FIG. 1, when the
図4にも示すように、風車7の停止状態において、このトランス結合作用による起電力が生じている。このように、風車7が停止して回転駆動力がなく回転子6が停止している状態でも、界磁巻線1が界磁極での磁束変化を受けるので、誘導起電力が生ずる。
As shown in FIG. 4, an electromotive force is generated by the transformer coupling action when the
(回転子6が同期速度未満の速度で回転しているとき)
界磁巻線1に生ずる誘導起電力に関し、風車7が停止している状態から回転し始め、回転子6が同期速度未満の速度で回転している場合はつぎのようになる。風車7の回転駆動力により回転子6が回転し始め物理的回転が増大するにつれて、回転子6の回転と回転磁界の同期回転との間の速度差が次第に小さくなっていく。
(When the
Regarding the induced electromotive force generated in the field winding 1, when the
すなわち、回転子6が停止しているときと比べ、回転子6の回転速度が同期速度に近づくこととなって、回転子6が停止している際に生じたトランス結合作用のみによる起電力が、回転子6の回転に伴って減少する一方、回転子6には、ブラシ12の回転に伴うスイッチング動作により直流励磁された巻線が存在するので、この直流励磁された巻線の回転により発生する起電力が次第に増大する。なお、この起電力を、上記の「トランス結合作用による起電力」と区別するために、「回転による起電力」と呼称する。
That is, as compared with when the
また、図6にも示すように、回転子6が同期速度未満で回転している場合、発電装置全体としては、回転子6の物理的回転に基づかないトランス結合作用による起電力(T)が減少する反面、回転子6の回転に基づいて発生する回転による起電力(R)が増大する。回転子6の回転速度が増大するにつれ、ブラシ12の回転に依存した導通切り替わり速度が相対的に遅くなって、回転子巻線4のリアクタンスが減少し、回転子巻線4のインピーダンスが減少する。この結果、回転磁界を生じさせる電流が増大して磁界が強くなり、界磁巻線1での誘導起電力も大きくなる。
As shown in FIG. 6, when the
(回転子6が同期速度で回転しているとき)
風車7の回転駆動力によって回転子6の回転とブラシ12の回転に伴う導通切り替わりによる回転磁界とが同一の同期速度になった場合には、偶然に選択された回転子巻線4の入出力端子のみが導通して直流電源14からの直流電流に基づく直流磁界によって生じた電磁石(回転子巻線4の切り替わりによらない)の同期回転によって、界磁巻線1には起電力が生ずる。なお、この起電力は、界磁巻線1を電磁石の磁束が横切ることによって生ずるので、前述した回転による起電力のみが生じ、回転子巻線4には直流電源のみが流れるためトランス結合作用は消滅し、この作用による起電力は略0となる(図4参照)。
(When the
When the rotation driving force of the
(回転子6が同期速度を超えて回転しているとき)
風車7の高速回転によって回転子6の回転が同期速度を超える速度(同期速度超という)で回転する場合は、回転子6が同期回転して回転子巻線4の電磁石が同期回転する場合よりもさらに高速に回転することとなる。つまり、界磁巻線1および回転子巻線4に流れる電流による回転磁界は、回転子6の回転よりも遅れて回転することとなる。したがって、界磁巻線1の磁束変化や回転磁界の回転の元となるブラシ12が回転しない瞬間でも、回転子6自体は物理的に回転していることになる。その結果、回転子巻線4の電磁石の同期回転によって界磁巻線1に生ずる回転による起電力に対し、さらに同期速度を超える分だけの回転子6の回転に起因する磁束変化に基づいた起電力が界磁巻線1に加わる。また、トランス結合作用による界磁巻線1に生じる電圧は、回転子6の回転が同期速度を超過することにより、回転子巻線4の電流の切り替わりが生じ、再び発生する。なお、この電圧は、同期速度未満の場合と同相で、回転子6の回転の増大に伴い、増大する(図4参照)。
(When the
When the rotation of the
上述した動作(作用)を纏めると、界磁巻線1に発生する電圧は、つぎのようになる。
1 回転子6が停止状態のときは、トランス結合作用による起電力のみが生じ、
2 回転子6が同期速度未満の速度で回転しているときは、トランス結合作用による起電力が減少する反面、回転による起電力が増大し、
3 回転子6が同期速度で回転しているときは、回転による起電力のみが生じ、トランス結合作用による起電力は略0となり、
4 回転子6が同期速度を超えて回転しているときは、回転による起電力は増加し、トランス結合作用による起電力は同期速度を境に再び上昇する。
To summarize the operation (action) described above, the voltage generated in the field winding 1 is as follows.
1 When the
2 When the
3 When the
4 When the
このように、回転子6が停止状態から同期速度を超えて回転する領域の全域にわたって、同期速度で回転している回転子巻線4が発生する回転磁界の周期に同期した同期周波数の発電出力を得ることができる。なお、図4にも示すように、回転子6が同期速度未満で回転している領域では、同期発電機としての振る舞いを呈し、回転子6が同期速度を超えて回転している領域では、誘導発電機としての振る舞いを呈することになる。
Thus, the power generation output of the synchronous frequency synchronized with the period of the rotating magnetic field generated by the rotor winding 4 rotating at the synchronous speed over the entire region where the
なお、回転子6の回転速度が増大すると回転子巻線4に流れる電流が増加するが、回転子巻線4のリアクタンスが大きくなり、回転子巻線4に流れる電流は制限される。したがって、図4に示すように、回転による起電力も徐々に飽和するようになる。一方、回転子巻線4に流す電流を小さくすれば界磁巻線1の起電力を抑制することもできる。つまり、回転子6の回転速度の増大によって増加する回転子電流を積極的に制御することにより、回転速度の変動に応じて、所望のレベルの交流出力を得ることができる。
Note that when the rotational speed of the
以上説明したように、この実施の形態の発電装置によれば、回転子巻線を有する回転子と固定子巻線を有する固定子とを備え、回転子巻線が所定の周期で通電される接触スイッチング手段を介して直流電源にて励磁されるようにしているので、回転子の回転速度に比例した交流出力を取り出すことができる。 As described above, according to the power generation apparatus of this embodiment, the rotor including the rotor winding and the stator including the stator winding are provided, and the rotor winding is energized at a predetermined cycle. Since it is excited by a DC power source via the contact switching means, an AC output proportional to the rotational speed of the rotor can be taken out.
[第2の実施形態]
図5は、この発明の第2の実施形態にかかる発電装置の簡略構成図である。この実施形態は、系統連携の発電装置として機能させる場合の構成を示すものである。同図に示す発電装置は、図1に示す発電装置の界磁巻線1を商用電源に接続し、発電装置の発電出力を商用電源(系統)側に出力させて系統連携できるように構成している。なお、その他の構成については、図1に示す第1の実施の形態の構成と同一または同等であり、これらの構成部については、同一符号を付して示している。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a simplified configuration diagram of a power generator according to a second embodiment of the present invention. This embodiment shows a configuration in the case of functioning as a grid-linked power generation device. The power generator shown in the figure is configured such that the field winding 1 of the power generator shown in FIG. 1 is connected to a commercial power source, and the power generation output of the power generator is output to the commercial power source (system) side so that the system can be linked. ing. In addition, about another structure, it is the same as that of 1st Embodiment shown in FIG. 1, or is equivalent, The same code | symbol is attached | subjected and shown about these components.
つぎに、図5に示すこの実施の形態の発電装置の動作について説明する。なお、図6−1は、第2の実施の形態の発電装置における回転子6の回転速度と回転子巻線4に生ずる起電力(電圧)との関係を示す図であり、図6−2は、第2の実施の形態の発電装置における回転子6の回転速度と界磁巻線1に生ずる起電力(電圧)との関係を示す図である。
Next, the operation of the power generator of this embodiment shown in FIG. 5 will be described. FIG. 6A is a diagram illustrating a relationship between the rotational speed of the
図5において、第1の実施の形態のところで説明したように、ブラシ12が同期速度で回転するとき、回転子巻線4には、ブラシ12の移動によって直流電源14から流れる直流電流の切り替わりが生じる。また、この直流電流の切り替わりによって生じた同期回転磁界によって、上記で定義したトランス結合作用による起電力が生じる。なお、この起電力が回転子6が停止している状態でも生ずることは、第1の実施の形態のときと同様である。
In FIG. 5, as described in the first embodiment, when the
一方、この実施の形態の発電装置では、第1の実施の形態の発電装置と異なり、界磁巻線1の界磁電流による磁束の変化によって回転子巻線4に交流起電力電圧が、発生していることである。これに、ブラシ12の回転によって選択された2つの整流子片の間に直流電源14の端子電圧が印加されることになる。このとき、回転子巻線4には、界磁磁束による誘導起電力と直流電源14による印加電圧とが互いに逆方向に印加されることとなる。この逆向きに印加されるという事象は、同期速度未満の場合であり、後述する。したがって、回転子巻線4に回転磁界を生起させるためには、直流電源14による端子電圧が界磁巻線1と回転子巻線4との巻数比によって決定される誘導起電力電圧より高く設定することが必要である。
On the other hand, in the power generator of this embodiment, unlike the power generator of the first embodiment, an AC electromotive force voltage is generated in the rotor winding 4 due to a change in magnetic flux due to the field current of the field winding 1. Is. The terminal voltage of the
すなわち、回転子巻線に発生する電圧に着目すれば、回転子巻線に発生する電圧をE2とし、直流電源電圧をE1とするとき、E1=E2となる回転子6の回転速度P1が存在し、回転子6の回転速度がこのP1を超える領域が発電領域となる(図6−1参照)。一方、界磁巻線に発生する電圧で見れば、回転による起電力(R)は、P1の点からスタートして直線的に増加するカーブとなり、トランス結合作用による起電力(T)は、第1の実施の形態のときと同様に界磁巻線1と回転子巻線4との巻数比によって決定される所定の電圧からスタートして直線的に減少し、回転子6の回転が同期速度で0となり、同期速度を超えて再び上昇する(図6−2参照)。
That is, when attention is paid to the voltage generated in the rotor winding, when the voltage generated in the rotor winding is E2 and the DC power supply voltage is E1, there is a rotational speed P1 of the
上述したことから明らかなように、この実施の形態の発電装置では、回転子6がP1の点から同期速度を超えて回転する領域の全域にわたって、同期速度で回転している回転磁界の周期に同期した同期周波数の発電出力を得ることができる。なお、図6−1,6−2に示すように、回転子6の回転速度がP1から同期速度未満の領域では、同期発電機としての振る舞いを呈し、回転子6が同期速度を超えて回転している領域では、誘導発電機としての振る舞いを呈することになる。
As is clear from the above, in the power generation device of this embodiment, the period of the rotating magnetic field rotating at the synchronous speed over the entire region in which the
一方、上記の領域以外、すなわち、回転子6の回転速度がP1以下の領域での動作について考察するとつぎのようになる。すなわち、この領域では、図6−1に示すように、直流電源14による回転子巻線4への印加電圧(E1)が界磁巻線1による回転子巻線4に発生する起電力(E2)より低くなり、直流電源14側に電流が流れ込むことになる。したがって、この領域では、誘導電動機としての振る舞いを呈することになる。このとき、カットイン風速近傍のブレードの回転始動を支援できる(図6−2参照)。
On the other hand, the operation in a region other than the above region, that is, in a region where the rotational speed of the
また、直流電源14の電圧(E1)を界磁巻線1による回転子巻線4に発生する起電力(E2)と同等、あるいは若干高めに設定しておけば、直流電源14の電圧が低下したとしても、上記充電電流によって直流電源14の電圧が復旧した後は、誘導電動機として振る舞うことはないので、この発電装置が系統負荷とならない状態を維持することができる。
Moreover, if the voltage (E1) of the
図7は、直流電源14を視点とした第2の実施の形態の発電装置の特性を図6−1に示す回転子巻線4に発生する電圧のグラフ上に示した説明図である。以下、同図を用いて、この発電装置の特性を説明する。なお、同図に示すように、回転子6の回転速度に基づいた3つの領域、すなわち、
1 停止状態から回転速度P1までの領域
2 回転速度P1を超え同期速度までの領域
3 同期速度を超える領域
の各領域ごとに、それぞれ説明する。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing the characteristics of the power generation device of the second embodiment from the viewpoint of the
1 A region from the stop state to the rotational speed P1 2 A region from the rotational speed P1 to the synchronous speed 3 A region beyond the synchronous speed Each region will be described.
(停止状態から回転速度P1までの領域)
この領域では、上述したように、直流電源14側に電流が流れ込む領域である。また、この電流は、直流電源14を充電する方向に流れるので、直流電源が二次電池であれば充電することができる。また、この領域は、上述したように、誘導電動機としての振る舞いを呈する領域でもあり、風車7のブレードの回転始動を支援できる領域でもある。
(Area from stop state to rotation speed P1)
In this region, as described above, a current flows into the
(回転速度P1を超え同期速度までの領域)
この領域は、直流電源14により発電可能な領域である。図7に示すように、直流電源電圧(E1)と回転子巻線4に発生する電圧(E2)との差電圧ΔV1に基づいて回転子巻線4が励磁されるので、回転速度の増大に伴って発電電圧が増加することになる。
(Area that exceeds the rotational speed P1 and reaches the synchronous speed)
This region is a region where power can be generated by the
(同期速度を超える領域)
同期速度以上の領域では、回転子巻線4に流れる電流は、図7に示すように極性が反転する。したがって、この領域では、直流電源電圧(E1)と回転子巻線4に発生する電圧(E2)との差電圧ΔV3に基づいて回転子巻線4が励磁されることになり、より大きな発電電圧が出力されることが理解できる。なお、ΔV2は、直流電源電圧を0Vにした場合の差電圧を示しており、直流電源電圧がない場合でも発電が可能であることを示している。
(Area exceeding the synchronization speed)
In the region above the synchronous speed, the polarity of the current flowing through the rotor winding 4 is reversed as shown in FIG. Therefore, in this region, the rotor winding 4 is excited based on the difference voltage ΔV3 between the DC power supply voltage (E1) and the voltage (E2) generated in the rotor winding 4, and a larger generated voltage Can be understood. Note that ΔV2 indicates a difference voltage when the DC power supply voltage is set to 0 V, and indicates that power generation is possible even when there is no DC power supply voltage.
また、上述した内容から、この領域では、二次電池である直流電源の極性を反転することによって、発電を可能としつつ、この二次電池を充電することもできることを示している。 In addition, from the above-described contents, this region shows that the secondary battery can be charged while enabling power generation by reversing the polarity of the DC power source that is the secondary battery.
つぎに、試作機による実験例について述べる。図8は、実際に製作した試作機の構成を示す図である。同図に使用する符号は、図5に示す構成と同一部分については同一符号を付して示している。図8において、商用交流電源18の電圧を降圧する変圧器19が備えられ、変圧器19の出力を交流電源として発電機の界磁巻線1によって界磁回路が形成されている。商用交流電源18は、図8では接続を省略しているが、同期電動機9を介してブラシ12を同期回転させる電源でもある。回転子6は、増速機23を介して、例えば手動にて回転できるように構成されている。また、また、図示を省略した回転子巻線の引き出し線に接続された整流子8およびブラシ12には、直流電源14が接続されている。また、図8においては、界磁電流および界磁電圧(系統電圧)を計測するための測定器(例えばオシロスコープ24)を備えている。
Next, an experimental example using a prototype is described. FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a prototype manufactured actually. In the figure, the same reference numerals are given to the same parts as those shown in FIG. In FIG. 8, a
図8は、ブラシ12の回転機構およびブラシ12への直流電源14からの給電を簡略化して表示しているが、図9は、原動機として風車7をつないだ例を示しており、直流電源14の接続とブラシ12の回転機構をさらに具体的に例示した構成図である。図9において、原動機である風車7および増速機23が回転子6および整流子8の回転軸に連結される。整流子8に接触するブラシ12は、ブラシホルダを含む支持部材13に取り付け固定される。支持部材13は、外周に歯車25と噛合う歯を有する。また、支持部材13には、ブラシ12に対応してスリップリング(図9では図示省略)が形成され、このスリップリングが直流電源14に接続される。このような構造により、スリップリングを介して直流電源14に接続されたブラシ12は、同期電動機9の駆動に基づいて同期速度で回転することになる。
FIG. 8 shows the rotation mechanism of the
図10は、直流電源14の回路構成の一例を示す図である。同図に示す直流電源14は、電圧源と電流源の両者の機能を兼ね備え、二次電池であるバッテリ110の出力を電圧源として出力させるためのスイッチ111と、スイッチ111を開いたときに電流源と機能させるための抵抗体112、トランジスタ113、ツェナーダイオード114およびバイアス抵抗器115とを備えている。同図において、スイッチ111が投入されるときには、図示を省略しているスリップリング10、11にはバッテリ110の電圧が直接加わって電圧源として機能することになる。一方、スイッチ111を開いた場合には、抵抗体112の電流がツェナーダイオード114によって逆バイアスに調整されるので、トランジスタ113の通電電流が一定に制御され、電流源として機能させることができる。
FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a circuit configuration of the
図11〜図13は、図8に示す回路にあって、オシロスコープ24による電圧および電流波形、すなわち界磁電圧および界磁電流波形を示すグラフである。図11は、図9において、直流電源14の回路スイッチ26を開放して、回転子巻線電流を流さないで、交流商用電源につながる同期電動機9の回路スイッチ27(図9参照)を開放した状態での、図5に示す界磁巻線1の電圧Vおよび電流Iを示しており、電圧Vに対して電流Iが界磁巻線1のインダクタンス分遅れる。そして、この電流Iにより発生する交番磁界あるいは回転磁界に基づき回転子巻線4に誘導起電力が発生する。
FIGS. 11 to 13 are graphs showing voltage and current waveforms by the
図12は、図9の回路スイッチ26、27を投入し、同期電動機9を駆動してブラシ12を同期速度で回転させ、直流電源(電圧源)14をスリップリングおよびブラシ12を介して回転子巻線4に接続し電圧を印加した状態を示している。この場合、直流電源14の端子電圧としては20V、変圧器19の二次電圧Vとしては交流8Vを使用した。この状態では、界磁巻線1の電流Iによる磁束変化に基づき回転子巻線数に依存して回転子巻線4に発生する誘導起電力は直流電源電圧より低く、このためブラシ12と整流子片81との接触位置の移動により回転子巻線4には回転磁界が生じ、この回転磁界が界磁巻線1による界磁磁束を変化させ、界磁巻線1に起電力を生ずる。この結果、図12に示すように、界磁電圧Vに対しほぼ逆相の界磁電流Iが流れ、発電機から系統側に電力が送られることになる。すなわち、直流電源14による励磁電流にて形成された回転磁界が界磁巻線1の磁束を変化させることで、界磁巻線1に起電力を誘導したことになる。なお、このときの界磁電流Iは界磁電圧Vに対し位相ずれが少ない逆相であり、また直流電源14による励磁電流は15mAであり、励磁電流は極めて少ない。
12, the circuit switches 26 and 27 of FIG. 9 are turned on, the
図13は、図12に示す波形の回路状態において、原動機(例えば手動)により増速機23を介して回転子6を回転させた波形を示すグラフである。ここでは図示のとおり界磁電流Iの波形は図10の波形と比べても位相の変化はなく、波高値が原動機の回転に応じて大きくなる。すなわち原動機の出力エネルギーが発電電流に変換され、大きな振幅の界磁電流Iが得られている。なお、回転子6の回転速度如何に関わらず、界磁電流の周波数、位相は一定である。
FIG. 13 is a graph showing a waveform obtained by rotating the
このように、この実施形態の発電装置では、広範囲な回転駆動力の変化があっても恒常的に発電電力が得られ、系統連系を行う場合において、インバータ等の機器が不要となる利点を有している。また、一定周波数の出力を得ることが容易にでき、また、その一方で、前述した電流源、電圧源としての直流電源装置を用いることで、周波数等調整のための調整装置や、出力制御のための制御装置、保護装置等を簡素化することができ、設備コストの低減や、保守点検の軽減を図ることができる。 As described above, the power generation apparatus according to this embodiment has an advantage that the generated power is constantly obtained even when there is a wide range of changes in the rotational driving force, and no equipment such as an inverter is required when performing grid interconnection. Have. In addition, it is easy to obtain an output with a constant frequency. On the other hand, by using the DC power supply device as the current source and the voltage source described above, an adjustment device for adjusting the frequency, etc. Therefore, it is possible to simplify the control device, the protection device, and the like, and to reduce the equipment cost and maintenance inspection.
なお、図5に示すように、各整流子片81は各単位巻線に接続されているように構成しているが、回転子巻線4に電流を流して回転子6に回転磁界を形成するという本発明の特徴に鑑みて、例えば、複数の単位巻線をひとまとめにして単一の整流子片81に接続するようにすれば、整流子片数を少なくすることができる。
As shown in FIG. 5, each
1 界磁巻線
2 固定子鉄心
3 固定子
4 回転子巻線
5 回転子鉄心
6 回転子
7 風車
8 整流子
9 同期電動機
10,11 スリップリング
12,12a,12b ブラシ
13 支持部材
14 直流電源
16 ブラシ移動位置
17 回転軸
18 商用交流電源
19 変圧器
21 ヨーク
22 磁極片
23 増速機
24 オシロスコープ
25 歯車
26,27 回路スイッチ
41 コイル辺
81 整流子片
110 バッテリ
111 スイッチ
112 抵抗体
113 トランジスタ
114 ツェナーダイオード
115 バイアス抵抗器
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記交流電源の周波数に同期して回転する前記ブラシと、前記整流子と、を介して前記回転子巻線に給電することにより前記回転子に回転磁界を発生させ、前記固定子巻線から前記交流電源に同期した発電出力を得ることを特徴とする発電装置。 A stator, a stator winding wound around the stator and to which an AC power supply is to be applied, a rotor, and a rotor winding wound around the rotor and to which a voltage switched from a DC power supply is to be applied; A commutator connected to the rotor winding, an electric motor that rotates synchronously with the AC power supply, and a brush that rotates synchronously with the rotation of the electric motor,
A rotating magnetic field is generated in the rotor by supplying power to the rotor winding via the brush that rotates in synchronization with the frequency of the AC power source and the commutator, and the stator winding power generation apparatus characterized by obtaining a power generation output in synchronization with the AC power source.
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