JP4093814B2

JP4093814B2 - Small wind power generator

Info

Publication number: JP4093814B2
Application number: JP2002221714A
Authority: JP
Inventors: 剛塩田; 恵一上園
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2022-07-30
Also published as: JP2004064928A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車により駆動される発電機から最大出力を取り出すための小型風力発電装置に関するものであり、特に、ＰＷＭコンバータを用いずに、常に、風から概略の最大出力を取り出してバッテリー充電を行うＰＷＭコンバータレスの小型風力発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
風車に接続された永久磁石型発電機より、ＰＷＭコンバータを用いて交流を直流に変換して、最大電力を取り出すための風力発電装置については、公知である。
以下に、従来の、風車により駆動される永久磁石型発電機より、最大出力を取り出す発電装置を、図５の従来の風力発電装置の接続を示すブロック図を参照して詳述する。
図５において、１は風車、２１は従来の永久磁石型発電機、２２は回転計、２３はＰＷＭコンバータ、１２はバッテリー、２４は出力制御装置、２５は風速計である。
【０００３】
風車１により駆動される従来の永久磁石型発電機２１の交流側は、ＰＷＭコンバータ２３に接続され、風車１により可変速に駆動される従来の発電機２１の交流電力は、ＰＷＭコンバータ２３により直流電力に変換されて、バッテリー１２を充電する。
従来の永久磁石型発電機２１に直結される回転計２２の出力である風車回転数Ｎ、及び風速計２５の出力である風速Ｕは、出力制御装置２４に出力され、出力制御装置２４は以下に示す方法により作成した、電流指令I*をＰＷＭコンバータ２３に出力する。
【０００４】
図４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及びＵｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図４の実線で示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図４の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
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。
又、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。
【０００５】
図４に示すような風車回転数対風車出力特性を有する風車から、種々の風速において、風車最大出力を得るための従来方法を、図５を参照しながら説明する。図５の出力制御装置２４は、風速計２５より風速Ｕを入力して、平均風速Ｕａを求め、予め出力制御装置２４内に記憶している、図４に示すような最大出力曲線に一致する、平均風速Ｕａに対する最大風車出力Ｐを求める。
次に、この最大風車出力Ｐより、（１）式に示す発電機電流Ｉを求め、この発電機電流Ｉを電流指令Ｉ*としてＰＷＭコンバータ２３に出力して、ＰＷＭコンバータ２３による可変周波数電源により従来の発電機２１を制御し、結果的に従来の発電機２１に直結される風車１より最大出力を取り出していた。
【０００６】
風車最大出力(P)＝定数(K)×風車回転数(N)×発電機電流(I) ・・・（１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、風車１により駆動される従来の永久磁石型発電機２１に接続されたＰＷＭコンバータ２３により、種々の風速Ｕにおいて、最大出力を得るためには、高価な制御回路及びスイッチング素子で構成されるＰＷＭ変換器を有するＰＷＭコンバータ２３が必要である。
又、何時、吹くか分からない風に対して、常時、ＰＷＭコンバータ２３の制御電源をＯＮ状態にする必要があるため、小型に属する発電装置においては、年間を通した発電量に対して、上記制御回路の待機電力量の割合が大きなものとなっていた。
さらに、遅れを伴う風速計２５より測定した平均風速Ｕａを用いて、ＰＷＭコンバータ２３を制御しているために、常に、風から最大出力を得られるとは限らなかった。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、主として、その目的とするところは、ＰＷＭコンバータ２３や風速計２５を必要とせず、上記制御回路の待機電力を消費せず、しかも種々の風速Ｕから風速の３乗に概略比例する最大出力を得る小型風力発電装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明では、制御回路電源が必要なＰＷＭコンバータを用いないで、複数の誘起電圧を出力する永久磁石型発電機とダイオード整流器で構成した小型風力発電装置により、バッテリー等の定電圧源に充電を行う事により、常に、風速Ｕに見合った概略の最高出力を取り出すものである。
【０００９】
そこで、図４の最大出力曲線を見方を変えて見ると、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、その時の永久磁石型発電機の出力Ｐを一義的に、最大出力曲線上の値に定めれば良い事を表している。又、この最大出力曲線は、最大出力曲線よりも左側の領域に、出力Ｐを定めると、風車は失速してしまう事を表している。
従って、本発明では、上記の最大出力曲線を念頭にいれて、以下の如き工夫を行った。
図３は、本発明の動作原理を説明するための図であり、小型風力発電装置の直流出力をバッテリー等の定電圧源に接続した場合で、小型風力発電装置内の永久磁石型発電機の複数の巻線を３巻線とし、巻線Ｗ１〜Ｗ３をパラメータとした時の、各巻線の風車回転数対出力特性を示した図である。
上記３巻線の巻数は、それぞれ異なっており、図３において、点線Ｗ２の巻線の巻数は、一点鎖線Ｗ１の巻線の巻数より多く巻かれている。さらに、実線Ｗ３の巻線の巻数は、点線Ｗ２の巻線の巻数より多く巻かれている。
【００１０】
従って、このように巻数に差があるために、各巻線に発生する電圧は、永久磁石型発電機の同一回転数において、巻数に比例した誘起電圧が発生する。すなわち、巻線Ｗ１より巻線Ｗ２、さらに巻線Ｗ２より巻線Ｗ３の方が高い電圧を発生する。従って、各巻線の内部インダクタンス値は、巻線Ｗ１より巻線Ｗ２、さらに巻線Ｗ２より巻線Ｗ３の方が大きくなる。
これらの巻線からダイオード整流を経て、ほぼ定電圧のバッテリーに充電しようとすると、永久磁石型発電機の回転数が上昇して、発生電圧が高くなっても、各巻線のインダクタンスによる電圧降下のために、各巻線から発生する電流は、ほぼ一定になるために、出力は図３に示すようになる。
【００１１】
ここで、図３に基づき、巻線Ｗ３により発生する出力Ｐの説明を行う。風車回転数Ｎが低い場合には、巻線Ｗ３の発生電圧ＶＷ３がバッテリー電圧ＶＢより低いために、バッテリーには充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ３付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ３になると、出力ＰはＰＷ３となる。これ以上に風車回転数Ｎが上昇して誘起電圧が上昇しても、バッテッリー電圧は、ほぼ一定であるが、巻線のインダクタンスによるインピーダンスが周波数に比例するために、出力ＰはＰＷ３より漸増するに留まる。
【００１２】
さらに、巻数の少ない巻線Ｗ２についても同様に、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ２付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ２になると、出力ＰはＰＷ２となり、これ以上の風車回転数Ｎが上昇しても、出力Ｐは、ほぼＰＷ２になる。ここで、巻線Ｗ２の内部インダクタンスは、巻線Ｗ３の内部インダクタンスより小さいために、巻線Ｗ２には、巻線Ｗ１の電流よりも大きな電流が流れ、出力ＰＷ２は出力ＰＷ１より大きくなる。
又、巻線Ｗ１についても同様に、風車回転数ＮがＮ１付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ１になると、出力ＰはＰＷ１となる。
【００１３】
本発明は上記原理に基づき、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための手段は、
１）、請求項１において、
風車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力をダイオード整流して直流出力する小型風力発電装置において、前記永久磁石型発電機を誘起電圧の異なる複数の巻線により構成し、該複数の巻線の交流出力に個別のダイオード整流器を接続し、該個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する事を特徴とするものである。
【００１４】
２）、請求項２において
請求項１記載の小型風力発電装置において、前記風車の形状より一義的に定まる最大出力となる風車回転数対風車最大出力特性を求め、該風車回転数対風車最大出力特性に基づいて前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧値を決定する事を特徴とするものである。
【００１５】
３）、請求項３において、
請求項２記載の小型風力発電装置において、前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧値を有する複数の巻線の交流出力と前記個別のダイオード整流器の間に個別のリアクトルを接続する事を特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の、風車により駆動される小型風力発電装置の主回路単線結線図である。
同図において、２は小型風力発電装置、３は本発明の永久磁石型発電機、４〜６は第１〜第３のリアクトル、７〜９は第１〜第３のダイオード整流器、１０は正側出力端子、１１は負側出力端子であり、図５と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。
【００１７】
本発明の永久磁石型発電機３は、絶縁された巻数の異なる３巻線を有し、３巻線の中の巻数が一番少ない巻線Ｗ１は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１のダイオード整流器７に接続される。
次に巻数が多い巻線Ｗ２は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２のダイオード整流器８に接続される。
又、巻数が一番多い巻線Ｗ３は、第３のリアクトル６に接続され、さらに第３のダイオード整流器９に接続される。
上記第１〜第３のダイオード整流器７〜９の各々の直流側は、正側出力端子９及び負側出力端子１０に接続され、さらにバッテリー１２に接続される。
【００１８】
このように構成される小型風力発電装置２より、種々の風速において、風車の形状より一義的に定まる最大出力を、近似的に取り出す方法を、図２の本発明の小型風力発電装置の風車回転数対風車出力特性図を参照して説明する。
図２の実線で示す最大出力曲線は、図４で示した最大出力曲線と同一の曲線であり、風車回転数Ｎに対する出力Ｐが、この曲線上にあれば、風車より最大出力を取り出せている。
上記最大出力曲線上の出力を近似的に取り出すために、図２の点線で示す近似出力曲線を想定する。この近似出力曲線は、本発明の小型風力発電装置２をバッテリー１２等の定電圧源に接続した時の風車回転数対風車出力特性であり、図３に示す巻線Ｗ１〜Ｗ３の出力を加算して得られる出力値と同一である。
上記の加算して得られる出力値とは、ハード的には、図１の巻線Ｗ１〜Ｗ３の加算出力であり、正側出力端子９及び負側出力端子１０からのバッテリー１２への出力である。
【００１９】
図２及び図３を、バッテリー内部抵抗を無視して、さらに詳述する。風車回転数Ｎ３においては、最大出力曲線及び近似出力曲線との交点Ｘ３における出力はＰ３であるが、この値は、図３の風車回転数Ｎ３における巻線Ｗ３の出力ＰＷ３と同一値である。すなわち、風車回転数Ｎ３においては、巻線Ｗ３の誘起電圧ＶＷ３のみバッテリー電圧ＶＢを超えるために、巻線Ｗ３からバッテリー１２に出力電流が流れる。
【００２０】
次に、風車回転数Ｎ２においては、最大出力曲線及び近似出力曲線との交点Ｘ２における出力はＰ２であるが、この値は、図３の風車回転数Ｎ２における巻線Ｗ２の出力ＰＷ２と巻線Ｗ３の出力ＰＷ３を加算した値である。すなわち、風車回転数Ｎ２においては、巻線Ｗ２及びＷ３の誘起電圧ＶＷ２及びＶＷ３が、バッテリー電圧ＶＢを超えるために、巻線Ｗ２及びＷ３からバッテリー１２に出力電流が流れる。
又、風車回転数Ｎ１においては、最大出力曲線との交点Ｘ１における出力はＰ１であるが、この値は、図３の風車回転数Ｎ１における巻線Ｗ１の出力ＰＷ１、巻線Ｗ２の出力ＰＷ２及び巻線Ｗ３の出力ＰＷ３を加算した値である。すなわち、風車回転数Ｎ１においては、巻線Ｗ１〜Ｗ３の誘起電圧ＶＷ１〜ＶＷ３が、バッテリー電圧ＶＢを超えるために、巻線Ｗ１〜Ｗ３からバッテリー１２に出力電流が流れる。
【００２１】
以上、本発明の実施例では、小型風力発電装置２を構成する永久磁石型発電機３は、異なる誘起電圧及び出力を発生するために、各巻線は異なる巻数で構成されると共に、各巻線の断面積は、巻線Ｗ３より巻線Ｗ２の方が、さらに巻線Ｗ２より巻線Ｗ１の方が、大きい巻線で構成される。
又、永久磁石型発電機３は、異なる誘起電圧及び出力を発生するように、内部巻線を構成すれば良く、必ずしも、同一の固定子スロットに、巻数の異なる３巻線を納める必要は無い。
さらに、本発明の小型風力発電装置２は、３相に限らず、他の相数でも可能である。
【００２２】
本発明において、図２で示す近似出力曲線を、より最大出力曲線に近づけて、風からのエネルギーを可能な限り取り出すためには、本発明の永久磁石型発電機３の各巻線Ｗ１〜Ｗ３の誘起電圧値及び内部インダクタンス値と、第１〜第３のリアクトル４〜６のインダクタンス値を加減する事により可能である。
すなわち、図２で示す最大出力曲線は、風車回転数に対して３次曲線であるが、複数の各巻線の内部インダクタンスとリアクトルによる電圧降下は、風車回転数に比例する。又、複数の各巻線の誘起電圧は巻数に比例するが、内部インダクタンスは巻数の２乗に比例する事等を考慮して、設計される。
【００２３】
さらに、第１のダイオード整流器７に接続される、第１のリアクトル４と巻線Ｗ１の加算したインダクタンス値は、最小の値が要求されるために、第１のリアクトル４を削除できるように、本発明の永久磁石型発電機の永久磁石と巻数の設計を行う事もできる。
【００２４】
以上、本発明の実施例では、異なる誘起電圧を発生させる巻線の数を３として説明したが、近似出力曲線の最大出力曲線に対する近似度が荒くても良ければ、２巻線で構成しても実用的であり、又、さらに近似出力曲線の近似度を上げるために、４巻線以上にする事も可能である。
【００２５】
又、本発明の小型風力発電装置から、バッテリー等の定電圧源へ充電する場合について説明したが、充電により直流電圧が上昇するような場合には、上昇した直流電圧に充電しようとするために、図２の小型風力発電装置の近似出力曲線は最大出力曲線から右側に乖離して、出力が減少する。これは、バッテリー等の定電圧源への充電が、風力発電により十分に行われた結果の電圧上昇であり、バッテリー等の定電圧源を含めたシステム全体として、何ら不具合となるものでは無い。さらに電圧上昇するようなシステムにおいては、バッテリー等の定電圧源を切り離すか、風車を停止すれば良い。
このように、充電により直流電圧が上昇するような場合には、仕様で決めた充電を開始する最低電圧において、小型風力発電装置の近似出力曲線を最大出力曲線に、最も近づけるように設計すれば良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上、風速計や制御回路電源が必要なＰＷＭコンバータを使用しないで、複数の誘起電圧を出力する永久磁石型発電機、リアクトル及びダイオード整流器で構成した小型風力発電装置で、バッテリー等の定電圧源の充電を行う事により、常に、風速に見合った概略の最高出力を取り出す方法について説明した。
この方法により構成した小型風力発電装置によれば、風速計や高価なＰＷＭコンバータが不要であるために安価に構成でき、前記ＰＷＭコンバータでは必要となる待機電力が不要なので、年間を通した発電量を増加させる事ができるので、実用上おおいに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、風車により駆動される小型風力発電装置の主回路単線結線図である。
【図２】本発明の小型風力発電装置の風車回転数対風車出力特性図である。
【図３】本発明の動作原理を説明するための図である。
【図４】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。
【図５】従来の風力発電装置の接続を示すブロック図である。
【符号の説明】
１風車
２小型風力発電装置
３本発明の永久磁石型発電機
４〜６第１〜第３のリアクトル
７〜９第１〜第３のダイオード整流器
１０正側出力端子
１１負側出力端子
１２バッテリー
２１従来の永久磁石型発電機
２２回転計
２３ＰＷＭコンバータ
２４出力制御装置
２５風速計[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a small wind power generator for taking out a maximum output from a generator driven by a windmill, and in particular, without using a PWM converter, always taking out a rough maximum output from the wind to charge a battery. The present invention relates to a small wind power generator that does not use a PWM converter.
[0002]
[Prior art]
A wind turbine generator for converting AC to DC using a PWM converter from a permanent magnet generator connected to a windmill to extract maximum power is known.
Hereinafter, a conventional power generator that extracts a maximum output from a permanent magnet generator driven by a windmill will be described in detail with reference to a block diagram showing the connection of the conventional wind power generator shown in FIG.
In FIG. 5, 1 is a windmill, 21 is a conventional permanent magnet generator, 22 is a tachometer, 23 is a PWM converter, 12 is a battery, 24 is an output control device, and 25 is an anemometer.
[0003]
The AC side of the conventional permanent magnet generator 21 driven by the windmill 1 is connected to the PWM converter 23, and the AC power of the conventional generator 21 driven at a variable speed by the windmill 1 is converted to DC by the PWM converter 23. The battery 12 is charged by being converted into electric power.
The wind turbine rotation speed N, which is the output of the tachometer 22 directly connected to the conventional permanent magnet generator 21, and the wind speed U, which is the output of the anemometer 25, are output to the output control device 24. The output control device 24 is described below. The current command I * created by the method shown in FIG.
[0004]
FIG. 4 is a diagram for explaining the outline of the wind turbine rotation speed versus the wind turbine output characteristic when the wind speed is used as a parameter.
In the windmill, when the shape of the windmill and the wind speed U are determined, the windmill output P with respect to the windmill rotation speed N is uniquely determined. For example, the windmill output P with respect to the wind speed Ux and Uy is indicated by a solid line in FIG. And the peak of the windmill output P with respect to various wind speeds becomes like the maximum output curve shown with the dashed-dotted line of FIG.
That is, when the wind speed is Ux in the wind turbine rotation speed vs. wind turbine output characteristics of FIG. 4, the wind turbine maximum output Px at the wind turbine rotation speed Nx as indicated by the intersection Sx of the wind turbine output curve of the wind speed Ux and the maximum output curve. It becomes.
When the wind speed is Uy, the windmill maximum output Py at the wind speed Uy is obtained at the windmill rotational speed Ny.
[0005]
A conventional method for obtaining the maximum wind turbine output at various wind speeds from the wind turbine having the wind turbine rotational speed versus wind turbine output characteristic as shown in FIG. 4 will be described with reference to FIG. The output control device 24 of FIG. 5 inputs the wind speed U from the anemometer 25, obtains the average wind speed Ua, and matches the maximum output curve as shown in FIG. 4 stored in the output control device 24 in advance. Then, the maximum wind turbine output P with respect to the average wind speed Ua is obtained.
Next, from this maximum windmill output P, the generator current I shown in the equation (1) is obtained, and this generator current I is output to the PWM converter 23 as a current command I *. The conventional generator 21 was controlled, and as a result, the maximum output was taken out from the wind turbine 1 directly connected to the conventional generator 21.
[0006]
Windmill maximum output (P) = constant (K) x windmill speed (N) x generator current (I) (1)
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in order to obtain the maximum output at various wind speeds U by the PWM converter 23 connected to the conventional permanent magnet generator 21 driven by the windmill 1, the control circuit and the switching element are used. A PWM converter 23 having a PWM converter is required.
In addition, since it is necessary to always turn on the control power supply of the PWM converter 23 for the wind that does not know when to blow, The ratio of the standby power amount of the control circuit was large.
Furthermore, since the PWM converter 23 is controlled using the average wind speed Ua measured from the anemometer 25 with delay, the maximum output cannot always be obtained from the wind.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and the main purpose thereof is that the PWM converter 23 and the anemometer 25 are not required, standby power of the control circuit is not consumed, and various wind speeds are used. It is to provide a small wind power generator that obtains a maximum output substantially proportional to the cube of the wind speed from U.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in the present invention, without using a PWM converter that requires a control circuit power supply, a small wind power generator composed of a permanent magnet generator and a diode rectifier that outputs a plurality of induced voltages can be used as a constant voltage source such as a battery. By performing the charging, the approximate maximum output corresponding to the wind speed U is always taken out.
[0009]
Therefore, looking at the maximum output curve in FIG. 4 in order to obtain the maximum output from the wind, when the wind turbine rotation speed N is determined, the output P of the permanent magnet generator at that time is uniquely determined to be the maximum. This means that it should be set to a value on the output curve. The maximum output curve indicates that the wind turbine stalls when the output P is determined in a region on the left side of the maximum output curve.
Therefore, the present invention has been devised as follows with the above maximum output curve in mind.
FIG. 3 is a diagram for explaining the operation principle of the present invention. In the case where the direct current output of the small wind power generator is connected to a constant voltage source such as a battery, the permanent magnet generator in the small wind power generator is shown. It is the figure which showed the wind turbine rotation speed versus output characteristic of each winding when a plurality of windings are 3 windings and windings W1-W3 are used as parameters.
The number of turns of the three windings is different, and in FIG. 3, the number of turns of the dotted line W2 is greater than the number of turns of the one-dot chain line W1. Further, the number of windings of the solid line W3 is greater than the number of windings of the dotted line W2.
[0010]
Therefore, since there is a difference in the number of turns as described above, an induced voltage proportional to the number of turns is generated as the voltage generated in each winding at the same rotation speed of the permanent magnet generator. That is, the winding W2 generates a higher voltage than the winding W1, and the winding W3 generates a higher voltage than the winding W2. Accordingly, the internal inductance value of each winding is larger in the winding W2 than in the winding W1, and further in the winding W3 than in the winding W2.
If you attempt to charge a battery with almost constant voltage from these windings through diode rectification, even if the rotation speed of the permanent magnet generator rises and the generated voltage increases, the voltage drop due to the inductance of each winding Therefore, since the current generated from each winding is substantially constant, the output is as shown in FIG.
[0011]
Here, the output P generated by the winding W3 will be described with reference to FIG. When the wind turbine rotation speed N is low, the voltage VW3 generated in the winding W3 is lower than the battery voltage VB, so that the battery is not charged. However, when the windmill rotational speed N rises to near N3, current starts to flow, and when the windmill rotational speed N reaches N3, the output P becomes PW3. Even if the wind turbine rotation speed N increases further and the induced voltage rises, the battery voltage is substantially constant, but the output P gradually increases from PW3 because the impedance due to the inductance of the winding is proportional to the frequency. Stay on.
[0012]
Further, similarly for the winding W2 having a small number of turns, when the windmill rotational speed N increases and becomes near N2, current starts to flow, and when the windmill rotational speed N becomes N2, the output P becomes PW2, Even if the wind turbine rotation speed N increases, the output P becomes substantially PW2. Here, since the internal inductance of the winding W2 is smaller than the internal inductance of the winding W3, a current larger than the current of the winding W1 flows through the winding W2, and the output PW2 becomes larger than the output PW1.
Similarly, for the winding W1, when the windmill rotational speed N is near N1, current starts to flow, and when the windmill rotational speed N becomes N1, the output P becomes PW1.
[0013]
The present invention solves the above-mentioned problems based on the above principle, and means for achieving the object is as follows:
1) In claim 1,
In a small wind power generator that outputs a direct current by diode rectifying an alternating current output of a permanent magnet generator driven by a windmill, the permanent magnet generator is configured by a plurality of windings having different induced voltages, and the plurality of windings An individual diode rectifier is connected to the AC output of the line, and the DC output of the individual diode rectifier is added and output to the outside.
[0014]
2) In the small wind power generator according to claim 1, wherein the wind turbine rotational speed vs. wind turbine maximum output characteristic is a maximum output uniquely determined from the shape of the wind turbine, and the wind turbine rotational speed vs. wind turbine maximum output is obtained. Different induced voltage values of the permanent magnet generator are determined based on characteristics.
[0015]
3) In claim 3,
3. The small wind power generator according to claim 2, wherein an individual reactor is connected between an AC output of a plurality of windings having different induced voltage values of the permanent magnet generator and the individual diode rectifier. To do.
[0016]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a main circuit single-line connection diagram of a small wind turbine generator driven by a windmill according to the present invention.
In the figure, 2 is a small wind power generator, 3 is a permanent magnet generator of the present invention, 4 to 6 are first to third reactors, 7 to 9 are first to third diode rectifiers, 10 is a positive A side output terminal, 11 is a negative side output terminal, and the same number as FIG. 5 represents the same component.
Hereinafter, FIG. 1 will be described.
[0017]
The permanent magnet generator 3 of the present invention has three windings with different numbers of insulated turns, and the winding W1 having the smallest number of turns among the three windings is connected to the first reactor 4, and Connected to the first diode rectifier 7.
Winding W2 having the next largest number of turns is connected to second reactor 5 and further connected to second diode rectifier 8.
The winding W3 having the largest number of turns is connected to the third reactor 6 and further connected to the third diode rectifier 9.
The DC side of each of the first to third diode rectifiers 7 to 9 is connected to the positive output terminal 9 and the negative output terminal 10 and further connected to the battery 12.
[0018]
A method of approximately extracting the maximum output uniquely determined from the shape of the wind turbine at various wind speeds from the small wind power generator 2 configured as described above is the wind turbine rotation of the small wind power generator of the present invention shown in FIG. A description will be given with reference to the output characteristics diagram for several wind turbines.
The maximum output curve shown by the solid line in FIG. 2 is the same curve as the maximum output curve shown in FIG. 4, and if the output P with respect to the wind turbine rotation speed N is on this curve, the maximum output can be extracted from the wind turbine. .
In order to approximately extract the output on the maximum output curve, an approximate output curve indicated by a dotted line in FIG. 2 is assumed. This approximate output curve is a wind turbine rotation speed versus wind turbine output characteristic when the small wind power generator 2 of the present invention is connected to a constant voltage source such as a battery 12, and the outputs of the windings W1 to W3 shown in FIG. 3 are added. Is the same as the output value obtained.
The output value obtained by the above addition is, in terms of hardware, the addition output of the windings W1 to W3 in FIG. 1, and is the output from the positive output terminal 9 and the negative output terminal 10 to the battery 12. is there.
[0019]
2 and 3 will be described in further detail, ignoring the battery internal resistance. At the windmill speed N3, the output at the intersection X3 with the maximum output curve and the approximate output curve is P3, which is the same value as the output PW3 of the winding W3 at the windmill speed N3 in FIG. That is, at the wind turbine rotation speed N3, only the induced voltage VW3 of the winding W3 exceeds the battery voltage VB, so that an output current flows from the winding W3 to the battery 12.
[0020]
Next, at the wind turbine rotation speed N2, the output at the intersection X2 of the maximum output curve and the approximate output curve is P2, and this value is the output PW2 and winding of the winding W2 at the wind turbine rotation speed N2 in FIG. This is a value obtained by adding the output PW3 of W3. That is, at the wind turbine speed N2, the induced voltages VW2 and VW3 of the windings W2 and W3 exceed the battery voltage VB, so that an output current flows from the windings W2 and W3 to the battery 12.
Further, at the wind turbine rotational speed N1, the output at the intersection X1 with the maximum output curve is P1, and this value is the output PW1 of the winding W1, the output PW2 of the winding W2 at the wind turbine rotational speed N1 in FIG. This is a value obtained by adding the output PW3 of the winding W3. That is, at the wind turbine rotation speed N1, the induced voltages VW1 to VW3 of the windings W1 to W3 exceed the battery voltage VB, so that an output current flows from the windings W1 to W3 to the battery 12.
[0021]
As described above, in the embodiment of the present invention, the permanent magnet generator 3 constituting the small wind power generator 2 is configured with different numbers of windings in order to generate different induced voltages and outputs. The cross-sectional area of the winding W2 is larger than that of the winding W3, and the winding W1 is larger than the winding W2.
Further, the permanent magnet generator 3 may be configured with internal windings so as to generate different induced voltages and outputs, and it is not always necessary to place three windings having different numbers of turns in the same stator slot. .
Furthermore, the small wind power generator 2 of the present invention is not limited to three phases, but can be other numbers of phases.
[0022]
In the present invention, in order to make the approximate output curve shown in FIG. 2 closer to the maximum output curve and extract energy from the wind as much as possible, each of the windings W1 to W3 of the permanent magnet generator 3 of the present invention is used. This is possible by adjusting the induced voltage value and the internal inductance value and the inductance values of the first to third reactors 4 to 6.
That is, the maximum output curve shown in FIG. 2 is a cubic curve with respect to the wind turbine rotation speed, but the internal inductance of each of the windings and the voltage drop due to the reactor are proportional to the wind turbine rotation speed. The induced voltage of each of the plurality of windings is proportional to the number of turns, but the internal inductance is designed in consideration of the fact that it is proportional to the square of the number of turns.
[0023]
Furthermore, since the minimum value is required for the added inductance value of the first reactor 4 and the winding W1, which is connected to the first diode rectifier 7, so that the first reactor 4 can be deleted. The permanent magnet and the number of turns of the permanent magnet generator of the present invention can be designed.
[0024]
As described above, in the embodiments of the present invention, the number of windings that generate different induced voltages has been described as three. However, if the approximation of the approximate output curve to the maximum output curve may be rough, it is configured with two windings. Is practical, and in order to further improve the approximation of the approximate output curve, it is possible to use four or more windings.
[0025]
In addition, the case where the small wind power generator of the present invention is used to charge a constant voltage source such as a battery has been described. However, in the case where the DC voltage increases due to charging, in order to charge the increased DC voltage. The approximate output curve of the small wind power generator of FIG. 2 deviates to the right from the maximum output curve, and the output decreases. This is a voltage increase as a result of sufficiently charging a constant voltage source such as a battery by wind power generation, and does not cause any problem as a whole system including the constant voltage source such as a battery. In a system that further increases the voltage, a constant voltage source such as a battery may be disconnected or the windmill may be stopped.
In this way, when the DC voltage rises due to charging, if the design is made so that the approximate output curve of the small wind power generator is closest to the maximum output curve at the minimum voltage at which charging is determined according to the specifications. good.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, a small wind power generator composed of a permanent magnet generator, a reactor, and a diode rectifier that outputs a plurality of induced voltages without using an anemometer or a PWM converter that requires a control circuit power supply. We explained how to always get the approximate maximum output corresponding to the wind speed by charging.
According to the small wind power generator configured by this method, since an anemometer and an expensive PWM converter are not required, it can be configured at a low cost, and the standby power required by the PWM converter is unnecessary. It is useful for practical use.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a main circuit single line connection diagram of a small wind turbine generator driven by a windmill according to the present invention.
FIG. 2 is a characteristic diagram of wind turbine speed versus wind turbine output of the small wind power generator of the present invention.
FIG. 3 is a diagram for explaining the operating principle of the present invention.
FIG. 4 is a diagram for explaining an overview of wind turbine rotation speed versus wind turbine output characteristics when wind speed is used as a parameter.
FIG. 5 is a block diagram showing connection of a conventional wind power generator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Windmill 2 Small wind power generator 3 Permanent magnet type generators 4-6 of this invention The 1st-3rd reactors 7-9 The 1st-3rd diode rectifier 10 Positive side output terminal 11 Negative side output terminal 12 Battery 21 Conventional permanent magnet generator 22 Tachometer 23 PWM converter 24 Output controller 25 Anemometer

Claims

A permanent magnet generator driven by a wind turbine is constituted by a plurality of windings having different induced voltage values, and individual diode rectifiers are connected to the AC outputs of the plurality of windings , and the DC outputs of the individual diode rectifiers the was added in small wind power generator for outputting to the external DC power supply, in order to obtain an output characteristic which approximates to the wind turbine revolution speed and the wind turbine maximum output characteristic uniquely determined from the shape of the wind turbine, said permanent magnet generator each different number of turns of the plurality of windings by determining the winding power generation start wind turbine's rotational speed, a separate reactor connected between said respective diode rectifier with the AC output of the different windings of the permanent magnet generator of A small wind power generator characterized in that the output of each winding is determined by the inductance value .