JP4587655B2 - 分散電源用発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、風車又は水車により駆動される発電機から、風速又は流速に関わらず、風又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装置に関するものである。

本出願人は先に、風車又は水車に接続された永久磁石型発電機より、ＰＷＭコンバータを用いずに交流を直流に変換して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誘起電圧を発生する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装置について提案している（例えば、特許文献１参照。）。

かかる先願技術を、図９の風車に接続された小型風力発電装置を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。
図９において、１は風車、２は先願技術の小型風力発電装置、３は永久磁石型発電機、４〜６は第１〜第３のリアクトル、７〜９は第１〜第３の整流器、１０は正側出力端子、１１は負側出力端子、１２はバッテリーである。

この永久磁石型発電機３は、絶縁され、かつ誘起電圧の異なる３巻線を有し、３巻線の中の巻数が一番少ないために一番誘起電圧の低い第１の巻線Ｗ１は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１の整流器７に接続される。
次に巻数が多い第２の巻線Ｗ２は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２の整流器８に接続される。
又、巻数が一番多いために一番誘起電圧の高い第３の巻線Ｗ３は、第３のリアクトル６に接続され、さらに第３の整流器９に接続される。
上記第１〜第３の整流器７〜９の各直流側は、正側出力端子１０及び負側出力端子１１に並列接続され、各巻線の合計出力がバッテリー１２に接続される。

このように構成される分散電源用発電装置２より、概略の風車最大出力を得る方法を以下に示す。
図８は、風速をパラメータとした時の、風車の回転数対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８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８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８の風車の回転数対出力特性において、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。

すなわち、図８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ことを表している。

図７は、先願技術が対象とする小型風力発電装置２の直流出力をバッテリー等の定電圧源に接続した場合の説明図であり、小型風力発電装置２の永久磁石型発電機内３の第１〜第３の巻線Ｗ１〜Ｗ３の各出力は、各巻線の誘起電圧値の違い、及び各巻線内部インダクタンスと各巻線出力に接続されるリアクトルによる電圧降下のために、図７の各巻線による風車の回転数対出力特性に示すＰ１〜Ｐ３のようになる。

すなわち、風車回転数Ｎが低い場合には、第３の巻線Ｗ３の発生電圧Ｖ３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、第３の巻線Ｗ３の出力Ｐ３はＰ３１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、バッテリー電圧Ｖｂは、ほぼ一定であり、第３の巻線Ｗ３および第３のリアクトルのインダクタンス等によるインピーダンスが周波数に比例するために、出力Ｐ３はＰ３１よりも漸増するに留まる。
第２の巻線Ｗ２については、さらに回転数Ｎが上昇することにより誘起電圧が上昇して出力が取れ始めるが、内部インダクタンス等が小さいために大きな出力が取れる。第１の巻線Ｗ１については、さらに回転数Ｎが上昇したときに、さらに大きな出力が取れる。

このように構成される小型風力発電装置２のバッテリー１２等の定電圧源への出力は、第１〜第３の巻線の出力Ｐ１〜Ｐ３を加算して得られる合計出力と同じであり、図６の点線で示す近似出力曲線で表される。従って、図６に示すように、この合計出力は図６の実線で示す最大出力曲線の近似を実現している。
特願２００２−２２１７１４号（第1図）

解決しようとする問題点は、上記のように３種類の巻線と３種類のリアクトルにより構成される小型風力発電装置２においては、多くのリアクトルが必要であり、永久磁石型発電機３内の巻線構成が複雑なので製作工数も多くなり、高価になるという点である。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、風車又は水車より概略の最大出力を得るために、永久磁石型発電機内３内の巻線の種類を減らし、外部に接続するリアクトルを飽和リアクトルにより構成することを特徴とする分散電源用発電装置である。

本発明の分散電源用発電装置２は、永久磁石型発電機内３内の巻線の種類およびリアクトルが減少したために、製作工数が少なくなり、価格を下げることができる。

永久磁石型発電機内３内の巻線を誘起電圧の異なる２種類の巻線とし、該２種類の巻線の誘起電圧が高い巻線にのみリアクトルを接続し、そのリアクトルを飽和リアクトルにすることにより構成した。

図1は、本発明の、風車により駆動される分散電源用発電装置の主回路単線結線図である。
同図において、２は分散電源用発電装置、３は永久磁石型発電機、１３は飽和リアクトル、７、９は第１、第３の整流器、１０は正側出力端子、１１は負側出力端子であり、図９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。

本発明の分散電源用発電装置２を構成する永久磁石型発電機は、絶縁された巻数の異なる２巻線を有し、２巻線の中の誘起電圧が低い巻線Ｗ１は、第１の整流器７に接続される。
誘起電圧が高い巻線Ｗ３は、飽和リアクトル１３に接続され、さらに第３の整流器９に接続される。
上記第１、第３の整流器７、９の各々の直流側は、正側出力端子１０及び負側出力端子１１に接続され、さらにバッテリー１２に接続される。

この飽和リアクトル１３として、図５の飽和リアクトルの電流対インダクタンス特性に示すように、電流の増加によりリアクトルを構成する鉄心が飽和して、インダクタンス値が減少するような特性を有するものを用いる。すなわち、電流Ｉ１ではインダクタンスＬ１であるが、それ以上の電流ではインダクタンスが減少する特性を有する。
このような飽和リアクトルは、鉄心、ギャップ、の寸法および巻数を最適にすることにより実現できる。
従って、図１の分散電源用発電装置２では、図９の小型風力発電装置２の巻線Ｗ２およびリアクトル５を削除するために、巻線Ｗ３に接続されるリアクトルを飽和リアクトル１３で構成している。

このように構成される分散電源用発電装置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３の本発明の分散電源用発電装置の回転数対出力特性図、および図４の本発明の分散電源用発電装置の各巻線の回転数対出力特性図を参照して説明する。
図４の本発明の分散電源用発電装置の各巻線の回転数対出力特性図においては、図９におけるインダクタンス値が一定なリアクトルが接続される第３の巻線Ｗ３の出力と異なり、インダクタンス値が電流の上昇とともに小さくなる飽和リアクトル１３が接続された巻線Ｗ３の出力Ｐ３は回転数の上昇とともに、より右上がりのカーブで上昇する。
この巻線Ｗ３の出力特性は、回転数、誘起電圧、電流値によって変化しない永久磁石型発電機３内の巻線Ｗ３の内部インダクタンス値、および飽和リアクトル１３のインダクタンス値に依存する。

このように構成される小型風力発電装置２のバッテリー１２等の定電圧源への出力は、巻線Ｗ１、Ｗ３の出力Ｐ１、Ｐ３を加算して得られる合計出力と同じであり、図３の点線で示す近似出力曲線で表される。従って、図３に示すように、この合計出力は実線で示す最大出力曲線の近似を実現している。

本発明において、図３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、飽和リアクトル１３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３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乗に比例すること等を考慮して、設計される。

以上、本発明の実施例では、分散電源用発電装置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、大きな電流の流れる巻線Ｗ１の断面積は巻線Ｗ３の断面積より大きく構成される。
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、巻数の異なる巻線を納める必要は無い。
さらに、本発明の分散電源用発電装置２は、３相に限らず、他の相数でも可能である。

又、本発明の分散電源用発電装置から、バッテリー１２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３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１２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１２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１２等の定電圧源を切り離すか、風車を停止すれば良い。
さらに、充電電流の大きさにより直流電圧が変化するような場合には、分散電源用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巻数、飽和リアクトルを設計すれば良い。

図２に本発明の第２の実施例を示す。
図において、分散電源用発電装置２は、永久磁石型発電機３、飽和リアクトル１３、整流器９、バッテリー１２により構成され、図１と同一番号は同一構成部品を表す
本発明の第１の実施例では、異なる誘起電圧を発生させる巻線の数を２として説明したが、本発明の第２の実施例では、近似出力曲線の最大出力曲線に対する近似度が多少悪くなるが、1種類の巻数の巻線として、飽和リアクトルおよび整流器を接続することにより、さらなる製作工数および価格の減少を図った。

本発明の分散電源用発電装置２によれば、風速計や高価なＰＷＭコンバータが不要であり、さらに永久磁石型発電機内３内の巻線の種類およびリアクトルを減少させたために、安価に構成することができ、前記ＰＷＭコンバータでは必要となる待機電力が不要になるので、年間を通した発電量を増加させる事ができ、実用上おおいに有用である。
上記は、風力により説明したが、例えば、水力のように水車の形状が定まれば、最大出力を取り出すときの回転数対出力特性が一義的に定まるような用途にも適用可能である。

本発明の第１の実施例であり、風車に適用した分散電源用発電装置の主回路単線結線図である。 本発明の第２の実施例であり、風車に適用した分散電源用発電装置の主回路単線結線図である。 本発明の第１の実施例における分散電源用発電装置の回転数対風車出力特性図である。 本発明の第１の実施例における分散電源用発電装置の各巻線の回転数対出力特性図である。 飽和リアクトルのインダクタンスを説明するための図である。 従来の小型風力発電装置の回転数対風車出力特性図である。 従来の小型風力発電装置の各巻線の回転数対出力特性図である。 風速をパラメータとした時の、風車の回転数対出力特性の概要を説明する図である。 従来の小型風力発電装置の主回路単線結線図である。

符号の説明

１ 風車
２ 分散電源用発電装置
３ 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
１３ 飽和リアクトル

Claims (2)

1. 風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力を整流して直流出力する分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機を誘起電圧の異なる２種類の巻線により構成し、該２種類の巻線の誘起電圧が高い巻線の交流出力は電流値がある一定値より大きくなるとインダクタンス値が次第に減少する特性を有する飽和リアクトルの直列接続を経て整流し、前記２種類の巻線の誘起電圧が低い巻線の交流出力はそのまま整流して、各整流出力を並列接続することを特徴とする分散電源用発電装置。
2. 風車又は水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分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の交流出力は電流値がある一定値より大きくなるとインダクタンス値が次第に減少する特性を有する飽和リアクトルの直列接続を経て整流することを特徴とする分散電源用発電装置。