JP4641823B2 - 分散電源用発電装置の整流回路 - Google Patents

Description

本発明は、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機から、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の整流回路に関し、特に、ＰＷＭコンバータを用いずに定電圧充電を行う分散電源用発電装置の整流回路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交流出力端子に各リアクトルを経て直列に各整流器を接続し、これら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、公開特許文献１参照。）。

かかる先願技術を、図４の風車又は水車に接続された分散電源用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４において、１は風車、２は先願技術の分散電源用発電装置、３は永久磁石型発電機、４、５は第１および第２のリアクトル、６、７は第１および第２の全波整流器、９は第１の巻線出力端子、１０は第２の巻線出力端子、１１は正側出力端子、１２は負側出力端子、１３はバッテリである。
図４においては、永久磁石型発電機３は、２種類の巻数を有し、３相の場合を示している。

図４において、永久磁石型発電機３の巻数が少ないために誘起電圧実効値の低い第１の巻線に接続される第１の巻線出力端子９は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１の全波整流器６に接続される。
巻数が多い第２の巻線に接続される第２の巻線出力端子１０は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２の全波整流器７に接続される。
上記第１、第２の整流器６、７の各々の直流側は、正側出力端子１１及び負側出力端子１２に接続され、各巻線の合計出力がバッテリ１３に充電される。

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３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３のように示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図３に示す最大出力曲線Ｐｔのようになる。
すなわち、図３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。

すなわち、図３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３の出力Ｐを一義的に、最大出力曲線Ｐｔ上の値に定めれば良いことを表している。

図２は、先願技術が対象とする分散電源用発電装置２の直流出力をバッテリ等の定電圧源に接続した場合の説明図であり、分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機内３の第１、第２の巻線の各出力は、各巻線の誘起電圧実効値の違い、及び各巻線内部インダクタンスと各出力端子に接続されるリアクトルによる電圧降下のために、図２の風車回転数対出力特性に示すＰ１、Ｐ２のようになる。

すなわち、風車回転数Ｎが低い場合には、永久磁石型発電機３内の第１および第２の巻線の発生電圧がバッテリ電圧Ｖｂより低いために、バッテリ１３には充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ２付近になると、第２の巻線に電流が流れ始め、風車回転数Ｎの上昇と共に電流が上昇し、第２の巻線による出力はＰ２のようになる。この時、風車回転数Ｎが上昇して誘起電圧が上昇しても、バッテッリ電圧は、ほぼ一定であるが、第２の巻線のインダクタンスおよび第２のリアクトル５によるインピーダンスが周波数に比例するために、出力Ｐ２は漸増するに留まる。
第１の巻線については、さらに回転数Ｎが上昇することにより出力が取れるが、第１の巻線の内部インダクタンスおよび第２のリアクトル４が小さいために大きな出力が取れる。

このように構成される分散電源用発電装置２のバッテリ１３等の定電圧源への出力は、永久磁石型発電機３内の第１、第２の巻線の出力Ｐ１、Ｐ２を加算して得られる合計出力である最大出力曲線Ｐｔと概略同一である。
特開２００４−６４９２８号（図１）

解決しようとする問題点は、上記のような分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機３においては、巻数の多い第２の巻線は高い電圧を発生するために、永久磁石型発電機３内の第２の巻線の絶縁耐圧を強化しなければならないという点である。例えば、第２の巻線の巻数を第１の巻線の巻数の３倍にして、図２における風車回転数Ｎ２をＮ１の１／３にしたい場合は、第２の巻線の絶縁耐圧は第１の巻線の３倍にしなければならないという点である。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機３の絶縁された第１および第２の巻線の出力端子にリアクトルを接続し、それぞれの交流より得られる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おいて、第１の巻線はリアクトルを経て全波整流器に接続し、第２の巻線はリアクトルを経て倍電圧整流器に接続することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路である。

本発明の分散電源用発電装置の整流回路においては、永久磁石型発電機３の細い巻線での構成が可能な第２の巻線は、リアクトルを経て倍電圧整流器に接続されるために、風車回転数Ｎが低いときでも従来例と同様にバッテリ１３に充電できる第２の巻線の誘起電圧を従来例の半分にすることができる。
従って、第２の巻線の絶縁耐圧を強化する必要が無いので、分散電源用発電装置の価格を下げることができる。

風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機３の２種類の巻線の交流出力端子に、各リアクトルを経て直列に各整流器を接続し、これら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の整流回路は、太い巻線で構成される第１の巻線はリアクトルを経て全波整流器に接続し、太い巻線と巻数が等しいかそれ以上の巻数で、しかも細い巻線で構成される第２の巻線はリアクトルを経て倍電圧整流器に接続するものである。

図1は、本発明を風車に適用した場合であり、風車により駆動される分散電源用発電装置の主回路結線図である。
同図において、８は単相整流器、１４は第１のコンデンサ、１５は第２のコンデンサであり、図４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。

第１の巻線の出力は、従来例と同様に、第１の巻線出力端子９、リアクトル４および全波整流器６を経てバッテリ１３に出力される。
第２の巻線は、第２の巻線出力端子１０およびリアクトル５を経て、単相整流器６、および第１のコンデンサ１４と第２のコンデンサ１５の中点Ｓに接続され、第１のコンデンサ１４と第２のコンデンサ１５の合計電圧がバッテリ１３に出力される。

ここで、第１のコンデンサ１４と第２のコンデンサ１５のそれぞれの直流電圧は、コンデンサ容量の大小によって電圧脈動の小大があるが、バッテリ１３の電圧の半分に充電される。従って、第２の巻線の電圧が、第１の巻線が充電を開始する電圧の半分になると、第２の巻線よりバッテリ１３に充電を開始する。 例えば、第２の巻線の巻数が、第１の巻線の巻数と等しい場合は、図２における風車回転数Ｎ２が風車回転数Ｎ１の半分で充電可能な電圧となり、バッテリ１３に充電を開始することになる。

さらに第２の巻線の巻数が、第１の巻線の巻数の１．５倍の場合は、図２における風車回転数Ｎ２が風車回転数Ｎ１の１／３で充電可能な電圧となり、この分散電源用発電装置は図２における風車回転数Ｎ１の１／３でバッテリ１３に充電を開始することになる。そして第２の巻線の絶縁耐圧は第１の巻線の１．５倍に抑えることができる。

図１の本発明の実施例では、永久磁石型発電機３の巻線が２種類の場合で説明したが、３種類の巻線として、低い風車回転数から充電を開始する巻線の出力を倍電圧整流器に接続する方法も可能である。例えば、３種類の巻線の内、一番低い風車回転数Ｎ３から充電を開始する巻線の巻数は、一番高い風車回転数Ｎ１から充電を開始する巻線の巻数の１．５倍として倍電圧整流器に接続する。さらに、次に低い風車回転数Ｎ３から充電を開始する巻線の巻数は、一番高い風車回転数Ｎ１から充電を開始する巻線の巻数と同じにして倍電圧整流器に接続する。
このように構成することにより、分散電源用発電装置２のバッテリ１３等の定電圧源への出力を、２巻線の場合よりも風車の最大出力曲線Ｐｔに近づけることができるので、風からより多くのエネルギーを取得できる。

さらに、本発明で用いるリアクトルは、飽和リアクトルとしたり、タップ付きとすることで、風車出力特性により一致するような微調整が可能である。
また、図１におけるリアクトル４は、永久磁石型発電機３内のインダクタンスが設計段階で把握できれば、省略することも可能である。

本発明の分散電源用発電装置の整流装置によれば、永久磁石型発電機内の低い風車回転数から充電を開始する巻線の、絶縁耐圧を半分にすることができるので、安価な分散電源用発電装置を提供できる。

本発明の実施例であり、分散電源用発電装置の整流回路を説明するための図である。 先願出願が対象とする分散電源用発電装置の風車回転数対風車出力特性図である。 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。 先願出願の分散電源用発電装置の主回路結線図である。

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、５ 第１、第２のリアクトル
６，７ 全波整流器
８ 単相整流器
９，１０ 第１、第２の出力端子
１１ 正側出力端子
１２ 負側出力端子
１３ バッテリ
１４、１５ 第１、第２のコンデンサ

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３の絶縁された第１および第２の巻線の出力端子にリアクトルを接続し、それぞれの交流より得られる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おいて、第１の巻線はリアクトルを経て全波整流器に接続し、第２の巻線はリアクトルを経て倍電圧整流器に接続することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
2. 上記第２の巻線は３相で構成し、さらに上記倍電圧整流器は、前記第２の巻線の２相の出力は単相整流器に接続し、前記第２の巻線の他の１相の出力は直列に接続されるコンデンサの中点に接続し、前記単相整流器の出力は直列に接続されるコンデンサに接続し、該直列に接続されるコンデンサの直流出力と前記第１の巻線の直流出力を並列接続することを特徴とする請求項１記載の分散電源用発電装置の整流回路。

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