JP5335927B2 - 風力発電機および風力発電システム - Google Patents
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Description
図1に本実施例による風力発電機の構成を示す。風力発電機1は固定子10と回転子20、シャフト22によって構成され、固定子10は固定子鉄心11、固定子スロット12、電機子上巻線15、電機子底巻線16を有する電機子巻線13によって構成される。14は一群の相帯巻線である。回転子20には回転子鉄心21がシャフト22に連結されており、回転子鉄心21には棒状の導体を鉄心に埋め込んでかご形に形成したかご形導体60が配置される。発電機1はシャフト22に回転力を与えて回転子20を回転させ、電機子巻線13を通電励磁することにより発電する。図1に記載されているかご形風力発電機では回転子鉄心21に配置されているかご形導体60のバー断面形状は茄子形となっているがその形状は特に限定されない。
〔回転電気の設計〕
回転電機の設計では、出力などの電気特性に合わせ、巻線の巻数t、スロット数Nや並列回路数a、極数P、相数mを選定する。通常、固定子および回転子の毎相毎極スロット数Nppは非特許文献1に示すように
3 ≦ Npp ≦ 7 ・・・・・・(1)
の範囲に設定することが推奨されている。スロット数Nは式(2)によって決定されるため、回転電機の設計では実施可能なスロット数Nがほぼ自動的に決定される。
また、1並列回路当たりの巻数tは式(3)によって計算される。
風力発電機に電流を多く流すためには、1つの並列回路当たりの巻数tを小さくし、巻線に流れる電流を大きくする必要がある。従って、1並列回路当たりの巻数tを小さくするためには式(3)に基づいてスロット数Nを少なくするか、または並列回路数aおよび相数mを多くする必要がある。
〔並列回路の増加〕
したがって、発電機の量産性を維持したまま1並列回路当たりの巻数tを小さくするためには、並列回路数aまたは相数mを多くする事が有効である。
〔実施可能な並列回路数〕
図3に実施例1における実施可能な並列回路数aの範囲を示す。図3の右欄内に記載されている数値は同一相帯巻線内において1つの並列回路を形成するために必要なスロット数Nを示している。実施例1では毎相毎極スロット数Nppが4であるときNが2である例を記載しているが、その他の結線方式は図3に記載されている組合わせにおいて実施可能である。
また、実施例1による結線方式は相帯巻線内で並列回路を複数形成するため、式(5)の関係でなければ実施不可能である。
(毎相毎極スロット数Npp)×(極数P)/(並列回路数a)=M
(Mは正の整数) ・・・・・・・・(5)
図3の右欄内において斜線で示されている範囲は毎相毎極スロット数Npp×極数Pよりも大きくなるため実施不可能である。また、横線で示されている範囲は(毎相毎極スロット数Npp)×(極数P)/(並列回路数a)が整数でないため実施不可能である。
〔相数の増加による効果〕
また、実施例3では並列回路18と19の位相が異なるため相数mが増える結果となる。図6に出力電流の高調波成分の振幅率を示す。相数mが3相巻線である場合、電機子巻線13から発生する起磁力高調波成分は6n±1次の成分で発生し、低次であるほど起磁力高調波成分の振幅は大きい傾向にあるため、5次、7次の高調波成分が最も支配的な成分となる。ここでnは任意の整数である。
〔短節巻係数〕
図7に巻線の短節巻係数を示す。起磁力高調波は全ての巻線配置において必ず発生するが、各起磁力高調波の発生次数はその巻線配置によって振幅が変化する。通常の発電機で最大となる高調波次数である5次、7次成分を最小とするためには、短節巻係数を小さくなるように電機子巻線の巻線ピッチは極ピッチに対して略83%とすることが一般的である。
〔並列回路増加による補償〕
さらに、3相発電機においてある一つの相が欠損した場合、2相運転となるため出力が3相発電機の出力の86.7%まで低下し、また、高調波成分が増加するため可変周波数交流励磁装置に悪影響を及ぼす可能性がある。本実施例による風力発電機1は並列回路数aが増加しており、相数mが増加していることと等価であるため、ある一つの相が欠損した場合、その他の並列回路で補償することができるため、出力低下の影響を低減することができ、高調波成分の増加も3相発電機の場合に比べて抑制することができる。
図8に示す実施例4による風力発電機は、風力発電機1の回転子鉄心21内部に永久磁石50が配置されている永久磁石形風力発電機であり、回転子20の回転によって固定子10の電機子巻線13に電力を発電する。回転子鉄心21に永久磁石50が回転子20の円筒形に沿って埋込み配置されているが、永久磁石50の配置方法は表面形の場合や突極形に埋込み配置された場合でもよい。
図1のように、回転子20にかご形導体60が設置されているかご形発電機である場合、かご形導体60の極数Pおよび相数mは固定子10の極数Pおよび相数mと自動的に一致するため、極数Pや相数mを変化させた運転が可能となる。
10 固定子
11 固定子鉄心
12 固定子スロット
13 電機子巻線
14 相帯巻線
15 電機子上巻線
16 電機子底巻線
17 電機子巻線端部
18、19 並列回路
20 回転子
21 回転子鉄心
22 シャフト
30 可変周波数交流励磁装置
301、302 可変周波数交流励磁装置
31 電機子側端子
311、 312 電機子側端子
32 電力系統
40 動力源
41 風車
42 増速機
50 永久磁石
60 かご形導体
#1〜#48 固定子スロット番号
Claims (10)
- 複数の固定子スロットに交流電圧で励磁される電機子巻線を収納する固定子と、動力により回転駆動される回転子を有して多相交流電力を発電する風力発電機において、
前記電機子巻線を形成する並列回路数を前記風力発電機の極数よりも大きく設定し、前記並列回路数を前記風力発電機の発電電圧の一相あたり固定子スロット数を越えない値として風力発電機の出力を増大することを特徴とする風力発電機。 - 請求項1に記載の風力発電機において、前記並列回路数をa、前記風力発電機の毎相毎極スロット数をNpp、極数をPとすると、
a ≦ Npp×P
を満足することを特徴とする風力発電機。 - 請求項1に記載の風力発電機において、前記並列回路数をa、前記風力発電機の毎相毎極スロット数をNpp、極数をPとすると、
Npp×P/a = M (Mは正の整数)
を満足することを特徴とする風力発電機。 - 請求項1乃至3のいずれかに記載の風力発電機において、前記電機子巻線の巻線ピッチを、極ピッチに対して略92%として磁束利用率を向上することを特徴とする風力発電機。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載の風力発電機において、前記回転子は回転子鉄心にかご形導体を配置し、前記回転子の回転によって前記電機子巻線に交流電力を発電することを特徴とするかご形の風力発電機。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載の風力発電機において、前記回転子は回転子鉄心に永久磁石を埋込み配置し、前記回転子の回転によって前記電機子巻線に交流電力を発電することを特徴とする永久磁石形の風力発電機。
- 請求項1乃至3のいずれかに記載の風力発電機において、前記回転子は回転子鉄心に設けたスロットに巻線を配置し、前記回転子の回転によって前記電機子巻線に交流電力を発電することを特徴とする巻線形の風力発電機。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載の風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記電機子巻線を励磁する励磁装置を設け、風速に応じて発電効率を最適化するように前記風力発電機を制御することを特徴とする風力発電システム。
- 請求項8に記載の風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記励磁装置が前記電機子巻線の前記並列回路毎に一台ずつ設けられていることを特徴とする風力発電システム。
- 請求項8または9に記載の風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記電機子巻線に接続された前記励磁装置の相を切り替えて、風速に応じて発電効率を最適化するように極数を変化させて運転することを特徴とする風力発電システム。
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