JP5975561B2

JP5975561B2 - 整流回路および発電装置

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Publication number: JP5975561B2
Application number: JP2012040038A
Authority: JP
Inventors: 正昭作井
Original assignee: Toyama University
Current assignee: Toyama University
Priority date: 2012-02-27
Filing date: 2012-02-27
Publication date: 2016-08-23
Anticipated expiration: 2032-02-27
Also published as: JP2013176254A

Description

本発明は、三相同期発電機の交流出力を整流して直流出力する整流回路およびこの整流回路を備える発電装置に関する。

風力発電装置は、風車により発電機を駆動して発電を行うものであるが、高効率化のために、発電機からできるだけ大きな出力を取り出したいという要望がある。ただし、風車の最大出力は、風速（回転数）の３乗に略比例する値として定まっており、発電機出力が風車出力を超えると、風車は失速してしまう。よって、発電機出力を、風車出力に一致させることが望ましい。そこで従来、刻々と変化する風速に対して常に最大出力を得るために、ＰＷＭ変換器を用いて発電機を制御するものが公知であった。

しかし、ＰＷＭ変換器は制御回路を備えており、制御回路には待機電力が必要であるため、出力が小さい低風速時には、正味の発電量が得られないという問題があった。そこで、電力を消費する能動素子を用いず、受動素子のみを用いて最大出力を得る風力発電装置として、特許文献１の発明が提案されている。この発電装置は、永久磁石型発電機が巻数の異なる複数の巻線を有しており、複数の巻線の交流出力に個別のダイオード整流器が接続されていて、各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ものである。巻数の多い巻線は、低回転数域（低風速域）において効率よく出力が得られ、巻数の少ない巻線は、高回転数域（高風速域）において効率よく出力が得られるので（特許文献１の図３）、これらを組み合わせることにより、広い回転数域（風速域）で、風速に見合った最大出力を得ることができる（特許文献１の図２）。

特開２００４−６４９２８号公報

しかしながら、特許文献１の発明は、巻数の異なる複数の巻線を有する特殊な発電機が必要であり、これは構成が複雑なため製作工数が多く、高価になる点が問題であった。

本発明は、上記事情を鑑みたものであり、特殊な発電機を必要とすることなく、広い回転数域で、発電機出力を、風車や水車などの原動機の最大出力に一致させる整流回路およびこの整流回路を備える発電装置を提供することを目的とする。

本発明のうち請求項１の発明は、三相交流電流を入力するＡ相端子、Ｂ相端子およびＣ相端子と、直流電流を出力する正側端子および負側端子と、９個のダイオードと、４個のコンデンサと、３個のリアクトルとを備え、Ａ相端子に、第一リアクトルと第一コンデンサが直列に接続されており、第一コンデンサと正側端子の間に、第一ダイオードが、正側端子側をカソードとして接続されており、第一ダイオードのアノードとＢ相端子の間に、第二ダイオードが、第一ダイオード側をカソードとして接続されており、第二ダイオードのアノードと負側端子の間に、第三ダイオードが、第二ダイオード側をカソードとして接続されており、Ｂ相端子に、第二リアクトルと第二コンデンサが直列に接続されており、第二コンデンサと正側端子の間に、第四ダイオードが、正側端子側をカソードとして接続されており、第四ダイオードのアノードとＣ相端子の間に、第五ダイオードが、第四ダイオード側をカソードとして接続されており、第五ダイオードのアノードと負側端子の間に、第六ダイオードが、第五ダイオード側をカソードとして接続されており、Ｃ相端子に、第三リアクトルと第三コンデンサが直列に接続されており、第三コンデンサと正側端子の間に、第七ダイオードが、正側端子側をカソードとして接続されており、第七ダイオードのアノードとＡ相端子の間に、第八ダイオードが、第七ダイオード側をカソードとして接続されており、第八ダイオードのアノードと負側端子の間に、第九ダイオードが、第八ダイオード側をカソードとして接続されており、正側端子と負側端子の間に、第四コンデンサが接続されていることを特徴とする。ここで原動機とは、自然エネルギーを回転力に変換するもののことであり、具体的には風車や水車などである。

本発明のうち請求項２の発明は、原動機と、原動機により駆動される三相同期発電機と、請求項１記載の整流回路とを備え、三相同期発電機の出力端子が、それぞれ整流回路のＡ相端子、Ｂ相端子およびＣ相端子に接続されていることを特徴とする。

本発明のうち請求項１の発明によれば、この整流回路を原動機により駆動される三相同期発電機に接続した場合において、原動機の低回転数域では、９個のダイオードと４個のコンデンサによりチャージポンプ型の倍電圧回路として動作し（倍電圧動作モード）、三相同期発電機から出力される線間電圧の最大値の二倍の電圧が得られる。ただし、リアクトルが挿入されていることにより電流が抑制されるので、発電機出力は抑えられ、原動機の最大出力を超えることがなく、原動機が失速しない。そして、原動機の高回転数域では、電流が上昇する一方でリアクトルにより電圧降下が生じ、三相ブリッジ整流回路に近い動作をし（ブリッジ動作モード）、回転数の上昇に応じて発電機出力も略直線的に上昇する。このように、原動機の回転数域に応じて二種類のモードで動作して、異なる直流出力電圧を発生することで、一般に回転数の３乗に略比例する原動機の最大出力特性に近づけることができる。よって、原動機の回転数が変化する場合でも、常に最大出力を得ることができる。

本発明のうち請求項２の発明によれば、整流回路によって、上記のとおり発電機出力を原動機の最大出力に一致させた発電装置を提供できる。なお、三相同期発電機には、汎用の永久磁石型三相同期発電機を用いることができるから、実用性が極めて高い。

本発明の発電装置のブロック図。本発明の整流回路の回路図。整流回路の動作原理の説明図（倍電圧動作モード（１））。整流回路の動作原理の説明図（倍電圧動作モード（２））。整流回路の動作原理の説明図（倍電圧動作モード（３））。整流回路の動作原理の説明図（倍電圧動作モード（４））。整流回路の動作原理の説明図（倍電圧動作モード（５））。整流回路の動作原理の説明図（倍電圧動作モード（６））。整流回路の動作原理の説明図（ブリッジ動作モード）。本発明の発電装置の出力特性を示すグラフ。実験結果を示すグラフ。

本発明の整流回路および発電装置の具体的な構成について、各図面に基づいて説明する。図１に示すのは、発電装置のブロック図である。この発電装置は、風車（原動機）１と、三相同期発電機２と、整流回路３とを備える。三相同期発電機２は、風車１によって駆動されるものであり、汎用の永久磁石型三相同期発電機である。整流回路３は、後述のとおり、三相交流電流を入力とし、直流電流を出力するものであって、入力側に三相同期発電機２の出力端子が接続されている。また、整流回路３の出力側には、バッテリＢが接続されており、本発電装置により充電される。さらに、この発電装置に接続される負荷を、負荷抵抗Ｒで表している。

次に、整流回路３について詳述する。図２に示すのは、整流回路３の回路図である。この整流回路３は、三相交流電流を入力とするものであって、Ａ相端子Ｔ_ａ、Ｂ相端子Ｔ_ｂおよびＣ相端子Ｔ_ｃを有しており、また、直流電流を出力するものであって、正側端子Ｔ_ｐおよび負側端子Ｔ_ｍを有している。そして、この整流回路３は、９個のダイオードと、４個のコンデンサと、３個のリアクトルとを備える。まず、Ａ相端子Ｔ_ａに、第一リアクトルＬ_１と第一コンデンサＣ_１が直列に接続されており、第一コンデンサＣ_１と正側端子Ｔ_ｐの間に、第一ダイオードＤ_１が、正側端子Ｔ_ｐ側をカソードとして接続されている。そして、第一ダイオードＤ_１のアノードとＢ相端子Ｔ_ｂの間に、第二ダイオードＤ_２が、第一ダイオードＤ_１側をカソードとして接続されており、第二ダイオードＤ_２のアノードと負側端子Ｔ_ｍの間に、第三ダイオードＤ_３が、第二ダイオードＤ_２側をカソードとして接続されている。また、Ｂ相端子Ｔ_ｂに、第二リアクトルＬ_２と第二コンデンサＣ_２が直列に接続されており、第二コンデンサＣ_２と正側端子Ｔ_ｐの間に、第四ダイオードＤ_４が、正側端子Ｔ_ｐ側をカソードとして接続されている。そして、第四ダイオードＤ_４のアノードとＣ相端子Ｔ_ｃの間に、第五ダイオードＤ_５が、第四ダイオードＤ_４側をカソードとして接続されており、第五ダイオードＤ_５のアノードと負側端子Ｔ_ｍの間に、第六ダイオードＤ_６が、第五ダイオードＤ_５側をカソードとして接続されている。さらに、Ｃ相端子Ｔ_ｃに、第三リアクトルＬ_３と第三コンデンサＣ_３が直列に接続されており、第三コンデンサＣ_３と正側端子Ｔ_ｐの間に、第七ダイオードＤ_７が、正側端子Ｔ_ｐ側をカソードとして接続されている。そして、第七ダイオードＤ_７のアノードとＡ相端子Ｔ_ａの間に、第八ダイオードＤ_８が、第七ダイオードＤ_７側をカソードとして接続されており、第八ダイオードＤ_８のアノードと負側端子Ｔ_ｍの間に、第九ダイオードＤ_９が、第八ダイオードＤ_８側をカソードとして接続されている。また、正側端子Ｔ_ｐと負側端子Ｔ_ｍの間に、第四コンデンサＣ_４が接続されている。なお、Ａ相Ｂ相間、Ｂ相Ｃ相間およびＣ相Ａ相間の線間電圧を、それぞれＶ_ａｂ，Ｖ_ｂｃ，Ｖ_ｃａとし、出力電圧をＶ_ｄとする。

続いて、このように構成した整流回路３の動作原理を説明する。この整流回路３は、風車１の低回転数域においては倍電圧動作モードで動作し、高回転数域においては、ブリッジ動作モードで動作する。まず、倍電圧動作モードについて説明する。倍電圧動作モードでは、各線間電圧が負の半周期の場合と正の半周期の場合で、ダイオードが導通する組み合わせは６通りとなる。

Ａ相とＢ相の間の線間電圧Ｖ_ａｂが負の半周期のとき、図３に示すように、第二ダイオードＤ_２が導通し、第一コンデンサＣ_１に線間電圧Ｖ_ａｂの最大値Ｖ_ｍが充電される。

Ａ相とＢ相の間の線間電圧Ｖ_ａｂが正の半周期のとき、図４に示すように、第一ダイオードＤ_１と第三ダイオードＤ_３が導通し、線間電圧Ｖ_ａｂの最大値Ｖ_ｍに、第一コンデンサＣ_１に充電された電圧Ｖ_ｍが加算され、第四コンデンサＣ_４に２Ｖ_ｍの電圧が充電される。

Ｂ相とＣ相の間の線間電圧Ｖ_ｂｃが負の半周期のとき、図５に示すように、第五ダイオードＤ_５が導通し、第二コンデンサＣ_２に線間電圧Ｖ_ｂｃの最大値Ｖ_ｍが充電される。

Ｂ相とＣ相の間の線間電圧Ｖ_ｂｃが正の半周期のとき、図６に示すように、第四ダイオードＤ_４と第六ダイオードＤ_６が導通し、線間電圧Ｖ_ｂｃの最大値Ｖ_ｍに、第二コンデンサＣ_２に充電された電圧Ｖ_ｍが加算され、第四コンデンサＣ_４に２Ｖ_ｍの電圧が充電される。

Ｃ相とＡ相の間の線間電圧Ｖ_ｃａが負の半周期のとき、図７に示すように、第八ダイオードＤ_８が導通し、第三コンデンサＣ_３に線間電圧Ｖ_ｃａの最大値Ｖ_ｍが充電される。

Ｃ相とＡ相の間の線間電圧Ｖ_ｃａが正の半周期のとき、図８に示すように、第七ダイオードＤ_７と第九ダイオードＤ_９が導通し、線間電圧Ｖ_ｃａの最大値Ｖ_ｍに、第三コンデンサＣ_３に充電された電圧Ｖ_ｍが加算され、第四コンデンサＣ_４に２Ｖ_ｍの電圧が充電される。

以上のように、第四コンデンサＣ_４には２Ｖ_ｍの電圧が充電されるので、線間電圧の最大値の２倍の直流電圧が得られることになる。そしてこの第四コンデンサＣ_４は、直流電圧のリップルを抑制するための平滑コンデンサとしても機能する。なお、この倍電圧動作モードにおいては、低回転時から出力が得られるが、回転数が上昇しても、三相同期発電機２のリアクタンスによる電圧降下が大きくなるため、出力はそれほど増加しない。

次に、ブリッジ動作モードについて説明する。風車１の高回転数域においては、電流が上昇する一方で、第一リアクトルＬ_１、第二リアクトルＬ_２および第三リアクトルＬ_３により電圧降下が生じる。その結果、図９に示すように、第一ダイオードＤ_１および第二ダイオードＤ_２を一つの仮想的なダイオードＤ_ａ、第四ダイオードＤ_４および第五ダイオードＤ_５を一つの仮想的なダイオードＤ_ｂ、第七ダイオードＤ_７および第八ダイオードＤ_８を一つの仮想的なダイオードＤ_ｃとみなすことで、整流回路３が、いわゆる三相ブリッジ整流回路に近い動作をしているとみなすことができる。このブリッジ動作モードにおいては、風車１の回転数の上昇に応じて発電機出力も略直線的に上昇する。

続いて、このように構成した本発明の発電装置の発電機出力特性を、図１０に基づき説明する。図１０は、縦軸に出力を、横軸に風車の回転数をとったグラフである。なお、風車最大出力は、回転数の３乗に略比例する（図中の「風車最大出力」）。まず、風車の低回転数域（回転数がＮ以下の領域）においては、整流回路が、９個のダイオードと４個のコンデンサによりチャージポンプ型の倍電圧回路として動作し（倍電圧動作モード）、三相同期発電機から出力される線間電圧の最大値の二倍の電圧が得られる。ここで、仮に整流回路のリアクトルがなければ（図中の「倍電圧（Ｌ無）」）、発電機出力が風車最大出力を上回って風車が失速してしまう。しかし本発明では、リアクトルが挿入されていることにより電流が抑制されるので、発電機出力は抑えられ、風車の最大出力を超えることがなく、風車が失速しない（図中の「本発明」の回転数Ｎより低回転数側）。そして、風車の高回転数域（回転数がＮ以上の領域）においては、電流が上昇する一方でリアクトルにより電圧降下が生じ、整流回路が、三相ブリッジ整流回路に近い動作をする（ブリッジ動作モード）。三相ブリッジ整流回路であれば、回転数がある値以上となった場合に、回転数の上昇に応じて発電機出力も直線的に上昇するが（図中の「ブリッジ」）、本発明のブリッジ動作モードにおいても、それに近い特性を示す（図中の「本発明」の回転数Ｎより高回転数側）。このように、整流回路が風車の回転数域に応じて二種類のモードで動作して、異なる直流出力電圧を発生することで、発電機出力特性を、風車の最大出力特性に近づけることができる。よって、風車の回転数が変化する場合でも、常に最大出力を得ることができる。

なお、図１１に示すのは、本発明の発電装置により発電を行った実験結果を示すグラフであり、縦軸に出力［Ｗ］を、横軸に風車の回転数［ｒｐｍ］をとったものである。ここで、実験に用いた三相同期発電機のパラメータおよび回路定数は、以下の表１に示すとおりである。

図１１に示すとおり、発電機出力は、低回転数域から高回転数域まで、回転数の３乗に略比例する風車最大出力と略一致している。よって、本発明により、制御回路を用いることなく、広い回転数域にわたって効率よく風車の最大出力を取り出せることが確認された。

本発明は、上記の実施形態に限定されない。たとえば、原動機は、風車以外に水車であってもよい。本発明の発電装置は、とくに流速が変化しやすい小型の水力発電装置としても好適である。また、本発明の整流回路には、上記実施形態に示したもの以外の回路素子を追加してもよい。

１風車（原動機）
２三相同期発電機
３整流回路
Ｄ_１第一ダイオード
Ｄ_２第二ダイオード
Ｄ_３第三ダイオード
Ｄ_４第四ダイオード
Ｄ_５第五ダイオード
Ｄ_６第六ダイオード
Ｄ_７第七ダイオード
Ｄ_８第八ダイオード
Ｄ_９第九ダイオード
Ｃ_１第一コンデンサ
Ｃ_２第二コンデンサ
Ｃ_３第三コンデンサ
Ｃ_４第四コンデンサ
Ｌ_１第一リアクトル
Ｌ_２第二リアクトル
Ｌ_３第三リアクトル
Ｔ_ａＡ相端子
Ｔ_ｂＢ相端子
Ｔ_ｃＣ相端子
Ｔ_ｐ正側端子
Ｔ_ｍ負側端子

Claims

三相交流電流を入力するＡ相端子（Ｔ_ａ）、Ｂ相端子（Ｔ_ｂ）およびＣ相端子（Ｔ_ｃ）と、直流電流を出力する正側端子（Ｔ_ｐ）および負側端子（Ｔ_ｍ）と、９個のダイオードと、４個のコンデンサと、３個のリアクトルとを備え、
Ａ相端子（Ｔ_ａ）に、第一リアクトル（Ｌ_１）と第一コンデンサ（Ｃ_１）が直列に接続されており、第一コンデンサ（Ｃ_１）と正側端子（Ｔ_ｐ）の間に、第一ダイオード（Ｄ_１）が、正側端子（Ｔ_ｐ）側をカソードとして接続されており、第一ダイオード（Ｄ_１）のアノードとＢ相端子（Ｔ_ｂ）の間に、第二ダイオード（Ｄ_２）が、第一ダイオード（Ｄ_１）側をカソードとして接続されており、第二ダイオード（Ｄ_２）のアノードと負側端子（Ｔ_ｍ）の間に、第三ダイオード（Ｄ_３）が、第二ダイオード（Ｄ_２）側をカソードとして接続されており、
Ｂ相端子（Ｔ_ｂ）に、第二リアクトル（Ｌ_２）と第二コンデンサ（Ｃ_２）が直列に接続されており、第二コンデンサ（Ｃ_２）と正側端子（Ｔ_ｐ）の間に、第四ダイオード（Ｄ_４）が、正側端子（Ｔ_ｐ）側をカソードとして接続されており、第四ダイオード（Ｄ_４）のアノードとＣ相端子（Ｔ_ｃ）の間に、第五ダイオード（Ｄ_５）が、第四ダイオード（Ｄ_４）側をカソードとして接続されており、第五ダイオード（Ｄ_５）のアノードと負側端子（Ｔ_ｍ）の間に、第六ダイオード（Ｄ_６）が、第五ダイオード（Ｄ_５）側をカソードとして接続されており、
Ｃ相端子（Ｔ_ｃ）に、第三リアクトル（Ｌ_３）と第三コンデンサ（Ｃ_３）が直列に接続されており、第三コンデンサ（Ｃ_３）と正側端子（Ｔ_ｐ）の間に、第七ダイオード（Ｄ_７）が、正側端子（Ｔ_ｐ）側をカソードとして接続されており、第七ダイオード（Ｄ_７）のアノードとＡ相端子（Ｔ_ａ）の間に、第八ダイオード（Ｄ_８）が、第七ダイオード（Ｄ_７）側をカソードとして接続されており、第八ダイオード（Ｄ_８）のアノードと負側端子（Ｔ_ｍ）の間に、第九ダイオード（Ｄ_９）が、第八ダイオード（Ｄ_８）側をカソードとして接続されており、
正側端子（Ｔ_ｐ）と負側端子（Ｔ_ｍ）の間に、第四コンデンサ（Ｃ_４）が接続されていることを特徴とする整流回路。
原動機（１）と、原動機（１）により駆動される三相同期発電機（２）と、請求項１記載の整流回路（３）とを備え、
三相同期発電機（２）の出力端子が、それぞれ整流回路（３）のＡ相端子（Ｔ_ａ）、Ｂ相端子（Ｔ_ｂ）およびＣ相端子（Ｔ_ｃ）に接続されていることを特徴とする発電装置。