JP7041582B2 - AC generator short circuit brake circuit - Google Patents

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    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Description

本発明は、風力発電装置等における交流発電機の短絡ブレーキ回路に関する。 The present invention relates to a short-circuit brake circuit of an alternator in a wind power generator or the like.

例えば、風力発電装置において風車の回転数が過剰となった場合、風車及びこれに接続された交流発電機を保護するために回転数を低下させるように制動トルクを発生する機構が知られている。特許文献1、2、3には、交流発電機の出力電流が流れる送電線間を短絡させることによって出力電流を増大させ、その結果、交流発電機に制動トルクを発生させる、いわゆる短絡ブレーキの機構が開示されている。 For example, when the rotation speed of a wind turbine becomes excessive in a wind power generator, a mechanism is known that generates a braking torque so as to reduce the rotation speed in order to protect the wind turbine and the alternator connected to the wind turbine. .. Patent Documents 1, 2 and 3 describe a so-called short-circuit brake mechanism in which an output current is increased by short-circuiting between transmission lines through which an alternator output current flows, and as a result, a braking torque is generated in the alternator. Is disclosed.

特許文献3は、短絡ブレーキ回路をラッチリレーにより起動させることにより、リレーがオンした後は、オフにする信号が入らない限りリレーが開放されないというフェールセーフ機構を開示している。 Patent Document 3 discloses a fail-safe mechanism in which a short-circuit brake circuit is activated by a latch relay so that after the relay is turned on, the relay is not opened unless a signal to turn it off is input.

特開2000-199473号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-199473 特開2007-189770号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-189770 特開2008-118807号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-118807

ここで、交流発電機の短絡ブレーキは、発電機の高速回転時に制動トルクが効かなくなるという問題がある。例えば同期発電機において、界磁を形成するロータが、出力電流の流れる電機子コイルからなるステータに近づいていくときに短絡電流が流れると、ロータとステータが反発し合って制動トルクが生じる。これに対し、ロータがステータから遠ざかっていくときに短絡電流が流れると、やはりロータとステータが反発し合うため、この場合は制動トルクとは逆方向の加速トルクが生じてブレーキの妨げとなる。 Here, the short-circuit brake of the AC generator has a problem that the braking torque does not work when the generator rotates at high speed. For example, in a synchronous generator, when a short-circuit current flows when a rotor forming a field approaches a stator composed of an armature coil through which an output current flows, the rotor and the stator repel each other to generate braking torque. On the other hand, if a short-circuit current flows when the rotor moves away from the stator, the rotor and the stator also repel each other, and in this case, an acceleration torque in the direction opposite to the braking torque is generated, which hinders braking.

以上の問題点に鑑み本発明の目的は、風力発電装置等の交流発電機において、高速回転時にも制動トルクを効果的に生じさせることができる短絡ブレーキ回路を提供することである。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a short-circuit brake circuit capable of effectively generating braking torque even at high speed rotation in an alternator such as a wind power generator.

上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・ 本発明による交流発電機の短絡ブレーキ回路の態様は、
交流発電機の出力電流が流れる送電線間に接続されかつ導通又は遮断されるように制御可能な短絡電流路と、
前記出力電流が増加する位相の期間には該出力電流に対して前記短絡電流路が導通し、前記出力電流が減少する位相の期間には該出力電流に対して前記短絡電流路が遮断されるように構成された制御回路と、を備えたことを特徴とする。
・ 上記態様において、前記短絡電流路が、互いに逆向きに直列接続されかつそれぞれ制御端を具備する第1及び第2のスイッチング素子を有し、
前記制御回路が電流トランスを有し、前記電流トランスの一次コイルが前記送電線の一方に直列に挿入接続されると共に、二次コイルの一端が前記第1のスイッチング素子の制御端に、二次コイルの他端が前記第2のスイッチング素子の制御端にそれぞれ接続されており、
前記第1及び第2のスイッチング素子は、前記出力電流によって前記電流トランスの二次コイルに生じる電圧によりそれぞれオンオフ制御されることが好適である。
・ 上記態様において、前記交流発電機の回転数が所定の設定値未満のときは前記短絡ブレーキ回路を停止状態に維持すると共に、前記交流発電機の回転数が所定の設定値を超えたときは前記短絡ブレーキ回路を稼動状態とするように切り換える切換回路をさらに有することが好適である。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following configurations.
-The mode of the short-circuit brake circuit of the alternator according to the present invention is
A short-circuit current path that is connected between transmission lines through which the output current of an alternator flows and can be controlled to conduct or cut off.
During the period of the phase in which the output current increases, the short-circuit current path conducts with respect to the output current, and during the period of the phase in which the output current decreases, the short-circuit current path is cut off with respect to the output current. It is characterized by having a control circuit configured as described above.
In the above embodiment, the short-circuit current paths have first and second switching elements connected in series in opposite directions to each other and each having a control end.
The control circuit has a current transformer, the primary coil of the current transformer is inserted and connected in series with one of the transmission lines, and one end of the secondary coil is secondary to the control end of the first switching element. The other end of the coil is connected to the control end of the second switching element, respectively.
It is preferable that the first and second switching elements are on / off controlled by the voltage generated in the secondary coil of the current transformer by the output current.
-In the above embodiment, when the rotation speed of the alternator is less than the predetermined set value, the short-circuit brake circuit is maintained in the stopped state, and when the rotation speed of the alternator exceeds the predetermined set value. It is preferable to further have a switching circuit for switching the short-circuit brake circuit so as to be in an operating state.

本発明の交流発電機の短絡ブレーキ回路は、交流発電機の出力電流が増加するときに発電機の送電線間の短絡電流路が導通すると共に、交流発電機の出力電流が減少するときに短絡電流路が遮断される。従って、短絡電流は、交流発電機のロータに対して制動トルクとして作用し得る期間にのみ流れるので、有効にブレーキを掛けることができる。 The short-circuit brake circuit of the alternator of the present invention is short-circuited when the short-circuit current path between the transmission lines of the generator becomes conductive when the output current of the alternator increases and the output current of the alternator decreases. The current path is cut off. Therefore, since the short-circuit current flows only during the period in which it can act as the braking torque on the rotor of the alternator, the brake can be effectively applied.

図1は、本発明の短絡ブレーキ回路の一例を概略的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a short-circuit brake circuit of the present invention. 図2(a)~(g)は、図1の短絡ブレーキ回路における電圧波形又は電流波形の一例を模式的に示したものである。2 (a) to 2 (g) schematically show an example of a voltage waveform or a current waveform in the short-circuit brake circuit of FIG. 図3は、図1の短絡ブレーキ回路のモードI及びIIの動作を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the operation of modes I and II of the short-circuit brake circuit of FIG. 図4は、図1の短絡ブレーキ回路のモードIII及びIVの動作を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the operation of modes III and IV of the short-circuit brake circuit of FIG. 図5は、本発明の効果を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the present invention.

以下、図面を参照しつつ、本発明による交流発電機の短絡ブレーキ回路の実施形態について詳細に説明する。本発明が適用される交流発電機は、同期発電機である。好適には永久磁石形同期発電機であるが、電磁石形同期発電機でもよい。 Hereinafter, embodiments of the short-circuit brake circuit of the alternator according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The alternator to which the present invention is applied is a synchronous generator. A permanent magnet type synchronous generator is preferable, but an electromagnet type synchronous generator may also be used.

本発明は、好適には、風力発電の交流発電機の三相交流出力に適用される。三相交流の場合、三相のうちの二つの相の送電線間に短絡電流を流すことにより交流発電機に制動トルクを発生し回転を制動することができる。その結果、風車の回転に対してブレーキを掛けることができる。 The present invention is preferably applied to the three-phase alternating current output of a wind power generator alternator. In the case of three-phase alternating current, braking torque can be generated in the alternator to brake rotation by passing a short-circuit current between the transmission lines of two of the three phases. As a result, the brake can be applied to the rotation of the wind turbine.

(1)回路構成
図1は、本発明の短絡ブレーキ回路の一例を概略的に示す図である。本発明の短絡ブレーキ回路は、交流発電機(図示せず)からの出力電流が流れる一対の送電線に対して設けられる。交流発電機の出力電流は、正弦波である。
(1) Circuit Configuration FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of the short-circuit brake circuit of the present invention. The short-circuit brake circuit of the present invention is provided for a pair of transmission lines through which an output current from an alternator (not shown) flows. The output current of the alternator is a sine wave.

図1の回路において、端子1、2は、交流発電機の出力端子に接続される。端子3、4は、多様な形態をとり得る負荷(例えばスイッチング電源等の電源回路)に接続される。端子1と端子3の間のラインが、第1の送電線rであり、端子2と端子4の間のラインが第2の送電線sである。 In the circuit of FIG. 1, terminals 1 and 2 are connected to the output terminal of the alternator. The terminals 3 and 4 are connected to a load that can take various forms (for example, a power supply circuit such as a switching power supply). The line between the terminals 1 and 3 is the first transmission line r, and the line between the terminals 2 and 4 is the second transmission line s.

R相、S相、T相からなる三相出力の交流発電機の場合、図1の短絡ブレーキ回路を、各線間にそれぞれ独立して設けることができる。もちろん、本回路は、単相出力の交流発電機にも適用可能である。 In the case of a three-phase output AC generator composed of R phase, S phase, and T phase, the short-circuit brake circuit of FIG. 1 can be independently provided between each line. Of course, this circuit can also be applied to a single-phase output AC generator.

本発明の短絡ブレーキ回路は、送電線rと送電線sとの間に接続された短絡電流路5と、短絡電流路5が導通又は遮断されるように制御可能な制御回路6とを備えている。 The short-circuit brake circuit of the present invention includes a short-circuit current path 5 connected between the transmission line r and the transmission line s, and a control circuit 6 that can be controlled so that the short-circuit current path 5 is conducted or cut off. There is.

<短絡電流路>
短絡電流路5は、第1及び第2のスイッチング素子Q1、Q2により構成されている。第1及び第2のスイッチング素子Q1、Q2は、送電線rと送電線sの間に互いに逆向きに直列接続され、それぞれ制御端を有する。
<Short circuit current path>
The short-circuit current path 5 is composed of first and second switching elements Q1 and Q2. The first and second switching elements Q1 and Q2 are connected in series between the transmission line r and the transmission line s in opposite directions, and each has a control end.

ここでは、スイッチング素子Q1、Q2は、nチャネルMOSFETである。スイッチング素子Q1のドレインが第1の送電線rに、スイッチング素子Q2のドレインが第2の送電線sに接続されている。スイッチング素子Q1とQ2のソース同士が接続され、接続点は接地されている。 Here, the switching elements Q1 and Q2 are n-channel MOSFETs. The drain of the switching element Q1 is connected to the first transmission line r, and the drain of the switching element Q2 is connected to the second transmission line s. The sources of the switching elements Q1 and Q2 are connected to each other, and the connection point is grounded.

好適例として、スイッチング素子Q1、Q2のボディダイオードと同じ向きに外付けダイオードD1、D2が接続されている。外付けダイオードD1、D2の役割は、ボディダイオードと同じである。すなわち、スイッチング素子Q1、Q2がオフ状態であっても、外付けダイオード(又はボディダイオード)の順方向となる向きであれば電流が流れることができる。本発明におけるスイッチング素子Q1、Q2は、オン状態の主電流の方向に対して逆方向となるボディダイオード又は外付けダイオードを備えている。 As a preferred example, the external diodes D1 and D2 are connected in the same direction as the body diodes of the switching elements Q1 and Q2. The roles of the external diodes D1 and D2 are the same as those of the body diode. That is, even if the switching elements Q1 and Q2 are in the off state, current can flow as long as the direction is in the forward direction of the external diode (or body diode). The switching elements Q1 and Q2 in the present invention include a body diode or an external diode that is opposite to the direction of the main current in the on state.

<制御回路>
制御回路6は、電流トランスCTを有する。電流トランスCTの一次コイルn1は、一対の送電線の一方、ここでは第1の送電線rに直列に挿入接続されている。電流トランスCTの二次コイルn2は、その一端(ここでは巻き始端)がスイッチング素子Q1の制御端に、その他端(ここでは巻き終端)がスイッチング素子Q2の制御端にそれぞれ接続されている。従って、スイッチング素子Q1、Q2は、出力電流よって電流トランスCTの二次コイルn2の一端と他端に生じる電位により、それぞれオンオフ制御される。
<Control circuit>
The control circuit 6 has a current transformer CT. The primary coil n1 of the current transformer CT is inserted and connected in series to one of the pair of transmission lines, here, the first transmission line r. One end (here, the winding start end) of the secondary coil n2 of the current transformer CT is connected to the control end of the switching element Q1, and the other end (here, the winding end) is connected to the control end of the switching element Q2. Therefore, the switching elements Q1 and Q2 are on / off controlled by the potentials generated at one end and the other end of the secondary coil n2 of the current transformer CT by the output current.

電流トランスCTは、一般的に、一次コイルn1と二次コイルn2に流れる電流の比(変流比)が極めて大きく設定される(例えば400:1、100:1等)。変流比は、二次コイルn2と一次コイルn1の巻数比でもある。図1では、一次コイルn1と二次コイルn2の巻き始端を黒丸で示している。図示の例では、入力端子側が巻き始端であるが、出力端子側が巻き始端でもよい。 In the current transformer CT, the ratio (current transformer ratio) of the current flowing through the primary coil n1 and the secondary coil n2 is generally set to be extremely large (for example, 400: 1, 100: 1, etc.). The current transformer ratio is also the turns ratio of the secondary coil n2 and the primary coil n1. In FIG. 1, the winding start ends of the primary coil n1 and the secondary coil n2 are indicated by black circles. In the illustrated example, the input terminal side is the winding start end, but the output terminal side may be the winding start end.

さらに、スイッチング素子Q1、Q2のそれぞれの制御端は、ツェナーダイオードZ1、Z2のカソードに接続され、ツェナーダイオードZ1、Z2のアノードは接地されている。ツェナーダイオードZ1、Z2は、スイッチング素子Q1、Q2の保護用であり、制御端に印加される電圧の上限を規定している。 Further, the control ends of the switching elements Q1 and Q2 are connected to the cathodes of the Zener diodes Z1 and Z2, and the anodes of the Zener diodes Z1 and Z2 are grounded. The Zener diodes Z1 and Z2 are for protecting the switching elements Q1 and Q2, and define the upper limit of the voltage applied to the control end.

さらに、二次コイルn2の一端と他端の間に接続された抵抗Rは、電流トランスCTの二次コイルがオープン状態となることを防止するための素子である。 Further, the resistance R connected between one end and the other end of the secondary coil n2 is an element for preventing the secondary coil of the current transformer CT from being opened.

<稼動停止切換回路>
さらに、短絡ブレーキ回路は、その稼動と停止を切り換える切換回路7を有する。切換回路7は、交流発電機の回転数が所定の設定値未満のときは短絡ブレーキ回路を停止状態に維持する。交流発電機の回転数は、公知の任意の回転数検知手段により検知することができる。ここでの回転数検知手段には、交流発電機の出力電圧を検知することによって回転数を判定するものも含まれるものとする。交流発電機の回転数が所定の設定値を超えたことが回転数検知手段により検知されたとき、切換回路7は、短絡ブレーキ回路を稼動状態とするように切り換えられる。
<Operation stop switching circuit>
Further, the short-circuit brake circuit has a switching circuit 7 for switching between operation and stop. The switching circuit 7 maintains the short-circuit brake circuit in a stopped state when the rotation speed of the alternator is less than a predetermined set value. The rotation speed of the alternator can be detected by any known rotation speed detecting means. The rotation speed detecting means here includes a means for determining the rotation speed by detecting the output voltage of the alternator. When the rotation speed detecting means detects that the rotation speed of the alternator exceeds a predetermined set value, the switching circuit 7 is switched so as to put the short-circuit brake circuit into an operating state.

図1に示した切換回路7は、電流トランスCTの二次コイルn2の両端間に接続されたスイッチSである。スイッチSは、交流発電機の回転数が所定の設定値未満のときは閉じられている。スイッチSが閉じられているときは、電流トランスCTの二次コイルn2が短絡状態である。この場合、短絡電流路5のスイッチング素子Q1、Q2の各々の制御端は接地電位となるので、スイッチング素子Q1、Q2はいずれも遮断状態となる。また、スイッチング素子Q1、Q2の各々のボディダイオード及び外付けダイオードD1、D2は、常に、いずれかが交流発電機の出力電流に対して逆方向となる。よって、短絡電流路5に短絡電流は流れない。 The switching circuit 7 shown in FIG. 1 is a switch S connected between both ends of the secondary coil n2 of the current transformer CT. The switch S is closed when the rotation speed of the alternator is less than a predetermined set value. When the switch S is closed, the secondary coil n2 of the current transformer CT is in a short-circuited state. In this case, since the control ends of the switching elements Q1 and Q2 of the short-circuit current path 5 have a ground potential, both the switching elements Q1 and Q2 are in a cutoff state. Further, any of the body diodes of the switching elements Q1 and Q2 and the external diodes D1 and D2 are always in the opposite direction to the output current of the alternator. Therefore, the short-circuit current does not flow in the short-circuit current path 5.

また、二次コイルn2が短絡状態のとき、一次コイルn1も短絡状態と等価である。従って、スイッチSが閉じているとき、交流発電機の出力電流は負荷電流として端子3、4へと流れる。 Further, when the secondary coil n2 is in the short-circuited state, the primary coil n1 is also equivalent to the short-circuited state. Therefore, when the switch S is closed, the output current of the alternator flows to the terminals 3 and 4 as a load current.

交流発電機の回転数が所定の設定値を超えると、スイッチSが開かれる。これにより、短絡ブレーキ回路が始動する。スイッチSが開かれている限り、短絡ブレーキ回路は稼動状態に維持される。 When the rotation speed of the alternator exceeds a predetermined set value, the switch S is opened. This starts the short circuit brake circuit. As long as the switch S is open, the short circuit brake circuit remains operational.

スイッチSは、外部からの制御信号が供給され続けることにより閉状態(短絡ブレーキ回路が停止状態)を維持し、外部からの制御信号が消失したことにより開状態(短絡ブレーキ回路が稼動状態)となることが、好適である。これにより、短絡ブレーキ回路のフェールセーフ機構を実現することができる。しかしながら、切換装置7がフェールセーフではない構成、すなわち外部からの制御信号が供給されることによりスイッチSが開状態(短絡ブレーキ回路が稼動状態)を維持する構成も、本発明に含まれるものとする。 The switch S maintains a closed state (short-circuit brake circuit is stopped) by continuously supplying a control signal from the outside, and is in an open state (short-circuit brake circuit is operating) when the control signal from the outside disappears. Is preferable. This makes it possible to realize a fail-safe mechanism for the short-circuit brake circuit. However, the present invention also includes a configuration in which the switching device 7 is not fail-safe, that is, a configuration in which the switch S is maintained in an open state (a short-circuit brake circuit is in an operating state) by being supplied with a control signal from the outside. do.

切換回路7は、図1に示した構成以外にも多様な構成が可能である。例えば、二次コイルn2に中間端子を設け、その中間端子と接地電位との間に十分に大きい負電圧を印加し続けることにより、スイッチング素子Q1、Q2をオフ状態に維持し、よって短絡ブレーキ回路を停止状態に維持することができる。 The switching circuit 7 can have various configurations other than the configuration shown in FIG. 1. For example, by providing an intermediate terminal on the secondary coil n2 and continuing to apply a sufficiently large negative voltage between the intermediate terminal and the ground potential, the switching elements Q1 and Q2 are kept in an off state, and thus a short-circuit brake circuit. Can be kept in a stopped state.

(2)回路動作
図2(a)~(g)は、図1の短絡ブレーキ回路の稼動状態(すなわちスイッチSが開状態)における電圧波形又は電流波形の一例を模式的に示したものである。横軸は時間であり、縦軸は任意の単位である。
(2) Circuit operation FIGS. 2 (a) to 2 (g) schematically show an example of a voltage waveform or a current waveform in the operating state of the short-circuit brake circuit of FIG. 1 (that is, the switch S is in the open state). .. The horizontal axis is time, and the vertical axis is an arbitrary unit.

図2(a)は、交流発電機から出力される出力電流Igを示している。但し、図2(a)の出力電流Igの正弦波の波形は、この周波数において本発明の短絡ブレーキ回路を非稼動としたときの波形である。実際には、短絡ブレーキ回路が稼動して短絡電流が流れた場合、出力電流Igの波形は、図2(a)の波形とは異なってくる。図2(a)は、短絡ブレーキ回路における各箇所の電流及び電圧の位相の基準とするための波形である。 FIG. 2A shows the output current Ig output from the alternator. However, the waveform of the sine wave of the output current Ig in FIG. 2A is the waveform when the short-circuit brake circuit of the present invention is not operated at this frequency. Actually, when the short-circuit brake circuit is operated and the short-circuit current flows, the waveform of the output current Ig is different from the waveform of FIG. 2A. FIG. 2A is a waveform used as a reference for the phases of current and voltage at each location in the short-circuit brake circuit.

図2(b)は、短絡ブレーキ回路の稼動状態における電流トランスCTの一次コイルn1に生じる電圧Vn1(巻き始端の電位)であり、(c)は二次コイルn2に生じる電圧Vn2(巻き始端の電位)である。交流発電機の出力電流により、一次コイルn1に位相が90°ずれた電圧Vn1が生じると、電流トランスCTの巻数比に従って二次コイルn2には電圧Vn2が生じる。電圧Vn2は、スイッチング素子Q1、Q2の制御端にそれぞれ印加される。この結果、図2(d)及び(e)に示すようにスイッチング素子Q1、Q2は、背反的にオン状態とオフ状態を繰り返すこととなる。 FIG. 2B shows the voltage Vn1 (potential at the winding start end) generated in the primary coil n1 of the current transformer CT in the operating state of the short-circuit brake circuit, and FIG. 2C shows the voltage Vn2 (winding start end potential) generated in the secondary coil n2. Potential). When the voltage Vn1 whose phase is shifted by 90 ° is generated in the primary coil n1 due to the output current of the alternator, the voltage Vn2 is generated in the secondary coil n2 according to the turns ratio of the current transformer CT. The voltage Vn2 is applied to the control ends of the switching elements Q1 and Q2, respectively. As a result, as shown in FIGS. 2 (d) and 2 (e), the switching elements Q1 and Q2 contradictably repeat the on state and the off state.

図2(f)は、短絡ブレーキ回路の短絡電流路に流れる短絡電流を、図2(g)は出力端子へと流れる負荷電流を示している。次に、図3及び図4を参照して、短絡ブレーキ回路の動作を詳細に説明する。 FIG. 2 (f) shows the short-circuit current flowing in the short-circuit current path of the short-circuit brake circuit, and FIG. 2 (g) shows the load current flowing to the output terminal. Next, the operation of the short-circuit brake circuit will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.

短絡ブレーキ回路の動作は、交流発電機の出力電流の位相により、以下の4つのモードに大まかに分けられる。
・モードI:正の出力電流が増加する位相
・モードII:正の出力電流が減少する位相
・モードIII:負の出力電流が増加する位相
・モードIV:負の出力電流が減少する位相
The operation of the short-circuit brake circuit is roughly divided into the following four modes according to the phase of the output current of the alternator.
-Mode I: Phase in which the positive output current increases-Mode II: Phase in which the positive output current decreases-Mode III: Phase in which the negative output current increases-Mode IV: Phase in which the negative output current decreases

ここで、「出力電流が増加」又は「出力電流が減少」というときは、電流の極性すなわち向きに関係なく、電流の絶対値が増加又は減少することを意味する。以下、各モード毎に図1の短絡ブレーキ回路の動作を説明する。 Here, when the term "output current increases" or "output current decreases" means that the absolute value of the current increases or decreases regardless of the polarity or direction of the current. Hereinafter, the operation of the short-circuit brake circuit of FIG. 1 will be described for each mode.

<モードI>
図3(a)は、モードIにおける回路動作を示す。モードIは、交流発電機の出力電流Igの位相が0°~90°の期間に相当する(図2(a)参照)。回路に流れる電流を矢印付き実線で示す(以下の図でも同様)。モードIにおける出力電流は、端子1から流入する向きに流れて増加する(図2(a)参照)。増加する出力電流が電流トランスCTの一次コイルn1を流れることにより、巻き始端が正電位となる電圧が誘起され(図2(b)参照)、相互誘導により二次コイルn2にも巻き始端が正電位となる電圧を生じる(図2(c)参照)。
<Mode I>
FIG. 3A shows the circuit operation in mode I. Mode I corresponds to a period in which the phase of the output current Ig of the alternator is 0 ° to 90 ° (see FIG. 2A). The current flowing through the circuit is shown by a solid line with an arrow (the same applies to the figure below). The output current in the mode I flows in the direction of inflow from the terminal 1 and increases (see FIG. 2A). When the increasing output current flows through the primary coil n1 of the current transformer CT, a voltage at which the winding start end becomes a positive potential is induced (see FIG. 2B), and the winding start end is also positive in the secondary coil n2 by mutual induction. It produces a potential voltage (see FIG. 2 (c)).

このような二次コイルn2の電位状態のとき、スイッチング素子Q1はオン状態、スイッチング素子Q2はオフ状態である(ここでは、説明を簡略化するために、MOSFETであるスイッチング素子の数ボルト程度のゲート電圧を無視し、正のゲート電圧でオン状態、負のゲート電圧でオフ状態とみなす。以下同じ)。スイッチング素子Q2はオフ状態であるが、外付けダイオードD2(又はボディダイオード)が出力電流に対して順方向である。この場合、短絡電流路が導通する。従って、モードIでは、出力電流は、端子1→スイッチング素子Q1→外付けダイオードD2(又はボディダイオード)→端子2の短絡電流路を、短絡電流Is1として流れる。短絡電流Is1が流れることにより、交流発電機に制動トルクがかかる。 In such a potential state of the secondary coil n2, the switching element Q1 is in the on state and the switching element Q2 is in the off state. Ignoring the gate voltage, the positive gate voltage is regarded as the on state, and the negative gate voltage is regarded as the off state. The same applies hereinafter). The switching element Q2 is in the off state, but the external diode D2 (or body diode) is in the forward direction with respect to the output current. In this case, the short-circuit current path becomes conductive. Therefore, in the mode I, the output current flows through the short-circuit current path of the terminal 1 → the switching element Q1 → the external diode D2 (or the body diode) → the terminal 2 as the short-circuit current Is1. When the short-circuit current Is1 flows, braking torque is applied to the alternator.

<モードII>
図3(b)は、モードIIにおける回路動作を示す。モードIIは、交流発電機の出力電流Igの位相が90°~180°の期間に相当する(図2(a)参照)。モードIIにおける交流発電機の出力電流は、モードIに引き続き端子1から流入する向きに流れるが、その大きさは減少する(図2(a)参照)。減少する出力電流が電流トランスCTの一次コイルn1を流れることにより巻き終端が正電位となる電圧が誘起され(図2(b)参照)、相互誘導により二次コイルn2にも巻き終端が正電位となる電圧を生じる(図2(c)参照)。
<Mode II>
FIG. 3B shows the circuit operation in Mode II. Mode II corresponds to a period in which the phase of the output current Ig of the alternator is 90 ° to 180 ° (see FIG. 2A). The output current of the alternator in mode II flows in the direction of flowing in from terminal 1 following mode I, but its magnitude decreases (see FIG. 2A). When the decreasing output current flows through the primary coil n1 of the current transformer CT, a voltage at which the winding end becomes a positive potential is induced (see FIG. 2B), and the winding end also has a positive potential at the secondary coil n2 due to mutual induction. (See FIG. 2 (c)).

このような二次コイルn2の電位状態のとき、スイッチング素子Q1はオフ状態、スイッチング素子Q2はオン状態となる。スイッチング素子Q2はオン状態であるが、スイッチング素子Q1がオフ状態でありかつその外付けダイオードD1(及びボディダイオード)は出力電流に対して逆方向となるため、出力電流は短絡電流路を流れることができない。この場合、短絡電流路は遮断される。その結果、出力電流は、負荷電流Io1として端子3へと流れる。負荷電流Io1は、後段に接続された負荷を流れるので、その大きさは短絡電流Is1に比べて小さい。 In such a potential state of the secondary coil n2, the switching element Q1 is in the off state and the switching element Q2 is in the on state. The switching element Q2 is in the ON state, but the switching element Q1 is in the OFF state and the external diode D1 (and the body diode) thereof is in the opposite direction to the output current, so that the output current flows in the short-circuit current path. I can't. In this case, the short circuit current path is cut off. As a result, the output current flows to the terminal 3 as the load current Io1. Since the load current Io1 flows through the load connected to the subsequent stage, its magnitude is smaller than that of the short-circuit current Is1.

<モードIII>
図4(a)は、モードIIIにおける回路動作を示す。モードIIIは、交流発電機の出力電流Igの位相が180°~270°の期間に相当する(図2(a)参照)。モードIIIにおける出力電流は、端子2から流入する向きに流れて増加する(図2(a)参照)。増加する出力電流が電流トランスCTの一次コイルn1を流れることにより、巻き終端が正電位となる電圧が誘起され(図2(b)参照)、相互誘導により二次コイルn2にも巻き終端が正電位となる電圧を生じる(図2(c)参照)。
<Mode III>
FIG. 4A shows the circuit operation in mode III. Mode III corresponds to a period in which the phase of the output current Ig of the alternator is 180 ° to 270 ° (see FIG. 2A). The output current in mode III flows in the direction of inflow from the terminal 2 and increases (see FIG. 2A). When the increasing output current flows through the primary coil n1 of the current transformer CT, a voltage at which the winding end becomes a positive potential is induced (see FIG. 2B), and the winding ending is also positive in the secondary coil n2 by mutual induction. It produces a potential voltage (see FIG. 2 (c)).

このような二次コイルn2の電位状態のとき、スイッチング素子Q1はオフ状態、スイッチング素子Q2はオン状態である(図2(d)(e)参照)。スイッチング素子Q1はオフ状態であるが、外付けダイオードD1(又はボディダイオード)が出力電流に対して順方向である。この場合、短絡電流路が導通する。従って、モードIIIでは、出力電流は、端子2→スイッチング素子Q2→外付けダイオードD1(又はボディダイオード)→端子1の短絡電流路を、短絡電流Is2として流れる(図2(f)参照)。短絡電流Is2が流れることにより、交流発電機に制動トルクがかかる。 In such a potential state of the secondary coil n2, the switching element Q1 is in the off state and the switching element Q2 is in the on state (see FIGS. 2 (d) and 2 (e)). The switching element Q1 is in the off state, but the external diode D1 (or body diode) is in the forward direction with respect to the output current. In this case, the short-circuit current path becomes conductive. Therefore, in the mode III, the output current flows through the short-circuit current path of the terminal 2 → the switching element Q2 → the external diode D1 (or the body diode) → the terminal 1 as the short-circuit current Is2 (see FIG. 2 (f)). Braking torque is applied to the alternator due to the short-circuit current Is2 flowing.

図4(b)は、モードIVにおける回路動作を示す。モードIVは、交流発電機の出力電流の位相が270°~360°の期間に相当する(図2(a)参照)。モードIVにおける交流発電機の出力電流は、モードIIIに引き続き端子2から流入する向きに流れるが、その大きさは減少する(図2(a)参照)。減少する出力電流が電流トランスCTの一次コイルn1を流れることにより、巻き始端が正電位となる電圧が誘起され(図2(b)参照)、相互誘導により二次コイルn2にも巻き始端が正電位となる電圧を生じる(図2(c)参照)。 FIG. 4B shows the circuit operation in Mode IV. Mode IV corresponds to a period in which the phase of the output current of the alternator is 270 ° to 360 ° (see FIG. 2A). The output current of the alternator in mode IV flows in the direction of flowing in from terminal 2 following mode III, but its magnitude decreases (see FIG. 2A). When the decreasing output current flows through the primary coil n1 of the current transformer CT, a voltage at which the winding start end becomes a positive potential is induced (see FIG. 2B), and the winding start end is also positive in the secondary coil n2 by mutual induction. It produces a potential voltage (see FIG. 2 (c)).

このような二次コイルn2の電位状態のとき、スイッチング素子Q1はオン状態、スイッチング素子Q2はオフ状態となる(図2(d)(e)参照)。スイッチング素子Q1はオン状態であるが、スイッチング素子Q2がオフ状態でありかつその外付けダイオードD2(及びボディダイオード)は出力電流に対して逆方向となるため、出力電流は短絡電流路を流れることができない。この場合、短絡電流路は遮断される。その結果、出力電流は、負荷電流Io2として端子4へと流れる(図2(g)参照)。なお、負荷電流Io2は、後段に接続された適宜の負荷を流れるので、その大きさは短絡電流Is2に比べて小さい。 In such a potential state of the secondary coil n2, the switching element Q1 is in the on state and the switching element Q2 is in the off state (see FIGS. 2 (d) and 2 (e)). The switching element Q1 is in the ON state, but the switching element Q2 is in the OFF state and the external diode D2 (and the body diode) thereof is in the opposite direction to the output current, so that the output current flows in the short-circuit current path. I can't. In this case, the short circuit current path is cut off. As a result, the output current flows to the terminal 4 as the load current Io2 (see FIG. 2 (g)). Since the load current Io2 flows through an appropriate load connected to the subsequent stage, its magnitude is smaller than that of the short-circuit current Is2.

図5は、本発明の効果を説明するための図である。図5(a)は、図2(a)と同じ図であり、交流発電機の出力電流Igの位相とモードI~IVとの対応を示す。 FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of the present invention. FIG. 5 (a) is the same diagram as in FIG. 2 (a), and shows the correspondence between the phase of the output current Ig of the alternator and the modes I to IV.

図5(b)は、上側に同期発電機のロータの回転状況を模式的に示し、下側にそれに対応してモードI~IVに送電線間に流れる電流を示している。ここでは、ロータが永久磁石又は界磁コイルであり、ステータが電機子コイルである同期発電機を想定している。電機子コイルから出力電流が出力される。 In FIG. 5B, the rotation state of the rotor of the synchronous generator is schematically shown on the upper side, and the current flowing between the transmission lines in modes I to IV corresponding to the rotation state is shown on the lower side. Here, it is assumed that the rotor is a permanent magnet or a field coil and the stator is an armature coil. The output current is output from the armature coil.

ここでは説明を簡単とするために、ステータは、位相90°と270°でロータのN極とS極に向かい合う一箇所のみに設けられているとする。先ずロータのN極がモードIでステータに近づいていき、モードIIでステータから離れていき、その後、ロータのS極がモードIIIでステータに近づいていき、モードIVでステータから離れていく。 Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the stator is provided only at one position facing the north and south poles of the rotor at phases of 90 ° and 270 °. First, the north pole of the rotor approaches the stator in mode I and separates from the stator in mode II, then the S pole of the rotor approaches the stator in mode III and separates from the stator in mode IV.

外力(例えば風力)により生じるロータの回転トルクの向きを白抜き矢印Trで示す。モードIで流れる短絡電流Is1は、ロータに対し制動トルクTbrを生じさせる結果、回転トルクTrを減少させる。モードIIで流れる負荷電流Io1は、ロータに対し加速トルクTacを生じさせるが、負荷電流Io1は短絡電流Is1に比べて小さいため、回転トルクTrの増加への寄与は小さい。モードIII及びIVについても同様である。総合的に、本発明の短絡ブレーキ回路において短絡電流Is1、Is2が流れることにより、ロータの回転トルクTrを減少させることになる。 The direction of the rotational torque of the rotor generated by an external force (for example, wind power) is indicated by the white arrow Tr. The short-circuit current Is1 flowing in the mode I causes a braking torque Tbr for the rotor, and as a result, reduces the rotational torque Tr. The load current Io1 flowing in the mode II causes an acceleration torque Tac for the rotor, but since the load current Io1 is smaller than the short-circuit current Is1, the contribution to the increase in the rotational torque Tr is small. The same applies to modes III and IV. Overall, the short-circuit currents Is1 and Is2 flow in the short-circuit brake circuit of the present invention, thereby reducing the rotational torque Tr of the rotor.

これに対し図5(c)は、図5(b)と同様の図であるが、短絡電流Isが連続的に流れる場合を示している。例えば、特許文献1~3の短絡ブレーキ回路において流れる短絡電流がこれに相当する。この場合、モードII及びIVにおいても短絡電流が流れるために、モードI及びIIIの短絡電流により得られる制動トルクTbrと、モードII及びIVの短絡電流により生じる加速トルクTacが同程度となる。従って、総合的に相殺しあって回転トルクTrを減少させることができない。この現象は特に高速回転において生じる問題である。本発明により、この現象を改善することができる。 On the other hand, FIG. 5 (c) is the same as FIG. 5 (b), but shows a case where the short-circuit current Is continuously flows. For example, the short-circuit current flowing in the short-circuit brake circuit of Patent Documents 1 to 3 corresponds to this. In this case, since the short-circuit current also flows in the modes II and IV, the braking torque Tbr obtained by the short-circuit currents of the modes I and III and the acceleration torque Tac generated by the short-circuit currents of the modes II and IV are about the same. Therefore, the rotational torque Tr cannot be reduced because they cancel each other out comprehensively. This phenomenon is a problem that occurs especially in high-speed rotation. According to the present invention, this phenomenon can be improved.

本発明は、図示し説明した構成例に限られず、本発明の原理に沿って多様な変形形態が可能であり、それらについても本発明の範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the configuration examples illustrated and described, and various modified forms are possible according to the principle of the present invention, and these are also included in the scope of the present invention.

1、2、3、4 端子
5 短絡電流路
6 制御回路
7 切換回路
Q1、Q2 スイッチング素子
r、s 送電線
D1、D2 外付けダイオード
Z1、Z2 ツェナーダイオード
Is1、Is2 短絡電流
Io1、Io2 負荷電流
1, 2, 3, 4 terminals 5 Short-circuit current path 6 Control circuit 7 Switching circuit Q1, Q2 Switching element r, s Transmission line D1, D2 External diode Z1, Z2 Zener diode Is1, Is2 Short-circuit current Io1, Io2 Load current

Claims (3)

交流発電機の出力電流が流れる送電線間に接続されかつ導通又は遮断されるように制御可能な短絡電流路と、
前記出力電流が増加する位相の期間には該出力電流に対して前記短絡電流路が導通し、前記出力電流が減少する位相の期間には該出力電流に対して前記短絡電流路が遮断されるように構成された制御回路と、を備えたことを特徴とする交流発電機の短絡ブレーキ回路。
A short-circuit current path that is connected between transmission lines through which the output current of an alternator flows and can be controlled to conduct or cut off.
During the period of the phase in which the output current increases, the short-circuit current path conducts with respect to the output current, and during the period of the phase in which the output current decreases, the short-circuit current path is cut off with respect to the output current. A short-circuit brake circuit for an alternator, characterized in that it is equipped with a control circuit configured as such.
前記短絡電流路が、互いに逆向きに直列接続されかつそれぞれ制御端を具備する第1及び第2のスイッチング素子を有し、
前記制御回路が電流トランスを有し、前記電流トランスの一次コイルが前記送電線の一方に直列に挿入接続されると共に、二次コイルの一端が前記第1のスイッチング素子の制御端に、二次コイルの他端が前記第2のスイッチング素子の制御端にそれぞれ接続されており、
前記第1及び第2のスイッチング素子は、前記出力電流によって前記電流トランスの二次コイルに生じる電圧によりそれぞれオンオフ制御されることを特徴とする請求項1に記載の交流発電機の短絡ブレーキ回路。
The short-circuit current paths are connected in series in opposite directions to each other and have first and second switching elements each having a control end.
The control circuit has a current transformer, the primary coil of the current transformer is inserted and connected in series with one of the transmission lines, and one end of the secondary coil is secondary to the control end of the first switching element. The other end of the coil is connected to the control end of the second switching element, respectively.
The short-circuit brake circuit of an alternator according to claim 1, wherein the first and second switching elements are on / off controlled by a voltage generated in a secondary coil of the current transformer by the output current.
前記交流発電機の回転数が所定の設定値未満のときは前記短絡ブレーキ回路を停止状態に維持すると共に、前記交流発電機の回転数が所定の設定値を超えたときは前記短絡ブレーキ回路を稼動状態とするように切り換える切換回路をさらに有することを特徴とする請求項1又は2に記載の交流発電機の短絡ブレーキ回路。 When the rotation speed of the alternator is less than the predetermined set value, the short-circuit brake circuit is maintained in a stopped state, and when the rotation speed of the alternator exceeds the predetermined set value, the short-circuit brake circuit is operated. The short-circuit brake circuit for an alternator according to claim 1 or 2, further comprising a switching circuit for switching to an operating state.
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