JPH0274198A

JPH0274198A - 自燃エネルギー利用発電装置

Info

Publication number: JPH0274198A
Application number: JP63225798A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Miyagi; 弘宮城; Yasuji Kikata; 木方　靖二; Toshiaki Nakano; 敏昭中野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-09-09
Filing date: 1988-09-09
Publication date: 1990-03-14

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は風力、潮流、潮力、波力等の自然エネルギーを
利用して、一定周波数で一定出力の発電を行なうための
自然エネルギー利用発電装置に関する。

〔従来の技術〕

従来より前記したような自然エネルギーを利用した発電
装置は種々開発され試験が行なわれているが、いずれの
発電装置にあっても大掛かりで商用段階には達しておら
ず、実験段階あるいは一部地域で利用されているに止ま
っている。

（発明が解決しようとする課題）すなわち、自然エネルギーにおいては、エネルギー密度
が小さいので、これを有効利用するためには、自然エネ
ルギーを回転エネルギーに変換する機械エネルギー変換
部、例えば、風力発電の場合における風車に大型のもの
を使用する必要が生じるが、しかし、この機械エネルギ
ー変換部に大型のものを使用すると、回転数が低くなり
低回転用発電機の開発が必要になる。また、自然エネル
ギーは変動が激しいために、発生電力に変動が生じると
共に発電機に同期発電機を用いた場合には、出力周波数
まで変動してしまう。

そこで、これらの自然エネルギーを利用した発電装置を
一般商用ＮＷＡ系に組み入れるためには、電力の質規制
を行なう特別の変電設備が必要となり、従って、電力コ
ストが大きくなるという問題が発生する。

また、−膜内に定格回転数近辺で運転するときに発電機
の最大効率が得られるように設計されるために、回転数
が大幅に変動するとエネルギーを有効的に電力に変換で
きないという問題も生じた。

本発明は前記したような問題点を解決せんとするもので
、その目的とするところは、発ｆ４ａ＋、：誘８Ｓ機を
用いて前記した問題点を解決すると共に、誘導発電機を
用いることにより問題となる励磁電力供給、始動時の突
入電流の制限および周波数の安定化を解決した自然エネ
ルギー利用発電装置を提供するにある。

（課題を解決するための手段〕前記した目的を達成するために、本発明の自然エネルギ
ー利用発電装置においては、自然エネルギーによって回
転される誘導発電機と、該誘導発電機の励磁周波数を変
え同期速度を変更し、かつ、前記誘導発電機のすべりを
調整する可変電圧−可変周波数型インバータとより構成
したものである。

〔作　用〕前記したように構成された自然エネルギー利用発電装置
は、誘導発電機の励磁を可変電圧−可変周波数インバー
タにより機械的入力の回転数と同期させながら始動する
と共に、機械的入力回転数が変化しても誘導発［１のす
べりを調整することにより、出力電圧および出力周波数
を一定に保つことができるものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図と共に説明する。

図において、１は風力等の自然エネルギーによって回転
する風車等の回転部材、２は該回転部材１の回転速度を
増加させる変速機、３は該変速Ｒ２よりの回転力によっ
て回転される誘導発電機、４はバッテリー等の外部電源
、５は該外部Ｎ源４により動作し、前記誘導発’ＲＲ３
の励磁を行なう可変電圧−可変周波数型（以下、ＶＶＶ
Ｆ型という）インバータ、６は逆流防止用ダイオード、
７は前記誘導発Ｔｉ機３より得られた電力を供給する母
線、８は該母線γに接続された力率改善用コンデンサ、
９は母線１に接続された負荷である。

前記した如く誘導発電機３の励磁をＶＶＶＦ型インバー
タ５によって行なうことにより、すなわち、インバータ
５で機械的入力の回転数と同期させながら発電機３を始
動させた場合、インバータ５の容量は鉄損等を補う始動
電力で良く、そして、機械的入力回転数（すべり）の変
化に対して出力電圧および周波数を一定に保つことがで
き、また、誘導発電機３の発電効率が機械的入力回転数
が変動してもＶＶＶＦ型インバータ５による周波数制御
を行なうことにより、エネルギー変換効率を常に最大に
保つことができる。すなわち、自然エネルギーのように
回転数の変化が激しい１合でも、前記回転数に対応して
ＶＶＶＦ型インバータ５を制御して励磁周波数および励
磁電圧を変え、発電電力を最大にすることができる。

さらに、Ｖ’Ｖ　Ｖ　Ｆ型インバータ５による起動をす
ることによって、機械的入力回転数と同期させ、しかも
低い電圧で始動することが可能であるため、突入電流の
影響を考える必要がない。

また、第１図の如く母ｌＩ７に力率改善コンデンサ８を
接続することにより、インバータ容量をさらに減少させ
ることができるものである。

次に、前記した本発明の動作原理を第２図の実験装置か
ら説明する。

この実験装置で用いた発電機３は、汎用誘導撮（４Ｐ）
で、１種絶縁を施したものである。

誘導電動機としての定格は周波数５０［Ｈｚ］でｌ流Ｊ
５ｔＪ：ヒ’１ｆｆＪＩが９［Ａ］、２００［Ｖ］、回
転数１４３０　［ｒｐ■］のとき出力２．２［に賀］で
あるこの誘導機を発Ｉ！機として使用するためには、同
期速度以上で運転しなければならないことからもわかる
ように、同期速度の設定が大切である。従来の方法だと
同期速度は系統の周波数で決定されるため、それ以下の
回転数の機械的入力を電気エネルギーに変換することが
できなかった。従って、電源にＶＶＶＦ型インバータ５
を用いる方法を採用し、励磁周波数を変え同期速度を変
更して、発電機としての動作範囲を広げることができる
。さらに、このときの機械的入力を最大限に電気エネル
ギーに変換できるようにすべりを調整することも可能で
ある。また、励磁電圧を広範囲に可変とするため、レギ
ュレータ１０を接続しである。発電機３とインバータに
並列に負荷９を設置した。ここで用いたインバータ１１
は、正弦波Ｐ　Ｗ　Ｍ　ｔ、ＩＩ　Ｉｌｌ方式で定格５
．５　［Ｋ１４］　、１６［Ａ］、出力周波数範囲２．
４〜４００［）１ｚ］である。また、負荷９は可変抵抗
器で定格５［ＫＷ］、２００［Ｖ］の純抵抗器を用いた
。発’１Ｉｆｉ１３を駆動する自然エネルギーの代わり
に、出力５．５［に讐］の誘導機１２を用いた。この誘
導機１２をインバータ（１１［にＶＡ　］　）で運転し
、誘導発１１３をｌｌｌ１１１１できるようにした。さ
らに、発電機３の入力回転数［ｒｐｌと入力トルクＥＫ
９・ｍ］を検出するために、発電機入力軸にトルク計１
３を設けた。計測器には、電流力計型の電力計１４〜１
６および可動鉄片型の電流計１７〜１９を用いたが、イ
ンバータから出力される波形が高調波を含んでいるため
デジタルメータ２０を用いて各々の値を校正（精度１０
．１％以内）した。

く実験方法〉この実験装置で以下の実験を行なった。なお、測定範囲
は発’１機３の定格電流の１２０％までとした。

（１）発Ｔ１機すべり特性励磁電圧（２２０〜６０［νＪ）・周波数（５０〜２５
［Ｈ２］）の組合せを設定し、一定として発電機のすべ
り（機械的入力）を可変としたｉ導発電顆３の特性を求
める。

（２）発１！機出カー励磁周波数特性模擬エネルギー〈誘導電動機１２）を、任意（９００，
１２００，１５００［ｒｌ）ｌ　］　）に設定し、励磁
電圧（２００〜６０［Ｖ］）を一定として、励磁周波数
を可変としたときの誘導発′４機３の特性を求める。

以上の結果から、次の特性を求める。

（３）発Ｉｌｌ出力−励磁電流特性励１１１！圧を一定としたとき、発？！機３から出力を
得るのに必要な励磁電流Ｉ、を、インバータ出力電力Ｗ
＋［］とａＷａＮ圧Ｖ［Ｖ］、インバータ出力電流１＋
［Ａ］より次式で求め、発ＭＨＩ出力に対する特性を求
める。

〈実験結果〉（１）発電機すべり特性第３図に発電機３のすべり特性の一例を示す。この特性
から負荷消費電力Ｗ２は、インバータ出力電力Ｗ１と発
電機出力電力Ｗ３の和になっていることがわかる。負荷
９が要求する電力を発電機３で全て供給できるとき、イ
ンバータ５の出力電力は零となっているが、インバータ
５の出力電流は流れていることがわかる。このときイン
バータ５は、発電ｔＩ３の必要とする無効電力のみを供
給している。従って、負荷電力に合せて発電機出力を調
整すれば、インバータは発電機３の無効電力を供給する
だけの容量でよいことになる。しかし、この状態を機械
的入力が変動する自然エネルギー発電に対応するために
は負荷９を発電機３の出力に合せて可変し、状態を保つ
ことはＶＶＶＦ型インバータ５の制御なしでは困難であ
る。従って、実際にはインバータ５の容量は、負荷消費
電力と発Ｔ４ＩＩ出力電力差の有効電力分も考慮する必
要があるが、負荷９を発電機３の出力に合せる場合を考
えたときのインバータ５の寄合を検討する。また、この
特性から機械的入力回転数（すべり）が変動しても、発
電機出力電圧および周波数を一定に保つことができるこ
とがわかった。

（２Ｊ発電機出カー励磁１！流特性誘導発電ｔ１１３として運転する場合、励磁電流（６ｎ
化電流）を供給しなければならないので、電気的出力が
増大すると無効電流も増大する。ＶＶＶＦ型インバータ
５の出力電流のうち有効分を除いた無効電流を励磁電流
と定義する。発電機出力と励１１電流の関係を、第４図
〜第６図に示す。実線は円線図法から求めた理論値で破
線が実験値である。発Ｎ灘出力が零のときの励磁電流が
磁化？ｉｆ流であり、この磁化電流はインバータが全て
供給するのであるから、このときの磁化電力がインバー
タの最小客層である。

磁化電流は、励磁周波数が低く励ｉ＆電圧が高いほど増
加する。発電機出力が増大すると励磁電流も増加し、前
述の説明と一致する。また、第６図から判るように電圧
が低いほど磁化電流は減少している。発電機の出力が増
すに従って急激に励磁電流は増加するが、励磁周波数が
５０［）１ｚ］と４０［Ｈｚｌについて比較すると５０
［Ｈｚｌの方が増加割合が大きくなっている。−膜内に
は、励磁Ｔｉ圧を低くするほどインバータ容はは小さく
てよいが、励磁電圧を低く設定した場合、同じ発電機出
力に対して、励磁電圧に反比例して出力電流が増大し、
銅損増加による発電機の効率悪化および温度上昇を考慮
する必要がある。従って、インバータの容量は自然エネ
ルギー（例えば、風速の範囲および風速継続時間）を考
慮して決定しなければならない。

（３）励磁周波数−発電機出力特性第７図にその特性を示す。図は、自然エネルギー（風車
）の出力特性を模擬した場合で、風車すなわち誘導電動
機１２の回転数の初期設定を１５００．１２００．　９
ｏＯ［ｒｏｍ　］とし、励磁周波数を同期周波数から下
げたときの発ｉｔ機出力を求めた特性である。この特性
は、機械的入力回転数が決まっているとき、励磁周波数
及び励磁電圧を設定することにより最高出力を取り出す
ことができることを示している。すなわち、風車の特性
が求まっておれば、風車の回転数を検出してＶＶＶＦ型
インバータ５を制御することにより、常に電気出力を最
大にすることができる。

またこの方法は、誘導電動機１２の回転数に対応して、
発生電力に変動が起こることは避けられないが、出力側
電圧は広範囲の変化に対してほぼ一定の電圧を維持し得
る特性を有する。また、自然エネルギーを有効に電力に
変換することができる。

以上の実験結果よりして、誘導発電機３をＶＶｖＦ型イ
ンバータ５によって励磁することにより、出力周波数が
一定で出力電圧が一定な電力が得られるものである。

なお、前記した実施例では、誘導発電機３の励磁を行う
ＶＶＶＦインバータ５よりの出力を母線１を介して行う
一次励磁の方式について説明したが、第８図に示す如く
、母線７からダイオード６、外部電［４、ＶＶＶＦイン
バータ５を介して誘導発電機３の励磁を行う二次励磁の
方式であっても、前記した如き作用が得られるものであ
る。

（発明の効果）本発明は前記したように、ＶＶＶＦ型インバータ５で自
然エネルギーによる回転数と同期させながら誘導発電機
を始動させることにより、該インバータ容量は鉄損等を
補う始動電力で良く、従って、インバータ容量は誘導発
電機の励磁容量のみあれば良いこととなる。また、誘導
発１１１ｍのすべりの変化に対して電圧および周波数を
一定に保つことができる等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
実験装置のブロック図、第３図は誘導発電機のすべり特
性図、第４図〜第６図は励磁１！流特性図、第７図は励
磁周波数−Ｍ導発電機の出力特性図、第８図は本発明の
他の実施例を示すブロック図である。１・・・回転部材、２・・・変速橢、３・・・誘導光Ｍ
＊、４・・・電池、５・・・可変電圧−可変周波数型イ
ンバータ、９・・・負荷。特許出願人　　赤　　穂　　義　　夫第１口鵠図第第［２ａ第Ｉコ第

Claims

【特許請求の範囲】

自然エネルギーによって回転される誘導発電機と、該誘
導発電機の励磁周波数を変え同期速度を変更し、かつ、
前記誘導発電機のすべりを調整する可変電圧−可変周波
数型インバータとより構成したことを特徴とする自然エ
ネルギー利用発電装置。