JPH0515198A

JPH0515198A - 磁石発電装置

Info

Publication number: JPH0515198A
Application number: JP3189562A
Authority: JP
Inventors: 敦史 ▲高▼木; Atsushi Takagi; Osamu Kawabata; 修川端; Hitoshi Okamoto; 均岡元; Tomio Tanaka; 富男田中; Toshiaki Yamaguchi; 利昭山口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1991-07-04
Filing date: 1991-07-04
Publication date: 1993-01-22

Abstract

(57)【要約】【目的】界磁極として永久磁石を有する同期発電機を
使用して、負荷が変動しても出力電圧を一定に保つこと
ができる発電装置を得る。【構成】磁石同期発電機１の出力電圧は電圧検出器５
で検出される。また、比較器６は検出された出力電圧と
基準電圧との偏差を出力する。制御装置８Ａは、出力電
圧が基準電圧よりも大きいときに、その偏差に応じた位
相制御量を位相制御装置４に与える。よって、リアクト
ル３に偏差に応じた遅相の補償電流が流れる。この補償
電流は、電機子電流の遅れ成分を増大させ、その結果、
電機子反作用を増大させて出力電圧を低下させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、磁石同期発電機を用
いて一定の出力電圧を発生する磁石発電装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】磁石同期発電機は、電機子に出力巻線を
有し回転界磁極として永久磁石を有する簡単な構成であ
り、小容量発電機として多用されている。

【０００３】ここで、磁石同期発電機の特性について説
明する。図２６は、磁石同期発電機の回転界磁極として
用いられる永久磁石の特性を示したものである。永久磁
石は、図２６に示す磁束密度Ｂと起磁力Ｈとを軸とした
ＢＨ座標によるグラフ上で、リコイル線Ｂ_r Ｈ_C に沿っ
て動作する。ここで、Ｂ_r は残留磁束密度、Ｈ_C は保磁
力を示している。また、希土類系磁石を用いた場合に
は、その透磁率μ_S ≒１であるから、リコイル線の傾き
は約４５°である。

【０００４】磁石動機発電機は、無負荷時の動作点を
Ｃ、三相短絡時の動作点をＤとすれば、負荷時にはそれ
らの間の点Ｅで動作する。ここで、グラフ上の各線分の
長さは次のような物理的意味をもつ。

【０００５】無負荷時には、ＣＢ₁ は無負荷時ギャップ
部アンペアターン（以下、アンペアターンをＡＴとい
う。）、ＣＤ₁ は無負荷時ｄ軸磁束（磁束密度に磁石面
積を乗じたもの）で、これらは無負荷時出力電圧を決定
する。Ｄ₁ Ｈ₁ は無負荷もの磁束になる。

【０００６】三相短絡時には、ＤＢ₃ は三相短絡減磁Ａ
Ｔ（三相短絡時電機子反作用起磁力のｄ軸成分）を、Ｄ
Ｈ₃ は三相短絡もれ磁束を示す。負荷時には、ＥＦは負
荷時電機子反作用起磁力のｄ軸成分を、ＦＢ₂ は負荷時
ギャップ部ＡＴを、ＥＤ₂ は負荷時ｄ軸磁束を、そし
て、Ｄ₂ Ｈ₂ は負荷時もれ磁束を示す。

【０００７】ここで、もれ磁束は小さいのでこれを無視
し、下式のように定義したＸ₁ を用い図２６における横
軸をＸ₁ 倍する座標変換を施すと図２７が得られる。Ｘ₁ ≡０Ｂ₁ ／０Ｈ₃図２７は、図２６においてもれ磁
束を無視し、さらにギャップ部ＡＴを考慮しない永久磁
石簡易特性を示している。

【０００８】図２７の縦軸における点Ｂ₁ ，Ｂ₂ ，０
は、それぞれ図２６におけるＣ，Ｆａ，Ｄ_1aに相当し、
もれ磁束を無視しているので、下式が成立する。０Ｂ₁ ＝Ｄ₁ Ｃ＝Ｄ_1aＣ＝Ｄ_1aＤ

【０００９】また、０Ｈ₃ ＝Ｂ₃ Ｄとなり、Ｘ₁ は（Ｄ
_1aＤ／Ｂ₃ Ｄ）と同一になる。これより、横軸をＸ₁ 倍
することは、図２６におけるΔＣＤＢ₃ 上の点Ｆを点Ｆ
ａに、また点Ｂ₃ をＤ_1aに移行させ、ΔＣＤＢ₃ をΔＣ
ＤＤ_1aとすることを意味する。よって、ギャップ部ＡＴ
を考慮せずにすむ図２７を得ることができる。このと
き、縦軸に無負荷特性、横軸は三相短絡特性を表わすこ
とになる。

【００１０】このように、比例定数Ｘ₁ は、起磁力（Ａ
Ｔすなわち電流に相当）から磁束（電圧に相当）への換
算係数（リアクタンスに相当）を表わすと同時に、ギャ
ップ部ＡＴを考慮せずに済まし、図２７上で電機子反作
用起磁力と磁束とをともにスカラ量として扱うことを可
能にしている。

【００１１】よって、図２７において、ＥＨ₂₂＋ＥＢ₂
＝０Ｂ₁ （式（１））である。ここで、ＥＨ₂₂は、図２
６におけるＥＤ₂ に対応し、負荷時のｄ軸磁束を表わし
ている。また、ＥＢ₂ は、図２６にけるＥＦすなわち負
荷時電機子反作用起磁力のｄ軸成分に対応し、０Ｂ₁
は、図２６における０Ｂ₁ と同一で、無負荷時ｄ軸磁束
すなわち内部誘起電圧を表わす。従って、式（１）は次
のような意味を持つ。負荷時ｄ軸磁束＋負荷時電機子反作用起磁力ｄ軸成分＝無負荷時ｄ軸磁束

【００１２】ここで、希土類系磁石を用いた場合にその
透磁率μ_S ≒１であるから、起磁力≒磁束となり、この
磁束に磁石同期発電機の電機子有効巻数を乗じることに
より磁束は電圧に変換できる。よって、式（１）は次の
ようにも表わせる。負荷時ｑ軸電圧＋負荷時電機子反作用電圧ｑ軸成分＝内部誘起電圧こうして、図２７に示す永久磁石簡易特性と図２８のフ
ェーザ線図のｑ軸電圧（ｄ軸磁束）との関係が対応づけ
られる。

【００１３】ここで、図２８におけるＥｆは磁石同期発
電機の内部誘起電圧、（Ｘ₁ ・Ｉ）_q は負荷時電機子反
作用電圧のｑ軸成分、Ｖ_tqは出力電圧のｑ軸成分であ
り、δは内部相差角、θは力率角、Ｉは電流を示す。ま
た、Ｅｆは図２７における０Ｂ₁ に、（Ｘ₁ ・Ｉ）_q は
Ｂ₁ Ｂ₂ に、そしてＶ_tqは０Ｂ₂ に相当している。

【００１４】出力電圧Ｖ_t は、ベクトル演算である下式
で表わされる。Ｖｔ＝Ｅｆ−ｊＸ₁ ・Ｉ

【００１５】よって、磁石同期発電機の電圧と電流との
関係は、図２９に示す単独電圧特性となる。すなわち、
遅れ位相の電流が流れると、電機子反作用電圧のｑ軸成
分が大きいため、電流の増加につれて電圧の垂下は大き
くなる。電機子反作用電圧のｑ軸成分の小さな１．０力
率電流では電圧の垂下が小さい。一方、進相電流では、
電機子反作用電圧のｑ軸成分が小さく、ｑ軸電圧とｄ軸
電圧とのベクトル合成である出力電圧は上昇する。

【００１６】

【発明が解決しようする課題】磁石同期発電機は、以上
のように、負荷電流に応じてその出力電圧が増減する特
性を有する。すなわち、負荷電流成分中の遅れ電流は減
磁作用を有するので出力電圧を垂下させ、進み電流は増
磁作用を有するので出力電圧を上昇させるために、負荷
力率によって出力電圧特性が異なる。また、界磁極が永
久磁石であるため、界磁電流による出力電圧調整は全く
考えられない。このように、磁石同期発電機は出力電圧
を一定に保てないため、その用途は限られていた。

【００１７】よって、電圧変動を無視しうる用途に限っ
て使用されるか、または、小容量機ではツェナーダイオ
ードによって電圧を一定にしながら使用されていた。し
かし、ツェナーダイオードにより電圧を一定にする場合
には、電圧をピークカットするため効率が低下し、ま
た、電圧が減少する方向の電圧変動に対して対応しきれ
ないなどの課題があった。

【００１８】この発明は上記のような課題を解消するた
めになされもので、負荷が変化しても出力電圧を一定に
保て、かつ、出力電圧の調整もできるとともに効率低下
を最小限に止める磁石発電装置を得ることを目的とす
る。

【００１９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明に係
る磁石発電装置は、磁石同期発電機の出力側にスイッチ
ング素子を介して接続されたリアクトルと、スイッチン
グ素子を位相制御する位相制御装置と、磁石同期発電機
の出力電圧を検出する電圧検出器と、この電圧検出器で
検出された電圧を基準電圧と比較する比較器と、この比
較器の比較結果に応じた位相制御量を位相制御装置に与
える制御装置とを備えたものである。

【００２０】請求項２記載の発明に係る磁石発電装置
は、請求項１記載の発明に係る磁石発電装置に対して、
さらに、磁石同期発電機の出力側に直接にリアクトルを
接続したものである。

【００２１】請求項３記載の発明に係る磁石発電装置
は、磁石同期発電機の出力側にスイッッチング素子を介
して接続された１つあるいは複数のコンデンサと、各コ
ンデンサに対応したスイッチング素子を開閉する開閉制
御装置と、磁石同期発電機の出力電圧を検出する電圧検
出器と、この電圧検出器で検出された電圧を基準電圧と
比較する比較器と、この比較器の比較結果に応じて各コ
ンデンサに対応したスイッチング素子の開閉指示を与え
る制御装置とを備えたものである。

【００２２】請求項４記載の発明に係る磁石発電装置
は、磁石同期発電機の出力側に直接に接続されたリアク
トルと、磁石同期発電機の出力側にスイッチング素子を
介して接続された１つあるいは複数のコンデンサと、各
コンデンサに対応したスイッチング素子を開閉する開閉
制御装置と、磁石同期発電機の出力電圧を検出する電圧
検出器と、この電圧検出器で検出された電圧を基準電圧
と比較する比較器と、この比較器の比較結果に応じてス
イッチング素子の開閉指示を開閉制御装置に与える制御
装置とを備えたものである。

【００２３】請求項５記載の発明に係る磁石発電装置
は、請求項４記載の発明に係る磁石発電装置に対して、
さらに、磁石同期発電機の出力側に直接にコンデンサを
接続したものである。

【００２４】請求項６記載の発明に係る磁石発電装置
は、磁石同期発電機の出力側にスイッチング素子を介し
て接続されたリアクトルと、スイッチング素子を位相制
御する位相制御装置と、磁石同期発電機の出力側にスイ
ッチング素子を介して接続された１つあるいは複数のコ
ンデンサと、各コンデンサに対応したスイッチング素子
を開閉する開閉制御装置と、磁石同期発電機の出力電圧
を検出する電圧検出器と、この電圧検出器で検出された
電圧を基準電圧と比較する比較器と、この比較器の比較
結果に応じた位相制御量を位相制御装置に与えるととも
にスイッチング素子の開閉指示を開閉制御装置に与える
制御装置とを備えたものである。

【００２５】そして、請求項７記載の発明に係る磁石発
電装置は、請求項６記載の発明に係る磁石発電装置に対
して、さらに、磁石同期発電機の出力側に直接にコンデ
ンサを接続したものである。

【００２６】

【作用】請求項１または請求項２記載の発明における制
御装置は、位相制御装置およびスイッチング素子を介し
てリアクトルに流れる電流を調整することにより、補償
電流となる遅相電流の量を制御する。すなわち、電機子
電流に含まれる減磁成分を増加させて、磁石同期発電機
の出力電圧が一定になるように制御する。

【００２７】請求項３記載の発明における制御装置は、
開閉制御装置を介してスイッチング素子を制御介して磁
石同期発電機の出力側に接続される容量を調整すること
により、補償電流となる進相電流の量を制御する。すな
わち、電機子電流に含まれる減磁成分を減少させて、磁
石同期発電機の出力電圧が一定になるように制御する。

【００２８】請求項４または請求項５記載の発明におけ
る開閉制御装置は、スイッチング素子の開閉を制御して
磁石発電機の出力側に接続される容量を調整することに
より、補償電流の一部となる進相電流の量を調整する。
すなわち、電機子電流の増磁成分または減磁成分を打ち
消し、磁石同期発電機の出力電圧が一定になるように制
御する。

【００２９】請求項６または請求項７記載の発明におけ
る制御装置は、位相制御装置およびスイッチング素子を
介してリアクトルに流れる電流を調整するとともに、他
のスイッチング素子を制御して磁石同期発電機の出力側
に接続される容量を調整し、補償電流となる遅相電流ま
たは進相電流の量を制御する。すなわち、電機子電流の
増磁成分または減磁成分を打ち消し、磁石同期発電機の
出力電圧が一定になるように制御する。

【００３０】

【実施例】実施例１．以下、この発明の一実施例を図に
ついて説明する。図１はこの発明の第１の実施例による
磁石発電装置を負荷１１とともに示す構成図である。図
において、１は回転界磁極として永久磁石を有する磁石
同期発電機（以下、発電機という。）、２は複数の逆方
向サイリスタからなるスイッチング素子、３はリアクト
ル、４はスイッチング素子２のサイリスタの位相制御を
行う位相制御装置である。

【００３１】５は発電機１の出力電圧を検出する電圧検
出器、６は電圧検出器５の検出電圧を基準電圧と比較す
る比較器、７は基準電圧を設定する電圧設定器、８Ａは
比較器６の比較結果に応じて位相制御量を位相制御装置
４に与える制御装置である。また、９はしゃ断器、１０
は発電機１を駆動する駆動機、１２は変圧器、１３はし
ゃ断器である。

【００３２】次に、磁束制御のアルゴリズムについて説
明する。発電機１の出力電圧Ｖ_t （ベクトル量）に負荷
１１を接続した場合の負荷電流Ｉ_L （ベクトル量）は、
負荷１１のインピーダンスをＺ（ベクトル量）とする
と、下式のように定まる。Ｉ_L ＝Ｖ_t ／Ｚ

【００３３】負荷電流Ｉ_L の有効分Ｉ_P は、図２におい
て、Ｉ_L はＶ_t への正射影として得られる。この有効分
Ｉ_P は、駆動機１０によって供給される。このＩ_P にＸ
₁ を乗じたものは有効分電圧ｊＸ₁ Ｉ_P となり、これに
よって図２において直線９１が得られる。内部誘起電圧
Ｅｆを半径とする円９２と直線９１の交点５２は、ｑ軸
を決定する。

【００３４】この点５２と出力電圧Ｖ_t のベクトルの先
端５１とを結ぶ線分に垂直で原点を通る直線９３と、負
荷電流Ｉ_L のベクトルの先端５５を通り虚軸に平行な直
線９４との交点５３が、発電機１の電機子電流Ｉ_g であ
る。交点５３から負荷電流Ｉ_L に平行に引いた直線９３
と虚軸との交点を先端とするベクトルＩ_C （補償電流）
は、この場合、リアクトル３に流れる電流である。そし
て、Ｉ_g ＝Ｉ_L ＋Ｉ_C （Ｉ_g ，Ｉ_L ，Ｉ_C はベクトル
量）である。

【００３５】また、内部誘起電圧Ｅｆから負荷時電機子
反作用電圧ｊＸ₁Ｉ_g を差し引くことで出力電圧Ｖ_t が
求まる。また、ＥｆおよびＶ_t を一定にするようなＩ_C
が負荷電流Ｉ_L に対して一義的に定められる。すなわ
ち、一定電圧制御が可能である。

【００３６】すなわち、電機子反作用電圧のｑ軸成分
を、位相制御を受けるスイッチング素子２とリアクトル
３を流れる無効電流で制御し、ｑ軸電圧（図２７におけ
るＥＨ₂₂に相当）とｄ軸電圧（図２７におけるＥＢ₂ に
相当）とのベクトル和を一定に保つことにより、発電機
１の出力電圧Ｖ_t を一定に保つことができる。

【００３７】図３に示すように基準電圧Ｖ_b が設定され
ると、Ｖ_t ＞Ｖ_b のときには、リアクトル３に電流を流
し、補償電流にＩ_C に遅れ成分を生じさせるように制御
される。その結果、電機子電流Ｉ_g の遅れ成分が増加
し、電機子反作用は増加する。すなわち、ｄ軸磁束は減
少し、出力電圧Ｖ_t は低下する。そして、出力電圧Ｖ_t
は、基準電圧Ｖ_b に近づくように制御される。図３にお
ける（ｉ）は、補償される電圧を示している。

【００３８】図１に示しものにおいて、比較器６は、電
圧検出器５が検出した出力電圧Ｖ_tと基準電圧Ｖ_b とを
比較する。また、制御装置８Ａは、両電圧の間の偏差に
応じてリアクトル３に流す電流を定める。そして、その
電流に応じた位相制御量を位相制御装置４に与える。位
相制御装置４は、位相制御量に応じてスイッチング素子
２のサイリスタを位相制御する。この結果、リアクトル
３に電流が流れ、遅相の補償電流Ｉ_C が生ずる。また、
この場合には、制御範囲の全域にわたって、スイッチン
グ素子２およびリアクトル３が電圧補償を担当する（図
３（Ｉ））。

【００３９】次に、基準電圧と補償電流との関係につい
て説明する。図４において、性特線１００は遅れ力率
０．８の負荷１１に対する発電機１の単独電圧特性を示
したものである。よって、特性線１００と電圧軸との交
点は単独無負荷電圧を示し、定格電流線との交点は単独
定格負荷電圧（負荷が定格出力、定格力率の場合）を示
す。基準電圧を直線１０３のように設定すると、定格負
荷時には補償電流Ｉ_C は零でよいが、無負荷時には点１
０５から点１０８までの間の電圧を補償する必要があ
り、遅相の大きな補償電流Ｉ_C を必要とする。出力電圧
Ｖ_t を基準電圧Ｖ_bと一致させるための補償電圧Ｉ_C と
負荷電流Ｉ_L との関係を図５における線２０１で示す。

【００４０】また、基準電圧を直線１２０のように設定
した場合には、直線１０３のように設定した場合に比べ
て、無負荷時から定格負荷時までの全域において補償さ
れる電圧を電圧量１２１の分だけ大きくすればよい。よ
って、図５に線２０５で示すように、全域にわたって、
線２０１で示される量よりも大きな補償電流Ｉ_C が流れ
るように制御される。

【００４１】実施例２．図６はこの発明の第２の実施例
による磁石発電装置を負荷１１とともに示す構成図であ
る。図において、３ａは変圧器１２およびしゃ断器１３
を介して発電機１に接続されたリアクトル、８Ｂは図１
に示す制御装置８Ａと同様の動作を行う制御装置であ
る。ただし、比較器６が出力した偏差と位相制御量との
制御装置８Ｂにおける関係は、制御装置８Ａにおける関
係とは異なる。

【００４２】この場合には、図７に示すように、制御対
象となる全域（図７における（Ｉ））において、補償電
圧（図７における（ｉ）＋（ｉｉ））のうち、（ｉｉ）
で示される部分はリアクトル３ａによる減磁作用で実現
され、（ｉ）で示される部分が、位相制御されるスイッ
チング素子２およびリアクトル３による減磁作用で実現
される。この場合には、リアクトル３ａの存在により、
無負荷時の出力電圧が発電機１の単独電圧よりも低下す
るので、スイッチング素子２の電流容量を低減すること
ができる。

【００４３】実施例３．図８はこの発明の第３の実施例
による磁石発電装置を負荷１１とともに示す構成図であ
る。図において、８Ｃは比較器６の比較結果に応じて投
入されるコンデンサ１６ａ〜１６ｃを決定する制御装
置、１７はその決定に従ってスイッチング素子１５ａ，
１５ｂ，１５ｃを開閉する開閉制御装置、１６ａ〜１６
ｃは電力用コンデンサ（以下、コンデンサという。）で
ある。その他のものは同一符号を付して図１に示したも
のと同一のものである。

【００４４】図９は磁束制御のアルゴリズムを説明する
ための説明図である。考え方は図２に示したものにおけ
る考え方と同じである。ただし、この場合には、電機子
反作用と電圧補償用のコンデンサ１６ａ〜１６ｃとの影
響を示す値Ｘ₁ が、図２に示すＸ₁ よりも大きい。その
結果、補償電流Ｉ_C は進相電流となっている。

【００４５】この場合には、電圧制御は図１０に示すよ
うに実行される。すなわち、電圧検出器５によって検出
された出力電圧Ｖ_t が基準電圧（具体的には基準電圧の
下限）Ｖ_b を下回るとコンデンサ１６ａ〜１６ｃのうち
の１つが投入される。コンデンサ１６ａ→コンデンサ１
６ｂ→コンデンサ１６ｃの順に投入されるように定めら
れ（引き外しは逆順）、現在コンデンサ１６ａが投入さ
れているならば、コンデンサ１６ｂを投入するために、
制御装置８Ｃは、スイッチング素子１５ｂを閉状態とす
るように開閉制御装置１７に指示を与える（図１０にお
ける（Ｉ）→（ＩＩ）の遷移時点）。

【００４６】その後、出力電圧Ｖ_t が基準電圧Ｖ_b を再
び下回ると、開閉制御装置１７は、制御装置８Ｃの指示
によりスイッチング素子１５ｃを閉状態とする（図１０
における（ＩＩ）→（ＩＩＩ）の遷移時点）。また、出
力電圧Ｖ_t が基準電圧（具体的には基準電圧の上限）Ｖ
_bを上回ったときには、コンデンサ１６ａ〜１６ｃのう
ちの１つが引き外される。

【００４７】例えば、区間（ＩＩＩ）にある状態で、出
力電圧Ｖ_t が基準電圧Ｖ_b を上回ると、開閉制御装置１
７は、制御装置８Ｃの指示により、コンデンサ１６ｃを
引き外すため、スイッチング素子１５ｃを開状態とする
（図１０における（ＩＩＩ）→（ＩＩ）の遷移時点）。
なお、図１０ではコンデンサ１６ａが常に投入されてい
る場合の制御を示したが、コンデンサ１６ａをスイッチ
ング制御の対象とすれば４段階の制御が可能である。

【００４８】このように、コンデンサ１６ａ〜１６ｃを
順次投入することにより、補償電流Ｉ_C の進み成分を増
加させ、その結果、電機子電流Ｉ_g の遅れ成分を減少さ
せて、電機子反作用を減少させる。すると、ｄ軸磁束は
増加するので出力電圧Ｖ_t は上がることになる。また、
コンデンサ１６ａ〜１６ｃを順次引き外すと補償電流Ｉ
_C の進み成分が減少する。その結果、ｄ軸磁束が減少す
るので出力電圧Ｖ_t が下がる。

【００４９】なお、図１０において、（ｉ）はコンデン
サ１６ａの増磁作用による電圧増分、（ｉｉ）はコンデ
ンサ１６ｂの増磁作用による電圧増分、そして、（ｉｉ
ｉ）はコンデンサ１６ｃの増磁作用による電圧増分を示
している。

【００５０】実施例４．図１１はこの発明の第４の実施
例による磁石発電装置を負荷１１とともに示す構成図で
ある。図において、１６はスイッチング素子に接続され
ず常時投入されているコンデンサ、８Ｄはコンデンサ１
６ａ，１６ｂの投入引き外しを決定する制御装置であ
る。この場合には、電圧制御は、やはり図１０に示すよ
うに実行される。ただし、図１０における区間（Ｉ）は
コンデンサ１６ａ，１６ｂが引き外された状態、区間
（ＩＩ）コンデンサ１６とともにコンデンサ１６ａが投
入された状態、そして、区間（ＩＩＩ）はコンデンサ１
６とともにコンデンサ１６ａ，１６ｂが投入された状態
に対応している。

【００５１】実施例．５図１２はこの発明の第５の実施
例による磁石発電装置を負荷１１とともに示す構成図で
ある。図において、３は常時投入されているリアクト
ル、８Ｅはコンデンサ１６ａ〜１６ｃの投入引き外しを
決定する制御装置である。その他のものは同一符号を付
して図８に示したものと同一のものである。

【００５２】この場合に、電圧制御は図１３に示すよう
に実行される。すなわち、電圧検出器５によって検出さ
れた出力電圧Ｖ_t が基準電圧（具体的には基準電圧の下
限）Ｖ_b を下回るとコンデンサ１６ａ〜１６ｃのうちの
１つが投入される。コンデンサ１６ａ→コンデンサ１６
ｂ→コンデンサ１６ｃの順に投入されるように定めら
れ、現在コンデンサ１６ａ〜１６ｃが投入されていない
ならば、コンデンサ１６ａを投入するために、制御装置
８Ｅは、スイッチング素子１５ａを閉状態とするように
開閉制御装置１７に指示を与える（図１３における
（Ｉ）→（ＩＩ）の遷移時点）。この結果、補償電流Ｉ
_C の進み成分が増加し、そのために電機子電流Ｉ_g の遅
れ成分が減少するので、出力電圧Ｖ_t は上がる。

【００５３】その後、出力電圧Ｖ_t が基準電圧Ｖ_b を再
び下回ると、開閉制御装置１７は、制御装置８Ｅの指示
によりスイッチング素子１５ｂを閉状態とする（図１３
における（ＩＩ）→（ＩＩＩ）の遷移時点）。さらに、
出力電圧Ｖ_t が基準電圧Ｖ_bを再び下回ると、開閉制御
装置１７は、制御装置８Ｅの指示によりスイッチング素
子１５ｃを閉状態とする（図１３における（ＩＩＩ）→
（ＩＶ）の遷移時点）。

【００５４】例えば、その状態で、出力電圧Ｖ_t が基準
電圧（具体的には基準電圧の上限）Ｖ_b を上回ると、開
閉制御装置１７は、制御装置８Ｅの指示により、コンデ
ンサ１６ｃを引き外すため、スイッチング素子１５ｃを
開状態とする（図１０における（ＩＶ）→（ＩＩＩ）の
遷移時点）。この結果、補償電流Ｉ_C の進み成分が減少
し、そのために電機子電流Ｉ_g の遅れ成分が増加するの
で、出力電圧は下がる。

【００５５】なお、図１３において、（ｉ）はリアクト
ル３の減磁作用による電圧減少分、（ｉｉ）はコンデン
サ１６ａの増磁作用による電圧増分、（ｉｉｉ）はコン
デンサ１６ｂの増磁作用による電圧増分、そして、（ｉ
ｖ）はコンデンサ１６ｃの増磁作用による電圧増分を示
している。

【００５６】次に、基準電圧と補償電流との関係につい
て説明する。図１４において、特性線１００は遅れ力率
０．８の負荷１１に対する発電機１の単独電圧特性を示
したものである。よって、特性線１００と電圧軸との交
点は単独無負荷電圧を示し、定格電流線との交点は単独
定格負荷電圧（負荷が定格出力、定格力率の場合）を示
す。また、特性線１３０は、リアクトル３が発電機１の
出力側に直接接続されていることによる減磁分だけ低下
した出力電圧特性を示している。

【００５７】基準電圧を直線１０２のように設定した場
合に、無負荷時には、リアクトル３による補償電流Ｉ_C
により電圧補償される。また、定格負荷時には、点１３
１から点１１０までの間の電圧がコンデンサ１６ａ〜１
６ｃによる進み成分より電圧補償される。出力電圧Ｖ_t
を基準電流Ｖ_b と一致させるための補償電流Ｉ_C と負荷
電流Ｉ_L との関係を、図１５における線２１０および線
２１１で示す。

【００５８】なお、コンデンサ１６ａ〜１６ｃの数を減
らし例えばコンデンサ１６ａとスイッチング素子１５ａ
のみを設けるようにしてもよい。図１６はその場合の電
圧制御の様子を示したものである。図１６において、
（ｉ）はリアクトル３の減磁作用による電圧減少分、そ
して、（ｉｉ）はコンデンサ１６ａの増磁作用による電
圧増分を示している。また、コンデンサ１６ａの投入引
き外しタイミングは区間（Ｉ）と区間（ＩＩ）との間で
ある。

【００５９】実施例６．図１７はこの発明の第６の実施
例による磁石発電装置を負荷１１とともに示す構成図で
ある。図において、１６は常時投入されているコンデン
サ、８Ｆはコンデンサ１６ａ，１６ｂの投入引き外しを
決定する制御装置である。その他のものは同一符号を付
して図１２に示しものと同一のものである。

【００６０】この場合には、電圧制御は図１８に示すよ
うに実行される。すなわち、電圧検出器５によって検出
された出力電圧Ｖ_t が基準電圧（具体的には基準電圧の
下限）Ｖ_b を下回るとコンデンサ１６ａ〜１６ｂのうち
の１つが投入される。コンデンサ１６ａ，１６ｂが未投
入状態で、投入順がコンデンサ１６ａ→コンデンサ１６
ｂとなっているならば、コンデンサ１６ａを投入するた
めに、制御装置８Ｆは、スイッチング素子１５ａを閉状
態とするように開閉制御装置１７に指示を与える（図１
８における（Ｉ）→（ＩＩ）の遷移時点）。

【００６１】その後、出力電圧Ｖ_t が基準電圧Ｖ_b を再
び下回ると、開閉制御装置１７は、制御装置８Ｆの指示
によりスイッチング素子１５ｂを閉状態とする（図１８
における（ＩＩ）→（ＩＩＩ）の遷移時点）。

【００６２】なお、図１８において、（ｉ）はリアクト
ル３の減磁作用による電圧減少分、（ｉｉ）はコンデン
サ１６の増磁作用による電圧増分、（ｉｉｉ）はコンデ
ンサ１６ａの増磁作用による電圧増分、そして、（ｉ
ｖ）はコンデンサ１６ｂの増磁作用による電圧増分を示
している。この場合には、コンデンサ１６を発電機１の
出力側に直接接続することにより無負荷時の出力電圧が
図１２に示したものの出力電圧により上昇するので、リ
アクトル３の容量は大きくなるが、スイッチング素子１
５ａ，１５ｂの数を減らすことができる。その結果、構
造は簡単になる。

【００６３】実施例７．図１９はこの発明の第７の実施
例による磁石発電装置を負荷１１とともに示す構成図で
ある。図において、８Ｇは位相制御装置４に位相制御量
を与えるとともに開閉制御装置１７にコンデンサ１６ａ
〜１６ｃの投入引き外しの指示を与える制御装置であ
る。その他のものは同一符号を付して図１または図８に
示したものと同一のものである。

【００６４】この場合には、電圧制御は図２０に示すよ
うに実行される。すなわち、電圧検出器５が検出した出
力電圧Ｖ_t が基準電圧よりも大きい状態にあるときには
（図２０の区間（Ｉ）に相当）、制御装置８Ｇは、第１
の実施例の場合と同様に、位相制御装置４を介してスイ
ッチング素子２の位相制御を行う。つまり、リアクトル
３に流れる電流を増加させることで補償電流Ｉ_Cの遅れ
成分を増やす。その結果、電機子電流Ｉ_g の遅れ成分が
増加することにより、電機子反作用が増大しｄ軸磁束が
減少する。よって、出力電圧Ｖ_t が下がる。

【００６５】出力電圧Ｖ_t が基準電圧Ｖ_b よりも下が
り、リアクトル３を用いた制御が不能になると、制御装
置８Ｇは、第３の実施例の場合と同様に、開閉制御装置
１７を介してコンデンサ１６ａ〜１６ｃの投入制御を行
う。

【００６６】すなわち、電圧検出器５によって検出され
た出力電圧Ｖ_t が基準電圧（具体的には基準電圧の下
限）Ｖ_b を下回るとコンデンサ１６ａ〜１６ｃのうちの
１つが投入される。コンデンサ１６ａ→コンデンサ１６
ｂ→コンデンサ１６ｃの順に投入されるように定められ
ているならば、スイッチング素子１５ａが閉状態となっ
てコンデンサ１６ａが投入される（図２０における
（Ｉ）→（ＩＩ）の遷移時点）。

【００６７】その後、出力電圧Ｖ_t が基準電圧Ｖ_b を下
回ると、開閉制御装置１７は、制御装置８Ｇの指示によ
りスイッチング素子１５ｂを閉状態とする（図２０にお
ける（ＩＩ）〜（ＩＩＩ）の遷移時点）。

【００６８】その後、出力電圧Ｖ_t が基準電圧Ｖ_b を再
び下回ると、開閉制御装置１７は、制御装置８Ｇの指示
によりスイッチング素子１５ｃを閉状態とする（図２０
における（ＩＩＩ）→（ＩＶ）の遷移時点）。

【００６９】区間（ＩＩ）〜区間（ＩＶ）のいずれかの
状態にあるきとには、Ｖ_t ＞Ｖ_b （具体的には基準電圧
の下限）の状態が生ずると、制御装置８Ｇは、コンデン
サ１６ａ〜１６ｃのいずれか１つの引き外しを開閉制御
装置１７に指示する。

【００７０】次に、基準電圧と補償電流との関係につい
て説明する。図２１において、特性線１００は、遅れ力
率０．８の負荷１１に対する発電機１の単独電圧特性を
示したものである。よって、特性線１００と電圧軸との
交点１０５は単独無負荷電圧を示し、定格電流との交点
１０６は単独定格負荷電圧を示す。

【００７１】基準電圧を直線１０２のように設定した場
合には、無負荷時の補償電流Ｉ_C は零でよいが、定格負
荷時には、点１０６から点１０７までの間の電圧を補償
しなければならず、進み位相の大きな補償電流Ｉ_C が必
要とされる。この補償電流Ｉ_C と負荷電流Ｉ_L との関係
を、図２２において線２００で示す。

【００７２】また、基準電圧を直線１０３のように設定
した場合には、定格負荷時の補償電流Ｉ_C は零でよい
が、無負荷時には、点１０５から点１０８までの間の電
圧を補償しなければならず、遅れ位相の大きな補償電流
Ｉ_C が必要とされる。この補償電流Ｉ_C と負荷電流Ｉ_L
との関係を、図２２において線２０１で示す。

【００７３】そこで、基準電圧を直線１０２のように単
独無負荷電圧を単独定格負荷電圧との間に設定すると、
無負荷時には、点１０５から点１０９までの間の電圧
を、遅れ位相の補償電流Ｉ_C で補償すればよい。また、
定格負荷時には、点１０６から点１１０までの間の電圧
を、進み位相の補償電流Ｉ_C で補償すればよい。この補
償電流Ｉ_C と負荷電流Ｉ_L との関係を、図２２において
線２０２で示す。この場合には、線２０２からわかるよ
うに、補償電流Ｉ_C を最大値は小さい。よって、基準電
圧をそのように設定すると、リアクトル３、コンデンサ
１６ａ〜１６ｃおよびスイッチング素子１５ａ〜１５ｃ
の容量を低減することができる。

【００７４】また、図２１に示すように、無負荷状態と
定格負荷状態との間に点１１１（単独電圧特性の特性線
１００と基準電圧を示す直線１０２との交点）が存在す
る。この点で補償電流Ｉ_C は最小となる。すなわち、リ
アクトル３、コンデンサ１６ａ〜１６ｃ、スイッチング
素子１５ａ〜１５ｃおよび変圧器１２の損失が最小とな
り、高効率の発電装置となる。

【００７５】また、上記実施例のようにスイッチング素
子１５ａ〜１５ｃの電源側に変圧器１２がある場合に
は、変圧器の容量を低減できる。このような付帯設備の
容量低減は、設備を小型にするとともに、全体として効
率のよい発電装置とすることに貢献する。

【００７６】なお、この場合にも、コンデンサの数を減
らし、例えばコンデンサ１６ａのスイッチング素子１５
ａのみを設けるようにしてもよい。図２３はその場合の
電圧制御の様子を示したものである。図２３において、
（ｉ）はリアクトル３の減磁作用に電圧減少分、そし
て、（ｉｉ）はコンデンサ１６ａの増磁作用による電圧
増分を示している。

【００７７】実施例８．図２４はこの発明の第８の実施
例による磁石発電装置を負荷１１とともに示す構成図で
ある。図において、８Ｈは位相制御装置４に位相制御量
を与えるとともに開閉制御装置１７にコンデンサ１６
ａ，１６ｂの投入引き外しの指示を与える制御装置であ
る。その他のものは同一符号を付して図１または図１１
に示したものと同一のものである。

【００７８】この場合には、電圧制御は図２５に示すよ
うに実行される。図２５において、区間（Ｉ）はリアク
トル３およびコンデンサ１６により電圧補償がなされる
区間、区間（ＩＩ）はさらにコンデンサ１６ａにより電
圧補償がなされる区間、区間（ＩＩＩ）はさらにコンデ
ンサ１６ｂにより電圧補償がなさる区間である。また、
（ｉ）はリアクトル３の減磁作用による電圧減少分、
（ｉｉ）はコンデンサ１６ａの増磁作用による電圧増
分、そして、（ｉｉｉ）はコンデンサ１６ｂの増磁作用
による電圧増分を示す。この場合には、コンデンサ１６
を発電機１の出力側に直接接続することにより、無負荷
時の出力電圧が上昇するので基準電圧に保つにはリアク
トル３の容量が大きくする必要があるが、スイッチング
素子の数を減らすことができる。そのため、構造は簡単
になる。

【００７９】以上のようにして、発電機の出力電圧Ｖ_t
は、負荷が変動しても、基準電圧Ｖ_b の近傍の値に保た
れる。なお、上記各実施例において、リアクトル３に接
続されるスイッチング素子４は他の位相制御可能な半導
体素子でもよい。また、コンデンサ１６ａ〜１６ｃに接
続されるスイッチング素子１５ａ〜１５ｃはトランジス
タでもよく、開閉が頻繁にはなされない場合にはしゃ断
器でもよい。

【００８０】

【発明の効果】以上のように、請求項１ないし請求項７
記載の発明によれば、磁石発電装置を、発電機の出力電
圧に応じて、発電機の出力側でリアクトルあるいはコン
デンサまたはリアクトルおよびコンデンサに流れる電流
を制御するように構成したので、ツェナーダイオードで
出力電圧をカットするような効率の悪い電圧制御をする
必要がなくなり、かつ、出力電圧が下がりすぎた場合に
ついても対応可能な高効率の定電圧を発生するものが得
られ、その結果、大容量を要する分野に適用できるとと
もに、界磁巻線を有する同期発電機と同様に広い範囲の
用途に使用できるものが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例による磁石発電装置を
示す構成図である。

【図２】磁束制御のアルゴリズムを説明するための説明
図である。

【図３】図１に示したものにおける電圧制御を説明する
ための説明図である。

【図４】基準電圧と補償電流との関係を示す説明図であ
る。

【図５】補償電流と負荷電流との関係を示す説明図であ
る。

【図６】この発明の第２の実施例による磁石発電装置を
示す構成図である。

【図７】図６に示したものにおける電圧制御を説明する
ための説明図である。

【図８】この発明の第３の実施例による磁石発電装置を
示す構成図である。

【図９】磁束制御のアルゴリズムを説明するための説明
図である。

【図１０】図８に示したものにおける電圧制御を説明す
るための説明図である。

【図１１】この発明の第４の実施例による磁石発電装置
を示す構成図である。

【図１２】この発明の第５の実施例による磁石発電装置
を示す構成図である。

【図１３】図１２に示したものにおける電圧制御を説明
するための説明図である。

【図１４】基準電圧と補償電流との関係を示す説明図で
ある。

【図１５】補償電流と負荷電流との関係を示す説明図で
ある。

【図１６】投入引き外しが可能なコンデンサを１つとし
た場合の電圧制御を説明するための説明図である。

【図１７】この発明の第６の実施例による磁石発電装置
を示す構成図である。

【図１８】図１７に示したものにおける電圧制御を説明
するための説明図である。

【図１９】この発明の第７の実施例による磁石発電装置
を示す構成図である。

【図２０】図１９に示したものにおける電圧制御を説明
するための説明図である。

【図２１】基準電圧と補償電流との関係を示す説明図で
ある。

【図２２】補償電流と負荷電流との関係を示す説明図で
ある。

【図２３】投入引き外しが可能なコンデンサを１つとし
た場合の電圧制御を説明するための説明図である。

【図２４】この発明の第８の実施例による磁石発電装置
を示す構成図である。

【図２５】図２４に示したものにおける電圧制御を説明
するための説明図である。

【図２６】界磁極として用いられる永久磁石の特性を示
す説明図である。

【図２７】永久磁石の簡易特性を示す説明図である。

【図２８】磁石同期発電機のフェーザ線図である。

【図２９】磁石同期発電機の単独電圧特性を示す説明図
である。

【符号の説明】

１磁石同期発電機３リアクトル３ａリアクトル４位相制御装置５電圧検出器６比較器８Ａ〜８Ｈ制御装置１６コンデンサ１７開閉制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中富男長崎市丸尾町６番14号三菱電機株式会社長崎製作所内 (72)発明者山口利昭長崎市丸尾町６番14号三菱電機株式会社長崎製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転界磁極として永久磁石を有する磁石
同期発電機と、この磁石同期発電機の出力側にスイッチ
ング素子を介して接続されたリアクトルと、前記スイッ
チング素子を位相制御する位相制御装置と、前記磁石同
期発電機の出力電圧を検出する電圧検出器と、この電圧
検出器で検出された電圧を基準電圧と比較器と、この比
較器の比較結果に応じた位相制御量を前記位相制御装置
に与える制御装置とを備えた磁石発電装置。
【請求項２】磁石同期発電機の出力側に接続されたリ
アクトルをさらに備えた請求項１記載の磁石発電装置。
【請求項３】回転界磁極として永久磁石を有する磁石
同期発電機と、この磁石同期発電機の出力側にスイッチ
ング素子を介して接続された１つあるいは複数のコンデ
ンサと、前記各コンデンサに対応したスイッチング素子
を開閉する開閉制御装置と、前記磁石同期発電機の出力
電圧を検出する電圧検出器と、この電圧検出器で検出さ
れた電圧を基準電圧と比較する比較器と、この比較器の
比較結果に応じてスイッチング素子の開閉指示を前記開
閉制御装置に与える制御装置とを備えた磁石発電装置。
【請求項４】回転界磁極として永久磁石を有する磁石
同期発電機と、この磁石同期発電機の出力側に接続され
たリアクトルと、前記磁石同期発電機の出力側にスイッ
チング素子を介して接続された１つあるいは複数のコン
デンサと、前記各コンデンサに対応したスイッチング素
子を開閉する開閉制御装置と、前記磁石同期発電機の出
力電圧を検出する電圧検出器と、この電圧検出器で検出
された電圧を基準電圧と比較する比較器と、この比較器
の比較結果に応じて、スイッチング素子の開閉指示を前
記開閉制御装置に与える制御装置とを備えた磁石発電装
置。
【請求項５】磁石同期発電機の出力側に接続されたコ
ンデンサをさらに備えた請求項４記載の磁石発電装置。
【請求項６】回転界磁極として永久磁石を有する磁石
同期発電機と、この磁石同期発電機の出力側にスイッチ
ング素子を介して接続されたリアクトルと、前記スイッ
チング素子を位相制御する位相制御装置と、前記磁石同
期発電機の出力側にスイッチング素子を介して接続され
た１つあるいは複数のコンデンサと、前記各コンデンサ
に対応したスイッチング素子を開閉する開閉制御装置
と、前記磁石同期発電機の出力電圧を検出する電圧検出
器と、この電圧検出器で検出された電圧を基準電圧と比
較する比較器と、この比較器の比較結果に応じて、位相
制御量を前記位相制御装置に与えるとともにスイッチン
グ素子の開閉指示を前記開閉制御装置に与える制御装置
とを備えた磁石発電装置。
【請求項７】磁石同期発電機の出力側に接続されたコ
ンデンサをさらに備えた請求項６記載の磁石発電装置。