JPH07509597A - 原動機により駆動されるのに適した電力発生用回転誘導発電機 - Google Patents

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】 原動機により駆動されるのに適した 電力発生用回転誘導発電機 技術分野 本発明は、広くは巻線ロータを有する形式のロータリ誘導発電機に関し、さらに 詳しくは、電力発生用の巻線ロータ誘導発電機に関する。

背景技術 巻線ロータ誘導発電機においては、二次巻線（通常はロータ）中の電流は、もっ ばら誘導により作り出される。これらの電流は、−次巻線へのライン電圧の印加 により一次巻線内に生じる回転磁界により、二次巻線内に誘導される電圧により もたらされる。ロータ巻線は一般にスリップリングに接続される。ロータが同期 速度以上で駆動されるときには、短絡されている場合も、適当な装置を介してス リップリングに接続されている場合も、スリップリングに結合された負荷となり 、機械は広範囲に及ぶ発電機として働く。

一般に、リスかご形ロータを有する誘導発電機は、過負荷時「クローズド　ドア 」効果（”ｃｌｏｓｅｄ　ｄｏｏｒ”　ｅｆｆｅｃｔ）を有する。

速度か同期速度をモータスリップ速度より僅かに多い量だけ超えた時に起る過負 荷時に、発電機は電力の供給を停止し、原動機に対しては殆んど抵抗を示さない 。このことは、回転速度が通常操作に極めて近くなった時に起る。負荷がなくな ると、原動機及び誘導発電機は、もろ共に破壊に向って突進する。

過去３０年又はそれ以上の間、種々のタイプの原動機を伴う同期発電機又はリス かご形誘導発電機の駆動時、発電機の速度は、原動機の速度を機械的な方法を用 いて制御することにより、概ね一定に保持していた。このような機械的方法は、 負荷がなくなった時、しばしば、原動機の速度を制御し損う。

風力て駆動される発電機に対しては、速度の制御に、スポイラ、ブレードのピッ チ制御及び機械的ブレーキが用いられる。

発電機の二次巻線の周波数は、基準速度以上のｒｐｍ　（毎分回転数）に正比例 する。したがって、９００　ｒｐｍ、８極、６０ｈｚの機械では、二次巻線の周 波数は９０　Ｏｒｐｍで零になる。周波数の上昇は、基準速度以上で、９００ｒ ｐｍ毎に６０ｈＺとなる。したがって、＋３５０ｒｐｍ　（９００＋４５０＝１ ３５０）で６０ｈｚ（サイクル）で１．８００ｒｐｍの時、この機械の二次巻線 の周波数は３゜ｈｚ（サイクル）となる。このことは重要である。このことは、 発ＴＬ機はモータと同じ方向に駆動されるので、モータとして作動することを意 味する。したがって、逆転させるのに、発電機をモータとして使用するため、発 電機が風力や波力等を含む可変速度原動機又は動力源を用いた基準速度に達する ように補助するため、発電機に何も接続する必要はない。

発明の開示 本発明の目的は、その定格速度以上で運転された場合にも、電力を供給し、原動 機に受入れられる負荷を与え続け、それによって、可変速度電動機に対する不確 定な機械的速度制御を除去することのできる巻線ロータ誘導発電機を提供するこ とにある。

本発明の他の目的は、風力及び波力の利用に使用するのに適したロータリ誘導発 電機を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、一定の周波数出力で広範囲のロータ速度で、効率良 く運転することかできる誘導発電機を提供することにある。

発電機に対する一つの目的は、最高の出力を得ることである。

本発明の発電機は、従来公知の発電機より広い範囲で、大容量の電力を供給する ことが可能である。この発電機は、リスかご型誘導発電機が通常は電力供給を停 止するような速度及び従来の誘導発電機が電動機に殆んど抵抗を与えず原動機及 び発電機がもろ共に破壊するにまかせるような速度を含む広い速度範囲（ｒｐｍ 　：毎分回転数）に亘って、その負荷を維持する。

本発明の前記及び他の目的は、ステータ内に回転するように搭載され、三相ロー タを限定する３つのロータ巻線がその上に巻かれたロータを含み、動力源に結合 され、上記の磁界に結合された一次巻線の用をなし、これによって上記の二次巻 線に電流が誘導される三相ステータ巻線：上記発電機の効率を向上させ、高速時 出力を制限するため、上記の二次巻線に結合されたりアクティブ手段及び一連の レジステイブ手段；及び二次巻線に電流を供給し、電力発生のために必要な磁界 を形成するため、上記の巻線に直列に接続されたレジステイブ手段を有する誘導 発電機によって達成される。

本発明のこれら及びその他の目的は、以下に述べる添付の図面を参照した詳細な 説明により、更に明確に理解されるであろう。

図面の簡単な説明 図１は、本発明によるエネルギー転換システムの図式図である。

図２は、本発明によるエネルギー転換システムに使用される巻線ロータ誘導発電 機の図式図である。

図３は、本発明による他の巻線ロータ誘導発電機の図式図である。

発明を実施するための最良の形態 図１を参照すると、巻線ロータ誘導発電機１２に接続された回転駆動手段１１が 示されている。回転駆動手段１１は、風力タービンで、又は波力エネルギー転換 装置で駆動することができる。

駆動手段はまた、ガスエンジン又はディーゼルエンジンのような他のとんな原動 機とすることも可能である。いずれにせよ、発電機か駆動される回転速度（ｒｐ ｍ）は、原動機の速度（ｒｐｍ）に直接依存する。上述の如く、従来のシステム では、組合わされる原動機に対する適切な回転速度を維持するために、機械的手 段が設けられている。一般に、このような発電機は、概ね一定の回転速度で駆動 されるリスかご型の誘導発電機である。速過ぎる速度で駆動された場合、発電機 は発電を停止し、原動機への負荷を軽減し、しばしば破壊に向って突っ走るに任 せる。速度制御は、原動機の速度の変化に充分迅速に追随しないことがしばしば あり、その結果、原動機及び発電機の破壊を招いていた。

二次巻線に対して直列にレジステイブ−リアクティブ負荷及び他の並列抵抗回路 を、これまた二次巻線に直列に付加することにより、発電機巻線に損傷を与える ことな（、かつ出力の損失なく、最高電力を制限することができ、超過速度での 運転を除去することかできる。

（２１２を参照すると、三相Ｙ字状接続された発電機が、三相電力線に接続され たステータ巻線２１と共に示されている。電力線は、通常はロータに巻かれた二 次巻線２２内の電流を励磁する回転磁界を形成する用をしている。二次巻線２２ は、二次巻線回路中の抵抗、コンデンサ又はインダクタ等の要素との接続を許容 するスリップリング（図示せず）に接続されている。上述の如（、発電機は、ロ ータが発′：ｒＬＢ！か電力線に電力を供給する同期速度を超えて回転する迄は モータとして作用する。

図２において、抵抗２３及びインダクタ２４は各巻線２２に直列に接続され、コ ンデンサ２６のデルタ配線につながれている。

コンデンサ２６は、本質的に抵抗２３とインダクタ２４とに直列に配置されてい る。さらに、抵抗２７が各巻線と直列に接続され、Ｙ（スター）ポイントを形成 するように接続されている。

抵抗２７は、二次巻線への負荷として働らき、それによって、二次巻線内の電流 を増大させる。この電流は、二次巻線に接続された他の要素に作用することを許 容するのに必要な磁気を形成する。二次巻線に結合されたレジステイブ−リアク ティブ要素２３．２４．２６は２つの目的に使用される。その（１）は、発電機 の効率を増大することであり、（２）は、高速時の出力ｋｗを制限することであ る。

リスかご形ロータを存する通常の誘導発電機は、過負荷時、「クローズドドア」 効果を有する。特定の過負荷で、発電機は電力供給を停止し、原動機の負荷を除 去する。不幸なことに、このことが起った時、ｒｐｍは通常の発電機使用時のｒ ｐｍに極めて近い。

無負荷状態は、発電機を駆動している原動機及び発電機にしばしば起り、破壊に 向って突進する。

適切な二次要素２３．２４．２６を有する巻線ロータ誘導発電機は、速力の増大 にしたがって出力電力を供給し続ける。したがって、適切な要素を有する巻線ロ ータ発電機は、常に電気的に制御下におかれる。負荷を掛けた運転時、突然無負 荷状態になることは決してない。上述の如く、二次要素は、速度が高くなり過ぎ た時には出力ｋｗを制限する。したがって、ユニットは自己防御となる。このｋ ｗ制限効果は、接点やリレーを用いることなく自動的に行なわれる。この制限効 果は、発電機及び原動機に有益である。

図３は、コンデンサか７字形に接続されていることを除けば、概ね同し回路か示 されている。勿論、巻線ロータモータ／ジェネレータの一次又は二次ロータは、 デルタ及びＹ形のいずれに接続しても、本発明の目的達成に差支えないことは明 らかである。また、巻線が印加されるべき一次電圧に合わせられておれば、ロー タ又はステータは、−次にも二次にもすることができる。（二次要素は、常に二 次巻線に適応できる。）したがって、本発明には、巻線ロータを持つ誘導型発成 機での負荷制限方法が用意されている。この発電機は可変速で運転可能であり、 また、それに接続されたラインに一定の周波数を維持することが可能である。速 度は同期（基準）速度以上の広い範囲に亘って変化させることができる。過大ｋ ｗ出力は、３組の直列に接続された抵抗、インダクタ及びコンデンサの第１回路 を用いた回路により制御される。さらにまた、上記の第１回路の各組は、二次巻 線に結合され、三つのセットの端は一緒になってＹ（スター）ポイントを形成し ている。

さらにまた、各セットは並列に夫々これまた二次巻線に接続され、−緒になって Ｙ（スター）ポイントが得られる抵抗の別のセットに接続されている。あらかじ め調整された出力ｋｗの限度に達した時、第２要素（両回路中の抵抗、インダク タ及びコンデンサ）は、との速度でこれが起るか、及び最大ポイント又は出力ｋ ｗ数を決定するのを助ける。コンデンサに直列に接続されたインダクタは、最初 は非常に低いオーム値の通常の抵抗として働き、それによって、コンデンサがと んなボルト値か生じようとも獲得するのを許容する。発電機の速度が増加するに したがって、二次出力の周波数は、リアクタの高い抵抗をもたらし、コンデンサ 内に逆の効果が生ずる。すなわち、キャパシティブリアクタンスが減少する。

三相機器の同期又は基準速度は、次の式に既知の値を代入することにより得られ る。

ここに、ｆは周波数（ｈｚ） 特定の周波数におけるインダクティブリアクタンスは、次の式により決定される 。

Ｘ　Ｌ　（Ｈｅｎｒｉｅｓ）　＝　２　πｆ　Ｌここに、 ＸＬはインダクティブリアクタンス（ｏｈｍ）、ｆは周波数（ｈｚ）、 ＬはインダクタンスＨｅｎｒｉｅｓ） キャパシティブリアクタンスは、次の式により決定される。

Ｘｏはキャパシティブリアクタンス（ｏｈｍ）ｆは周波数（ｈｚ） Ｃはキャパシタンス（ｍｉｃｒｏｆａｒａｄｓ）直列にされたレジスタンス（Ｒ ）、キャパシタンス（Ｃ）及びインダクタンス（Ｌ）を計算した結果、インピー ダンスＺ　ｏｈｍは、発電機のｋｗ比出力制限するのに４つの結果がある。

■、二次巻線レジスタンス及び巻線に接続された二次抵抗。

２、リアクタに直列に接続された抵抗と二次巻線に接続されたコンデンサ。

３　抵抗に直列に接続されたりアクタと二次巻線に接続されたコンデンサ。

４、抵抗に直列に接続されたコンデンサと二次巻線に接続されたりアクタ。

各項は、出力ｒｐｍ　、出力ｋｗ及び出力効率に影響を及ぼすように調整するこ とができる。各項はまた、発電機がその出力をそれに制限しようとするｋｗ及び もしｋｗが限度を越した場合発電機が行こうとするｋｗの点に影響を及ぼす。Ｒ Δ抵抗２３は、ｋｗの制限をもたらす作用をし、制限された結果得られたｋｗは 互いにより接近する。最後の項は非常に重要であり、容易には立証できない。ｋ ｗの制限と限度が存在する減少との間の飛躍は、副尺側ｉａ！０　（ｖｅｒｎｉ ｅｒｃｏｎｔｒｏｌ）として作用するＲΔ抵抗２３により大きく変化する。

例えば、３ｋｗの機ｔＪＩＥ　（Ｉ　１３８ｒｐｍで）に対しては、負荷の上限 は３．５　ｋｗ　（又はそれ以上）とすることがてきる。現在、この員は到達さ れており、（この例ではｌ１７１ｒｐｍで）、出力ｋｗは３ｋｗから！、５ｋｗ の間のとこかに減少するであろう。一般に、アンペアはｋｗの低下とともに減少 する。（この実験における三相電力源として使用されるｌ０ＫＶＡの非制御発電 機、軽減された負荷で、直ちにより高い速度（＋２８７ｒｐｍ）に突進する。こ のことは、−次巻線に接続された汎用電力ラインではありえない。）ロータの速 度は、発電機がそのｋｗ比出力再び増大し始めるポイントに戻すように減少させ なければならない。この特定の例では、それは約１１２９ｒｐｍであると思われ る。

風力又は波力での運転においては１、発電機の制限容量は、突風や大波で発電機 か破損しないように受容れられるものとし、これらの比較的大きなｋｗ負負荷捨 てないで、突風や大波の受容れにより、余分の電力パルスを作り出して、それ自 体に支払うようにする。

発電機は、その最低制限速度を充分超えた速度て発電を開始する。例えば、前述 の如く、約１１７１ｒｐｍで３．５ｋｗから低下したとき、発電機は３．　Ｏｋ ｗに低下する。発Ｍ、機は、より低いｋｗ比出力１、２０　Ｏｒｐｍを超すまで 突進する。その速度では、発電機はｋｗ比出力増大することなく、より高速度に 運転することができる。

（しかし、その入力アンペアは増大する。）発電機は、そのｋｗ比出力減らすた め、発電機が残したｌ１２９ｒｐｍより幾分高目の、その低い方の限界以上で発 電を再開する。

制限ポイントは、ロータの位相抵抗及び位相毎の外部抵抗を知ることにより計算 することができる。リアクタ及びコンデンサのインピーダンス（これは互いに逆 になる）に対する公式を用いて近似を行うことが可能である。次いて、所望によ り、僅かの変更のため、ＲΔ２３を使用することが可能である。

産業上の利用可能性 本発明は、原動機を用いて発電するため駆動するのに適した、巻線ロータ誘導発 電機を提供できるものと思われる。その適応は、発電機の負荷の制限をもたらす ので、発電機を可変速度で運転しても、その発電機に接続された電力線に一定の 周波数を維持することか可能となる。本発明は、本発明の一般的な、または特定 の態様の本質的特徴を適正に構成する特性及び要素を除去することなく、その他 の種々の用途に容易に適用可能である。したかって、このような適応は、以下に 述べる請求の範囲の意味及び同等の範囲内にあるものと理解すべきものであり、 そのつもりである。

フロントページの続き

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．三相ステータを限定するステータ巻線をその上に巻回したステータ、 前記ステータ内で回転するように搭載され、三相ロータを限定する３つのロータ 巻線をその上に巻回して有するロータ、動力源に接続され、一次巻線の用をなし 、それによって印加される動力が前記三相巻線内を流れる電流を作るとともに、 回転磁界を形成するのに適した前記の三相ステータ巻線、二次巻線の用をなし、 該二次巻線に電流が誘導される如く前記磁界に結合された前記の他の三相巻線、 前記の二次巻線に接続され、該発電機の効率を増大させ、広い範囲の速度に亘っ て出力を該発電機の容量に制限するレジスティブーリアクティブ手段、及び 前記二次を線に磁化電流を供給するため、該二次を線に直列に接続されたレジス ティブ手段 を有することを特徴とするロータリ誘導発電機。
2. ２．前記のステータ巻線が、動力源に接続され、ロータが、原動機に接続されて いることを特徴とする請求の範囲第１項に記載のロータリ誘導発電機。
3. ３．原動力が風力であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のロータリ誘 導発電機。
4. ４．原動力が波力であることを特徴とする請求の範囲第２項に記載のロータリ誘 導発電機。
5. ５．前記のレジスティブーリアクティブ手段が、レジスティブ手段に直列に接続 された誘導及びキャパシティブ手段を有し、この直列のセットが、本質的にＹ字 形に接続された別個の抵抗のセツトと並列に設けられていることを特徴とする請 求の範囲第１項に記載のロータリ誘導発電機。
6. ６．前記のレジスティブーリアクティブ手段が、レジスティブ手段に直列に接続 された誘導及びキヤパシテイブ手段を有し、この直列のセットが、本質的にΔ字 形に接続された抵抗の別個のセットと並列に設けられていることを特徴とする請 求の範囲第１項に記載のロータリ誘導発電機。
7. ７．ロータリ誘導発電機が三相ステータをその内部に限定するステータ巻線を有 するステータ及び該ステータ内で回転するように搭載されるとともに三相ロータ を限定する３つのロータ巻線をその上に呑回して有するロータを有するとともに 、前記三相ステータ巻線は、動力源に接続され、一次巻線の用をなし、それによ って印加される動力が前記三相巻線内を流れる電流を作るとともに、回転磁界を 形成するに適し、前記の他の三相巻線は、二次巻線の用をなし、該二次巻線に電 流が誘導される如く前記磁界に結合され、レジスティブーリアクティブ手段が前 記の二次巻線に接続され、該発電機の効率を増大させ、広い範囲の速度に亘って 出力を該発電機の容量に制限し、 かつ、前記二次巻線に磁化電流を供給するため、該二次巻線に直列にレジスティ ブ手段が接続されることを特徴とする電力発生方法。
8. ８．ロータリ誘導発電機による発電における負荷の制限方法において、発電機が 原動機の広範囲の速度に亘って、それに接続されたラインの周波数を維持したま ま可変速度で運転可能であり、それによって、過大ｋｗ出力がＹ形又はΔ形の各 脚から直列に接続されたレジスタンス、インダクタンス及びキャパシタンス手段 の３組の第１回路を用いた回路によって制限され、かつ、それらの組の夫々は、 抵抗の別の組と並列に接続されてその中に回路を完成し、ｋｗで最大のポイント を制限するのを助けることを特徴とする方法。
9. ９．三相ロータを限定する三つのロータ巻線をその上に巻回したステータ内で回 転するように搭載されたロータを含む誘導発電機を用いて、広い範囲のロータ速 度に亘り、かつ大容量において、最大発電出力を作り出す方法において、前記の 三相ステータ巻線は、動力源及び原動機に接続されるのに適応し、前記のロータ 巻線は磁界に接続された二次巻線の用をし、それによって該二次巻線内に電流が 誘導され、かつ、リアクティブ手段及び直列のレジスティブ手段が、前記二次巻 線内に電流を供給し、発電のため所要の磁界を形成するため二次巻線に接続され ることを特徴とする方法。