WO2011039818A1 - 風力発電機および風力発電システム - Google Patents

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power generator
wind
winding
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澤畠公則
西濱和雄
小村昭義
郡大祐
藤垣哲朗
水谷修二
飯塚元信
畔上兼一
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株式会社日立製作所
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    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
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    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a wind power generator capable of generating high output in a wide range of wind speeds and a wind power generation system using the wind power generator.
  • Wind power generators have an upper voltage limit in the connected power system, and input voltage is limited. Therefore, in order to increase the output of the wind power generator, it is necessary to flow a large amount of current. By reducing the number of turns of the windings housed in the generator, it is possible to reduce the electrical resistance and allow a large amount of current to flow. However, large generators such as wind power generators originally have few turns and it is difficult to adjust the number of turns. is there. Also, it is possible to flow a large current by increasing the size of the generator and increasing the cross-sectional area of the inserted winding. Is significantly reduced.
  • Patent Document 1 On the other hand, as described in Patent Document 1, four layers of windings are installed in one slot, and one phase band winding group among, for example, U, V, and W phase winding groups has four slots. There is a technique for obtaining a large current by connecting the windings in one slot in series. Further, as described in Patent Document 2, there is a technology in which the number of parallel circuits is set to 3 in a two-layered turbine generator having four poles, the output capacity is increased, and the circulating current is suppressed.
  • the amount of power generated by the power generator greatly fluctuates due to fluctuations in the wind speed, and in a region where the wind speed is low, the rotation speed of the rotor of the wind power generator is reduced, and the output and efficiency are greatly reduced.
  • the rotational speed of the rotor of the wind power generator is small, it is effective to increase the number of poles of the wind power generator and reduce the rotational speed of the rotating magnetic field, but the wind speed region that can be operated is limited. Therefore, as described in Patent Document 3, there is a technique for performing stable power generation by changing the number of poles in accordance with load fluctuations and expanding an operable wind speed region.
  • Non-Patent Document 1 describes an appropriate range of the number of slots per pole per phase for the design of a rotating electrical machine.
  • the problem to be solved by the present invention is to increase the output capacity while ensuring the mass productivity of the wind power generator and to expand the wind speed range in which the wind power generator can be operated.
  • the basic structure of a wind power generator is substantially the same as that of a conventional wind power generator, but a specification different from that of a conventional wind power generator is required to increase the output capacity.
  • An object of the present invention is to provide a wind power generator that realizes a large output while maintaining mass productivity and has a wide operable wind speed range.
  • the present invention relates to a wind power generator that generates multiphase AC power by having a stator that houses armature windings excited by AC voltage in a plurality of stator slots, and a rotor that is driven to rotate by power.
  • the number of parallel circuits forming the armature winding is set to be larger than the number of poles of the wind power generator, and the number of the parallel circuits does not exceed the number of stator slots per phase of the power generation voltage of the wind power generator It is characterized by increasing the output of the wind power generator.
  • the number of parallel circuits is a
  • the number of pole slots per phase of the wind power generator is Npp
  • the number of poles is P
  • a ⁇ Npp ⁇ P is satisfied.
  • the number of parallel circuits is a
  • the number of pole slots per phase of the wind power generator is Npp
  • the number of poles is P
  • Npp ⁇ P / a M (M is a positive integer) is satisfied.
  • the magnetic flux utilization factor is improved by setting the winding pitch of the armature winding to approximately 92% with respect to the pole pitch.
  • the rotor is characterized in that a squirrel-cage conductor is disposed on a rotor core and AC power is generated in the armature winding by the rotation of the rotor.
  • the rotor is characterized in that a permanent magnet is embedded in a rotor core and AC power is generated in the armature winding by the rotation of the rotor.
  • the rotor is characterized in that a winding is disposed in a slot provided in a rotor core, and AC power is generated in the armature winding by the rotation of the rotor.
  • an excitation device for exciting the armature winding is provided, and the wind power generator is controlled so as to optimize power generation efficiency according to wind speed.
  • one excitation device is provided for each of the parallel circuits of the armature windings.
  • the phase of the exciter connected to the armature winding is switched, and the number of poles is changed so as to optimize the power generation efficiency according to the wind speed. It is characterized by doing.
  • the present invention relates to a wind power generator that generates multiphase AC power by having a stator that houses armature windings excited by AC voltage in a plurality of stator slots, and a rotor that is driven to rotate by power.
  • the number of parallel circuits forming the armature winding is set to be larger than the number of poles of the wind power generator, and the number of the parallel circuits does not exceed the number of stator slots per phase of the power generation voltage of the wind power generator.
  • the schematic diagram which shows the squirrel-cage wind power generator by Example 1 of this invention The schematic diagram which shows the principal part of the wind power generator by this invention. Explanatory drawing which shows the combination of the number of pole slots per phase which can be implemented in this invention, the number of poles, and the number of parallel circuits.
  • the graph which shows the actual measurement result of the speed characteristic of the wind power generator by the difference in the number of poles The schematic diagram which shows the cage
  • FIG. 1 shows the configuration of a wind power generator according to this embodiment.
  • the wind power generator 1 includes a stator 10, a rotor 20, and a shaft 22.
  • the stator 10 has an armature winding having a stator core 11, a stator slot 12, an armature upper winding 15, and an armature bottom winding 16. It is constituted by a line 13.
  • Reference numeral 14 denotes a group of phase band windings.
  • a rotor core 21 is connected to the shaft 20 of the rotor 20, and a cage-shaped conductor 60 in which a rod-shaped conductor is embedded in the core and formed into a cage shape is disposed on the rotor core 21.
  • the generator 1 generates electric power by applying a rotational force to the shaft 22 to rotate the rotor 20 and energizing and energizing the armature winding 13.
  • the bar cross-sectional shape of the squirrel-cage conductor 60 disposed in the rotor core 21 is an insulator, but the shape is not particularly limited.
  • FIG. 2 shows phase band windings when the number of pole slots Npp per phase of the wind power generator according to the first embodiment is four.
  • Npp is a value obtained by dividing the number of stator slots by the number of phases and the number of poles of the wind power generator.
  • the armature winding 13 disposed in the stator slot 12 is formed by a two-layer winding of an armature upper winding 15 and an armature bottom winding 16 housed in slots # 1 to # 48 in a clockwise direction. Composed.
  • the armature bottom winding 16 disposed in the stator slot # 1 is connected to the armature upper winding 15 of the stator slot # 11, and an armature winding end portion 17 is formed outside the stator core 11. .
  • the number of pole slots Npp per phase is 4, so that a group of phase band windings 14 is formed by armature windings 13 arranged in four consecutive stator slots 12. Composed.
  • the number t of windings, the number N of slots, the number of parallel circuits a, the number of poles P, and the number of phases m are selected in accordance with electrical characteristics such as output.
  • the number of pole slots per phase Npp of the stator and the rotor is 3 ⁇ Npp ⁇ 7 (1) as shown in Non-Patent Document 1. It is recommended to set a range of. Since the number of slots N is determined by the equation (2), the number of slots N that can be implemented is almost automatically determined in the design of the rotating electrical machine.
  • N Npp ⁇ number of phases m ⁇ number of poles P (2) Further, the number of turns t per parallel circuit is calculated by Equation (3).
  • Number of turns t N / (number of parallel circuits a ⁇ number of phases m) (3)
  • N number of turns t per parallel circuit and increase the current flowing through the winding. Therefore, in order to reduce the number of turns t per parallel circuit, it is necessary to reduce the number of slots N based on the equation (3) or increase the number of parallel circuits a and the number of phases m.
  • the armature bottom winding 16 disposed in the stator slots # 1 to # 4 and the armature upper winding 15 disposed in the stator slots # 11 to # 14 are included in the phase band winding 14. All were connected in series.
  • the armature bottom winding 16 and the stator slot # 11 arranged in the stator slots # 1 and # 2 in one phase band winding 14 One parallel circuit 18 is formed by the armature upper winding 15 arranged at # 12.
  • the armature bottom winding 16 disposed in the stator slots # 3 and # 4 and the armature upper winding 15 disposed in the stator slots # 13 and # 14 form one parallel circuit 19.
  • the parallel circuit is divided into two in the same phase band winding 14.
  • connection method of the winding end portion is different from that in the normal case, but the lead-out line of the connection increases by an increased multiple of the number of parallel circuits a, but the serial connection portion of the winding Decreases by a multiple obtained by increasing the number of parallel circuits a. Therefore, the end portion is not complicated, and the output capacity can be increased while maintaining the mass productivity of the wind power generator.
  • FIG. 3 shows the range of the number of parallel circuits a that can be implemented in the first embodiment.
  • the numerical values described in the right column of FIG. 3 indicate the number N of slots necessary for forming one parallel circuit in the same phase band winding.
  • N is 2 when the number of pole slots per phase Npp is 4 is described, but other connection methods can be implemented in the combinations shown in FIG.
  • the number of parallel circuits a In the connection system in which the number of parallel circuits a is larger than the number of poles P, the number of parallel circuits a that can be implemented is the number of pole slots per phase Npp ⁇ number of poles P, that is, the number of slots per phase, as shown in equation (4). Maximum value.
  • the number of parallel circuits a is 56, and the windings installed in the same phase band winding are arranged in one slot.
  • One parallel circuit is formed by the wound windings.
  • the number of parallel circuits is 8 and the number of poles is 4, so the number of slots required to form one parallel circuit is 2.
  • a squirrel-cage wind power generator in which a squirrel-cage conductor 60 is disposed is used for the rotor 20, but a permanent-magnet wind power generator in which a permanent magnet is disposed in the rotor instead of the squirrel-cage conductor. Even if a machine is used, the effect of this embodiment can be obtained. Furthermore, you may use the winding type wind power generator which has arrange
  • Example 2 a wind power generation system using the wind power generator of Example 1 is shown in FIG. 1 is a wind power generator, 30 is a variable frequency AC excitation device having an inverter and a converter, 31 is an armature side terminal, 32 is a power system, and 40 is a power source.
  • the power source 40 includes a windmill 41 and a speed increaser 42, and the rotational speed of the windmill 41 is increased by the speed increaser 42 to rotate the rotor 20 via the shaft 22.
  • the wind power generator 1 rotates the rotor 20 with the power of the power source 40, and causes the variable frequency alternating current excitation device 30 to pass an exciting current from the armature-side terminal 31 to a parallel circuit (not shown) of the stator 10, so that the armature side Power can be supplied from the terminal 31 to the power system 32. Since the rotational speed of the windmill 41 is proportional to the wind speed, when the rotational speed of the windmill 41 decreases, power can be generated efficiently by controlling the frequency of the variable frequency AC excitation device 30.
  • FIG. 5 shows a wind power generation system according to the third embodiment.
  • the wind power generation system according to the third embodiment is operated by connecting different variable frequency AC excitation devices to two parallel circuits formed in the same phase band winding of the wind power generator according to the first embodiment.
  • the wind power generator 1 shown in FIG. 5 has the same number of slots per pole per phase Npp as in the first embodiment, and divides the parallel circuit into two in the same phase band winding.
  • variable frequency alternating current excitation device 301 is connected to a parallel circuit (not shown) of the stator 10 via an armature side terminal 311, and the variable frequency alternating current excitation device 302 is another one (not shown) of the stator 10 via an armature side terminal 312. Connected to two parallel circuits.
  • the wind power generator 1 has the structure of the first embodiment and can increase the output capacity, and the current and voltage flowing through the two parallel circuits are substantially the same as before the parallel circuit was divided. Therefore, in the wind power generation system according to the third embodiment, the variable frequency alternating current excitation devices 301 and 302 can use the existing variable frequency alternating current excitation device, so that it is not necessary to develop them individually in accordance with the increase in capacity. The physique and development cost of the wind power generation system can be reduced. [Effects of increased number of phases] Moreover, in Example 3, since the phases of the parallel circuits 18 and 19 are different, the number of phases m is increased. FIG. 6 shows the amplitude ratio of the harmonic component of the output current.
  • the magnetomotive harmonic component generated from the armature winding 13 is generated as a 6n ⁇ 1 order component, and the lower the order, the larger the magnetomotive harmonic component amplitude is. Because of the tendency, the fifth and seventh harmonic components are the most dominant components.
  • n is an arbitrary integer.
  • the generation order of the dominant magnetomotive force harmonic component moves to the higher order.
  • the winding arranged in the phase band winding 14 is divided into two parallel circuits 18 and 19, so that the number of phases m is a six-phase generator, and the generated magnetomotive force harmonic component. Occurs at the order of 12n ⁇ 1st order, the most dominant harmonic components are the 11th and 13th order components.
  • FIG. 6 shows the short-pitch coefficient of the winding. Magnetomotive harmonics are inevitably generated in all winding arrangements, but the amplitude of the generation order of each magnetomotive harmonic varies depending on the winding arrangement.
  • the winding pitch of the armature winding is less than the pole pitch so as to reduce the short-pitch winding coefficient. Generally, it is approximately 83%.
  • the fifth-order and seventh-order harmonic components are not generated in the generator of Example 3, and the winding pitch can be made larger than the pole pitch.
  • the most dominant harmonic orders are the 11th and 13th components. Therefore, the winding pitch with respect to the pole pitch may be arranged so that the 11th and 13th order short-pitch coefficients are minimized.
  • the winding pitch at which the 11th and 13th short-pitch windings are minimum is approximately 92% of the pole pitch.
  • the utilization factor of the magnetic flux generated inside the generator is improved, and a predetermined output can be obtained with a small amount of magnetic flux, thereby reducing the size of the generator. be able to.
  • [Compensation by increasing parallel circuits] Furthermore, if one phase is lost in a three-phase generator, the output is reduced to 86.7% of the output of the three-phase generator because of two-phase operation, and the harmonic component increases, so that the variable frequency There is a possibility of adversely affecting the AC exciter.
  • the wind power generator 1 according to the present embodiment is equivalent to an increase in the number of parallel circuits a and an increase in the number of phases m. Therefore, when one phase is missing, the other parallel circuits compensate for it. Therefore, the influence of output reduction can be reduced, and an increase in harmonic components can be suppressed as compared with the case of a three-phase generator.
  • the wind power generator according to the fourth embodiment shown in FIG. 8 is a permanent magnet type wind power generator in which a permanent magnet 50 is disposed inside the rotor core 21 of the wind power generator 1, and the stator 10 is rotated by the rotation of the rotor 20. Electric power is generated in the armature winding 13.
  • the permanent magnet 50 is embedded in the rotor core 21 along the cylindrical shape of the rotor 20, the permanent magnet 50 may be arranged in a surface shape or a salient pole shape.
  • the armature winding 13 disposed in the stator 10 is connected so that the number of parallel circuits a is larger than the number of poles P, and different parallel circuits are installed in the same-phase band winding 14. ing. Even when the number of parallel circuits a of the armature windings 13 is larger than the number of poles P, the influence from the rotor side is substantially the same as in the case of a general permanent magnet generator. The same effects as those of the second and third embodiments can be obtained.
  • the physique and weight of the generator can be reduced compared to the case of a squirrel-cage wind generator or an AC excitation synchronous generator, and the generator output can be increased. In addition, it can be easily mounted on a windmill.
  • the rotational speed of the generator rotor decreases in the low wind speed region, and the induced voltage of the armature winding and the field winding decreases. It will decline.
  • the synchronization speed of the rotating machine can be calculated by 120 ⁇ frequency f / number of poles P, the greater the number of poles P, the lower the synchronization speed, and the operable area moves to a lower speed area. Therefore, as shown in FIG. 9, in the low wind speed region, by increasing the number of poles P, it is possible to efficiently obtain a large output.
  • the phases of the variable frequency alternating current excitation device 301 and the variable frequency alternating current excitation device 302 are switched in accordance with the fluctuation of the wind speed, and the number of poles P is changed in accordance with the operation region.
  • the wind power generator 1 used in Example 1 is shown.
  • the U phase, V phase, and W phase are arranged as shown in FIG.
  • the currents flowing in the U phase and the U 'phase, the V phase and the V' phase, and the W phase and the W 'phase are different in phase by 30 degrees.
  • the wind power generator 1 becomes a six-phase power generator and can be operated in the first to third embodiments.
  • the wind speed weakens and becomes a low wind speed region
  • information from a current sensor (not shown) installed in the variable frequency AC exciting devices 301 and 302 or a speed sensor (not shown) installed in the rotor 20 is used.
  • the current value flowing through the armature winding 13 and the rotational speed of the rotor 20 are discriminated, and when the current value and the rotational speed are below a certain threshold value, the V-phase and W of the variable frequency AC excitation device 301 are determined.
  • the U ′ phase and the V ′ phase of the phase and variable frequency AC excitation device 302 are switched.
  • the phase arrangement of the wind power generator 1 changes as shown in FIG.
  • the U-phase, V-phase, and W-phase of the variable-frequency AC excitation device 301 and the variable-frequency AC excitation device 302 are shown every two slots in FIG.
  • the three-phase generator is arranged, and the three-phase two-poles are formed in the phase band winding that has formed the six-phase one-pole before the operation switching of the variable frequency alternating current excitation devices 301 and 302. .
  • the number of poles P it is possible to increase the number of poles P by operating the variable frequency AC exciting device.
  • the number of parallel circuits a is further increased, the number of poles P is increased by the number of parallel circuits a. It can be increased by the same multiple as the multiple.
  • the operating range can be expanded while minimizing the decrease in efficiency, and wind power generation in a range where the output of the wind power generator cannot be obtained with the conventional technology
  • the system can be operated and stable power can be supplied.

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Abstract

　風力発電機およびこれを用いた風力発電システムにおいて、風力発電機の量産性を維持したまま出力の大容量化を図る。さらに風力発電機の運転可能な風速領域を拡大する。このために複数の固定子スロットに電機子巻線を収納する固定子と、複数の回転子スロットに界磁巻線を収納する回転子を有する風力発電機において、前記電機子巻線を形成する並列回路数を極数よりも大きくし、前記並列回路数は一相あたりのスロット数以下とする。また、励磁装置によって電機子巻線へ供給される励磁電力を風速に応じて最適化し発電効率を維持する。

Description

風力発電機および風力発電システム
　本発明は、広い範囲の風速領域において高出力の発電が可能な、風力発電機およびこれを用いた風力発電システムに関する。
　風力発電機は、接続される電力系統において電圧の上限があり、入力電圧に制限がある。従って風力発電機の出力を大容量化するためには、電流を多く流す必要がある。発電機に収納する巻線の巻数を少なくすることによって電気抵抗を減らし電流を多く流すことが可能となるが、風力発電機をはじめとする大型発電機は巻数が元々少なく巻数の調整が困難である。また、発電機の体格を大きくし挿入する巻線の断面積を大きくすることによって大電流を流すことが可能であるが、巻線の断面積を大きくすると巻線の加工が困難となり、量産性が著しく低下する。
　これに対し、特許文献１に記載されるように、１スロット内に巻線を４層設置し、例えばＵ、Ｖ、Ｗ相の巻線群のうち一つの相帯巻線群を４つのスロットで構成し、１スロット内の巻線をそれぞれ直列に接続して大電流を得る技術がある。また、特許文献２に記載されるように、極数４の２層重ね巻のタービン発電機において、並列回路数を３とし、出力の大容量化および循環電流を抑制する技術がある。
　　また、風力発電機は風速の変動によって発電機の発電量が大きく変動し、風速の少ない領域では風力発電機の回転子の回転速度が低下するため出力や効率が大きく低下してしまう。風力発電機の回転子の回転速度が小さい場合には、風力発電機の極数を大きくし回転磁界の回転速度を小さくすることが有効であるが、運転可能な風速領域が限られてしまう。そこで、特許文献３に記載されるように、負荷の変動に応じて極数を変化させ、運転可能な風速領域を拡大して安定した発電を行う技術がある。
　また、非特許文献１には、回転電機の設計について、毎相毎極スロット数Ｎｐｐの適正範囲が記載されている。
特開２００５－１２４３７５号公報 特開平９－２０５７５０号公報 特開２００９－７１９３７号公報
野中作太郎：応用電気工学全書１電気機器（Ｉ）、森北出版（１９７３）
　本発明が解決しようとする課題は、風力発電機の量産性を確保したまま出力の大容量化を図ること、および風力発電機の運転可能な風速領域を拡大することである。風力発電機の基本構造は従来の風力発電機と略同一であるが、出力の大容量化に対しては従来の風力発電機とは異なる仕様が必要となる。
　特許文献１に記載される技術では、１スロット内に巻線を４層配置するため結線が複雑となる。また、風力発電機では特に断面積が大きい巻線を使用しており巻線加工時の工数が増加し量産性が悪化するため、この技術は風力発電機に適用できない。
　また、特許文献２に記載される技術では、並列回路数が極数の約数でないため、発電機の端部における結線を調整する必要があり非常に工数がかかる。したがって、風力発電機に適用することは量産性の観点から困難である。さらに、特許文献３に記載される技術では極数の切り替えによって風速の変動に対して発電量の安定化を図っているが、発電機の電機子巻線の励磁装置が一つのみであるため、この技術のみで広い風力領域にわたって発電機出力の大容量化を図ることは困難である。
　本発明の目的は、量産性を維持したまま出力の大容量化を実現し、かつ運転可能な風速領域が広い風力発電機を提供することである。
　本発明は、複数の固定子スロットに交流電圧で励磁される電機子巻線を収納する固定子と、動力により回転駆動される回転子を有して多相交流電力を発電する風力発電機において、前記電機子巻線を形成する並列回路数を前記風力発電機の極数よりも大きく設定し、前記並列回路数を前記風力発電機の発電電圧の一相あたり固定子スロット数を越えない値として風力発電機の出力を増大することを特徴とする。
　また、並列回路数をａ、前記風力発電機の毎相毎極スロット数をＮｐｐ、極数をＰとすると、ａ　≦　Ｎｐｐ×Ｐを満足することを特徴とする。
　また、並列回路数をａ、前記風力発電機の毎相毎極スロット数をＮｐｐ、極数をＰとすると、Ｎｐｐ×Ｐ／ａ　＝　Ｍ　（Ｍは正の整数）を満足することを特徴とする。
　また、電機子巻線の巻線ピッチを、極ピッチに対して略９２％として磁束利用率を向上することを特徴とする。
　また、回転子は回転子鉄心にかご形導体を配置し、前記回転子の回転によって前記電機子巻線に交流電力を発電することを特徴とする。
　また、回転子は回転子鉄心に永久磁石を埋込み配置し、前記回転子の回転によって前記電機子巻線に交流電力を発電することを特徴とする。
　また、回転子は回転子鉄心に設けたスロットに巻線を配置し、前記回転子の回転によって前記電機子巻線に交流電力を発電することを特徴とする。
　さらに、風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記電機子巻線を励磁する励磁装置を設け、風速に応じて発電効率を最適化するように前記風力発電機を制御することを特徴とする。
　さらに、風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記励磁装置が前記電機子巻線の前記並列回路毎に一台ずつ設けられていることを特徴とする。
　さらに、風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記電機子巻線に接続された前記励磁装置の相を切り替えて、風速に応じて発電効率を最適化するように極数を変化させて運転することを特徴とする。
　本発明は、複数の固定子スロットに交流電圧で励磁される電機子巻線を収納する固定子と、動力により回転駆動される回転子を有して多相交流電力を発電する風力発電機において、前記電機子巻線を形成する並列回路数を前記風力発電機の極数よりも大きく設定し、前記並列回路数を前記風力発電機の発電電圧の一相あたり固定子スロット数を越えない値として、風力発電機の量産性を維持したまま出力の大容量化を実現することができるという、従来にない効果を実現するという独自の効果を有する。
本発明の実施例１によるかご形風力発電機を示す模式図。 本発明による風力発電機の主要部を示す模式図。 本発明における実施可能な毎相毎極スロット数と極数と並列回路数の組合わせを示す説明図。 本発明の実施例２による風力発電システムを示すブロック図。 本発明の実施例３による風力発電システムを示すブロック図。 風力発電機出力の高調波電流含有率の実測結果を示すグラフ。 短節巻係数と極ピッチ／巻線ピッチ比を示すグラフ。 本発明の実施例４による永久磁石形風力発電機を示す模式図。 極数の違いによる風力発電機の速度特性の実測結果を示すグラフ。 本発明の実施例５によるかご形風力発電システムを示す模式図。 本発明による風力発電機の極数切り替え前の相配置を示す説明図。 本発明による風力発電機の極数切り替え後の相配置を示す説明図。
　以下に本発明の実施例の詳細について、図面を用いながら説明する。
〔基本構成〕
　図１に本実施例による風力発電機の構成を示す。風力発電機１は固定子１０と回転子２０、シャフト２２によって構成され、固定子１０は固定子鉄心１１、固定子スロット１２、電機子上巻線１５、電機子底巻線１６を有する電機子巻線１３によって構成される。１４は一群の相帯巻線である。回転子２０には回転子鉄心２１がシャフト２２に連結されており、回転子鉄心２１には棒状の導体を鉄心に埋め込んでかご形に形成したかご形導体６０が配置される。発電機１はシャフト２２に回転力を与えて回転子２０を回転させ、電機子巻線１３を通電励磁することにより発電する。図１に記載されているかご形風力発電機では回転子鉄心２１に配置されているかご形導体６０のバー断面形状は茄子形となっているがその形状は特に限定されない。
　図２に実施例１による風力発電機の毎相毎極スロット数Ｎｐｐを４としたときの相帯巻線を示す。ここで、Ｎｐｐは固定子スロット数を風力発電機の相数および極数で割った値である。固定子スロット１２内に配置される電機子巻線１３は、時計回りに＃１から＃４８までのスロットに収納されている電機子上巻線１５と電機子底巻線１６の二層巻線によって構成される。固定子スロット＃１に配置される電機子底巻線１６は固定子スロット＃１１の電機子上巻線１５に連結され、固定子鉄心１１の外部には電機子巻線端部１７が形成される。
　実施例１による風力発電機は毎相毎極スロット数Ｎｐｐが４であるため、一群の相帯巻線１４は４つ連続して隣り合う固定子スロット１２に配置される電機子巻線１３によって構成される。
〔回転電気の設計〕
　回転電機の設計では、出力などの電気特性に合わせ、巻線の巻数ｔ、スロット数Ｎや並列回路数ａ、極数Ｐ、相数ｍを選定する。通常、固定子および回転子の毎相毎極スロット数Ｎｐｐは非特許文献１に示すように
　　３　≦　Ｎｐｐ　≦　７　　　　　・・・・・・（１）
の範囲に設定することが推奨されている。スロット数Ｎは式（２）によって決定されるため、回転電機の設計では実施可能なスロット数Ｎがほぼ自動的に決定される。
　　Ｎ＝Ｎｐｐ×相数ｍ×極数Ｐ　　　・・・・・・（２）
また、１並列回路当たりの巻数ｔは式（３）によって計算される。
　　巻数ｔ＝Ｎ／（並列回路数ａ×相数ｍ）　・・・（３）
　風力発電機に電流を多く流すためには、１つの並列回路当たりの巻数ｔを小さくし、巻線に流れる電流を大きくする必要がある。従って、１並列回路当たりの巻数ｔを小さくするためには式（３）に基づいてスロット数Ｎを少なくするか、または並列回路数ａおよび相数ｍを多くする必要がある。
　スロット数Ｎを少なくすると巻線の断面積が大きくなり、より多くの電流を流すことができるため出力の大容量化が可能となる。しかし、巻線が太くなると発電機組立時の巻線の加工が困難となるため発電機の量産性が悪化する。
〔並列回路の増加〕
　したがって、発電機の量産性を維持したまま１並列回路当たりの巻数ｔを小さくするためには、並列回路数ａまたは相数ｍを多くする事が有効である。
　並列回路数ａを多くするためには並列回路数ａを極数Ｐよりも多くすることが必要となる。しかし、従来の風力発電機では、１つの相帯巻線に対し１つの並列回路を形成し、発電機全体の並列回路数ａは極数Ｐの約数とすることが一般的で並列回路数ａを極数Ｐと同一としている場合が多く、一般的な結線方法では並列回路数ａを増加することは実現が困難である。
　例えば、従来であれば固定子スロット＃１から＃４に配置される電機子底巻線１６と固定子スロット＃１１から＃１４に配置される電機子上巻線１５とが相帯巻線１４内で全て直列結線されていた。
　これに対し、実施例１では図２に示すように、１つの相帯巻線１４内において、固定子スロット＃１と＃２に配置される電機子底巻線１６と固定子スロット＃１１と＃１２に配置される電機子上巻線１５とで１つの並列回路１８を形成する。また、固定子スロット＃３と＃４に配置される電機子底巻線１６と固定子スロット＃１３と＃１４に配置される電機子上巻線１５とで１つの並列回路１９を形成する。このように同一の相帯巻線１４内で並列回路を２つに分割している。
　並列回路１８および１９には同一振幅の電流が流れており、その振幅は並列回路数ａと極数Ｐとが同一である一般的な結線方式とした場合と同一である。したがって、発電機から出力される電流を並列回路数ａが増加した倍数だけ得ることができるため、並列回路数ａを２倍とした発電機は、通常の並列回路数ａの場合に比べて２倍の出力を得ることができる。
　また、実施例１による風力発電機では通常の場合と比べ巻線端部の結線方式が異なるが、結線の引き出し線は並列回路数ａの増加した倍数だけ増加するものの、巻線の直列結線部分は並列回路数ａが増加した倍数だけ減少する。そのため端部の複雑化は発生せず、風力発電機の量産性を維持したまま出力の大容量化が可能となる。
〔実施可能な並列回路数〕
　図３に実施例１における実施可能な並列回路数ａの範囲を示す。図３の右欄内に記載されている数値は同一相帯巻線内において１つの並列回路を形成するために必要なスロット数Ｎを示している。実施例１では毎相毎極スロット数Ｎｐｐが４であるときＮが２である例を記載しているが、その他の結線方式は図３に記載されている組合わせにおいて実施可能である。
　並列回路数ａを極数Ｐよりも大きくする結線方式において、実施可能な並列回路数ａは式（４）のように毎相毎極スロット数Ｎｐｐ×極数Ｐすなわち一相あたりのスロット数が最大値となる。
　　並列回路数a　≦　毎相毎極スロット数Ｎｐｐ×極数Ｐ・・・・・・（４）
また、実施例１による結線方式は相帯巻線内で並列回路を複数形成するため、式（５）の関係でなければ実施不可能である。
（毎相毎極スロット数Ｎｐｐ）×（極数Ｐ）／（並列回路数ａ）＝Ｍ
　　（Ｍは正の整数）　　　　　　　　　　　　　・・・・・・・・（５）
　図３の右欄内において斜線で示されている範囲は毎相毎極スロット数Ｎｐｐ×極数Ｐよりも大きくなるため実施不可能である。また、横線で示されている範囲は（毎相毎極スロット数Ｎｐｐ）×（極数Ｐ）／（並列回路数ａ）が整数でないため実施不可能である。
　例えば、毎相毎極スロット数Ｎｐｐを７、極数Ｐを８とした場合、並列回路数ａは５６が最大となり、同一相帯巻線内に設置される巻線は１つのスロット内に配置される巻線で１つの並列回路を形成することとなる。実施例１は、図３内に記載されているように、並列回路数ａが８、極数Ｐが４であるため１つの並列回路を形成するために必要となるスロット数は２となる。
　並列回路数ａは多くなるほど大電流を流すことが可能となるため、図３に記載されるような範囲で並列回路数ａを増加させることにより出力の大容量化が可能となる。なお、実施例１において、回転子２０にはかご形導体６０が配置されたかご形風力発電機を用いているが、かご形導体の代わりに回転子に永久磁石を配置した永久磁石形風力発電機を用いても本実施例の効果を得ることができる。さらに、回転子に巻線を配置した巻線形風力発電機を用いても良い。
　実施例２において、実施例１の風力発電機を用いた風力発電システムを図４に示す。１は風力発電機、３０はインバータとコンバータを有する可変周波数交流励磁装置、３１は電機子側端子、３２は電力系統、４０は動力源である。動力源４０は風車４１と増速機４２によって構成され、風車４１の回転速度は増速機４２により増加され、シャフト２２を介して回転子２０を回転させる。
　風力発電機１は、動力源４０の動力で回転子２０を回転させ、かつ可変周波数交流励磁装置３０で電機子側端子３１から固定子１０の図示しない並列回路に励磁電流を流し、電機子側端子３１から電力系統３２に電力を供給することができる。風車４１の回転速度は風速に比例するため、風車４１の回転速度が低下した場合には可変周波数交流励磁装置３０の周波数を制御することにより、効率よく発電することができる。
　実施例３による風力発電システムを図５に示す。実施例３による風力発電システムは実施例１による風力発電機の同一相帯巻線内に形成される二つの並列回路に、それぞれ異なる可変周波数交流励磁装置を接続して運転するものである。図５に記載される風力発電機１は実施例１と同じく毎相毎極スロット数Ｎｐｐを４とし、同一相帯巻線内で並列回路を２つに分割したものである。
　可変周波数交流励磁装置３０１は電機子側端子３１１を介して固定子１０の図示しない並列回路に接続され、可変周波数交流励磁装置３０２は電機子側端子３１２を介して固定子１０の図示しないもう一つの並列回路に接続されている。
　ここで、各並列回路に接続される可変周波数交流励磁装置が単一である場合には、同一巻線群内で巻線配置が異なるため両並列回路間で循環電流が発生し、効率の低下や発熱が生じてしまう場合がある。これに対し、実施例３のように各並列回路に別々の可変周波数交流励磁装置を接続すれば、上記の循環電流の発生を抑制することができる。
　風力発電機１は実施例１の構造をもち出力の大容量化が可能であり、また二つの並列回路に流れる電流と電圧は並列回路を分割する以前と略同一である。従って、実施例３による風力発電システムにおいて、可変周波数交流励磁装置３０１と３０２は既存の可変周波数交流励磁装置を使用することができるため、大容量化に合わせて個別に開発することが不要となり、風力発電システムの体格や開発コストの低減が可能となる。
〔相数の増加による効果〕
　また、実施例３では並列回路１８と１９の位相が異なるため相数ｍが増える結果となる。図６に出力電流の高調波成分の振幅率を示す。相数ｍが３相巻線である場合、電機子巻線１３から発生する起磁力高調波成分は６ｎ±１次の成分で発生し、低次であるほど起磁力高調波成分の振幅は大きい傾向にあるため、５次、７次の高調波成分が最も支配的な成分となる。ここでｎは任意の整数である。
　これに対し、相数ｍが３相よりも増えることによって、支配的な起磁力高調波成分の発生次数は高次に移動する。例えば、本実施例では相帯巻線１４に配置される巻線を並列回路１８と１９の２つに分割しているため相数ｍが６相の発電機となり、発生する起磁力高調波成分は１２ｎ±１次の次数で発生するため、最も支配的な高調波成分は１１次、１３次の成分となる。
　図６に記載されるように、１１次、１３次の高調波成分は５次、７次の高調波成分に対して振幅が小さいため、出力電流波形の高調波は３相よりも６相の方が小さくなる。このことから、並列回路数ａを増加させることにより出力電流波形の高調波成分を低減できるため、出力電流の品質を向上させることが可能となる。
〔短節巻係数〕
　図７に巻線の短節巻係数を示す。起磁力高調波は全ての巻線配置において必ず発生するが、各起磁力高調波の発生次数はその巻線配置によって振幅が変化する。通常の発電機で最大となる高調波次数である５次、７次成分を最小とするためには、短節巻係数を小さくなるように電機子巻線の巻線ピッチは極ピッチに対して略８３％とすることが一般的である。
　一方、実施例３の発電機では前述のように５次、７次の高調波成分は発生せず、巻線ピッチは極ピッチに対してより大きくすることができる。例として６相の発電機の場合、最も支配的となる高調波次数は１１次、１３次成分となる。したがって、極ピッチに対する巻線ピッチは１１次、１３次の短節巻係数が最も小さくなるように配置すればよい。
　１１次、１３次の短節巻係数が最小となる巻線ピッチは、図７に記載するように、極ピッチに対して略９２％である。一般的な発電機よりも巻線ピッチを大きくとることにより、発電機内部に発生する磁束の利用率が向上し、少ない磁束で所定の出力を得ることができるため、発電機の体格を小さくすることができる。
〔並列回路増加による補償〕
　さらに、３相発電機においてある一つの相が欠損した場合、２相運転となるため出力が３相発電機の出力の８６．７％まで低下し、また、高調波成分が増加するため可変周波数交流励磁装置に悪影響を及ぼす可能性がある。本実施例による風力発電機１は並列回路数ａが増加しており、相数ｍが増加していることと等価であるため、ある一つの相が欠損した場合、その他の並列回路で補償することができるため、出力低下の影響を低減することができ、高調波成分の増加も３相発電機の場合に比べて抑制することができる。
〔永久磁石形風力発電機〕
　図８に示す実施例４による風力発電機は、風力発電機１の回転子鉄心２１内部に永久磁石５０が配置されている永久磁石形風力発電機であり、回転子２０の回転によって固定子１０の電機子巻線１３に電力を発電する。回転子鉄心２１に永久磁石５０が回転子２０の円筒形に沿って埋込み配置されているが、永久磁石５０の配置方法は表面形の場合や突極形に埋込み配置された場合でもよい。
　固定子１０に配置される電機子巻線１３は実施例１のように並列回路数ａが極数Ｐよりも多い結線となっており、同一相帯巻線１４内において異なる並列回路が設置されている。電機子巻線１３の並列回路数ａを極数Ｐよりも多くした場合においても、回転子側からの影響は一般的な永久磁石形発電機の場合と略同一であるため、実施例１および実施例２および実施例３と同等の効果を得ることができる。
　また、回転子に永久磁石を用いているため、かご形風力発電機や交流励磁形同期発電機の場合に比べて発電機の体格や重量を低減することができ、発電機出力の大容量化に加えて風車への搭載を容易とすることができる。
〔風速領域の拡大〕
　図１のように、回転子２０にかご形導体６０が設置されているかご形発電機である場合、かご形導体６０の極数Ｐおよび相数ｍは固定子１０の極数Ｐおよび相数ｍと自動的に一致するため、極数Ｐや相数ｍを変化させた運転が可能となる。
　風力発電機の出力は風速に比例するため、低風速領域では発電機の回転子の回転数が低下し、電機子巻線および界磁巻線の誘起電圧が低下するため、発電量や効率が低下してしまう。回転機の同期速度は１２０×周波数ｆ／極数Ｐで計算出来るため、極数Ｐが多いほど同期速度は低くなり、運転可能領域がより低速領域へと移動する。したがって、図９に示すように低風速領域では極数Ｐを多くすることにより、効率良く出力を多く得ることができることとなる。
　極数Ｐを変化させるためには図１０に記載するように電機子巻線１３に励磁装置３０１および３０２を設置することが必要となる。実施例５では、風速の変動に合わせて可変周波数交流励磁装置３０１と可変周波数交流励磁装置３０２の相の切り替えを行い、運転領域に合わせて極数Ｐを変化させている。
　一例として、実施例１で用いた風力発電機１を示す。４極機で各並列回路に励磁装置を設置した運転を行う場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相は図１１のように配置される。ここで、Ｕ相とＵ’相およびＶ相とＶ’相、Ｗ相とＷ’相に流れる電流はそれぞれ３０度ずつ位相が異なっている。この場合風力発電機１は６相発電機となり実施例１から３で可能な運転となる。
　次に、風速が弱まり低風速領域となったとき、可変周波数交流励磁装置３０１および３０２内に設置されている図示しない電流センサまたは回転子２０に設置されている図示しない速度センサなどからの情報を用いて電機子巻線１３に流れる電流値や回転子２０の回転数を判別し、その電流値や回転数がある一定の閾値以下となった場合に可変周波数交流励磁装置３０１のＶ相とＷ相、可変周波数交流励磁装置３０２のＵ’相とＶ’相をそれぞれ切り替える。
　このように可変周波数交流励磁装置の位相を切り替えることにより、風力発電機１の相の配置は図１２のように変化する。ここで、可変周波数交流励磁装置３０１および可変周波数交流励磁装置３０２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流位相を同一とすることにより、図１２では２スロットごとにＵ相、Ｖ相、Ｗ相が配置されている３相発電機となり、可変周波数交流励磁装置３０１と３０２の運転切り替え前で６相１極を形成していた相帯巻線内で３相２極が形成されることとなる。
　以上のように可変周波数交流励磁装置を運転することにより極数Ｐを増加させることが可能となり、同様に並列回路数ａをさらに増加させた場合では、極数Ｐは並列回路数ａの増加した倍数と同じ倍数だけ増やすことができる。風速に合わせて極数Ｐを調整することにより、効率低下を最小限に抑えたまま運転可能領域を拡大させることができ、従来技術では風力発電機の出力を得ることができない範囲での風力発電システムの運転が可能となり、安定した電力を供給することが可能となる。
　１　　　風力発電機
　１０　　固定子
　１１　　固定子鉄心
　１２　　固定子スロット
　１３　　電機子巻線
　１４　　相帯巻線
　１５　　電機子上巻線
　１６　　電機子底巻線
　１７　　電機子巻線端部
　１８、１９　　並列回路
　２０　　回転子
　２１　　回転子鉄心
　２２　　シャフト
　３０　　可変周波数交流励磁装置
　３０１、３０２　可変周波数交流励磁装置
　３１　　電機子側端子
　３１１、　３１２　電機子側端子
　３２　　電力系統
　４０　　動力源
　４１　　風車
　４２　　増速機
　５０　　永久磁石
　６０　　かご形導体
　＃１～＃４８　　固定子スロット番号　

Claims (10)

  1. 　複数の固定子スロットに交流電圧で励磁される電機子巻線を収納する固定子と、動力により回転駆動される回転子を有して多相交流電力を発電する風力発電機において、
    　前記電機子巻線を形成する並列回路数を前記風力発電機の極数よりも大きく設定し、前記並列回路数を前記風力発電機の発電電圧の一相あたり固定子スロット数を越えない値として風力発電機の出力を増大することを特徴とする風力発電機。
  2. 　請求項１に記載の風力発電機において、前記並列回路数をａ、前記風力発電機の毎相毎極スロット数をＮｐｐ、極数をＰとすると、
    　　　　　　　ａ　≦　Ｎｐｐ×Ｐ
    を満足することを特徴とする風力発電機。
  3. 　請求項１に記載の風力発電機において、前記並列回路数をａ、前記風力発電機の毎相毎極スロット数をＮｐｐ、極数をＰとすると、
    　　　　　　　Ｎｐｐ×Ｐ／ａ　＝　Ｍ　（Ｍは正の整数）
    を満足することを特徴とする風力発電機。
  4. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電機において、前記電機子巻線の巻線ピッチを、極ピッチに対して略９２％として磁束利用率を向上することを特徴とする風力発電機。
  5. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電機において、前記回転子は回転子鉄心にかご形導体を配置し、前記回転子の回転によって前記電機子巻線に交流電力を発電することを特徴とするかご形の風力発電機。
  6. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電機において、前記回転子は回転子鉄心に永久磁石を埋込み配置し、前記回転子の回転によって前記電機子巻線に交流電力を発電することを特徴とする永久磁石形の風力発電機。
  7. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の風力発電機において、前記回転子は回転子鉄心に設けたスロットに巻線を配置し、前記回転子の回転によって前記電機子巻線に交流電力を発電することを特徴とする巻線形の風力発電機。
  8. 　請求項１乃至７のいずれかに記載の風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記電機子巻線を励磁する励磁装置を設け、風速に応じて発電効率を最適化するように前記風力発電機を制御することを特徴とする風力発電システム。
  9. 　請求項８に記載の風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記励磁装置が前記電機子巻線の前記並列回路毎に一台ずつ設けられていることを特徴とする風力発電システム。
  10. 　請求項８または９に記載の風力発電機を用いた風力発電システムにおいて、前記電機子巻線に接続された前記励磁装置の相を切り替えて、風速に応じて発電効率を最適化するように極数を変化させて運転することを特徴とする風力発電システム。
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