WO2014136251A1 - 回転電機システム及び風力発電システム - Google Patents

回転電機システム及び風力発電システム Download PDF

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electrical machine
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stator
rotating
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雅寛 堀
守 木村
順弘 楠野
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株式会社日立製作所
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    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine system and a wind power generation system, and more particularly to a rotating electrical machine system and a wind power generation suitable for those having a first rotating electrical machine (main generator) and a second rotating electrical machine (auxiliary generator). It is about the system.
  • the AC excitation type rotating electric machine is installed in the nacelle on the tower of the windmill, and it is necessary to perform regular maintenance in a limited space in the nacelle. There was a need to reduce maintenance.
  • Patent Document 1 As a brushless AC excitation type rotating electrical machine, for example, there is a technique described in Patent Document 1.
  • a rotary exciter and a power converter are provided coaxially with an AC excitation synchronous generator to rectify the power of the system to DC, and energize the stator of the rotary exciter. It describes that after power is supplied to the rotor, the power is converted to voltage and frequency by the power converter, and the power is supplied to the rotor of the AC excitation synchronous generator to perform power generation operation.
  • the power of the system is supplied to the rotor through the power converter when the speed is lower than the synchronous speed, and the power of the rotor is supplied through the power converter when the speed is higher than the synchronous speed. To supply.
  • Patent Document 1 power can be supplied from the system to the AC excitation synchronous generator, but the voltage of the system is rectified by the rectifier and then supplied to the rotary exciter, so that the rectifier is installed. For this reason, power cannot be supplied to the system from the AC excitation synchronous generator. Therefore, the operation range becomes narrower than that of a conventional general AC excitation synchronous generator.
  • Patent Document 1 since the rotary exciter is provided in addition to the generator, the total physique of the generator is increased by providing the rotary exciter, and a wide arrangement space is required.
  • the present invention has been made in view of the above points, and the object of the present invention is to make the rotating electrical machine brushless even if it includes the first rotating electrical machine and the second rotating electrical machine.
  • An object of the present invention is to provide a rotating electrical machine system and a wind power generation system that can prevent an increase in the size of the entire rotating electrical machine and a reduction in the operating range.
  • a rotating electrical machine system of the present invention has a first stator having a first stator winding, a first rotor winding, and an inner diameter of the first stator.
  • a first rotating electric machine composed of a first rotor arranged on the side with a predetermined gap, a second stator having a second stator winding, and a second rotor winding
  • a second rotating electrical machine comprising a second rotor disposed on the inner diameter side of the second stator via a predetermined gap, and the first and second rotor windings electrically
  • the first and second rotors and the power converter are mechanically connected to a rotating shaft, and always generate electric power out of the two rotating electric machines. If the number of poles p 1 of the rotary electrical machine has a driving, which of the other rotary electric machine the number of poles and the p 2, p 1 / p 2 > 1. Characterized in that it comprises a.
  • the wind power generation system of the present invention includes a rotor that rotates by receiving wind, a rotating electrical machine system configured as described above that is connected to the rotor via a main shaft, and the rotating electrical machine system.
  • a nacelle housed inside and a tower that supports the nacelle are provided, and the first and second rotating electric machines are rotated by the rotational force of the rotor, and the stators of the first and second rotating electric machines are rotated.
  • the winding is connected to the power system side.
  • Example 1 of the rotary electric machine system of this invention It is a schematic block diagram which shows Example 1 of the rotary electric machine system of this invention. It is a figure for demonstrating the flow of energy when the rotational speed of the rotating shaft in Example 1 of the rotary electric machine system of this invention is smaller than the synchronous speed of a main generator. It is a figure for demonstrating the flow of energy when the rotational speed of the rotating shaft in Example 1 of the rotary electric machine system of this invention is larger than the rotational speed of a main generator. It is a characteristic view which shows the relationship between the main generator slip in the case of condition 1, a main generator output, an auxiliary generator output, and a system output. It is a figure showing the relationship between the main generator slip in the case of condition 2, and an auxiliary generator slip.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between the main generator slip, the main generator output, and the auxiliary generator output in the case of condition 4. It is sectional drawing which shows Example 2 of the rotary electric machine system of this invention. It is sectional drawing which shows Example 3 of the rotary electric machine system of this invention. It is sectional drawing which shows Example 4 of the rotary electric machine system of this invention. It is a schematic block diagram which shows the wind power generation system which employ
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the rotating electrical machine system of the present invention.
  • the main generator and the auxiliary generator described below are radial gap type rotating electrical machines in which the gap between the stator and the rotor is formed in the radial direction.
  • a rotating electrical machine system 1 of this embodiment includes a main generator 2 that is a first rotating electrical machine that functions as a generator for sending generated power to an electric power system, an exciter and a generator depending on operating conditions.
  • the main generator 2 is provided in the main generator stator 6, the main generator rotor 5 disposed with a predetermined gap on the inner diameter side of the main generator stator 6, and the main generator stator 6.
  • a three-phase main generator rotor winding 8 wound in two layers.
  • the three-phase main generator stator winding 7 and the three-phase main generator rotor winding 8 are electrically arranged at 120 ° intervals.
  • the auxiliary generator 3 also includes an auxiliary generator stator 9, an auxiliary generator rotor 10 disposed with a predetermined gap on the inner diameter side of the auxiliary generator stator 9, and an auxiliary generator fixed.
  • a three-phase auxiliary generator stator winding 11 wound in two layers with a short-pitch winding in a slot provided in the child 9 and in a slot provided in the auxiliary generator rotor 10 It is composed of a three-phase auxiliary generator rotor winding 12 wound in two layers in a full-pitch winding.
  • the three-phase auxiliary generator stator winding 11 and the three-phase auxiliary generator rotor winding 12 are electrically arranged at 120 ° intervals.
  • the main generator 2 and the auxiliary generator 3 described above have different operation modes as described later. Specifically, although the main generator 2 always performs a power generation operation, the auxiliary generator 3 may operate as an exciter or a generator depending on the rotational speed. Further, the output of the main generator 2 is equal to or higher than the output of the auxiliary generator 3.
  • the power converter 4 includes a power converter 13 that is electrically connected to the main generator 2 and a power converter 14 that is electrically connected to the auxiliary generator 3. Moreover, the power converter 13 and the power converter 14 are electrically connected by direct current. In the case where the power converter 13 and the power converter 14 are AC-connected, the power converter 13 and the power converter 14 are each required to include an AC ⁇ DC ⁇ AC power converter. By connecting the converter 14 with a direct current, the power converters 13 and 14 only need to convert AC and DC, respectively, and the functions of the power converters 13 and 14 can be reduced by half.
  • main generator 2 the auxiliary generator 3, and the power converter 4 described above are mechanically connected to the rotary shaft 15.
  • the main generator stator 6 and the auxiliary generator stator 9 are connected to the rotating electrical machine frame 16 via a plurality of arms 17, but the main generator rotor 5 is internally connected to the power converter 13. , 14 is connected to the outside of the power converter frame 18 through a plurality of arms 19, and the inside of the power converter frame 18 is mechanically connected to the rotary shaft 15 so as to be rotatable.
  • the power converter frame 18 in which the power converters 13 and 14 are arranged is arranged inside the main generator rotor 5. This is because the main generator 2 has a larger output than the auxiliary generator 3, and thus has a large physique and can secure a wide space for incorporating the power converter 4.
  • the above-described configuration means that when the rotating shaft 15 rotates, the main generator 2, the auxiliary generator 3, and the power converter 4 simultaneously rotate at the same rotation speed. Thereby, problems, such as a twist by the wiring which connects the main generator 2 and the power converter 13, the power converter 13, the power converter 14, and the power converter 14 and the auxiliary generator 3, do not occur.
  • the power converter 4 needs to receive command information from the outside or transmit information on the driving status. Therefore, in this embodiment, since the power converter 4 is rotating, wireless communication is effective for information transmission, and a device capable of transmitting and receiving information wirelessly is connected to the power converter 4. Is preferred.
  • FIG. 2 shows the flow of energy when the rotational speed of the rotary shaft 15 is smaller than the synchronous speed of the main generator 2.
  • the main generator stator winding 7 and the auxiliary generator stator winding 11 are electrically connected to the power system. Since an alternating current having a commercial frequency flows in the power system, the voltage changes with time, and the auxiliary generator rotor 10 rotates, so that a magnetic pole is formed in the auxiliary generator rotor winding 12. An induced current is generated according to the number and rotation speed.
  • the auxiliary generator rotor winding 12 is electrically connected to the main generator rotor winding 8 via the power converter 4, and induced current generated by the rotation of the auxiliary generator rotor winding 12.
  • the exciting current of the main generator 2 can be covered.
  • the auxiliary generator 3 is operating as an exciter.
  • the rotational speed of the rotating shaft 15 and the synchronous speed of the main generator 2 coincide, it is necessary to pass a direct current through the main generator rotor winding 8, but a direct current voltage is applied by the power converter 4. Therefore, driving is possible.
  • FIG. 3 shows the flow of energy when the rotational speed of the rotary shaft 15 is higher than the rotational speed of the main generator 2.
  • the induced current generated in the main generator rotor winding 8 flows to the auxiliary generator rotor winding 12 via the power converter 4, and further from this auxiliary generator rotor winding 12 to auxiliary power generation.
  • the power flows to the machine stator winding 11 and power is supplied from the auxiliary generator stator winding 11 to the power system.
  • the auxiliary generator 3 operates as a generator under the condition that the rotation speed of the rotary shaft 15 is higher than the rotation speed of the main generator 2.
  • the exciting current can be passed through the main generator rotor winding 8 and the auxiliary generator rotor winding 12 without using a slip ring and a brush (brushless). Maintenance is not required.
  • N 0 is the synchronization speed and N is the rotation speed.
  • the brushless AC excitation type rotating electrical machine is composed of two AC excitation type rotating electrical machines, that is, a main generator and an auxiliary generator
  • the brushless AC excitation type rotating electrical machine has a slip s 1 of the main generator and an auxiliary.
  • the characteristics are determined by two slips s 2 of the generator slip.
  • the synchronization speed N 0 is determined by the number of poles. Therefore, it is necessary to appropriately select the number of poles p 1 of the main generator and the number of poles p 2 of the auxiliary generator according to the generator specifications.
  • the slip s 2 of the main generator of the slip s 1 and the auxiliary generator following relationship.
  • FIG. 4 shows the relationship between the slip s 1 under condition 1 and the main generator output, auxiliary generator output, and overall output.
  • the auxiliary generator output is negative in the high output region, so that the main generator output becomes larger than the overall output. Therefore, since it is necessary to arrange the main generator in accordance with the output of the main generator, the physique is increased in size.
  • FIG. 9 shows the relationship between the main generator maximum output and the auxiliary generator maximum output with respect to the pole number ratio in Condition 4.
  • the output surplus in FIG. 9 is defined as follows.
  • Output surplus (maximum output of main generator + maximum output of auxiliary generator)-1
  • a generator with an output larger than the total output is required, and it can be said that the size is increased.
  • FIG. 9 shows that an output surplus occurs when the pole number ratio p 1 / p 2 is smaller than 1.8.
  • FIG. 10 shows a second embodiment of the rotating electrical machine system of the present invention.
  • the power converter 4 is disposed inside the main generator rotor 5, but in this embodiment, the power converter 4 is replaced with the main generator rotor 5 as shown in FIG. And the auxiliary generator rotor 10 are arranged so as to straddle both insides.
  • the main generator stator 6 and the auxiliary generator stator 9 are connected to the rotating electrical machine frame 16 via a plurality of arms 17, and the main generator rotor 5 and the auxiliary generator rotor 10 are connected to each other inside.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained, and since the power converter 4 can be arranged on the inner peripheral side, the centrifugal force applied to the power converter 4 can be reduced. is there.
  • FIG. 11 shows a third embodiment of the rotating electrical machine system of the present invention.
  • the main generator stator winding 7 and the main generator rotor winding 8, the auxiliary generator stator winding 11 and the auxiliary generator stator winding 12 are overlapped in the radial direction. It is arranged.
  • p 1 when the number of poles of the main generator 2 that is always generating is p 1 and the number of poles of the other auxiliary generator 3 is p 2 , p 1 / p 2 > 1.8.
  • the same effect as in the first embodiment can be obtained, and the shaft length of the generator system can be reduced, so that the physique of the generator system can be reduced.
  • FIG. 12 shows a fourth embodiment of the rotating electrical machine system of the present invention.
  • a stepped frame 21 that matches the outer diameters of the main generator 2 and the auxiliary generator 3 is used in the configuration of the embodiment 1 shown in FIG. That is, the stepped frame 21 is configured such that the diameter of the portion where the main generator 2 is disposed is different from the diameter of the portion where the auxiliary generator 3 is disposed, so that a step is formed.
  • the number of poles of the main generator 2 that is always generating is p 1 and the number of poles of the other auxiliary generator 3 is p 2 , p 1 / p 2 > 1.8.
  • the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and there is an effect that there is no extra space, further space saving can be achieved, and the weight can be reduced. .
  • FIG. 13 shows a fifth embodiment in which the rotating electrical machine system of the present invention is applied to a wind power generation system.
  • the wind power generation system of the present embodiment includes a rotor 24 that rotates by receiving wind, a rotating electrical machine system 22 of the present invention that is connected to the rotor 24 via a speed increaser 23, and this rotation. It is composed of a nacelle (not shown) that houses the electrical system 22 inside, and a tower (not shown) that supports the nacelle.
  • the main generator 25 and the auxiliary generator 26 are rotated by the rotational force of the rotor 24.
  • the main generator stator winding and the auxiliary generator stator winding are connected to the power system 27 side.
  • the wind energy received by the rotor 24 can be converted into electrical energy by the rotating electrical machine system 22 and transmitted to the power system 27.
  • the apparatus can be prevented from being enlarged and the nacelle can be reduced in size.
  • this invention is not limited to the above-mentioned Example, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

Abstract

　本発明は、回転電機トータルの体格の大型化や運転範囲の縮小を防ぐことができる回転電機システムを提供する。　本発明による回転電機システムは、第１の固定子巻線を有する第１の固定子、第１の回転子巻線を有すると共に、前記第１の固定子の内径側に所定の間隙を介して配置されている第１の回転子から成る第１の回転電機と、第２の固定子巻線を有する第２の固定子、第２の回転子巻線を有すると共に、前記第２の固定子の内径側に所定の間隙を介して配置されている第２の回転子から成る第２の回転電機と、前記第１及び第２の回転電機と電気的に接続されている電力変換器とを備え、前記第１及び第２の回転電機と前記電力変換器が機械的に回転軸に接続されて成り、かつ、前記２つの回転電機のうち、常に発電運転をしている回転電機の極数をｐ１、もう一方の回転電機の極数をｐ２とした場合、ｐ１/ｐ２＞１.８となることを特徴とする。

Description

回転電機システム及び風力発電システム
　本発明は回転電機システム及び風力発電システムに係り、特に、第１の回転電機（主発電機）と第２の回転電機（補助発電機）を備えているものに好適な回転電機システム及び風力発電システムに関するものである。
　近年、地球温暖化防止のため風力発電或いは太陽光発電等のような自然エネルギーを利用した発電システムが注目を浴びている。この中で、風力を利用した風力発電システムでは、発電装置として交流励磁式回転電機を使用する例が多い。
　風力発電システムの発電装置として交流励磁式回転電機を使用する場合、運転中は、回転している回転子内の回転子巻線に励磁電力を供給する必要がある。通常は、回転子巻線に電力を供給するために、スリップリング及びブラシを設け、回転するスリップリングにブラシを接触させて通電するようにしている。
　しかし、風力発電システムにおいて発電運転を行うためのエネルギーは大きく、発電運転を行う上での励磁電力供給用にスリップリング及びブラシを設けると、ブラシの摩耗が進んでしまうため、定期的なメンテナンスが必要となる。
　ところが、風力発電システムでは、交流励磁式回転電機は風車のタワー上にあるナセル内に設置されており、定期的なメンテナンスは、ナセル内という限られた空間内で行う必要があり、ブラシレス化などのメンテナンス軽減が求められていた。
　ブラシレスの交流励磁式回転電機として、例えば、特許文献１に記載された技術がある。この特許文献１には、交流励磁同期発電機と同軸に回転励磁機と電力変換器を設けて系統の電力を直流に整流し、回転励磁機の固定子に通電させ、同期発電機の原理により回転子に電力を供給した後、電力変換器により、電圧、周波数を変換した電力を交流励磁同期発電機の回転子に電力を供給し、発電運転を行うことが記載されている。
特開２００２-１３６１９１号公報
　従来の一般的な交流励磁同期発電機では、同期速度以下の場合は、系統の電力を電力変換器を通して回転子に供給し、同期速度以上の場合は、回転子の電力を電力変換器を通して系統に供給している。
　しかしながら、特許文献１では、系統から交流励磁同期発電機に電力を供給することができるが、系統の電圧を整流器で整流した後、回転励磁機に供給しているため、整流器が設置されていることから、交流励磁同期発電機から系統に電力を供給することができない。よって、従来の一般的な交流励磁同期発電機に比べ、動作範囲が狭くなってしまう。
　加えて、特許文献１では，発電機の他に回転励磁機を設けているため、発電機のトータルの体格が、回転励磁機を設けることで大きくなり、広い配置スペースが必要となる。
　本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、第１の回転電機と第２の回転電機を備えたものであっても、回転電機をブラシレス化することは勿論、回転電機トータルの体格の大型化や運転範囲の縮小を防ぐことができる回転電機システム及び風力発電システムを提供することにある。
　本発明の回転電機システムは、上記目的を達成するために、第１の固定子巻線を有する第１の固定子、第１の回転子巻線を有すると共に、前記第１の固定子の内径側に所定の間隙を介して配置されている第１の回転子から成る第１の回転電機と、第２の固定子巻線を有する第２の固定子、第２の回転子巻線を有すると共に、前記第２の固定子の内径側に所定の間隙を介して配置されている第２の回転子から成る第２の回転電機と、前記第１及び第２の回転子巻線と電気的に接続されている電力変換器とを備え、前記第１及び第２の回転子と前記電力変換器が機械的に回転軸に接続されて成り、かつ、前記２つの回転電機のうち、常に発電運転をしている回転電機の極数ｐ１、もう一方の回転電機の極数をｐ２とした場合、ｐ１/ｐ２＞１.８となることを特徴とする。
　また、本発明の風力発電システムは、上記目的を達成するために、風を受けて回転するロータと、該ロータに主軸を介して接続される上記構成の回転電機システムと、該回転電機システムを内部に収納するナセルと、該ナセルを支持するタワーとを備え、前記第１及び第２の回転電機は、前記ロータの回転力により回転すると共に、前記第１及び第２の回転電機の固定子巻線は、電力系統側に接続されていることを特徴とする。
本発明の回転電機システムの実施例１を示す概略構成図である。 本発明の回転電機システムの実施例１における回転軸の回転速度が主発電機の同期速度より小さい場合のエネルギーの流れを説明するための図である。 本発明の回転電機システムの実施例１における回転軸の回転速度が主発電機の回転速度より大きい場合のエネルギーの流れを説明するための図である。 条件１の場合の主発電機すべりと主発電機出力、補助発電機出力、システム出力の関係を示す特性図である。 条件２の場合の主発電機すべりと補助発電機すべりとの関係を表した図である。 条件２の場合の回転軸の回転速度が主発電機の同期速度より小さい場合のエネルギーの流れを説明するための図である。 条件３の場合の主発電機すべりと補助発電機すべりとの関係を表した図である。 条件３の場合の回転軸の回転速度が主発電機の回転速度より大きい場合のエネルギーの流れを説明するための図である。 条件４の場合の主発電機すべりと主発電機出力、補助発電機出力の関係を示した特性図である。 本発明の回転電機システムの実施例２を示す断面図である。 本発明の回転電機システムの実施例３を示す断面図である。 本発明の回転電機システムの実施例４を示す断面図である。 本発明の回転電機システムを採用した風力発電システムを示す概略構成図である。(実施例５)
　以下、図示した実施例に基づいて本発明の回転電機システム及び風力発電システムを説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を用いて説明する。
　図１に、本発明の回転電機システムの実施例１を示す。なお、以下に説明する主発電機と補助発電機は、いずれもその固定子と回転子の間隙が径方向に形成されるラジアルギャップ方式の回転電機である。
　該図に示す如く、本実施例の回転電機システム１は、電力系統に発電電力を送るための発電機として働く第１の回転電機である主発電機２と、運転条件により励磁機と発電機の２つの働きをする第２の回転電機である補助発電機３と、主発電機２及び補助発電機３と電気的に接続される電力変換器４とを備え、これらは同一の回転電機フレーム１６内に配置されている。
　主発電機２は、主発電機固定子６と、この主発電機固定子６の内径側に所定の間隙を設けて配置される主発電機回転子５と、主発電機固定子６に設けられているスロット内に短節巻にて二層に巻回される三相の主発電機固定子巻線７と、主発電機回転子５内に設けられているスロット内に全節巻にて二層に巻回される三相の主発電機回転子巻線８とから構成されている。なお、三相の主発電機固定子巻線７及び三相の主発電機回転子巻線８は、電気的に１２０°間隔で配置されている。
　また、補助発電機３も同様に、補助発電機固定子９と、この補助発電機固定子９の内径側に所定の間隙を設けて配置される補助発電機回転子１０と、補助発電機固定子９に設けられているスロット内に短節巻にて二層に巻回される三相の補助発電機固定子巻線１１と、補助発電機回転子１０内に設けられているスロット内に全節巻にて二層に巻回される三相の補助発電機回転子巻線１２とから構成されている。なお、三相の補助発電機固定子巻線１１及び三相の補助発電機回転子巻線１２は、電気的に１２０°間隔で配置されている。
　上述した主発電機２と補助発電機３は、後述するが運転モードが異なる。具体的には、主発電機２は常に発電運転をするが、補助発電機３は回転速度により、励磁機として運転する場合と、発電機として運転する場合がある。また、主発電機２の出力は、補助発電機３の出力と同等以上である。
　一方、上記電力変換器４は、主発電機２に電気的に接続されている電力変換器１３と、補助発電機３に電気的に接続されている電力変換器１４とにより構成されている。また、電力変換器１３と電力変換器１４は、電気的に直流で接続されている。電力変換器１３と電力変換器１４を交流接続する場合、電力変換器１３と電力変換器１４は、それぞれＡＣ→ＤＣ→ＡＣの電力変換器を備える必要があるが、電力変換器１３と電力変換器１４を直流接続することで、各電力変換器１３、１４は、それぞれＡＣとＤＣを変換するだけで足り、各電力変換器１３、１４が備える機能を半分に削減できる。
　また、上述した主発電機２と補助発電機３及び電力変換器４は、回転軸１５に機械的に接続されている。
　即ち、主発電機固定子６と補助発電機固定子９は、回転電機フレーム１６に複数本のアーム１７を介して接続されているが、主発電機回転子５は、内部に電力変換器１３、１４が配置されている電力変換器フレーム１８の外側に複数本のアーム１９を介して接続され、電力変換器フレーム１８の内側が回転軸１５に回転可能に機械的に接続されている。しかも、電力変換器１３、１４が配置されている電力変換器フレーム１８は、主発電機回転子５の内側に配置されている。これは、補助発電機３に比べ、主発電機２の方が出力が大きいため、体格も大きく、電力変換器４を内蔵するスペースを広く確保できるためである。
　上述した構成を言い換えれば、回転軸１５が回転することにより、主発電機２と補助発電機３及び電力変換器４も同時に同様の回転数で回転することを意味する。これにより、主発電機２と電力変換器１３、電力変換器１３と電力変換器１４、電力変換器１４と補助発電機３とを繋ぐ配線によじれ等の問題が発生しない。
　また、運転条件に合わせ制御するために、電力変換器４は外部から指令情報を受信したり、運転状況の情報を送信する必要がある。そこで、本実施例では、電力変換器４が回転しているため、情報の伝達に無線による通信が有効であり、電力変換器４には、無線による情報の送受信が可能な装置を接続することが好ましい。
　次に、この回転電機システムのエネルギーの流れを説明する。
　まず、図２に、回転軸１５の回転速度が、主発電機２の同期速度より小さい場合のエネルギーの流れを示す。
　該図において、主発電機固定子巻線７と補助発電機固定子巻線１１は、電力系統と電気的に接続されている。電力系統は商用周波数を持った交流電流が流れていることから、電圧が時間的に変化し、補助発電機回転子１０が回転することにより、補助発電機回転子巻線１２内には、磁極数及び回転速度に応じた誘導電流が発生する。補助発電機回転子巻線１２は、電力変換器４を経由して主発電機回転子巻線８と電気的に接続されており、補助発電機回転子巻線１２の回転により発生した誘導電流により主発電機２の励磁電流を賄うことができる。
　従って、回転軸１５の回転速度が、主発電機２の同期速度より小さい条件では、補助発電機３は励磁機として運転していることになる。なお、回転軸１５の回転速度と主発電機２の同期速度が一致した場合、主発電機回転子巻線８には直流電流を流す必要があるが、電力変換器４により直流電圧を印加することで、運転が可能である。
　次に、図３に、回転軸１５の回転速度が、主発電機２の回転速度より大きい場合のエネルギーの流れを示す。
　該図において、主発電機回転子巻線８に発生した誘導電流が、電力変換器４を介して補助発電機回転子巻線１２に流れ、この補助発電機回転子巻線１２から更に補助発電機固定子巻線１１に流れ、この補助発電機固定子巻線１１から電力系統に電力を供給することになる。
　従って、回転軸１５の回転速度が、主発電機２の回転速度より大きい条件では、補助発電機３は発電機として運転することになる。
　このようなことより、スリップリング及びブラシを用いずとも（ブラシレス化）励磁電流を、主発電機回転子巻線８及び補助発電機回転子巻線１２に流すことができるため、ブラシの摩耗によるメンテナンスが不要となる。
　なお、本実施例では、電力変換器１３、１４への情報の伝達には無線を用いた例について説明したが、情報の伝達のためのエネルギーは大きくないため、ブラシを用いても摩耗が少ない。従って、電力変換器１３、１４の情報伝達のためのブラシ、スリップリングを設けても良い。また、同様に、アースのためのブラシ、スリップリングを設けても良い。
　ところで、交流励磁式回転電機の特性は、式１で表されるすべりｓにより特性が決定される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
ここで、N0:同期速度、N：回転速度。
　また、ブラシレスの交流励磁式回転電機は、主発電機と補助発電機の２つの交流励磁式回転電機により構成されるため、ブラシレスの交流励磁式回転電機は、主発電機のすべりｓ１と補助発電機のすべりｓ２の２つのすべりにより特性が決定される。さらに、同期速度Ｎ０は、極数によって決定する。よって、発電機仕様に合わせ、主発電機の極数ｐ１と補助発電機の極数ｐ２を適切に選択する必要がある。ここで、主発電機のすべりｓ１と補助発電機のすべりｓ２には以下の関係がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　以下では、ｐ１/ｐ２に対する特性を、場合分けをして説明する。なお、交流励磁式回転電機は、可変速範囲を持つため、その下限値のすべりをｓｕ、上限値のすべりをＳｏとしている。また、主発電機、補助発電機が電力系統に電気的に接続しており、出力が負の場合は、電力系統からエネルギーが供給されている場合を示す。
　条件１：ｐ１＜ｐ２、ｐ１/ｐ２/＞（１－ｓｕ）
　図４に、条件１でのすべりｓ１と主発電機出力、補助発電機出力、全体出力の関係を示す。図４から明らかな如く、条件１では、高出力領域で補助発電機出力が負となるため、この分、全体出力に対し、主発電機出力が大きくなってしまう。よって、この主発電機出力に合わせた主発電機を配置する必要があるため、体格が大型化する。
　条件２：ｐ１＜ｐ２、ｐ１/ｐ２/＜（１－ｓｕ）
　図５に、条件２での式２のグラフを直線Ａとして示す。なお、グラフの横軸はｓ１、縦軸はｓ２である。図５からｓ２=０が、運転範囲内に存在することがわかる。ｓ２=０では、補助発電機が同期運転している状態であるため、回転子に磁束が鎖交せず、固定子からエネルギーを供給できない（この状態を図６に示す）。このため、主発電機の回転子にエネルギーを供給できず、運転することができない。
　よって、ｓ２=０付近の回転速度を避けるように運転する必要があるため、図５に示すように、運転範囲内に運転不能範囲が存在し、その分、運転範囲が縮小することになる。
　条件３：ｐ１＞ｐ２、ｐ１/ｐ２＜（１－Ｓｏ）
　図７に、条件３での式２のグラフを直線Ｂとして示す。なお、グラフの横軸はｓ１、縦軸はｓ２である。図７からｓ２=０が、運転範囲内に存在することがわかる。ｓ２=０では、補助発電機が同期運転している状態であるため、電力変換器から回転子への直流のエネルギーを供給することになる（この状態を図８に示す）。しかし、電力変換器は直流を出力すると高温になる可能性がある。
　よって、ｓ２=０付近の回転速度を避けるように運転する必要があるため、図中に示すように、運転範囲内に運転困難範囲が存在し、その分、運転範囲が縮小することになる。
　条件４：ｐ１＞ｐ２、ｐ１/ｐ２＜１.８
　図９に、条件４での極数比に対する主発電機最大出力と補助発電機最大出力の関係を示す。なお、図９中の出力余剰分とは、以下のように定義している。
　出力余剰分 = (主発電機の最大出力+補助発電機の最大出力)－１
　つまり、出力余剰分≠0では、全体出力より大きい出力の発電機が必要になり、体格が大型化すると言える。また、図９から極数比ｐ１/ｐ２が１.８より小さい場合は、出力余剰分が生じることがわかる。
　以上のことから、極数比ｐ１/ｐ２を１.８より大きくする（ｐ１/ｐ２＞１.８）と、出力余剰分が生じないことから（運転困難範囲を避けて運転できる）、大きい出力の発電機は必要なくなり、ブラシレスの交流励磁式回転電機の体格の大型化や運転範囲の縮小を防ぐことができる。
　図１０に、本発明の回転電機システムの実施例２を示す。
　上述した実施例１では、電力変換器４が、主発電機回転子５の内側に配置されているが、本実施例では、図１０示すように、電力変換器４を主発電機回転子５と補助発電機回転子１０との両方の内側に跨いで配置されている。また、主発電機固定子６と補助発電機固定子９は、回転電機フレーム１６に複数のアーム１７を介して接続され、かつ、主発電機回転子５と補助発電機回転子１０は、内部に電力変換器４が配置されている電力変換器フレーム１８の外側に複数のアーム１９、２０を介して接続されていると共に、電力変換器フレーム１８の内側は、回転軸１５に接続されている。そして、本実施例でも実施例１と同様に、常に発電運転をしている主発電機２の極数をｐ１、もう一方の補助発電機３の極数をｐ２とした場合、ｐ１/ｐ２＞１.８としたものである。
　このような実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、電力変換器４をより内周側に配置できるため、電力変換器４に加わる遠心力を低減できる効果がある。
　図１１に、本発明の回転電機システムの実施例３を示す。
　該図に示す本実施例では、主発電機固定子巻線７及び主発電機回転子巻線８と補助発電機固定子巻線１１及び補助発電機固定子巻線１２を径方向に重ねて配置している。そして、本実施例でも実施例１と同様に、常に発電運転をしている主発電機２の極数をｐ１、もう一方の補助発電機３の極数をｐ２とした場合、ｐ１/ｐ２＞１.８としたものである。
　このような実施例によれば、実施例１と同様の効果が得られることは勿論、発電機システムの軸長を縮小できるため、発電機システムの体格を縮小できる効果がある。
　図１２に、本発明の回転電機システムの実施例４を示す。
　該図に示す実施例では、図１に示した実施例１の構成において、主発電機２と補助発電機３の外径に合わせた段付きフレーム２１を用いている。即ち、段付きフレーム２１は、主発電機２が配置されている部分と補助発電機３が配置されている部分の径が異なり、段になるように構成されているものである。そして、本実施例でも実施例１と同様に、常に発電運転をしている主発電機２の極数をｐ１、もう一方の補助発電機３の極数をｐ２とした場合、ｐ１/ｐ２＞１.８としたものである。
　このような本実施例によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、余分なスペースが無くなり、更なる省スペース化が図れ、軽量化が可能となる効果がある効果がある。
　図１３に、本発明の回転電機システムを風力発電システムに適応した実施例５を示す。
　該図に示す如く、本実施例の風力発電システムは、風を受けて回転するロータ２４と、このロータ２４に増速機２３を介して接続される本発明の回転電機システム２２と、この回転電機システム２２を内部に収納するナセル（図示せず）と、ナセルを支持するタワー（図示せず）とから構成され、主発電機２５と補助発電機２６は、ロータ２４の回転力により回転すると共に、主発電機固定子巻線と補助発電機固定子巻線は、電力系統２７側に接続されているものである。
　これにより、ロータ２４が受けた風のエネルギーを回転電機システム２２が電気エネルギーに変換し、電力系統２７に送電することができる。
　このような本実施例によれば、上述した実施例の回転電機システムを採用しているので、装置の大型化が防止でき、ナセルの小型化に寄与することができる。
　また、電力変換器２８と並列に遮断器２９を設けることにより、系統故障時に加わる過大な電力から、電力変換器２８を保護できる。更に、増速機２３を失くしたギアレスシステムに本発明を適用しても良い。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１、２２…回転電機システム、２、２５…主発電機、３、２６…補助発電機、４、１３、１４、２８…電力変換器、５…主発電機回転子、６…主発電機固定子、７…主発電機固定子巻線、８…主発電機回転子巻線、９…補助発電機固定子、１０…補助発電機回転子、１１…補助発電機固定子巻線、１２…補助発電機回転子巻線、１５…回転軸、１６…回転電機フレーム、１７、１９、２０…アーム、１８…電力変換器フレーム、２１…段付きフレーム、２３…増速機、２４…ロータ、２７…電力系統、２９…遮断器。

Claims (11)

  1. 　第１の固定子巻線を有する第１の固定子、第１の回転子巻線を有すると共に、前記第１の固定子の内径側に所定の間隙を介して配置されている第１の回転子から成る第１の回転電機と、第２の固定子巻線を有する第２の固定子、第２の回転子巻線を有すると共に、前記第２の固定子の内径側に所定の間隙を介して配置されている第２の回転子から成る第２の回転電機と、前記第１及び第２の回転電機と電気的に接続されている電力変換器とを備え、前記第１及び第２の回転電機と前記電力変換器が機械的に回転軸に接続されて成り、かつ、前記２つの回転電機のうち、常に発電運転をしている回転電機の極数をｐ１、もう一方の回転電機の極数をｐ２とした場合、ｐ１/ｐ２＞１.８となることを特徴とする回転電機システム。
  2. 　請求項１に記載の回転電機システムにおいて、
    　前記第１の固定子と前記第２の固定子は、電力系統に電気的に接続されていることを特徴とする回転電機システム。
  3. 　請求項１又は２に記載の回転電機システムにおいて、
    　前記第１の回転電機と前記第２の回転電機及び前記電力変換器は、同一の回転電機フレーム内に配置されていることを特徴とする回転電機システム。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機システムにおいて、
    　前記電力変換器が配置されている電力変換器フレームは、前記第１の回転電機の内径側に配置されていることを特徴とする回転電機システム。
  5. 　請求項４に記載の回転電機システムにおいて、
    　前記第１の回転電機の固定子と第２の回転電機の固定子は、前記回転電機フレームに複数のアームを介して接続され、かつ、前記第１の回転電機の回転子は、前記電力変換器フレームの一端に複数のアームを介して接続されていると共に、前記電力変換器フレームの他端は、前記回転軸に接続され、更に、前記第２の回転電機の回転子は、前記回転軸に複数のアームを介して接続されていることを特徴とする回転電機システム。
  6. 　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機システムにおいて、
    　前記電力変換器フレームは、前記第１の回転電機の回転子と第２の回転電機の回転子の両方の内径側に跨いで配置されていることを特徴とする回転電機システム。
  7. 　請求項６に記載の回転電機システムにおいて、
    　前記第１の回転電機の固定子と第２の回転電機の固定子は、前記回転電機フレームに複数のアームを介して接続され、かつ、前記第１の回転電機の回転子と第２の回転電機の回転子は、内部に前記電力変換器が配置されている電力変換器フレームの外側に複数のアームを介して接続されていると共に、前記電力変換器フレームの内側は、前記回転軸に接続されていることを特徴とする回転電機システム。
  8. 　請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機システムにおいて、
    前記第１の回転電機の固定子巻線と回転子巻線と前記第２の回転電機の固定子巻線と回転子巻線が径方向に重なるように配置されていることを特徴とする回転電機システム。
  9. 　請求項３乃至８のいずれか１項に記載の回転電機システムにおいて、
    　前記回転電機フレームは、前記第１の回転電機が配置されている部分と前記第２の回転電機が配置されている部分の径が異なり、段になるように構成されていることを特徴とする回転電機システム。
  10. 　風を受けて回転するロータと、該ロータに主軸を介して接続される請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転電機システムと、該回転電機システムを内部に収納するナセルと、該ナセルを支持するタワーとを備え、
    　前記第１及び第２の回転電機は、前記ロータの回転力により回転すると共に、前記第１及び第２の回転電機の固定子巻線は、電力系統側に接続されていることを特徴とする風力発電システム。
  11. 　請求項１０に記載の風力発電システムにおいて、
    　前記回転電機システムの電力変換器と並列に遮断器が設置されていることを特徴とする風力発電システム。
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