(57)【要約】【課題】風車の過回転を防止するとともに、その回転をできる限り保持する。【解決手段】発電機２は３相交流電力を出力する。回転保持装置１０は、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２との間、出力線ＬＯ２と出力線ＬＯ３との間、および出力線ＬＯ３と出力線ＬＯ１との間にそれぞれスイッチＳＷ１、スイッチＳＷ２、およびスイッチＳＷ３が配置されている。可変抵抗ＶＲ１、可変抵抗ＶＲ２、および可変抵抗ＶＲ３は、それぞれ出力線ＬＯ１とスイッチＳＷ1の制御端子との間、出力線ＬＯ２とスイッチＳＷ２の制御端子との間、および出力線ＬＯ３とスイッチＳＷ３の制御端子との間に配置されており、抵抗値を変更することができる。スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３は、それらの制御端子に所定の大きさ以上の正または負の制御電流が流れたときに電流路が導通して電流を流し、電流路を流れていた電流が０になったときに電流路が非導通となる。【選択図】図１
2020150604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を出力する発電機を有する風力発電機の回転保持装置であって、
前記発電機の第１の出力線と第２の出力線との間または第１の出力線と接地端との間に配置されており、制御端子に所定の大きさ以上の正または負の制御電流が流れたときに電流路が導通して当該第１の出力線と当該第２の出力線との間または当該第１の出力線と接地端との間で電流を流し、当該電流路を流れていた電流が０になったときに当該電流路が非導通となる第１のスイッチと、
前記第１の出力線と前記第１のスイッチの制御端子との間に配置されており、抵抗値を変更することができ、前記第１のスイッチの制御電流が流れる第１の可変抵抗と、
を備える回転保持装置。
【請求項２】
前記第１のスイッチがトライアックであり、
前記第１のスイッチの制御端子がトライアックのゲートである、
請求項１に記載の回転保持装置。
【請求項３】
前記第１の可変抵抗が、直列に接続された抵抗とフォトトライアックとが複数並列に接続された回路で構成される請求項２に記載の回転保持装置。
【請求項４】
直列に接続された前記第１のスイッチと第１の電力消費用抵抗とが、前記第１の出力線と前記第２の出力線との間または前記第１の出力線と接地端との間に配置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転保持装置。
【請求項５】
前記交流発電機が３相交流発電機であり、
前記第２の出力線と前記発電機の第３の出力線との間または前記第２の出力線と接地端との間に配置されており、制御端子に所定の大きさ以上の正または負の制御電流が流れたときに電流路が導通して前記第２の出力線と当該第３の出力線との間または前記第２の出力線と接地端との間で電流を流し、当該電流路を流れていた電流が０になったときに当該電流路が非導通となる第２のスイッチと、
前記第２の出力線と前記第２のスイッチの制御端子との間に配置されており、抵抗値を変更することができ、前記第２のスイッチの制御電流が流れる第２の可変抵抗と、
前記第３の出力線と前記第１の出力線との間または前記第３の出力線と接地端との間に配置されており、制御端子に所定の大きさ以上の正または負の制御電流が流れたときに電流路が導通して前記第３の出力線と前記第１の出力線との間または前記第３の出力線と接地端との間で電流を流し、当該電流路を流れていた電流が０になったときに当該電流路が非導通となる第３のスイッチと、
前記第３の出力線と前記第３のスイッチの制御端子との間に配置されており、抵抗値を変更することができ、前記第３のスイッチの制御電流が流れる第３の可変抵抗と、
を備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転保持装置。
【請求項６】
前記第２のスイッチと前記第３のスイッチが、トライアックであり、
前記第２のスイッチの制御端子と前記第３のスイッチの制御端子が、トライアックのゲートである、
請求項５に記載の回転保持装置。
【請求項７】
前記第２の可変抵抗と前記第３の可変抵抗が、それぞれ、直列に接続された抵抗とフォトトライアックとが複数並列に接続された回路で構成される請求項６に記載の回転保持装置。
【請求項８】
直列に接続された前記第２のスイッチと第２の電力消費用抵抗とが、前記第２の出力線と前記第３の出力線との間または前記第２の出力線と接地端との間に配置され、
直列に接続された前記第３のスイッチと第３の電力消費用抵抗とが、前記第３の出力線と前記第１の出力線との間または前記第３の出力線と接地端との間に配置されている、
請求項５ないし７のいずれか１項に記載の回転保持装置。
【請求項９】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転保持装置と、
前記回転保持装置が有する第１の可変抵抗の抵抗値を変更することができる制御部と、
を備える風力発電機。
【請求項１０】
請求項５ないし８のいずれか１項に記載の回転保持装置と、
前記回転保持装置が有する第１の可変抵抗と第２の可変抵抗と第３の可変抵抗の各抵抗値を変更することができる制御部と、
を備える風力発電機。
【請求項１１】
前記発電機のコイルがΔ結線またはＹ結線されている請求項１０に記載の風力発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車の回転を保持する回転保持装置およびそれを有する風力発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
強風などのために風車が過回転になると、風車が破損する恐れがある。そこで、３相交流発電機における３本の出力線の間をスイッチと抵抗の直列回路によって接続し、風速や風車の回転数、３相交流発電機の出力等が規定値を超えたときに、スイッチを閉じて出力線間に電流を流し、風車を減速する電気式ブレーキ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−１３５８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一方、ブレーキが効き過ぎると、風車の回転が遅くなり、発電量が減少する。そして、風車の回転が遅くなるほど、通常の発電状態に回復するまで多くの時間が必要となる。風車が完全に停止すると、再起動する際に余分なエネルギーが必要となり、電力損失が発生する。また、風が非常に強いときに風車を停止させると、羽根に風からの荷重がかかるため、機械的構造物への負担が増す。
このため、風車の過回転を防止するとともに、その回転をできる限り保持することが望ましい。
【０００５】
本発明の目的は、風車の過回転を防止するとともに、その回転をできる限り保持することができる回転保持装置およびそれを有する風力発電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の回転保持装置は、
交流電力を出力する発電機を有する風力発電機の回転保持装置であって、
前記発電機の第１の出力線と第２の出力線との間または第１の出力線と接地端との間に配置されており、制御端子に所定の大きさ以上の正または負の制御電流が流れたときに電流路が導通して当該第１の出力線と当該第２の出力線との間または当該第１の出力線と接地端との間で電流を流し、当該電流路を流れていた電流が０になったときに当該電流路が非導通となる第１のスイッチと、
前記第１の出力線と前記第１のスイッチの制御端子との間に配置されており、抵抗値を変更することができ、前記第１のスイッチの制御電流が流れる第１の可変抵抗と、
を備える。
【０００７】
好ましくは、本発明の回転保持装置は、
前記第１のスイッチがトライアックであり、
前記第１のスイッチの制御端子がトライアックのゲートである。
【０００８】
好ましくは、本発明の回転保持装置は、
前記第１の可変抵抗が、直列に接続された抵抗とフォトトライアックとが複数並列に接続された回路で構成される。
【０００９】
好ましくは、本発明の回転保持装置は、
直列に接続された前記第１のスイッチと第１の電力消費用抵抗とが、前記第１の出力線と前記第２の出力線との間または前記第１の出力線と接地端との間に配置されている。
【００１０】
好ましくは、本発明の回転保持装置は、
前記交流発電機が３相交流発電機であり、
前記第２の出力線と前記発電機の第３の出力線との間または前記第２の出力線と接地端との間に配置されており、制御端子に所定の大きさ以上の正または負の制御電流が流れたときに電流路が導通して前記第２の出力線と当該第３の出力線との間または前記第２の出力線と接地端との間で電流を流し、当該電流路を流れていた電流が０になったときに当該電流路が非導通となる第２のスイッチと、
前記第２の出力線と前記第２のスイッチの制御端子との間に配置されており、抵抗値を変更することができ、前記第２のスイッチの制御電流が流れる第２の可変抵抗と、
前記第３の出力線と前記第１の出力線との間または前記第３の出力線と接地端との間に配置されており、制御端子に所定の大きさ以上の正または負の制御電流が流れたときに電流路が導通して前記第３の出力線と前記第１の出力線との間または前記第３の出力線と接地端との間で電流を流し、当該電流路を流れていた電流が０になったときに当該電流路が非導通となる第３のスイッチと、
前記第３の出力線と前記第３のスイッチの制御端子との間に配置されており、抵抗値を変更することができ、前記第３のスイッチの制御電流が流れる第３の可変抵抗と、
を備える。
【００１１】
好ましくは、本発明の回転保持装置は、
前記第２のスイッチと前記第３のスイッチが、トライアックであり、
前記第２のスイッチの制御端子と前記第３のスイッチの制御端子が、トライアックのゲートである。
【００１２】
好ましくは、本発明の回転保持装置は、
前記第２の可変抵抗と前記第３の可変抵抗が、それぞれ、直列に接続された抵抗とフォトトライアックとが複数並列に接続された回路で構成される。
【００１３】
好ましくは、本発明の回転保持装置は、
直列に接続された前記第２のスイッチと第２の電力消費用抵抗とが、前記第２の出力線と前記第３の出力線との間または前記第２の出力線と接地端との間に配置され、
直列に接続された前記第３のスイッチと第３の電力消費用抵抗とが、前記第３の出力線と前記第１の出力線との間または前記第３の出力線と接地端との間に配置されている。
【００１４】
また、本発明の風力発電機は、
上述した回転保持装置と、
前記回転保持装置が有する第１の可変抵抗の抵抗値を変更することができる制御部と、
を備える。
【００１５】
また、本発明の風力発電機は、
上述した回転保持装置と、
前記回転保持装置が有する第１の可変抵抗と第２の可変抵抗と第３の可変抵抗の各抵抗値を変更することができる制御部と、
を備える。
【００１６】
好ましくは、本発明の風力発電機は、
前記発電機のコイルがΔ結線またはＹ結線されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、風車の過回転を防止するとともにその回転をできる限り保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る風力発電機の構成の一例を示す図である。
【図２】スイッチがトライアックで構成される例を示す図である。
【図３】トライアックに入力される制御電流（ゲート電流）とトライアックの導通時に電流路を流れる電流の一例を示す図である。図３（Ａ）は出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２がそれぞれ正と負の電位である場合を示す。図３（Ｂ）は出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の電位が図３（Ａ）と逆である場合を示す。
【図４】コイルがΔ結線されている発電機を有する風力発電機の構成の一例を示す図である。
【図５】スイッチが閉じたときに図４の風力発電機に流れる電流の一例を示す図である。
【図６】風速が増加したときの風力発電機の動作の一例を示す図である。
【図７】風速がわずかに増加したときにおける各線間電圧の変化の一例を示す図である。
【図８】風速が急激に増加したときにおける各線間電圧の変化の一例を示す図である。
【図９】コイルがＹ結線されている発電機を有する風力発電機の構成の一例を示す図である。
【図１０】スイッチが開いているときの図９の風力発電機における各相電圧と各線間電圧の一例を示す図である。
【図１１】スイッチが閉じたときに図９の風力発電機に流れる電流の一例を示す図である。
【図１２】スイッチが閉じたときの図９の風力発電機における各相電圧と各線間電圧の一例を示す図である。
【図１３】コイルがＹ結線された発電機と各出力線の間にスイッチと抵抗の直列回路が配置された回転保持装置とを有する風力発電機の構成の一例を示す図である。
【図１４】出力線とスイッチの制御端子との間に配置される可変抵抗の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態に係る回転保持装置と風力発電機について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態に係る風力発電機１の構成の一例を示す。
風力発電機１は、発電機２と、風車３と、主軸４と、回転保持装置１０と、制御装置２０とを有する。
風力発電機１は、水平軸型（プロペラ型）風力発電機の例である。風力発電機１は、風車３の主軸４が風の吹く方向と略平行になるように設置される。風の運動エネルギーにより風車３が回転し、風車３の主軸４が発電機２を回転させる。発電機２は、３相交流発電機であり、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２と出力線ＬＯ３により３相交流電力を出力する。発電機２は、主軸４にカップリング等で締結されており、必要に応じて主軸４と発電機２の間に増速機が設置される。発電機２に負荷が接続されると、風車３にトルクがかかる。負荷が重くなると風車３の回転は遅くなり、負荷が軽くなると風車３の回転は速くなる。
なお、風力発電機１は、風車の主軸が風の吹く方向と略垂直になるように設置される垂直軸型風力発電機であってもよい。
【００２１】
制御装置２０は、入力端子Ｔ１と、入力端子Ｔ２と、入力端子Ｔ３と、出力端子ＤＣ＋と、出力端子ＤＣ−を有する。入力端子Ｔ１と入力端子Ｔ２と入力端子Ｔ３は、それぞれ出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２と出力線ＬＯ３に接続される。出力端子ＤＣ＋と出力端子ＤＣ−は、例えば直流母線３０に接続される。
制御装置２０は、監視部２１と、制御部２２と、ＡＣ／ＤＣ（Ａｎａｌｏｇ／Ｄｉｇｉｔａｌ）コンバータ２３とを有している。風力発電機１は、バッテリーの電圧、風速、風車３の回転数、発電機２の出力等を計測する図示しないセンサを有する。監視部２１は、それらのセンサの信号を受信し、バッテリーの電圧、風速や風車３の回転数、発電機２の出力等を監視する。制御部２２は、監視部２１により検出されたバッテリーの電圧、風速や風車３の回転数、発電機２の出力等に応じて回転保持装置１０を制御し、風車３を最適な回転数で回転させる。ＡＣ／ＤＣコンバータ２３は、３相交流を直流に変換して直流母線３０に出力する。なお、制御装置２０は、更にインバータを有しており、直流を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数の交流に変換して電力系統に出力する構成であってもよい。
【００２２】
発電機２と制御装置２０の間に回転保持装置１０が設けられている。回転保持装置１０は、スイッチＳＷ１と、抵抗Ｒ１１と、可変抵抗ＶＲ１と、スイッチＳＷ２と、抵抗Ｒ１２と、可変抵抗ＶＲ２と、スイッチＳＷ３と、抵抗Ｒ１３と、可変抵抗ＶＲ３とを有する。
スイッチＳＷ１と抵抗Ｒ１１の直列回路、スイッチＳＷ２と抵抗Ｒ１２の直列回路、およびスイッチＳＷ３と抵抗Ｒ１３の直列回路が、それぞれ出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２との間、出力線ＬＯ２と出力線ＬＯ３との間、および出力線ＬＯ３と出力線ＬＯ１との間に配置されている。
スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３とは、それらの制御端子に所定の大きさ以上の正または負の制御電流が流れたときに電流路が導通して（閉じて）電流を流し、電流路を流れていた電流が０になったときに電流路が非導通となる（開く）。なお、この所定の大きさは、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３で同一であってもよいし、異なっていてもよい。
抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２と抵抗Ｒ１３は、それぞれスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３が閉じたときに電流が流れて電力を消費する。抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２と抵抗Ｒ１３は、無くてもよい。
【００２３】
可変抵抗ＶＲ１は、出力線ＬＯ１とスイッチＳＷ1の制御端子との間に配置されており、抵抗値を変更することができる。可変抵抗ＶＲ１には、スイッチＳＷ1の制御電流が流れる。可変抵抗ＶＲ２は、出力線ＬＯ２とスイッチＳＷ２の制御端子との間に配置されており、抵抗値を変更することができる。可変抵抗ＶＲ２には、スイッチＳＷ２の制御電流が流れる。可変抵抗ＶＲ３は、出力線ＬＯ３とスイッチＳＷ３の制御端子との間に配置されており、抵抗値を変更することができる。可変抵抗ＶＲ３には、スイッチＳＷ３の制御電流が流れる。
【００２４】
図２は、スイッチＳＷ１がトライアックＴＲＣで構成される例を示す。図３は、トライアックに入力される制御電流（ゲート電流）とトライアックの導通時に電流路を流れる電流の一例を示す。なお、図２と図３は抵抗Ｒ１１が無い回路の例である。
スイッチＳＷ１を構成するトライアックＴＲＣの電流路は、一端と他端がそれぞれ出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２に接続されている。可変抵抗ＶＲ１は、一端と他端がそれぞれ出力線ＬＯ１とトライアックＴＲＣのゲート（制御端子）に接続されている。出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の間には、発電機２から出力される交流電圧が印加される。
図３（Ａ）に示すように、出力線ＬＯ１が正の電位であり、出力線ＬＯ２が負の電位である場合、正の制御電流ｉｇが可変抵抗ＶＲを流れてトライアックＴＲＣのゲートに入力される。正の制御電流ｉｇは、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の間の線間電圧が負から正に変わると、流れ始める。出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の線間電圧が０から正の方向に徐々に大きくなると、制御電流ｉｇも正の方向に徐々に増加する。制御電流ｉｇが正の所定の大きさになると、トライアックＴＲＣが点弧し、電流路が導通する。トライアックＴＲＣの電流路が導通して出力線ＬＯ１から出力線ＬＯ２に向けて正の電流ｉｕが流れると、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の間の線間電圧が急激に低下する。このため、制御電流ｉｇは急激に減少する。正の電流ｉｕが流れているとき、風車３の回転にブレーキがかかる。電流ｉｕが０になるとき、トライアックＴＲＣは消弧し、非導通となる。出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の間の線間電圧が正のピークに達してもスイッチＳＷ1の制御電流が正の所定の大きさを超えなかったときは、スイッチＳＷ1は非導通のままであり、ブレーキはかからない。
【００２５】
トライアックＴＲＣが非導通となったときから、図３（Ｂ）に示すように、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２はそれぞれ負の電位と正の電位に変わり、負の制御電流ｉｇが流れ始める。負の制御電流ｉｇは、トライアックＴＲＣのゲートから流れ出て可変抵抗ＶＲ１を流れる。出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の線間電圧が０から負の方向に徐々に大きくなると、制御電流ｉｇも負の方向に徐々に増加する。制御電流ｉｇが負の所定の大きさになると、トライアックＴＲＣが点弧し、電流路が導通する。トライアックＴＲＣの電流路が導通して出力線ＬＯ２から出力線ＬＯ１に向けて負の電流ｉｕが流れると、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の間の線間電圧が急激に低下する。このため、制御電流ｉｇは急激に減少する。負の電流ｉｕが流れているとき、風車３の回転にブレーキがかかる。電流ｉｕが０になるとき、トライアックＴＲＣは消弧し、非導通となる。出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の間の線間電圧が負のピークに達してもスイッチＳＷ1の制御電流が負の所定の大きさを超えなかったときは、スイッチＳＷ1は非導通のままであり、ブレーキはかからない。
【００２６】
制御部２２は、可変抵抗ＶＲ１の抵抗値を変更することができる。制御電流ｉｇは、可変抵抗ＶＲ１の抵抗値によって変わる。制御電流ｉｇが正または負の所定の大きさになったときにトライアックＴＲＣは点弧して電流路が導通し、制御電流ｉｇが急激に減少する。従って、図２の回路では、制御部２２は、可変抵抗ＶＲ１の抵抗値を変更することによって、トライアックＴＲＣの点弧角を、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の線間電圧が正のときは０°から９０°までの範囲で、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の線間電圧が負のときは１８０°から２７０°までの範囲で変更することができる。
スイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３も、図２のスイッチＳＷ１と同様に、トライアックＴＲＣで構成することができる。
【００２７】
次に、発電機２に含まれるコイルがΔ結線されている場合とＹ結線されている場合における風力発電機１の動作についてそれぞれ説明する。
図４の風力発電機１Ａは、コイルがΔ結線されている発電機２Ａを有する。発電機２Ａには実際には内部抵抗があるが、以下では発電機２Ａの内部抵抗は略０として説明する。
風力発電機１Ａでは、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２との間の線間電圧ｅｕ、出力線ＬＯ２と出力線ＬＯ３との間の線間電圧ｅｖ、および出力線ＬＯ３と出力線ＬＯ１との間の線間電圧ｅｗは、それぞれ発電機２Ａに含まれる各コイルの相電圧に等しい。風力発電機１Ａの回転保持装置１０Ａは、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３のみ有しており、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２と抵抗Ｒ１３を有していない。図５に示すように、スイッチＳＷ1が閉じると、電流ｉｕが流れて線間電圧ｅｕは略０となるが、線間電圧ｅｖと線間電圧ｅｗは変化しない。
【００２８】
図６は、風速が増加したときの風力発電機１Ａの動作の一例を示す。風速が増加する（１０１）と、風車３の回転速度が増加する（１０２）。このため、発電機２Ａの出力が増加し、線間電圧の変化率（線間電圧が正の場合は上昇率、線間電圧が負の場合は下降率）が増加する（１０３）。例えば、線間電圧が正の場合、その位相が９０°のときに線間電圧はピークとなる。線間電圧がピークになってもトライアックＴＲＣのゲート電流がトライアックＴＲＣを点弧させる最小の電流より小さい場合（１０４：Ｎｏ）、トライアックＴＲＣは点弧しない（１０５）。
一方、線間電圧がピークになるまでに、トライアックＴＲＣのゲート電流がトライアックＴＲＣを点弧させる最小の電流を超えた場合（１０４：Ｙｅｓ）、トライアックＴＲＣが点弧する（１０６）。
【００２９】
図７は、風速がわずかに増加したときにおける各線間電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗの変化の一例を示す。例えば、線間電圧ｅｕが増加してスイッチＳＷ１のトライアックＴＲＣのゲート電流がトライアックＴＲＣを点弧させる最小の電流を超えると（１０４：Ｙｅｓ）、トライアックＴＲＣが点弧して（１０６）、線間電圧ｅｕが略０となり、電流ｉｕが流れ始める。このとき、トライアックＴＲＣのゲート電流ｉｇは略０となる。電流ｉｕが流れると、発電機２Ａの回転にブレーキがかかり、風車３の回転速度が低下する（１０７）。このため、３つの線間電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗの変化率が低下する（１０８）。電流ｉｕが０になると、トライアックＴＲＣは消弧する（１０９）。
各線間電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗの変化率が低下して、各線間電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗの位相が９０°になるまでにトライアックＴＲＣのゲート電流がトライアックＴＲＣを点弧させる最小の正の電流を超えなくなると、発電機２Ａの回転にブレーキがかからなくなる。線間電圧が負のときは線間電圧の位相が２７０°のときに負の線間電圧はピークとなるが、風力発電機１Ａは線間電圧が負のときも正のときと同様に動作する。このため、発電機２Ａは速度を保って回転する。
【００３０】
図８は、風速が急激に増加したときにおける各線間電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗの変化の一例を示す。
例えば、各線間電圧ｅｕ，ｅｖ，ｅｗが増加して各スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３のトライアックＴＲＣが点弧し、発電機２Ａの回転にブレーキがかかっても、風が強くて風車３の回転速度が低下しない場合、各トライアックＴＲＣは点弧と消弧を繰り返す。このとき、発電機２Ａの回転にブレーキが効き続け、風車３は略一定の速度で回転し続ける。
【００３１】
図９は、コイルがＹ結線されている発電機２Ｂを有する風力発電機１Ｂの構成の一例を示す。発電機２Ｂにも実際には内部抵抗があるが、以下では発電機２Ｂの内部抵抗は略０として説明する。
風力発電機１Ｂの回転保持装置１０Ａは、スイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３のみ有しており、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２と抵抗Ｒ１３を有していない。各スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の一端はそれぞれ出力線ＬＯ１、ＬＯ２、ＬＯ３に接続され、他端は接地されている。また、好適には、各相電圧ｅｕ、ｅｖ、ｅｗの共通端が接地されている。これは、各スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３が閉じた直後は仮想中性点が成立しない可能性があるので、安定性を確保するためである。
風力発電機１Ｂでは、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２の線間電圧はｅｖｕであり、出力線ＬＯ２と出力線ＬＯ３の線間電圧はｅｗｖであり、出力線ＬＯ３と出力線ＬＯ１の線間電圧はｅｕｗである。各スイッチＳＷ１、ＳＷ２，ＳＷ３が開いているとき、図１０に示すように、線間電圧ｅｖｕと線間電圧ｅｗｖと線間電圧ｅｕｗとはそれぞれ発電機２Ｂに含まれる各コイルの相電圧ｅｖと相電圧ｅｗと相電圧ｅｕに対して位相が３０°進んでおり、各線間電圧ｅｖｕ，ｅｗｖ，ｅｕｗの大きさは各相電圧ｅｖ，ｅｗ，ｅｕのルート３倍である。ここで、ルート３≒１．７３２である。
図１１に示すように、スイッチＳＷ１が閉じると、電流ｉｕｖが流れる。このとき、図１２に示すように、線間電圧ｅｖｕはｅｖと略等しくなり、線間電圧ｅｗｖは変わらず、線間電圧ｅｕｗは−ｅｗと略等しくなる。
コイルがＹ結線されている発電機２Ｂも、上述したΔ結線コイルの発電機２Ａの場合と実質的に同様の制御が行われる。図６の動作の流れは、Ｙ結線コイルの発電機２Ｂについても同様である。図７及び図８の電圧波形については、Ｙ結線とΔ結線ではトライアックＴＲＣが点弧したときの各線間電圧の変化が異なるので波形は異なるが、風車の回転に対する制御作用は同様である。
【００３２】
図１３に示す風力発電機１Ｃでは、コイルがＹ結線されている発電機２Ｂの回転保持装置１０Ｂにおいて、スイッチＳＷ１と抵抗Ｒ１１の直列回路、スイッチＳＷ２と抵抗Ｒ１２の直列回路、およびスイッチＳＷ３と抵抗Ｒ１３の直列回路が、出力線ＬＯ１と出力線ＬＯ２との間、出力線ＬＯ２と出力線ＬＯ３との間、および出力線ＬＯ３と出力線ＬＯ１との間に、それぞれ配置されている。
抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２と抵抗Ｒ１３は、それぞれスイッチＳＷ１とスイッチＳＷ２とスイッチＳＷ３が閉じたときに電流が流れて電力を消費する。また、各抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３が無いと、各スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を閉じたときに、ブレーキが非常に強く作用する。このため、発電機２のコイルがΔ結線されている場合でも、各スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３と直列に各抵抗Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３が配置されていることが望ましい。
【００３３】
図１４は、出力線ＬＯ１とスイッチＳＷ１の制御端子との間に配置される可変抵抗ＶＲ１の構成の一例を示す。
抵抗Ｒ２１とフォトトライアックＰＴＲ１は直列に接続され、その直列回路の一端と他端はそれぞれ出力線ＬＯ１とスイッチＳＷ１を構成するトライアックＴＲＣのゲートとに接続されている。同様に、他の各抵抗Ｒ２２〜Ｒ２８と各フォトトライアックＰＴＲ２〜ＰＴＲ８もそれぞれ直列に接続され、それらの直列回路の一端と他端もそれぞれ出力線ＬＯ１とスイッチＳＷ１を構成するトライアックＴＲＣのゲートとに接続されている。従って、可変抵抗ＶＲ１は、直列に接続された抵抗とフォトトライアックとが複数並列に接続された回路で構成される。
制御部２２と可変抵抗ＶＲ１とは、フォトトライアックＰＴＲ１〜ＰＴＲ８により電気的に絶縁される。制御部２２は、図示しない制御レジスタに８ビットの指令値を書き込むことによって、可変抵抗ＶＲ１の各フォトトライアックＰＴＲ１〜ＰＴＲ８に含まれる発光ダイオードの発光の有無を個々に制御することができる。発光ダイオードが発光している各フォトトライアックＰＴＲ１〜ＰＴＲ８と直列に接続されている各抵抗Ｒ２１〜Ｒ２８によって、可変抵抗ＶＲの抵抗値が定まる。
可変抵抗ＶＲ２と可変抵抗ＶＲ３も、可変抵抗ＶＲ１と同様に、それぞれ、直列に接続された抵抗とフォトトライアックとが複数並列に接続された回路で構成することができる。
なお、図１４では抵抗とフォトトライアックの直列回路を８個並列に接続することにより可変抵抗を構成する例を示したが、これに限らず、抵抗とフォトトライアックの直列回路を任意の個数並列に接続することにより可変抵抗を構成することができる。例えば、抵抗とフォトトライアックの直列回路を４個や１６個並列に接続することにより可変抵抗を構成してもよい。
【００３４】
また、上述した実施形態では発電機２が３相交流発電機である例を示したが、発電機２が交流発電機であれば本発明を適用することができる。発電機２は、例えば単相交流発電機や６相交流発電機であってもよい。
【００３５】
以上説明したように、本発明によれば、各スイッチを構成するトライアックの点弧角が、各出力線間の線間電圧に応じて、各出力線間の線間電圧が正のときは０°から９０°までの範囲で、各出力線間の線間電圧が負のときは１８０°から２７０°までの範囲で変化する。点弧角が０°または１８０°に近いほどブレーキは強く効き、一方点弧角が９０°または２７０°に近いほどブレーキの効きは弱くなる。すなわち、各出力線間の線間電圧のピークが高いほど（すなわち、発電機の交流出力が大きいほど）ブレーキは強く効き、各出力線間の線間電圧のピークが低いほど（すなわち、発電機の交流出力が小さいほど）ブレーキの効きは弱くなる。このため、風速の変化に応じてブレーキの強弱が変化し、風車の過回転が防止されるとともにその回転はできる限り保持される。
また、本発明によれば、バッテリーの電圧、風速や風車の回転数、発電機の出力等に応じて、各スイッチの制御電流の大きさを決める可変抵抗の抵抗値を適切に設定することにより、風車を最適な回転数で回転させることができる。
【００３６】
また、風力発電機では、発電された交流はＡＣ／ＤＣコンバータで直流に変換され、直流として出力されるか、または電力系統の周波数の交流に変換して出力される。そこで、スイッチと電力消費用抵抗とが直列に接続された電力消費回路をＡＣ／ＤＣコンバータの後段の直流回路に接続することも可能である。この構成の電気式ブレーキ装置でも、スイッチをＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御し、直流電圧に応じてＰＷＭのデューティ比を変えることによって、本発明に係る回転保持装置と同様に、風車の回転速度を保持することができる。ただし、この構成では発電機の交流出力が過大である場合に、ＡＣ／ＤＣコンバータで余剰な電力も含めて直流電力に変換し、直流側の電力消費回路で余剰な電力を消費する。このため、ＡＣ／ＤＣコンバータとその後段の直流回路を過大な電圧に堪え得るものにしなければならない。一方、本発明に係る回転保持装置は交流側で余剰な電力を消費するため、ＡＣ／ＤＣコンバータとその後段の直流回路の最大電圧を低く抑えることができる。
【００３７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、設計または製造上の都合やその他の要因によって必要となる様々な修正や組み合わせは、請求項に記載されている発明や発明の実施形態に記載されている具体例に対応する発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００３８】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…風力発電機、２，２Ａ，２Ｂ…発電機、３…風車、４…主軸、１０…回転保持装置、２０…制御装置、２１…監視部、２２…制御部、２３…ＡＣ／ＤＣコンバータ、ＬＯ１〜ＬＯ３…発電機の出力線、ＳＷ１〜ＳＷ３…スイッチ、Ｒ１１〜Ｒ１３…電力消費用抵抗、ＶＲ１，ＶＲ２，ＶＲ３…可変抵抗、ＴＲＣ…トライアック、ＰＴＲ１〜ＰＴＲ８…フォトトライアック、Ｒ２１〜Ｒ２８…抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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