(57)【要約】【課題】制御回路を用いずに風車より概略の風車最大出力を取り出すことができる２巻線の永久磁石型発電機を用いた装置があるが、永久磁石型発電機が大きいという問題点がある。【解決手段】永久磁石型発電機の巻線種類を通常の１種類となし、発電機交流出力端子に第１のリアクタンスと第１の整流器の直列回路を接続し、発電機交流出力端子と第１のリアクタンスとの接続点に第２のリアクタンスを接続し、第２のリアクタンスに直列に第３の整流器を接続し、第３の整流器と並列に第２の直流コンデンサと第４の整流器の直列回路を接続し、第３の整流器の負側出力端子と第４の整流器の正側出力端子を接続し、この第１の整流器の出力と第３および第４の整流器の直列回路の出力を並列接続して、風車より風車回転数に対して３乗出力特性を得る流体発電装置の整流回路である。【選択図】図１
2014147154.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車または水車により駆動される永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず、風車または水車の概略の最大出力を得る流体発電装置の整流回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第１のリアクタンスを経て第１の整流器の交流側を接続し、該第１のリアクタンスと並列に第２のリアクタンスを接続し、該第２のリアクタンスを第３の整流器に接続し、前記第２のリアクタンスと該第３の整流器の接続点に第２の直流コンデンサの正側を接続し、該第２の直流コンデンサの負側を第４の整流器の交流側に接続し、前記第３の整流器の負側出力端子と該第４の整流器の正側出力端子を接続し、前記第２の直流コンデンサと前記第３の整流器と前記第４の整流器で２倍電圧整流回路を構成し、該第１の整流器の出力と該２倍電圧整流回路の出力を並列に加算して直流電源に出力することを特徴とする流体発電装置の整流回路。
【請求項２】
風車または水車により駆動される永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず、風車または水車の概略の最大出力を得る流体発電装置の整流回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第１のリアクタンスを経て第１の整流器を接続し、該第１のリアクタンスと並列に第２のリアクタンスを接続し、該第２のリアクタンスに直列に第３の整流器を接続し、前記第２のリアクタンスと該第３の整流器の接続点に第１の直流コンデンサの負側と第２の直流コンデンサの正側を接続し、該第１の直流コンデンサの正側と第２の整流器の交流側を接続し、該第２の直流コンデンサの負側と第４の整流器の交流側を接続し、該第２の整流器の負側出力端子と前記第３の整流器の正側出力端子を接続し、前記第３の整流器の負側出力端子と該第４の整流器の正側出力端子を接続し、前記第１および第２の直流コンデンサと前記第２〜４の整流器で３倍電圧整流回路を構成し、該第１の整流器の出力と該３倍電圧整流回路の出力を並列に加算して直流電源に出力することを特徴とする流体発電装置の整流回路。
【請求項３】
風車または水車により駆動される永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず、風車または水車の概略の最大出力を得る流体発電装置の整流回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第１のリアクタンスを経て第１の整流器を接続し、該第１のリアクタンスと並列に第２のリアクタンスを接続し、該第２のリアクタンスに直列に第４の整流器を接続し、前記第２のリアクタンスと該第４の整流器の接続点に第２の直流コンデンサの負側端子を接続し、該第２の直流コンデンサの正側に第３の整流器を接続し、前記第２の直流コンデンサと該第３の整流器の接続点に第１の直流コンデンサの負側を接続し、該第１の直流コンデンサの正側に第２の整流器を接続し、該第２の整流器の負側出力端子と前記第３の整流器の正側出力端子を接続し、前記第３の整流器の負側出力端子と前記第４の整流器の正側出力端子を接続し、前記第１および第２の直流コンデンサと前記第２〜４の整流器で３倍電圧整流回路を構成し、該第１の整流器の出力と該３倍電圧整流回路の出力を並列に加算して直流電源に出力することを特徴とする流体発電装置の整流回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車または水車により駆動される流体発電装置に関し、より詳しくは風または水の流速に関わらず、風車または水車の概略の最大出力を取り出す流体発電装置に関し、特に永久磁石型発電機より制御回路を用いずに定電圧電源に充電を行う流体発電装置の整流回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来例１として、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機より、制御回路を用いずに交流を直流に変換して概略の最大出力を取り出すために、永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する２種類の巻線の交流出力端子に各リアクトルを経て直列に各整流器を接続し、これらの整流器の直流出力を並列接続して外部に出力する流体発電装置の整流回路がある（例えば、公開特許文献１参照）。
【０００３】
このような従来例１を、図７の風車に接続された流体発電装置の整流回路を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。
【０００４】
図７において、１７は風車、２は永久磁石型発電機、１８は飽和リアクトル、１１および１２は第１および第２の整流器、１は上記従来例１の流体発電装置の整流回路、９は整流回路の正側直流出力端子、１０は整流回路の負側直流出力端子、１６はバッテリである。
【０００５】
図７において、永久磁石型発電機２の固定子には異なる大きさの誘起電圧を出力する相互に絶縁された第１の巻線Ｗ１および第２の巻線Ｗ２の２種類の巻線を内蔵する。前記永久磁石型発電機２の巻数が少なくて低い誘起電圧を出力する第１の巻線Ｗ１の交流出力は、第１の整流器１１の交流側に接続される。ここで整流器とは、ダイオードをブリッジ状に構成して交流より直流を得る回路である。
【０００６】
巻数が多くて高い誘起電圧を出力する第２の巻線Ｗ２の交流出力は、インダクタンス値が電流の上昇とともに減少する飽和リアクトル１８に接続され、さらに直列に第２の整流器１２の交流側に接続される。前記第１および第２の整流器１１および１２の各々の直流側は、正側出力端子９および負側出力端子１０に並列接続され、各巻線の合計出力がバッテリ１６に充電される。
【０００７】
このように構成される流体発電装置の整流回路１より、変動する風速から概略の風車最大出力が得られる方法を、流体発電装置の整流回路１には損失が無いとして以下に示す。
【０００８】
風車は、風車の形状及び風速Ｖが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まる。例えば、風速Ｖｘ及びＶｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図５のようになる。そして、各々の風速に対する風車出力Ｐの最大値は、図５に示す風車最大出力曲線Ｐｔのようになる。
すなわち、風から最大出力を得るためには、風車回転数Ｎが決まると、その時の永久磁石型発電機２の入力Ｐを一義的に、風車最大出力曲線Ｐｔ上の値に定めれば良いことを表している。
【０００９】
図７は、前記従来例が対象とする流体発電装置の整流回路１の各巻線の直流出力をバッテリ等の定電圧源に接続した場合の説明図である。第２の巻線Ｗ２の出力は、低回転数から出力を開始し、飽和リアクトル１８のインダクタンス値が電流の上昇とともに減少するに伴い、その出力はＰ２のごとくなる。また、第１の巻線Ｗ１の出力は高回転数から出力を開始して、その出力はＰ１のごとくなる。
【００１０】
永久磁石型発電機２の第１および第２の巻線Ｗ１およびＷ２のそれぞれの交流出力は、Ｗ１およびＷ２巻線の誘起電圧の小と大および飽和リアクトル１８のインダクタンス値により定まる。これらの合計出力は、図４の風車回転数対出力特性における近似出力曲線Ｐｓに示すようになり、３乗特性を有する風車最大出力曲線Ｐｔの近似を実現できる。
【００１１】
また、従来例２として、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機より、制御回路を用いずに交流を直流に変換して概略の最大出力を取り出すために、永久磁石型発電機を１種類の巻線で構成し、交流出力端子Ｔにはリアクトル４を経て直列に第１の整流器１１を接続し、さらにリアクトル４に並列にコンデンサ３を経て第２の整流器１２を接続し、それぞれの直流出力を並列接続して外部に出力する流体発電装置の整流回路がある（例えば、公開特許文献２参照）。
【００１２】
このような従来例２を、図６の風車に接続された流体発電装置の整流回路１を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。図６においては、第１の整流器１１および第２の整流器１２の直流出力が同一回転数から出力を開始する。そして、コンデンサ３の容量性インピーダンスの永久磁石型発電機２内の増磁効果により、回転数の上昇に伴って並列直流出力が上昇するという効果がある。しかしながら、その並列接続された直流出力は、リアクトル４を経る回路が存在するために、回転数の上昇に対して３乗特性を有する図４の最大出力曲線Ｐｔよりは、高回転において上昇割合の鈍い２乗特性以下の出力特性となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００５−１１０４７４号（図１）
【特許文献２】特開２００７−２８８９５４号（図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
解決しようとする問題点は、上記のように構成される従来例１の流体発電装置の整流回路１においては、永久磁石型発電機２は２種類以上の巻線で構成されるために、永久磁石型発電機２内のスロットに広い巻線スペースが必要となるとともに、２種類以上の巻線間の絶縁が必要となる。そのために発電機が大きくなり、かつ製作工数も多くなるので高価になるという問題があった。
【００１５】
また、従来例２においては、永久磁石型発電機２は１種類の巻線で構成されているが、その直流出力は、低回転数から発電させることが出来ず、しかも風車回転数に対して３乗特性を有する風車最大出力曲線Ｐｔが得られないという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、永久磁石型発電機２の巻線種類を通常の１種類となし、発電機交流出力端子Ｔに第１のリアクタンスと第１の整流器の直列回路を接続し、発電機交流出力端子Ｔと第１のリアクタンスとの接続点に第２のリアクタンスを接続し、第２のリアクタンスに直列に第３の整流器を接続し、第３の整流器と並列に第２の直流コンデンサと第４の整流器の直列回路を接続し、第３の整流器の負側出力端子と第４の整流器の正側出力端子を接続し、この第１の整流器の出力と第３および第４の整流器の直列回路の出力を並列接続して、風車より３乗出力特性を得る流体発電装置の整流回路である。
【００１７】
本発明における原理を説明する。上記のように構成された流体発電装置の整流回路においては、前記永久磁石型発電機２のある相の前記第２の直流コンデンサの正側端子には、前記第２のリアクタンス、前記第２の直流コンデンサ、前記第４の整流器、前記第３の整流器、他の相の前記第２のリアクタンスを通って前記永久磁石型発電機のピーク電圧が充電される。したがって、前記永久磁石型発電機からバッテリを充電させる方向に、最大時には直流電圧として前記永久磁石型発電機のピーク電圧の２倍の電圧がバッテリに印可される。
【００１８】
このようにして通常の１巻線永久磁石型発電機より、永久磁石型発電機ピーク電圧の２倍電圧が得られるので、従来例１の２巻線永久磁石型発電機におけるＷ２巻線が担う作用をさせることができる。この方法を応用して、概略の風車最大出力を取り出そうとするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の流体発電装置の整流回路は、風車または水車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力端子に接続した第２のリアクタンスと第２の直流コンデンサおよび第４と第３の整流器の直列回路を流れる電流は低回転数から発電を開始し、上記回路に並列に接続した第１のリアクタンスと第１の整流器の直列回路を流れる電流は高回転数から発電を開始する。このように構成された回路よりバッテリに充電を行うことにより、流体発電装置の整流回路は３乗出力特性を有することができる。このとき、永久磁石型発電機の巻線の種類は１種類なので、永久磁石型発電機内は狭い巻線スペースで構成でき、巻線間の絶縁が簡素化される。そのために発電機が小さくなり、かつ製作工数も少なくなるので安価な構成となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施例に係る流体発電装置の整流回路を説明するための主回路単線結線図である。
【図２】本発明の第２の実施例に係る流体発電装置の整流回路を説明するための主回路単線結線図である。
【図３】本発明の第３の実施例に係る流体発電装置の整流回路を説明するための主回路単線結線図である。
【図４】従来例および本発明の第１の実施例に係る第１および第２〜４の整流器出力の概要を示す説明図である。
【図５】従来例および本発明の第１の実施例に係る風車回転数対風車出力特性および流体発電装置出力の概要を示す説明図である。
【図６】従来例２の流体発電装置の整流回路を説明するための主回路単線結線図である。
【図７】従来例１の流体発電装置の整流回路を説明するための主回路単線結線図である。
【図８】電解コンデンサの保護を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
風車または水車により駆動される永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず、風車または水車の概略の最大出力を得る流体発電装置の整流回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第１のリアクタンスを経て第１の整流器を接続し、該第１のリアクタンスと並列に第２のリアクタンスを接続し、該第２のリアクタンスに直列に第３の整流器を接続し、該第３の整流器に並列に第２の直流コンデンサを接続し、該第２の直流コンデンサに直列に第４の整流器を接続し、前記第２の直流コンデンサの正側を前記第２のリアクタンスと前記第３の整流器との接続点に接続し、前記第３の整流器の負側出力端子と前記第４の整流器の正側出力端子を接続し、前記第２の直流コンデンサと前記第３の整流器と前記第４の整流器で２倍電圧整流回路を構成し、該第１の整流器の出力と該２倍電圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする流体発電装置の整流回路である。
【実施例１】
【００２２】
図１は、本発明の流体発電装置の整流回路を説明するための主回路単線結線図である。
同図において、３は第１のリアクタンスとしての第１のコンデンサ、４は第２のリアクタンスとしての第２のリアクトル、１１は第１の整流器、１３および１４は第３および第４の整流器、６は第２の直流コンデンサであり、図６および図７と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。
【００２３】
永久磁石型発電機２の出力端子Ｔには、第１のコンデンサ３と第１の整流器１１の直列回路が接続される。第１のコンデンサ３には並列に第２のリアクトル４と第３の整流器１３が接続され、第２のリアクトルと第３の整流器１３の接続点には、第２の直流コンデンサ６の正側端子が接続され、さらに直列に第４の整流器１４が接続される。第３の整流器１３の負側出力端子は第４の整流器１４の正側出力端子と接続され、第３および第４の整流器１３および１４と、第２の直流コンデンサ６により２倍電圧整流回路７を構成する。
【００２４】
第２の直流コンデンサ６の正側端子には、永久磁石型発電機２のある相の出力端子から第２のリアクトル４、第２の直流コンデンサ６、第４の整流器１４、第３の整流器１３、他の相の第２のリアクトル４を経て永久磁石型発電機２のピーク電圧Ｖｐが充電される。
【００２５】
したがって、永久磁石型発電機２、ある相の交流出力端子Ｔ、ある相の第２のリアクトル４、第３の整流器１３、バッテリ１６、第４の整流器１４、他の相の第２の直流コンデンサ６、他の相の第２のリアクトル４、他の相の交流出力端子Ｔの電流経路には、直流的な電圧として前記永久磁石型発電機２の電圧と上記のピーク電圧Ｖｐが加算されて、バッテリ１６に印可されることになる。
【００２６】
したがって、第２のリアクトル４の値を適切に選ぶことにより、図１に示すがごとき１巻線を有する永久磁石型発電機２であっても、図７に示す従来流体発電装置１の２巻線を有する永久磁石型発電機２におけるＷ２巻線と同等の作用をさせて、図４に示す低風速からの出力Ｐ２を得ることができる。
【００２７】
さらに、交流出力端子Ｔ、第１のコンデンサ３、第１の整流器１１の正側出力端子を経て流れる電流は、第１のコンデンサ３の値を適切に選ぶことにより、図７に示す従来流体発電装置の２巻線で構成される永久磁石型発電機２におけるＷ１巻線と同等の作用をさせて、図４に示す高風速からの出力Ｐ１を得ることができる。
【００２８】
このように構成される流体発電装置の整流回路１により、出力Ｐ２とＰ１の合計出力が図２に示す近似出力曲線Ｐｓとなり、変動風速状態においても風車１７より概略の風車最大出力を得ることができる。
【実施例２】
【００２９】
図２に本発明の第２の実施例を示す。
図２において図１と異なるところは、第２のリアクトル４の反出力端子Ｔ側である。第１のコンデンサ３には並列に第２のリアクトル４と第３の整流器１３の直列回路が接続され、第２のリアクトルと第３の整流器１３の接続点には、第２の直流コンデンサ６の正側端子が接続され、さらに直列に第４の整流器１４が接続される。さらに、第２のリアクトルと第３の整流器１３の接続点には、第１の直流コンデンサ５の負側端子が接続され、さらに直列に第２の整流器１２が接続される。
【００３０】
第２の整流器１２の負側端子は第３の整流器１３の正側端子と接続され、第３の整流器１３の負側端子は第４の整流器１４の正側端子と接続される。これらの第２〜４の整流器１２〜１４と、第１および第２の直流コンデンサ５および６により３倍電圧整流回路８を構成する。
【００３１】
すなわち、第１の直流コンデンサ５の正側端子には、永久磁石型発電機２のある相の出力端子から第２のリアクトル４、第３の整流器１３、第２の整流器１２、他の相の第１の直流コンデンサ５、他の相の第２のリアクトル４を経て永久磁石型発電機２のピーク電圧Ｖｐが充電される。第２の直流コンデンサ６の充電は実施例１と同様である。
【００３２】
したがって、永久磁石型発電機２、ある相の交流出力端子Ｔ、ある相の第２のリアクトル４、ある相の第１の直流コンデンサ５、第２の整流器１２、バッテリ１６、第４の整流器１４、他の相の第２の直流コンデンサ６、他の相の第２のリアクトル４、他の相の交流出力端子Ｔを経る電流経路には、直流的な電圧として前記永久磁石型発電機２の電圧とその発電機電圧の２倍のピーク電圧Ｖｐが加算されて、バッテリ１６に印可されることになる。
【００３３】
したがって、第２のリアクトル４の値を適切に選ぶことにより、図６に示すがごとき１巻線を有する永久磁石型発電機２であっても、図７に示す従来流体発電装置の整流回路１の２巻線を有する永久磁石型発電機２におけるＷ２巻線と同等の作用をさせて、図４に示す低風速からの出力Ｐ２を得ることができる。
【００３４】
さらに、交流出力端子Ｔ、第１のコンデンサ３、第１の整流器１１の正側直流端子を経て流れる電流は、第１のコンデンサ３の値を適切に選ぶことにより、図７に示す従来流体発電装置の２巻線で構成される永久磁石型発電機２におけるＷ１巻線と同等の作用をさせて、図４に示す高風速からの出力Ｐ１を得ることができる。
【００３５】
このように構成される流体発電装置の整流回路１により、出力Ｐ２とＰ１の合計出力が図４に示す近似出力曲線Ｐｓとなり、変動風速状態においても風車１７より概略の風車最大出力を得ることができる。
【００３６】
このような３倍電圧整流回路８を用いて電圧を高めることにより、永久磁石型発電機２が発生する電圧が低い場合も、低回転数から発電を開始することができる。さらに、流体発電装置の整流回路１の出力を近似出力曲線Ｐｓにより近づけたい場合は、本発明の実施例１を併用することにより実現できる。
【実施例３】
【００３７】
図３に本発明の第３の実施例を示す。
図３において図２と異なるところは、３倍電圧昇圧回路の構成である。第２のリアクトル４は第４の整流器１４の交流側に接続され、第２のリアクトル４と第４の整流器１４の接続点は第２の直流コンデンサ６の負側端子に接続される。この第２の直流コンデンサ６の正側端子は第３の整流器１３の交流側と第１の直流コンデンサ５の負側端子に接続される。さらに、この第１の直流コンデンサ５の正側端子は、第２の整流器１２の交流側に接続される。
【００３８】
第２の整流器１２の負側端子は、第３の整流器１３の正側端子と接続され、第３の整流器１３の負側端子は、第４の整流器１４の正側端子と接続され、第２〜４の整流器１２〜１４と第１および第２の直流コンデンサ５および６により、３倍電圧昇圧回路８が構成される。
【００３９】
この３倍電圧昇圧回路８においては、永久磁石型発電機２から第２のリアクトル４、第４の整流器１４および第３の整流器１３を経て、先ず第１に第２の直流コンデンサ６がピーク充電され、第３の整流器１３と第２の整流器１２を経て、やや遅れて第１の直流コンデンサ５がピーク充電される。このような３倍電圧昇圧回路８を用いて、本発明の第２の実施例と同様に風車から風車最大出力を得ることができる。
【００４０】
上記の図１〜３の本発明の構成では、第１のリアクタンスとして第１のコンデンサ３を用い、第２のリアクタンスとして第２のリアクトル４を用いた。しかしながら、この構成を逆にするか、または全てのリアクタンスをコンデンサとしても、適切な値を選ぶことにより、１巻線で構成される永久磁石型発電機２により、同様に変動風速状態においても風車１７より概略の風車最大出力を得ることができる。
【００４１】
図１〜３では、特に相数に拘らなかったが、単相および３相以上で構成できることは自明である。
【００４２】
図８は第１および第２の直流コンデンサ５および６に有極性の電解コンデンサを使用した場合の保護回路を示す。電解コンデンサ２１にダイオード２２を並列接続しておけば、負荷短絡等で電解コンデンサ２１に逆電圧が生じても、ダイオード２２を通って電流が流れるので保護される。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明の風車または水車の概略の最大出力を得る流体発電装置の整流回路１によれば、風車または水車により駆動される永久磁石型発電機２の交流出力端子Ｔに接続した第２のリアクタンス４と２倍電圧昇圧回路７または３倍電圧昇圧回路８の直列回路を流れる電流は低回転数から発電を開始し、上記回路に並列に接続した第１のリアクタンス３と第１の整流器１１の直列回路を流れる電流は高回転数から発電を開始する。このように構成された回路よりバッテリ１６に充電を行うことにより、流体発電装置の整流回路１は概略の３乗出力特性を有することができる。このとき、永久磁石型発電機の巻線の種類は１種類で構成されるので、狭い巻線スペースで構成でき、巻線間の絶縁が簡素化される。そのために発電機が小さくなり、かつ製作工数も少なくなるので安価になる。
このような３乗出力特性を有する流体発電装置の整流回路を、制御回路を用いずに受動素子のみで構成できるので極めて有用である。
【符号の説明】
【００４４】
１              流体発電装置の整流回路
２              永久磁石型発電機
３              第１のリアクタンス
４              第２のリアクタンス
５              第１の直流コンデンサ
６              第２の直流コンデンサ
７              ２倍電圧昇圧回路
８              ３倍電圧昇圧回路
９              整流回路の正側直流出力端子
１０            整流回路の負側直流出力端子
１１〜１４      第１〜４の整流器
１６            バッテリ
１７            風車
１８            飽和リアクトル
２１            コンデンサ
２２            ダイオード
【図８】
2014147154.tif 000003
【図４】
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【図５】
2014147154.tif 000005
【図１】
2014147154.tif 000006
【図２】
2014147154.tif 000007
【図３】
2014147154.tif 000008
【図６】
2014147154.tif 000009
【図７】
2014147154.tif 000010