(57)【要約】【課題】  多巻線永久磁石型発電機の交流出力を整流して直流出力する小型風力発電装置を、起動トルクが少ない風車に接続すると、微風において回り始めないという問題点があった。【解決手段】  風車により駆動され、誘起電圧の異なる多種類の巻数の巻線により構成される多巻線永久磁石型発電機の交流出力を、前記多巻線永久磁石型発電機の１番巻数の多い巻線に接続されるリアクトルと整流器の接続点にＰＷＭ変換器の交流側を第１のスイッチを経て並列接続し、該ＰＷＭ変換器の直流側を前記小型風力発電装置の直流端子に第２のスイッチを経て並列接続し、前記ＰＷＭ変換器は外部からの始動指令により時間に対してＳ字曲線に沿って周波数および電圧が上昇する交流電圧をある一定期間出力し、前記ＰＷＭ変換器が動作している間は前記第１および第２のスイッチを閉じることを特徴とする小型風力発電装置の始動方法である。【選択図】  図１
2006109554.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車により駆動され、誘起電圧の異なる多種類の巻数の巻線により構成される多巻線永久磁石型発電機の交流出力を、リアクトルを経て整流する小型風力発電装置において、前記多巻線永久磁石型発電機の交流出力端子にＰＷＭ変換器の交流側を第１のスイッチを経て並列接続し、該ＰＷＭ変換器の直流側を前記小型風力発電装置の直流端子に第２のスイッチを経て並列接続し、前記ＰＷＭ変換器は外部からの始動指令により時間に対してＳ字曲線に沿って周波数および電圧が上昇する交流電圧をある一定期間出力し、前記ＰＷＭ変換器が動作している間は前記第１および第２のスイッチを閉じることを特徴とする小型風力発電装置の始動方法。
【請求項２】
請求項１記載の小型風力発電装置において、前記ＰＷＭ変換器の交流側を、前記多巻線永久磁石型発電機の１番巻数の多い巻線に接続されるリアクトルと整流器の接続点に並列接続することを特徴とする小型風力発電装置の始動方法。
【請求項３】
風車により駆動され、誘起電圧の異なる多種類の巻数の巻線により構成される多巻線永久磁石型発電機の交流出力を、リアクトルを経て整流する小型風力発電装置において、前記多巻線永久磁石型発電機の１番巻数の多い巻線の交流出力端子に接続されるリアクトルの反前記多巻線永久磁石型発電機側にＰＷＭ変換器を直列接続し、該ＰＷＭ変換器の直流側を前記小型風力発電装置の直流端子に接続し、前記ＰＷＭ変換器は外部からの始動指令により時間に対してＳ字曲線に沿って周波数および電圧が上昇する交流電圧をある一定期間出力することを特徴とする小型風力発電装置の始動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、風車により駆動される発電機から、風速に関わらず、風より得られる概略の最大出力を取り出すことができる小型風力発電装置の始動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
本出願人は先に、風車に接続された永久磁石型発電機より、ＰＷＭコンバータ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ために異なる巻数で構成される各巻線の出力端子にリアクトルを経て直列に整流器を接続し、この整流器の直流出力を並列接続して外部に出力する小型風力発電装置について提案している（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記における異なる巻数の巻線で構成される永久磁石型発電機を、以下では多巻線永久磁石型発電機と称して、かかる先願技術を、図７の風車に接続された小型風力発電装置を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。
図７において、１は風車、２は先願技術の小型風力発電装置、３は多巻線永久磁石型発電機、４〜６は第１〜第３のリアクトル、７〜９は第１〜第３の整流器、１０は正側出力端子、１１は負側出力端子、１２はバッテリーである。
【０００４】
この多巻線永久磁石型発電機３は、絶縁され、かつ誘起電圧の異なる３巻線を有し、３巻線の中の巻数が一番少ないために一番誘起電圧の低い第１の巻線Ｗ１は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１の整流器７に接続される。
次に巻数が多い第２の巻線Ｗ２は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２の整流器８に接続される。
又、巻数が一番多いために一番誘起電圧の高い第３の巻線Ｗ３は、第３のリアクトル６に接続され、さらに第３の整流器９に接続される。
上記第１〜第３の整流器７〜９の各直流側は、正側出力端子１０及び負側出力端子１１に並列接続され、各巻線の合計出力がバッテリー１２に接続される。
【０００５】
このように構成される小型風力発電装置２より、概略の風車最大出力を得る方法を以下に示す。
図６は、風速をパラメータとした時の、風車の回転数対出力特性の概要を説明した図である。
風車は、風車の形状及び風速Ｕが決まると、風車回転数Ｎに対する風車出力Ｐが一義的に定まり、例えば風速Ｕｘ及びＵｙに対する風車出力Ｐは、それぞれ図６の実線で示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図６の一点鎖線で示す最大出力曲線のようになる。
すなわち、図６の風車の回転数対出力特性において、風速がＵｘの時は、風速Ｕｘの風車出力曲線と最大出力曲線との交点Ｓｘに示すように、風車回転数Ｎｘにおいて、風車最大出力Ｐｘとなる。
又、風速がＵｙの時は、風車回転数Ｎｙにおいて、風速Ｕｙでの風車最大出力Ｐｙとなる。
【０００６】
すなわち、図６の最大出力曲線を見方を変えて見ると、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、その時の多巻線永久磁石型発電機の出力Ｐを一義的に、最大出力曲線上の値に定めれば良いことを表している。
【０００７】
図５は、先願技術が対象とする小型風力発電装置２の直流出力をバッテリー等の定電圧源に接続した場合の説明図であり、小型風力発電装置２の多巻線永久磁石型発電機内３の第１〜第３の巻線Ｗ１〜Ｗ３の各出力は、各巻線の誘起電圧値の違い、及び各巻線内部インダクタンスと各巻線出力に接続されるリアクトルによる電圧降下のために、図５の各巻線による風車の回転数対出力特性に示すＰ１〜Ｐ３のようになる。
【０００８】
すなわち、風車回転数Ｎが低い場合には、第３の巻線Ｗ３の発生電圧Ｖ３がバッテリー電圧Ｖｂより低いために、バッテリーには充電されない。しかし、風車回転数Ｎが上昇して、Ｎ３付近になると、電流が流れ始めて、風車回転数ＮがＮ３になると、第３の巻線Ｗ３の出力Ｐ３はＰ３１となる。これ以上に風車回転数Ｎが上昇して誘起電圧が上昇しても、バッテリー電圧Ｖｂは、ほぼ一定であり、第３の巻線Ｗ３および第３のリアクトルのインダクタンス等によるインピーダンスが周波数に比例するために、出力Ｐ３はＰ３１よりも漸増するに留まる。
第２の巻線Ｗ２については、さらに回転数Ｎが上昇することにより誘起電圧が上昇して出力が取れ始めるが、内部インダクタンス等が小さいために大きな出力が取れる。第１の巻線Ｗ１については、さらに回転数Ｎが上昇したときに、さらに大きな出力が取れる。
【０００９】
このように構成される小型風力発電装置２のバッテリー１２等の定電圧源への出力は、第１〜第３の巻線の出力Ｐ１〜Ｐ３を加算して得られる合計出力と同じであり、図４の点線で示す近似出力曲線で表される。従って、図４に示すように、この合計出力は図４の実線で示す最大出力曲線の近似を実現している。
【特許文献１】特開２００4−６４９２８号（図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
解決しようとする問題点は、起動トルクは少ないが回り始めると勢い良く回って発電する直線翼タイプの風車においては、微風において回り始めず、上記のような整流器のみを用いる風力用発電装置を内蔵した風車では、外部から電気的に回して電気を取り出すことができない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、風車より概略の最大出力を得ることができる、上記のような多巻線永久磁石型発電機の交流出力端子に、電圧および電流検出器を内蔵しない小容量のＰＷＭ変換器を、並列に接続することを特徴とする小型風力発電装置の始動方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の小型風車の始動方法は、多巻線永久磁石型発電機の交流出力端子に、電圧および電流検出器を内蔵しない小容量のＰＷＭ変換器を並列に接続するために、風車始動に必要なＰＷＭ変換器を低価格で構成できるので、容易に風車を始動して発電状態にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
多巻線永久磁石型発電機の巻数が一番多い巻線に接続されるリアクトルと整流器の接続点に、小容量のＰＷＭ変換器を並列に接続し、S字曲線に沿って周波数が上昇する交流電圧をＰＷＭ変換器により印加して、風車を加速するものである。
【実施例１】
【００１４】
図1は、本発明の小型風力用発電装置の始動方法を説明するための、風車により駆動されるＰＷＭ変換器を備えた小型風力用発電装置の主回路単線結線図である。
同図において、２１はＰＷＭ変換器、２２はゲート指令回路、２３は第１のスイッチ、２４は第２のスイッチであり、図７と同一番号は同一構成部品を表す。
図３は、ゲート指令回路２２が外部からの始動指令Ｓにより、ある一定時間Ｔ１だけ出力するＰＷＭ変換器２１の出力周波数を説明する図である。
以下、図１について、図３を参照しながら説明する。
【００１５】
本発明の小型風力発電装置の始動方法を実現する小型風力用発電装置２は、多巻線永久磁石型発電機３に接続されるリアクトルと整流器の接続点に、第１のスイッチ２３を経てＰＷＭ変換器２１の交流側が接続される。ＰＷＭ変換器２１の直流側は、正側出力端子１０及び負側出力端子１１に第２のスイッチ２４を経て並列接続される。ゲート指令回路２２および第１および第２のスイッチ２３、２４は、外部からの始動指令Ｓにより動作し、ゲート指令回路２２からのゲート出力に基づいて、ＰＷＭ変換器２１が動作して風車１が加速される。
【００１６】
始動指令Ｓは、風はあるが風車が回っていないときに、多巻線永久磁石型発電機をＰＷＭ変換器２１により回し始めるための信号である。
ゲート指令回路２２は、図３に示すようなS字曲線に沿って増加する周波数と、巻線抵抗による電圧降下を加味して、その周波数にほぼ比例する電圧に基づいてパルス幅変調されたゲート信号を、ある一定時間Ｔ１だけＰＷＭ変換器２１に出力するものである。
このＰＷＭ変換器が動作している間は、前記第１および第２のスイッチは閉じている。
この操作により風車が加速しない場合は、再度、始動指令Ｓが出力されるが、それでも加速しないときは風速が不足しているものと判断して、始動が中止される。
【００１７】
ここで、ＰＷＭ変換器２１は、低価格で実現するために、電圧および電流検出器を内蔵いない小容量のＰＷＭ変換器で構成される。
従って、本発明で、格別にS字曲線に沿って周波数を増加させる理由は、小容量すなわち定格電流容量の小さいＰＷＭ変換器でも加速できるようにするためである。
本出願人が、風車のイナ-シャー、風速をも加味したシミュレーション結果によると、風車の停止からの加速時間を同一にした条件で、S字曲線に沿って加速すると、一定勾配で加速する時と比べて、ピーク電流を７割に減少でき、なだらかに加速を終了させることができた。このピーク電流が減少した理由は、停止時の永久磁石の位置が確定できていない状態から、同期引き込み状態に移行するときに大きな電流が流れるからである。
【００１８】
ここで、ＰＷＭ変換器２１は、多巻線永久磁石型発電機３の交流出力側であれば、リアクトルの前または後でも、また巻線の巻数の多少に関係なく、どこに接続しても風車の始動が可能である。
【実施例２】
【００１９】
実施例２は、特に小容量のＰＷＭ変換器を利用できるように、図１におけるＰＷＭ変換器２１の交流側接続点を、多巻線永久磁石型発電機の巻数が一番多い巻線Ｗ３に接続されるリアクトル６と整流器９の接続点に限定するものであり、実施例１と同様に、S字曲線に沿って周波数および電圧が増加する交流電圧をＰＷＭ変換器により印加して、風車を加速するものである。
【００２０】
ここで、特に、ＰＷＭ変換器２１の交流側接続点を、多巻線永久磁石型発電機の巻数が一番多い巻線Ｗ３に接続されるリアクトル６と整流器９の接続点に限定する理由は、巻線Ｗ３の誘起電圧が一番大きいために、風車を加速するトルク電流が小さくても可能だからである。
さらに、多巻線永久磁石型発電機の巻数が一番多い巻線Ｗ３とリアクトル６の接続点への並列接続では、リアクトル６がないために、スイッチ２３がＯＮで風車速度が増加したときに、大きな電流が巻線Ｗ３に流れて巻線の温度が上昇するからである。
【００２１】
ここで、第１および第２の実施例においては、ＰＷＭ変換器２１のスイッチング素子をＯＦＦしておくための待機電力を消費しないために、第１および第２のスイッチ２３、２４は、３相交流側と直流側に設けることが望ましい。
【実施例３】
【００２２】
図２に本発明の第３の実施例を示す。
図において、第３の実施例は、図１の整流器９、第１および第２のスイッチ２３、および２４を除いて構成され、図１と同一番号は同一構成部品を表す
本発明の第３の実施例では、第２の実施例における整流器９の替わりにＰＷＭ変換器２１を用いて構成され、第１および第２の実施例と同様に、ゲート指令回路２２は、図３に示すようなS字曲線に沿って周波数および電圧が増加する交流電圧を発生するゲート信号を、ある一定時間Ｔ１だけＰＷＭ変換器２１に出力するものである。
【００２３】
このときも、外部からの始動指令ＳによりＰＷＭ変換器２１の動作のＯＮ、ＯＦＦが決定されるが、ＰＷＭ変換器２１の動作がＯＦＦのときは、ＰＷＭ変換器２１はスイッチング素子がＯＦＦとなるために整流器として動作する。
従って、通常の発電時も、ＰＷＭ変換器２１のスイッチング素子のゲートＯＦＦ電源が必要なために、電力を消費するが、小容量のＰＷＭ変換器を用いているために、その消費電力はわずかである。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明の多巻線永久磁石型発電機３を有する小型風力用発電装置の始動方法においては、安価な小容量ＰＷＭ変換器により構成できるとともに、起動トルクが少ない風車に接続した場合も、微風において回り始めて、発電状態にすることができるので、例えＰＷＭ変換器が消費電力を要しても、年間を通した発電量を増加させる事ができ、実用上おおいに有用である。
以上の説明のための図では、多巻線永久磁石型発電機３が３種類の巻数の巻線で構成される場合について説明したが、２種類および４種類以上の巻数の巻線で構成される場合にも適用できる。
また、強風地域に設置するときは、取り外せるように、第１および第２のスイッチ２３、２４、ゲート指令回路２２およびＰＷＭ変換器２１は、一体化してオプション形式で構成しておけば幅広く利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１および第２の実施例を説明するための図であり、小型風力発電装置の主回路単線結線図である。
【図２】本発明の第３の実施例を説明するための小型風力発電装置の主回路単線結線図である。
【図３】本発明の小型風力発電装置の始動方法におけるＰＷＭ変換器２１の出力周波数を説明する図である。
【図４】従来の小型風力発電装置の回転数対風車出力特性図である。
【図５】従来の小型風力発電装置の各巻線の回転数対出力特性図である。
【図６】風速をパラメータとした時の、風車の回転数対出力特性の概要を説明する図である。
【図７】従来の小型風力発電装置の主回路単線結線図である。
【符号の説明】
【００２６】
１              風車
２              小型風力発電装置
３              永久磁石型発電機
４〜６          第１〜第３のリアクトル
７〜９          第１〜第３のダイオード整流器
１０            正側出力端子
１１            負側出力端子
１２            バッテリー
２１            ＰＷＭ変換器
２２            ゲート指令回路
２３            第１のスイッチ
２４            第２のスイッチ
【図１】
2006109554.tif 000003
【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】
2006109554.tif 000008
【図７】
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