(57)【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異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を有す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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の低い誘起電圧を発生する第１の交流出力端子に第１のコンデンサを経て第１の整流器を接続し、前記永久磁石型発電機の高い誘起電圧を発生する第２の交流出力端子に第２のコンデンサを経て第２の整流器を接続し、該第１の整流器および該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【請求項２】
風車または水車により駆動される異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を有す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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の低い誘起電圧を発生する第１の交流出力端子に第１のトランスを経て第１のコンデンサを接続し、該第１のコンデンサと直列に第１の整流器を接続し、前記永久磁石型発電機の高い誘起電圧を発生する第２の交流出力端子に第２のトランスを経て第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサと直列に第２の整流器を接続し、該第１の整流器および該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【請求項３】
風車または水車により駆動される異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を有す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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の低い誘起電圧を発生する第１の交流出力端子に第１のコンデンサを経て第１のトランスを接続し、該第１のトランスと直列に第１の整流器を接続し、前記永久磁石型発電機の高い誘起電圧を発生する第２の交流出力端子に第２のコンデンサを経て第２のトランスを接続し、該第２のトランスと直列に第２の整流器を接続し、該第１の整流器および該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【請求項４】
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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第１のコンデンサを経て第１の整流器を接続し、該第１のコンデンサと並列に第１のトランスを接続し、該第１のトランスと直列に第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサに直列に第２の整流器を接続し、該第１の整流器および該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【請求項５】
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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第１のコンデンサを経て第１の整流器を接続し、該第１のコンデンサと並列に第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサと直列に第１のトランスを接続し、該第１のトランスに直列に第２の整流器を接続し、該第１の整流器および該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【請求項６】
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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第１のコンデンサを経て第１の整流器を接続し、該第１のコンデンサと並列に第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサに直列に第４の整流器を接続し、該第４の整流器に並列に直流コンデンサを接続し、該直流コンデンサに直列に第３の整流器を接続し、該第３の整流器の負側直流出力端子と前記第４の整流器の正側直流出力端子を接続し、前記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倍圧整流回路を構成し、該第１の整流器の出力と該２倍圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【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永久磁石型発電機から、風または水の流速に関わらず、制御回路を用いずに、風または水より得られる概略の最大出力を取り出すとともに、風車または水車の過回転を防止することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
第１の従来例の分散電源用発電装置の過回転防止回路においては、風車回転数Ｎが設定値以上となった場合に、渦電流ブレーキ装置を作動させて過回転を防止している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる先願技術を、図１１の従来の分散電源用発電装置の過回転防止回路を説明する図を参照して詳述する。
図１１において、２１は風車、１は永久磁石型発電機、３６は整流器、２２はバッテリ、３７は逆流防止ダイオード、３５はブレーキ制御手段、３１は渦電流ブレーキ、３２は円盤状ロータ、３３は磁性体、３４は励磁コイル、３８は負荷である。
【０００４】
このブレーキ制御手段３５は、強風下において風車２１の回転数が設定値以上となった場合に、渦電流ブレーキ３１の励磁コイル３４へ励磁電力を供給する。その結果、直流電磁石が形成されて、円盤状ロータ３２に渦電流が流れ、円盤状ロータ３２に直結される風車２１が制動されて、その回転数が抑制される。
【０００５】
第２の従来例として、本出願人は先に、風車又は水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複数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風力発電装置について提案している（例えば、公開特許文献２参照。）。
【０００６】
図１０は、風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車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１０のように示される。そして、種々の風速に対する風車出力Ｐのピークは、図１０に示す風車最大出力曲線Ｐｔのような風車回転数Ｎに対して３乗特性となる。
【０００７】
すなわち、図１０の風車最大出力曲線の見方を変えると、風から最大出力を得るためには、風車回転数Ｎが定まると、その時の永久磁石型発電機１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。
【０００８】
このような風力発電装置である第２の従来例を図１２に示す。風車２１により駆動される永久磁石型発電機１は、風車回転数Ｎの上昇により図１２に示すＷ２巻線から図９に示す直流出力Ｐ２が流れ始め、さらに回転数が上昇すると図１２に示すＷ１巻線から図９に示す直流出力Ｐ１が流れる。風力発電装置９は、直流出力Ｐ１とＰ２を合計した出力をバッテリ２２に出力し、風車２１より概略の風車最大出力を制御回路を用いずに取り出すことができる。
【０００９】
また第３の従来例として、多相交流電源に基づいて３倍電圧または２倍電圧を得ることができる整流回路が知られている（例えば、後述する特許文献３の図１参照）。
【００１０】
このような第３の従来例を、図１３の２倍圧整流回路の回路図で示す。図１３において、１６は直流コンデンサ、１７は第３の整流器、１８は第４の整流器であり、この直流コンデンサ１６、第３の整流器１７、第４の整流器１８、正側直流出力端子１９、負側直流出力端子２０で２倍圧整流回路１５を構成する。
【００１１】
図１３において、多相交流電源端子Ｔｒの出力には第４の整流器１８の入力側が接続され、この第４の整流器１８と並列に直流コンデンサ１６が多相交流電源端子Ｔrに接続される。この直流コンデンサ１６の反多相交流電源端子Ｔr側に第３の整流器１７の入力側が接続され、第４の整流器１８の正側直流出力端子は第３の整流器１７の負側直流出力端子と接続される。このように接続される多相交流電源の２倍圧整流回路１５の直流コンデンサ１６には、図１３の直流コンデンサ１６付近に＋−で図示するように、多相交流電源端子Ｔｒから第４の整流器１８を通って多相交流電源のピーク電圧が充電される。したがって、２倍圧整流回路１５は第３の整流器１７の正側直流出力端子１９と第４の整流器１８の負側直流出力端子２０の間には、直流電圧として多相交流電源のピーク電圧の２倍の電圧が得られ、いわゆる電圧源が構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００４−１０４９７５号（図１）
【特許文献２】特開２００４−６４９２８号（図１）
【特許文献３】特開昭５６−１３９０８３号（図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
解決しようとする問題点は、上記のような渦電流ブレーキ３１を作動させるブレーキ制御手段３５を有する風力発電装置の過回転防止装置においては、風車回転数Ｎを検出する手段、および励磁コイル３４へ励磁電力を出力するパワー変換器制御手段が必要であり、高価になるという点である。
さらに、頻繁にブレーキをかけると円盤状ロータ３２が発熱するために、ブレーキのＯＮ/ＯＦＦを多数回できない。また、ブレーキをかけて停止している間は出力が得られないという問題がある。
【００１４】
第２の従来例においては、ＰＷＭコンバータを用いずに風車２１より概略の風車最大出力を取り出すことができるが、風車２１が過回転になったときには機械的なブレーキを用いることしか風車の過回転を防止する方法が無いという問題点があった。
【００１５】
第３の従来例においては、多相交流電源端子Ｔrと２倍圧整流回路１５との間にインピーダンスが接続されていない例が示されている。このような整流回路を分散電源用発電装置の整流回路に用いた場合には、永久磁石型発電機１の電源電圧ピーク値がバッテリ電圧を超えると出力が開始するが、変動する風速から常に風車最大出力を得ることができないばかりでなく、電流を抑制するものがないために、高風速における回転数の上昇とともに過大な出力になり装置を破壊する。すなわち、永久磁石型発電機１が過変速されて出力電圧が変化する場合には、このような電圧源回路では、制御回路を用いずに風または水より得られる概略の最大出力を取り出すことはできないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１の発明によれば、風車または水車により駆動される異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を有す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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の低い誘起電圧を発生する第１の交流出力端子に第１のコンデンサを経て第１の整流器を接続し、前記永久磁石型発電機の高い誘起電圧を発生する第２の交流出力端子に第２のコンデンサを経て第２の整流器を接続し、該第１の整流器および該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【００１７】
請求項２の発明によれば、風車または水車により駆動される異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を有す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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の低い誘起電圧を発生する第１の交流出力端子に第１のトランスを経て第１のコンデンサを接続し、該第１のコンデンサと直列に第１の整流器を接続し、前記永久磁石型発電機の高い誘起電圧を発生する第２の交流出力端子に第２のトランスを経て第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサと直列に第２の整流器を接続し、該第１の整流器および該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【００１８】
請求項３の発明によれば、風車または水車により駆動される異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を有す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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の低い誘起電圧を発生する第１の交流出力端子に第１のコンデンサを経て第１のトランスを接続し、該第１のトランスと直列に第１の整流器を接続し、前記永久磁石型発電機の高い誘起電圧を発生する第２の交流出力端子に第２のコンデンサを経て第２のトランスを接続し、該第２のトランスと直列に第２の整流器を接続し、該第１の整流器および該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【００１９】
請求項４の発明によれば、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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第１のコンデンサを経て第１の整流器を接続し、該第１のコンデンサと並列に第１のトランスを接続し、該第１のトランスと直列に第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサに直列に第２の整流器を接続し、該第１の整流器および該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【００２０】
請求項５の発明によれば、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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第１のコンデンサを経て第１の整流器を接続し、該第１のコンデンサと並列に第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサと直列に第１のトランスを接続し、該第１のトランスに直列に第２の整流器を接続し、該第１の整流器および該第２の整流器の出力を合計して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【００２１】
請求項６の発明によれば、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分散電源用発電装置の過回転防止回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第１のコンデンサを経て第１の整流器を接続し、該第１のコンデンサと並列に第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサに直列に第４の整流器を接続し、該第４の整流器に並列に直流コンデンサを接続し、該直流コンデンサに直列に第３の整流器を接続し、該第３の整流器の負側直流出力端子と前記第４の整流器の正側直流出力端子を接続し、前記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倍圧整流回路を構成し、該第１の整流器の出力と該２倍圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路。
【００２２】
本発明においては以下に説明する原理を応用する。
図８は本発明に係る風車の周速比λに対する出力係数Ｃpおよびトルク係数Ｃtを説明するための説明図である。通常、トルク係数Ｃtは出力係数Ｃpを周速比λで除したもので表されるが、説明の便宜上、周速比λに対する出力係数Ｃpおよびトルク係数Ｃtの最大値を同一の縦軸の大きさで表す。図８において、出力係数Ｃpが最大となる周速比はλxであり、最大出力点Ｓxで最大出力係数Ｃpmaxとなり、トルク係数Ｃtが最大となる周速比はλyであり、最大トルク点Ｔyで最大トルク係数Ｃtmaxとなる。
【００２３】
図５に示す風車および永久磁石型発電機のトルク特性の概要を、図８を参照しつつ説明する。最大出力時トルク曲線Ｔtは、出力＝トルク×回転角速度を利用して、ある風車の種々の風速における図８の最大出力点Ｓxを風車回転数Ｎに対する風車軸トルクで表したものである。最大トルク曲線Ｔvは、ある風車２１の種々の風速における図８の最大トルク点Ｔyを風車回転数Ｎに対する風車軸トルクで表したものである。すなわち、すべての風速において風車が持つ風車軸トルクは、最大トルク曲線Ｔvよりも右下の部分にある。
ブレーキ付加トルク曲線Ｔsは、本願により実現できる分散電源用発電装置の過回転防止回路を有する永久磁石型発電機１の負荷トルクを表したものである。
これらのトルク曲線は、風車回転数に対して一義的に定まるものである。
【００２４】
図５のブレーキ付加トルク曲線Ｔsについて説明する。風車は風車回転数Ｎuまでは、ほぼ風車の最大出力時トルク曲線Ｔtに沿って運転されるので、本願により実現できる分散電源用発電装置の過回転防止回路より風車最大出力を得ることができる。そして、風車回転数Ｎuの時に、ブレーキ付加トルク曲線Ｔsは最大出力時トルク曲線Ｔtと図５の交点Ｕで交わる。風車回転数ＮがＮuよりも上昇すると、ブレーキ付加トルク曲線Ｔsは急激に上昇して最大トルク曲線Ｔvと交点Ｒで交わる。
【００２５】
風車は、風車の最大トルク曲線Ｔvよりも大きな負荷トルクを印加すると、風速Ｖが増加しても風車回転数Ｎが上昇していかない。この理由を説明する。図５において風車回転数Ｎrの時に、風車２１の最大トルク曲線Ｔvと本願の永久磁石型発電機のブレーキ付加トルク曲線Ｔsが交点Ｒで交差している。
ここで、交点Ｒで運転状態にあるときの風速を例えば１２m/sとする。そして、例えば風速が１３m/sになると、図５の最大トルク曲線Ｔv上の動作点はＱになる。
【００２６】
したがって、風速が１２m/sから１３m/sになって風車回転数を上昇させようとしても、風車回転数Ｎr以上においてはブレーキ付加トルク曲線Ｔsで表される負荷トルクの方が、風車２１が有する最大トルク曲線Ｔvよりも大きいために風車は加速することができない。
この交点Ｒで運転し続ける現象は、風速が１３m/sになると、風車は図８のトルク係数Ｃtにおける最大トルク点Ｔyよりも左側で動作していることに因る。
【００２７】
さらに、本発明においては以下に説明する原理を応用して、図５のブレーキ付加トルク曲線Ｔsを実現する。
図７に、前記永久磁石型発電機１の内部インダクタンス値をＬとし、直列に接続されるコンデンサの容量をＣとした時のインダクタンスＬと容量Ｃの直列リアクタンス特性を示す。
図７に示すωＬ−１/（ωＣ）が、インダクタンスと容量の直列リアクタンス特性であり、風車回転数Ｎの上昇すなわち永久磁石型発電機１の電気角周波数ωの上昇とともに、リアクタンスＸは容量性が小さくなり、やがて誘導性が大きくなる特性となる。
【００２８】
したがって、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスと、直列に接続されるコンデンサで構成されるインダクタンスと容量の直列回路のリアクタンスを風車定格回転数Ｎr内で容量性とすることで、永久磁石型発電機１内の各巻線には進相電流が流れて、巻線との鎖交磁束が著しく増加し、永久磁石型発電機１内の発電機誘起電圧を大きく上昇させることができる。したがって、負荷としての発電機トルクを著しく増大させることができる。
【００２９】
そのため本発明の構成は、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、制御回路を用いずに風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電装置の過回転防止回路において、永久磁石型発電機の異なる大きさの誘起電圧を発生する絶縁された複数の巻線の各出力端子に各コンデンサ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直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機のトルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定すること等を特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路である。
【発明の効果】
【００３０】
本発明の風車または水車の概略の最大出力を得る、受動素子のみで構成する分散電源用発電装置の過回転防止回路においては、永久磁石型発電機内の誘起電圧が高い巻線と直列に接続される第１のコンデンサで構成される第１の整流回路は、低い風車回転数から発電を開始し、永久磁石型発電機内の誘起電圧が低い巻線と直列に接続される第２のコンデンサで構成される第２の整流回路は、高い風車回転数から発電を開始して、風車最大出力を得ることができる。
【００３１】
風車回転数が上昇すると第１のコンデンサおよび第２のコンデンサのインピーダンスがさらに小さくなり、大きな電流が流れて大きな出力が得られ、風車定格回転数Ｎrよりも少し低い風車回転数付近までは概略の風車最大出力を得ることができる
さらに風車が定格回転数Ｎr以上に回転しようとすると、負荷としての永久磁石型発電機のトルクが風車の最大軸トルク以上となるごとく、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの値を決定することにより、風車回転数Ｎは受動的に風車定格回転数Ｎr付近に留まることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施例に係る分散電源用発電装置の過回転防止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の実施例に係る分散電源用発電装置の過回転防止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の実施例に係る分散電源用発電装置の過回転防止回路を説明するための主回路単線結線図である。
【図４】本発明の第４の実施例に係る分散電源用発電装置の過回転防止回路を説明するための主回路単線結線図である。
【図５】本発明の第１〜第４の実施例に係る風車回転数対風車トルク特性および分散電源用発電装置の過回転防止回路のトルク特性の概要を示す説明図である。
【図６】本発明の第１〜第４の実施例に係る風車回転数対風車最大出力特性および分散電源用発電装置の過回転防止回路の出力特性の概要を示す説明図である。
【図７】本発明の第１〜第４の実施例に係る電気角周波数に対する、発電機と発電機に接続されるコンデンサの直列リアクタンス特性の概要を示す説明図である。
【図８】本発明の第１〜第４の実施例に係る風車の周速比に対する出力特性およびトルク特性を説明するための説明図である。
【図９】第２の従来例および本発明の第１〜第４の実施例に係る風車回転数対風車最大出力および分散電源用発電装置の過回転防止回路の近似出力特性の概要を示す説明図である。
【図１０】風速をパラメータとした時の、風車回転数対風車出力特性の概要を説明する図である。
【図１１】第１の従来例の分散電源用発電装置の過回転防止回路の主回路単線結線図である。
【図１２】第２の従来例の分散電源用発電装置の出力回路の主回路単線結線図である。
【図１３】第３の従来例の多相交流電源に基づいて２倍電圧を得ることができる整流回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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、制御回路を用いずに風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電装置の過回転防止回路において、永久磁石型発電機の異なる大きさの誘起電圧を発生する絶縁された複数の巻線の各出力端子に接続される各コンデンサを経て直列に各整流器を接続し、この各整流器の直流出力を並列接続して直流電源に出力し、前記風車または水車の定格回転数において前記永久磁石型発電機の負荷トルクが前記風車または水車の最大軸トルク以上となるごとく各コンデンサの値を決定することを特徴とする分散電源用発電装置の過回転防止回路である。
【実施例１】
【００３４】
図１は、本発明の分散電源用発電装置の過回転防止回路を説明するための図である。
同図において、４は第１のコンデンサ、５は第２のコンデンサであり、図１２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。
【００３５】
永久磁石型発電機１の第１の巻線Ｗ１の出力端子Ｔ１には、第１のコンデンサ４が接続されて第１の整流器７を経て直流出力を出力する。第２の巻線Ｗ２の出力端子Ｔ２には、第２のコンデンサ５が接続されて第２の整流器８を経て直流出力を出力する。第１の整流器７と第２の整流器８の合計出力が正側出力端子１３および負側出力端子１４を経てバッテリ２２に出力される。
【００３６】
永久磁石型発電機１、第１のコンデンサ４、第１の整流器７、バッテリ２２で構成される第１の直列回路には、永久磁石型発電機１の第１の巻線Ｗ１による誘起電圧、図７の如きリアクタンス特性およびバッテリ２２の直流電圧値により決まる電流が流れる。
【００３７】
また、永久磁石型発電機１、第２のコンデンサ５、第２の整流器８、バッテリ２２で構成される第２の直列回路には、永久磁石型発電機１の第２の巻線Ｗ２による誘起電圧、図７の如きリアクタンス特性およびバッテリ２２の直流電圧値により決まる電流が流れる。
【００３８】
ここで、風車回転数Ｎが上昇して、図７に示す電気角周波数ωが、インダクタンスＬと容量Ｃの直列共振電気角周波数ω０と一致すると、共振状態となり過大な電流が流れて装置が破壊される。
したがって、本発明の第１の実施例は、風車２１により駆動される永久磁石型発電機１の定格電気角周波数ωｒが、図７に示す直列共振電気角周波数ω０よりも低い値となるように設定することが必要である。
【００３９】
そして、永久磁石型発電機１の第１の巻線Ｗ１に接続される第１の直列回路、または第２の巻線Ｗ２に接続される第２の直列回路の各々のリアクタンスを風車定格回転数Ｎrの範囲内で容量性とすることで、永久磁石型発電機１内の各巻線には進相電流が流れる。
【００４０】
風車回転数が上昇するにつれて、容量性リアクタンスが減少するために、大きな進相電流が流れて、巻線との鎖交磁束が増加し、永久磁石型発電機１内の各巻線の誘起電圧を大きく上昇させることができる。この容量性リアクタンスの減少および誘起電圧上昇の相乗効果により、大きな電流が流れるが、前記第１および第２の直列回路には直列に抵抗分に相当するバッテリ２２が接続されているために発振に至ることはない。また、見方を変えてみると、発振に至るようになる前に発電機の負荷トルクが急激に増えるので、風車最大トルクを超えてしまい、発振に至ることはない。
【００４１】
このようにして、直列に接続するコンデンサの値を適切に選ぶことにより、進相電流による増磁作用により、図５に示すブレーキ付加トルク曲線Ｔsを実現できる。
【００４２】
このブレーキ付加トルク曲線Ｔsを風車最大出力の観点から、図６の風車回転数対風車最大出力特性および分散電源用発電装置の過回転防止回路の出力特性を説明する。図６のブレーキ付加出力曲線Ｐsは、図５のブレーキ付加トルク曲線Ｔsを発電機の負荷トルクとして印加した時の特性である。風車回転数ＮがＮuのときに、ブレーキ付加トルク曲線Ｔsと最大出力時トルク曲線Ｔtが運転点Ｕで交わり、風車出力Ｐuが得られる。さらに、風車回転数Ｎが上昇して風車定格回転数Ｎrになると、運転点はＲとなり風車出力Ｐrが得られる。ここで、本発明の分散電源用発電装置の過回転防止回路を適用した場合の風車出力は、過回転を防止しているために、図６に示すブレーキ付加出力曲線Ｔsに示す運転点Ｒ止まりの出力特性となる。
【００４３】
図６において、この風車回転数ＮuからＮrの間、すなわち風車出力ＰuからＰrの間は、風車が図５における最大出力点Ｓxより左側で運転しているために、各風速に対する風車最大出力は得られていないが、その差は極めて少量である。
【００４４】
したがって、本発明の分散電源用発電装置の過回転防止回路においては、２種類の巻線を有する永久磁石型発電機を用いて、風車または水車の概略の最大出力を得るとともに、風車を風車定格回転数Ｎrよりも上昇させない回路を受動素子のみで構成することができる。
【実施例２】
【００４５】
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、異なる誘起電圧を発生する複数の巻線を有する永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔ１およびＴ２に、第１のトランス１１および第２のトランス１２を接続したことである。
同図において、図１と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図２について説明する。
【００４６】
第１のトランス１１および第２のトランス１２は、バッテリ２２の値が初期の設計時よりも変化したときに設ける。すなわち、例えばバッテリ２２の直流電圧値が倍になると、トランスの昇圧比をそれぞれ２倍にすることにより、本願発明の実施例１と同じ作用を起こさせることができる。
【００４７】
すなわち、永久磁石型発電機１の第１の巻線Ｗ１、第１のコンデンサ４、第１のトランス１１、およびバッテリ２２の直列回路で構成される第１の直列回路、および第２の巻線Ｗ２、第２のコンデンサ５、第２のトランス１２、およびバッテリ２２の直列回路で構成される第２の直列回路の各々のリアクタンスを風車定格回転数Ｎrの範囲内で容量性とすることで、永久磁石型発電機１内の各巻線には進相電流が流れる。
【００４８】
そして、風車回転数Ｎが上昇するにつれて、容量性リアクタンスが減少するために、大きな進相電流が流れて、巻線との鎖交磁束が増加し、永久磁石型発電機１内の各巻線の誘起電圧を大きく上昇させることができる。この容量性リアクタンスの減少および誘起電圧上昇の相乗効果により、大きな電流が流れるが、前記第１および第２の直列回路には直列に抵抗分に相当するバッテリ２２が接続されているために発振に至ることはない。
【００４９】
このようにして、第１のコンデンサ４および第２のコンデンサ５の値を適切に選ぶことにより、進相電流による増磁作用により、図５に示すブレーキ付加トルク曲線Ｔsを実現できる。
【００５０】
したがって、本発明の分散電源用発電装置の過回転防止回路においては、２種類の巻線を有する永久磁石型発電機を用いて、設計時の負荷の直流電源電圧とは異なる直流電源電圧に対して、風車または水車の概略の最大出力を得るとともに、風車を風車定格回転数Ｎrよりも上昇させない回路を受動素子のみで構成することができる。
【００５１】
ここでは、第１および第２のコンデンサ４および５は、第１および第２の整流器７および８側と接続したが、第１および第２のコンデンサ４および５の容量を適切に選べば、永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔ１およびＴ２側と接続することも可能である。
【実施例３】
【００５２】
図３に本発明の第３の実施例を示す。
図３は、永久磁石型発電機１の巻線は１種類とし、昇圧トランスを用いて永久磁石型発電機１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とともに、風車定格回転数Ｎr以上に風車２１を回転させないようにすることができる実施例である。
同図において、１１は第１のトランス、４は第１のコンデンサ、５は第２のコンデンサであり、図１と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図３について説明する。
【００５３】
永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔに第１のコンデンサ４が接続され、この第１のコンデンサ４に直列に接続される第１の整流器７よりバッテリ２２に出力される。
第１のコンデンサ４に並列に昇圧を目的とした第１のトランス１１が接続され、この第１のトランス１１に直列に接続される第２のコンデンサ５を経て第２の整流器８よりバッテリ２２に出力される。
【００５４】
図３の永久磁石型発電機１の誘起電圧は第１のトランス１１により昇圧され、図９の風車回転数Ｎ２になると、第１のトランス１１のピーク電圧がバッテリ２２の直流電圧を超えるように設計されている。したがって、風車回転数Ｎ２以上になると第２のコンデンサ５を経て、整流された出力Ｐ２がバッテリ２２に流れる。
【００５５】
したがって、この第１のトランス１１、第２のコンデンサ５、および第２の整流器８によって、図１に示す本発明の実施例１における永久磁石型発電機１内のＷ２巻線、第２のコンデンサ５および第２の整流器８で構成される回路と同一作用を行わせることができる。
【００５６】
さらに、図９の風車回転数Ｎ１になると、前記永久磁石型発電機１の誘起電圧のピークがバッテリ２２の直流電圧を超えるように設計されている。したがって、風車回転数Ｎ１以上になると第１のコンデンサ４を経て、整流された出力Ｐ１がバッテリ２２に流れる。
【００５７】
永久磁石型発電機１内の巻線と第１のコンデンサ４で構成されるインダクタンスと容量の第１の直列回路、および永久磁石型発電機１内の巻線、第１のトランス１１および第３のコンデンサ６で構成されるインダクタンスと容量の第２の直列回路の各々のリアクタンスを、風車定格回転数Ｎrの範囲内で容量性とすることで、永久磁石型発電機１内の各巻線には進相電流が流れる。ここで、第１のトランス１１のインダクタンス成分とは、第１のトランス１１の１次と２次間の漏れインダクタンス成分である。
【００５８】
そして、風車回転数が上昇するにつれて、容量性リアクタンスが減少するために、大きな進相電流が流れて、巻線との鎖交磁束が増加し、永久磁石型発電機１内の各巻線の誘起電圧を大きく上昇させることができる。この容量性リアクタンスの減少および誘起電圧上昇の相乗効果により、大きな電流が流れるが、前記第１および第２の直列回路には直列に抵抗分に相当するバッテリ２２が接続されているために発振に至ることはない。
【００５９】
このようにして、第１のコンデンサ４および第２のコンデンサ５の値を適切に選ぶことにより、進相電流による増磁作用により、図５に示すブレーキ付加トルク曲線Ｔsを実現できる。
【００６０】
したがって、本発明の分散電源用発電装置の過回転防止回路においては、１種類の巻線で構成される永久磁石型発電機とトランスを用いて、風車または水車の概略の最大出力を得るとともに、風車を風車定格回転数Ｎrよりも上昇させない回路を受動素子のみで構成することができる。
【００６１】
ここでは、第２のコンデンサ５は第１のトランス１１の昇圧側端子Ｔr２と接続したが、第２のコンデンサ５の容量を適切に選べば、第１のトランス１１の降圧側端子Ｔr１と接続することも可能である。
【実施例４】
【００６２】
図４に本発明の分散電源用発電装置の過回転防止回路の第４の実施例を示す。
同図において、５は第２のコンデンサ、１５は２倍圧整流回路であり、図１と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図４について説明する。
【００６３】
１種類の巻線で構成される永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔは、第１のコンデンサ４を経て第１の整流器７に接続される。
【００６４】
図１３に示すように直流コンデンサ１６、第３の整流器１７および第４の整流器１８により２倍圧整流回路１５を構成する。２倍圧整流回路１５の正側直流出力端子１９は分散電源用発電装置の過回転防止回路の正側出力端子１３と、負側直流出力端子２０は分散電源用発電装置の過回転防止回路の負側出力端子１４と接続される。
【００６５】
また、前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔには前記第１のコンデンサ４に並列に第２のコンデンサ５が接続され、この第２のコンデンサ５の反交流出力端子Ｔ側には２倍圧整流回路１５が接続される。第１の整流器７および２倍圧整流回路１５の合計出力が正側出力端子１３、負側出力端子１４を経てバッテリ２２に出力される。
【００６６】
前記永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔに接続される第２のコンデンサ５および２倍圧整流回路１５で構成される回路の直流電圧がバッテリ２２の直流電圧より高くなると、図９における風車回転数Ｎ２付近から出力Ｐ２がごとき出力を開始する。
【００６７】
したがって、この第２のコンデンサ５と２倍圧整流回路１５によって、図１に示す本発明の実施例１における永久磁石型発電機１内のＷ２巻線、第２のコンデンサ５および第２の整流器８で構成される回路と同一作用を行わせることができる。
すなわち、本発明の実施例１においては永久磁石型発電機１内において、Ｗ２巻線はＷ１巻線よりも電圧が高くなるように相互に絶縁して構成されていた。その高い電圧を発生させる作用を２倍圧整流回路１５で行うものである。
【００６８】
上記のように、２倍圧整流回路１５に小さなインピーダンスが直列接続されて大きな電流が流れる場合には、２倍圧整流回路１５の直流コンデンサ１６の直流電圧は、平均がバッテリ２２の直流電圧値の半分になる脈動する電圧になる。
【００６９】
永久磁石型発電機１内の巻線と第１のコンデンサ４で構成されるインダクタンスと容量の第１の直列回路、および永久磁石型発電機１内の巻線および第２のコンデンサ５で構成されるインダクタンスと容量の第２の直列回路の各々のリアクタンスを、風車定格回転数Ｎrの範囲内で容量性とすることで、永久磁石型発電機１内の各巻線には各々進相電流が流れる。
【００７０】
そして、風車回転数が上昇するにつれて、容量性リアクタンスが減少するために、大きな進相電流が流れて、巻線との鎖交磁束が増加し、永久磁石型発電機１内の各巻線の誘起電圧を大きく上昇させることができる。この容量性リアクタンスの減少および誘起電圧上昇の相乗効果により、大きな電流が流れるが、前記第１および第２の直列回路には直列に抵抗分に相当するバッテリ２２が接続されているために発振に至ることはない。
【００７１】
このようにして、第１のコンデンサ４および第２のコンデンサ５の値を適切に選ぶことにより、進相電流による増磁作用により、図５に示すブレーキ付加トルク曲線Ｔsを実現できる。
【００７２】
したがって、本発明の分散電源用発電装置の過回転防止回路においては、１種類の巻線で構成される永久磁石型発電機と昇圧回路を用いて、風車または水車の概略の最大出力を得るとともに、風車を風車定格回転数Ｎrよりも上昇させない回路を受動素子のみで構成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明の風車または水車の概略の最大出力を得る分散電源用発電装置の過回転防止回路によれば、低い風車回転数から発電を開始し、風車回転数が上昇すると、風車定格回転数Ｎrよりも少し低い風車回転数付近までは概略の風車最大出力を得ることができる
さらに風車回転数が定格回転数Ｎrよりも上昇すると、負荷としての永久磁石型発電機のトルクが風車の最大軸トルク以上となるために、風車回転数Ｎは風車定格回転数Ｎr付近に留まることができる。
このように、風車または水車の最大出力取得と過回転防止動作を、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】
【００７４】
１              永久磁石型発電機
２              第１のリアクトル
３              第２のリアクトル
４              第１のコンデンサ
５              第２のコンデンサ
７              第１の整流器
８              第２の整流器
９              風力発電装置
１０            分散電源用発電装置の過回転防止回路
１１            第１のトランス
１２            第２のトランス
１３            正側出力端子
１４            負側出力端子
１５            ２倍圧整流回路
１６            直流コンデンサ
１７            第３の整流器
１８            第４の整流器
１９            正側直流出力端子
２０            負側直流出力端子
２１            風車
２２            バッテリ
３１            渦電流ブレーキ
３２            円盤状ロータ
３３            磁性体
３４            励磁コイル
３５            ブレーキ制御手段
３６            整流器
３７            逆流防止ダイオード
３８            負荷
【図１】
0005761712.tif 000002
【図２】
0005761712.tif 000003
【図３】
0005761712.tif 000004
【図４】
0005761712.tif 000005
【図５】
0005761712.tif 000006
【図６】
0005761712.tif 000007
【図７】
0005761712.tif 000008
【図８】
0005761712.tif 000009
【図９】
0005761712.tif 000010
【図１０】
0005761712.tif 000011
【図１１】
0005761712.tif 000012
【図１２】
0005761712.tif 000013
【図１３】
0005761712.tif 000014