(57)【要約】【課題】ＰＷＭコンバータを使用しないで、風車又は水車より最大出力をダイオード整流により取り出す分散電源用発電装置において、高速回転を防止するためには、高価な機械的ブレーキが必要であるという問題があった。【解決手段】異なる誘起電圧を発生する巻線を有する永久磁石型発電機の出力端子電圧より回転数信号を演算し、その回転数信号により他の異なる誘起電圧を発生する巻線の出力端子を短絡して、分散電源用発電装置内の永久磁石型発電機の高速回転を防止する簡便な電気的方法を提供するものである。【選択図】　　　図１
2004135422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
風車又は水車により駆動されて、異なる誘起電圧を発生する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の交流出力を、前記複数の巻線の出力端子に個別のリアクトルを経て直列に接続される個別のダイオード整流器により整流し、該個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する巻線の交流端子に短絡抵抗と短絡スイッチの直列接続を並列接続し、前記永久磁石型発電機の前記短絡抵抗と短絡スイッチの直列接続を設けた以外の前記異なる誘起電圧を発生する巻線の交流端子に風車又は水車の回転数を検出する回転数検出回路を接続し、該回転数検出回路出力により前記短絡スイッチを開閉することを特徴とする分散電源用発電装置の高速回転防止回路。
【請求項２】
請求項１記載の分散電源用発電装置において、前記短絡抵抗と短絡スイッチの直列接続を前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧値を有する複数の巻線の中で大きな誘起電圧値を有する巻線の出力端子に接続することを特徴とする分散電源用発電装置の高速回転防止回路。
【請求項３】
請求項１記載の分散電源用発電装置において、前記短絡抵抗と短絡スイッチの直列接続に直列にコンデンサを接続することを特徴とする分散電源用発電装置の高速回転防止回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機から概略の最大出力を取り出すための分散電源用発電装置の高速回転防止装置に関するものであり、特に、ＰＷＭコンバータを用いずに定電圧充電を行う分散電源用発電装置の高速回転防止回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の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の分散電源用発電装置は、永久磁石型発電機内の複数の巻線の出力端子に個別のリアクトルを経て直列に接続される個別のダイオード整流器により整流し、この個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力している。
【０００３】
以下に、従来の、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機より、最大出力を取り出す分散電源用発電装置について本発明者は
【特願２００２−２２１７１４号】の「小型風力発電装置」にて出願している（出願特許文献１）。この文献１で開示した内容を図６の風車に接続された分散電源用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６において、１は風車、２は従来の分散電源用発電装置、３は永久磁石型発電機、４〜６は第１〜第３のリアクトル、７〜９は第１〜第３のダイオード整流器、１０は正側出力端子、１１は負側出力端子、１２はバッテリー、１３〜１５は第１〜第３の巻線の出力端子である。
【０００４】
この永久磁石型発電機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の巻線の出力端子１３は、第１のリアクトル４に接続され、さらに第１のダイオード整流器７に接続される。
次に巻数が多い第２の巻線の出力端子１４は、第２のリアクトル５に接続され、さらに第２のダイオード整流器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の巻線の出力端子１５は、第３のリアクトル６に接続され、さらに第３のダイオード整流器９に接続される。
上記第１〜第３のダイオード整流器７〜９の各々の直流側は、正側出力端子１０及び負側出力端子１１に接続され、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分散電源用発電装置２より、概略の風車最大出力を得る方法を以下に示す。
図５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４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５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５の風車回転数対風車出力特性において、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５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事を表している。
【０００７】
図４は、本発明が対象とする分散電源用発電装置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、分散電源用発電装置２の永久磁石型発電機内３の第１〜第３の巻線の各出力は、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出力端子に接続される個別リアクトルによる電圧降下のために、図４の風車回転数対出力特性に示すＷ１〜Ｗ３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の巻線の発生電圧ＶＷ３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の巻線の出力Ｗ３はＰＷ３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、バッテッリー電圧は、ほぼ一定であるが、巻線のインダクタンスによるインピーダンスが周波数に比例するために、出力Ｗ３はＰＷ３よりも漸増するに留まる。
第２の巻線については、さらに回転数Ｎが上昇することにより出力が取れるが、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３の巻線については、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分散電源用発電装置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Ｗ１〜Ｗ３を加算して得られる合計出力と同一である。
図３は、本発明が対象とする分散電源用発電装置の風車回転数対風車出力特性図である。
図３の実線で示す最大出力曲線は、図５で示した最大出力曲線と同一の曲線であり、風車回転数Ｎに対する出力Ｐが、この曲線上にあれば、風車より最大出力を取り出せる。
従って、分散電源用発電装置２では、図３の点線で示すが如き近似出力曲線上の出力で近似的に取り出す。すなわち、前記の第１〜第３の巻線の出力Ｗ１〜Ｗ３を加算して得られる出力により、近似出力曲線上の合計出力を実現している。
このような図６に示す分散電源用発電装置２においては高速回転を防止する装置が無いので、風又は水の速度が大きくなると、風車又は水車により駆動される従来の永久磁石型発電機３が定格速度を超えて高速回転に至る恐れがあり、分散電源用発電装置２の電気的な破壊や風車又は水車の機械的な破壊を防止するためのブレーキ装置を設ける必要があった。（例えば、非特許文献１参照）
【００１０】
【非特許文献１】
「風力発電導入ガイドブック」ＮＥＤＯ新エネルギー・産業技術総合開
発機構、１９９６年１２月初版、ｐ３０−３２
【出願特許文献１】
特願２００２−２２１７１４号（第１図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように分散電源用発電装置２においては、高速回転防止装置が無いので、高速回転を防止するために、風の速度又は水の速度を検出するか、永久磁石型発電機３の回転数を検出して動作させる高価な機械的ブレーキ装置が必要であった。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、主として、その目的とするところは、機械的ブレーキ装置を必要とせずに、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機３に、簡便に電気的ブレーキをかける分散電源用発電装置の高速回転防止回路を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
従って、本発明では、機械的ブレーキ装置を用いないで、永久磁石型発電機が複数の誘起電圧を出力することと、個別リアクトルを有することを利用して、分散電源用発電装置の高速回転防止回路を構成するものである。
風車の回転数が高くなったとき、永久磁石型発電機３の高い誘起電圧を発生する巻線の出力端子を抵抗で短絡すれば大きな大きな短絡電流が流れて確実に風車を失速させることができる。そして、その短絡動作を行わせる信号の作成するための回転数検出は永久磁石型発電機３の短絡を行わない他の巻線の出力端子と個別リアクトルの間の電圧から回転数を検出することにより、電圧降下の影響を少なくして、確実に回転数検知を行うことができる。
【００１３】
本発明は上記原理に基づき、前述の課題を解決するものであり、その目的を達成するための手段は、
１）、請求項１において、
風車又は水車により駆動されて、異なる誘起電圧を発生する複数の巻線により構成される永久磁石型発電機の交流出力を、前記複数の巻線の出力端子に個別のリアクトルを経て直列に接続される個別のダイオード整流器により整流し、該個別のダイオード整流器の直流出力を加算して外部に出力する分散電源用発電装置において、前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する巻線の交流端子に短絡抵抗と短絡スイッチの直列接続を並列接続し、前記永久磁石型発電機の前記短絡抵抗と短絡スイッチの直列接続を設けた以外の前記異なる誘起電圧を発生する巻線の交流端子に風車又は水車の回転数を検出する回転数検出回路を接続し、該回転数検出回路出力により前記短絡スイッチを開閉することを特徴とするものである。
【００１４】
２）、請求項２において
請求項１記載の分散電源用発電装置において、前記短絡抵抗と短絡スイッチの直列接続を前記永久磁石型発電機の異なる誘起電圧値を有する複数の巻線の中で大きな誘起電圧値を有する巻線の出力端子に接続することを特徴とするものである。
【００１５】
３）、請求項３において
請求項１記載の分散電源用発電装置において、前記短絡抵抗と短絡スイッチの直列接続に直列にコンデンサを接続することを特徴とするものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の、風車又は水車により駆動される永久磁石型発電機の交流出力をダイオード整流して直流出力する分散電源用発電装置の高速回転防止回路の主回路単線結線図である。
同図において、３は永久磁石型発電機、２１は第１の巻線、２２は第２の巻線、２３は第３の巻線、３１は高速回転防止回路、３２は短絡スイッチ、３３は短絡抵抗、３４は回転数検出回路であり、図１と同一番号は同一構成部品を表す。
以下、図１について説明する。
【００１７】
高速回転防止回路３１は、短絡スイッチ３２、短絡抵抗３３、及び回転数検出回路３４により構成される。
回転数検出回路３４は第１の巻線２１の出力端子１３における電圧Ｖｘを検出して、風車又は水車の回転数信号を演算し、短絡スイッチ３２の開閉信号Ｇを出力する。回転数検出回路３４により演算された風車又は水車の回転数信号が基準値を超えると、開閉信号ＧがＯＮとなり短絡スイッチ３２が閉じ、基準値より下がると開閉信号ＧがＯＦＦして短絡スイッチ３２が開く。
【００１８】
永久磁石型発電機２が誘起する電圧は、回転数検出回路３４は、検出した電圧Ｖｘを平滑して、その平滑値を風車又は水車の回転数信号となし、その回転数信号がある所定の基準値を超えると、風車又は水車が高速回転状態にあるとみなして、短絡スイッチ３２を閉じる。短絡スイッチ３２が閉じられると、第３の巻線３３の出力端子１５が短絡抵抗３３を通して短絡されて、第３の巻線２３には大きな電流が流れる。それによって永久磁石型発電機３には、大きな発電トルクが発生して、風車又は水車が失速して減速される。風車又は水車が減速されて低速状態になると、検出される電圧Ｖｘを平滑した回転数信号が減少して、ある所定の基準値より下がるので、短絡スイッチ３２を開いて通常の発電状態にもどる。
【００１９】
図２は、本発明の第２の実施例であり、３５はコンデンサであり、図１と同一番号は同一構成部品を表す。
図２において、コンデンサ３５は短絡スイッチ３２と短絡抵抗３３の直列接続に直列に接続され、コンデンサ３５の値は、短絡スイッチを閉じる時に、永久磁石型発電機の異なる誘起電圧を発生する巻線の誘導性インピーダンスを打ち消すように選ばれる。
このために、高速回転防止を動作させる時に、大きな電流を流すことができるので、大きなブレーキトルクを発生させることができる。
【００２０】
上記回転数検出回路３４において、電圧Ｖｘの平滑値はコンデンサに充電する方法をとれば、低速回転時には、ほとんど待機電力を必要とすることなく、高速時には短絡スイッチの動作をさせることができる。
又、上記の短絡抵抗３３は、短絡した時に巻線の内部抵抗のみで巻線が十分に熱的に耐えられれば、無くても良い。
【００２１】
短絡抵抗３３と短絡スイッチ３２の直列接続が第３の巻線２３の出力端子１５に接続されるのは、第３の巻線２３が一番大きな誘起電圧ＶＷ３を発生するためであり、短絡抵抗３３と短絡スイッチ３２の直列接続が第３の巻線２３の出力端子１５と第３のリアクトル６の間に接続されるのは、第３のリアクトル６を除いた第３の巻線２３の内部インピーダンスと短絡抵抗３３で短絡することにより大きな電流、ひいては大きな発電トルクを発生させて風車又は水車を急速に減速させることができるからである。
【００２２】
本発明で回転数検出回路３４が第１の巻線２１の出力端子１３の電圧を検出して回転数信号を演算する理由は、第１のリアクトル４によるインピーダンス降下の影響を無くして、第１の巻線２１の内部インピーダンスの影響だけにし、できるだけ回転数に比例する正確な誘起電圧を検出したいためである。
しかしながら、電圧零クロスをカウントする電圧／周波数変換回路等の電圧値に影響されないで周波数を検出する回路を使用する時は、短絡スイッチ３２を設ける巻線以外であれば、どの巻線の交流出力から回転数信号を検出しても良い。
【００２３】
【発明の効果】
以上、ＰＷＭコンバータを使用しないで、風車又は水車より最大出力を取り出す分散電源用発電装置において、異なる誘起電圧を発生する巻線を有する永久磁石型発電機の出力端子電圧より回転数信号を演算し、その回転数信号により他の異なる誘起電圧を発生する巻線の出力端子を短絡して、分散電源用発電装置内の永久磁石型発電機の高速回転を防止する回路について説明した。
この回路により構成した分散電源用発電装置の高速回転防止回路によれば、高価な機械的ブレーキ装置を必要とせずに、待機電力を必要とせず、安価なスイッチにより構成でき、簡便に電気的ブレーキをかけることができるので、実用上おおいに有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の、風車又は水車により駆動される分散電源用発電装置の高速回転防止回路の主回路単線結線図である。
【図２】本発明の、別の風車又は水車により駆動される分散電源用発電装置の高速回転防止回路の主回路単線結線図である。
【図３】従来の分散電源用発電装置の風車回転数対風車出力特性図である。
【図４】従来の分散電源用発電装置の動作原理を説明するための図である。
【図５】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６】従来の分散電源用発電装置の主回路単線結線図である。。
【符号の説明】
１　　　　　　　風車
２　　　　　　　分散電源用発電装置
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
１３〜１５　　　第１〜第３の出力端子
２１〜２３　　　第１〜第３の巻線
３１　　　　　　高速回転防止回路
３２　　　　　　短絡スイッチ
３３　　　　　　短絡抵抗
３４　　　　　　回転数検出回路
３５　　　　　　コンデンサ
【図１】
2004135422.tif 000003
【図２】
2004135422.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004135422.tif 000006
【図５】
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【図６】
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