(57)【要約】【課題】サイズを小さくし、広い運転範囲で効率を改善し、しかも寿命を長くする。【解決手段】３相発電機１と、３相発電機１からの３相出力を入力として単相出力を出力するマトリクスコンバータ２と、単相出力ＬＣフィルタ３と、３相発電機１からの３相出力電圧、およびマトリクスコンバータ２からの出力電圧を入力としてマトリクスコンバータ２のスイッチング素子を制御するためのコントローラ４とを有している。【選択図】  図３
2004215405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生成される機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機（１）と、発電機（１）からの出力を入力とする、複数の電力モジュールからなるマトリクスコンバータ（２）（２００）と、マトリクスコンバータ（２）（２００）の各電力モジュールを制御する制御手段（４）（４００）と、マトリクスコンバータ（２）（２００）の出力端子に接続された出力ＬＣフィルタ（３）（３００）とを含むことを特徴とする発電装置。
【請求項２】
前記マトリクスコンバータ（２）は、３相入力、単相出力のものである請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記マトリクスコンバータ（２００）は、３相入力、３相出力のものである請求項１に記載の発電装置。
【請求項４】
前記制御手段（４）（４００）は、前記マトリクスコンバータ（２）（２００）をパルス幅制御するものである請求項１から請求項３の何れかに記載の発電装置。
【請求項５】
前記発電機（１）は、回転子鉄心（１１）の内部に永久磁石（１２）を埋め込んでなる回転子（１０）を有するものである請求項１から請求項４の何れかに記載の発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マトリックス・コンバータ技術を用いる発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、動力発電機の寸法を適切なサイズに減らす方法として、特許文献１および特許文献２が提案されている。
【０００３】
特許文献１はＤＣリンクインバータ技術を用い、特許文献２はサイクロコンバータ技術を用いている。
【０００４】
ＤＣリンクインバータ技術を用いる発電装置は、例えば、図１に示すように、３相発電機からの３相出力を３相コンバータに供給して単相直流化し、コンデンサにより平滑化し、この単相直流を単相インバータにより単相交流化し、出力ＬＣフィルタを通して出力するようにしている。なお、コンデンサの端子間電圧（ＤＣリンク電圧）および単相インバータの出力電圧を入力として単相インバータのスイッチング素子を制御するコントローラを設けている。
【０００５】
サイクロコンバータ技術を用いる発電装置は、例えば、図２に示すように、３相発電機からの３相出力を、互いに並列接続した３相ポジティブコンバータおよび３相ネガティブコンバータに供給し、両３相コンバータの出力を出力ＬＣフィルタを通して出力するようにしている。なお、３相発電機からの３相出力および出力ＬＣフィルタのコンデンサの端子間電圧を入力として両３相コンバータのスイッチング素子を制御するコントローラを設けている。
【０００６】
両者は、共に、同じ出力パワーを発生するためにその回転速度を増加させて交流発電機のサイズを縮小する。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−３５５６７２号公報
【０００８】
【特許文献２】
特開平１１−１３６９９８号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１において、システムのコストを低減するために、直流大型コンデンサと並列なダイオードブリッジが、発電機３相交流電流を直流電流に変換するために使用される。それから、それは単相定電圧および周波数にインバーとされる。発電機の負荷としてのダイオードブリッジの使用は、以下のようにその特徴に影響を及ぼした。
１）効率は、負荷としてのダイオードブリッジに起因する低力率により影響を受ける。
２）発電機定格電流は、基本波および負荷（ダイオードブリッジ）の非線形性に起因する低次高調波電流の結果であるピーク電流に対応するために大きくなければならない。
３）直流大型コンデンサの使用は、システム全体のサイズおよびコストを増加させる。それよりも、機械の寿命およびリサイクルファクターを減少させる。
【００１０】
サイクロコンバータ技術では、機械の寿命およびリサイクルファクターをかなり増加させるけれども、大型出力ＬＣフィルタは低いスイッチング周波数に起因する低次高調波を減少させるために必要であり、大型発電機はＡＣ発生器の効率が高いと知られている基本波およびサイリスターの低いスイッチング周波数に起因する低次高調波の結果であるピーク電流に対応するために必要である。
【００１１】
交流発電機の効率は、公称出力において高いことが知られている。したがって、高効率が風速の範囲において必要である風生成システムにおいて部分負荷では効率は低い。
【００１２】
特許文献２では、以下の不都合を有している。
１）スイッチング周波数が低いため、低次高調波を低減するのに大きなＬＣフィルターが必要である。
２）サイリスタのスイッチング周波数が低いことによる基本波および低次高調波ピーク電流に対応するために発電機容量が大きくなる。
３）出力波形が歪む。
４）力率低下が避けられない。
【００１３】
【発明の目的】
この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、サイズを小さくでき、広い運転範囲で効率を改善でき、しかも寿命を長くできる発電装置を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発電装置は、生成される機械エネルギーを電気エネルギーに変換するための発電機と、発電機からの出力を入力とする、複数の電力モジュールからなるマトリクスコンバータと、マトリクスコンバータの各電力モジュールを制御する制御手段と、マトリクスコンバータの出力端子に接続された出力ＬＣフィルタとを含むものである。
【００１５】
請求項２の発電装置は、前記マトリクスコンバータとして、３相入力、単相出力のものを採用するものである。
【００１６】
請求項３の発電装置は、前記マトリクスコンバータとして、３相入力、３相出力のものを採用するものである。
【００１７】
請求項４の発電装置は、前記制御手段として、前記マトリクスコンバータをパルス幅制御するものを採用するものである。
【００１８】
請求項５の発電装置は、前記発電機として、回転子鉄心の内部に永久磁石を埋め込んでなる回転子を有するものを採用するものである。
【００１９】
【作用】
請求項１の発電装置であれば、生成される機械エネルギーを発電機により電気エネルギーに変換し、発電機からの出力を入力として、複数の電力モジュールからなるとともに制御手段により制御されるマトリクスコンバータにより所望の出力に変換し、出力ＬＣフィルタによりスイッチング素子のスイッチングに起因する高次高調波電流を大幅に低減することができる。
【００２０】
したがって、発電装置全体としてのサイズの低減、寿命の改善、および広い運転範囲での効率改善を達成することができる。
【００２１】
請求項２の発電装置であれば、前記マトリクスコンバータとして、３相入力、単相出力のものを採用するのであるから、所望の単相出力を得るに当たって、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００２２】
請求項３の発電装置であれば、前記マトリクスコンバータとして、３相入力、３相出力のものを採用するのであるから、所望の３相出力を得るに当たって、請求項１と同様の作用を達成することができる。
【００２３】
請求項４の発電装置であれば、前記制御手段として、前記マトリクスコンバータをパルス幅制御するものを採用するのであるから、請求項１から請求項３の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００２４】
請求項５の発電装置であれば、前記発電機として、回転子鉄心の内部に永久磁石を埋め込んでなる回転子を有するものを採用するのであるから、一層の効率向上を達成できるほか、請求項１から請求項４の何れかと同様の作用を達成することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、この発明の発電装置の実施の形態を詳細に説明する。
【００２６】
図３はこの発明の発電装置の一実施形態を概略的に示す電気回路図である。
【００２７】
この発電装置は、３相発電機（例えば、図５に示すように、永久磁石１２が回転子鉄心１１の内部に埋め込まれてなる回転子１０を採用し、この回転子が機械的エネルギーにより駆動される発電機）１と、３相発電機１からの３相出力を入力として単相出力を出力するマトリクスコンバータ２と、単相出力ＬＣフィルタ３と、３相発電機１からの３相出力電圧、およびマトリクスコンバータ２からの出力電圧を入力としてマトリクスコンバータ２のスイッチング素子を制御するためのコントローラ４とを有している。
【００２８】
前記３相発電機１は、風、ガス、ジーゼル燃料、ガソリンなどによる機械的エネルギーを電気エネルギーに変換して出力するものである。そして、３相発電機１からの３相出力のうち、振幅は不変で対称形であると仮定できるが、周波数は、駆動源（風、熱など）の変化によって３相発電機１の速度が変化すれば変化する。
【００２９】
前記マトリクスコンバータ２は、３相発電機１からの３相出力のそれぞれに対して互いに逆極性で直列接続された１対づつのスイッチング素子を有し、各スイッチング素子と並列に逆極性のダイオードを接続している。そして、３つの出力を互いに接続して単相出力としている。
【００３０】
図４はこの発明の発電装置の他の実施形態を概略的に示す電気回路図である。
【００３１】
この発電装置が図３の発電装置と異なる点は、３相発電機１からの３相出力を入力として単相出力を出力するマトリクスコンバータ２に代えて３相発電機１からの３相出力を入力として３相出力を出力するマトリクスコンバータ２００を採用した点、単相出力ＬＣフィルタ３に代えて３相出力ＬＣフィルタ３００を採用した点、およびコントローラ４に代えて３相発電機１からの３相出力のうちの２相間の電圧Ｖａｂ、２相分の電流ｉａ、ｉｂ、およびマトリクスコンバータ２００からの３相出力のうちの２相分の電流ｉｕ、ｉｗを入力としてマトリクスコンバータ２００のスイッチング素子を制御するためのコントローラ４００を採用した点のみである。
【００３２】
前記マトリクスコンバータ２００は、それ自身の３相出力のそれぞれについて、３相発電機１からの３相出力のそれぞれに対して互いに逆極性で直列接続された１対づつのスイッチング素子を有し、各スイッチング素子と並列に逆極性のダイオードを接続している。そして、３つの出力を互いに接続して１相分の出力としている。
【００３３】
さらに説明する。
【００３４】
３相発電機１からの出力ｖｉ（ωｉｔ）は、数１で表すことができる。
【００３５】
【数１】
2004215405.tif 000003
ここで、ωｉは可変入力角周波数であり、Ｖｉは一定入力振幅である。
【００３６】
また、出力ｖｉ（ωｉｔ）は、変換関数Ｈにより直接変換されて、数２で表される定電圧定周波数交流電力［ｖｏ（ωｏｔ）］を生成する。
【００３７】
【数２】
2004215405.tif 000004
ここで、ｖｏ（ωｏｔ）は、
図３で示すように使用される場合には数３で表され、
図４で示すように使用される場合には数４で表される。
【００３８】
【数３】
2004215405.tif 000005
【００３９】
【数４】
2004215405.tif 000006
Ｈの一般解は数５である。
【００４０】
【数５】
2004215405.tif 000007
ここで、ωｓはωｏおよびωｉの関数である。
【００４１】
図６は図４の発電装置において上記の処理を実行するためのコントローラの構成の一部を示すブロック図である。
【００４２】
このコントローラ４００は、２相間の発電機出力電圧Ｖａｂを検出する電圧検出部４０１、４０２（図４参照）と、２相分の発電機出力電流Ｉａ、Ｉｂを検出する電流検出部４０３、４０４（図４参照）と、２相分のインバータ出力電流Ｉａ、Ｉｂを用いて他の１相の発電機出力電流Ｉｃを算出する電流算出部４０５と、３相分の発電機出力電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃおよび位置センサ（図示せず）または位置検出装置（図示せず）により検出された回転子の磁極位置を示す位置信号θを用いて３相／２相変換を行い、ｄ軸電流ｉｄ０およびｑ軸電流ｉｑ０を出力する３相／２相変換部４０６と、ｄ軸電流ｉｄ０、ｑ軸電流ｉｑ０および発電機の回転速度ωを入力としてＶｑ０＝ωＬｄｉｄ＋ωφ、およびＶｄ０＝−ωＬｑｉｑ＋ωφの演算を行ってｄ軸電圧Ｖｄ０およびｑ軸電圧ｖｑ０を算出する電圧算出部４０７と、効率指令η＊、発電機回転速度ω、およびオルタネータートルクＴＭを入力として効率指令β＊を出力する効率指令テーブル４０８と、効率指令β＊およびトルク指令ＴＭ＊を入力とし、かつＴＭ＊＝｛φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄ＊｝ｉｑ＊、およびβ＊＝ｔａｎ−１（−ｉｄ＊／ｉｑ＊）を有して、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊、ｑ軸電流指令ｉｑ０＊を出力するオルタネーターモデル４０９と、ｄ軸電流指令ｉｄ０＊とｄ軸電流ｉｄ０との差を算出するｄ軸差算出部４１０と、ｑ軸電流指令ｉｑ０＊とｑ軸電流ｉｑ０との差を算出するｑ軸差算出部４１１と、ｄ軸差算出部４１０から出力される差信号を入力として比例・積分演算を行うＰＩ演算部４１２と、ｑ軸差算出部４１１から出力される差信号を入力として比例・積分演算を行うＰＩ演算部４１３と、ＰＩ演算部４１２からの出力とｄ軸電圧Ｖｄ０とを加算してｄ軸電圧指令Ｖｄ＊を出力するｄ軸加算部４１４と、ＰＩ演算部４１３からの出力とｑ軸電圧Ｖｑ０とを加算してｑ軸電圧指令Ｖｑ＊を出力するｑ軸加算部４１５と、ｄ軸電圧指令Ｖｄ＊、ｑ軸電圧指令Ｖｑ＊および位置信号θを用いて２相／３相変換を行い、３相分の電圧を出力する２相／３相変換部４１６と、２相間の発電機出力電圧Ｖａｂを入力とするデジタル位相ロックループ４１７と、デジタル位相ロックループ４１７からの出力を入力として三角波信号を発生する三角波信号発生部４１８と、マトリクスコンバータ２００からの３相出力のうちの２相分の電流ｉｕ、ｉｗを検出する電流検出部４４８、４４９（図４参照）と、マトリクスコンバータ２００からの３相出力のうちの２相分の電流ｉｕ、ｉｗなどを入力として３相／２相変換を行い、ｄ軸電流ｉｄｉおよびｑ軸電流ｉｑｉを出力する３相／２相変換部４１９と、ｄ軸電流ｉｄｉをｑ軸電流ｉｑｉで除算してｔａｎδを算出する勾配算出部４２０と、指令値ｔａｎδ＊と算出されたｔａｎδとの差を算出する差算出部４２１と、算出された差を入力としてヒステリシス処理を行うヒステリシス処理部４２２と、２相／３相変換部４１６から出力される３相分の電圧と三角波信号との差分を得てＰＷＭパターンＴａ、Ｔｂ、Ｔｃを出力する差分算出部４２３、４２４、４２５と、デジタル位相ロックループ４１７からの出力およびヒステリシス処理部４２２からの出力を入力としてスイッチング素子選択信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６を出力する選択信号発生部４２６とを有している。
【００４３】
図７はＰＷＭパターンＴａ、Ｔｂ、Ｔｃおよびスイッチング素子選択信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６に基づいて各スイッチング素子制御信号を生成する構成を示すブロック図である。
【００４４】
図７においては、ＰＷＭパターンＴａ、Ｔｂ、Ｔｃのそれぞれをゲート信号とする３つづつのＡＮＤゲート４３０、４３１、４３２、４３６、４３７、４３８、４４２、４４３、４４４と、ＰＷＭパターンＴａ、Ｔｂ、Ｔｃのそれぞれをインバータ４２７、４２８、４２９を通してゲート信号とする３つづつのＡＮＤゲート４３３、４３４、４３５、４３９、４４０、４４１、４４５、４４６、４４７とを有している。
【００４５】
また、ＡＮＤゲート４３０、４３１、４３２、４３３、４３４、４３５がマトリクスコンバータ２００のうちのｕ相出力用のスイッチング素子に対応し、ＡＮＤゲート４３６、４３７、４３８、４３９、４４０、４４１がマトリクスコンバータ２００のうちのｖ相出力用のスイッチング素子に対応し、ＡＮＤゲート４４２、４４３、４４４、４４５、４４６、４４７がマトリクスコンバータ２００のうちのｗ相出力用のスイッチング素子に対応している。
【００４６】
前記３相出力ＬＣフィルタ３００は、マトリクスコンバータ２００の各相出力端子に直列に接続したリアクトルと、各相リアクトルの出力端子間に接続したコンデンサとを有している。そして、リアクトルおよびコンデンサは、マトリクスコンバータ２００のスイッチング素子のスイッチングに起因する高次高調波電流が出力されることを防止できるように設定されている。また、リアクトルおよびコンデンサのサイズは、サイクロコンバータのそれ、インバータ機械のフィルタおよび直流コンデンサの組み合わせよりも十分に小さくできる。
【００４７】
上記の構成の発電装置を採用すれば、出力電力を変化させる必要がない場合には、マトリクスコンバータの入力周波数の制御により発電速度を増加させることができるので、発電機を小型化することができる。
【００４８】
また、インバータタイプにおける大型直流コンデンサを完全に不要にでき、サイクロコンバータタイプにおける出力フィルタのサイズを低減し、何れの場合と比較しても大型でなく最適な発電機を使用することによって、マトリクスコンバータの使用がコンバータ／インバータのサイズを低減する。
【００４９】
さらに、部分負荷においてすら、高効率直流埋め込み永久磁石技術に基づくブラシレス発電機を使用し、電流が流れる半導体装置の低減に起因して電気的変換のロスを削減するマトリクスコンバータ技術を使用し、インバータタイプにおける大型直流コンデンサを完全に不要にして寿命およびリサイクルファクターを増加させて、発電装置の効率を高めることができる。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１の発明は、発電装置全体としてのサイズの低減、寿命の改善、および広い運転範囲での効率改善を達成することができるという特有の効果を奏する。
【００５１】
請求項２の発明は、所望の単相出力を得るに当たって、請求項１と同様の効果を奏する。
【００５２】
請求項３の発明は、所望の３相出力を得るに当たって、請求項１と同様の効果を奏する。
【００５３】
請求項４の発明は、請求項１から請求項３の何れかと同様の効果を奏する。
【００５４】
請求項５の発明は、一層の効率向上を達成できるほか、請求項１から請求項４の何れかと同様の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＤＣリンクインバータ技術を用いる従来の発電装置の構成を示す電気回路図である。
【図２】サイクロコンバータ技術を用いる従来の発電装置の構成を示す電気回路図である。
【図３】この発明の発電装置の一実施形態を概略的に示す電気回路図である。
【図４】この発明の発電装置の他の実施形態を概略的に示す電気回路図である。
【図５】発電機の回転子の一例を示す概略図である。
【図６】図４の発電装置において必要な処理を実行するためのコントローラの構成の一部を示すブロック図である。
【図７】ＰＷＭパターンＴａ、Ｔｂ、Ｔｃおよびスイッチング素子選択信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ６に基づいて各スイッチング素子制御信号を生成する構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  発電機    ２、２００  マトリクスコンバータ
３、３００  出力ＬＣフィルタ    ４、４００  コントローラ
１０  回転子    １１  回転子鉄心
１２  永久磁石
【図１】
2004215405.tif 000008
【図２】
2004215405.tif 000009
【図３】
2004215405.tif 000010
【図４】
2004215405.tif 000011
【図５】
2004215405.tif 000012
【図６】
2004215405.tif 000013
【図７】
2004215405.tif 000014