(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
風力によって回転駆動する風車と、
前記風車と一体に回転駆動する永久磁石を含む回転子および前記回転子に対向配置された電機子回路を有する発電機と
を備えた風力発電機の電気ブレーキ装置であって、
前記電機子回路に接続されて前記風車のブレーキとして機能する第１および第２の短絡装置を設け、
前記第１の短絡装置は、選択的に駆動されることにより、前記電機子回路を短絡して前記風車の停止状態を維持し、
前記第２の短絡装置は、
短絡スイッチに直列接続されたインピーダンスを含み、
前記短絡スイッチが選択的にオンされることにより、前記インピーダンスを介して前記電機子回路を短絡し、回転中の前記風車を減速する永久磁石型風力発電機の電気ブレーキ装置において、
前記インピーダンスは、コンデンサを含むことを特徴とする永久磁石型風力発電機の電気ブレーキ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、永久磁石型同期発電機を用いた風力発電システムの電気ブレーキ装置に関し、特に風車の停止状態を維持したり回転中の風車を減速するための永久磁石型風力発電機の電気ブレーキ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、風車により回転する永久磁石に電機子回路（コイル）を対向配置した風力発電機において、機械式のブレーキ（たとえば、ディスクブレーキ）は、風車の回転軸（または、発電機の回転子）に設けられている。
【０００３】
また、特開２０００−１９９４７３号公報には、風力発電システムにおいて、交流発電機の出力を短絡することにより風車にブレーキをかけ、風車の回転数を低下させて過回転を防止する技術が記載されている。
【０００４】
通常、増速ギア付きの風力発電機の場合には、発電機が増速ギアを介して風車に接続されているので、発電機の回転数が高い分だけトルクは小さくなる。
したがって、トルクの小さい高速回転側に機械式のブレーキを設けることが可能であることから、比較的コンパクトなブレーキを構成することができる。
【０００５】
一方、近年では、増速ギアが発生する騒音が存在しないという利点から、同期発電機を用いたギアレスの風力発電システムが導入されている。
特に、永久磁石型同期発電機を用いた風力発電システムは、回転子に励磁損失が発生しないという点で、巻線界磁型同期発電機を用いたシステムよりも有利であることが知られている。
【０００６】
このような、ギアレスの風力発電システムにおいては、増速ギアを介在させることなく風車と発電機とが直結されているので、発電機の回転数が風車の回転数と一致し、増速ギア付きの発電機の場合よりも回転数が小さくなる。
【０００７】
一方、このときの発電機のトルクは、増速ギア付きの発電機の場合に比べて大きくなるので、風車の過回転を防止するために大きなブレーキトルクが必要となり、ブレーキ装置の重量体積が大きくなってしまう。
【０００８】
また、上記特開２０００−１９９４７３号公報に記載された従来技術においては、風車の過回転を防止するために、発電機の出力端子を短絡しているので、発電機の定格回転数以上の回転状態で発電機出力を短絡することになる。
【０００９】
この場合、短絡時（ブレーキ時）において、瞬時に発電機の電機子コイルに過大な電流が流れることになり、このときの電機子コイルの発生磁界によって回転子磁極を構成する永久磁石が減磁してしまうおそれがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
従来の永久磁石型風力発電機の電気ブレーキ装置は以上のように、増速ギアを介さずに風車と発電機とが直結されており、発電機のトルクが比較的大きくなるので、ブレーキの重量体積が大きくなってしまうという問題点があった。
【００１１】
また、特開２０００−１９９４７３号公報に記載された従来装置のように発電機の出力を短絡した場合には、発電機の定格回転数以上の回転数において発電機（電機子）の出力端子が短絡されるので、発電機の電機子コイルに瞬時に過大電流が流れ、このときの電機子コイルの発生磁界により回転子磁極を構成する永久磁石が減磁してしまうという問題点があった。
【００１２】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたもので、
機械式ブレーキの小型軽量化を実現するとともに、発電機の回転子磁極を構成する永久磁石が減磁することなく、風車の回転を減速したり停止状態を維持することのできる永久磁石型風力発電機の電気ブレーキ装置を得ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る永久磁石型風力発電機の電気ブレーキ装置は、
風力によって回転駆動する風車と、風車と一体に回転駆動する永久磁石を含む回転子および回転子に対向配置された電機子回路を有する発電機とを備えた風力発電機の電気ブレーキ装置であって、電機子回路に接続されて風車のブレーキとして機能する第１および第２の短絡装置を設け、第１の短絡装置は、選択的に駆動されることにより、電機子回路を短絡して風車の停止状態を維持し、第２の短絡装置は、短絡スイッチに直列接続されたインピーダンスを含み、短絡スイッチが選択的にオンされることにより、インピーダンスを介して電機子回路を短絡し、回転中の風車を減速する永久磁石型風力発電機の電気ブレーキ装置において、インピーダンスは、コンデンサを含むものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について詳細に説明する。
まず、この発明の実施の形態１に関連した永久磁石型風力発電機の電気ブレーキ装置の参考例について説明する。
図１は風車の停止状態を維持するための短絡装置を設けた参考例を概略的に示すブロック構成図である。
【００２１】
図１において、１は風力で回転駆動する風車である。
１ａは風車の回転軸と一体に回転駆動する回転子であり、たとえば数１０極の程度の永久磁石からなる磁極を有している。
【００２２】
２は風車１に接続された永久磁石型風力発電機（以下、単に「発電機」という）である。
３は発電機２内の固定子として設けられた電機子回路であり、回転子１ａに対向配置されたスター結線コイルにより構成されており、出力端子から三相交流電力を出力する。なお、電機子コイルは、必ずしもスター結線でなくてもよく、たとえばデルタ結線であってもよい。
【００２３】
４は電機子回路３の各出力端子に設けられたブレーキ用の短絡装置であり、三相の並列スイッチにより構成されている。
５は電機子回路３の出力端子に接続されたインバータ、６はインバータ５の出力端子に接続された負荷または電力系統である。
【００２４】
図１において、風車１が回転することにより発電機２が回転し、発電機２から発生した３相電力は、電機子回路３を介してインバータ５に入力される。
発電機２の発電電力は、インバータ５を介して、所望の電圧および周波数に変換された後、負荷または電力系統６に供給される。
【００２５】
一般的に、図１に示す風力発電システムにおいては、たとえば風が存在しても発電する必要が無い場合には、風車１を回転させずに停止状態に維持する必要が生じることがある。
【００２６】
図１においては、発電機２の電機子回路３を短絡するための短絡装置４が設けられており、風車１が完全に停止している場合や非常に小さい回転数で回転している場合に、電機子回路３が短絡されるようになっている。
【００２７】
このとき、短絡された電機子回路３の電機子巻線は、回転子１ａに設けられた永久磁石の磁極（図示せず）からの発生磁束を捕らえて、回転子を拘束する力を発生する。
この拘束力を利用すれば、従来のような大きな機械式ブレーキのブレーキ力がなくとも、風車１が回転せずに、停止状態を維持させることができる。
【００２８】
すなわち、発電機２の出力側の電機子回路３を短絡し、短絡状態にある固定子（電機子回路３の電機子コイル）が回転子１ａの磁束を捕らえて回転子を拘束する力を利用することにより、停止（または、ほぼ停止）中の風車１の停止状態を維持するためのブレーキ力を有効に得ることができる。
【００２９】
上記参考例では、風車１の停止状態維持のみを目的として、電機子回路３に短絡装置４のみを設けた場合を示したが、次に、別の参考例として、回転中の風車１を減速するために、短絡装置４にさらにインピーダンスを設けた場合について説明する。
【００３０】
図２は回転中の風車１を減速するための短絡用インピーダンスを設けた別の参考例を概略的に示すブロック構成図である。
図２において、前述（図１参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００３１】
７は短絡装置４Ａ内のインピーダンスであり、コンデンサを含み、さらに加えて抵抗器またはリアクトルなどで構成されている。
各インピーダンス７は、短絡装置４Ａ内の短絡スイッチにそれぞれ直列接続されており、短絡スイッチを介して電機子回路３の出力端子に接続されている。
【００３２】
図２において、回転中の風車１を減速する場合に、インピーダンス７を介さずに短絡装置４（図１参照）のみで発電機２を短絡すると、前述のように電機子回路３に過大な電流が流れてしまい、このときの発生磁界により回転子磁極を構成する回転子１ａに設けられた磁極形成用の永久磁石が減磁してしまうおそれがある。
【００３３】
しかし、図２のように、インピーダンス７を介して短絡することにより、過大な電流が電機子回路３から電機子コイルに流れることはなく、回転子１ａ内の永久磁石が減磁してしまうことはない。
【００３４】
特に、インピーダンス７がコンデンサを含む場合には、電機子回路３に流れる電流の位相が進むので、電機子電流による発生磁界の向きは、発電機２の磁極による発生磁束を強める方向となり、発電機２の電機子鉄心の磁束密度は大きくなる。
【００３５】
このように電機子鉄心の磁束密度が大きくなれば、電機子鉄心で発生する鉄損（ヒステリシス損や渦電流損）が大きくなり、さらに大きなブレーキ力を得ることができる。
【００３６】
また、一般に、周波数が大きいほど鉄損が大きくなるという性質があるので、発電機２の回転数が高い場合には、電機子鉄心における磁束密度の変化周波数も大きくなって、さらに大きな鉄損を発生する。
【００３７】
したがって、発電機２の回転数が高い場合には、上記鉄損効果とコンデンサによる進み電流効果との相乗効果により、さらに大きなブレーキ力を得ることができる。
【００３８】
また、インピーダンス７がさらに抵抗器を含む場合には、電機子回路３の短絡時に有効電流が流れるので、発電機２で発生した電力がインピーダンス７内の抵抗器によりジュール損として消費されることにより、さらにブレーキ力を得ることができる。
【００３９】
また、インピーダンス７がさらにリアクトルを含む場合には、発電機２の回転数が高い（電機子コイルの発生電圧の周波数が高い）ときに、リアクトルのインピーダンスが大きくなるので、電機子回路３にインピーダンス７を接続した時点での突発的な過大電流をさらに有効に抑制することができる。
【００４０】
また、この場合、発電機２の回転数が小さくなるにつれて、リアクトルによるインピーダンスが小さくなるので、徐々に電流が流れ易くなり、リアクトルおよび電機子回路３の抵抗成分で発生するジュール損によって、さらにブレーキ力を得ることができる。
【００４１】
このように、コンデンサを含むインピーダンス７を電機子回路３に接続し、発電した電力を、電機子鉄心の鉄損、抵抗器でのジュール損、電機子コイルの銅損などの熱に変換することにより、回転中の風車１を有効に減速してブレーキ力を得ることができる。
【００４２】
また、電機子回路３にコンデンサを接続して進み無効電流を流すことにより、増磁作用で電機子鉄心の磁束密度の増加が可能なことから、鉄損が大きくなり、回転中の風車１を減速するときに大きなブレーキ力を得ることができる。
【００４３】
また、風車１の回転数（発電機２の周波数）が高い場合には、コンデンサのインピーダンスが低くなって電流が流し易いうえ、高周波によって大きな電機子鉄損を発生し易いので、特に有効なブレーキ効果が得られる。
【００４４】
また、電機子回路３にさらに抵抗器を接続して有効電流を流すことにより、発電電力を抵抗器で消費することができ、回転中の風車１に対して有効にブレーキ力を得ることができる。
【００４５】
また、電機子回路３にさらにリアクトルを接続して遅れ無効電流を流すことにより、電機子電流を流して銅損を大きくし、回転中の風車１に対して有効にブレーキ力を得ることができる。
【００４６】
さらに、この場合、風車１の回転数（発電機２の周波数）が低くなるほど、リアクトルのインピーダンスが低くなって電流が流し易くなり、コイルに大きな電流を流して大きな電機子銅損を発生し易いので、回転中の風車１に対して有効にブレーキ効果が得られる。
【００４７】
上記別の参考例では、電機子回路３に対して、短絡装置４Ａおよびインピーダンス７（図２参照）のみを接続した場合を示したが、図３のように、短絡装置４と短絡装置４Ａおよびインピーダンス７とを並列接続することが望ましい。
【００４８】
図３は図１および図２の構成を並設して風車１の停止維持および減速作用の両方を実現したこの発明の実施の形態１を概略的に示すブロック構成図である。
図３において、前述（図１、図２参照）と同様のものについては、同一符号を付して詳述を省略する。
【００４９】
図３において、風車１が完全に停止している場合や非常に小さい回転数で回転しているときには、風車１の停止（非回転）状態を維持するために、前述（図１参照）と同様の短絡装置４により、電機子回路３が短絡される。
【００５０】
このとき、短絡された電機子巻線は、回転子１ａの永久磁石磁極の発生磁束を捕らえて回転子を拘束する力が発生するので、風車１が回転せず、風車１の停止状態を維持させることができる。
【００５１】
一方、回転中の風車１を減速する場合には、前述（図２参照）と同様に、短絡装置４Ａを介してインピーダンス７が電機子回路３に接続される。
このとき、電機子に過大な電流が流れることはなく、したがって、回転子１ａの永久磁石磁極が減磁されることはない。
【００５２】
この場合も、前述と同様に、インピーダンス７がコンデンサを含む場合には、電機子回路３の電流位相が進むので、電機子鉄心の磁束密度および鉄損が大きくなって大きなブレーキ力が得られ、発電機２の回転数（電機子鉄心の磁束密度変化の周波数）が高い場合には、さらに大きな鉄損によるブレーキ力が得られる。
【００５３】
また、インピーダンス７がさらに抵抗器を含む場合には、発電機２の発生電力がジュール損として消費されるので、有効にブレーキ力を得ることができる。
また、インピーダンス７がさらにリアクトルを含む場合には、発電機２の回転数上昇（インピーダンス上昇）につれて過大電流を抑制することができ、回転数低下（インピーダンス低下）につれてジュール損によるブレーキ力を得ることができる。
【００５４】
このように、風車１の停止状態を維持する場合には、短絡装置４を用いて電機子回路３を短絡し、回転中の風車１を減速する場合には、コンデンサを含むインピーダンス７を電機子回路３に接続することにより、有効にブレーキ力を得ることができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、
風力によって回転駆動する風車と、風車と一体に回転駆動する永久磁石を含む回転子および回転子に対向配置された電機子回路を有する発電機とを備えた風力発電機の電気ブレーキ装置であって、電機子回路に接続されて風車のブレーキとして機能する第１および第２の短絡装置を設け、第１の短絡装置は、選択的に駆動されることにより、電機子回路を短絡して風車の停止状態を維持し、第２の短絡装置は、
短絡スイッチに直列接続されたインピーダンスを含み、短絡スイッチが選択的にオンされることにより、インピーダンスを介して電機子回路を短絡し、回転中の風車を減速する永久磁石型風力発電機の電気ブレーキ装置において、インピーダンスは、コンデンサを含むので、機械式ブレーキの小型軽量化を実現するとともに、発電機の回転子磁極を構成する永久磁石が減磁することなく、風車の回転を減速したり停止状態を維持するとともに、有効に風車の回転を減速することのできる永久磁石型風力発電機の電気ブレーキ装置が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に関連した参考例を概略的に示すブロック構成図である。
【図２】  この発明に関連した別の参考例を概略的に示すブロック構成図である。
【図３】  この発明の実施の形態１を概略的に示すブロック構成図である。
【符号の説明】
１  風車、１ａ  回転子、２  発電機、３  電機子回路、４、４Ａ  短絡装置、７  インピーダンス。
【図１】
0004828042.tif 000002
【図２】
0004828042.tif 000003
【図３】
0004828042.tif 000004