分散電源用発電装置の整流回路
【課題】風力または水力より、風車または水車の最大出力を得るために多種類の巻線を有する永久磁石型発電機とリアクトルで構成する直流出力回路においては、永久磁石型発電機内に広い巻線スペースが必要となるので発電機が高価になるという問題がある。
【解決手段】風車または水車より流速変動時も概略の最大出力を得るために、永久磁石型発電機内の巻線の種類を１種類とし、この巻線の出力端子から第１のコンデンサを経て第１の整流器に接続し、前記第１のコンデンサに並列に第１のリアクトルを接続し、前記第１のリアクトルに直列に２倍圧整流回路を接続し、前記第１の整流器の出力と前記２倍圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力する分散電源用発電装置の整流回路である。
【解決手段】風車または水車より流速変動時も概略の最大出力を得るために、永久磁石型発電機内の巻線の種類を１種類とし、この巻線の出力端子から第１のコンデンサを経て第１の整流器に接続し、前記第１のコンデンサに並列に第１のリアクトルを接続し、前記第１のリアクトルに直列に２倍圧整流回路を接続し、前記第１の整流器の出力と前記２倍圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力する分散電源用発電装置の整流回路である。
【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ための分散電源用発電装置の整流回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風車または水車に接続された永久磁石型発電機より、異なる流速から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大きさの誘起電圧を発生する絶縁された複数の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分散電源用発電装置の整流回路がある（例えば、後述する特許文献１の図１参照）。
【０００３】
このような第１の従来例を、図９の風車に接続された分散電源用発電装置の整流回路を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。
【０００４】
図９において、２１は風車、１は永久磁石型発電機、１１および１２は従来の第１および第２のリアクトル、７および８は第１および第４の整流器、１０は上記従来例の分散電源用発電装置の整流回路、１３は正側出力端子、１４は負側出力端子、２２はバッテリである。上記第１の従来例の分散電源用発電装置の整流回路は、永久磁石型発電機１、従来の第１および第２のリアクトル１１および１２、第１および第４の整流器７および８、正側出力端子１３および負側出力端子１４で構成される。
【０００５】
図９において、永久磁石型発電機１の固定子は異なる大きさの誘起電圧を出力する相互に絶縁された第１の巻線Ｗ１および第２の巻線Ｗ２の２種類の巻線を内蔵する。前記永久磁石型発電機１の巻数が少なくて低い誘起電圧を出力する第１の巻線Ｗ１の交流出力は、従来の第１のリアクトル１１に接続され、さらに直列に第１の整流器７に接続される。
【０００６】
巻数が多くて大きい誘起電圧を出力する第２の巻線Ｗ２の交流出力は、従来の第２のリアクトル１２に接続され、さらに直列に第４の整流器８に接続される。
【０００７】
前記第１、第４の整流器７、８の各々の直流側は、正側出力端子１３及び負側出力端子１4に並列接続され、各巻線の合計出力がバッテリ２２に充電される。
【０００８】
このように構成される分散電源用発電機の直流出力回路１０より、概略の風車最大出力を得られる方法を以下に示す。
【０００９】
図８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。
【００１０】
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８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８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。
【００１１】
すなわち、図８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。
【００１２】
図７は、前記従来例が対象とする分散電源用発電装置の整流回路の直流出力をバッテリ等の定電圧源に接続した場合の説明図である。以下では、ギア等の損失を考慮せずに、風車出力と永久磁石型発電機１の入力が等しいとして説明する。
【００１３】
永久磁石型発電機１の第１および第２の巻線Ｗ１およびＷ２の直流出力Ｐ１およびＰ２は、Ｗ１およびＷ２巻線の誘起電圧の小と大およびＴ１、Ｔ２出力端子に接続される従来の第１、第２のリアクトル１１、１２のインダクタンス値の小と大により、図６の風車回転数対出力特性に示すようになる。すなわち、誘起電圧の大きいＷ２巻線の出力は風車回転数Ｎ２から発電を開始し、その直流出力Ｐ１に比べて小さな出力値は従来の第２のリアクトル１２の大きなインダクタンス値により抑えられ、直流出力Ｐ２のようになる。
【００１４】
また、誘起電圧の小さいＷ１巻線の出力は風車回転数Ｎ１から発電を開始し、その直流出力Ｐ２に比べて大きな出力値は従来の第１のリアクトル１１の小さなインダクタンス値により定まり、直流出力Ｐ１のようになる。このようにして、分散電源用発電装置の整流回路はバッテリ２２に直流電流を供給する、いわゆる電流源として作用する。
そして、第１および第２の巻線Ｗ１およびＷ２の出力Ｐ１およびＰ２を加算して得られる合計直流出力は、近似発電機出力曲線Ｐｓとなり風車より概略の最大出力を得ることができる。
【００１５】
また第２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２の図１参照）。
【００１６】
このような第２の従来例を、図１０の２倍圧整流回路の回路図で示す。図１０において、３１は直流コンデンサ、３２は第２の整流器、３３は第３の整流器であり、この直流コンデンサ３１、第２の整流器３２、第３の整流器３３で２倍圧整流回路３０を構成する。
【００１７】
図１０において、多相交流電源端子Ｔｒの出力には第３の整流器３３の入力側が接続され、この第３の整流器３３と並列に直流コンデンサ３１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３１の反多相交流電源端子Ｔｒ側に第２の整流器３２の入力側が接続され、第３の整流器３３の正側直流出力端子は第２の整流器３２の負側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３０は、直流コンデンサ３１には多相交流電源端子Ｔｒから第２の整流器３２の方向に、第３の整流器３３の他の相を通って多相交流電源のピーク電圧が充電されるために、第２の整流器３２の正側出力端子３４と第３の整流器３３の負側出力端子３５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倍の電圧が得られる、いわゆる電圧源となる。
【００１８】
この従来例には、多相交流電源端子Ｔｒに直列に平滑リアクトルＬを接続し、３相３倍圧整流回路を構成する実施例が記載されている（例えば、特許文献２の図８参照）。この平滑リアクトルＬとコンデンサＣ１〜Ｃ６によって、多相交流電源の電源周波数において直列共振を起こすように設定され、一定周波数を有する多相交流電源の入力電流の波形改善を図るために接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００４−６４９２８号公報
【特許文献２】特開昭５６−１３９０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかし、上記のように構成される第１の従来例の分散電源用発電装置の整流回路１０においては、永久磁石型発電機１は２種類以上の巻線で構成されるために、永久磁石型発電機１内のスロットに広い巻線スペースが必要となるとともに、２種類以上の巻線間の絶縁が必要となる。そのために発電機が大きくなり、かつ製作工数も多くなるので高価になるという問題があった。
【００２１】
また、永久磁石型発電機１の２種類の巻線の交流端子には、リアクトルが接続されるために、遅れ電流による発電機巻線との鎖交磁束ひいては発電機誘起電圧が減少するという問題点の他に、２種類の巻線に流れる電流の力率が悪いために巻線の断面積を増やさなければならないという問題があった。
【００２２】
さらに、発電機が複数の巻線を有するために、発電機出力端子とリアクトルとの接続が複数箇所になり、発電機とリアクトル等の直流出力回路の接地場所が異なる場合、例えば、風車を例にすれば、発電機をナセル上に、リアクトルを地上に設置というように離して配置する必要がある場合には配線作業が煩雑になるという問題があった。
【００２３】
第２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３０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。
【００２４】
また、風力発電のような変動風速から風車最大出力を得るための永久磁石型発電機１を用いた分散電源用発電装置においては、永久磁石型発電機１が可変速されて電源周波数と電源電圧が変化する。したがって、第２の従来例における３相３倍圧整流回路を構成する実施例（例えば、特許文献２の図８参照）においては、特定の周波数以外ではコンデンサＣ１〜Ｃ６または平滑リアクトルＬの電圧降下が大きくなり、大きな整流出力が取り出せないという問題があった。
【００２５】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、インバータ等の制御回路無しで風力等より最大出力を得るために多種類の巻線を有する永久磁石型発電機においては、発電機内に広い巻線スペースが必要となるので発電機が大きくなり、かつ製作工数が多くなるのに対し、その点を改善するために従来から製作されている１種類の巻線を有する永久磁石型発電機を用いることで、発電機を小型化し、且つ製作工数も少なくして提供できるものとせんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
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整流回路において、前記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、前記第１のコンデンサに並列に第１のリアクトルを接続し、前記第１のリアクトルに直列に２倍圧整流回路を接続し、前記第１の整流器の出力と前記２倍圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路である。
【００２７】
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整流回路において、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のコンデンサに並列に第１のリアクトルを接続し、該第１のリアクトルに直列に第３の整流器を接続し、該第３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２の整流器を接続し、該第２の整流器の負側出力端子と前記第３の整流器の正側出力端子を接続し、前記直流コンデンサと前記第２の整流器と前記第３の整流器とにより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することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【００２８】
請求項２の発明によれば、前記請求項１記載の分散電源用発電装置の整流回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のコンデンサの容量との直列回路を定格回転数において容量性リアクタンスとなし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該容量性リアクタンスと、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のリアクトルのインダクタンスとの直列回路の誘導性リアクタンスとの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【００２９】
請求項３の発明によれば、前記請求項１記載の分散電源用発電装置の整流回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第２のリアクトルを経て第１の整流器を接続し、該第２のリアクトルに並列に第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサに直列に２倍圧整流回路を接続し、前記第１の整流器の出力と前記２倍圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【００３０】
請求項４の発明によれば、前記請求項３記載の分散電源用発電装置の整流回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第２のコンデンサの容量との直列回路を定格回転数において容量性リアクタンスとなし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該容量性リアクタンスと、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第２のリアクトルのインダクタンスとの直列回路の誘導性リアクタンスとの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【発明の効果】
【００３１】
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機の直流出力回路は、永久磁石型発電機内の巻線が１種類で構成されるために永久磁石型発電機が小さくなるので重量が軽くなり、かつ製作工数も少なくなるという優れた効果がある。また、直流出力回路を構成する２倍圧整流回路はリアクトル、コンデンサおよび整流器で構成されるので直流出力回路を安価に製作できるという優れた効果がある。さらに、発電機が１種類の巻線を有するために、発電機出力端子と直流出力回路との接続箇所が減少するので、配線作業が容易になるという効果がある。また、直流出力回路に用いるコンデンサおよびリアクトルの値を最適に選ぶことにより発電機電流の力率をほぼ１にでき、永久磁石型発電機１の体格を最小にすることができる。
【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整流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３の実施例に係る分散電源用発電装置の整流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２、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リアクタンスの直列リアクタンス特性の概要を示す説明図である。
【図４】本発明の第２、第４の実施例に係る電気角周波数に対する、発電機電流の力率を説明するための説明図である。
【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最大出力および分散電源用発電装置の整流回路の近似出力特性の概要を示す説明図である。
【図６】本発明の第１〜第４の実施例が対象とする風車回転数対風車出力特性および分散電源用発電装置の整流回路の各整流器の出力特性の概要を示す説明図である。
【図７】第１の従来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整流回路の近似出力特性の概要を示す説明図である。
【図８】本発明および第１の従来例に係る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９】第１の従来例の分散電源用発電装置の整流回路の主回路単線結線図である。
【図１０】第２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機の直流出力回路において、前記永久磁石型発電機の交流出力端子は第１のコンデンサを経て第１の整流器に接続し、前記第１のコンデンサに並列に第１のリアクトルを接続し、前記第１のリアクトルに直列に第３の整流器を接続し、前記第３の整流器に並列に直流コンデンサを接続し、前記直流コンデンサに直列に第２の整流器を接続し、前記第２の整流器の負側出力端子と前記第３の整流器の正側出力端子を接続し、前記直流コンデンサ、前記第２の整流器、前記第３の整流器にて２倍圧整流回路を構成し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路である。
【実施例１】
【００３４】
図１は、本発明を風車に適用した場合であり、風車により駆動される分散電源用発電装置の整流回路を説明する主回路単線結線図である。
【００３５】
同図において、４は第１のコンデンサ、２は第１のリアクトル、３１は直流コンデンサ、３２は第２の整流器、３３は第３の整流器であり、図９と同一番号は同一構成部品を表す。直流コンデンサ３１、第２の整流器３２および第３の整流器３３により２倍圧整流回路３０を構成する。本発明の分散電源用発電装置の整流回路１０は、永久磁石型発電機１、第１のコンデンサ４、第１のリアクトル２、第１の整流器７および２倍圧整流回路３０、正側出力端子１３、負側出力端子１４で構成される。
【００３６】
以下、図１について説明する。永久磁石型発電機１は、第１の従来例と異なり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。
【００３７】
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１のリアクトル２が接続され、この第１のリアクトル２の反交流出力端子Ｔ側には２倍圧整流回路３０が接続される。第１の整流器７および２倍圧整流回路３０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。
【００３８】
永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔに、第１のリアクトル２を経て接続される２倍圧整流回路３０は、以下のようにして永久磁石型発電機１の出力電圧のピーク電圧の２倍の直流電圧が得られる。すなわち、図１の直流コンデンサ３１の付近に＋−の記号で示すように、直流コンデンサ３１には前記第１のリアクトル２から第２の整流器３２の方向に、第１のリアクトル２および第３の整流器３３の他の相を通って永久磁石型発電機１のピーク電圧が充電される。したがって、第２の整流器３２の正側出力端子３４と第３の整流器３３の負側出力端子３５の間には、永久磁石型発電機１のピーク電圧の２倍の直流電圧が得られる。
【００３９】
このように構成される分散電源用発電装置の整流回路１０において、第１のリアクトル２および２倍圧整流回路３０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６の風車回転数Ｎ２付近から出力Ｐ２に見られるように出力を開始する。
【００４０】
したがって、この２倍圧整流回路３０によって、図９に示す第１の従来例における永久磁石型発電機１内のＷ２巻線、従来の第２のリアクトル１２および第４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、第１の従来例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３０で行うものである。
【００４１】
本願の設計方法としては、先ず図６の風車回転数Ｎ１を定格風車回転数Ｎｒの２/３程度に決め、図６の発電機出力Ｐ１を開始する風車回転数Ｎ１において、永久磁石型発電機１の誘起電圧がバッテリ２２の直流電圧よりも高くなるように永久磁石型発電機１を設計する。そして、２倍圧整流回路３０の２倍昇圧整流作用によって、風車回転数Ｎ１の半分の風車回転数Ｎ２から、図６の発電機出力Ｐ２を開始する。そして、第１のリアクトル２の値を適切に選ぶことにより直流出力Ｐ２の大きさが決まり、その直流出力Ｐ２がバッテリ２２に出力される。
【００４２】
また、風車回転数が高くなると第１のコンデンサ４および第１の整流器７で構成される回路により直流出力Ｐ１がバッテリ２２に出力され、上記の直流出力Ｐ２と合計した直流出力は図５の近似発電機出力Ｐｓとほぼ同一となり、異なる流速においても概略の風車または水車最大出力を得ることができる。
【００４３】
このように、大きな出力は直接に第１のコンデンサ４を経由して整流出力し、一方の小さな出力は第１のリアクトル２と２倍圧整流回路３０を経由して整流出力し、その合計出力をバッテリ２２に出力できる分散電源用発電装置の整流回路を構成できる。永久磁石型発電機１は、１巻線で構成されるために、第１の従来例で用いられる永久磁石型発電機よりも安価に構成できる。
【実施例２】
【００４４】
図３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、前記第１のコンデンサ４の容量値をＣとした時のインダクタンスＬと容量Ｃのリアクタンス特性を示す。
図に示す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が容量性から誘導性に変化する特性となる。
【００４５】
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で構成される回路には、永久磁石型発電機１の誘起電圧、図３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。ここで、風車回転数Ｎが上昇して、図３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。
【００４６】
したがって、本発明の第２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３に示す直列共振角周波数ω０よりも低い値となるように設定することを特徴とする。すなわち、図５に示す近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近づけるには、永久磁石型発電機１、第１のコンデンサ４で構成される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により達成される。したがって、永久磁石型発電機１の内部インダクタンス値および第１のコンデンサ４の容量を正確に把握し、永久磁石型発電機１の定格電気角周波数ωｒの値を直列共振角周波数ω０の80〜90％にすることが必要である。
【００４７】
前記直列回路のリアクタンスを容量性とすることで、永久磁石型発電機１内の巻線には進相電流が流れる。したがって、リアクトルのみを通って電流が流れる場合には、巻線との鎖交磁束が減少するが、この直列回路の容量性リアクタンスによって巻線との鎖交磁束の減少が抑制される。そして、永久磁石型発電機の無負荷誘起電圧の減少が抑制される。したがって、図７の定格回転数Ｎｒ付近の近似出力曲線Ｐｓに見られるような飽和曲線とはならず、本願においては図５の近似出力曲線Ｐｓのように上昇して最大出力曲線Ｐｔに近づけることができる。
【００４８】
また、図１に示す永久磁石型発電機１に流れる電流Ｉは、第１のリアクトル２を流れる遅相電流と、第１のコンデンサ４を流れる進相電流のベクトル和である。したがって、風車定格回転数Ｎｒ付近で、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスと第１のコンデンサ４の直列回路のリアクタンスを容量性となし、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第２のリアクトル３の直列回路のリアクタンスを誘導性となし、該容量性リアクタンスと該誘導性リアクタンスの和をほぼ零となして永久磁石型発電機電流の力率をほぼ１にでき、永久磁石型発電機１の体格を最小にすることができる。
【００４９】
図４は、永久磁石型発電機１に流れる電流Ｉの力率を１にする方法を説明するための図である。図において、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第１のリアクトル２の直列回路のリアクタンスはＸ１、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第１のコンデンサ４の直列回路のリアクタンスをＸ２として示す。風車定格回転数Ｎｒ付近で、リアクタンスＸ１とＸ２の絶対値をほぼ等しくすると、永久磁石型発電機１には有効分電流だけ流れて、電流Ｉの力率はほぼ１となる。
【実施例３】
【００５０】
図２に示す本発明の第３の実施例は、本発明の第１の実施例で説明した第１のリアクトル２をコンデンサに置き換え、第１のコンデンサ４をリアクトルに置き換えて、近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近似する方法である。
【００５１】
図２において、３は第２のリアクトル、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。本発明の第２の実施例の分散電源用発電装置の整流回路１０は、永久磁石型発電機１、第２のリアクトル３、第２のコンデンサ５、第１の整流器７、２倍圧整流回路３０および正側および負側出力端子１３および１４で構成される。
【００５２】
永久磁石型発電機１は、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２のリアクトル３を経て第１の整流器７に接続される。
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２のリアクトル３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３０が接続される。第１の整流器７および２倍圧整流回路１１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
【００５３】
このように構成される回路においては、図６に示す風車回転数Ｎ２より出力を開始する。そして、風車回転数の上昇とともに、第２のコンデンサ５によって電流を押さえられ、図６に示す直流出力Ｐ２のごとき出力がバッテリ２２に流れる。
さらに風車回転数Ｎが上昇することにより、図２の第２のリアクトル３および第１の整流回路７を経て、図６の直流出力Ｐ１がバッテリ２２に流れ、合計した出力は図５の近似出力曲線Ｐｓが如くなる。
【００５４】
本発明の第４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３に示す直列共振角周波数ω０よりも低い値となるように設定することを特徴とする。すなわち、図５に示す近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近づけるには、永久磁石型発電機１、第２のコンデンサ５で構成される直列回路のリアクタンスを、風車定格回転数Ｎｒで容量性とすることにより達成される。すなわち、永久磁石型発電機１の内部インダクタンス値および第１のコンデンサ４の容量を正確に把握し、永久磁石型発電機１の定格電気角周波数ωｒの値を直列共振角周波数ω０の80〜90％にすることが必要である。
【００５５】
前記直列回路のリアクタンスを容量性とすることで、永久磁石型発電機１内の巻線には進相電流が流れる。したがって、リアクトルのみを通って電流が流れる場合には、巻線との鎖交磁束が減少するが、この直列回路の容量性リアクタンスによって巻線との鎖交磁束の減少が抑制される。そして、永久磁石型発電機の無負荷誘起電圧の減少が抑制される。したがって、図７の定格回転数Ｎｒ付近の近似出力曲線Ｐｓに見られるような飽和曲線とはならず、本願においては図５の近似出力曲線Ｐｓのように上昇して最大出力曲線Ｐｔに近づけることができる。
【００５６】
また、図１に示す永久磁石型発電機１に流れる電流Ｉは、第２のリアクトル３を流れる遅相電流と、第１のコンデンサ４を流れる進相電流のベクトル和である。したがって、風車定格回転数Ｎｒ付近で、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスと第１のコンデンサ４の直列回路のリアクタンスを容量性となし、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第２のリアクトル３の直列回路のリアクタンスを誘導性となし、該容量性リアクタンスと該誘導性リアクタンスの和をほぼ零となして永久磁石型発電機電流の力率をほぼ１にでき、永久磁石型発電機１の体格を最小にすることができる。
【００５７】
図４は、永久磁石型発電機１に流れる電流Ｉの力率を１にする方法を説明するための図である。図において、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第２のリアクトル３の直列回路のリアクタンスはＸ１、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第２のコンデンサ５の直列回路のリアクタンスをＸ２として示す。風車定格回転数Ｎｒ付近では、リアクタンスＸ１とＸ２の絶対値がほぼ等しくなり、永久磁石型発電機１には有効分電流だけ流れて、電流Ｉの力率はほぼ１となる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明によれば、インバータ等の制御回路を用いることなく、風車または水車より流速変動時も概略の風車または水車最大直流出力を得ることができる分散電源用発電機の直流出力回路においては、永久磁石型発電機内の巻線の種類を１種類とすることができるので発電機の体格を小さくすることができる。また、３相に限らず単相やその他の相数を有する永久磁石型発電機に適用できることは言うまでもない。さらに、永久磁石型発電機内には内部インダクタンスが存在するために、本願請求項３における第２のリアクトル３を省略できるように設計しても、安価な分散電源用発電機の直流出力回路を構成することができる。また、さらに、永久磁石型発電機１を３相で構成し、２倍圧整流回路が接続される回路は、流れる電流が少ないために単相で構成しても良い。さらに、リアクトルとコンデンサの値を適切に選ぶことにより、永久磁石型発電機に流れる電流の力率を１にすることができるので、永久磁石型発電機の体格がさらに小さくなり極めて有用である。
【符号の説明】
【００５９】
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４の整流器
１０ 分散電源用発電装置の整流回路
１１ 従来の第１のリアクトル
１２ 従来の第２のリアクトル
１３ 正側出力端子
１４ 負側出力端子
２１ 風車
２２ バッテリ
３０ ２倍圧整流回路
３１ 直流コンデンサ
３２ 第２の整流器
３３ 第３の整流器
３４ ２倍圧整流回路の正側出力端子
３５ ２倍圧整流回路の負側出力端子
【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ための分散電源用発電装置の整流回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
風車または水車に接続された永久磁石型発電機より、異なる流速から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大きさの誘起電圧を発生する絶縁された複数の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分散電源用発電装置の整流回路がある（例えば、後述する特許文献１の図１参照）。
【０００３】
このような第１の従来例を、図９の風車に接続された分散電源用発電装置の整流回路を示す主回路単線結線図を参照して詳述する。
【０００４】
図９において、２１は風車、１は永久磁石型発電機、１１および１２は従来の第１および第２のリアクトル、７および８は第１および第４の整流器、１０は上記従来例の分散電源用発電装置の整流回路、１３は正側出力端子、１４は負側出力端子、２２はバッテリである。上記第１の従来例の分散電源用発電装置の整流回路は、永久磁石型発電機１、従来の第１および第２のリアクトル１１および１２、第１および第４の整流器７および８、正側出力端子１３および負側出力端子１４で構成される。
【０００５】
図９において、永久磁石型発電機１の固定子は異なる大きさの誘起電圧を出力する相互に絶縁された第１の巻線Ｗ１および第２の巻線Ｗ２の２種類の巻線を内蔵する。前記永久磁石型発電機１の巻数が少なくて低い誘起電圧を出力する第１の巻線Ｗ１の交流出力は、従来の第１のリアクトル１１に接続され、さらに直列に第１の整流器７に接続される。
【０００６】
巻数が多くて大きい誘起電圧を出力する第２の巻線Ｗ２の交流出力は、従来の第２のリアクトル１２に接続され、さらに直列に第４の整流器８に接続される。
【０００７】
前記第１、第４の整流器７、８の各々の直流側は、正側出力端子１３及び負側出力端子１4に並列接続され、各巻線の合計出力がバッテリ２２に充電される。
【０００８】
このように構成される分散電源用発電機の直流出力回路１０より、概略の風車最大出力を得られる方法を以下に示す。
【０００９】
図８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。
【００１０】
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８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８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。
【００１１】
すなわち、図８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。
【００１２】
図７は、前記従来例が対象とする分散電源用発電装置の整流回路の直流出力をバッテリ等の定電圧源に接続した場合の説明図である。以下では、ギア等の損失を考慮せずに、風車出力と永久磁石型発電機１の入力が等しいとして説明する。
【００１３】
永久磁石型発電機１の第１および第２の巻線Ｗ１およびＷ２の直流出力Ｐ１およびＰ２は、Ｗ１およびＷ２巻線の誘起電圧の小と大およびＴ１、Ｔ２出力端子に接続される従来の第１、第２のリアクトル１１、１２のインダクタンス値の小と大により、図６の風車回転数対出力特性に示すようになる。すなわち、誘起電圧の大きいＷ２巻線の出力は風車回転数Ｎ２から発電を開始し、その直流出力Ｐ１に比べて小さな出力値は従来の第２のリアクトル１２の大きなインダクタンス値により抑えられ、直流出力Ｐ２のようになる。
【００１４】
また、誘起電圧の小さいＷ１巻線の出力は風車回転数Ｎ１から発電を開始し、その直流出力Ｐ２に比べて大きな出力値は従来の第１のリアクトル１１の小さなインダクタンス値により定まり、直流出力Ｐ１のようになる。このようにして、分散電源用発電装置の整流回路はバッテリ２２に直流電流を供給する、いわゆる電流源として作用する。
そして、第１および第２の巻線Ｗ１およびＷ２の出力Ｐ１およびＰ２を加算して得られる合計直流出力は、近似発電機出力曲線Ｐｓとなり風車より概略の最大出力を得ることができる。
【００１５】
また第２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２の図１参照）。
【００１６】
このような第２の従来例を、図１０の２倍圧整流回路の回路図で示す。図１０において、３１は直流コンデンサ、３２は第２の整流器、３３は第３の整流器であり、この直流コンデンサ３１、第２の整流器３２、第３の整流器３３で２倍圧整流回路３０を構成する。
【００１７】
図１０において、多相交流電源端子Ｔｒの出力には第３の整流器３３の入力側が接続され、この第３の整流器３３と並列に直流コンデンサ３１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３１の反多相交流電源端子Ｔｒ側に第２の整流器３２の入力側が接続され、第３の整流器３３の正側直流出力端子は第２の整流器３２の負側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３０は、直流コンデンサ３１には多相交流電源端子Ｔｒから第２の整流器３２の方向に、第３の整流器３３の他の相を通って多相交流電源のピーク電圧が充電されるために、第２の整流器３２の正側出力端子３４と第３の整流器３３の負側出力端子３５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倍の電圧が得られる、いわゆる電圧源となる。
【００１８】
この従来例には、多相交流電源端子Ｔｒに直列に平滑リアクトルＬを接続し、３相３倍圧整流回路を構成する実施例が記載されている（例えば、特許文献２の図８参照）。この平滑リアクトルＬとコンデンサＣ１〜Ｃ６によって、多相交流電源の電源周波数において直列共振を起こすように設定され、一定周波数を有する多相交流電源の入力電流の波形改善を図るために接続されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特開２００４−６４９２８号公報
【特許文献２】特開昭５６−１３９０８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
しかし、上記のように構成される第１の従来例の分散電源用発電装置の整流回路１０においては、永久磁石型発電機１は２種類以上の巻線で構成されるために、永久磁石型発電機１内のスロットに広い巻線スペースが必要となるとともに、２種類以上の巻線間の絶縁が必要となる。そのために発電機が大きくなり、かつ製作工数も多くなるので高価になるという問題があった。
【００２１】
また、永久磁石型発電機１の２種類の巻線の交流端子には、リアクトルが接続されるために、遅れ電流による発電機巻線との鎖交磁束ひいては発電機誘起電圧が減少するという問題点の他に、２種類の巻線に流れる電流の力率が悪いために巻線の断面積を増やさなければならないという問題があった。
【００２２】
さらに、発電機が複数の巻線を有するために、発電機出力端子とリアクトルとの接続が複数箇所になり、発電機とリアクトル等の直流出力回路の接地場所が異なる場合、例えば、風車を例にすれば、発電機をナセル上に、リアクトルを地上に設置というように離して配置する必要がある場合には配線作業が煩雑になるという問題があった。
【００２３】
第２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３０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。
【００２４】
また、風力発電のような変動風速から風車最大出力を得るための永久磁石型発電機１を用いた分散電源用発電装置においては、永久磁石型発電機１が可変速されて電源周波数と電源電圧が変化する。したがって、第２の従来例における３相３倍圧整流回路を構成する実施例（例えば、特許文献２の図８参照）においては、特定の周波数以外ではコンデンサＣ１〜Ｃ６または平滑リアクトルＬの電圧降下が大きくなり、大きな整流出力が取り出せないという問題があった。
【００２５】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであって、インバータ等の制御回路無しで風力等より最大出力を得るために多種類の巻線を有する永久磁石型発電機においては、発電機内に広い巻線スペースが必要となるので発電機が大きくなり、かつ製作工数が多くなるのに対し、その点を改善するために従来から製作されている１種類の巻線を有する永久磁石型発電機を用いることで、発電機を小型化し、且つ製作工数も少なくして提供できるものとせんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
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整流回路において、前記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、前記第１のコンデンサに並列に第１のリアクトルを接続し、前記第１のリアクトルに直列に２倍圧整流回路を接続し、前記第１の整流器の出力と前記２倍圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路である。
【００２７】
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整流回路において、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のコンデンサに並列に第１のリアクトルを接続し、該第１のリアクトルに直列に第３の整流器を接続し、該第３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２の整流器を接続し、該第２の整流器の負側出力端子と前記第３の整流器の正側出力端子を接続し、前記直流コンデンサと前記第２の整流器と前記第３の整流器とにより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することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【００２８】
請求項２の発明によれば、前記請求項１記載の分散電源用発電装置の整流回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のコンデンサの容量との直列回路を定格回転数において容量性リアクタンスとなし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該容量性リアクタンスと、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のリアクトルのインダクタンスとの直列回路の誘導性リアクタンスとの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【００２９】
請求項３の発明によれば、前記請求項１記載の分散電源用発電装置の整流回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第２のリアクトルを経て第１の整流器を接続し、該第２のリアクトルに並列に第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサに直列に２倍圧整流回路を接続し、前記第１の整流器の出力と前記２倍圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【００３０】
請求項４の発明によれば、前記請求項３記載の分散電源用発電装置の整流回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第２のコンデンサの容量との直列回路を定格回転数において容量性リアクタンスとなし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該容量性リアクタンスと、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第２のリアクトルのインダクタンスとの直列回路の誘導性リアクタンスとの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【発明の効果】
【００３１】
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機の直流出力回路は、永久磁石型発電機内の巻線が１種類で構成されるために永久磁石型発電機が小さくなるので重量が軽くなり、かつ製作工数も少なくなるという優れた効果がある。また、直流出力回路を構成する２倍圧整流回路はリアクトル、コンデンサおよび整流器で構成されるので直流出力回路を安価に製作できるという優れた効果がある。さらに、発電機が１種類の巻線を有するために、発電機出力端子と直流出力回路との接続箇所が減少するので、配線作業が容易になるという効果がある。また、直流出力回路に用いるコンデンサおよびリアクトルの値を最適に選ぶことにより発電機電流の力率をほぼ１にでき、永久磁石型発電機１の体格を最小にすることができる。
【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整流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３の実施例に係る分散電源用発電装置の整流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２、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リアクタンスの直列リアクタンス特性の概要を示す説明図である。
【図４】本発明の第２、第４の実施例に係る電気角周波数に対する、発電機電流の力率を説明するための説明図である。
【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最大出力および分散電源用発電装置の整流回路の近似出力特性の概要を示す説明図である。
【図６】本発明の第１〜第４の実施例が対象とする風車回転数対風車出力特性および分散電源用発電装置の整流回路の各整流器の出力特性の概要を示す説明図である。
【図７】第１の従来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整流回路の近似出力特性の概要を示す説明図である。
【図８】本発明および第１の従来例に係る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９】第１の従来例の分散電源用発電装置の整流回路の主回路単線結線図である。
【図１０】第２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機の直流出力回路において、前記永久磁石型発電機の交流出力端子は第１のコンデンサを経て第１の整流器に接続し、前記第１のコンデンサに並列に第１のリアクトルを接続し、前記第１のリアクトルに直列に第３の整流器を接続し、前記第３の整流器に並列に直流コンデンサを接続し、前記直流コンデンサに直列に第２の整流器を接続し、前記第２の整流器の負側出力端子と前記第３の整流器の正側出力端子を接続し、前記直流コンデンサ、前記第２の整流器、前記第３の整流器にて２倍圧整流回路を構成し、前記第１の整流器の出力と前記第２の整流器の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路である。
【実施例１】
【００３４】
図１は、本発明を風車に適用した場合であり、風車により駆動される分散電源用発電装置の整流回路を説明する主回路単線結線図である。
【００３５】
同図において、４は第１のコンデンサ、２は第１のリアクトル、３１は直流コンデンサ、３２は第２の整流器、３３は第３の整流器であり、図９と同一番号は同一構成部品を表す。直流コンデンサ３１、第２の整流器３２および第３の整流器３３により２倍圧整流回路３０を構成する。本発明の分散電源用発電装置の整流回路１０は、永久磁石型発電機１、第１のコンデンサ４、第１のリアクトル２、第１の整流器７および２倍圧整流回路３０、正側出力端子１３、負側出力端子１４で構成される。
【００３６】
以下、図１について説明する。永久磁石型発電機１は、第１の従来例と異なり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。
【００３７】
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１のリアクトル２が接続され、この第１のリアクトル２の反交流出力端子Ｔ側には２倍圧整流回路３０が接続される。第１の整流器７および２倍圧整流回路３０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。
【００３８】
永久磁石型発電機１の交流出力端子Ｔに、第１のリアクトル２を経て接続される２倍圧整流回路３０は、以下のようにして永久磁石型発電機１の出力電圧のピーク電圧の２倍の直流電圧が得られる。すなわち、図１の直流コンデンサ３１の付近に＋−の記号で示すように、直流コンデンサ３１には前記第１のリアクトル２から第２の整流器３２の方向に、第１のリアクトル２および第３の整流器３３の他の相を通って永久磁石型発電機１のピーク電圧が充電される。したがって、第２の整流器３２の正側出力端子３４と第３の整流器３３の負側出力端子３５の間には、永久磁石型発電機１のピーク電圧の２倍の直流電圧が得られる。
【００３９】
このように構成される分散電源用発電装置の整流回路１０において、第１のリアクトル２および２倍圧整流回路３０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６の風車回転数Ｎ２付近から出力Ｐ２に見られるように出力を開始する。
【００４０】
したがって、この２倍圧整流回路３０によって、図９に示す第１の従来例における永久磁石型発電機１内のＷ２巻線、従来の第２のリアクトル１２および第４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、第１の従来例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３０で行うものである。
【００４１】
本願の設計方法としては、先ず図６の風車回転数Ｎ１を定格風車回転数Ｎｒの２/３程度に決め、図６の発電機出力Ｐ１を開始する風車回転数Ｎ１において、永久磁石型発電機１の誘起電圧がバッテリ２２の直流電圧よりも高くなるように永久磁石型発電機１を設計する。そして、２倍圧整流回路３０の２倍昇圧整流作用によって、風車回転数Ｎ１の半分の風車回転数Ｎ２から、図６の発電機出力Ｐ２を開始する。そして、第１のリアクトル２の値を適切に選ぶことにより直流出力Ｐ２の大きさが決まり、その直流出力Ｐ２がバッテリ２２に出力される。
【００４２】
また、風車回転数が高くなると第１のコンデンサ４および第１の整流器７で構成される回路により直流出力Ｐ１がバッテリ２２に出力され、上記の直流出力Ｐ２と合計した直流出力は図５の近似発電機出力Ｐｓとほぼ同一となり、異なる流速においても概略の風車または水車最大出力を得ることができる。
【００４３】
このように、大きな出力は直接に第１のコンデンサ４を経由して整流出力し、一方の小さな出力は第１のリアクトル２と２倍圧整流回路３０を経由して整流出力し、その合計出力をバッテリ２２に出力できる分散電源用発電装置の整流回路を構成できる。永久磁石型発電機１は、１巻線で構成されるために、第１の従来例で用いられる永久磁石型発電機よりも安価に構成できる。
【実施例２】
【００４４】
図３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、前記第１のコンデンサ４の容量値をＣとした時のインダクタンスＬと容量Ｃのリアクタンス特性を示す。
図に示す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が容量性から誘導性に変化する特性となる。
【００４５】
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で構成される回路には、永久磁石型発電機１の誘起電圧、図３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。ここで、風車回転数Ｎが上昇して、図３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。
【００４６】
したがって、本発明の第２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３に示す直列共振角周波数ω０よりも低い値となるように設定することを特徴とする。すなわち、図５に示す近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近づけるには、永久磁石型発電機１、第１のコンデンサ４で構成される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により達成される。したがって、永久磁石型発電機１の内部インダクタンス値および第１のコンデンサ４の容量を正確に把握し、永久磁石型発電機１の定格電気角周波数ωｒの値を直列共振角周波数ω０の80〜90％にすることが必要である。
【００４７】
前記直列回路のリアクタンスを容量性とすることで、永久磁石型発電機１内の巻線には進相電流が流れる。したがって、リアクトルのみを通って電流が流れる場合には、巻線との鎖交磁束が減少するが、この直列回路の容量性リアクタンスによって巻線との鎖交磁束の減少が抑制される。そして、永久磁石型発電機の無負荷誘起電圧の減少が抑制される。したがって、図７の定格回転数Ｎｒ付近の近似出力曲線Ｐｓに見られるような飽和曲線とはならず、本願においては図５の近似出力曲線Ｐｓのように上昇して最大出力曲線Ｐｔに近づけることができる。
【００４８】
また、図１に示す永久磁石型発電機１に流れる電流Ｉは、第１のリアクトル２を流れる遅相電流と、第１のコンデンサ４を流れる進相電流のベクトル和である。したがって、風車定格回転数Ｎｒ付近で、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスと第１のコンデンサ４の直列回路のリアクタンスを容量性となし、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第２のリアクトル３の直列回路のリアクタンスを誘導性となし、該容量性リアクタンスと該誘導性リアクタンスの和をほぼ零となして永久磁石型発電機電流の力率をほぼ１にでき、永久磁石型発電機１の体格を最小にすることができる。
【００４９】
図４は、永久磁石型発電機１に流れる電流Ｉの力率を１にする方法を説明するための図である。図において、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第１のリアクトル２の直列回路のリアクタンスはＸ１、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第１のコンデンサ４の直列回路のリアクタンスをＸ２として示す。風車定格回転数Ｎｒ付近で、リアクタンスＸ１とＸ２の絶対値をほぼ等しくすると、永久磁石型発電機１には有効分電流だけ流れて、電流Ｉの力率はほぼ１となる。
【実施例３】
【００５０】
図２に示す本発明の第３の実施例は、本発明の第１の実施例で説明した第１のリアクトル２をコンデンサに置き換え、第１のコンデンサ４をリアクトルに置き換えて、近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近似する方法である。
【００５１】
図２において、３は第２のリアクトル、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。本発明の第２の実施例の分散電源用発電装置の整流回路１０は、永久磁石型発電機１、第２のリアクトル３、第２のコンデンサ５、第１の整流器７、２倍圧整流回路３０および正側および負側出力端子１３および１４で構成される。
【００５２】
永久磁石型発電機１は、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２のリアクトル３を経て第１の整流器７に接続される。
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２のリアクトル３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３０が接続される。第１の整流器７および２倍圧整流回路１１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
【００５３】
このように構成される回路においては、図６に示す風車回転数Ｎ２より出力を開始する。そして、風車回転数の上昇とともに、第２のコンデンサ５によって電流を押さえられ、図６に示す直流出力Ｐ２のごとき出力がバッテリ２２に流れる。
さらに風車回転数Ｎが上昇することにより、図２の第２のリアクトル３および第１の整流回路７を経て、図６の直流出力Ｐ１がバッテリ２２に流れ、合計した出力は図５の近似出力曲線Ｐｓが如くなる。
【００５４】
本発明の第４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３に示す直列共振角周波数ω０よりも低い値となるように設定することを特徴とする。すなわち、図５に示す近似出力曲線Ｐｓを最大出力曲線Ｐｔに近づけるには、永久磁石型発電機１、第２のコンデンサ５で構成される直列回路のリアクタンスを、風車定格回転数Ｎｒで容量性とすることにより達成される。すなわち、永久磁石型発電機１の内部インダクタンス値および第１のコンデンサ４の容量を正確に把握し、永久磁石型発電機１の定格電気角周波数ωｒの値を直列共振角周波数ω０の80〜90％にすることが必要である。
【００５５】
前記直列回路のリアクタンスを容量性とすることで、永久磁石型発電機１内の巻線には進相電流が流れる。したがって、リアクトルのみを通って電流が流れる場合には、巻線との鎖交磁束が減少するが、この直列回路の容量性リアクタンスによって巻線との鎖交磁束の減少が抑制される。そして、永久磁石型発電機の無負荷誘起電圧の減少が抑制される。したがって、図７の定格回転数Ｎｒ付近の近似出力曲線Ｐｓに見られるような飽和曲線とはならず、本願においては図５の近似出力曲線Ｐｓのように上昇して最大出力曲線Ｐｔに近づけることができる。
【００５６】
また、図１に示す永久磁石型発電機１に流れる電流Ｉは、第２のリアクトル３を流れる遅相電流と、第１のコンデンサ４を流れる進相電流のベクトル和である。したがって、風車定格回転数Ｎｒ付近で、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスと第１のコンデンサ４の直列回路のリアクタンスを容量性となし、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第２のリアクトル３の直列回路のリアクタンスを誘導性となし、該容量性リアクタンスと該誘導性リアクタンスの和をほぼ零となして永久磁石型発電機電流の力率をほぼ１にでき、永久磁石型発電機１の体格を最小にすることができる。
【００５７】
図４は、永久磁石型発電機１に流れる電流Ｉの力率を１にする方法を説明するための図である。図において、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第２のリアクトル３の直列回路のリアクタンスはＸ１、永久磁石型発電機１の内部インダクタンスおよび第２のコンデンサ５の直列回路のリアクタンスをＸ２として示す。風車定格回転数Ｎｒ付近では、リアクタンスＸ１とＸ２の絶対値がほぼ等しくなり、永久磁石型発電機１には有効分電流だけ流れて、電流Ｉの力率はほぼ１となる。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明によれば、インバータ等の制御回路を用いることなく、風車または水車より流速変動時も概略の風車または水車最大直流出力を得ることができる分散電源用発電機の直流出力回路においては、永久磁石型発電機内の巻線の種類を１種類とすることができるので発電機の体格を小さくすることができる。また、３相に限らず単相やその他の相数を有する永久磁石型発電機に適用できることは言うまでもない。さらに、永久磁石型発電機内には内部インダクタンスが存在するために、本願請求項３における第２のリアクトル３を省略できるように設計しても、安価な分散電源用発電機の直流出力回路を構成することができる。また、さらに、永久磁石型発電機１を３相で構成し、２倍圧整流回路が接続される回路は、流れる電流が少ないために単相で構成しても良い。さらに、リアクトルとコンデンサの値を適切に選ぶことにより、永久磁石型発電機に流れる電流の力率を１にすることができるので、永久磁石型発電機の体格がさらに小さくなり極めて有用である。
【符号の説明】
【００５９】
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４の整流器
１０ 分散電源用発電装置の整流回路
１１ 従来の第１のリアクトル
１２ 従来の第２のリアクトル
１３ 正側出力端子
１４ 負側出力端子
２１ 風車
２２ バッテリ
３０ ２倍圧整流回路
３１ 直流コンデンサ
３２ 第２の整流器
３３ 第３の整流器
３４ ２倍圧整流回路の正側出力端子
３５ ２倍圧整流回路の負側出力端子
【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整流回路において、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のコンデンサに並列に第１のリアクトルを接続し、該第１のリアクトルに直列に第３の整流器を接続し、該第３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２の整流器を接続し、該第２の整流器の負側出力端子と前記第３の整流器の正側出力端子を接続し、前記直流コンデンサと前記第２の整流器と前記第３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することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【請求項２】
前記請求項１記載の分散電源用発電装置の整流回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のコンデンサの容量との直列回路を定格回転数内において容量性リアクタンスとなし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該容量性リアクタンスと、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のリアクトルのインダクタンスとの直列回路により構成される誘導性リアクタンスとの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【請求項３】
前記請求項１記載の分散電源用発電装置の整流回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第２のリアクトルを経て第１の整流器を接続し、該第２のリアクトルに並列に第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサに直列に２倍圧整流回路を接続し、前記第１の整流器の出力と前記２倍圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【請求項４】
前記請求項３記載の分散電源用発電装置の整流回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第２のコンデンサの容量との直列回路を定格回転数において容量性リアクタンスとなし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該容量性リアクタンスと、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第２のリアクトルのインダクタンスとの直列回路により構成される誘導性リアクタンスとの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【請求項１】
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整流回路において、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のコンデンサに並列に第１のリアクトルを接続し、該第１のリアクトルに直列に第３の整流器を接続し、該第３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２の整流器を接続し、該第２の整流器の負側出力端子と前記第３の整流器の正側出力端子を接続し、前記直流コンデンサと前記第２の整流器と前記第３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することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【請求項２】
前記請求項１記載の分散電源用発電装置の整流回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のコンデンサの容量との直列回路を定格回転数内において容量性リアクタンスとなし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該容量性リアクタンスと、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第１のリアクトルのインダクタンスとの直列回路により構成される誘導性リアクタンスとの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【請求項３】
前記請求項１記載の分散電源用発電装置の整流回路において、該永久磁石型発電機の交流出力端子に第２のリアクトルを経て第１の整流器を接続し、該第２のリアクトルに並列に第２のコンデンサを接続し、該第２のコンデンサに直列に２倍圧整流回路を接続し、前記第１の整流器の出力と前記２倍圧整流回路の出力を加算して直流電源に出力することを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【請求項４】
前記請求項３記載の分散電源用発電装置の整流回路において、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第２のコンデンサの容量との直列回路を定格回転数において容量性リアクタンスとなし、前記永久磁石型発電機の定格回転数において該容量性リアクタンスと、前記永久磁石型発電機の内部インダクタンスと前記第２のリアクトルのインダクタンスとの直列回路により構成される誘導性リアクタンスとの和をほぼ零となして発電機電流の力率をほぼ１となすことを特徴とする分散電源用発電装置の整流回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−２１８４９（Ｐ２０１３−２１８４９Ａ）
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５４４９３（Ｐ２０１１−１５４４９３）
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００３１１５）東洋電機製造株式会社 (380)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月３１日（２０１３．１．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１３日（２０１１．７．１３）
【出願人】（０００００３１１５）東洋電機製造株式会社 (380)
【Ｆターム（参考）】
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