JP3847740B2

JP3847740B2 - 発電装置

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Publication number: JP3847740B2
Application number: JP2003335615A
Authority: JP
Inventors: 正二羽田
Original assignee: 株式会社エヌ・ティ・ティ・データ・イー・エックス・テクノ
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Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2006-11-22
Anticipated expiration: 2023-09-26
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Description

この発明は、交流発電装置に関し、殊に小型化を図り回転駆動力の大小にかかわらず一定周波数の出力を得るようにした発電装置に関する。

例えば、水力発電や火力発電の原理としては、水車やタービンの回転駆動力を交流発電機に伝え、この交流発電機の回転子の回転に基づき発電し、交流電力を出力するものである。この場合、発電機出力としての交流電力を得るためには、一定の周波数になること、定格を超えない電圧に調整されていること、さらには使用電力や送電線路の送電容量に応じた電流および位相が調整されること、等種々の調整制御が必要になる。このために、例えば、発電機入力である水車やタービンの回転力を調整するためガスや水量の調整制御すなわちガバナによる調整制御、原動機の羽根の角度調整、等の種々の機械的調整や制御が必要になる。

一方、最近の趨勢として、小水力発電、風力発電などの小出力の発電装置（風力発電は最近では大出力のものも出現している）も種々商品化されており、自然環境下でのいわゆるクリーンなエネルギーを余すところなく電力に変えようとする動向に沿うものである。そして、これら小出力の発電装置にあってもガバナ等の装置や設備が必要となり保守点検も面倒となるのであるが、さらにはこれらの発電装置の設置については、回転駆動力を得るための風力等の強弱変化の影響をできるだけ少なくするように前述の火力発電等と同等あるいはそれ以上に予め設置環境を考慮することにより効率よくエネルギーを取得できる設置場所を厳密に選択するという必要も生ずる。

また、発電機である以上単独運転用のものを除き系統連系をする必要があるが、この系統連系をする場合発電機出力を商用電源周波数に同期させる必要があるため、従来では交流出力を一旦直流に変換しインバータによって商用交流電源に同期された交流を作成し、この交流を系統につなぐという方策を採っている。

特開２００２−３１５３９６号公報

上述のように大規模な発電プラントにあっても、あるいは小出力の発電装置にあっても、設備コストの低減、装置の簡素化、係員による保守点検の軽減等のために発電機の本体である交流発電機以外の検出器、調整装置、制御装置、保護装置等極めて多く存在する装置や設備をできるだけ複合化して簡素化し、あるいはできれば除去することによって発電装置のスリム化を図りたいという要請がある。そしてこのスリム化の要請に沿うことは、装置の小型化につながり、季節や時期によって、例えば、水量の豊富な時期、風の強い時期に簡便に設置して発電するという、簡便に設置や収納を可能とする発電装置の提供につながる。

また、風力発電等では設置場所を厳密に選択してなるべく定常入力が得られるようにしているのが、仮に、回転駆動力に大きな変化があったとしてもその変化の影響を少なくして恒常的に発電出力が得られる発電装置を得たいという要請がある。

さらに、例えば船舶とか山小屋等に使用される単独運転用の発電装置などにおいては特別な場合であるが、他の発電装置や送配電設備との系統連系を取る場合においては、同期を採る必要があることから、従来ではインバータが別途必要となって高価なものとなり、またインバータの利用に伴う交流−直流、あるいは直流−交流変換作用にて効率が低下するという問題があった。また、系統連系を行う場合、断線等による負荷停電時でもインバータの動作による活線に伴う危険を防止すべく系統切り離しのための単独運転防止対策や負荷短絡時の防護のための高速遮断器等の連系保護装置が必要となるため、高価で構成上複雑なものとならざるを得なかった。

さらには、風力発電において、強風時に回転駆動力を発電装置から切り離すことなく、風力エネルギーを発電にできるだけ利用したいという要請もある。

この発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、調整制御装置等の設備や装置あるいは保守点検作業をできるだけ少なくしてスリムな発電装置とし、入力である回転駆動力の大小にかかわらず発電を可能とし、系統連系をする場合にはインバータ等の変換器や従来系統連系に必要な単独運転防止対策や連系保護装置等の構成をできるだけ少なくし、回転エネルギーをできるだけ有効利用するようにした発電装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる発電装置は、固定子と、該固定子に巻かれ交流電源が印加されるべき固定子巻線と、回転子と、該回転子に巻かれ直流電源からスイッチングされた電圧が印加されるべき回転子巻線と、該回転子巻線に接続された整流子と、該交流電源により同期して回転する電動機と、該電動機の回転によりこれと同期して回転するブラシと、を備え、前記交流電源の周波数に同期して回転する前記ブラシと、前記整流子と、を介して前記回転子巻線に給電することにより前記回転子に回転磁界を発生させ、前記固定子巻線から前記交流電源に同期した発電出力を得ることを特徴とする。

この発明によれば、交流電源の周波数に同期して回転するブラシと、整流子と、を介して回転子巻線に給電することにより回転子に回転磁界を発生させることができるので、固定子巻線に磁束変化による起電力が誘起され、発電が可能となる。また、固定子巻線は、交流電源に接続されて交流励磁されるので、系統連系が可能となる。

つぎの発明にかかる発電装置は、上記の発明において、前記ブラシに印加される電圧は、前記電動機の回転とともに回転するスリップリングを介して前記直流電源から給電されることを特徴とする。

この発明によれば、ブラシに印加される電圧を、電動機の回転とともに回転するスリップリングを介して直流電源から給電するようにしているので、直流電源を回転軸に搭載した一体構造とする必要がない。

この発明によれば、固定子と、固定子に巻かれ交流電源が印加されるべき固定子巻線と、回転子と、回転子に巻かれ直流電源からスイッチングされた電圧が印加されるべき回転子巻線と、回転子巻線に接続された整流子と、交流電源により同期して回転する電動機と、電動機の回転によりこれと同期して回転するブラシと、が具備され、交流電源の周波数に同期して回転するブラシと、整流子と、を介して回転子巻線に給電することとしたので、固定子巻線から交流電源に同期した発電出力を得ることが可能であるという効果を奏する。

つぎの発明によれば、ブラシに印加される電圧を、電動機の回転とともに回転するスリップリングを介して直流電源から給電することとしたので、直流電源を回転軸に搭載した一体構造とすることなく発電装置を構成することができるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかる好適な発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

［第１の実施形態］
図１は、この発明の第１の実施の形態にかかる発電装置の簡略構成図である。この発電装置は、単独運転の発電装置としても系統連系の発電装置としても機能させることができるが、この実施形態は、単独運転の発電装置として機能させる場合の構成を示すものである。なお、同図に示す構成図では、発電装置の構成をわかりやすく説明するために多少の変形を加え、あるいは模式的な構成として表示している。例えば、実際の発電装置では、回転子６が磁極片２２の内部に挿入される形で構成されるが、同図では、回転子６の概略構造を明確にするため磁極片２２と重ならないように表示している。

図１において、界磁巻線（固定子巻線）１が巻かれた固定子鉄心２を有する固定子３に対して、回転子巻線４が巻かれた回転子鉄心５を有する回転子６が原動機である風車７を駆動源として回転自在に配置される。回転子６には、回転子巻線４と結線されている複数の整流子片８１を有する整流子８が一体に回転可能に取り付けられている。

界磁巻線１が巻回された固定子鉄心２のヨーク２１の端は、磁極片２２をそれぞれ有する２極の界磁極を構成する。この場合、界磁極としては、２極の構成だけでなく２の倍数の極数とすることもできる。また、界磁巻線１は、三相交流電源にも接続することができるが、界磁極として３極もしくは３の倍数の極数に構成することもできる。なお、図１の固定子鉄心２の形状は、実際に即した形状ではなく、説明の都合上、固定子鉄心２のヨーク２１の端を形成しているものとして示している。また、磁極片（界磁極）２２は、回転子６に合わせた形状とし、ヨーク２１は、磁極片２２を連結して界磁巻線１が巻回された構造として簡略図示している。

回転子６は、その外周の周方向に等しく配置して形成され軸方向に直線状に形成されたスロット内にコイル辺４１を挿入した複数の型巻コイルからなる回転子巻線４を有している。各型巻コイルの巻線端（電気的入出力端子）はそれぞれ整流子片８１に個別に結線されている。以上説明したように、固定子３および回転子６の構造は、いわゆる交流整流子機の構造である。

一方、この交流整流子機の構造を有する発電機とは別に、商用交流電源に接続される同期電動機９が備えられている。同期電動機９の回転軸１７には、２個のスリップリング１０、１１と、整流子８の整流子片８１に対して所望の接触抵抗値を有して接触するブラシ１２を支持するブラシホルダを含めた支持部材１３とが一体に連結されている。したがって、これらスリップリング１０、１１および支持部材１３は回転軸１７と一体に回転するようになっている。この場合、整流子８の整流子片８１に対をなして接触するブラシ１２は、電気的にはそれぞれ別々にスリップリング１０、１１に接続されている。そして、これらのスリップリング１０、１１は、ブラシ１２を介して充電可能な直流電源１４に接続されている。なお、図１では、単相の２個のブラシであるブラシ１２を図示しているが、相数あるいは極数に応じてブラシの個数は変化する。また、この実施の形態に係わらず、直流電源１４は、二次電池以外のどのような直流電源でも使用できる。

このように、ブラシ１２は、整流子８に接触しつつ同期電動機９の駆動にて整流子８の周方向に同期回転されることになる。すなわち、図１は発電機としてはいわゆる交流整流子機の構造を有しているのであるが、ブラシ１２は、対をなすブラシ相互の位置関係を保ったまま、しかも整流子片８１との間で所望の接触抵抗値を保ったままで整流子８の周方向（以下単に周方向と称する）に同期回転されることになる。ブラシ１２の同期回転状態は、回転子６ひいては整流子８が風車からの回転駆動力がなく停止中であろうと回転駆動力により回転中であろうと常に保たれる。

なお、図１において、同期電動機９の回転軸１７に取り付けられたスリップリング１０、１１は、設置状態に置かれる直流電源１４を回転部分であるブラシ１２に接続するために必要であるが、直流電源１４を回転軸に搭載した一体回転する構造とするときにはスリップリング１０、１１やこのスリップリング１０、１１に接触するブラシは不要になる。

図２は、回転子巻線４に流れる電流方向の変化を説明するための図であり、１２個の単位巻線（型巻コイル）からなる回転子巻線４と回転子巻線４が接続される整流子８とを有する交流整流子機を平面的に展開した状態を示している。ここで、一般的な交流整流子機に備えられた回転子巻線の構造は、本願発明の発電装置に備えられる回転子巻線４の構造と基本的な点において同一であるため、この交流整流子機を例にとって上述の電流方向の変化の説明を行うことにする。

図２において、整流子８の整流子片８１にブラシ１２が接触することによって、直流電源１４と回転子巻線４との間で閉回路が形成される。このとき、直流電源１４による電流は、同図中、左側のニの位置から右側のニの位置に向って回転子巻線４内を右方向と左方向の２方向に分流することになる。ついで、ブラシ１２の回転によって、つぎのブラシ移動位置、例えば、整流子片８１のホ、ホ位置に、ブラシ１２が接触した場合では、左側のホの位置から右側のホの位置に向って回転子巻線４内を右方向と左方向の２方向に分流することになる。

このように、ブラシ１２を商用電源周波数に同期させて回転させることによってブラシ１２の接触位置が順にシフトし、回転子巻線４内を流れる直流電源１４からの電流が順に隣の単位巻線に変移していくことになる。このことは、直流電源１４から回転子巻線４内に流れる電流によって生じた図中破線で示す電磁石Ｍが、電流の変移によって商用電源周波数に同期して回転する回転磁界を発生させることになる。つまり、整流子片８１上のブラシ１２の順移動により、ブラシ１２と整流子片８１との導通切り替わり（接触スイッチング手段を構成すること）が生じ、直流電源１４からの電流が回転子巻線４における変移電流によって回転子６に回転磁界を生起させることになる。

図３は、回転子の回転磁界によって界磁巻線に生ずる磁界の変化を説明するための図である。回転子６において、直流電源１４からスリップリング１１（図示省略）、ブラシ１２ａ（図中黒丸で示す）を介して流れ込む電流が回転子巻線４を流れ、ブラシ１２ｂ（図中白丸で示す）、スリップリング１０（図示省略）を抜けて直流電源１４に戻る。この回転子巻線４を流れる電流によって、回転子６には同図に示すような回転磁界が生ずる。この回転磁界は、磁極片２２での磁界の変化をもたらし、界磁巻線１に誘導起電力を生じさせる。

図３では、界磁巻線１に生ずる磁界の強度変化を、図中Ｎ、Ｓの文字の大きさによって示している。この磁界の変化は、界磁巻線に鎖交する磁束量が変化することによって引き起こされる。１の状態では、同図左側の磁極片では回転磁界のＮ極と逆極性のＳ極が生じ、同図右側の磁極片では回転磁界のＳ極と逆極性のＮ極が生ずる。これに対して、５の状態では、同図左側の磁極片では回転磁界のＳ極と逆極性のＮ極が生じ、同図右側の磁極片では回転磁界のＮ極と逆極性のＳ極が生ずる。このように、回転磁界の回転によって界磁巻線に生ずる磁界の強さが１〜５のように変化する。一方、界磁巻線に生ずる起電力は磁束量の変化、つまり磁界の変化量に比例するので、同図に示すように、３の状態ときに最大となり、１および５の状態のときには略０となる。

これまでの説明では、特に断りを入れることなく、風車７は停止している状態にあり、回転子６は物理的に回転していないものとして取り扱ってきた。そこで、つぎに、風車７の回転によって回転子６が物理的に回転している場合について説明する。

まず、回転磁界の周期について考える。回転磁界の変化は、上述したようにブラシ１２を回転させることによって生ずる。すなわち、回転磁界の変化は、図３に示すように、１〜５の間で半周期の回転磁界が形成され、この周期は、界磁巻線１に誘導される起電力の周期と同一である。すなわち、回転磁界の周期は、ブラシ１２の回転周期と同一であり、回転子６の回転速度には依存しない。このことから、図１において、界磁巻線１から出力される交流出力の周波数は、回転子６の回転速度に依存することなく、同期電動機９によって制御することができる。例えば、同期電動機９が商用電源の周波数に同期して回転することにより、商用電源と同一周波数の交流出力を取り出すことができる。

つぎに、界磁巻線１に生ずる起電力の大きさについて考える。界磁巻線１に生ずる起電力の大きさが界磁巻線１を鎖交する磁束の変化量に比例するという事実は、上述したとおりである。つまり、界磁巻線１に生ずる起電力の大きさは、単位時間あたりに界磁巻線１を鎖交する磁束量に比例することになる。一方、風車７が物理的に回転し、回転速度が増加するにつれて、界磁巻線１を横切る回転子巻線４の単位巻線の数が増加する。これは、単位時間当たりに界磁巻線１を通過する磁束量が増大することであり、したがって、回転子６の回転速度が増加すると、界磁巻線１に生ずる起電力が増大することになり、この関係を示したものが図４である。

図４は、第１の実施の形態の発電装置における回転子６の回転速度と界磁巻線１に生ずる起電力（電圧）との関係を示す図である。同図に示す２本のカーブは、それぞれ異なる作用によって生ずる起電力を示しており、一方は、トランス結合作用による起電力（Ｔ）であり、他方は、回転による起電力（Ｒ）である。なお、これらの２つの起電力の定義（意味）については、後述する。

つぎに、図１に示すこの実施の形態の発電装置において、風車７の動きを加味したときの動作について、図１または図４を用いて説明する。
具体的には、
１回転子６が停止している場合
また、風車７の回転により生ずる回転駆動力によって、
２回転子６が同期速度未満で回転している場合
３同期速度で回転している場合
４同期速度を超える速度で回転している場合、
の各状態にわたって、界磁巻線１での発生電圧などについて説明する。

(回転子６が停止している場合）
図１において、ブラシ１２が同期速度で回転するとき、回転子巻線４には、ブラシ１２の移動によって直流電源１４から流れる直流電流の切り替わりが生じる。また、この直流電流の切り替わりにより、回転子６には同期回転磁界が生じ、この回転磁界によって界磁巻線１には、この直流電流の切り替わりに同期した誘導起電力が生じる。ここで、この界磁巻線１に生ずる起電力は、界磁巻線１と回転子巻線４との磁気結合に基づいて発生し、また、このとき発生する起電力の大きさは、両者の巻線比等に依存するので、この起電力をトランス結合作用による起電力と呼称する。

図４にも示すように、風車７の停止状態において、このトランス結合作用による起電力が生じている。このように、風車７が停止して回転駆動力がなく回転子６が停止している状態でも、界磁巻線１が界磁極での磁束変化を受けるので、誘導起電力が生ずる。

（回転子６が同期速度未満の速度で回転しているとき）
界磁巻線１に生ずる誘導起電力に関し、風車７が停止している状態から回転し始め、回転子６が同期速度未満の速度で回転している場合はつぎのようになる。風車７の回転駆動力により回転子６が回転し始め物理的回転が増大するにつれて、回転子６の回転と回転磁界の同期回転との間の速度差が次第に小さくなっていく。

すなわち、回転子６が停止しているときと比べ、回転子６の回転速度が同期速度に近づくこととなって、回転子６が停止している際に生じたトランス結合作用のみによる起電力が、回転子６の回転に伴って減少する一方、回転子６には、ブラシ１２の回転に伴うスイッチング動作により直流励磁された巻線が存在するので、この直流励磁された巻線の回転により発生する起電力が次第に増大する。なお、この起電力を、上記の「トランス結合作用による起電力」と区別するために、「回転による起電力」と呼称する。

また、図６にも示すように、回転子６が同期速度未満で回転している場合、発電装置全体としては、回転子６の物理的回転に基づかないトランス結合作用による起電力（Ｔ）が減少する反面、回転子６の回転に基づいて発生する回転による起電力（Ｒ）が増大する。回転子６の回転速度が増大するにつれ、ブラシ１２の回転に依存した導通切り替わり速度が相対的に遅くなって、回転子巻線４のリアクタンスが減少し、回転子巻線４のインピーダンスが減少する。この結果、回転磁界を生じさせる電流が増大して磁界が強くなり、界磁巻線１での誘導起電力も大きくなる。

（回転子６が同期速度で回転しているとき）
風車７の回転駆動力によって回転子６の回転とブラシ１２の回転に伴う導通切り替わりによる回転磁界とが同一の同期速度になった場合には、偶然に選択された回転子巻線４の入出力端子のみが導通して直流電源１４からの直流電流に基づく直流磁界によって生じた電磁石（回転子巻線４の切り替わりによらない）の同期回転によって、界磁巻線１には起電力が生ずる。なお、この起電力は、界磁巻線１を電磁石の磁束が横切ることによって生ずるので、前述した回転による起電力のみが生じ、回転子巻線４には直流電源のみが流れるためトランス結合作用は消滅し、この作用による起電力は略０となる（図４参照）。

（回転子６が同期速度を超えて回転しているとき）
風車７の高速回転によって回転子６の回転が同期速度を超える速度（同期速度超という）で回転する場合は、回転子６が同期回転して回転子巻線４の電磁石が同期回転する場合よりもさらに高速に回転することとなる。つまり、界磁巻線１および回転子巻線４に流れる電流による回転磁界は、回転子６の回転よりも遅れて回転することとなる。したがって、界磁巻線１の磁束変化や回転磁界の回転の元となるブラシ１２が回転しない瞬間でも、回転子６自体は物理的に回転していることになる。その結果、回転子巻線４の電磁石の同期回転によって界磁巻線１に生ずる回転による起電力に対し、さらに同期速度を超える分だけの回転子６の回転に起因する磁束変化に基づいた起電力が界磁巻線１に加わる。また、トランス結合作用による界磁巻線１に生じる電圧は、回転子６の回転が同期速度を超過することにより、回転子巻線４の電流の切り替わりが生じ、再び発生する。なお、この電圧は、同期速度未満の場合と同相で、回転子６の回転の増大に伴い、増大する（図４参照）。

上述した動作（作用）を纏めると、界磁巻線１に発生する電圧は、つぎのようになる。
１回転子６が停止状態のときは、トランス結合作用による起電力のみが生じ、
２回転子６が同期速度未満の速度で回転しているときは、トランス結合作用による起電力が減少する反面、回転による起電力が増大し、
３回転子６が同期速度で回転しているときは、回転による起電力のみが生じ、トランス結合作用による起電力は略０となり、
４回転子６が同期速度を超えて回転しているときは、回転による起電力は増加し、トランス結合作用による起電力は同期速度を境に再び上昇する。

このように、回転子６が停止状態から同期速度を超えて回転する領域の全域にわたって、同期速度で回転している回転子巻線４が発生する回転磁界の周期に同期した同期周波数の発電出力を得ることができる。なお、図４にも示すように、回転子６が同期速度未満で回転している領域では、同期発電機としての振る舞いを呈し、回転子６が同期速度を超えて回転している領域では、誘導発電機としての振る舞いを呈することになる。

なお、回転子６の回転速度が増大すると回転子巻線４に流れる電流が増加するが、回転子巻線４のリアクタンスが大きくなり、回転子巻線４に流れる電流は制限される。したがって、図４に示すように、回転による起電力も徐々に飽和するようになる。一方、回転子巻線４に流す電流を小さくすれば界磁巻線１の起電力を抑制することもできる。つまり、回転子６の回転速度の増大によって増加する回転子電流を積極的に制御することにより、回転速度の変動に応じて、所望のレベルの交流出力を得ることができる。

以上説明したように、この実施の形態の発電装置によれば、回転子巻線を有する回転子と固定子巻線を有する固定子とを備え、回転子巻線が所定の周期で通電される接触スイッチング手段を介して直流電源にて励磁されるようにしているので、回転子の回転速度に比例した交流出力を取り出すことができる。

［第２の実施形態］
図５は、この発明の第２の実施形態にかかる発電装置の簡略構成図である。この実施形態は、系統連携の発電装置として機能させる場合の構成を示すものである。同図に示す発電装置は、図１に示す発電装置の界磁巻線１を商用電源に接続し、発電装置の発電出力を商用電源（系統）側に出力させて系統連携できるように構成している。なお、その他の構成については、図１に示す第１の実施の形態の構成と同一または同等であり、これらの構成部については、同一符号を付して示している。

つぎに、図５に示すこの実施の形態の発電装置の動作について説明する。なお、図６−１は、第２の実施の形態の発電装置における回転子６の回転速度と回転子巻線４に生ずる起電力（電圧）との関係を示す図であり、図６−２は、第２の実施の形態の発電装置における回転子６の回転速度と界磁巻線１に生ずる起電力（電圧）との関係を示す図である。

図５において、第１の実施の形態のところで説明したように、ブラシ１２が同期速度で回転するとき、回転子巻線４には、ブラシ１２の移動によって直流電源１４から流れる直流電流の切り替わりが生じる。また、この直流電流の切り替わりによって生じた同期回転磁界によって、上記で定義したトランス結合作用による起電力が生じる。なお、この起電力が回転子６が停止している状態でも生ずることは、第１の実施の形態のときと同様である。

一方、この実施の形態の発電装置では、第１の実施の形態の発電装置と異なり、界磁巻線１の界磁電流による磁束の変化によって回転子巻線４に交流起電力電圧が、発生していることである。これに、ブラシ１２の回転によって選択された２つの整流子片の間に直流電源１４の端子電圧が印加されることになる。このとき、回転子巻線４には、界磁磁束による誘導起電力と直流電源１４による印加電圧とが互いに逆方向に印加されることとなる。この逆向きに印加されるという事象は、同期速度未満の場合であり、後述する。したがって、回転子巻線４に回転磁界を生起させるためには、直流電源１４による端子電圧が界磁巻線１と回転子巻線４との巻数比によって決定される誘導起電力電圧より高く設定することが必要である。

すなわち、回転子巻線に発生する電圧に着目すれば、回転子巻線に発生する電圧をＥ２とし、直流電源電圧をＥ１とするとき、Ｅ１＝Ｅ２となる回転子６の回転速度Ｐ１が存在し、回転子６の回転速度がこのＰ１を超える領域が発電領域となる（図６−１参照）。一方、界磁巻線に発生する電圧で見れば、回転による起電力（Ｒ）は、Ｐ１の点からスタートして直線的に増加するカーブとなり、トランス結合作用による起電力（Ｔ）は、第１の実施の形態のときと同様に界磁巻線１と回転子巻線４との巻数比によって決定される所定の電圧からスタートして直線的に減少し、回転子６の回転が同期速度で０となり、同期速度を超えて再び上昇する（図６−２参照）。

上述したことから明らかなように、この実施の形態の発電装置では、回転子６がＰ１の点から同期速度を超えて回転する領域の全域にわたって、同期速度で回転している回転磁界の周期に同期した同期周波数の発電出力を得ることができる。なお、図６−１，６−２に示すように、回転子６の回転速度がＰ１から同期速度未満の領域では、同期発電機としての振る舞いを呈し、回転子６が同期速度を超えて回転している領域では、誘導発電機としての振る舞いを呈することになる。

一方、上記の領域以外、すなわち、回転子６の回転速度がＰ１以下の領域での動作について考察するとつぎのようになる。すなわち、この領域では、図６−１に示すように、直流電源１４による回転子巻線４への印加電圧（Ｅ１）が界磁巻線１による回転子巻線４に発生する起電力（Ｅ２）より低くなり、直流電源１４側に電流が流れ込むことになる。したがって、この領域では、誘導電動機としての振る舞いを呈することになる。このとき、カットイン風速近傍のブレードの回転始動を支援できる（図６−２参照）。

また、直流電源１４の電圧（Ｅ１）を界磁巻線１による回転子巻線４に発生する起電力（Ｅ２）と同等、あるいは若干高めに設定しておけば、直流電源１４の電圧が低下したとしても、上記充電電流によって直流電源１４の電圧が復旧した後は、誘導電動機として振る舞うことはないので、この発電装置が系統負荷とならない状態を維持することができる。

図７は、直流電源１４を視点とした第２の実施の形態の発電装置の特性を図６−１に示す回転子巻線４に発生する電圧のグラフ上に示した説明図である。以下、同図を用いて、この発電装置の特性を説明する。なお、同図に示すように、回転子６の回転速度に基づいた３つの領域、すなわち、
１停止状態から回転速度Ｐ１までの領域
２回転速度Ｐ１を超え同期速度までの領域
３同期速度を超える領域
の各領域ごとに、それぞれ説明する。

（停止状態から回転速度Ｐ１までの領域）
この領域では、上述したように、直流電源１４側に電流が流れ込む領域である。また、この電流は、直流電源１４を充電する方向に流れるので、直流電源が二次電池であれば充電することができる。また、この領域は、上述したように、誘導電動機としての振る舞いを呈する領域でもあり、風車７のブレードの回転始動を支援できる領域でもある。

（回転速度Ｐ１を超え同期速度までの領域）
この領域は、直流電源１４により発電可能な領域である。図７に示すように、直流電源電圧（Ｅ１）と回転子巻線４に発生する電圧（Ｅ２）との差電圧ΔＶ１に基づいて回転子巻線４が励磁されるので、回転速度の増大に伴って発電電圧が増加することになる。

（同期速度を超える領域）
同期速度以上の領域では、回転子巻線４に流れる電流は、図７に示すように極性が反転する。したがって、この領域では、直流電源電圧（Ｅ１）と回転子巻線４に発生する電圧（Ｅ２）との差電圧ΔＶ３に基づいて回転子巻線４が励磁されることになり、より大きな発電電圧が出力されることが理解できる。なお、ΔＶ２は、直流電源電圧を０Ｖにした場合の差電圧を示しており、直流電源電圧がない場合でも発電が可能であることを示している。

また、上述した内容から、この領域では、二次電池である直流電源の極性を反転することによって、発電を可能としつつ、この二次電池を充電することもできることを示している。

つぎに、試作機による実験例について述べる。図８は、実際に製作した試作機の構成を示す図である。同図に使用する符号は、図５に示す構成と同一部分については同一符号を付して示している。図８において、商用交流電源１８の電圧を降圧する変圧器１９が備えられ、変圧器１９の出力を交流電源として発電機の界磁巻線１によって界磁回路が形成されている。商用交流電源１８は、図８では接続を省略しているが、同期電動機９を介してブラシ１２を同期回転させる電源でもある。回転子６は、増速機２３を介して、例えば手動にて回転できるように構成されている。また、また、図示を省略した回転子巻線の引き出し線に接続された整流子８およびブラシ１２には、直流電源１４が接続されている。また、図８においては、界磁電流および界磁電圧（系統電圧）を計測するための測定器（例えばオシロスコープ２４）を備えている。

図８は、ブラシ１２の回転機構およびブラシ１２への直流電源１４からの給電を簡略化して表示しているが、図９は、原動機として風車７をつないだ例を示しており、直流電源１４の接続とブラシ１２の回転機構をさらに具体的に例示した構成図である。図９において、原動機である風車７および増速機２３が回転子６および整流子８の回転軸に連結される。整流子８に接触するブラシ１２は、ブラシホルダを含む支持部材１３に取り付け固定される。支持部材１３は、外周に歯車２５と噛合う歯を有する。また、支持部材１３には、ブラシ１２に対応してスリップリング（図９では図示省略）が形成され、このスリップリングが直流電源１４に接続される。このような構造により、スリップリングを介して直流電源１４に接続されたブラシ１２は、同期電動機９の駆動に基づいて同期速度で回転することになる。

図１０は、直流電源１４の回路構成の一例を示す図である。同図に示す直流電源１４は、電圧源と電流源の両者の機能を兼ね備え、二次電池であるバッテリ１１０の出力を電圧源として出力させるためのスイッチ１１１と、スイッチ１１１を開いたときに電流源と機能させるための抵抗体１１２、トランジスタ１１３、ツェナーダイオード１１４およびバイアス抵抗器１１５とを備えている。同図において、スイッチ１１１が投入されるときには、図示を省略しているスリップリング１０、１１にはバッテリ１１０の電圧が直接加わって電圧源として機能することになる。一方、スイッチ１１１を開いた場合には、抵抗体１１２の電流がツェナーダイオード１１４によって逆バイアスに調整されるので、トランジスタ１１３の通電電流が一定に制御され、電流源として機能させることができる。

図１１〜図１３は、図８に示す回路にあって、オシロスコープ２４による電圧および電流波形、すなわち界磁電圧および界磁電流波形を示すグラフである。図１１は、図９において、直流電源１４の回路スイッチ２６を開放して、回転子巻線電流を流さないで、交流商用電源につながる同期電動機９の回路スイッチ２７(図９参照)を開放した状態での、図５に示す界磁巻線１の電圧Ｖおよび電流Ｉを示しており、電圧Ｖに対して電流Ｉが界磁巻線１のインダクタンス分遅れる。そして、この電流Ｉにより発生する交番磁界あるいは回転磁界に基づき回転子巻線４に誘導起電力が発生する。

図１２は、図９の回路スイッチ２６、２７を投入し、同期電動機９を駆動してブラシ１２を同期速度で回転させ、直流電源（電圧源）１４をスリップリングおよびブラシ１２を介して回転子巻線４に接続し電圧を印加した状態を示している。この場合、直流電源１４の端子電圧としては２０Ｖ、変圧器１９の二次電圧Ｖとしては交流８Ｖを使用した。この状態では、界磁巻線１の電流Ｉによる磁束変化に基づき回転子巻線数に依存して回転子巻線４に発生する誘導起電力は直流電源電圧より低く、このためブラシ１２と整流子片８１との接触位置の移動により回転子巻線４には回転磁界が生じ、この回転磁界が界磁巻線１による界磁磁束を変化させ、界磁巻線１に起電力を生ずる。この結果、図１２に示すように、界磁電圧Ｖに対しほぼ逆相の界磁電流Ｉが流れ、発電機から系統側に電力が送られることになる。すなわち、直流電源１４による励磁電流にて形成された回転磁界が界磁巻線１の磁束を変化させることで、界磁巻線１に起電力を誘導したことになる。なお、このときの界磁電流Ｉは界磁電圧Ｖに対し位相ずれが少ない逆相であり、また直流電源１４による励磁電流は１５ｍＡであり、励磁電流は極めて少ない。

図１３は、図１２に示す波形の回路状態において、原動機（例えば手動）により増速機２３を介して回転子６を回転させた波形を示すグラフである。ここでは図示のとおり界磁電流Ｉの波形は図１０の波形と比べても位相の変化はなく、波高値が原動機の回転に応じて大きくなる。すなわち原動機の出力エネルギーが発電電流に変換され、大きな振幅の界磁電流Ｉが得られている。なお、回転子６の回転速度如何に関わらず、界磁電流の周波数、位相は一定である。

このように、この実施形態の発電装置では、広範囲な回転駆動力の変化があっても恒常的に発電電力が得られ、系統連系を行う場合において、インバータ等の機器が不要となる利点を有している。また、一定周波数の出力を得ることが容易にでき、また、その一方で、前述した電流源、電圧源としての直流電源装置を用いることで、周波数等調整のための調整装置や、出力制御のための制御装置、保護装置等を簡素化することができ、設備コストの低減や、保守点検の軽減を図ることができる。

なお、図５に示すように、各整流子片８１は各単位巻線に接続されているように構成しているが、回転子巻線４に電流を流して回転子６に回転磁界を形成するという本発明の特徴に鑑みて、例えば、複数の単位巻線をひとまとめにして単一の整流子片８１に接続するようにすれば、整流子片数を少なくすることができる。

この発明の第１の実施の形態にかかる発電装置の簡略構成図である。回転子巻線４に流れる電流方向の変化を説明するための図である。回転子の回転磁界によって界磁巻線に生ずる磁界の変化を説明するための図である。第１の実施の形態の発電装置における回転子６の回転速度と界磁巻線１に生ずる起電力（電圧）との関係を示す図である。この発明の第２の実施形態にかかる発電装置の簡略構成図である。第２の実施の形態の発電装置において回転子６の回転速度と回転子巻線４に生ずる起電力（電圧）との関係を示す図である。第２の実施の形態の発電装置において回転子６の回転速度と界磁巻線１に生ずる起電力（電圧）との関係を示す図である。直流電源１４を視点とした第２の実施の形態の発電装置の特性を図６−１に示す回転子巻線４に発生する電圧のグラフ上に示した説明図である。実際に製作した試作機の構成を示す図である。直流電源１４の接続とブラシ１２の回転機構をさらに具体的に例示した図である。直流電源１４の回路構成の一例を示す図である。回転駆動力がない場合の界磁電圧Ｖと界磁電流Ｉの波形（直流電源非接続、同期電動機非駆動）を示す図である。回転駆動力がない場合の界磁電圧Ｖと界磁電流Ｉの波形（直流電源接続、同期電動機駆動）を示す図である。回転駆動力がある場合の界磁電圧Ｖと界磁電流Ｉの波形（直流電源接続、同期電動機駆動）を示す図である。

符号の説明

１界磁巻線
２固定子鉄心
３固定子
４回転子巻線
５回転子鉄心
６回転子
７風車
８整流子
９同期電動機
１０，１１スリップリング
１２，１２ａ，１２ｂブラシ
１３支持部材
１４直流電源
１６ブラシ移動位置
１７回転軸
１８商用交流電源
１９変圧器
２１ヨーク
２２磁極片
２３増速機
２４オシロスコープ
２５歯車
２６，２７回路スイッチ
４１コイル辺
８１整流子片
１１０バッテリ
１１１スイッチ
１１２抵抗体
１１３トランジスタ
１１４ツェナーダイオード
１１５バイアス抵抗器

Claims

固定子と、該固定子に巻かれ交流電源が印加されるべき固定子巻線と、回転子と、該回転子に巻かれ直流電源からスイッチングされた電圧が印加されるべき回転子巻線と、該回転子巻線に接続された整流子と、該交流電源により同期して回転する電動機と、該電動機の回転によりこれと同期して回転するブラシと、を備え、
前記交流電源の周波数に同期して回転する前記ブラシと、前記整流子と、を介して前記回転子巻線に給電することにより前記回転子に回転磁界を発生させ、前記固定子巻線から前記交流電源に同期した発電出力を得ることを特徴とする発電装置。
前記ブラシに印加される電圧は、前記電動機の回転とともに回転するスリップリングを介して前記直流電源から給電されることを特徴とする請求項１に記載の発電装置。