JP6715046B2 - 交流発電機のブレーキ装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電装置等における交流発電機のブレーキ装置に関する。

風力発電装置において、風車の回転速度すなわち回転数が過剰となった際には、風車及びこれに接続された交流発電機を保護するために風車の回転を低下させるように制動トルクを発生する機構が知られている。最も単純な機構としては機械的ブレーキがある。機械的ブレーキは主としてディスクブレーキであり、急激な制動は風車に大きな負担をかけるため、通常は静止直前の最終段階で使用される。また、負荷に接続された電動機等から電流を回生させることによる回生ブレーキがあるが、負荷条件により左右される。

特許文献１、２では、交流発電機の出力端子の短絡等により出力電流を増大させることによって交流発電機に制動トルクを発生させ、これを風車の制動力とすることが開示されている（特許文献１、２）。

特許文献１では、風車の回転数と交流発電機の出力周波数が比例することから、交流発電機の出力周波数を検知することにより風車の回転数を監視し、所定の出力周波数を超えると開閉器を閉じて交流発電機の出力を短絡する保護装置が開示されている。開閉器の頻繁な開閉を防止するためにタイマーを用いている。特許文献１の機構では、開閉器が一旦閉じるとタイマーの所定時間を経過するまでは開閉器は閉じたままとなる。従って、開閉器が閉じた際には交流発電機に急激な制動トルクの変化が生じることになり、交流発電機及び風車に大きな機械的ストレスを与えることになる。

特許文献２では、交流発電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、交流発電機の出力電流の整流後に配置したスイッチング素子のオンオフの切換タイミングにより直流電力の大きさを変化させる電力変換回路とを備え、回転速度が過剰となったときは、スイッチング素子が常時オン状態となるまで導通率を徐々に増加させることにより、交流発電機からの出力電流を増大させて交流発電機に制動トルクを発生させている。特許文献２の方式では、交流発電機の出力電流を時間と共に増大させるので、交流発電機に流れる電流に急激な変化が生じないため、機械的ストレスをかけずに風車を制動することができる。

特開２０００−１９９４７３号公報 特開２００７−１８９７７０号公報

特許文献２の装置は、交流発電機の出力電流を時間と共に増大させることで急激な制動トルクを発生しないことを特徴とするが、スイッチング素子の導通率を１００％としても、短絡時の電流には及ばないため、回転数が制御可能範囲を超えてさらに大きくなった場合は開閉器による短絡制動に切り換えている。従って、特許文献２の電流増大方式は、開閉器による出力短絡方式の補完的手段として位置付けられる。

また、特許文献２のような発電出力の電力変換回路及びその制御回路は駆動電源を必要とするので、駆動電源が失われた場合は稼働できず、制動トルクを発生できない。また、交流発電機すなわち風車に対する制動トルクの与え方を、緩急自在に細やかに制御することは困難である。

以上の問題点に鑑み本発明の目的は、風力発電装置等の交流発電機に対して制動トルクを発生するためのブレーキ装置であって、交流発電機に対する制動トルクを緩急自在に制御することが可能であり、かつ、制御部の駆動電源が失われた場合にも正常に機能することが可能なブレーキ装置を提供することである。

上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。なお、括弧内の符号は後述する図面中の符号であり、参考のために付するものである。

・ 本発明による交流発電機のブレーキ装置の一態様は、交流発電機の一対の送電線の一方に第１端（Ｔ１）が接続され、他方に第２端（Ｔ２）が接続されたトライアック（ＴＲ）と、
前記トライアック（ＴＲ）のゲート（ＴＧ）と第２端（Ｔ２）との間に並列接続された電流路上に挿入接続された第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）と、
前記第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）のオン可能状態とオフ状態とを切り換え可能である第２のスイッチング手段（Ｑ３）と、を有し、
前記第２のスイッチング手段（Ｑ３）により前記第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）がオン可能状態とされているとき、線間電圧の絶対値が所定の値を超えると、線間電圧を駆動電源として該第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）がオンとなりかつ線間電圧の極性に従って前記電流路を通して前記ゲート（ＴＧ）にトリガ電流が流れることにより前記トライアック（ＴＲ）がオンし、該トライアック（ＴＲ）を通して送電線間に短絡電流が流れ、
前記第２のスイッチング手段（Ｑ３）がオフのとき前記第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）がオン可能状態となり、該第２のスイッチング手段（Ｑ３）がオンのとき該第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）がオフ状態となり、
前記第２のスイッチング手段（Ｑ３）は、該第２のスイッチング手段（Ｑ３）のオンオフを制御する制御部と共通の駆動電源（Ｖｃｃ）であって前記交流発電機の出力とは異なる駆動電源（Ｖｃｃ）により駆動されており、該共通の駆動電源（Ｖｃｃ）が失われたときはオフとなることを特徴とする。
・上記態様において、前記第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）が、前記電流路上に逆直列接続にて挿入された、制御端（Ｇ）を具備する第１及び第２のスイッチング素子（Ｑ１，Ｑ２）から構成され、第１のスイッチング素子（Ｑ１）の一端（Ｄ１）は前記トライアック（ＴＲ）のゲート（ＴＧ）側に接続されるとともに、第２のスイッチング素子（Ｑ２）の一端（Ｄ２）は前記トライアック（ＴＲ）の第２端（Ｔ２）側に接続され、前記第１及び第２のスイッチング素子（Ｑ１，Ｑ２）の他端（Ｓ）同士が第１の共通接続点（Ｐ１）にて接続され、該第１及び第２のスイッチング素子（Ｑ１，Ｑ２）の制御端（Ｇ）同士が第２の共通接続点（Ｐ２）にて接続されており、かつ、前記第２のスイッチング手段（Ｑ３）が、前記第１の共通接続点（Ｐ１）に一端を接続されるとともに、前記第２の共通接続点（Ｐ２）に他端を接続されているようにできる。
・ 上記態様において、前記交流発電機の回転数を検出する回転数検出部（２）を有し、
前記第２スイッチング手段（Ｑ３）による前記第１スイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）の状態の切換が、前記回転数検出部（２）により検出された回転数に基づいて行われるようにできる。

・ 本発明の交流発電機のブレーキ装置のさらに別の態様では、上記いずれかの態様のブレーキ装置であって、前記交流発電機が三相交流を出力する交流発電機であり、３つの送電線の各線間に設けられている。
・ 本発明の交流発電機のブレーキ装置のさらに別の態様では、上記いずれかの態様において、前記交流発電機が風力発電装置における交流発電機である。
・ 本発明の交流発電機のブレーキ装置のさらに別の態様では、上記いずれかの態様において、前記交流発電機が永久磁石形同期発電機である。

本発明のブレーキ装置は、交流発電機の送電線間に接続したトライアックを通して短絡電流を流し交流発電機にブレーキをかけるものである。制御信号により、トライアックのオンオフ状態を自在に制御できるので、緩急自在にブレーキ動作を行わせることができる。また、本発明のブレーキ装置は、交流である線間電圧の極性が正のときも負の時も動作することができる。

本発明のブレーキ装置におけるブレーキ動作の実働部は、線間電圧を駆動電源としてすなわち交流発電機の電力を利用して稼働することができ、制御部の機能が失われた場合にも自動的に起動するように構成されている。従って、制御部に異常が発生したときもブレーキ動作は正常に行うことができるフェールセーフの機能を備えている。

図１は、本発明の第１の実施形態の構成例を示す図である。 図２（ａ）〜（ｈ）は、図１に示したブレーキ装置の動作における各所の電圧、電流又は状態の時間変化の一例を模式的に示したものである。 図３は、図１に示した短絡ブレーキ部におけるトリガ電流の流れを示す図である。 図４は、本発明の第２の実施形態の構成例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明による交流発電機のブレーキ装置の実施形態について詳細に説明する。

（１）第１の実施形態
図１は、本発明の第１の実施形態の構成例を示す図である。本発明による交流発電機のブレーキ装置は、交流発電機（図示せず）の出力である一対の送電線間を短絡させるための短絡ブレーキ部１と、交流発電機の回転数を検出する回転数検出部２と、制御部３とを有する。

本発明が適用される交流発電機は、永久磁石形同期発電機である。好適には、風力発電の交流発電機の三相交流出力に適用される。三相交流出力の線間を短絡することにより、短絡電流が交流発電機に流れることによって交流発電機に制動トルクを発生し回転を制動することができる。それにより風車の回転に対してブレーキを掛けることができる。

本発明のブレーキ装置における短絡ブレーキ部１は、三相交流出力の３つの線間の各々に対して独立して設置可能である。３つの線間にそれぞれ短絡ブレーキ部１を設置した場合、少なくとも２つの線間の短絡ブレーキ部１を作動させることにより制動が可能である。以下では、三相交流出力のうちＵＷ線間に設置された短絡ブレーキ部１を例として説明するが、他の２つの線間に設置される短絡ブレーキ部１についても全く同じ構成を有する。回転数検出部２については、任意の構成でよいので最後に説明する。

（１−１）第１実施形態の短絡ブレーキ部の構成
短絡ブレーキ部１は、一対の送電線Ｕ、Ｗ間に接続された双方向サイリスタであるトライアックＴＲを有する。トライアックＴＲの第１端Ｔ１が送電線Ｗに接続され、第２端Ｔ２が送電線Ｕに接続されている。すなわちトライアックＴＲは、交流発電機に対して並列接続されている。トライアックＴＲの制御端であるゲートは符号ＴＧで示す。

図示の場合、トライアックＴＲの第１端Ｔ１の電位は送電線Ｗと同電位Ｖｗであり、第２端Ｔ２の電位は送電線Ｕと同電位Ｖｕである。トライアックＴＲの両端電圧は、ＵＷ線間電圧Ｖｕ−Ｖｗとなる。トライアックＴＲは、ゲートＴＧに正（流れ込む電流）又は負（流れ出す電流）のトリガ電流が流れると導通状態（オン）となって両端電圧の極性の方向に主電流が流れることができ、主電流が零になると遮断状態（オフ）となる。

短絡ブレーキ部１は、トリガ電流の電流路上に挿入接続されたスイッチング手段を有する。トリガ電流の電流路は、トライアックＴＲのゲートＴＧと第２端Ｔ２との間に並列接続されている。スイッチング手段は、２つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２から構成される。２つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、それぞれ制御端を有し、互いに逆直列接続されている。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の一例として、ｎチャネル形ＭＯＳＦＥＴを用いている。スイッチング素子Ｑ１（以下「ＦＥＴＱ１」と称する）とスイッチング素子Ｑ２（以下「ＦＥＴＱ２」と称する）は、各ソースＳが共通接続点Ｐ１で互いに接続され、また、ＦＥＴの制御端である各ゲートＧが共通接続点Ｐ２で互いに接続されている。よって、ＦＥＴ子Ｑ１とＦＥＴＱ２は、共通のゲートソース間電圧に依存して同時にオンオフすることになる。

ＦＥＴＱ１のドレインＤ１は、トライアックＴＲのゲートＴＧに接続され、ＦＥＴＱ２のドレインＤ２は、トライアックＴＲの第２端Ｔ２（送電線Ｕ）側に接続されている。

別の例として、送電線Ｕ、Ｗに対するトライアックＴＲの第１端Ｔ１と第２端Ｔ２の向きを逆にした場合は、トライアックＴＲのゲートＴＧは、ＦＥＴＱ２のドレインＤ２と接続する。

さらに、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２のゲートＧの共通接続点Ｐ２は、抵抗Ｒ２を介してＦＥＴＱ１のドレインＤ１と接続されるとともに、抵抗Ｒ４を介してＦＥＴＱ２のドレインＤ２と接続されている。ＦＥＴＱ１のドレインＤ１は、抵抗Ｒ１を介してトライアックＴＲの第１端Ｔ１（送電線Ｗ）に接続され、ＦＥＴＱ２のドレインＤ２は、抵抗Ｒ３を介してトライアックＴＲの第２端Ｔ２（送電線Ｕ）に接続されている。

短絡ブレーキ部１には、さらにスイッチング素子Ｑ３が設けられている。スイッチング素子Ｑ３のスイッチ出力端は、ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２のソースＳである共通接続点Ｐ１と、ゲートＧである共通接続点Ｐ２との間に接続されており、これらの間を導通又は遮断するように制御される。スイッチング素子Ｑ３は、制御入力端とスイッチ出力端が電気的に絶縁されたフォトカプラとすることが好適である。ここでは、一例としてトランジスタカプラ（以下「フォトカプラＱ３」と称する）を用いている。トライアックＴＲが交流発電機と直接接続されているため、短絡ブレーキ部１を制御部３から電気的に絶縁することが好ましい。

フォトカプラＱ３のスイッチ出力端である内蔵トランジスタは、コレクタが共通接続点Ｐ２に、エミッタが共通接続点Ｐ１に接続されているが、逆でもよい。フォトカプラＱ３の制御入力端である内蔵発光ダイオードは、アノードが正の電源Ｖｃｃに接続され、カソードが制御部３の制御出力端Ｐ５に接続されている。フォトカプラＱ３の駆動電源Ｖｃｃは、通常、制御部３の駆動電源と共通である。

図示の例では、制御出力端Ｐ５の制御信号ｃｓが「Ｌ」のとき、フォトカプラＱ３は導通状態（オン）である。このとき、共通接続点Ｐ１とＰ２が接続されるので、ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２はゲートソース間電圧が零となり、ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２はオフ状態となる。

一方、制御信号ｃｓが「Ｈ」のとき、フォトカプラＱ３は遮断状態（オフ）である。このとき、共通接続点Ｐ１とＰ２は遮断され、ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２のゲートソース間には、ＵＷ線間電圧に応じて所定の電圧がかかることになる。ゲートソース間電圧がゲートしきい値電圧以下ではＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２はオフとなり、ゲートしきい値電圧を超えるとＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２はオンとなる。ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２がオン状態になると、ＵＷ線間電圧の極性に応じてＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２の電流路に電流が流れることができる。ＵＷ線間電圧は、ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２の駆動電源の役割を果たしているといえる。

フォトカプラＱ３がオフ状態であっても、ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２はオン状態のときもオフ状態のときもあり、これらのＦＥＴがオンとなるか否かはＵＷ線間電圧に依存する。従って、フォトカプラＱ３がオフ状態のときのＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２の状態を「オン可能状態（条件によってオンとなることが可能な状態の意味）」と称することとする。

図示しないが、送電線Ｕ、Ｖの線間及び送電線Ｖ、Ｗの線間にも、全く同じ構成の短絡ブレーキ部が接続されている（フォトカプラＱ３のみ図示）。図１では、制御部３から各線間の短絡ブレーキ部を制御するための３つの制御出力端が出ている。この場合、制御部３から各短絡ブレーキ部のスイッチング素子Ｑ３に対して、制御信号ｃｓを独立して送ることができる。

別の例として、制御部３から各線間の短絡ブレーキ部のスイッチング素子Ｑ３に対して、共通する１つの制御信号ｃｓを送ってもよい。その場合は、３つのフォトカプラＱ３の各々の制御入力端（内蔵発光ダイオードの両端）を直列に接続する。

なお、短絡ブレーキ部１は、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２をｐチャネル型ＭＯＳＦＥＴに替えて構成することもできる。

（１−２）短絡ブレーキ部の動作
図２（ａ）〜（ｈ）は、図１に示した短絡ブレーキ部１の動作における各所又は各構成要素の電圧、電流又は状態の時間変化の一例を模式的に示したものである。図３は、図１に示した短絡ブレーキ部１におけるトリガ電流の流れを示す図である。図２及び図３を参照して短絡ブレーキ部１の動作を説明する。

図２（ａ）は、送電線Ｕ、Ｗ間の線間電圧を示す。図２（ｂ）は、後述する回転数検出部の出力波形の一例を示す。図２（ｃ）は、フォトカプラＱ３のオンオフ状態を示す。図２（ｄ）は、ＦＥＴＱ２及びＦＥＴＱ３のオンオフ状態を示す。図２（ｅ）は、トライアックＴＲのゲートＴＧに流れるトリガ電流を模式的に示している。図２（ｆ）は、トライアックＴＲのオンオフ状態を示す。図２（ｇ）は、トライアックＴＲの短絡電流を示す。図２（ｈ）は、トライアックＴＲの両端電圧を示す。

＜ブレーキ動作を行わないとき＞
図２（ｃ）において、フォトカプラＱ３に入力される制御信号ｃｓが切り換えられるまでの期間がブレーキ動作を行っていない期間に相当する。

ブレーキ動作を行わないとき、図１の制御部３からの制御信号ｃｓは「Ｌ」に維持される。よって、フォトカプラＱ３はオンに維持される（図２（ｃ））。これにより、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２のゲートＧとソースＳ間が接続される。ゲートソース間電圧が零であるため、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２はオフ状態に維持される（図２（ｄ））。

ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２がオフ状態では、トライアックＴＲのゲートＴＧにトリガ電流が流れることができないので、トライアックＴＲはオフ状態に維持される。

＜ブレーキ動作を行うとき＞
（i）ブレーキ動作の開始時点を含む半周期の動作
図２（ｂ）に例示する回転数検出部の出力パルスの周波数から、交流発電機の回転数を判定できる。この回転数が所定の設定値を超えると、ブレーキ動作を開始するために制御部３から制御信号ｃｓが発せられる。

図２（ｃ）において、フォトカプラＱ３に「Ｈ」の制御信号ｃｓが入力されると、フォトカプラＱ３はオフとなる。これにより、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２のゲートＧとソースＳの接続が遮断される。

なお、ブレーキ動作の開始時点が、ＵＷ線間電圧の半周期内のどの時点となるかは不特定である。

図３（ａ）は、ブレーキ動作の開始時点において送電線Ｕの電位Ｖｕが送電線Ｗの電位Ｖｗより高いとき、すなわちＵＷ線間電圧の極性が正のときに制御信号ｃｓが入力された直後の状態を表している。トライアックＴＲは、この時点より前はオフ状態にある。

ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２のゲートＧとソースＳの接続が遮断されると、ＵＷ線間電圧に応じてゲートＧとソースＳに電位差が生じ、ゲートソース間電圧がかかる。ゲートソース間電圧がゲートしきい値電圧を超えていれば、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２はオンとなる（図２（ｄ））。

図２の例では、ＵＷ線間電圧の絶対値が十分に大きい時点でブレーキ動作が開始されているので、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２は直ちにオンとなる。仮に、ブレーキ動作の開始時点でゲートソース間電圧がゲートしきい値電圧以下であったとしても、ＵＷ線間電圧の絶対値が大きくなりゲートしきい値電圧を超えた時点でＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２はオンとなる。

ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２がオンとなることにより、ＵＷ線間電圧の正の極性に従って点線で示す経路で、送電線Ｕ→抵抗３→ＦＥＴＱ２→ＦＥＴＱ１→トライアックのゲートＴＧ→トライアックの第１端Ｔ１→送電線Ｗへと正方向のトリガ電流が流れる（図２（ｅ）のｔｇ１）。

トリガ電流ｔｇ１が流れることによりトライアックＴＲはオンされる（図２（ｆ））。その結果、トライアックＴＲにＵＷ線間電圧の極性に従って短絡電流が流れる（図２（ｇ））。これにより、トライアックＴＲは短絡状態となって両端電圧は零となる（図２（ｈ））。トライアックＴＲの両端電圧が零となると、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２のゲートソース間電圧も零となるのでＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２はオフとなり（図２（ｄ））、トリガ電流も流れなくなる（図２（ｅ））。ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２のオン時間及びトリガ電流が流れる時間は、非常に短い間である。

トライアックＴＲは、トリガ電流がなくなっても短絡電流が流れている間はオン状態である。ＵＷ線間電圧のこの半周期の終わりの時点で短絡電流が零となると、トライアックＴＲはオフとなる（図２（ｆ））。

（ii）次の半周期以降の動作
トライアックＴＲがオフになり、ＵＷ線間電圧の次の負の半周期が始まると、ＵＷ線間電圧がそれまでとは逆の負の極性で絶対値が増加し始める。これにより、ＴＲ両端電圧も負の極性で絶対値が増加し始める（図２（ｈ））。

図３（ｂ）は、送電線Ｕの電位Ｖｕが送電線Ｗの電位Ｖｗより低いとき、すなわちＵＷ線間電圧の極性が負のときに、トライアックＴＲがオンするときの状態を表している。トライアックＴＲは、この時点より前はオフ状態にある。ＵＷ線間電圧の極性が負のときにも、ＵＷ線間電圧に応じてＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２のゲートＧとソースＳに電位差が生じ、ゲートソース間電圧がかかる。ゲートソース間電圧がゲートしきい値電圧を超えると、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２はオンとなる（図２（ｄ））。

このように、ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２は、ＵＷ線間電圧の極性が正の時も負の時も、ゲート電位がソース電位よりも高くなることができる。そして、ＵＷ線間電圧の絶対値が所定の値を超えると、ゲートソース間電圧がゲートしきい値電圧を超え、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２はオンとなることができる。この結果、線間電圧の極性が正のときも負のときもブレーキ動作を行うことができる。

ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２がオンとなることにより、ＵＷ線間電圧の負の極性に従って点線で示す経路で、送電線Ｗ→トライアックの第１端Ｔ１→トライアックのゲートＴＧ→ＦＥＴＱ１→ＦＥＴＱ２→抵抗３→送電線Ｕへと負方向のトリガ電流が流れる（図２（ｅ）のｔｇ２）。

トリガ電流ｔｇ２が流れることによりトライアックＴＲはオンされる（図２（ｆ））。その結果、トライアックＴＲにＵＷ線間電圧の極性に従って短絡電流が流れる（図２（ｇ））。これにより、トライアックＴＲは短絡状態となって両端電圧は零となる（図２（ｈ））。トライアックＴＲの両端電圧が零となると、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２のゲートソース間電圧も零となるのでＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２はオフとなり（図２（ｄ））、トリガ電流も流れなくなる（図２（ｅ））。

トライアックＴＲは、トリガ電流がなくなっても短絡電流が流れている間はオン状態である。負の半周期の終わりの時点で短絡電流が零となると、トライアックＴＲは再びオフとなる（図２（ｆ））。

その後は、ＵＷ線間電圧の新たな半周期が始まるとＵＷ線間電圧の絶対値の上昇に伴ってトライアックＴＲの両端電圧の絶対値が上昇し始めるが、絶対値が所定の値を超えると、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２がオンとなり、トライアックＴＲのトリガ電流が流れ、トライアックがオンして短絡電流が流れ、トライアックＴＲの両端電圧は零に戻る、という動作が繰り返される。これは、フォトカプラＱ３のオフ状態が維持される間、持続する。

トライアックＴＲの短絡電流が交流発電機に戻ることにより、交流発電機に制動トルクが発生し回転にブレーキが掛かる。交流発電機が風力発電装置の風車にギアを介して連結されている場合、風車の回転にブレーキが掛かることになる。

（１−３）ブレーキ動作の制御の特徴
上記の通り、ＵＷ線間電圧を（すなわち交流発電機の出力電力を）駆動電源としてＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２がオンとなり、トリガ電流を流すことによりトライアックＴＲをオンとし、ＵＷ線間に短絡電流を流すことができる。制御信号ｃｓが「Ｈ」に維持され、フォトカプラＱ３がオフに維持されている間は、ブレーキを掛け続けることができる。

なお、制御信号ｃｓの「Ｈ」と「Ｌ」の切換及び各期間の長さは、制御部３により自在に制御することができる。例えば、制御信号ｃｓの「Ｈ」と「Ｌ」を一定時間（三相交流の周期より長い）ずつ繰り返すと、間欠的にブレーキを掛けることができる。これにより、交流発電機ひいては風車に対して急激な機械的ストレスを及ぼすことなく、穏やかなブレーキを掛けることが可能となる。このように、制御信号ｃｓにより、緩急自在なブレーキ動作を行うことができる。

ここで、フォトカプラＱ３の駆動電源Ｖｃｃは、通常、制御部３の駆動電源と共通である。停電等の何らかの原因により、制御部３の駆動電源が失われたとき、フォトカプラＱ３の駆動電源Ｖｃｃも消失する。このとき、フォトカプラＱ３はオフとなる。フォトカプラＱ３がオフとなることは、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２がオン可能状態となることを意味し、上述したトライアックＴＲによるブレーキ動作が開始されることを意味する。このことは、トライアックＴＲ、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ２の駆動電源が、ＵＷ線間電圧自体であることにより実現される。すなわち、本発明のブレーキ装置の実働部は、交流発電機の電力を利用して稼働している。従って、図１のブレーキ装置は、制御部の駆動電源が失われたときも、ブレーキ動作を行うことができるので、フェールセーフの機能を備えているといえる。

（２）第２の実施形態
図４は、本発明の第２の実施形態の構成例を示す図である。第２の実施形態は、図１に示した第１の実施形態とは異なる構成の短絡ブレーキ部１Ａを有する。なお、回転数検出部については、第１の実施形態と共通するので図示を省略する。

短絡ブレーキ部１Ａは、第１の実施形態と同様にトライアックＴＲを有し、トライアックＴＲの第１端Ｔ１が送電線Ｗに接続され、第２端Ｔ２が送電線Ｕに接続されている。

短絡ブレーキ部１Ａは、第１の実施形態と同様に、トライアックＴＲのトリガ電流の電流路上に挿入接続されたスイッチング手段を有する。トリガ電流の電流路は、トライアックＴＲのゲートＴＧと第２端Ｔ２との間に並列接続されている。第２の実施形態のスイッチング手段は、スイッチング素子Ｑ１１で構成される。スイッチング素子Ｑ１１は、制御部３と電気的に絶縁可能なフォトカプラとすることが好適である。ここでは、一例としてフォトＭＯＳリレーを用いている。

フォトＭＯＳリレーは、発光ダイオードと、発光ダイオードにより充電される光電素子と、光電素子によりゲート電圧を供給されてオンする２つのＭＯＳＦＥＴとを内蔵する素子である。内蔵ＭＯＳＦＥＴは、第１の実施形態の逆直列接続された２つのＭＯＳＦＥＴと等価な構成となっている。内蔵ＭＯＳＦＥＴの両端が、フォトＭＯＳリレーのスイッチ出力端となっている。

フォトＭＯＳリレーＱ１１のスイッチ出力端は、一方がトライアックＴＲのゲートＴＧに接続され、他方がトライアックＴＲの第２端Ｔ２に接続されている。

フォトＭＯＳリレーＱ１１の内蔵発光ダイオードのオン状態とオフ状態の切り換えは、制御部３の制御信号端子Ｐ５から入力される制御信号ｃｓにより行われる。制御信号ｃｓにより内蔵発光ダイオードがオンに維持されている間は、内蔵ＭＯＳＦＥＴもオン状態に維持され、フォトＭＯＳリレーＱ１１は導通状態となる。内蔵発光ダイオードがオフのときは、フォトＭＯＳリレーＱ１１は遮断される。

なお、図４では、三相交流の各線間用の３個のフォトＭＯＳリレーＱ１１が直列接続され、共通する１つの制御信号ｃｓにより制御されているが、第１の実施形態のように、３つの制御信号ｃｓによりそれぞれ別個に制御してもよい。

次に、第２の実施形態の短絡ブレーキ部１Ａの動作を説明する。
ブレーキ動作を行っていないときは、制御信号ｃｓが出されない（あるいは、構成によってはオフ信号が出される）。このとき、フォトＭＯＳリレーＱ１１はオフであるので、トライアックＴＲのトリガ電流が流れる電流路は遮断されており、トリガ電流は流れない。トライアックＴＲがオフ状態のときは、そのままオフ状態を維持し、トライアックＴＲに短絡電流は流れない。

ブレーキ動作を開始するときは、制御部３からフォトＭＯＳリレーＱ１１をオン状態とする制御信号ｃｓが入力される。フォトＭＯＳリレーＱ１１がオンになると、その時点のＵＷ線間電圧の極性に従ってフォトＭＯＳリレーＱ１１を通ってトライアックＴＲにトリガ電流が流れる。ＵＷ線間電圧が正の極性であればゲートＴＧに電流が流れ込み、ＵＷ線間電圧が負の極性であればゲートＴＧから電流が流れ出る。これによりトライアックＴＲがオンとなる。

トライアックＴＲがオンになるとＵＷ線間電圧の極性に従ってトライアックＴＲに短絡電流が流れる。これにより、交流発電機にブレーキが掛かる。また、トライアックＴＲの両端電圧が零になることによりトリガ電流もオフになるが、トライアックＴＲは短絡電流が流れ続ける限りオン状態を維持する。

ＵＷ線間電圧の半周期の終わりの時点で短絡電流が零になるとトライアックＴＲはオフになるが、第２の実施形態では、フォトＭＯＳリレーＱ１１のオン状態が制御信号ｃｓによって維持されている。従って、次の半周期が始まりＵＷ線間電圧の絶対値が大きくなり始めると直ちに逆方向のトリガ電流が流れ、トライアックＴＲはオンする。トライアックＴＲの短絡電流が流れると、トライアックＴＲの両端電圧は零になりトリガ電流はオフになる。トライアックＴＲには短絡電流が流れ続ける。この動作を繰り返すことにより、交流発電機にブレーキを掛け続けることができる。

第１の実施形態と同様に、制御信号ｃｓのオン期間とオフ期間を調整することにより、緩急自在にブレーキをかけることができる。但し、第１の実施形態と異なり第２の実施形態では、制御部３の駆動電源が消失するなど、制御部３の機能が失われたときはフォトＭＯＳリレーＱ１１がオフとなるので、短絡ブレーキ部１Ａはブレーキ動作を行うことができない。

なお、双方向スイッチ機能を有するフォトカプラであれば、フォトＭＯＳリレーに替えて用いることができる。

（３）回転数検出部の構成及び動作
図１の回転数検出部２の構成及び動作について説明する。図１の回転数検出部２は、送電線Ｕと送電線Ｖの線間電圧を用いて回転数検出を行っている。三相のうち、いずれの線間電圧を回転数検出に用いるかは任意である。

フォトカプラＱ４とＱ５は、ＵＶ線間電圧の極性に応じて排他的にオンオフする。フォトカプラにより送電線と検知回路とを電気的に絶縁している。送電線Ｕは、抵抗Ｒ５を介してフォトカプラＱ４の内蔵発光ダイオードのカソードでありかつフォトカプラＱ５の内蔵発光ダイオードのアノードである点Ｐ６に接続されている。よって電位Ｖｕは点Ｐ６の電位に反映される。送電線Ｖは、逆極性直列接続されたツェナーダイオードＺ１、Ｚ２を介してフォトカプラＱ４の内蔵発光ダイオードのカソードでありかつフォトカプラＱ５の内蔵発光ダイオードのアノードである点Ｐ７に接続されている。よって電位Ｖｖは点Ｐ７の電位に反映される。

ＵＶ線間電圧の極性切換点近傍におけるノイズ対策のために、ツェナーダイオードＺ１、Ｚ２によりヒステリシスを設けている。

回転数検出部２の出力端Ｐ８は、ｎ形ＭＯＳＦＥＴＱ８のドレインである。ＦＥＴＱ８がオフのときは、出力端Ｐ８はＶｃｃ電位になり「Ｈ」である。ＦＥＴＱ８がオンすると、出力端Ｐ８はほぼ接地電位になり「Ｌ」となる。この「Ｈ」と「Ｌ」の出力信号ｒｓが、ＵＶ線間電圧の正と負の極性に応じて出力されることにより、回転数を検知することができる。

フォトカプラＱ４、Ｑ５の出力は、ｐ形トランジスタＱ６とｎ形トランジスタＱ７で構成されるサイリスタ等価回路に接続されている。

点Ｐ６が正、点Ｐ７が負となると、フォトカプラＱ４はオフとなり、フォトカプラＱ５がオンする。これにより、トランジスタＱ６にベース電流が流れるのでトランジスタＱ６がオンし、トランジスタＱ６のコレクタ電流によりトランジスタＱ７にベース電流が流れるのでトランジスタＱ７がオンし、トランジスタＱ７のコレクタ電流によりトランジスタＱ６のベース電流が流れる。このループによりトランジスタＱ６、Ｑ７は自己保持状態となる。この結果、ＦＥＴＱ８のゲート電位が接地されるので、ＦＥＴＱ８はオフとなり、出力端Ｐ８に「Ｈ」の出力信号ｒｓが出力される。

点Ｐ６が負、点Ｐ７が正となると、フォトカプラＱ４がオンとなり、フォトカプラＱ５がオフする。これにより、トランジスタＱ７にベース電流がなくなりトランジスタＱ７がオフし、トランジスタＱ６のベース電流がなくなりトランジスタＱ６がオフする。この結果、ＦＥＴＱ８のゲート電位にＶｃｃ電位が印加されてＦＥＴＱ８がオンとなり、出力端Ｐ８に「Ｌ」の出力信号ｒｓが出力される。

なお、回転数検出部２は、図示の例に限られず、交流発電機（図示せず）の回転数を検知可能であれば任意の構成とすることができる。また、交流発電機の回転数を直接検知することに替えて、回転数に対応する別のパラメータを検知する構成としてもよい。風力発電装置の場合、交流発電機の回転数を検知する目的は風車の回転数又は回転速度を検知することであるから、風車の回転数又は回転速度に対応するパラメータを検知してもよい。

（４）その他の形態について
本発明による交流発電機のブレーキ装置は、その原理から、三相交流発電機に限られず単相交流発電機にも適用可能である。
本発明は、図示し説明した構成例に限られず、例示した実施形態の原理に従う限りそれらの変形形態についても発明の範囲に含まれるものである。

Ｑ１−Ｑ８、Ｑ１１ スイッチング素子
Ｕ、Ｖ、Ｗ 三相交流送電線
Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ 三相交流送電線電位
ＴＲ トライアック
Ｚ１、Ｚ２ ツェナーダイオード

Claims (6)

1. 交流発電機の一対の送電線の一方に第１端（Ｔ１）が接続され、他方に第２端（Ｔ２）が接続されたトライアック（ＴＲ）と、
   前記トライアック（ＴＲ）のゲート（ＴＧ）と第２端（Ｔ２）との間に並列接続された電流路上に挿入接続された第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）と、
   前記第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）のオン可能状態とオフ状態とを切り換え可能である第２のスイッチング手段（Ｑ３）と、を有し、
   前記第２のスイッチング手段（Ｑ３）により前記第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）がオン可能状態とされているとき、線間電圧の絶対値が所定の値を超えると、線間電圧を駆動電源として該第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）がオンとなりかつ線間電圧の極性に従って前記電流路を通して前記ゲート（ＴＧ）にトリガ電流が流れることにより前記トライアック（ＴＲ）がオンし、該トライアック（ＴＲ）を通して送電線間に短絡電流が流れ、
   前記第２のスイッチング手段（Ｑ３）がオフのとき前記第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）がオン可能状態となり、該第２のスイッチング手段（Ｑ３）がオンのとき該第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）がオフ状態となり、
   前記第２のスイッチング手段（Ｑ３）は、該第２のスイッチング手段（Ｑ３）のオンオフを制御する制御部と共通の駆動電源（Ｖｃｃ）であって前記交流発電機の出力とは異なる駆動電源（Ｖｃｃ）により駆動されており、該共通の駆動電源（Ｖｃｃ）が失われたときはオフとなることを特徴とする交流発電機のブレーキ装置。
2. 前記第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）が、前記電流路上に逆直列接続にて挿入された、制御端（Ｇ）を具備する第１及び第２のスイッチング素子（Ｑ１，Ｑ２）から構成され、
   第１のスイッチング素子（Ｑ１）の一端（Ｄ１）は前記トライアック（ＴＲ）のゲート（ＴＧ）側に接続されるとともに、第２のスイッチング素子（Ｑ２）の一端（Ｄ２）は前記トライアック（ＴＲ）の第２端（Ｔ２）側に接続され、
   前記第１及び第２のスイッチング素子（Ｑ１，Ｑ２）の他端（Ｓ）同士が第１の共通接続点（Ｐ１）にて接続され、該第１及び第２のスイッチング素子（Ｑ１，Ｑ２）の制御端（Ｇ）同士が第２の共通接続点（Ｐ２）にて接続されており、かつ、
   前記第２のスイッチング手段（Ｑ３）が、前記第１の共通接続点（Ｐ１）に一端を接続されるとともに、前記第２の共通接続点（Ｐ２）に他端を接続されていることを特徴とする請求項１に記載の交流発電機のブレーキ装置。
3. 前記交流発電機の回転数を検出する回転数検出部（２）を有し、
   前記第２のスイッチング手段（Ｑ３）による前記第１のスイッチング手段（Ｑ１、Ｑ２）の状態の切換が、前記回転数検出部（２）により検出された回転数に基づいて行われることを特徴とする請求項１又は２に記載の交流発電機のブレーキ装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のブレーキ装置であって、前記交流発電機が三相交流を出力する交流発電機であり、３つの送電線の各線間に設けられていることを特徴とする交流発電機のブレーキ装置。
5. 前記交流発電機が風力発電装置における交流発電機であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の交流発電機のブレーキ装置。
6. 前記交流発電機が永久磁石形同期発電機であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の交流発電機のブレーキ装置。

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