JP7116697B2

JP7116697B2 - generator

Info

Publication number: JP7116697B2
Application number: JP2019045356A
Authority: JP
Inventors: 雅博井上
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2019-03-13
Publication date: 2022-08-10
Anticipated expiration: 2039-03-13
Also published as: JP2020150650A

Description

本発明は、風または水のエネルギーを用いて発電を行う発電装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a power generator that generates power using the energy of wind or water.

励磁電流の制御を回転数によって行う発電装置に関する従来技術がある（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１は、風力発電のプロペラの回転を検出し、あらかじめ決められた回転閾値以下であれば、励磁をＯＦＦして励磁による回転負荷を低減し、回転停止状態にならないようにしている。特許文献２は、自動車用充電装置において、高回転時ほど、励磁電流を減少させることで、高回転時の定電圧発電制御を行っている。 There are conventional technologies related to power generators that control the excitation current based on the number of revolutions (see Patent Documents 1 and 2, for example). Patent Literature 1 detects the rotation of a propeller of a wind power generator, and if it is equal to or less than a predetermined rotation threshold, turns off the excitation to reduce the rotation load caused by the excitation so as not to stop the rotation. In Patent Document 2, in a charging device for a vehicle, the constant voltage power generation control at high rotation is performed by reducing the excitation current at high rotation.

上記のように、従来の電磁石発電機では、電磁石発電機に回転力を供給する回転体によっては、その回転体の動力源により、あらかじめ定められた設定回転数以上で回転できるエネルギーを持っていない場合がある。例えば、小型の風力発電用のプロペラを電磁石発電機に接続した場合、風速が強ければ電磁石発電機の回転数は、発電可能な設定回転数以上まで達することができる。 As described above, in the conventional electromagnet generator, depending on the rotating body that supplies rotational force to the electromagnet generator, the power source of the rotating body does not have enough energy to rotate at a predetermined set number of revolutions or more. Sometimes. For example, when a small propeller for wind power generation is connected to an electromagnet generator, if the wind speed is strong, the rotation speed of the electromagnet generator can reach the set rotation speed at which power can be generated or higher.

しかしながら、低風速時には、電磁石発電機は、回転数が設定回転数まで達することができず、発電電力が励磁電力を上回ることができず、せっかく発電を行っても、結果として取出し電力がプラスにはならなかった。 However, when the wind speed is low, the rotation speed of the electromagnet generator cannot reach the set rotation speed, and the generated power cannot exceed the excitation power. It didn't work.

そこで、このような問題に対して、励磁コイルの回転数に応じて励磁電流の制御を行う制御技術がある。この制御技術では、励磁コイルの回転数を検知し、その回転数に対して適切な励磁電流を流すことで、その回転数で、発電機として適切な取り出し出力を得ることができる。 Therefore, there is a control technique for controlling the excitation current according to the number of rotations of the excitation coil in order to solve such a problem. In this control technique, by detecting the number of rotations of the excitation coil and supplying an excitation current appropriate to that number of rotations, it is possible to obtain an appropriate extraction output as a generator at that number of rotations.

特許第４１３４５８２号公報Japanese Patent No. 4134582 特開昭６１－１１２５３６号公報JP-A-61-112536

しかしながら、プロペラは、プロペラを通過する風速と、プロペラ先端部の速度に相当するプロペラの周速との比によって、風速を回転エネルギーに変換する効率が変わってくる。なお、風速とプロペラの周速との比のことを、以下では、周速比と称する。 However, the propeller's efficiency of converting wind speed into rotational energy varies depending on the ratio between the wind speed passing through the propeller and the peripheral speed of the propeller, which corresponds to the speed of the tip of the propeller. The ratio between the wind speed and the peripheral speed of the propeller is hereinafter referred to as the peripheral speed ratio.

同じ風速であっても、回転数（＝周速比）によってプロペラの発生できるトルクおよび出力は変わる。換言すると、各風速で、風速に対して最適なプロペラ回転数が存在する。 Even if the wind speed is the same, the torque and power that can be generated by the propeller change depending on the rotation speed (=peripheral speed ratio). In other words, at each wind speed there is an optimum propeller speed for that wind speed.

ここで、発電電力は、電圧の２乗になるため、回転数が高いほど、発電量が２乗で大きくなる。従って、特に、低回転時においては、発電量が少なく、効率も悪いことがわかる。 Here, since the generated power is the square of the voltage, the higher the number of revolutions, the larger the amount of power generated by the square. Therefore, it can be seen that the amount of power generated is small and the efficiency is low, especially at low rotation speeds.

また、風力発電機全体としては、プロペラの機械出力に対して、発電機の効率を乗算した出力が得られることになる。したがって、風速に対して最適なプロペラ回転数であって、かつ、極力高回転で回転することで、効率の良い発電が可能になる。 As for the wind power generator as a whole, an output obtained by multiplying the mechanical output of the propeller by the efficiency of the generator is obtained. Therefore, it is possible to generate power efficiently by setting the propeller rotation speed to the optimum for the wind speed and rotating at the highest possible speed.

通常、小型の風力発電機は、強風時に電磁ブレーキ制御を行っている。このため、ある任意の回転数で発電機の発生するトルクは、プロペラの発生するトルクより大きくすることが一般的である。 Normally, small wind power generators perform electromagnetic brake control during strong winds. For this reason, it is common to make the torque generated by the generator larger than the torque generated by the propeller at any given rotation speed.

その場合、上述した制御技術を採用して、発電機の最適な取り出し出力を得るための励磁制御を行うと、回転数は、プロペラの発生するトルクと発電機の発生するトルクとが等しくなる軌跡をたどることとなる。 In that case, if the above-mentioned control technology is adopted and excitation control is performed to obtain the optimum extraction output of the generator, the rotation speed will be the locus where the torque generated by the propeller and the torque generated by the generator are equal. will be traced.

この結果、発電機の発生トルクが大きいため、回転数は、プロペラの周速比で決まる最適な回転数よりも低い回転数となり、風速を効率よく回転エネルギーに変換することができない。さらには、回転数が低いため、発電機の効率も悪い状態であり、そのときの発電機の出力は、低い出力の値となっていた。 As a result, since the generated torque of the generator is large, the rotation speed becomes lower than the optimum rotation speed determined by the peripheral speed ratio of the propeller, and wind speed cannot be efficiently converted into rotational energy. Furthermore, since the number of revolutions is low, the efficiency of the generator is also poor, and the output of the generator at that time is a low output value.

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、従来の発電装置と比較して、風または水のエネルギーを効率よく電力に変換することのできる発電装置を得ることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problems, and aims to obtain a power generator capable of converting wind or water energy into electric power more efficiently than conventional power generators. aim.

本発明に係る発電装置は、風または水のエネルギーを回転エネルギーに変えるプロペラ部、電流を流すことで磁界を発生するとともにプロペラ部に結合されて回転する励磁コイル部、および励磁コイル部と近接して配置され、励磁コイル部の磁界の変化により発電する発電コイル部、を有する電磁石発電機と、発電コイル部からの交流の発電電力を直流電力に変換する整流部と、整流部の直流電力により充電される蓄電部と、蓄電部を電源として、励磁コイル部に励磁電力を供給する励磁部と、励磁コイル部の回転数からプロペラ部の回転数を検出する回転検出部と、回転検出部から得られるプロペラ部の回転数に基づいて、あらかじめ設定されたプロペラ効率の良い領域で発生できるプロペラトルクと同等のトルクを電磁石発電機で発生するように励磁部のみを制御することで、励磁コイル部への励磁電力を制御する制御部とを備え、制御部は、励磁電力を制御する前処理として、各風速におけるプロペラ部の回転数と機械出力との関係に相当する第１のプロペラ特性、および各風速におけるプロペラ部の回転数とトルクとの関係に相当する第２のプロペラ特性をあらかじめ取得し、第１のプロペラ特性において、各風速について機械出力が最大点となるプロペラ部の回転数を、プロペラ効率の良い領域における回転数として求め、第２のプロペラ特性において、各風速について機械出力が最大点となるプロペラ部の回転数に対応するトルクを求め、機械出力が最大点となるプロペラ部の回転数に対応するトルクを発生できる励磁電流を、実測あるいはシミュレーションであらかじめ求めることで、プロペラ部の回転数に適した励磁電流を特定しておき、励磁部のみを制御する際には、前処理により特定された、機械出力が最大点となるプロペラ部の回転数と、回転数に対応するトルクを発生するための励磁電流との対応関係を用いて、回転検出部から得られるプロペラ部の回転数に対応した励磁電流を特定し、特定した励磁電流を流すように励磁コイル部への励磁電力を制御するものである。 The power generator according to the present invention includes a propeller section that converts wind or water energy into rotational energy, an exciting coil section that generates a magnetic field by applying an electric current and rotates by being coupled to the propeller section, and an exciting coil section that is adjacent to the propeller section. an electromagnet generator having a generating coil unit that generates power according to changes in the magnetic field of the exciting coil unit; a rectifying unit that converts AC power generated from the generating coil unit into DC power; a power storage unit to be charged; an excitation unit that uses the power storage unit as a power supply to supply excitation power to the excitation coil unit; a rotation detection unit that detects the rotation speed of the propeller unit from the rotation speed of the excitation coil unit; Based on the obtained propeller rotation speed, the excitation coil section is controlled so that the electromagnetic generator generates a torque equivalent to the propeller torque that can be generated in a preset range with good propeller efficiency. a control unit that controls the excitation power to the first propeller characteristic corresponding to the relationship between the rotation speed of the propeller unit and the mechanical output at each wind speed, as preprocessing for controlling the excitation power, and A second propeller characteristic corresponding to the relationship between the number of revolutions of the propeller section and the torque at each wind speed is acquired in advance, and in the first propeller characteristic, the number of revolutions of the propeller section at which the mechanical output reaches the maximum point for each wind speed is determined as follows: In the second propeller characteristic, the torque corresponding to the rotation speed of the propeller at which the mechanical output reaches the maximum point is obtained for each wind speed. By obtaining in advance the excitation current that can generate torque corresponding to the rotation speed by actual measurement or simulation, the excitation current suitable for the rotation speed of the propeller section can be specified, and when controlling only the excitation section, preprocessing Rotation of the propeller obtained from the rotation detection unit using the relationship between the rotation speed of the propeller at which the mechanical output reaches the maximum point and the excitation current for generating the torque corresponding to the rotation speed specified by The excitation current corresponding to the number is specified, and the excitation power to the excitation coil section is controlled so as to flow the specified excitation current .

本発明によれば、従来の発電装置と比較して、風または水のエネルギーを効率よく電力に変換することのできる発電装置を得ることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, compared with the conventional power generator, the power generator which can convert the energy of a wind or water into electric power efficiently can be obtained.

本発明の実施の形態１による発電装置の構成を示すブロック図である。1 is a block diagram showing the configuration of a power generator according to Embodiment 1 of the present invention; FIG. 本発明の実施の形態１において、各風速に対して、プロペラ回転数と機械出力との関係、および各風速での動作点例を示した特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between propeller rotation speed and mechanical output for each wind speed, and an example of operating points at each wind speed in the first embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態１において、各風速に対して、プロペラ回転数とトルクとの関係、および各風速での動作点例を示した特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between propeller rotation speed and torque for each wind speed and examples of operating points at each wind speed in Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態１において、発電機の回転数に対する出力特性および効率特性の一例を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of output characteristics and efficiency characteristics with respect to the number of revolutions of the generator in Embodiment 1 of the present invention; 本発明の実施の形態２において、プロペラ回転数に対して過回転防止を考慮して特定された、最適な励磁電流をプロットした図である。FIG. 10 is a diagram plotting the optimum excitation current specified in consideration of over-rotation prevention with respect to the propeller rotation speed in the second embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態２において、各風速に対して、プロペラ回転数と機械出力との関係、および過回転防止励磁制御を実行した場合の各風速での動作点例を示した特性図である。FIG. 10 is a characteristic diagram showing an example of operating points at each wind speed when the relationship between the propeller rotation speed and the mechanical output and the over-rotation prevention excitation control are executed for each wind speed in Embodiment 2 of the present invention. . 本発明の実施の形態２において、各風速に対して、プロペラ回転数とトルクとの関係、および過回転防止励磁制御を実行した場合の各風速での動作点例を示した特性図である。FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between propeller rotation speed and torque for each wind speed, and an example of operating points at each wind speed when over-rotation prevention excitation control is executed in Embodiment 2 of the present invention. 本発明の実施の形態４による発電装置の構成を示すブロック図である。FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of a power generation device according to Embodiment 4 of the present invention; 本発明の実施の形態５による発電装置の構成を示すブロック図である。FIG. 10 is a block diagram showing the configuration of a power generator according to Embodiment 5 of the present invention; 本発明の実施の形態６に係る発電装置に適用されるＰＷＭ電圧制御回路の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a PWM voltage control circuit applied to a power generator according to Embodiment 6 of the present invention; 本発明の実施の形態７に係る発電装置に適用されるＤＣ電圧可変制御回路の構成図である。FIG. 11 is a configuration diagram of a DC voltage variable control circuit applied to a power generator according to Embodiment 7 of the present invention;

以下、本発明の発電装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Preferred embodiments of the power generator of the present invention will be described below with reference to the drawings.

実施の形態１．
まず始めに、本実施の形態１に係る発電装置の構成について説明する。図１は、本発明の実施の形態１による発電装置の構成を示すブロック図である。発電部１は、発電コイル部１ａと励磁コイル部１ｂとを有する。発電コイル部１ａと励磁コイル部１ｂとは、近接して配置されている。発電コイル部１ａと励磁コイル部１ｂとは、例えば、同軸上に入れ子状態に設けられる。 Embodiment 1.
First, the configuration of the power generator according to Embodiment 1 will be described. FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a power generator according to Embodiment 1 of the present invention. The power generation section 1 has a power generation coil section 1a and an excitation coil section 1b. The generating coil portion 1a and the exciting coil portion 1b are arranged close to each other. The generating coil portion 1a and the exciting coil portion 1b are, for example, coaxially provided in a nested state.

励磁コイル部１ｂは、風力発電のプロペラからなる回転部２に結合されており、回転部２とともに回転する。回転部２は、プロペラ部に相当する。また、励磁コイル部１ｂは、励磁部５から励磁電力が供給されることで、磁界を発生する。 The exciting coil portion 1b is coupled to a rotating portion 2 composed of a propeller for wind power generation, and rotates together with the rotating portion 2. As shown in FIG. The rotating part 2 corresponds to a propeller part. Further, the excitation coil portion 1b generates a magnetic field by being supplied with excitation power from the excitation portion 5. As shown in FIG.

一方、発電コイル部１ａは、固定されている。発電コイル部１ａは、励磁コイル部１ｂが発生する磁界の、回転による磁束変化により、交流電圧を発生する。ここで、発電コイル部１ａおよび励磁コイル部１ｂを有する発電部１と、プロペラ部に相当する回転部２とで、電磁石発電機が構成される。 On the other hand, the generating coil portion 1a is fixed. The generating coil portion 1a generates an alternating voltage due to the magnetic flux change due to the rotation of the magnetic field generated by the exciting coil portion 1b. Here, an electromagnet generator is composed of a power generation section 1 having a power generation coil section 1a and an excitation coil section 1b, and a rotating section 2 corresponding to a propeller section.

整流部３は、発電コイル部１ａが発生した交流電圧を整流して直流電圧に変換して、蓄電部４を充電する。すなわち、整流部３は、発電コイル部１ａからの交流の発電電力を直流電力に変換する。励磁部５は、蓄電部４を電源として、励磁コイル部１ｂに励磁電力を供給することで、励磁コイル部１ｂを励磁させる。 The rectifying unit 3 rectifies the AC voltage generated by the power generation coil unit 1 a to convert it into a DC voltage, and charges the power storage unit 4 . That is, the rectifying section 3 converts the AC power generated from the generating coil section 1a into DC power. The excitation unit 5 supplies excitation power to the excitation coil unit 1b using the power storage unit 4 as a power source, thereby exciting the excitation coil unit 1b.

回転検出部６は、励磁コイル部１ｂの回転数を検出する。制御部１０は、回転検出部６からの回転数に従って励磁部５からの励磁電力の制御を行う。制御部１０は、例えばプロセッサとメモリ、またはディジタル回路からなるコンピュータで構成される。 The rotation detection unit 6 detects the number of rotations of the excitation coil unit 1b. The control unit 10 controls the excitation power from the excitation unit 5 according to the number of revolutions from the rotation detection unit 6 . The control unit 10 is composed of, for example, a processor and memory, or a computer composed of digital circuits.

励磁電力の制御を行う制御部１０は、回転検出部６から入力される回転数に従って、プロペラ回転数に応じた適切な励磁電力を決定して、励磁部５を制御する。 A control unit 10 that controls excitation power determines an appropriate excitation power corresponding to the propeller rotation speed according to the rotation speed input from the rotation detection unit 6 and controls the excitation unit 5 .

次に、図１の構成を備えた本実施の形態１に係る発電装置において実行される励磁制御について、従来技術で説明した、励磁コイルの回転数によって励磁電流の制御を行う制御技術との比較に基づいて、詳細に説明する。なお、以下では、従来技術で説明した、励磁コイルの回転数によって励磁電流の制御を行うこの制御技術のことを、従来の励磁制御と称する。 Next, the excitation control performed in the power generator according to the first embodiment having the configuration shown in FIG. will be described in detail. In the following description, the control technique for controlling the excitation current based on the number of revolutions of the excitation coil is referred to as conventional excitation control.

図２は、本発明の実施の形態１において、各風速に対して、プロペラ回転数と機械出力との関係、および各風速での動作点例を示した特性図である。また、図３は、本発明の実施の形態１において、各風速に対して、プロペラ回転数とトルクとの関係、および各風速での動作点例を示した特性図である。 FIG. 2 is a characteristic diagram showing the relationship between the propeller rotation speed and the mechanical output for each wind speed, and an example of operating points at each wind speed in Embodiment 1 of the present invention. FIG. 3 is a characteristic diagram showing the relationship between propeller rotation speed and torque for each wind speed, and an example of operating points at each wind speed in Embodiment 1 of the present invention.

図２および図３の特性例は、同一のプロペラでのものである。また、図２および図３では、従来の励磁制御を採用した場合の動作点の軌跡が、■印でプロットされており、本実施の形態１に係る励磁制御を採用した場合の動作点の軌跡が、●印でプロットされている。 The characteristic examples of FIGS. 2 and 3 are for the same propeller. Further, in FIGS. 2 and 3, the trajectory of the operating point when the conventional excitation control is adopted is plotted with ▪ marks, and the trajectory of the operating point when the excitation control according to the first embodiment is adopted. is plotted with ●.

これら図２、図３から、同じ風速であっても、回転数（＝周速比）によってプロペラの発生できるトルクおよび出力が変わることがわかる。換言すると、各風速で、グラフの山の部分に相当する「風速に対して最適なプロペラ回転数」があることがわかる。 From these FIGS. 2 and 3, it can be seen that even if the wind speed is the same, the torque and output that can be generated by the propeller change depending on the rotation speed (=peripheral speed ratio). In other words, at each wind speed, there is an "optimal propeller rotation number for each wind speed" corresponding to the mountain portion of the graph.

これに対し、下式（１）は、発電の原理を表すものである。
発電電圧Ｅ＝ＢＬＶ（１）
Ｅ：発電電圧［Ｖ］
Ｂ：磁束密度［Ｗｂ／ｍ２］
Ｌ：線長［ｍ］
Ｖ：速度［ｍ／ｓ］ On the other hand, the following formula (1) expresses the principle of power generation.
Generated voltage E=BLV (1)
E: Generated voltage [V]
B: Magnetic flux density [Wb/m2]
L: wire length [m]
V: Velocity [m/s]

なお、上式（１）において、Ｂ×Ｖは、磁束の変化量に相当し、Ｌは、コイルの巻数に相当する。上式（１）より、発電機は、回転数による磁力変化およびコイルの巻数に応じた電圧を発電するシステムになっている。ここで、発電電力は、電圧の２乗になるため、回転数が高いほど、発電量が２乗で大きくなる。 In the above equation (1), B×V corresponds to the amount of change in magnetic flux, and L corresponds to the number of turns of the coil. From the above equation (1), the generator is a system that generates a voltage according to the magnetic force change due to the number of revolutions and the number of turns of the coil. Here, since the generated power is the square of the voltage, the higher the number of revolutions, the larger the amount of power generated by the square.

図４は、本発明の実施の形態１において、発電機の回転数に対する出力特性および効率特性の一例を示す説明図である。図４からわかるように、発電機は、特に、低回転時には発電量が少なく、効率も悪いことがわかる。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of output characteristics and efficiency characteristics with respect to the number of revolutions of the generator in Embodiment 1 of the present invention. As can be seen from FIG. 4, the power generator generates a small amount of power and has poor efficiency, especially at low rotation speeds.

また、風力発電機全体としては、図２で示したプロペラの機械出力に対して、図４で示した発電機の効率を乗算した出力が得られることになる。したがって、風速に対して最適なプロペラ回転数であって、かつ、極力高回転で回転することで、効率の良い発電が可能になる。 As for the wind power generator as a whole, the output obtained by multiplying the mechanical output of the propeller shown in FIG. 2 by the efficiency of the power generator shown in FIG. 4 is obtained. Therefore, it is possible to generate power efficiently by setting the propeller rotation speed to the optimum for the wind speed and rotating at the highest possible speed.

その場合、発電機の最適な取り出し出力を得る従来の励磁制御を行うと、図３において■印で示すように、回転数は、プロペラの発生するトルクと発電機の発生するトルクとが等しくなる軌跡をたどる。 In that case, if the conventional excitation control is performed to obtain the optimum extraction output of the generator, the rotation speed becomes equal between the torque generated by the propeller and the torque generated by the generator, as indicated by the ▪ mark in FIG. follow the trajectory.

この結果、発電機の発生トルクが大きいため、回転数は、プロペラの周速比で決まる最適な回転数よりも低い回転数となり、風速を効率よく回転エネルギーに変換することができない。さらには、回転数が低いため、発電機の効率も悪い状態であり、そのときの発電機の出力は、図２において■印で示すような軌跡をたどり、低い出力の値となっていた。 As a result, since the generated torque of the generator is large, the rotation speed becomes lower than the optimum rotation speed determined by the peripheral speed ratio of the propeller, and wind speed cannot be efficiently converted into rotational energy. Furthermore, since the number of revolutions was low, the efficiency of the generator was also poor, and the output of the generator at that time followed the locus indicated by the ▪ mark in FIG. 2, resulting in a low output value.

そこで、本実施の形態１に係る励磁制御は、従来の励磁制御と比較して、効率よく風力を電力に変換することのできるようにするために、以下のような工夫が成されている。 Therefore, the excitation control according to the first embodiment is devised as follows in order to be able to convert the wind power into electric power more efficiently than the conventional excitation control.

プロペラに接続する発電機の各回転数に対応する励磁電流対トルク特性があらがじめ取得されている場合を考える。この場合、本実施の形態１に係る発電装置では、風速に対して、プロペラの周速比での回転数出力が最大となる最適な回転数、すなわち、先の図２において機械出力が最大値となる回転数で発生するプロペラトルクと、同等のトルクを発電機が発生するように、励磁電流が制御される。なお、「機械出力が最大値となる回転数」とは、あらかじめ設定されるプロペラ効率の良い領域の一例であり、必ずしも「最大値」を採用する必要はない。 Consider the case where the excitation current vs. torque characteristic corresponding to each rotation speed of the generator connected to the propeller is acquired in advance. In this case, in the power generator according to the first embodiment, the optimum rotation speed at which the rotation speed output at the peripheral speed ratio of the propeller is maximized with respect to the wind speed, that is, the mechanical output is the maximum value in FIG. The exciting current is controlled so that the generator generates a torque equivalent to the propeller torque generated at the rotation speed of . It should be noted that the "rotational speed at which the mechanical output reaches its maximum value" is an example of a preset range in which the propeller efficiency is good, and the "maximum value" does not necessarily have to be adopted.

このような制御により、発電機の各回転時における必要トルクが、各風速に対しプロペラの機械出力を最大に発生するトルクと釣り合う。この結果、プロペラが接続された発電機を、常に各風速に対して、最適回転数に安定させることができる。 With such control, the required torque at each revolution of the generator is balanced with the torque that produces the maximum mechanical output of the propeller for each wind speed. As a result, the generator to which the propeller is connected can always be stabilized at the optimum speed for each wind speed.

すなわち、図２および図３において●印の軌跡として示すように、プロペラの任意の風速に対して最大の出力を発生できる。この結果、発電機としても、効率の良い高回転側になるように制御することができ、最適な発電が可能になる。 That is, as indicated by the trajectories of ● marks in FIGS. 2 and 3, the maximum output can be generated for any wind speed of the propeller. As a result, it is possible to control the power generator so that it is on the high-speed rotation side with good efficiency, thereby enabling optimum power generation.

また、このような制御を行うことで、常にプロペラ効率の最高の回転数を得ることができる。従って、本実施の形態１に係る発電装置は、低回転でも、最低限の必要トルクで発電していることになり、風速に応じて無駄なく最適回転数を維持することができる。 Also, by performing such control, it is possible to always obtain the highest propeller efficiency. Therefore, the power generator according to the first embodiment generates power with the minimum required torque even at low rotation speed, and can maintain the optimum rotation speed without waste according to the wind speed.

このような励磁制御を実現するための前処理として、具体的には、以下のような手順で、あらかじめ必要となるデータを取得しておくこととなる。まず、図２および図３に示したような、各風速時の回転数と機械出力との関係、および各風速時の回転数とトルクとの関係に相当するプロペラ特性を取得しておく。 Specifically, as preprocessing for realizing such excitation control, necessary data is acquired in advance by the following procedure. First, as shown in FIGS. 2 and 3, propeller characteristics corresponding to the relationship between rotation speed and mechanical output at each wind speed and the relationship between rotation speed and torque at each wind speed are obtained.

次に、図２に示したように、各風速時の機械出力最大点のポイントを●印としてプロットする。さらに、図２の●印に対応する回転数の値を、図３の各風速時のデータ上に●印としてプロットする。このようなプロットの結果から、図２でプロットした各風速毎の機械出力最大点の回転数でのトルクが求められる。 Next, as shown in FIG. 2, the point of maximum mechanical output at each wind speed is plotted as ●. Further, the rotational speed values corresponding to the ● marks in FIG. 2 are plotted as ● marks on the data for each wind speed in FIG. 3 . From the results of such plotting, the torque at the rotational speed of the maximum mechanical output point for each wind speed plotted in FIG. 2 can be obtained.

次に、発電機が図３に●印で示す回転数でプロペラに必要なトルクを発生できる励磁電流を、実測あるいはシミュレーションで求める。その結果、プロペラ回転数に最適な励磁電流を特定することができる。 Next, the excitation current that allows the generator to generate the necessary torque for the propeller at the rotation speed indicated by the ● mark in FIG. 3 is obtained by actual measurement or simulation. As a result, it is possible to specify the optimum excitation current for the propeller rotation speed.

制御部１０は、回転検出部６から得られた回転数をもとに特定した、プロペラ回転数に最適な励磁電流を流すように、励磁部５に指令を出す。制御部１０は、このような励磁制御を実行することで、その時点における風速において、最大のプロペラ機械出力を出す回転数に収束させることができる。さらに、制御部１０は、発電機出力も効率の良い高回転側とすることができるため、風力発電機として最大の出力を得ることができる。 The control unit 10 issues a command to the excitation unit 5 to apply an excitation current that is optimum for the propeller rotation speed specified based on the rotation speed obtained from the rotation detection unit 6 . By executing such excitation control, the control unit 10 can converge the rotation speed to the maximum propeller mechanical output at the current wind speed. Furthermore, since the control unit 10 can set the power generator output to the high-rotation side with good efficiency, the maximum output of the wind power generator can be obtained.

従来の発電装置では、発電機の最大出力を得る制御技術を採用しているために、図２および図３に■印として示した軌跡をたどる回転数に安定する。例えば、風速１１ｍ／ｓのときには、図３から、トルク０．９５Ｎｍ付近に収束し、４５０ｒｐｍで安定することになり、そのときに発生できる出力は、図２より、５０Ｗとなる。 Since the conventional power generator employs a control technique that obtains the maximum output of the generator, the rotation speed is stabilized to follow the trajectory indicated by the ▪ mark in FIGS. 2 and 3 . For example, when the wind speed is 11 m/s, the torque converges to around 0.95 Nm from FIG. 3 and stabilizes at 450 rpm, and the output that can be generated at that time is 50 W from FIG.

これに対して、本実施の形態１に係る発電装置では、プロペラの最大出力を得る励磁制御を行っており、図２および図３に●印として示した軌跡をたどる回転数に安定する。例えば、風速１１ｍ／ｓのときに、図３に示すように、トルク２．１Ｎｍ付近の１３００ｒｐｍに安定することになり、そのときに発生できる出力は、２８０Ｗとなる。 On the other hand, in the power generator according to the first embodiment, excitation control is performed to obtain the maximum output of the propeller, and the rotation speed is stabilized to follow the trajectory indicated by ● in FIGS. 2 and 3 . For example, when the wind speed is 11 m/s, as shown in FIG. 3, the torque is stabilized at 1300 rpm near 2.1 Nm, and the output that can be generated at that time is 280W.

このことから、本実施の形態１に係る発電装置は、従来の発電装置と比較して、より広い回転数領域にわたって効率よく風力を電力に変換できていることがわかる。 From this, it can be seen that the power generator according to Embodiment 1 can efficiently convert wind power into electric power over a wider rotation speed range than the conventional power generator.

実施の形態２．
先の実施の形態１のように、プロペラ特性に対して最適になる励磁制御を実施すた場合には、風速が大きくなるにつれて回転数がどんどん高くなっていく。この結果、特にプロペラの回転耐力を超える回転数になることで、プロペラが破壊してしまうおそれがあった。そこで、本実施の形態２では、このようなプロペラ破壊を防止するための手法について説明する。 Embodiment 2.
As in the first embodiment, when the optimum excitation control is performed for the propeller characteristics, the rotation speed increases as the wind speed increases. As a result, there is a risk that the propeller will be destroyed, especially when the number of revolutions exceeds the rotational resistance of the propeller. Therefore, in the second embodiment, a technique for preventing such propeller breakage will be described.

本実施の形態２に係る制御部１０は、事前に決められたプロペラ回転数である上限回転数以上の回転数になった際には、プロペラ出力が最も良い時のプロペラトルクよりも大きいトルクを発電部１で発生するように、励磁部５を制御する。 The control unit 10 according to the second embodiment applies torque greater than the propeller torque when the propeller output is the best when the rotational speed of the propeller is equal to or higher than the upper limit rotational speed, which is a predetermined propeller rotational speed. The excitation unit 5 is controlled so that the power generation unit 1 generates.

具体的には、制御部１０は、励磁コイル部１ｂへの励磁電流を大き目にするように、励磁部５を制御する。この結果、本実施の形態２に係る発電装置は、プロペラが過回転になることを防止でき、強風時でもプロペラの最大回転数以下で発電することができる。 Specifically, the control section 10 controls the excitation section 5 so as to increase the excitation current to the excitation coil section 1b. As a result, the power generator according to the second embodiment can prevent the propeller from over-rotating, and can generate power at the maximum propeller speed or less even in strong winds.

例えば、上限回転数が１１００ｒｐｍである場合を例に、説明する。図５は、本発明の実施の形態２において、プロペラ回転数に対して過回転防止を考慮して特定された、最適な励磁電流をプロットした図である。図５では、過回転を防止するための励磁制御の例として、過回転防止励磁制御１および過回転防止励磁制御２が示されている。 For example, a case where the upper limit rotation speed is 1100 rpm will be described. FIG. 5 is a diagram plotting the optimum excitation current determined in consideration of over-rotation prevention with respect to the propeller rotation speed in the second embodiment of the present invention. FIG. 5 shows overspeed prevention excitation control 1 and overspeed prevention excitation control 2 as examples of excitation control for preventing overspeed.

制御部１０は、過回転防止励磁制御１を実行する場合には、プロペラ回転数が上限回転数である１１００ｒｐｍ以上となった際に、励磁電流を急激に最大励磁電流まで大きくするように制御する。この結果、プロペラ回転数が１１００ｒｐｍ以上に上がることを抑制しつつ、発電を継続させることが可能となる。 When the overspeed prevention excitation control 1 is executed, the control unit 10 controls the excitation current to be rapidly increased to the maximum excitation current when the propeller rotation speed reaches or exceeds the upper limit rotation speed of 1100 rpm. . As a result, power generation can be continued while preventing the propeller rotation speed from increasing to 1100 rpm or more.

また、制御部１０は、急に励磁電流を大きくすることでトルクの急変が発生するため、回転系への衝撃ストレス等が発生する可能性がある場合には、過回転防止励磁制御１の代わりに過回転防止励磁制御２を実行することができる。 In addition, the control unit 10, instead of the over-rotation prevention excitation control 1, when there is a possibility that impact stress, etc., will occur on the rotation system because a sudden increase in the excitation current causes a sudden change in torque. Excessive rotation prevention excitation control 2 can be executed at this time.

制御部１０は、過回転防止励磁制御２を実行する場合には、１１００ｒｐｍよりも大きいある回転数まで励磁電流を比例的、または、曲線的に回転数に応じて徐々に大きくする励磁制御を実行する。図５では、制御部１０は、１１００ｒｐｍから１３００ｒｐｍの間で、励磁電流を比例的、または、曲線的に回転数に応じて徐々に大きくする励磁制御を実行している場合を例示している。 When executing the overspeed prevention excitation control 2, the control unit 10 executes excitation control in which the excitation current is proportionally or curvedly increased gradually according to the rotation speed up to a certain rotation speed greater than 1100 rpm. do. FIG. 5 illustrates a case where the control unit 10 performs excitation control that gradually increases the excitation current between 1100 rpm and 1300 rpm proportionally or curvilinearly according to the rotation speed.

この結果、トルクの急激な変動を抑制でき、回転系への衝撃ストレスを抑制し、過回転抑制をしながら発電を継続できるとともに、急激なトルク上昇による回転数の急激な低下も防止でき、発電機としても容易に高回転を維持できる。 As a result, sudden fluctuations in torque can be suppressed, impact stress on the rotating system can be suppressed, and power generation can be continued while suppressing excessive rotation. It can easily maintain high rotation as a machine.

図６は、本発明の実施の形態２において、各風速に対して、プロペラ回転数と機械出力との関係、および過回転防止励磁制御を実行した場合の各風速での動作点例を示した特性図である。また、図７は、本発明の実施の形態２において、各風速に対して、プロペラ回転数とトルクとの関係、および過回転防止励磁制御を実行した場合の各風速での動作点例を示した特性図である。 FIG. 6 shows the relationship between the propeller rotation speed and the mechanical output for each wind speed, and an example of operating points at each wind speed when over-rotation prevention excitation control is executed in Embodiment 2 of the present invention. It is a characteristic diagram. FIG. 7 shows the relationship between propeller rotation speed and torque for each wind speed, and an example of operating points at each wind speed when over-rotation prevention excitation control is executed in the second embodiment of the present invention. 1 is a characteristic diagram.

図６および図７では、回転数が１１００ｒｐｍ未満の領域において実行される励磁制御が●印としてプロットされており、回転数が１１００ｒｐｍ以上の領域において実行される過回転防止励磁制御１が★印としてプロットされており、回転数が１１００ｒｐｍ以上の領域において実行される過回転防止励磁制御２が▲印としてプロットされている。 In FIG. 6 and FIG. 7, the excitation control executed in the range of rotation speed below 1100 rpm is plotted as ● mark, and the overspeed prevention excitation control 1 executed in the rotation speed range of 1100 rpm or more is plotted as * mark. , and the overspeed prevention excitation control 2, which is executed in the region where the rotation speed is 1100 rpm or more, is plotted as ▴ marks.

図６および図７に示すように、回転数が１１００ｒｐｍ未満では、先の実施の形態１で示した励磁制御が行われる。その一方で、回転数が１１００ｒｐｍ以上になった場合には、過回転防止励磁制御１または過回転防止励磁制御２が行われる。 As shown in FIGS. 6 and 7, when the number of revolutions is less than 1100 rpm, the excitation control shown in the first embodiment is performed. On the other hand, when the number of revolutions reaches 1100 rpm or more, overspeed prevention excitation control 1 or overspeed prevention excitation control 2 is performed.

このような過回転防止励磁制御を採用することによって、プロペラの機械的な回転数の限界まで、低風速から高風速にわたり、プロペラの機械的な回転数以下を維持しながら発電を継続することができる。 By adopting this type of over-rotation prevention excitation control, it is possible to continue power generation while maintaining the mechanical rotation speed of the propeller from low to high wind speeds up to the limit of the mechanical rotation speed of the propeller. can.

また、過回転時には、通常、電磁ブレーキ等で回転数を下げる方策をとっている。この場合、低風速で過回転領域に達するため、実用域の風速でもブレーキを使用する条件が頻繁に発生し、発電量を稼ぎにくい状況が発生するおそれがあった。 In addition, at the time of excessive rotation, measures such as an electromagnetic brake are usually taken to lower the rotation speed. In this case, since the excessive rotation region is reached at low wind speeds, the condition of using the brake frequently occurs even with wind speeds in the practical range, and there is a possibility that a situation in which it is difficult to generate power will occur.

これに対して、本実施の形態２では、上限回転数以上で過回転防止励磁制御を実施することで、過回転を防止するとともに、高風速時の発電が可能になる。この結果、過回転時に電磁ブレーキを実施するタイミングを減らし、トータルとして発電量を多く稼ぐことができる。 On the other hand, in the second embodiment, by performing overspeed prevention excitation control at the upper limit speed or more, it is possible to prevent overspeed and to generate power at high wind speeds. As a result, it is possible to reduce the timing at which the electromagnetic brake is applied when the engine is over-rotating, and to increase the amount of power generated as a whole.

実施の形態３．
従来の励磁制御では、発電機に最適な励磁制御を実施している。すなわち、従来の励磁制御では、実際のプロペラの出力が不足して発電できないときにも、発電機に最適な励磁制御を実施していた。この結果、プロペラ発生トルクより大きなトルクが発電機で発生するため、回転数が低下し、最悪、回転が止まってしまう場合があった。 Embodiment 3.
In conventional excitation control, optimum excitation control is performed for the generator. That is, in the conventional excitation control, even when the actual output of the propeller is insufficient to generate power, the optimum excitation control is performed for the generator. As a result, the generator generates a torque larger than the torque generated by the propeller, which reduces the rotation speed and, in the worst case, stops the rotation.

プロペラは、いったん停止すると、無回転時に発生できるトルクは、回転時に得られるトルクより小さく、また、回転再開時には、通常の回転より大きな回転起動トルクが必要になる。このため、回転を再開するためには、大きな風速が必要になっていた。そこで、本実施の形態３では、このような問題を解決するための手法について説明する。 Once the propeller stops, the torque that can be generated when it is not rotating is smaller than the torque that can be obtained when it is rotating, and when it resumes rotating, it requires a rotation starting torque larger than that for normal rotation. Therefore, a high wind speed is required to restart the rotation. Therefore, in the third embodiment, a technique for solving such problems will be described.

本実施の形態３に係る発電装置では、先の図６に示したように、ある事前に決められたプロペラ回転数である下限回転数（図６では、下限回転数＝４００ｒｐｍ）以下になった際に、制御部１０は、励磁コイル部１ｂへの励磁を実行しないような励磁制御を実行する。この結果、４００ｐｒｍ以下で励磁を実行することで発生するコギングトルクの発生をなくすことができ、無駄な回転低下を抑える制御が実現できる。 In the power generator according to the third embodiment, as shown in FIG. 6 above, the number of revolutions of the propeller is lower than the predetermined lower limit number of revolutions (lower limit number of revolutions=400 rpm in FIG. 6). At this time, the control section 10 performs excitation control such that the excitation coil section 1b is not excited. As a result, it is possible to eliminate the cogging torque generated by executing the excitation at 400 rpm or less, and realize the control to suppress the useless reduction in rotation speed.

なお、下限回転数は、発電機によって個々に決定される発電可能最低回転数以上に設定される。その結果、回転を止めることなく、次に風速が上がった際に、すぐに風速に追従した回転を発生することが可能になり、発電量を多く稼ぐことが可能になる。 Note that the lower limit rotation speed is set to be equal to or higher than the minimum rotation speed at which power generation is possible, which is individually determined by each generator. As a result, without stopping the rotation, when the wind speed rises next time, it is possible to immediately generate rotation following the wind speed, making it possible to earn a large amount of power generation.

実施の形態４．
電流が作る磁場は、電流値とコイルの巻数の乗算で決まる。このため、励磁電力の制御を行う場合、一般的には励磁電流を変えて行う。また、励磁コイルは、銅などの導体でできており、コイルの直流抵抗値は、導体の温度特性により温度によって変わってくる性質を持っている。温度特性を有する抵抗値は、下式（２）のように表される。
Ｒｔ＝Ｒ２０（１＋α２０（ｔ－２０））［Ω］（２）
Ｒｔ：温度ｔ℃での抵抗値［Ω］
Ｒ２０：温度２０℃での銅線の抵抗値［Ω］
α２０：銅線抵抗の温度係数［１／℃］ Embodiment 4.
The magnetic field created by the current is determined by multiplying the current value by the number of coil turns. Therefore, when controlling the excitation power, the excitation current is generally changed. Also, the exciting coil is made of a conductor such as copper, and the DC resistance value of the coil has the property of changing with temperature due to the temperature characteristics of the conductor. A resistance value having temperature characteristics is represented by the following equation (2).
Rt=R20(1+α20(t−20))[Ω] (2)
Rt: Resistance value at temperature t°C [Ω]
R20: Resistance value of copper wire at temperature of 20°C [Ω]
α20: Temperature coefficient of copper wire resistance [1/°C]

実施の形態１～実施の形態３のように、回転数に応じて励磁制御を行う場合、上式（２）のように励磁コイルの温度によってコイル抵抗が変わり、目標の励磁電流を流すことができない場合がある。 As in Embodiments 1 to 3, when excitation control is performed according to the number of rotations, the coil resistance changes depending on the temperature of the excitation coil as shown in the above equation (2), and the target excitation current can be applied. Sometimes you can't.

そこで、本実施の形態３では、この問題を解決する手法として、励磁コイルの温度を計測する温度検出部を追加し、温度による抵抗値の変化分を考慮した励磁を行う場合について説明する。 Therefore, in the third embodiment, as a method for solving this problem, a case where a temperature detection unit for measuring the temperature of the excitation coil is added and excitation is performed in consideration of the change in the resistance value due to temperature will be described.

図８は、本発明の実施の形態４による発電装置の構成を示すブロック図である。図８に示すブロック図は、先の実施の形態１における図１のブロック図に対して、さらに、温度検出部７が付加されている。 FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of a power generator according to Embodiment 4 of the present invention. The block diagram shown in FIG. 8 further includes a temperature detection unit 7 in addition to the block diagram of FIG. 1 in the first embodiment.

温度検出部７は、励磁コイル部１ｂの温度を検出する。制御部１０は、温度検出部７によって検出された励磁コイル部１ｂの温度を考慮して、励磁制御を実行する。この結果、制御部１０は、温度検出部７による温度検出結果に基づいて、励磁コイル部１ｂの温度変化を考慮した温度補償を行い、回転数に応じた目標の励磁電流を流すように励磁制御を実行することができる。 The temperature detector 7 detects the temperature of the exciting coil portion 1b. The control unit 10 performs excitation control in consideration of the temperature of the excitation coil unit 1b detected by the temperature detection unit 7. FIG. As a result, the control unit 10 performs temperature compensation in consideration of the temperature change of the excitation coil unit 1b based on the temperature detection result by the temperature detection unit 7, and performs excitation control so that a target excitation current corresponding to the rotation speed is supplied. can be executed.

具体的には、制御部１０は、下式（３）のようにして、目標の励磁電流を設定することができる。
Ｉｍ＝Ｖ／Ｒｔ（３）
Ｉｍ：目標電流［Ａ］
Ｖ：励磁電圧［Ｖ］
Ｒｔ：温度ｔ℃での抵抗値［Ω］ Specifically, the control unit 10 can set the target excitation current as in the following equation (3).
Im=V/Rt (3)
Im: target current [A]
V: excitation voltage [V]
Rt: Resistance value at temperature t°C [Ω]

実施の形態５．
先の実施の形態４では、温度による抵抗値の変化に応じた励磁をすることで、目標の励磁電流を流す場合について説明した。これに対して、本実施の形態５では、実際の励磁電流を測定してフィードバックし、回転数に応じた励磁電流に合わせ込む制御を行う場合について説明する。 Embodiment 5.
In the fourth embodiment, a case has been described in which a target excitation current is supplied by performing excitation according to changes in resistance due to temperature. In contrast, in the fifth embodiment, a case will be described in which the actual excitation current is measured and fed back, and control is performed to match the excitation current according to the rotational speed.

図９は、本発明の実施の形態５による発電装置の構成を示すブロック図である。図９に示すブロック図は、先の実施の形態１における図１のブロック図に対して、さらに、励磁電流モニタ部８が付加されている。 FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of a power generator according to Embodiment 5 of the present invention. In the block diagram shown in FIG. 9, an excitation current monitor section 8 is added to the block diagram of FIG. 1 in the first embodiment.

励磁電流モニタ部８は、励磁部５と励磁コイル部１ｂとの間に接続されている。そして、励磁電流モニタ部８は、励磁部５により励磁コイル部１ｂに励磁電圧が印加された際の励磁電流値をフィードバック値としてモニタする。この結果、制御部１０は、励磁電流モニタ部８の検出結果より求めた実際の励磁電力に従って、励磁部５を制御することができる。 The excitation current monitor section 8 is connected between the excitation section 5 and the excitation coil section 1b. The exciting current monitor unit 8 monitors the exciting current value when the exciting voltage is applied to the exciting coil unit 1b by the exciting unit 5 as a feedback value. As a result, the control section 10 can control the excitation section 5 in accordance with the actual excitation power obtained from the detection result of the excitation current monitor section 8 .

このような電流フィードバックを行うことで、さらにきめ細かな励磁制御を行うことができる。通常、ＰＩ制御によって目標電流Ｉｍに合わせる方法もあるが、簡易的に下式（４）で求めた励磁電圧を印加することで、目標電流Ｉｍに合わせることが可能である。
Ｖａ＝Ｖｒ＋Ｒｒ×（Ｉｍ―Ｉｒ）（４）
Ｖａ：補正後の励磁電圧［Ｖ］
Ｖｒ：前回の励磁電圧［Ｖ］
Ｒｒ：前回の励磁コイル抵抗［Ω］
（上式（２）の値、または、Ｒｒ＝Ｖｒ／Ｉｒとしての算出値）
Ｉｒ：Ｖｒ励磁電圧を印加した際の励磁電流モニタ部８で測定した励磁電流［Ａ］
Ｉｍ：目標励磁電流［Ａ］ By performing such current feedback, more detailed excitation control can be performed. Normally, there is a method of matching the target current Im by PI control, but it is possible to match the target current Im by simply applying the excitation voltage obtained by the following formula (4).
Va=Vr+Rr×(Im−Ir) (4)
Va: Excitation voltage after correction [V]
Vr: previous excitation voltage [V]
Rr: previous excitation coil resistance [Ω]
(The value of the above formula (2) or the calculated value as Rr=Vr/Ir)
Ir: Excitation current [A] measured by excitation current monitor unit 8 when Vr excitation voltage is applied
Im: target excitation current [A]

実施の形態６．
本実施の形態６では、励磁電圧を可変制御する具体的な方法として、パルス幅変調（ＰＷＭ）電圧制御を適用する場合について説明する。一般的なＰＷＭの方法は、目標励磁電圧Ｖｍを印加するために、電源電圧Ｖのときに、下式（５）のＰＷＭ制御を行う。
Ｄｕｔｙ＝Ｖｍ／Ｖ（５）
Ｄｕｔｙ：ＰＷＭ制御のＯＮＤｕｔｙ
Ｖｍ：目標励磁電圧［Ｖ］
Ｖ：励磁用の電源電圧［Ｖ］ Embodiment 6.
In the sixth embodiment, a case of applying pulse width modulation (PWM) voltage control as a specific method of variably controlling the excitation voltage will be described. A general PWM method performs PWM control of the following formula (5) when the power supply voltage is V in order to apply the target excitation voltage Vm.
Duty=Vm/V (5)
Duty: ON duty of PWM control
Vm: Target excitation voltage [V]
V: Power supply voltage for excitation [V]

図１０は、本発明の実施の形態６に係る発電装置に適用されるＰＷＭ電圧制御回路の構成図である。ＰＷＭ電圧制御回路は、パルス幅変調電圧制御回路に相当する。本実施の形態６に係る励磁部５は、蓄電部４の電圧を所望の電圧に変換して励磁コイル部１ｂに供給するＰＷＭ電圧制御回路として構成される。励磁電力を制御する方式としてＰＷＭ制御を採用する場合には、励磁コイル部１ｂの電流を還流するためのフライホイルダイオード１１と、スイッチング素子１２とを用いる図１０のような回路構成が考えられる。 FIG. 10 is a configuration diagram of a PWM voltage control circuit applied to a power generator according to Embodiment 6 of the present invention. A PWM voltage control circuit corresponds to a pulse width modulation voltage control circuit. The excitation unit 5 according to the sixth embodiment is configured as a PWM voltage control circuit that converts the voltage of the power storage unit 4 into a desired voltage and supplies the voltage to the excitation coil unit 1b. When PWM control is employed as a method for controlling excitation power, a circuit configuration such as that shown in FIG.

実施の形態７．
本実施の形態７では、励磁電圧を可変制御する具体的な方法として、ＤＣ電圧可変制御を適用する場合について説明する。図１１は、本発明の実施の形態７に係る発電装置に適用されるＤＣ電圧可変制御回路の構成図である。本実施の形態７に係る励磁部５は、蓄電部４の電圧を所望の電圧に変換して励磁コイル部１ｂに供給するＤＣ電圧可変制御回路として構成される。 Embodiment 7.
In the seventh embodiment, as a specific method of variably controlling the excitation voltage, a case of applying DC voltage variable control will be described. FIG. 11 is a configuration diagram of a DC voltage variable control circuit applied to a power generator according to Embodiment 7 of the present invention. The excitation unit 5 according to the seventh embodiment is configured as a DC voltage variable control circuit that converts the voltage of the power storage unit 4 into a desired voltage and supplies the voltage to the excitation coil unit 1b.

制御部１０は、図１１に示されたＤＣ電圧制御回路を制御し、蓄電部４を電源とするＤＣ電圧を調整して励磁電力を制御する。この結果、コギングトルクの変動を少なくすことができ、回転し易い制御性を得ることができる。 The control unit 10 controls the DC voltage control circuit shown in FIG. 11, adjusts the DC voltage using the power storage unit 4 as a power source, and controls the excitation power. As a result, fluctuations in cogging torque can be reduced, and controllability that facilitates rotation can be obtained.

なお、以上の説明では、風のエネルギーを回転エネルギーに変える場合を中心に説明したが、本発明は、風のエネルギーに限定されるものではない。本発明は、風のエネルギーの代わりに水のエネルギーを回転エネルギーに変える場合にも、同様に適用可能である。 In the above description, the case of converting wind energy into rotational energy was mainly described, but the present invention is not limited to wind energy. The present invention is equally applicable to converting water energy into rotational energy instead of wind energy.

１発電部、１ａ発電コイル部、１ｂ励磁コイル部、２回転部（プロペラ部）、３整流部、４蓄電部、５励磁部、６回転検出部、７温度検出部、８励磁電流モニタ部、１０制御部、１１フライホイルダイオード、１２スイッチング素子。 1 power generation unit 1a power generation coil unit 1b excitation coil unit 2 rotation unit (propeller unit) 3 rectification unit 4 electricity storage unit 5 excitation unit 6 rotation detection unit 7 temperature detection unit 8 excitation current monitor unit 10 control unit, 11 flywheel diode, 12 switching element.

Claims

風または水のエネルギーを回転エネルギーに変えるプロペラ部、
電流を流すことで磁界を発生するとともに前記プロペラ部に結合されて回転する励磁コイル部、および
前記励磁コイル部と近接して配置され、前記励磁コイル部の磁界の変化により発電する発電コイル部、を有する電磁石発電機と、
前記発電コイル部からの交流の発電電力を直流電力に変換する整流部と、
前記整流部の直流電力により充電される蓄電部と、
前記蓄電部を電源として、前記励磁コイル部に励磁電力を供給する励磁部と、
前記励磁コイル部の回転数から前記プロペラ部の回転数を検出する回転検出部と、
前記回転検出部から得られる前記プロペラ部の回転数に基づいて、あらかじめ設定されたプロペラ効率の良い領域で発生できるプロペラトルクと同等のトルクを前記電磁石発電機で発生するように前記励磁部のみを制御することで、前記励磁コイル部への励磁電力を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、
前記励磁電力を制御する前処理として、
各風速における前記プロペラ部の回転数と機械出力との関係に相当する第１のプロペラ特性、および各風速における前記プロペラ部の回転数とトルクとの関係に相当する第２のプロペラ特性をあらかじめ取得し、
前記第１のプロペラ特性において、各風速について機械出力が最大点となるプロペラ部の回転数を、前記プロペラ効率の良い領域における回転数として求め、
前記第２のプロペラ特性において、各風速について前記機械出力が最大点となるプロペラ部の回転数に対応するトルクを求め、
前記機械出力が最大点となるプロペラ部の回転数に対応する前記トルクを発生できる励磁電流を、実測あるいはシミュレーションであらかじめ求めることで、前記プロペラ部の回転数に適した励磁電流を特定しておき、
前記励磁部のみを制御する際には、前記前処理により特定された、前記機械出力が最大点となるプロペラ部の回転数と、前記回転数に対応するトルクを発生するための励磁電流との対応関係を用いて、前記回転検出部から得られる前記プロペラ部の回転数に対応した励磁電流を特定し、特定した前記励磁電流を流すように前記励磁コイル部への励磁電力を制御する
発電装置。 a propeller section that converts wind or water energy into rotational energy;
an exciting coil unit that generates a magnetic field by applying a current and rotates by being coupled to the propeller unit; and a generating coil unit that is arranged in proximity to the exciting coil unit and generates power according to changes in the magnetic field of the exciting coil unit; an electromagnet generator having
a rectification unit that converts AC power generated from the power generation coil unit into DC power;
a power storage unit charged with the DC power of the rectifying unit;
an excitation unit that supplies excitation power to the excitation coil unit using the electricity storage unit as a power supply;
a rotation detection unit that detects the rotation speed of the propeller unit from the rotation speed of the exciting coil unit;
Based on the number of revolutions of the propeller unit obtained from the rotation detection unit, only the excitation unit is operated so that the electromagnetic generator generates a torque equivalent to the propeller torque that can be generated in a preset region where the propeller efficiency is good. A control unit that controls the excitation power to the excitation coil unit by controlling
The control unit
As a pretreatment for controlling the excitation power,
A first propeller characteristic corresponding to the relationship between the rotation speed of the propeller unit and mechanical output at each wind speed, and a second propeller characteristic corresponding to the relationship between the rotation speed and torque of the propeller unit at each wind speed are obtained in advance. death,
In the first propeller characteristic, the number of rotations of the propeller portion at which the mechanical output reaches the maximum point for each wind speed is obtained as the number of rotations in the region of good propeller efficiency;
In the second propeller characteristic, obtain a torque corresponding to the rotation speed of the propeller portion at which the mechanical output reaches the maximum point for each wind speed,
The excitation current suitable for the rotation speed of the propeller portion is specified in advance by obtaining in advance by actual measurement or simulation the excitation current that can generate the torque corresponding to the rotation speed of the propeller portion at which the mechanical output reaches the maximum point. ,
When controlling only the excitation section , the number of rotations of the propeller section at which the mechanical output reaches the maximum point specified by the preprocessing and the excitation current for generating the torque corresponding to the rotation number. Using the correspondence relationship, an exciting current corresponding to the number of rotations of the propeller unit obtained from the rotation detection unit is specified, and exciting power to the exciting coil unit is controlled so as to flow the specified exciting current. .

前記制御部は、前記回転検出部から得られる前記プロペラ部の回転数が、事前に決められた上限回転数以上になった際に、前記プロペラ部の回転数で前記プロペラ効率の良い領域で発生できる前記プロペラトルクよりも大きいトルクを前記電磁石発電機で発生するように前記励磁部を制御することで、前記励磁コイル部への前記励磁電力を制御する
請求項１に記載の発電装置。 When the number of revolutions of the propeller section obtained from the rotation detection section reaches or exceeds a predetermined upper limit number of revolutions, the control section generates a rotation speed of the propeller section in a region where the propeller efficiency is good. The power generator according to claim 1, wherein the exciting power to the exciting coil unit is controlled by controlling the exciting unit so that the electromagnetic generator generates a torque larger than the propeller torque that can be generated.

前記制御部は、前記回転検出部から得られる前記プロペラ部の回転数が、事前に決められた下限回転数以下になった際に、前記励磁コイル部への励磁を実行しない
請求項１または２に記載の発電装置。 3. The control unit does not excite the excitation coil unit when the number of revolutions of the propeller unit obtained from the rotation detection unit is equal to or less than a predetermined lower limit number of revolutions. The power generator according to .

前記励磁コイル部の温度を検出する温度検出部をさらに備え、
前記制御部は、前記温度検出部の温度検出結果に従って温度補償を行って求めた前記励磁電力に従って前記励磁部を制御する
請求項１から３のいずれか１項に記載の発電装置。 further comprising a temperature detection unit that detects the temperature of the excitation coil unit,
The power generator according to any one of claims 1 to 3, wherein the control section controls the excitation section according to the excitation power obtained by performing temperature compensation according to the temperature detection result of the temperature detection section.

前記励磁コイル部へ励磁電圧が印加された際の励磁電流をモニタするための励磁電流モニタ部をさらに備え、
前記制御部は、前記励磁電流モニタ部の検出結果より求めた実際の励磁電力に従って前記励磁部を制御する、
請求項１から４のいずれか１項に記載の発電装置。 further comprising an exciting current monitor unit for monitoring an exciting current when an exciting voltage is applied to the exciting coil unit,
The control unit controls the excitation unit according to the actual excitation power obtained from the detection result of the excitation current monitor unit.
The power generator according to any one of claims 1 to 4.

前記励磁部は、前記励磁電力を制御する方式としてＰＷＭ制御によるパルス幅変調電圧制御回路を有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の発電装置。 The excitation unit has a pulse width modulation voltage control circuit by PWM control as a method for controlling the excitation power,
The power generator according to any one of claims 1 to 5.

前記励磁部は、前記励磁電力を制御する方式としてＤＣ電圧制御回路を有する、
請求項１から５のいずれか１項に記載の発電装置。 The excitation unit has a DC voltage control circuit as a method for controlling the excitation power,
The power generator according to any one of claims 1 to 5.