特許 7521383 発電機の過回転防止回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-16

(45)【発行日】2024-07-24

(54)【発明の名称】発電機の過回転防止回路

(51)【国際特許分類】

   H02P 9/00 20060101AFI20240717BHJP

【ＦＩ】

H02P9/00 B

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020187852

(22)【出願日】2020-11-11

(65)【公開番号】P2022077152

(43)【公開日】2022-05-23

【審査請求日】2023-07-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100170818

【弁理士】

【氏名又は名称】小松 秀輝

(74)【代理人】

【識別番号】100133064

【弁理士】

【氏名又は名称】大野 新

(72)【発明者】

【氏名】山田 達郎

(72)【発明者】

【氏名】温見 寿範

(72)【発明者】

【氏名】山口 浩二

(72)【発明者】

【氏名】高橋 芳明

(72)【発明者】

【氏名】松山 良満

【審査官】池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０４６４５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－３３９８５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－０６８６３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００４／００７３３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００３－０９０２８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１９／０７８０４５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－１３５４２２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

三相交流発電機である発電機と、
前記発電機の三相の巻線に接続され、前記発電機からの交流電力を直流電力に変換する整流器と、
前記整流器にヒューズを介して接続され、前記整流器から前記直流電力を受ける電力系統と、
前記三相の巻線に直列に接続される抵抗器と、
前記三相の巻線及び前記抵抗器に直列に接続されるキャパシタと、
を備え、
前記整流器と前記電力系統とを接続する２本の接続線の間には、スイッチが接続されており、
前記ヒューズは、前記スイッチよりも前記電力系統側に配置され、
前記抵抗器及び前記キャパシタは、前記２本の接続線の間において前記スイッチと直列に接続されている、
発電機の過回転防止回路。

【請求項2】

互いに直列に接続される前記巻線、前記抵抗器及び前記キャパシタの共振周波数は、前記発電機の回転数が定格回転数のときの前記巻線の起電力の周波数以上である、請求項１に記載の発電機の過回転防止回路。

【請求項3】

互いに直列に接続される前記巻線、前記抵抗器及び前記キャパシタの共振周波数は、前記発電機の回転数が前記定格回転数の１．２倍の回転数のときの前記巻線の起電力の周波数以下である、請求項２に記載の発電機の過回転防止回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電機の過回転防止回路に関するものである。

【背景技術】

【0002】

発電機からの電力を安定して電力系統に出力するために、通常、発電機は整流器に接続され、整流器はヒューズを介して電力系統に接続され、整流器の出力から電力系統の周波数に変換する電力変換器が別途使用される。このような構成において、例えばヒューズが切れた場合、発電機からの電力は電力系統へ出力することができないため、すべての発電エネルギーが発電機のロータの回転エネルギーとして加算され、過回転による故障につながることがある。

【0003】

このような過回転を防止するために、整流器の後段にスイッチと抵抗器とが設けられ、ヒューズが切れた場合などはスイッチを動作させ、発電機の発電エネルギーを抵抗器にて消費させることで過回転による故障を防止する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、発電機の出力に直列に接続された半導体スイッチと抵抗器とを設けたブレーキ回路と、半導体スイッチの作動を制御する制御装置とを備えた風力発電機の電気ブレーキが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００３‐０９０２８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、上記技術では、発電機の過回転に対する制動力が不十分であり、改善が望まれている。

【0006】

そこで本発明は、発電機の過回転に対する制動力を向上できる発電機の過回転防止回路を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一側面は、発電機の巻線に直列に接続される抵抗器と、巻線及び抵抗器に直列に接続されるキャパシタとを備えた発電機の過回転防止回路である。

【0008】

抵抗器のみの構成では、発電機の内部にある巻線のインダクタンスにより電圧降下が生じるため、抵抗器にて消費できる電力には上限が存在する。一方、この構成によれば、発電機の巻線に直列に接続される抵抗器に加えて、巻線及び抵抗器に直列に接続されるキャパシタをさらに備える。キャパシタにより力率が改善するため、抵抗器にて消費できる電力が増大し、発電機の過回転に対する制動力を向上できる。

【0009】

この場合、互いに直列に接続される巻線、抵抗器及びキャパシタの共振周波数は、発電機の回転数が定格回転数のときの巻線の起電力の周波数以上であってもよい。

【0010】

この構成によれば、互いに直列に接続される巻線、抵抗器及びキャパシタの共振周波数は、発電機の回転数が定格回転数のときの巻線の起電力の周波数以上であるため、発電機の回転数が定格回転数以上のときに共振が生じ、抵抗器のみで電圧降下が発生する。そのため、発電機の回転数が定格回転数以上となったときの制動力を向上できる。定格回転数は、回転機である発電機に保証された使用限度の回転数である（日本産業規格JIS C 4034-1（国際電気標準会議IEC 60034:1996））。したがって、この構成によれば、発電機の回転数が発電機に保証された使用限度である定格回転数以上となることを防止できる。

【0011】

さらに、互いに直列に接続される巻線、抵抗器及びキャパシタの共振周波数は、発電機の回転数が定格回転数の１．２倍の回転数のときの巻線の起電力の周波数以下であってもよい。

【0012】

この構成によれば、互いに直列に接続される巻線、抵抗器及びキャパシタの共振周波数は、発電機の回転数が定格回転数のときの巻線の起電力の周波数以上であって且つ発電機の回転数が定格回転数の１．２倍の回転数のときの巻線の起電力の周波数以下であるため、発電機の回転数が定格回転数～定格回転数の１．２倍であるときに共振が生じ、抵抗器のみで電圧降下が発生する。そのため、発電機の回転数が定格回転数～定格回転数の１．２倍であるときの制動力を向上できる。発電機の定格回転数の１．２倍の回転数は、回転機である発電機が耐えられるように設計されなければならない過速度の回転数である（日本産業規格JIS C 4034-1（国際電気標準会議IEC 60034:1996））。したがって、この構成によれば、発電機の回転数が定格回転数を超えて、発電機が耐えられるように設計された過速度の回転数に達することを防止できる。

【0013】

また、発電機の巻線は整流器を介して電力系統に接続され、抵抗器及びキャパシタは、整流器を介さずに発電機の巻線に接続されていてもよい。

【0014】

この構成によれば、発電機の巻線は整流器を介して電力系統に接続されているが、抵抗器及びキャパシタは発電機の巻線と電力系統とを接続する整流器を介さずに発電機の巻線に接続されているため、整流器の故障時に対応し易くなる。

【0015】

また、発電機の巻線は整流器を介して電力系統に接続され、抵抗器及びキャパシタは、整流器を介して発電機の巻線に接続されていてもよい。

【0016】

この構成によれば、発電機の巻線は整流器を介して電力系統に接続されているが、抵抗器及びキャパシタは発電機の巻線と電力系統とを接続する整流器を介して発電機の巻線に接続されているため、各相の巻線ごとに抵抗器及びキャパシタを接続しなくてもよくなる。

【0017】

また、発電機の巻線は第１の整流器を介して電力系統に接続され、抵抗器及びキャパシタは、第１の整流器を介さず、第１の整流器とは別に発電機の巻線に接続された第２の整流器を介して発電機の巻線に接続されていてもよい。

【0018】

この構成によれば、発電機の巻線は第１の整流器を介して電力系統に接続されているが、抵抗器及びキャパシタは発電機の巻線と電力系統とを接続する整流器を介さず、第１の整流器とは別に発電機の巻線に接続された第２の整流器を介して発電機の巻線に接続されているため、第１の整流器の故障時に対応し易くなり、各相の巻線ごとに抵抗器及びキャパシタを接続しなくてもよくなる。

【発明の効果】

【0019】

本発明の一側面の発電機の過回転防止回路によれば、発電機の過回転に対する制動力を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１実施形態に係る発電機の過回転防止回路を示す図である。

【図2】従来の発電機の過回転防止回路を示す図である。

【図3】抵抗器とキャパシタとを直列に接続した過回転防止回路と抵抗器のみの過回転防止回路における抵抗値に対する放電電力を示すグラフである。

【図4】第１実施形態に係る過回転防止回路における発電機の回転数に対するインピーダンスを示すグラフである。

【図5】第２実施形態に係る発電機の過回転防止回路を示す図である。

【図6】第３実施形態に係る発電機の過回転防止回路を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示されるように、第１実施形態の発電機の過回転防止回路１Ａでは、三相交流発電機である発電機Ｇを備える。第１実施形態の発電機Ｇの過回転防止回路１Ａでは、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗのそれぞれは整流器１１を介して電力系統３０に接続されている。整流器１１はヒューズ２０を介して電力系統３０に接続されている。発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗは、それぞれ起電力Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗを発生する。発電機Ｇは、誘導発電機でも同期発電機でもよい。なお、発電機Ｇとは、制動時等に電動機が発電機として運転されるものを含む。この場合、電動機は誘導電動機でも同期電動機でもよい。

【0022】

発電機Ｇの過回転防止回路１Ａは、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗに、それぞれ直列に接続される抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３を備える。抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、コンタクタ４０のスイッチ４１，４２，４３をそれぞれ介して、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗにそれぞれ直列に接続されている。発電機Ｇの過回転防止回路１Ａは、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗ及び抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３に、それぞれ直列に接続されるキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３を備える。抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３は、発電機Ｇと電力系統３０と接続する整流器１１を介さずに発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗに接続されている。

【0023】

互いに直列に接続される巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗ、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の共振周波数は、発電機Ｇの回転数が定格回転数のときの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗの起電力Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗの周波数以上である。定格回転数とは、日本産業規格JIS C 4034-1及び国際電気標準会議IEC 60034:1996で規定された回転機である発電機Ｇに保証された使用限度の回転数である。したがって、巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_ＷのインダクタンスＬ、キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の静電容量Ｃ、発電機Ｇの回転数が定格回転数のときの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗの起電力Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗの周波数ω_Ｎに対して、共振周波数ω_０＝１／（ＬＣ）^２であり、ω_Ｎ≦ω_０である。

【0024】

また、互いに直列に接続される巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗ、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の共振周波数は、発電機Ｇの回転数が定格回転数の１．２倍の回転数のときの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗの起電力Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗの周波数ω_１．２Ｎ以下である。発電機Ｇの定格回転数の１．２倍の回転数は、日本産業規格JIS C 4034-1及び国際電気標準会議IEC 60034:1996で規定された回転機である発電機Ｇが耐えられるように設計されなければならない過速度の回転数である。つまり、発電機Ｇの回転数が定格回転数のときの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗの起電力Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗの周波数ω_Ｎ及び発電機Ｇの回転数が定格回転数の１．２倍の回転数のときの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗの起電力Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗの周波数ω_１．２Ｎに対して、ω_Ｎ≦ω_０≦ω_１．２Ｎである。

【0025】

以下、本実施形態の発電機Ｇの過回転防止回路１Ａの作用効果について説明する。図２に示されるように、従来の発電機Ｇの過回転防止回路１０では、発電機Ｇと電力系統３０と接続する整流器１１の後段にスイッチ４４と抵抗器Ｒとが設けられている。ヒューズ２０が切れた場合などは、スイッチ４４が動作させられ、発電機Ｇの発電エネルギーが抵抗器Ｒにて消費させられることにより過回転による故障が防止される。しかし、従来の発電機Ｇの過回転防止回路１０では、抵抗器Ｒにて過回転を抑制するために十分な電力を放電できない。また、整流器１１の故障時に対応できない欠点がある。

【0026】

図３に示されるように、従来の発電機Ｇの過回転防止回路１０における抵抗器Ｒのみの構成では、発電機Ｇの内部にある巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_ＷのインダクタンスＬにより電圧降下が生じるため、抵抗器Ｒで放電できる電力には上限が存在する。一方、本実施形態の発電機Ｇの過回転防止回路１Ａのように、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗ及び抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３にそれぞれ直列に接続されるキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３を備える。キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３により力率が改善するため、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３にて消費できる電力が増大し、発電機Ｇの過回転に対する制動力を向上できる。

【0027】

また、図４に示されるように、本実施形態によれば、互いに直列に接続される巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗ、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の共振周波数ω_０は、発電機Ｇの回転数が定格回転数のときの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗの起電力Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗの周波数ω_Ｎ以上であるため、発電機Ｇの回転数が定格回転数以上のときに共振が生じ、インピーダンスが最小となり力率が最大となり、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のみで電圧降下が発生する。そのため、発電機Ｇの回転数が定格回転数以上となったときの制動力を向上できる。日本産業規格JIS C 4034-1及び国際電気標準会議IEC 60034:1996で規定された定格回転数は、回転機である発電機Ｇに保証された使用限度の回転数である。したがって、この構成によれば、発電機Ｇの回転数が発電機Ｇに保証された使用限度である定格回転数以上となることをより効果的に防止できる。

【0028】

また、図４に示されるように、本実施形態によれば、互いに直列に接続される巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗ、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３の共振周波数ω_０は、発電機Ｇの回転数が定格回転数のときの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗの起電力Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗの周波数ω_Ｎ以上であって且つ発電機Ｇの回転数が定格回転数の１．２倍の回転数のときの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗの起電力Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗの周波数ω_１．２Ｎ以下であるため、発電機Ｇの回転数が定格回転数～定格回転数の１．２倍であるときに共振が生じ、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３のみで電圧降下が発生する。そのため、発電機Ｇの回転数が定格回転数～定格回転数の１．２倍であるときの制動力を向上できる。日本産業規格JIS C 4034-1及び国際電気標準会議IEC 60034:1996で規定された発電機Ｇの定格回転数の１．２倍の回転数は、回転機である発電機Ｇが耐えられるように設計されなければならない過速度の回転数である。したがって、本実施形態によれば、発電機Ｇの回転数が定格回転数を超えて、発電機Ｇが耐えられるように設計された過速度の回転数に達することをより効果的に防止できる。

【0029】

また、本実施形態によれば、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗは整流器１１を介して電力系統３０に接続されているが、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３は発電機Ｇの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗと電力系統３０とを接続する整流器１１を介さずに発電機Ｇの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗに接続されているため、整流器１１の故障時に対応し易くなる。

【0030】

以下、第２実施形態について説明する。図５に示されるように、本実施形態の発電機Ｇの過回転防止回路１Ｂでは、上記第１実施形態と同様に、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗは整流器１１を介して電力系統３０に接続されている。しかし、抵抗器Ｒ及びキャパシタＣは、整流器１１及びスイッチ４４を介して発電機Ｇの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗに接続されている。

【0031】

本実施形態によれば、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗは整流器１１を介して電力系統３０に接続されているが、抵抗器Ｒ及びキャパシタＣは発電機Ｇの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗと電力系統３０とを接続する整流器１１を介して発電機Ｇの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗに接続されているため、各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗごとに抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３を接続しなくてもよくなる。

【0032】

以下、第３実施形態について説明する。図６に示されるように、本実施形態の発電機Ｇの過回転防止回路１Ｃでは、上記第１実施形態と同様に、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗは第１の整流器１１を介して電力系統３０に接続されている。しかし、抵抗器Ｒ及びキャパシタＣは、第１の整流器１１を介さず、第１の整流器１１とは別に発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗに接続された第２の整流器１２を介して発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗに接続されている。第２の整流器１２は、コンタクタ４０のスイッチ４１，４２，４３をそれぞれ介して、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗのそれぞれに接続されている。

【0033】

本実施形態によれば、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗは第１の整流器１１を介して電力系統３０に接続されているが、抵抗器Ｒ及びキャパシタＣは発電機Ｇの巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗと電力系統３０とを接続する整流器１１を介さず、第１の整流器１１とは別に発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗに接続された第２の整流器１２を介して発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗに接続されているため、第１の整流器１１の故障時に対応し易くなり、各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗごとに抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３を接続しなくてもよくなる。

【0034】

以上、実施形態及び変形例について説明したが、実施形態は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、発電機Ｇの各相の巻線Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗはデルタ結線により結線され、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３及びキャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３はデルタ結線の出力に直列に接続されていてもよい。

【符号の説明】

【0035】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ 過回転防止回路
１０ 過回転防止回路
１１，１２ 整流器
２０ ヒューズ
３０ 電力系統
４０ コンタクタ
４１，４２，４３，４４ スイッチ
Ｇ 発電機
Ｖ_Ｕ，Ｖ_Ｖ，Ｖ_Ｗ 起電力
Ｌ_Ｕ，Ｌ_Ｖ，Ｌ_Ｗ 巻線
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 抵抗器
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ キャパシタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】