用於分散電源的發電裝置的製作方法
2023-09-19 19:40:30
專利名稱：用於分散電源的發電裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於分散電源的發電裝置，該發電裝置通過由風車或者水車驅動的發電機從風或水中獲取大體上最大的輸出，不管風速或者流速如何。
背景技術：
為了在不使用PWM(脈寬調製)變流器的情況下通過將交流轉變成直流來從連接至風車或者水車的永磁式發電機中獲取大體上最大的輸出，本申請的申請人已經提出一種用於分散電源的發電裝置，該發電裝置包含一個包括有分別產生不同感應電壓的多個繞組的永磁式發電機，並且具有各自通過一電抗器串聯連接至一整流器的輸出端子，並且這些整流器的直流輸出彼此並聯連接，從而輸出直流電至外部(例如參考專利文獻1，日本專利申請2002-221，714，圖1)。
現在將參考圖9中所示出的用於說明連接至風車的小尺寸風力發電裝置的主電路的單線路圖來解釋現有技術的這種裝置。
在圖9中，風車由參考標號1表示，現有技術的小尺寸風力發電裝置由參考標號2表示，其包括永磁式發電機3、第一至第三電抗器4至6、第一至第三整流器7至9、正輸出端子10、負輸出端子11、以及電池12。
永磁式發電機3包括三個絕緣並且感應電壓不同的繞組。它們之中的第一繞組W1因為匝數最少所以產生最低的感應電壓，並且被連接至第一電抗器4以及繼而至第一整流器7。第二繞組W2的匝數比第一繞組W1多但是比第三繞組W3少，它被連接至第二電抗器5以及繼而至第二整流器8。
第三繞組W3因為匝數最多所以產生最高的感應電壓，並且被連接至第三電抗器6以及繼而至第三整流器9。
第一至第三整流器7至9中每個的直流輸出被分別並聯連接至正輸出端子10和負輸出端子11，並且各個繞組的總輸出被輸入至電池12。
以下將描述依靠如此配置的用於分散電源的發電裝置2來從風車獲取大體上最大的輸出的方法。
圖8是用於解釋當風速為參數時風車的轉數相對輸出的特性曲線的輪廓的圖。
對於風車，如果風車的形狀和風速U被確定，那麼主要根據風車的轉數N確定風車的輸出P。例如，圖8中的實線分別示出了風速UX和UY時風車的輸出P。圖8中作為最大輸出曲線的點劃線示出了多種風速下風車的輸出P的峰值。
更詳細地說，對於圖8中風車的轉數相對輸出的特性曲線，當風速為UX時，如同在風車輸出曲線與最大輸出曲線的交點SX所示，在風車的轉數NX處獲取風車的最大輸出PX。
此外，當風速為UY時，在風車的轉數NY處獲取風車的最大輸出PY。
也就是，當從另外的觀點來觀察圖8中的最大輸出曲線時，該曲線表明如下事實為了從風中獲取最大輸出，一旦風車的轉數N被確定，那麼主要通過確定在最大輸出曲線上某一值處的永磁式發電機的輸出P來獲取最大輸出。
圖7是當現有技術的小尺寸風力發電裝置2的直流輸出被連接至諸如電池等等之類的恆壓源時的說明圖。如圖7所示，由於風車的感應電壓的差異以及由各個繞組的內部電感和連接至各個繞組的輸出的電抗器引起的壓降，小尺寸風力發電裝置2的永磁式發電機3中的第一至第三繞組W1至W3的各個輸出被作為圖7中的各個繞組的風車轉數對輸出的特性曲線P1至P3示出。
換句話說，當風車的轉數N低時，因為第三繞組W3的生成電壓V3低於電池電壓Vb，所以電池沒有被充電。然而，當風車的轉數N增加至接近於N3的值時，電流開始流動。當風車的轉數N達到N3時，第三繞組W3的輸出P3變成P31。即使風車的轉數N增加以致超過N3來增加感應電壓，然而因為電感以及第三繞組W3的其他效應和第三電抗器引起的阻抗與頻率成比例，所以電池的電壓Vb保持在基本恆定的值上，使得輸出P3保持在比P31略高的值上。
利用第二繞組W2，因為內部電感等等可以較小，所以隨著轉數N的進一步增加感應電壓也增加，從而開始獲取大的輸出。利用第一繞組W1，當轉數N進一步增加時，甚至能夠獲取更大的輸出。
對於這樣配置的小尺寸風力發電裝置2，對諸如電池12等等之類的恆壓源的輸出等於通過加和第一至第三繞組的輸出P1至P3所獲取的總輸出，並且由如圖6中虛線所示的近似輸出曲線來進行例示。因此，如圖6所示，這個總輸出實現了與圖6中實線所示的最大輸出曲線相關的近似輸出曲線。
發明內容
本發明將要解決的任務包括上述三種繞組和三種電抗器的現有技術的小尺寸風力發電裝置2源於如下事實面臨有待解決的問題需要許多電抗器，並且永磁式發電機3中的繞組結構複雜，這使得生產過程冗長(就涉及的步驟數目而言)並且可能昂貴。
任務的解決方案鑑於以上情況，本發明將提供一種改進的用於分散電源的發電裝置，所述發電裝置在永磁式發電機3中包括種類減少的繞組，並且採用一飽和電抗器作為連接至外部用於從風車或者水車獲取大體上最大輸出的電抗器。
本發明的效果根據本發明的用於分散電源的發電裝置2包括具有種類減少的繞組和數目減少的電抗器的永磁式發電機3，使得能夠減少生產步驟來降低製造成本。
圖1是根據本發明的第一實施例的被應用於風車的用於分散電源的發電裝置的主電路的單線路圖；圖2是根據本發明的第二實施例的被應用於風車的用於分散電源的發電裝置的主電路的單線路圖；圖3是本發明的第一實施例的用於分散電源的發電裝置的轉數對風車輸出的特性曲線圖；圖4是本發明的第一實施例的用於分散電源的發電裝置的各個繞組的轉數對輸出的特性曲線圖；圖5是用於解釋根據本發明的飽和電抗器的電感的示圖；圖6是現有技術的小尺寸風力發電裝置的轉數對風車的輸出特性曲線圖；圖7是現有技術的小尺寸風力發電裝置的各個繞組的轉數對輸出的特性曲線圖；圖8是用於解釋以風速作為參數的風車的轉數對輸出的特性曲線的輪廓的圖；以及圖9是現有技術的小尺寸風力發電裝置的主電路的單線路圖。
具體實施例方式
根據本發明的用於分散電源的發電裝置包括永磁式發電機3，所述永磁式發電機3包括兩種感應電壓不同的繞組，只有產生較高感應電壓的一個繞組被連接至為飽和電抗器的電抗器。
(第一實施例)圖1是根據本發明的由風車驅動的用於分散電源的發電裝置的主電路的單線路圖。
圖1中，發電裝置由參考標號2表示，所述發電裝置包括永磁式發電機3、飽和電抗器13、第一和第三整流器7和9、正輸出端子10和負輸出端子11。圖9中使用的相同的參考標號標識相同的組件。
現在將參考圖1來解釋本發明的一個實施例。
根據本發明的用於分散電源的發電裝置2包括永磁式發電機，所述永磁式發電機包括匝數不同的兩個絕緣的繞組，其中一個為產生較低的感應電壓並且被連接至第一整流器7的繞組W1。
另一繞組W3產生較高的感應電壓並且被連接至飽和電抗器13以及繼而至第三整流器9。
第一和第三整流器7和9的各自直流輸出被分別連接至正輸出端子10和負輸出端子11並且繼而至電池12。
所採用的飽和電抗器13具有如下電流對電感的特性曲線如示出了飽和電抗器的電流對電感的特性的圖5所示，當電流增加時組成電抗器的磁芯(core)飽和，使得電感值減少。如圖5所示，飽和電抗器具有如下特性當電流為I1時，電感為L1，但是在超過I1的電流的範圍內電感減少。
通過適當地確定所述磁芯和間隙尺寸以及匝數能夠實現這樣的飽和電抗器。
在圖1中的用於分散電源的發電裝置2中，為了去除圖9中小尺寸發電裝置2的繞組W2和電抗器5，因此採用飽和電抗器13作為連接至繞組W3的電抗器。
圖3是根據本發明的用於分散電源的發電裝置的轉數對輸出的特性曲線圖，圖4是根據本發明的用於分散電源的發電裝置的各個繞組的轉數對輸出的特性曲線圖，現在將參考圖3和圖4來解釋從如此配置的用於分散電源的發電裝置2中在各種風速下獲取主要依賴於風車的形狀確定的最大輸出的方法。
在圖4的根據本發明的用於分散電源的發電裝置的各個繞組的轉數對輸出的特性曲線圖中，因為連接至飽和電抗器的是其電感值隨電流增加而減少的繞組W3，所以繞組W3的輸出P3沿著朝右上更快彎曲的曲線增加。繞組W3的輸出P3的這種增加明顯不同於圖9中現有技術裝置情況下連接至恆定電感值的電抗器的第三繞組W3的輸出。
根據本發明所例示的實施例的繞組W3的輸出特性依賴於不隨轉數、感應電壓和電流值變化的永磁式發電機3中的繞組W3的內部電感值，以及依賴於飽和電抗器13的電感值。
由如此配置的小尺寸風力發電裝置2對諸如電池12等等之類的恆壓源的輸出等於通過加和繞組W1和W3的輸出P1和P3而獲取的總輸出，並且由圖3中的虛線所示出的近似輸出曲線來表明。因此，如圖3所示，這個總輸出實現了實線所示出的最大輸出曲線的近似曲線。
根據本發明，通過調節永磁式發電機3的各個繞組W1和W3的感應電壓值和內部電感值以及飽和電抗器13的電感值，有可能使得該近似曲線更接近圖3中所示出的最大輸出曲線，從而從風中獲取儘可能多的能量。
更詳細地說，儘管圖3中的最大輸出曲線是風車的轉數的三次方曲線，但是由於多個繞組中每一個的內部電感和電抗器而產生的壓降與風車的轉數成比例。此外，儘管多個繞組中每一個的感應電壓與繞組的轉數成比例，但是內部電感與匝數的平方成比例。可以考慮這些事實來設計本裝置。
在上述本發明的實施例中，對於構成用於分散電源的發電裝置2的永磁式發電機3，各個繞組為產生不同的感應電壓和輸出而具有不同的匝數，同時允許更大量的電流流經的繞組W1的橫截面面積比繞組W3的橫界面面積大。
此外，對於永磁式發電機3，可以配置內部繞組使得產生不同的感應電壓和輸出。不必將不同匝數的繞組容納在相同的定子槽中。
此外，根據本發明的用於分散電源的發電裝置2可以適用於除三相外的其他數目的相位。
前面已經描述過了通過根據本發明的用於分散電源的發電裝置對諸如電池12等等之類的恆壓源充電的情況。當通過充電來升高直流電壓時，如果在升高直流電壓的情況下繼續充電，那麼如圖3所示小尺寸風力發電裝置的近似輸出曲線可能朝右手方與最大輸出曲線分離，所以輸出減少。這樣的升高直流電壓由如下事實引起對諸如電池12等等之類的恆壓源充電已經充分受到風力電力的影響。因此，這一現象對於包括諸如電池12等等之類的恆壓源的整個系統而言不是問題。如果系統中直流電壓趨向於進一步升高，那麼可以從系統斷開諸如電池12等等之類的恆壓源，或者可以停止風車。
在直流電壓依賴於充電電流量變化的情況下，可以通過設計繞組和飽和電抗器的數目使得近似輸出曲線全程接近用於分散電源的發電裝置的最大輸出曲線來解決此問題。
(第二實施例)圖2示出了本發明的第二實施例。
圖2中，第二實施例的用於分散電源的發電裝置2包括永磁式發電機3、飽和電抗器13、整流器9、以及電池12。圖2中使用的相同的參考標號來指示相同的組件。
儘管本發明的第一實施例中產生不同的感應電壓的繞組數為兩個，然而在第二實施例中使用一種與飽和電抗器和整流器相連的、具有特定匝數的繞組，從而進一步減少生產步驟數目並且因而降低生產成本，即使近似輸出曲線與最大輸出曲線的近似度可能降低。
工業應用性通過去除風速計和昂貴的PWM轉換器以及減少永磁式發電機3的繞組和電抗器的種類能夠經濟地生產根據本發明的用於分散電源的發電裝置2，並且因為不需要PWM轉換器所需的備用電力所以能夠增加年度電力生產，因此從實用觀點來看根據本發明的裝置變得非常有用。
儘管在以上實施例中描述了利用風力的情況，然而顯然在如下情況下根據本發明的裝置也適用於水力或者水能量使用如果水輪的形狀被確定，那麼為獲取最大輸出首先要確定轉數對輸出的特性。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1、一種用於分散電源的發電裝置，所述發電裝置對由風車或者水車驅動的永磁式發電機的交流輸出進行整流來提供直流輸出，其中所述永磁式發電機包括兩種感應電壓不同的繞組，並且通過串聯連接的飽和電抗器對來自所述兩種繞組之中產生較高感應電壓的一個繞組的交流輸出進行整流，所述飽和電抗器的電感值隨著電流的增加而變得較小，同時對來自兩種繞組之中產生較低的感應電壓的另一繞組的交流輸出進行直接整流，並且這些經整流後的輸出並聯連接。
2、一種用於分散電源的發電裝置，所述發電裝置對由風車或者水車驅動的永磁式發電機的交流輸出進行整流來提供直流輸出，其中通過串聯連接的飽和電抗器對來自所述永磁式發電機的交流輸出進行整流，所述飽和電抗器的電感值隨著電流的增加而變得較小。
權利要求
1.一種用於分散電源的發電裝置，所述發電裝置對由風車或者水車驅動的永磁式發電機的交流輸出進行整流來提供直流輸出，其中，所述永磁式發電機包括兩種感應電壓不同的繞組，並且通過串聯連接的飽和電抗器對來自所述兩種繞組之中產生較高感應電壓的一個繞組的交流輸出進行整流，同時對來自兩種繞組之中產生較低的感應電壓的另一繞組的交流輸出進行直接整流，並且這些經整流後的輸出並聯連接。
2.一種用於分散電源的發電裝置，所述發電裝置對由風車或者水車驅動的永磁式發電機的交流輸出進行二極體整流來提供直流輸出，其中通過串聯連接的飽和電抗器對來自所述永磁式發電機的交流輸出進行整流。
全文摘要
一種用於分散電源的發電裝置(2)包括用於獲取一定風速或者流速下的最大輸出所需的三種類型的繞組和三種類型的電抗器，以獲取直流輸出，所述發電裝置存在一些問題，就是需要許多電抗器並且永磁式發電機的繞組結構複雜，從生產過程數目多並且成本高。一種用於分散電源的發電裝置，所述發電裝置對由風車或者水車驅動的永磁式發電機的交流輸出進行整流來提供直流輸出，其中所述永磁式發電機包括兩種感應不同電壓的繞組，並且通過一串聯連接的飽和電抗器對來自所述兩種繞組之中產生較高感應電壓的一個繞組的交流輸出進行整流，同時對來自兩種繞組之中產生較低的感應電壓的另一繞組的交流輸出進行直接整流，並且經整流後的輸出並聯連接。
文檔編號F03D9/00GK1890871SQ20048003572
公開日2007年1月3日 申請日期2004年10月1日 優先權日2003年10月2日
發明者鹽田剛 申請人:東洋電機製造株式會社