可変速機を用いた周波数変換装置の製作

E02001 青木 亮 指導教員 藤田吾郎

1. はじめに

近年，地球温暖化防止の対策として温室効果ガスの削

減が求められているが，二酸化炭素(CO2)を排出しない

新エネルギーの一つとして大規模導入可能な風力発電が

注目されている。現状として新エネルギーは2002年度実

績で日本の全エネルギー供給量のうち1.3％を占めてお

り，経済産業省は2010年を目標に3％程度に増大させる

ことを目指している。このうち風力発電は北海道や東北

地域で導入が現在進んでおり，我が国の導入実績は2004

年3月末現在で735基超，出力約67.7万kWとなっている。

しかし世界第一位のドイツにおける風力発電の導入実

績の約1,461万kW(2003年末時点)に比べると我が国の立

ち遅れは否めず，経済産業省は導入拡大を目指し2010年

までに5倍近い300万kWに増やす目標を立てている。

風力発電は発電出力が不安定であるため先に述べたよ

うな大規模導入に伴い電圧変動，周波数変動などの電力

品質の低下[1][2]を招く恐れがあるため，本研究では出力

安定化装置として可変速機を用いた回転型周波数変換装

置を提案し，装置の実機製作・測定・検証を行う。

2. 回転型周波数変換装置の概要・構成

2.1 実験装置の概要

本装置は，同期電動機(Synchronous Machine)にDFM機

を軸連結させた構造である。ウィンドファームからの発

電電力を同期電動機によって回転エネルギーに変換し，

軸連結したDFM機を回転させることによって電力に逆変

換する。ここで本研究においては可変速機の発電出力側

を1次側，励磁を行う入力側を2次側と定義する。このと

き，DFM機の二次側励磁，つまり二次巻線電圧を制御す

ることによって出力の安定化を図る。DFM機の二次側か

ら励磁周波数を変化させて交流励磁を行うことで，すべ

りを変化させることが可能となり，結果として出力電圧

と周波数の制御が可能となる。

2.2 可変速機(DFM機)

DFM機は同期可変速技術の発展で，巻線型誘導機と同

一構造であり，ローターの回転数と一次側回転磁界の速

度差をローター内の二次巻線回路で補う仕組みとなって

いるため，回転数によらず一定の周波数で電力の出し入

れが可能である。この二重に給電するということから二

重給電機(Doubly-Fed Machine)と呼ばれる。

DFM機を図1に示す。二次励磁をするためにDFM機の

固定子の二次側には炭素ブラシが取り付けてあり，回転

子にはスリップリングを通して励磁電流を流す構造とな

っている。DFM機は通常の三相誘導発電機を応用して製

作した。

図1 DFM機

2.3 三相交流アンプ

本研究では制御ソフトであるLabVIEWを用いることで

フィードバック制御を行っている。しかし，LabVIEWか

らの信号は微弱であるため三相交流アンプ(Three-phase

AC Amplifier)を用いて増幅する必要がある。昨年までは

電圧制御による二次励磁を行っていたが，今年は電流制

御に変更することとした。図2に提案した三相交流アン

プの回路図を示す。

まず，改良における昨年との大きな変更点はオペアン

プを追加することでフィードバックによる比較を行い制

御をすることである。信号入力を1[kΩ]と4[kΩ]で分圧

し，検出抵抗1[Ω]の電流と分圧した電流とをオペアンプ

を2つ用いて比較することで2[A]まで出力可能なように

設計を施した。また実際の回路においては抵抗値を，

R1=1[kΩ]，R2=0.1[kΩ]，R3=3.9[kΩ]とすることで分圧

比を実現している。これにより，5[V]の入力に対し1[A]

となり同様にして10[V]の入力に対し2[A]となるため

LabVIEWの入出力範囲は·10[V]であることより，2[A]

まで出力が可能である。

電流制御の方式に移行した理由としては周波数変動に

より回転子のインピーダンス成分が変動するため三相不

平衡の状態になり逆起電力を考えなければならず，結果

として三相交流アンプへの負担が大きくなり故障の原因

の一つとなるためである。また回路製作においては実験

における制御性の向上も考慮し，同時に妥当性の検討[3]

を行った。

INV：インバータ IM：誘導電動機

DHT：デジタルハイテスター

Elec

troly

tic c

apac

itor

１5００

[μF]

35[

V]

１[ｋΩ

]

Cer

amic

cap

acito

r １０４

0.1[μ

F] 5

0[V]

Lam

inat

ing

cera

mic

ca

paci

tor

390[

pF] 5

0[V]

220[

pF]

270[Ω

]

0.1[Ω

]

270[Ω

]

0.1[Ω

]

0.1[Ω

]0.

1[Ω

]

810

TS4B

05GC

eram

ic c

apac

itor １０４

0.1[μ

F] 5

0[V]

Elec

troly

tic c

apac

itor

１5００

[μF]

35[

V]

Brid

ge d

iode

0.1[ｋΩ

]

１[ｋΩ

]390[

pF]

R1

R2

R7

R9

R10 R11

R12

R14

R13

C2

C1

C3

C4

C5

C6

C7

図2 三相交流アンプ

3. 励磁・発電電圧測定

DFM機の特性を調べるために励磁電圧に対する発電電

圧を測定する特性試験を行った。測定方法はインバータ

を用いて誘導機を回し，軸連結したDFM機を回転させて

2次側から励磁を行う。実験配線図を図3に示す。

また，各励磁電圧における発電電圧を測定し測定結果

をDFM機特性曲線・一次/二次電圧比率として図4に示す。

図3 DFM機特性試験

Result of No-load test

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10

excitation voltage [V]

prim

ary

outp

ut vo

ltage

[V

]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

prim

ary/

secon

dary

line voltage [V] primary/secondary

図4 DFM機特性曲線・一次/二次電圧比率

この測定より一次側と二次側の電圧比率を求め制御電

圧の検討を行った結果，7[V]から9[V]の間が制御に適正

な励磁電圧であると考えられる。

4. 今後の展望

三相交流アンプを改造したので改めてDFM機の特性を

詳細に調べたいと考えている。電圧比率としてではなく

特性試験において電流値に対する発電の精密な計測を行

いたい。またFFT解析による脈動トルクや振動のパワー

スペクトル分析，更には回転体部位の固有振動数測定に

よる検証も必要であると考えられる。

5.参考文献

[1] 小柳薫・小松貴彦・舟橋俊久・奈良秀隆・藤田吾

郎・柿木哲郎，「ウィンドファーム向け回転型系統

連系装置の検討」，平成12年電気学会電力・エネル

ギー部門大会論文集，No.241，(2000-8)

[2] 江崎公太・藤田吾郎・中野孝良・舟橋俊久・横山隆

一・小柳薫，「周波数品質改善を目的とした回転型

風力発電出力安定化装置の制御」，平成14年電気学

会電力・エネルギー部門大会論文集，No.505，

(2002-8)

[3] 矢野満明・菅 博・川畑敬志・田中 武・小寺正

敏・田中 誠，「電子デバイス ―物性からICまで

―」，産業図書，(2003)

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DHT DHT

DFMIM

DC Power Supply