可変速機を用いた周波数変換装置の製作

可変速機を用いた周波数変換装置の製作
E02001
青木亮
1. はじめに
指導教員
藤田吾郎
固定子の二次側には炭素ブラシが取り付けてあり，回転
近年，地球温暖化防止の対策として温室効果ガスの削
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
減が求められているが，二酸化炭素(CO2)を排出しない
っている。DFM機は通常の三相誘導発電機を応用して製
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
作した。
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
図1
までに5倍近い300万kWに増やす目標を立てている。
DFM機
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
2.3 三相交流アンプ
品質の低下 [1][2]を招く恐れがあるため，本研究では出力
本研究では制御ソフトであるLabVIEWを用いることで
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
フィードバック制御を行っている。しかし，LabVIEWか
置を提案し，装置の実機製作・測定・検証を行う。
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
2. 回転型周波数変換装置の概要・構成
電圧制御による二次励磁を行っていたが，今年は電流制
2.1 実験装置の概要
御に変更することとした。図2に提案した三相交流アン
本装置は，同期電動機(Synchronous Machine)にDFM機
プの回路図を示す。
を軸連結させた構造である。ウィンドファームからの発
まず，改良における昨年との大きな変更点はオペアン
電電力を同期電動機によって回転エネルギーに変換し，
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
軸連結したDFM機を回転させることによって電力に逆変
御をすることである。信号入力を1[kΩ]と4[kΩ]で分圧
換する。ここで本研究においては可変速機の発電出力側
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1次側，励磁を行う入力側を2次側と定義する。このと
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
き，DFM機の二次側励磁，つまり二次巻線電圧を制御す
設計を施した。また実際の回路においては抵抗値を，
ることによって出力の安定化を図る。DFM機の二次側か
R1=1[kΩ]，R2=0.1[kΩ]，R3=3.9[kΩ]とすることで分圧
ら励磁周波数を変化させて交流励磁を行うことで，すべ
比を実現している。これにより，5[V]の入力に対し1[A]
りを変化させることが可能となり，結果として出力電圧
となり同様にして 10[V]の入力に対し2[A]となるため
と周波数の制御が可能となる。
LabVIEWの入出力範囲は·10[V]であることより，2[A]
2.2 可変速機(DFM機)
まで出力が可能である。
DFM機は同期可変速技術の発展で，巻線型誘導機と同
電流制御の方式に移行した理由としては周波数変動に
一構造であり，ローターの回転数と一次側回転磁界の速
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
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
平衡の状態になり逆起電力を考えなければならず，結果
いるため，回転数によらず一定の周波数で電力の出し入
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
れが可能である。この二重に給電するということから二
の一つとなるためである。また回路製作においては実験
重給電機(Doubly-Fed Machine)と呼ばれる。
における制御性の向上も考慮し，同時に妥当性の検討[3]
DFM機を図1に示す。二次励磁をするためにDFM機の
を行った。
R11
0.1[Ω]
R14
0.1[Ω]
Bridge diode 810 TS4B05G
R10
0.1[Ω]
R7
１[ｋΩ]
R12
270[Ω]
R13
0.1[Ω]
R9
270[Ω]
220[pF]
C6
390[pF]
C7
C5
Laminating ceramic
capacitor
390[pF] 50[V]
0.1[ｋΩ]
C4
Electrolytic capacitor
１5００[μF] 35[V]
１[ｋΩ]
C3
Electrolytic capacitor
１5００[μF] 35[V]
R1
R2
C1
Ceramic capacitor １０４
0.1[μF] 50[V]
C2
Ceramic capacitor １０４
0.1[μF] 50[V]
図2 三相交流アンプ
3. 励磁・発電電圧測定
この測定より一次側と二次側の電圧比率を求め制御電
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
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。
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。
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
DHT
DHT
スペクトル分析，更には回転体部位の固有振動数測定に
IM
INV
Open
DFM
よる検証も必要であると考えられる。
5.参考文献
[1]
DC
Power Supply
INV：インバータ
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
IM：誘導電動機
ギー部門大会論文集，No.241，(2000-8)
DHT：デジタルハイテスター
図3
小柳薫・小松貴彦・舟橋俊久・奈良秀隆・藤田吾
[2]
DFM機特性試験
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
primary/secondary
100
90
80
70
60
10
9
8
7
6
50
40
30
20
10
0
5
4
3
2
1
0
0
2
4
6
8
会電力・エネルギー部門大会論文集， No.505 ，
primary/secondary
primary output voltage [V]
line voltage [V]
10
excitation voltage [V]
Result of No-load test
図4
DFM機特性曲線・一次/二次電圧比率
(2002-8)
[3]
矢野満明・菅
敏・田中
博・川畑敬志・田中
武・小寺正
誠，「電子デバイス ―物性からICまで
―」，産業図書，(2003)

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