JP2005509398A - ブラシレス同期発電機のための励磁機電力を調整するための制御システム - Google Patents

Abstract

制御システムは、回転軸（２１２）に接続された永久磁気発生器（ＰＭＧ）（２１０）、励磁機（２０８）および主発電機（２０６）を有するブラシレス同期発電機（ＢＳＧ）（２０４）に対する電力を調整している。発電機制御ユニット（ＧＣＵ）（２０２）は、三相整流器（２１４）、ＰＭＧ電圧調整器（２２２）、発電機制御継電器（ＧＣＲ）（２２０）、バックアップ電源（２１７）を備えたＧＣＵ電源（２１６）、界磁スイッチドライバ（２１８）、界磁スイッチ（２１９）およびフリーホイーリングダイオード（２２１）を備えている。ＢＳＧ（２０４）は、ＢＳＧ（２０４）のＰＭＧ（２１０）をＧＣＵ（２０２）の三相整流器（２１４）に結合することによって、また、ＢＳＧ（２０４）の励磁機（２０８）をＧＣＵ（２０２）のＰＭＧ電圧調整器（２２２）および界磁スイッチドライバ（２１８）に結合することによってＧＣＵ（２０２）に接続されている。ＰＭＧ電圧調整器（２２２）は、ＰＭＧ（２１０）の電圧を調整している。

Description

本発明は、ブラシレス同期発電機のための励磁機電力を調整するための制御システムに関する。

本出願は、特許法§１１９（ｅ）の下に、参照によりその全内容が本明細書に組み込まれている２００１年１１月２日出願の米国仮出願第６０／３３５，３４０号の優先権を主張するものである。

多くの航空機システムおよび他の航空機搭載システムでは、ＡＣ電力は、ブラシレス同期発電機によって生成されている。図１は、発電機制御ユニットに接続されたブラシレス同期発電機励磁電力構造の従来の構成を示したものである。
通常、ブラシレス同期発電機１０４には、同じ回転軸１１２に接続された主発電機１０６、励磁機１０８および永久磁気発生器（ＰＭＧ）１１０の３種類の交流（ＡＣ）同期発電機が含まれている。励磁機１０８を使用してブラシレス励磁が達成され、また、ＰＭＧ１１０は、励磁機１０８および発電機制御ユニット（ＧＣＵ）１０２に電力を供給するための電源である。

図１に示すように、ＧＣＵ１０２には、三相整流器１１４、発電機制御継電器１２０、電源１１６、界磁スイッチ１１９および界磁スイッチドライバ１１８が含まれている。電源１１６は、バックアップ電力１２３を備えている。フリーホイーリングダイオード１１７は、線路１１３と線路１１５の間に接続されている。線路１１３は、三相整流器１１４の出力線路を励磁機１０８の固定子巻線の一方の端部に接続している。線路１１５は、界磁スイッチ１１９を励磁機１０８の固定子巻線のもう一方の端部に接続している。三相整流器１１４は、ＰＭＧ１１２および励磁機１０８に電気的に結合されている。

図１では、ＰＭＧ電力はＧＣＵ１０２に入力されている。三相ＰＭＧのＡＣ電力は、ＧＣＵ１１２内で三相整流器１１４によってスケール化され、かつ、整流される。界磁スイッチ１１９をオンにすると、フリーホイーリングダイオード１１７が逆バイアスされ、阻止状態になる。界磁スイッチ１１９をオフにすると、フリーホイーリングダイオードがオンに強制され、それにより励磁機１０８の固定子コイルからの励磁エネルギーのためのフリーホイーリング経路が生成される。整流されたＰＭＧ電力が励磁機の固定子コイルに供給され、発電機が励磁される。励磁機電力は、励磁機１０８の前段でしか整流されないため、その電圧レベルは発電機の速度によって変化する。発電機制御継電器１２０が閉じると、三相整流器１１４に接続され、励磁機電力が励磁機１０８のコイルに流れる。

ＡＣ発電機の場合、発生する電圧は、発電機の回転速度によって変化する。発電機の速度がほぼ固定されている定周波数電力システムの場合、ＰＭＧの出力電圧がほとんど変化しないため、整流およびスケーリングを適用した後、励磁機を励起するべくＰＭＧ電力を制御することができる。

しかしながら、近年、可変周波数（ＶＦ）電力システムが人気を博し、多くのアプリケーションに利用されている。ＶＦ電力システムの場合、非定常ＰＭＧ電圧が問題をもたらしている。ＶＦ電力システムでは、発電機の速度がエンジンの速度によって変化するため、ＰＭＧの出力電圧がランダムに変化し、あるいは広範囲に渡って変化する原因になっている。

従来の構成では、励磁機に供給される電圧は、発電機の速度変化に応じて変化している。発電機の速度が遅い場合、あるいは発電機の負荷が大きい場合、発電機の励磁機には、より大きな磁界すなわち励磁電流が必要である。逆に、発電機の速度が速い場合、あるいは発電機の負荷が小さい場合、発電機の励磁機には、より小さい磁界すなわち励磁電流が必要である。ＰＭＧの電圧は発電機の速度に比例しているため、励磁機電源の高電圧が制御を困難にしている。例えば、最高速度および軽負荷状態などの特定の動作状態の下では発電機は適切に動作することができず、あるいは全く動作することができない。

したがって、上で言及した問題を解決する、ブラシレス同期発電機のための調整励磁機電力を有することが望ましい。

本発明によれば、ブラシレス同期発電機のための励磁機電力を調整するための改良型制御システムが提供され、それにより従来システムの欠陥が克服される。

制御システムは、回転軸に接続された永久磁気発生器（ＰＭＧ）、励磁機および主発電機を有するブラシレス同期発電機（ＢＳＧ）を備えている。発電機制御ユニット（ＧＣＵ）は、調整点（ＰＯＲ）における一定の出力電圧を維持するべく、負荷および速度の状態に応じて発電機励磁源電圧を変調している。整流器は、交流を直流に変換している。この整流器には三相整流器を使用することができる。電圧調整器は、励磁機の電力要求に基づいて出力電圧レベルを制御している。界磁スイッチは、負荷条件および速度条件の下で励磁機固定子巻線に流れる界磁電流を維持している。フリーホイーリングダイオードは、界磁スイッチによって制御される界磁電流成分と関連して励磁機電力を変調している。

ＢＳＧは、ＢＳＧのＰＭＧをＧＣＵの三相整流器に結合することによって、また、ＢＳＧの励磁機をＰＭＧ電圧調整器に結合することによってＧＣＵに接続されている。ＰＭＧ電圧調整器は、ＰＭＧから変換されたＤＣ電圧を調整している。

ＰＭＧ電圧調整器には、さらに直流（ＤＣ）／直流（ＤＣ）変換器が含まれている。一実施態様では、可変ＤＣ電圧がＤＣ／ＤＣ変換器に入力され、ＤＣ／ＤＣ変換器から定ＤＣ電圧出力線路に電流信号が出力される。この電流信号は、電流調整回路を介して帰還され、短絡防護用としてＤＣ／ＤＣ変換器に入力されている。また、ＤＣ／ＤＣ変換器から定ＤＣ電圧出力線路に電圧信号が出力され、電圧帰還回路を介してＤＣ／ＤＣ変換器に帰還されている。電圧信号のこの帰還は、電圧基準からの入力と共に、ＤＣ／ＤＣ変換器の安定した出力の維持を促進している。

ＰＭＧ電圧調整器の出力電圧のレベルは、発電機励磁機の電力要求に基づいている。ＰＭＧ電圧調整器は、整流されたＰＭＧ電圧をその入力として受け取っており、一実施態様では、スイッチングモード・ステップダウンＤＣ／ＤＣ変換器を使用して電圧調整を実行している。整流されたＰＭＧ電圧は、ＤＣ／ＤＣ変換器を使用して調整され、したがって励磁機に印加されるＤＣ電力は、発電機の速度には無関係である。励磁機に印加されるＤＣ電力は定電圧源であり、発電機の速度には無関係である。

本発明により、従来の設計に勝る多くの利点が提供される。第１の利点は、発電機励磁機電源が全速度範囲に渡って一定であることである。そのために、高速で、かつ、軽負荷の状態における発電機の極端に狭いデューティサイクルによる調整外れの問題が除去される。発電機電圧調整器は、励磁機のＤＣ入力電力を変調することによって、つまり界磁スイッチのデューティサイクルを変化させることによってＰＯＲ電圧を維持している。界磁スイッチの変調デューティサイクルは、（１）発電機の負荷：発電機の負荷が小さいほど、必要なデューティサイクルが小さくなる、（２）発電機速度：発電機は、高速で動作するほど、必要な励磁電流あるいはデューティサイクルが小さくなる、（３）電源電圧レベル、の３つの要因のいずれか１つによって変化する。変調デューティサイクルは、電源電圧レベルに反比例している。ＰＭＧの出力電圧は、速度が速いほど大きくなるため、励磁電流を必要なレベルに維持するためにはデューティサイクルを小さくしなければならない。

上で説明したように、変調デューティサイクルは、発電機の負荷が減少するか、あるいは発電機の速度が速くなると減少する。発電機は、デューティサイクルが一度極端に小さく（ゼロに近く）なると制御不能になり、界磁スイッチを固定周波数にスイッチしても、あるいは非固定周波数にスイッチしても、それには関係なく不安定になる。第２の利点は、励磁機電源電圧が一定であるため、発電機電圧調整器の制御設計がより容易であることである。第３の利点は、励磁機電源電圧がそれほど高くないために電圧が徐々に上昇する場合の過電圧状態の拘束および処理が容易であることである。また、入力電圧が一定に保持されるため、本発明は、ＧＣＵの内部電源のための２８Ｖｄｃの変換をより容易にしている。

本発明については、添付の図面に照らして行う以下の説明により、より完全に理解されよう。

以下の説明は、本発明の態様を開示したものである。本発明の精神あるいは範囲を逸脱することなく代替実施形態を工夫することが可能である。

図２は、本発明の一例示的実施形態を示したものである。図２では、ブラシレス同期発電機（ＢＳＧ）２０４は、回転軸２１２に接続されたＰＭＧ２１０、励磁機２０８および主発電機２０６を備えている。

同じく図２に示すように、発電機制御ユニット（ＧＣＵ）２０２は、三相整流器２１４、ＰＭＧ電圧調整器２２２、発電機制御継電器（ＧＣＲ）２２０、バックアップ電源２１７を備えたＧＣＵ電源２１６、界磁スイッチドライバ２１８、界磁スイッチ２１９、および線路２２３と２２５の間に接続されたフリーホイーリングダイオード２２１を備えている。線路２２３は、ＰＭＧ調整器２２２の出力を励磁機２０８の固定子巻線の一方の端部に接続している。線路２２５は、界磁スイッチ２１９を励磁機２０８の固定子巻線のもう一方の端部に接続している。フリーホイーリングダイオード２２１は、界磁スイッチ２１９および界磁スイッチドライバ２１８から出力される界磁電流成分と関連して、ＰＭＧ調整器２２２から出力される励磁機電力を変調している。界磁スイッチ２１９をオンにすると、フリーホイーリングダイオード２２１が逆バイアスされ、阻止状態になる。界磁スイッチ２１９をオフにすると、フリーホイーリングダイオード２２１がオンに強制され、ダイオード２２１により励磁機２０８の固定子コイルからの励磁エネルギーのためのフリーホイーリング経路が生成される。

ＢＳＧ２０４は、ＢＳＧ２０４のＰＭＧ２１０をＧＣＵ２０２の三相整流器２１４に結合することによって、また、ＢＳＧ２０４の励磁機２０８をＧＣＵ２０２のＰＭＧ電圧調整器２２２および界磁スイッチドライバ２１８に結合することによってＧＣＵ２０２に接続されている。

図２では、整流されたＰＭＧ電圧は、ＤＣ／ＤＣ変換器（追って考察する図３の３００）を使用して調整されるため、励磁機２０８へのＤＣ電力は、発電機の速度には無関係である。したがって励磁機２０８には、発電機の速度には無関係の定電圧源から電力が供給される。その結果、複雑な制御補償を必要とすることなく、全速度範囲に渡って発電機電圧を調整することができる。発電機制御継電器２２０が閉じると、三相整流器２１４に接続され、励磁機電力が励磁機２０８のコイルに流れる。

ＰＭＧ調整器２２２の出力電圧のレベルは、励磁機２０８の電力要求に基づいている。本発明の場合、励磁機２０８への入力電圧は一定であるが、より良好なシステム性能を達成するためには、電圧レベルを最適化する必要が依然として存在している。電圧は、最低の発電機速度で負荷が加えられる最悪の過渡状態の間、ＰＭＧ調整器２２２が励磁機２０８に対して適切な電力を生成することができるように選択しなければならず、また、最高発電機速度における励磁機界磁スイッチングデューティサイクルが、指定スイッチング周波数における動作に対して極端に小さいレベルにならないように選択しなければならない。励磁機入力電圧が小さいと、最低発電機速度におけるトランジェントが緩慢になる。また、最高発電機速度における励磁機界磁スイッチングデューティサイクルが、選択されたスイッチング周波数において極端に小さくならないように注意しなければならない。最悪の場合のシナリオは、最高可能動作速度における無負荷運転である。励磁機入力電圧のレベルは、発電機のデューティサイクルがこの条件において１０％未満にならないように選択しなければならない。励磁機入力電圧が小さいと、低発電機速度におけるトランジェント性能が緩慢になる。また、選択された励磁機入力電圧が大き過ぎると、スイッチングパルスが損失する原因になり、システムが不安定になる。

励磁機電源の調整電圧レベルは、発電機定格、動作速度範囲および発電機設計によって決まる。発電機が１５０ｋＶＡ、１２０００ｒｐｍ〜２４０００ｒｐｍの場合、調整励磁機電力の範囲は、発電機の設計によるが、５０〜８０Ｖｄｃである。

図３は、本発明の例示的実施態様によるＰＭＧ電圧調整器２２２の詳細を示したものである。整流された（可変）ＰＭＧ電圧３０２が入力され、ＤＣ／ＤＣ変換器３００を使用して調整されるため、励磁機に対するＤＣ電力は、発電機の速度には無関係である。本発明の一例示的実施形態では、ＤＣ／ＤＣ変換器３００は、スイッチングモード変換器である。また、スイッチングモード変換器Ａ電圧基準３１４は、ＤＣ／ＤＣ変換器３００にも入力されている。非調整ＤＣ電圧をその出力部で調整ＤＣ電圧または可変ＤＣ電圧に変換するべく使用することができる様々なタイプのスイッチングモード変換器および変換器トポロジーが存在していることは、当分野の技術者には理解されよう。電圧基準３１４は、同じくＤＣ／ＤＣ変換器３００にも入力されている。

定ＤＣ電圧出力線路３０４からの電流信号３０６は、ＤＣ／ＤＣ変換器３００から出力され、電流調整回路３１０および入力３１１を介してＤＣ／ＤＣ変換器３００に帰還されている。また、定ＤＣ電圧出力線路３０４からの電圧信号３０８は、ＤＣ／ＤＣ変換器３００から出力され、電圧帰還回路３１２および入力３１３を介してＤＣ／ＤＣ変換器３００に帰還されている。

図３では、ＰＭＧ電圧調整器２２２は、整流されたＰＭＧ電圧を入力として受け取り、スイッチングモード・ステップダウンＤＣ／ＤＣ変換器３００を使用して電圧を調整している。ＧＣＵの内部電力用２８Ｖｄｃ電源は、多重出力変圧器を使用する場合、図２のＰＭＧ調整器ブロック２２２の内部に配置することができる。

図３のダッシュ線３０５は、多重出力変圧器を使用した場合のＤＣ／ＤＣ変換器３００からの個別２８Ｖｄｃ出力タップを表している。多重出力変圧器がＤＣ／ＤＣ変換器内に存在しない場合は、個別のＤＣ／ＤＣ変換器を使用して、主出力（実線）から２８Ｖｄｃ電力を変換しなければならない。

図３では、定ＤＣ電圧出力線路３０４から電流信号３０６を戻し、ＤＣ／ＤＣ変換器に帰還３１１させるための電流調整回路３１０が提供されている。

ＰＭＧ調整器２２２の出力電圧のレベルは、励磁機２０８の電力要求に基づいている。励磁機電源電圧は、発電機の速度に無関係に一定であり、したがって、複雑な制御補償を必要とすることなく、全速度範囲に渡って発電機を調整することができる。

本発明を実施する場合、ステップダウンＤＣ／ＤＣ変換器のすべての主要トポロジーを使用することができるが、可変周波数（ＶＦ）システムの場合、ＤＣ／ＤＣ変換器への入力電圧が２００〜３００Ｖｒｍｓ高いため、変圧器分離タイプのトポロジーを第１に考慮しなければならない。したがって、入力回路と出力回路の間が直接短絡される故障モードは重大である。変圧器分離設計トポロジーを使用することにより、高電圧によるＰＭＧ電圧調整器の出力回路および負荷の損傷が回避される。また、発電機の速度が広範囲に及ぶ場合であっても、変圧器によって１ステップにおける高比率の入力／出力電圧の達成が促進される。ある程度範囲の広いＶＦシステムに非変圧器分離変換器を使用する場合は、２段ステップダウン変換が必要である。また、上で参照したトポロジーを使用することにより、同じ変換器から複数のレベルの電圧出力を容易に得ることができる。また、同じ変換器から２８ＶｄｃＧＣＵ内部電力を生成することができる。

発電機およびアプリケーションの規模が大きくなると、励磁機に必要なＤＣ電力が大きくなる（例えば３００Ｗ）。このような場合、個々のスイッチのスイッチピーク電流および電力損が小さいため、ダブルエンド変換器を使用することが好ましい。

既に言及したように、図２には電源２１６が示されている。電源を使用して励磁機に電力を供給する場合、リプルおよび電圧調整などの電力品質に対する考慮は、重要な設計パラメータではない。例えば、電磁妨害雑音（ＥＭＩ）を小さくするためのフィルタの使用は、１つの設計選択である。電圧モード制御により、出力電圧に対する適切な制御が提供される。

ブラシレス同期発電機励磁電力構造の従来の構成を示す略図である。 ブラシレス同期発電機への励磁機電力を調整するための発電機制御ユニットの例示的実施形態を示す略図である。 本発明の一実施態様によるＰＭＧ電圧調整器を示す略図である。

Claims (13)

1. 回転軸（２１２）に接続された、永久磁気発生器（ＰＭＧ）（２１０）、励磁機（２０８）および主発電機（２０６）を有するブラシレス同期発電機（ＢＳＧ）（２０４）を備えた、負荷および速度の状態に応じて発電機（２０６）の励磁機（２０８）電力を制御し、かつ、発電機励磁源電圧を変調するための制御システム（２０２）であって、
   交流を直流に変換するための整流器（２１４）と、
   前記励磁機（２０８）の電力要求に基づいて出力電圧レベルを制御するための電圧調整器（２２２）と、
   前記負荷および速度の状態の下で、励磁機固定子巻線に流れる界磁電流を維持するための界磁スイッチ（２１９）と、
   前記界磁スイッチ（２１９）によって制御される界磁電流成分に応じて励磁機電力を変調するためのフリーホイーリングダイオード（２２１）とを備え、
   前記ＢＳＧ（２０４）が、前記ＢＳＧ（２０４）の前記ＰＭＧ（２１０）を前記ＧＣＵ（２０２）の前記整流器（２１４）に結合することによって、および前記ＢＳＧ（２０４）の前記励磁機（２０８）を前記ＧＣＵ（２０２）の前記電圧調整器（２２２）と前記界磁スイッチドライバ（２１８）に結合することによって前記ＧＣＵ（２０２）に接続され、前記電圧調整器（２２２）が前記ＰＭＧ（２１０）の電圧を調整する制御システム。
2. 前記整流器（２１４）が三相整流器である、請求項１に記載の制御システム。
3. 前記電圧調整器（２２２）がＰＭＧ電圧調整器であり、前記ＰＭＧ電圧調整器が、直流（ＤＣ）／直流（ＤＣ）変換器をさらに備えた、請求項１に記載の制御システム。
4. 可変ＤＣ電圧（３０２）が前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３００）に入力され、定ＤＣ電圧出力線路（３０４）からの電流信号（３０６）が前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３００）から出力され、電流調整回路（３１０）を介して帰還されて前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３００）に入力される、請求項３に記載の制御システム。
5. 前記定ＤＣ電圧出力線路（３０４）からの電圧信号が前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３００）から出力され、電圧帰還回路（３１２）を介して帰還されて前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３００）に入力される、請求項３に記載の制御システム。
6. 前記ＰＭＧ電圧調整器（２２２）の出力電圧レベルが、前記発電機励磁機の電力要求に基づくレベルである、請求項３に記載の制御システム。
7. 前記ＰＭＧ電圧調整器（２２２）が、整流されたＰＭＧ電圧を入力として受け取り、スイッチングモード・ステップダウンＤＣ／ＤＣ変換器（３００）を使用して電圧を調整する、請求項３に記載の制御システム。
8. 整流されたＰＭＧ電圧がＤＣ／ＤＣ変換器（３００）を使用して調整され、前記励磁機（２０８）に印加されるＤＣ電力が、前記発電機（２０６）の速度に無関係である、請求項３に記載の制御システム。
9. 前記励磁機（２０８）に印加される前記ＤＣ電力が定電圧源である、請求項８に記載の制御システム。
10. 生成されるＰＭＧ電圧が発電機（２０６）の速度に無関係である、請求項３に記載の制御システム。
11. 前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３００）が変圧器分離ＤＣ／ＤＣ変換器である、請求項３に記載の制御システム。
12. 前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３００）が２段ステップダウン変換を使用している、請求項３に記載の制御システム。
13. 前記ＤＣ／ＤＣ変換器（３００）がダブルエンド変換器である、請求項３に記載の制御システム。

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