JP2010523075A - System and method for generating an alternating output signal - Google Patents
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Abstract
AC信号を提供するためのシステム及びデバイス。システムは、AC出力信号を出力し、ある回転速度で回転するシャフトと連結するAC回転子を具えるAC発電機と、回転速度を感知するための速度センサと、回転速度に応じてAC発電機の磁界を制御するためのコントローラとを具え、コントローラは、AC発電機の磁界を制御するようにAC発電機に提供される電流を生成する直流(DC)発電機を具える。
【選択図】 図1Systems and devices for providing AC signals. The system outputs an AC output signal and includes an AC generator having an AC rotor coupled to a shaft rotating at a rotational speed, a speed sensor for sensing the rotational speed, and an AC generator according to the rotational speed A controller for controlling the magnetic field of the AC generator, the controller comprising a direct current (DC) generator that generates a current provided to the AC generator to control the magnetic field of the AC generator.
[Selection] Figure 1
Description
[関連する出願]
本出願は、2007年3月27日提出の米国仮特許出願第60/907,248号の優先権を主張し、ここに、本明細書中に十分に説明され引用によって取り込まれる。
[Related applications]
This application claims priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 907,248, filed Mar. 27, 2007, which is fully described herein and incorporated by reference.
本発明は、一定出力によるが、速度可変の可能性を有する電気を生成するためのシステム及びデバイスに関し、特に、電圧調整システムを特徴とするようなシステム及びデバイスに関する。 The present invention relates to systems and devices for generating electricity with constant output but with the possibility of variable speed, and more particularly to such systems and devices featuring a voltage regulation system.
電気発電機の使用を通ずる電気の生成は、現在の生活において重要である。これらの発電機はいくつかの外部エネルギソースを操作することを要求し、例えば、いくつかの型の化石燃料及び/又は再生可能なエネルギでできる。発電機はその時、電気を生成するためにエネルギソースを消費する。しかしながら、生成された電気を有用にするために電力出力は一定のままであることが重要である。 The generation of electricity through the use of electric generators is important in current life. These generators require operating several external energy sources, for example, some types of fossil fuel and / or renewable energy. The generator then consumes an energy source to generate electricity. However, it is important that the power output remains constant in order to make the generated electricity useful.
発電機のシャフト速度が一定のままである場合、電力出力は一定のままにできる。しかしながら、発電機のシャフト速度は常に一定速度には保持され得ない。従って、いくつかの発電機は、提供される電力出力がシャフトの最小速度により決定されるよう、少なくとも最小速度で維持することに依拠している。シャフト速度が最小値を超えて増加する場合、生成された過剰な電力は捨てられ、ひいては浪費される。 If the generator shaft speed remains constant, the power output can remain constant. However, the generator shaft speed cannot always be kept constant. Therefore, some generators rely on maintaining at least a minimum speed so that the power output provided is determined by the minimum speed of the shaft. If the shaft speed increases beyond the minimum value, the excess power generated is discarded and thus wasted.
様々な解決方法が企図されているが、交流(AC)発電機に対する問題をどれも完全には解決しない。例えば、米国特許第5541483号は、直流(DC)モータ又は発電機、特に永久磁石型のものを制御するための方法を提供する。AC及びDC発電機間の機能的な差異のため、記載の解決方法はAC発電機について有効ではない。 Various solutions are contemplated, but none completely solve the problem for alternating current (AC) generators. For example, US Pat. No. 5,541,483 provides a method for controlling a direct current (DC) motor or generator, particularly of the permanent magnet type. Due to the functional differences between AC and DC generators, the described solution is not effective for AC generators.
米国特許出願2004/0257050は、定電流の生成方法及びデバイスについて記載し、発電機により出力される電流を制御するステップを通してシャフト速度の可変可能性に付随する欠点を克服することを企図し、それによって一定レベルの出力電流を得ている。従って、記載された発明は比較的複雑な電流の安定化に関する。 U.S. Patent Application 2004/0257050 describes a method and device for generating a constant current, which is intended to overcome the disadvantages associated with shaft speed variability through the step of controlling the current output by the generator. To obtain a certain level of output current. Accordingly, the described invention relates to the stabilization of relatively complex currents.
安定化した電圧出力を得るために企図された様々な解決方法は、シャフト速度変動を緩和する手段として慣性又は摩擦を用いるステップか、シャフト速度を制御するためにトルク制御を用いるステップか、変動するACの電気をDCの電気に変換するステップ及び標準的なグリッドAC電力に変換するステップか、を含む。明確に、これらの方法の総ては非常にエネルギの無駄である。 Various solutions contemplated for obtaining a stabilized voltage output vary using either inertia or friction as a means of mitigating shaft speed fluctuations, or using torque control to control shaft speed, or vary. Converting AC electricity to DC electricity and standard grid AC power. Clearly, all of these methods are very wasteful of energy.
再生可能なエネルギソースを用いるための試みにおいて、風力タービンの使用を通じての風力、ソーラパネルの使用を通じての太陽光、波又は潮の力といった水力等のような「天然(natural)」エネルギを用いたシステム及びデバイスが導入される。風力は非常に定期的に勢いを増減し、及び/又は方向を変更することを考えれば、風力エネルギは特に可変である。しかしながら、総ての「天然」エネルギソースは電力レベルの不安定性を受けるのが予想される。従って、再生可能なエネルギのために、不安定な機械的な力を安定な電力に変換する能力は、多様なアプリケーションにおいて主要な需要である。 In an attempt to use renewable energy sources, “natural” energy was used, such as wind power through the use of wind turbines, solar power through the use of solar panels, hydropower such as wave or tide forces, etc. Systems and devices are introduced. Wind energy is particularly variable considering that wind power increases and decreases momentarily and / or changes direction. However, all “natural” energy sources are expected to experience power level instability. Therefore, the ability to convert unstable mechanical power to stable power for renewable energy is a major demand in a variety of applications.
様々な解決方法が、特に風力生成について、再生可能なエネルギソースの不安定性を克服するよう、この分野で提唱されてきた。例えば、米国特許第7068015号は出力電圧又は電流を測定することによって決定されるフィードバックに従って、風力タービンの回転速度に従う磁界を調整することによる風力の解決策を提供する。米国特許出願2004/0119292はトルクを制御することによって発電機のシャフト速度を制御するための方法、つまり上述のような弱点の解決方法を提供する。教示された方法はダイオード整流器を操作のために更に要求し、それが別の弱点になる。 Various solutions have been proposed in the field to overcome the instability of renewable energy sources, particularly for wind generation. For example, US Pat. No. 7,068,015 provides a wind solution by adjusting the magnetic field according to the rotational speed of the wind turbine according to feedback determined by measuring the output voltage or current. U.S. Patent Application 2004/0119292 provides a method for controlling the shaft speed of a generator by controlling the torque, i.e. a solution to the above weaknesses. The taught method further requires a diode rectifier for operation, which is another weakness.
米国特許第5083039号は、発電機の磁界を制御することにより、つまり固定子電流を制御することにより、電力出力を制御する。しかしながら、固定子電流の変化は発電機トルクの変化を生じさせる。トルクの変化を補償するために、シャフト速度はタービンの「羽根(wing)」又はブレードの勾配を変えることによって制御されるが、風力の状態によっては弱点となりうるものであり、更なるエネルギの消費を要求されるため、いずれのケースにおいても弱点となる。米国特許第6137187号は勾配制御システムを要求する場合と同様の弱点となる。 U.S. Pat. No. 5,083,039 controls the power output by controlling the generator magnetic field, i.e. by controlling the stator current. However, changes in stator current cause changes in generator torque. To compensate for torque changes, shaft speed is controlled by changing turbine “wings” or blade gradients, which can be a weak point depending on wind conditions, and further energy consumption. Is a weak point in any case. U.S. Pat. No. 6,137,187 has the same weaknesses as requiring a gradient control system.
用語「定電出力(constant electrical output)」は、一定のピーク電圧を有する交流出力信号を意味する。 The term “constant electrical output” means an AC output signal having a constant peak voltage.
本発明は可変回転速度で回転するシャフトの回転速度を感知し、感知した速度に応じてAC発電機の磁界を制御するためのシステム及び方法を提供する。制御ステップは、電流をAC発電機に供給するDC発電機を利用するステップを含む。この電流はAC発電機の磁界を決定する。磁界はシャフトの回転速度の変化に拘らず、AC発電機の出力信号のピーク電圧を実質的に一定に維持する方法で制御できる。 The present invention provides a system and method for sensing the rotational speed of a shaft rotating at a variable rotational speed and controlling the AC generator magnetic field in response to the sensed speed. The control step includes using a DC generator that supplies current to the AC generator. This current determines the magnetic field of the AC generator. The magnetic field can be controlled in a manner that maintains the peak voltage of the output signal of the AC generator substantially constant regardless of changes in the rotational speed of the shaft.
AC発電機によって誘起される電磁力は以下のファラデーの法則によって決定される。 The electromagnetic force induced by the AC generator is determined by the following Faraday law.
ここで、EMF(電磁界:electromagnetic field)は出力電圧であり、
は巻線の接線速度である。
Here, EMF (electromagnetic field) is an output voltage,
Is the tangential speed of the winding.
Lは磁束を横切る巻線の長さである。 L is the length of the winding crossing the magnetic flux.
Bは磁界強度である。 B is the magnetic field strength.
sin(θ)は巻線及び磁束間の角度の正弦である。 sin (θ) is the sine of the angle between the winding and the magnetic flux.
上の式はAC発電機のAC出力信号のピーク電圧がシャフトの回転速度に依存し、更にはシャフトを回転させるのに用いられた機械的な力に依存することを示している。機械的な力のレベルが可変である場合、その時シャフトの回転速度もまた可変である。しかしながら、たとえシャフトの回転速度が可変であった場合も、ピーク電圧は実質的に一定に維持すべきである。 The above equation shows that the peak voltage of the AC output signal of the AC generator depends on the rotational speed of the shaft and also on the mechanical force used to rotate the shaft. If the mechanical force level is variable, then the rotational speed of the shaft is also variable. However, the peak voltage should be kept substantially constant even if the rotational speed of the shaft is variable.
従って、本発明はシャフトの回転速度を一定にすることを要求せず、限定しないが再生可能なエネルギ、又は「天然」エネルギソース、又はその他の可変出力を伴うエネルギソースによる電力生成を含む、広く多様なアプリケーションに有用である。代わりに、本発明の様態によると、シャフトの回転速度の測定はシャフトの回転速度に従うフィードバック又は制御機構(DC発電機を含む)を通じて、磁界強度(B)を制御するのに用いられ、それによって定電圧出力ひいては安定した電力生成を提供する。 Thus, the present invention does not require constant shaft rotation speed, and includes, but is not limited to, power generation by renewable energy, or “natural” energy sources, or energy sources with other variable outputs. Useful for various applications. Instead, according to an aspect of the present invention, the measurement of shaft rotational speed is used to control the magnetic field strength (B) through feedback or control mechanisms (including DC generators) according to the rotational speed of the shaft, thereby Provides constant voltage output and thus stable power generation.
本発明の様態によると、AC発電機の磁界強度の制御はDC発電機で好ましくは提供され、AC発電機の回転子巻線に連結された回転子巻線を特徴づける。AC発電機のシャフトの回転速度が測定され、この測定により、DC発電機の動作が磁界強度を増減させるように用いられ、それによって、たとえシャフトの回転速度が変化した場合も、定電圧出力を維持する。DC発電機は選択的に及び好ましくは別個の電源を有する。好ましくは、電圧出力の管理及び制御用に要求される電力量は発電機自体の出力と比較すると相対的に低く、例えば、以下に記載した試験は、要求される制御電力は5KW発電機について30W未満であることを示した。選択的に及び好ましくは、DC発電機の回転子巻線はAC発電機の磁界を制御するためにAC発電機の回転子巻線に連結される。 According to an aspect of the present invention, control of the magnetic field strength of an AC generator is preferably provided with a DC generator and features a rotor winding coupled to the rotor winding of the AC generator. The rotation speed of the AC generator shaft is measured, and this measurement allows the operation of the DC generator to be used to increase or decrease the magnetic field strength, thereby producing a constant voltage output even if the rotation speed of the shaft changes. maintain. The DC generator optionally and preferably has a separate power source. Preferably, the amount of power required for management and control of the voltage output is relatively low compared to the output of the generator itself, for example, the tests described below show that the required control power is 30 W for a 5 kW generator. Less than. Optionally and preferably, the rotor winding of the DC generator is coupled to the rotor winding of the AC generator for controlling the magnetic field of the AC generator.
交流(AC)電圧を提供するためのシステムであって、システムは、AC出力信号を出力し、ある回転速度で回転するシャフトと連結するAC回転子を具えるAC発電機と、回転速度を感知するための速度センサと、回転速度に応じてAC発電機の磁界を制御するためのコントローラとを具え、コントローラは、AC発電機の磁界を制御するようにAC発電機に提供される電流を生成する直流(DC)発電機を具える。 A system for providing an alternating current (AC) voltage, wherein the system outputs an AC output signal and includes an AC generator coupled to a shaft that rotates at a rotational speed, and senses the rotational speed. And a controller for controlling the magnetic field of the AC generator according to the rotational speed, the controller generates a current provided to the AC generator to control the magnetic field of the AC generator A direct current (DC) generator.
都合のよいことに、DC発電機はシャフトと連結するDC回転子を具える。 Conveniently, the DC generator comprises a DC rotor that is coupled to the shaft.
都合のよいことに、DC回転子はAC回転子に連結される。 Conveniently, the DC rotor is coupled to the AC rotor.
都合のよいことに、DC回転子は固定配線によってAC回転子に連結される。 Conveniently, the DC rotor is connected to the AC rotor by fixed wiring.
都合のよいことに、DC発電機は回転速度に応じた振幅を有する励起電圧によって給電される場合に、DC固定子を具える。 Conveniently, the DC generator comprises a DC stator when powered by an excitation voltage having an amplitude depending on the rotational speed.
都合のよいことに、コントローラは速度センサから回転速度情報を受け取り、DC発電機へ提供される励起電圧の振幅を決定する電圧調整システムを具える。 Conveniently, the controller comprises a voltage regulation system that receives rotational speed information from the speed sensor and determines the amplitude of the excitation voltage provided to the DC generator.
都合のよいことに、電圧調整システムは回転速度及びAC出力電圧のピーク電圧間の関係に応じて、励起電圧の振幅を決定する。 Conveniently, the voltage regulation system determines the amplitude of the excitation voltage as a function of the relationship between the rotational speed and the peak voltage of the AC output voltage.
都合のよいことに、電圧調整システムは、アナログ型回転速度情報をディジタル型回転速度情報に変換するADコンバータと、フィルタをかけた回転速度情報を提供すべくディジタル型回転速度情報をフィルタにかけるためのローパスフィルタと、前記フィルタをかけたディジタル型回転速度情報と、回転速度及びAC出力電圧のピーク電圧間の関係とに応じて、励起電圧を決定するためのプロセッサと、プロセッサから出力されたディジタル制御信号を、励起電圧の振幅を制御するアナログ信号に変換するためのDAコンバータとを具える。 Conveniently, the voltage regulation system filters the digital rotational speed information to provide an AD converter that converts the analog rotational speed information into digital rotational speed information and the filtered rotational speed information. A low-pass filter, a processor for determining the excitation voltage according to the filtered digital rotational speed information, and the relationship between the rotational speed and the peak voltage of the AC output voltage, and the digital output from the processor A DA converter for converting the control signal into an analog signal for controlling the amplitude of the excitation voltage;
都合のよいことに、システムはディジタル型回転速度情報を生成した回転速度センサを具える。 Conveniently, the system includes a rotational speed sensor that generates digital rotational speed information.
都合のよいことに、コントローラは速度センサからの回転速度情報と、AC出力信号の要求されたピーク電圧とを受け取り、DC発電機に提供される励起電圧の振幅を決定する電圧調整システムを具える。 Conveniently, the controller comprises a voltage regulation system that receives the rotational speed information from the speed sensor and the requested peak voltage of the AC output signal and determines the amplitude of the excitation voltage provided to the DC generator. .
都合のよいことに、シャフトは再生可能なエネルギソースにより電力供給される機械的な入力素子によって回転する。 Conveniently, the shaft is rotated by a mechanical input element that is powered by a renewable energy source.
都合のよいことに、再生可能なエネルギは風力、水力、太陽熱、及び地熱からなる群から選択される。 Conveniently, the renewable energy is selected from the group consisting of wind power, hydraulic power, solar heat, and geothermal heat.
都合のよいことに、システムは回転子を回転させる機械的な入力素子を更に具える。 Conveniently, the system further comprises a mechanical input element for rotating the rotor.
都合のよいことに、システムはシャフトと連結する冷却ファンを更に具える。 Conveniently, the system further comprises a cooling fan coupled to the shaft.
都合のよいことに、コントローラは回転速度の変化に拘らず、AC出力のピーク電圧を実質的に一定に維持するように、AC発電機の磁界を制御する。 Conveniently, the controller controls the magnetic field of the AC generator to maintain the AC output peak voltage substantially constant regardless of changes in rotational speed.
その他に規定されない場合、本明細書中に用いられた総ての技術及び科学用語は、本発明が属する当該技術分野の当業者によって共通に理解される同一の意味を有する。本明細書中に提供される材料、方法及び実施例は例示するのみであり、限定を意図しない。 Unless defined otherwise, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. The materials, methods, and examples provided herein are illustrative only and not intended to be limiting.
本発明は添付の図を参照して例示目的で本明細書中に記載される。特に詳細な図を参照することについて、示された特徴は、例示目的及び本発明の様態の例示的な考察の目的のためだけのものであり、最も有用であると思われるものと本発明の原理及び概念的な態様の容易に理解される記載とを与えるために提供されることが主張される。この点において、本発明の基本的な理解に必要なものよりもより詳細に本発明の構造の詳細を示すようにする企図はなく、図を用いた説明は、どのように本発明のいくつかの形態が実際に具体化されるかを当該技術分野の当業者に明らかにしている。 The present invention is described herein for purposes of illustration with reference to the accompanying figures. With particular reference to the detailed drawings, the features shown are for illustrative purposes only and for purposes of exemplary discussion of aspects of the invention and are considered to be most useful as those of the invention. Claims are provided to provide an easily understood description of the principles and conceptual aspects. In this respect, no attempt is made to show the details of the structure of the present invention in more detail than is necessary for a basic understanding of the present invention, and the description using the figures shows how It will be clear to those skilled in the art whether this form is actually embodied.
本発明はAC発電機の磁界強度の制御を通じて、AC発電機による定電圧電力(実質的に一定のピーク電圧を有する交流出力信号を意味する)を提供するためのシステム及びデバイスであり、制御はDC発電機を用いる。磁界強度は、DC発電機によって供給される電流によって、及びシャフトの回転速度の変化が磁界強度の変化によって補償されるために、AC発電機のシャフトの回転速度によって制御される。 The present invention is a system and device for providing constant voltage power (meaning an AC output signal having a substantially constant peak voltage) by an AC generator through control of the magnetic field strength of the AC generator. A DC generator is used. The magnetic field strength is controlled by the current supplied by the DC generator and by the rotational speed of the AC generator shaft so that changes in the rotational speed of the shaft are compensated by changes in the magnetic field strength.
本発明の様態によると、回転子巻線を特徴とするDC発電機はAC発電機の回転子巻線と電気的に連結される。AC発電機のシャフトの回転速度が好ましくは測定され、この測定により、DC発電機の動作が磁界強度を増減させるように用いられ、それによって、たとえシャフトの回転速度が変化した場合も、定電圧出力を維持する。 According to an aspect of the present invention, a DC generator featuring a rotor winding is electrically connected to a rotor winding of an AC generator. The rotational speed of the shaft of the AC generator is preferably measured, and this measurement allows the operation of the DC generator to be used to increase or decrease the magnetic field strength so that even if the rotational speed of the shaft changes, the constant voltage Maintain output.
選択的に及び好ましくは、DC発電機の回転子巻線はAC発電機の磁界を制御するためにAC発電機の回転子巻線に連結される。 Optionally and preferably, the rotor winding of the DC generator is coupled to the rotor winding of the AC generator for controlling the magnetic field of the AC generator.
本発明は選択的に任意の方の機械的な力のソースと共に用いてもよいが、変動性によって特徴づけられる任意の機械的な力の入力ソースに対し有用である。このような機械的な力の入力ソースの例は限定しないが、任意の型の再生可能又は「天然」のエネルギソースを具え、限定しないが風力、水力、太陽熱又は地熱を具える。 The present invention may optionally be used with any mechanical force source, but is useful for any mechanical force input source characterized by variability. Examples of such mechanical power input sources include, but are not limited to, any type of renewable or “natural” energy source, including but not limited to wind, hydraulic, solar or geothermal.
本発明の選択的な様態によると、定電圧出力を提供する以外に、選択的にAC発電機の磁界は、例えばセットポイントのようないくつかの基準によって制御される。セットポイントは選択的に電圧出力に対する最小の要求されたセットポイント又は最大の許容セットポイント、及び/又は許容セットポイントの範囲内にしてもよい。 In accordance with an optional aspect of the present invention, in addition to providing a constant voltage output, the AC generator magnetic field is selectively controlled by a number of criteria, such as setpoints. The setpoint may optionally be within a minimum required setpoint or maximum allowable setpoint for the voltage output and / or within an allowable setpoint.
本発明の原理及び動作は、図及び付属の説明によってより良く理解されうる。 The principles and operation of the present invention may be better understood with reference to the drawings and accompanying descriptions.
図によると図1は、一定レベルの出力電圧を生成するための例示的に示されたAC発電機システム100である。発電機システム100は電源(図示せず)からの機械的な力への連結を特徴とし、AC発電機108のシャフト106に回転を生じさせる。シャフト106は更に選択的に、発電機システム100の動作を冷却するための冷却ファン104を特徴とする。AC発電機108は好ましくは3相型の二重巻線発電機であり、回転子110及び固定子112を特徴とする。回転子110は好ましくは回転子巻線114を特徴とし、固定子112は好ましくは固定子巻線116を特徴とする。
According to the figure, FIG. 1 is an illustratively illustrated
補助的なDC発電機118は選択的に及び好ましくは、AC発電機108の磁界強度を制御するために、示されたようなシャフト106に設置される。DC発電機118は、DC回転子巻線122を有するDC回転子120と、DC固定子巻線126を有するDC固定子124とを特徴とする。DC回転子巻線122は好ましくはコネクタ130を通じてAC発電機108の回転子巻線114に連結され、好ましくはいくつかの型の配線を具え、選択的にDC回転子巻線122が回転子巻線114と同一速度で回転するように固定配線にしてもよい。DC固定子巻線126は当該技術分野において既知のように、好適なコネクタ132を通してDC電源128に連結される。
An
回転速度センサ(速度センサともいう)134は好ましくは、シャフト106の回転速度を感知するためにシャフト106に連結される。回転速度センサ134は選択的に、任意の好適な速度感知デバイスを特徴としてもよく、限定しないがシャフトエンコーダ、レゾルバ、タコメータ、ホール効果センサ又はシャフト106の外周部上の特徴点の動作を読取る任意の型の近接センサを含む。特徴点は任意の型の特徴を含み、限定しないがノッチ、ねじ、又は孔を含む。
A rotational speed sensor (also referred to as a speed sensor) 134 is preferably coupled to the
電圧調整システム136は回転速度センサ134とDC電源128とに電気的に連結される。任意の型のプログラム可能な、あるいは計算機のデバイス、又はディジタル回路、又はソフトウェア、ファームウェアあるいはハードウェア、若しくはその組合せを特徴とする任意のデバイスが選択的に用いられうるが、電圧調整システム136は好ましくはPLC(プログラマブルロジックコントローラ:programmable logic controller)ベースである。
The
AC発電機システム100は好ましくは以下のように動作する。機械的な力(図示せず)はAC発電機108のシャフト106に供給され、シャフト106を回転させる。初期励起電圧はDC電源128によってDC固定子124に誘起され、DC回転子120に外部磁界を受けさせる。DC電源128は更にDC回転子120を回転させる。この組合せがDC発電機118中にEMFを生成し、このようにして電流(制御電流ともいう)はDC回転子120からAC発電機108の回転子110に流れ、このようにして回転子110中に回転する磁界を生成する。結果として、EMFはAC発電機108の出力において生成される(すなわち、AC発電機108は電気を生成する)。
The
回転速度センサ134はシャフト106の回転速度を感知する。この情報は電圧調整システム136に供給され、DC固定子124中の励起電圧を変更するためにDC電源128を制御し、それによってDC発電機118によるEMF出力を変化させる。更に、これは回転子巻線114中の電流を変化させることによってAC発電機108の磁界強度を制御する。
The
励起電圧は選択的に及び好ましくは、図2に示される方法に従う電圧調整システム136によって決定される。図2は、図1の発電機の動作の制御用の本発明により例示的に示された方法である。示されるように、段階1においては、AC発電機のシャフトの実際の回転速度(シャフト速度ともいう)は回転速度センサによって測定される。段階2においては、電圧調整システムはDC電源制御入力の値を変更し、好ましくはDC固定子の励起電圧を変更させる。選択的に及び好ましくは双方の段階は必要に応じて繰り返されるが、段階1は少なくとも一度繰り返される。
The excitation voltage is selectively and preferably determined by a
好ましくは、最初に出力電圧は、特定の発電機用の制御電圧曲線を規定するために回転速度に関連づけて測定される。一度この曲線が発電機用に構築されると、上の方法を実行するために用いられる。 Preferably, the output voltage is first measured in relation to the rotational speed to define a control voltage curve for a particular generator. Once this curve is built for the generator, it is used to perform the above method.
本方法は選択的に、AC発電機の出力信号の「セットポイント(set point)」を変更するために更に用いてもよい。例えば、このような方法は、選択的にAC発電機によって供給される出力信号のピーク電圧を増減させるのに用いられうる。選択的には、出力信号のピーク電圧を増減させることは例えば、AC発電機に入力された機械的な力のレベルが変化する場合などの多様な状況下で有用になりうる。以下に非常に詳細に述べるように、このような入力される機械的な力の変更は任意の型のエネルギソースに関しても生じうるが、風力又は他の型の「天然」エネルギソースのような再生可能なエネルギソースに関し特に一般化している。好ましくは、このように出力電圧のレベルを増減することは可変性によって特徴づけられる機械的な力の入力ソースのために行われる。 The method may optionally be further used to change the “set point” of the output signal of the AC generator. For example, such a method can be used to selectively increase or decrease the peak voltage of the output signal supplied by the AC generator. Optionally, increasing or decreasing the peak voltage of the output signal can be useful in a variety of situations, such as when the level of mechanical force input to the AC generator changes. As described in greater detail below, such input mechanical force changes may occur for any type of energy source, but may regenerate like wind or other types of “natural” energy sources. It is especially generalized about possible energy sources. Preferably, increasing or decreasing the level of the output voltage in this way is done for a mechanical force input source characterized by variability.
図3は、本発明による電圧調整システムのより詳細であるが、概略的な図である。段階1においては前述したように、制御電圧曲線は各発電機システム用に、好ましくはシステム形成中に決定される。この段階は一度システムが動作すると必ずしも繰り返すことはない。 FIG. 3 is a more detailed but schematic diagram of a voltage regulation system according to the present invention. In stage 1, as described above, the control voltage curve is determined for each generator system, preferably during system formation. This stage is not necessarily repeated once the system is operational.
段階2ないし5は好ましくは、少なくとも一度繰り返され、より好ましくはループとして必要に応じて連続して行われる。段階2においては、AC発電機は動作中であり、AC発電機のシャフトは回転している。段階3においては、シャフトの回転速度は図1に記載のような回転速度センサによって測定される。段階4においては、シャフトの回転速度と制御電圧曲線とを用いて、出力すべき制御電圧の量が決定される。段階5においては、制御電圧が制御電圧出力発電機により出力され、それは図1に記載したように好ましくは付随するDC発電機である。 Steps 2-5 are preferably repeated at least once, more preferably as a loop, continuously as needed. In stage 2, the AC generator is in operation and the AC generator shaft is rotating. In stage 3, the rotational speed of the shaft is measured by a rotational speed sensor as described in FIG. In step 4, the amount of control voltage to be output is determined using the rotational speed of the shaft and the control voltage curve. In stage 5, a control voltage is output by a control voltage output generator, which is preferably an associated DC generator as described in FIG.
図4は、再生可能なエネルギソース又は「天然」エネルギによって少なくとも部分的に給電される発電機による一定レベルの電圧の生成用の、本発明による例示的なシステムの概略的なブロック図である。示したように、システム400は機械的な力のソース402を特徴とし、選択的に及び好ましくは風力、太陽熱、水力、及び地熱からなる群から選択される、いくつかの型の再生可能なエネルギソース又は「天然」エネルギにより電力供給されるデバイスである。システム400は更に好ましくはAC発電機システム404を特徴とし、例えば、図1及び/又は2及び/又は3について述べたように実装できる。
FIG. 4 is a schematic block diagram of an exemplary system according to the present invention for the generation of a constant level voltage by a generator that is at least partially powered by a renewable energy source or “natural” energy. As shown, the
機械的な力のソース402はAC発電機システム404の一部であるAC発電機408のシャフト406と機械的に連結され、それによってシャフト406を回転させる。機械的な力のソース402は、機械的な力の出力レベルが動作上可変にできるという意味で、選択的に及び好ましくは可変な電源である。このような変動はシャフト406の回転速度に変動を生じさせる。しかしながら、AC発電機システム404の電圧調整システム410は、シャフト406の回転速度のいかなる変動にも拘らず、一定レベルで維持されるピーク電圧を有するAC出力信号をAC発電機システム404が提供するようにAC発電機408中の磁界を制御する。
図4に示した本発明の例示的な様態の多くの利点の間では、一定のAC出力信号のピーク電圧の提供は、風力、水力(水力発電)、太陽熱、地熱又は他の型のタービンの構造又は機能を変える、又は影響を与えることなくなされうる。従って、タービン自体の機能及び設計は再生可能なエネルギソースからの最も有効なエネルギーの取得のために選択される。背景技術の引用は、再生可能なエネルギソースから一定レベルの出力電圧を生成するためのシステム又はデバイスを教示又は示唆していない。 Among the many advantages of the exemplary embodiment of the present invention shown in FIG. 4, the provision of a constant AC output signal peak voltage is that of wind, hydro (hydropower), solar, geothermal or other types of turbines. This can be done without changing or affecting the structure or function. Thus, the function and design of the turbine itself is selected for obtaining the most effective energy from renewable energy sources. Background art citations do not teach or suggest a system or device for generating a constant level output voltage from a renewable energy source.
[例示システムの試験]
本実施例は、本発明により例に示された限定されないシステムで行われる試験について述べる。システムは当該技術分野で既知のハイブリッド型二重巻線3相型発電機を特徴とした。それには製品番号ECO3−2S4(Mecc Alte S.p.A.社、イタリア)のDC発電機とAC発電機の双方と、CQM−45(Omron社、米国)のプログラマブルロジックコントローラ(PLC)を具える。システムのセットポイント電圧は285Vacであった。AC発電機は可変速度型モータドライバに連結された電気モータによって動力供給された。AC発電機のシャフトの回転速度は次いでモータの速度に従って変えられた。各回転速度のために、補助的なDC発電機の励起電圧はAC出力のピーク電圧がセットポイント値(285Vac)に到達するまで変更した。
[Examination system test]
This example describes tests performed on the non-limiting system illustrated in the examples by the present invention. The system featured a hybrid double-winding three-phase generator known in the art. It includes both DC and AC generators with product number ECO3-2S4 (MecCalte SpA, Italy) and a programmable logic controller (PLC) with CQM-45 (Omron, USA). Yeah. The system setpoint voltage was 285 Vac. The AC generator was powered by an electric motor connected to a variable speed motor driver. The rotational speed of the AC generator shaft was then changed according to the speed of the motor. For each rotational speed, the excitation voltage of the auxiliary DC generator was changed until the peak voltage of the AC output reached the setpoint value (285 Vac).
図5はAC発電機による定電圧出力を維持するように要求される場合にAC発電機のシャフト速度によるDC発電機の補助的な励起電圧値を示す。 FIG. 5 shows the auxiliary excitation voltage value of the DC generator according to the shaft speed of the AC generator when required to maintain a constant voltage output by the AC generator.
図6は本発明の様態によって、より詳細に電圧調整システム136及び回転速度センサ134を示す。
FIG. 6 illustrates the
回転速度センサ134はアナログ型回転速度情報をディジタル型回転速度情報に変換するADコンバータ161にアナログ型回転速度情報を提供する。ディジタル型回転速度情報はフィルタをかけた回転速度情報を提供すべくディジタル型回転速度情報にフィルタをかけるローパスフィルタ162に提供される。ローパスフィルタ162は高速フーリエ変換フィルタリング処理を適用できるが、必ずしもそうする必要はない。
The
FPGAのようなプロセッサ164は、フィルタをかけたディジタル型回転速度情報と、回転速度及びAC出力電圧のピーク電圧間の関係とに応じて、励起電圧を決定する。この関係を表わす情報はFPGAに記憶でき、FPGAにより実行される命令はEPROM165のようなメモリユニットに記憶できる。
A
プロセッサ164は決定を表わすディジタル制御信号をDAコンバータ166に出力する。DAコンバータ166はディジタル制御信号を励起電圧の振幅を制御するアナログ制御信号に変換する。アナログ制御信号は、DC電源128に提供され、電源128によって出力される励起電圧を決定する電流信号を提供する電流ドライバ168に供給される。電流ドライバ168によって出力される信号又はアナログ制御信号は電圧計171によって測定でき、電圧計のディスプレイに表示できる。マルチプレクサ169又は他の標本化回路はこのような測定ならびに電流信号のDC電源128への提供を可能にするように、電流ドライバ168と電圧調整システム136の出力ポートとの間に提供されうる。
The
都合のよいことに、DAコンバータ166はDAコンバータ166の出力範囲を決定する、特に零電圧のアナログ制御信号を出力するのを許容するために用いられる電位差計を具える。 Conveniently, the DA converter 166 comprises a potentiometer used to determine the output range of the DA converter 166, in particular to allow the output of a zero voltage analog control signal.
プロトコル変換器163又は別のポート若しくはインタフェースは、電圧調整システム136に要求されたピーク電圧を提供するのに用いられうる。
A protocol converter 163 or another port or interface may be used to provide the required peak voltage to the
ポート又はインタフェース(あるいは、更なるポート又はインタフェース)は、図8によって示されたようなウェブベースの管理を提供するために用いられうる。電圧調整システム136のウェブベースの管理主体175は、回転速度測定に関するデータ及び/又はDC電源128へ出力されるアナログ信号の測定を可能にし、1又はそれ以上の外部デバイスに出力され、及び/又は、電圧調整システム136を用いた1又はそれ以上のユーザの対話を可能にする。ウェブベースの管理主体175はソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はその組合せにできる。
Ports or interfaces (or additional ports or interfaces) can be used to provide web-based management as illustrated by FIG. The web-based management entity 175 of the
図6に戻り、電圧調整システム136はプリント回路基板に取り付けできる。更に又は代替的に、それは1又はそれ以上のウェブページを提供できるウェブサーバ(図示せず)と通信できる。これらのウェブページは当該技術分野に既知のように、ユーザ用、例えば簡単な設定オプションの電圧調整システム136のインタフェースとして作用する。
Returning to FIG. 6, the
電圧調整システム136は、回転速度ディスプレイ172のようなディスプレイ、ならびに電圧計171のディスプレイ、又はその組合せに情報を出力できる。情報はポート又はインタフェースを介して提供できる。
The
本発明の別の様態によると、回転速度センサはディジタル型回転速度情報を提供し、アナログ型回転速度情報を提供しない。図7はインクリメンタルエンコーダ134’を含むような回転速度センサを例示する。インクリメンタルエンコーダ134’はディジタル型回転速度情報を生成し、このように様々な構成(ADコンバータ161及びディジタルローパスフィルタ162のような)の電圧調整システム136が要求されない。
According to another aspect of the invention, the rotational speed sensor provides digital rotational speed information and does not provide analog rotational speed information. FIG. 7 illustrates a rotational speed sensor that includes an incremental encoder 134 '. Incremental encoder 134 'generates digital rotational speed information, and thus does not require
図9及び10はAC出力信号のピーク電圧の異なる値に対する、制御電流及びシャフトの回転速度間の関係を示し、図10中の曲線は図9中の表に含まれる値に対応する。 FIGS. 9 and 10 show the relationship between control current and shaft rotational speed for different values of the peak voltage of the AC output signal, and the curves in FIG. 10 correspond to the values contained in the table in FIG.
多数の曲線は、AC出力信号の異なるピーク電圧に対する、制御電流及びシャフトの回転速度間の関係を表わす。 A number of curves represent the relationship between control current and shaft rotation speed for different peak voltages of the AC output signal.
図11は本発明の様態による方法300を示す。
FIG. 11 illustrates a
方法300は段階310又は段階320で開始する。
段階310はAC発電機によって出力されるAC出力信号の要求されたピーク電圧を決定するステップを具える。 Stage 310 includes determining a required peak voltage of the AC output signal output by the AC generator.
段階320はAC発電機によって出力されるAC出力信号の要求されたピーク電圧を表わす情報を受け取るステップを具える。 Stage 320 includes receiving information representative of the requested peak voltage of the AC output signal output by the AC generator.
段階310及び320の後に、シャフトの回転速度を感知する段階330が続く。 Steps 310 and 320 are followed by step 330 of sensing the rotational speed of the shaft.
方法300は機械的な入力素子によりシャフトを回転させるステップを具えてもよい。この段階は説明の単純化のため図示されていない。シャフトは再生可能なエネルギソースにより電力供給される機械的な入力素子によって回転できる。前記再生可能なエネルギは風力、水力、太陽熱、及び地熱エネルギソースにできる。
The
段階330の後に、回転速度に応じてAC発電機の磁界を制御する段階340が続く。 Step 330 is followed by step 340 of controlling the AC generator magnetic field as a function of rotational speed.
本発明の様々な様態によると、段階340は以下の段階又はその組合せのうちの少なくとも1つを具える:
(i)回転速度及びAC出力電圧のピーク電圧間の関係に応じてDC発電機のDC固定子に提供される励起電圧の振幅を決定する段階342。DC発電機はシャフトと連結するDC回転子を有することができる。DC回転子は例えば固定配線によってAC回転子に連結できる。振幅は、前記回転速度の変化に拘らず、前記AC出力信号のピーク電圧を実質的に一定に維持するように決定できる。
(ii)励起電圧によりDC発電機のDC固定子に給電する段階344であり、励起電圧は回転速度に応じた振幅を有する。
(i)直流(DC)発電機により制御電流をAC発電機に提供する段階346であって、制御電流は励起電圧の振幅に応じる。この制御電流はAC発電機の磁界を制御する。
According to various aspects of the invention, step 340 comprises at least one of the following steps or combinations thereof:
(I) determining 342 the amplitude of the excitation voltage provided to the DC stator of the DC generator as a function of the relationship between the rotational speed and the peak voltage of the AC output voltage. The DC generator can have a DC rotor coupled to the shaft. The DC rotor can be connected to the AC rotor, for example, by fixed wiring. The amplitude can be determined so as to maintain the peak voltage of the AC output signal substantially constant regardless of the change in the rotational speed.
(Ii) Stage 344 of supplying power to the DC stator of the DC generator by the excitation voltage, and the excitation voltage has an amplitude corresponding to the rotational speed.
(I) Stage 346 of providing a control current to the AC generator by a direct current (DC) generator, the control current depending on the amplitude of the excitation voltage. This control current controls the magnetic field of the AC generator.
段階340の後に、AC発電機によってAC出力電圧を出力する段階350が続く。AC出力信号のピーク電圧はAC発電機の磁界に応じる。AC発電機はシャフトと連結するAC回転子を具える。 Step 340 is followed by step 350 of outputting an AC output voltage by the AC generator. The peak voltage of the AC output signal depends on the magnetic field of the AC generator. The AC generator includes an AC rotor that is coupled to the shaft.
決定の段階342は以下の段階又はその組合せのうちの少なくとも1つを具えることができる:(i)速度センサから回転速度情報を受け取る段階342(1)、(ii)AC出力電圧の要求されたピーク電圧を受け取る段階342(2)、制御電流及びシャフトの回転速度間の関係に応じて励起電圧の振幅を決定する段階342(3)、(iv)制御電流値、シャフトの回転速度、及びAC出力電圧の要求されたピーク電圧間の関係に応じて励起電圧の振幅を決定する段階342(4)。 The decision stage 342 may comprise at least one of the following stages or combinations thereof: (i) receiving rotational speed information from a speed sensor 342 (1), (ii) requesting an AC output voltage Receiving a peak voltage 342 (2), determining an excitation voltage amplitude 342 (3) as a function of the relationship between the control current and the shaft rotational speed, (iv) the control current value, the shaft rotational speed, and Determining the amplitude of the excitation voltage as a function of the relationship between the requested peak voltages of the AC output voltage 342 (4);
AC出力信号の要求されたピーク電圧を変更することによって、システムの「セットポイント」が変更することに留意されたい。ピーク電圧が変化すると、決定によって関連する曲線(又は式)を選択すべきである。従って、段階344は図10に示されたような曲線間で選択するステップを含んでもよい。 Note that changing the required peak voltage of the AC output signal changes the “setpoint” of the system. As the peak voltage changes, the relevant curve (or equation) should be selected by decision. Accordingly, stage 344 may include selecting between curves as shown in FIG.
本発明の様態によって、決定がディジタル領域で実行される。従って、段階344は、(i)アナログ型回転速度情報をディジタル型回転速度情報に変換するステップと、(ii)フィルタをかけた回転速度情報を提供すべくディジタル型回転速度情報にローパスフィルタをかけるステップと、(iii)フィルタをかけたディジタル型回転速度情報と、回転速度及びAC出力電圧のピーク電圧間の関係とに応じて、励起電圧を決定するステップと、(iv)決定に応じたディジタル制御信号を生成するステップと、(v)ディジタル制御信号を、前記励起電圧の振幅を制御するアナログ信号に変換するステップとを具えることができる。 According to an aspect of the invention, the determination is performed in the digital domain. Accordingly, stage 344 includes (i) converting analog rotational speed information to digital rotational speed information, and (ii) applying a low pass filter to the digital rotational speed information to provide filtered rotational speed information. Determining the excitation voltage according to the step, (iii) the filtered digital rotational speed information, and the relationship between the rotational speed and the peak voltage of the AC output voltage, and (iv) the digital according to the determination. Generating a control signal; and (v) converting the digital control signal into an analog signal that controls the amplitude of the excitation voltage.
方法300は更に、シャフトと連結する冷却ファンを作動させる段階370を含んでもよい。冷却ファンはシャフトによって作動する。方法300は更に情報を表示する段階380を含んでもよい。
上述のシステム及び方法が、AC発電機によって生成された電流又は電圧を測定することなくAC発電機の磁界を変えることは留意すべきである。AC発電機によって出力される電力を概算する、あるいは概算電力と基準電力を比較する必要がない。これは制御スキームを単純化する。 It should be noted that the systems and methods described above change the AC generator's magnetic field without measuring the current or voltage generated by the AC generator. There is no need to approximate the power output by the AC generator or to compare the approximate power with a reference power. This simplifies the control scheme.
本発明は限定された数の様態について記載されてきたが、本発明の多くの変形、変更及びその他のアプリケーションがなされうることは明らかであろう。 Although the invention has been described in a limited number of ways, it will be apparent that many variations, modifications and other applications of the invention may be made.
Claims (40)
AC出力信号を出力し、ある回転速度で回転するシャフトと連結するAC回転子を具えるAC発電機と、
前記回転速度を感知するための速度センサと、
前記回転速度に応じて前記AC発電機の磁界を制御するためのコントローラと、
を具え、当該コントローラが、前記AC発電機の前記磁界を制御するように前記AC発電機に提供される電流を生成する直流(DC)発電機を具えることを特徴とするシステム。 A system for providing an alternating current (AC) voltage, the system comprising:
An AC generator that outputs an AC output signal and includes an AC rotor coupled to a shaft that rotates at a rotational speed;
A speed sensor for sensing the rotational speed;
A controller for controlling the magnetic field of the AC generator according to the rotational speed;
And wherein the controller comprises a direct current (DC) generator that generates a current provided to the AC generator to control the magnetic field of the AC generator.
アナログ型回転速度情報をディジタル型回転速度情報に変換するADコンバータと、
フィルタをかけた回転速度情報を提供すべく前記ディジタル型回転速度情報をフィルタにかけるためのローパスフィルタと、
前記フィルタをかけたディジタル型回転速度情報と、前記回転速度及びAC出力電圧のピーク電圧間の関係とに応じて、前記励起電圧を決定するためのプロセッサと、
当該プロセッサから出力されたディジタル制御信号を、前記励起電圧の振幅を制御するアナログ信号に変換するためのDAコンバータと、
を具えることを特徴とするシステム。 7. The system of claim 6, wherein the voltage regulation system is
An AD converter that converts analog rotational speed information into digital rotational speed information;
A low pass filter for filtering the digital rotational speed information to provide filtered rotational speed information;
A processor for determining the excitation voltage according to the filtered digital rotational speed information and the relationship between the rotational speed and the peak voltage of the AC output voltage;
A DA converter for converting the digital control signal output from the processor into an analog signal for controlling the amplitude of the excitation voltage;
A system characterized by comprising.
シャフトの回転速度を感知するステップと、
前記回転速度に応じてAC発電機の磁界を制御するステップであって、直流(DC)発電機による電流を前記AC発電機に提供するステップを具える制御ステップと、
前記AC発電機によりAC出力電圧を出力するステップと、
を具え、AC出力信号のピーク電圧が前記AC発電機の磁界に応じ、前記AC発電機が前記シャフトと連結するAC回転子を具えることを特徴とする方法。 A method for supplying an alternating current (AC) voltage, the method comprising:
Sensing the rotational speed of the shaft;
A step of controlling the magnetic field of the AC generator in response to the rotational speed, the step comprising providing a current from a direct current (DC) generator to the AC generator;
Outputting an AC output voltage by the AC generator;
And the AC generator comprises an AC rotor coupled to the shaft in response to a peak voltage of the AC output signal depending on the magnetic field of the AC generator.
アナログ型回転速度情報をディジタル型回転速度情報に変換するステップと、
フィルタをかけた回転速度情報を提供すべく前記ディジタル型回転速度情報にローパスフィルタをかけるステップと、
前記フィルタをかけたディジタル型回転速度情報と、前記回転速度及び前記AC出力電圧のピーク電圧間の関係とに応じて、前記励起電圧を決定するステップと、
当該決定に応じたディジタル制御信号を生成するステップと、
前記ディジタル制御信号を、前記励起電圧の振幅を制御するアナログ信号に変換するステップと、
を具えることを特徴とする方法。 The method of claim 26, wherein:
Converting analog rotational speed information into digital rotational speed information;
Applying a low pass filter to the digital rotational speed information to provide filtered rotational speed information;
Determining the excitation voltage according to the filtered digital rotational speed information and the relationship between the rotational speed and the peak voltage of the AC output voltage;
Generating a digital control signal in response to the determination;
Converting the digital control signal into an analog signal for controlling the amplitude of the excitation voltage;
A method characterized by comprising.
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