JP2013527737A - 整流器およびインバータベースのねじりモード減衰システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ねじりモード減衰コントローラシステムは、電気機械および非電気機械を含むドライブトレインを駆動するコンバータに接続される。コントローラシステムは、コンバータまたはドライブトレインの変数に関連する測定データを受信するように構成された入力インタフェースおよび入力インタフェースに接続されたコントローラを含む。コントローラは、入力インタフェースからの測定データに基づいてドライブトレインのシャフトの一区分に沿って少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいてドライブトレインのシャフトのねじり発振を減衰させるための、コンバータの整流器およびインバータ用の制御データを生成し、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために、整流器およびインバータに制御データを送出するように構成される。
【選択図】図３

Description

本明細書で開示される主題の実施形態は、一般に、方法およびシステムに関し、より詳細には、回転システムに現れるねじり振動を減衰させるための機構および技法に関する。

石油およびガス産業には、可変速度で種々の機械を駆動することについて増大する要求がある。こうした機械は、コンプレッサ、電気モータ、エキスパンダ、ガスタービン、ポンプなどを含むことができる。可変周波数電気駆動装置は、エネルギー効率を増加させ、機械について柔軟性の増加を提供する。たとえば大規模なガス圧縮トレインを駆動するための１つの機構は、負荷転流インバータ(load commutated inverter)（ＬＣＩ）である。ガス圧縮トレインは、たとえば、ガスタービン、モータ、およびコンプレッサを含む。ガス圧縮トレインは、より多くのまたはより少ない電気機械およびターボ機械を含むことができる。しかし、パワーエレクトロニクス駆動式システムによってもたらされる問題は、電気的高調波による電気機械のトルクにおけるリップル成分の発生である。トルクのリップル成分は、ドライブトレインのねじり固有周波数で機械システムと相互作用する可能性があり、望ましくない。

ねじり発振または振動は、たとえば図１に示すように、シャフトであって、シャフトに取付けられた種々の質量を有する、シャフトにおいて現れる場合がある発振性角運動(oscillating angular motion)である。図１は、ガスタービン１２、モータ１４、第１のコンプレッサ１６、および第２のコンプレッサ１８を含むシステム１０を示す。これらの機械のシャフトは、互いに接続されるか、または、単一シャフト２０が、これらの機械によって共有される。インペラーおよび他の質量がシャフト２０に沿って分配されるため、シャフト２０の回転は、シャフトに取付けられた質量（たとえばインペラー）の異なる速度による回転によって生じるねじり発振によって影響を受ける可能性がある。

先に論じたように、ねじり振動は、通常、電気モータを駆動するパワーエレクトロニクスによってもたらされる。図１は、たとえば、ＬＣＩ ２４に電力を提供する電力グリッド源（電力源）２２を示し、ＬＣＩ ２４は、次に、モータ１４のシャフト２０を駆動する。電力グリッドは、絶縁型発電機とすることができる。図２（その全体の開示が参照により組込まれる、本出願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第７，１７３，３９９号の図１に対応する）に示すように、ねじり振動を減衰させる（最小にする）ために、インバータコントローラ２６が、ＬＣＩ ２４のインバータ２８に対して設けられ、インバータ２８からモータ１４に伝達される有効電力の量を変調するために、インバータ遅延角度変化（Δβ）を導入するように構成されることができる。あるいは、整流器コントローラ３０が、整流器３２に対して設けられ、発電機２２からＤＣリンク４４、したがってモータ１４に伝達される有効電力の量を変調するために、整流器遅延角度変化（Δα）を導入するように構成されることができる。発電機２２からモータ１４に伝達される有効電力の量を変調することによって、モータ１４およびガスタービン１２を含むシステムにおいて現れるねじり振動を減衰させることが可能であることが留意される。この点に関して、モータ１４およびガスタービン１２のシャフトは互いに接続され、一方、発電機２２のシャフトは、モータ１４にもガスタービン１２にも接続されないことが留意される。

２つのコントローラ２６および３０は、入力として、センサ３６および３８からの信号をそれぞれ受信し、これらの信号は、モータ１４および／または発電機２２が受けるトルクを示す。換言すれば、インバータコントローラ２６は、インバータ遅延角度変化（Δβ）を生成するためにセンサ３６によって検知されるトルク値を処理し、一方、整流器コントローラ３０は、整流器遅延角度変化（Δα）を生成するためにセンサ３８によって検知されるトルク値を処理する。インバータコントローラ２６および整流器コントローラ３０は、互いに独立であり、これらのコントローラは、所与のシステムにおいて共にまたは単独で実装されることができる。図２は、センサ３６がモータ１４のシャフトの一部（一区分）４０を監視し、センサ３８が発電機２２のシャフト４２を監視することを示す。図２はまた、整流器３２とインバータ２８との間のＤＣリンク４４を示す。

しかし、整流器遅延角度変化（Δα）またはインバータ遅延角度変化（Δβ）を確定することは、常に実用的および／または正確であるわけではない。

米国特許第７，１３７，３９９号明細書

したがって、振動的発振(vibrational oscillation)を減衰させるために他の手法を使用するシステムおよび方法を提供することが望ましいであろう。

例示的な実施形態によれば、電気機械および非電気機械を含むドライブトレインを駆動するコンバータに接続されたねじりモード減衰コントローラシステムが存在する。コントローラシステムは、コンバータまたはドライブトレインの変数に関連する測定データを受信するように構成された入力インタフェースおよび入力インタフェースに接続されたコントローラを含む。コントローラは、入力インタフェースからの測定データに基づいてドライブトレインのシャフトの一区分に沿って少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいてドライブトレインのシャフトのねじり発振を減衰させるための、コンバータの整流器およびインバータ用の制御データを生成し、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために、整流器およびインバータに制御データを送出するように構成される。

別の例示的な実施形態によれば、ドライブトレインの一部である電気機械を駆動するためのシステムが存在する。システムは、電力源から交流電流を受け取り、交流電流を直流電流に変換するように構成された整流器と、整流器に接続され、直流電流を伝達するように構成された直流リンクと、直流リンクに接続され、受け取られた直流電流を交流電流に変更するように構成されたインバータと、コンバータまたはドライブトレインの変数に関連する測定データを受信するように構成された入力インタフェースと、入力インタフェースに接続されたコントローラとを含む。コントローラは、入力インタフェースからの測定データに基づいてドライブトレインのシャフトの一区分に沿って少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて機械システムのシャフトのねじり発振を減衰させるための、整流器およびインバータ用の制御データを生成し、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために、整流器およびインバータに制御データを送出するように構成される。

さらに別の例示的な実施形態によれば、電気機械を含むドライブトレインのねじり振動を減衰させるための方法が存在する。方法は、（ｉ）電気機械を駆動するコンバータ、（ｉｉ）ドライブトレイン、または（ｉｉｉ）コンバータとドライブトレインの両方の変数に関連する測定データを受信すること、測定データに基づいてドライブトレインのシャフトの一区分に沿って少なくとも１つの動的トルク成分を計算すること、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいてドライブトレインのシャフトのねじり発振を減衰させるための、コンバータの整流器およびインバータ用の制御データを生成すること、および、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために、整流器およびインバータに制御データを送出することを含む。

さらに別の例示的な実施形態によれば、コンピュータ実行可能命令を含むコンピュータ可読媒体が存在し、その命令は、実行されると、ねじり振動を減衰されるための方法を実施する。コンピュータ命令は、先の節で述べた方法で列挙したステップを含む。

本明細書に組込まれ、また、本明細書の一部を構成する添付図面は、１つまたは複数の実施形態を示し、その記述と共に、これらの実施形態を説明する。

電気機械および２つのコンプレッサに接続された従来のガスタービンの略図である。 整流器コントローラおよびインバータコントローラを含むドライブトレインの略図である。 例示的な実施形態による、コントローラによって制御されるガスタービン、モータ、および負荷の略図である。 例示的な実施形態によるコンバータおよび関連ロジックの略図である。 例示的な実施形態によるコンバータおよび関連ロジックの略図である。 減衰制御をディセーブルにした状態でのシャフトのトルクを示すグラフである。 例示的な実施形態による、減衰制御をイネーブルにした状態でのシャフトのトルクを示すグラフである。 例示的な実施形態によるコンバータおよび関連ロジックの略図である。 例示的な実施形態によるねじり振動を減衰させるためにコンバータを制御するように構成されたコントローラの略図である。 例示的な実施形態による整流器に変調を提供するコントローラの略図である。 例示的な実施形態によるねじり振動を減衰させるための整流器を制御する方法のフローチャートである。 例示的な実施形態による整流器およびインバータに変調を提供するコントローラの略図である。 例示的な実施形態によるコンバータのインバータ、整流器、およびＤＣリンクに存在する電圧の略図である。 例示的な実施形態によるαおよびβ角度変調のねじり作用を示すグラフである。 例示的な実施形態によるねじり振動を減衰させるためのインバータおよび整流器を制御する方法のフローチャートである。 例示的な実施形態によるねじり振動を減衰させるための電圧形インバータおよび関連コントローラの略図である。 多質点システム(multimass system)の略図である。

例示的な実施形態の以下の記述は、添付図面を参照する。異なる図面の同じ参照数字は、同じかまたは類似の要素を特定する。以下の詳細な記述は、本発明を制限しない。代わりに、本発明の範囲は、添付特許請求の範囲によって規定される。以下の実施形態は、簡単にするために、負荷転流インバータによって駆動される電気モータの用語および構造に関して論じられる。しかし、次に論じられる実施形態は、こうしたシステムに制限されるのではなく、他のデバイス、たとえば電圧形インバータ(voltage source inverter)（ＶＳＩ）によって駆動される他のシステムに（適切な調整によって）適用されることができる。

本明細書全体を通した「一実施形態(one embodiment)」または「ある実施形態(an embodiment)」に対する参照は、ある実施形態に関連して述べられる特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。そのため、本明細書全体を通した種々の場所での「一実施形態において(in one embodiment)」または「ある実施形態において(in an embodiment)」という句の出現は、必ずしも同じ実施形態を参照するわけではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適した方法で組合されることができる。

例示的な実施形態によれば、ねじりモード減衰コントローラは、電気機械（モータまたは発電機とすることができる）のシャフトおよび／または電気機械に機械的に接続されるターボ機械のシャフトに関する電気的および／または機械的測定を取得し、電気的および／または機械的測定に基づいて、ドライブトレインの所望のシャフト場所における動的トルク成分および／またはトルク振動を推定するように構成されることができる。動的トルク成分は、シャフトのトルク、ねじり位置、ねじり速度、またはねじり加速度とすることができる。１つまたは複数の動的トルク成分に基づいて、コントローラは、トルク発振を減衰させるために、所望のトルクを適用するように電気機械を駆動する整流器の１つまたは複数のパラメータを調整／修正することができる。次に論じるように、整流器制御に基づいて減衰を確定するためのコントローラについて種々のデータ源が存在する。

図３に示す例示的な実施形態によれば、システム５０は、ガスタービン５２、モータ５４、および負荷５６を含む。ガスタービンおよび／または複数のコンプレッサまたは負荷５６としての他のターボ機械を含む他の構成が可能である。依然として、他の構成は、１つまたは複数のエキスパンダ、１つまたは複数の発電機、または、回転部品、たとえば風力タービン、ギアボックスを有する他の機械を含むことができる。図３に示すシステムは、例示的であり、新規な特徴をよりよく理解するために簡略化される。しかし、より多いかまたはより少ないコンポーネントを有する他のシステムが、ここで論じる新規な特徴を含むように適合されうることを当業者は認識するであろう。

シャフト５８に対する（機械のロータおよびインペラーに関連する）種々の質量の接続は、システム５０に潜在的なねじり振動を受け易くさせる。これらのねじり振動は、シャフト５８をねじる可能性があり、大幅な寿命の減少またはさらにシャフトシステム（１つまたは複数のシャフトを含むだけでなく、特定の状況に応じて、継手およびギアボックスもまた含むことができる）の破壊をもたらす場合がある。例示的な実施形態は、ねじり振動を低減させるための機構を提供する。

モータ５４を起動させるために、電力が、電力グリッド、島の場合のローカル発電機６０、または島様の電力システムから供給される。可変速度でモータ５４を駆動するために、負荷転流インバータ（ＬＣＩ）６２が、グリッド６０とモータ５４との間に設けられる。図４に示すように、ＬＣＩ ６２は、ＤＣリンク６８に接続された整流器６６を含み、ＤＣリンク６８はインバータ７０に接続される。整流器６６、ＤＣリンク６８、およびインバータ７０は、当技術分野で知られており、それらの特定の構造は、ここではさらに論じられない。先に述べたように、新規な特徴が、適切な変更によってＶＳＩシステムに適用されることができる。例証だけのために、例示的なＶＳＩは、図１６に関して示され、簡潔に論じられる。図４は、グリッド６０から受け取られる電流および電圧が、それぞれ３相電流および電圧であることを示す。同じことが、整流器、インバータ、およびモータを通る電流および電圧について当てはまり、このことが、シンボル「／３」によって図４に示される。しかし、例示的な実施形態の新規な特徴は、４相以上、たとえば６相および１２相システムによって働くように構成されたシステムに適用可能である。

ＬＣＩ ６２はまた、図４において円Ａおよび円Ｖで示す電流および電圧センサを含む。たとえば、電流センサ７２は、電流ｉ_DCを測定するためにＤＣリンク６８に設けられる。あるいは、ＤＣリンク内の電流は、ＡＣ側で実施される測定、たとえば電流センサ８４または７４に基づいて計算される。その理由は、これらのセンサがＤＣセンサに比べて費用がかからないからである。別の例は、モータ５４に対してインバータ７０によって提供される電流ｉ_abcを測定する電流センサ７４およびモータ５４に対してインバータ７０によって提供される電圧ｖ_abcを測定する電圧センサ７６である。これらの電流および電圧は、コントローラ７８への入力として提供されることができることが留意される。用語「コントローラ(controller)」は、指定された制御機能を達成するための、任意の適切なデジタル、アナログ、またはそれらの組合せの回路要素または処理ユニットを包含するために本明細書で使用される。図３に戻ると、コントローラ７８は、ＬＣＩ ６２の一部とすることができえる、または、ＬＣＩ ６２と信号を交換する独立型コントローラとすることができることが留意される。コントローラ７８は、ねじりモード減衰コントローラとすることができる。

図４はまた、ＬＣＩコントローラ８０が、図３に示すガスタービン５２、モータ５４、および負荷５６の１つまたは複数に関する機械的測定を受信することができる。同じことがコントローラ７８について当てはまることができる。換言すれば、コントローラ７８は、図３に示すシステム５０のコンポーネントの任意のコンポーネントからの測定データを受信するように構成されることができる。たとえば、図４は、測定データ源７９を示す。このデータ源は、システム５０のコンポーネントの任意のコンポーネントからの機械的測定および／または電気的測定を提供することができる。例示的な実施形態に限定するためではなく、よりより理解のために使用される特定の例は、データ源７９がガスタービン５２に関連するときである。ガスタービン５２のねじり位置、速度、加速度、またはトルクは、既存のセンサによって測定されることができる。このデータは、図４に示すようにコントローラ７８に提供されることができる。別の例は、コンバータ６２またはモータ５４における電気的測定である。データ源７９は、必要である場合、これらの測定をコントローラ７８またはコントローラ８０に提供することができる。

コントローラ８０は、種々の参照８２およびセンサ８４から受信される電流i_dxに基づいて、整流器６６を制御するための整流器遅延角度αを生成することができる。整流器遅延角度αに関して、ＬＣＩは、グリッド６０からの有効電力をモータ５４に伝達するように設計される、または、逆もまた同様であることが留意される。最適な力率によるこの伝達を達成することは、整流器遅延角度αおよびインバータ遅延角度βを必要とする。整流器遅延角度αは、たとえば正弦波変調を参照値に適用することによって変調されることができる。この変調は、制限された期間の間適用されることができる。１つの用途では、変調は連続して適用されるが、変調の振幅は変動する。たとえば、シャフトのねじり振動が存在しないため、変調の振幅はゼロとすることができる。すなわち、変調が参照値に適用されない。別の例では、変調の振幅は、シャフトの検出されるねじり振動に比例するとすることができる。

別のコントローラ８６は、インバータ７０用のインバータ遅延角度βを生成するために使用されることができる。インバータ遅延角度βを変調することは、インバータＤＣ電圧を変調することをもたらし、それが、ＤＣリンク電流の変調を生じ、また、負荷入力電力上での有効電力発振をもたらす。換言すれば、ねじりモード減衰を達成するためにインバータ遅延角度だけを変調することは、主にＤＣリンク６８に貯蔵された磁気エネルギーに起因する減衰用電力(damping power)をもたらす。インバータ遅延角度の変調は、回転シャフトが加速されるかまたは減速されるかに応じて、回転エネルギーが磁気エネルギーに変換されることまたその逆をもたらす。

さらに、図４は、コントローラ８０および８６から受信される情報に基づいて整流器およびインバータを直接制御する、整流器６６用のゲート制御ユニット８８およびインバータ７０用のゲート制御ユニット９０を示す。オプションのセンサ９２は、動的トルク成分、たとえばシャフトに存在するトルク、シャフトのねじり速度、シャフトのねじり加速度、またはシャフトのねじり位置を検出するために、モータ５４のシャフトに非常に接近して配置されることができる。他の同様のセンサ９２は、モータ５４とガスタービン５２との間にまたはガスタービン５２のところに設置されることができる。（センサ９２による）測定される動的トルク成分に関する情報ｕ_xは、コントローラ７８、８０、および８６に提供されることができる。図４はまた、コントローラ７８からの信号をコントローラ８０および８６によって生成される信号に加算する加算ブロック９４および９６を示す。

図５に示す例示的な実施形態によれば、ねじりモード減衰コントローラ７８は、ＬＣＩ ６２またはインバータ７０の出力９１で測定される電流ｉ_abcおよび電圧ｖ_abcを受信することができる。これらの値（モータのシャフトの測定されたトルクまたは速度または加速度に関する情報はない）に基づいて、モータについての空隙トルクが計算され、システムの機械的モデルに給送される。システムの機械的モデルは、機械システムの動的挙動を表し、また、システムの電気的パラメータを機械的パラメータにリンクするいくつかの微分方程式によって表現されることができる。モデル表現は、たとえば推定される慣性、減衰値、および剛性値（フィールド測定によって確認されうる）を含み、シャフトの動的挙動、たとえばねじり発振を計算することを可能にする。ねじりモード減衰について必要とされる精度は、主に動的トルク成分の位相の精度がねじりモード減衰について関連性があり、振幅情報または絶対トルク値があまり重要でないように達成されることができる。

この点に関して、電気機械の空隙トルクは、ドライブトレインの電気システムと機械システムとの間のリンクであることが留意される。電気システムにおける全ての高調波および次数間高調波(inter-harmonics)はまた、空隙トルクにおいて見ることができる。機械システムの固有周波数における次数間高調波は、ねじり発振を励起し、おそらく、シャフトの定格(rating)を超える機械システムの動的トルク値をもたらしうる。既存のねじりモード減衰システムは、こうしたねじり発振を相殺することができるが、これらのシステムは、モータの動的トルクを表す信号を必要とし、この信号は、モータのシャフト、または、モータのシャフトに沿って搭載される歯付きホイールなどのモータのシャフトコンポーネントを効果的に監視するセンサから得られる。例示的な実施形態によれば、動的トルク成分が電気測定に基づいて評価されるため、こうした信号は必要とされない。しかし、後で論じるように、いくつかの例示的な実施形態は、システムの他のコンポーネント、たとえばガスタービンにおける入手可能な機械測定が、機械シャフトに沿う動的トルク成分を確定するために使用されることができる状況を述べる。

換言すれば、例示的な実施形態による利点は、機械システムにおけるねじり振動検知を必要とすることなく、ねじりモード減衰を適用することである。そのため、ねじりモード減衰は、電気システムまたは機械システムにおいてさらなる検知を設置する必要なしで適用されうる。その理由は、現行の電圧センサおよび／または電流センサおよび／または速度センサが、かなり低コストで入手可能にされうるからである。この点に関して、トルクを測定するための機械センサは、大電力用途の場合費用がかかり、時として、これらのセンサが既存のシステムに付加されることができないことが留意される。そのため、現行のねじりモード減衰システムが、トルクを示すシステムの機械パラメータを表す信号を測定するためのセンサを必要とする場合、現行のねじりモード減衰解決策が実施されることができない。対照的に、図５の例示的な実施形態の手法は、確実で、費用効果的であり、既存のシステムを改造することを可能にする。

図５に示す電流および電圧を受信すると、コントローラ７８は、整流器遅延角度αおよび／またはインバータ遅延角度βを制御するための適切な信号（ΔαおよびΔβの一方または両方についての変調）を生成することができる。こうして、図５に示す実施形態によれば、コントローラ７８は、インバータ７０の出力９１から、測定された電気的情報を受信し、たとえば特許第７，１７３，３９９号に記載される減衰の原理に基づいて種々の遅延角度を確定／計算する。１つの用途では、遅延角度は、インバータおよび／またはコンバータの動作に影響を及ぼさないように、狭くかつ規定された範囲、たとえば２〜３°に制限されることができる。１つの用途では、遅延角度は、サイリスタのオーバヘッド発火(overhead-firing)による転流故障を防止するために、１方向（負または正）だけに制限されることができる。図５に示すように、この例示的な実施形態は、モータ５４に接続される機械的ドライブトレインの測定信号（フィードバック）に基づいて種々の角度の補正が調整／検証されないため開ループである。さらに、実施されたシミュレーションは、コントローラ７８がイネーブルされるときのねじり振動の減少を示す。図６は、コントローラ７８がディセーブルされるときの、時間に対するモータ５４のシャフトのトルクの発振１００を示し、図７は、たとえば時刻４０ｓにおいてα変調を生成するためにコントローラ７８がイネーブルされるときに同じ発振がどのように減少／減衰するかを示し、一方、機械的ドライブトレインは、可変速度動作で動作し、ｔ＝４０ｓでクリティカルな速度に交差する。両方の図は、ｘ軸上の時間に対するｙ軸上のシミュレートされたトルクをプロットする。

図８に示す別の例示的な実施形態によれば、コントローラ７８は、ＤＣリンク６８から得られる電気量に基づいて遅延角度変化（変調）Δαおよび／またはΔβの一方または両方を計算するように構成されることができる。より具体的には、電流ｉ_DCが、ＤＣリンク６８のインダクタ１０４で測定され、この値が、コントローラ７８に提供されることができる。１つの用途では、１回だけの電流測定が、コントローラ７８に給送するために使用される。測定電流の値およびシステムの機械的モデルに基づいて、コントローラ７８は、上述した遅延角度変化を生成することができる。別の例示的な実施形態によれば、直流電流Ｉ_DCが、整流器６６またはインバータ７０で実施される電流および／または電圧測定に基づいて推定されることができる。図５および図８に関して論じた実施形態の任意の実施形態におけるコントローラ７８によって計算された遅延角度変化は、閉ループ構成に基づいて修正されることができる。閉ループ構成は、図８の波線１１０によって示される。閉ループは、モータ５４のシャフトの角度位置、速度、加速度、またはトルクが適切なセンサ１１２によって確定され、この値がコントローラ７８に提供されることができることを示す。同じことが、１つまたは複数のセンサ１１２が、ガスタービンまたは図３に示すシャフト５８に沿う他の場所に設けられる場合に当てはまる。

コントローラ７８の構造は、図９に関してここで論じられる。例示的な実施形態によれば、コントローラ７８は、プロセッサ、アナログ回路要素、再構成可能ＦＰＧＡカードなど１２２の１つに接続される入力インタフェース１２０を含むことができる。要素１２２は、ＬＣＩ ６２から電気的パラメータを受信し、遅延角度変化を計算するように構成される。要素１２２は、（図１７に関してより詳細に論じた）機械モデル１２８を記憶し、入力インタフェース１２０で受信された電気的および／または機械的測定を機械モデル１２８に入力して、モータ５４の動的トルク成分の１つまたは複数を計算するように構成されることができる。１つまたは複数の動的トルク成分に基づいて、減衰制御信号が、減衰制御ユニット１３０で生成され、出力信号が、その後、加算ブロックおよびゲート制御ユニットに転送される。別の例示的な実施形態によれば、コントローラ７８は、遅延角度変化を確定するための、アナログ回路、再構成可能ＦＰＧＡカード、または他の専用回路要素とすることができる。

１つの例示的な実施形態では、コントローラ７８は、種々の電流および電圧センサから電気測定を連続して受信し、電気測定に基づいて計算された動的トルク成分に基づいてねじり減衰信号を連続して計算する。この例示的な実施形態によれば、コントローラは、ねじり振動がシャフト内に存在するかどうかを判定するのではなく、計算された動的トルク値に基づいてねじり減衰信号を連続して計算する。しかし、ねじり振動が存在しない場合、コントローラによって生成され、インバータおよび／または整流器に送られるねじり減衰信号は、インバータおよび／または整流器に影響を及ぼさない。すなわち、減衰信号によって提供される角度変化は無視できるかまたはゼロである。こうして、この例示的な実施形態によれば、信号は、ねじり振動が存在する場合にだけ、インバータおよび／または整流器に影響を及ぼす。

例示的な実施形態によれば、ガスタービンシャフトにおける直接のトルクまたは速度測定（すなわちシャフトにおける推定される速度またはトルク情報）は、コントローラが、ＬＣＩにおけるエネルギー伝達をねじり発振のねじり速度と逆相で変調することを可能にする。発電機とＬＣＩドライブとの間で交換される減衰用電力(damping power)は、電子的に調整され、シャフトシステムの固有周波数に相当する周波数を有することができる。この減衰方法は、高Ｑファクタを有する機械システム、すなわち、高いねじり剛性を有するスチールでできたロータシャフトシステムの場合に有効である。さらに、発振電気トルクをモータのシャフトに加え、機械システムの共鳴周波数に相当する周波数を有するこの方法は、減衰用電力をほとんど使用しない。

したがって、先に論じたコントローラは、ドライブシステムを過負荷にすることなく、ＬＣＩ技術に基づいてドライブシステムに一体化されることができる。これは、新しいまたは既存の電力システムに対する新規なコントローラの実装を容易にし、それを経済的に魅力あるものにする。コントローラは、既存の電力システムを変更する必要なしで、たとえば、島のネットワークにおいてＬＣＩドライブの１つのＬＣＩドライブの制御システムを拡張して実装されることができる。

ＬＣＩの動作速度およびトルクが広い範囲で変動する場合、ねじりモード減衰の有効性は、グリッド側のコンバータ電流制御性能に依存する可能性がある。ねじりモード減衰動作は、ねじり固有周波数において小さな付加的なＤＣリンク電流リップルをもたらす。結果として、この周波数において２つの電力成分が存在する。すなわち、インバータ発火角度制御による意図される成分および付加的な電流リップルによる付加的な成分である。この付加的な電力成分の位相および大きさは、システムパラメータ、電流制御設定、および動作点の関数である。これらの成分は、電流制御に依存する電力成分および角度変調に依存する成分をもたらす。

例示的な実施形態によれば、電力変調の２つの代替の方法は、コントローラによって実装されることができる。第１の方法は、グリッド側の電流参照（高速電流制御実装を必要とする）、たとえば減衰成分を有するα変調を直接使用することである。第２の方法は、グリッド側角度および機械側角度を変調することであり、一定のｄｃリンク電流、たとえば減衰周波数成分を有するα−β変調をもたらす。グリッド側の電流制御は、この減衰制御の一部であり、したがって、電流制御は、角度変調の効果を相殺しない。こうして、減衰効果は、より高く、かつ、電流制御設定から独立である。

図１０に示す例示的な実施形態によれば、システム５０は、図３および図４に示すシステムと同様の要素を含む。コントローラ７８は、システム５０のモータ５４または負荷５６またはガスタービン（図示せず）の１つまたは複数に関して電気測定（図４、５、および８に示す）および／または機械測定（たとえば図４および図８または図１０のセンサ１１２およびリンク１１０参照）を受信するように構成される。電気測定だけ、機械測定だけ、または、両方の組合せに基づいて、コントローラ７８は、α変調を整流器６６に適用するための制御信号を生成する。たとえば、電流参照変調は、α変調によって達成され、一方、β角度は、インバータ７０において一定に維持される。α変調は、たとえば図４および図１０のΔαで表される。このα変調は、少なくとも２つの理由で、米国特許第７，１７３，３９９号に開示されるものと異なることが留意される。第１の差は、（使用される場合）機械的測定が、例示的な本実施形態では、シャフト５８に沿う場所（すなわち、モータ５４、負荷５６、および／または、ガスタービン５２）から取得され、一方、米国特許第７，１７３，３９９号は、発電機２２（図２参照）の測定を使用することである。第２の差は、例示的な実施形態によれば、α変調を実施するためのコントローラ７８によって機械的測定が受信されず使用されないことである。

図１１に示す例示的な実施形態によれば、電気機械を含む圧縮トレインにおいてねじり振動を減衰させるための方法が存在する。方法は、（ｉ）電気機械を駆動するコンバータまたは（ｉｉ）圧縮トレインのパラメータに関連する測定データを受信するステップ１１００と、測定データに基づいて電気機械の少なくとも１つの動的トルク成分を計算するステップ１１０２と、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて圧縮トレインのシャフトのねじり発振を減衰させるための、コンバータの整流器用の制御データを生成するステップ１１０４と、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために、整流器に制御データを送出するステップ１１０６とを含む。

図１２に示す別の例示的な実施形態によれば、システム５０は、ねじり発振を減衰させるために（α変調とβ変調の両方を）同時に制御される整流器６６およびインバータ７０を含むことができる。図１２に示すように、コントローラ７８は、整流器コントローラ８８とインバータコントローラ９０の両方のために変調を提供する。コントローラ７８は、（ｉ）モータ５４、負荷５６、および／またはガスタービン５２のうちの１つにおいてセンサ（複数可）１１２によって測定される機械的測定、（ｉｉ）図４、図５、および図８に示す電気的測定、または（ｉ）と（ｉｉ）の組合せに基づいて適切な変調を確定する。

より具体的には、α変調およびβ変調は、図１３を参照して次に論じるように相関するとすることができる。図１３は、整流器６６、ＤＣリンク６８、およびインバータ７０の両端の代表的な電圧降下を示す。α変調およびβ変調の結果として、ＤＣリンク電流が一定であることが望ましい。図１３に示す関連する電圧降下は、
Ｖ_DCα＝ｋ・Ｖ_ACG・ｃｏｓ（α）、
Ｖ_DCβ＝ｋ・Ｖ_ACM・ｃｏｓ（β）、および、
Ｖ_DCα＝Ｖ_DCβ＋Ｖ_DCL
によって与えられる。ここで、Ｖ_ACGは図１２の電力グリッド６０の線間電圧実効値(voltage line to line rms)の大きさであり、Ｖ_ACMはモータ５４の線間電圧実効値の大きさである。係数ｋは、整流器／インバータ構造に基づいて選択され、たとえばＢ６Ｃ構成の場合、３・√（２）／πである。

最後の関係を時間によって微分し、Ｖ_DCLの時間的な変化がゼロであるという条件を課すことによって、以下の数学的関係が、α変調とβ変調との間に得られる。
ｄ（Ｖ_DCα）／ｄｔ＝−ｋ・Ｖ_ACG・ｓｉｎ（α）であり、また、ｄ（Ｖ_DCβ）／ｄｔ＝−ｋ・Ｖ_ACM・ｓｉｎ（β）であり、それが、動作点の周りの小さな信号変動について、以下をもたらす。
ｄα＝（Ｖ_ACM・ｓｉｎ（β））／（Ｖ_ACG・ｓｉｎ（α））・ｄβ
この最後の関係に基づいて、α変調およびβ変調は共に、たとえば図１４に示すように同時に実施される。図１４は、実際のトルク２００が、ｔ₀＝１．５秒の周りで増加することを示す。ｔ₀とｔ₁との間で、α変調２０２もβ変調２０４も適用されないことが留意される。ｔ₁にて、励起２０６が、ｔ₁とｔ₂との間で適用され、両方の変調２０２および２０４が適用される。ｔ₁からｔ₂までの時間間隔の終りに、両方の変調が取除かれ、機械的ドライブトレインの固有の機械的減衰特性のために、トルク２００の発振が指数関数的に減少することが留意される。この例示的な例は、シミュレートされ、現実のシステムでは測定されない。この理由で、両方の変調は、厳密に制御される、たとえばｔ₁で開始しｔ₂で停止する。しかし、α変調およびβ変調の現実の実装では、変調は、変調の振幅がねじり発振の深刻さに基づいて調整された状態で、連続して実施されることができる。β変調に優るこの組合せ式変調の利点は、異なる動作点における位相適合についての必要性が存在せず、ＬＣＩ制御パラメータが減衰性能に影響を及ぼさない可能性があることである。この変調の例は、機械システムに関して両方の遅延角度を変調する効果を示すために提供される。このシミュレーション結果は、逆減衰性能を有するねじり減衰システムについて、機械システムに対する開ループ応答を使用して使用される。

図１５に示す例示的な実施形態によれば、電気機械を含むドライブトレインにおけるねじり振動を減衰させるための方法が存在する。方法は、（ｉ）電気機械を駆動するコンバータまたは（ｉｉ）ドライブトレインのパラメータに関連する測定データを受信するステップ１５００と、測定データに基づいて、電気機械の少なくとも１つの動的トルク成分を計算するステップ１５０２と、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいてドライブトレインのシャフトのねじり発振を減衰させるための、コンバータのインバータおよび整流器のそれぞれ用の制御データを生成するステップ１５０４と、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために、インバータおよび整流器に制御データを送出すステップ１５０６とを含む。動的トルク成分は、機械シャフトの一区分に関連する、回転位置、回転速度、回転加速度、またはトルクを含むことが留意される。有効電力を変調する式は、期間Ｔにわたる平均有効電力がたとえゼロであっても、ある瞬間における変調の考えを表すこともまた留意される。さらに、ＬＣＩの代わりに、ＶＳＩが使用される場合、別の電気量が、有効電力の代わりに適宜修正されることができる。

図１６に示す例示的な実施形態によれば、ＶＳＩ １４０は、この順序で互いに接続された、整流器１４２、ＤＣリンク１４４、およびインバータ１４６を含む。整流器１４２は、電力源１４８からグリッド電圧を受信し、たとえば、自己転流形半導体デバイスに基づくダイオードブリッジまたは能動フロントエンドを含むことができる。整流器１４２によって提供されるｄｃ電圧は、ＤＣリンク１４４内のキャパシタＣによってフィルタリングされ平滑化される。フィルタリングされたｄｃ電圧は、その後、インバータ１４６に印加され、インバータ１４６は、モータ１５０に印加されるａｃ電圧を生成する、自己転流形半導体デバイス、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含むことができる。コントローラ１５２および１５４は、整流器およびインバータのコントローラに加えて、または、整流器およびインバータのコントローラに一体化されて、整流器１４２およびインバータ１４６のために設けられて、モータ１５０のシャフト上のねじり振動が減衰させられる。整流器コントローラ１５３およびインバータコントローラ１５５は、半導体デバイスのいくつかに接続されて示されるが、全ての半導体デバイスがコントローラに接続されることができることが理解されるべきである。コントローラ１５２および１５４は、共にまたは単独で設けられることができ、図４および図５に関して論じたように電気的測定に基づいて動的トルク成分を確定し、組込み整流器およびインバータコントロールの制御参照、たとえばトルクまたは電流制御参照に影響を及ぼすように構成される。

図１７に示す例示的な実施形態によれば、汎用多質点システム１６０は、対応する慣性モーメントＪ₁〜Ｊ_nを有する「ｎ」の異なる質量を含むことができる。たとえば、第１の質量はガスタービンに対応し、第２の質量はコンプレッサに対応するなどであるとすることができ、一方、最後の質量は電気モータに対応するとすることができる。電気モータのシャフトが、機械的測定、たとえば回転位置、速度、加速度、またはトルクについてアクセス可能でないと仮定する。さらに、ガスタービンのシャフトが、アクセス可能であり、上述した機械的パラメータの１つのパラメータが、ガスタービンにおいて直接測定されることができると仮定する。この点に関して、一般に、ガスタービンが、考えられる損傷からガスタービンを保護するために、シャフトの種々の機械的変数を測定する高精度センサを有することが留意される。対照的に、従来のモータは、これらのセンサを持たないか、または、たとえいくつかのセンサが存在したとしても、それらの測定の精度が低い。

機械システム全体の微分方程式は、
Ｊ（ｄθ²／ｄｔ²）＋Ｄ（ｄθ／ｄｔ）＋Ｋθ＝Ｔ_ext
で与えられる。ここで、Ｊ（ねじり行列）、Ｄ（減衰行列）、およびＫ（ねじり剛性行列）は、第１の質量の特性（たとえば、ｄ₁₀、ｄ₁₂、ｋ₁₂、Ｊ₁）を他の質量の特性に結び付ける行列であり、Ｔ_extは、たとえばモータによってシステムに加えられる外部（正味）トルクである。機械システムのこのモデルに基づいて、「ｎ」の質量のトルクまたは他の動的トルク成分は、たとえば第１の質量の特性が知られている場合に確定されることができる。換言すれば、ガスタービンに設けられる高精度センサが、ガスタービンのシャフトのねじり位置、速度、加速度、またはトルクの少なくとも１つを測定するために使用されることができる。この測定値に基づいて、モータ（「ｎ」の質量）またはドライブトレインの別の区分の動的トルク成分が、システムのプロセッサまたはコントローラ７８によって計算されることができ、したがって、制御データが、既に先に論じたように、インバータまたは整流器について生成されることができる。

換言すれば、この例示的な実施形態によれば、コントローラ７８は、モータに接続される１つのターボ機械から機械関連情報を受信する必要があり、この機械関連情報に基づいて、コントローラは、ねじり振動を減衰させるトルクをモータにおいて生成するようにコンバータを制御することができる。ターボ機械は、ガスタービンとすることができるだけでなく、コンプレッサ、エキスパンダ、または他の知られている機械とすることができる。１つの用途では、減衰を実施するために、電気的測定は全く必要でない。しかし、電気的測定は、減衰を達成するために機械的測定と組合されることができる。１つの用途では、減衰を適用する機械（減衰付き機械(damping machine)）は、機械測定のためにアクセス可能でなく、減衰用機械の動的トルク成分は、減衰付き機械に機械的に接続される別の機械上で実施される機械的測定によって計算される。

開示される例示的な実施形態は、ねじり振動を減衰させるためのシステムおよび方法を提供する。この記述は本発明を限定することを意図していないことが理解されるべきである。むしろ、例示的な実施形態は、添付特許請求の範囲によって規定される本発明の趣旨および範囲に含まれる、代替形態、変更形態、および等価形態をカバーすることが意図される。たとえば、方法は、大型水ポンプ、揚水式水力発電所(pumped hydro power station)などのような他の電気モータ駆動式機械システムに適用されることができる。さらに、例示的な実施形態の詳細な説明では、特許請求される発明の網羅的な理解を提供するために、多数の特定の詳細が述べられる。しかし、種々の実施形態が、こうした特定の詳細なしで実施されることができることを当業者は理解するであろう。

例示的な本実施形態の特徴および要素が、実施形態で、特に組合せ体で述べられたが、各特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素なしで単独で、あるいは、本明細書で開示される他の特徴および要素がある状態またはない状態で種々の組合せで使用されうる。この書面による説明は、開示される主題の例を使用して、当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作り使用すること、および、組込まれた任意の方法を実施することを含んで、主題の例を実施することを可能にする。主題の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が思いつく他の例を含むことができる。こうした他の例は、特許請求の範囲の範囲内にあることを意図される。

５０ システム
５２ ガスタービン
５４、１５０ モータ
５６ 負荷
５８ シャフト
６０ ローカル発電機（グリッド）
６２ 負荷転流インバータ（ＬＣＩ）
６６、１４２ 整流器
６８、１４４ ＤＣリンク
７０、１４６ インバータ
７２、７４、８４ 電流センサ
７８、８０、８６、１５２、１５４ コントローラ
７９ データ源
８２ 参照
８８、１５３ 整流器コントローラ
９０、１５５ インバータコントローラ
９１ 出力
９２、１１２ センサ
９４、９６ 加算ブロック
１０４ インダクタ
１１０ リンク
１２０ 入力インタフェース
１２２ 要素（プロセッサ、アナログ回路要素、再構成可能ＦＰＧＡカードなど）
１２８ 機械モデル
１３０ 減衰制御ユニット
１４０ ＶＳＩ
１４８ 電力源

Claims (10)

1. 電気機械および非電気機械を含むドライブトレインを駆動するコンバータに接続されたねじりモード減衰コントローラシステムであって、
   前記コンバータまたは前記ドライブトレインの変数に関連する測定データを受信するように構成された入力インタフェースと、
   コントローラとを備え、前記コントローラは、前記入力インタフェースに接続され、また、
   前記入力インタフェースからの前記測定データに基づいて前記ドライブトレインのシャフトの一区分に沿って少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、
   前記少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて前記ドライブトレインの前記シャフトのねじり発振を減衰させるための、前記コンバータの整流器およびインバータ用の制御データを生成し、
   前記コンバータと前記電気機械との間で交換される有効電力(active power)を変調するために、前記整流器および前記インバータに前記制御データを送出する
   ように構成されるコントローラシステム。
2. 前記制御データは、α変調がβ変調に相関するように前記整流器をα変調し前記インバータをβ変調する請求項１記載のコントローラシステム。
3. 前記コントローラは、整流器遅延角度およびインバータ遅延角度に適用される正弦波または正弦波半波を前記制御データに挿入するように構成される請求項１または請求項２記載のコントローラシステム。
4. 前記正弦波の振幅は３°未満である請求項３記載のコントローラシステム。
5. 前記コントローラは、前記整流器のα角度変調および前記インバータのβ角度変調を連続して実施するように構成される請求項１乃至４のいずれか１項記載のコントローラシステム。
6. 前記コントローラは、前記コンバータの電気的変数に関連する測定データだけに基づいて前記制御データを生成するように構成される請求項１乃至５のいずれか１項記載のコントローラシステム。
7. 前記コントローラは、前記ドライブトレインの機械的変数に関連する測定データだけに基づいて前記制御データを生成するように構成される請求項１乃至６のいずれか１項記載のコントローラシステム。
8. 前記コントローラは、前記電気機械以外の前記ドライブトレインの機械的変数に関連する測定データだけに基づいて前記制御データを生成するように構成される請求項１乃至７のいずれか１項記載のコントローラシステム。
9. ドライブトレインの一部である電気機械を駆動するためのシステムであって、
   電力源から交流電流を受け取り、前記交流電流を直流電流に変換するように構成された整流器と、
   前記整流器に接続され、前記直流電流を伝達するように構成された直流リンクと、
   前記直流リンクに接続され、受け取られた直流電流を交流電流に変更するように構成されたインバータと、
   コンバータまたは前記ドライブトレインの変数に関連する測定データを受信するように構成された入力インタフェースと、
   コントローラとを備え、前記コントローラは、前記入力インタフェースに接続され、また、
   前記入力インタフェースからの前記測定データに基づいて前記ドライブトレインのシャフトの一区分に沿って少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、
   前記少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて前記ドライブトレインの前記シャフトのねじり発振を減衰させるための、前記整流器および前記インバータ用の制御データを生成し、
   前記コンバータと前記電気機械との間で交換される有効電力を変調するために、前記整流器および前記インバータに前記制御データを送出する
   ように構成されるシステム。
10. 電気機械を含むドライブトレインのねじり振動を減衰させるための方法であって、
    （ｉ）前記電気機械を駆動するコンバータ、（ｉｉ）前記ドライブトレイン、または（ｉｉｉ）前記コンバータと前記ドライブトレインの両方の変数に関連する測定データを受信すること、
    前記測定データに基づいて前記ドライブトレインのシャフトの一区分に沿って少なくとも１つの動的トルク成分を計算すること、
    前記少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて前記ドライブトレインの前記シャフトのねじり発振を減衰させるための、前記コンバータの整流器およびインバータ用の制御データを生成すること、および、
    前記コンバータと前記電気機械との間で交換される有効電力を変調するために、前記整流器および前記インバータに前記制御データを送出すること
    を含む方法。（ＡＤＲ／Ｐａ）

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