JP3860333B2 - 電力供給システムの安定化のためのシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力供給システム(power supply system) を主電力送出系統(main power feed) に接続するチョークと、電力供給システムに接続され回転子及び少なくとも１つの三相巻線を有する変換機装置(converter machine) を持つ変換器システムとを有する電力供給システムの安定化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このタイプのシステムでは、例えば、図６に関連してEP 0 071 852が公知である。しかしこのシステムは、制限された範囲だけに対して電圧供給システムの電圧降下を阻止できるので、電圧供給システムの不完全な安定化を単に表わしているにすぎない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の基本的な目的は、それゆえに、特定な値に電力供給システムの電圧の安定させることができる電力供給システムの安定化のためのシステムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本目的は、本発明に従って達成され、最初に説明されるタイプのシステムにおいては、変換器システムは同期機を有するフライホイール貯蔵手段(flywheel storage means)とそれに結合されたフライホイールとを備え、変換器システムは、静止型変換器システムを有し、また変換器システムは、フライホイール貯蔵手段が変換機装置(converter machine) から電力を引き抜く(draw)かあるいはそれに送り出す(supply)ことができるように変換機装置に接続されるフライホイール貯蔵手段を有する静止型変換器システムであり、また制御としては、電力を引き抜くかあるいは送り出すことによって、変換機装置が前もって設定可能な値に電力供給システムの電圧を安定させるように、電力供給システムの電圧を検知し静止型変換器システムを制御する。
【０００５】
本発明システムは、電力を電力供給システムへ送り出すこととはもちろん電力供給システムから電力を引き抜くこともでき、従って電力供給システムにおけるあらゆるタイプの電力変動に対して補償することができ有効な値と位相の関係に関して完全に電圧を安定化させることができる利点がある。
電力供給システムの良好な安定化は、短期間で電力を引き抜いたり電力を送り出したりできることによる。このことはフライホイール貯蔵手段によって好都合に達成され、またフライホイール貯蔵手段は変動する負荷に対して高抵抗性を示すため長い耐用年数で本目的の達成に期待され、静止型変換器システムとの組み合わせにより電力の引き抜き(take-up) と電力の送り出しとの間の急速な変化を可能にするという更なる利点が得られる。
【０００６】
静止型変換器システムは、原則としては、フライホイール貯蔵手段の電力の引き抜きと電力の送り出しの切り換えが高速および高信頼が可能であれば任意に設計ができる。特に好適な解決策としては、静止型変換器システムが直流電流リンクを介して結合された２つの静止型変換器を有する少なくとも１つの静止型変換器回路を備えることである。このような静止型変換器システムは動作が容易であり、さらに、優れた調整特性をもっており、フライホイール貯蔵手段によって引き抜きあるいは送り出される電力を良好な安定化に対して必要な所望の精度で調整することができる。
【０００７】
最も簡単な例では、１つの静止型変換器回路で動作可能であるためには、好適には、静止型変換器の各々が整流器機能とインバータ機能との間で切り換えができるようにする。このことは、フライホイール貯蔵手段の電力の引き抜きではなく電力の送り出しもまた簡単な方法で制御できることを意味する。
静止型変換器回路の機能のエラーを避けるために、好適には、１つの静止型変換器回路において、静止型変換器の一方が整流器機能で動作し、もう一方がインバータ機能動作するような制御によってのみ静止型変換器が制御される。このことは、静止型変換器の一定の機能の準備として、電力の引き抜きあるいは電力の送り出しのどちらであるか確定されていることを意味する。
【０００８】
静止型変換器回路の静止型変換器はその機能を切り換えることができるので、原則としては、静止型変換器システムは１つの静止型変換器で動作するのに適している。
１つの有利な実施例としては、静止型変換器システムが、並列接続されたいくつかの静止型変換器を備える。この解決策では、原則としては、各静止型変換器がそれぞれその機能を切り換えることができるように静止型変換器回路を設計する必要はない。例えば、静止型変換器回路がフライホイール貯蔵手段の電力供給にのみ使われることができるように一方の静止型変換器回路を構成し、静止型変換器回路がフライホイール貯蔵手段の電力の引き抜きにのみ使われることができるようにもう一方の静止型変換器回路を設計することができる。
【０００９】
例えば、結果として一方の静止型変換器回路が故障している間でさえまだ機能を果たす冗長性のあるシステムを形成できる可能性があるので、静止型変換器システムの静止型変換器回路の各々は切り換え可能な静止型変換器であるとき特に有利である。
別の有利な解決法では、１つの静止型変換器回路の静止型変換器は、電力を変換機装置へ送り出すような、あるいは電力を変換機装置から引き抜くような制御によって好適に使用できる。このように好適に使用可能ではあるが、それは静止型変換器回路の静止型変換器の切り換え可能性を妨げない。従ってこの切り換え可能性はシステムの冗長性を維持するために有利に使われる。
【００１０】
いくつかの静止型変換器回路の場合において、それらが単に最大有効電力の半分を供給することができるようにこれらを設計することもまた有利に想像できる。最大有効電力の半分がフライホイール貯蔵手段から変換機装置へ、あるいはその逆に供給される時間だけ、静止型変換器回路は動作の好適なモードで使用される。一方で、最大有効電力の半分よりも大きい電力が変換機装置からフライホイール貯蔵手段へ、あるいはその逆に供給されるのとき、この場合、両方の静止型変換器回路は並列に動作するように一方の静止型変換器回路の静止型変換器が切り換えられる。このようなシステムは、さらに、最大有効電力の半分までは余分に動作可能、すなわち、一方の静止型変換器回路が故障したとき、せいぜい最大有効電力の半分が必要である少なくともこのような場合においては電力供給システムを安定にすることが可能である点が利点である。
【００１１】
さらに、好適には、チョークは各静止型変換器回路の直流電流リンクに設けられる。このようなチョークにおいては、２つの静止型変換器の接続あるいはスイッチングにより生じる瞬時電圧値の差異の結果である電力の変化をチョークによって最小にすることができるという利点がある。
本発明に関する前記の説明に関連して、チョークは単に主電力送出系統と電力供給システムの間にあるということがわかる。特に有利な解決法は、主電力送出系統と電力供給システムの間のチョークが結合チョーク(coupling choke)として設計され、変換機装置がその結合チョークの中間タップ(intermediate tap)に接続されることである。このような結合チョークは、それ自体、電力供給システムに対して主電力送出系統の電圧の変動の影響を部分的に補償し、従って、電力供給システムの電圧を安定にして変換機装置の効果を維持するという利点がある。
【００１２】
特に適切な解決策では、結合チョークのカウンターリアクタンス(counterreactance)がおおよそ変換機装置の初期過渡リアクタンスに相当する。この場合、変換機装置と結合チョークとの間の最適な調整が達成され、結合チョークは、最適な方法で電力供給システムを安定させる変換機装置の効果を維持する。
本発明のシステムで使われる制御に関して、今までのところでは詳細な説明はされていない。ひとつの有利な実施例としては、例えば、制御が主電力送出系統の電圧と電力供給システムの電圧とを検出し比較する制御がある。この制御は従ってまた、電力供給システムと主電力送出系統との間の電圧と位相との差を検出し、フライホイール貯蔵手段と変換機装置との間の、静止型変換器システムによって影響を受ける電力の供給を正確に制御することが可能であるが、これは、特に、静止型変換器に対して指示される点弧角の結果として可能である。
【００１３】
特に好適な制御の構成では、このことが付加された制御としてそれぞれの静止型変換器回路の直流電流リンクにおける電流を使う。
本発明の変換機装置の制御可能性に関して、本発明の解決策に関する前記の説明について、詳細な説明はされていない。ひとつの有利な実施例は、例えば、変換機装置によって生成された電圧を回転子の励磁巻線を介して制御できる。ここで、この回転子の励磁巻線を介して、電圧量は制御されるがその位相角は制御されない。この位相角は、静止型変換器システムの厳密な制御によって、特にその点弧角の制御によってすでに説明された方法で制御される。
【００１４】
特に好適な方法で変換機装置の励磁をできるようにするために、励磁巻線はブラシレス方法によって励磁が可能である。変換機装置で生成された電圧を制御するために、好適には、変換機装置の励磁は電力供給システムにおける電圧に従って制御される。
この変換機装置の励磁の制御は、好適には、静止型変換器システムに対して制御が独立であるので、特に閉ループ制御の形態においてさえ、変換機装置の独立制御によって静止型変換器システムを独立に動作することができる。
【００１５】
変換機装置自体の構造に関して、本発明の解決策に関する前記の説明に関して、詳細な説明はされていない。ひとつの有利な実施例では、例えば、変換機装置は、電力供給システムと静止型変換器システムに接続された単一の三相巻線を有する。特にこれは静止型変換器システムのスイッチングのため山と谷(peaks and trouphs) が生じるので、電力供給システムにおいて提供される電圧の質に対して欠点を持つような変換機装置を最も簡単に構成してしまう可能性がある。
【００１６】
このことから、さらに有利な解決策では、変換機装置は電力供給システムが一方の三相巻線に、フライホイール貯蔵手段がもう一方の三相巻線に接続されるように第１及び第２の三相巻線を有する。
これに関しては、第１の三相巻線と第２の三相巻線が同じ極数を持つとき特に好適である。
【００１７】
原則としては、このタイプの変換機装置は、シャフトを介して互いに機械的に結合された２つの装置のような形態において２つの三相巻線で構成される。本解決策は、装置の構造上の大きさに関して欠点を持つ。しかし、また、電力供給システムに結合された三相巻線は、例えば、高電圧に対する巻線として設計されるが、もう一方の三相巻線は中から低電圧に対して設計されるので利点を有する。
【００１８】
２つの三相巻線の特に有利な点は、特に提供される電圧の要求に関係なく電力供給システムのガルバニック・デカップリング(galvanic decoupling) とフライホイール貯蔵手段を有する静止型変換器システムが結果として可能である点である。
構造上の大きさと動作のモードに関して、第１の三相巻線と第２の三相巻線が共通の固定子パック(stator pack) に設けられるとき、特に好適である。このような解決策には、一方で、装置は必要な電力に関して小さな構造でよく、さらに小さな純抵抗(intrinsic resistance)を持つという大きな利点がある。
【００１９】
このような解決策では、好適には一方の三相巻線に送り出された電力を機械エネルギーへ変換することはなく、もう一方の三相巻線の電気エネルギーへ機械エネルギーを再変換することになる。むしろ２つの三相巻線間の漏れ磁束によって電気エネルギーのトランスによる直接的な変換がある。
特に好適な解決策では、第１の三相巻線と第２の三相巻線が別のスロットに設けられる。
【００２０】
本発明の変換機装置のさらに有利な解決策では、回転子が減衰巻線を有する。このような減衰巻線は、基本周波数だけが一方の三相巻線からもう一方の三相巻線へ伝達されるように、効果的に提供される電圧の高調波を短絡し、磁束におけるそれらを取り除くという利点がある。
フライホイール貯蔵手段自体の設計に関して、本発明の解決策に関する前記の説明について、詳細な説明はされていない。ひとつの有利な実施例では、例えば、フライホイール貯蔵手段は垂直軸に対してフライホイール回転を有する。フライホイールのこのような設置は、ベアリングによってのみ軸方向にフライホイールを支持できるので、その取り付けに関して利点がある。ひとつの有利な可能性としては、例えば、フライホイールはベアリングで回転軸方向に支持されるが、ここでこのベアリングは、例えば、フライホイールを支持するシャフトのより下方の端の領域にあるベアリングである。
【００２１】
さらにその代わりとして、有利にはフライホイールが吊るされる方法で設けられる。すなわち、回転軸方向にフライホイールを支持するベアリングはフライホイールと垂直に位置するように設けられる。フライホイールのこの取り付けにより、フライホイールが高スピードで回転しても簡単な方法で安定にできる。
軸方向にフライホイールを安定化するベアリングは、原則としては、滑り軸受として設計され得る。
【００２２】
さらにその代わりとして、一つの有利な実施例では、発生する軸受摩擦力がより低くなるという利点を有する磁気軸受として設計される。
特に好適な解決策として、安全性から選ぶと、さらに、磁気軸受は能動的な磁気軸受として設計される。
フライホイールに関する同期機の回転子の設置について、これまでのところ詳細な説明はない。一つの有利な実施例としては、例えば、ギア要素がこれら二つの間に必要なく、従って特に簡単で機能的に安定なユニットに結果としてなるように、同期機の回転子がフライホイールのシャフトに直接設置される。
【００２３】
これに関して、フライホイールが磁気軸受と反対に位置する回転子の側に設けられるとき特に好適であり、回転子だけではなくフライホイールも磁気軸受に対して吊るされる方法で設けられ、簡単な安定化が傾いているトルクに対して得られる。
更に、同期機は、好適にはそれに連携した励磁機を備え、また同期機の励磁を制御でき、それゆえそれから引き抜かれる電力あるいはそれに送り出される電力を正確に制御できる。
【００２４】
本発明のシステムの工業的な実施例に関する前記説明に関連して、本システムの本来の使用、すなわち電力供給システムの電圧安定化に注目が注がれる。
本発明のシステムは、電力を提供する主電力送出系統が故障している間、変換器システムは電力供給システムで消費される全電力を供給するように、すなわち、この場合、変換器システムはある程度の時間期間、電力の連続した送り出しと同時に電力供給システムとして利用できるように設計される。この場合、フライホイール貯蔵手段は電力供給システムの許容される負荷に従って大きさを決める必要がある。
【００２５】
このことは、本発明のシステムは、機能している主電力送出系統に対して電力供給システムの電圧を一定に安定させるだけではなく、それ自体、ある程度の長さの時間、主電力送出系統の故障を克服することができる。
主電力送出系統における故障の克服が長い時間かかるようであるならば、本発明のシステムはまた、変換器システムの変換機装置は、モーター駆動手段、例えばディーゼルモーターに結合されることができるように拡張され、そのとき、変換機装置の回転子を駆動することによってディーゼルモーターは発電機として変換機装置を動作し、電力供給システムへ電圧を提供する。これに関して、変換器システムは電力供給システムにおける電圧を安定にする役目を持っているが、ここで、静止型変換器システムとフライホイール貯蔵手段は、特に、一方で、電力供給システムにおける負荷の変化を補償でき、あるいはもう一方で、静止型変換機装置を駆動するモータの電力の変動を補償することができる。
【００２６】
本発明の更なる形態と利点は、それぞれの実施例を例示した図の他に以下の説明における主題である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
チョーク12を介して主電力送出系統14に接続された電力供給システム10を安定化するための本発明のシステムの第１実施例は、全体として20で示され、変換機装置22を有する変換器システムを備える。
変換機装置22は、その部分として、励磁巻線30を備える回転子28の他に第１の三相巻線24と第２の三相巻線26とを有する。励磁巻線30は、静止型のの直流電流巻線34を有する励磁機32によって励磁される直流電流巻線として好適には構成される。
【００２８】
変換機装置32の励磁のための界磁電流を供給する直流電流巻線34は、一方が設定電圧値発生器38によってあらかじめ決められた設定電圧値を検出しもう一方が電圧検出器39を介して電力供給システムの電圧を検出する電圧レギュレータによって制御される。
第２の三相巻線26は、全体として40で示される静止型変換器システムに接続され、その静止型変換器システム40は、例えば、第２の三相巻線26に接続された静止型変換器44と静止型変換器46とを有する静止型変換器回路42を備え、その２つの静止型変換器44，46は、直流電流リンク48を介して結合される。またチョーク49は直流電流リンク48内にある。
【００２９】
直流電流回路40内のチョーク49は、２つの静止型変換器のスイッチングにより生じる電力変化と瞬時電圧値における差を補償するという目的にかなう。
静止型変換器46は、その部分としては、全体として50で示され同期機52とそれに結合されたフライホイール54を有するフライホイール貯蔵手段を備える。
同期機52は、ブラシレス方式の励磁機62によって直流電流で動作可能な励磁巻線60を有する回転子58の他に静止型の三相巻線56を備える。励磁機62は励磁巻線60の励磁電流を制御する静止型の直流電流巻線64を備える。
【００３０】
直流電流巻線64を動作させるために、励磁レギュレータ66は、一方で、設定電圧発生器68で前もって決めることができる設定電圧値と電圧検出器70によって検出することができる三相巻線56における電圧を比較する。
静止型変換器システム40は、その部分としては、全体として80で示され、電力供給システム10の電圧と主電力送出系統14の電圧とを検出して比較する周波数レギュレータ82と、さらにその後ろに接続され、周波数レギュレータ82の出力信号を加えた直流電流リンク48の電流を検出する。また、静止型変換器システム40は、その部分として、静止型変換器44及び46に対するトリガー制御86及び88を制御する電力レギュレータ84を有する制御で制御される。各トリガー装置86及び88によって、静止型変換器44または46のうち一方が整流器として動作し、もう一方の静止型変換器46または44がインバータとして動作するように決定することができ、さらに、点弧角をトリガー装置86及び88を介して２つの静止型変換器に対して決定することができる。
【００３１】
本発明のシステムには、チョーク12を介して主電力送出系統14から給電される電力供給システムに対して、電力供給システム10から電力を引き抜いたり電力を送り出したりする変換器システム20によって、電力供給システム10に電圧の変化を安定にする結果となる方向に安定化するような機能がある。例えば、もし、主電力送出系統14から給電される電圧がより低いのなら、変換器システム20は、電力供給システム10の電圧を一定に保つために電力供給システム10へ電力を送り出す。同時に、電力は例えば、負荷が電力供給システム10に切り換えられたり、あるいは、例えば電力供給システム10のエネルギー発生器がオフに切り換えられたりしたときもまた送り出される。
【００３２】
さらに、例えば、電力供給システム10の電圧が所望の電圧以上に増加するようなる負荷開放またはエネルギー発生器のスイッチ投入が電力供給システム10で起きるとき、電力が本発明のシステムにおける電力供給システム10から引き抜かれる。
電力は、一方で、変換器システム20を介して、電圧レギュレータ36が電圧供給システム10における電圧を検出し、設定値発生器38において指定された設定値と比較して、変換機装置22によって発生される電圧を制御することによって引き抜かれ送り出される。回転子28の励磁巻線30の励磁はそれに応じて制御される。
【００３３】
さらに、周波数レギュレータ82は、直流電流リンク48の電流の他に電力供給システム10の電圧と主電力送出系統14の電圧とを検出し、それに応じて、静止型変換器44及び46のトリガー装置86及び88を制御し、静止型変換器回路42が、第２の三相巻線26に接続された静止型変換器44のために変換機装置22を介して電力供給システム10から有効電力を引き抜いてこれを同期機52によってフライホイール54に貯蔵、すなわちフライホイール54をより速い回転速度に回転するように、あるいは、静止型変換器回路42が、同期機52を用いてフライホイール54にブレーキを掛けることによってフライホイール貯蔵手段から有効電力を引き抜いてこれを変換機装置22によって電力供給システム10へ送り出す。
【００３４】
フライホイール貯蔵手段50が負荷変動に対して高抵抗を有するため、とても短い周期内で、有効電力を電力供給システム10から引き抜くことができたり、あるいは、有効電力をそれに送り出すことができる。
電力供給システム10のいずれのタイプの安定化でも、変換機装置22は、電力供給システム10に対して有効電力の送り出しあるいは引き抜きをするだけではなく、さらに、電力供給システム10に対して無効電力の送り出しあるいは引き抜をするので、有効電力の比較的小さな引き抜きあるいは送り出しで、大きな電圧変動、好適には５０％までの電圧変動に対して補償することができる。なぜなら、変換機装置22は電力供給システム10へ非常に大きい無効電力を送り出すか、あるいは無効電力を電力供給システム10から引き抜くことができ、電力供給システム10の電圧を実質的に一定に保つように、主電力送出系統14から供給されている電圧にこれを加えることができるからである。
【００３５】
さらに、スイッチ16は主電力送出系統14とチョーク12との間にあり、このスイッチは主電力送出系統の電圧がブレークダウンする間はずっと開放となる。これは、例えば、主電力送出系統の回路が短絡している間、短絡による不必要な電力消費を避けることができることを意味する。
図２に示されるように、本発明のフライホイール貯蔵手段50のひとつの有利な実施例は、フライホイール54自体を吊り下げるやり方法、すなわち、全体として100 で示され、好適には一部分でフライホイール54が接続されるフライホイールシャフト102 で固定される受動磁気軸受に、その軸104 の方向で吊るされる方法で設けられ、フライホイールシャフト102 は、さらに、磁気軸受100 に隣接したラジアル軸受106 とフライホイールシャフト102 の下側の端に設けられたラジアル軸受108 とに取り付けられ、またラジアルベアリング106 と108 は好適には小さなストレスにさらされる機械軸受である。
【００３６】
同期機52の回転子58は、磁気軸受100 とフライホイール54との間のフライホイールシャフトに直接設置され、また同期機52の固定子110 によって囲まれるが、その固定子110 には三相巻線56が設けられる。
さらに、励磁機62は磁気軸受100 と同期機52との間に設置され、その回転子112 はフライホイールシャフト102 上に同じように設置され、またフライホイールシャフト102 に同じように設けられて、回転子58の励磁巻線60に直流電流を供給するような共に回転する整流器114 に接続される。
【００３７】
図２で示されるフライホイール貯蔵手段50の場合、フライホイール54は、ラジアル軸受108 に取り付けられるフライホイールシャフト102 の下側の端の近くに設置される。さらに、フライホイール54は、摩擦を減らすガス雰囲気内、好適には圧力下に取り付けられる。
本発明の変換機装置の好適な実施例は、図３及び４に図示され、軸受ブラケット(bearing brackets)112 を有する軸受箱(housing)120を備え、その軸受箱120 内に回転のためのシャフト124 が設けられる。シャフト124 は励磁巻線30を有する回転子28を支える。
【００３８】
さらに、全体として126 で示される固定子パックは軸受箱120 内に設けられ、図４に示されるように、第１の三相巻線24と第２の三相巻線26とが共にこの固定子パックの内部へ巻かれる。すなわち、１つのスロット空間(slot spacing)によって交互に相殺されるように、第１の三相巻線24及び第２の三相巻線26は同一に設計され固定子パック126 に位置するように巻かれる。第１の三相巻線24の巻線のより線は図４に実線で図示され、第２の三相巻線26の巻線のより線は図４に長点線で表わされる。三相巻線24及び26は４極の装置においては図４で示され、簡単化のため単層巻の形状である相間中心距離(pole spacing)の５／６の短くした巻線ピッチを有する三相設計である。
【００３９】
さらに、回転子28は、短絡板(short-circuit plates)130 によって回転子28の前方の端の領域が短絡される減衰ロッド(attenuator rods) で形成される減衰巻線(attenuating windings)を備える。回転子28内のこれらの減衰巻線の結果として、第１の三相巻線24において提供される電圧の全高調波は効果的に短絡され、従って、磁束内で取り除かれる。それゆえ、基本周波数だけを第１の三相巻線24から第２の三相巻線26へ転送することができる。
【００４０】
第１の三相巻線24の回転磁界は回転子28に作用されるが、ここで、同期機として設計された変換機装置の場合、回転子への作用は同期して起きる。さらに、第１の三相巻線24に供給された電力の機械エネルギーへの変換は、変換機装置22の場合は起きない。それに反して、電気エネルギーの直接のトランスによる変換は２つの三相巻線24と26との間の磁束漏れによって起きる。
【００４１】
変換機装置は好適にはそれぞれ第１及び第２の三相巻線24と26の結合された電力に従って、すなわち、電力の２倍に対して、モータと発電機がそれぞれ同一の電力を有する公知の単一軸受箱の装置の場合に設計される。このことは、電力−重量比(power weight ratio)の実質的な減少となり、さらに、効率が増加する。
変換機装置22が同期機として設計されるとき、第１の三相巻線24は電力供給システム10の負荷変動に独立である一定の正弦波電圧を供給し、主電力送出系統14内における全ての現象による影響を受けることがないが、電圧レギュレータ36によって、第１の三相巻線24における電圧が本質的に一定であるように、変換機装置の磁束が回転子28の直流電流の励磁によって引き起こされるようになる。
【００４２】
変換機装置の有利な実施例の更なる形態の説明の残りについては、使われた参考は全て、このような変換機装置の更なる詳細を開示する欧州特許出願 0 071 852による。
本発明のシステムの第２実施例においては、図５に示されるように、第１実施例の部分と同類の部分には同じ参照番号が付けられ、またそれらの説明に関しては、第１実施例の説明をすべて参考にすることができる。
【００４３】
第１実施例とは対照的に、図５において、第２実施例のチョーク12' は単純なチョークとしてではなく、主電力送出系統14に面する第１の巻線12a'と電力供給システム10に面する第２の巻線12b'と変換器システム20の変換機装置22の第１の三相巻線24に接続された中間タップ12c'とを有するカップリングチョーク(coupling choke)として設計される。このようなカップリングチョーク12' は、それによって、主電力送出系統14における短絡に対して変換器システム20によってうまく対処でき、このような短絡の場合でさえも、変換器システム20を用いることによって電力供給システム10の電圧を実質的に一定に保つことができるという利点がある。このことは、特に巻線12a'と12b'との間のカウンターリアクタンスが変換機装置22の初期過渡リアクタンスにほぼ一致するときに有利に可能であり、従って、主電力送出系統14内における短絡の場合のカウンターリアクタンスはその純抵抗による変換機装置のあらゆる電圧降下を補償する。
【００４４】
残りについては、図５に関する第２実施例では第１実施例と同類であり、従って、それについては、第１実施例に関する説明を全て参照することができる。
本発明のシステムの第３実施例においては、図６に示されるように、第１実施例及び第２実施例と同類の要素には同じ参照番号が付けられ、それらの説明に関しては、第１実施例の説明をすべて参考にすることができる。前記の実施例とは対照的に、静止型変換器システム40は、互いに並列に設けられた２つの静止型変換器回路42a 及び42b を備えるが、その静止型変換器回路は、それぞれ、第２の三相巻線26に接続された静止型変換器44a 及び44b と、フライホイール貯蔵手段50の同期機52の三相巻線56とに接続された静止型変換器46a 及び46b とを有する。さらに、２つの静止型変換器44a 及び46b と２つの静止型変換器44b 及び46b は、各々、直流電流リンク48a 及び48b を介して互いに静止型変換器システム42a 及び42b の両方に結合される。
【００４５】
制御80は、２つの静止型変換器回路42a 及び42b のトリガー装置86a 及び88a と86b 及び88b とを制御できるように設計される。
２つの静止型変換器システム42a 及び42b は、それぞれ最大限可能な有効電力のおおよそ半分を接続できるように、好適に設計される。例えば、静止型変換器回路42a は、変換機装置22からフライホイール貯蔵手段50への有効電力を供給するのに使うことができるように、また静止型変換器回路42b は、フライホイール貯蔵手段50から変換機装置22への有効電力を供給するのに使うことができるように制御80によって主として動作する。これは最大限可能な有効電力のせいぜい半分が変換機装置22とフライホイール貯蔵手段52との間で各時間に接続される限りは十分である。この最大有効電力の半分までは、第３実施例による解決策は、静止型変換器44a 及び46a あるいは44b 及び46b の切り換えは必要なくむしろ２つの静止型変換器回路42a 及び42b はそれらの基本的な設定による制御によってそれぞれ反対の方向に動作するので接続時間がより速くなるという利点を示す。
【００４６】
しかし、もし最大有効電力がフライホイール貯蔵手段50から変換機装置22へあるいはその逆に供給されるのならば、この場合、２つの静止型変換器回路42a 及び42b は並列に動作するように、反対の方向に基本的に設定されて動作する静止型変換器回路42a あるいは42b は制御80によって切り換えられる。
静止型変換器44a ，44b ，46a ，46b がスイッチを切りかえられることができるということは、さらに有効電力の半分まで冗長なシステムが得られるという利点を有する。なぜなら、静止型変換器42a ，42b のうち一つがブレークダウンしたとき、もう一方の静止型変換器42b ，42a が、整流器機能とインバータ機能との間で静止型変換器の切り換えをすることによって、両方向に有効電力を伝達するのに使うことができるからである。
【００４７】
本発明の第４の実施例においては、図７に示されるように、変換機装置22' は２つの別個の同期機22a'と22b'の形状で設計されるが、これら各同期機はそれぞれ励磁巻線30a 及び30b を有し、また、各励磁巻線はそれぞれ電圧レギュレータ36a 及び36b を介して調整することができ、目的を達成する。電圧レギュレータ36b の場合、調節は第２の三相巻線26に発生する電圧に応じて行う。
【００４８】
本発明の第５実施例においては、図８に示されるように、変換機装置22" は単純化された装置の形状で設計され、カップリングチョーク12' の中間タップ12c'だけではなく静止型変換器回路42の静止型変換器44に接続される三相巻線24を単に有し、第２の三相巻線26は取り除かれると同時に第１の三相巻線24が形成される。
【００４９】
電力供給システム10の電圧を安定化するための本発明のシステムは、また好適には、連続した電力供給源として動作する目的で使うことができる。フライホイール貯蔵手段50は、好適には、１０秒までの期間の主電力送出系統14における故障の間、そのエネルギーが電力供給システム10の電圧を保つのに十分であるような大きさである。主電力送出系統14における全ての通例の主な故障の９７％は１０秒よりも短い時間以内に発生するので、フライホイール貯蔵手段50におけるエネルギーは主電力送出系統14における全故障の９７％で十分である。
【００５０】
もし主電力送出系統における故障が10秒より長く続くのならば、電力供給システムのスイッチを切るという付加された制御が本発明の一つの実施例で可能である。
さらにその代わりとして、変換機装置22をディーゼル発生ユニットに結合し、主電力送出系統14における１０秒よりも長い故障の場合に電力供給システム10の電圧をより長い時間にわたって確保するために変換機装置22の回転子28を駆動させるディーゼル発生ユニットをスタートさせことも想像できる。この場合、フライホイール貯蔵手段50に蓄えたエネルギーは、ディーゼル発生ユニットがフルパワーに達するまで、主電力送出系統14のそのような故障の間を克服する第１の目的にかなう。
【００５１】
ディーゼル発生ユニットが回転子28の動作を主として引き受けるとすぐに、フライホイール貯蔵手段50を有する静止型変換器システム40は、例えば、電力供給システムにおいて負荷が急変してそれによってディーゼル発生ユニットを助ける間、既に上記で述べられた方法で電力供給システムの電圧を安定化するために動作し続ける。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステムの第１実施例の概略を示す図である。
【図２】フライホイール貯蔵手段の好適な実施例の概略図の垂直部分を示す図である。
【図３】本発明の変換機装置の好適な実施例における垂直の縦軸方向の部分を示す図である。
【図４】三相巻線を図示した図３の線４−４に沿った部分を示す図である。
【図５】第２実施例の図１と同類の概略を示す図である。
【図６】第３実施例の図１と同類の概略を示す図である。
【図７】第４実施例の図１と同類の概略図を示す図である。
【図８】第５実施例の図１と同類の概略図を示す図である。
【符号の説明】
10…電源供給システム
12' …カップリングチョーク
12'C…中間タップ
14…主電力送出系統
20…変換器システム
22…変換機装置
24…第１の三相巻線
26…第２の三相巻線
28…回転子
30…励磁巻線
40…静止型変換器システム
42…静止型変換器回路
44，46…静止型変換器
48…直流電流リンク
49…チョーク
50…フライホイール貯蔵手段
52…同期機
54…フライホイール
58…回転子
62…励磁機
80…制御
100 …ベアリング
102 …シャフト
104 …軸
126 …固定子パック
128 …減衰巻線
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力供給システム(power supply system) を主電力送出系統(main power feed) に接続するチョークと、電力供給システムに接続され回転子及び少なくとも１つの三相巻線を有する変換機装置(converter machine) を持つ変換器システムとを有する電力供給システムの安定化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このタイプのシステムでは、例えば、図６に関連してEP 0 071 852が公知である。しかしこのシステムは、制限された範囲だけに対して電圧供給システムの電圧降下を阻止できるので、電圧供給システムの不完全な安定化を単に表わしているにすぎない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の基本的な目的は、それゆえに、特定な値に電力供給システムの電圧の安定させることができる電力供給システムの安定化のためのシステムを提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本目的は、本発明に従って達成され、最初に説明されるタイプのシステムにおいては、変換器システムは同期機を有するフライホイール貯蔵手段(flywheel storage means)とそれに結合されたフライホイールとを備え、変換器システムは、静止型変換器システムを有し、また変換器システムは、フライホイール貯蔵手段が変換機装置(converter machine) から電力を引き抜く(draw)かあるいはそれに送り出す(supply)ことができるように変換機装置に接続されるフライホイール貯蔵手段を有する静止型変換器システムであり、また制御としては、電力を引き抜くかあるいは送り出すことによって、変換機装置が前もって設定可能な値に電力供給システムの電圧を安定させるように、電力供給システムの電圧を検知し静止型変換器システムを制御する。
【０００５】
本発明システムは、電力を電力供給システムへ送り出すこととはもちろん電力供給システムから電力を引き抜くこともでき、従って電力供給システムにおけるあらゆるタイプの電力変動に対して補償することができ有効な値と位相の関係に関して完全に電圧を安定化させることができる利点がある。
電力供給システムの良好な安定化は、短期間で電力を引き抜いたり電力を送り出したりできることによる。このことはフライホイール貯蔵手段によって好都合に達成され、またフライホイール貯蔵手段は変動する負荷に対して高抵抗性を示すため長い耐用年数で本目的の達成に期待され、静止型変換器システムとの組み合わせにより電力の引き抜き(take-up) と電力の送り出しとの間の急速な変化を可能にするという更なる利点が得られる。
【０００６】
静止型変換器システムは、原則としては、フライホイール貯蔵手段の電力の引き抜きと電力の送り出しの切り換えが高速および高信頼が可能であれば任意に設計ができる。特に好適な解決策としては、静止型変換器システムが直流電流リンクを介して結合された２つの静止型変換器を有する少なくとも１つの静止型変換器回路を備えることである。このような静止型変換器システムは動作が容易であり、さらに、優れた調整特性をもっており、フライホイール貯蔵手段によって引き抜きあるいは送り出される電力を良好な安定化に対して必要な所望の精度で調整することができる。
【０００７】
最も簡単な例では、１つの静止型変換器回路で動作可能であるためには、好適には、静止型変換器の各々が整流器機能とインバータ機能との間で切り換えができるようにする。このことは、フライホイール貯蔵手段の電力の引き抜きではなく電力の送り出しもまた簡単な方法で制御できることを意味する。
静止型変換器回路の機能のエラーを避けるために、好適には、１つの静止型変換器回路において、静止型変換器の一方が整流器機能で動作し、もう一方がインバータ機能動作するような制御によってのみ静止型変換器が制御される。このことは、静止型変換器の一定の機能の準備として、電力の引き抜きあるいは電力の送り出しのどちらであるか確定されていることを意味する。
【０００８】
静止型変換器回路の静止型変換器はその機能を切り換えることができるので、原則としては、静止型変換器システムは１つの静止型変換器で動作するのに適している。
１つの有利な実施例としては、静止型変換器システムが、並列接続されたいくつかの静止型変換器を備える。この解決策では、原則としては、各静止型変換器がそれぞれその機能を切り換えることができるように静止型変換器回路を設計する必要はない。例えば、静止型変換器回路がフライホイール貯蔵手段の電力供給にのみ使われることができるように一方の静止型変換器回路を構成し、静止型変換器回路がフライホイール貯蔵手段の電力の引き抜きにのみ使われることができるようにもう一方の静止型変換器回路を設計することができる。
【０００９】
例えば、結果として一方の静止型変換器回路が故障している間でさえまだ機能を果たす冗長性のあるシステムを形成できる可能性があるので、静止型変換器システムの静止型変換器回路の各々は切り換え可能な静止型変換器であるとき特に有利である。
別の有利な解決法では、１つの静止型変換器回路の静止型変換器は、電力を変換機装置へ送り出すような、あるいは電力を変換機装置から引き抜くような制御によって好適に使用できる。このように好適に使用可能ではあるが、それは静止型変換器回路の静止型変換器の切り換え可能性を妨げない。従ってこの切り換え可能性はシステムの冗長性を維持するために有利に使われる。
【００１０】
いくつかの静止型変換器回路の場合において、それらが単に最大有効電力の半分を供給することができるようにこれらを設計することもまた有利に想像できる。最大有効電力の半分がフライホイール貯蔵手段から変換機装置へ、あるいはその逆に供給される時間だけ、静止型変換器回路は動作の好適なモードで使用される。一方で、最大有効電力の半分よりも大きい電力が変換機装置からフライホイール貯蔵手段へ、あるいはその逆に供給されるのとき、この場合、両方の静止型変換器回路は並列に動作するように一方の静止型変換器回路の静止型変換器が切り換えられる。このようなシステムは、さらに、最大有効電力の半分までは余分に動作可能、すなわち、一方の静止型変換器回路が故障したとき、せいぜい最大有効電力の半分が必要である少なくともこのような場合においては電力供給システムを安定にすることが可能である点が利点である。
【００１１】
さらに、好適には、チョークは各静止型変換器回路の直流電流リンクに設けられる。このようなチョークにおいては、２つの静止型変換器の接続あるいはスイッチングにより生じる瞬時電圧値の差異の結果である電力の変化をチョークによって最小にすることができるという利点がある。
本発明に関する前記の説明に関連して、チョークは単に主電力送出系統と電力供給システムの間にあるということがわかる。特に有利な解決法は、主電力送出系統と電力供給システムの間のチョークが結合チョーク(coupling choke)として設計され、変換機装置がその結合チョークの中間タップ(intermediate tap)に接続されることである。このような結合チョークは、それ自体、電力供給システムに対して主電力送出系統の電圧の変動の影響を部分的に補償し、従って、電力供給システムの電圧を安定にして変換機装置の効果を維持するという利点がある。
【００１２】
特に適切な解決策では、結合チョークのカウンターリアクタンス(counterreactance)がおおよそ変換機装置の初期過渡リアクタンスに相当する。この場合、変換機装置と結合チョークとの間の最適な調整が達成され、結合チョークは、最適な方法で電力供給システムを安定させる変換機装置の効果を維持する。
本発明のシステムで使われる制御に関して、今までのところでは詳細な説明はされていない。ひとつの有利な実施例としては、例えば、制御が主電力送出系統の電圧と電力供給システムの電圧とを検出し比較する制御がある。この制御は従ってまた、電力供給システムと主電力送出系統との間の電圧と位相との差を検出し、フライホイール貯蔵手段と変換機装置との間の、静止型変換器システムによって影響を受ける電力の供給を正確に制御することが可能であるが、これは、特に、静止型変換器に対して指示される点弧角の結果として可能である。
【００１３】
特に好適な制御の構成では、このことが付加された制御としてそれぞれの静止型変換器回路の直流電流リンクにおける電流を使う。
本発明の変換機装置の制御可能性に関して、本発明の解決策に関する前記の説明について、詳細な説明はされていない。ひとつの有利な実施例は、例えば、変換機装置によって生成された電圧を回転子の励磁巻線を介して制御できる。ここで、この回転子の励磁巻線を介して、電圧量は制御されるがその位相角は制御されない。この位相角は、静止型変換器システムの厳密な制御によって、特にその点弧角の制御によってすでに説明された方法で制御される。
【００１４】
特に好適な方法で変換機装置の励磁をできるようにするために、励磁巻線はブラシレス方法によって励磁が可能である。変換機装置で生成された電圧を制御するために、好適には、変換機装置の励磁は電力供給システムにおける電圧に従って制御される。
この変換機装置の励磁の制御は、好適には、静止型変換器システムに対して制御が独立であるので、特に閉ループ制御の形態においてさえ、変換機装置の独立制御によって静止型変換器システムを独立に動作することができる。
【００１５】
変換機装置自体の構造に関して、本発明の解決策に関する前記の説明に関して、詳細な説明はされていない。ひとつの有利な実施例では、例えば、変換機装置は、電力供給システムと静止型変換器システムに接続された単一の三相巻線を有する。特にこれは静止型変換器システムのスイッチングのため山と谷(peaks and trouphs) が生じるので、電力供給システムにおいて提供される電圧の質に対して欠点を持つような変換機装置を最も簡単に構成してしまう可能性がある。
【００１６】
このことから、さらに有利な解決策では、変換機装置は電力供給システムが一方の三相巻線に、フライホイール貯蔵手段がもう一方の三相巻線に接続されるように第１及び第２の三相巻線を有する。
これに関しては、第１の三相巻線と第２の三相巻線が同じ極数を持つとき特に好適である。
【００１７】
原則としては、このタイプの変換機装置は、シャフトを介して互いに機械的に結合された２つの装置のような形態において２つの三相巻線で構成される。本解決策は、装置の構造上の大きさに関して欠点を持つ。しかし、また、電力供給システムに結合された三相巻線は、例えば、高電圧に対する巻線として設計されるが、もう一方の三相巻線は中から低電圧に対して設計されるので利点を有する。
【００１８】
２つの三相巻線の特に有利な点は、特に提供される電圧の要求に関係なく電力供給システムのガルバニック・デカップリング(galvanic decoupling) とフライホイール貯蔵手段を有する静止型変換器システムが結果として可能である点である。
構造上の大きさと動作のモードに関して、第１の三相巻線と第２の三相巻線が共通の固定子パック(stator pack) に設けられるとき、特に好適である。このような解決策には、一方で、装置は必要な電力に関して小さな構造でよく、さらに小さな純抵抗(intrinsic resistance)を持つという大きな利点がある。
【００１９】
このような解決策では、好適には一方の三相巻線に送り出された電力を機械エネルギーへ変換することはなく、もう一方の三相巻線の電気エネルギーへ機械エネルギーを再変換することになる。むしろ２つの三相巻線間の漏れ磁束によって電気エネルギーのトランスによる直接的な変換がある。
特に好適な解決策では、第１の三相巻線と第２の三相巻線が別のスロットに設けられる。
【００２０】
本発明の変換機装置のさらに有利な解決策では、回転子が減衰巻線を有する。このような減衰巻線は、基本周波数だけが一方の三相巻線からもう一方の三相巻線へ伝達されるように、効果的に提供される電圧の高調波を短絡し、磁束におけるそれらを取り除くという利点がある。
フライホイール貯蔵手段自体の設計に関して、本発明の解決策に関する前記の説明について、詳細な説明はされていない。ひとつの有利な実施例では、例えば、フライホイール貯蔵手段は垂直軸に対してフライホイール回転を有する。フライホイールのこのような設置は、ベアリングによってのみ軸方向にフライホイールを支持できるので、その取り付けに関して利点がある。ひとつの有利な可能性としては、例えば、フライホイールはベアリングで回転軸方向に支持されるが、ここでこのベアリングは、例えば、フライホイールを支持するシャフトのより下方の端の領域にあるベアリングである。
【００２１】
さらにその代わりとして、有利にはフライホイールが吊るされる方法で設けられる。すなわち、回転軸方向にフライホイールを支持するベアリングはフライホイールと垂直に位置するように設けられる。フライホイールのこの取り付けにより、フライホイールが高スピードで回転しても簡単な方法で安定にできる。
軸方向にフライホイールを安定化するベアリングは、原則としては、滑り軸受として設計され得る。
【００２２】
さらにその代わりとして、一つの有利な実施例では、発生する軸受摩擦力がより低くなるという利点を有する磁気軸受として設計される。
特に好適な解決策として、安全性から選ぶと、さらに、磁気軸受は能動的な磁気軸受として設計される。
フライホイールに関する同期機の回転子の設置について、これまでのところ詳細な説明はない。一つの有利な実施例としては、例えば、ギア要素がこれら二つの間に必要なく、従って特に簡単で機能的に安定なユニットに結果としてなるように、同期機の回転子がフライホイールのシャフトに直接設置される。
【００２３】
これに関して、フライホイールが磁気軸受と反対に位置する回転子の側に設けられるとき特に好適であり、回転子だけではなくフライホイールも磁気軸受に対して吊るされる方法で設けられ、簡単な安定化が傾いているトルクに対して得られる。
更に、同期機は、好適にはそれに連携した励磁機を備え、また同期機の励磁を制御でき、それゆえそれから引き抜かれる電力あるいはそれに送り出される電力を正確に制御できる。
【００２４】
本発明のシステムの工業的な実施例に関する前記説明に関連して、本システムの本来の使用、すなわち電力供給システムの電圧安定化に注目が注がれる。
本発明のシステムは、電力を提供する主電力送出系統が故障している間、変換器システムは電力供給システムで消費される全電力を供給するように、すなわち、この場合、変換器システムはある程度の時間期間、電力の連続した送り出しと同時に電力供給システムとして利用できるように設計される。この場合、フライホイール貯蔵手段は電力供給システムの許容される負荷に従って大きさを決める必要がある。
【００２５】
このことは、本発明のシステムは、機能している主電力送出系統に対して電力供給システムの電圧を一定に安定させるだけではなく、それ自体、ある程度の長さの時間、主電力送出系統の故障を克服することができる。
主電力送出系統における故障の克服が長い時間かかるようであるならば、本発明のシステムはまた、変換器システムの変換機装置は、モーター駆動手段、例えばディーゼルモーターに結合されることができるように拡張され、そのとき、変換機装置の回転子を駆動することによってディーゼルモーターは発電機として変換機装置を動作し、電力供給システムへ電圧を提供する。これに関して、変換器システムは電力供給システムにおける電圧を安定にする役目を持っているが、ここで、静止型変換器システムとフライホイール貯蔵手段は、特に、一方で、電力供給システムにおける負荷の変化を補償でき、あるいはもう一方で、静止型変換機装置を駆動するモータの電力の変動を補償することができる。
【００２６】
本発明の更なる形態と利点は、それぞれの実施例を例示した図の他に以下の説明における主題である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
チョーク12を介して主電力送出系統14に接続された電力供給システム10を安定化するための本発明のシステムの第１実施例は、全体として20で示され、変換機装置22を有する変換器システムを備える。
変換機装置22は、その部分として、励磁巻線30を備える回転子28の他に第１の三相巻線24と第２の三相巻線26とを有する。励磁巻線30は、静止型のの直流電流巻線34を有する励磁機32によって励磁される直流電流巻線として好適には構成される。
【００２８】
変換機装置32の励磁のための界磁電流を供給する直流電流巻線34は、一方が設定電圧値発生器38によってあらかじめ決められた設定電圧値を検出しもう一方が電圧検出器39を介して電力供給システムの電圧を検出する電圧レギュレータによって制御される。
第２の三相巻線26は、全体として40で示される静止型変換器システムに接続され、その静止型変換器システム40は、例えば、第２の三相巻線26に接続された静止型変換器44と静止型変換器46とを有する静止型変換器回路42を備え、その２つの静止型変換器44，46は、直流電流リンク48を介して結合される。またチョーク49は直流電流リンク48内にある。
【００２９】
直流電流回路40内のチョーク49は、２つの静止型変換器のスイッチングにより生じる電力変化と瞬時電圧値における差を補償するという目的にかなう。
静止型変換器46は、その部分としては、全体として50で示され同期機52とそれに結合されたフライホイール54を有するフライホイール貯蔵手段を備える。
同期機52は、ブラシレス方式の励磁機62によって直流電流で動作可能な励磁巻線60を有する回転子58の他に静止型の三相巻線56を備える。励磁機62は励磁巻線60の励磁電流を制御する静止型の直流電流巻線64を備える。
【００３０】
直流電流巻線64を動作させるために、励磁レギュレータ66は、一方で、設定電圧発生器68で前もって決めることができる設定電圧値と電圧検出器70によって検出することができる三相巻線56における電圧を比較する。
静止型変換器システム40は、その部分としては、全体として80で示され、電力供給システム10の電圧と主電力送出系統14の電圧とを検出して比較する周波数レギュレータ82と、さらにその後ろに接続され、周波数レギュレータ82の出力信号を加えた直流電流リンク48の電流を検出する。また、静止型変換器システム40は、その部分として、静止型変換器44及び46に対するトリガー制御86及び88を制御する電力レギュレータ84を有する制御で制御される。各トリガー装置86及び88によって、静止型変換器44または46のうち一方が整流器として動作し、もう一方の静止型変換器46または44がインバータとして動作するように決定することができ、さらに、点弧角をトリガー装置86及び88を介して２つの静止型変換器に対して決定することができる。
【００３１】
本発明のシステムには、チョーク12を介して主電力送出系統14から給電される電力供給システムに対して、電力供給システム10から電力を引き抜いたり電力を送り出したりする変換器システム20によって、電力供給システム10に電圧の変化を安定にする結果となる方向に安定化するような機能がある。例えば、もし、主電力送出系統14から給電される電圧がより低いのなら、変換器システム20は、電力供給システム10の電圧を一定に保つために電力供給システム10へ電力を送り出す。同時に、電力は例えば、負荷が電力供給システム10に切り換えられたり、あるいは、例えば電力供給システム10のエネルギー発生器がオフに切り換えられたりしたときもまた送り出される。
【００３２】
さらに、例えば、電力供給システム10の電圧が所望の電圧以上に増加するようなる負荷開放またはエネルギー発生器のスイッチ投入が電力供給システム10で起きるとき、電力が本発明のシステムにおける電力供給システム10から引き抜かれる。
電力は、一方で、変換器システム20を介して、電圧レギュレータ36が電圧供給システム10における電圧を検出し、設定値発生器38において指定された設定値と比較して、変換機装置22によって発生される電圧を制御することによって引き抜かれ送り出される。回転子28の励磁巻線30の励磁はそれに応じて制御される。
【００３３】
さらに、周波数レギュレータ82は、直流電流リンク48の電流の他に電力供給システム10の電圧と主電力送出系統14の電圧とを検出し、それに応じて、静止型変換器44及び46のトリガー装置86及び88を制御し、静止型変換器回路42が、第２の三相巻線26に接続された静止型変換器44のために変換機装置22を介して電力供給システム10から有効電力を引き抜いてこれを同期機52によってフライホイール54に貯蔵、すなわちフライホイール54をより速い回転速度に回転するように、あるいは、静止型変換器回路42が、同期機52を用いてフライホイール54にブレーキを掛けることによってフライホイール貯蔵手段から有効電力を引き抜いてこれを変換機装置22によって電力供給システム10へ送り出す。
【００３４】
フライホイール貯蔵手段50が負荷変動に対して高抵抗を有するため、とても短い周期内で、有効電力を電力供給システム10から引き抜くことができたり、あるいは、有効電力をそれに送り出すことができる。
電力供給システム10のいずれのタイプの安定化でも、変換機装置22は、電力供給システム10に対して有効電力の送り出しあるいは引き抜きをするだけではなく、さらに、電力供給システム10に対して無効電力の送り出しあるいは引き抜をするので、有効電力の比較的小さな引き抜きあるいは送り出しで、大きな電圧変動、好適には５０％までの電圧変動に対して補償することができる。なぜなら、変換機装置22は電力供給システム10へ非常に大きい無効電力を送り出すか、あるいは無効電力を電力供給システム10から引き抜くことができ、電力供給システム10の電圧を実質的に一定に保つように、主電力送出系統14から供給されている電圧にこれを加えることができるからである。
【００３５】
さらに、スイッチ16は主電力送出系統14とチョーク12との間にあり、このスイッチは主電力送出系統の電圧がブレークダウンする間はずっと開放となる。これは、例えば、主電力送出系統の回路が短絡している間、短絡による不必要な電力消費を避けることができることを意味する。
図２に示されるように、本発明のフライホイール貯蔵手段50のひとつの有利な実施例は、フライホイール54自体を吊り下げるやり方法、すなわち、全体として100 で示され、好適には一部分でフライホイール54が接続されるフライホイールシャフト102 で固定される受動磁気軸受に、その軸104 の方向で吊るされる方法で設けられ、フライホイールシャフト102 は、さらに、磁気軸受100 に隣接したラジアル軸受106 とフライホイールシャフト102 の下側の端に設けられたラジアル軸受108 とに取り付けられ、またラジアルベアリング106 と108 は好適には小さなストレスにさらされる機械軸受である。
【００３６】
同期機52の回転子58は、磁気軸受100 とフライホイール54との間のフライホイールシャフトに直接設置され、また同期機52の固定子110 によって囲まれるが、その固定子110 には三相巻線56が設けられる。
さらに、励磁機62は磁気軸受100 と同期機52との間に設置され、その回転子112 はフライホイールシャフト102 上に同じように設置され、またフライホイールシャフト102 に同じように設けられて、回転子58の励磁巻線60に直流電流を供給するような共に回転する整流器114 に接続される。
【００３７】
図２で示されるフライホイール貯蔵手段50の場合、フライホイール54は、ラジアル軸受108 に取り付けられるフライホイールシャフト102 の下側の端の近くに設置される。さらに、フライホイール54は、摩擦を減らすガス雰囲気内、好適には圧力下に取り付けられる。
本発明の変換機装置の好適な実施例は、図３及び４に図示され、軸受ブラケット(bearing brackets)112 を有する軸受箱(housing)120を備え、その軸受箱120 内に回転のためのシャフト124 が設けられる。シャフト124 は励磁巻線30を有する回転子28を支える。
【００３８】
さらに、全体として126 で示される固定子パックは軸受箱120 内に設けられ、図４に示されるように、第１の三相巻線24と第２の三相巻線26とが共にこの固定子パックの内部へ巻かれる。すなわち、１つのスロット空間(slot spacing)によって交互に相殺されるように、第１の三相巻線24及び第２の三相巻線26は同一に設計され固定子パック126 に位置するように巻かれる。第１の三相巻線24の巻線のより線は図４に実線で図示され、第２の三相巻線26の巻線のより線は図４に長点線で表わされる。三相巻線24及び26は４極の装置においては図４で示され、簡単化のため単層巻の形状である相間中心距離(pole spacing)の５／６の短くした巻線ピッチを有する三相設計である。
【００３９】
さらに、回転子28は、短絡板(short-circuit plates)130 によって回転子28の前方の端の領域が短絡される減衰ロッド(attenuator rods) で形成される減衰巻線(attenuating windings)を備える。回転子28内のこれらの減衰巻線の結果として、第１の三相巻線24において提供される電圧の全高調波は効果的に短絡され、従って、磁束内で取り除かれる。それゆえ、基本周波数だけを第１の三相巻線24から第２の三相巻線26へ転送することができる。
【００４０】
第１の三相巻線24の回転磁界は回転子28に作用されるが、ここで、同期機として設計された変換機装置の場合、回転子への作用は同期して起きる。さらに、第１の三相巻線24に供給された電力の機械エネルギーへの変換は、変換機装置22の場合は起きない。それに反して、電気エネルギーの直接のトランスによる変換は２つの三相巻線24と26との間の磁束漏れによって起きる。
【００４１】
変換機装置は好適にはそれぞれ第１及び第２の三相巻線24と26の結合された電力に従って、すなわち、電力の２倍に対して、モータと発電機がそれぞれ同一の電力を有する公知の単一軸受箱の装置の場合に設計される。このことは、電力−重量比(power weight ratio)の実質的な減少となり、さらに、効率が増加する。
変換機装置22が同期機として設計されるとき、第１の三相巻線24は電力供給システム10の負荷変動に独立である一定の正弦波電圧を供給し、主電力送出系統14内における全ての現象による影響を受けることがないが、電圧レギュレータ36によって、第１の三相巻線24における電圧が本質的に一定であるように、変換機装置の磁束が回転子28の直流電流の励磁によって引き起こされるようになる。
【００４２】
変換機装置の有利な実施例の更なる形態の説明の残りについては、使われた参考は全て、このような変換機装置の更なる詳細を開示する欧州特許出願 0 071 852による。
本発明のシステムの第２実施例においては、図５に示されるように、第１実施例の部分と同類の部分には同じ参照番号が付けられ、またそれらの説明に関しては、第１実施例の説明をすべて参考にすることができる。
【００４３】
第１実施例とは対照的に、図５において、第２実施例のチョーク12' は単純なチョークとしてではなく、主電力送出系統14に面する第１の巻線12a'と電力供給システム10に面する第２の巻線12b'と変換器システム20の変換機装置22の第１の三相巻線24に接続された中間タップ12c'とを有するカップリングチョーク(coupling choke)として設計される。このようなカップリングチョーク12' は、それによって、主電力送出系統14における短絡に対して変換器システム20によってうまく対処でき、このような短絡の場合でさえも、変換器システム20を用いることによって電力供給システム10の電圧を実質的に一定に保つことができるという利点がある。このことは、特に巻線12a'と12b'との間のカウンターリアクタンスが変換機装置22の初期過渡リアクタンスにほぼ一致するときに有利に可能であり、従って、主電力送出系統14内における短絡の場合のカウンターリアクタンスはその純抵抗による変換機装置のあらゆる電圧降下を補償する。
【００４４】
残りについては、図５に関する第２実施例では第１実施例と同類であり、従って、それについては、第１実施例に関する説明を全て参照することができる。
本発明のシステムの第３実施例においては、図６に示されるように、第１実施例及び第２実施例と同類の要素には同じ参照番号が付けられ、それらの説明に関しては、第１実施例の説明をすべて参考にすることができる。前記の実施例とは対照的に、静止型変換器システム40は、互いに並列に設けられた２つの静止型変換器回路42a 及び42b を備えるが、その静止型変換器回路は、それぞれ、第２の三相巻線26に接続された静止型変換器44a 及び44b と、フライホイール貯蔵手段50の同期機52の三相巻線56とに接続された静止型変換器46a 及び46b とを有する。さらに、２つの静止型変換器44a 及び46b と２つの静止型変換器44b 及び46b は、各々、直流電流リンク48a 及び48b を介して互いに静止型変換器システム42a 及び42b の両方に結合される。
【００４５】
制御80は、２つの静止型変換器回路42a 及び42b のトリガー装置86a 及び88a と86b 及び88b とを制御できるように設計される。
２つの静止型変換器システム42a 及び42b は、それぞれ最大限可能な有効電力のおおよそ半分を接続できるように、好適に設計される。例えば、静止型変換器回路42a は、変換機装置22からフライホイール貯蔵手段50への有効電力を供給するのに使うことができるように、また静止型変換器回路42b は、フライホイール貯蔵手段50から変換機装置22への有効電力を供給するのに使うことができるように制御80によって主として動作する。これは最大限可能な有効電力のせいぜい半分が変換機装置22とフライホイール貯蔵手段52との間で各時間に接続される限りは十分である。この最大有効電力の半分までは、第３実施例による解決策は、静止型変換器44a 及び46a あるいは44b 及び46b の切り換えは必要なくむしろ２つの静止型変換器回路42a 及び42b はそれらの基本的な設定による制御によってそれぞれ反対の方向に動作するので接続時間がより速くなるという利点を示す。
【００４６】
しかし、もし最大有効電力がフライホイール貯蔵手段50から変換機装置22へあるいはその逆に供給されるのならば、この場合、２つの静止型変換器回路42a 及び42b は並列に動作するように、反対の方向に基本的に設定されて動作する静止型変換器回路42a あるいは42b は制御80によって切り換えられる。
静止型変換器44a ，44b ，46a ，46b がスイッチを切りかえられることができるということは、さらに有効電力の半分まで冗長なシステムが得られるという利点を有する。なぜなら、静止型変換器42a ，42b のうち一つがブレークダウンしたとき、もう一方の静止型変換器42b ，42a が、整流器機能とインバータ機能との間で静止型変換器の切り換えをすることによって、両方向に有効電力を伝達するのに使うことができるからである。
【００４７】
本発明の第４の実施例においては、図７に示されるように、変換機装置22' は２つの別個の同期機22a'と22b'の形状で設計されるが、これら各同期機はそれぞれ励磁巻線30a 及び30b を有し、また、各励磁巻線はそれぞれ電圧レギュレータ36a 及び36b を介して調整することができ、目的を達成する。電圧レギュレータ36b の場合、調節は第２の三相巻線26に発生する電圧に応じて行う。
【００４８】
本発明の第５実施例においては、図８に示されるように、変換機装置22" は単純化された装置の形状で設計され、カップリングチョーク12' の中間タップ12c'だけではなく静止型変換器回路42の静止型変換器44に接続される三相巻線24を単に有し、第２の三相巻線26は取り除かれると同時に第１の三相巻線24が形成される。
【００４９】
電力供給システム10の電圧を安定化するための本発明のシステムは、また好適には、連続した電力供給源として動作する目的で使うことができる。フライホイール貯蔵手段50は、好適には、１０秒までの期間の主電力送出系統14における故障の間、そのエネルギーが電力供給システム10の電圧を保つのに十分であるような大きさである。主電力送出系統14における全ての通例の主な故障の９７％は１０秒よりも短い時間以内に発生するので、フライホイール貯蔵手段50におけるエネルギーは主電力送出系統14における全故障の９７％で十分である。
【００５０】
もし主電力送出系統における故障が10秒より長く続くのならば、電力供給システムのスイッチを切るという付加された制御が本発明の一つの実施例で可能である。
さらにその代わりとして、変換機装置22をディーゼル発生ユニットに結合し、主電力送出系統14における１０秒よりも長い故障の場合に電力供給システム10の電圧をより長い時間にわたって確保するために変換機装置22の回転子28を駆動させるディーゼル発生ユニットをスタートさせことも想像できる。この場合、フライホイール貯蔵手段50に蓄えたエネルギーは、ディーゼル発生ユニットがフルパワーに達するまで、主電力送出系統14のそのような故障の間を克服する第１の目的にかなう。
【００５１】
ディーゼル発生ユニットが回転子28の動作を主として引き受けるとすぐに、フライホイール貯蔵手段50を有する静止型変換器システム40は、例えば、電力供給システムにおいて負荷が急変してそれによってディーゼル発生ユニットを助ける間、既に上記で述べられた方法で電力供給システムの電圧を安定化するために動作し続ける。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシステムの第１実施例の概略を示す図である。
【図２】フライホイール貯蔵手段の好適な実施例の概略図の垂直部分を示す図である。
【図３】本発明の変換機装置の好適な実施例における垂直の縦軸方向の部分を示す図である。
【図４】三相巻線を図示した図３の線４−４に沿った部分を示す図である。
【図５】第２実施例の図１と同類の概略を示す図である。
【図６】第３実施例の図１と同類の概略を示す図である。
【図７】第４実施例の図１と同類の概略図を示す図である。
【図８】第５実施例の図１と同類の概略図を示す図である。
【符号の説明】
10…電源供給システム
12' …カップリングチョーク
12'C…中間タップ
14…主電力送出系統
20…変換器システム
22…変換機装置
24…第１の三相巻線
26…第２の三相巻線
28…回転子
30…励磁巻線
40…静止型変換器システム
42…静止型変換器回路
44，46…静止型変換器
48…直流電流リンク
49…チョーク
50…フライホイール貯蔵手段
52…同期機
54…フライホイール
58…回転子
62…励磁機
80…制御
100 …ベアリング
102 …シャフト
104 …軸
126 …固定子パック
128 …減衰巻線
Claims (26)
- 電力供給システムを主電力送出系統に接続するチョークと、
電力供給システムに接続され、回転子と少なくとも１つの三相巻線を有する変換機装置を含む変換器システムとを備える電力供給システムの安定化のためのシステムであって、
前記変換器システム(20)は同期機(52)を有するフライホイール貯蔵手段(50)とそれに接続されたフライホイールを備え、
前記変換器システム(20)は、フライホイール貯蔵手段(50)が変換機装置(22)から電力を引き抜くかあるいは電力を送り出すことがきるように、フライホイール貯蔵手段(50)と変換機装置(22)を結合する静止型変換器システム(40)を有し、
制御(80)は、電力を引き抜くかあるいは送り出すことによってあらかじめ決められ得る値に電力供給システム(10)の電圧を前記変換機装置(22)が安定にするように、電力供給システム(10)の電圧を検出し、前記静止型変換器システム(40)を制御することを特徴とする電力供給システムの安定化ためのシステム。 - 前記静止型変換器システム(40)は直流電流リンク(48)を介して結合された２つの静止型変換器システム (44，46) を有する静止型変換器回路(42)を少なくとも一つ備えることを特徴とする請求項１に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記静止型変換器 (44，46) のそれぞれが、整流器機能とインバータ機能との間で切り換えるように適応することを特徴とする請求項１または２に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- １つの前記静止型変換器回路(42)において前記静止型変換器 (44，46) のうちの一方が整流器機能で動作しもう一方 (46，44) がインバータ機能で動作するように、前記静止型変換器 (44，46) は制御(80)によって制御できることを特徴とする請求項３に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記静止型変換器システム(40)が並列に接続された別個の前記静止型変換器回路(42a，42b)を備えることを特徴とする請求項２から４のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 一つの前記静止型変換器回路(42)の前記静止型変換器 (44，46) は好適には、電力を前記変換機装置(22)へ送り出すか、あるいは電力を前記変換機装置(22)へ引き抜く前記制御(80)によって使われるように適応することを特徴とする請求項５に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- チョーク(49)が各前記静止型変換器回路(42)の直流電流リンク(48)に設けられることを特徴とする請求項２から６のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 主電力送出系統と前記電力供給システムとの間の前記チョークは、カップリングチョーク(12') として設計され、変換機装置(22)は前記カップリングチョーク(12') の中間タップ(12c')に接続されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記カップリングチョーク(12') のカウンターリアクタンスはおおよそ変換機装置(22)の初期過渡リアクタンスに相当することを特徴とする請求項８に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記制御(80)は前記主電力送出系統(14)の電圧と電力供給システム(10)の電圧を検出することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記変換機装置(22)によって発生される電圧は前記回転子(28)の励磁巻線(30)を介して制御されるように適応されることを特徴とする請求項１から10のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記励磁巻線(30)はブラシレス方式によって励磁されるように適応されるすることを特徴とする請求項11に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記変換機装置(22)の励磁は前記電力供給システム(10)の電圧に応じて制御されることを特徴とする請求項１から12のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記変換機装置(22)は前記電力供給システム(10)と前記静止型変換器システム(40)とに接続された単一の三相巻線(24)を有することを特徴とする請求項１から13のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記変換機装置(22)は第１及び第２の三相巻線 (24，26) を有することを特徴とする前記請求項１から14のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記第１の三相巻線(24)と前記第２の三相巻線(26)は同じ数の局を有することを特徴とする請求項15に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記第１の三相巻線(24)と前記第２の三相巻線(26)は共通の固定子パック(126) に設けられることを特徴とする請求項15または16に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記第１の三相巻線(24)と前記第２の三相巻線(26)は別個のスロットに設けられることを特徴とする請求項17に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記固定子(28)は減衰巻線(128) を有することを特徴とする請求項１から18のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記フライホイール貯蔵手段(50)は垂直な軸(104) に関して回転するフライホイール(54)を有することを特徴とする請求項１から19のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記フライホイール(54)はベアリング(100) に吊り下げるやり方で設けられることを特徴とする請求項20に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記ベアリング(100) は磁気軸受として設計されることを特徴とする請求項21に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記同期機(52)の回転子(58)は前記フライホイール(54)のシャフト(102) 上に設けられることを特徴とする請求項１から22のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 前記フライホイール(54)は磁気軸受(100) の反対側に位置する前記回転子(58)の側に設けられることを特徴とする請求項23に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 励磁機(62)は同期機(52)に関係させることを特徴とする請求項１から24のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
- 変換器システム(20)は電力を供給する主電力送出系統(14)の故障の間、電力供給システム(10)で消費される全電力を送り出すことを特徴とする請求項１から26のいずれか一項に記載の電力供給システムの安定化のためのシステム。
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