JPH09509820A

JPH09509820A - スイッチ磁気抵抗始動／発電機システムおよびそれを制御する方法

Info

Publication number: JPH09509820A
Application number: JP7522889A
Authority: JP
Inventors: ヒーグランド、ウィリアム・エス; ジョーンズ、スティーヴン・アール
Original assignee: サンドストランド・コーポレイション
Priority date: 1994-03-01
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 1997-09-30
Also published as: DE69420976T2; EP0748534A4; EP0748534B1; DE69420976D1; WO1995024072A1; US6011377A; EP0748534A1

Abstract

(57)【要約】電力始動／発電機システムは、始動モードにおいてタービン・エンジン（１４）を制御し、発電モードにおいてタービン・エンジン（１４）からの機械エネルギを電気エネルギに変換する。このシステムは、スイッチ磁気抵抗機（１０）と、直流分電バス（２０）に結合され、かつ磁気抵抗機（１０）の相巻線のそれぞれに結合された直流入力／出力を有するインバータ（１８）と、回転子位置（３０）を監視し、回転子極が相巻線の関連固定子極と整合する前に各相巻線ごとにインバータ（１８）へのスイッチング制御信号（２６）を固定角度で発生し、その結果相巻線が直流バス（２０）に結合され、直流相電流が流れて巻線が付勢されるコントローラ（２２）とを含む。整合前の固定角度において、相巻線が直流バス（２０）から減結合され、直流電流がダイオードに戻ってスイッチ磁気抵抗機が発電機として動作するようにインバータ（１８）を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】スイッチ磁気抵抗始動／発電機システムおよびそれを制御する方法本発明は、米国国防総省により授与された主契約ＤＡＡＥ０７−９１−Ｃ−Ｒ００７のもとで米国政府の支援によって行われたものである。米国政府は本発明のいくつかの権利を有する。発明の分野本発明は、一般に電力始動／発電機システムに関し、さらに詳細には、可変角度始動機制御および固定角度電流調整式発電機制御を使用したスイッチ磁気抵抗機をベースとする始動／発電機システムに関する。背景技術スイッチ磁気抵抗機は長い間、その頑丈で簡単な構造および制御の容易さのためにモータ・ドライブ用途で使用できることで知られていたが、つい最近、パワー・エレクトロニクスの発展のために実際にこれらの用途で実施されるようになった。代表的な磁気抵抗機は、固定子内で自由に回転するシャフトに回転子が結合された構成になっている。その場合、シャフトは、動作するのに機械エネルギを必要とするポンプや他の機構などの装置に駆動可能に結合される。一般に、スイッチ磁気抵抗機の固定子は、個々の相巻線が巻きつけられた複数の直径方向に対向する極を有する。磁気抵抗機の回転子は、鉄化合物など鉄材から構成され、固定子の極と異なる多数の突極を有する。これらの磁気抵抗機の独特の特徴は、回転子が巻線や磁石を含まず、別個の励磁を必要としないことである。これにより、巻線型回転子または永久磁石型回転子と関連する遠心力のもとで回転子が飛び散る危険なしに高速動作が可能になる。磁気抵抗機は、個々の相巻線それぞれへの電流を所定の順序で切り換えるように動作する。相巻線をこのように付勢すると、回転子の突極を引きつけて、固定子の対向する極との整合位置すなわち固定子極間の磁気抵抗が最小になる位置に移動させる磁力が生じる。回転子極が整合位置にくると、その相巻線はオフになり、次の相が付勢されて回転子の回転を継続させる。このようにして、シャフトを駆動するトルクが発生する。シャフトの回転を減速させる必要がある場合、相巻線が回転子極の整合位置を過ぎても付勢されたままにしておくと、磁気引力により、回転子を整合位置に引き戻そうとする負のトルクまたは制動トルクが発生する。その結果制動作用が生じ、したがってシャフトが減速する。この制動作用の間、電気エネルギは発生電流の形でバスへ戻される。これは、この負トルク領域内で発生した起電力（ｅｍｆ）が電流を補助する方向に発生した時に起こる。これは、巻線中の電流を急速に増大させる働きをする。スイッチをオフにすると、巻線中の相電流はしばらく増大し、ピークに達し、その後減衰する。この電流は、フライバック・ダイオードを通り、直流バスへ戻される。バスへ戻される正味の直流電流は、すべての相からの電流の和であり、正味の発電効果をもたらす。回転子がエンジンによって駆動されている場合、この動作モードでは、バスへのエネルギの流れの正味の増大が生じ、接続負荷のもとでバス電圧が維持される。米国特許第５０１２１７２号には、スイッチ磁気抵抗機をこの負トルクまたは発電モードにおいて動作させる場合に使用する制御方法が記載されている。本明細書に記載の方法では、回転子極と固定子極との角度配置を制御パラメータとして使用して、バスへ戻されるエネルギの量を調整する。バス電圧を維持するのに必要な電流の量を測定することによって、スイッチをオンにする角度を変化させる。より多くの電流が必要になった時、スイッチのターンオン角を進める。また、本明細書に開示するように、スイッチをオフにする角度を変化させることによって、バスへ戻されるエネルギを調整することができる。しかしながら、この方法では、高速で精度の高いレゾルバ、および回転子極の関連固定子極に対する正確な角度配置を測定するための関連回路を使用する必要がある。監視したスイッチング角に誤差があると、発生する電流の量に大きい誤差が生じ、したがってバス電圧の正味の増大または低下が使用装置によって観測される。この誤差が大き過ぎる場合、システムは過電流保護を開始しなければならない。この方法では十分な性能が得られるが、精密回路および潜在的誤差限界にかかる費用が高いことが適否を定める。本発明は、上記の問題のうちの１つまたは複数の問題を解決することを目的とする。発明の概要本発明の主要な目的は、新しい有用な始動／発電機システムを提供することである。さらに具体的には、本発明の目的は、始動モードにおいてタービン・エンジンを始動するために、直流分電バスに結合された遠隔直流電源からの電気エネルギを機械エネルギに変換し、かつ発電モードにおいて直流バスに接続された使用装置に電力投入するために、タービン・エンジンからの機械エネルギを電気エネルギに変換する電力始動／発電機システムを提供することである。本発明の実施形態は、複数の突極を含み、シャフトによってエンジンに駆動可能に結合された回転子と、相巻線が巻き付けられた複数の固定子極を有する固定子とを有するスイッチ磁気抵抗機を含む。さらに、このシステムは、直流分電バスに結合された直流入力／出力を有するインバータと、スイッチング制御信号に応答して各相巻線を直流バスに結合させる少なくとも第１のスイッチおよび第２のスイッチと、スイッチが使用不能の場合に各相巻線を直流バスに交差結合させて電流を戻す少なくとも第１のダイオードおよび第２のダイオードとを含む。スイッチ磁気抵抗機内にある回転子位置レゾルバまたは他の位置検知装置は、回転子の角位置を監視し、コントローラへ送信される回転子位置制御信号を発生する。相巻線の近くにある電流センサは、各巻線中を流れる電流を監視し、これもコントローラへ送信される相電流検知信号を発生する。さらに、調整点において直流電圧を監視する少なくとも１つの電圧センサが直流バスに結合される。この直流電圧センサは、これもコントローラへ送信されるバス電圧検知信号を発生する。さらに、本発明によれば、システム動作の始動モード時および発電モード時にシステム性能を監視制御するために、複数の制御入力および制御出力を有するコントローラがインバータに結合される。発電動作モードでは、このコントローラは、回転子位置制御信号を監視し、回転子極が相巻線の関連固定子極と整合する前にスイッチング制御信号を発生して、少なくとも第１のスイッチおよび前記第２のスイッチを各相巻線ごとに固定角度で使用可能にする。このようにして、相巻線が直流バスに結合され、直流相電流が直流バスからスイッチを通り相巻線へ流れて相巻線を付勢する。さらに、コントローラは、スイッチング制御信号を発生して、回転子極が相巻線の関連固定子極と整合した後でスイッチを固定角度で使用不能にする。これにより、相巻線が直流バスから減結合され、直流電流が相巻線からダイオードを通り直流バスへ戻され、スイッチ磁気抵抗機が発電モードにおいて動作するようになる。この発電動作モードの間、コントローラは、相電流検知信号および直流電圧検知信号を監視し、最大相電流制御信号Ｉ_HIよび最小相電流制御信号Ｉ_LOを計算する。これらの信号は、システム直流バス電圧に応じて変化する制御帯域を画定する。コントローラは、この制御帯域内で直流相電流を調整するためにスイッチング制御信号を変調する。これにより、コントローラがシステム負荷と無関係にバス電圧を所望のレベルに維持することができ、スイッチング角に対する感度が除去される。さらに、コントローラは、始動動作モードを開始するために外部始動コマンド信号およびトルク・コマンド信号を受信する。次いで、コントローラは、回転子の角速度を決定し、開ループすなわちコマンド・トルク信号に対するほぼ線形の代数関係において最大始動電流コマンドを計算する。コントローラは、スイッチング制御信号を発生してスイッチを使用可能にし、その結果固定子巻線が直流バスに結合され、巻線中に電流が流れて、エンジンをアイドル速度まで加速させるのに十分なトルクが確立される。スイッチング制御信号は、代数関係に従って回転子極が相巻線の関連固定子極と整合する前に前進（on-advance）角において発生する。さらに、コントローラは、スイッチング制御信号を発生してスイッチを使用不能にし、固定子巻線を直流バスから減結合させる。スイッチング制御信号は、他の代数関係に従って回転子極が相巻線の関連固定子極と整合する前に後退（off-advance）角において発生する。これらの関係により、前進角および後退角が回転子の速度およびコマンド電流に応じて変化する。明細書は、本発明と考えられるものを具体的に指摘し、明確に請求する請求の範囲で完結するが、当業者なら、添付の図面を参照しながら以下の詳しい説明を読めば、本発明の編成、利点および他の目的が容易に確認できよう。図面の簡単な説明第１図は、本発明が特に適用できるシステム・レベル・ブロック図である。第２図は、本発明に適用できるスイッチ磁気抵抗機の断面図である。第３図は、本発明の実施形態の単線概略図である。第４図は、本発明の実施形態に関する単線トポロジー図である。第５図は、本発明の制御システム・ブロック図である。第６図は、本発明の電圧コントローラの制御ブロック図である。第７ａ図は、システム負荷が増大する場合の可変電流制御を示す負荷プロファイルである。第７ｂ図は、システム負荷が低下する場合の可変電流制御を示す負荷プロファイルである。第８ａ図は、荷重条件が重度の場合のシステム発電モード制御を示す制御信号図である。第８ｂ図は、荷重条件が中度の場合のシステム発電モード制御を示す制御信号図である。第８ｃ図は、荷重条件が軽度の場合のシステム発電モード制御を示す制御信号図である。好ましい実施例の説明第１図に示す本発明の始動／発電機システムは、シャフト手段１２によってタービン・エンジン１４に駆動可能に結合された回転子（図示せず）を有するスイッチ磁気抵抗機１０を含む。シャフト手段１２は、エンジン１４に直接結合できるか、または必要に応じて適切な伝動装置または差動装置を介して結合できることが好ましい。磁気抵抗機１０は、複数の相リード線１６ａ、１６ｂ、１６ｃによってインバータ１８に電気的に結合され、インバータは、直流入力／出力１２４によって直流分電バス２０に電気的に結合される。コントローラ２２は、調整点２４においてこの直流分電バス２０を監視し、インバータ１８に制御信号２６を供給する。電流検知手段２８は相リード線１６ａ、１６ｂ、１６ｃ中の電流を監視するのに使用され、回転子位置分解手段３０は回転子の位置および速度を監視するのに使用される。また、制御入力３２および状態出力３４を含む外部システム通信もコントローラによって行われる。本明細書に記載の概念は直流リンク変速定周波（ＶＳＣＦ）システムに対して等しい適用可能性を有するが、このシステムは高電圧直流システムであることが好ましい。本明細書に記載の始動発電機システムは、２つの主要な役目を果たす２７０ボルト直流システムであることが好ましい。第１の役目は、直流分電バス２０から得られる高電圧直流を使用してタービン・エンジン１４を始動することである。第２の役目は、ＭＩＬ−ＳＴＤ−７０４Ｅなど適用可能工業基準によって規定される電力質を有する電力をエンジン１４から取り出して、高電圧直流を発生させることである。これらの役目を果たすために、スイッチ磁気抵抗機１０を使用して、０速度からエンジン・アイドル速度までの始動モードでも、アイドル・エンジン速度からフル・エンジン速度までの発電モードでも動作するようにする。この磁気抵抗機１０では、５００００ｒｐｍ以上の過速度動作が可能である。第２図の断面図によって示される磁気抵抗機トポロジーでは、第１の複数の固定子突極３６と、第２の複数の回転子突極３８とを有する。６つの固定子極３６と４つの回転子極３８とを有する６対４トポロジーを使用することが有利である。本発明の範囲から逸脱することなく、インバータ１８およびコントローラ２２の対応する変化を有する別のトポロジーも使用できることを当業者なら理解できよう。回転子４０も固定子４２も、鉄損を最小限に抑えるために薄い鋼力鉄ラミネーション（図示せず）から製造される。バナジウム鉄コバルト（２Ｖ４９ＦｅＣｏ）では容認できる特性が得られることが分かっている。固定子巻線４４は、最大基本動作周波数と関連する渦電流損を最小限に抑えるためにリッツ導体から構成される。ラミネーション（図示せず）は、所望の磁気特性および機械特性を得るために慎重にアニールされる。直流磁化、直流鉄損および機械引張特性は、磁気抵抗機１０の設計において重要な役割を果たし、熱、応力および電磁気の分析において考慮する必要がある。速度が小さいと、出力がエンジン特性によって制限される。速度が大きいと、摩擦損および風損が機械効率の支配的な要因になる。予想どおり、電力レベルが高くなればより高い効率が得られる。第１図を参照すると、インバータ１８１はエンジン始動時に直流分電バス２０から電力を受け取り、発電時に直流分電バス２０へ電力を供給する。第３図に示されるインバータのトポロジーは、各固定子極相巻線４４ごとに、２つのスイッチ４６、４８などスイッチング手段と、２つのダイオード５０、５２など整流手段とを含む。インバータ１８の各相は等しく、したがって本明細書では１つの相のみについて説明する。スイッチ磁気抵抗機相巻線４４は両方のスイッチ４６、４８と直列である。スイッチ４６、４８が導通状態すなわち使用可能になると、直流分電バス２０から電流が流れて巻線４４が付勢される。スイッチ４６、４８が非導通状態すなわち使用不能になると、巻線４４中を流れる電流の方向および大きさは瞬時に変化しないので、電流は交差結合ダイオード５０および５２によって整流される。スイッチ４６、４８は、絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ（ＩＧＢＴ）が好ましいが、ＭＯＳ制御サイリスタ（ＭＣＴ）など他の電力スイッチング素子も適宜に使用できる。現在、これらのスイッチは６００ボルトおよび３００アンペアの定格を有し、したがって２つのＩＧＢＴ４６ａ、４６ｂ、および４８ａ、４８ｂ（第４図参照）を並列に使用する。ダイオードは、６００ボルトおよび８５アンペアに定格付けされており、したがって３つのダイオード５０ａ、５０ｂ、５０ｃおよび５２ａ、５２ｂ、５２ｃを並列に使用する。瞬時相電流のコントローラ２２（第１図参照）への帰還を実現するために、直流から５０ｋＨｚ以上まで延びる帯域幅を有する電流センサ５４など電流検知手段が各相に含まれている。多層セラミック（ＭＬＣ）コンデンサを含んでいることが好ましいリンク・コンデンサ・バンク５６は、動作環境要件を満足するために使用されており、好ましい実施形態では、システム安定度を補助するために約８４０マイクロファラッドの容量を有する。このシステムは、磁気抵抗機の不整合インピーダンスが低いためにスイッチ磁気抵抗システムに固有な、ＩＧＢＴ４６ａ、４６ｂ、および４８ａ、４８ｂのターンオン時およびターンオフ時に発生する高いｄｉ／ｄｔ値を扱うことができる。コントローラ２２は、エンジン始動および直流発電を含むすべての動作モードに対して、始動／発電システムの制御および保護を行う。さらに、コントローラ２２は（第５図参照）は、トルク・コマンド５８やモード・コマンド６０などコマンドを受け入れ、状態情報６２を返送するために、外部エンジン・コントローラ（図示せず）とのインタフェースを行う。コントローラ２２内では、電圧制御モジュール６６が、始動モードにおいてモード・コマンド６０、トルク・コマンド５８および速度フィードバック信号８４を処理し、発電モードにおいてモード・コマンド６０および内部電圧コマンド６４を処理する。次いで、電圧制御モジュール６６は、最大相電流Ｉ_HI制御信号６８、最小相電流Ｉ_LO制御信号７０、ターンオン制御信号７２、およびターンオフ制御信号７４を電流整流子制御モジュール７６に伝達する。この電流整流子制御モジュール７６は、これらの信号６８、７０、７２および７４、ならびに（第４図の電流検知手段２８によって発生した）相電流フィードバック信号７８および回転子位置分解手段３０によって発生した角位置フィードバック信号８０を処理する。次いで、モジュール７６は、スイッチ・コマンド８２を発生し、それをインバータ１８へ送信する。その場合、インバータ１８は、線路１６上の相電圧をスイッチ磁気抵抗機１０の相巻線（図示せず）に接続するためのスイッチ（図示せず）を構成する。始動モードでは、コントローラ２２は、エンジン・コントローラ（図示せず）からトルク・コマンド５８を受け取り、所要のターンオン角７２、ターンオフ角７４、最大相電流コマンドＩ_HI６８、最小相電流コマンドＩ_LO７０を計算する。コントローラ２２は、インバータ１８にスイッチ磁気抵抗機１０を励磁するように命令して、エンジン（図示せず）をその着火速度まで加速し、アイドル速度への加速を補助する所要のトルクを発生させる。この動作モードの間、電流整流子制御コントローラ７６により両方のスイッチがオン、一方のスイッチがオフのチョッピング方法が可能である。スイッチを交互にオフにすることにより、有効スイッチ・チョッピング周波数が二分され、電力スイッチ（図示せず）への応力が低下する。本発明では、制御変数と出力トルクとの関係が代数関係によって線形化されているので、動作モード時の閉ループ制御は不要である。ターンオン角およびターンオフ角の式が曲線の当てはめである従来技術システムと異なり、本発明では、開ループ安定度を達成するために、機械パラメータ、コマンド・トルク、バス電圧および速度に基づく代数関係を使用して速度包絡線全体にわたってコマンド電流とシャフト・トルクとのほぼ線形関係を達成する。本発明の好ましい実施形態では、電流ヒステリシス帯域は固定の値のままであり、チョッピング周波数は４ｋＨｚ〜８ｋＨｚのままである。磁束対相電流プロット上の囲まれた領域は、電気サイクル当たりの平均トルクである。ターンオン角およびターンオフ角を調整すれば、速度が変化した時にこの平均トルクを一定に保つことができる。理想的には、電気サイクル当たりの平均トルクが一定かつ単位電流当たりのトルクが最大の場合、極が重なる際にコマンド電流が瞬時に確立され、極が整合位置にきた場合に電流が瞬時に０に低下することが望ましい。実際の実施は、極が重なり始めるまでに相巻線中に電流が確立されるように相をオンにし、次いで極が整合した後で電流がゆっくりと０に低下するように相をオフにすることである。間違った時点での整流はシステム効率の低下をもたらす。最大相電流コマンドＩ_HIを決定したら、Ｂｏｓｅの米国特許第４７０７６５０号に示されるような次の代数関係を使用してターンオン進み角を決定する。 θ_on-adv＝Ｌ_min＊ω＊Ｉ_HI ／Ｖ_BUS （１）上式で、Ｌ_minは不整合インダクタンスである。したがって、速度ωまたはコマンド電流が増大した時、電流が相巻線中に確立されるのに十分な時間を与えるために、ターンオン進み角を増大させる必要がある。整合前にターンオン角が約２００電気度から１４０電気度の間にある場合に十分な性能が達成される。同様の方法を使用してターンオフ角を計算する。残念ながら、飽和状態において動作する機械の増分インダクタンスは極めて非線形である。したがって、本発明では、非飽和インダクタンス・プロファイルを使用し、インダクタンスが整合インダクタンスＬ_maxにほぼ等しいと仮定して近似を行う。これらの仮定では、ターンオフ進み角は次式のように表される。（２）の分母の第２項は、インダクタンスの変化によって生じる逆起電力である。回転子極３８と固定子極３６（第２図参照）が、両方の位相遅れスイッチ４６、４８（第３図参照）が開いておりかつインダクタンスが増大する整合位置へ移動する場合、逆起電力は、印加相電圧が相電流を低下させるのを助ける。インダクタンスの近似は非飽和機械特性に基づいているので、計算したターンオフ進み角は飽和機械に必要な角度よりもはるかに大きい。相を極めて迅速にオフにすることは、相に入力されるエネルギが小さく、その結果出力電力が低下することを意味する。本発明では、整合前にターンオフ進み角を約４０電気度に制限することによってこの問題を克服する。発電モードでは、コントローラ２２は、エンジン・コントローラ（図示せず）から電圧コマンド６４を受け取る。制御の目的は、バス電圧を維持するのに必要な電流を効率的に発生させることである。電圧制御アルゴリズムは、負荷が抵抗性から一定電力まで変化する負荷過渡中および速度過度中に電圧を範囲内で維持することができる。スイッチ磁気抵抗機１０が発電中の場合、両方の電力スイッチ４６、４８（第３図）がオフになっている場合でも、逆起電力のために相電流がコマンド電流Ｉ_HIを越えて増大する。このために、始動モード・アルゴリズムを開発するのに使用される電気サイクル当たりの平均トルク方法を適用することが困難になる。角度制御のみを使用する場合、出力電流は、ターンオン角およびターンオフ角の小さい変換に対して非常に敏感であり、電力制御が不十分になる。しかしながら、本発明では、ターンオン角およびターンオフ角を固定し、コマンド電流を使用して出力電流を制御する。この方法により、実施が簡単になり、十分な効率が得られ、システムの速度負荷範囲内のプラント伝達関数の変動が容認できるものになる。第６図に示すように、直流分電バスへの荷重の変動の結果として電圧フィードバック９８がコマンド電圧６４から外れた際に生じる電圧誤差９０に対する比例８６積分８８（Ｐ−Ｉ）制御を使用して、電流コマンド信号１００を発生させる。次いで、この信号１００と、負荷電流９４に関する比例項９２の出力１０２および電圧フィードバック９８に関する比例項９６の出力１０４とを合計する。この合計接合１０６の出力は、発電制御の上限電流を確立する最大相電流Ｉ_HI制御信号６８を発生させる。最小電流Ｉ_LO制御信号（図示せず）は、依然として最大相電流Ｉ_HI制御信号６８に対して固定の比例関係にあり、発電制御の下限電流を画定する。高い入力容量を有するシステム負荷を供給する本発明の一実施形態では、比例項ＫＰＩ９２およびＫＤＶ９６に０の値を使用する。第７ａ図に、スイッチ磁気抵抗機（図示せず）によって供給される全負荷の増大に対するシステムの応答を示す。トレース１０８は、時刻ｔ₁において増大する印加システム負荷を示す。磁気抵抗機（図示せず）に結合された直流分電バスの出力電圧を示す直流バス電圧トレース１１０によって示されるように、時刻ｔ₁ において負荷が印加された結果として電圧が降下する。この降下が電圧コントローラ６６（第５図参照）によって検知されると、電流コマンドのトレース１１２が増大し、その結果最大電流限界Ｉ_HI、したがって磁気抵抗機（図示せず）によって発生ずる電流の総量が増大して、直流バス電圧が回復する。このパターンは、システム負荷がさらに増大すると時刻ｔ₂およびｔ₃において繰り返される。第７ｂ図に、スイッチ磁気抵抗機（図示せず）によって供給される全負荷の低下に対するシステムの応答を示す。トレース１０８は、時刻ｔ₄において低下する印加システム負荷を示す。磁気抵抗機（図示せず）に結合された直流分電バスの出力電圧を示す直流バス電圧トレース１１０によって示されるように、時刻ｔ₄ において負荷を除去した結果として電圧が増大する。この増大が電圧コントローラ６６（第５図参照）によって検知されると、電流コマンドのトレース１１２が低下し、その結果最大電流限界Ｉ_HI、したがって磁気抵抗機（図示せず）によって発生する電流の総量が増大して、直流バス電圧が回復する。このパターンは、システム負荷がさらに低下すると時刻ｔ₅およびｔ₆において繰り返される。上記のように、本発明では、ターンオン角は整合前に固定されており、直流分電バスの調整は電流制御帯域を変化させることによって達成される。ターンオン角は、固定子回転子極（第２図参照）の整合前に約４０電気度に固定することが好ましい。また、本発明では、ターンオフ角は整合後に固定される。ターンオフ角は整合後に約１２０電気度に固定することが好ましい。ターンオン角およびターンオフ角を固定し、相電流を調節可能帯域内で直流バス電圧の関数として制御することによって、調整電力質が低下することなく、ターンオン角およびターンオフ角を正確に監視する高速高解像度レゾルバが不要になる。第８ａ図は、所与の速度および大きいシステム負荷に対する本発明の固定角度調節可能帯域制御を示す。トレース１１８によって示されるように、回転子極と固定子極（図示せず）が整合するためにインダクタンスが増大すると、両方のスイッチ４６、４８（第３図参照）は、トレース１１６によって示されるように、時刻ｔ₇において整合前に約４０電気度の固定角度でオンになり、トレース１１４によって示されるように、相巻線４４（第３図）中に電流が確立される。極が時刻ｔ₈において整合し、整合位置から離れ始めると、インダクタンス１１８が低下し始め、逆起電力は印加バス電圧が相電流１１４を増大させるのを助ける。相電流１１４が時刻ｔ₉において最大相電流限界Ｉ_HI１２０に達すると、両方のスイッチ４６、４８（第３図参照）がオフになり１１６、逆起電力はバス電圧に対抗して、電流はダイオード５０、５２（第３図参照）によって整流されて直流バス２０（第３図参照）へ戻される。第８ａ図に示されるように、時刻ｔ₁₀において相電流１１４が最小相電流限界１２２に低下すると、この２つの限界１２０、１２２によって画定された範囲内で相電流１１４を維持するために、再び両方のスイッチがオンになる。しかしながら時刻ｔ₁₁では、回転子極と固定子極が整合後に固定ターンオフ角に達しており、両方のスイッチは使用不能であり、相電流１１４は急速に低下する。第８ｂ図に、同じ速度におけるより小さい接続荷重条件中の同じ制御方法を示す。この状況では、電力スイッチ４６、４８（第３図参照）は、整合前ではより大きい荷重条件と同じ固定角度で依然として使用可能であり、整合後ではそれと同じ固定角度で使用不能であるが、最大相電流限界Ｉ_HI１２０および最小相電流限界Ｉ_LO１２２は、負荷の低下とともに低下する。したがって、トレース１１６によって示されるように、低下した限界１２０、１２２によって画定された範囲内で相電流１１４を維持するために、スイッチ４６、４８（第３図参照）をより頻繁にオフにし、オンに戻す（変調する）必要がある。このパターンは、第８ｃ図によって示される所与の速度において接続負荷がさらに低下すると継続する。さらに、本発明の好ましい実施形態によれば、シャフト手段１２（第１図参照）によってエンジン１４に駆動可能に結合された突極回転子４０（第２図参照）と、直流電力バス２０に切換可能に結合されたその相巻線４４を有する多相多極巻線型回転子４２（第１図参照）とを有するスイッチ磁気抵抗機１０（第１図参照）を、発電機として動作させるために、励磁電流を通す電力スイッチ４８、４８（第３図参照）などスイッチング手段と、発電電流を通すダイオード５０、５２など整流手段とによって制御する方法は、（１）選択した相巻線４４に対して電力スイッチ４６、４８を使用可能にして、直流電力バス２０からの励磁電流を通し、回転子極３８（第２図参照）が付勢された固定子極３６と整合する前に、選択した相巻線４４が固定角度で付勢されるようにするステップと、（２）電力スイッチ４６、４８（第３図参照）を使用不能にして、回転子極３８（第２図参照）が付勢された固定子極３６と整合した後で、発電電流が固定角度でダイオード５０、５２を通り直流電力バス２０へ戻るようにするステップと、（３）調整点２４において直流電力バス２０（第１図参照）上の電圧を監視するステップと、（４）直流電力バス２０上の電圧に基づいて最大相電流Ｉ_HI制御信号６８（第５図参照）および最小相電流Ｉ_LO制御信号７０を計算するステップと、（５）最大相電流Ｉ_HI１２０と最小相電流Ｉ_LO制御信号１２２とによって画定された可変範囲内で励磁発電電流１１４を制御するために、スイッチ１１６（第８ａ図、第８ｂ図、第８ｃ図参照）を変調することによって直流電力バス２０上の電圧を調整するステップとを含む。上記明細書に鑑みて本発明の多数の修正および他の実施形態が当業者には明らかであろう。したがって、本明細書は例示的なものにすぎないと考えるべきであり、本発明を実施する最良の形態を当業者に教示するためのものである。構造の詳細は、実質上本発明の精神から逸脱することなく変更でき、添付の請求の範囲内に入るすべての修正の独占使用を保留する。

【手続補正書】特許法第１８４条の７第１項【提出日】１９９５年４月１２日【補正内容】請求の範囲１．始動モードにおいてタービン・エンジンを始動するために、直流分電バスに結合された遠隔直流電源からの電気エネルギを機械エネルギに変換し、かつ発電モードにおいて直流配電バスに接続された使用装置に電力投入するために、タービン・エンジンからの機械エネルギを電気エネルギに変換する電力始動／発電機システムであって、シャフト手段によってエンジンに駆動可能に結合され、第２の複数の回転子突極を含む回転子と、相巻線が巻き付けられた第１の複数の固定子突極を有する固定子とを有するスイッチ磁気抵抗器と、直流配電バスに結合された直流入力／出力と、スイッチング制御信号に応答して前記各相巻線を直流配電バスに結合させる少なくとも第１のスイッチング手段および第２のスイッチング手段と、前記スイッチング手段が使用不能の場合に電流を戻すために前記各相巻線を直流配電バスに交差結合させる少なくとも第１の整流手段および第２の整流手段とを有するインバータと、前記スイッチ磁気抵抗機内にあり、前記回転子の角位置を監視し、回転子位置制御信号を発生する回転子位置分解手段と、前記相巻線の近くにあり、前記各巻線中を流れる電流を監視し、相電流検知信号を発生する電流検知手段と、直流配電バスに結合され、調整点において直流電圧を監視し、バス電圧検知信号を発生する電圧検知手段と、複数の制御入力および制御出力を有し、前記インバータに結合され、システム動作の始動モード時および発電モード時にシステム性能を監視制御するコントローラとを含み、前記コントローラが、前記回転子位置制御信号を監視し、前記回転子極が前記相巻線の関連固定子極と整合する前に少なくとも前記第１のスイッチング手段および前記第２のスイッチング手段を前記各相巻線ごとに固定角度で使用可能にする前記スイッチング制御信号を発生し、それにより前記相巻線が直流配電バスに結合され、直流相電流が直流配電バスから少なくとも前記第１のスイッチング手段、前記巻線および少なくとも前記第２のスイッチング手段中を流れ、さらに前記コントローラが、前記回転子極が前記相巻線の関連固定子極と整合した後で少なくとも前記第１のスイッチング手段および前記第２のスイッチング手段を固定角度で使用不能にする前記スイッチング制御信号を発生し、それにより前記相巻線が直流配電バスから減結合され、直流電流が前記相巻線から少なくとも前記第１の整流手段および前記第２の整流手段を通り直流配電バスへ戻されて、前記スイッチ磁気抵抗機を発電動作モードにおいて動作させ、かつ前記コントローラが、前記相電流検知信号および前記直流電圧検知信号を監視し、最大相電流制御信号および最小相電流制御信号を計算し、前記最大相電流制御信号と前記最小相電流制御信号とによって画定された範囲内で前記直流相電流を調整するために前記スイッチング制御信号を変調し、それによりバス電圧を所望のレベルに維持する電力始動／発電機システム。２．前記最大相電流制御信号が前記直流バス電圧検知信号の関数として変化することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の電力始動／発電機システム。３．前記最小相電流制御信号が前記最大相電流制御信号に対して固定の比率で変化することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の電力始動／発電機システム。４．前記直流バス電圧検知信号が所望のバス電圧に対応する設定値以下に低下すると、前記最大相電流制御信号が増大することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の電力始動／発電機システム。

Claims

【特許請求の範囲】１．始動モードにおいてタービン・エンジンを始動するために、直流分電バスに結合された遠隔直流電源からの電気エネルギを機械エネルギに変換し、かつ発電モードにおいて直流バスに接続された使用装置に電力投入するために、タービン・エンジンからの機械エネルギを電気エネルギに変換する電力始動／発電機システムであって、シャフト手段によってエンジンに駆動可能に結合され、第２の複数の回転子突極を含む回転子と、相巻線が巻き付けられた第１の複数の固定子突極を有する固定子とを有するスイッチ磁気抵抗機と、直流分電バスに結合された直流入力／出力と、スイッチング制御信号に応答して前記各相巻線を直流バスに結合させる少なくとも第１のスイッチング手段および第２のスイッチング手段と、前記スイッチング手段が使用不能の場合に電流を戻すために前記各相巻線を直流バスに交差結合させる少なくとも第１の整流手段および第２の整流手段とを有するインバータと、前記スイッチ磁気抵抗機内にあり、前記回転子の角位置を監視し、回転子位置制御信号を発生する回転子位置分解手段と、前記相巻線の近くにあり、前記各巻線中を流れる電流を監視し、相電流検知信号を発生する電流検知手段と、直流バスに結合され、調整点において直流電圧を監視し、バス電圧検知信号を発生する電圧検知手段と、複数の制御入力および制御出力を有し、前記インバータに結合され、システム動作の始動モード時および発電モード時にシステム性能を監視制御するコントローラとを含み、前記コントローラが、前記回転子位置制御信号を監視し、前記回転子極が前記相巻線の関連固定子極と整合する前に少なくとも前記第１のスイッチング手段および前記第２のスイッチング手段を前記各相巻線ごとに固定角度で使用可能にする前記スイッチング制御信号を発生し、それにより前記相巻線が直流バスに結合され、直流相電流が直流バスから少なくとも前記第１のスイッチング手段、前記巻線および少なくとも前記第２のスイッチング手段中を流れ、さらに前記コントローラが、前記回転子極が前記相巻線の関連固定子極と整合した後で少なくとも前記第１のスイッチング手段および前記第２のスイッチング手段を固定角度で使用不能にする前記スイッチング制御信号を発生し、それにより前記相巻線が直流バスから減結合され、直流電流が前記相巻線から少なくとも前記第１の整流手段および前記第２の整流手段を通り直流バスへ戻されて、前記スイッチ磁気抵抗機を発電動作モードにおいて動作させ、かつ前記コントローラが、前記相電流検知信号および前記直流電圧検知信号を監視し、最大相電流制御信号および最小相電流制御信号を計算し、前記最大相電流制御信号と前記最小相電流制御信号とによって画定された範囲内で前記直流相電流を調整するために前記スイッチング制御信号を変調し、それによりバス電圧を所望のレベルに維持する電力始動／発電機システム。２．前記最大相電流制御信号が前記直流バス電圧検知信号の関数として変化することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の電力始動／発電機システム。３．前記最小相電流制御信号が前記最大相電流制御信号に対して固定の比率で変化することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の電力始動／発電機システム。４．前記直流バス電圧検知信号が所望のバス電圧に対応する設定値以下に低下すると、前記最大相電流制御信号が増大することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の電力始動／発電機システム。５．前記コントローラが比例積分制御を使用して前記最大相電流制御信号を発生させることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の電力始動／発電機システム。６．前記スイッチング手段が絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタであることを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の電力始動／発電機システム。７．前記コントローラが始動動作モードを開始するために始動コマンド信号およびトルク・コマンド信号を受信し、かつ前記コントローラが前記回転子の角速度を決定し、開ループすなわち前記コマンド・トルク信号に対するほぼ線形の代数関係において最大始動電流コマンドを計算することを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の電力始動／発電機システム。８．前記コントローラがさらに、前記スイッチング制御信号を発生して少なくとも第１のスイッチング手段および第２のスイッチング手段を使用可能にし、その結果前記固定子巻線が直流バスに結合され、前記巻線中に電流が流れ、エンジンをアイドル速度まで加速させるのに十分なトルクが確立され、前記スイッチング制御信号が、前記回転子極が前記相巻線の関連固定子極と整合する前に前進角において発生することを特徴とする、請求の範囲第７項に記載の電力始動／発電機システム。９．前記コントローラが、前記スイッチング制御信号を発生して少なくとも前記第１のスイッチング手段を使用不能にし、その結果前記固定子巻線が直流バスから減結合され、前記スイッチング制御信号が、前記回転子極が前記相巻線の関連固定子極と整合する前に後退角において発生することを特徴とする、請求の範囲第８項に記載の電力始動／発電機システム。１０．前記コントローラが、前記スイッチング制御信号を発生して少なくとも前記第２のスイッチング手段を使用不能にし、その結果前記固定子巻線が直流バスから減結合され、前記スイッチング制御信号が、前記回転子極が前記相巻線の関連固定子極と整合する前に後退角において発生することを特徴とする、請求の範囲第８項に記載の電力始動／発電機システム。１１．前記コントローラが、前記スイッチング制御信号を発生して、少なくとも前記第１のスイッチング手段と前記第２のスイッチング手段を交互に使用不能にし、その結果前記固定子巻線が直流バスから減結合され、前記スイッチング制御信号が、前記回転子極が前記相巻線の関連固定子極と整合する前に後退角において発生することを特徴とする、請求の範囲第８項に記載の電力始動／発電機システム。１２．シャフト手段によってエンジンに駆動可能に結合された突極回転子と、直流電力バスに切換可能に結合されたその相巻線を有する多相多極巻線型突極回転子とを有するスイッチ磁気抵抗機を、発電機として動作させるために、励磁電流を通すスイッチング手段と、発電電流を通す整流手段とによって制御する方法において、回転子極が付勢された固定子極と整合する前に、選択した相巻線に対してスイッチング手段を使用可能にして、直流電力バスからの励磁電流を通し、選択した相巻線が固定角度で付勢されるようにするステップと、回転子極が付勢された固定子極と整合した後で、スイッチング手段を使用不能にして、発電電流が固定角度で整流手段を通り直流電力バスへ戻るようにするステップと、調整点において直流電力バス上の電圧を監視するステップと、直流電力バス上の電圧に基づいて最大相電流制御信号および最小相電流制御信号を計算するステップと、前記最大相電流制御信号と前記最小相電流制御信号とによって画定された可変範囲内で励磁発電電流を制御するために、スイッチング手段を変調することによって直流電力バス上の電圧を調整するステップとを含む方法。１３．シャフト手段によってエンジンに駆動可能に結合された突極回転子と、直流電力バスに切換可能に結合されたその相巻線を有する多相多極巻線型突極回転子とを有するスイッチ磁気抵抗機を、発電機として動作させるために、励磁電流を通すスイッチング手段と、発電電流を通す整流手段とによって制御する方法において、回転子極が付勢された固定子極と整合する前の固定角度で始まり、回転子極が付勢された固定子極と整合した後の固定角度で終わる期間中に、選択した相巻線に対してスイッチング手段を使用可能にして、直流電力バスからの電流を通し、選択した相巻線が付勢されるようにするステップと、直流電力バス電圧に基づいて最大相電流制御信号および最小相電流制御信号を計算するステップと、前記期間中に、前記最大相電流制御信号と前記最小相電流制御信号とによって画定された範囲内で励磁発電電流を維持するためにスイッチング手段を変調するステップとを含む方法。