JPS62501188A - 可変速度一定周波数 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 τ１亦速声−宝周２ 旧虚工 本発明は一般に発電装置に関し、更に詳しくは可変速度原動力から一定周波数交 流出力を発生する発電装置に関する。

技５−背」− 一定周波数交流出力例えば航空機に用いる従来の装置に於いて、油圧礪械式一定 速度装置が航空機エンジンおよび発電装置の間に用いられており、したがって一 定周波数出力電力がこの発電装置によって出力する。

一定速度装置を用いる発′：ｒ、装置は軽量、高能率および優れた電力品質を必 要とする適用業務においては成功しているけれども、ソリッドステート構成部材 、特に最近のこの種の構成部材が改良されているので、この構成部材を用いる事 が最近の傾向となっている。ソリッドステー１・構成部材を用いている発電装に には二つの型があり、一つは周波数発生器に、もう一つは全変換装置である。

第１の従来型周波数補給装ででは巻線界磁励磁機と主発−ト機との間に接続され たサイクロコンバータを用いている。このす、イクロコンバータは励磁機と主発 電機との共通回転子に載置されており、この回転子は可変速度原動機の出力軸に より駆動されている。このサイクロコンノ〈−タＺ＋″￥：発−πＩ月め界坩↑ ン碧の固ＳＯＵ数を１１１ｆ■１ていスので主発電機の出力電圧は一定の大きさ に維持され、かつ一定周波数を有している。

第２の従来型周波数補給装置はヨルダン国特許第４．２４６．５：１１号に開示 されている。この特許には励磁機界磁２５線は周波数発生器の出力信号を受け取 り、その結果励ｍ機の磁界は主発電機と励磁機の回転子を原動機に接続する回転 軸の回転に相対して回転する発電装置が開示されている。励磁線電機子は予備選 択された周波数の出力を発生し、この出力は主発電機界磁巻線に接続され磁界を 発生し、この磁場は前記軸の回転方向に対する方向に回転し、周波数発生器出力 周波数に比例する予備選択された周波数の出力を主発電機の固定子から発生する 。

従来の全変換装置は電力変換器を具備し、この変換器は発電機の全出力電力を一 定周波数一定電圧電力に変換するために接続されている。これらの装置を開示し ている特許には スタッツマン（ＳＬｕｄｔｍａｎｎ）　他特許第３．９５８．１７４号、グリツ タ−（Ｇｒｉｔｔｃｒ）　米国特許第４．０４１−３６８号、ヤロウ（Ｙａｒｒ ｏｗ　）　米国特許第４．０３５．７］−２号およびグリツタ（Ｇｌｅｎｎｏｎ 　）　米国特許第４．３３０．７４３号がある。

周波数補給装置は、全変換装置が発ｔｉの全出力電力を変換しなければならない のに対し、周波数変換されるのがほんの少しの電力量である点で有利である。こ の周波数補給装置の効果は更にサイクロコンバータが二方向性であり、励磁機か ら発電機に対してのみ電力を移送出来るだけでなく、発電機から励磁機に対して 電力を変換出来、その結果、一定周波数電力が同期速度以上または以下の入力速 度から発電される事になる。更に、周波数ｉ１０給装置は全変換装置よりも簡単 て＋Ｐ＞る、とゆうのはこの１市給装置におい”〔は最大Ｍｉ給円周波数すなわ ら主光′：Ｃ，機磁場と励磁機の出力との周波数差は主発電機の出力が全変換装 置の所望の周波数から周波数が可変する可能性よりム小さいからである。

従来のｔ＋Ｉｉ給装置は種々の欠点含有している。最も大きいものは、サイクロ コンバータに用いられている構成部材に対し大きい心力がかかるため軸速度が厳 しく制限される事である。その結果として比１咬的低い軸速度では、発電装置の 磁気重量が大きくなり、このｈａ給装置が特定の用途には使用できない事である 。更に、サイクロコンバータにはシリコン制御式整流器を使い、このシリコン制 御式整流礪には比較的複雑なコムチージョンおよび／またはタイミング回路が必 要になる。また、これらの装置に用いられているシリコン制御式整流器は接合部 の温度が１２５°Ｃに制限されており、温度の高い用途にはこの型の装＝が使用 出来なくなっている。

九哩へ１１ 本発明によれば、可変速度原動機原動電力から一定周波数電力を発生する発電装 置にはこの発電装置の回転子に載置された整流器およびインバータが用いられ、 これら整流器とインバータは励磁機と主発電機の間の電力を変換し移送するよう 制御されているので、この発電機は一定周波数交流電力を発生する。

第１の整流器は励磁機の可変周波数電力を整流し、この整流した゛心力含界磁・ ｆ〉・バークに供給する。゛同期速度パ以下の速度くすなわち、所望の周波数は 直流電力が発電代の界磁巻線に供給さｈる時に発電代の出力に周波数が発生ずる 速度）で、磁界インバータは電圧／′周波数制御回路によって制御され、発電■ の出力電力を所望の周波数に維持する周波数て主発電機の界磁巻線に界磁電力を 〔１（給する。同期速度よりも高い速度では、第２の整流器は界磁インバータの 電力を整流し、この整流された電力を電動機インバータに供給し、励磁機をモー タとして作動させ、その結果、電力を励磁機回転子に返還する。この間に界磁イ ンバータは制御されて、主発電機出力の電圧制御を確保する。

従来の装置のサイクロコンバータを整流器およびインバータと取り替えることに よって、電力用１〜ランジスタを用いることができ、この電力用トランジスタは 接合部温度がより高いところで作動させる事が出来、かつ回転子をより大きな力 ”ｇ”に耐えるよう構成する事が出来る。

この装置は巻線界磁励磁機または永久磁石励磁機のどちらを使ってもよく、永久 磁石励磁機では永久磁石を励磁機のハウジングの中に配置している。このハウジ ングは固定されていてもよいし、あるいは回転子に対して反転してもよく、その 結果励磁機のエアギャップ速度を高める事が出来る。このエアギャップ速度を高 める事によって、励磁機の磁気重量が所定の出力電圧のために軽減されかつ発電 装置の外形寸法を最小限に押さえる事が出来る。

この装置には自走制動ばこを用いる事も出来る。この自走制動ばこは出力オルタ ネータの中に配置されていて、はとんど同期した速度で回転している。この制動 ばこにより過渡電圧が原動機の速度範囲に互って一様となり過渡電圧の大きさを 同期機の過渡電圧と同じように維持する。さらに、この制動ばこはオルタネータ の回転子と固定子との間のスロットリップル効果をフィルターし、回転インバー タセミコンダクタのリップル電流を最小限に押さえる。

−０卆−るｔ・めの　！」ｌＬ 第１図は従来技術による発電装置を示す。この発電装置は可変速度原動機によっ て発生した原動力から一定周波数交流電力を発生する。この装置は巻線界励磁橘 ２０を具備し、この励磁Ｒ２０は回転子２４に配置された固定界磁巻線２２と原 動機１８の回転軸３０により駆動される回転子２８に配置された複数の電機子巻 線２６を備えている。電機予巻１ｉｔ２６からの励磁機出力は回転軸３０の速度 に左右される周波数を有している。励磁機電力の周波数は回転軸に載置されたサ イクロコンバータ３２によって変換される。このサイクロコンバータ３２は点火 用とコミュテーション用の組み合わせ回路と共に一連のシリコン制御式整流器か ら成る。５ＣＲ（シリコン制御式整流器）の点火信号は信号変成器３４によって 供給され、この信号変成器３４はその代わり電圧周波数制御回路３６の点火信号 を受信する。電圧周波数制御回路３６は調整点の電圧またはＰＯＲ（特に負荷に 近い点で）を感知し励磁機界磁電流とサイクロコンバータ３２のＳＣＨの点火信 号のタイミングを調整し、その結果発止した電力を制御する。この電力は主発電 機またはオルタネータ４２の回転子４０に配置された一組の界磁８線３８に供給 される。主発電ｂ１・１２の回転子ｌｉ　Ｏは励磁機の回転子と同じ速度で回転 軸３０によって駆動される。

主発電機界磁巻線３８に送出される界磁電力の周波数は主発電Ｕ１４２の固定子 ４６に配置された腹数の電機子８線４４が占有している空間内に回転場を設定す るように制御される。この回転場の速度は主発電機の多数の極に対して制御され るので、主発電機界磁巻線からの出力電力の周波数は回転軸速度の特定レンジ内 で一定値に維持されている。

前述したように、この装置は種々の欠点を有しており、この欠点によりこの装置 の有効性が限定されてしまい用途を比戟的少なくしている。その中の最も重大な 欠点はこの装置が高速で作動出来ない事であり、次ぎ次ぎに特定出力分供給する に必要な重力を増大させることである。

第２図は本発明による可変速度一定周波数、またはＶＳＣＦ発電装置を示す、こ の装＝はサイクロコンバータまたはＳＣＲを用いず先行技術の欠点を取り除いて いる。

第２図に示す可変速度一定周波数装ｒ！１５０は巻線界磁励磁機５２を具備し、 この巻線界磁励磁機は固定子５５内に配置された界磁巻線５４と原動力源たとえ ば原動機６０の回転軸６２によって駆動される回転子５８内に配置された１組の ′：Ｍ、ｖ１子巻線５６から成る。電機子巻線５６の励磁機出力電力は一連の回 転子に！置された電力変換器６４に接続され、この変換器は第１および第２整流 器６６．６８、界磁インバータ７０および電動機インバータ７２から成る。

電力変ＪＡｄ６４は励磁機５２と主発電機またはオルタネータ７８の回転子７６ 内に配置された１徂の界磁巻線７・・１の間に電力念移送する。主発電＠７８の 固定子８０は電機子巻線８２を収容しており、この電機子巻線８２は次ぎ次ぎに 負荷８４から送電される出力電力を発生ずる。電機子巻線８２の出力電力の周波 数およびその調和コンテンツは界磁インバータ７０のスイッチゲー１−によって 制御されている。このゲートは電圧／周波数制御装置８６によって目的を達する 。この電圧／周波数制御′装置は調整点またはＰＯＲで負荷の近くで出力電圧を 感知しかつ転換制御信号を発生する。この制御信号は一連の回転信号変成器８８ を介して界磁インバータ７０および電動機インバータ７２のスイッチに接続され る。電圧／周波数制御装ａ８６はこの制御装置に対する界磁電流を制御して、励 磁機５２内の出力電圧１ｌＩＩ整も達成する。

制御装置８６は永久磁石発電機またはＰＭＧ９０および整流回路９２からの電力 を受け取る。このＰＭＧ出力を制御装ｒＬ８６が使用して回転変成器８８に接続 された信号のタイミングを制御する。この事については後で詳述する。

第３図は本発明の他の実施例を示し、第２図および第３図と同じ図番は同じ部材 を示す。

第３図の発電装置は第２図に示す発電装置とほぼ同一であるが、第２図の巻線界 磁励磁機５２は第３図では永久磁石励磁機９３ににき換えられている。この実施 例では、電圧は動磁場を制御するよりもむしろ回転子に載置された電力変換２′ ：ｉ６４を制御する電圧７周波数制御装置９４により調整される。

永久磁石励磁機９３は回転子９５内に配置されたＩ　ＫＨの電機子巻線５６を具 備している。この励磁機９３は永久磁石界磁構造体９６をも具備しており回転子 ９５が占有する空間の磁場を設定する。永久磁石界磁構造体９６はハウジング９ ７内に配置され、このハウジングは固定されていてもよいしまたこの構造物に対 する回転子９５の速度を上げる為に回転軸６２の回転方向とは逆方向に回転され ていてもよい、この相対速度の増大（以下エヤーギャップ速度と称する）によっ て磁石のサイズおよび重量が特定出力のために小さくなる。

第４図および第５図は励磁Ｒ９３が逆回転界磁構造を有する場合を示し、スプロ ケット９８は回転軸６２に固定され、固定スピンドル１００に回転自在に載置さ れた直歯９９と係合している。直歯９９はハウジング９７に固定されたリングギ ヤー１０１の歯と次ぎ次ぎに係合する。

好ましい実施例において、スプロケット９８、直歯９９およびリングギヤ１０１ の直径および歯数は磁気構造体９６が２．５で分割された回転軸６２の速度に等 しい対地速度で回転するように選ばれる。それ故、磁気揚遺体９６と電機子巻線 ９４との間のエヤギャップ速度は回転軸６２の対地速度の１．４倍に等しい。

本願の装置の特にふされしい励磁機回転子横遺体はバッカー他により１９８３年 １２月２７日出願され、本願の譲受人に譲渡された出願番号第５６５．３４５号 、発明の名称゛回転子磁気構造体パに開示されているものである６本願に述べて いる励磁機５２または９３のどちらかは上記の出願に開示された回転子構造体を 使用していることに注目すべきである。このような回転子構造体を使用している 励磁機は低いレベルの負荷で飽和し、それ故この回転子の出力側に接続された電 力コンバータのスイッチは負荷の関数として出力電圧のワイドエクスｌ−リーム を許容する必要がない。従って、スイッチングストレスが減少するかおよび／ま たはこのような回転子構造体を使用する励磁機を使用すれば、高価な電力トラン ジスタを使用しなくて済む。

第２図および第３図に示すそれぞれの実施例に於いて、回転子に載置した電力用 コンバータは回転軸速度の関数として制御される。一般に、界磁インバータ７０ は同期速度よりも遅い回転１ｔＩｌ速度、すなわち、直流電力が主発電機の界磁 巻線に供給される場合所望の周波数出力を発生する速度で制御されており、主発 電機界磁巻線７４に固有の供給周波数の交流電力を発生し、結果として出力電力 の周波数は所望の値に維持される。−最に、界磁インバータ７ｏからの電力の周 波数は直流電力が主発電機７８の界磁巻線に併給されると発生する周波数より少 ない所望の周波数に等しくなるように制御される。

回転軸速度が同期速度である場合、界磁インバータは、直流電力が主発電機回転 子に供給され出力電力を所望の周波数にオ、「持するするように制御される。同 期速度では、装πが主発電機の界磁巻線直流抵抗を充分克服する直流励磁が！１ ３要である。

同期速度以上の速度では、界磁インバータ７０は主発電はの界磁巻線にｆ供給さ れる電力の相シーケンスを反転させるように制御され、事実、界磁インバータ７ ０は負周波数供給電力を供給して出力電力の周波数を制御している。またこの間 に、電動機インバータ７２は電力が第２川流器６８を介して界磁インバータ７０ から励磁機５２または９３に戻されて同じく電動機として作用するように制御さ れる。励ｉｃ１機５２または９３は電動機として運転され回転軸６２に対して負 のトルクを与え、それにより、装置内のトルクバランスを維持する。実際、超過 速度条件によって生じる過度の電力は、このような電力が発電機７８の出力にお いて周波数変化を起こさないようにしている励磁機に戻される。

第６図は励磁機５２または９３の電機子巻線、回転子にａ置された電力コンバー タ６４および主発電機界磁巻線７４の略図である。

３組の電機子巻線５６　ａ　−５６ｃが励磁機回転子５８または９５内に配置さ れており、これらの電機子巻線は出力電圧Ｖｅａ、ＶｅｂおよびＶｅｃ、および 出力電流Ｉｅａ。

ＩｅｂおよびＩｅｃを発生する。励磁機電機子巻線５６の出力は逆平行関係に電 力用トランジスタ５Ｌ−３６に接続されたダイオードＤｉ−Ｄ６から成る第１整 流器６６に接続され、これらの電力用トランジスタはすべて電動機インバータ７ ２を備えている。第１整流器６６および電動機インバータ７２は１組の電力用母 線１０６．１０８ニヨって界磁インバータ７０および第２整流器６８に接続され ている。

第２ｕｉＲ：：ＤＧ８は６つの電力用トランジスタＳ７−３Ｌ２と逆千行関ｆ系 に接わｄされた６つのダイオードＤ７−Ｄ１２から成る、これら６つの電力用ト ランジスタは界磁インバータ７０含備えている。

主オルタネータ界磁巻線７４は８線７４ａ、７４ｂ、７４　ｃから成り、第２ｊ ｚ流器６８および界磁インバータ７０に接続されている。巻線７４を流れる電流 はＩｒａ、ＩｒｂおよびＩｒｅであり、各巻線７４を横断する電圧はＶｒａ、Ｖ ｒｂ、およびＶｒｃであり、これらの電流と電圧は電力用コンバータ６４によっ て制御され主発電ｉ電機子巻線８２ａ−８２ｃが占有する空間に回転磁場を設定 する。

前述したように、電機子巻線８２ａ−８２ｃは負荷電流１１ｃ、Ｉｌｂ、［ｌｃ および負荷電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃによ−）て表される一定周波数電力を発生する 。

第７図は第２図に構成図として示した電圧／周波数制御装置の第１の実施例を示 し発電装置の残り部分を一般化した構成図である。制御装置８６の構成部材の電 力は前述したように、ＰＭＧ９０および整流器９２から派生する。

ＰＭＧ９０は小形の信号レベル装置であり、励磁機５２と同数の極と相を有して いる。ＰＭＧ９０の出力の一つの相は周波数／電圧コンバータ１１０に接続され 、このコンバータはＰＭＧ９０の出力の周波数に比例する電圧レベルを発生ずる 。この電圧レベルは加算器１１２に接続され、ＲＥＦＩで表される第１基準とこ の電圧レベルを比較し、周波Ｔ／１．誤り信号Ｖｆｅを派生ずる。加算接合部１ １２の出力は電圧／周波数コンバータ回路１１４に接続され、このコンバータは 周波数誤り電圧を加算接合部１１２からの電圧に比例する周波数を有する交流借 り・に変換する。この交流信号は二方向環状計数器１１６の第１の入力に接続さ れる。この計数器１１６は加算接合部１２０の制限誤り信号を受信する第２の入 力も具備している。この接合部１２０は周波数／電圧コンバータ１１０の出力を ＲＦ　Ｅ　２で表す第２基準と比較する。

電圧／周波数コンバータ１１４からの信号は計数器１１６の出力で発生する３つ の信号の周波数を決定する。

計数器１１６からの信号の相シーケンスは加算接合部１２０と振幅限定回路１１ ８からの電圧により決定される。一般に、振幅限定回路１１８の信号が回転軸速 度が同期速度以下である事を示す場合は、環状計数器が３つで１組のスイッチ信 号を発生し、これらの信号は正常シーケンス、すなわち相Ａ、相Ｂ、相Ｃに於け る界磁インバータ７０のスイッチを逐次制御し、電力を主発電機界磁巻線７４に 送る。その代わり、振幅限定回路１１８の信号が回転軸速度が同期速度以上であ る事を示す場合は、環状計数器１１６は逆用シーケンス、ずなわち、相Ａ、化Ｃ １相Ｂで順次スイッチ信号を発生し、主光７ｒＬ□界磁巻線７４の電力を、第２ 図に示すように、第２整流器６８と電動機インバータ７２を介して励磁機電機子 巻線５６に送る。

環状計数器１１６の３つの各出力は３つのスイッチ信号と共に増幅器／バッファ 回路１１８に接続され、これら３つの１３号は環状計数器１１６の出力を変換す るこによって発生ずる。発生した６つの制御信号は増幅器／バッファ回路１１８ によって処理され、回転信号変成器８８を介してインバータ駆動回路１２０に接 続される。

駆動回路１２０は界磁インバータ７０で電力用Ｉ・ランジスタのために適当な基 本駆動信号を発生する。

第７図に示す回路の余り部は主光５ｕｔｆ？ｉ７８から励磁＋７１５２へ電力が 戻るのを制御するために用いられる。

ＰＭＧ９０からの電力の一つの相は検出器】３２とイネーブル回路１３４に接続 され、クリッパ回路１３６を回転軸速度の関数として制御するためのイネーブル 信号を発生する６回転軸６２の速度が同期速度よりも遅い場合は、検出器１３２ およびイネーブル回路１３４が全面的にクリッパ回路１３６を使用禁止し、その ため電動機インバータをｆ重用禁止にする。しかし、回転軸速度が同期速度以上 である場合は、クリッパ１３６を使用禁止してＰＭＧ９０の３相出力の大部分を クリップして、その代わり、ＰＭＧおよび励磁機周波数に於ける３つ１　ｆＪｌ の方形波を発生ずる。これらの方形波は変換したバージョンと共に、増幅器、／ バフフッ回路１３８と回転変成器８８を介してインバータ駆動回路１４０に接続 される。駆動回路１４０は電動機インバータ７２の電力用トランジスタのための 適宜基本駆動信号を発生する。

出力電圧は加算回路１４４によって、、１ｌｌＩ整され、この回路１４４はＰＯ Ｒ電圧と所望の電圧を比較して、ＰＯＲ電圧誤り信号Ｖｅを発生する。この信号 は利ｔ：；／１ｉｌｉ償回路１４６を介してＰ　Ｗ　Ｍ制御回路１４８に接続さ れる。Ｐ　Ｗ　Ｍ制御回路１４８はＰ　Ｍ　Ｇ　９０によって発生した電力を回 路１４６の補ｆδ誤り電圧に？＋Ｉｉってパルス褐変調しかつこの′１８力を動 磁場５４に供給する。

第８図は第７図に示す回路８４１の変形３示し、この変形例によってこの回路分 永久磁石ＬＪｊ磁代９３を（ｌｉｉｉえる発電装置に使用することが出来る。こ の揚台、検出器３２とイイ・−プル回路１３４を１吏用せず、クリッパ１３６か らの３つの各出力を連続的に活動状態にして、位用ネッ１−ワーク１５０に接η 児される。各ネットワークは可飽和鉄心変成器１５２と負荷抵抗１５４とを具ｆ ｉｉａしている。この変成器１５２は制（卸巻線１５６を具備しており、第７図 に示すｐｏＲ′：Ｇ、圧誤り信号Ｖｅと２次巻線１５８に接続される。永久磁石 励磁機を使用する装置の場合、第７図に示す（１１得補償回路１４６、ＰＷＭ制 御回路１４８および励磁機界磁巻線５・１が無いことに注目すべきでる。第９図 のグラフに示すように、電圧誤り信号Ｖ　ｃは負荷抵抗５４と巻線１５８により 構成される回路のりアクタンスを制（卸し、それにより、負荷抵抗１５４を横断 して発生ずる出力信号の相を変える。この位相はＶｅ＝Ｏの時Ｏ°で開始し、所 定値Ｖｅに於いて６０’の最大変位に達する。第１０図は２：１速度に従う発電 装置の速度の関数として装置パラメータを示すグラフである。このグラフで、同 調速度はユニット毎に０．７５で表されるが、最小速度は０．５ｐｕ、最高速度 は１．０　ｐ　ｕで表される。適宜周波数およびレベルで出電圧を維持するに必 要な主オルタネータ交流界磁電圧は最低速度から最５速度までほぼ線状に降下し ていることが観察出来る。

グラフの同期速度での負のエクスカーションは主発電機から励磁１浅まで逆方向 の電力流を表す。

必要な〃ｊ磁電圧マグニチュードは同期速度点を中心にして対称となっている。

励磁（戊は、永久磁型５２または８線磁場型９３のどちらても、最低速度および 最高負荷で必要な電圧企支持することが出来なければならない。

前述したように、巻線磁場励磁偲５２は電圧／周波数制御卸装置８６で制御され て、必要な励磁電圧マクニチュ−１・が励磁機５２によって０１給される。永久 磁石励磁機９３の場合、第８図の変成’Ｊ’ｉ　１５０によってクリッパ回路１ ３６からの信号に対してり、えられる位相によって永久磁石励磁電圧が得られる 。特に、第１１ａ図に於いて、０．５ｐｕに等しい最低速度では、電動機インバ ータ７２のスイッチ５Ｌ−Ｓ６は適宜間隔でゲートされて、整流器Ｄｉ−Ｄ６を 導通させ、電力母線１０６．１０８の直流電圧のレベルを制御する。前述したよ うに、最低速度点て必要な交流電圧のマグニチュードは高く、それ故、ダイオー ドは各和波形に対して比敦的長い期間に互って導通しなければならない１例えば 、特に、相ＡおよびＢ、すなわち、Ｖｅａ−Ｖｅｂ間の相間電圧である電圧波形 Ｖ八［ｌについて、スチ・ンチＳ１およびＳ４は波形の９０’点のどちらの側で も６０”に対してオン状態に維持されている。同じく、スイッチＳ３およびＳ６ じ＋２１０゜点のどちらの側でも６０°に対してオン条件に維持されている。ど ちらの時も、相ＡおよびＣの間の相間電圧差を表す電圧ＶＢＣは最高である。同 様に、スイッチＳ２およびＳ５は３３０°点、すなわち相ＣおよびＡの間の相聞 電圧■ＣΔは最高の点のどちら側も６０”に対してオン状態に維持される。

第１１ｂ図について、回転軸の速度は同期速度につれて増加するので、必要交流 励磁電圧マグニチュードはゼロに近い点まで降下する。スイッチ５ｌ−３６はそ れゆえにこの必要電圧を維持するように制御される。電動（之インバータ７２の スイッチのうち２つは相間電圧の１つを横断してゼロに集まる６０°　゛窓″の 間にオンとなる。例えば、スイッチＳ１およびＳ６は３０°と９０゜との間でオ ン状態に維持される、その間、相間電圧ＶＣΔはゼロを通過する。同様に、スイ ッチＳ３およびＳ６は９０°と１５０°どの間でオンとなり、相間電圧ＶＩＩＣ は１２０°でゼロを通過する。同じく、スイッチＳ１およびＳ４は１８０°で相 間電圧Ｖ八Ｂのゼロ通過点のどちらの側でも３０°に対してオンとなる。このス イッチシーケンスは回転軸速度に変化があるまで続く。

第１１ｃ図について、回転軸速度が最高定格速度であるとき、スイッチＳ１．− ３６は低速度点のスイッチ作動に関して述べたように、同じ要領で制御され、た だ１つの相違点は電流流がスイッチ作動とは逆方向にあることである。言い換え ると、スイッチＳ１およびＳ４は３０°と１５０°の間でオン条件に維持され、 その間、スイッチは励磁機電機予巻ＶＪ、５６に電流を逆流させる。

同様に、スイッチＳ３およびＳ６は１５０°と２７０゜との間てオン条件に維持 されるが、スイッチＳ２およびＳ５は２７０°から３９０６までオン条件に維持 される。

同期速度以上の速度では、電動機インバータ７２のスイッチは、電動機によって 発生するバックＥＭＦが主光′：Ｃ，機界磁巻線を横断する電圧より大きいとき 、励磁機に電流を注ぐように１１−動する。

第１２ａ図−第１２ｃ図は同期速度より低い速度での界磁インバータ７０のスイ ッチの作動を示す一連の波形図である。同期速度以下の速度では、振幅限定回路 １１８は２方向環状計数器１１６が第１２ａ図に示す方法で、すなわち、正常ま たは相Ａ、相Ｂ、相Ｃの順でｌ−ランジスタＳ７−３Ｌ２を作動させる信号を発 生ずる。

同じく、ダイオードＤｌ−Ｄ６がら成る第１の整流器６６は励磁機電機子電圧を 整流し、直流電力を界磁インバータ７０に供給する。永久磁石励磁機が第３図に 示すように使用される場合は、第１の整流器６６の直流電圧は回転軸速度（また は逆回転永久磁石励磁機のエヤーギャップ速度）に比例し、かつコンバータ６４ の電力エレン１〜エックスが装置の最悪過負荷条件の使用出力を使うように選択 される。

第１２１）図は第１２ａ図に示すスイッチシーケンスから生じる基本波形を示す 。開示する波形はほぼ２１８の定格負荷電流、０．７５出力係数および主発電１ 幾変成器率１，１での負荷に対する波形である。

第１２ｃ図で見られるように、電力０：線１０６．１０８を横断する平均電圧は １２５ポルｌ−ｒ　ｍ　ｓの発電機出力電圧で６０　ｋ　ｖ　ａ装置でほぼ５０ および６０ボルトの間で変１ヒする。

電力コンバータ６４のスイッチを横断する電圧は最近トランジスタの電圧容量が 改良されたことを利用すべく適宜発電機巻数比ひ選ぶことによって出力電圧に関 係なく制御するできることに注怠ずべきである。言いＩＱえれば、発電装置のこ の部分の電流は充分低いレベルに維持されて、電力用コンバータ６４に必要な１ 〜ランジスタの数を少なくでき、同時に発電装置の電力容量も維持する。

第１２ｄ図は主発電１幾界磁巻線７４のそれぞれの相電流、第１２ａ図に示すス イッチシーケンスの電力ＩＪ線１０６．１０８の直流電流の総計を表す。（ディ プ・バッカー（Ｄａｖｅ　Ｉ−＋ｕｃｋｅｒ）に対する注意；その代わり、励磁 機′：Ｓ、磯子相電子相電流のか？）同期速度に等しい回転軸速度で、電動機イ ンバータ７０と界磁インバータ７２は直流電力がオルタネータ界磁８線７４ａ− ７４ｃの２つまたは３つのいずれかに生じるように制御される。言い換えると、 スイッチ５ｌ−８６は前述するように制御されるが、電力用Ｉ・ランジスタＳ７ −３１２の２つまたは３つのいずれかがいかなる時にもオンとなり、直流電力を 巻線７４に維持する。この間、ダイオードＤ７−Ｄ６はフリーホイールして反応 電流を処理する。ダイオードＤＩ−Ｄ６はその間主励磁電流をスイッチＳ７−３ １２に運ぶ。

第１３ａ図−第１３ｄ図について、同調速度以上の速度で、例えば１．０　ｐ　 ｕで、トランジスタＳ７−５Ｌ２は逆相シーケンスで環状計数器１６によって制 御される。この相シーケンスの逆向は主オルタネータの界磁流を逆転し不変周波 数で出力電力を維持する。さらに、第１３ｂずに示すように、励磁機と主発電機 との間の電力ｉＥは低速度の場合から通販する。この時、界磁インバータ７０は 内部インビータンスの高い発電代として現れる。第１．３　ｃ図は゛１′Ｓ力Ｉ Ｉ線１０６．１０８を横断する瞬間直流電圧を示す。この電圧はほぼ４５と５３ ボルトの間で変［ヒする。この波形は発′、ＥＩ／＋！゛、ｒ；、圧率１°１で の０７５出力係数で２ｐｕ負荷の場きのものである。第１、３　ｄ図は電力ｒＬ 線１０６．１０８を流れる電流と主発電１界磁巻線のそれぞｈを流れる電流とを 表す。前述したように、電動機インバータ７２は励磁機が電動機としてｆ駆動す るように制御され、回転軸６２に負のトルクを与える。

インバータ７０．７２は前述したように制御される必要がなく、他の制御方法、 例えばパルス幅変調技術を用いて制御されてもよいことに注意すべきである。

先に記載した電力用コンバータ６４の構成部材は適宜小さく包装することが出来 、回転子に載＝した電力エレクトエックスのサイズを小さくできる簡単な集積ア ッセンブリであり、これにより、従来公知の装＝よりも更に速い速度のｆｔ業を 行うことができる。永久磁石励磁機（使用されるなら）の逆回転に接続されたこ のより速い電磁相対速度は従来の装置より電磁重力を著しく軽減することができ る。

電力用コンバータがＣ駆動する周波数は全返還装置よりもずっと少なく、かつ電 力レベルも著しく小さいので、電力用Ｉ・ランジスタのスイッチング速度は従来 装置で特徴的に要求されている１００万分の１秒よりも長く発電装置効果の点で 大きく妥協しなくもよい、これらの長くなったスイッチング時間は誘電効果によ り生じるトランジスタ電圧過渡を実質的に小さくする。この電圧過渡の減少およ び低くなった作動周波数はスナバ規定を小さくし、多分このようなスナバ回路の 必要性を取り除くことになる。

次に、第１４図−第１６図は主オルタネータのエヤーギャップに配置された自在 に取り１−目すられた空走制動かご２００を示す。この制動かごは第２図または 第３図に示す発電装置の性能を改善する。

制動かご２００はシリンダー形状で回転軸６２の界磁電流７６の取りイ１け部と は独立して軸受２０２によって回転軸６２に取り付けられている。特に、第１６ 図に見られるように、制動かご２００は複数の細長い軸方向の導電性の銅の棒２ ０４を具備しており、この導電性の銅の棒は互いに均一に配置され、かつ強磁性 積層体２０６によって分離されている。銅の棒２０４と積層体２０６は２つの導 電性の銅の端部リング２０８．２１０によって定住地に固定されている。これら の端部リングはスポーク２１２によって軸受２０２に取り付けられている。

制動かご２００は発電ｆｉ７８のエヤーギャップの磁束の回転速度に近い回転速 度で駆動されている。この制動かごはこれに対して回転する磁場の短絡回路とし て作用し、かわって、オルタネータの時定数を大きくする。

これにより電圧過渡は装置の速度範囲にわって均一となり、同期装置の速度範囲 に対してマグニチュードが同一となる。この効果は制動かごと同期装置の固定子 の密閏磁気接続のためである。この制動かごはまた主回転子と固定子との間のス ロットリップル効果を満し、不均衡負荷および誤動作を支え、回転する電力用コ ンバータのセミコンダクタのリップル電流を最小限に止どめる。

この制動かごによって追加のエヤーギャップのために定格負荷励磁を２０％増加 させるが、この効果は作動に於ける不利に勝るものである。

図面の簡単な説明 第１図は従来の周波数補給装置の構成図、第２図は本発明の周波数補給装置の第 １実施例の概略構成図、第３図は本発明の周波数供給装置の第２実施例の概略構 成図、第４図は第２図の構成図に示す永久磁石励磁機を一部断面で示す立面図、 第５図は第４図の５−５線に沿って見た切断図、第６図は第２図および第］２１ の構成図に示すインバータおよび整流器の概略図、第７図は第５図に示す電圧／ 周波数制御の構成図、第８図は第７図の制御装置を改良し、第３図に示す装置に 使用出来るようにした制御装置の概略図、第９図は第８図に示す誤り信号Ｖｅの 大きさの関数として移用を示すグラフ、第１０図は第２図および第３図に示す実 施例の速度の関数としてシステムパラメータを示すグラフ、第１１ａ図ないし第 １１Ｃ図は第２図、第６図および第８図に示す回路の作動を示す波形図、第１２ ａ図ないし第１２ｄ図は第６図に示すＮ流器およびインバータを同期速度以下の 速度条ｒトでの作動を示す一連のグラフ、第１３ａ図ないし第１３ｄ図は第６図 に示す整流器およびインバータの同期速度以上の速度条１′トでの１１ミ動を示 す一連の波形図、第１４図は第２図または第３図の主発電機に用いる事が出来る 制動ばこを一部断面で示す立面図、第１５図は第１４図の１５−１５線に沿って 見た断面図、および第１６図は第１４図に示す制動ばこの透視図である。

ＦＩＧ、　１２ａ ＦＩＧ、　１２ｂ ＦＩＧ、　１３ａ ＦＩＧ、　１３ｂ 国際調査報告　ＰＣＴ／ＵＳ８３／り２５００Ｉｎ＋ｅ＋ｅ＊Ｉｌｏｎｍｌ　Ａ Ｄｔｌｉｃｄｅ＊　Ｎｏｐ、〒、、、　ζ、　ｑ、　、　、　、　、　ｎ

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. １．励磁機、主発電機および一つの回路を備え、前記励磁機と主発電機の二つは 共に原動機の可変速度発生源によって駆動される回転軸によって回転子に接続さ れ、前記励磁機回転子は回転軸の速度に左右される周波数で交流電力を発生する 電機子巻線を備え、前記主発電機回転子は界磁巻線を流れる電流に応答して出力 電力を発生する主発電機電機子巻線が占有する空間に磁場を発生する界磁巻線を 備え、前記回路は励磁機電機子と主発電機界磁巻線を接続して、所望の周波数で 出力電力を発生する発電装置において、励磁機電機子巻線に接続され、発生した 電力を整流し、それにより直流電力を派生する整流器と、前記整流器と前記主発 電機界磁巻線との間に接続されたインバータと前記インバータに接続され前記励 磁機の交流電力の周波数に応答し、前記直流電力を前記主発電機界磁巻線のため の電流に変換するために前記インバータを制御し、所望の周波数に出力電力を維 持する速度で前記主発電機電機子巻線に対して回転する磁場を作る発電装置。
2. ２．前記制御手段が励磁機交流電力の周波数を表す信号を発生する第１の手段と 、前記励磁機交流電力の周波数と基準周波数との差の大きさを表す周波数誤り信 号を発生する第２の手段とを具備する請求の範囲第１項に記載の回路。
3. ３．前記制御手段は更に第２の発生手段と周波数誤り信号にもとずいてインバー タ制御信号を発生するインバータとの間に接続された環状計数器を具備する請求 の範囲第２項に記載の回路。
4. ４．前記環状計数器は上下方向に計数することが出来、前記制御手段は更に第１ の発生手段と回転軸速度が所定の速度以上であるかどうか決定する計数器との間 に接続された手段を具備し、前記環状計数器は回転軸速度が所定の速度以上であ るかどうかによって上方向または下方向のいずれか一方に計数するために決定手 段に応答する請求の範囲第３項に記載の回路。
5. ５．前記回路は主発電機界磁巻線に接続された第２の整流器と、第２の整流器と 励磁機電機子巻線との間の第２のインバータと、回転軸速度が一定の速度より大 きく、主発電機から励磁機に電力を移送する場合、第２のインバータを制御する 手段とを具備している請求の範囲第１項に記載の回路。
6. ６．前記回路は補助交流電力を発生する永久磁石発電機を具備し、前記第２のイ ンバータ制御手段は前記補助交流電力をクリップする永久磁石発電機に接続され 第２のインバータのインバータ制御信号を派生する手段を具備する請求の範囲第 ５項に記載の回路。
7. ７．前記励磁機は更に励磁機電機子巻線が占有する空間に励磁機磁場を作る永久 磁石構造体を具備する請求の範囲第１項に記載の回路。
8. ８．前記励磁機は更に回転軸速度より高い速度で励磁機電機子巻線に対して永久 磁石構造体を回転させる手段を具備する請求の範囲第７項に記載の回路。
9. ９．前記永久磁石構造体は励磁機ハウジング内に配置され、前記回転手段は回転 軸に配置されたスプロケットと、ハウジング上のリングギヤと、前記回転軸およ びスプロケットから前記リングギヤおよびハウジングまで原動力を移送する直歯 とを具備する請求の範囲第８項に記載の回路。
10. １０．前記主発電機は多相電機子巻線と回転軸に主発電機回転子とは独立して取 り付けられ、不均衡負荷が主発電機電機子巻線に接続された場合、出力電力変動 を最小限にする空走制動かごとを具備する請求の範囲第８項に記載の回路。
11. １１．励磁機、主発電機および一つの回路を備え、前記励磁機と主発電機の二つ は共に原動機の可変速度発生源が駆動する回転軸によって回転子と接続され、前 記励磁機は回転軸の速度に左右される周波数で交流電力を発生する電機子巻線を 備え、前記主発電機回転子は界磁巻線を流れる電流に応答して出力電力を発生す る主発電機電機子巻線が占有する空間に磁場を発生する界磁巻線を備え、前記回 路は励磁機巻線と主発電機界磁巻線を接続し、所望の周波数で出力電力を発生す る発電装置において、前記励磁機電機子巻線に接続された第１の整流器と、前記 第１の整流器と前記主発電機界磁巻線との間に接続された界磁インバータと、前 記主発電機界磁巻線に接続された第２の整流器と、前記第２の整流器と前記励磁 機電機子巻線との間に接続された電動機インバータと、前記主発電機電機子巻線 が占有する空間に磁場が作られるように前記インバータを回転軸速度の関数とし て動作させ、前記主発電機電機子巻線は回転軸速度に実質的に関係なく前記主発 電機電機子巻線に対して一定速度で回転する電圧／周波数制御装置から成る発電 装置。
12. １２．前記電圧／周波数制御装置は回転軸速度が一定の速度以上であるかどうか を決定する手段と、前記インバータに接続され回転軸速度が一定速度以下の時、 回転軸の回転と同じ方向に磁場が回転するように、主発電機界磁巻線に交流電流 を供給するために前記手段を制御する手段とを具備する請求の範囲第１１項に記 載の回路。
13. １３．前記制御手段は、回転軸速度が一定速度に等しい時、磁場が回転軸の回転 に対して回転しないように直流電流を主発電機界磁巻線に接続する手段を具備す る請求の範囲第１２項に記載の回路。
14. １４．前記電圧／周波数制御装置は回転軸速度が一定の速度以上であるかどうか 決定する手段と、前記インバータに接続され、前記回転軸速度が一定速度より大 きい時、磁場が回転軸の回転方向に対して逆方向に回転するように交流電流を主 発電機界磁巻線に供給するように前記手段を制御する手段とを具備する請求の範 囲第１１項に記載の回路。
15. １５．前記電圧／周波数制御装置は回転軸速度と一定速度との間の差を表す電圧 、回転軸速度と所望の速度との間の差に比例する周波数の周波数信号に前記差信 号を変換する周波数コンバータに対して電圧を発生する手段と、周波数コンバー タに対する電圧に接続し周波数信号にもとずいて界磁インバータの作動信号を発 生する計数器とを具備する請求の範囲第１１項に記載の回路。
16. １６．前記計数器は上方向または下方向に計数すべく作動でき、前記電圧／周波 数制御装置は回転軸が一定速度より速いかどうかを決定する計数器に接続された 手段を具備し、計数器の計数方向は前記決定に左右される請求の範囲第１５項に 記載の回路。
17. １７．前記励磁機は前記励磁機電機子巻線が占有する空間で励磁機磁場を作る永 久磁石構造体を具備し、前記電圧／周波数制御装置は前記電動機インバータを制 御し所望の値で出力電圧を制御する手段を具備する請求の範囲第１１項に記載の 回路。
18. １８．前記回路はタイミング信号を発生する永久磁石励磁機（ＰＭＧ）を具備し 、前記電動機インバータ制御手段は前記ＰＭＧに接続され、タイミング信号をク リップするクリッパと、出力電圧に左右されて方形波タイミング信号の相を移相 する手段とを具備する請求の範囲第１７項に記載の回路。
19. １９．前記移相手段は出力電圧と所望の電圧との間の差を表す電圧誤り信号を発 生する手段と、前記電圧誤り信号を受信し前記電圧誤り信号にもとずいて方形波 タイミング信号の相を移相する飽和鉄心変成器とを具備する請求の範囲第１８項 に記載の回路。
20. ２０．原動力発生源により駆動される永久磁石発電機であって、電機子巻線と前 記電機子巻線が占有する空間に磁場を作る永久磁石と、前記電機子巻線と永久磁 石のいずれか一方に前記動力発生源を接続し、前記一方を第１の方向に駆動する ようにした手段と、前記接続手段に接続され前記電機子巻線と永久磁石のいずれ かの他方を前記第１の方向と逆の第２の方向に駆動する手段とから成る永久磁石 発電機。
21. ２１．前記接続手段が回転軸から成り、前記駆動手段が回転軸に取り付けられて 回転するスプロケットと、前記電機子巻線と永久磁石のいずれかの他方に接続さ れたリングギヤーと、前記スプロケットと前記リングギヤーとの間に接続され前 記リングギヤーに回転軸の回転を伝達する直歯とを具備する請求の範囲第２０項 に記載の永久磁石発電機。
22. ２２．原動力発生源により駆動される永久磁石発電機であって、回転子と、前記 回転子に配置された電機子巻線と、ハウジングと、前記ハウジングに配置され前 記電機子巻線に占有された空間に磁場を作る永久磁石と、前記原動力発生源を前 記回転子に接続し第１の方向に回転子を駆動する回転軸と、回転軸に取り付けら れそれにより駆動されるスプロケットと、前記ハウジングに取り付けられたリン グギヤーと、前記回転軸の回転を前記ハウジングに伝達し第１の方向と逆の第２ の方向にスプロケットと永久磁石を駆動するように前記スプロケットを前記リン グギヤーに接続する直歯とから成る永久磁石発電機。
23. ２３．回転軸と、回転子が前記回転軸と共に回転するように前記回転軸に固く取 り付けられ、一定速度で回転する磁気流を発生する主回転子と、前記回転子の回 りに配置され、エヤギャップによって前記回転子と間隔を置いている固定子と、 ほぼ一定の速度で回転するエヤーギャップの中で回転軸に配置され実質的に一定 速度以外の速度で回転する磁場を短絡する手段とから成る発電機。
24. ２４．前記短絡手段は導電性の端部リングで接続された導電性の複数の棒から成 る請求の範囲第２３項に記載の発電機。
25. ２５．前記制動かごの形状は円筒形であり、複数の強磁性積層体で互いに隔てら れた複数の間隔をおいた、細長い、軸方向の銅の棒を具備する請求の範囲第２３ 項の発電機。
26. ２６．前記銅の棒は銅の端部リングにより互いに接合されている請求の範囲第２ ５項の発電機。
27. ２７．前記制動かごは前記回転軸に軸受けによって取り付けられている請求の範 囲第２６項に記載の発電機。
28. ２８．前記制動かごは更に端部を軸受けに接続しているスポークを具備する請求 の範囲第２７項に記載の発電機。
29. ２９．固定子と、回転軸と、前記回転軸に固定され、前記固定子内に配置され、 原動機によって回転され、磁気流が一定速度で回転するエヤーギャップの中に作 られるように電気電力発生源に接続された巻線を有する主回転子と、前記主回転 子に関係なく軸受によって回転軸に回転自在に取り付けられ、ほぼ一定速度で磁 気流によって回転され複数の強磁性積層体によって互いに分離された複数の細長 い銅の棒と、前記銅の棒を互いに接続する１組の銅の端部リングとを具備し、前 記銅の棒と銅のリングはほぼ一定の速度以外の速度で回転するエヤギャップ内で 磁場を短絡する制動かごとから成る発電機。