(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源から交流出力に供給されるエネルギを制御する装置であって、
交流電源の周波数及び電圧を監視してそれに比例する入力信号を発生するために交流電源に接続可能な複数の入力センサを有し、
交流電源に接続可能な電力増幅器モジュールを有し、この電力増幅器モジュールは交流電源を直流へ変換する手段と直流を交流出力へ変換するパルス幅変調器を有し、
交流出力の周波数と電流を監視し、それに比例する出力信号を発生するために交流出力へ接続される複数の出力センサを有し、この交流出力は交流負荷へ接続可能であり、
前記入力信号及び出力信号を受け取るために前記複数の入力センサ及び複数の出力センサと通信すると共に電力増幅器モジュールと通信する制御モジュールを有し、この制御モジュールはパルス幅変調器を起動して交流波形を発生するために複数のパルス幅変調シーケンスを格納したルックアップテーブルを有し、この制御モジュールはアクティブ部分とスタンバイ部分を備える電子メモリを有し、この制御モジュールは、パルス幅変調器を起動して直流を交流出力へ変換するためにルックアップテーブルから一つのパルス幅変調シーケンスを選択し、パルス幅変調器を起動するためにこのパルス幅変調シーケンスをメモリのアクティブ部分に格納し、この制御モジュールは、連続的に入力信号と出力信号を受け取って比較し、それに応答してルックアップテーブルから他のパルス幅変調シーケンスを選択してこの他のパルス幅変調シーケンスをスタンバイ部分に格納し、この制御モジュールは交流負荷から引き出されている電流を交流電源の電圧と実質的に同相に維持するために交流電源の次のゼロ交差でスタンバイ部分とアクティブ部分との間で切り替えを行う、エネルギ制御装置。
【請求項２】
電力増幅器モジュールは、交流電源を受け取り、交流電源の電圧を整流するブリッヂ整流器と、直流を受け取り直流を交流出力に変換するためにブリッヂ整流器へ接続されている前記パルス幅変調器とを有する請求項１の装置。
【請求項３】
制御モジュールは、パルス幅変調器を制御し起動するコントローラを有し、このコントローラはパルス幅変調シーケンスを受け取るためにアクティブ部分と通信する請求項２の装置。
【請求項４】
コントローラは、デジタイザ、前記電子メモリ、シーケンサ、デジタル信号プロセッサを備え、デジタイザは前記センサから信号を受け取って各信号をデジタル化し、シーケンサはデジタル化された信号を監視して出力モード及び周波数を決定し、デジタル信号プロセッサはパルス幅変調器のためのパルス信号を起動するためにルックアップテーブルから初期パルス幅シーケンスを検索し、デジタル信号プロセッサは交流電源及び交流出力の形状及び振幅を決定するために交流電源の入力信号と交流出力の出力信号を解析し、それに応じて交流出力が交流電源と実質的に同相であるか否かを決定することにより他のパルス幅変調シーケンスを選択し、もし同相であるならば、交流負荷により引き出される電流の量に応ずるパルス幅変調シーケンスを選択し、もし相違ならば、交流出力の形状と振幅を既知の負荷の格納された形状と振幅を比較して格納された形状と振幅の最も近似するものを選択し最も近似するものに対応するパルス幅変調シーケンスをルックアップテーブルから選択してこの対応するパルス幅変調シーケンスを直流に適用する請求項３の装置。
【請求項５】
制御モジュールは電気絶縁を維持するために光カプラを介して電力増幅器モジュールと通信する請求項１の装置。
【請求項６】
直流電源と電力増幅器モジュールへ接続されたスイッチとを更に有し、スイッチは直流電源が停電した時に直流を電力増幅器モジュールへ供給するように切り替え可能である請求項１の装置。
【請求項７】
電力増幅器モジュールは３つの入力を有し、各入力は３相交流電源の一つの相を受け取るためであり、制御モジュールは３つの出力を有し、各出力３相交流出力の一つの相を出力するためである請求項１の装置。
【請求項８】
パルス幅変調器は３つのハイ側のトリガーと、３つのロー側のトリガーを有し、各々は、３相交流出力の相の各々に対して、ハイ側半波及びロー側半波をトリガーするためである請求項７の装置。
【請求項９】
交流負荷の取り付け可能で制御モジュールへ接続される振動センサを更に有し、振動センサは制御モジュールによる分析のために振動信号を発生する手段を有する請求項１の装置。
【請求項１０】
交流電源を交流負荷を有する交流出力へ変換する方法であって、
交流電源の周波数と電圧を監視してそれに比例する入力信号を発生するステップを有し、
交流電源を直流に変換するステップを有し、
ルックアップテーブルからパルス幅変調シーケンスを選択し、選択されたパルス幅変調シーケンスをメモリのアクティブ部分に格納し、交流出力を初めに発生するために選択されたパルス幅変調シーケンスを直流に適用するステップを有し、
交流出力の周波数と電流を監視してそれに比例する出力信号を発生するステップを有し、
交流電源の入力信号と交流出力の出力信号を分析して交流電源及び交流出力の形状と振幅を決定し、それに応じて交流出力が交流電源と実質的に同相か否かを決定することによってパルス幅変調シーケンスを変更し、実質的に同相であるならば、交流負荷により引き出される電流の量に応じて電圧出力波形を調整し、もし異相ならば、交流出力の形状と振幅を既知の負荷の格納された形状と振幅を比較して格納された形状と振幅の内の最も近似するものを選択し、この最も近似するものに対応するパルス幅変調シーケンスをルックアップテーブルから選択してこの対応するパルス幅変調シーケンスをメモリのスタンバイ部分に格納し、交流電源の次のゼロ交差でアクティブ部分とスタンバイ部分との間で切り替えて、この対応するパルス幅変調シーケンスを直流に適用するステップを有し、
交流出力が交流電源の電圧と実質的に同相になるまで分析と変更のステップを繰り返す方法。
【請求項１１】
パルス幅変調シーケンスは、正弦波値のテーブルである請求項１０の方法。
【請求項１２】
交流電源により引き出される負荷の観察から形状振幅及び対応するパルス幅変調シーケンスを蓄積して、形状、振幅及び対応するパルス幅変調シーケンスをルックアップテーブルに格納するステップを有する請求項１０の方法。
【請求項１３】
周期的に対応するパルス幅変調シーケンスをルックアップテーブルにセーブするステップを有する請求項１２の方法。
【請求項１４】
選択されたパルス幅変調シーケンスはセーブされるべき最新の対応するパルス幅変調シーケンスである請求項１３の方法。
【請求項１５】
交流負荷の振動を監視し、それに比較する振動信号を発生し、振動信号を電子メモリに格納し、セーブされた対応するパルス幅変調シーケンスを格納された振動信号で補完して交流負荷の異常を検出する請求項１４の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明は、力率の補正を含むエネルギ伝達を制御する装置及びエネルギ移動を行なう方法に関するものである。
発明の背景
電力は、単相または複相、50ヘルツまたは60ヘルツ、および550ボルトまでの各種交流形態で市販されている。
電力消費は、電圧と電流のベクトル積に正比例する。もし電圧と電流が同相であると、実際の電力消費は容易に計算できる。しかし、もしも電流が電圧に相対してシフトすると、見掛け上または無効の電力消費は在来の方法を使っては測定がより困難である。従って、水力発電では電圧と電流間の角度を測る特殊な測定器（メータ）を設置する。もし無効電力が許容量、通常5-10%を超えると、顧客は課金される。
位相のシフト量は電力により駆動される負荷形態に依存している。顕著な無効負荷は電流を電圧に相対して正の方向にシフトするが、顕著な静電容量的負荷は電流を負のシフトする。
典型的な例では、3相の550ボルト交流を550ボルトの150馬力負荷のモーターに供給すると、モーターが受ける全アンペア数は140アンペアを上回る。この電流は電圧よりも5-10%以上遅れてはいけない。さもないと、罰金が電気会社から課金される。モーターの巻線に固有の誘導負荷は、システム内の実際の誘導、静電容量および抵抗部品によって、電流を90度までシフトする。
過去に用いられた伝統的技術は、この電流シフトを位相補正しようとして変圧器およびキャパシタを利用しようとした。しかい、電流シフトと変圧器やコンデンサは非常に大きく、厄介で、従って高価な解決策であった。例えば、約20馬力のモーターしか扱えないウェスティングハウスのシステムは４フィートの高さ以上で２フィート四方以上の基礎面積が必要である。
その他の装置としては、次の米国特許第4,894,763、4,961,130、4,977,492、5,043,857、5,055,939、5,045,991、5,111,374号中に記載されたものがある。これらの装置が試みたことは、他のインタクタンスコイル、キャパシタのどれかまたはその両方により、ある場合はコンピュータ制御で、電流をさらに遅らせ、次の電圧正弦曲線波形中に正しい位置で現れるようにした。従って、これらの装置は一般的に大きく、複雑である。
現在まで、その単一タイプの装置も、電流と電圧間で、無効であれ、静電的であれ、可変であれ、全てのタイプの負荷に適してはいなかった。
発明の概要
既知の方法の欠点は、交流の供給に関して交流出力の電流を同相に保つために、負荷のインピーダンスの性質に応じて交流供給から動的に位相シフトする交流出力を持つ装置を提供することにより克服される。
交流供給（交流電源）を受け、その交流供給の特性を測り、その交流供給を直流に変換し、前もって選定した負荷タイプの特性を選び、前もって選んだ負荷タイプの特性を直流に適用して交流出力を作り、交流値の事前に決定した特性を測り、その選定した特性を変更または採用し、その特性を直流に再適用し、交流出力が交流供給と実質的に同相になるまで変更ステップと再適用ステップを繰返す装置を提供することが望まれる。
本発明の態様の一つによれば、交流供給からの交流負荷で交流出力を制御する装置が提供される。この装置は、交流供給（交流電源）に接続した電流増幅器モジュールと、交流供給及び電力増幅モジュールと通信する制御モジュールとからなる。電力増幅器モジュールは直流供給を直流に変換し、次いでその直流を交流出力に変換する。電力増幅器モジュールは電流、電圧および周波数のような予め定めた特性を交流供給から抽出し、制御モジュールはこれらの予め定めた特性を交流負荷の対応する予め定めた特性と比較する。制御モジュールは次いで電力増幅器モジュールを起動して、直流を交流負荷の要求に合う十分な電流を持つ交流供給に関して実質的に同相の交流出力に変える。
本発明の別の態様によれば、各種交流負荷タイプのパルス変調シーケンスを格納すすための少なくとも一つのルックアップテーブルを提供する。制御モジュールは、電力増幅器モジュールを起動して直流を交流出力に初期変換するために格納されたパルス変調シーケンスを最初に用いる。
本発明の別の態様によれば、直流電力供給（電源）と電力増幅器モジュールに接続するマイクロスイッチを持つ装置を提供する。マイクロスイッチは、交流供給が止ったときにその装置に交流出力を供給し続けることが出来るように、電力増幅器モジュールに直流を供給するように切替可能である。
本発明の別の態様によれば、交流供給を交流出力に変換する方法が供給される。その方法は、交流供給の予め定められた特性を測るステップ、交流供給を直流に変換するステップ、負荷と出力タイプを選ぶステップ、選ばれた負荷の対応するパルス変調シーケンスを検索するステップ、最初のパルス調節シーケンスを交流出力を生成する直流に適用するステップ、交流出力の予め定めた特性を測定してそれに応じてパルス変調シーケンスを変更し変更したパルス変調シーケンスを直流に適用するステップ、および交流出力が交流供給と実質的に同位相になるまで変更と適用のステップを繰返す方法を提供する。
図面の説明
本発明の実施の形態を例証する図面において、
図1Aおよび図1Bは、本発明の電力増幅器モジュールの概要図；
図2は、本発明の各ハイ側のIGBTを起動するための起動（トリガー）回路の概要図；
図3は、本発明のロー側のIGBTの全てを起動するための起動回路の概要図；
図4は、本発明の制御モジュールの概要図；
図5Aおよび図5Bは、本発明の論理制御のフローチャート；
図6は、本発明を例示するデモンストレーション用装置の入力および出力波形の例；
図7Aおよび7Bは、本発明の電力増幅器モジュールの第2の例示の概要図。
発明の詳細な説明
本発明のエネルギ制御ユニットは、一般に図1Aと1Bに概要図で示した電力増幅器モジュール10と、図4に概要図で示した制御モジュール11と、よりなる。
電力増幅器モジュール10は、交流主電源に接続できる入力12、14、16、ブリッジ整流器18、IGBTモジュール20、出力22、24、26とからなる。
入力12、14、16とブリッジ整流器18間に接続されているのは、電流センサー28、30、32、入力電圧センサー34、36、38と周波数センサー40、42、44である。
ブリッジ整流器18の直流出力とIGBTモジュール20の入力側との間に接続されているのは、多数のキャパシタ46である。IGBTモジュール20の出力側は、複数の連動型キャパシタ48、出力電圧センサー50、52、54、出力電流センサー56、58、60と出力周波数センサー41、43、45である。
電流センサー28、30、32と56、58、60はそれぞれ、フェライトトロイダル空気コアの周りに巻いた導線（導体）を持ち、そのコアには空隙があり、その中に、12ボルトの直流が提供されるホール効果センサーを備える。ソース電流の変化はホールセンサーによって測られ、それに対応する電圧信号I1、I2、I3が制御モジュール11のソース（供給）電流入力端子に供給される。出力または負荷電流の変化はホールセンサーで測られ、それに対応する電圧信号I4、I5、I6が制御モジュール11の負荷電流入力端子に供給される。
入力電圧センサー34、36、38と出力電圧センサー50、52、54はそれぞれ100:1比の抵抗電圧分配器回路網を持つ。各電圧信号C1、C2、C3は制御モジュール11のソース電圧入力端子に伝わる。同様に、各出力電圧信号C4、C5、C6は制御モジュール11の出力電圧入力端子に伝わる。
周波数センサー40、42、44と41、43、45の各々は、LEDのカソードに直列に接続された半波整流用ダイオードと電圧降下抵抗器を持つ。これは光ダーリントン（photo darlington）トランジスタの一部である。エミッタは、信号X1、X2、X3、X4、X5、X6をそれぞれ送るために、制御モジュール11の位相入力端子のベースである回路のアースにつながる。
ブリッジ整流器18は標準的な全波3相ブリッジ整流器モジュールである。適切なモジュールはME601215の名称で市販されている。ブリッジ整流器18は希望負荷のエネルギー移動要件に従って選ばれる。
キャパシタ46はキャパシタのバンク（bank）列で、交流リプルを濾波するための大きなコンデンサと過渡電流を濾波するための小さなキャパシタからなる。IGBTモジュール20の各出力端子は、負荷に誘導される過度電流の抑制のため出力端子と負極との間に接続された一団のフィルタキャパシタ48のバンクである。抵抗器キャパシタダイオード（RCD)タイプの抑制回路も、過渡をさらに防ぐために、各IGBTモジュール20の入力端子と出力端子にわたって接続できる。
選択により、過渡電流を最小化するため、バスバー（母線）回路も用いられてもよい。このバスバー回路は一般にRCDタイプの抑制回路と似た特性を持つ。
IGBTモジュール20は2組の入力、すなわち正の波の入力と負の波の入力を持つ。正の波の入力は、IGBTモジュール20に正弦波形の正の半分を生成するためのパルス変調シーケンスを行うようスイッチさせる。ハイの側ではIGBTモジュール20は入力対EWPとGWP、EVPとGVP、EUPとGUPを有する。
負の入力は、IGBTモジュール20に正弦波形の負の半分を生成するためのパルス変調シーケンスを行うようスイッチさせる。ローの側では、IGBTモジュール20は入力対EWNとGWN、EVNとGVN、EUNとGUNを有する。
さて、図2を参照すると、ハイの側のIGBTトリガー回路61が図式的に例示されている。ハイの側では、IGBTトリガー回路は各位相毎の別の回路である。言換えれば、3相の交流出力の正の部分を生成するために3つの別々の回路が必要である。
ハイの側のIGBTトリガー回路は、直流電源62と、この場合には直流電力を生成するための1組の全波ブリッヂ整流器66に接続された変圧器64からなる。
直流電源62で並列に接続されるのは、2つのキャパシタ68と集積回路(IC)70(ピン5と8)である。IC70はTLP-250という名称で東芝から商業的に入手できる。TLP-250はIGBTのゲートドライブであり、GaAlAs(ガリウムアルミニウム砒素）発光ダイオード及び集積光検知器であり、IGBTのゲートドライブ回路としてよく適している。TLP-250は8リード線DIPパッケージを有する。
キャパシタ72は整流器66の一つに並列に接続される。DIAC74は整流器66の正の側に接続され、IC70のピン6と7に接続される。DIAC74の負の側では、EWP、EVPとEUPの各々がIGBTモジュール20に接続される。DIAC74の正の側では、IC70のピン6と7で、GWP、GVPとGUPの各々がIGBTモジュール20と接続される。
図3を参照すると、ロー側のIGBTトリガー回路63が例示されている。ローIGBTトリガー回路63は、ローIGBT回路が単一の回路としてまとめられることを除いて、ハイ側のトリガー回路61と同様である。ロー側トリガー回路63は、DC電力を生成するための一対の全波ブリッヂ整流器165、166に接続された変換器164含む、直流電源162を備える。
直流電源（ソース）162に接続されているのはキャパシタ166、167、168、169及び170並びに集積回路(IC)171、172、173であり、IC171、172、173はTLP-250チップである。キャパシタ174及び175は並列に整流器166へ接続されている。DIACS176、177、178は、整流器１６６の正の側に接続されると共に、IC171、172、173の各々のピン6、7へ夫々接続される。ローのIGBTトリガー回路63は3相の各々のタップを含めることが出来る。DLAC74の負の側では、EWN、EVNとEUNの各々がIGBTモジュール20と接続される。DLAC75の正の側では、IC70のピン6と7で、GWN、GVNとGUNの各々はIGBTモジュール20と接続される。
各IC169、170、171のピン３は、ハイ側とロー側の両方で、制御モジュール11と接続される。IC169、170、171は、電気絶縁のための光カプラ91装置を介して制御モジュール11と接続される。光カプラは当業界ではよく知られている。好ましい実施形態に用いられる光カプラは標準的抵抗器-ダイオードLED-光カプラLED回路である。
好ましい実施形態では、DlAC74、176、177、178はIGBTモジュール20のゲートと物理的に出来る限り近づける。物理的に近づけると、過渡現象からのファイリング（起動）回路のダメージを軽減する。
トリガー回路への直流電源には電圧調整器のような他の一般的な直流電源を含めうることは容易に理解される。
図４を参照すると、制御モジュール11が図式的に例示されている。この制御モジュールは、適応特定集積回路(ASIC)が好ましい制御器80を持つ。制御器80は、デジタイザ82、複数の電子メモリバンク84、シーケンサ(逐次制御装置)86、3つの発振器88と、デジタル信号処理器(DSP)90、ルックアップテーブル92と位相ロックループ回路94を含む。
電源電流I1、I2、I3、電圧C1、C2、C3と周波数X1、X2、X3、出力電流I4、I5、I6、電圧C4,C5,C6と周波数X4、X5、X6に関する信号はデジタイザ82に送られてデジタル化され、電子メモリ84に格納される。
メモリ84は、比較的小さく商業的に入手できる部品である複数のメモリバンクである。3相では、メモリ84は少なくとも6つのメモリバンクからなる。そのバンクは各位相に対して2つの主要部分、アクティブ部分とスタンバイ部分に群分けされる。
シーケンサ86は流入する各位相を監視するためにメモリに接続される。適当な位相の間隔でDSPによって設定されたフラグに基づき、シーケンサ86はゼロ交差点で現在使われているメモリをアクティブメモリ又はスタンバイメモリに変える。このことは１秒当り約120回起りえるが、その際、ゼロ交差点が定義されたゼロ点であると仮定して、交流波形のハイの部分又はローの部分のいづれかにおいても、位相の非線形性を補正できる。より高い周波数、例えば名目上440ヘルツの航空周波数にも使えることは容易に理解される。
高精度発振器88は流入する各出力交流電力の流入位相とパルス幅を非常に正確に測定する。3相の装置には少なくとも3つの発振器がある。この測定は、各位相の出力回路に独特の位相ロックループ回路94を設定するのに用いられる。
カルマン（Kalmun）濾波等のような別の技術は、DSP90によりスタンバイメモリとアクティブメモリを設定するため、非リアルタイムで行われる。位相の変化性と負荷過渡に基づき、DSP90はあるメモリバンクを変化させるフラグを設定する。
各電子メモリバンクは独立に制御され、多くの場合、必ずしも全グループがアクティブからスタンバイへ移行するものではない。ある特定のバンクがより重い負荷またはより多い電流を感じ始め、そこでのある種の補正を必要とするので、実際に位置をスワップするのは6つのバンクのうち1つか2つでしかない。
本発明のエネルギ制御ユニットは2つの主要なアセンブリよりなる。基本的には負荷により変動しない制御モジュール11（図４）と、システムが制御している負荷の型に応じてスケール化される電力増幅器モジュール10（図1Aおよび1B）がある。この2段階のアプローチを用い、システムの電源電圧、電流、電源とは独立に、このマイクロプロセッサーと全ての関連するディスプレイは要求されるUL/CSA ISO 9000タイプの電気安全条件を維持することが出来る。これは、典型的な電流増幅器モジュール中に7500ボルトの絶縁ブリッジがある事実によるものである。制御器80は、基本的に電力増幅器モジュール10に行くパルス変調シーケンスを制御する。DSP90は各種センサーが受けたデータに基づきパルス変調シーケンスを計算する。パルス変調シーケンスは光カプラ91を介してIC70に転送され、それは次いで接続された適切な制御回路を持ち、負荷タイプに従った大きさのIGBTモジュール20を駆動する。
図４、５を参照すると、本発明のエネルギ補正装置の操作はより詳細に記されている。
DSP90を始動すると、テスト装置に組込まれた内部BITEが本発明のエネルギ補正装置をテストし、検証する。
本発明のエネルギ補正装置は、入力12、14、16で交流の供給を受ける。電流センサー28、30、32、入力電圧センサー34、36、38と周波数センサー40、42、44の各々はそれぞれの信号を制御器80に転送する。その信号はデジタイザ82によりデジタル化され、次いでメモリ84に格納される。
シーケンサ86は各種の入力相を監視し、入力電力供給（電源）がこの装置に提供する電圧の型、位相の数、周波数を決定する。シーケンサ86は、交流供給の位相の数を決定し、次いで出力モード、すなわち、単相、2相、3相等を選択する。
出力が選ばれると、DSP90は次いでルックアップテーブル92を参照し、操作方法、3相の入力に対して3相の出力を供給するか、単相の入力に対して3相を供給するかどうか、発生させる電圧をどうするかを決定する。DSP90は、対応する位相出力の正弦テーブルのパルス変調シーケンスを検索する。パルス変調シーケンスは、求められる交流出力波形を生成するためにIGBTモジュール20を起動（トリガー）するトリガー回路61と63へ転送するパルスのシーケンスである。パルス幅変調技術は業界でよく知られている。
DSP90は、出力の選択を発振器88に転送し、発振器は出力の周波数を選択して出力周波数信号X4、X5、X6をデジタイザ８２と位相ロックループ回路94に転送する。出力周波数信号X4、X5、X6は、正弦波の電圧極性に変化を検出すると発生する各単一信号である。
制御モジュール11は、与えられた正弦波の与えられた周波数を測定し、周波数に出力正弦波の発生に使われる部分またはスライスの数の整数値を掛ける。スライスまたはパルスがゼロから127ユニット（単位）になるごとに、127単位はフルオン（全開）であり、ゼロはフルオフ（全閉）である。これにより、本発明のエネルギ補正装置は電力出力波形の出力を変化させることが出来る。
時間スライスの数に基づき、正弦テーブル値またはパルス変調シーケンスを用いて、DSP90はパルス幅変調を始めるために起動回路（図2および3）を起動する。IGBTモジュール20は対応する正弦波出力を発生するために起動される。
本発明のエネルギ補正装置は、入力電圧を感知できる供給電圧センサー28、30、32と、出力電圧を感知するための同様な出力電圧センサー56、58、60と、負荷により引出される出力電流を感知するための出力電流センサー50、52、54を持つ。制御器80は、各出力波形の形状と振幅を各対応する入力波形の形状と振幅とを連続的に比較する。
出力周波数信号は発振器88と周波数センサー41、43、45の両方で発生されることが注目される。いくつかの応用例では、両方の周波数信号を発生する必要はない。出力周波数センサー41、43、45を除くことにより製造費が軽減される。
もし正弦値が正しい、すなわち、出力電流と電圧が入力電流と電圧と同相であれば、変調信号は出力負荷により引出されている電流量に対して調整される。
もし正弦値が正しくなければ、すなわち、出力電流と電圧が入力電流と電圧と予め定めた値より大きく違相であれば、出力波形の形と大きさがルックアップテーブル92に格納された既知の負荷特性のテーブルと比較される。
例えば、蛍光灯のような負荷は、特別な「符号」(signature)または負荷を識別する負荷特性を持つ。既知のファジー論理法を用い、制御器80は測定された出力波形を有する既知の負荷に最も近い「符号」を選ぶ。その「符号」を用いて、新しいパルス幅変調シーケンスが選択され、メモリ84のスタンバイ部分に格納され、このスタンバイ部分は次のゼロ交差アクティブに切り替えられる。
メモリ84のアクティブ部分はDSP90によって読まれている。適切な時期に位相ロックループ回路94からの信号で、DSP90は電力増幅器モジュール10に必要な適切なパルス幅変調信号を発する。正弦テーブル値のデータは影響されないが、同じことがスタンバイバンクに関しても適用され、出力パルス変調は、測定パラメータと、電圧、電流、全体高調波ひずみ、周波数、インピーダンスおよび負荷タイプの遂行に関してなさるべきことの計算結果を基にDSP90プロセッサーによって更新される。
特に、制御器80は、入力と出力の波形間の位相シフト量を決定するために、出力の正弦波または3相電源の場合は3つの正弦波の各半分を入力のそれぞれの正弦波と連続的に比較する。もし位相差が予め選定されている最小値より大きければ、制限テーブル値は位相位置合せを保つための対応量だけシフトされる。この意味することは、空間時間スイッチ機能が働いていることである。電圧は適切な時期にIGBTにより発生されるので、電流は元の主交流電力（電源）に一致する。
例えば、150馬力のモーターはそれを駆動するのに150アンペアを必要とする。もし位相の位置合せ（整合）を保つために必要な270度のための必要エネルギ量を貯蔵しようと云う試みがなされると、90度の位相シフトが360度の正弦波と位置合せするために必要とすれば、エネルギ量は顕著である。実際のパルス幅波形を変え、電流が電力の入力位相と合うように動かすことにより、また電流が均しくなるようそれらを適切に操作することにより、エネルギ補正装置の機能はバランスをロードさせるか、直流に変換される多層電力に対して負荷を与えることである。電流と電圧の間に相関があるので、力率機能はシステムを増やす他の誘導子(インダクタンスコイル)なしに行われる。
制御器80は負荷に必要な最適の波形を作り、従って負荷の電力消費を軽減し、しかも入力電力が周波数と位相の位置合せで変動するのに同調を維持しつつ、負荷の効率は増大できる。このことは、このシステムの使用者にとって投資型の節約に直接還元する結果となる。
本発明のエネルギ制御ユニットは、振動センサー85と振動信号Fを移送するエンコーダーも備えている。振動信号Fはデジタイザ82でデジタル化され、次いでメモリ84に格納される。
電子メモリバンク84は、格納され更新された波形をダウンロードするための標準出力を備える。メモリ84は、要求によりデータをネットワークへまた適切なアダプタを介してパソコンへ供給して、マシン中で起った最近の一連の事象に関する情報をダウンロードしたり、ストレス条件や振動条件のログをダウンロードする。
本発明のエネルギ制御ユニットは、何が公称の波形か、およびその装置のどんな振動特性が正常および変化している条件下であるかを学ぶことが出来る。DSP90は、正常の波形と振動の関係を内挿し、異なった周波数で各種操作モードを基本的に網羅する一連の保護周波数帯（ガードバンド）を作ることが出来る。本発明のエネルギー制御装置は、マシンの振動符号をそのデータベースと相関させ、異常を検出し、異常のレベルによって音声アラームを発したり、必要な場合はシステムを停止することが出来る。
この機能の使用例は、システムを振動させる原因となり、振動させ始めるベアリングである。この機能は、予防的メンテナンスを非常に容易にし、重大なダメージをマシンによって招く前に予防的メンテナンスを行うことが出来る。
この機能はまた、システムまたはユーザに、本発明のエネルギ制御ユニットが適応している主要部分に何らかの形の出力の不整合があるかどうかを知らせる。例えば、位相がなくなると、本発明のエネルギ制御ユニットは効率を落す。
図6を参照すると、デモンストレーション用装置のサンプル波形が例示されている。供給電圧と電流が出力電圧と電流と同位相であることが観察される。デモンストレーション用装置はサンプル負荷として1500ワットのヒーターに接続された。
本発明のデモンストレーション装置は、単相電源から3相電力を生成したり、その逆を行ったり、さらに出力電圧が入力電圧を超えない限り、入力電圧に関係なくいかなる周波数も電圧も生成することが出来るのがわかる。特に、デモンストレーション用装置は約85%の効率で単相電力供給（電源）から3相の電力を生成することが出来るのがわかる。本発明のエネルギ補正装置の利点は、この装置がいかなる3相モーターや3相の機械も停電や主電力の混乱から防御することである。正常の適用状態で、もし1相の電線が切れると、多相のモーターは下がった電圧で運転を続けようとする。もし下がった電圧が非常に短い間隔で補正されなければ、そのモーターは焼損し始めるであろう。本発明により、そのモーターで作動するが、形でも状態でも何も損傷を受けない。
本発明のエネルギ補正装置の別の利点は、本発明のエネルギ補正ユニットは停止中負荷を守ることである。モーター付きタイプの負荷を止めるのに多くの方法がある。明らかに最も単純で最も優しい停止法は、モーターへの出力を止めることで、それによりその慣性が徐々に減って行く。
別の方法は、3つの巻線のうち2つを取り、それらを電力レール上につなげることである。交流モーターは慣性またははずみで働いているとき、発電器として働く。2つの巻線を一緒にしてレールの一方にショートすることにより、モーターが発電して自身に戻ってくるような電圧を発生し、緩やかなブレーキ機能を起こす。同用に、もしモーターの3相全部がスイッチの同じ側に接続されると、より多くのモーターの起電力がフィールドバッグされるので、より強いブレーキ作用が働く。
モーターを停止する第4の方法は、逆電力を多相モーターに供給する事で、それによりモーターは出来るだけ速く減速する。モーターが方向を変え始めるとすぐ、出力を止める。これは非常に急な停止となり、多くのアプリケーションで必要な緊急タイプ停止機能を与える。
これら停止方法の各々で、本発明のエネルギ制御ユニットは、モーターへの損傷を防ぎ、また供給と負荷との間の位相シフトを防ぐように補償する。
デモ用装置はまたバランスをロードできることが観察された。例えば、工業用ビルディング内の加熱空調装置は、3相のコンプレッサモーターを使う。コイルの周りに冷却空気を循環するファンは単相で、一組のコンプレッサモーター巻線に接続される。冷却剤を循環するポンプも単相で、他の相に接続される。この構成は電力に大きなアンバランスを起す。プラントの規模が大きくなればなるほど、このアンバランスは大きくなる。本発明のエネルギ制御ユニットは、必要なエネルギを各相に供給し、負荷のアンバランスを軽減することが出来る。
本発明のエネルギ補正装置は、力率の補正をするのみならず、それに接続されたあらゆる負荷を自動的にバランスする。これは水力最大需要電力計と比較して明らかに低い電流消費となり電力節減に繋がり、また、本発明のエネルギ補正装置は、電力グリッドから起位相のひずみと関係なく、真の120度3相を生成することが出来る。このひずみは水力発電所と実際のユーザの場所との間の距離によって、出力グリッド中で起る。
本発明のエネルギ補正装置はまた、交流主電源から、装置が生成した負荷への出力によって作られたデータに影響するようなひずみをブロックする。公共設備や距離により、使用者は普通は公共設備が日の終りに補正する出力周波数が数ヘルツ上下するひずみを経験するであろう。時計のように同期タイプのものについては、これらのひずみは重大な数の速度に敏感な装置に影響を与える。本発明のエネルギ補正装置は出力供給の周波数を調整するので、出力周波数のひずみを最小化する。
本発明のエネルギ補正装置は、主電流への負荷の影響を正すだけでなく、主電流の負荷への影響も正す。
本発明の別の特徴は、エネルギ制御ユニットが電圧を下げる変圧器としても使えることである。例えば、もし出力数が入力数より少なければ、余分な供給相からのエネルギは出力に分配される。逆に、出力数が入力数よりも多ければ、RMS出力は入力供給能力に従い、各出力に制御された方法で分配される。
当業者には、本発明が異なった波形についての他のルックアップテーブルを含むことは、容易に明らかである。例えば、もし正方形の波形出力が望まれると、ルックアップテーブル92に加えてまたは代りに相当するルックアップテーブルが使われる。本発明はこのように出力波形の間をスイッチ出来る。
電力増幅モジュール110の第2の態様が図7Aと7Bに例示されている。交流供給は直流に置換えるかまたは連携して使われる。適切な直流源はバッテリ112または電圧調整器を含む。
独立型の条件では、電力増幅モジュール110が直流を交流出力に変換する電力コンバータとして働く。力率補正は優先ではないので、制御モジュール11は負荷にかかる電流のパルス変調シーケンスのみを変更し、力率については補正しない。
直流源も図1Aと1Bの電力モジュールと連携して使うことが出来る。本発明のエネルギー制御装置は無停電電源装置として働く。
双方向半導体スイッチ114はバッテリ112と電圧センサ116とシリーズに接続される。停電の時には、双方向半導体スイッチ114はミリセコンド以内に働き、電力はバッテリからパワーバスに流れ、適切なバッテリ容量があるとすれば、電力が維持されるまで電力を供給し続ける。
不充分なバッテリ容量しかない場合は、電圧センサ116から適切の警告信号が、システムが操作できなくなる電圧までバッテリが衰える前に発せられ、バッテリに依存する装置が電力が落ちるまでに通常の停止が出来るように、オペレータに警告信号を発する。
本開示は本発明の好ましい実施形態を記述し例示するが、本発明はこれら特定の形態に限ったものではないと理解する。当業者にとっては多くのバリエーションや変更が可能であろう。本発明を明確にするためには、添付請求の範囲を参照されたい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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