(57)【要約】電力供給システムは、少なくともひとつの一次巻き線、少なくともひとつの二次巻き線、および、一次巻き線と前記二次巻き線との間の電磁気結合を制御するためのひとつ以上の制御巻き線を含む少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器と、第１基本周波数を有する信号を受信し、かつ、第１基本周波数と基準周波数の和および差に対応する周波数成分を有する対応するヘテロダイン信号を生成するように構成されたヘテロダインコンポーネントと、周波数成分の和および差の一方をそこから除去し、かつ、対応するフィルタ済み信号を与えるべく、ヘテロダイン信号をフィルタリングするように構成されたフィルタリングコンポーネントと、第１入力基本周波数および第１入力電圧を有する第１入力信号を受信するように構成された入力ポートと、制御コンポーネントであって、（ｉ）第１入力信号の少なくとも第１入力基本周波数を代表する信号を受信し、かつ、フィルタ済み信号が目標出力周波数を有するようにヘテロダインコンポーネントの基準周波数を決定するべく対応する周波数制御信号を生成し、（ｉｉ）第１入力電圧を代表する信号を受信し、かつ、目標出力電圧が二次巻き線で生成されるように少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の制御巻き線内の電流を決定するべく対応する仮想エアギャップ制御信号を生成するように構成された制御コンポーネントとを有し、当該電力供給システムは、第１入力基本周波数および第１入力電圧を有する第１入力信号の形式で入力電気エネルギーを受信し、かつ、目標周波数および目標出力電圧の対応する第１出力信号の形式で対応する出力電気エネルギーを生成する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力供給システムであって、
少なくともひとつの一次巻き線、少なくともひとつの二次巻き線、および、前記一次巻き線と前記二次巻き線との間の電磁気結合を制御するためのひとつ以上の制御巻き線を含む少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器と、
第１基本周波数を有する信号を受信し、かつ、前記第１基本周波数と基準周波数の和および差に対応する周波数成分を有する対応するヘテロダイン信号を生成するように構成されたヘテロダインコンポーネントと、
周波数成分の前記和および前記差の一方をそこから除去し、かつ、対応するフィルタ済み信号を与えるべく、ヘテロダイン信号をフィルタリングするように構成されたフィルタリングコンポーネントと、
第１入力基本周波数および第１入力電圧を有する第１入力信号を受信するように構成された入力ポートと、
制御コンポーネントであって、
（ｉ）前記第１入力信号の少なくとも前記第１入力基本周波数を代表する信号を受信し、かつ、前記フィルタ済み信号が目標出力周波数を有するように前記ヘテロダインコンポーネントの基準周波数を決定するべく対応する周波数制御信号を生成し、
（ｉｉ）前記第１入力電圧を代表する信号を受信し、かつ、目標出力電圧が前記二次巻き線で生成されるように前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の前記制御巻き線内の電流を決定するべく対応する仮想エアギャップ制御信号を生成するように構成される制御コンポーネントと
を備え、
前記電力供給システムは、前記第１入力基本周波数および前記第１入力電圧を有する前記第１入力信号の形式で入力電気エネルギーを受信し、かつ、前記目標周波数および前記目標出力電圧の対応する第１出力信号の形式で対応する出力電気エネルギーを生成する、ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記システムは、当該システムが第２入力基本周波数および第２入力電圧を有する第２入力信号の形式で第２入力電気エネルギーを受信し、かつ、第２目標周波数および第２目標出力電圧の対応する第２出力信号の形式で対応する出力電気エネルギーを生成するように、双方向で使用可能に構成され、
前記第２入力信号または当該第２入力信号から導出される対応する信号が、前記仮想エアギャップ変圧器の前記一次巻き線において前記第２目標電圧を有する対応する信号を生成するべく、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の前記二次巻き線に印加される、ことを特徴とする請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記第２入力信号または当該第２入力信号から導出される対応する信号が、前記第２基本周波数と基準周波数との和および差に対応する第２周波数成分を有する対応する第２ヘテロダイン信号を生成するべく前記ヘテロダインコンポーネントによって受信され、
前記フィルタリングコンポーネントは、周波数成分の前記和および前記差のいずれかをそこから除去するべく前記第２ヘテロダイン信号をフィルタリングし、かつ、対応する第２フィルタ済み信号を与えるように構成される、ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ヘテロダインコンポーネントは第１ヘテロダインコンポーネントであり、前記フィルタリングコンポーネントは第１フィルタリングコンポーネントであり、前記システムは第２ヘテロダインコンポーネントおよび第２フィルタリングコンポーネントを有し、
前記第１ヘテロダインコンポーネントおよび前記第１フィルタリングコンポーネントは、第１経路に沿って前記システムを通じて流れる信号を処理するように構成され、前記第２ヘテロダインコンポーネントおよび前記第２フィルタリングコンポーネントは前記第１経路と概して反対方向の第２経路に沿って前記システムを通じて流れる信号を処理するように構成されている、ことを特徴とする請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記ヘテロダインコンポーネントは第１ヘテロダインコンポーネントであり、前記フィルタリングコンポーネントは第１フィルタリングコンポーネントであり、前記システムは、第２ヘテロダインコンポーネントおよび第２フィルタリングコンポーネントを有し、
前記ヘテロダインコンポーネントおよび前記フィルタリングコンポーネントは、前記システムによって受信された前記第１信号が、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器への入力として与えられる前に前記第１ヘテロダインコンポーネントおよび前記第１フィルタリングコンポーネントによって、より高い周波数にアップコンバートされ、かつ、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の対応する出力が前記第２ヘテロダインコンポーネントおよび前記第２フィルタリングコンポーネントによって前記目標周波数にダウンコートされるように構成され、より高い周波数の使用により前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の効率が改善される、ことを特徴とする請求項１または２に記載のシステム。
【請求項６】
前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、エネルギーを蓄積するように構成されたひとつ以上の対応するループによって直列に接続された２つ以上の仮想エアギャップ変圧器を含む、ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項７】
エネルギーを蓄積および開放するように構成されたひとつ以上のインダクタおよび／またはひとつ以上のキャパシタを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項８】
前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、少なくともひとつの単相仮想エアギャップ変圧器を含む、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システム。
【請求項９】
前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、少なくともひとつの３相仮想エアギャップ変圧器を含む、ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１０】
前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、少なくともひとつのシェルタイプの仮想エアギャップ変圧器を含む、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システム。
【請求項１１】
前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、仮想エアギャップが前記磁気回路内に形成されるところの前記磁気コアの領域が第１材料から作成され、かつ、前記磁気コアの他の領域が第２材料から作成されるように、それぞれ異なる磁気特性を有する異なる材料から成る磁気コアを有する少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器を有し、
前記第１材料の少なくともひとつの磁気特性は、前記第２材料の少なくともひとつの磁気特性の値と異なる値を有する、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システム。
【請求項１２】
前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、前記仮想エアギャップ変圧器のそれぞれの極片の対向面の間に配置されたひとつ以上の制御巻き線を含む仮想エアギャップ変圧器を有する、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
各前記制御巻き線は、サーペンタイン平面ループ形式である、ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
各前記制御巻き線は、螺旋円形平面ループ形式である、ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記制御巻き線は、ひとつ以上のサーペンタイン平面ループおよびひとつ以上の螺旋円形平面ループを有する、ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１６】
請求項１３から１５のいずれか一項に記載の前記制御巻き線は、コアセクションの周りに巻かれている、ことを特徴とする請求項１２に記載のシステム。
【請求項１７】
前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、内部に形成された相互に離隔した磁気コア、前記開口部を通じて巻かれたひとつ以上の制御巻き線、および、前記開口部の間に配置された磁気コアの周辺部分を含む仮想エアギャップ変圧器を有する、ことを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記磁気コアは、積層ラミネーションによって形成され、前記開口部は前記積層ラミネーション内のギャップによって画成される、ことを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記磁気コアは、固体ボディ形式であり、製造後にドリル加工により開口部が形成される、ことを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、前記少なくともひとつの二次巻き線を通じる反対方向の磁束経路を選択的に画定するように構成された複数の仮想エアギャップを有する、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システム。
【請求項２１】
前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、前記少なくともひとつの二次巻き線を通じて流れる磁束の量の制御を可能にするべく複数の磁束経路を画定するように構成された複数の仮想エアギャップを有する、ことを特徴とする請求項１から２０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２２】
電力供給方法であって、
電力供給システムの制御コンポーネントにおいて、少なくとも第１入力信号の時間変化する第１基本周波数および前記第１入力信号の時間変化する第１電圧を代表する少なくともひとつの信号を受信する工程と、
受信した前記信号を処理する工程であって、
（ｉ）前記電力供給システムのヘテロダインコンポーネントに、前記第１基本周波数および基準周波数の和および差に対応する周波数成分を有する対応するヘテロダイン信号を生成させるべく対応する周波数制御信号を生成し、
（ｉｉ）前記電力供給システムの仮想エアギャップ変圧器に、目標出力電圧を有する対応する信号を生成させるべく対応する電圧制御信号を生成するように処理する工程と
を備え、
前記第１入力基本周波数および前記第１電圧を有する前記第１入力信号の形式で受信した入力電気エネルギーは、前記目標周波数および前記目標出力電圧の対応する第１出力信号形式で、対応する出力電気エネルギーを生成するように処理される、ことを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記ヘテロダインコンポーネントは、第１ヘテロダインコンポーネントであり、前記フィルタリングコンポーネントは第１フィルタリングコンポーネントであり、前記システムは、第２ヘテロダインコンポーネントおよび第２フィルタリングコンポーネントを有し、
前記方法は、前記システムによって受信された前記第１信号が前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器への入力として与えられる前に、前記第１ヘテロダインコンポーネントおよび前記第１フィルタリングコンポーネントによって、より高い周波数にアップコンバートされ、かつ、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の前記対応する出力が前記第２ヘテロダインコンポーネントおよび前記第２フィルタリングコンポーネントによって前記目標周波数にダウンコンバートされるように前記ヘテロダインコンポーネントおよび前記フィルタリングコンポーネントを制御する工程を含み、より高い周波数の使用により、前記少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の効率が改善される、ことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、電気エネルギー供給、特に、電力供給システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球エネルギー問題
電気の形式で蓄積した化石燃料のエネルギーを利用する能力により、人間は幸福への驚くべき前進が可能になった。しかし、電気の地球的需要が増加し続けるに従い、生成される環境へのインパクトが最終的には我々の生存を脅かすところにまで達するであろうことが広く言及されている。したがって、持続不可能な環境的結末となること前に、電気へのユニバーサルアクセスに対する制約を解決することが、社会的および経済的な優先事項である。
【０００３】
世界人口および貧困の法的要求を満たすために、米国エネルギー情報局は、２０４０年までに地球エネルギー要求の５０％以上の増加を見込んでいる（参照、国際エネルギー概要２０１６）。同時に、エネルギーの環境へのインパクトおよびコストの有意な削減が求められる。伝統的な発電方法のすべては、制約リソースである化石燃料を使用している。現在、証明されているクリーン発電のオプションは、水力、地熱、バイオマス、太陽光、および風力である。もちろん、太陽光および風力は、それ以外が非常に特定の地理的インプットおよび要求を有するため、将来的要求に一致する最適な機会を与える。
【０００４】
近年のパリ協定またはＣＯＰ２１合意に示されるように、為政者の地球的コンセンサスは、我々がクリーンエネルギー発電を劇的に増加させる必要があるということである。しかし、クリーン発電技術の現在および未来の進歩において、我々の電気ネットワークのデザインは、義務的目標を達成することができないものである。特に、インテグレーションは、周知かつ未解決の問題である。
【０００５】
電気システム概要
全電気供給チェーンは、３つの領域、すなわち発電、分配、および消費に概して分類される。信頼できる電力供給を維持するために、エネルギー発電はエンド・ツー・エンドネットワークを通じて消費と一致するように制御される。
【０００６】
電気分配ネットワークは、これまで建造された最大の人工物である。現在まで、それらは、すべて単一の概略設計のもとで、非常に特殊な動作条件が想定され、かつ、解釈されてきた。概略設計は比較的単純である。すなわち、過去の発電は、単純かつ適切に消費と釣り合っていた。少数の需給調整能力ソースが、一連の部分消費者または集合消費者に電力を供給していた。電気ネットワークのトポロジーは、ラジアル（その周りのツリー構造で消費者が益々分岐する単一の大きい発電機）、および、メッシュおよびリングトポロジーのようなより複雑かつ冗長な経路ネットワークトポロジーの混合である傾向がある。これらのトポロジーは、大きな安定かつ需給調整能力および多くの消費者の現在のネットワーク要求に基づいて、信頼性とコストの良好なバランスを与えるように設計されている。
【０００７】
現在主流の電力は、化石燃料から発電された時に直接制御可能である。以下の表は、米国および英国の現在のソース別発電量の割合の概略を示す。
【表１】
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【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
再生可能発電のレベルが増加するに従い、需要と一致するように電力供給を制御する能力は、益々困難になる。需要と供給のバランスが維持されないと、電気の安定な利用が脅かされる。
【０００９】
発電ソースが再生可能エネルギーの方向にさらに変化するに従い、電力供給特性は、ネットワークの物理的アーキテクチャーおよび発電レベル制御能力の両方を変化させている。これは、現在の電気ネットワークアーキテクチャーの閾値能力が気候変動目標に一致する要求レベルにはほど遠い状態で、安定性および効率の問題を増加させるものである。発電および／または消費の単独の制御を通じてこの状況を解決する試みは、許容できない社会的、経済的および環境的影響を有する。電気供給チェーンが実行可能なままで、かつ、社会的および経済的意図で分配できるように、電気分配ネットワークの構成を適応する必要がある。
【００１０】
電気システムバランス要求
信頼可能な電気供給を維持するためには、約±１％の狭い帯域に、グリッドの電圧および周波数を維持する必要がある。現在利用可能な制限ストレージオプションを除き、電気は生成されたときに消費されなければならず、結果として、供給および需要は要求された電圧および周波数を維持するようにバランスを保たれなければならない。今まで、これは、粗いレベルでグリッドをモニターし、その後、ほとんど化石燃料、原子力または水力である制御可能な発電ソースの出力を調節することにより、達成されてきた。
【００１１】
グリッドのバランスは、３つの応答時間に分類可能である。
・長期（数日から数週）
・中期（数時間）
・短期（数ミリ秒から数分）
【００１２】
国連報告“再生可能エネルギー投資の地球的トレンド２０１６”には、４つの潜在的なバランスオプションが現在存在し、許容不能な第５のオプションも地球的に現在利用されていることが記載されている。
【００１３】
需要が供給を超えた場合
ｉ．より速い応答の従来の発電、すなわち、ガス、石炭または軽油の量を増加させる。
ｉｉ．ひとつのグリッドから他のグリッドへ電気を伝送するべく相互接続する。
ｉｉｉ．供給が需要を下回ったとき、利用を減少させるよう、大企業および商業的消費者に対して金を支払うことで対応を求める。
【００１４】
供給が需要を超えた場合
ｉｖ．入手可能であるとき過剰な電気を蓄積し、要求されたときグリッドへ戻すように開放するためのエネルギーストレージを設ける。
ｖ.供給を直接減少させるべく、再生可能エネルギー発電を削減する。
【００１５】
これらの解決法の並列の組みあわせが、グリッドの長期および中期バランスを管理するための妥当な試みである。現在、各オプションは、禁止的コスト、許容不能な結末およびその両方を有する。
【００１６】
グリッドバランスの短期応答（数ミリ秒から数分）に対して、これらのオプションのいずれも、少なくとも以下で議論する理由のため、信頼可能な電力供給を維持しつつ、再生可能エネルギー発電の増加した浸透および消費を許容できない。
【００１７】
短期グリッドバランス問題
以下は、グリッド内への再生可能エネルギーのインテグレーションに関連して克服しなければならない問題の概要を示す。
【００１８】
システム周波数
すべての発電機は、交流電流（ＡＣ）として電力をグリッド内に投入し、同じ周波数および位相で動作するように同期されている。各発電機によって投入される電力の量は、負荷を均一に分配するために、システム内に電力を投入する他のすべての発電機と比較した電力定格出力の比率を通じて均衡が取られる。これは、オペレータ制御によって修正されなくとも自然に生じる。
【００１９】
伝統的な化石燃料、原子力および水力発電は、周波数を維持することを助けるイナーシャを導入する同期的発電機であり、制御可能で、かつ、周波数応答および安定性を与える。これらは相互接続の自己調整特性により同期状態のままである。もし、ひとつの発電機が同期速度から逸脱すれば、電力は、速度逸脱を減少させるような方法で、システム内の他の発電機から伝送される。発電機の蓄積されたイナーシャエネルギーは、周波数変更に対する短期の反作用を与え、数秒の後にガバナーが受け継ぐ。
【００２０】
対照的に、風力および太陽光発電は、大きく異なる技術を使用してＤＣ電力を生成し、かつ、コンバータを通じてＡＣグリッドへそれを投入する。これは、グリッド周波数から外れ、貢献すべきイナーシャエネルギーが存在しない非同期動作を生じることを意味する。ガバナーコントロールをコンバータに取り付け、周波数降下に応答させることは可能であるが、これは、グリッドの安定性を適切に補償しかつ維持するには十分に速く動作させることができない。それはまた、発電ソースが減少した状態で動作しているときにだけ生じる。
【００２１】
グリッドアーキテクチャー
電気グリッドは、分配ネットワーク上の負荷センターまで、長距離にわたる伝送ネットワークを通じて、発電機から信頼できる電気供給を分配するように特定的に設計されてきた。グリッドの全オントロジーは、再生可能エネルギー発電の局所的かつ分散的特徴により、変化している。現在のグリッドハードウエアは、これらの新しい電力ソースを、ネットワークを通じて垂直および水平方向の両方に、双方向で適切に分配することができず、ネットワークのキャパシティの削減を含む無数の電力エンジニアリング問題が生じている。
【００２２】
これらの問題を解決するための現在の方法は、主に、不所望な影響を最小化するための付加的なハードウエアおよびソフトウエアシステムに関連する。これらの技術は概して、根本的な問題を解決せずに、ネットワークの脆弱性およびコストを増加させると受け取られている。
【００２３】
制御
風力および太陽光のような再生可能エネルギーは、伝統的な化石燃料、原子力、または水力電力のように需給調整的ではない。我々はエネルギー入力（すなわち、風力または太陽光）に対する制御を有しないので、システムを均衡させるために必要により増加または減少させることができず、または、出力の安定状態を維持することができない。我々は、ストレージ手段を通じて要求された電力レベルを維持するために出力を能動的に管理するか、発電量を削減することしかできない。しかし、発電量の削減は完全な無駄である。
【００２４】
可変性
風力および太陽光のような再生可能エネルギーの電力出力が変化する速度は、伝統的な発電技術より非常に速い。これは、２つの主要な形式で発生する。
・中断    再生可能エネルギーソースは、直接制御以外の入力要求のため（すなわち、太陽光および風力）利用不能な長い時間を有する。
・変動性    再生可能エネルギー発電機からの出力において常時一定の変化が生じている。この２つは主に、発電出力の大きな変化速度、および、出力信号に固有なノイズを構成する。
【００２５】
平均の法則は、部分的に、多数の太陽光および風力発電ソースによる変動性の瞬間的な影響を緩和するのを助ける。しかし、短期（数ミリ秒から数分）で電圧および周波数を維持することは、未解決な問題のままである。現在利用可能な応答需給調整能力技術は、変動する再生可能発電によって導入される変化の速度より、反応がまだ非常に遅い。この問題に関する解決法は現在のところ存在しない。
【００２６】
効率
電気グリッドは、消費要求による狭い動作帯域を有する特定の動作ポイントにおいて動作するように設計されている。電圧または周波数が最適ポイントから逸脱するとき、グリッドおよびそのデバイスの効率は低下し、その結果、より大きなエネルギー損失が生じる。先進のグリッド内でのエネルギー損失は５％〜１０％であり、この損失の半分は修復されない非効率が原因の損失である。電圧または周波数が設定した動作境界の外部にあるとき、ハードウエア保護および安全のために、ブラウンアウトおよびブラックアウトの両方を招くシステム保護動作が自動的に取られる。
【００２７】
既存の電気ネットワークへの新たなアプローチ
我々の現在の電気伝送および分配ネットワークは、風力および太陽光からのクリーンエネルギーのある閾値の浸透を超えて使用可能な電力供給を与えることができないというのが一致した見解である。この閾値点は、物理的なアーキテクチャー、発電およびプロファイル、並びに、無数の他の要因に基づきネットワークごとに変化する。
【００２８】
我々の電気ネットワークが使用する設計アーキテクチャーおよびテクノロジーは、最近１２０年間にわたってコストおよび効率を有意に改良した。しかし我々は１９世紀に確立された基本的に同じテクノロジーおよび設計アーキテクチャーをまだ利用している。電気システムの基本的なアンダーピンニングのひとつである変圧器は、動作中に晒されている可変性を効果的に取り扱うことができない受動デバイスである。例えば、変圧器は、設計動作ポイントにおいて極めて有効であるが、その効率は、このポイントから離れると急速に劣化する。高効率を有する動作条件のより広い範囲を許容する能力を有するデバイスが要求される。動作を能動的に制御しかつシステムを通じた電力フローに影響を及ぼす付加的な能力により、さらなる安定性および安全性を与えることが可能となる。
【００２９】
我々のネットワークをアップデートするすべての現在提案されているオプションは、既存の動作方法、テクノロジーおよびシステムに頼っている。エネルギーストレージの場合、これを経済的に実現可能にする技術は、まだ発明されていない。すべてのオプションは、ネットワークに有意なコスト、複雑さ、および、脆弱性を付与し、その効率を減少させる。
【００３０】
従来技術のひとつ以上の困難性を緩和し、または、少なくとも有用な代替案を与えることが所望される。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
本願発明のある態様に従い、電力供給システムが与えられ、当該システムは、
少なくともひとつの一次巻き線、少なくともひとつの二次巻き線、および、一次巻き線と二次巻き線との間の電磁気結合を制御するためのひとつ以上の制御巻き線を有する、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器と、
第１基本周波数を有する信号を受信し、かつ、第１基本周波数と基準周波数の和および差に対応する周波数成分を有する対応するヘテロダイン信号を生成するよう構成されたヘテロダインコンポーネントと、
周波数成分の和および差のいずれかをそこから除去し、かつ、対応するフィルタ済み信号を与えるべくヘテロダイン信号をフィルタリングするように構成されたフィルタリングコンポーネントと、
第１入力基本周波数および第１入力電圧を有する第１入力信号を受信するように構成された入力ポートと、
制御コンポーネントであって、
（ｉ）第１入力信号の少なくとも第１入力基本周波数を代表する信号を受信し、かつ、フィルタ済み信号が目標出力周波数を有するようにテロダインコンポーネントの基準周波数を決定するべく対応する周波数制御信号を生成し、
（ｉｉ）第１入力電圧を表す信号を受信し、かつ、目標出力電圧が二次巻き線において生成されるように少なくもひとつの仮想エアギャップ変圧器の制御巻き線内の電流を決定するべく対応する仮想エアギャップ制御信号を生成するように構成された制御コンポーネントと
を有し、
電力供給システムは、第１入力基本周波数および第１入力電圧を有する第１入力信号の形式で入力電気エネルギーを受信し、目標周波数および目標出力電圧の対応する第１出力信号の形式で対応する出力電気エネルギーを生成する。
【００３２】
ある実施形態において、システムは、当該システムが、第２入力基本周波数および第２入力電圧を有する第２入力信号の形式で第２入力電気エネルギーを受信し、かつ、第２目標周波数および第２目標出力電圧の対応する第２出力信号の形式で対応する出力電気エネルギーを生成するよう双方向使用可能に構成され、第２入力信号または当該第２入力信号から導出された対応する信号は、仮想エアギャップ変圧器の一次巻き線において第２目標出力電圧を有する対応する信号を生成するべく少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の二次巻き線へ印加される。
【００３３】
ある実施形態において、第２入力信号または当該第２入力信号から導出された対応する信号は、第２基本周波数および基準周波数の和および差に対応する第２周波数成分を有する対応する第２ヘテロダイン信号を生成するようヘテロダインコンポーネントによって受信され、フィルタリングコンポーネントは、周波数成分の和および差のひとつをそこから除去し、対応する第２フィルタ済み信号を与えるべく第２ヘテロダイン信号をフィルタリングするように構成されている。
【００３４】
ある実施形態において、ヘテロダインコンポーネントは、第１ヘテロダインコンポーネントであり、第１フィルタリングコンポーネントは、第１フィルタリングコンポーネントであり、システムは、第２ヘテロダインコンポーネントおよび第２フィルタリングコンポーネントを有し、第１ヘテロダインコンポーネントおよび第１フィルタリングコンポーネントは、第１経路に沿ってシステムを通じて流れる信号を処理するように構成され、第２ヘテロダインコンポーネントおよび第２フィルタリングコンポーネントは第１経路に対して概して反対方向の第２経路に沿ってシステムを通じて流れる信号を処理するように構成されている。
【００３５】
ある実施形態において、ヘテロダインコンポーネントは、第１ヘテロダインコンポーネントであり、フィルタリングコンポーネントは、第１フィルタリングコンポーネントであり、システムは、第２ヘテロダインコンポーネントおよび第２フィルタリングコンポーネントを有し、ヘテロダインコンポーネントおよびフィルタリングコンポーネントは、システムによって受信された第１信号が、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器への入力として与えられる前に、第１ヘテロダインコンポーネントおよび第１フィルタリングコンポーネントによってより高い周波数へアップコンバートされ、かつ、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の対応する出力が、第２ヘテロダインコンポーネントおよび第２フィルタリングコンポーネントによって目標周波数へダウンコンバートされるように構成され、より高い周波数の使用により、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の効率が改善される。
【００３６】
ある実施形態において、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、エネルギーを蓄積するように構成されたひとつ以上の対応するループによって直列に接続された２つ以上の仮想エアギャップ変圧器を有する。
【００３７】
ある実施形態において、電力供給システムは、エネルギーを蓄積および開放するように構成されたひとつ以上のインダクタおよび／またはひとつ以上のキャパシタを有する。
【００３８】
ある実施形態において、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、少なくともひとつの単相仮想エアギャップ変圧器を有する。
【００３９】
ある実施形態において、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、少なくともひとつの３相仮想エアギャップ変圧器を有する。
【００４０】
ある実施形態において、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、少なくともひとつのシェルタイプの仮想エアギャップ変圧器を有する。
【００４１】
ある実施形態において、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、仮想エアギャップが磁気回路内に形成されるところの磁気コアの一方の領域が第１材料から作成され、磁気コアのもう一方の領域が第２材料から作成されるように、それぞれ異なる磁気特性を有する異なる材料から成る磁気コアを含む少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器を有し、第１材料の少なくともひとつの磁気特性は、第２材料の少なくともひとつの磁気特性の値と異なる値を有する。
【００４２】
ある実施形態において、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、仮想エアギャップ変圧器のそれぞれの極片の対向面の間に配置された一つ以上の制御巻き線を有する仮想エアギャップ変圧器を有する。
【００４３】
ある実施形態において、各制御巻き線は、サーペンタイン平面ループの形式である。
【００４４】
ある実施形態において、各制御巻き線は、螺旋円形平面ループの形式である。
【００４５】
ある実施形態において、制御巻き線は、ひとつ以上のサーペンタイン平面ループおよびひとつ以上の螺旋円形平面ループを有する。
【００４６】
ある実施形態において、制御巻き線は、コアセクションの周りに巻かれている。
【００４７】
ある実施形態において、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、その内部に形成された相互に離隔された開口を具備する磁気コアを含む仮想エアギャップ変圧器を有し、ひとつ以上の制御巻き線は、開口部を通じて、かつ、開口部の間に配置された磁気コアの周りに巻かれている。
【００４８】
ある実施形態において、磁気コアは、積層ラミネーションで形成され、開口部は積層ラミネーション内のギャップによって画成されている。
【００４９】
ある実施形態において、磁気コアは、固体ボディの形式であり、開口部は、製造後にドリル加工によって形成される。
【００５０】
ある実施形態において、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、少なくともひとつの二次巻き線を通じる対向磁束経路を選択的に画定するよう配置された複数の仮想エアギャップを有する。
【００５１】
ある実施形態において、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器は、少なくともひとつの二次巻き線を通じて流れる磁束の量の制御を可能にするべく、複数の磁束経路を画定するように配置された複数の仮想エアギャップを有する。
【００５２】
本願発明のある態様に従い、電力供給方法が与えられ、当該方法は、
電力供給システムの制御コンポーネントにおいて、少なくとも第１入力信号の時間変化する第１基本周波数および第１入力信号の時間変化する第１電圧を表す少なくともひとつの信号を受信する工程と、
受信した信号を処理する工程であって、
（ｉ）電力供給システムのヘテロダインコンポーネントに、第１基本周波数および基準周波数の和および差に対応する周波数成分を有する対応するヘテロダイン信号を生成させるよう対応する周波数制御信号を生成し、
（ｉｉ）電力供給システムの仮想エアギャップ変圧器に、目標出力電圧を有する対応する信号を生成させるよう対応する電圧制御信号を生成するように処理する工程と
を有し、
第１入力基本周波数および第１電圧を有する第１入力信号の形式で受信した入力電気エネルギーは、目標周波数および目標出力電圧の対応する第１出力信号の形式で、対応する出力電気エネルギーを生成するよう処理される、ことを特徴とする。
【００５３】
ある実施形態において、ヘテロダインコンポーネントは、第１ヘテロダインコンポーネントであり、フィルタリングコンポーネントは第１フィルタリングコンポーネントであり、システムは、第２ヘテロダインコンポーネントおよび第２フィルタリングコンポーネントを有し、当該方法は、当該システムによって受信された第１信号が、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器への入力として与えられる前に、第１ヘテロダインコンポーネントおよび第２フィルタリングコンポーネントによってより高い周波数にアップコンバートされるようにヘテロダインコンポーネントおよびフィルタリングコンポーネントを制御し、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の対応する出力が、第２ヘテロダインコンポーネントおよび第２フィルタリングコンポーネントによって目標周波数までダウンコンバートされ、より高い周波数の使用により、少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の効率が向上する工程を有する。
【００５４】
ここで説明する電力供給システムは、
少なくともひとつの一次巻き線、少なくともひとつの二次巻き線、一次巻き線と二次巻き線との間の電磁気結合を制御するための少なくともひとつの制御巻き線を含む少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器と、
第１基本周波数を有する信号を受信し、かつ、第１基本周波数と基準周波数との和および差に対応する周波数成分を有する対応するヘテロダイン信号を生成するよう構成されたヘテロダインコンポーネントと、
周波数成分の和および差の一方をそこから除去し、対応するフィルタ済み信号を与えるようヘテロダイン信号をフィルタリングするよう構成されたフィルタリングコンポーネントと、
第１入力基本周波数および第１電圧を有する第１入力信号を受信するように構成された入力ポートと、
制御コンポーネントであって、
（ｉ）第１入力信号の少なくとも第１基本周波数を表す信号を受信し、かつ、フィルタ済み信号がターゲット出力周波数を有するようにヘテロダインコンポーネントの基準周波数を決定するべく対応する周波数制御信号を生成し、
（ｉｉ）第１電圧を表す信号を受信し、かつ、目標出力電圧が二次巻き線で生成されるように少なくともひとつの仮想エアギャップ変圧器の制御巻き線内の電流を決定するべく対応する仮想エアギャップ制御信号を生成するように構成された制御コンポーネントと
を有し、
電力供給システムは、第１入力基本周波数および第１電圧を有する第１入力信号の形式で、入力電気エネルギーを受信し、かつ、目標周波数および目標出力電圧の対応する第１出力信号の形式で対応する出力電気エネルギーを生成する、ことを特徴とする。
【００５５】
また、ここで説明される電力供給方法は、
電力供給システムの制御コンポーネントにおいて、少なくとも第１入力信号の第１基本周波数および第１入力信号の第１電圧を表す少なくともひとつの信号を受信する工程と、
受信した信号を処理する工程であって、
（ｉ）ヘテロダインコンポーネントに、第１基本周波数と基準周波数との和および差に対応する周波数成分を有する対応するヘテロダイン信号を生成させるべく、対応する周波数制御信号を生成し、
（ｉｉ）仮想エアギャップ変圧器に、目標出力電圧を有する対応する信号を生成させるべく、対応する電圧制御信号を生成するように処理する工程と
を有し、
第１基本周波数および第１電圧を有する第１入力信号の形式で受信された入力電気エネルギーは、目標周波数および目標出力電圧の対応する第１出力信号の形式で対応する出力電気エネルギーを生成するように処理される、ことを特徴とする。
【００５６】
本願発明のいくつかの実施形態が、添付する図面を参照して例示的に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】図１は、本願発明のある実施形態に従う、電気エネルギー供給システムのブロック図である。
【図２】図２は、本願発明のある実施形態に従う、電気エネルギー供給システムの仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図であり、この例は、磁束経路内に仮想エアギャップを有する単相コアタイプの変圧器からなり、エネルギーがエアギャップ内に主に磁場エネルギーとして蓄積される。
【図３】図３は、ＶＡＧＴを通じて流れる双方向電気エネルギーと、電気エネルギー供給システムの実装のヘテロダインコンポーネントおよびフィルタリングコンポーネントを示すブロック図である。
【図４】図４は、２つのヘテロダインコンポーネントおよび２つのフィルタリングコンポーネントを有する電気エネルギー供給システムの実装を通じて流れる双方向電気エネルギーを示すブロック図である。
【図５】図５は、エネルギーを蓄積するのに使用可能な内部巻き線と直列に相互接続された図１の２つの単相ＶＡＧＴによって形成される合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図６】図６は、磁束経路内に仮想エアギャップを含む単相コアを有する仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の第２の形式の略示図であり、本例は、エアギャップ内に主に磁場エネルギーの形式でエネルギーを蓄積することができる。
【図７】図７は、直列に相互接続された図６の２つの単相ＶＡＧＴによって形成される合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図８】図８は、磁束経路内に仮想エアギャップを有する単相シェルタイプ変圧器によって形成される仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の第３の形式の略示図である。
【図９】図９は、直列に接続された図８の２つの単相ＶＡＧＴによって形成される合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図１０】図１０は、磁束経路内に仮想エアギャップを有する３相シェルタイプ変圧器によって形成される仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の第４形式の略示図である。
【図１１】図１１は、直列に相互接続された図１０の２つの３相ＶＡＧＴによって形成される合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図１２】図１２は、磁束経路内に仮想エアギャップを有する３相シェルタイプ変圧器によって形成される仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の第５形式の略示図である。
【図１３】図１３は、直列に相互接続された図１２の２つの３相ＶＡＧＴによって形成される合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図１４】図１４は、ヘテロダインをサポートするべく実装された電気エネルギーシステムのコンポーネント間の信号の流れを示す単純化したブロック図である。
【図１５】図１５は、装置のコアの周りの制御巻き線を使う仮想エアギャップ変圧器のひとつの実装の略示図である。
【図１６】図１６は、装置内に複数の仮想エアギャップを形成するべく装置のコアの周りに複数の制御巻き線を有する仮想エアギャップ変圧器の代替的実装の略示図である。
【図１７】図１７は、図１８に示す仮想エアギャップ変圧器の実装を形成するために、制御巻き線を有する２つのコンポーネントを一緒にする前の変圧器のコアの２つのコンポーネントの略示図である。
【図１８】図１８は、図１７に示すコンポーネントおよびそれらの間の制御巻き線から形成される仮想エアギャップ変圧器の略示図である。
【図１９】図１９は、図１７および１８の極コンポーネント間で使用される制御巻き線の多くの可能な構成のうちの３つを示す。
【図２０】図２０は、コアを貫通して形成される穴を通じてワイヤを縫い着けることにより変圧器の磁気コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップ変圧器の実装の略示図である。
【図２１】図２１は、円柱状開口部の間で任意の方向（ｘ、ｙ、ｚ軸）に巻かれ、コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップの実装の略示図である。
【図２２】図２２は、コアを貫通して形成された円形開口部を通じて送り込むことにより、コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップの実装の略示図である。
【図２３】図２３は従来の変圧器と比較した、ここで説明される電気エネルギー供給システムの変換効率のグラフを示す（電気エネルギー供給システムは、それが装置を制御するために電力を使用するため、より低いピーク効率を有するが、装置は、より良いフレキシビリティを与えるより広い効率帯域を有する）。
【図２４】図２４は、制御巻き線のパルス幅変調を与えるための２つのブリッジ回路、整流器およびＤＣリンクを有する回路図である。
【図２５】図２５は、仮想エアギャップ変圧器の制御を与えるための制御ループおよび機能ブロックの略示図である。
【図２６】図２６は、仮想エアギャップ制御内で使用するための位相ロックループの実装の略示図である。
【図２７】図２７は、仮想エアギャップの制御されたリラクタンス、コアリラクタンス、一次および二次巻き線を示す磁気回路の略示図である。
【図２８】図２８は、コア磁束を測定するための磁束検知巻き線を有する、単相コアタイプの仮想エアギャップ変圧器の略示図である。
【図２９】図２９は、制御巻き線内の電流と一次巻き線内の電流との間の関係、ならびに、制御電流を最小化することによる形状の変化を示す図である。
【図３０】図３０は、カーブのひとつのセクションから他のセクションへの電力の短期シフトを示すべく、ひとつの軸線上で２つを比較しつつ、装置を通じた変調の前後の波形を示す図である。
【図３１】図３１は、４つのセクションから構成された単相コアタイプ変圧器の略示図であり、２つのセクションは一次および二次巻き線を有し、他の２つのセクションは３つのサブセクションを有し、中間のサブセクションは異なる材料から形成されている。
【図３２】図３２は、３つの独立した制御巻き線ループを有する、垂直構成の６つの穴からなる仮想エアギャップの略示図である。
【図３３】図３３は、ラミネートのいくつか層に破れを有する、変圧器用の標準的ラミネート積層プロセスの略示図であり、スペーサの使用により、ドリルを使うことなくコアの内部に制御巻き線用の穴を形成できる。
【図３４】図３４は、制御巻き線に印加されている電流による磁気コア内の交替磁束経路の略示図である。
【図３５】図３５は、磁気コアを通じて磁束をリダイレクトし、かつ、二次巻き線を通じて磁束方向を変更するべく、複数の仮想エアギャップによって制御される複数の磁束経路を有する、合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【図３６】図３６は、磁束が異なる経路間で制御可能に分配され、かつ、二次巻き線を通じて流れる磁束の量を変更できるように複数の仮想エアギャップによって制御される複数の磁束経路を有する合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の略示図である。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
本願発明の実施形態は、ある周波数および電圧を有する入力信号の形式で、入力電気エネルギーを受信すること、および、所望または目標周波数および所望または目標出力電圧を有する出力信号の形式で入力電気エネルギーを出力電気エネルギーに変換することに関連する電力供給システムおよび方法を含む。入力電気エネルギーは、典型的に時間に亘って変化し（すなわち、その周波数および／または電圧は時間依存性がある）、よってシステムおよび方法は、出力電気エネルギーが所望の目標周波数および目標電圧を有するように変換を動的に制御するべく動作し、それ自身が時間にわたって変化してもよい。
【００５９】
本願発明の実施形態は、改良された効率およびレギュレーションを分配するべく、電気回路切替えの代わりに高速電磁気経路切替えを利用しつつ（および２つのシステムを電気的に絶縁し）力率補正を同時に与えながら、周波数および電圧変換を与えることができる。
【００６０】
本願発明の実施形態は、主に電力供給の文脈で説明されるが、他の実施形態が、例えば電気自動車、航空機用の電気システム、および、その他の応用の可変周波数駆動（ＶＦＤ）を含む、出力電圧および／または周波数の制御が必要な本質的に任意の電気システムアプリケーションにおいて使用可能であることは、当業者の知るところである。ここで説明される電力供給システムおよび方法の多くの他のアプリケーションが、本開示を参照する当業者には明らかである。
【００６１】
本明細書において、特に断らない限り、用語“信号”は便宜上使用され、電圧および少なくともひとつの基本周波数（ＤＣ電圧の場合はゼロ）によって特徴づけられる電気エネルギーの形式であるように広く解釈され、任意の情報が信号によって代表されるかまたは運ばれることを必ずしも要求しない。それにも関わらず、本願発明のある実施形態は、信号内で符号化される情報の通信に関連してよい。
【００６２】
図１に示すように、電力供給システム１００は、周波数制御コンポーネント１０２、電圧制御コンポーネント１０４、およびコントローラ１０６を有する。上述したように、周波数制御コンポーネント１０２は、ある特徴的な入力周波数の入力信号を受信し、入力周波数と無関係に、選択または所望の周波数を有する対応する出力信号を与える。同様に、電圧制御コンポーネント１０４は、ある特徴的な入力電圧の入力信号を受信し、入力電圧に無関係に、選択または所望の出力電圧を有する対応する出力信号を与える。組み合わせて、周波数制御コンポーネント１０２および電圧制御コンポーネント１０４は、システム１００がある特徴（典型的に時間変化）の周波数ｆｉｎおよび電圧Ｖｉｎを有する入力信号を受信し、かつ、選択周波数ｆｏｕｔおよび選択電圧Ｖｏｕｔを有する対応する出力信号を生成するように、協調動作する。例えば、電力供給システム１００が幹線給電システムの一部として使用されるところで、システム１００は、出力周波数ｆｏｕｔが一定でかつ５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの適切な幹線電気周波数と等しいように構成される。出力電圧は、システム１００上の電気負荷と一致するように動的に調節される。公称幹線周波数からの逸脱は、電気グリッド内の損失の主なソースである。
【００６３】
コントローラ１０６は、入力周波数および電圧をモニターするためにステップダウンデバイス（例えば、説明される実施形態においてバックコンバータ）を使用し、周波数制御コンポーネント１０２および電圧制御コンポーネント１０４の動作を制御するべくそれぞれ使用される対応する周波数および電圧制御信号を生成する。
【００６４】
当業者に周知なように、変圧器は相互インダクタンスを介してひとつの回路から他の回路へ電気エネルギーを伝送する電磁気デバイスであり、典型的に、一次巻き線、磁気コアおよび二次巻き線から作成される。交流電圧が一次巻き線に印加されるとき、交流電流が、一次巻き線を通じて流れる。この磁化電流は、交替磁束を生成する。この磁束は、ほとんど磁気コア内部に束縛され、リンクした二次巻き線内に電圧を誘導する。もし電気的負荷が接続されていれば、それは交流電流を生成する。この二次負荷電流はその後、一次巻き線とリンクバックする自身の交替磁束を生成する。
【００６５】
二次電圧は、二次巻き線の巻数と一次巻き線の巻数の比および一次電圧の積によって決定される。通常、変圧器は高低電圧間を変換するのに使用されるが、それは要求される分配周波数に応じてかさばる。これは高効率、単純設計および双方向電力伝送を提供するが、その受動的性質は、非効率的な力率制御および電圧レギュレーションの導入を要求しつつ、伝送電力の制限されたレギュレーションを提供する。幹線供給周波数での動作の物理はまた、それを所与の電力定格に対して比較的大きくし、材料、組立および絶縁管理のコストを増加させる。
【００６６】
電圧変換
電圧変換は、ここで、“仮想エアギャップ変圧器”または図２に示す“ＶＡＧＴ”２００と言及される変圧器構成の形式で電圧制御コンポーネント１０４を与えることにより達成される。そこでは、少なくともひとつの制御巻き線２０２が、変圧器の一次巻き線２０４と二次巻き線２０６との間の磁束経路内に配置され、磁気コアの局所領域２０８を制御可能に飽和し、それにより一次巻き線２０４と二次巻き線２０６との間の電磁気結合を制御し、ひいては二次巻き線２０６をまたいで生成される電圧を決定する。磁束経路の局所領域２０８を飽和する効果は、磁束経路内の物理的エアギャップの効果と均等であり、任意の時刻の飽和領域２０８（したがって、同等な“仮想”エアギャップ２０８）のサイズは、その時刻での制御巻き線２０２を通じて流れる電流によって決定される。制御巻き線２０２を通じて流れるこの制御電流は、各実装の特定の要求によって決定されるように、ＤＣまたはＡＣのいずれかであり、各電流のタイプは、異なる特性および複雑さを与える。例えばＤＣ電流は、制御を単純化するために使用され、一方、ＡＣ電流は、より複雑な制御のために使用され、より低い電気リーク損失をもたらす。
【００６７】
さまざまな制御電流実装に加え、装置のいくつかの実装は、制御巻き線２０２に短絡回路を適用可能であるか、または、複数の巻き線が実装される場合に制御巻き線のいくつかに短絡回路を適用可能である。短絡回路の適用中に、制御巻き線は、その時点でのシステムの状態に対する任意の変更に対抗する方法で、磁気コア磁束に影響を及ぼす。磁気コアおよび磁気コア断面内の局所的ポイントでのこの現象を利用して、磁束経路は交替しかつ飽和する。
【００６８】
一次巻き線２０４をまたいで入力電圧を動的にモニターし、かつ、制御巻き線２０２を通じて流れる電流の関数として二次巻き線電圧と一次巻き線電圧との間の関係を知ることにより、制御巻き線２０２を通じて流れる電流は、二次巻き線２０６をまたぐ選択または所望の電圧を与えるよう動的に制御可能となる。
【００６９】
さらに、装置のある実装において、一次巻き線２０４をまたぐ電圧だけでなく二次巻き線をまたぐ電圧も測定される。装置のある実装において、電圧および周波数は、一次巻き線、二次巻き線、またはその両方で測定される。
【００７０】
装置のある構成において、ＶＡＧＴのコアを通じる磁束が測定される。磁束は、装置を通じて流れる電力に関連し、制御巻き線を使った磁気回路のリラクタンスを変更することにより制御される力である。実装の特定の要求に応じて、磁束はホール効果センサー（例えば、http://uk.rs-online.com/web/c/automation-control-gear/sensors-transducers/hall-effect-sensors/）によって測定されるか、または、図２８に示すような磁気コアの周りの巻き線によって測定される。この測定を達成するために多くの周知の構成および検知方法が使用可能であることは当業者の知るところである。
【００７１】
ＡＣ磁束ソースによって駆動される磁気回路において、主磁束（Φｍ）は、駆動電圧によって決定される（Φｍ＝∫ｖｄｔ）。コア内の磁束密度は、以下のようにして計算されるリラクタンスを有する。
【数１】
2019528567.tif 000004
ここで、ｌは磁束の長さであり、Ａｃはコアの断面積であり、μ０μｒはコアの透磁率である。
【００７２】
コア内の起磁力（ｍｍｆ）は、磁束およびリラクタンスの関数である。仮想エアギャップの変化によるコアのリラクタンスの変化は、対応するｍｍｆの変化を生成する。それは、続いて、ＶＡＧＴ２００の一次インダクタンスの変化を生成する。
【００７３】
コアは、以下に従うフラックスおよびリラクタンスの関数である関連するトータルｍｍｆを有する。
【数２】
2019528567.tif 000005
【００７４】
もし、エアギャップが磁気回路内に挿入されれば、エアギャップリラクタンス（Ｒｇ）の付加によりリラクタンスが増加し、それによりｍｍｆが増加する。図２７は、これを単純に表す回路図である。標準的なＤＣ駆動電圧の場合には、ｍｍｆおよび電流が一定で、磁束がリラクタンスの変化に伴って変化するので、これとは異なる。高調波によって変調されたＤＣ駆動電圧は、ある動作条件のもとで高調波出力を削減することができる（http://ieeexplore.ieee.org/document/4595983/を参照）。変調されたＡＣ駆動電圧は、エネルギー使用を削減し、正しく制御された場合、装置および出力電力に対するエネルギー利用を改善する。図２９は、一次巻き線２０４内の電流がサイクルを通じて変化するに従い、制御巻き線２０２内で要求される電流の量が変化し、したがって出力目標信号を達成するのに要求される制御電流が減少し（例えば、曲線２９０２から曲線２９０４）、装置の効率が改善する。
【００７５】
仮想エアギャップ２０８は、ＶＡＧＴを通じて流れる電力フローの制御を与えるために一次磁束経路内に与えられる。しかし、図２に示すように、第２の仮想エアギャップ２１０もまた戻り磁束経路内に与えられてよい。物理構造（ＶＡＧＴが単相か３相かを含む）に応じて、最低でも、各相に対する一次磁束経路は直接的に制御可能であることを保証しつつ、ＶＡＧＴは複数の仮想エアギャップを有してよい。複数の仮想エアギャップは、局所的飽和のレベルを変化させるべくある実施形態において利用可能である。
【００７６】
最低でも、仮想エアギャップは、全ＶＡＧＴに関して互いにキャンセルされるが、各対応する局所飽和領域においてコアを飽和するように、反対の磁束を生成するように配置された２つのＤＣまたはＡＣ巻き線によって形成される。ＶＡＧＴの特定の構成（巻き線およびコアの材料および構成、積層、寸法、コアサイズおよび形状、位相の数および面構成などを含む）は、当業者に周知の標準的な変圧器設計方法を使って決定可能であり、仮想エアギャップの数および位置、ならびに、制御巻き線の構成は特定のアプリケーションに対する電気的要求により決定される。
【００７７】
仮想エアギャップを含む変圧器の磁気コアは、磁気リラクタンスが制御巻き線を通じて流れる電流によって制御可能であるところの任意の材料から作成可能である。それは、これに限定しないが、強磁性材料を含む。コア自身は、単一の構造として形成されてよく、または、複数のコンポーネント部品から構成されてもよい。それは、磁気コアの異なる領域ごとに同じかまたは異なる材料から作成されてもよい。これにより、仮想エアギャップが形成されるところのコアの局所的強磁性特性が、磁気コアの他の領域の特性と異なるよう、異なる磁化曲線（磁気ヒステリシス曲線、または、通常Ｂ−Ｈ曲線とも呼ばれ、ここで、Ｂは磁束密度、Ｈは磁場強度、μは透磁率、Ｂ＝μＨ）を有するようにできる。
【００７８】
ＶＡＧＴを通じて流れる電力は、仮想エアギャップ２０８、２１０を制御することにより調整される。入力電力および出力電力の抽出が定期的に変更可能であるので、仮想エアギャップ２０８、２１０は、選択したレベルのリラクタンスを与えるべく制御巻き線２０２内のＤＣまたはＡＣ制御電流を変更することにより対応して調節される。制御電流は、電流レベルが直接変更される直流アナログ信号か、等価な平均電流を与えるようパルス幅変調（ＰＷＭ）を使ったデジタル信号の形式を取ってもよい。ＰＷＭは、供給される電力を制御するよう負荷に影響を及ぼす、より速い速度で交替するデジタル信号を使用する。適当なデューティサイクルで負荷への電圧を切り替えることで、所望の電圧レベルに近づく。同じ方法で、デューティサイクルは、デジタルソースを使ってアナログ波形の近似を分配するべく変更可能である。現在の半導体は、ミリ秒の切替えを与えることができる。これは、電力損失が非常に小さいが、不完全な波形生成が、あるアプリケーションでの有意な高調波および損失を生じさせることを意味する。
【００７９】
制御巻き線２０２を通じて流れる電流のＰＷＭは、図２４に示すように、整流器、ＤＣリンクおよび２つのブリッジからなる制御回路を通じて達成される。２つのブリッジは、４つのダイオードおよび４つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）から作成される。４つのＩＧＢＴは、目標信号出力を分配するべく、制御巻き線２０２に正しい電流レベルを与えるために、コントローラ１０６によってオンおよびオフを切り替えられる。これは、さまざまな多くの回路トポロジーにおいて達成可能であることは当業者の知るところである。ステップダウンコンバータ（バックコンバータ）を利用する制御回路トポロジーにより、電力利用が大きく減少し、所望の大きさおよび範囲の仮想エアギャップ制御を達成することが可能となる。
【００８０】
１０ｋＨｚの速度でＰＷＭを制御することにより、図３０に示すように高調波を除去するために、出力信号の波形はＶＡＧを使って変調される。制御の速度は、上限における技術の実装の実用性によって束縛され、制御の任意の周波数が使用可能であることは当業者の知るところである。より速い制御速度は、より良い高調波補償および補正を与える。
【００８１】
平均電力フローが制御ポイントとして使用されるとき、時間にわたってＶＡＧＴを通じた過剰電圧および過少電圧の両方に対する電圧のほぼ等しい分散が存在する。少量の内部電力ストレージは、過剰電圧のピークを切片して、過少電圧時間を補償するべくＶＡＧＴで利用可能である。この過剰電圧による電力損失は、過剰電圧を受動的に通過することにより作成される非効率および損失よりも有意に小さい。
【００８２】
内部電力ストレージ要求を減少させるために、ＶＡＧＴの電力レベルは、平均入力電圧より低く制御される。これは、分配ネットワークの他の損失に比べてまだ有意に大きい対応する損失を増加させつつ、時間にわたって平均電圧の品質を増加させる。正確な制御電力レベルは、特定のアプリケーションの要求によって決定される。
【００８３】
図３６に示すように、ある実施形態において、磁気コアは、一定の状態条件のもとで、二次巻き線を通じて流れる磁束を変化させつつ、磁気コアを通じる２つの経路間に磁束を分配するための二次磁束経路を有する。装置の電圧変換効率は、一次巻き線の巻数および一次電流、並びに、二次巻き線の巻数および二次電流に直接比例し、一定の状態条件の下で、磁気回路リラクタンスと独立である。一次磁束経路を制御する仮想エアギャップと組み合わせて二次仮想エアギャップによって制御される二次磁束経路は、２つの経路の間で全磁束の相対的分配を与える。一次磁束経路上の二次巻き線は、一次経路を通じて流れる磁束に関して誘導される電流のみを有し、一次または二次巻き線の巻数を変更せずに変更可能である。
【００８４】
ある実施形態において、仮想エアギャップによってブロックされ、そうでなければ損失する過剰エネルギーを蓄積するためにエネルギーリカバリ回路が使用される。このエネルギーは、キャパシタ、インダクタ、または他のエネルギーストレージデバイス内に蓄積され、続いて装置を通じて流れる主電力フロー内に直接投入されるか、キャパシタ、インダクタまたは他のストレージから直接投入される。
【００８５】
周波数変換
ここで説明する電力供給システムのある実装において、周波数制御コンポーネント１０２は、電圧変換と同じ方法で周波数変換を達成する。結合された電気システムの周波数が発電された電気の周波数に依存し、かつ、負荷と均衡するので、この発電と負荷のバランスが変化するに従い、システムの周波数は変化する。電力供給システム１００の入力および出力周波数を測定することにより、測定値の差は不均衡を示す。したがって、制御巻き線電流、すなわち仮想エアギャップを変化させれば、回路のリラクタンスは変化し、エネルギーは、以下で説明するように電力フロー内に投入されるか、または、そこから取得される。すなわち、図１の周波数制御コンポーネント１０２および電圧制御コンポーネント１０４の周りの破線ボックスによって示されるように、同じＶＡＧＴが電圧制御コンポーネント１０４および周波数制御コンポーネント１０２の両方に貢献する。コントローラ１０６からＶＡＧＴへの単一の制御信号（代表電圧）のみが存在するが、その信号は上述したように周波数を制御するのにも使用される。
【００８６】
ＶＡＧは、局所領域内のコアを飽和させ、ひいては磁束経路に影響を与えるのに使用可能である。図３５に示すコア構造を使用して、出力信号の周波数は、二次巻き線を通じる磁気経路を交替するべく、複数のＶＡＧを使用することにより変換可能である。これにより、磁気回路の本来のフィルタリングを利用しつつ磁場内のすべての切替えとともに、同じデバイスがインバータおよび整流器の両方として機能することが可能となる。
【００８７】
ここで説明する電力供給システムの可能な構成の多くは、本開示を参照して当業者にとって明らかである。この構成のひとつとして、コアタイプ変圧器が標準的なコアカットおよびスタック技術を使って製造される（http://sites.ieee.org/gms-pes/files/2014/11/Transformer-Manufacturing-Processes.pdfを参照）。図３１に示すように、一次または二次巻き線を有しない２つのコアセクションが、直列に並んだ３つの強磁性体材料の部分、すなわち材料１、材料２、および材料１から構成される。材料１および２は、異なるＢ−Ｈ曲線を有する。
【００８８】
図３１から３４に示すように、製造プロセス中、コアの材料２内にコア断面を通じて垂直方向に等間隔にアライメントされた６個の穴が形成される。特定の例において、これらの穴は、ひとつの連続シートでなく、図３３に示すように、別個の部品から作成されたコアレイヤーを有するように形成される。これらの部品は、積層プロセス中にスペーサを使ってアライメントされ、それは積層が終了した後に除去される。
【００８９】
一次および二次巻き線は適切なセクションの周りに巻かれる。図３２に示すように、制御巻き線は、コア製造プロセス中に作成された穴の間に巻かれる。穴には垂直方向に１から６の番号が付され、巻き線は、要求された数のループに対して、穴１および２の間、次に穴３および４の間、次に穴５および６の間に形成される。
【００９０】
制御巻き線は、図２４から２６に示すようなＡＣ制御信号のパルス幅変調を使って、電気回路切替え制御回路によって付勢される。高速マイクロプロセッサ（http://www.ti.com/product/TMS320F2808に記載されるテキサス・インスツルメント社製の100MHzデバイスなど）は、電圧および周波数を測定するための入力および出力（一次巻き線の直前でかつ二次巻き線の直後の回路）からのセンサー入力を有する。ホール効果磁束センサー（http://uk.rs-online.com/web/c/automation-control-gear/sensors-transducers/hall-effect-sensors/に記載される）が局所的磁束を測定するためにコア内の６つの制御巻き線穴内に埋め込まれている。
【００９１】
マイクロプロセッサは、図２４に示すようなブリッジ回路内の４つのＩＧＢＴデバイスをパルス幅変調するべく制御プロセスを実行する。これは、各モニター位置で磁束の正しいレベルを維持するために、制御コイルを通じた流れを変化させ、それは、測定電圧および入力および出力電流と組み合わせて、出力において目標設定値を分配する。持続制御フィードバックループは、１ＭＨｚで動作し、位相ロックループは１００ｋＨｚで動作する。
【００９２】
エネルギーリカバリ回路が、仮想エアギャップの結果として変換されたエネルギーを捕捉しかつ蓄積するべく含まれる。このリカバリ回路は、短期ストレージおよびエネルギーフローの円滑化を可能にするキャパシタを有する。
【００９３】
ヘテロダインを使った周波数変換
代替的に、ここで説明される電力供給システムのある実施形態において、周波数制御コンポーネント１０２は、通信理論からの周波数ヘテロダイン原理を使って周波数変換を達成する。
【００９４】
ここで説明するヘテロダインの使用はエネルギー損失を引き起こすが、特に、航空機、鉄道車両および宇宙船などのＶＡＧＴのサイズおよび重量が制限されるところのあるアプリケーションにおいて有用である。このアプリケーションにおいて、運動エネルギー利得は、付加的な電気損失を上回る。
【００９５】
当業者に周知なように、ヘテロダインは、２つの入力周波数を組みあわせまたは混合することにより新しい周波数を生成する方法である。周波数ｆ１およびｆ２の２つの信号は、ヘテロダインと呼ばれる２つの新しい信号を作成するために混合され組み合わされる。ひとつは、２つの周波数の和ｆ１＋ｆ２であり、もうひとつは２つの周波数の差ｆ１−ｆ２である。典型的に、新しい周波数のひとつのみが所望され、他の信号はフィルタリング除去される。
【００９６】
したがって、電力供給システムのこの実装において、周波数制御コンポーネント１０２は、可変周波数オシレータおよび可変周波数フィルタを有し、そのアイソレーションおよびフィルタリング周波数はコントローラ１０６によって生成される周波数制御信号８によって決定される。その結果、混合信号は、出力信号が常に所望の出力周波数であることを保証するように変更可能である。システム１００は、この周波数制御をコンバータ（インバータまたは整流器）の代わりに使用可能である。
【００９７】
図１を参照して、入力信号は、図の左から右に流れ、周波数はＶＡＧＴ１０４へ対応する信号を与える前に調節される。ＶＡＧＴ１０４が既知の周波数の信号で動作することができるので、この構成は概して好適であるが、入力信号が反対方向に流れることも可能である。その結果、入力信号は、周波数制御コンポーネント１０２によって周波数調節される前にＶＡＧＴ１０４を通じて流れる。
【００９８】
さらに、図１に示す構成は、いずれかの方向に流れる信号を処理するのに使用可能であり、それは、局所エネルギー生成ソース（例えば、住宅地のソーラーパネル）が、エネルギー分配ネットワークまたはグリッドから住宅地へ流れるエネルギーと反対方向に、エネルギー分配ネットワークまたはグリッドへ流れるエネルギーを生成することができるところのエネルギー分配のようなアプリケーションに対して特に有用となる。
【００９９】
例えば、図４は図１に基づく電気エネルギー供給システム４００を示すブロック図である。周波数制御コンポーネント１０２は、ヘテロダインコンポーネント４０２および周波数フィルタリングコンポーネント４０４を有し、これらのコンポーネント４０２、４０４を通じて適当な順序で信号が反対方向に流れる。
【０１００】
図５は、ＶＡＧＴ１０４の反対側に配置された２つの周波数制御コンポーネントを有する、他の電気エネルギー供給システム５００のブロック図である。それは、システム５００を通じていずれかの方向に伝搬する入力信号がＶＡＧＴ１０４へ与えられる前にその周波数が調節されることを可能にし、それが、ＶＡＧＴ１０４の効率を改良するために使用される。また、この構成により、入力信号の周波数は、ＶＡＧＴ１０４に印加される前にステップアップ（例えば、１ｋＨｚまで）可能となり、対応するＶＡＧＴ出力が所望の出力周波数を与えるべくステップダウン（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの適当な幹線供給周波数）可能となる。所与の磁束密度でヘテロダインの起電力（ＥＭＦ）が周波数一緒に増加するに従い、より高い周波数で動作することにより、コアが飽和に達することなくより大きなエネルギーを伝送可能であるため、変圧器は物理的により小さくすることが可能であり、同じインピーダンスを達成するのにより少ない巻数で済む。
【０１０１】
より小さい装置は、主な非効率である変圧器巻き線のオーム抵抗による銅損失を減少させることができる。一次巻き線の損失は、Ｉ１２Ｒ１であり、二次巻き線の損失はＩ２２Ｒ２である。ここで、Ｉ１およびＩ２は、それぞれ一次および二次巻き線内の電流であり、Ｒ１およびＲ２はそれぞれ一次および二次巻き線の抵抗である。より小さいデバイスはまた、デバイスの重量を削減し、鉄道車両、航空機および宇宙船などのアプリケーションにおいて利点を有し、その場合システム全体の効率が運動エネルギー利得によって大きく改善される。
【０１０２】
しかし、鉄損失（エディ電流およびヒステリシス損失）は、周波数に依存して増加する。ヒステリシス損失（変圧器コア内の磁化の反転による）は以下のように計算される。
Ｗｈ＝ηＢｍａｘ１．６ｆＶ  （ワット）
ここで、ηはシュタインメッツヒステリシス定数、Ｖはコア体積（ｍ３）、ｆは周波数である。
【０１０３】
上述したように、ここで説明する電気エネルギー供給システムは、電力フローを完全に制御し、かつ、システムの供給側へ完璧な負荷のイメージを与えるべく、負荷の電力要求と一致しながら、電圧、周波数および力率を双方向に制御することができる。これは、装置自身の効率を直接増加させるだけでなく、他のデバイスおよび他のデバイス自身への電力の伝送および分配を増加させる。
【０１０４】
以下で説明するように、変調およびチャネルペアリングスキームにより、システムを通じて流れる電力フローは、損失および歪みを減少させるべく繊細に制御され、かつ、相互接続された電力システムおよびグリッド間で一致可能となる。
【０１０５】
エネルギーストレージ
ここで説明する電気エネルギー供給システムは、電力フローレギュレーションを要求される付加的な電力を投入することにより最適化するべく、３つの方法で瞬間電力を蓄積する。電力は、キャパシタなどの付加的なエネルギーストレージ方法を使って磁場エネルギー（以下を参照）として各仮想エアギャップ内に蓄積される。また、瞬間的なパワーを保持するべく（特定の実装において要求されれば）内部ループが以下に示すような各システム内に与えられる。しかし、ＶＡＧＴデバイスは、ひとつ以上のキャパシタが導入される実施形態を除いて、動作中に電力フローを調整せず、任意の時間間隔にわたってパワーを蓄積することができない。
【０１０６】
インダクタンス（Ｌ）およびピーク電流（Ｉ）を有するインダクタの蓄積エネルギー（Ｗ）は、以下の計算によって決定される。
Ｗ＝１／２ＬＩ２
【０１０７】
このエネルギーは、フェライトコア内に磁場エネルギーとして蓄積される。要求される蓄積エネルギーが大きいほど、必要なコアはより大きくなる。インダクタのサイズは、蓄積エネルギーにほぼ比例する。
【０１０８】
エアギャップがインダクタに付加されるとき、インダクタのリラクタンスが増加する。コアの透磁率は、エアギャップより３桁のオーダーだけ大きい。それは、大部分のエネルギーがエアギャップ内に蓄積され、蓄積可能なエネルギーの量は、以下に示すようにエアギャップのサイズに比例することを意味する。
【数３】
2019528567.tif 000006
ここで、Ｂは磁束密度、Ａは断面積、δはエアギャップの幅、μ０はエアギャップの透磁率である。
【０１０９】
レンツの法則により、誘導電流の方向は、回路または磁場の変化に常に対抗するようなものである。こうして、蓄積された磁場エネルギーは、二次巻き線の小さい電力動揺をスムースにするのを助ける。ある実施形態において、電気エネルギー供給システムは、直列の仮想エアギャップを有する一対の変圧器から成る合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）を有し、内部電流ループを有する単一の合成ＶＡＧＴを生成するために、一方の二次巻き線と他方の一次巻き線との間のワイヤループを有する。ループの特性は、要求される瞬間エネルギーストレージの量によって決定される。仮想エアギャップを有する２つの変圧器は、単一のコントローラにより単一のデバイスとして制御される。あるアプリケーションに対して、この内部ループは少なくともひとつのキャパシタを有する。
【０１１０】
図２および図５から１３は、さまざまな実施形態で使用可能な仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の異なる形式の略示図であり、それは、磁場の形式でエネルギーを蓄積する内部ループによって直列に接続されたＶＡＧＴによって形成された合成ＶＡＧＴを含む。最も単純な形式のＶＡＧＴは図２に示されており、それは、磁束経路内に仮想エアギャップを有する単相コアを含む。エネルギーは、磁場エネルギーとして、主にエアギャップ内に蓄積される。このタイプの２つのＶＡＧＴは、２つのＶＡＧＴを内部結合する内部巻き線によってエネルギーを蓄積することができる合成ＶＡＧＴを形成するために、直列に相互接続される。
【０１１１】
図６は、磁束経路内に仮想エアギャップを有する単相コアを含む仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の第２形式の略示図であり、それは、主にエアギャップ内に磁場エネルギーの形式でエネルギーを蓄積することができる。この形式のＶＡＧＴは、変圧器の同じ側に一次巻き線および二次巻き線の両方を有し、一方が他方の外周を包囲し、両者の間に電気的なシールドを有する。図２のＶＡＧＴに関して、第２形式の２つの独立なＶＡＧＴが、図７に示すように合成仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）を形成するべく同様に直列に相互接続されている。
【０１１２】
仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の第３の形式が図８に示され、それは磁束経路内に仮想エアギャップを有する単相シェルタイプ変圧器によって形成される。再度、２つのＶＡＧＴが、図９に示すように合成ＶＡＧＴを形成するべく直列に相互接続される。
【０１１３】
上述したように単相ＶＡＧＴに加え、図１０に示すようにＶＡＧＴは磁束経路内に仮想エアギャップを有する３相シェルタイプ変圧器によって形成され、この一対が図１１に示す合成ＶＡＧＴを与えるように相互接続される。
【０１１４】
図１２は、磁束経路内に仮想エアギャップを有する３相シェルタイプ変圧器によって形成される仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の第５形式の略示図である。この一般的形式の一対のＶＡＧＴが図１３に示すような合成ＶＡＧＴを与えるべく直列に相互接続される。
【０１１５】
図１５から２２は、単相コアタイプの変圧器コアで示される、仮想エアギャップ構成のさまざまな異なる形式の略示図である。これらおよび他の構成が、複数のＶＡＧを有し、３相デバイス、およびシェルタイプコアに拡張可能であることは当業者の知るところである。
【０１１６】
図１５は、装置のコアの周りに巻かれた制御巻き線を使用する仮想エアギャップ変圧器（ＶＡＧＴ）の実装の略示図である。図１６は、装置内で複数の仮想エアギャップを生成するべく装置のコアの周りに巻かれた制御巻き線を使用する仮想エアギャップ変圧器の実装の略示図である。それは、物理的に形成または製造可能な任意の実際の数の仮想エアギャップに拡張可能である。図１８は、図１７で分離して示された磁気コアの２つのコンポーネント間に制御巻き線を使った仮想エアギャップの実装の略示図である。巻き線は、要求されるオリエンテーションおよびループの任意の組みあわせのワイヤからなり、それ自身によって、または、巻き線が周囲に交差してまたは内部に巻かれた材料によって補強されている。図１９は、図１８のＶＡＧＴのさまざまな異なる実施形態の磁気コアの２つのコンポーネント間で使用される制御巻き線のさまざまな構成を示す。この制御巻き線は、単独でまたはフレームワークの周りに巻かれるように、任意の角度および構成で任意の巻数で形成されてよい。
【０１１７】
図２０は、磁気コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップ変圧器の実装の略示図である。これは、任意の方向（ｘ、ｙ、ｚ軸）であってよい。図２１は、コア内に形成された円柱状開口部を通じて任意の方向（ｘ、ｙ、ｚ軸）に巻かれた、コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップの実装の略示図である。図２２は、コアを通じて形成された円形開口部を介して送り込むことにより、コア内に埋め込まれた制御巻き線を使った仮想エアギャップ変圧器の実装の略示図である。
【０１１８】
コントローラ
上述したように、コントローラ１０６は、システムに印加される対応する入力信号の周波数および電圧を代表する信号を受信し、ヘテロダインが使用される実装において、対応する出力信号が所望の出力周波数および出力電圧を有することを保証するべく、周波数制御コンポーネント１０２および電圧制御コンポーネント１０４の各々の動作を制御するために、周波数制御コンポーネント１０２および電圧制御コンポーネント１０４へそれぞれ与えられる対応する周波数および電圧制御信号を生成する。
【０１１９】
上述した実施形態において、ホール効果磁束センサーは、制御巻き線が磁気コア内の磁束と相互作用しかつ影響を及ぼすところの特定のポイントに配置されて使用される。これらの測定値は、要求される制御信号を決定するべく入力および出力電圧および周波数と関連して使用される。しかし、磁束に基づいて誘導される電流を有する磁気コアの周りに巻かれた巻き線のような他の測定センサーおよび技術が、磁束をモニターするのに使用可能であることは当業者の知るところである。
【０１２０】
コントローラ１０６の動作速度は、システムによって制御されている電力フローの周波数に依存する。これが周波数ヘテロダイン後にｋＨｚの範囲（電力分配アプリケーションに対して５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ以外）で与えられれば、システム内部で使用するアプリケーション要求に従って高速制御が利用されてもよい。５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの電気グリッド内では、ＭＨｚ範囲の比較的低いクロック周波数を有するマイクロプロセッサで十分である。
【０１２１】
コントローラ１０６は、入力信号の電圧および周波数を定期的に測定し、ある実施形態（もっとも通常、直列に接続された２つのＶＡＧを有する実施形態）において、できるだけ１に近い力率を維持するために、電圧および周波数制御信号によって可変エアギャップおよび（適用可能であれば）周波数ヘテロダインを直接制御するべく、出力信号の電圧および周波数も測定する。
【０１２２】
入力がその瞬間に必要な出力より大きいエネルギーを与える状況において、コントローラは、ＶＡＧＴのリラクタンスを増加させ、ひいては磁束を減少させることにより、ＶＡＧＴを通じて流れる電力フローを削減する。ＶＡＧＴのリラクタンスの増加は、ＶＡＧＴの磁場内に付加的な電力が蓄積されていることを意味する。
【０１２３】
入力がその瞬間に必要な出力より小さいエネルギーを与える状況において、コントローラは、入力および出力信号をモニターすることによりこれを決定し、制御巻き線内を流れる制御電流を減少させることにより、ＶＡＧＴを通じて流れる電力フローを増加させるべく対応する制御信号を生成する。これは、ＶＡＧＴ内の磁束を増加させ、かつ、リラクタンスを減少させ、それによって、ＶＡＧＴへ入力される電力より大きい本質的に瞬間的な電力出力が分配される。もしＶＡＧＴがすでにリラクタンスの最小値レベル（すなわち、ＤＣ制御電流がすでにゼロでありかつこれ以上減少不能）であれば、ある実施形態において、内部ループ内に蓄積されたエネルギー（およびキャパシタまたは他のエネルギーストレージ）が短期の電力欠損を補償するべく使用可能である。
【０１２４】
電力供給システム用の代替的制御方法は、遅れ制御（上述したような先行制御ではない）である。この構成において、システムは、瞬間的入力および出力電力レベルに基づいて、要求されるように磁場へまたは磁場からエネルギーを投入および吸収する入力および出力と同期する方法で動作する。その後、これは、磁気回路のリラクタンスおよび一次巻き線と二次巻き線との間のエネルギー伝送の効率のバランスを変化させる。コントローラは、入力および出力をモニターし、その後、システムを均衡状態に戻すべく、この不均衡の影響に反応する。
【０１２５】
ＶＡＧＴ巻き線、制御巻き線および内部ループの比率およびキャパシタサイズは、電力不足の状況を補償するべく効率およびキャパシティの最適なバランスを与えるよう選択され得る。
【０１２６】
上述した実施形態において、コントーラ１０６は、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として実装され、装置を通じて流れる電力から付勢され、電力供給プロセスは不揮発性メモリ内に蓄積されるコンフィギュレーションデータとして実装される。しかし、他の実施形態において、コントローラ１０６は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）または不揮発性メモリ内に蓄積されたインストラクションを実行するようにプログラムされたマイクロプロセッサとして実装可能であることは当業者の知るところである。また、他の実施形態において、コントローラは、配電盤からの局所制御電力のような利用可能な局所的電源によって付勢されてもよいことは当業者に周知である。
【０１２７】
上述したＰＷＭ制御実装に拡張する際、測定した磁束は、図２５に示すようなＦＰＧＡ（または適当な他のコントローラ装置）を有する制御フィードバックループに対して使用される。この制御に対する基準信号は、測定済み磁束によって駆動される位相ロックループ（ＰＬＬ）によって与えられる。位相ロックループは、図２６に示すように、互いに対して入力および出力周波数をロックするべく、位相検出器、フィルタ、および、フィードバックループを有する電圧制御オシレータを使用する。説明する実施形態において、位相ロックループは、１ｋＨｚの速度で制御されるが、異なる制御速度が他の実施形態で使用可能であることは当業者の知るところである。
【０１２８】
図１４の略示図を参照して、以下に示す表２は、電圧制御コンポーネントまたはＶＡＧＴ１０４の片側に機能的に配置された２つの周波数制御コンポーネント１０２を有する電気エネルギー供給システムの動作を制御するべくコントローラ１０６によって使用される、入力、出力および内部変数を示す。
【表２】
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【０１２９】
制御ダイアグラム
ＰＤＦ、ＶＡＧＴおよびＳＨＦの各々は、アナログ信号の形式でコントローラ１０６から制御入力を受信する。コントローラ１０６は制御出力がどのようなものであるかを決定するために、入力および出力信号で、標準位相および電圧測定デバイスを使って、装置を通じて流れる電力からアナログ入力を受信する。適当な装置は、以下に記載されているものを含む（http://www.ni.com/white-paper/8198/en/#toc3,  https://www.pce-instruments.com/english/measuring-instruments/test-meters/3-phase-power-meter-kat_155415_1.htm,  http://w3.siemens.com/powerdistribution/global/en/lv/portfolio/pages/7km-pac-measuring-devices.aspx,  および  http://www.schneider-electric.com/en/product-category/4100-power-energy-monitoring-system）。
【０１３０】
ここで説明する電力供給システムの概略的動作を示すために、以下では、電力供給システムが、一次から二次へ、すなわち、一次側のソースおよび二次側の負荷へ流れる電力を有する入力信号の形式で単相電力を受信するところの例として電力供給プロセスのステップを説明する。
【０１３１】
１．装置への入力はＰＦおよびＰＶである。
２．ＰＨＦへの入力としてＰＦおよびＰＶを測定する。
３．ＶＡＧＴに対する要求周波数入力を作成するべく要求ＰＯＦを計算する。
４．ＰＨＦ内へＰＯＦを投入し、かつ、不所望のヘテロダインをフィルタリング除去する。
５．ＰＨＦが、ＰＦより非常に高いレベルで電圧ＰＶおよび周波数ＩＦを有する電力を出力する。
６．ＰＶとともにＶＡＧＴ内への入力としてＩＦを測定する。
７．ＳＶＳを分配するべく、ＶＡＧＴ内へ投入するよう、ＰＶおよびＳＶに基づいて要求ＤＣＣを計算する。
８．ＶＡＧＴのリラクタンスを変化させることにより、ｍｍｆ（起磁力）を制御するべくＶＡＧＴ内へＤＣＣを投入し、それにより、固定巻線比を有する出力電圧に影響を与える。
９．ＶＡＧＴが、電圧ＳＶＳおよび周波数ＩＦを有する電力を出力する。
１０．ＳＦＳを作成するべく、要求ＳＯＦを計算する。
１１．ＳＨＦ内へＳＯＦを投入し、かつ、不所望のヘテロダインをフィルタリング除去する。
１２．ＳＨＦが電圧ＳＶＳおよび周波数ＳＦＳを有する電力を出力する。
１３．装置の出力はＳＶおよびＳＦとアライメントされたＳＶＳおよびＳＦＳである。
【０１３２】
同じプロセスが、一次および二次入力、出力およびセットポイントを入れ替えることにより、逆方向に流れる電力フローに対して適用される。各相に適用することにより同じプロセスが３相電力に対しても使用可能である。
【０１３３】
ここで説明される電力供給システムおよびプロセスは、目標電圧および目標周波数を有する対応する出力エネルギーを生成するために、システムによって受信される入力エネルギー内の変化に動的かつ急速に応答することできるので、特に有利であることがわかる。特に、この能力により、説明したシステムおよびプロセスは、出力エネルギーをシステム上の負荷によって要求されるエネルギーと一致させることが可能になる。また、システムおよびプロセスは双方向使用可能であり、このことは、それらがエネルギーグリッドから供給されかつ一方向に流れるエネルギーに対して、および、例えば、システムを通じて反対方向に流れる再生可能エネルギーソースから供給されるエネルギーに対しても実行可能であることを意味する。例えば、風力の変化および／または利用可能な太陽光の変化から生じる局所的発電の変化を、固定負荷に対する比較的一定の出力を与えるようシステムおよびプロセスによって緩和することが可能である。同様に、システム上の負荷の変化は、対応する仮想エアギャップ変圧器の能力内で補償可能であり、もちろんそれはゼロの制限によって決定される電圧範囲内で動作するよう、かつ、個別のＶＡＧＴの磁気コア内の局所的飽和を完成させるよう制限され、それは、各ＶＡＧＴの構成によって決定される。異なる仮想エアギャップ構成を有するＶＡＧＴの範囲が所与のアプリケーションに対する電圧および電力変動のそれぞれの要求に一致するように製造可能であることが理解されよい。
【０１３４】
本願発明の態様から離れることなく、多くの修正が可能であることは当業者の知るところである。
【図１】
2019528567.tif 000008
【図２】
2019528567.tif 000009
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
2019528567.tif 000031
【図２５】
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【図２６】
2019528567.tif 000033
【図２７】
2019528567.tif 000034
【図２８】
2019528567.tif 000035
【図２９】
2019528567.tif 000036
【図３０】
2019528567.tif 000037
【図３１−３２】
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【図３３】
2019528567.tif 000039
【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【国際調査報告】
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