(57)【要約】【課題】電気機械（１４）を運転するための方法及びシステムを提供する。【解決手段】本方法は、少なくとも１つのダイオード（３２）を有するダイオード整流器（３０）を備えたブラシレス励磁システム（１０）を準備するステップと、ダイオード（３２）と並列に接続された少なくとも１つの抵抗器（３３）によって発生された熱エネルギーを感知するステップと、少なくとも１つの抵抗器（３３）からの発生熱エネルギーの偏差を検出するステップとを含む。別のステップでは、発生熱エネルギーの偏差が所定の閾値偏差レベルを超えた場合に、ダイオードのエラーつまり故障又は機能不良ダイオードを示す信号を発生する。【選択図】      図１
2011250682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械を運転する方法であって、
少なくとも１つのダイオード（３２）を有するダイオード整流器（３０）を備えたブラシレス励磁システム（１０）を準備するステップと、
前記少なくとも１つのダイオード（３２）と並列に接続された少なくとも１つの少なくとも１つの抵抗器（３３）によって発生された熱エネルギーを感知するステップと、
前記少なくとも１つの抵抗器（３３）からの前記発生熱エネルギーの偏差を検出するステップと、
前記発生熱エネルギーの偏差が所定の閾値偏差レベルを超えた場合に、ダイオードのエラーを示す信号を発生するステップと、を含む、
方法。
【請求項２】
前記熱エネルギーを感知するステップが、前記少なくとも１つの抵抗器（３３）に近接した温度センサ（４２）を使用して実行される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記温度センサ（４２）が、前記少なくとも１つの抵抗器（３３）に取付けられたヒートシンク内に埋込まれる、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのダイオード（３２）が複数のダイオードを含みかつ前記少なくとも１つの抵抗器（３３）が複数の抵抗器を含み、
前記熱エネルギーを感知するステップが、前記複数の抵抗器の各々から熱エネルギーを感知するステップを含み、また
前記偏差を検出するステップが、前記複数の抵抗器の熱エネルギーの平均値からの該抵抗器の１つの熱エネルギーの偏差を検出するステップを含む、
請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記偏差を検出するステップが、前記少なくとも１つの抵抗器（３３）からの熱エネルギーを前記ダイオード整流器内の他の抵抗器によって発生された熱エネルギーの量と比較することによって求められる、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つのダイオード（３２）がダイオードのアレイを含みかつ１つの抵抗器（３３）が１つのダイオードと並列に接続され、
前記熱エネルギーを感知するステップが、前記アレイ内の抵抗器の各々から熱エネルギーを感知するステップを含み、また
前記偏差が、前記アレイ内の１つの抵抗器からの該アレイ内の他の抵抗器と比較した前記熱エネルギーの偏差を含む、
請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記熱エネルギーを感知するステップが、前記アレイ内の抵抗器の各々に近接して温度センサ（４２）を配置することを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
電気機械（１４）用のブラシレス励磁システム（１０）であって、
交流電源に電気結合されかつ前記電気機械（１４）のロータ（１３）の界磁巻線（１２）に加えられる直流電流を生成するダイオード整流器（３０）と、
その各々が前記ダイオード整流器（３０）内のダイオード（３２）と並列に接続された複数の抵抗器（３３）と、
前記複数の抵抗器（３３）に近接して配置され、その各々が該抵抗器（３３）の１つから熱エネルギーを感知するように構成され、かつその各々が該近接した抵抗器の感知熱エネルギーを示す温度信号を発生する複数の温度センサ（４２）と、
前記抵抗器から前記温度信号を示す温度データを受ける制御装置（２０）と、を含み、
前記制御装置が、前記温度データに基づいて前記ダイオード（３２）の１つが故障したか又は機能不良であるか否かを検出する、
ブラシレス励磁システム。
【請求項９】
前記制御装置が、前記温度データから他の抵抗器よりも低い温度で作動している該抵抗器の１つを特定することによって、前記故障又は機能不良ダイオードを検出する、請求項８記載のブラシレス励磁システム。
【請求項１０】
前記温度センサ（４２）が各々、抵抗温度検出器である、請求項８記載のブラシレス励磁システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電気機械用のブラシレス励磁システムに関し、具体的には、ブラシレス励磁システム用の温度感知故障検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシレス励磁システム（又は、より簡単には「ブラシレスエクサイタ」）は、電気機械におけるロータの界磁コイルに直流電流（ＤＣ）を加える。ロータ界磁コイル内の電流は、電磁界を発生させ、この電磁界は、例えばロータを囲むステータのコイル内に電流を誘起し、また交流電流（ＡＣ）を生成する発電機内に電流を誘起する。それに代えて、ロータ界磁コイルによる電磁界を使用して、モータのロータを回転させることができる。
【０００３】
一般的に、ブラシレス励磁システムは、電気機械のロータ上に取付けられかつ該ロータと共に回転する。ブラシレス励磁システムは、回転アーマチュア及びダイオード整流器を含み、それらは、ダイオードホイールとして構成することができる。回転アーマチュア内に発生した交流電流（ＡＣ）は、ダイオード整流器によって直流電流に変換され、この直流電流が、ロータの界磁巻線に加えられる。
【０００４】
整流器のダイオードの故障は、該整流器によるＡＣのＤＣへの変換を損なう。ダイオード整流器は一般的に、該整流器への入力に加えられるＡＣ電力の各相に合せて直列に接続された２つ又はそれ以上の冗長ダイオードを有する。冗長ダイオードの存在のため、１つのダイオードの故障を高い信頼性で検出することは、一般的に困難である。単一のダイオードの故障により、ＡＣをＤＣ電力に変換する整流器の能力が低下する可能性は殆どない。直列になった２つ又はそれ以上のダイオードの故障は、ＡＣのＤＣへの変換を損ない、整流器の不具合を招き、かつ電気機械の予定外の運転停止を引き起こす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，８９１，７０６号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様によると、電気機械を運転する方法を提供し、本方法は、少なくとも１つのダイオードを有するダイオード整流器を備えたブラシレス励磁システムを準備するステップと、ダイオードと並列に接続された少なくとも１つの抵抗器によって発生された熱エネルギーを感知するステップと、少なくとも１つの抵抗器からの発生熱エネルギーの偏差を検出するステップとを含む。別のステップでは、発生熱エネルギーの偏差が所定の閾値偏差レベルを超えた場合に、故障又は機能不良ダイオードつまりダイオードのエラーを示す信号を発生する。
【０００７】
本発明の別の態様によると、電気機械用のブラシレス励磁システムを提供する。本システムは、交流電源に電気結合されたダイオード整流器を含み、整流器は、電気機械のロータの界磁巻線に加えられる直流電流を生成する。複数の抵抗器は、各抵抗器がダイオード整流器内のダイオードと並列に接続されるように構成される。複数の抵抗器に近接した複数の温度センサが各々、該抵抗器の１つから熱エネルギーを感知するように構成され、また各温度センサは、該温度センサに近接した抵抗器の感知熱エネルギーを示す温度信号を発生する。制御装置が、抵抗器から温度信号を示す温度データを受け、かつ該温度データに基づいてダイオードの１つが故障したか又は機能不良であるか否かを検出する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】ブラシレス励磁システム用の回路の概略図。
【図２】ブラシレス励磁システムにおける温度センサを備えたコネクタリードの平面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、同期発電機のような交流（ＡＣ）発電機１４のロータ１３の界磁コイル１２に励磁電力を供給するようになった例示的な発電機ブラシレス励磁システム１０の概略図である。ブラシレス励磁システム１０の構成要素は、図１に示す均一ダッシュによる破線ボックス内に位置している。一点鎖線１１内の構成要素は、発電機１４のロータ１３と共に回転する。
【００１０】
ＡＣ発電機１４は、家庭、企業及びその他の施設に電力供給する送電網に適した周波数及び電流レベルで電力を供給することなどによって、電力設備に対して電力を供給する三相同期発電機とすることができる。ロータ１３が回転すると、界磁コイルによって形成された電磁界により、発電機のステータ１５内に電流が誘起される。それに代えて、本明細書に開示したブラシレス励磁システムは、電動モータに適用することができる。
【００１１】
電源１６が、ブラシレスエクサイタ界磁巻線１８にＤＣ電力を供給する。電源１６は、交流（ＡＣ）電力を発生する磁石発電機（ＰＭＧ）又は代替ＡＣ電力源に接続された変圧器とすることができる。電源１６からのＡＣ電力は、制御装置２０内で整流されて、ブラシレスエクサイタ界磁巻線１８にＤＣを供給する。エクサイタ界磁は、ブラシレス励磁システム１０のアーマチュア２６に磁束を加える。電源１６は、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）、マイクロコントローラ、励磁レギュレータ又はコンピュータのような制御装置２０によって制御されかつ監視される。制御装置２０は、ブラシレス励磁システム１０の状態を監視し、該システムの状態に関するデータを解析し、また該システムの状態に関して報告しかつ警告する。
【００１２】
受信機２２が、ロータ１３と接触状態になったスリップリング又はロータに取付けられた無線送信機２４などによってブラシレス励磁システム１０の回転構成要素からデータを収集する。無線送信機は、ブラシレス励磁システム１０の状態に関するデータを有する赤外線、無線周波数又はその他のタイプの無線信号を送信することができる。
【００１３】
ブラシレス励磁システム１０のエクサイタ界磁コイル１８は、該ブラシレス励磁システム１０用のアーマチュア２６のコイルに電磁結合される。アーマチュアのコイルは、ロータ２８上に取付けられ、ロータ２８は、発電機１４におけるロータ１３の端部に取付けることができる。ＡＣ電流が、アーマチュア２６のエクサイタコイル内のエクサイタ界磁巻線１８によって誘起される。アーマチュア２６内のエクサイタ界磁コイルからのＡＣ電力は、電流ダイオード整流器３０に加えられる。ＡＣ電力は、ダイオード整流器３０によってＤＣ電力に変換される。ダイオード整流器３０からのＤＣ電力は、発電機１４用のロータ１３のロータ界磁コイル１２に加えられる。
【００１４】
ダイオード整流器３０は、エクサイタロータアーマチュアコイル２６からのＡＣ電流の各相、例えば３つの電流相用のダイオードのアレイを含むことができる。ダイオードは、ダイオードホイール上に配置することができる。ダイオード整流器３０の出力端子は、ロータ界磁コイル１２に結合されたコネクタリード３５にＤＣ電力を加える。ダイオード整流器への入力端子３６は、アーマチュアのコイルに接続されてＡＣ電力を受ける。各アレイ内のダイオード３２は、電流が１つの方向に流れるのを可能にし、それによって交流電流を直流電流に変換するのを可能にする。ダイオード３２は、直列に配置される。入力端子３６における交流電流は、ダイオード３２を通って単一の方向に流れる。
【００１５】
ダイオード３２は、直流電流がロータ界磁コイル１２に加えられることを保証する。２つ又はそれ以上のダイオードは、直列に接続されて整流器内に冗長性をもたらすのが好ましい。ダイオードの各アレイ内の１つ又はそれ以上のダイオード３２が故障した場合に、交流電流の整流は、アレイ内の冗長ダイオードによって完全に実行することができる。単一のダイオード３２の故障は、故障したダイオードと直列になった他のダイオードが整流を実行することができるので、ＡＣのＤＣへの変換を損なう可能性は殆どない。直列になった両方のダイオードが故障した場合には、その相の変換は、損なわれることになる。アレイ内の２つ又はそれ以上のダイオードが故障した場合には、交流電流は、故障したダイオードを通って流れかつロータ界磁コイル１２に加えられる可能性がある。ロータ界磁巻線に加えられた交流電流は、ロータによる電磁界の形成と干渉し、発電機１４の発電効率を低下させかつ一般的に発電機の運転停止を引き起こすことになる。
【００１６】
ダイオード３２の各々における阻止又は逆電圧振幅は、比較的大きく、一般的に４０〜５００ボルトとなる可能性がある。幾つかの用途又は状態では、この電圧は、最大１０００ボルトになる可能性がある。
【００１７】
ＲＴＤ又は温度感知装置４２に隣接しかつ近接させてダイオード３２と並列に高オームかつ高電圧抵抗器３３を付加することにより、正常運転状態を表す周囲温度以上の識別可能温度が発生することになる。この並列の抵抗器３３の付加により、ダイオード３２の作動又は故障の温度特性が増幅される。ダイオード３２が順方向作動状態にある間には、電圧降下は、小さくなって殆ど熱を発生しない。ダイオード３２が阻止状態にある時には、阻止電位は、抵抗器３３を通って流れて熱を発生させることになる。２つのダイオード３２が直列状態になっておりかつダイオードの１つが故障つまり短絡状態になっている場合には、阻止電位は殆ど熱を発生せず、一方、機能中のダイオードと並列になった抵抗器３３は、正常状態におけるよりもほぼ２倍の熱を生成することになる。ダイオード−抵抗器アレイにおいて比較アルゴリズムを使用することにより、ダイオードのエラー、ダイオードの短絡故障或いは抵抗器の開放故障が判定されることになる。抵抗器３３−ＲＴＤ４２対は、該ＲＴＤ４２が抵抗器について識別可能温度を感知して電力消散を最小にするように取付け又は分離することができる。
【００１８】
各抵抗器３３の温度は、ダイオード３２が故障したか否かを示す。ブラシレス励磁システムのダイオード故障では殆ど、常にダイオード内に短絡した又はほぼ短絡した回路が生じる。故障ダイオードと並列に接続された抵抗器は、機能ダイオードに対して接続された抵抗器に比較して低い電流量及び低い温度を受けることになる。同様に、１つの故障ダイオードを有するダイオードモジュール対内の機能ダイオードに対する相手抵抗器は、正常作動状態にある抵抗器の熱エネルギーのほぼ２倍を放散することになる。
【００１９】
温度センサ４２は、各抵抗器３３に近接して配置されかつ該抵抗器と熱的に分離されるのが好ましい。抵抗温度検出器（ＲＴＤ）のような温度センサ４２は、近接する抵抗器３３の作動温度を示す出力信号を発生する。温度センサからの温度信号は、配線によって送信機２４に伝導することができる。送信機は、その温度信号を受信機２２及び制御装置２０に送信する。それに代えて、温度センサからの温度信号は、無線リンク（例えば、無線周波数、ＦＲＩＤ段など）によって送信機２４に送信することができる。
【００２０】
故障ダイオード３２を検出するために、制御装置２０は、温度センサ４２の各々からの温度信号を監視する。温度信号は、センサに近接した抵抗器及び作動環境の温度を示している。制御装置は、抵抗器の温度が低下した或いは所定の又は比較対象の閾値以上に上昇したことを検出した場合には、ダイオードが故障したと判定する。制御装置は、故障ダイオードを特定する警報又は報告を発することができる。制御装置はまた、いずれのダイオードが故障したか並びに／或いは低又は高ダイオード並列抵抗器温度信号を発している温度センサを示すことができる。
【００２１】
センサ４２からの温度信号が故障ダイオードを示しているか否かを判定するために、制御装置２０は、その信号をその他の温度センサ４２からの温度信号と比較する。比較には、整流器内の全てのセンサ４２からの温度信号の全ての平均値を計算すること、並びに例えば平均温度信号以下において約５℃以上だけのように、閾値量だけ平均値以上又は以下である信号を検査することを含むことができる。平均温度信号は、タイムリミット寸前の期間にわたる全ての温度信号の平均値のような、最新の期間にわたり判定することができる。加えて制御装置は、ＡＣ相の１つのための一連のダイオードにおける各抵抗器の温度を比較することができる。直列になった抵抗器の１つが実質的に低い又は高い温度である、例えば約５℃だけ高い又は低い場合には、制御装置２０は、対応するダイオードが故障していると判定する。
【００２２】
非限定的実施例のみとして、ダイオード３２Ｂが機能を維持した状態でダイオード３２Ａが短絡によって故障した場合には、抵抗器３３Ｂと比較した時に、抵抗器３３Ａが、電流フローの減少を受けることになる。その結果、抵抗器３３Ａは、抵抗器３３Ｂに比較して「より低温」になることになる。比較的「より高温」の抵抗器３３Ｂは、ダイオード３２Ａの故障を示すことができる。同様に、比較的「より低温」の抵抗器３３Ａは、ダイオード３２Ａの故障を示すことができる。
【００２３】
さらに、ブラシレス励磁システムによって発生された直流電流及び電力は、ダイオード整流器３０及びロータの界磁巻線１２間で延びるコネクタリード３５の各々上に取付けられた温度センサ４４及び電気接点４６によって測定することができる。温度センサ４４、例えばＲＴＤは、コネクタリード３５の中央部に、また電気接点４６がリードに結合された２つのポイント間の中間部に配置することができる。コネクタリードの各々の抵抗は、リードの温度の関数である。コネクタリードの温度を測定することによって、コネクタリードの電気抵抗は、高い信頼性で求めることができる。
【００２４】
コネクタリード内の電流は、リードコネクタ３５にわたる電位を感知しかつ該リードコネクタの電気抵抗を計算することによって求めることができる。コネクタの遠端位置の２つのポイントにおける電位は、電気接点４６における電位差を求めることによって測定される。演算増幅器４８の出力は、リードコネクタ上の２つのポイント間における電位差を示す。演算増幅器からの電位差信号及びセンサ４４からの温度信号は、制御装置２０に送信される。オームの法則を使用することにより、電圧は電流と電気抵抗との積に等しいことが知られている。制御装置は、電気接点４６が接続されたコネクタ上の２つのポイント間における電気抵抗によって該コネクタにわたる電位差を除算することによってリードコネクタ内の電流を求めることができる。
【００２５】
図２は、温度センサ４４とコネクタに結合されかつ該コネクタ上に間隔を置いて配置された電気リード４６とを有するリードコネクタ３５の前面図である。リードコネクタは、ブラシレス励磁システム及びロータの界磁コイル間で延びる導電性バー又はストラップとすることができる。リードコネクタ上での電気リード４６間の距離（Ｄ）は、既知である。電気リード間における電気抵抗は、コネクタリードの距離（Ｄ）及び温度に基づいて制御装置によって求められる。制御装置は、例えばコネクタリードの温度に基づいて電気リード４６間の電気抵抗を特定する参照テーブル又はフォーミュラを記憶することができる。
【００２６】
温度センサ４２は、ダイオード整流器の故障を検出するために使用される。ダイオード故障の検出は、ブラシレス励磁システムがロータ界磁巻線のために十分なＤＣ電力を完全に発生しなくなる前に該ブラシレス励磁システム内のイオード整流器が補修を必要とする状態にある場合を報告するという技術的効果をもたらす。例えば、ダイオードアレイ内の単一のダイオードの故障を検出することにより、必要な補修の表示が得られる。ダイオードアレイ内の単一のダイオードの故障では、ダイオード整流器全体の故障は生じないものとすることができる。しかしながら、ダイオードアレイ内の直列になった２つ又はそれ以上のダイオードの故障は、ダイオード整流器の故障を引き起こす可能性がある。単一のダイオードが故障したことの表示を得ることにより、ブラシレス励磁システムのオペレータは、発電機の次の定期的運転停止の間などに補修が必要であることが分かる。単一の故障ダイオードを迅速に補修することにより、ダイオード整流器全体が故障しかつ発電機の予定外の運転停止を引き起こすことになるリスクが減少する。
【００２７】
温度センサ４４は、リードコネクタの各々内の直流電流を測定するために使用される。ブラシレス励磁システムからの直流電流のリアルタイムの測定値は、制御装置及び発電機のオペレータに対して該発電機のロータ界磁巻線についての作動状態の表示を与える。
【００２８】
現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２９】
１０  ブラシレス励磁システム
１２  界磁コイル
１３  ロータ
１４  発電機
１５  ステータ
１６  電源
１８  ブラシレスエクサイタ界磁巻線
２０  制御装置
２２  受信機
２４  送信機
２６  アーマチュア
２８  ロータ
３０  ダイオード整流器
３２  ダイオード
３３  抵抗器
３４  出力端子
３５  コネクタリード
３６  入力端子
４０  ヒートシンク
４２  温度センサ
４４  温度センサ
４６  電気接点
４８  演算増幅器
【図１】
2011250682.tif 000003
【図２】
2011250682.tif 000004