(57)【要約】  ねじりモード減衰コントローラシステムは、トレーンに機械的に接続された電気機械を駆動するコンバータに接続される。このコントローラシステムは、コンバータまたは電気機械の変数に関連する測定されたデータを受け取るように構成された入力インターフェースと、入力インターフェースに接続されたコントローラとを含む。このコントローラは、入力インターフェースからのデータに基づいて、トレーンの軸の区間に沿った少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて、トレーン内のねじり振動を減衰させるためのコンバータの制御データを生成し、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために制御データをコンバータに送る。【選択図】図３
2013524754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トレーンに機械的に接続された電気機械を駆動するコンバータに接続されたねじりモード減衰コントローラシステムであって、
前記コンバータまたは前記電気機械の変数に関連する測定されたデータを受け取るように構成された入力インターフェースと、
前記入力インターフェースに接続され、
前記入力インターフェースからの前記データに基づいて、前記トレーンの軸の区間に沿った少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、
前記少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて、前記トレーン内のねじり振動を減衰させるための前記コンバータの制御データを生成し、
前記コンバータと前記電気機械との間で交換される有効電力を変調するために前記制御データを前記コンバータに送る
ように構成されたコントローラと
を含むコントローラシステム。
【請求項２】
前記生成された制御データが、前記コンバータの一部である整流器の整流器制御遅れ角を変更するように構成される、請求項１記載のコントローラシステム。
【請求項３】
前記生成された制御データが、前記コンバータの一部であるインバータのインバータ制御遅れ角を変更するように構成される、請求項１または２記載のコントローラシステム。
【請求項４】
前記受け取られたデータが、前記コンバータによって前記電気機械に供給される電流および電圧を示す、請求項１乃至３のいずれか１項記載のコントローラシステム。
【請求項５】
前記受け取られたデータが、前記コンバータの整流器とインバータとの間の直流（ＤＣ）リンク電流を示す、請求項１乃至４のいずれか１項記載のコントローラシステム。
【請求項６】
前記受け取られたデータが、前記電気機械の角度位置、速度、加速度、またはトルクを示し、前記生成された制御データが、前記コンバータの一部であるインバータのインバータ制御遅れ角または整流器の整流器制御遅れ角を変更するように構成される、請求項１乃至５のいずれか１項記載のコントローラシステム。
【請求項７】
前記コントローラが、
前記電気機械の角度位置、速度、加速度、またはトルクを示すフィードバックデータを受け取り、
前記コンバータの電気的変数を示す前記受け取られたデータおよび前記トレーンの角度位置、速度、加速度、またはトルクを示す前記フィードバックデータに基づいて、前記ねじり振動を減衰させるための前記コンバータの前記制御データを判定する
ようにさらに構成されている、請求項１乃至６のいずれか１項記載のコントローラシステム。
【請求項８】
トレーンに機械的に接続された電気機械を駆動するシステムであって、
電源から交流を受け取り、前記交流を直流に変換するように構成された整流器と、
前記整流器に接続され、前記直流を伝達するように構成された直流リンクと、
前記直流リンクに接続され、受け取られた直流を交流に変更するように構成されたインバータと、
前記直流リンクまたは前記インバータの電気的変数に関連する測定されたデータを受け取るように構成された入力インターフェースと、
前記入力インターフェースに接続され、
前記入力インターフェースからの前記データに基づいて、前記トレーンの軸の区間に沿った少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、
前記少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて、前記トレーン内のねじり振動を減衰させるための前記整流器および／またはインバータの制御データを生成し、
前記インバータと前記電気機械との間で交換される有効電力を変調するために前記制御データを前記整流器および／またはインバータに送る
ように構成されたコントローラと
を含むシステム。
【請求項９】
ドライブトレーンに機械的に接続された電気機械内でねじり振動を減衰させる方法であって、
モータを駆動するコンバータの電気的変数に関連する測定されたデータを受け取ること、
前記受け取られたデータに基づいて、前記ドライブトレーンの軸の区間に沿った少なくとも１つの動的トルク成分を計算すること、
前記少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて、前記ねじり振動を減衰させるための前記コンバータの制御データを生成すること、および
前記コンバータと前記電気機械との間で交換される有効電力を変調するために前記制御データを前記コンバータに送ること
を含む方法。
【請求項１０】
トレーンに機械的に接続された電気機械を駆動するコンバータに接続されたねじりモード減衰コントローラシステムであって、
前記トレーンのターボ機器の機械的変数に関連する測定されたデータを受け取るように構成された入力インターフェースと、
前記入力インターフェースに接続され、
前記ターボ機器の前記機械的変数に基づいて、前記トレーンの軸の区間に沿った少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、
前記少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて、前記トレーン内のねじり振動を減衰させるための前記コンバータの制御データを生成し、
前記コンバータと前記電気機械との間で交換される有効電力を変調するために前記制御データを前記コンバータに送る
ように構成されたコントローラと
を含むコントローラシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題の実施形態は、全般的には方法およびシステムに関し、より具体的には回転する系に現れるねじり振動を緩衝する機構および技法に関する。
【背景技術】
【０００２】
石油産業およびガス産業では、さまざまな機械をさまざまな速度で駆動する需要が増大している。そのような機械は、コンプレッサ、電気モータ、エキスパンダ、ガスタービン、ポンプなどを含む可能性がある。可変周波数電気駆動は、エネルギー効率を高め、高められた柔軟性を機械に与える。たとえば、大型のガス圧縮トレーン（ｇａｓ  ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  ｔｒａｉｎ）を駆動する１つの形は、負荷転流インバータ（ＬＣＩ）である。しかし、パワーエレクトロニクス駆動系によって導入される問題は、電気的高調波に起因する機械のトルクにおける脈動成分の生成である。トルクの脈動成分は、ドライブトレーンのねじり固有周波数で機械系と相互作用する可能性があり、これは望ましくない。
【０００３】
ねじり振動は、たとえば図１に示されているように、さまざまな質量を取り付けられたロータに現れる可能性がある振動する角運動である。図１に、ガスタービン１２、モータ１４、第１コンプレッサ１６、および第２コンプレッサ１８を有するシステム１０を示す。これらの機械の軸は、互いに接続されるか、または単一の軸がこれらの機械によって共有される。インペラおよび他の質量が軸２０に沿って分布するので、軸２０の回転は、軸に取り付けられた質量（たとえば、インペラ）の異なる速度を有する回転によって生み出されるねじり振動によって影響を受ける可能性がある。
【０００４】
上述のように、ねじり振動は、通常、たとえばモータを駆動するパワーエレクトロニクスによって導入される。図１に、電力をＬＣＩ２４に供給する送電網源（電源）２２を示し、このＬＣＩ２４は、モータ１４のロータ２０を駆動する。送電網を、分離された発電機とすることができる。ねじり振動を減衰させる（最小にする）ために、図２（その開示全体が参照によって本明細書に組み込まれている、本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許第７１７３３９９号の図１に対応する）に示されているように、インバータコントローラ２６を、ＬＣＩ２４のインバータ２８に対して設けることができ、インバータ２８からモータ１４に転送される有効電力の量を変調するためにインバータ制御遅れ角変化（Δβ）を導入するように構成することができる。用語「制御遅れ角」が、文献では用語「点弧角」と同義と考えられることに留意されたい。そのため、これらの用語は、この説明で、同一のことを意味すると考えられ、交換可能に使用される場合がある。この仮定は、アルファ変調またはベータ変調のどちらが検討されるかにかかわりなくあてはまる。あるいは、整流器コントローラ３０を、整流器３２に対して設けることができ、発電機２２から直流リンクへ、したがってモータ１４へ転送される有効電力の量を変調するために整流器制御遅れ角変化（Δα）を導入するように構成することができる。発電機からモータに転送される有効電力の量を変調することによって、ねじり振動を減衰させることが可能であることに留意されたい。
【０００５】
２つのコントローラ２６および３０は、入力としてそれぞれセンサ３６および３８からの信号を受け取り、これらの信号は、モータ１４および／または発電機２２が受けるトルクを示す。換言すれば、インバータコントローラ２６は、インバータ制御遅れ角変化（Δβ）を生成するためにセンサ３６によって感知されたトルク値を処理し、整流器コントローラ３０は、整流器制御遅れ角変化（Δα）を生成するためにセンサ３８によって感知されたトルク値を処理する。インバータコントローラ２６および整流器コントローラ３０は、互いに独立であり、これらのコントローラは、接続されるドライブトレーンの動作およびシステム感度に応じて、所与の機械内で共にまたは単独で実施され得る。図２は、センサ３６が、モータ１４の軸の一部（区間）４０を監視し、センサ３８が、発電機２２の軸４２を監視することを示す。図２は、整流器３２とインバータ２８との間の直流リンク４４をも示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７１７３３９９号明細書
【発明の概要】
【０００７】
しかし、機械的特性、たとえば回転軸に印加される機械的トルクの測定は、大出力ドライブトレーンについて高価または非実用的なものになる可能性がある。場合によっては、機械的トルクの測定は、軸がアクセス可能でないか、ガス圧縮応用例など、軸が爆発性雰囲気によって囲まれているので、可能ではない。したがって、回転軸に印加される機械的トルクの測定を避けるシステムおよび方法を提供することが望ましい。
【０００８】
一例示的実施形態によれば、トレーンに機械的に接続された電気機械を駆動するコンバータに接続されたねじりモード減衰コントローラがある。このコントローラシステムは、コンバータまたは電気機械の変数に関連する測定されたデータを受け取るように構成された入力インターフェースと、入力インターフェースに接続されたコントローラとを含む。このコントローラは、入力インターフェースからのデータに基づいて、トレーンの軸の区間に沿った少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて、電気機械内のねじり振動を減衰させるためのコンバータの制御データを生成し、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために制御データをコンバータに送るように構成される。
【０００９】
別の例示的実施形態によれば、トレーンに機械的に接続された電気機械を駆動するシステムがある。このシステムは、電源から交流を受け取り、交流を直流に変換するように構成された整流器と、整流器に接続され、直流を伝達するように構成された直流リンクと、直流リンクに接続され、受け取られた直流を交流に変更するように構成されたインバータと、直流リンクまたはインバータの電気的変数に関連する測定されたデータを受け取るように構成された入力インターフェースと、入力インターフェースに接続されたコントローラとを含む。このコントローラは、入力インターフェースからのデータに基づいて、トレーンの軸の区間に沿った少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて、電気機械内のねじり振動を減衰させるための整流器および／またはインバータの制御データを生成し、インバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために制御データを整流器および／またはインバータに送るように構成される。
【００１０】
例示的実施形態によれば、トレーンに機械的に接続された電気機械内でねじり振動を減衰させる方法がある。この方法は、モータを駆動するコンバータの電気的パラメータに関連する測定されたデータを受け取るステップと、受け取られたデータに基づいて、トレーンの軸の区間に沿った少なくとも１つの動的トルク成分を計算するステップと、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて、ねじり振動を減衰させるためのコンバータの制御データを生成するステップと、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために制御データをコンバータに送るステップとを含む。
【００１１】
別の例示的実施形態によれば、コンピュータ実行可能命令を含むコンピュータ可読媒体であって、命令は、実行された時に、前の段落で論じたねじり振動を減衰させる方法を実施する、コンピュータ可読媒体がある。
【００１２】
別の例示的実施形態によれば、トレーンに機械的に接続された電気機械を駆動するコンバータに接続されたねじりモード減衰コントローラシステムがある。このコントローラシステムは、トレーンのターボ機器の機械的変数に関連する測定されたデータを受け取るように構成された入力インターフェースと、入力インターフェースに接続されたコントローラとを含む。このコントローラは、ターボ機器の機械的変数に基づいて、トレーンの軸の区間に沿った少なくとも１つの動的トルク成分を計算し、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいて、電気機械内のねじり振動を減衰させるためのコンバータの制御データを生成し、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために制御データをコンバータに送るように構成される。
【００１３】
本明細書に組み込まれ、その一部を構成する添付図面は、１つまたは複数の実施形態を示し、この説明と共に、これらの実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電気機械および２つのコンプレッサに接続された従来のガスタービンを示す概略図である。
【図２】整流器コントローラおよびインバータコントローラを含む、電気モータおよび機械的負荷に接続された可変速駆動系を示す概略図である。
【図３】例示的実施形態によるコントローラによって制御されるガスタービン、モータ、および負荷を示す概略図である。
【図４】例示的実施形態によるコンバータおよび関連する論理を示す概略図である。
【図５】例示的実施形態によるコンバータおよび関連する論理を示す概略図である。
【図６】ディスエーブルされた減衰制御を有する軸のトルクを示すグラフである。
【図７】例示的実施形態によるイネーブルされた減衰制御を有する軸のトルクを示すグラフである。
【図８】例示的実施形態によるコンバータおよび関連する論理を示す概略図である。
【図９】例示的実施形態によるねじり振動を減衰させるためにコンバータを制御するように構成されたコントローラを示す概略図である。
【図１０】例示的実施形態によるねじり振動を減衰させる方法を示す流れ図である。
【図１１】例示的実施形態によるねじり振動を減衰させる電圧型インバータおよび関連するコントローラを示す概略図である。
【図１２】多質点系を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
例示的実施形態の次の説明は、添付図面を参照する。異なる図面の同一の符号は、同一のまたは同様の要素を識別する。次の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。そうではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。次の実施形態は、単純さのために、負荷転流インバータによって駆動される電気モータの用語法および構造に関して議論される。しかし、次で議論される実施形態は、そのようなシステムに限定されるのではなく、たとえば電圧型インバータ（ＶＳＩ）などの他のデバイスを用いて駆動される他のシステムに適用され得る（適当な調整を加えて）。
【００１６】
本明細書全体で、「一実施形態」または「実施形態」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体のさまざま場所での句「一実施形態で」または「実施形態で」の出現は、必ずしも同一の実施形態に言及してはいない。さらに、特定の特徴、構造、または特性を、１つまたは複数の実施形態で任意の適切な形で組み合わせることができる。
【００１７】
例示的実施形態によれば、ねじりモード減衰コントローラを、電気機械（モータまたは発電機とすることができる）の軸ではなく電気的測定から情報を入手し、電気的測定からの情報に基づいて敏感なドライブトレーンの所望の軸位置でのねじり振動を推定するように構成することができる。ねじり振動は、軸のトルク、トルク角、ねじり速度、またはねじり加速度の動的成分とすることができる。換言すれば、この例示的実施形態によれば、敏感なドライブトレーンの専用軸位置で動的トルク成分を直接に監視するセンサはない。次で議論するように、コントローラによって受け取られる情報をそこから収集できる、コンバータのさまざまな位置がある。
【００１８】
図３に示された例示的実施形態によれば、システム５０は、ガスタービン５２、モータ５４、および負荷５６を含む。複数のガスタービンおよび負荷５６としての複数のコンプレッサを含む他の構成が可能である。さらに他の構成は、１つまたは複数のエキスパンダ、１つまたは複数の発電機、または回転する部分を有する他の機械、たとえば風力タービン、ギアボックスを含むことができる。図３に示されたシステムは、例示的であり、新規の特徴のよりよい理解のために単純化されている。しかし、当業者は、より多数またはより少数の構成要素を有する他のシステムを、これから議論する新規の特徴を含むように適合させることができることを理解するはずである。
【００１９】
負荷５６は、１つまたは複数のコンプレッサまたは石油産業およびガス産業で使用される他の機械を含むことができる。さまざまな質量（機械のロータおよびインペラに関連する）の軸５８への接続は、システム５０を、潜在的なねじり振動を受けやすいものにする。これらのねじり振動は、軸５８をねじる可能性があり、このねじりは、大幅な寿命短縮または軸発システム（１つまたは複数の軸だけではなく、特定の状況に応じて継手およびギアボックスをも含む可能性がある）の破壊さえもたらす可能性がある。例示的実施形態は、ねじり振動を減らす機構を提供する。
【００２０】
モータ５４を作動させるために、電力が、送電網または島もしくは島様の電力系統の場合にはローカル発電機６０から供給される。可変速でモータ５４を駆動するために、負荷転流インバータ（ＬＣＩ）６２が、グリッド６０とモータ５４との間に設けられる。図４に示されているように、ＬＣＩ６２は、直流リンク６８に接続された整流器６６を含み、直流リンク６８は、インバータ７０に接続される。整流器６６、直流リンク６８、およびインバータ７０は、当技術分野で既知であり、その特定の構造は、ここでさらには論じない。上述のように、新規の特徴を、適当な変更を加えてＶＳＩシステムに適用することができる。例示のみのために、例示的ＶＳＩを、図１１に示し、図１１に関して短く論じる。図４は、グリッド６０から受け取られる電流および電圧が、それぞれ３相電流および３相電圧であることを示す。同一のことが、整流器、インバータ、およびモータを通る電流および電圧にあてはまり、この事実は、図４では記号「／３」によって示されている。しかし、例示的実施形態の新規の特徴は、３つより多数の相、たとえば６相システムおよび１２相システムと共に働くように構成されたシステムに適用可能である。
【００２１】
ＬＣＩ６２は、図４では円Ａおよび円Ｖによって表される、電流センサおよび電圧センサをも含む。たとえば、電流センサ７２が、電流ｉDCを測定するために直流リンク６８内に設けられる。あるいは、直流リンク内の電流は、交流側、たとえば、電流センサ８４または７４で実行される測定に基づいて推定される。というのは、これらのセンサが、直流センサより安価であるからである。別の例は、インバータ７０によってモータ５４に供給される電流ｉabcを測定する電流センサ７４およびインバータ７０によってモータ５４に供給される電圧ｖabcを測定する電圧センサ７６である。これらの電流および電圧が、入力としてコントローラ７８に供給されることに留意されたい。用語「コントローラ」は、本明細書では、指定された制御機能を達成するための任意の適当なディジタルの、アナログの、またはその組合せの回路網または処理ユニットを包含するのに使用される。図３に戻って、コントローラ７８を、ＬＣＩ６２の一部とすることができ、あるいは、ＬＣＩ６２と信号を交換する独立のコントローラとすることができることに留意されたい。コントローラ７８を、ねじりモード減衰コントローラとすることができる。
【００２２】
図４は、ＬＣＩコントローラ８０が、さまざまな参照８２およびセンサ８４から受け取られる電流ｉdxに基づいて、整流器６６を制御するための整流器制御遅れ角αを生成することをも示す。別のコントローラ８６を使用し、インバータ７０のインバータ制御遅れ角βを生成することができる。さらに、図４は、コントローラ８０および８６から受け取られる情報に基づいて整流器およびインバータを直接に制御する、整流器６６のゲート制御ユニット８８およびインバータ７０のゲート制御ユニット９０を示す。
【００２３】
オプションのセンサ９２を、動的トルク成分、たとえば、軸に存在するトルク、軸のねじり位置、軸のねじり速度、または軸のねじり加速度を検出するためにモータ５４の軸に近接して配置することができる。動的トルク成分に関する情報ｎxを、コントローラ７８、８０、および８６に供給することができる。図４は、コントローラ７８からの信号をコントローラ８０および８６によって生成された信号に加算する合計ブロック９４および９６をも示す。
【００２４】
図５に示された例示的実施形態によれば、ねじりモード減衰コントローラ７８は、ＬＣＩ６２またはインバータ７０の出力９１で測定された電流ｉabcおよび電圧ｖabcを受け取ることができる。これらの値に基づいて（モータの軸の測定されたトルク、速度、または加速度に関する情報なし）、モータの空隙トルクが、計算され、システムの機械的モデルに供給される。システムの機械的モデルを、機械系の動的挙動を表し、システムの電気的パラメータを機械的パラメータにリンクする、複数の微分方程式によって表すことができる。モデル表現は、たとえば、推定された慣性値、減衰値、および剛性値（現場測定によって検証できる）を含み、軸の動的挙動、たとえばねじり振動を計算することを可能にする。ねじりモード減衰に必要な精度を達成できるのは、主に、動的トルク成分の位相の精度がねじりモード減衰にとって重要であり、振幅情報または絶対トルク値がそれほど重要でないからである。
【００２５】
これに関して、電気機械の空隙トルクが、ドライブトレーンの電気系と機械系との間のリンクであることに留意されたい。電気系内のすべての高調波および次数間高調波は、空隙トルクにおいて可視でもある。機械系の固有周波数の次数間高調波は、ねじり振動を励起することができ、潜在的に、軸の定格を超える機械系の動的トルク値をもたらし得る。既存のねじりモード減衰システムは、そのようなねじり振動を打ち消すことができるが、これらのシステムは、機械的な軸の動的トルクの信号表現を必要とし、この信号は、たとえばモータの軸またはモータの軸に沿って取り付けられた歯輪などのモータの軸成分を効果的に監視するセンサから入手される。例示的実施形態によれば、動的トルク成分が電気的測定に基づいて評価されるので、そのような信号は不要である。しかし、後で論じるように、いくつかの例示的実施形態は、システムの他の構成要素、たとえばガスタービンで使用可能な機械的測定値を使用して、モータの軸の動的トルク成分を判定できる状況を説明する。
【００２６】
換言すれば、例示的実施形態による利益は、機械系内のねじり振動感知の必要なしにねじりモード減衰を適用することである。したがって、現在の電圧センサおよび／または電流センサおよび／または速度センサは比較的低コストで入手可能にされ得るので、電気系または機械系での追加の感知を設置する必要なしに、ねじりモード減衰を適用することができる。これに関して、トルクを測定する機械的センサは、大出力応用について高価であり、場合によっては、これらのセンサを、既存のシステムに追加することができない。したがって、既存のねじりモード減衰解決策は、そのような場合について実施することができない。というのは、既存のねじりモード減衰システムが、トルクを示すシステムの機械的パラメータを表す信号を測定するセンサを必要とするからである。逆に、図５の例示的実施形態の手法は、信頼性があり、コスト効率が良く、既存システムのレトロフィットを可能にする。
【００２７】
図５に示された電流および電圧を受け取ったとき、コントローラ７８は、整流器制御遅れ角αおよび／またはインバータ制御遅れ角βを制御するための適当な信号（ΔαおよびΔβのうちの１つまたは複数）を生成することができる。したがって、図５に示された実施形態によれば、コントローラ７８は、たとえばインバータ７０の出力９１から、米国特許第７１７３３９９号に記載の減衰原理に基づいてさまざまな制御遅れ角を計算するための入力電気情報を受け取る。図５に示されているように、この例示的実施形態は、さまざまな角度の訂正が、モータ５４に接続された機械的ドライブトレーンの測定された信号（フィードバック）に基づいて調整／検証されないので、開ループである。さらに、実行されたシミュレーションは、コントローラ７８がイネーブルされる時のねじり振動の減少を示す。図６に、コントローラ７８がディスエーブルされる時のモータ５４の軸のトルクの振動対時間を示し、図７に、機械的ドライブトレーンが可変速動作で運転され、時刻ｔ＝４０秒に臨界速度をまたぐ間に、たとえば時刻４０秒にコントローラ７８がイネーブルされる時に、同一の振動がどのように減らされるのかを示す。両方の図は、ｙ軸上のシミュレートされたトルク対ｘ軸上の時間をプロットしたものである。
【００２８】
図８に示された別の例示的実施形態によれば、直流リンク６８から入手された電気量に基づいて制御遅れ角変化Δαおよび／またはΔβのうちの１つまたは複数を計算するように、コントローラ７８を構成することができる。図８は、単一の直流リンク６８を示すが、整流器とインバータとの間で複数の直流リンクを使用する構成があり、これらの直流リンクのうちの１つまたは複数を測定でき、これらの測定値をコントローラ７８に供給できることに留意されたい。より具体的には、電流ｉDCを、直流リンク６８のインダクタ１０４で測定することができ、この値をコントローラ７８に供給することができる。一応用例では、単一の電流測定値だけが、コントローラ７８に供給するのに使用される。測定された電流の値およびシステムの機械的モデルに基づいて、コントローラ７８は、上述の制御遅れ角変化を生成することができる。別の例示的実施形態によれば、直流ｉDCを、整流器６６またはインバータ７０で実行される電流測定および／または電圧測定に基づいて推定することができる。
【００２９】
図５および８に関して論じた実施形態のいずれかでコントローラ７８によって計算された制御遅れ角変化を、閉ループ構成に基づいて変更することができる。閉ループ構成は、図８では、モータ５４の軸の角速度を適当なセンサ１１２を用いて判定でき、この値をコントローラ７８に供給できることを示す、破線１１０によって示される。この情報に基づいて、モデルの精度を、たとえば既存の高分解能速度測定（従来の観測器）を利用することによる、機械系からのフィードバックを用いて改善することができる。速度測定の品質を、適応フィルタアルゴリズムを用いて改善することさえできる。一応用例では、センサ１１２は、モータ５４の軸の別のパラメータ、たとえばモータ継手での回転角逸脱を測定することができる。
【００３０】
上で論じた実施形態を、電気的データではなく機械的データが測定され、コントローラ７８に供給されるように変更できることに留意されたい。あるいは、機械的データと電気的データとの両方を測定することができる。これらの状況について、機械的データを、電気モータが接続されるトレーンの軸に沿って測定することができる。機械的データを、電気モータで測定することができ、あるいは、電気モータから離れて、たとえばガスタービンで測定することができる。
【００３１】
コントローラ７８の構造を、これから図９に関して論じる。例示的実施形態によれば、コントローラ７８は、プロセッサ、アナログ回路網、再構成可能ＦＰＧＡカードなどのうちの１つ１２２に接続された入力インターフェース１２０を含むことができる。要素１２２は、ＬＣＩ６２から電気的パラメータを受け取り、制御遅れ角変化を計算するように構成される。要素１２２を、機械的モデル１２８を格納し、入力インターフェース１２０で受け取られた電気的測定値を機械的モデル１２８に入力して、動的トルク成分のうちの１つまたは複数を計算するように構成することができる。１つまたは複数の動的トルク成分に基づいて、減衰制御信号が、減衰制御ユニット１３０内で生成され、その後、出力信号が合計ブロックおよびゲート制御ユニットに転送される。別の例示的実施形態によれば、コントローラ７８を、制御遅れ角変化を判定する、アナログ回路、再構成可能ＦＰＧＡカード、または他の専用回路網とすることができる。
【００３２】
一例示的実施形態では、コントローラ７８は、さまざまな電流センサおよび電圧センサから電気的測定値を継続的に受け取り、電気的測定値に基づいて計算された動的トルク成分に基づいてねじり減衰信号を継続的に計算する。この例示的実施形態によれば、コントローラは、ねじり振動が軸に存在するかどうかを判定するのではなく、計算された動的トルク値に基づいてねじり減衰信号を継続的に計算する。しかし、ねじり振動がない場合には、コントローラによって生成され、インバータおよび／または整流器に送られるねじり減衰信号は、インバータおよび／または整流器に影響していない、すなわち、減衰信号によってもたらされる角度変化は、無視できる。したがって、この例示的実施形態によれば、信号は、ねじり振動がある時に限ってインバータおよび／または整流器に影響する。
【００３３】
図１０に示された例示的実施形態によれば、モータに接続された機械内でねじり振動を減衰させる方法がある。この方法は、モータを駆動するコンバータの電気的パラメータに関連する測定されたデータを受け取るステップ１０００と、受け取られたデータに基づいて、トレーンの軸に沿った少なくとも１つの動的トルク成分を計算するステップ１０１０と、少なくとも１つの動的トルク成分に基づいてねじり振動を減衰させるためのコンバータの制御データを生成するステップ１０２０と、コンバータと電気機械との間で交換される有効電力を変調するために制御データをコンバータに送るステップ１０３０とを含む。表現「有効電力を変調する」が、ある期間にわたる平均電力が０である時であっても適用可能である。すなわち、有効電力が変調される期間中に少なくとも１度の瞬間があることに留意されたい。
【００３４】
図１１に示された例示的実施形態によれば、ＶＳＩ１４０は、互いにこの順で接続された、整流器１４２、直流リンク１４４、およびインバータ１４６を含む。整流器１４２は、電源１４８からグリッド電圧を受け取り、たとえば、ダイオードブリッジまたは自励式（ｓｅｌｆ−ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ）半導体デバイスに基づく能動フロントエンドを含むことができる。整流器１４２によって供給される直流電圧は、直流リンク１４４内のキャパシタＣによって濾波され、平滑化される。濾波された直流電圧は、次に、インバータ１４６に印加され、インバータ１４６は、モータ１５０に印加される交流電圧を生成する自励式半導体デバイス、たとえば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含むことができる。コントローラ１５２および１５４を、モータ１５０の軸上のねじり振動を減衰させるために、整流器コントローラおよびインバータコントローラに加えてまたは整流器コントローラおよびインバータコントローラと一体化して、整流器１４２およびインバータ１４６のために設けることができる。整流器コントローラ１５３およびインバータコントローラ１５５は、半導体デバイスのうちのいくつかに接続されて図示されているが、すべての半導体デバイスをコントローラに接続できることを理解されたい。コントローラ１５２および１５４を、共にまたは単独で設けることができ、コントローラ１５２および１５４は、図４および５に関して論じた電気的測定値ならびに組込み整流器およびインバータ制御の影響制御参照、たとえばトルクまたは電流制御参照に基づいて、動的トルク成分を判定するように構成される。
【００３５】
図１２に示された例示的実施形態によれば、一般化された多質点系１６０は、対応する慣性モーメントＪ1からＪnを有する「ｎ」個の異なる質量を含むことができる。たとえば、第１質量は、ガスタービンに対応することができ、第２質量は、コンプレッサに対応することができ、以下同様に、最後の質量は、電気モータに対応することができる。電気モータの軸が、機械的測定、たとえば回転位置、速度、加速度、またはトルクのためにアクセス可能ではないと仮定する。さらに、ガスタービンの軸が、アクセス可能であり、上述の機械的パラメータのうちの１つを、ガスタービンで直接に測定できると仮定する。これに関して、一般に、ガスタービンは、可能な損傷からガスタービンを保護するために軸のさまざまな機械的変数を測定する高精度センサを有することに留意されたい。反対に、従来のモータは、これらのセンサを有しておらず、あるいは、いくつかのセンサが存在する場合であっても、その測定の精度は劣悪である。
【００３６】
機械系全体の微分方程式は、
Ｊ（ｄθ2／ｄｔ2）＋Ｄ（ｄθ／ｄｔ）＋Ｋθ＝Ｔext
によって与えられ、ここで、Ｊ（ねじり行列）、Ｄ（減衰行列）、およびＫ（ねじり剛性行列）は、第１質量の特性を他の質量の特性に接続する行列（たとえば、ｄ10、ｄ12、ｋ12、Ｊ1）であり、Ｔextは、たとえばモータによって系に印加される外部（正味）トルクである。機械系のこのモデルに基づいて、「ｎ」質量のトルクまたは他の動的トルク成分は、たとえば第１質量の特性が既知である場合に判定することができる。換言すれば、ガスタービン内に設けられる高精度センサを使用して、ガスタービンの軸のねじり位置、速度、加速度、またはトルクのうちの少なくとも１つを測定することができる。この測定された値に基づいて、モータ（「ｎ」質量）またはドライブトレーンの別の区間の動的トルク成分を、システムのプロセッサまたはコントローラ７８によって計算することができ、したがって、制御データを、既に上で論じたようにインバータまたは整流器のために生成することができる。
【００３７】
換言すれば、この例示的実施形態によれば、コントローラ７８は、モータに接続された１つのターボ機器から機械関連情報を受け取る必要があり、この機械関連情報に基づいて、コントローラは、ねじり振動を減衰させるためのモータ内のトルクを生成するためにコンバータを制御することができる。ターボ機器は、ガスタービンだけではなく、コンプレッサ、エキスパンダ、または他の既知の機械とすることもできる。一応用例では、電気的測定は、減衰を実行するために必要ではない。しかし、電気的測定を、減衰を達成するために機械的測定と組み合わせることができる。一応用例では、減衰を適用する機械（減衰機械）は、機械的測定のためにアクセス可能ではなく、減衰機械の動的トルク成分は、減衰機械に機械的に接続された別の機械で実行される機械的測定によって計算される。
【００３８】
開示された例示的実施形態は、ねじり振動を減衰させるシステムおよび方法を提供する。この説明が、本発明を限定することを意図されたものではないことを理解されたい。逆に、例示的実施形態は、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲に含まれる代替形態、修正形態、および同等物を包含することが意図されている。さらに、例示的実施形態の詳細な説明では、請求される発明の包括的な理解を提供するために、多数の特定の詳細が示される。しかし、当業者は、そのような特定の詳細なしでさまざまな実施形態を実施することができることを理解するはずである。
【００３９】
この例示的実施形態の特徴および要素が、実施形態において特定の組合せで説明されるが、各特徴または要素を、実施形態の他の特徴および要素を伴わずに単独で、あるいは本明細書で開示される他の特徴および要素を伴うまたは伴わないさまざまな組合せで、使用することができる。
【００４０】
本書は、任意のデバイスまたはシステムを作成し使用すること、および組み込まれた方法を実施することを含めて、任意の当業者が開示される主題を実施することを可能にするために、開示される主題の例を使用する。主題の特許可能範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に思いつく他の例を含む可能性がある。そのような他の例は、特許請求の範囲の範囲に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４１】
１０  システム
１２  ガスタービン
１４  モータ
１６  第１コンプレッサ
１８  第２コンプレッサ
２０  軸
２２  送電網源（電源）
２４  負荷転流インバータ（ＬＣＩ）
２６  インバータコントローラ
２８  インバータ
３０  整流器コントローラ
３２  整流器
３６  センサ
３８  センサ
４０  軸の一部（区間）
４２  軸
４４  直流リンク
５０  システム
５２  ガスタービン
５４  モータ
５６  負荷
５８  軸
６０  ローカル発電機
６２  負荷転流インバータ（ＬＣＩ）
６６  整流器
６８  直流リンク
７０  インバータ
７２  電流センサ
７４  電流センサ
７８  コントローラ
８０  ＬＣＩコントローラ
８４  電流センサ
８６  コントローラ
８８  ゲート制御ユニット
９０  ゲート制御ユニット
９１  出力
９２  センサ
１０４  インダクタ
１１２  センサ
１２０  入力インターフェース
１２８  機械的モデル
１３０  減衰制御ユニット
１４０  ＶＳＩ
１４２  整流器
１４４  直流リンク
１４６  インバータ
１４８  電源
１５０  交流モータ
１５２  コントローラ
１５３  整流器コントローラ
１５４  コントローラ
１５５  インバータコントローラ
１６０  多質点系
【図１】
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【図２】
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【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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【国際調査報告】
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