(57)【要約】  ねじりモード減衰コントローラシステムが、コンバータに接続される、またはコンバータの内部に配置される。コンバータは、電気機械および非電気機械を含む駆動トレインを駆動している。コントローラシステムは、第１の位相ロックデバイスまたは第１の動的観測器から第１のデジタル信号を受信するように構成される第１の入力インターフェースと、第２の位相ロックデバイスまたは第２の動的観測器から第２のデジタル信号を受信するように構成される第２の入力インターフェースと、第１および第２の入力インターフェースに接続されるコントローラとを含む。コントローラは、第１および第２のデジタル信号を受信するように、第１のデジタル信号を第２のデジタル信号と比較するように、コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるように、かつ、整流器に、および／またはインバータに制御データを送出するように構成される。【選択図】図３
2013524753.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンバータに接続される、または前記コンバータ自体の内部に配置されるねじりモード減衰コントローラシステムであって、前記コンバータが、電気機械および非電気機械を含む駆動トレインを駆動し、前記コントローラシステムが、
前記コンバータの変数に関係するコンバータデータを受信するように構成される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、
第１の位相ロックループデバイスまたは動的観測器から第１のデジタル信号を受信するように、
前記コンバータから前記コンバータデータを受信するように、
前記コンバータデータを前記第１のデジタル信号と比較するように、
前記比較の結果に基づいて、前記駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、前記コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるように、かつ、
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、前記整流器に、および／または前記インバータに前記制御データを送出するように
構成されるコントローラと
を備えるコントローラシステム。
【請求項２】
前記制御データが、デジタルであり、前記コンバータのゲートを転流させるために、コンバータ変調器および／またはゲートユニットに直接送出される、請求項１記載のコントローラシステム。
【請求項３】
前記制御データが、アナログであり、コンバータ変調器に付与されることになるα−、β−、または、α−およびβ−変調を生じさせるために使用される、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】
前記コンバータの前記変数が、モータに付与される電圧または電流を含む、請求項１乃至３のいずれか記載のコントローラシステム。
【請求項５】
前記コンバータデータが、交流の電圧または電流のゼロ値に関係する、請求項１乃至４のいずれか記載のコントローラシステム。
【請求項６】
前記コントローラが、前記コンバータデータのみに基づいて前記制御データを発生させるように構成される、請求項１乃至５のいずれか記載のコントローラシステム。
【請求項７】
コンバータに接続される、または前記コンバータ自体の内部に配置されるねじりモード減衰コントローラシステムであって、前記コンバータが、電気機械および非電気機械を含む駆動トレインを駆動し、前記コントローラシステムが、
第１の位相ロックデバイスまたは第１の動的観測器から第１のデジタル信号を受信するように構成される第１の入力インターフェースと、
第２の位相ロックデバイスまたは第２の動的観測器から第２のデジタル信号を受信するように構成される第２の入力インターフェースと、
前記第１および第２の入力インターフェースに接続され、
前記第１および第２のデジタル信号を受信するように、
前記第１のデジタル信号を前記第２のデジタル信号と比較するように、
前記比較の結果に基づいて、前記駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、前記コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるように、かつ、
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、前記整流器に、および／または前記インバータに前記制御データを送出するように
構成されるコントローラと
を備えるコントローラシステム。
【請求項８】
駆動トレインの一部である電気機械を駆動するためのシステムであって、
電源から交流を受けるように、かつ、前記交流を直流に変換するように構成される整流器と、
前記整流器に接続され、前記直流を伝送するように構成される直流リンクと、
前記直流リンクに接続され、受けた直流を交流に変化させるように構成されるインバータと、
コンバータの変数に関係するコンバータデータを受信するように構成される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、
第１の位相ロックループデバイスまたは動的観測器から第１のデジタル信号を受信するように、
前記コンバータから前記コンバータデータを受信するように、
前記コンバータデータを前記第１のデジタル信号と比較するように、
前記比較の結果に基づいて、前記駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、前記コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるように、かつ、
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、前記整流器に、および／または前記インバータに前記制御データを送出するように
構成されるコントローラと
を備えるシステム。
【請求項９】
電気機械を含む駆動トレインでのねじり振動を減衰させるための方法であって、
コンバータの変数に関係するコンバータデータを受信するステップと、
第１の位相ロックループデバイスまたは動的観測器から第１のデジタル信号を受信するステップと、
前記コンバータデータを前記第１のデジタル信号と比較するステップと、
前記比較の結果に基づいて、前記駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、前記コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるステップと、
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、前記整流器に、および／または前記インバータに前記制御データを送出するステップと
を含む方法。
【請求項１０】
電気機械を含む駆動トレインでのねじり振動を減衰させるための方法であって、
第１の位相ロックデバイスまたは第１の動的観測器から第１のデジタル信号を受信するステップと、
前記第１の位相ロックデバイスまたは前記第１の動的観測器に対して追加的な、第２の位相ロックループデバイスまたは第２の動的観測器から第２のデジタル信号を受信するステップと、
前記第１のデジタル信号を前記第２のデジタル信号と比較するステップと、
前記比較の結果に基づいて、前記駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるステップと、
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、前記整流器に、および／または前記インバータに前記制御データを送出するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する主題の実施形態は、回転システムで出現するねじり振動（ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  ｖｉｂｒａｔｉｏｎ）を減ずるための、一般には方法およびシステムに、より詳細には、機構および技法に関係する。
【背景技術】
【０００２】
石油ガス産業では、可変速度で様々な機械を駆動することへの要求が高まっている。そのような機械は、圧縮機、電気モータ、膨張機、ガスタービン、ポンプ等を含み得る。可変周波数の電気駆動装置は、エネルギー効率を上昇させ、増大した柔軟性を機械にもたらす。例えば、大型のガス圧縮トレインを駆動するための１つの機構は、負荷転流形インバータ（ＬＣＩ）である。ガス圧縮トレインは、例えば、ガスタービン、モータ、および圧縮機を含む。ガス圧縮トレインは、より多い、またはより少ない、電気機械およびターボ機械を含み得る。これに対して、パワーエレクトロニクス駆動型のシステムによりもたらされる問題は、電気的高調波による、電気機械のトルクでのリップル成分の発生である。トルクのリップル成分は、駆動トレインのねじり固有振動数で、機械システムと相互作用する場合があり、これは望ましくない。
【０００３】
ねじり揺動（ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ）または振動は、例えば図１に示すように、様々な質量体（ｍａｓｓ）が取り付けられるシャフトで出現し得る揺動性の角運動である。図１は、ガスタービン１２、モータ１４、第１の圧縮機１６および第２の圧縮機１８を含むシステム１０を示す。これらの機械のシャフトは、相互に連結されるか、単一のシャフト２０がこれらの機械により共有されるかのいずれかである。シャフト２０に沿って分散される羽根車および他の質量体のために、シャフト２０の回転は、シャフトに取り付けられる質量体（例えば羽根車）の速度が異なる回転により生じるねじり揺動により影響を受ける場合がある。
【０００４】
上記で考察したように、ねじり振動は、典型的には、電気モータを駆動するパワーエレクトロニクスによりもたらされる。例えば、図１は、モータ１４のシャフト２０を駆動するＬＣＩ２４に電力を提供する電力グリッド電源（電源）２２を示す。電力グリッドは、隔離型の電力発電機であり得る。ねじり振動を減衰させる（最小限に抑える）ために、（本出願と同じ譲受人に譲渡され、その開示全体が参照によりここに組み込まれている、米国特許第７，１７３，３９９号の図１に対応する）図２に示すように、インバータコントローラ２６が、ＬＣＩ２４のインバータ２８に対して設けられ得るとともに、インバータ２８からモータ１４に伝達される有効電力の量を変調するために、インバータ遅延角度変化（Δβ）をもたらすように構成され得る。あるいは、整流器コントローラ３０が、整流器３２に対して設けられ得るとともに、発電機２２からＤＣリンク４４に、したがってモータ１４に伝達される有効電力の量を変調するために、整流器遅延角度変化（Δα）をもたらすように構成され得る。発電機２２からモータ１４に伝達される有効電力の量を変調することにより、モータ１４および圧縮機１２を含むシステムで出現する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。この点に関連して、モータ１４およびガスタービン１２のシャフトが相互に連結される一方で、発電機２２のシャフトは、モータ１４または圧縮機１２のいずれとも連結されない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、それぞれ、センサ３６および３８からの信号を入力として受信し、これらの信号は、モータ１４および／または発電機２２が受けたトルクの示度となる。換言すれば、インバータコントローラ２６は、インバータ遅延角度変化（Δβ）を発生させるために、センサ３６により検知されるトルク値を処理し、一方で整流器コントローラ３０は、整流器遅延角度変化（Δα）を発生させるために、センサ３８により検知される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、相互に無関係であり、これらのコントローラは、所与のシステムにおいて、ともに、または単独で実装され得る。図２は、センサ３６が、モータ１４のシャフトの一部（区間）４０を監視し、センサ３８が、電力発電機２２のシャフト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ＤＣリンク４４をさらに示す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許出願公開第２１６４１６５号公報
【発明の概要】
【０００７】
しかしながら、駆動トレインで減衰を発生させるための他のデバイスおよび方法を使用することが可能である。
【０００８】
１つの例示的な実施形態によれば、コンバータに接続される、またはコンバータ自体の内部に配置されるコントローラシステムが存在する。コンバータは、電気機械および非電気機械を含む駆動トレインを駆動する。コントローラシステムは、コンバータの変数に関係するコンバータデータを受信するように構成される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るコントローラとを含む。入力インターフェースは、第１の位相ロックループデバイスまたは動的観測器から第１のデジタル信号を受信するように、コンバータからコンバータデータを受信するように、コンバータデータを第１のデジタル信号と比較するように、比較の結果に基づいて、駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるように、かつ、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、整流器に、および／またはインバータに制御データを送出するように構成される。
【０００９】
別の例示的な実施形態によれば、コンバータに接続される、またはコンバータ自体の内部に配置されるねじりモード減衰コントローラシステムが存在する。コンバータは、電気機械および非電気機械を含む駆動トレインを駆動する。コントローラシステムは、第１の位相ロックデバイスまたは第１の動的観測器から第１のデジタル信号を受信するように構成される第１の入力インターフェースと、第２の位相ロックデバイスまたは第２の動的観測器から第２のデジタル信号を受信するように構成される第２の入力インターフェースと、第１および第２の入力インターフェースに接続されるコントローラとを備える。コントローラは、第１および第２のデジタル信号を受信するように、第１のデジタル信号を第２のデジタル信号と比較するように、比較の結果に基づいて、駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるように、かつ、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、整流器に、および／またはインバータに制御データを送出するように構成される。
【００１０】
さらに別の例示的な実施形態によれば、駆動トレインの一部である電気機械を駆動するためのシステムが存在する。システムは、電源から交流を受けるように、かつ、交流を直流に変換するように構成される整流器と、整流器に接続され、直流を伝送するように構成される直流リンクと、直流リンクに接続され、受けた直流を交流に変化させるように構成されるインバータと、コンバータの変数に関係するコンバータデータを受信するように構成される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るコントローラとを含む。コントローラは、第１の位相ロックループデバイスまたは動的観測器から第１のデジタル信号を受信するように、コンバータからコンバータデータを受信するように、コンバータデータを第１のデジタル信号と比較するように、比較の結果に基づいて、駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるように、かつ、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、整流器に、および／またはインバータに制御データを送出するように構成される。
【００１１】
さらなる例示的な一実施形態によれば、電気機械を含む駆動トレインでのねじり振動を減衰させるための方法が存在する。その方法は、コンバータの変数に関係するコンバータデータを受信するステップと、第１の位相ロックループデバイスまたは動的観測器から第１のデジタル信号を受信するステップと、コンバータデータを第１のデジタル信号と比較するステップと、比較の結果に基づいて、駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるステップと、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、整流器に、および／またはインバータに制御データを送出するステップとを含む。
【００１２】
別の例示的な実施形態によれば、電気機械を含む駆動トレインでのねじり振動を減衰させるための方法が存在する。その方法は、第１の位相ロックデバイスまたは第１の動的観測器から第１のデジタル信号を受信するステップと、第１の位相ロックデバイスまたは第１の動的観測器に対して追加的な、第２の位相ロックループデバイスまたは第２の動的観測器から第２のデジタル信号を受信するステップと、第１のデジタル信号を第２のデジタル信号と比較するステップと、比較の結果に基づいて、駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるステップと、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、整流器に、および／またはインバータに制御データを送出するステップとを含む。
【００１３】
さらに別の例示的な実施形態によれば、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が存在し、その命令は、実行される場合に、ねじり振動を減衰させるための方法を実施する。コンピュータ命令は、前の段落に記した方法で記載したステップを含む。
【００１４】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する、付随する図面は、１つまたは複数の実施形態を例示し、説明とともに、これらの実施形態を解説する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】電気機械および２つの圧縮機に連結される従来のガスタービンの概略図である。
【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駆動トレインの概略図である。
【図３】例示的な一実施形態による、コントローラにより制御されるガスタービン、モータおよび負荷の概略図である。
【図４】例示的な一実施形態による、コンバータおよび関連する論理回路の概略図である。
【図５】例示的な一実施形態による、コンバータおよび関連する論理回路の概略図である。
【図６】減衰制御が使用不可のシャフトのトルクを例示するグラフである。
【図７】例示的な一実施形態による、減衰制御が使用可能のシャフトのトルクを例示するグラフである。
【図８】例示的な一実施形態による、コンバータおよび関連する論理回路の概略図である。
【図９】例示的な一実施形態による、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るコントローラの概略図である。
【図１０】例示的な一実施形態による、整流器に変調を提供するコントローラの概略図である。
【図１１】例示的な一実施形態による、ねじり振動を減衰させるために、整流器を制御する方法のフローチャートである。
【図１２】例示的な一実施形態による、整流器およびインバータに変調を提供するコントローラの概略図である。
【図１３】例示的な一実施形態による、コンバータのインバータ、整流器およびＤＣリンクに存在する電圧の概略図である。
【図１４】例示的な一実施形態による、アルファおよびベータ角度変調のねじり効果を指し示すグラフである。
【図１５】例示的な一実施形態による、ねじり振動を減衰させるために、インバータおよび整流器を制御する方法のフローチャートである。
【図１６】例示的な一実施形態による、ねじり振動を減衰させるための、電圧源インバータおよび関連するコントローラの概略図である。
【図１７】多質量体（ｍｕｌｔｉｍａｓｓ）システムの概略図である。
【図１８】例示的な一実施形態による、１つの位相ロックループまたは動的観測器に基づいてねじり振動を減衰させるための制御システムの概略図である。
【図１９】例示的な一実施形態による、１つまたは複数の位相ロックループデバイスに基づいてねじり振動を減衰させるための制御システムの概略図である。
【図２０】例示的な一実施形態による、単一の位相ロックループデバイスに基づいてねじり振動を減衰させるための方法を例示するフローチャートである。
【図２１】例示的な一実施形態による、２つの位相ロックループデバイスに基づいてねじり振動を減衰させるための方法を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
例示的な実施形態の以下の説明では、付随する図面を参照する。異なる図面での同一の参照番号は、同一または類似の要素を特定する。以下の詳細な説明は、本発明を限定しない。その代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により定義される。話を簡単にするために、以下の実施形態を、負荷転流形インバータにより駆動される電気モータの専門用語および構造に関して考察する。しかしながら、次に考察することになる実施形態は、そのようなシステムに限定されず、例えば、電圧源インバータ（ＶＳＩ）のような、他のデバイスを用いて駆動される他のシステムに（適切な調整によって）適用され得る。
【００１７】
明細書全体を通しての、「１つの実施形態」または「一実施形態」に対する言及は、一実施形態に連関して説明する特定の特徴、構造、または特性が、開示す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、明細書全体を通して様々な場所で、「１つの実施形態で」または「一実施形態で」の句が出現することは、必ずしも、同一の実施形態に言及することではない。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、任意の適した様式で組み合わせることができる。
【００１８】
例示的な一実施形態によれば、ねじりモード減衰コントローラは、（モータまたは発電機であり得る）電気機械のシャフト、および／または電気機械に機械的に連結されるターボ機械のシャフトに関する、電気的および／または機械的測定値を取得するように、かつ、電気的および／または機械的測定値に基づいて、駆動トレインの所望のシャフトの場所での動トルク成分および／またはトルク振動を推定するように構成され得る。動トルク成分は、シャフトのトルク、ねじり位置、ねじり速度またはねじり加速度であり得る。１つまたは複数の動トルク成分に基づいて、コントローラは、トルク揺動を減衰させるために所望のトルクを付与するように電気機械を駆動する整流器の１つまたは複数のパラメータを調整／修正し得る。次に考察するように、整流器制御に基づく減衰を決定するための、コントローラに対する様々なデータ源が存在する。
【００１９】
図３に示す例示的な一実施形態によれば、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。負荷５６として、ガスタービンおよび／または複数の圧縮機、または他のターボ機械を必要とする他の構成が可能である。さらに、他の構成は、１つもしくは複数の膨張機、１つもしくは複数の電力発電機、または、回転部分を有する他の機械、例えば、風力タービン、ギアボックスを含み得る。図３に示すシステムは、一例であり、新規の特徴のより良い理解のために単純化される。しかしながら、より多い、またはより少ない構成要素を有する他のシステムが、ここで考察する新規の特徴を含むように適合され得ることを、当業者は理解するであろう。
【００２０】
シャフト５８に対する（機械のロータおよび羽根車に関連する）様々な質量体の連結により、システム５０は、潜在的にねじり振動が起きやすくなる。これらのねじり振動は、シャフト５８を捻回する場合があり、これは、（具体的な状況に応じて、シャフトまたは複数のシャフトだけでなく、継手およびギアボックスをも含み得る）シャフトシステムの重大な寿命の短縮、または破壊さえもたらし得る。例示的な実施形態は、ねじり振動を低減するための機構を提供する。
【００２１】
モータ５４を動作状態にするために、電力が、電力グリッド、または、島の、もしくは島のような電力系統の場合では地域の発電機６０から供給される。モータ５４を可変速度で駆動するために、負荷転流形インバータ（ＬＣＩ）６２が、グリッド６０とモータ５４との間に設けられる。図４に示すように、ＬＣＩ６２は、インバータ７０に接続されるＤＣリンク６８に接続される整流器６６を含む。整流器６６、ＤＣリンク６８、およびインバータ７０は、当技術分野で既知であるので、それらの具体的な構造は、ここではさらには考察しない。上記のように、新規の特徴が、適切な変更によって、ＶＳＩシステムに適用され得る。単に例示のために、例示的なＶＳＩを、図１６に関して示し、簡潔に考察する。図４は、グリッド６０から受ける電流および電圧が、それぞれ、３相の電流および電圧であることを指し示す。同じことが、整流器、インバータおよびモータを通る、電流および電圧に当てはまり、この事実は、記号「／３」により図４で指し示される。しかしながら、例示的な実施形態の新規の特徴は、３相を超えるもの、例えば６相および１２相のシステムと連動するように構成されるシステムに適用可能である。
【００２２】
ＬＣＩ６２は、図４では丸で囲んだＡおよび丸で囲んだＶにより示される、電流および電圧のセンサをさらに含む。例えば、電流センサ７２は、電流ｉDCを測定するために、ＤＣリンク６８に設けられる。あるいは、ＤＣリンクでの電流は、ＡＣ側、例えば電流センサ８４または７４で遂行される測定の値に基づいて計算される、というのは、これらのセンサは、ＤＣセンサより高価でないからである。別の例は、インバータ７０によりモータ５４に提供される電流ｉabcを測定する電流センサ７４、および、インバータ７０によりモータ５４に提供される電圧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は、コントローラ７８に入力として提供され得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、指定の制御機能を達成するための、任意の適切なデジタル、アナログ、またはそれらの組み合わせの、回路または処理装置を包含するように使用される。図３に戻ると、コントローラ７８は、ＬＣＩ６２の一部であり得る、または、ＬＣＩ６２と信号を交換するスタンドアローンのコントローラであり得ることに留意されたい。コントローラ７８は、ねじりモード減衰コントローラであり得る。
【００２３】
図４は、ＬＣＩコントローラ８０が、図３に示すガスタービン５２、モータ５４および負荷５６の、１つまたは複数に関する機械的測定値を受信することができることをさらに示す。同じことが、コントローラ７８に当てはまり得る。換言すれば、コントローラ７８は、図３に示すシステム５０の構成要素のいずれかから測定値データを受信するように構成され得る。例えば、図４は、測定値データ源７９を示す。このデータ源は、システム５０の構成要素のいずれかからの機械的測定値および／または電気的測定値を提供し得る。より良い理解のために、および例示的な実施形態を限定しないように使用される特定の例は、データ源７９がガスタービン５２に関連する場合である。ガスタービン５２のねじり位置、速度、加速度またはトルクは、既存のセンサにより測定され得る。このデータは、図４に示すようなコントローラ７８に提供され得る。別の例は、コンバータ６２またはモータ５４で得られる電気的測定値である。データ源７９は、必要であれば、これらの測定値をコントローラ７８またはコントローラ８０に提供することができる。
【００２４】
コントローラ８０は、様々な基準値８２、およびセンサ８４から受ける電流ｉdxに基づいて、整流器６６を制御するための整流器遅延角度αを発生させることができる。整流器遅延角度αに関しては、ＬＣＩが、有効電力を、グリッド６０からモータ５４に、またはその逆に伝達するように設計されることに留意されたい。この伝達を最適な力率で実現するには、整流器遅延角度αおよびインバータ遅延角度βを必要とする。整流器遅延角度αは、例えば、正弦波変調を付与することにより変調され得る。この変調は、有限量の時間の間付与され得る。１つの用途では、変調は連続的に付与されるが、変調の振幅は変動する。例えば、シャフトでのねじり振動が存在しない際は、変調の振幅はゼロとなり得る、すなわち、変調がないことになり得る。別の例では、変調の振幅は、シャフトの検出したねじり振動に比例し得る。
【００２５】
別のコントローラ８６が、インバータ７０に対するインバータ遅延角度βを発生させるために使用され得る。インバータ遅延角度βの変調が、インバータＤＣ電圧の変調をもたらし、それが、ＤＣリンク電流の変調を引き起こし、負荷入力電力での有効電力の揺動をもたらす。換言すれば、ねじりモード減衰を実現するためにインバータ遅延角度のみを変調することは、ＤＣリンク６８に蓄積される磁気エネルギーが主に元になる減衰電力をもたらす。インバータ遅延角度の変調は、回転するシャフトが加速されているか、それとも減速されているかに応じて、回転エネルギーが磁気エネルギーに変換されることを、およびその逆のことをもたらす。
【００２６】
さらに、図４は、コントローラ８０および８６から受信した情報に基づいて、整流器およびインバータを直接制御する、整流器６６に対するゲート制御ユニット８８およびインバータ７０に対するゲート制御ユニット９０を示す。適宜のセンサ９２が、動トルク成分、例えば、シャフトに存在するトルク、またはシャフトのねじり速度、またはシャフトのねじり加速度、またはシャフトのねじり位置を検出するために、モータ５４のシャフトに近接して設置され得る。他の同様のセンサ９２が、モータ５４とガスタービン５２との間に、またはガスタービン５２に配置され得る。（センサ９２により）測定した動トルク成分に関する情報ｕxが、コントローラ７８、８０および８６に提供され得る。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により発生される信号に加算する、総和ブロック９４および９６をさらに示す。
【００２７】
図５に示す例示的な一実施形態によれば、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で測定される、電流ｉabcおよび電圧ｖabcを受信することができる。これらの値（モータのシャフトの測定したトルクまたは速度または加速度に関する情報はない）に基づいて、モータに対する空隙トルクが、計算され、システムの機械モデルに供給される。システムの機械モデルは、機械システムの動的挙動を表し、電気的パラメータをシステムの機械的パラメータにリンクするいくつかの微分方程式により表され得る。モデル表現は、例えば、（実地測定値により検証され得る）推定した慣性、減衰および剛性の値を含み、シャフトの動的挙動、例えばねじり揺動の計算を可能にする。主に、動トルク成分の位相の精度が、ねじりモード減衰に対して関連性があり、振幅情報またはトルクの絶対値は、重要性がより低いように、ねじりモード減衰のための必要な精度が実現され得る。
【００２８】
この点に関連して、電気機械の空隙トルクは、駆動トレインの電気システムと機械システムとの間のリンクであることに留意されたい。電気システムでのすべての高調波および次数間高調波もまた、空隙トルクで明らかである。機械システムの固有振動数での次数間高調波は、ねじり揺動を励起し、潜在的に、シャフトの定格を超える機械システムでの動トルク値をもたらす可能性がある。既存のねじりモード減衰システムは、そのようなねじり揺動を減殺し得るが、これらのシステムは、モータの動トルクを表す信号を必要とし、この信号は、モータのシャフト、または、モータのシャフトに沿って装着される歯車などのモータのシャフト構成要素を効果的に監視するセンサから取得される。例示的な実施形態によれば、動トルク成分は電気的測定値に基づいて数値が求められるので、そのような信号は必要とされない。これに対して、後で考察するように、一部の例示的な実施形態では、システムの他の構成要素、例えばガスタービンでの利用可能な機械的測定値が、機械的なシャフトに沿って動トルク成分を決定するために使用され得る状況を説明する。
【００２９】
換言すれば、例示的な一実施形態による利点は、機械システムでねじり振動を検知する必要のないねじりモード減衰を適用することである。したがって、電流電圧、および／または電流、および／または速度のセンサが、比較的低いコストで利用可能にされ得るように、ねじりモード減衰が、電気または機械のシステムで追加的な検知を設置する必要がなく適用され得る。この点に関連して、トルクを測定するための機械センサは、高電力用途に対しては高価であり、これらのセンサは、既存のシステムに付加され得ない場合があることに留意されたい。したがって、現存するねじりモード減衰の解決策は、現存するねじりモード減衰システムが、トルクの示度となるシステムの機械的パラメータを表す信号を測定するためのセンサを必要とするような場合に対しては実装され得ない。それとは反対に、図５の例示的な実施形態の手法は、信頼性が高く、コスト効果が高く、既存のシステムを改造することを可能にする。
【００３０】
図５に指し示す電流および電圧を受信する際に、コントローラ７８は、整流器遅延角度αおよび／またはインバータ遅延角度βを制御するための適切な信号（ΔαおよびΔβの、１つまたは複数に対する変調）を発生させることができる。したがって、図５に示す実施形態によれば、コントローラ７８は、インバータ７０の出力９１から測定した電気的情報を受信し、例えば、特許第７，１７３，３９９号で説明した減衰原理に基づいて、様々な遅延角度を決定／計算する。１つの用途では、遅延角度は、インバータおよび／またはコンバータの動作に影響を及ぼさないように、例えば２から３度の、狭く定義された範囲に制限され得る。１つの用途では、遅延角度は、サイリスタのオーバーヘッド点弧による転流障害を防止するために、ただ１つの方向（負または正のいずれか）に限定され得る。図５に例示するように、様々な角度の補正は、モータ５４に連結される機械駆動トレインの測定した信号（フィードバック）に基づいて調整／検証されないので、この例示的な実施形態は開ループである。さらに、遂行したシミュレーションでは、コントローラ７８が使用可能である場合に、ねじり振動の低減を示す。図６は、コントローラ７８が使用不可である場合の、時間に対する、モータ５４のシャフトのトルクの揺動１００を示し、図７は、コントローラ７８が、例えば時間１２ｓでアルファ変調を発生させるように使用可能であり、一方で、機械駆動トレインが、可変速度動作で動作され、ｔ＝１２ｓで臨界速度に達する場合に、同じ揺動がどのように低減／減衰されるかを示す。両図は、ｘ軸上の時間に対して、ｙ軸上にシミュレートしたトルクをプロットする。
【００３１】
図８に示す別の例示的な実施形態によれば、コントローラ７８は、ＤＣリンク６８から取得される電気的な量に基づいて、遅延角度変化（変調）Δαおよび／またはΔβの、１つまたは複数を計算するように構成され得る。より具体的には、電流ｉDCが、ＤＣリンク６８のインダクタ１０４で測定され得るものであり、この値が、コントローラ７８に提供され得る。１つの用途では、ただ１つの電流測定値が、コントローラ７８に供給するために使用される。測定した電流の値およびシステムの機械モデルに基づいて、コントローラ７８は、上記の遅延角度変化を発生させることができる。別の例示的な実施形態によれば、直流ＩDCが、整流器６６またはインバータ７０で遂行される、電流および／または電圧の測定に基づいて推定され得る。
【００３２】
図５および８に関して考察した実施形態のいずれかで、コントローラ７８により計算される遅延角度変化は、閉ループ構成に基づいて修正され得る。閉ループ構成は、図８での破線１１０により例示される。閉ループは、モータ５４のシャフトの角度位置、速度、加速度、またはトルクが、適切なセンサ１１２を用いて決定され得るとともに、この値がコントローラ７８に提供され得ることを指し示す。同じことが、センサまたは複数のセンサ１１２が、図３に示す、ガスタービン、またはシャフト５８に沿う他の場所に設けられる場合に当てはまる。
【００３３】
次に、コントローラ７８の構造を、図９に関して考察する。例示的な一実施形態によれば、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カード等１２２の１つに接続される、入力インターフェース１２０（または、システムの様々な構成要素から信号を受信するように構成される複数の入力インターフェース）を含み得る。要素１２２は、ＬＣＩ６２から電気的パラメータを受信するように、かつ、遅延角度変化を計算するように構成される。要素１２２は、（図１７に関してより詳細に開示する）機械モデル１２８を記憶するように、かつ、モータ５４の動トルク成分の１つまたは複数を計算するために、入力インターフェース１２０で受信した電気的および／または機械的測定値を機械モデル１２８に入力するように構成され得る。１つまたは複数の動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で発生され、次いで、出力信号が、総和ブロックおよびゲート制御ユニットに転送される。別の例示的な実施形態によれば、コントローラ７８は、遅延角度変化を決定するための、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であり得る。
【００３４】
１つの例示的な実施形態では、コントローラ７８は、様々な電流および電圧のセンサから電気的測定値を連続的に受信し、電気的測定値に基づいて計算した動トルク成分に基づいて、ねじり減衰信号を連続的に計算する。この例示的な実施形態によれば、コントローラは、ねじり振動がシャフトに存在するかどうかを決定せず、むしろ、計算した動トルク値に基づいて、ねじり減衰信号を連続的に計算する。しかしながら、ねじり振動が存在しないならば、コントローラにより発生され、インバータおよび／または整流器に送出さ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を及ぼしていない、すなわち、減衰信号により提供される角度変化は、無視できる、またはゼロである。このように、この例示的な実施形態によれば、信号は、ねじり振動が存在する場合にのみ、インバータおよび／または整流器に影響を及ぼす。
【００３５】
例示的な一実施形態によれば、ガスタービンのシャフトでの直接のトルクまたは速度の測定値（またはシャフトでの推定した速度もしくはトルクの情報）により、コントローラが、ＬＣＩで、ねじり揺動のねじり速度に対して逆相で、エネルギー伝達を変調することが可能になる。発電機とＬＣＩ駆動装置との間で交換される減衰電力は、電子的に調整され得るものであり、シャフトシステムの固有振動数に対応する周波数を有し得る。この減衰方法は、Ｑ値が高い機械システム、すなわち、ねじり剛性の高い鋼鉄で作製されるロータシャフトシステムに対して効果的である。加えて、揺動する電気的トルクをモータのシャフトに付与し、機械システムの共振周波数に対応する周波数を有するこの方法は、減衰電力をほとんど使用しない。
【００３６】
したがって、上記で考察したコントローラは、駆動システムを過負荷の状態にすることのないＬＣＩ技術に基づいて、駆動システムと一体化され得る。これは、新型または既存の電力系統に対する新規のコントローラの実装を容易にし、それを、経済的に興味を引くものとする。コントローラは、既存の電力系統を変更する必要がなく、例えば、島のネットワーク内のＬＣＩ駆動装置の１つの制御システムを拡張して実装され得る。
【００３７】
ＬＣＩの動作可能な速度およびトルクが、大きな範囲で変動するならば、ねじりモード減衰の有効性は、グリッド側のコンバータの電流制御性能によって決まり得る。ねじりモード減衰動作は、ねじり固有振動数で、小さな追加的なＤＣリンクの電流リップルをもたらす。その結果、この周波数では、２つの電力成分、すなわち、インバータの点弧角制御による所期の成分、および、追加的な電流リップルによる追加的な成分が存在する。この追加的な電力成分の位相および大きさは、システムパラメータ、電流制御設定値および動作点の関数である。これらの成分は、結果として、電流制御に応じた電力成分および角度変調に応じた成分となる。
【００３８】
例示的な一実施形態によれば、電力変調の２つの代替の方法が、コントローラにより実装され得る。第１の方法は、グリッド側で電流基準値を直接使用すること（高速の電流制御の実装を必要とする）、例えば、減衰成分を用いたα−変調である。第２の方法は、一定のｄｃリンク電流をもたらす、グリッド側および機械側の角度を変調すること、例えば、減衰周波数成分を用いたα−β−変調である。グリッド側での電流制御は、この減衰制御の一部であり、したがって、電流制御は、角度変調の効果を減殺しない。この方法では、減衰効果は、より高く、電流制御設定値とは無関係である。
【００３９】
図１０に示す例示的な一実施形態によれば、システム５０は、図３および４に示すシステムと同様の要素を含む。コントローラ７８は、システム５０のモータ５４または負荷５６またはガスタービン（図示せず）の、１つまたは複数に関して、（図４、５、および８に示すような）電気的測定値、および／または機械的測定値（例えば、図４および８、または、図１０でのセンサ１１２およびリンク１１０を参照）を受信するように構成される。電気的測定値のみに、または機械的測定値のみに、またはその２つの組み合わせに基づいて、コントローラ７８は、α−変調を整流器６６に付与するために制御信号を発生させる。例えば、電流基準値の変調が、α−変調により実現され、一方で、β角度は、インバータ７０で一定に維持される。α−変調は、例えば、図４と１０の両方では、Δαにより表される。このα−変調は、米国特許第７，１７３，３９９号で開示したものとは、少なくとも２つの理由で異なることに留意されたい。第１の相違点は、機械的測定値が（使用されるならば）、本発明の例示的な実施形態では、シャフト５８に沿った場所（すなわち、モータ５４、負荷５６および／またはガスタービン５２）から取得され、一方で、米国特許第７，１７３，３９９号では、電力発電機２２の測定値を使用する（図２を参照）ということである。第２の相違点は、例示的な一実施形態によれば、機械的測定値は、α−変調を遂行するために、コントローラ７８により受信かつ使用されないということである。
【００４０】
図１１に示す例示的な一実施形態によれば、電気機械を含む圧縮トレインでのねじり振動を減衰させるための方法が存在する。その方法は、（ｉ）電気機械を駆動するコンバータ、または（ｉｉ）圧縮トレインのパラメータに関係する測定したデータを受信するステップ１１００、測定したデータに基づいて、電気機械の少なくとも１つの動トルク成分を計算するステップ１１０２、少なくとも１つの動トルク成分に基づいて、圧縮トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、コンバータの整流器に対する制御データを発生させるステップ１１０４、ならびに、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、整流器に制御データを送出するステップ１１０６を含む。
【００４１】
図１２に示す別の例示的な実施形態によれば、システム５０は、ねじり揺動を減衰させるために、整流器６６とインバータ７０の両方が同時に制御され得る（すなわち、α−変調とβ−変調の両方）。図１２に示すように、コントローラ７８は、整流器コントローラ８８とインバータコントローラ９０の両方に変調を提供する。コントローラ７８は、（ｉ）モータ５４、負荷５６および／もしくはガスタービン５２の１つで、センサ（複数可）１１２により測定される機械的測定値、（ｉｉ）図４、５、および８に示すような電気的測定値、または、（ｉ）および（ｉｉ）の組み合わせに基づいて、適切な変調を決定する。
【００４２】
より具体的には、α−およびβ−変調は、次に図１３を参照して考察するように関係付けられ得る。図１３は、整流器６６、ＤＣリンク６８およびインバータ７０の両端間での代表的な電圧降下を示す。α−およびβ−変調の結果として、ＤＣリンク電流が一定であることが望まれる。図１３に示す関連する電圧降下は、次式により与えられる。
ＶDCα＝ｋ・ＶACG・ｃｏｓ（α）、
ＶDCβ＝ｋ・ＶACM・ｃｏｓ（β）、および、
ＶDCα＝ＶDCβ＋ＶDCL
ただし、ＶACGは、図１２での電力グリッド６０の電圧振幅であり、ＶACMは、モータ５４の電圧振幅である。
【００４３】
最後の関係式を時間で微分し、ＶDCLの時間的な変化がゼロであるという条件を課すことにより、α−変調とβ−変調との間の以下の数学的関係式
ｄ（ＶDCα）／ｄｔ＝−ｋ・ＶACG・ｓｉｎ（α）およびｄ（ＶDCβ）／ｄｔ＝−ｋ・ＶACM・ｓｉｎ（β）を取得し、これは、
ｄα＝（ＶACM・ｓｉｎ（β））／（ＶACG・ｓｉｎ（α））・ｄβという結果になる。
【００４４】
この最後の関係式に基づいて、α−変調とβ−変調の両方が、例えば図１４に示すように、同時に遂行される。図１４は、ｔ0＝１．５秒の付近で増大する実際のトルク２００を示す。α−変調２０２も、β−変調２０４も、ｔ0とｔ1との間では付与されないことに留意されたい。ｔ1では、励振２０６が、ｔ1とｔ2との間で付与され、両方の変調２０２および２０４が付与される。ｔ1からｔ2までの時間区間の終了位置では、両方の変調が除去され、トルク２００の揺動が、機械駆動トレインの固有の機械的減衰性質のために、指数関数的に減少していることに留意されたい。この例は、シミュレートされるものであり、現実のシステムで測定されるものではない。この理由で、両方の変調は、厳密に制御され、例えば、ｔ1で開始され、ｔ2で停止される。これに対して、α−変調およびβ−変調の現実の実装形態では、変調は、変調の振幅がねじり揺動の重大度に基づいて調整されている状態で、連続的に遂行され得る。β−変調によるこの複合的な変調の利点は、異なる動作点での位相適合に対する必要性がなく、ＬＣＩ制御パラメータが減衰性能に影響を与えないことが可能であるということである。この変調の例は、機械システムに対する、両方の遅延角度を変調する効果を例示するために提供される。反転減衰性能を伴うねじり減衰システムに対して、機械システムに対する開ループ応答を使用するシミュレーション結果が示される。
【００４５】
図１５に示す例示的な一実施形態によれば、電気機械を含む駆動トレインでのねじり振動を減衰させるための方法が存在する。その方法は、（ｉ）電気機械を駆動するコンバータ、または（ｉｉ）駆動トレインのパラメータに関係する測定したデータを受信するステップ１５００、測定したデータに基づいて、電気機械の少なくとも１つの動トルク成分を計算するステップ１５０２、少なくとも１つの動トルク成分に基づいて、駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、コンバータのインバータおよび整流器の各個に対する制御データを発生させるステップ１５０４、ならびに、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、インバータおよび整流器に制御データを送出するステップ１５０６を含む。動トルク成分は、機械的なシャフトの区間に関係する回転位置、回転速度、回転加速度またはトルクを含むことに留意されたい。有効電力を変調するという表現は、期間Ｔにわたる平均有効電力がゼロである場合でも、瞬時での変調の観念を表現するものであることにもまた留意されたい。加えて、ＬＣＩの代わりにＶＳＩが使用されるならば、有効電力の代わりに適切であるような別の電気的な量が修正され得る。
【００４６】
図１６に示す例示的な一実施形態によれば、ＶＳＩ１４０は、整流器１４２、ＤＣリンク１４４、およびインバータ１４６を、この順序で相互に接続された状態で含む。整流器１４２は、電源１４８からグリッド電圧を受け、例えば、半導体デバイスに基づくダイオードブリッジまたはアクティブフロントエンドを含み得る。整流器１４２により提供されるｄｃ電圧は、ＤＣリンク１４４においてコンデンサＣによりフィルタリングかつ平滑化される。次いで、フィルタリングされたｄｃ電圧は、モータ１５０に付与されることになるａｃ電圧を発生させる自己転流半導体デバイス、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を含み得るインバータ１４６に付与される。コントローラ１５２および１５４が、モータ１５０のシャフト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付加して、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されて、整流器１４２およびインバータ１４６に対して設けられ得る。半導体デバイスの一部に接続された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を示すが、すべての半導体デバイスがコントローラに接続され得ることを理解されたい。コントローラ１５２および１５４は、ともに、または単独で設けられ得るものであり、それらは、図４および５に関して考察したような電気的測定値に基づいて動トルク成分を決定するように、かつ、内蔵の整流器およびインバータの制御の制御基準値、例えば、トルクまたは電流の制御基準値に影響するように構成される。
【００４７】
図１７に示す例示的な一実施形態によれば、一般化した多質量体システム１６０が、対応する慣性モーメントＪ1からＪnを有する、「ｎ」個の異なる質量体を含み得る。例えば、第１の質量体は、ガスタービンに対応し得る、第２の質量体は、圧縮機に対応し得る等々で、最後の質量体は、電気モータに対応し得る。電気モータのシャフトは、機械的測定値、例えば、回転位置、速度、加速度またはトルクのために接近可能ではないものとする。さらに、ガスタービンのシャフトは接近可能であり、上記の機械的パラメータの１つが、ガスタービンで直接測定され得るものとする。この点に関連して、一般に、ガスタービンは、起こり得る損傷からガスタービンを保護するために、シャフトの様々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。それとは反対に、従来のモータはこれらのセンサを有さず、または、何らかのセンサが存在する場合でも、それらの測定値の精度は不十分である。
【００４８】
機械システム全体の微分方程式は、次式により与えられる。
Ｊ（ｄθ2／ｄｔ2）＋Ｄ（ｄθ／ｄｔ）＋Ｋθ＝Ｔext
ただし、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の質量体の特性（例えば、ｄ10、ｄ12、ｋ12、Ｊ1）を他の質量体の特性と結び付ける行列であり、Ｔextは、例えばモータにより、システムに付与される外部（正味）トルクである。機械システムのこのモデルに基づいて、「ｎ」質量体のトルクまたは他の動トルク成分が、例えば、第１の質量体の特性が既知であるならば決定され得る。換言すれば、ガスタービンに設けられる高精度センサは、ガスタービンのシャフトのねじり位置、速度、加速度またはトルクの少なくとも１つを測定するために使用され得る。この測定した値に基づいて、駆動トレインのモータ（「ｎ」質量体）または別の区間の動トルク成分が、システムのプロセッサまたはコントローラ７８により計算され得るものであり、したがって、制御データが、上記ですでに考察したようなインバータまたは整流器に対して発生され得る。
【００４９】
換言すれば、この例示的な実施形態によれば、コントローラ７８は、モータに連結される１つのターボ機械類から機械的に関係する情報を受信する必要があり、この機械的に関係する情報に基づいて、コントローラは、ねじり振動を減衰させるためにモータでトルクを発生させるように、コンバータを制御することができる。ターボ機械類は、ガスタービンだけでなく、圧縮機、膨張機または他の既知の機械でもあり得る。１つの用途では、電気的測定値は、減衰を遂行するために必要ではない。しかしながら、電気的測定値は、減衰を実現するために、機械的測定値と組み合わされ得る。１つの用途では、減衰を付与する機械（減衰機械）は、機械的測定値のために接近可能ではなく、減衰機械の動トルク成分は、減衰機械に機械的に連結される別の機械上で遂行される機械的測定の値により計算される。
【００５０】
図１８に示す例示的な一実施形態によれば、モータ１５０およびＬＣＩモータ側でのインバータ１８４のみが示される。モータのシャフトの位置および速度は、駆動トレインを制御するために使用され得る変数である。モータのシャフトの位置（またはモータ電圧ベクトル）は、モータ側でのβ点弧を精度高く決定するために使用され得る。
【００５１】
モータのシャフトの位置は、モータのシャフトに取り付けられる位置センサから取得され得る、または、直接の位置センサなしで、例えば、モータおよび／もしくは駆動装置自体の電気的変数により供給される観測器モデルの使用によって取得され得る。同様に、モータ電圧ベクトルは、モータおよび／または駆動装置の電気的変数（例えば、モータ電圧）から数値が求められ得る。モータ端子の電圧および／または電流の波形は、大きなノイズおよび転流スパイクを含み得る。この理由で、モータ端子の電圧および／または電流は、モータ電圧ベクトル位置またはモータロータ位置を決定するために直接には使用されない。１つの用途では、フィルタリング動作が、（例えば、観測器モデルの使用によって、またはＰＬＬ（位相ロックループ）デバイスを使用することにより）モータ／駆動装置の電気的変数に適用される。
【００５２】
図１８は、位置センサがモータに直接取り付けられないと仮定して、点弧パルスがモータ側でどのように発生され得るかを解説するための例示的な一実施形態を示す。しかしながら、上記のように、位置センサを使用することにより同じ結果を実現することが可能である。モータ１５０および／または駆動トレインが元になる電気的変数１８６から開始して、モータ電圧ベクトル（複数可）またはモータロータ位置が、観測器またはＰＬＬブロック１８０の使用により導出される。この瞬時角１８８は、インバータに対する点弧コマンド１９４を、さらにβコマンド１９２に応じて判断かつ送出するために、変調器１９０に供給される。当業者なら理解するように、モータ電圧ベクトル位置またはモータロータ位置にロックするための他の方法が使用され得る。図１８に示す例示的な実施形態を考えてみると、ＰＬＬまたは観測器１８０の動的特性は、モータ電圧ベクトル位置またはモータロータ位置を精度高く追跡するのに、かつ、現実の位置と「観測した」位置との間の不一致が大きい場合での安全角の低減を回避するのに十分に精度が高くなければならない。ここでは、用語「観測した」は、動的観測器により生じる変数だけでなく、ＰＬＬシステムにより生じる変数もまた指すために使用されることに留意されたい。
【００５３】
図１９に示す別の例示的な実施形態によれば、完全に論理的な方法が、駆動トレインでのねじり揺動を減衰させるために実装され得る。図１９は、モータ１５０および駆動トレインのＬＣＩ６２のみを示す。図１９に示す例示的な実施形態に関しては、ＰＬＬ（または観測器）１６２の動作が関心事である。この例示的な実施形態では、ＰＬＬ（または観測器）は、（ブロック１６０により検出される）モータ電圧のゼロ交差にロックされる。しかしながら、これは、使用されるＰＬＬおよび位相復調器のタイプ、または使用される動的観測器のタイプを限定していることにはならない。ＰＬＬは、特定のタイプの観測器であるとみなされることに留意されたい。この理由で、観測器について言及する場合、それは、ＰＬＬシステムも意味する場合があり、または、ＰＬＬについて言及する場合、それは、観測器も意味する場合がある。検出器１６０でのゼロ交差動作の後に、デジタル矩形波が、発生され、ＰＬＬ／観測器１６２に提供される。ＰＬＬ／観測器１６２は、この波形を追跡する（ゼロ交差は、他の既知の方法で置換され得る）。ＰＬＬ／観測器１６２の出力は、アナログまたはデジタルの変数であり得る瞬時角である。観測した瞬時角は、モータでの角度βの作動を決定するために、コントローラ７８に提供される。この理由で、ＰＬＬ／観測器１６２の動的特性は、モータロータまたはモータ電圧ベクトル位置を精度高く追跡するのに、かつ、動的誤差の場合での安全角の低減を回避するのに十分に精度が高くなければならない。
【００５４】
駆動トレイン上のねじり揺動は、モータ区間上の速度揺動に反映され、この速度揺動は、モータ電圧の振幅および周波数に反映される。ＰＬＬ／観測器の精度が高いならば、この速度揺動は、追跡される信号で明らかである。
【００５５】
モータ側での点弧角（α、β、またはそれらの両方）が、ＰＬＬ／観測器１６２により提供される基準信号に基づいて変調されるならば、ＰＬＬ／観測器の伝達関数の修正が、ねじり揺動の減衰に影響を与え得るということになる。例えば、モータ側での所望の点弧角が一定であること、および、ねじり揺動がモータ区間上の速度揺動の形で存在することを想定する。出力ブリッジでの点弧時間が、ＰＬＬ／観測器の出力基準値に関して計算される。ＰＬＬ／観測器が、（意図的に、または意図的でなく）モータ電圧を精度高く追跡せず、一定の点弧角が、（ＰＬＬ／観測器の精度が高くないので、現実の角度とは異なる）「観測した角度」に基づいて変調される場合、モータ側での現実の点弧角は、ＰＬＬ／観測器の伝達関数に応じて、速度自体により変調される。シャフトでの速度揺動に対する応答である点弧角の変調を行うことが、減衰器の働きとなり得る。
【００５６】
したがって、図１９は、ＰＬＬ／観測器１６２のデジタル出力が、コントローラ７８（例えば、図９に関して上記で考察した論理ブロックまたはコントローラ）で、モータ電圧を表す矩形波信号とどのように比較されるかを例示する。モータ電圧を表す信号は、コントローラ７８により、リンク１７２に沿って検出器１６０から受信される。すでに指摘したように、電圧のゼロ交差は、ＰＬＬ（または観測器）１６２に送り込まれ得るモータ／駆動装置の変数に関係する唯一の信号ではない。次いで、デジタル動作によって、補正信号が発生される。そのような信号は、アナログまたはデジタルの信号であり得る。第１の場合（混合型の解決策）では、信号が、コントローラ７８からリンク１７４に沿って送出され、所望のαおよび／またはβ角度を変調するために使用される。第２の場合（デジタルの解決策）では、デジタル信号が、転流を遂行するために、コントローラ７８から直接（図１９内のリンク１７０を参照）インバータ／コンバータのゲートに送出される。ここで説明した動作（ＰＬＬ／観測器の出力とモータが元になる入力信号との間の比較）は、ＰＬＬ（位相比較器）または観測器にすでに組み込まれている場合があることに留意されたい。コントローラ７８は、β角度に関する補正信号が安全マージンを低減しない（β角度が、低減され得るのみであり、ただし増大され得ないようなユニポーラ変調）ことを検証するように構成される制御論理回路を含み得る。
【００５７】
図１９は、コントローラ７８により生じる変調の値を制限する適宜のリミッタ１６６をさらに示す。適宜、スイッチ１６８が、ＬＣＩ６２に提供される、コントローラ７８により発生される制御データをスイッチオンまたはスイッチオフするために、リミッタ１６６とＬＣＩ６２との間に設けられ得る。
【００５８】
１つの用途では、図１９に対して上記で説明したアルゴリズムは、ＰＬＬ／観測器１６２が、モータロータまたはモータ電圧ベクトル位置を精度高く追跡しない場合に、より効率的に作動し得る。「観測した」位置と現実の位置との間の明らかな違いを生み出す試みで、揺動を減衰させるためのＰＬＬ／観測器の伝達関数を修正することには、（安全角の起こり得る低減を含む）一連の欠点があり得る。
【００５９】
この理由で、コントローラ７８の内部に、第２のＰＬＬ／観測器１６４が設けられ得る。この方法では、第１のＰＬＬ／観測器１６２は、モータロータまたはモータ電圧ベクトル位置を追跡するのに十分に精度が高くてよく、一方で、第２のＰＬＬ／観測器１６４は、（今や多くの制約なしに選定され得る）異なる運動性を用いてモータロータまたは電圧ベクトル位置を追尾するように構成される。定常状態では、一定速度で、２つのＰＬＬ／観測器の出力は同じになり得るものであり、一方で、（中心値付近での速度の揺動を含む）過渡状態の間、２つのＰＬＬ／観測器の出力は異なる。２つのＰＬＬ／観測器の間の比較の結果は、別の減衰解決策を実装するために使用され得る。
【００６０】
２つのＰＬＬ／観測器が使用される場合では、混合型の解決策が可能である（例えば、角度βが、β基準値を変化させることにより変調される）だけでなく、または、完全にデジタルの解決策が可能である（β角度基準値に関する任意の直接の変調なしに、２つのＰＬＬ／観測器が元になる２つのデジタル信号の比較がデジタル処理され、比較の結果が、インバータのゲートユニットに直接送出されるコマンドとなる）。
【００６１】
例示的な一実施形態によれば、電気機械を含む駆動トレインでのねじり振動を減衰させるための方法が、図２０に例示される。その方法は、コンバータの変数に関係するコンバータデータ（例えばゼロ交差）を受信するステップ２０００、第１の位相ロックループデバイスまたは動的観測器から第１のデジタル信号を受信するステップ２００２、コンバータデータを第１のデジタル信号と比較するステップ２００４、比較の結果に基づいて、駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるステップ２００６、ならびに、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、整流器に、および／またはインバータに制御データを送出するステップ２００８を含む。適宜のステップでは、制御データは、デジタルであり、コンバータのゲートを転流させるためにコンバータに直接送出される、または、制御データは、アナログであり、コンバータ変調器に付与されることになるα−、β−、もしくは、α−およびβ−変調を生じさせるために使用される。
【００６２】
しかしながら、２つのＰＬＬ（または観測器）ユニットが、システムで利用可能にされるならば、電気機械を含む駆動トレインでのねじり振動を減衰させるための異なる方法が実装され得る。図２１に例示するこの実施形態によれば、その方法は、第１の位相ロックデバイスまたは第１の動的観測器から第１のデジタル信号を受信するステップ２１００、第２の位相ロックループデバイスまたは第２の動的観測器から第２のデジタル信号を受信するステップ２１０２、第１のデジタル信号を第２のデジタル信号と比較するステップ２１０４、比較の結果に基づいて、駆動トレインのシャフトでのねじり揺動を減衰させるために、コンバータの整流器および／またはインバータに対する制御データを発生させるステップ２１０６、ならびに、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、整流器に、および／またはインバータに制御データを送出するステップ２１０８を含む。適宜のステップでは、制御データは、デジタルであり、コンバータのゲートを転流させるためにコンバータに直接送出される、または、制御データは、アナログであり、コンバータ変調器に付与されることになるα−、β−、もしくは、α−およびβ−変調を生じさせるために使用される。
【００６３】
開示した例示的な実施形態は、ねじり振動を減衰させるためのシステムおよび方法を提供する。この説明は、本発明を限定することは意図されないことを理解されたい。それとは反対に、例示的な実施形態は、添付の特許請求の範囲により定義されるような、本発明の趣旨および範囲に含まれる、代替方法、修正および等価物を包含することが意図される。例えば、方法は、大型のウォータポンプ、揚水発電所等のような、他の電気モータ駆動型の機械システムに適用され得る。さらに、例示的な実施形態の詳細な説明では、請求する本発明の包括的な理解をもたらすために、数多くの具体的な詳細を記載している。しかしながら、当業者であれば、そのような具体的な詳細がなくとも、様々な実施形態が実施され得ることを理解するであろう。
【００６４】
本発明の例示的な実施形態の特徴および要素を、特定の組み合わせで、実施形態において説明しているが、各個の特徴または要素は、実施形態の他の特徴および要素を伴わずに単独で、または、本明細書で開示する他の特徴および要素を伴う、もしくはそれらを伴わない様々な組み合わせで使用され得る。
【００６５】
この記述した説明では、任意のデバイスまたはシステムを作製かつ使用すること、および任意の組み込まれた方法を遂行することを含む、同一のことを任意の当業者が実施することを可能にするために開示する主題の例を使用する。主題の特許的な範囲は、特許請求の範囲により定義され、当業者が想到する他の例を含み得る。そのような他の例は、特許請求の範囲の範囲内にあることが意図される。
【符号の説明】
【００６６】
５０  システム
５２  ガスタービン
５４  モータ
５６  負荷
５８  シャフト
６０  電力グリッドまたは地域の発電機、グリッド、電力グリッド
６２  負荷転流形インバータ（ＬＣＩ）、ＬＣＩ、コンバータ
６６  整流器
６８  ＤＣリンク
７０  インバータ
７２、７４  電流センサ
７６  電圧センサ
７８  コントローラ、ねじりモード減衰コントローラ
７９  測定値データ源、データ源
８０  ＬＣＩコントローラ、コントローラ
８２  基準値
８４  電流センサ、センサ
８６  コントローラ
８８  ゲート制御ユニット、整流器コントローラ
９０  ゲート制御ユニット、インバータコントローラ
９１  出力
９２  センサ
９４、９６  総和ブロック
１００  揺動
１０４  インダクタ
１１０  破線、リンク
１１２  センサ
１２０  入力インターフェース
１２２  プロセッサ、アナログ回路網、再構成可能ＦＰＧＡカード等、要素
１２８  機械モデル
１３０  減衰制御ユニット
１４０  ＶＳＩ
１４２  整流器
１４４  ＤＣリンク
１４６  インバータ
１４８  電源
１５０  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  多質量体システム、ブロック、検出器
１６２  ＰＬＬ（または観測器）、ＰＬＬ／観測器、第１のＰＬＬ／観測器
１６４  第２のＰＬＬ／観測器
１６６  リミッタ
１６８  スイッチ
１７０、１７２、１７４  リンク
１８０  観測器またはＰＬＬブロック、ＰＬＬまたは観測器
１８２  モータ
１８４  インバータ
１８６  電気的変数
１８８  瞬時角
１９０  変調器
１９２  βコマンド
１９４  点弧コマンド
２００  トルク
２０２  α−変調
２０４  β−変調ｚ
２０６  励振
【図１】
2013524753.tif 000003
【図２】
2013524753.tif 000004
【図３】
2013524753.tif 000005
【図４】
2013524753.tif 000006
【図５】
2013524753.tif 000007
【図６】
2013524753.tif 000008
【図７】
2013524753.tif 000009
【図８】
2013524753.tif 000010
【図９】
2013524753.tif 000011
【図１０】
2013524753.tif 000012
【図１１】
2013524753.tif 000013
【図１２】
2013524753.tif 000014
【図１３】
2013524753.tif 000015
【図１４】
2013524753.tif 000016
【図１５】
2013524753.tif 000017
【図１６】
2013524753.tif 000018
【図１７】
2013524753.tif 000019
【図１８】
2013524753.tif 000020
【図１９】
2013524753.tif 000021
【図２０】
2013524753.tif 000022
【図２１】
2013524753.tif 000023
【国際調査報告】
2013524753.tif 000024
2013524753.tif 000025