(57)【要約】整流器１６とインバータ１８と該整流器１６及びインバータ１８間に結合されたＤＣリンクインダクタ１３とを含む電流源コンバータ６６のための統合型捩りモード減衰方法は、インバータ又は整流器に結合されたシャフト上のトルクを表す信号を検知するステップと、検知信号を使用してシャフト上の捩り振動の存在を検出するようにするステップと、それぞれのインバータ又は整流器により有効電力を変調することによって捩り振動を減衰させるステップとを含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
配電網整流器と負荷インバータとを含む負荷転流形インバータシステムのＤＣリンク内の電流を変調するための統合型捩りモード減衰システムであって、
負荷側シャフト上のトルクを表す信号を検知するように構成されたセンサと、
前記検知信号を使用して前記負荷側シャフト上の捩り振動の存在を検出し、かつ前記負荷インバータにより有効電力を変調することによって該捩り振動を減衰させるためのインバータ制御信号を発生するように構成されたインバータコントローラと、
を含むシステム。
【請求項２】
前記配電網整流器を実質的に一定の電力に維持するための整流器制御信号を発生するように構成された整流器コントローラをさらに含む、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記インバータコントローラが、前記検知信号が前記負荷側シャフトの固有振動数を示した時に前記捩り振動の存在を検出するように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記インバータコントローラが、前記固有振動数の検出時に、前記負荷インバータのインバータ遅延角度を変調するように構成される、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記インバータ遅延角度を変調することが、０°からインバータ遅延角度最大増加値又はインバータ遅延角度最大減少値の１つまでの範囲内で変調することを含む、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記負荷が電動機を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記負荷が、前記電動機に直接結合された又は該電動機にギヤボックスによって結合された圧縮機をさらに含む、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記センサが、前記検知が前記電動機及びギヤボックス間の負荷側シャフトの一部分上で行われるように配置される、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記センサが、前記検知が前記ギヤボックス及び圧縮機間の負荷側シャフトの一部分上で行われるように配置される、請求項７記載のシステム。
【請求項１０】
前記配電網整流器がサイリスタ整流器を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１１】
前記負荷インバータがサイリスタインバータを含む、請求項１記載のシステム。
【請求項１２】
配電網整流器と負荷インバータとを含む負荷転流形インバータシステムのＤＣリンク内の電流を変調するための統合型捩りモード減衰方法であって、
負荷側シャフト上のトルクを表す信号を検知するステップと、
前記検知信号を使用して前記負荷側シャフト上の捩り振動の存在を検出するようにするステップと、
前記負荷インバータにより有効電力を変調することによって前記捩り振動を減衰させるステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記負荷インバータにより有効電力を変調することによって前記捩り振動を減衰させるステップが、前記配電網整流器を実質的に一定の電力に維持するステップを実行しながら行われる、請求項１２記載の方法。
【請求項１４】
前記配電網整流器を実質的に一定の電力に維持するステップが、該配電網整流器上のＤＣ電流及びＤＣ電圧を検知するステップと、該配電網整流器の切り替えを前記電流及び電圧の積を一定に維持するように制御するステップとを含む、請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記捩り振動の存在が、前記検知信号が前記負荷側シャフトの固有振動数を示した時に検出される、請求項１２記載の方法。
【請求項１６】
前記減衰するステップが、前記検知信号を帯域フィルタ処理して前記固有振動数の存在を検出するステップを含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
前記固有振動数が検出された時に、前記負荷インバータのインバータ遅延角度を変調するステップをさらに含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記インバータ遅延角度を変調するステップが、０°からインバータ遅延角度最大増加値又はインバータ遅延角度最大減少値の１つまでの範囲内で変調するステップを含む、請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
整流器とインバータと前記整流器及びインバータ間に結合されたＤＣリンクインダクタとを含む電流源コンバータのための統合型捩りモード減衰システムであって、
前記インバータ又は整流器に結合されたシャフト上のトルクを表す信号を検知するように構成されたセンサと、
前記検知信号を使用して前記シャフトの固有振動数に対応する該シャフト上の捩り振動の存在を検出し、かつ前記それぞれのインバータ又は整流器により有効電力を変調することによって該捩り振動を減衰させるための制御信号を発生す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２０】
前記コントローラが、前記固有振動数が検出された時に、前記それぞれのインバータ又は整流器の遅延角度を変調するように構成される、請求項１９記載のシステム。
【請求項２１】
前記遅延角度を変調することが、０°から遅延角度最大増加値又は遅延角度最大減少値の１つまでの範囲内で変調することを含む、請求項２０記載のシステム。
【請求項２２】
前記配電網整流器がサイリスタ整流器を含み、前記負荷インバータがサイリスタインバータを含む、請求項１９記載のシステム。
【請求項２３】
整流器とインバータと前記整流器及びインバータ間に結合されたＤＣリンクインダクタとを含む電流源コンバータのための統合型捩りモード減衰方法であって、
（ａ）前記インバータ又は整流器に結合されたシャフト上のトルクを表す信号を検知するステップと、
（ｂ）前記検知信号を使用して前記シャフトの固有振動数に対応する該シャフト上の捩り振動の存在を検出するようにするステップと、
（ｃ）前記それぞれのインバータ又は整流器により有効電力を変調することによって前記捩り振動を減衰させるステップと、
を含む方法。
【請求項２４】
前記有効電力を変調することによって前記捩り振動を減衰させるステップが、前記インバータ又は整流器の他方を実質的に一定の電力に維持するステップを実行しながら行われる、請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
前記それぞれのインバータ又は整流器により有効電力を変調するステップが、前記整流器により有効電力を変調するステップを含み、前記インバータを実質的に一定の電力に維持するステップが、インバータＤＣ電流及びＤＣ電圧を検知するステップと、該インバータの切り替えを前記電流及び電圧の積を一定に維持するように制御するステップとを含む、請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
配電網整流器と負荷インバータとを含む負荷転流形インバータシステムのＤＣリンク内の電流を変調するための統合型捩りモード減衰システムであって、
配電網側シャフト上のトルクを表す信号を検知するように構成されたセンサと、
前記検知信号を使用して前記配電網側シャフト上の捩り振動の存在を検出し、かつ前記配電網整流器により有効電力を変調することによって該捩り振動を減衰させるための整流器制御信号を発生するように構成された整流器コントローラと、
を含むシステム。
【請求項２７】
前記負荷インバータを実質的に一定の電力に維持するためのインバータ制御信号を発生するように構成されたインバータコントローラをさらに含む、請求項２６記載のシステム。
【請求項２８】
前記整流器コントローラが、前記検知信号が前記配電網側シャフトの固有振動数を示した時に前記捩り振動の存在を検出するように構成される、請求項２６記載のシステム。
【請求項２９】
前記整流器コントローラが、前記固有振動数の検出時に前記配電網整流器の整流器遅延角度を変調するように構成される、請求項２８記載のシステム。
【請求項３０】
前記整流器遅延角度を変調することが、０°から整流器遅延角度最大増加値又は整流器遅延角度最大減少値の１つまでの範囲内で変調することを含む、請求項２９記載のシステム。
【請求項３１】
前記シャフトが発電機シャフトを含む、請求項２６記載のシステム。
【請求項３２】
前記負荷が電動機を含む、請求項３１記載のシステム。
【請求項３３】
前記配電網整流器がサイリスタ整流器を含む、請求項２６記載のシステム。
【請求項３４】
配電網整流器と負荷インバータとを含む負荷転流形インバータシステムのＤＣリンク内の電流を変調するための統合型捩りモード減衰方法であって、
配電網側シャフト上のトルクを表す信号を検知するステップと、
前記検知信号を使用して前記配電網側シャフト上の捩り振動の存在を検出するようにするステップと、
前記配電網整流器により有効電力を変調することによって前記捩り振動を減衰させるステップと、
含む方法。
【請求項３５】
前記配電網整流器により有効電力を変調することによって前記捩り振動を減衰させるステップが、前記負荷インバータを実質的に一定の電力に維持するステップを実行しながら行われる、請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記負荷インバータを実質的に一定の電力に維持するステップが、インバータＤＣ電流及びＤＣ電圧を検知するステップと、該インバータの切り替えを前記電流及び電圧の積を一定に維持するように制御するステップとを含む、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
配電網整流器と負荷インバータと前記整流器及びインバータ間に結合されたＤＣリンクインダクタとを含む負荷転流形コンバータと、
前記インバータ又は整流器に結合されたシャフト上のトルクを表す信号を検知するように構成されたセンサと、
前記検知信号を使用して前記シャフトの固有振動数に対応する該シャフト上の捩り振動の存在を検出し、かつ前記それぞれのインバータ又は整流器により有効電力を変調することによって該捩り振動を減衰させるための制御信号を発生す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３８】
前記負荷転流形インバータが、電動機に結合され、かつ該電動機が必要とするよりも高い電力を供給するように設計される、請求項３７記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的には捩り振動を減衰させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン発電機、電動機又は圧縮機を含む一連の原動機及び負荷におけるシャフト組立体は、ネットワーク同期振動数以下に低下する可能性もある振動数との間で減衰が殆どない機械的共振（捩りモード）を示すことが時々ある。電気的なネットワークがシャフトシステムの固有振動数の１つ又はそれ以上において発電機と大きなエネルギーを交換する場合には、時の経過と共に機械的損傷が発生するおそれがある。捩り共振現象に対する従来の対策には、例えばネットワーク、作動又は制御パラメータを変更することによって共振励振源を除去する努力が含まれる。
【０００３】
発電システムが多くのギガワットの発生電力を有する大規模な公共配電網に接続されている場合には、発電システム上の電気的負荷は、無視できる程度の影響しか持たない。これと対照的に、アイランド発電システムは、大規模な公共配電網には接続されず、またアイランド状発電システムは、公共配電網に対して弱い接続（比較的高いインピーダンスを有する長い送電線によるような）を有するに過ぎない。アイランド及びアイランド状発電システムは一般に、舶用産業（例えば、大型船舶の搭載式発電システム）、孤立した陸上設備（例えば、風力タービンシステム）、並びに石油及びガス産業において使用される。そのような発電システムでは、負荷は一般的に、配電網の割には大きい（負荷が配電網に影響を及ぼす可能性があるような）。これらのシステムにおいて電動機及び駆動装置の定格を増大させると、機械的及び電気的ダイナミックスが次第に組合され、従って従来の対処方法では、電動機又は発電機駆動系内の捩り振動を回避することが困難になる。
【０００４】
同期発電機内の捩り振動を抑制する１つの方法が、Ｃ．Ｓｉｈｌｅｒ著の「サイリスタ制御式装置によるロータシャフトシステム内の捩り振動の抑制」（第３５回ＩＥＥＥ電力工学専門家会議論文集１４２４−１４３０頁（２００４））に記載されている。この方法は、６パルスブリッジ回路を含む付加的サイリスタコンバータ回路によって、測定捩り速度に対して逆位相のトルクを加えることを含む。この方法は、別個の電源転流形（他励式）コンバータシステムの設置が技術的及び経済的に実施可能である実施形態に対して最も適用可能である。
【特許文献１】日本特許出願公開第２００１／３３３５３３  Ａ号公報
【特許文献２】欧州特許出願公開第０２３９８０６  Ａ号公報
【特許文献３】日本特許出願公開第０６２２５４５７  Ａ号公報
【特許文献４】米国特許第４，３７７，７８０  Ａ号公報
【特許文献５】米国特許出願公開第２００５／０１７５１２  Ａ１号公報
【特許文献６】独国特許第２７４８３７３号公報
【非特許文献１】C. Sihler, “Suppression of torsional vibrations in rotor shaft systems by a thyristor controlled device,” 35th Annual IEEE Power Electronics Specialist Conference, pages 1424-1430 (2004).
【非特許文献２】"FIRST SUPPLEMENT TO A BLBLIOGRAPHY FOR THE STUDY OF SUBSYNCHRONOUS RESONANCE BETWEEN ROTATING MACHINES AND POWER SYSTEMS", IEEE TRANSACTIONS ON POWER APPARATUS AND SYSTEMS, VOL.PAS-98, NO.6, NOV/DEC. 1979, PP 1872-1875.
【発明の開示】
【０００５】
大型の電気駆動システムは、最も一般的には負荷転流形インバータ（ＬＣＩ）を含む。石油プラットホームの具体的実施例では、一般的に多数のガスタービン発電機により、多数の電動機負荷（ＬＣＩによって駆動される）並びに電動ドリル及びポンプのような装置に給電される。捩り振動を減衰させるための付加的サイリスタコンバータシステムを設置する必要なしに、発電システムの信頼性及び堅牢性を増大させることが望ましいと言える。海上及び船舶搭載式発電システムでは、使用可能なスペースは非常に限定されており、能動的減衰のための個別の高電圧回路遮断器、変圧器、コンバータモジュール及びエネルギー蓄積要素の設置が常に実施可能であるわけではない。
【０００６】
ＬＣＩは一般的に他励されなくてはならないサイリスタに基づいているが、それでも尚それらは、特に高い信頼性が必要である場合には、高い公称電力を有する大型の駆動装置にとって好ましい方法である。石油及びガス産業の具体的な実施例では、４８メガワット（ＭＷ）の圧縮機駆動系を作動させるために、５４メガボルトアンペアの公称電力を有するＬＣＩが使用される。電動機は、可変速度で作動する同期機械である。エアギャップトルクは、圧縮機駆動系内に捩り振動を引き起こす可能性があるＬＣＩ高調波及び中間高調波を含む。この機械は、全エアギャップトルクリプルを減少させるために、互いに３０°だけ位相をずらした２つの三相ステータ巻線を有する。２つの電動機三相システム内に２つの別個のサイリスタコンバータを設置することは、大きな経済的及び技術的課題を提起することになる。同期機械は、大型のサイリスタブリッジに直接接続された電圧制御式三相システムを備えており、これらの三相システム内の電圧は、公称電力で作動する時に大きくひずむようになる。これらの三相システムは、付加的な電源転流形コンバータシステムを接続するのには適さない。現行のＬＣＩ駆動システムに基づいた捩りモード減衰は、そのような用途にとっては望ましいと言える。
【０００７】
簡潔に言えば、本発明の１つの実施形態によると、配電網整流器と負荷インバータとを含む負荷転流形インバータシステムのＤＣリンク内の電流を変調するための統合型捩りモード減衰システムを提供する。本システムは、負荷側シャフト上のトルクを表す信号を検知するように構成されたセンサと、検知信号を使用して負荷側シャフト上の捩り振動の存在を検出し、かつ負荷インバータにより有効電力を変調することによって該捩り振動を減衰させるためのインバータ制御信号を発生するように構成されたインバータコントローラとを含む。
【０００８】
本発明の関連する方法の実施形態によると、本方法は、負荷側シャフト上のトルクを表す信号を検知するステップと、検知信号を使用して負荷側シャフト上の捩り振動の存在を検出するようにするステップと、負荷インバータにより有効電力を変調することによって捩り振動を減衰させるステップとを含む。
【０００９】
本発明の別の実施形態によると、整流器とインバータと該整流器及びインバータ間に結合されたＤＣリンクインダクタとを含む電流源コンバータのための統合型捩りモード減衰システムを提供する。本システムは、インバータ又は整流器に結合されたシャフト上のトルクを表す信号を検知するように構成されたセンサと、検知信号を使用してシャフトの固有振動数に対応する該シャフト上の捩り振動の存在を検出し、かつそれぞれのインバータ又は整流器により有効電力を変調することによって捩り振動を減衰させるための制御信号を発生するように構成されたコントローラとを含む。
【００１０】
本発明の関連する方法の実施形態によると、本方法は、インバータ又は整流器に結合されたシャフト上のトルクを表す信号を検知するステップと、検知信号を使用してシャフトの固有振動数に対応する該シャフト上の捩り振動の存在を検出するようにするステップと、それぞれのインバータ又は整流器により有効電力を変調することによって捩り振動を減衰させるステップとを含む。
【００１１】
本発明の別の実施形態によると、配電網整流器と負荷インバータとを含む負荷転流形インバータシステムのＤＣリンク内の電流を変調するための統合型捩りモード減衰システムを提供する。本システムは、配電網側シャフト上のトルクを表す信号を検知するように構成されたセンサと、検知信号を使用して配電網側シャフト上の捩り振動の存在を検出し、かつ配電網整流器により有効電力を変調することによって該捩り振動を減衰させるための整流器制御信号を発生するように構成された整流器コントローラとを含む。
【００１２】
本発明の関連する方法の実施形態によると、本方法は、配電網側シャフト上のトルクを表す信号を検知するステップと、検知信号を使用して配電網側シャフト上の捩り振動の存在を検出するようにするステップと、配電網整流器により有効電力を変調することによって捩り振動を減衰させるステップと含む。
【００１３】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部分を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読む時、一層よく理解されるようになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、本発明の１つの実施形態による捩り振動を減衰させるためのシステム１０のブロック図である。図２〜図８に関連して説明した実施例は主として、負荷転流形インバータシステムを備えた配電網及び負荷の実施形態に関するものであるが、本発明の原理は、整流器１６とインバータ１８と該整流器１６及びインバータ１８間に結合されたＤＣリンクインダクタ１３とを含むあらゆる電流源コンバータ６６の実施形態に適用可能である。一般的に、整流器１６及びインバータ１８は、サイリスタ型コンバータを含む。
【００１５】
これらの実施形態は、シャフトが整流器側（シャフト５２によって示す）で検知されるか或いはインダクタ側（全体的にはシャフト２０によって、また一層具体的にはシャフト部分４８及び５０によって示す）で検知されるかに拘りなく、適用可能である。１つの実施形態では、減衰方法は、本説明における「又は（或いは）」というのはいずれか１つ又は両方を意味するが、センサ２２又は３０（少なくとも１つを意味する）を使用してインバータ１８（一般的には負荷側の）又は整流器１６（一般的には配電網側の）に結合されたシャフト上のトルクを表す信号を検知するようにするステップと、検知信号を使用してシャフト上の捩り振動の存在を検出するようにするステップと、それぞれのインバータ又は整流器により有効電力を変調することによって捩り振動を減衰させるステップとを含む。シャフトに関連した「結合された」というのは、例えば電動機４０又は発電機３４を介してのような電気的結合或いは電動機に結合された圧縮機４２を介してのようなより間接的な結合を含むことができる。本明細書で使用する場合の「コントローラ」又は「制御装置」という用語は、指定した制御機能を達成するために使用するあらゆる適当なアナログ、デジタル或いはアナログ及びデジタルの組合せの回路又は処理装置を含むことを意図している。
【００１６】
コントローラ２９は、変調を配電網側で行う場合に整流器変調制御のために使用され、またコントローラ２８は、変調を負荷側で行う場合にインバータ変調制御のために使用される。以下に説明するように、変調を一方の側では行うが他方の側では行わない場合には、有効電力を変調することによって捩り振動を減衰させることは、インバータ又は整流器の他方を実質的に一定の電力に維持しながら行うことができ、また一般的に捩り振動の存在は、検知信号がシャフトの固有振動数を表している時に検出される。一般的に、発電機３４は、配電網又は母線（配電網３２として示す）に結合され、これら配電網又は母線は次に、変圧器３８によって整流器１６に結合される。
【００１７】
１つの実施例では、配電網整流器１６は固定周波数整流器を含み、負荷インバータ１８は可変周波数インバータを含み、また電動機４０は可変速度三相同期電動機を含む。
【００１８】
図２は、配電網整流器１６と負荷インバータ１８とを含む負荷転流形インバータ（ＬＣＩ）システム１４のＤＣリンク１２内の電流を変調するための統合型捩りモード減衰システム１０を示している。システム１０は、負荷側シャフト２０上のトルクを表す信号を検知するステップと、検知信号を使用して負荷側シャフト２０上の捩り振動（少なくとも１つの捩り振動を意味する）の存在を検出するようにするステップと、負荷インバータ１８により有効電力を変調することによって捩り振動を減衰させるステップとを含む方法を可能にするために使用される。
【００１９】
発電機、整流器、インバータ及び電動機といった用語は、説明の目的で使用しているが、これらの要素は、いずれかの利用可能なモードで動作するように構成することができる。例えば、幾つかの実施形態では、電動機４０は、発電機として作動し、次にインバータ１８は整流器として作動し、また整流器１６はインバータとして作用することができる。
【００２０】
１つの実施形態では、トルクを表す検知信号は、トルクセンサ２２によって取得されるが、別の実施形態は、トルクを表すかもしくはトルクを求めるために使用することできるかのいずれかの間接的センサ（速度センサのような）を使用することができる。トルクセンサを使用する実施形態では、トルクセンサ２２は、意図した組立体内の捩り振動を十分な精度で測定できるものが選ばれる。例えば、大径駆動系の実施形態の場合には、剛性シャフトの高い剛度故に、シャフトに沿った捩り角度は非常に小さい（数百分の１°乃至数十分の１°）が、その結果生じる捩り応力は高いことが多い。そのようなシャフトの小さな捩り角度及び高い回転速度により、速度センサのような従来型の測定装置を使用する場合には、捩り振動を正確に測定することが困難になる。異なる位置におけるトルクの誘導測定を行う１つの無接点センサが、例えばＦｒａｕｎｈｏｆｅｒ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅから入手可能である。それに代えて、接点型トルクセンサの１つの実施例は、歪みゲージセンサである。
【００２１】
１つの実施形態では、負荷インバータ１８により有効電力を変調することによって捩り振動を減衰させるステップは、配電網整流器１６を実質的に一定の電力に維持するステップを実行しながら行われる。実質的に一定と言うは、公称電力との差異が±約２％よりも小さいものとして定義され、また１つの実施形態では、より具体的には公称電力との差異が０．５％よりも小さいものとして定義される。１つの態様では、配電網整流器１６を実質的に一定の電力に維持するステップは、配電網整流器１６上のＤＣ電流及びＤＣ電圧を検知するステップと、配電網整流器の切り替えをＤＣ電流及び電圧の積を一定に維持するように制御するステップとを含む。積を一定に維持するための１つの方法については、図８のシミュレーションしたグラフに関して以下に説明する。
【００２２】
配電網整流器１６が実質的に一定の電力に維持されている時には、ＤＣリンク１２内に蓄えられた磁気エネルギーが、能動的減衰のための主たる源であり、そのような減衰は、ＬＣＩ１４の配電網側に影響を与えない。それに代えて、配電網整流器１６が負荷インバータ１８と同じように制御される場合には、有効電力は、主として配電網３２から供給される。
【００２３】
一般的に捩り振動の存在は、検知信号が負荷側シャフトの固有振動数（少なくとも１つの固有振動数を意味している）を示した時に検出される。より具体的には、１つの実施形態では、減衰させるステップは、検知信号を帯域フィルタ処理して固有振動数の存在を検出するステップを含む。実施例の目的で、図３は、信号処理装置４７内に、２つの固有振動数を検出するように設定された２つの帯域フィルタ２４及び２６を示している。それに代えて、単一の帯域フィルタ又は付加的帯域フィルタを使用することもできる。
【００２４】
１つの実施形態では、負荷には、圧縮機（少なくとも１つの圧縮機を意味しており、実施例の目的で２つの圧縮機４２及び４４として図示している）に対して直接か又はギヤボックス４６を介してかのいずれかで結合された電動機４０が含まれる。トルクセンサ２２は、負荷のシャフト上のあらゆる位置に配置することができ、また図１においては、実施例の目的で電動機及びギヤボックス間の負荷側シャフトの部分４８上に設けたものとして図示している。トルクセンサの別の又は付加的な位置は、例えば図２に示すように、ギヤボックス及び圧縮機間の負荷側シャフトの部分５０上である。異なる固有振動数が、シャフトに沿って異なる位置に存在しかつ共通のセンサによって検出することが困難な場合には、複数のセンサの実施形態が有用なものとなる。図３の実施形態では、帯域フィルタ２４が、部分４８において発生する固有モードに対応する振動数（負荷の第１の固有振動数でありかつ最も関心のある振動数）を検出するために使用され、また帯域フィルタ２６が、部分５０において発生する固有モードに対応する振動数（第２の固有振動数）を検出するために使用される。図１及び図２に示す位置のいずれかにおけるトルクセンサ２２は、他の位置に関連する信号（複数のトルクセンサを使用する直接測定式の実施形態よりも弱いが）を取得することになる。
【００２５】
統合型捩りモード減衰（ＩＴＭＤ）制御システム１０は、いずれの１つ又は複数のモードが活性化しているかを判定し、それに従って測定捩り振動に対し９０°位相遅れした位相ずれを設定する。１つの実施形態では、負荷インバータ１８による有効電力の変調は、負荷インバータ１８のインバータ遅延角度（ベータ角（β）として示している）を変調するステップを含む。インバータ遅延角度βを変調するステップは、その結果としてインバータＤＣ電圧を変調するステップを生じ、このことがＤＣリンク電流の変調を引き起こして、負荷入力電力に有効電力振動を生じさせる。より具体的には、捩りモード減衰を達成するためにインバータ遅延角度のみを変調するステップは、主としてＤＣリンク１２内に蓄えられた磁気エネルギーに由来する減衰力を生じさせる。そのような変調は一般的に、ＤＣリンクが機械的減衰作用のための磁気エネルギーのバッファ蓄積装置として作用することのみを必要とするような方式で行われる。インバータ遅延角度の変調は、回転エネルギーを磁気エネルギーに変換し（回転シャフトの電磁的な制動）、また磁気エネルギーを再び回転エネルギーに変換する（電動機シャフトシステムの加速）ことになる。
【００２６】
１つの具体例にでは、１９Ｈｚの振動数を有する捩りモードの能動的減衰は、約５２ミリ秒のサイクル時間での制動及び加速作動の実行を含み、これはサイリスタコンバータ式の実施形態にとって何の問題もなく、また定常状態シミュレーション（これは、約３°よりも小さいか又はそれに等しいだけのインバータ遅延角度の変調が、或る用途における捩り振動の能動的減衰のために十分であることを示している）によって示すことができる。減衰システム１０が、インバータ遅延角度をほんの小さな量だけ変調するように設計されている場合には、主制御システムに対する明確に規定したインタフェースを有する設計を選ぶことができ、これは、作動不良に対して容易に保護することができる。
【００２７】
一般的に、正弦波変調が使用される。図４に示すように、変調の振動数は、固有振動数に対応し、また変調度は、捩り振動の振幅に対応する。帯域フィルタ２４及び２６（図３）は、トルクの振動成分を表す信号をトルク測定値から引き出すために使用される。フィルタの数は、能動的に減衰させようとする捩りモードの数に等しい。帯域フィルタの出力側における信号は、シャフト組立体の１つの主要固有振動数に対応する１つの規定振動数を有する正弦波である。各正弦波信号の位相ずれを正しい値に調節するために、帯域フィルタ毎に１つの移相器５３、５５が使用される。所望に応じて、移相器の代わりに、調節可能な遅延時間モジュールを使用することができる。最適な減衰では、正弦波信号は、９０°の移相ずれ（遅延）でフィードバックされる。システムの時定数及びフィードバックループにおける位相遅れ（これは、測定又はフィルタ処理によって引き起こされることもある）の故に、９０°の遅延位相角度を達成できない場合には、移相器は、トルク（これは、捩り変位を表す捩り角度と一致している）とＩＴＭＤコントローラにより生じる有効電力（又は、エアギャップトルク）との間に３６０°＋９０°の総位相遅れを引き起こすように設定することができる。全システム時定数を含むＩＴＭＤフィードバック回路の総位相遅れは一般的に、低電力レベルで開ループテストを行うことで実験的に測定される。ＩＴＭＤフィードバックループの各分枝内に調整可能なゲインを設ける（例えば、ＩＴＭＤコントローラ５４の増幅器５７及び５８によって）ことにより、異なる捩りモードを減衰させることに関係した有効電力の調節が可能になる（高いゲインは、高い変調度をもたらし、次いでこの高い変調度は、強い減衰効果をもたらす）。従って、このフィードバックループは、減衰の度合を電子的に調整することができる状態で、捩りモードの大きな自然減衰と同じ効果を有する。
【００２８】
ＬＣＩは、最適力率（一般的に、約０．９）にて、給電配電網から電動機に（又は、その逆に）有効電力を伝送するように設計される。最適力率にて配電網からＤＣリンクに電力を伝送することは一般的に、約２５°（ｃｏｓ（２５°）＝０．９１）よりも低い配電網整流器１６の遅延角度αを伴う。これと同時に、インバータ遅延角度βは一般的に、約１５０°（ｃｏｓ（１５０°）＝−０．８７）よりも大きくて、ほぼ全ての有効電力が負荷に対して伝送される（最適効率）ようになる。インバータは、シュートスルーを防止するためにそれを超えないように設計されたβ角度の最大値によって定められた安定性限界値（反転限界値又はベータ限界値）を有する。最も高い効率は、インバータがインバータ安定性限界値（例えば、約１５３°のβ角度によって与えられる）近くで作動している場合に達成される。インバータをその安定性限界値近くで作動させながらインバータβ角度を変調することは一般的に、これらのシステムを最大電力又は効率以下で作動させない場合には、ＬＣＩ又はインバータでの使用における大きな課題を提起する。安定性の問題を引き起こさずに公称負荷でＩＴＭＤを適用するのを可能にするために、二方向変調の大きさは一般的に、駆動システム製造業者によって指定された値に制限されることになる。二方向の制限（−ｎ°＜Δβ＜ｎ°）は、図３に示すように、ＩＴＭＤフィードバックループの端部に（信号加算要素５９の後に）リミタモジュール５６を設置することによって簡単に達成することができる。１つの実施形態では、インバータβ角度の二方向変調は、一方向変調によって置き換えられる。これは、上限値又は下限値をゼロに設定した（−ｎ°＜Δβ＜０又は０＜Δβ＜ｎ°）同一のリミタモジュール５６によって達成することができる。一方向式の実施形態では、Δβを１つの（本明細書では「１つの」とは、−ｎ°＜Δβ＜０又は０＜Δβ＜ｎ°のいずれかを意味し、これら両方は意味しない）最大許容増加値又は減少値（例えば、４°のような）に制限することにより、正弦波の正又は負の半サイクルのみが、このモジュールを通過する。
【００２９】
図２はさらに、基準信号と、速度センサ３３からの電動機速度信号と、電流センサ２７からの電流信号とを受け、かつ電圧センサ３１により取得した電圧信号と組合せて整流器ゲートコントローラ２３によって使用される整流器遅延角度αを発生するＬＣＩ閉ループコントローラ３７を示している。速度及び電流値はさらに、インバータ遅延角度制御装置３９によって使用されてベースラインβ値を確定し、ベースラインβ値は次に、加算要素４５においてΔβ値と結合され、インバータゲート制御ユニット２５によって使用される。ゲート制御ユニット２５はさらに、電圧センサ３５から入力信号を受ける。励振器電流コントローラ４３は、電流センサ３６及び電圧センサ３５から電流信号及び電圧信号を受け、さらに電動機速度に基づいたＡＣ電圧設定値信号を制御要素４１から受ける。ＩＴＭＤ制御装置の実施形態は、インバータ遅延角度が小さな大きさ（一般的には約３°よりも小さい）しか変調されず、またこのＬＣＩのβ角度制御機能は、フォワード制御機能であるので、従来型のＬＣＩ制御システムを妨害する（悪影響を与える）ことはない。
【００３０】
ＬＣＩシステムは一般的に、負荷を最適力率で駆動するための公称有効電力を伝送するようなシステム設計限界値で作動される。上述したように、１つの実施形態では、一方向変調は、公称負荷の場合において適用される。この一方向変調の実施形態では、遅延角度を変調するステップは、変調が０°以上及び以下の両方に延びる二方向変調の実施形態と比べて、０°から遅延角度最大増加値（図４においてΔβ線で表す）又は遅延角度最大減少値（図５においてΔβ線で表す）までの範囲内で遅延角度を変調するステップを含む。
【００３１】
図４は、β角度における一方向増加を含む、図２及び図３の実施形態の１つの態様により生じたインバータ遅延角度に対応するＤＣリンク電流、トルク及び有効電力におけるシミュレーションした変化を示すグラフである。最大増加値は、システム設計に応じて決まることになるが、一般的に約５°を超えるとは思われない。ＩＴＭＤの減衰効果をよりよく証明するために、β変調は、時間＝２．５秒において（例えば、捩り振動の振幅が所定の値を超過した後に）作動開始する。β角度の一方向変調は、電動機及びＬＣＩのＤＣリンク間で交換される有効電力の二方向変調を引き起こす。これは、駆動システムの作動点をそのまま残さないで（有効電力を両方向に交換して）、ＤＣリンク内の最大許容電流を超過しないで、また脈動有効電力を配電網との間で交換すること（これは、配電網コードに違反するか又はアイランドネットワークにおける安定性の問題を引き起こす可能性がある）を本質的に行わないで、効率的な能動的減衰を達成することができることになるので、一方向β角度変調の有用な特徴である。
【００３２】
図５は、β角度における一方向減少を含む、図２及び図３の実施形態の別の態様により生じたインバータ遅延角度に対応するＤＣリンク電流、トルク及び有効電力におけるシミュレーションした変化を示すグラフである。公称負荷において、ＬＣＩインバータは、時にはインバータ安定性限界値（β限界値）に近いインバータ遅延角度βにて作動して、図４に示すようなΔβ＞０での変調がβ限界値を超過する危険性を生じるようになる。代わり、インバータ遅延角度が０°からインバータ遅延角度最大減少値（図５においてΔβ線で表す）までの範囲内で変調せる一方向β変調を適用することができる。そのような一方向変調は、インバータ遅延角度が小さな大きさ（一般的には、約３°よりも小さい）で変調される場合には、許容可能な短時間の過電流を引き起こすことになる。この一方向変調方法の利点は、現行の駆動システムの制御装置に適合させる必要なしにその安定性限界値（β限界値）近くで作動させるような場合に、この方法を適用することできることである。一般的に、一方向遅延角度変調は、現行の制御システムに適合させないで、捩りモード減衰装置を現行の駆動システム内に統合することを可能にする。使用する場合には、一方向変調がコンバータ遅延角度の増加に基づくことになるか又は減少に基づくことになるか決定することは、主として現行の駆動システムの設計に応じて、また変調がインバータに適用されるか又は整流器に適用されるかに応じて決まる。
【００３３】
一方向式の実施形態は、二方向式の実施形態よりも減衰効率が低くなるが、一方向変調方法は、コンバータシステムの潜在的不安定性、転流エラー、及び測定過電流によるトリップ信号を低減する。捩り振動の励起は、低い振幅（常にではないが多くの場合に公称電力の約１％よりも小さい）を有する高調波によって引き起こされることになるので、一方向変調方法の減衰効率は、大部分の減衰用途に十分であると考えられる。
【００３４】
図６は、減衰がシステムの配電網側で発生するような別の実施形態による減衰システムのブロック図あり、図７は、図６の実施形態の態様の幾つかの詳細図である。この減衰方法は、測定及び調整が配電網側で行われることを除けは、図２〜図５に関して上述したのと同様に、配電網側シャフト５２上のトルクを表す信号を検知するステップと、検知信号を使用して配電網側シャフト上の捩り振動の存在を検出するようにするステップと、配電網整流器１６により有効電力を変調することによって捩り振動を減衰させるステップとを含む。
【００３５】
従って、ＤＣリンク１２内の電流は、一般的にはサイリスタ整流器を含む配電網整流器１６によって制御される。電動機の制御は、主としてインバータによって行われ、このインバータは、電動機に伝送される有効電力を決定しかつ電動機の速度又はトルク制御のような閉ループ制御機能を可能にするインバータ遅延角度を有する。図７においては、図示し易くするために、これらの閉ループ制御機能、及び実電動機電力によって決まるＤＣリンク電流基準値の適応に基づいた力率制御のようなその他の制御機能は、図示していない。ＤＣリンクインダクタ内の電流の変調（整流器を制御することによる）において、配電網側に、振動する有効電力を発生させることができる。ＬＣＩ回路１４及び発電機３４間での有効電力の交換は、トルクセンサ３０によって測定した捩り振動を効果的に減衰させる。一般的には、ＬＣＩ回路は、発電機との間で少量の有効電力を交換するのみであって、現行のＬＣＩ回路を使用して、システムに過負荷をかけないで能動的減衰を行うようにすることができる。
【００３６】
発電機３４の定格が電動機４０の定格を大きく超過した時に、又はアイランド配電網内に極度な外乱が発生する可能性がある時に（発電機が大型の脈動負荷（図７には図示せず）に給電するような時にも）、電力システム内のＬＣＩの１つは、インバータに接続された電動機を駆動するために実際に必要とされるよりも高い電力（例えば、約１０％高いような）を供給するように設計することができる。従って、電動機が公称負荷で作動されている場合であっても、ＬＣＩの公称電力の付加的な１０％を使用して、発電機シャフト組立体における捩り振動を能動的に減衰又は安定化させるようにすることができる。
【００３７】
上述したように、電動機のロータダイナミックスに対する減衰作用の悪影響を低減するために、電動機に伝送される有効電力は、一定の値に保つことができる。図７は、一定の電力を維持するための１つの制御装置の構成を示している。インバータ側のＤＣ電流（電流センサ６８による）及びＤＣ電圧（電圧センサ７０による）を測定するステップ、及びこれら２つの測定信号の積が実質的に一定を保つ（これは、電動機に流れる有効電力を制御する能力に影響を与えない）ことをインバータが指令するように有効電力コントローラ７６により制御法則を適用するステップにおいて、このＬＣＩによって駆動される電動機に機械的影響を与えずに、有効電力の高度な変調を配電網側で達成することができる。この制御装置の実施形態の能力は、図８のシミュレーションしたグラフに示している。３ＭＷよりも高い振幅で、ＬＣＩ及び配電網間で交換される電力を変調している間に、インバータは、電動機との間で一定の有効電力を交換する。同時に、インバータの有効電力基準値は、例えば２．７ＭＷから５．３ＭＷまで変更することができる。従って、積を一定に保つような制御方法は、インバータ駆動システムの能力に悪影響を与えるようになるとは思われない。
【００３８】
図６及び図７はまた、複数の発電機シャフト組立体（実施例の目的で発電機３４及び１３４、シャフト５２及び１５２、並びにタービン４９及び１４９で示している）内のトルクを表す信号をＩＴＭＤ制御システムの加算要素７４（図７）において組合せて、１つのＬＣＩ回路が、電力システムに給電している異なるタービン発電機において発生する捩りモードに対して能動的減衰を与えることができるようにする方法を示している。複数のタービン−発電機シャフト上の複数のセンサ３０及び１３０は、１つ又はそれ以上の整流器コントローラ２９によって使用して、所望の変調を行うための信号を形成することができる。図７はさらに、リミッタ５６の出力信号をＤＣ電流基準値と加算するための加算要素７２と、センサ６８からのＤＣ電流信号を減算した後に得られた信号を電流コントローラ７８に送信するための加算要素１４５とを示している。さらに、図６に示すような幾つかの実施形態では、付加的なＬＣＩ結合式電動機１４０及び／又は直接結合式電動機６２を設けることができる。直接結合式電動機は、例えば冷却ユニット、電動ドリル及びポンプのような装置に電気を提供するために有用である。実施例の目的で、図６はまた、発電機バス及びそれよりも低電圧のバス間に結合された変圧器１３８を示している。
【００３９】
図２〜図５に関して上述した実施形態はさらに、図６及び図７の実施形態にも適用可能であり、またその逆も可能である。例えば、帯域フィルタ１２４及び移相器１５３は、図３の帯域フィルタ２４及び移相器５３に関して上述したのと同様な機能を果たすように構成することができる。別の実施例として、１つの実施形態では、インバータコントローラ２８は、インバータ１８により有効電力を変調することによって電動機上の捩り振動を減衰するように構成され、また整流器１６には、整流器コントローラ２９によって（測定ＤＣリンク電流及び整流器ＤＣ電圧の積に基づいて）制御信号を提供して入力有効電力を実質的に一定のレベルに維持するようにする。それに代えて、図６及び図７に示すように整流器遅延角度を変調するステップは、任意選択的に０°から整流器遅延角度最大増加又は減少値までの範囲内で変調するステップを含むことができる。
【００４０】
図９は、電動機４０がブレード６０に結合されているような電動式船舶６４の実施形態による減衰システムのブロック図である。この減衰システムは、実施例の目的で配電網側に適用されるものとして図示しているが、減衰システムは、いずれか一方又は両方の側に適用することができる。
【００４１】
上述した本発明の実施形態は、測定したトルクに注目することによって、振動の原因を検出する必要なしに統合型捩り振動減衰を行うことを含む多くの利点を有する。
【００４２】
本明細書では、本発明の特定の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変更が考えられるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、そのような全ての修正及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の１つの実施形態による捩り振動を減衰させるためのシステムのブロック図。
【図２】別の実施形態による減衰システムのブロック図。
【図３】統合型捩りモード減衰制御システムの実施形態のブロック図。
【図４】図２及び図３の実施形態の１つの態様により生じたインバータ遅延角度に対応するＤＣリンク電流、トルク及び有効電力におけるシミュレーションした変化を示すグラフ。
【図５】図２及び図３の実施形態の別の態様により生じたインバータ遅延角度に対応するＤＣリンク電流、トルク及び有効電力におけるシミュレーションした変化を示すグラフ。
【図６】別の実施形態による減衰システムのブロック図。
【図７】図６の実施形態の態様の幾つかの詳細図。
【図８】図７の実施形態を使用した場合の予測結果としての配電網及び電動機内のシミュレーションした有効電力曲線を示すグラフ。
【図９】別の実施形態による減衰システムのブロック図。
【符号の説明】
【００４４】
１０  統合型捩りモード減衰（ＩＴＭＤ）制御システム
１２  ＤＣリンク
１３  ＤＣリンクインダクタ
１４  負荷転流形インバータ（ＬＣＩ）システム
１６  配電網整流器
１８  負荷インバータ
２０  負荷側シャフト
２２  トルクセンサ
２３  整流器ゲート制御ユニット
２４  帯域フィルタ
２５  インバータゲート制御ユニット
２６  帯域フィルタ
２７  電流センサ
２８  インバータコントローラ
２９  整流器コントローラ
３０  トルクセンサ
３１  電圧センサ
３２  配電網
３３  速度センサ
３４  発電機
３５  電圧センサ
３６  電流センサ
３７  ＬＣＩ閉ループコントローラ
３８  変圧器
３９  インバータ遅延角度制御装置
４０  電動機
４１  制御要素
４２  圧縮機
４３  励振器電流コントローラ
４４  圧縮機
４５  加算要素
４６  ギヤボックス
４７  信号処理装置
４８  電動機及びギヤボックス間の負荷側シャフト部分
４９  タービン
５０  ギヤボックス及び圧縮機間の負荷側シャフト部分
５２  シャフト
５３  移相器
５４  統合型捩りモード減衰（ＩＴＭＤ）コントロ−ラ
５５  移相器
５６  リミッタモジュール
５７  増幅器
５８  増幅器
５９  信号加算要素
６０  ブレード
６２  電動機
６４  電動式船舶
６６  電流源コンバータ
６８  電流センサ
７０  電圧センサ
７２  加算要素
７４  加算要素
７６  有効電力コントローラ
７８  電流コントローラ
【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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【国際調査報告】
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