(57)【要約】  エネルギー貯蔵システムは、電力を生成するように構成された電源を含む。エネルギー貯蔵システムはまた、慣性フライホイールに結合された誘導機であって、電源から電気エネルギーを受け取り、そのエネルギーをフライホイールに貯蔵し、エネルギーの第１の部分を第１のパルス負荷に供給するように構成された誘導機を含む。エネルギー貯蔵システムはさらに、第１のパルス負荷の負荷スイング又は脈動によって引き起こされるフライホイールの回転運動におけるねじり振動を調整するように制御された速度でエネルギーの第２の部分を受け取って吸収するように構成された減衰ネットワークを含む。
2021521773.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転エネルギー貯蔵システムであって、当該エネルギー貯蔵システムは、
電力を生成するように構成された電源と、
慣性フライホイールに結合された誘導機であって、前記電源から電気エネルギーを受け取り、そのエネルギーを前記フライホイールに貯蔵し、前記エネルギーの第１の部分を第１のパルス負荷に供給するように構成された誘導機と、
前記第１のパルス負荷の負荷スイング又は脈動によって引き起こされる前記フライホイールの回転運動におけるねじり振動を調整するために制御された速度で前記エネルギーの第２の部分を受け取って吸収するように構成された減衰ネットワークと、を含む、
エネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記減衰ネットワークは、制御可能な範囲の先行ＶＡＲ、遅れＶＡＲ、及び複数の電力散逸要素を含む多相ネットワークを含み、前記複数の電力散逸要素は、
外部ＤＣバイアス電源によって制御され、且つある範囲に亘ってインダクタンスを変化させるように構成された可飽和多相インダクタと、
該多相インダクタと直列の多相抵抗バンクと、
固定コンデンサと可変コンデンサとの組合せで構成されるコンデンサバンクと、を含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項３】
前記誘導機は、
前記電源から前記エネルギーを受け取るように構成された第１の固定子ポートと、
前記エネルギーの前記第１の部分を前記第１のパルス負荷に出力するように構成された第２の固定子ポートと、
前記誘導機に励起を与える双方向ＡＣ電力コンバータに結合された第１の回転子ポートと、を含む巻線回転子誘導機である、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項４】
前記誘導機は、前記減衰ネットワークに結合された第３の固定子ポートをさらに含む、請求項３に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項５】
前記誘導機は、
前記減衰ネットワークに結合された第２の回転子ポートと、
第２のパルス負荷に結合された第３の固定子ポートと、をさらに含み、
前記第１のパルス負荷はＤＣパルス負荷を含み、前記第２のパルス負荷はＡＣパルス負荷を含み、
前記第１の固定子ポートは、前記誘導機の実効入力インピーダンスを下げるために並列に接続されたシャント抵抗多相ネットワークを含む、請求項３に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項６】
前記第１の回転子ポートは、回転子直軸を中心とする第１の巻線を含み、前記第２の回転子ポートは、回転子横軸を中心とする第２の巻線を含み、
前記第１及び第２の巻線は、回転子励起を与えるため、又は固定子ポートの巻線からエネルギーを受け取るために独立して動作可能である、請求項５に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項７】
前記フライホイールの全体的な主共振速度が、前記第１の固定子ポート又は前記第３の固定子ポートの巻線の電気特性インピーダンスの変化による前記減衰ネットワークの動作によって変更される、請求項５に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項８】
前記減衰ネットワークで受け取られる前記エネルギーの前記第２の部分は、先行又は遅れ力率を伴う有効電力と無効電力との両方を含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項９】
前記フライホイールの回転速度の振動を検出し、該振動の周波数を決定し、前記減衰ネットワークの動作を制御して、ねじり減衰応答を変更し、動的負荷摂動に対するシステムの安定性を向上させるように構成された制御システムをさらに含む、請求項１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１０】
前記制御システムは、
三重給電誘導機の有効電力出力と無効電力出力との両方に応答してパルス負荷を切り替えるように構成された負荷コントローラと、
シャフト速度、フライホイールトルク、ライン又は負荷電力の入力信号を受信し、且つ前記減衰ネットワークのゲーティング及び電流レベルをコマンドするように構成されたねじり振動減衰コントローラと、を含み、
該ねじり振動減衰コントローラは、前記三重給電誘導機のライン入力で有効電力と無効電力との両方の引込み又は回生を変調して、シャフト速度又はトルクの振動を減衰又は抑制するように構成される、請求項９に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１１】
回転エネルギー貯蔵システムであって、当該エネルギー貯蔵システムは、
ＡＣ電力を生成するように構成された電源と、
慣性フライホイールに結合され、且つ複数の固定子ポート及び少なくとも１つの回転子ポートを含む三重給電誘導機であって、前記電源からエネルギーを受け取り、該エネルギーを前記フライホイールに貯蔵し、前記エネルギーの第１の部分を第１のパルス負荷に供給するように構成された三重給電誘導機と、
第１のパルス負荷の負荷スイング又は脈動によって引き起こされる前記フライホイールの回転速度の振動を調整するためにねじり減衰電圧で前記エネルギーの第２の部分を受け取るように構成された減衰ネットワークと、を含む、
エネルギー貯蔵システム。
【請求項１２】
前記減衰ネットワークは、制御可能な範囲の先行ＶＡＲ、遅れＶＡＲ、及び複数の電力散逸要素を含む多相ネットワークを含み、前記複数の電力散逸要素は、
外部ＤＣバイアス電源によって制御され、且つある範囲に亘ってインダクタンスを変化させるように構成された可飽和多相インダクタと、
該多相インダクタと直列の多相抵抗バンクと、
固定コンデンサと可変コンデンサとの組合せで構成されるコンデンサバンクと、を含む、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１３】
前記三重給電誘導機は、
前記電源から前記エネルギーを受け取るように構成された第１の固定子ポートと、
前記エネルギーの前記第１の部分を前記第１のパルス負荷に出力するように構成された第２の固定子ポートと、
誘導機に励起を与える双方向ＡＣ電力コンバータに結合された第１の回転子ポートと、を含む巻線回転子誘導機である、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１４】
前記三重給電誘導機は、前記減衰ネットワークに結合された第３の固定子ポートをさらに含む、請求項１３に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１５】
前記三重給電誘導機は、
前記減衰ネットワークに結合された第２の回転子ポートと、
第２のパルス負荷に結合された第３の固定子ポートと、をさらに含み、
前記第１のパルス負荷はＤＣパルス負荷を含み、前記第２のパルス負荷はＡＣパルス負荷を含み、
前記第１の固定子ポートは、誘導機の実効入力インピーダンスを下げるために並列に接続されたシャント抵抗多相ネットワークを含む、請求項１３に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１６】
前記第１の回転子ポートは、回転子直軸を中心とする第１の巻線を含み、前記前記第２の回転子ポートは、回転子横軸を中心とする第２の巻線を含み、
前記第１及び第２の巻線は、回転子励起を与えるため、又は前記固定子ポートの巻線からエネルギーを受け取るために独立して動作可能である、請求項１５に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１７】
前記フライホイールの全体的な主共振速度が、前記第１の固定子ポート又は前記第３の固定子ポートの巻線の電気特性インピーダンスの変化による前記減衰ネットワークの動作によって変更される、請求項１５に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１８】
前記減衰ネットワークで受け取られる前記エネルギーの前記第２の部分は、先行又は遅れ力率を伴う有効電力と無効電力との両方を含む、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項１９】
前記フライホイールの前記回転速度の振動を検出し、該振動の周波数を決定し、前記減衰ネットワークの動作を制御して、ねじり減衰応答を変更し、動的負荷摂動に対するシステムの安定性を向上させるように構成された制御システムをさらに含む、請求項１１に記載のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２０】
前記制御システムは、
前記三重給電誘導機の有効電力出力と無効電力出力との両方に応答してパルス負荷を切り替えるように構成された負荷コントローラと、
シャフト速度、フライホイールトルク、ライン又は負荷電力の入力信号を受信し、且つ前記減衰ネットワークのゲーティング及び電流レベルをコマンドするように構成されたねじり振動減衰コントローラと、を含み、
該ねじり振動減衰コントローラは、前記三重給電誘導機のライン入力で有効電力と無効電力との両方の引込み又は回生を変調して、シャフト速度又はトルクの振動を減衰又は抑制するように構成される、請求項１９に記載のエネルギー貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、電力システムの制御を対象としている。より具体的には、本開示は、大きな慣性エネルギー貯蔵システムにおけるねじり振動を減衰させるためのシステム及び方法に関する。
【０００２】
（米国）政府のライセンス権
本発明は、米国海軍によって授与された契約番号ＨＱ０７２７−１６−Ｄ−０００６の下で（米国）政府の支援を受けてなされた。（米国）政府は本発明において一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
フライホイール及び回転式電気機械を使用する典型的な慣性エネルギー貯蔵（storage：蓄積）システムは、大抵の場合、充電モード又は放電モードのいずれかでねじり振動を受ける可能性がある。これらの中で最も深刻なのは、大きなエネルギーブロックが貯蔵システムから電気負荷に移されるときの放電モードである。負荷がレーダーシステム等の脈動負荷である場合に、ねじり振動が機械システムで発生し、減衰がなくなり、システムが不安定になったり、又は同期が失われたりする可能性がある。一部のシステムはこの状況に部分的に対処しているが、反復（recurrent）と非反復（non-recurrent）との両方の負荷脈動を適切に処理できない。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、大きな慣性エネルギー貯蔵システムにおけるねじり振動を減衰させるためのシステム及び方法を提供する。
【０００５】
第１の実施形態では、エネルギー貯蔵システムは、電力を生成するように構成された電源を含む。エネルギー貯蔵システムはまた、慣性フライホイールに結合された誘導機であって、電源から電気エネルギーを受け取り、そのエネルギーをフライホイールに貯蔵又は抽出し、エネルギーの第１の部分を第１のパルス負荷に供給するように構成された誘導機を含む。エネルギー貯蔵システムはさらに、第１のパルス負荷の負荷スイング又は脈動によって引き起こされるフライホイールの回転運動におけるねじり振動を調整するために制御された速度でエネルギーの第２の部分を受け取って吸収するように構成された減衰ネットワークを含む。
【０００６】
第２の実施形態では、エネルギー貯蔵システムは、ＡＣ電力を生成するように構成された電源を含む。エネルギー貯蔵システムはまた、慣性フライホイールに結合され、且つ複数の固定子ポート及び少なくとも１つの回転子ポートを含む三重給電巻線回転子誘導機であって、電源からエネルギーを受け取り又は変調し、そのエネルギーをフライホイールに貯蔵又は抽出し、エネルギーの第１の部分を第１のパルス負荷に供給するように構成された三重給電誘導機を含む。エネルギー貯蔵システムはさらに、第１のパルス負荷の負荷スイング又は脈動によって引き起こされるフライホイールの回転速度の振動を調整するためにねじり減衰電圧でエネルギーの第２の部分を受け取るように構成された減衰ネットワークを含む。
【０００７】
他の技術的特徴は、以下の図、詳細な説明、及び特許請求の範囲から当業者に容易に明らかになり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示をより完全に理解するために、添付の図面と併せて、以下の説明を参照する。
【図１】本開示による減衰ネットワークを含む例示的なエネルギー貯蔵システムを示す図である。
【図２】本開示による減衰ネットワークを含む別の例示的なエネルギー貯蔵システムを示す図である。
【図３】本開示による例示的なＬ−Ｃ−Ｒ減衰回路の詳細な概略図である。
【図４】本開示による可飽和３相５ｋＶインダクタの試験結果を示すチャートである。
【図５】本開示による減衰ネットワークからの有効電力及び無効電力の動作範囲を示すサークル図である。
【図６】本開示による、パルス負荷と位相が逆になる、図１の減衰ネットワークの抵抗モードの動作を示す図である。
【図７】本開示による、単一の回転子ポート上に減衰ネットワークを含む別の例示的なエネルギー貯蔵システムを示す図である。
【図８】本開示による、固定子及び回転子の減衰の組合せを使用する２段ねじり振動ダンパーを含む例示的なエネルギー貯蔵システムを示す図である。
【図９】本開示による標準的なサイリスタ整流器の例を示す図である。
【図１０】本開示による２つの回転子ポートを含む例示的なエネルギー貯蔵システムにおけるマスター制御システムの使用を示す図である。
【図１１Ａ】本開示による例示的な６極三重給電誘導機の概略レイアウトを示す図である。
【図１１Ｂ】本開示による例示的な６極三重給電誘導機の概略レイアウトを示す図である。
【図１１Ｃ】本開示による例示的な６極三重給電誘導機の概略レイアウトを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本特許文書において本開示の原理を説明するために使用される以下に記載される図及び様々な実施形態は、単に例示に過ぎず、開示の範囲を制限するように解釈すべきではない。当業者は、本開示の原理が、任意のタイプの適切に配置された装置又はシステムで実施され得ることを理解するであろう。
【００１０】
単純化及び明確化のために、いくつかの特徴及び構成要素は、他の図に関連して示されているものを含めて、全ての図に明示的に示されるわけではない。図に示される全ての特徴は、説明する実施形態のいずれかで使用され得ることが理解されよう。特定の図からの特徴又は構成要素の省略は、単純化及び明確化を目的としており、その図に関連して説明した実施形態において特徴又は構成要素を使用できないことを意味するものではない。
【００１１】
本開示の実施形態は、本明細書に記載の特徴のいずれか１つ、複数、又は全てを含んでもよいことが理解されよう。また、本開示の実施形態は、追加的又は代替的に、本明細書に列挙されていない他の特徴を含み得る。例えば、開示される実施形態は、米国特許第９，６６７，２３２号及び第９，８３７，９９６号に記載される１つ又は複数の特徴を含み得、その内容は参照により本明細書に組み込まれる。開示される実施形態は、特定の用途における電力システムに関して説明され得るが、これらの実施形態は、他の任意の適切なシステム又は用途にも適用可能である。
【００１２】
本開示の実施形態は、慣性エネルギー貯蔵システムにおけるねじり振動を減衰させて、供給されたエネルギーの反復及び非反復の負荷変動又は急速な脈動を補償するための普遍的な方法及びシステムを提供する。開示される実施形態は、電磁エフェクタ又はレーダーシステムに代表されるように、異なる電気的時定数及び異なるパルス速度を有する広範囲の負荷タイプをカバーする。いくつかの既存の（そして非常に基本的な）補償システムでは、負荷の電気的時定数は、フライホイール−電気機械装置の機械的時定数よりも大幅に小さい。対照的に、開示される実施形態は、負荷の電気的時定数が機械的時定数に近い場合、及び電気的パルス周波数が機械的共振周波数に近い場合に、ねじり振動を補償する。これは、大規模システムを含む用途に有利である。
【００１３】
本開示のいくつかの実施形態は、フライホイール回転式機械の動作の装置補償速度範囲を調整するためのシステム及び方法を提供する。いくつかの特定の実施形態では、システムは可変速度／可変エネルギーシステムであり、それにより、フライホイール速度は、反復ベースで、６０％等の下限速度から１００％の最大基本速度まで変化する。典型的に、エネルギー供給の各シーケンス又はパルスは、ΔＴ秒毎に反復ベースでシステム全体の貯蔵積エネルギーＥｔの部分量ΔＥを抽出する。１つの動作モードでは、貯蔵システムは、１００％エネルギー／１００％速度レベルで放電動作を開始し、Ｎ個の高レベル放電のシーケンスが行われ、それにより、抽出される有効総エネルギーは、Ｅｅ＝Ｎ×ΔＥである。この期間中に、機械の速度は広範囲の速度を通過し、これには、主要な（第１の）機械的共振速度が含まれる場合と含まれない場合がある。多くの従来の慣性エネルギー貯蔵システムでは、第１の共振速度は動作範囲内にあり、第２の共振速度は最大動作速度を上回っている。これは明らかに運用上の制限を課す。本開示の実施形態は、機械的共振速度付近の任意の長さの動作時間を回避するように動作する。これは、この機械的共振速度付近の動作が回転子の振動及び最終的なベアリングの不具合を誘発する可能性があるためである。ねじり回転子振動に加えて、高エネルギーパルス放電サイクル中に横方向モード振動又は横方向回転振動も存在する可能性がある。開示される実施形態はまた、横方向のシャフト振動に減衰を適用するために使用され得る。
【００１４】
本開示の実施形態は、電気機械の相互作用を通じて最大動作速度を超えてその主共振速度を上げることによって、全体的な主共振速度を変更する。いくつかの実施形態は、慣性フライホイールに直接的に結合又は間接的に結合された三重給電式（triply-fed）巻線回転子誘導機（ＴＦＩＭ）を利用する。ＴＦＩＭには、機械システムへの電力及びエネルギーの挿入又は抽出のための複数の固定子巻線ポートがある。例えば、いくつかの実施形態では、ＴＦＩＭは、タービン発電機等の電源から電力を入力するための１つの固定子ポートと、脈動又は定常負荷へのエネルギー供給と別個のねじり補償巻線（ＴＣＷ）との組合せのための２つの固定子出力ポートとを含むことができる。他の実施形態は、慣性フライホイールに直接的に結合又は間接的に結合された、二重給電式（doubly-fed）巻線回転子誘導機（ＤＦＩＭ）を利用する。開示される実施形態は、レールガン（railgun）及びレーザ等のパルス負荷の動作のために大きなエネルギー貯蔵モジュールを使用する海軍艦艇の電力システムを含む、多種多様な用途で使用することができる。
【００１５】
図１は、本開示による減衰ネットワークを含む例示的なエネルギー貯蔵システム１００を示している。図１に示されるように、エネルギー貯蔵システム１００は、外部電源１０４によって給電されるＴＦＩＭ固定子ポートＳ１を含むＴＦＩＭ１０２を含む。外部電源１０４はまた、ＡＣ／ＡＣコンバータＣ１  １０６（別個の入力電力段１０６ａ及び出力電力段１０６ｂと、周波数ｆ２の高周波ＡＣリンクと共に示される）に接続され、このコンバータＣ１  １０６は、ライン周波数とは異なる周波数及び電力レベルでＴＦＩＭ１０２の回転子回路の励起を生成する。ＴＦＩＭ１０２の固定子ポートＳ２は、電気リアクタンスが低く、且つ１つ又は複数の脈動又は非反復負荷Ｌ２を別個の出力電力コンバータＣ２  １０８を介して供給するように設計された多相機械出力巻線であり、コンバータＣ２  １０８は、ＡＣ／ＡＣ又はＡＣ／ＤＣコンバータであり得る。電気負荷Ｌ２は、サージ特性ンピーダンスＺｓ、パルス周波数ｆｐを有しており、オプションで電気的共振周波数ｆｏを有する。
【００１６】
ＴＦＩＭ１０２は、ねじり補償巻線であり、好ましくはバキュームブレーカ１２２に給電する多相平衡巻線である３次固定子ポートＳ３を含む。固定子ポートＳ３は、高出力受動部品及び自動又は閉ループ調整手段を含むインダクタ／コンデンサ／抵抗器（ＬＣＲ）ねじり振動減衰ネットワーク１１０によって負荷がかけられる。減衰ネットワーク１１０内の循環電流Ｉｃの共振周波数及び大きさ及び位相を変化させることにより、ＴＦＩＭ１０２から抽出された電力Ｐ３及びＱ３のレベル及び位相角は、システム全体の機械的共振周波数の変化を引き起こす。
【００１７】
固定子ポートＳ３は、有効（real）Ｐ３電力と無効（reactive）Ｑ３電力との両方を減衰ネットワーク１１０に供給することができる。いくつかの実施形態では、この電力は、ポートＳ１又はポートＳ２のいずれかとは異なる電圧レベルである。好ましい実施形態では、ポートＳ３の出力電圧レベルは、ポートＳ１とポートＳ２との両方よりも高い電圧及び低い電流レベルであり、それにより、全体的な機械及びコンバータスキームのサイズ及びコストの削減を可能にする。減衰ネットワーク１１０内の循環電流Ｉｃは、フェーザ（phasor：複素振幅）成分Ｉｄｘ及びＩｑｘを伴う複素電流である。固定子ポートＳ３の出力電流Ｉ３も、フェーザ成分Ｉｄ３及びＩｑ３を伴う複素電流である。
【００１８】
図１は、多相系の一相のみを示している。図１に示されるように、減衰ネットワーク１１０は、複数の構成要素を含む。可飽和（saturable）多相インダクタＬｄ１１２は、少なくとも６０：１の範囲に亘ってインダクタンスを変化させる能力を有し、且つ外部ＤＣバイアス電源１１４によって制御される。コンデンサバンクＣｄ１１６は、制御されていないシャント多相コンデンサバンクと、両側サイリスタＴ２によって電流の大きさが制御されるシャント多相コンデンサバンクとを含むことができる。抵抗成分Ｒｄ１１８は、多相インダクタＬｄ１１２と直列の多相抵抗バンクを含み得、多相インダクタＬｄ１１２は、Ｒｄを通る電流の大きさ及び位相角を調整することによって実効ダンパー抵抗を制御するシャント接続されたサイリスタＴ１を有する。
【００１９】
エネルギー貯蔵システム１００の主な利点は、少なくとも６０：１の範囲に亘って減衰ネットワーク１１０の共振周波数を変更し、且つ後に本明細書で説明する機械制御システムからのコマンドのミリ秒以内に減衰制御を実行する能力である。さらに、固定子ポート巻線Ｓ３の皮相（apparent）電力定格（Ｐ３＋ｊＱ３として表される）は、出力ポートＳ２（Ｐ２＋ｊＱ２）又はＳ１への入力ポート電力（Ｐ１＋ｊＱ１）の皮相電力定格の一部にすることができ、その結果、かなりの電力増幅率を有する制御方式が得られる。この構成は、固定子ポートＳ３の無効電力Ｑ３が、Ｓ１又はＳ２ポートの無効電力Ｑ１又はＱ２を個別に又はグループとして次の式のようにバランス又は超過できるという、適切なコンポーネント選択による基本的な利点を提供する。
Ｑ３≧Ｑ１＋Ｑ２
【００２０】
典型的な動作モードでは、固定子出力ポートＳ２がアクティブであるとき、固定子ポートＳ１への電力はオフである。従って、Ｑ３の大きさがＱ２の大きさ以上である（Ｑ３≧Ｑ２）の場合に制御メカニズムが存在する可能性がある。パルス負荷コンバータＣ２  １０８の入力Ｑ２が誘導性（inductive：誘電性）である場合に、次に、補償電力Ｑ３は、容量性であり、（Ｑ２と）同じ大きさであるが位相角が１８０度離れている可能性がある。これにより、システムの動的安定性が向上する。逆に、パルス負荷コンバータＣ２  １０８の入力Ｑ２が高容量性である場合に、補償電力Ｑ３は、Ｑ３の大きさがＱ２の大きさを超える場合を含めて、高誘導性になるように調整され得、それにより、正味の遅れ（lagging）力率をもたらす。これは、ポートＳ１の電源ラインが切断されたときにパルス負荷の優れた無効補償を提供し、フライホイール１２０に貯蔵されたエネルギーとの相互作用に関する不安定又は振動状態を低減する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵システム１００は、ポートＳ１が、フライホイール１２０の速度をゼロから任意の中間速度又は１００％に上げるためのモータリング（motoring：運転）モードでのみ使用される動作モードを含み、それにより、ねじり振動が、無負荷状態で動作している出力ポートでも存在し得る。このモータリングモード（及びそれに関連する共振機械速度）は、ランナップ（run-up：試運転）モードが開始する前に共振速度又は周波数が予測可能であるため、補正するには単純なモードである。
【００２２】
広い速度範囲及び広いエネルギー貯蔵動作範囲を有する慣性エネルギーシステムにおいて、電気機械内の無効電力の正味のバランスをゼロバランスにすることには明確な利点がある。逆に、（補償なしで）出力端子に高容量性の負荷がかかると、電気的共振周波数が機械的固有周波数と一致し、より大きなシステム共振又は不安定性を引き起こす可能性がある。従って、本開示の実施形態は、（共通の固定子フレーム上の機械巻線のセット内で）電気無効電力のバランスを取り、ねじり振動電力を略ゼロに低減するか、あるいは放電サイクルが有効である間に、広範囲の基本電気周波数に亘って機械全体を遅れ力率に強制する手段を含む。
【００２３】
図２は、本開示による、減衰ネットワーク及び２つの回転子ポートを含む別の例示的なエネルギー貯蔵システム２００を示している。図２に示されるように、エネルギー貯蔵システム２００は、図１に示されるものと同じ又は同様の複数の構成要素を含む。しかしながら、図２では、ＴＦＩＭ１０２の固定子ポートＳ２及びＳ３は、異なるパルス負荷を有する。システム２００において、ポートＳ２はＡＣ／ＤＣ電力コンバータ２０２に給電し、ポートＳ３はＡＣ／ＡＣ電力コンバータ２０４に給電し、次に、この電力コンバータ２０４は、パルス、定常状態、又は非反復負荷を供給する。各ポートＳ２、Ｓ３は、設計上、異なる電気的時定数と異なる電圧レベルとを有している。電源１０４からの入力は、ＴＦＩＭフライホイールシステムに電力を供給するための多相ＡＣ入力であるバキュームブレーカ２０６を介して固定子ポートＳ１に入る。ポートＳ１への定周波数入力でうまく機能する「回転子スリップ周波数制御」と呼ばれる一般的な手法によって回転子が基本速度に上げられるため、固定子ポートＳ１に可変周波数入力電力を供給する電力コンバータはなく、少なくとも１つの回転子巻線に端子短絡回路がある必要がある。
【００２４】
システム２００の１つの新しい態様は、回転子ポートＲ１及びＲ２での２つの独立した巻線回転子回路の使用であり、これらは両方とも多相スリップリングアセンブリによって給電される。回転子ポートＲ１の巻線は、回転子の直軸（direct axis）（Ｄ）を中心とする巻線であり、通常は回転子に電力を供給する。逆に、回転子ポートＲ２の巻線は、回転子の磁気横軸（quadrature axis）（Ｑ）を中心とし、減衰ネットワーク１１０に電力（無効電力又は有効電力のいずれか）を生成する。減衰ネットワーク１１０は、図２の減衰ネットワーク１１０がより低い主周波数範囲に亘って動作し得ることを除いて、図１に記載されたその基本回路と同じ又は同様であり得る。そのため、ポートＲ１及びＲ２の２つの２次（回転子）巻線の磁気相互結合は最小限であり、これは制御上の利点であるが、両方の巻線はそれらのインピーダンスを１次巻線に反映して、システムの機械的応答を修正する。
【００２５】
ポートＲ１に供給する巻線の起磁力（ＭＭＦ）は、ＭＭＦを磁化することができ、ポートＲ２に供給する巻線のＭＭＦは、ＭＭＦを消磁することができる。ポートＲ２巻線に誘起される電気周波数は、常にポートＲ１の電気周波数と同じであるため、機械の回転速度が変化すると逆に変化する。フライホイール１２０の速度の動作範囲が３６００ｒｐｍのベースの６０％から１００％である場合に、２極６０Ｈｚ（固定子Ｓ１入力）機械の回転子周波数は４０％から２％のスリップ範囲で２４．０から１．２Ｈｚになる。実際には、ポートＲ２巻線のＭＭＦ定格及び物理的質量は、ポートＲ１巻線のＭＭＦ定格及び物理的質量の約２分の１から４分の１である。さらに、ポートＲ１及びＲ２の入力／出力の組み合わされた作用及び電力の流れ（電気的角度及び大きさ）は、ねじり振動減衰のための効果的な手段を提供する。
【００２６】
図２を参照すると、三重給電誘導機に絶縁２次回転子巻線Ｒ２を使用することにより、可変ＬＣＲ減衰特性と、システム入力力率（ライン側巻線ポートＳ１に反映される）を容量性から遅れ力率に変化させて、機械トルク又は速度の観測される振動に対抗する電力レベル応答を形成するための能力とが提供される。従来のフライホイール機械システムは、電気機械の入力係数が非常に高容量性であるため、余分で不要なねじり振動を引き起こす可能性がある。本明細書に開示される実施形態は、機械入力端子で利用可能な制御可能な負及び正のＶＡＲ能力を有することによってこの問題を解決し、特に、バランスのとれた誘導−抵抗力率を入力電源ラインに反映して、システムの固有周波数を通常の動作周波数より高くすることができる。
【００２７】
従って、本開示の実施形態の１つの目的は、第１及び第２の臨界機械速度を最低動作シャフト速度よりも高くすることである。第２の目的は、フライホイールトルク又はシャフト速度の振動が発生したときに、応答性の高いダイナミックブレーキ電気減衰トルクを（２つの異なる手段から）機械に課し、その際に振動を低減又は排除することである。第３の目的は、機械の入力電気インピーダンスを（減衰ネットワークの使用と電磁反射によって）同じ電力定格の従来の回転式機械よりも低くすることである。入力インピーダンスが低いと、機械が電力システム全体又は原動機と相互作用するときのトルク又は速度の振動の大きさが根本的に減少する。
【００２８】
再び図１を参照すると、ねじり振動補償を提供する第２の手段は、抵抗器Ｒｄ  １１８を調整し、減衰ネットワーク１１０の主成分電流が抵抗成分であり、Ｉｄｘ＞Ｉｑｘであることを保証し、この抵抗成分をポートＳ３での機械巻線に反映する。バキュームブレーカ１２２は、減衰が必要なときに、減衰ネットワーク１１０を機械巻線に接続する。バキュームブレーカ１２２の応答時間は２ミリ秒と速い。その結果、これはポートＳ２の出力巻線に抵抗ダンパーとして現れるか、あるいは（Ｓ２負荷が低いか又は存在しない場合に）ポートＳ３を介したこの減衰効果により、全体的な機械的ねじり振動の大きさが直接減少し、機械的周波数特性を上げる。これは、ポートＳ３を流れる電流が、抵抗器Ｒｄ１１８に有効電力を供給し、ＴＦＩＭ１０２に制御可能で高速応答のブレーキトルクを提供するために実現される。
【００２９】
機械の固定子ポートＳ３巻線は、その内部過渡インダクタンスＬｄ’及び内部巻線抵抗Ｒ３’から構成されるＴ３の小さなＬ／Ｒ時定数を有し、これは、実物大の機械では、約２０ミリ秒であるＴ３に達する可能性がある。（制御によって）Ｌｄ＝０でこの回路にＲｄを追加することにより、ポートＳ３の実効Ｌ／Ｒ電気的時定数ははるかに小さくなる（例えば、ＴＸ＝２ｍｓ）。２ミリ秒のこの時定数Ｔｘは、５０〜２５０ミリ秒の範囲であり得る、フライホイール／電気機械の組合せの典型的な機械的時定数よりもはるかに高速である可能性がある。従って、例えば制御可能なブレーキトルクを介して６×Ｔｘ秒毎に循環する抵抗減衰電流の小さなバーストを、キロヘルツ範囲の帯域幅で提供することができる。マスター制御システムは、周波数ｆｏの速度振動を検出すると、減衰ネットワークに信号を送り、有効電力と無効電力とを個別に調整する。これは、各Ｌ−Ｃ−Ｒコンポーネントに個別のスイッチング制御があるためである。
【００３０】
図３は、本開示による例示的なＬ−Ｃ−Ｒ減衰回路３００の詳細な概略図を示している。減衰回路３００は、減衰ネットワーク１１０を表す（又は減衰ネットワーク１１０によって表す）ことができ、実際の要素値を変化させて、図１、図２、又は図７のいずれかに適用することができる。一般に、このような減衰回路は、ねじり振動減衰回路であり、図１又は図２の固定子ポートＳ３又は回転子ポートＲ２のいずれかに適用できる。
【００３１】
図３に示されるように、減衰回路３００は、ねじり振動の電気的減衰を調整するための高出力調整可能なＲＬＣ回路を含む回転子特殊補助回路である。減衰回路３００はまた、絶縁補助固定子巻線として使用され得る。減衰回路３００は、両側（bilateral）装置である複数のサイリスタと、ＤＣバイアス制御される複数の可飽和インダクタとを含む。減衰回路３００は、ＡＣライン入力に印加される有効（ｋＷ）と無効（ｋＶＡＲ）との両方の電力減衰特性を提供する。回転子周波数励起コントローラ１０６ｂと組み合わせて、機械の端子インピーダンスは、負又は正のインピーダンスになるように調整することができる。こうして、減衰回路３００は、広範囲の船舶電力システムに適用可能である。
【００３２】
図４は、本開示による可飽和３相５ｋＶインダクタの試験結果を示すチャート４００である。図４で試験されるインダクタは、図１、図２、及び図７に示される減衰ネットワーク１１０の多相インダクタＬｄ１１２であり得る。インダクタは、６０：１のインダクタンス範囲を有しており、且つ０〜１１０アンペアの可変ＤＣソースによって迅速に制御される。試験結果は、４００Ｈｚ、５．０ｋＶｒｍｓ単相電源で得られた。磁気コア上に制御可能なＤＣバイアスを有する３相可飽和リアクトル（reactor）は、当技術分野で知られている。磁気コアのＤＣバイアスが２アンペアの場合に、１相あたりのインダクタンスは３．４５０Ｈである一方、２０アンペアではインダクタンスは１．４０Ｈに低下し、さらに１１０アンペアのＤＣバイアスでは、１相あたりのインダクタンスは５７ｍＨになる。サイリスタＴ１の様々なゲーティングレベルでのＲｄ−Ｔ１の組合せの抵抗は、２オームから始まり、１２０オームまで上昇する。こうして、６０：１の範囲も可能である。Ｌ／Ｒサブ回路の組合せは、２つのコンデンサ段とシャント（shunt）で動作する。いくつかの実施形態では、減衰ネットワークコンデンサ段は、固定コンデンサＣｄ１及び制御可能なコンデンサＣｄ２の組合せを含む。もちろん、制御可能なコンデンサ−サイリスタネットワークの複数段により、より細かい制御をもたらすことが可能である。
【００３３】
図５は、本開示による減衰ネットワークからの有効電力（real power）及び無効電力（reactive
power）の動作範囲を示すサークル図５００である。図５の減衰特性は、図１、図２、及び図７の減衰ネットワーク１１０を表すことができる。図５では、減衰ネットワークは、ＤＦＩＭ機械の内部リアクタンスＸ１及び重要な場合は任意の配電線リアクタンスＸｔで構成される。減衰ネットワークの総複素インピーダンスは、コンデンサの分岐がオフの状態でＲ＋ｊＸｄである。内部リアクタンスと外部リアクタンスとの組合せをＸ＝Ｘ１＋Ｘｔ＋Ｘｄとする。固定子ダンピング巻線Ｒ２の相あたりの内部電圧をＥ１とする。ダンピング抵抗Ｒｄの両端の電圧は、サイリスタＴ１がオフのときに、Ｅ２として規定される。
【００３４】
フライホイールに加えられる電磁トルクＴｅＭは、従来の理論によるものである。
【数１】
2021521773.tif 000003
ここで、θは内部電圧Ｅ１とダンピング抵抗器Ｒｄの電圧Ｅ２との間の電気角であり、
【数２】
2021521773.tif 000004
はラジアン／秒単位の機械的角速度である。図５は、１．０＋ｊ０．１６６の値の量Ｐｕ＋
ｊＱｕの矢印の頭「Ａ」を示しており、ここで、ＱはＶＡＲに遅れており、Ｐはワット単位の有効電力である。無効電力Ｑは全体的に誘導負荷であり、これは回転子の振動を減衰させるのに役立つ。
【００３５】
電力出力／入力巻線とダンピング巻線Ｓ３との組合せによって発生する電気機械的トルクもまた、以下のような機械的振動方程式に等しい。
Ｔｅｍ＝−Ｊｄ２θ／ｄｔ２            （２）
ここで、Ｊはフライホイール機械セット全体の慣性モーメントである。回生負荷等の特定の条件では、Ｔｓ２とＴｓ３とは両方とも正であり、モータリングトルクＴｓ１に追加され得、これにより、コントローラが入力バキュームブレーカ２０６を開くまでフライホイールが過速度になる。
【００３６】
トルクＴｅｍは、３つの項から構成される。
Ｔｅｍ＝Ｔｓ１＋Ｔｓ２＋Ｔｓ３          （３）
ここで、Ｔｓ１は巻線Ｓ１からのトルク成分であり、Ｔｓ２は巻線Ｓ２からのトルク成分であり、Ｔｓ３は巻線Ｓ３からのトルク成分である。ＴＦＩＭが生成（放電）モードの場合に、Ｔｓ１＝０である。Ｔｓ２の性質は、負荷回路及びデューティサイクルに依存する。これは確率的負荷である、又はＴｓ２が周期関数である可能性がある。
【００３７】
図５はまた、矢印「Ｂ」によって示される別の動作モードを示している。この矢印は、０．５０−ｊ０．０９の値の量Ｐ＋ｊＱを示している。これは、Ｒｄで散逸（消費）される正の有効電力を示すが、ＶＡＲ（Ｑ）は負又は先行力率であり、減衰ネットワークと負荷との組合せが容量性であることを示す。静的スイッチ切替えモード電力コンバータを含む特定のパルス負荷は、多くの場合、容量性入力インピーダンスを有している。これは、回転子のねじり振動の可能性のない安定した動作のために回避する必要がある。
【００３８】
従って、最も基本的な補償方式は、図５に動作点「Ａ」によって示されるように、遅れ力率で動作する減衰ネットワークを有する。負荷がポートＳ２で高誘導性である場合に、コンデンサＣｄ２が、通電されているが、サイリスタＴ２によって変調される状態で減衰ネットワークを動作させることが有利である。制御システムが次のように同時の有効電力減衰と無効電力減衰との組合せを提供する更なる手段が提供される。
【００３９】
１．Ｌｄへの制御可能なＤＣバイアスは、容量性Ｑ２が、大きく、且つ高速時定数Ｔｘ１の場合に、負荷コンバータの力率を補償するための要件に応答する。
【００４０】
２．制御可能な抵抗要素Ｒｄは、より遅い時定数Ｔｘ２でのフライホイールねじり振動の機械的減衰の要件に応答する。
【００４１】
振動の周期は、従来の理論によって次のように与えられる。
【数３】
2021521773.tif 000005
ここで、ＭはＴＦＩＭ＝Ｈ／１８０＊ｆの慣性定数であり、Ｈは電気機械のメガワット秒／ＭＶＡ定格でのフライホイールのエネルギー貯蔵である。
【００４２】
従って、式（４）に確認されるように、総リアクタンスＸが増大すると、振動の周期が増大する、すなわち、ねじれ周波数が低下する。これは通常望ましくない。逆に、可飽和リアクトルＬｄのＤＣバイアス（すなわち、より高いＤＣバイアス電流）を変化させることによってリアクタンスＸパラメータが減少すると、振動周期が減少し、ねじれ中心点の振動周波数が増大する。これが本開示の目的である。
【００４３】
再び図１を参照すると、図１の実施形態は、中間ＡＣリンクを含み、可変電圧可変周波数電力を回転子励起ポートＲ１に供給するＡＣ／ＡＣコンバータＣ１  １０６を示している。二重給電誘導機に関するこのタイプの基本的な回転子制御は、当技術分野で知られている。しかしながら、３次固定子巻線Ｓ３出力とポートＲ１での回転子励起を組み合わせて、ＴＦＩＭ電気機械の総エアギャップ起磁力を有効電力と無効電力との両方で変調することは斬新である。ポートＲ１を流れる回転子電流は、ポートＳ２又はＳ３のいずれかに向けられた固定子電力を、Ｒ１ポート電力入力の位相、大きさ、及び周波数によって大幅に制御できるという増幅効果を提供する。コンバータＣ１  １０６は、ポートＲ１に周波数を提供し、これは、典型的に、機械速度に基づいて、ポートＳ１への固定子ライン入力周波数の一部である。放電モードのときの制御システムの１つの目的は、その機械的周波数ｆｍが出力周波数f３を次の式のように高く略一定に保つことができるように変化する際に、回転子周波数ｆｒを実際の機械の機械的周波数ｆｍで逆に追跡することである。
ｆｒ＋ｆｍ＝f３
こうして、機械速度が低下すると、回転子周波数がブーストされ、f３は一定のまま又は増大する可能性がある。
【００４４】
ねじり振動では、機械的周波数は、ｆｍ”＝ｆｍ＋δｆｍとして変化する。これにより、回転子制御周波数は、１８０度の位相シフトを伴った応答ｆｒ”＝ｆｒ＋δｆｒを有するように調整される。振動から導出される機械的電力は、電力成分Ｐｏｓｃ＝
【数４】
2021521773.tif 000006
を生成し、これは、抵抗器Ｒｄ１１８で発生する多相ブレーキ力によって相殺される。図１のエネルギー貯蔵システム１００では、ポートＳ３で発生する有効電力は、ポートＲ１への回転子の電気入力電力と同時に作用でき、これは、ポートＳ２での出力周波数を制御し、逆作用する速度振動のための回転子のアクティブ制御速度摂動信号を生成する。
【００４５】
いくつかの実施形態では、減衰ネットワーク１１０は、パルス負荷を反復ベースで打ち消すために使用される。例えば、図６は、本開示による、ポートＳ２でのパルス負荷と位相が逆になる減衰ネットワーク１１０のＲｄ抵抗モードの動作を示している。このような構成は、フライホイール１２０から全体的に一定の大きさの機械の有効電力負荷及び一定の機械トルクを生成する。図６に示される簡素なケースの場合に、負荷コンバータは、例えば５０ミリ秒のサイクルタイムの６０／４０デューティサイクルの方形波である入力電力及び電流を受け取る。減衰ネットワーク１１０は、反対のパルス及び反対の電力を生成するように制御されるので、ＴＦＩＭ１０２は、ポートＳ２、Ｓ３との固定された結合負荷を認識する。これ自体が、フライホイールの放電サイクルが単調で速度の高調波がないため、ねじり振動を引き起こす条件を軽減又は排除する。有効電力補償に加えて、減衰ネットワーク１１０は、コンバータＣ２  １０８の無効電力補償を提供するので、ＤＦＩＭは、正味ゼロの無効電力変調を有する。これにより、システムの動的な安定性が向上する。
【００４６】
図７は、本開示による、単一の回転子ポート上に減衰ネットワークを含む別の例示的なエネルギー貯蔵システム７００を示している。図７に示されるように、エネルギー貯蔵システム７００は、図１及び図２に示されるものと同じ又は同様の複数の構成要素を含む。しかしながら、図７では、減衰ネットワーク１１０は、周波数ｆ２で動作するＡＣ／ＡＣコンバータＣ１  １０６の入力回転子励起電力段１０６ａと出力回転子励起電力段１０６ｂと間の高周波リンクに電気的に接続される。これにより、電気機械の構造が簡素化されるか、又は第２の出力ポートＳ３を周波数f３の負荷ポートにすることができる。周波数コンバータ７０２は、リンク周波数をｆ２（３０ｋＨｚまで高くて一定であり得る）から、３００〜３０００Ｈｚ等のより低い可変周波数ｆｄに変化させる。この高周波リンクは、コンパクトで高密度の電力変換を提供する。
【００４７】
いくつかの実施形態では、ＴＦＩＭ１０２は、異なる磁気軸を中心とする固定子巻線を含む。例えば、固定子ポートＳ２巻線は、機械の直軸（Ｄ）を中心に配置でき、固定子ポートＳ３は、機械の横軸（Ｑ）を中心に配置でき、２つの軸は電気的に９０度離れている。その場合に、ＴＦＩＭ１０２は、Ｄ軸を中心とする固定子入力ポートＳ１巻線を含むことができる。次の例に示されるように、３つの固定子巻線が、異なる電圧レベルと３つの異なるインピーダンスを有すること、又はベース電力（ＭＶＡ）レベルに加えて、独立した回転子ポート電圧を有することには明らかな利点がある。
【００４８】
５，０００ボルト、３相及びベースインピーダンス＝１５オームのポートＳ１。
【００４９】
１０，０００ボルト、６相及びベースインピーダンス＝５０オームのポートＳ２、その後整流される。
【００５０】
１５,０００ボルト、３相及びベースインピーダンス＝４００オームのポートＳ３。
【００５１】
１，０００ボルト、３相及びベースインピーダンス＝７５オームのポートＲ１。
【００５２】
こうして、補償ネットワークは、固定子ポートＳ３に位置付けされる場合に、それは負荷電圧レベル又は入力電源の詳細によって制限されないので、最高電圧レベル及び最高インピーダンスレベルで動作する。これにより、非常にコンパクトで効率的な減衰ネットワークが可能になる。サイリスタスイッチング技術は１５ｋＶレベルで利用できる。回転子ポートＲ１は最低電圧ポートである。これは、この電力が、高電圧が禁止されている回転スリップリングを介して伝達されることが多いためである。
【００５３】
多相降圧変圧器７０４は、主電源１０４からの入力ライン電圧を、回転子回路に給電するためにＡＣ／ＡＣコンバータＣ１  １０６からの最小の電圧調整を必要とするレベルまで下げる。ＡＣ／ＡＣコンバータＣ１  １０６は、その出力端子で回転子ポートＲ１への無効電力を（位相角遅延によって）制御して、回転子の速度変動に反比例するように回転子の厳密な周波数制御を提供することに加えて、回転子回路の力率が高い（例えば、９０％以上）ことを保証することができる。
【００５４】
先に議論したように、ＡＣ／ＡＣコンバータＣ１  １０６は、双方向「ＡＣリンク」コンバータであり、これは、回転子回路に負又は正の有効電力を供給して、準同期（sub-synchronous）又は超同期（super-
synchronous）動作のいずれかを提供することができる。この動作の一例はポートＳ２の負荷回路が突然負荷を失う場合であり、回転子が過速度になる傾向があり、これは、回転子に与えられるＣ１周波数を強制的に低くする（超同期動作を引き起こす）こと及び／又は減衰ネットワーク１１０を高抵抗にし、ブレーキトルクを提供させることで制御できる。
【００５５】
図８は、本開示による、固定子及び回転子の減衰の組合せを使用する２段ねじり振動ダンパーを含む例示的なエネルギー貯蔵システム８００を示している。図８に示されるように、エネルギー貯蔵システム８００は、図１及び図２に示されるものと同じ又は同様の複数の構成要素を含む。しかしながら、図８では、ＴＦＩＭ１０２の固定子ポートＳ１は、抵抗器バンクに結合される。抵抗器バンク８０２は、三角形に配置されたダイナミックブレーキ抵抗器Ｒ１の多相セットであり、これらは、巻線を横切って並列に接続される。各相の抵抗器は、ＴＦＩＭ
１０２がモータリングモード又は充電モードのときにオフになる、直列接続されたサイリスタ又は同様の両側スイッチＴＳ１のセットによって制御される。ＴＦＩＭ１０２が放電モードにあり、入力ラインのバキュームブレーカ２０６が開いているときに、速度コントローラがねじり振動を検出すると、サイリスタスイッチは、電流Ｉｄｂフローを抵抗器バンク８０２及び固定子ポートＳ１巻線に生じさせるために閉じるか、又は逆相モードで導通するように命令され、それにより、ＴＦＩＭ１０２上に直軸ブレーキトルクを生成する。電流Ｉｄｂ及びブレーキトルクの蓄積は速く、電気回路のＬ／Ｒ時定数が、抵抗が挿入されているために短い（例えば、≦２ｍｓ）ため、機械的時定数よりも一桁小さい。
【００５６】
固定子ポートＳ１巻線に電圧を誘導するための主機械磁束（ＭＭＦ）は、ポートＲ１への主回転子励起と、減衰ネットワーク１１０に接続されているポートＲ２での回転子巻線のオプションの使用との組合せによって提供される。通常の動作慣行の範囲外であるが、減衰ネットワーク１１０を利用して機械回転子ＭＭＦ励起をブーストするために、減衰ネットワーク１１０は、最大容量電流負荷及び最小誘導電流で動作され、それにより、正味の先行（leading）力率負荷をポートＲ２巻線に生成する。主電源１０４からの主励起供給ラインが利用できない場合に、容量性モードの減衰ネットワーク１１０を使用して、ＴＦＩＭ１０２を自己励起し、ねじり振動減衰のための有意な制御可能なブレーキトルクを与える。いくつかの実施形態では、サイリスタ又はＩＧＢＴスイッチＴＳ１の制御は、パルス幅変調（ＰＷＭ）方式を使用して提供される。これは、スイッチング装置が通常１マイクロ秒の期間内にオンにすることができ、ダイナミックブレーキ回路の通常の機械Ｌ／Ｒ時定数が、機械システムを２０ミリ秒以上の時定数で制御するために２００〜５００マイクロ秒であるためである。自己励起が発生すると、変圧器ＴＲ１は電力を供給せず、機械の磁化は、減衰ネットワーク１１０の静電容量によって厳密に供給される。
【００５７】
図９は、本開示による標準的なサイリスタ整流器９００の例を示している。整流器９００は、高電圧昇圧変圧器を含む１２パルス位相遅延整流器（ＰＤＲ）である。整流器９００は、出力負荷コンバータに使用することができ、高電圧昇圧及び負荷でのＤＣの使用を可能にする。
【００５８】
図９に示されるように、整流器９００は、１２パルスＰＤＲコンバータを含むＹデルタ３相入力９０２を含む。例えば、電気機械の出力電圧が１４，８００ボルトＡＣである場合に、整流後、この電圧は１００〜２０，０００ＶＤＣの範囲内で制御できる。次に、スイッチング電源は、この２０ｋＶＤＣ電力を定電流又は定電力ＤＣ出力に変換して、少なくとも２つの異なるタイプの充電モードで中間エネルギー貯蔵を充電する。パルス負荷は、主に容量性−抵抗性入力インピーダンスを有する電磁エフェクタ又はレーダーであり得るが、誘導性−抵抗性負荷はまた一般的である。パルス負荷は、入力電流及び電力のＰＷＭ波形を有してもよい。図９の変圧器はまた、例えば、出力高調波を低減するための１５相３０パルスシステムを生成するためのジグザグ変圧器として構成され得る。
【００５９】
図１０は、本開示による２つの回転子ポートを含む例示的なエネルギー貯蔵システム１０００におけるマスター制御システムの使用を示している。図１０に示されるように、エネルギー貯蔵システム１０００は、図２等の以前の図に示されるものと同じ又は同様の複数の構成要素を含む。
【００６０】
図１０は、固定子ポートＳ３についての図２の負荷回路の更なる改良を示し、それにより、出力コンバータは、制御可能なＤＣ出力を含む位相遅延整流器１００８であり、制御可能なＤＣ出力は、ＤＣ／ＤＣスイッチング電源（ＳＰＳ）１０１０に、次に、中間エネルギー貯蔵モジュール（ＩＥＳ）及び最終パルス負荷Ｎｏ．３に接続される。ＩＥＳモジュールは、ウルトラコンデンサバンク又は電気化学電池システムの場合がある。ポートＳ３でのＴＦＩＭ出力は、好ましくは、整流効率を助けるために多相出力（例えば、６、９又は１２相）である。位相遅延整流器１００８の出力は、典型的に、高電圧ＤＣ出力である。
【００６１】
エネルギー貯蔵システム１０００は、ねじり振動を軽減するいくつかの方法を含むマスター制御システムを含む。このシステムには、ねじり振動減衰コントローラ（ＴＯＤＣ）１００２と負荷コントローラ１００４との２つの電子コントローラが含まれる。どちらも、入力信号の処理に高速デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を使用して、Ｄ／Ｑ軸の量に変換し、状態空間方程式を解き、出力装置の制御を実行するための補助回路に命令することができる。
【００６２】
ＴＯＤＣ１００２への入力は、以下を含むことができる：
・フライホイールからＴＦＩＭへのトルク負荷；
・フライホイール又はＴＦＩＭのシャフト速度；
・主電源の電流、電圧、及び電力；
・負荷２の位相遅延整流器１００６からの電流、電圧、及び電力入力；
・負荷３の位相遅延整流器１００８からの電流、電圧、及び電力入力；及び
・ポートＲ１へのコンバータ出力電流及び電力に関するＡＣ／ＡＣコンバータ１０６からのアナログ信号。
【００６３】
ＴＯＤＣ１００２からの出力は、以下を含むことができる：
・電源１０４からＴＦＩＭ入力ポート１へのバキュームブレーカ２０６を開くためのコマンドデジタル信号；
・ＴＦＩＭポートＳ１にダイナミックブレーキ抵抗器を接続するためにサイリスタスイッチをゲーティングするためのコマンドアナログ信号；
・減衰ネットワーク１１０の電流を遮断するためにポートＲ２のバキュームブレーカ１２２を開くためのデジタル信号；
・ダンピング可飽和インダクタＬｄ１１２へのＤＣ電流バイアスレベルを制御するためのアナログ信号；
・ダンピング抵抗器Ｒｄ１１８上のサイリスタスイッチへのＰＷＭデジタル信号；及び
・ダンピングコンデンサＣｄ１１６上のサイリスタスイッチへのＰＷＭデジタル信号。
【００６４】
負荷コントローラ１００４への入力は、以下を含むことができる：
・ポートＳ１での入力電流及び電力；
・ポートＳ２での入力電流及び電力；
・ポートＳ３での入力電流及び電力；
・ポートＲ１での入力電流及び電力；
・ポートＲ２での入力電流及び電力；
・フライホイールのシャフト速度；
・ロードセルによるフライホイールからＴＦＩＭへの機械トルク；
・中間エネルギー貯蔵モジュールのエネルギー及び電圧レベル；
・位相遅延整流器１００６の出力電圧及び電流レベル；及び
・位相遅延整流器１００８の出力電圧及び電流レベル。
【００６５】
負荷コントローラ１００４からの出力は、以下を含むことができる：
・バキュームブレーカ２０６を電源１０４からＴＦＩＭ入力ポート１に開くためのデジタル信号；
・位相遅延整流器１００６の出力ＤＣレベルを制御するためのアナログ信号；
・位相遅延整流器１００８の出力ＤＣレベルを制御するためのアナログ信号；
・ＳＰＳ１０１０の出力を制御するためのデジタル信号；
・ポートＲ１でのＴＦＩＭ励起のためのＡＣリンクコンバータ１０６の出力を制御するためのデジタル信号；及び
・電源オペレータへの保護停止機能。
【００６６】
いくつかの実施形態では、ＴＯＤＣ１００２の制御方法は、５つのポートの全ての電流及び電圧が直軸及び横軸の量で表される、ＴＦＩＭ性能のシステムの方程式の状態空間解である。システム１０００では、電流及び電圧入力の全ての入力３相センサ量は、制御システムプロセッサ内でＤ軸及びＱ軸変数に変換される。これらの技術は、ＤＦＩＭ制御に関する当技術分野で知られている。
【００６７】
説明する制御システムは、ＴＦＩＭ１０２の充電（モータリング）モード又は放電（生成）モードのいずれかでシャフト速度又はトルクのねじり振動を減衰させるために使用することができる。減衰ネットワーク１１０は、ねじり振動がしきい値を超える場合に、どちらのモードでも励起できる。これは、このネットワークの誘導電圧及び電流がどちらのモードでも存在するためである。固定子ポートＳ１でのダイナミックブレーキ抵抗器（ＤＢＲ）ネットワーク１０１２の追加の減衰効果は、主に放電モードで有効にされ、典型的に、モータリングモードで開いている（オフである）。減衰ネットワーク１１０及びポートＲ２での巻線を含めることによる３つ（又はそれ以上）の電気機械の固有インピーダンスの変更は、機械式フライホイール機械システムのねじり振動の固有振動数を上げて、危険速度が複合回転式機械の好ましい動作範囲（例えば、基本速度の５０％から１００％）内で発生するのを防ぐ。
【００６８】
図１１Ａ〜図１１Ｃは、本開示による例示的な６極ＴＦＩＭ１１００の概略レイアウトを示している。図１１Ａ〜図１１Ｃに示されるように、回転子及び固定子の巻線の概略レイアウトは、６極で配置された５巻線のＴＦＩＭであるＴＦＩＭ１１００のコイル番号を示しており、回転子のデルタ巻線Ｒ２はねじり振動減衰のために指定される。図１１Ａは回転子巻線Ｒ１（メイン）を示し、図１１Ｂは回転子巻線Ｒ２（特殊）を示し、図１１Ｃは固定子巻線Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３を示している。多相Ｙ型回転子レイアウトの同様の巻線も実行可能である。
【００６９】
ＴＦＩＭ１１００は、最低３つの独立した固定子巻線及び最低２つの独立した回転子巻線を有する。当業者は、複数の負荷回路を有する等の様々な特徴を強化するために、３つより多い固定子巻線及び２つより多い回転子巻線を含む任意数の極の同様の機械を構築できることを理解するであろう。２つの回転子巻線には１つのスロット／極／相があり、合計３６の回転子スロットに相毎に２つの並列があり、３つの固定子巻線にはそれぞれ１つのスロット／極／相があり、合計５４の固定子スロットに直列巻線がある。図１１Ａ〜図１１Ｃでは、回転子巻線Ｒ２は、回転子巻線Ｒ１から電気的に１０度だけオフセットされる。巻線Ｒ１とＲ２との間の相互結合は８０％以上と高くなっている。いくつかの実施形態では、巻線Ｒ２は、巻線Ｒ１よりも多くの巻数を有し、それにより、減衰ネットワーク給電のためにより高い電圧レベルで動作する。上で議論したように、巻線Ｒ１とＲ２との間の位相オフセットは、９０度のシフトをもたらすように構築することもでき、それぞれ直軸と横軸のＭＭＦを生成する。
【００７０】
図１１Ａ〜図１１Ｃに示される実施形態は、スリップリング及びブラシアセンブリを使用して、電流を回転子に伝達する。ＴＦＩＭ１１００をさらに改良すると、ブラシレス３相励磁機によってＲ１とＲ２に給電され、ブラシ及びスリップリングのアセンブリが不要になる。巻線Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３は、同じ数の極（例えば、６つの極）を有するが、必要な入力又は出力電圧に応じて、異なる直列巻数、コード、及び分配係数を有することができる。巻線Ｓ１、Ｓ２、及びＳ３は、典型的に、重ね巻きの二重層コイルであり、巻線Ｒ１及びＲ２は、標準的な業界慣行に従って、同心円状又は重ね巻きであり得る。
【００７１】
図１１Ａ〜図１１Ｃの巻線Ｓ２及びＳ３に取り付けられた各負荷回路は、大きく異なる負荷インピーダンス、異なる電気的時定数又はパルス速度を有し得るか、又は本開示に限定されない定常状態負荷となり得る。
【００７２】
本明細書に開示される実施形態は、迅速に調整可能なＬＣＲ減衰特性と、ライン側巻線に反映される力率を容量性から遅れ力率に変更する能力とを含む、三重給電誘導機のための絶縁二次回転子巻線の使用を提供する。これにより、機械トルク又は速度の観測された振動に対抗する電力レベル応答が形成される。
【００７３】
当業者は、説明した実施形態が、原動機、出力発電機、又はその両方として三重給電誘導機を使用する複数のエネルギー貯蔵機セットに適合され得ることを理解するであろう。このシステムの更なる適応は、実施形態の基本的な有用性を損なうことなく、追加の電圧レベルを形成するための昇圧又は降圧変圧器を含むことができる。
【００７４】
この特許文書全体で使用される特定の単語及び句の規定を説明することが有利な場合がある。「含む、有する（include）」及び「備える、有する、含む（comprise）」という用語、並びにそれらの派生語は、限定ではなく、包含を意味する。「又は」という用語は、包括的であり、及び／又はを意味する。「〜と関連する」という句、及びその派生語は、〜を含む、〜に含まれる、〜と相互接続する、〜を含む、〜内に含まれる、〜と接続する、〜と結合する、〜と通信する、〜と協力する、〜をインターリーブする、〜を並置する、〜に近接している、〜に束縛されている、〜を有する、〜の特性を有する、〜との関係を有する等を意味する。「少なくとも１つ」という句は、アイテムのリストとともに使用される場合に、リストされたアイテムの１つ又は複数の異なる組合せが使用され得、リスト内の１つのアイテムのみが必要とされ得ることを意味する。例えば、「Ａ、Ｂ、及びＣの少なくとも１つ」には、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ａ及びＢ、Ａ及びＣ、Ｂ及びＣ、そしてＡ、Ｂ、及びＣの組合せのいずれかが含まる。
【００７５】
本願における説明は、特定の要素、ステップ、又は機能が、特許請求の範囲に含めなければならない必須又は重要な要素であることを意味するものとして読解すべきではない。特許される主題の範囲は、許可された請求項によってのみ規定される。さらに、請求項のいずれも、厳密な単語「〜手段」又は「〜ステップ」が、機能を特定する分詞句が続く特定のクレームで明示的に使用される場合を除き、添付の特許請求の範囲又は請求項の要素のいずれかに関して米国特許法第１１２条（ｆ）を呼び出すことを意図していない。請求項内の「機構」、「モジュール」、「装置」、「ユニット」、「コンポーネント」、「要素」、「部材」、「機器」、「機械」、「システム」等の用語の使用（ただしこれらに限定されない）は、請求項自体の特徴によってさらに修正又は強化された、関連技術の当業者に知られている構造を指すと理解及び意図されており、米国特許法第１１２条（ｆ）を呼び出すことを意図していない。
【００７６】
本開示は、特定の実施形態及び一般的に関連する方法を説明しているが、これらの実施形態及び方法の変更及び置換は、当技術分野の当業者には明らかであろう。従って、例示的な実施形態の上記の説明は、本開示を規定又は制約するものではない。以下の特許請求の範囲によって規定されるように、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、他の変更、置換、及び交替も可能である。
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【国際調査報告】
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