(57)【要約】  【課題】  フットプリントが小さく及び変圧器の効率が良い電動発電機電力変換調整装置を提供する。  【解決手段】  電動発電機電力変換調整装置（１１０）は、電動発電機ポート（１２０）に電気的に結合された整流器（１１０）と、整流器（１１０）及び負荷ポート（１４０）に電気的に結合されたインバータ（１３０）とを具備する。スタートアップモードでは、組み合わせ整流器（１１０）／インバータ（１３０）は電動発電機ポート（１２０）にスタートアップ電力を供給する。動作モードでは、組み合わせ整流器（１１０）／インバータ（１３０）は負荷ポート（１４０）に発電電力を供給し、且つ中性出力（１５０）を発生する。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動発電機ポート（１２０）に電気的に結合された整流器（１１０）と、
前記整流器（１１０）及び負荷ポート（１４０）に電気的に結合されたインバータ（１３０）とを具備し、
スタートアップモードでは、組み合わせ整流器（１１０）／インバータ（１３０）は前記電動発電機ポート（１２０）にスタートアップ電力を供給し、
動作モードでは、前記組み合わせ整流器（１１０）／インバータ（１３０）は前記負荷ポート（１４０）に発電電力を供給し、且つ中性出力（１５０）を発生する電動発電機電力変換調整装置（１００）。
【請求項２】
前記整流器（１１０）を前記インバータ（１３０）に電気的に結合する両方向電力流れを供給することが可能であるＤＣ電力バス（１６０）と、
前記ＤＣ電力バス（１６０）と並列に配置されたバスコンデンサ（１６２）とを更に具備する請求項１記載の電動発電機電力変換調整装置。
【請求項３】
前記ＤＣ電力バス（１６０）に結合されたスタートアップ電源（５１０）を更に具備する請求項２記載の電動発電機電力変換調整装置。
【請求項４】
前記整流器（１１０）は能動整流器である請求項１記載の電動発電機電力変換調整装置。
【請求項５】
前記整流器（１１０）は、
複数のスイッチングデバイス（２１０）と、
各々がそれぞれ対応するスイッチングデバイス（２１０）に並列に電気的に結合されている複数のダイオード（２２０）とから構成される３脚（１１２、１１４、１１６）整流器である請求項４記載の電動発電機電力変換調整装置。
【請求項６】
電動発電機の原動機を更に具備する請求項１記載の電動発電機電力変換調整装置。
【請求項７】
電動発電機を制御する方法において、
インバータ（１３０）に電気的に結合された整流器（１１０）を介して電動発電機にスタートアップ電力を供給することと、
前記電動発電機からの発電電力を前記整流器（１１０）及び前記インバータ（１３０）を介して調整することと、
発電電力を調整しつつ、組み合わせ整流器（１１０）／インバータ（１３０）を介して中性出力（１５０）を発生することから成る方法。
【請求項８】
電動発電機にスタートアップ電力を供給する手段と、
前記電動発電機からの発電電力を調整する手段と、
前記発電電力を調整する手段から中性出力を発生する手段とを具備する電動発電機電力変換調整装置。
【請求項９】
電動発電機ポート（１２０）に電気的に結合された３脚（１１２、１１４、１１６）能動整流器（１１０）と、
負荷ポート（１４０）に電気的に結合された４脚（１３２、１３４、１３６、１３８）インバータ（１３０）と、
前記整流器（１１０）を前記インバータ（１３０）に電気的に結合する両方向ＤＣ電力バス（１６０）と、
前記インバータ（１３０）の脚（１３２、１３４、１３６、１３８）のうちの１つ（１３２）に結合された中性出力部（１５０）とを具備する電動発電機電力変換調整装置。
【請求項１０】
スタートアップモードでは、組み合わせ整流器（１１０）／インバータ（１３０）は前記電動発電機ポート（１２０）にスタートアップ電力を供給し、
動作モードでは、前記組み合わせ整流器（１１０）／インバータ（１３０）は前記負荷ポート（１４０）に発電電力を供給し、且つ前記中性出力部の中性出力（１５０）を発生する請求項９記載の電動発電機電力変換調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に電動発電機の電力変換調整装置に関し、特にタービン電動発電機の電力変換調整システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービン電動発電機（マイクロタービン電動発電機を含む）は、一般に、病院、空港などにおけるバックアップターボ発電機のような発電の用途で使用される。そのようなタービン電動発電機の１つは、特許文献１に記載されている。特許文献１は、回転子の外周に沿って複数の等間隔で配置された交番極性の磁極を有する回転子アセンブリを含む周知のターボ発電機を説明している。回転子アセンブリは、複数の巻線及び交番極性の磁極を有する固定子の内部で回転自在である。
【０００３】
ターボ発電機を始動させるときには、永久磁石電動発電機を電動機として動作させ、それにより、ターボ発電機のガスタービンを加速するために、永久磁石電動発電機の固定子コイルに電流が供給される。スタートアップ電力を供給するために、特許文献１は、供給整流器及びスイッチングインバータを介して永久磁石の固定子コイルに結合された電源を含む。この加速中、燃焼器には火花と燃料が正しい順序で導入され、自己持続ガスタービン条件が達成される。この時点で、ターボ発電機から電源が遮断され、ターボ発電機は外部負荷への電力の供給源として動作する。具体的には、スイッチングインバータを制御６０Ｈｚモードに再構成し、供給整流器から供給整流器とは異なる電源整流器に変更した後に、ターボ発電機により電力が供給される。
【０００４】
しかし、上述の特許文献１のターボ発電機には、２つの別個の整流器が含まれていることによる大きな電気部品フットプリントという問題がある。
【０００５】
ターボ発電機の別の電力変換調整システムは、特許文献２に記載されている。特許文献２は、外部電源からインバータ及び単一の組み合わせ整流器／フィルタを介して固定子コイルにスタートアップ電力を供給する電力変換調整システムを開示している。負荷に供給される中性出力を要求する用途に関して、特許文献２は中性出力を発生するために出力単巻変圧器を使用する。別個の単巻変圧器を含んでいるため、特許文献２の電力変換調整システムには大きな電気部品フットプリント及び変圧器による効率の低下という問題がある。
【特許文献１】米国特許第６，０２０，７１３号
【特許文献２】米国特許第５，００８，８０１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の一実施例によれば、電動発電機電力変換調整装置は、電動発電機ポートに電気的に結合された整流器と、整流器及び負荷ポートに電気的に結合されたインバータとを具備する。スタートアップモードでは、組み合わせ整流器／インバータは電動発電機ポートにスタートアップ電力を供給する。動作モードでは、組み合わせ整流器／インバータは負荷ポートに発電電力を供給し、且つ中性出力を発生する。
【０００７】
本発明の別の実施例によれば、インバータに電気的に結合された整流器を介して電動発電機にスタートアップ電力を供給することと、電動発電機からの発電電力を整流器及びインバータを介して調整することと、発電電力を調整しつつ、組み合わせ整流器／インバータを介して中性出力を発生することから成る、電動発電機を制御する方法が提供される。
【０００８】
本発明の別の実施例によれば、電動発電機電力変換調整装置は、電動発電機にスタートアップ電力を供給する手段と、電動発電機からの発電電力を調整する手段と、発電電力を調整する手段から中性出力を発生する手段とを具備する。
【０００９】
本発明の別の実施例によれば、電動発電機電力変換調整装置は、電動発電機ポートに電気的に結合された３脚能動整流器と、負荷ポートに電気的に結合された４脚インバータと、整流器をインバータに電気的に結合する両方向ＤＣ電力バスと、インバータの脚のうちの１つに結合された中性出力部とを具備する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に、本発明の現時点で好ましい実施例を詳細に説明する。可能である限り、図面中、同じ部分又は類似する部分を示すために一貫して同じ図中符号を使用する。
【００１１】
説明の便宜上、本発明の好ましい実施例はタービン電動発電機（すなわち、タービン原動機を有する電動発電機）に関連して説明される。しかし、ディーゼル電動発電機（すなわち、原動機としてディーゼルエンジンを有する電動発電機）などの単なるタービン電動発電機を超える装置にも本発明を適用可能であることを理解すべきである。
【００１２】
本発明の第１の実施例による電力変換調整システム１００を図１の概略図に示す。図示されているように、電力変換調整システム１００は、タービン電動発電機１２０に電気的に結合された整流器１１０を含む。整流器１１０はインバータ１３０にも電気的に結合され、インバータ１３０は負荷ポート１４０に電気的に結合されている。負荷ポート１４０はスタートアップ電力を供給する外部電源（例えば、図示されていない電力格子）に選択自在に結合されると共に、１つ以上の電気的負荷に選択自在に結合されるのが好ましい。
【００１３】
整流器１１０は、図１に示すような能動整流器である（すなわち、周知の受動ダイオード整流器ではなく、主に能動構成要素から構成されている）のが好ましい。三相電力の供給に適用される場合、整流器１１０は「３脚」能動整流器として構成され、整流器１１０の各々の脚１１２、１１４、１１６は電動発電機１２０により発生され／電動発電機１２０に供給される３つの位相の１つに対応している。しかし、三相入力以外の電源に適用される場合には、多少の脚を追加／除去できる（例えば、２脚、４脚などを適用できること）ことを理解すべきである。図２の拡大図に示すように、整流器１１０の各々の脚１１２、１１４、１１６は複数のスイッチングデバイス２１０（例えば、一対の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ））を含み、複数のスイッチングデバイス２１０の各々は周知のようにそれぞれ対応するダイオード２２０に並列に電気的に結合されている。
【００１４】
能動整流器１１０と同様に、インバータ１３０も能動インバータ１３０（図１）であるのが好ましい。インバータ１３０の各々の脚１３２、１３４、１３６、１３８は複数のスイッチングデバイス２１０（例えば、一対のＦＥＴ）を含み、各々のスイッチングデバイス２１０は整流器１１０の場合と同様に周知のようにそれぞれ対応するダイオード２２０に並列に電気的に結合されている。しかし、整流器１１０とは異なり、インバータ１３０は「４脚」能動インバータ（三相出力以外の用途に適用される場合には、整流器１１０の脚の数より１つ多い数の脚を有する）であるのが好ましい。具体的には、能動インバータ１３０の３つの脚１３４、１３６、１３８の各々は負荷ポート１４０へ出力される３つの位相の１つに対応している。更に、第４の脚１３２は組み合わせ整流器１１０／インバータ１３０により発生される中性出力１５０に対応して設けられている。この中性出力１５０を発電中性出力と呼ぶこともできる。
【００１５】
図示されたのは２段の整流器１１０とインバータ１３０のみである（すなわち、各々の脚は直列の２つのスイッチングデバイス２１０しか有していない）が、例えば、高電圧発電に適用する場合には、３段以上の多段変換を使用しても良いことを理解すべきである。
【００１６】
図３に示す動作モード中、整流器１１０はタービン電動発電機１２０により供給される交流（ＡＣ）電力を直流（ＤＣ）電力に変換する。ＤＣ電力は両方向ＤＣ電力バス１６０を介してインバータ１３０に供給される。インバータ１３０に供給される電圧をフィルタリングするために、両方向ＤＣ電力バス１６０にＤＣバスコンデンサ１６２が配置されている。
【００１７】
動作モード中に整流器１１０により供給されるＤＣ電力はインバータ１３０により６０ＨｚのＡＣ電力に変換される。説明の便宜上、動作モード中に電力変換調整装置１００を通過する単相の電力流れを図中符号３１０により示す（図３）。６０ＨｚのＡＣ電力は、その後、好ましくは出力フィルタ１７０によってフィルタリングされた後に負荷ポート１４０を介して負荷へ出力される。ＤＣ電力からＡＣ電力への変換は、周知のようにインバータ１３０を一定の６０Ｈｚの速度でスイッチングすることにより実行される。組み合わせ整流器１１０／インバータ１３０から供給される発電中性出力１５０は、出力フィルタ１７０によりあらゆるスイッチング誘起電流サージからフィルタリングされる。組み合わせ整流器１１０／インバータ１３０から直接に発電中性出力を供給することにより、追加の変圧器又は他の追加構成要素を排除することができる。
【００１８】
図４に示すように、始動モードにおいては図１の整流器１１０とインバータ１３０の役割は逆転する。説明の便宜上、スタートアップモードにおいて電力変換調整装置１００を通過する単相の電力流れを図中符号４１０により示す。図４に示す整流器４２０とインバータ４３０は、それぞれ、先に図１に関して説明したインバータ１３０と整流器１１０にそれぞれ相当することを理解すべきである。説明の便宜上、図４では、スタートアップモードにおける機能の「交換」に対応するために、先に整流器１１０であった要素をインバータ４３０として表し、先にインバータ１３０であった要素を整流器４２０として表している。
【００１９】
スタートアップモード中、ＡＣ電力は整流器４２０（動作モードのインバータ１３０に相当する）に供給されるのが好ましく、整流器４２０はＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。ＤＣ電力は両方向ＤＣ電力バス１６０を介してインバータ４３０（動作モードの整流器１１０に相当する）に供給される。インバータ４３０は、適切な制御法則の下で（例えば、一定のボルト／ヘルツ比で）ＡＣ電力をターボ電動発電機１２０の電機子巻線に供給するために、制御装置（図示せず）により動作される。制御装置は、周知のようにタービン電動発電機１２０を全速力まで加速するために、インバータ４３０により発生される基本周波数（及びインバータ４３０のスイッチング速度）を徐々に増加させる。タービン電動発電機１２０が動作速度に達したならば、インバータ４３０と整流器４２０は逆転され、先に説明した動作モードで動作する。
【００２０】
先に説明したように、本発明の好ましい実施例は、周知のタービン電力変換調整システムと比較してフットプリントを減少させた可逆又は再構成可能タービン電力変換調整システム１００を提供する。従って、タービン電力変換調整システム１００を製造し、維持する費用は低減される。
【００２１】
しかし、本発明の好ましい一実施例は別個の始動回路の使用を必要とせずにスタートアップ電力も発生することを理解すべきである。一般に、タービン電動発電機の始動などの用途においては、電源のみの電圧より大きい可変電圧を発生するために、別個の始動回路が使用されている。
【００２２】
別個の始動回路を排除することにより、本発明の好ましい実施例はタービン電力変換調整システムのフットプリントを更に減少させることができ、従って、それに相応してタービン電力変換調整システムの費用及び複雑さの低減も実現することができる。本発明では別個の始動回路は要求されないが、特定の実現形態に応じて、必要があれば本発明の実施例と組み合わせて別個の始動回路を使用することも可能であるということを理解すべきである。
【００２３】
以上述べたフットプリントの減少に加えて、本発明の発明者は、所定の実現形態に望まれる特定の力率を選択するために上記のタービン電力変換調整システム１００を調整できることを発見した。通常、出力の「力率」は、例えば、本明細書に参考として全体の内容が取り入れられているインターネット出版による技術文書ＴＮ−００２「Power Factor: Definition and Application」（Asea Power Systems）に記載されているように、出力電力における実際の電力と見かけの電力との比を表す。電圧と電流に明確な直線的関係が存在しているとき、力率は電圧と電流との間の位相角に関係している。しかし、電圧と電流の間に明らかな位相関係が存在しない場合、又は電圧と電流が共に任意の値をとる場合でも、力率を定義することは可能である。
【００２４】
力率は、電流のどれほどの割合が負荷中の実電力に寄与するかを記述するための単純な方法である。１（１．００）である力率は、電流の１００％が負荷中の電力に寄与していることを示し、０の力率は電流が負荷中の電力に全く寄与していないことを示す。ヒータ要素などの真に抵抗性である負荷は通常は１の力率を有し、ヒータ要素を通過する電流はヒータ要素に印加される電圧に正比例する。容量性負荷及び誘導負荷（電動機）は通常は０の力率を有し、それらの負荷を通過する電流はより複雑な方法で定義される。
【００２５】
ＡＣ線路の電流は実成分と、虚成分という２つの成分から構成されると考えることができる。電流と電圧が逆極性であり、その積である電力が負である場合のように、実数部は負荷により吸収される電力を発生させる結果となり、虚数部は電源に戻される電力である。
【００２６】
力率をできる限り１に近づけることが重要であるのは、一旦、負荷に電力が供給された後は、その電力の大部分が電源に戻されるという事態が望ましくないためである。負荷に電力を転送するためには電流が必要であり、電力を電源に戻すためにも電流が必要である。従って、電力が電源に戻されるような状態を招くことにより効率は低下する。
【００２７】
本発明の発明者は、上述のタービン電力変換調整システム１００においては、整流器１１０及び／又はインバータ１３０の電流制御ループ基準を操作することにより、力率が調整可能になることを発見した。能動整流器１１０はＤＣバス１６０の電圧の調整と、入力（発電機）電流の力率の制御を同時に、それぞれ独立して実行できる。例えば、ｑ軸基準電流（Ｉｑｒｅｆ）を１００Ａに設定し、ｄ軸電流基準（Ｉｄｒｅｆ）を５０Ａに設定すると、その結果、整流器１１０は整流器電圧に関して先行して０．８９の力率をもって入力電流を引き出すであろう。逆に、Ｉｑｒｅｆを１００Ａに設定し、Ｉｄｒｅｆを０Ａに設定した場合には、整流器１１０は１．０の力率で発電機電流を引き出すであろう。これら２つのケースで、整流器１１０によりＤＣバス１６０へ同量の電力が送り出される。タービン電動発電機１２０に戻される電力の量を最小にするために、タービン電力変換調整システム１００の力率は約０．９５以上に設定されるのが好ましい。しかし、光負荷又は無効電力補償など、場合によっては、整流器１１０の制御可能性を維持するため又はシステム電圧の調整を補助するように進み無効電力を供給するために、より低い力率（例えば、約０）が望まれることもある。
【００２８】
従って、本発明の好ましい一実施例によれば、電動発電機電力変換調整システム１００の設計に際して、特定の用途に合わせた力率を広い範囲で自由に選択することができる。これにより、電力変換調整システムの効率を改善し且つ／又は以前の周知の装置では実現できなかった範囲の力率を規定することができる。
【００２９】
本発明の第２の実施例による電力変換調整システム５００を図５の概略図に示す。この第２の実施例は多くの点で本発明の第１の実施例に実質的に類似していることを理解すべきである。しかし、負荷ポート１４０がスタートアップ電力を供給する外部電源に選択可能に結合されている第１の実施例とは異なり、この第２の実施例による電力変換調整システム５００はＤＣバス１６０に結合されたスタートアップ電源５１０（例えば、バッテリ、燃料電池など）を含む。説明の便宜上、スタートアップモードにおいて電力変換調整システム５００を通過する単相の電力流れを図中符号５１０により示す。
【００３０】
スタートアップモード中、スタートアップ電源５１０から両方向ＤＣ電力バス１６０を介してＤＣ電力がインバータ４３０に供給される。そこで、インバータ４３０は、先に説明したように、一定のボルト／ヘルツ比でタービン電動発電機１２０の電機子巻線にＡＣ電力を供給して、タービン電動発電機１２０を加速するために、制御装置（図示せず）により動作される。従って、整流器４１０は負荷ポート１４０からのＡＣ電力をインバータ４３０に対するＤＣ電力に変換する必要はない。
【００３１】
スタートアップ電源５１０がＤＣ電力バス１６０のＤＣ電力を印加することにより再充電可能である（例えば、定常ＤＣ電力を印加することによりバッテリを再充電する場合）ならば、動作モード中、タービン電動発電機１２０からの、整流器１１０（図１）により整流されたＤＣ電力を使用して、スタートアップ電源５１０（図５）を再充電することができる。燃料電池のような他のスタートアップ電源５１０を適用している場合には、ＤＣ電力バス１６０からスタートアップ電源５１０を選択自在に切り離すことが可能である。
【００３２】
従って、上述の電動発電機電力変換調整システム５００は、負荷ポート１４０に選択自在に結合可能である定常電源が容易に利用できないような用途についてスタートアップ電力を供給することができる。このような条件は、例えば、現場環境（例えば、祭り、航空機ショーなど）で電力を供給するために使用されるマイクロタービン電動発電機において見られるであろう。
【００３３】
以上、例示及び説明を目的として本発明の好ましい実施例の説明を提示した。これが余すところのない完全な説明であること又は本発明を開示されている厳密な形態に制限することは意図されておらず、以上の教示に照らして変形及び変更を行うことは可能であり、あるいは本発明を実施することから変形及び変更を得ることも可能であろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施例による電力変換調整システムのブロック線図。
【図２】本発明の一実施例によるスイッチングデバイス及びダイオードの拡大図。
【図３】本発明の一実施例による動作モードにある図１の電力変換調整システムのブロック線図。
【図４】本発明の一実施例によるスタートアップモードにある図１の電力変換調整システムのブロック線図。
【図５】本発明の別の実施例によるスタートアップモードにある電力変換調整システムのブロック線図。
【符号の説明】
【００３５】
１００・・・電力変換調整システム、１１０・・・整流器、１１２、１１４、１１６・・・（整流器１１０の）脚、１２０・・・タービン電動発電機、１３０・・・インバータ、１３２、１３４、１３６、１３８・・・（インバータ１３０の）脚、１４０・・・負荷ポート、１５０・・・中性出力、１６０・・・両方向ＤＣバス、１６２・・・ＤＣバスコンデンサ、２１０・・・スイッチングデバイス、２２０・・・ダイオード
【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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