(57)【要約】ＡＣ信号を提供するためのシステム及びデバイス。システムは、ＡＣ出力信号を出力し、ある回転速度で回転するシャフトと連結するＡＣ回転子を具えるＡＣ発電機と、回転速度を感知するための速度センサと、回転速度に応じてＡＣ発電機の磁界を制御するためのコントローラとを具え、コントローラは、ＡＣ発電機の磁界を制御するようにＡＣ発電機に提供される電流を生成する直流（ＤＣ）発電機を具える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流（ＡＣ）電圧を提供するためのシステムであって、当該システムが、
ＡＣ出力信号を出力し、ある回転速度で回転するシャフトと連結するＡＣ回転子を具えるＡＣ発電機と、
前記回転速度を感知するための速度センサと、
前記回転速度に応じて前記ＡＣ発電機の磁界を制御するためのコントローラと、
を具え、当該コントローラが、前記ＡＣ発電機の前記磁界を制御するように前記ＡＣ発電機に提供される電流を生成する直流（ＤＣ）発電機を具えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ＤＣ発電機が前記シャフトと連結するＤＣ回転子を具えることを特徴とするシステム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記ＤＣ回転子が前記ＡＣ回転子に連結されることを特徴とするシステム。
【請求項４】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記ＤＣ回転子が固定配線によって前記ＡＣ回転子に連結されることを特徴とするシステム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記ＤＣ発電機が前記回転速度に応じた振幅を有する励起電圧によって給電される場合に、ＤＣ固定子を具えることを特徴とするシステム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記コントローラが前記速度センサから回転速度情報を受け取り、前記ＤＣ発電機へ提供される励起電圧の振幅を決定する電圧調整システムを具えることを特徴とするシステム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムにおいて、前記電圧調整システムが前記回転速度及びＡＣ出力電圧のピーク電圧間の関係に応じて、前記励起電圧の振幅を決定することを特徴とするシステム。
【請求項８】
請求項６に記載のシステムにおいて、前記電圧調整システムが、
アナログ型回転速度情報をディジタル型回転速度情報に変換するＡＤコンバータと、
フィルタをかけた回転速度情報を提供すべく前記ディジタル型回転速度情報をフィルタにかけるためのローパスフィルタと、
前記フィルタをかけたディジタル型回転速度情報と、前記回転速度及びＡＣ出力電圧のピーク電圧間の関係とに応じて、前記励起電圧を決定するためのプロセッサと、
当該プロセッサから出力されたディジタル制御信号を、前記励起電圧の振幅を制御するアナログ信号に変換するためのＤＡコンバータと、
を具えることを特徴とするシステム。
【請求項９】
請求項８に記載のシステムが、ディジタル型回転速度情報を生成した回転速度センサを具えることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記コントローラが前記速度センサからの回転速度情報と、前記ＡＣ出力信号の要求されたピーク電圧とを受け取り、前記ＤＣ発電機に提供される励起電圧の振幅を決定する電圧調整システムを具えることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記シャフトが再生可能なエネルギソースにより電力供給される機械的な入力素子によって回転することを特徴とするシステム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記再生可能なエネルギが風力、水力、太陽熱、及び地熱からなる群から選択されることを特徴とするシステム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムが、前記回転子を回転させる機械的な入力素子を更に具えることを特徴とするシステム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムが、前記シャフトと連結する冷却ファンを更に具えることを特徴とするシステム。
【請求項１５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記コントローラが前記回転速度の変化に拘らず、前記ＡＣ出力信号のピーク電圧を実質的に一定に維持するように、前記ＡＣ発電機の磁界を制御することを特徴とするシステム。
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記ＤＣ発電機が前記シャフトと連結するＤＣ回転子を具えることを特徴とするシステム。
【請求項１７】
請求項１６に記載のシステムにおいて、前記ＤＣ回転子が前記ＡＣ回転子と連結されることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記ＤＣ発電機が前記回転速度に応じた振幅を有する励起電圧によって給電される場合に、ＤＣ固定子を具えることを特徴とするシステム。
【請求項１９】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記コントローラが前記速度センサから回転速度情報を受け取り、前記ＤＣ発電機へ提供される励起電圧の振幅を決定する電圧調整システムを具えることを特徴とするシステム。
【請求項２０】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記シャフトが再生可能なエネルギソースにより電力供給される機械的な入力素子によって回転することを特徴とするシステム。
【請求項２１】
交流（ＡＣ）電圧を供給するための方法であって、当該方法が、
シャフトの回転速度を感知するステップと、
前記回転速度に応じてＡＣ発電機の磁界を制御するステップであって、直流（ＤＣ）発電機による電流を前記ＡＣ発電機に提供するステップを具える制御ステップと、
前記ＡＣ発電機によりＡＣ出力電圧を出力するステップと、
を具え、ＡＣ出力信号のピーク電圧が前記ＡＣ発電機の磁界に応じ、前記ＡＣ発電機が前記シャフトと連結するＡＣ回転子を具えることを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の方法において、前記制御ステップが前記ＤＣ発電機による前記電流を提供するステップを具え、前記ＤＣ発電機が前記シャフトと連結するＤＣ回転子を有することを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法において、前記ＤＣ回転子が前記ＡＣ回転子に連結されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２１に記載の方法において、前記ＤＣ発電機の前記ＤＣ回転子が固定配線によって前記ＡＣ回転子に連結されることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２１に記載の方法が、前記回転速度に応じた振幅を有する励起電圧によって前記ＤＣ発電機のＤＣ固定子を給電するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２６】
請求項２１に記載の方法が、前記速度センサから回転速度情報を受け取るステップと、前記ＤＣ発電機へ提供される励起電圧の振幅を決定するステップとを具えることを特徴とする方法。
【請求項２７】
請求項２６に記載の方法が、前記回転速度及び前記ＡＣ出力電圧のピーク電圧間の関係に応じて、前記励起電圧の振幅を決定するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項２８】
請求項２６に記載の方法が、
アナログ型回転速度情報をディジタル型回転速度情報に変換するステップと、
フィルタをかけた回転速度情報を提供すべく前記ディジタル型回転速度情報にローパスフィルタをかけるステップと、
前記フィルタをかけたディジタル型回転速度情報と、前記回転速度及び前記ＡＣ出力電圧のピーク電圧間の関係とに応じて、前記励起電圧を決定するステップと、
当該決定に応じたディジタル制御信号を生成するステップと、
前記ディジタル制御信号を、前記励起電圧の振幅を制御するアナログ信号に変換するステップと、
を具えることを特徴とする方法。
【請求項２９】
請求項２８に記載の方法が、回転速度センサによるディジタル型回転速度情報を提供するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項３０】
請求項２８に記載の方法が、前記速度センサからの回転速度情報と、前記ＡＣ出力信号の要求されたピーク電圧とを受け取るステップと、前記ＤＣ発電機に提供される励起電圧の振幅を決定するステップとを具えることを特徴とする方法。
【請求項３１】
請求項２１に記載の方法において、前記シャフトが再生可能なエネルギソースにより電力供給される機械的な入力素子によって回転することを特徴とする方法。
【請求項３２】
請求項２１に記載の方法において、前記再生可能なエネルギが風力、水力、太陽熱、及び地熱からなる群から選択されることを特徴とする方法。
【請求項３３】
請求項２１に記載の方法が、機械的な入力素子によって前記シャフトを回転させるステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項３４】
請求項２１に記載の方法が、前記シャフトと連結する冷却ファンを作動させるステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項３５】
請求項２１に記載の方法が、前記回転速度の変化に拘らず、前記ＡＣ出力信号のピーク電圧を実質的に一定に維持するように、前記ＡＣ発電機の磁界を制御するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項３６】
請求項３４に記載の方法において、前記ＤＣ発電機が前記シャフトと連結するＤＣ回転子を具えることを特徴とする方法。
【請求項３７】
請求項３５に記載の方法において、ＤＣ回転子が前記ＡＣ回転子に連結されることを特徴とする方法。
【請求項３８】
請求項３４に記載の方法において、前記シャフトが再生可能なエネルギソースにより電力供給される機械的な入力素子によって回転することを特徴とする方法。
【請求項３９】
請求項３４に記載の方法が、前記回転速度に応じた振幅を有する励起電圧によって前記ＤＣ発電機のＤＣ固定子を給電するステップを具えることを特徴とする方法。
【請求項４０】
請求項３４に記載の方法が、前記速度センサから回転速度情報を受け取るステップと、前記ＤＣ発電機へ提供される励起電圧の振幅を決定するステップとを具えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連する出願］
本出願は、２００７年３月２７日提出の米国仮特許出願第６０／９０７，２４８号の優先権を主張し、ここに、本明細書中に十分に説明され引用によって取り込まれる。
【０００２】
本発明は、一定出力によるが、速度可変の可能性を有する電気を生成するためのシステム及びデバイスに関し、特に、電圧調整システムを特徴とするようなシステム及びデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
電気発電機の使用を通ずる電気の生成は、現在の生活において重要である。これらの発電機はいくつかの外部エネルギソースを操作することを要求し、例えば、いくつかの型の化石燃料及び／又は再生可能なエネルギでできる。発電機はその時、電気を生成するためにエネルギソースを消費する。しかしながら、生成された電気を有用にするために電力出力は一定のままであることが重要である。
【０００４】
発電機のシャフト速度が一定のままである場合、電力出力は一定のままにできる。しかしながら、発電機のシャフト速度は常に一定速度には保持され得ない。従って、いくつかの発電機は、提供される電力出力がシャフトの最小速度により決定されるよう、少なくとも最小速度で維持することに依拠している。シャフト速度が最小値を超えて増加する場合、生成された過剰な電力は捨てられ、ひいては浪費される。
【０００５】
様々な解決方法が企図されているが、交流（ＡＣ）発電機に対する問題をどれも完全には解決しない。例えば、米国特許第５５４１４８３号は、直流（ＤＣ）モータ又は発電機、特に永久磁石型のものを制御するための方法を提供する。ＡＣ及びＤＣ発電機間の機能的な差異のため、記載の解決方法はＡＣ発電機について有効ではない。
【０００６】
米国特許出願２００４／０２５７０５０は、定電流の生成方法及びデバイスについて記載し、発電機により出力される電流を制御するステップを通してシャフト速度の可変可能性に付随する欠点を克服することを企図し、それによって一定レベルの出力電流を得ている。従って、記載された発明は比較的複雑な電流の安定化に関する。
【０００７】
安定化した電圧出力を得るために企図された様々な解決方法は、シャフト速度変動を緩和する手段として慣性又は摩擦を用いるステップか、シャフト速度を制御するためにトルク制御を用いるステップか、変動するＡＣの電気をＤＣの電気に変換するステップ及び標準的なグリッドＡＣ電力に変換するステップか、を含む。明確に、これらの方法の総ては非常にエネルギの無駄である。
【０００８】
再生可能なエネルギソースを用いるための試みにおいて、風力タービンの使用を通じての風力、ソーラパネルの使用を通じての太陽光、波又は潮の力といった水力等のような「天然（ｎａｔｕｒａｌ）」エネルギを用いたシステム及びデバイスが導入される。風力は非常に定期的に勢いを増減し、及び／又は方向を変更することを考えれば、風力エネルギは特に可変である。しかしながら、総ての「天然」エネルギソースは電力レベルの不安定性を受けるのが予想される。従って、再生可能なエネルギのために、不安定な機械的な力を安定な電力に変換する能力は、多様なアプリケーションにおいて主要な需要である。
【０００９】
様々な解決方法が、特に風力生成について、再生可能なエネルギソースの不安定性を克服するよう、この分野で提唱されてきた。例えば、米国特許第７０６８０１５号は出力電圧又は電流を測定することによって決定されるフィードバックに従って、風力タービンの回転速度に従う磁界を調整することによる風力の解決策を提供する。米国特許出願２００４／０１１９２９２はトルクを制御することによって発電機のシャフト速度を制御するための方法、つまり上述のような弱点の解決方法を提供する。教示された方法はダイオード整流器を操作のために更に要求し、それが別の弱点になる。
【００１０】
米国特許第５０８３０３９号は、発電機の磁界を制御することにより、つまり固定子電流を制御することにより、電力出力を制御する。しかしながら、固定子電流の変化は発電機トルクの変化を生じさせる。トルクの変化を補償するために、シャフト速度はタービンの「羽根（ｗｉｎｇ）」又はブレードの勾配を変えることによって制御されるが、風力の状態によっては弱点となりうるものであり、更なるエネルギの消費を要求されるため、いずれのケースにおいても弱点となる。米国特許第６１３７１８７号は勾配制御システムを要求する場合と同様の弱点となる。
【発明の概要】
【００１１】
用語「定電出力（ｃｏｎｓｔａｎｔ  ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｏｕｔｐｕｔ）」は、一定のピーク電圧を有する交流出力信号を意味する。
【００１２】
本発明は可変回転速度で回転するシャフトの回転速度を感知し、感知した速度に応じてＡＣ発電機の磁界を制御するためのシステム及び方法を提供する。制御ステップは、電流をＡＣ発電機に供給するＤＣ発電機を利用するステップを含む。この電流はＡＣ発電機の磁界を決定する。磁界はシャフトの回転速度の変化に拘らず、ＡＣ発電機の出力信号のピーク電圧を実質的に一定に維持する方法で制御できる。
【００１３】
ＡＣ発電機によって誘起される電磁力は以下のファラデーの法則によって決定される。
【００１４】
【数１】
2010523075.tif 000003
【００１５】
ここで、ＥＭＦ（電磁界：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ）は出力電圧であり、
2010523075.tif 000004
は巻線の接線速度である。
【００１６】
Ｌは磁束を横切る巻線の長さである。
【００１７】
Ｂは磁界強度である。
【００１８】
ｓｉｎ（θ）は巻線及び磁束間の角度の正弦である。
【００１９】
上の式はＡＣ発電機のＡＣ出力信号のピーク電圧がシャフトの回転速度に依存し、更にはシャフトを回転させるのに用いられた機械的な力に依存することを示している。機械的な力のレベルが可変である場合、その時シャフトの回転速度もまた可変である。しかしながら、たとえシャフトの回転速度が可変であった場合も、ピーク電圧は実質的に一定に維持すべきである。
【００２０】
従って、本発明はシャフトの回転速度を一定にすることを要求せず、限定しないが再生可能なエネルギ、又は「天然」エネルギソース、又はその他の可変出力を伴うエネルギソースによる電力生成を含む、広く多様なアプリケーションに有用である。代わりに、本発明の様態によると、シャフトの回転速度の測定はシャフトの回転速度に従うフィードバック又は制御機構（ＤＣ発電機を含む）を通じて、磁界強度（Ｂ）を制御するのに用いられ、それによって定電圧出力ひいては安定した電力生成を提供する。
【００２１】
本発明の様態によると、ＡＣ発電機の磁界強度の制御はＤＣ発電機で好ましくは提供され、ＡＣ発電機の回転子巻線に連結された回転子巻線を特徴づける。ＡＣ発電機のシャフトの回転速度が測定され、この測定により、ＤＣ発電機の動作が磁界強度を増減させるように用いられ、それによって、たとえシャフトの回転速度が変化した場合も、定電圧出力を維持する。ＤＣ発電機は選択的に及び好ましくは別個の電源を有する。好ましくは、電圧出力の管理及び制御用に要求される電力量は発電機自体の出力と比較すると相対的に低く、例えば、以下に記載した試験は、要求される制御電力は５ＫＷ発電機について３０Ｗ未満であることを示した。選択的に及び好ましくは、ＤＣ発電機の回転子巻線はＡＣ発電機の磁界を制御するためにＡＣ発電機の回転子巻線に連結される。
【００２２】
交流（ＡＣ）電圧を提供するためのシステムであって、システムは、ＡＣ出力信号を出力し、ある回転速度で回転するシャフトと連結するＡＣ回転子を具えるＡＣ発電機と、回転速度を感知するための速度センサと、回転速度に応じてＡＣ発電機の磁界を制御するためのコントローラとを具え、コントローラは、ＡＣ発電機の磁界を制御するようにＡＣ発電機に提供される電流を生成する直流（ＤＣ）発電機を具える。
【００２３】
都合のよいことに、ＤＣ発電機はシャフトと連結するＤＣ回転子を具える。
【００２４】
都合のよいことに、ＤＣ回転子はＡＣ回転子に連結される。
【００２５】
都合のよいことに、ＤＣ回転子は固定配線によってＡＣ回転子に連結される。
【００２６】
都合のよいことに、ＤＣ発電機は回転速度に応じた振幅を有する励起電圧によって給電される場合に、ＤＣ固定子を具える。
【００２７】
都合のよいことに、コントローラは速度センサから回転速度情報を受け取り、ＤＣ発電機へ提供される励起電圧の振幅を決定する電圧調整システムを具える。
【００２８】
都合のよいことに、電圧調整システムは回転速度及びＡＣ出力電圧のピーク電圧間の関係に応じて、励起電圧の振幅を決定する。
【００２９】
都合のよいことに、電圧調整システムは、アナログ型回転速度情報をディジタル型回転速度情報に変換するＡＤコンバータと、フィルタをかけた回転速度情報を提供すべくディジタル型回転速度情報をフィルタにかけるためのローパスフィルタと、前記フィルタをかけたディジタル型回転速度情報と、回転速度及びＡＣ出力電圧のピーク電圧間の関係とに応じて、励起電圧を決定するためのプロセッサと、プロセッサから出力されたディジタル制御信号を、励起電圧の振幅を制御するアナログ信号に変換するためのＤＡコンバータとを具える。
【００３０】
都合のよいことに、システムはディジタル型回転速度情報を生成した回転速度センサを具える。
【００３１】
都合のよいことに、コントローラは速度センサからの回転速度情報と、ＡＣ出力信号の要求されたピーク電圧とを受け取り、ＤＣ発電機に提供される励起電圧の振幅を決定する電圧調整システムを具える。
【００３２】
都合のよいことに、シャフトは再生可能なエネルギソースにより電力供給される機械的な入力素子によって回転する。
【００３３】
都合のよいことに、再生可能なエネルギは風力、水力、太陽熱、及び地熱からなる群から選択される。
【００３４】
都合のよいことに、システムは回転子を回転させる機械的な入力素子を更に具える。
【００３５】
都合のよいことに、システムはシャフトと連結する冷却ファンを更に具える。
【００３６】
都合のよいことに、コントローラは回転速度の変化に拘らず、ＡＣ出力のピーク電圧を実質的に一定に維持するように、ＡＣ発電機の磁界を制御する。
【００３７】
その他に規定されない場合、本明細書中に用いられた総ての技術及び科学用語は、本発明が属する当該技術分野の当業者によって共通に理解される同一の意味を有する。本明細書中に提供される材料、方法及び実施例は例示するのみであり、限定を意図しない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
本発明は添付の図を参照して例示目的で本明細書中に記載される。特に詳細な図を参照することについて、示された特徴は、例示目的及び本発明の様態の例示的な考察の目的のためだけのものであり、最も有用であると思われるものと本発明の原理及び概念的な態様の容易に理解される記載とを与えるために提供されることが主張される。この点において、本発明の基本的な理解に必要なものよりもより詳細に本発明の構造の詳細を示すようにする企図はなく、図を用いた説明は、どのように本発明のいくつかの形態が実際に具体化されるかを当該技術分野の当業者に明らかにしている。
【００３９】
【図１】図１は、本発明により例示的に示されたＡＣ発電機システムである。
【図２】図２は、図１の発電機の動作の制御用の本発明により例示的に示された方法である。
【図３】図３は、本発明による電圧調整システムのより詳細であるが、概略的な図である。
【図４】図４は、再生可能なエネルギソース又は「天然」エネルギによって少なくとも部分的に給電される発電機による一定レベルの電圧の生成用の、本発明による例示的なシステムの概略的なブロック図である。
【図５】図５は、本発明による例示的なシステムの試験結果を示す。
【図６】図６は、本発明の様態によって、より詳細に電圧調整システム及び回転速度センサを示す。
【図７】図７は、本発明の様態によって、より詳細に電圧調整システム及び回転速度センサを示す。
【図８】図８は、本発明の様態によって、より詳細に電圧調整システム及び回転速度センサを示す。
【図９】図９は、ＡＣ出力信号のピーク電圧の異なる値に対する、制御電流及びシャフトの回転速度間の関係を示す。
【図１０】図１０は、ＡＣ出力信号のピーク電圧の異なる値に対する、制御電流及びシャフトの回転速度間の関係を示す。
【図１１】図１１は、本発明の様態による方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
本発明はＡＣ発電機の磁界強度の制御を通じて、ＡＣ発電機による定電圧電力（実質的に一定のピーク電圧を有する交流出力信号を意味する）を提供するためのシステム及びデバイスであり、制御はＤＣ発電機を用いる。磁界強度は、ＤＣ発電機によって供給される電流によって、及びシャフトの回転速度の変化が磁界強度の変化によって補償されるために、ＡＣ発電機のシャフトの回転速度によって制御される。
【００４１】
本発明の様態によると、回転子巻線を特徴とするＤＣ発電機はＡＣ発電機の回転子巻線と電気的に連結される。ＡＣ発電機のシャフトの回転速度が好ましくは測定され、この測定により、ＤＣ発電機の動作が磁界強度を増減させるように用いられ、それによって、たとえシャフトの回転速度が変化した場合も、定電圧出力を維持する。
【００４２】
選択的に及び好ましくは、ＤＣ発電機の回転子巻線はＡＣ発電機の磁界を制御するためにＡＣ発電機の回転子巻線に連結される。
【００４３】
本発明は選択的に任意の方の機械的な力のソースと共に用いてもよいが、変動性によって特徴づけられる任意の機械的な力の入力ソースに対し有用である。このような機械的な力の入力ソースの例は限定しないが、任意の型の再生可能又は「天然」のエネルギソースを具え、限定しないが風力、水力、太陽熱又は地熱を具える。
【００４４】
本発明の選択的な様態によると、定電圧出力を提供する以外に、選択的にＡＣ発電機の磁界は、例えばセットポイントのようないくつかの基準によって制御される。セットポイントは選択的に電圧出力に対する最小の要求されたセットポイント又は最大の許容セットポイント、及び／又は許容セットポイントの範囲内にしてもよい。
【００４５】
本発明の原理及び動作は、図及び付属の説明によってより良く理解されうる。
【００４６】
図によると図１は、一定レベルの出力電圧を生成するための例示的に示されたＡＣ発電機システム１００である。発電機システム１００は電源（図示せず）からの機械的な力への連結を特徴とし、ＡＣ発電機１０８のシャフト１０６に回転を生じさせる。シャフト１０６は更に選択的に、発電機システム１００の動作を冷却するための冷却ファン１０４を特徴とする。ＡＣ発電機１０８は好ましくは３相型の二重巻線発電機であり、回転子１１０及び固定子１１２を特徴とする。回転子１１０は好ましくは回転子巻線１１４を特徴とし、固定子１１２は好ましくは固定子巻線１１６を特徴とする。
【００４７】
補助的なＤＣ発電機１１８は選択的に及び好ましくは、ＡＣ発電機１０８の磁界強度を制御するために、示されたようなシャフト１０６に設置される。ＤＣ発電機１１８は、ＤＣ回転子巻線１２２を有するＤＣ回転子１２０と、ＤＣ固定子巻線１２６を有するＤＣ固定子１２４とを特徴とする。ＤＣ回転子巻線１２２は好ましくはコネクタ１３０を通じてＡＣ発電機１０８の回転子巻線１１４に連結され、好ましくはいくつかの型の配線を具え、選択的にＤＣ回転子巻線１２２が回転子巻線１１４と同一速度で回転するように固定配線にしてもよい。ＤＣ固定子巻線１２６は当該技術分野において既知のように、好適なコネクタ１３２を通してＤＣ電源１２８に連結される。
【００４８】
回転速度センサ（速度センサともいう）１３４は好ましくは、シャフト１０６の回転速度を感知するためにシャフト１０６に連結される。回転速度センサ１３４は選択的に、任意の好適な速度感知デバイスを特徴としてもよく、限定しないがシャフトエンコーダ、レゾルバ、タコメータ、ホール効果センサ又はシャフト１０６の外周部上の特徴点の動作を読取る任意の型の近接センサを含む。特徴点は任意の型の特徴を含み、限定しないがノッチ、ねじ、又は孔を含む。
【００４９】
電圧調整システム１３６は回転速度センサ１３４とＤＣ電源１２８とに電気的に連結される。任意の型のプログラム可能な、あるいは計算機のデバイス、又はディジタル回路、又はソフトウェア、ファームウェアあるいはハードウェア、若しくはその組合せを特徴とする任意のデバイスが選択的に用いられうるが、電圧調整システム１３６は好ましくはＰＬＣ（プログラマブルロジックコントローラ：ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｌｏｇｉｃ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）ベースである。
【００５０】
ＡＣ発電機システム１００は好ましくは以下のように動作する。機械的な力（図示せず）はＡＣ発電機１０８のシャフト１０６に供給され、シャフト１０６を回転させる。初期励起電圧はＤＣ電源１２８によってＤＣ固定子１２４に誘起され、ＤＣ回転子１２０に外部磁界を受けさせる。ＤＣ電源１２８は更にＤＣ回転子１２０を回転させる。この組合せがＤＣ発電機１１８中にＥＭＦを生成し、このようにして電流（制御電流ともいう）はＤＣ回転子１２０からＡＣ発電機１０８の回転子１１０に流れ、このようにして回転子１１０中に回転する磁界を生成する。結果として、ＥＭＦはＡＣ発電機１０８の出力において生成される（すなわち、ＡＣ発電機１０８は電気を生成する）。
【００５１】
回転速度センサ１３４はシャフト１０６の回転速度を感知する。この情報は電圧調整システム１３６に供給され、ＤＣ固定子１２４中の励起電圧を変更するためにＤＣ電源１２８を制御し、それによってＤＣ発電機１１８によるＥＭＦ出力を変化させる。更に、これは回転子巻線１１４中の電流を変化させることによってＡＣ発電機１０８の磁界強度を制御する。
【００５２】
励起電圧は選択的に及び好ましくは、図２に示される方法に従う電圧調整システム１３６によって決定される。図２は、図１の発電機の動作の制御用の本発明により例示的に示された方法である。示されるように、段階１においては、ＡＣ発電機のシャフトの実際の回転速度（シャフト速度ともいう）は回転速度センサによって測定される。段階２においては、電圧調整システムはＤＣ電源制御入力の値を変更し、好ましくはＤＣ固定子の励起電圧を変更させる。選択的に及び好ましくは双方の段階は必要に応じて繰り返されるが、段階１は少なくとも一度繰り返される。
【００５３】
好ましくは、最初に出力電圧は、特定の発電機用の制御電圧曲線を規定するために回転速度に関連づけて測定される。一度この曲線が発電機用に構築されると、上の方法を実行するために用いられる。
【００５４】
本方法は選択的に、ＡＣ発電機の出力信号の「セットポイント（ｓｅｔ  ｐｏｉｎｔ）」を変更するために更に用いてもよい。例えば、このような方法は、選択的にＡＣ発電機によって供給される出力信号のピーク電圧を増減させるのに用いられうる。選択的には、出力信号のピーク電圧を増減させることは例えば、ＡＣ発電機に入力された機械的な力のレベルが変化する場合などの多様な状況下で有用になりうる。以下に非常に詳細に述べるように、このような入力される機械的な力の変更は任意の型のエネルギソースに関しても生じうるが、風力又は他の型の「天然」エネルギソースのような再生可能なエネルギソースに関し特に一般化している。好ましくは、このように出力電圧のレベルを増減することは可変性によって特徴づけられる機械的な力の入力ソースのために行われる。
【００５５】
図３は、本発明による電圧調整システムのより詳細であるが、概略的な図である。段階１においては前述したように、制御電圧曲線は各発電機システム用に、好ましくはシステム形成中に決定される。この段階は一度システムが動作すると必ずしも繰り返すことはない。
【００５６】
段階２ないし５は好ましくは、少なくとも一度繰り返され、より好ましくはループとして必要に応じて連続して行われる。段階２においては、ＡＣ発電機は動作中であり、ＡＣ発電機のシャフトは回転している。段階３においては、シャフトの回転速度は図１に記載のような回転速度センサによって測定される。段階４においては、シャフトの回転速度と制御電圧曲線とを用いて、出力すべき制御電圧の量が決定される。段階５においては、制御電圧が制御電圧出力発電機により出力され、それは図１に記載したように好ましくは付随するＤＣ発電機である。
【００５７】
図４は、再生可能なエネルギソース又は「天然」エネルギによって少なくとも部分的に給電される発電機による一定レベルの電圧の生成用の、本発明による例示的なシステムの概略的なブロック図である。示したように、システム４００は機械的な力のソース４０２を特徴とし、選択的に及び好ましくは風力、太陽熱、水力、及び地熱からなる群から選択される、いくつかの型の再生可能なエネルギソース又は「天然」エネルギにより電力供給されるデバイスである。システム４００は更に好ましくはＡＣ発電機システム４０４を特徴とし、例えば、図１及び／又は２及び／又は３について述べたように実装できる。
【００５８】
機械的な力のソース４０２はＡＣ発電機システム４０４の一部であるＡＣ発電機４０８のシャフト４０６と機械的に連結され、それによってシャフト４０６を回転させる。機械的な力のソース４０２は、機械的な力の出力レベルが動作上可変にできるという意味で、選択的に及び好ましくは可変な電源である。このような変動はシャフト４０６の回転速度に変動を生じさせる。しかしながら、ＡＣ発電機システム４０４の電圧調整システム４１０は、シャフト４０６の回転速度のいかなる変動にも拘らず、一定レベルで維持されるピーク電圧を有するＡＣ出力信号をＡＣ発電機システム４０４が提供するようにＡＣ発電機４０８中の磁界を制御する。
【００５９】
図４に示した本発明の例示的な様態の多くの利点の間では、一定のＡＣ出力信号のピーク電圧の提供は、風力、水力（水力発電）、太陽熱、地熱又は他の型のタービンの構造又は機能を変える、又は影響を与えることなくなされうる。従って、タービン自体の機能及び設計は再生可能なエネルギソースからの最も有効なエネルギーの取得のために選択される。背景技術の引用は、再生可能なエネルギソースから一定レベルの出力電圧を生成するためのシステム又はデバイスを教示又は示唆していない。
【実施例１】
【００６０】
［例示システムの試験］
本実施例は、本発明により例に示された限定されないシステムで行われる試験について述べる。システムは当該技術分野で既知のハイブリッド型二重巻線３相型発電機を特徴とした。それには製品番号ＥＣＯ３−２Ｓ４（Ｍｅｃｃ  Ａｌｔｅ  Ｓ．ｐ．Ａ．社、イタリア）のＤＣ発電機とＡＣ発電機の双方と、ＣＱＭ−４５（Ｏｍｒｏｎ社、米国）のプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）を具える。システムのセットポイント電圧は２８５Ｖａｃであった。ＡＣ発電機は可変速度型モータドライバに連結された電気モータによって動力供給された。ＡＣ発電機のシャフトの回転速度は次いでモータの速度に従って変えられた。各回転速度のために、補助的なＤＣ発電機の励起電圧はＡＣ出力のピーク電圧がセットポイント値（２８５Ｖａｃ）に到達するまで変更した。
【００６１】
図５はＡＣ発電機による定電圧出力を維持するように要求される場合にＡＣ発電機のシャフト速度によるＤＣ発電機の補助的な励起電圧値を示す。
【００６２】
図６は本発明の様態によって、より詳細に電圧調整システム１３６及び回転速度センサ１３４を示す。
【００６３】
回転速度センサ１３４はアナログ型回転速度情報をディジタル型回転速度情報に変換するＡＤコンバータ１６１にアナログ型回転速度情報を提供する。ディジタル型回転速度情報はフィルタをかけた回転速度情報を提供すべくディジタル型回転速度情報にフィルタをかけるローパスフィルタ１６２に提供される。ローパスフィルタ１６２は高速フーリエ変換フィルタリング処理を適用できるが、必ずしもそうする必要はない。
【００６４】
ＦＰＧＡのようなプロセッサ１６４は、フィルタをかけたディジタル型回転速度情報と、回転速度及びＡＣ出力電圧のピーク電圧間の関係とに応じて、励起電圧を決定する。この関係を表わす情報はＦＰＧＡに記憶でき、ＦＰＧＡにより実行される命令はＥＰＲＯＭ１６５のようなメモリユニットに記憶できる。
【００６５】
プロセッサ１６４は決定を表わすディジタル制御信号をＤＡコンバータ１６６に出力する。ＤＡコンバータ１６６はディジタル制御信号を励起電圧の振幅を制御するアナログ制御信号に変換する。アナログ制御信号は、ＤＣ電源１２８に提供され、電源１２８によって出力される励起電圧を決定する電流信号を提供する電流ドライバ１６８に供給される。電流ドライバ１６８によって出力される信号又はアナログ制御信号は電圧計１７１によって測定でき、電圧計のディスプレイに表示できる。マルチプレクサ１６９又は他の標本化回路はこのような測定ならびに電流信号のＤＣ電源１２８への提供を可能にするように、電流ドライバ１６８と電圧調整システム１３６の出力ポートとの間に提供されうる。
【００６６】
都合のよいことに、ＤＡコンバータ１６６はＤＡコンバータ１６６の出力範囲を決定する、特に零電圧のアナログ制御信号を出力するのを許容するために用いられる電位差計を具える。
【００６７】
プロトコル変換器１６３又は別のポート若しくはインタフェースは、電圧調整システム１３６に要求されたピーク電圧を提供するのに用いられうる。
【００６８】
ポート又はインタフェース（あるいは、更なるポート又はインタフェース）は、図８によって示されたようなウェブベースの管理を提供するために用いられうる。電圧調整システム１３６のウェブベースの管理主体１７５は、回転速度測定に関するデータ及び／又はＤＣ電源１２８へ出力されるアナログ信号の測定を可能にし、１又はそれ以上の外部デバイスに出力され、及び／又は、電圧調整システム１３６を用いた１又はそれ以上のユーザの対話を可能にする。ウェブベースの管理主体１７５はソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア又はその組合せにできる。
【００６９】
図６に戻り、電圧調整システム１３６はプリント回路基板に取り付けできる。更に又は代替的に、それは１又はそれ以上のウェブページを提供できるウェブサーバ（図示せず）と通信できる。これらのウェブページは当該技術分野に既知のように、ユーザ用、例えば簡単な設定オプションの電圧調整システム１３６のインタフェースとして作用する。
【００７０】
電圧調整システム１３６は、回転速度ディスプレイ１７２のようなディスプレイ、ならびに電圧計１７１のディスプレイ、又はその組合せに情報を出力できる。情報はポート又はインタフェースを介して提供できる。
【００７１】
本発明の別の様態によると、回転速度センサはディジタル型回転速度情報を提供し、アナログ型回転速度情報を提供しない。図７はインクリメンタルエンコーダ１３４’を含むような回転速度センサを例示する。インクリメンタルエンコーダ１３４’はディジタル型回転速度情報を生成し、このように様々な構成（ＡＤコンバータ１６１及びディジタルローパスフィルタ１６２のような）の電圧調整システム１３６が要求されない。
【００７２】
図９及び１０はＡＣ出力信号のピーク電圧の異なる値に対する、制御電流及びシャフトの回転速度間の関係を示し、図１０中の曲線は図９中の表に含まれる値に対応する。
【００７３】
多数の曲線は、ＡＣ出力信号の異なるピーク電圧に対する、制御電流及びシャフトの回転速度間の関係を表わす。
【００７４】
図１１は本発明の様態による方法３００を示す。
【００７５】
方法３００は段階３１０又は段階３２０で開始する。
【００７６】
段階３１０はＡＣ発電機によって出力されるＡＣ出力信号の要求されたピーク電圧を決定するステップを具える。
【００７７】
段階３２０はＡＣ発電機によって出力されるＡＣ出力信号の要求されたピーク電圧を表わす情報を受け取るステップを具える。
【００７８】
段階３１０及び３２０の後に、シャフトの回転速度を感知する段階３３０が続く。
【００７９】
方法３００は機械的な入力素子によりシャフトを回転させるステップを具えてもよい。この段階は説明の単純化のため図示されていない。シャフトは再生可能なエネルギソースにより電力供給される機械的な入力素子によって回転できる。前記再生可能なエネルギは風力、水力、太陽熱、及び地熱エネルギソースにできる。
【００８０】
段階３３０の後に、回転速度に応じてＡＣ発電機の磁界を制御する段階３４０が続く。
【００８１】
本発明の様々な様態によると、段階３４０は以下の段階又はその組合せのうちの少なくとも１つを具える：
（ｉ）回転速度及びＡＣ出力電圧のピーク電圧間の関係に応じてＤＣ発電機のＤＣ固定子に提供される励起電圧の振幅を決定する段階３４２。ＤＣ発電機はシャフトと連結するＤＣ回転子を有することができる。ＤＣ回転子は例えば固定配線によってＡＣ回転子に連結できる。振幅は、前記回転速度の変化に拘らず、前記ＡＣ出力信号のピーク電圧を実質的に一定に維持するように決定できる。
（ｉｉ）励起電圧によりＤＣ発電機のＤＣ固定子に給電する段階３４４であり、励起電圧は回転速度に応じた振幅を有する。
（ｉ）直流（ＤＣ）発電機により制御電流をＡＣ発電機に提供する段階３４６であって、制御電流は励起電圧の振幅に応じる。この制御電流はＡＣ発電機の磁界を制御する。
【００８２】
段階３４０の後に、ＡＣ発電機によってＡＣ出力電圧を出力する段階３５０が続く。ＡＣ出力信号のピーク電圧はＡＣ発電機の磁界に応じる。ＡＣ発電機はシャフトと連結するＡＣ回転子を具える。
【００８３】
決定の段階３４２は以下の段階又はその組合せのうちの少なくとも１つを具えることができる：（ｉ）速度センサから回転速度情報を受け取る段階３４２（１）、（ｉｉ）ＡＣ出力電圧の要求されたピーク電圧を受け取る段階３４２（２）、制御電流及びシャフトの回転速度間の関係に応じて励起電圧の振幅を決定する段階３４２（３）、（ｉｖ）制御電流値、シャフトの回転速度、及びＡＣ出力電圧の要求されたピーク電圧間の関係に応じて励起電圧の振幅を決定する段階３４２（４）。
【００８４】
ＡＣ出力信号の要求されたピーク電圧を変更することによって、システムの「セットポイント」が変更することに留意されたい。ピーク電圧が変化すると、決定によって関連する曲線（又は式）を選択すべきである。従って、段階３４４は図１０に示されたような曲線間で選択するステップを含んでもよい。
【００８５】
本発明の様態によって、決定がディジタル領域で実行される。従って、段階３４４は、（ｉ）アナログ型回転速度情報をディジタル型回転速度情報に変換するステップと、（ｉｉ）フィルタをかけた回転速度情報を提供すべくディジタル型回転速度情報にローパスフィルタをかけるステップと、（ｉｉｉ）フィルタをかけたディジタル型回転速度情報と、回転速度及びＡＣ出力電圧のピーク電圧間の関係とに応じて、励起電圧を決定するステップと、（ｉｖ）決定に応じたディジタル制御信号を生成するステップと、（ｖ）ディジタル制御信号を、前記励起電圧の振幅を制御するアナログ信号に変換するステップとを具えることができる。
【００８６】
方法３００は更に、シャフトと連結する冷却ファンを作動させる段階３７０を含んでもよい。冷却ファンはシャフトによって作動する。方法３００は更に情報を表示する段階３８０を含んでもよい。
【００８７】
上述のシステム及び方法が、ＡＣ発電機によって生成された電流又は電圧を測定することなくＡＣ発電機の磁界を変えることは留意すべきである。ＡＣ発電機によって出力される電力を概算する、あるいは概算電力と基準電力を比較する必要がない。これは制御スキームを単純化する。
【００８８】
本発明は限定された数の様態について記載されてきたが、本発明の多くの変形、変更及びその他のアプリケーションがなされうることは明らかであろう。
【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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【国際調査報告】
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