(57)【要約】発電機制御ユニット（２００）は、オン状態とオフ状態の間で繰り返し切り換わって、発電機への界磁電流の流れを制御する界磁電流変調器（２１２）と、界磁電流変調器（２１２）がオフ状態にあるとき、発電機（２０）からの励磁電流を界磁電流成分として発電機（２０）に送り戻すフリーホイーリング経路（２１６）と、例えば、高負荷から低負荷へのトランジスタなど動作の変化が発生したときに発電機（２０）の電圧オーバーシュートを低減するために、選択的かつ一時的に励磁電流をフリーホイーリング経路（２１６）に吸収するインピーダンス回路（２２０）とを含む。一実装形態では、回路（２２０）は、ＲＣ回路であり、バイパススイッチ（２２２）がＲＣ回路の両端に設けられている。フリーホイーリング経路（２１６）の励磁電流をＲＣ回路が吸収できないとき、バイパススイッチ（２２２）がオンになり、それによって励磁電流用低インピーダンス経路が形成される。バイパス駆動装置（２３０）が、バイパススイッチ（２２２）を制御して、例えば、負荷の変化または出力上昇を示す１つまたは複数の検出信号に基づいて、バイパススイッチ（２２２）をオンからオフに変え、それによって、発電機（２０）からの励磁電流の減少をもたらすインピーダンス回路（２２０）をフリーホイーリング経路（２１６）に導入する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁電流を発電機に供給する発電機制御装置（２００）であって、
オン状態とオフ状態の間で繰り返し切り換えて前記発電機（２０）への界磁電流の流れを制御する界磁電流変調器（２１２）と、
前記界磁電流変調器（２１２）がオフ状態にあるとき、前記発電機（２０）から受け取った励磁電流を、界磁電流成分として前記発電機（２０）に送り戻すフリーホイーリング経路（２１６）と、
動作の変化が発生したときに前記発電機（２０）の電圧オーバーシュートを下げるために、前記界磁電流変調器がオフ状態にあるとき、選択的かつ一時的に前記フリーホイーリング経路（２１６）中の励磁電流を減少させるインピーダンス回路（２２０）とを備える発電機制御装置（２００）。
【請求項２】
インピーダンス回路（２２０）の両端に接続されたインピーダンス回路バイパス（２２２）をさらに備え、前記インピーダンス回路バイパス（２２２）が、前記インピーダンス回路（２２０）の両端に低インピーダンス経路を選択的に設けて、前記インピーダンス回路が励磁電流を吸収しないようにする請求項１に記載の発明。
【請求項３】
前記インピーダンス回路（２２２）バイパスがトランジスタである請求項２に記載の発明。
【請求項４】
前記インピーダンス回路バイパス（２２２）をオン状態とオフ状態の間で切り換えるインピーダンス回路バイパスコントローラ（２３０）をさらに含む請求項２に記載の発明。
【請求項５】
前記フリーホイーリング経路（２１６）が、前記インピーダンス回路（２２０）の出力を受け取るフリーホイーリングダイオードから形成される請求項１に記載の発明。
【請求項６】
前記界磁電流変調器（２１２）がトランジスタである請求項１に記載の発明。
【請求項７】
前記発電機（２０）からの励磁電流がアースに送られるオン状態と、前記発電機からの励磁電流が前記フリーホイーリング経路（２１６）によって受け取られるオフ状態との間で前記界磁電流変調器を繰り返し切り換える界磁電流変調器スイッチ駆動装置（２１４）をさらに含む請求項１に記載の発明。
【請求項８】
前記発電機（２０）の出力電圧オーバーシュートを減らすために、負荷の除去後に、前記インピーダンス回路（２２０）が、前記フリーホイーリング経路（２１６）中の励磁電流を減少させる請求項１に記載の発明。
【請求項９】
前記インピーダンス回路（２２０）が、前記発電機の出力上昇中に、前記フリーホイーリング経路（２１６）中の励磁電流を減少させる請求項１に記載の発明。
【請求項１０】
前記インピーダンス回路（２２０）が、発電機線接触器の指令に基づいて選択的かつ一時的に前記フリーホイーリング経路（２１６）中の励磁電流を減少させる請求項１に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、米国特許法の１１９条（ｅ）に基づき、そのすべての内容が参照により本明細書に組み込まれる、２００１年２月８日出願の米国仮出願第６０／２６７，４４８号の優先権を請求する。
【０００３】
軍用および商用の航空機の電力は、一般に、「調整点」（ＰＯＲ）における電圧を指定されたレベルに調整することによって制御される交流発電機または直流発電機で発電が行われる。ＰＯＲ電圧を調整するために、発電機制御ユニット（ＧＣＵ）が、負荷および速度状況に従った理想の励磁電流が維持されるように発電機励磁電源電圧を変調する。発電機への負荷が増加すると、ＧＣＵは、追加の負荷から生じるＰＯＲ電圧の降下を償うために発電機の励磁器界磁電流を増加させなければならない。発電機への負荷が減少すると、ＧＣＵは、ＰＯＲ電圧が高くなりすぎないように発電機の励磁器界磁電流を減少させなければならない。言い換えると、ＧＣＵは、負荷の変化（例えば、高負荷から低負荷へ、あるいはその逆）を、励磁器界磁電流を増加し、または減少することによって補償しなければならない。負荷の変化に対する補償が速やかに達成されない場合は、ＰＯＲ電圧が、指定された限界外に外れ、それによって利用機器を誤動作させ、かつ／あるいは破損させることになる。
【０００４】
図１は、典型的な航空機交流発電システム用の従来の発電機制御構成を示す。図１からわかるように、従来の発電機制御ユニット１０は、以下の主要な要素、すなわち（ａ）界磁電流変調スイッチ１２、（ｂ）界磁電流変調スイッチ駆動装置１４、および（ｃ）フリーホイーリングダイオード１６を含む。発電機制御ユニット１０は、線１７および１８を介して発電機２０の励磁器固定子巻線２２に接続され、界磁電流Ｉfを供給する。よく知られているように、交流発電機の励磁器固定子巻線２２中を通過する界磁電流Ｉfの流れが、発電機２０の励磁器回転子巻線２４中に電圧を誘導し、その電圧が整流器２６によって整流される。整流された電圧は、界磁巻線２８に加えられ、それにより、発電機主巻線２９中に交流電圧が誘導され、その交流電圧がフィーダ装置（図示せず）を介して航空機の電気負荷に分配される。界磁電流変調スイッチ１２は、一般にＭＯＳＦＥＴ（酸化金属半導体電界効果トランジスタ）またはＩＧＢＴ（絶縁ゲート電界効果トランジスタ）であり、線１８に、または発電機２０の励磁器固定子巻線２２とアースの間に接続されている。界磁電流変調スイッチ１２を、界磁電流変調スイッチ駆動装置１４によって、オン状態とオフ状態の間で繰り返し切り換えて、界磁電流変調スイッチ１２のデューティサイクル（あるいは、オン／オフパルス幅）が、励磁器固定子巻線２２中を通過する界磁電流を負荷の関数として所与のレベルに維持するようにする。
【０００５】
通常動作中、界磁電流Ｉfは、リップルのないＰＯＲ電圧を維持し、界磁電流変調スイッチ１２の両端間の電圧ノイズを、切り換えの間低減するために一定に保つべきである。フリーホイーリングダイオード１６は、線１７および線１８に接続され、その陽極が励磁器固定子巻線２２の出力側と界磁電流変調スイッチ１２の間で線１８に接続され、その陰極が励磁器固定子巻線２２の入力側と直流電源（図示せず）の間で線１７に接続され、界磁電流変調スイッチ１２がオフのとき、励磁器固定子巻線２２に蓄積された励磁エネルギーをバイパスさせる。界磁電流変調スイッチ１２がオンのとき、ダイオード１６には、逆バイアスがかかり、遮断状態にある。したがって、線１８上の励磁器固定子巻線２２からの励磁電流は、界磁電流変調スイッチ１２中を通ってアースに行く。界磁電流変調スイッチ１２がオフ状態のとき、ダイオード１６は、励磁器固定子巻線２２の誘導電圧によって強制的にオンにされ、その巻線からのエネルギーが、線１８を介してダイオード１６中を流れ続け、したがってダイオード１６中を流れる電流が、界磁電流Ｉfに含まれ、それが線１７を介して励磁器固定子巻線２２の入力側に供給され、それによって滑らかで連続する界磁電流Ｉfが得られる。したがって、ダイオード１６が励磁器固定子巻線２２の励磁エネルギー用のフリーホイーリング経路を生成する。
【０００６】
通常約４００Ｈｚで動作する従来の固定周波数電気システムを備える航空機では、図１の従来の構成は重大な性能上の問題を引き起こさない。しかし、本出願の発明者らは、最近注目を集めている可変周波数システムでは問題が起こることがあることを見出した。典型的な航空機では、発電機から発生した電力は、産業基準あるいは軍用基準によって規定される電力の特性要件を満たさなければならない。１つの典型的要件は、最大の電圧オーバーシュートと、ステップ負荷除去過渡期間における電力利用システム内のどこか他の場所での回復時間である。可変周波数発電機制御システムでは、発電機の速度範囲が毎分１００００〜２４０００回転と広い範囲になり得、負荷が高速の発電機から取り外されるとき、界磁電流変調スイッチをオフにする際に励磁器巻線に蓄積されたエネルギーを十分に速やかに除去することができない場合には、電圧オーバーシュートがしばしば許容レベルを超えることがあり、大型の発電機を使用するときは特にそうである。さらに、高速の発電機速度で発電機の出力上昇中は、励磁器固定子巻線に蓄積されたエネルギーが十分速やかに減少しないので、発電機制御ユニットが正確に界磁電流を増やせなくなり、発電機電圧が過剰になることがある。標準の発電機制御ユニットにおける既存の従来型の制御補償ではこれらの問題を解決するために、大したことができないので、製品が顧客の電圧オーバーシュート公差を満たすことができない場合、その製品を顧客に納品することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明によれば、従来の発電機制御構成の上述の欠点は、選択的かつ一時的にエネルギー吸収回路を励磁電流フリーホイーリング経路中に導入して、発電機巻線からの残留エネルギーを吸収し、それによって界磁電流の減衰率を加速して、発電機中の電圧オーバーシュートを減らす発電機制御ユニットを使用することによって解決される。本発明によれば、エネルギー吸収回路は、発電機が負荷の変化（例えば高負荷から低負荷への変化）を受けるときおよび／または電圧オーバーシュートを減らすための出力上昇段階中に、選択的かつ一時的に励磁電流フリーホイーリング経路中に導入される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施形態によれば、電力制御ユニットは、オン状態とオフ状態の間で繰り返し切り換えて、発電機の励磁器巻線への界磁電流の流れを制御する界磁電流変調器を含み、界磁電流変調器がオフのとき、励磁器巻線からの励磁電流は、フリーホイーリングダイオードを通って発電機に戻される。エネルギー吸収回路は、選択的にフリーホイーリング経路に追加される。エネルギー吸収回路の両端にバイパススイッチが設けられており、エネルギー吸収回路はＲＣ回路でよく、オン状態のとき、励磁電流がフリーホイーリング経路中を流れるための低いインピーダンス経路を提供する。この実装形態では、発電制御ユニットは、バイパススイッチを、例えば負荷の変化または出力上昇状況を示す１つまたは複数の検出信号の関数としてオン状態からオフ状態に切り換えるインピーダンスバイパス駆動装置を含み、発電機の励磁器からの励磁電流の減衰を加速するために、選択的かつ一時的に、フリーホイーリング経路中にエネルギー吸収回路を導入する。
【０００９】
本発明の他の態様および利点は、以下の詳細説明を読み、図面を参照すれば明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図２は、動作の変化（例えば負荷の除去）中、発電機２０内の電圧オーバーシュートを低減する本発明の一実施形態による発電器制御ユニット２００の構成を示す。図２からわかるように、発電機制御ユニット２００は、（ａ）界磁電流変調スイッチ２１２、（ｂ）界磁電流変調駆動装置２１４、（ｃ）フリーホイーリングダイオード２１６、（ｄ）インピーダンス回路２２０、（ｅ）インピーダンス回路バイパススイッチ２２２、および（ｅ）インピーダンスバイパス駆動装置２３０を含む。図１に関して上記で論じた従来の構成と同様に、発電機制御ユニット２００が、線２１７および２１８を介して発電機２０の励磁器固定子巻線２２に接続され、界磁電流Ｉfを提供する。図２に示す例示的実装形態では、発電機２０はまた、励磁器回転子巻線２４、整流器２６、界磁巻線２８、および発電機主巻線２９を含む。励磁器固定子巻線２２中を通過する界磁電流Ｉfの流れが、発電機２０の励磁器回転子巻線２４中に電圧を誘導し、その電圧が整流器２６によって整流される。整流された電圧は、界磁巻線２８に加えられ、それにより、発電機主巻線２９中に交流電圧が誘導され、その交流電圧がフィーダ（図示せず）を介して航空機の電気負荷に分配される。特定の交流電圧発電機の構成が図２に示されているが、本発明の発電機制御原理は、様々な発電機構成に適用できることが当業者には明らかであろう。
【００１１】
界磁電流変調スイッチ２１２は、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、または他の適切なスイッチング装置でよい。図２に示すように、界磁電流変調スイッチ２１２は、アースと線２１８との間に接続されている。界磁電流変調駆動装置２１４は、界磁電流変調スイッチ２１２のゲートに接続され、界磁電流変調スイッチ２１２をオン状態とオフ状態の間で繰り返し切り換える。電流変調スイッチ２１２のデューティサイクル（オン／オフパルス幅）は発電機２０の負荷の関数であり、したがって界磁電流変調駆動装置２１４は、ＰＯＲ電圧を負荷の関数として所与のレベルに維持するために、より高い負荷では、電流変調スイッチ２１２により高いデューティサイクルをもたらす。
【００１２】
フリーホイーリングダイオード２１６は、線２１７およびインピーダンス回路２２０の第１端に接続され、インピーダンス回路２２０の第２端は、界磁電流変調器スイッチ２１２と発電機２０の励磁器固定子巻線２２との間の線２１８に接続される。インピーダンス回路のバイパススイッチ２２２が、インピーダンス回路２２０の両端に設けられる。界磁電流変調器スイッチ２１２と同様に、インピーダンス回路バイパススイッチ２２２も、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴまたは、他の適切なスイッチング装置でよい。例えば、インピーダンス回路バイパススイッチ２２２は、機械式リレーとして実施してもよい。インピーダンス回路バイパス駆動装置２３０が、インピーダンス回路バイパススイッチ２２２のゲートに接続され、スイッチ２２２を選択的にオンおよびオフに駆動する。図２に示す実施形態では、インピーダンス回路２２０は、直列に接続された抵抗ＲdおよびコンデンサＣdを含み、それらの値は発電機の設計の特定の特性に依存する。インピーダンス回路２２０に別の構成も使用できることが理解されよう。例えば、ＲＣ回路の代わりに、抵抗Ｒdだけを使用して、より簡単な設計を提供してもよく、またより複雑なインピーダンス回路を使用してもよい。さらに、ＲＣ回路を界磁電流の流れを効果的に止める電圧源で置き換えてもよい。
【００１３】
次に、図２に示す発電機制御ユニット２００の動作を説明する。電流変調スイッチ２１２が電流変調駆動装置２１４によってオンに駆動されるとき、励磁器固定子巻線２２からの線２１８の励磁電流は、界磁電流変調スイッチ２１２を通ってアースに行く。界磁電流変調スイッチ２１２が界磁電流変調駆動装置２１４によってオフに駆動され、インピーダンス回路バイパススイッチ２３０がインピーダンスバイパス駆動装置２３０によってオンに駆動されるとき、励磁器固定子巻線２２からの線２１８の励磁電流は、インピーダンス回路バイパススイッチ２２２（インピーダンス回路２２０をバイパスして）、およびダイオード２１６を通って線２１７に流れ、発電機２０の励磁器固定子巻線２２に界磁電流Ｉfの成分として送り戻され、それによって滑らかな連続する界磁電流Ｉfが得られる。
【００１４】
負荷の除去や電力上昇などいくつかの動作の変化中、界磁電流変調駆動装置２１４が、界磁電流変調スイッチ２１２をオフ状態に維持し、インピーダンスバイパス駆動装置２３０が、インピーダンス回路バイパススイッチをオフ状態に維持し、したがってインピーダンス回路２２０が、一時的に、線２１７と２１８の間で界磁電流フリーホイーリング経路に導入されて、発電機２０の励磁器固定子巻線２２からの残留エネルギーの大部分を吸収する。その結果、界磁電流Ｉfに直接関係する発電機２０のＰＯＲ電圧が、急速に減少し、許容限界内に留まる。
【００１５】
図４Ａおよび４Ｂは波形（ａ）〜（ｆ）を含み、負荷の除去後における界磁電流Ｉfの減少およびＰＯＲ電圧オーバーシュートの削減における本発明の有効性を示す。図４Ａは、発電機２０から負荷が除去され、本発明の原理を適用しないときに起こる電圧オーバーシュート状況を示す。波形（ｂ）に示すように負荷が電流を引き出さなくなったとき（負荷の除去）、波形（ｃ）に示すように、界磁電流Ｉfが時間とともに減衰するまで、波形（ａ）に示すようにＰＯＲにおける電圧は大きくオーバーシュートする。波形（ｃ）に示すように、本発明の原理を適用しないときは界磁電流Ｉfが徐々に減衰し、したがって波形（ａ）に示すように電圧オーバーシュート状況が延長される。図４Ｂは、本発明が電圧オーバーシュートを低減する効果を示す。図４Ａの（ｃ）とは対照的に、波形（ｆ）からは、インピーダンス回路バイパススイッチ２２２をオフ状態にすることにより、インピーダンス回路２２０がフリーホイーリング経路に導入されると、界磁電流Ｉfの減衰が相当に加速され、それによって電圧オーバーシュート（図４Ｂの波形（ｄ））が減少することがわかる。図４Ｂの波形（ｆ）からわかるように、インピーダンス回路２２０は、一時的にフィードバック経路に導入され、さもなければ、界磁励磁エネルギーは、界磁変調スイッチ２１２がオフになる毎に吸収され、したがって不連続な界磁電流Ｉfおよび熱放散を起こすことになる。大部分の発電機では、インピーダンス回路バイパススイッチ２２２のオフ時間は１００ミリ秒で十分である。
【００１６】
図４Ａおよび４Ｂの波形は本発明の原理を単に例示するために示したものにすぎず、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。図４Ｂの波形は、２３１００ｒｐｍ、Ｒd＝１２オーム、Ｃd＝０．４７μＦの１５０ＫＶＡのブラシなしの同期式発電機に基づくものである。
【００１７】
インピーダンスバイパス駆動装置２３０は、インピーダンス回路２２０がフリーホイーリング経路に適切なタイミングで（例えば、負荷の除去または出力上昇時に）導入されるように、インピーダンス回路バイパススイッチ２２２を制御する様々な方法で構成することができる。図３に、インピーダンスバイパス駆動装置２３０の構成例を示す。図３からわかるように、インピーダンスバイパス駆動装置２３０は、ＧＬＣ（発電機線接触器ｇｅｎｅｒａｔｏｒ  ｌｉｎｅ  ｃｏｎｔａｃｔｏｒ）コマンド検出ユニット２３２、電流検出ユニット２３４、および追加のタイミング検出ユニット２３６を備えることができ、これらはそれぞれＧＬＣコマンド信号、電流感知信号、および追加のタイミング感知信号を受け取り、それぞれ検出信号をＯＲゲート２３８に出力する。ＯＲゲート２３８の出力は、インピーダンス回路バイパススイッチ２２２用のゲート信号を生成するゲート駆動装置２３９に接続されている。よく知られているように、ＧＬＣコマンドは、発電機制御ユニット２００によって生成され、ＧＬＣを閉じるまたは解除するためのコマンドである。ＧＬＣが解除されるとき、負荷は発電機２０から除去され、あるいは発電機が出力上昇段階にある。したがって、ＧＬＣコマンド信号をインピーダンスバイパス駆動装置２３０が制御信号として使用して、ＧＬＣコマンドが発生するとすぐにインピーダンス回路バイパススイッチ２２２をオフ状態に駆動することができる。インピーダンスバイパス駆動装置２３０は、電流検出ユニット２３４で検出された電流感知信号を制御信号として使用することもできる。例えば、発電機から引き出される電流が大きく降下することは、負荷の除去状態を示し、発電機２０からの電流がないことは、出力上昇状態を示し、その間インピーダンス回路２２０が発電機制御ユニット２００のフリーホイーリング経路に導入されることになる。追加のタイミング検出ユニット２３６によって検出される追加のタイミング感知信号はインピーダンスバイパス駆動装置２３０によって制御信号として使用される。
【００１８】
前述のことは、単に本発明の原理を示すものにすぎない。ここでは明確には記載していないが、本発明の趣旨および範囲を実施した様々な装置が当業者には考案できることを理解されたい。例えば、本発明はすべて、交流同期式発電機に使用する場合について記載してきたが、直流発電機にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】発電機に供給される界磁電流を制御するための従来の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の一実施形態による発電機に供給される界磁電流を制御するための構成を示す回路図である。
【図３】図２で示された本発明の実施形態での使用に適するバイパス駆動装置の例示的構成を示す図である。
【図４Ａ】本発明の原理が発電機制御に適用されない、負荷除去中に起こる典型的な電圧オーバーシュート状況を示す一連の波形を示す図である。
【図４Ｂ】負荷除去中の電圧オーバーシュートを低減する本発明の例示的実装形態の効果を示す一連の波形を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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2004523997.tif 000028
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