(57)【要約】      （修正有）【課題】制動ユニットの応答時間を改善するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】制動システム１１０は、変換器２１０と、変換器の出力に結合されたキャパシタ２１２と、キャパシタに並列に結合されたブリッジ２１４と、ブリッジに結合された少なくとも１つのインダクタと、少なくとも１つのインダクタに近接して配設された導電性ディスクと、スイッチングユニットコントローラ２１６とを備え、スイッチングユニットコントローラは、変換器から供給される電圧レベルを第１の電圧レベルから第２の電圧レベルに変換し、それにより、キャパシタに貯蔵されるエネルギーを増加させるように変換器に指令し、制動コマンドを受信したとき、少なくとも１つのインダクタ内で電流を上昇させて、導電性ディスクに電磁力を誘起するようにブリッジに指令するためのものである。【選択図】図２
2016025848.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換器（２１０）と、
前記変換器（２１０）の出力に結合されたキャパシタ（２１２，３１４）と、
前記キャパシタ（２１２，３１４）に並列に結合されたブリッジ（２１４）と、
前記ブリッジ（２１４）に結合された少なくとも１つのインダクタ（３２２）と、
前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）に近接して配設された導電性ディスク（１０６）と、
前記変換器（２１０）から供給される電圧レベルを第１の電圧レベルから第２の電圧レベルに変換し、それにより、前記キャパシタ（２１２，３１４）に貯蔵されたエネルギーを増加させるように前記変換器（２１０）に指令し、制動コマンドを受信したとき、前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）内で電流を上昇させて、前記導電性ディスクに電磁力を誘起するように前記ブリッジ（２１４）に指令するためのものであるスイッチングユニットコントローラ（２１６）とを備える、制動システム。
【請求項２】
前記電流は、５０ｍｓ以内に前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）内で上昇される、請求項１記載の制動システム。
【請求項３】
前記スイッチングユニットコントローラ（２１６）は、前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）内で電流を上昇させるように前記ブリッジ（２１４）に指令した後、かつ前記キャパシタ（２１２，３１４）に貯蔵されたエネルギーが閾値未満であると決定したとき、前記変換器（２１０）から供給される前記電圧レベルを前記第１の電圧レベルから第３の電圧レベルに増加させるように前記変換器（２１０）に指令するようにプログラムされる、請求項１記載の制動システム。
【請求項４】
前記第３の電圧レベルは前記第２の電圧レベルより低い、請求項３記載の制動システム。
【請求項５】
前記スイッチングユニットコントローラ（２１６）は、前記制動コマンドが終了するまで、前記変換器（２１０）から供給される前記電圧レベルを前記第１の電圧レベルから前記第３の電圧レベルに増加させるように前記変換器（２１０）に指令し続けるようにプログラムされる、請求項３記載の制動システム。
【請求項６】
前記スイッチングユニットコントローラ（２１６）は、前記制動コマンドが終了するとき、前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）から前記キャパシタ（２１２，３１４）にエネルギーを提供し、それにより、前記キャパシタ（２１２，３１４）を第４の電圧レベルまで再充電するように前記ブリッジ（２１４）に指令するように更に構成される、請求項１記載の制動システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）内の電流は、前記キャパシタ（２１２，３１４）の再充電の開始後５０ｍｓ以内に降下される、請求項６記載の制動システム。
【請求項８】
前記スイッチングユニットコントローラ（２１６）は、前記キャパシタ（２１２，３１４）が前記第４の電圧レベルまで再充電された後、前記変換器（２１０）から供給される電圧レベルを前記第１の電圧レベルから前記第２の電圧レベルに変換するように前記変換器（２１０）に指令するように更に構成される、請求項７記載の制動システム。
【請求項９】
前記第１の電圧レベルは約５Ｖから約５０Ｖの範囲である、請求項１記載の制動システム。
【請求項１０】
前記第２の電圧レベルは約２００Ｖから約６００Ｖの範囲である、請求項９記載の制動システム。
【請求項１１】
変換器（２１０）に、前記変換器（２１０）から供給される電圧レベルを第１の電圧レベルから第２の電圧レベルまで増加させ、それにより、前記変換器（２１０）とブリッジ（２１４）との間で並列に結合されたキャパシタ（２１２，３１４）に貯蔵されるエネルギーを増加させるように指令すること、及び、
制動コマンドを受信したとき、前記ブリッジ（２１４）に、前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）内で電流を上昇させて、導電性ディスクに電磁力を誘起するようにさせることを含む、方法（５００）。
【請求項１２】
前記制動コマンドがアクティブのままである間、
前記キャパシタ（２１２，３１４）に貯蔵されたエネルギーが閾値未満であると決定したとき、
前記制動コマンドが終了するまで、前記変換器（２１０）から供給される前記電圧レベルを前記第１の電圧レベルから第３の電圧レベルに変換するように前記変換器（２１０）に指令することを更に含む、請求項１１記載の方法（５００）。
【請求項１３】
前記制動コマンドが終了したとき、
前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）から前記キャパシタ（２１２，３１４）にエネルギーを提供し、それにより、前記キャパシタ（２１２，３１４）を第４の電圧レベルまで再充電するように前記ブリッジ（２１４）に指令することを更に含む、請求項１２記載の方法（５００）。
【請求項１４】
前記キャパシタ（２１２，３１４）が前記第４の電圧レベルまで再充電された後、前記変換器（２１０）から供給される前記電圧レベルを前記第１の電圧レベルから前記第２の電圧レベルに変換し、それにより、前記キャパシタ（２１２，３１４）に貯蔵されるエネルギーを増加させるように前記変換器（２１０）に指令することを更に含む、請求項１３記載の方法（５００）。
【請求項１５】
回転可能シャフトに結合された導電性ディスクと、
前記導電性ディスクに近接して配設された少なくとも１つのインダクタ（３２２）と、
電力源と、
前記電力源と前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）との間で結合されたスイッチングユニットとを備え、前記スイッチングユニットは、
変換器（２１０）と、
前記変換器（２１０）の出力に結合されたキャパシタ（２１２，３１４）と、
前記キャパシタ（２１２，３１４）に並列に結合されたブリッジ（２１４）と、
前記変換器（２１０）から供給される電圧レベルを第１の電圧レベルから第２の電圧レベルに変換し、それにより、前記キャパシタ（２１２，３１４）に貯蔵されるエネルギーを増加させるように前記変換器（２１０）に指令し、制動コマンドを受信したとき、前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）内で電流を上昇させて、前記導電性ディスクに電磁力を誘起するように前記ブリッジ（２１４）に指令するためのものであるスイッチングユニットコントローラ（２１６）とを備える、発電システム（１００）。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）は、前記導電性ディスクに前記電磁力を誘起して、前記回転可能シャフトの速度を閾速度値未満に減少させる、請求項１５記載の発電システム（１００）。
【請求項１７】
前記スイッチングユニットコントローラ（２１６）は、前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）内で電流を上昇させるように前記ブリッジ（２１４）に指令した後、かつ前記キャパシタ（２１２，３１４）に貯蔵されたエネルギーが閾値未満であると決定したとき、前記変換器（２１０）から供給される前記電圧レベルを前記第１の電圧レベルから第３の電圧レベルに増加させるように前記変換器（２１０）に指令するように更に構成される、請求項１５記載の発電システム（１００）。
【請求項１８】
前記スイッチングユニットコントローラ（２１６）は、前記制動コマンドが終了するとき、前記少なくとも１つのインダクタ（３２２）から前記キャパシタ（２１２，３１４）にエネルギーを提供し、それにより、前記キャパシタ（２１２，３１４）を第４の電圧レベルまで再充電するように前記ブリッジ（２１４）に指令するように更に構成される、請求項１５記載の発電システム（１００）。
【請求項１９】
前記スイッチングユニットコントローラ（２１６）は、前記キャパシタ（２１２，３１４）が前記第４の電圧レベルまで再充電された後、前記変換器（２１０）から供給される電圧レベルを前記第１の電圧レベルから前記第２の電圧レベルに変換するように前記変換器（２１０）に指令するように更に構成される、請求項１８記載の発電システム（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、発電システムに関し、より具体的には、発電システム内の制動ユニットの応答時間の改善に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、公益事業システム（ｕｔｉｌｉｔｙ  ｓｙｓｔｅｍ）内で障害が起こると、公益事業システム内の電圧が或る量だけ突然低下する場合がある。電圧のこの突然の低下は、発電機の電力出力の突然の減少をもたらす場合がある。結果として、発電機の電力出力とエンジンから入力される機械的動力との間に不平衡が存在する場合がある。これは、次に、発電機の加速をもたらし、発電機と電力グリッドとの間の同期の喪失をもたらす場合がある。同様に、発電機が切離される場合、電力グリッドの安定性が脅かされる場合がある。したがって、発電機が、グリッドと同期したまま留まり、低電圧条件を乗切り、障害が取除かれた直後にグリッドに電力を給送することができることが望ましい。
【０００３】
種々の技法を、障害状況中における発電機の急速な加速の問題を克服するために使用することができる。１つのこうした技法は、発電システム内の制動ユニットを使用して、発電機内のロータの速度を制御することである。一例において、制動ユニットは、ロータに近接して配設される１つ又は複数のコイルを含み、これらのコイルに電圧が印加されると、電磁的制動力がロータ上に誘起され、それにより、ロータの速度が相応して制御される。コイルの誘導的性質のために、コイル内の電流の変化速度は、印加電圧によって制限され、また、所望より長い制動応答時間を必要とする場合がある。応答時間を改善するため、高電圧電力源をコイルに結合することができる。しかし、こうした電力源は、制動ユニットのコスト及びサイズを増加させることになり、また、実用的でない場合がある。
【０００４】
したがって、ロータに関して効果的でかつ安価な電磁式ブレーキを提供するための改良型システム及び方法についての必要性が存在する。同様に、高速応答時間を有する制動ユニットを提供する必要性が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０３０６３８９号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本明細書で述べる一実施形態によれば、制動システムは、変換器と、変換器の出力に結合されたキャパシタと、キャパシタに並列に結合されたブリッジと、ブリッジに結合された少なくとも１つのインダクタと、少なくとも１つのインダクタに近接して配設された導電性ディスクと、スイッチングユニットコントローラとを含み、スイッチングユニットコントローラは、変換器から供給される電圧レベルを第１の電圧レベルから第２の電圧レベルに変換し、それにより、キャパシタに貯蔵されるエネルギーを増加させるように変換器に指令し、制動コマンドを受信したとき、少なくとも１つのインダクタ内で電流を上昇（ｒａｍｐ−ｕｐ）させて、導電性ディスク上に電磁力を誘起するようにブリッジに指令するためのものである。
【０００７】
本開示の更なる態様によれば、方法は、変換器に、変換器から供給される電圧レベルを第１の電圧レベルから第２の電圧レベルまで増加させ、それにより、変換器とブリッジとの間で並列に結合されたキャパシタに貯蔵されるエネルギーを増加させるように指令することを含む。方法は、制動コマンドを受信したとき、ブリッジに、少なくとも１つのインダクタ内で電流を上昇して、導電性ディスクに電磁力を誘起するようにさせることを更に含む。
【０００８】
本開示の別の態様によれば、発電システムは、回転可能シャフトに結合された導電性ディスクと、導電性ディスクに近接して配設された少なくとも１つのインダクタと、電力源と、電力源と少なくとも１つのインダクタとの間で結合されたスイッチングユニットとを含む。スイッチングユニットは、変換器と、変換器の出力に結合されたキャパシタと、キャパシタに並列に結合されたブリッジと、スイッチングユニットコントローラとを含む。スイッチングユニットコントローラは、変換器から供給される電圧レベルを第１の電圧レベルから第２の電圧レベルに変換し、それにより、キャパシタに貯蔵されるエネルギーを増加させるように変換器に指令し、制動コマンドを受信したとき、少なくとも１つのインダクタ内で電流を上昇させて、導電性ディスクに電磁力を誘起するようにブリッジに指令するためのものである。
【０００９】
本発明のこれらのまた他の特徴、態様、及び利点は、添付図面であって、図面全体にわたって同じ文字が同じ部品を表す、添付図面を参照して以下の発明を実施するための形態が読まれるときによりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本開示の態様による制動ユニットを利用する発電システムの線図である。
【図２】本開示の態様による制動ユニットのブロック図である。
【図３】本開示の態様による制動ユニットの回路図である。
【図４】本開示の態様による制動ユニット内の電圧及び電流信号の信号波形である。
【図５】本開示の態様による電磁力を誘起する制動ユニットの応答時間を改善するための方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以降で詳細に述べるように、発電システム内の制動ユニットの応答時間を改善するための例示的なシステム及び方法の種々の実施形態が提示される。以降で述べる方法及びシステムの種々の実施形態を使用することによって、回転可能シャフトの速度が所望の期間以内で制御することができ、そのことが、次に、発電システム内のＬＶＲＴ（低電圧乗切り：ｌｏｗ  ｖｏｌｔａｇｅ  ｒｉｄｅ  ｔｈｒｏｕｇｈ）又はＦＲＴ（事故乗切り：ｆａｕｌｔ  ｒｉｄｅ  ｔｈｒｏｕｇｈ）能力を改善する。
【００１２】
図１を参照すると、本開示の態様による制動ユニットを有する発電システム１００が示される。発電システムは、通常、機械的動力を電力に変換するために使用される。例えば、風力システムにおいて、風力タービンを横切って流れる風の運動エネルギーは、機械的動力に変換される。別の例として、機械的動力を、ガスエンジンから生成することができる。この機械的動力は、次に、電力を生成するために使用される。発電システムは、原動機１０２、回転可能シャフト１０４、導電性ディスク１０６、発電機１０８、及び制動ユニット１１０を含む。
【００１３】
一構成において、原動機１０２は、回転可能シャフト１０４を通して発電機１０８に機械的に結合される。回転可能シャフト１０４は、通常、原動機１０２からの機械的動力を発電機１０８に伝達するために使用される。例えば、原動機１０２において生成される機械的動力は、回転可能シャフト１０４を所定の速度で回転させるために使用することができる。回転可能シャフト１０４のこの回転は、次に、発電機１０８のロータ（図示せず）を回転させて、電力を生成する。更に、発電機１０８における生成電力を、電力グリッド１１２に伝達することができる。
【００１４】
図１の実施形態において、導電性ディスク１０６は、回転可能シャフト１０４に強固に結合されて、回転可能シャフト１０４の回転速度を制御する。特に、障害（或る低下（ｆａｌｌ）又は降下（ｄｒｏｐ）等）がシステム内で起こると、制動ユニット１１０は、発電システム１００から１つ又は複数のコマンド信号を受信することができる。一例において、１つ又は複数のコマンド信号は、発電システム１００から受信される１つ又は複数のステータス信号を含むか又はその信号に起因することができる。ステータス信号は、回転可能シャフト１０４の回転速度、電力グリッド１１２内の電圧、発電機１０８の電流、原動機１０２によって生成される機械的動力、発電機１０８のロータ角度、発電機１０８によって生成される電力、又はその組合せを表すことができる。一実施形態において、回転可能シャフト１０４の回転速度を、回転可能シャフト１０４に動作可能に結合される速度センサ１２４によって決定することができる。
【００１５】
コマンド信号を受信することに応答して、制動ユニット１１０は、導電性ディスク１０６上に電磁力を誘起し、その電磁力は、次に回転可能シャフト１０４の回転速度を調節又は制御する。一例において、回転可能シャフト１０４の速度を、閾速度値未満に調節又は制御することができる。更に、回転可能シャフト１０４の回転速度を調節することによって、制動ユニット１１０は、発電機１０８と電力グリッド１１２との間の同期を維持することができる。
【００１６】
図１に更に示すように、制動ユニット１１０は、制動ユニットコントローラ１１４、誘導ユニット１１６、電力源１１８、及びスイッチングユニット１２０を含む。誘導ユニット１１６は、スイッチングユニット１２０を介して電力源１１８に結合され、導電性ディスク１０６に近接して配設される１つ又は複数のインダクタを備える。更に、制動ユニットコントローラ１１４は、スイッチングユニット１２０に結合され、発電システム１００から受信される１つ又は複数のコマンド信号に基づいてブレーキコマンド１２２を送信することができる。ブレーキコマンド１２２は、スイッチングユニット１２０に送信されて、誘導ユニット１１６に印加される電圧を制御する。
【００１７】
図２を参照すると、本開示の態様による制動ユニット１１０のより詳細なブロック図が示され、スイッチングユニット１２０を、変換器２１０、キャパシタ２１２、ブリッジ２１４、及びスイッチングユニットコントローラ２１６を備えるものとして示す。
【００１８】
電力源１１８は、例えば、第１の電圧レベルの電圧を有する電池等の低電力源を備えることができる。一例において、第１の電圧レベルは、約５Ｖから約５０Ｖの範囲内にあるとすることができる。
【００１９】
誘導ユニット１１６は、発電機１０８（図１）の回転可能シャフト１０４（図１）に強固に結合される導電性ディスク１０６（図１）に近接して配設される。特に、誘導ユニット１１６は、１つ又は複数のインダクタを備え、１つ又は複数のインダクタは、導電性ディスク１０６に近接して配設されて、導電性ディスク１０６上に電磁力を誘起する。一例において、１つ又は複数のインダクタは、導電性ディスク１０６のいずれかの側又は両側の近くに配設される電気コイルを表すことができる。
【００２０】
スイッチングユニット１２０は、電力源１１８と誘導ユニット１１６との間で動作可能に結合され、制動ユニットコントローラ１１４から受信されるブレーキコマンド１２２に基づいて誘導ユニット１１６に印加される電圧を制御するために使用される。図２の実施形態において、スイッチングユニット１２０は、変換器２１０、キャパシタ２１２、ブリッジ２１４、及びスイッチングユニットコントローラ１２６を備える。スイッチングユニットコントローラ１２６が、例のためにスイッチングユニット１２０内に含まれるものとして示されるが、スイッチングユニットコントローラ１２６を、代替的に、幾つかの実施形態において、制動ユニットコントローラ１１４内に統合することができる。変換器２１０は、電力源１１８とキャパシタ２１２との間で結合される。変換器２１０は、電力源１１８によって提供される電圧を変換し、それにより、キャパシタ２１２に貯蔵されるエネルギーを増加させるために使用される。更に、ブリッジ２１４は、キャパシタ２１２と誘導ユニット１１６との間で結合される。ブリッジ２１４は、ブレーキコマンドがスイッチングユニットコントローラ１２６によって受信されると、キャパシタ２１２に貯蔵されたエネルギーを１つ又は複数のインダクタに提供するために使用される。ブリッジ２１４は、ブレーキコマンドが終了したとき、誘導ユニット１１６からキャパシタ２１２にエネルギーを提供するために更に使用することができる。本明細書で使用するとき、「ブレーキコマンドが終了する（ｂｒａｋｅ  ｃｏｍｍａｎｄ  ｃｅａｓｅｓ）」は、（ａ）（スイッチングユニットコントローラが、制動が完了するまで、制動中にコマンドを連続して受信する状況において）ブレーキコマンドの送信を停止すること、又は、（ｂ）（スイッチングユニットコントローラが、或る瞬間に離散的な制動コマンドをまた後の瞬間に制動を停止するための別個のコマンドを受信する状況において）制動を停止するための別個のコマンドをカバーすることが意図される。ブレーキコマンドが終了するまで、ブレーキコマンドは、「アクティブのまま留まる（ｒｅｍａｉｎｉｎｇ  ａｃｔｉｖｅ）」として参照される。
【００２１】
運転中、電力源１１８はアクティブであり、変換器２１０は、電力源１１８によって提供される電圧を、第１の電圧レベルから、一例においてキャパシタ２１２を充電するための約２００Ｖから約６００Ｖの範囲内である第２の電圧レベルに変換する。より特定の例において、キャパシタ２１２内の電圧は、約４００Ｖまで増加される。
【００２２】
後の時点において、スイッチングユニットコントローラ１２６が制動ユニットコントローラ１１４からブレーキコマンドを受信する場合、スイッチングユニットコントローラ１２６は、次いでブリッジ２１４に、キャパシタ２１２内の電圧を誘導ユニット１１６に提供して、導電性ディスク１０６（図１）上に電磁力を誘起するように指令する。特に、キャパシタ２１２内の第２の電圧は、誘導ユニット１１６内の電流の高速上昇を提供するために使用される。一例において、電流を、誘導ユニット１１６内で約５ｍｓから約５０ｍｓの範囲の第１の期間以内で上昇することができる。誘導ユニット１１６内での電流のこの高速上昇は、導電性ディスク１０６上に電磁力を誘起する時間を減少させ、したがって、導電性ディスク１０６上に電磁力を誘起する制動ユニット１１０の応答時間を改善することができる。
【００２３】
制動しているとき、誘導ユニット１１６内で電流が上昇するにつれて、キャパシタ２１２に貯蔵されたエネルギーが減少する。一実施形態において、キャパシタ２１２に貯蔵されたエネルギーが閾値未満に低下したとスイッチングユニットコントローラ１２６が決定する場合、スイッチングユニットコントローラ１２６は、電力源１１８によって供給される電圧レベルを第１の電圧レベルを超えて再び増加させるように変換器２１０に指令する。より特定の実施形態において、その増加は、第２の電圧レベルまでではなく、第２の電圧レベルより低い第３の電圧レベルまでである。一例において、第３の電圧レベルは約５０Ｖから約１００Ｖの範囲内であるとすることができる。この実施形態において、変換器２１０は、キャパシタ２１２を第３の電圧レベルに連続して充電することができ、一方、更なる制動が必要とされる。そのため、キャパシタ２１２は、第３の電圧レベルに連続して充電されることができるため、電流が、誘導ユニット１１６内に連続して流れて、誘導ユニット１１６の１つ又は複数のインダクタ内の電気損失を補償し、１つ又は複数のインダクタ内の電流を定常状態に維持することができる。
【００２４】
更に、回転可能シャフト１０４の速度が制御された後の或る時点において、ブレーキコマンドが終了することになる。スイッチングユニットコントローラ１２６は、その後、キャパシタ２１２から誘導ユニット１１６にエネルギーを提供することを停止するようにブリッジ２１４に指令することができる。更に、オプションの実施形態において、スイッチングユニットコントローラ１２６は、残っているいずれのエネルギーもキャパシタ２１２に提供し、それにより、キャパシタ２１２を第４の電圧レベルまで再充電するように誘導ユニット１１６に指令することができる。誘導ユニット１１６の１つ又は複数のインダクタ内の電気損失のせいで、第４の電圧レベルは第２の電圧レベルより低いとすることができる。この実施形態において、これらの電気損失を補償するため、スイッチングユニットコントローラ１２６は、その後、電力源１１８によって供給される電圧を第１の電圧レベルから元の第２の電圧レベルに変換するように変換器２１０に指令することができ、それにより、キャパシタ２１２は、更に充電されて、キャパシタ２１２内の電圧を第４の電圧レベルから第２の電圧レベルまで増加させる。スイッチングユニットコントローラ１２６が制動ユニットコントローラからブレーキコマンドをもう一度受信する場合、このサイクルを再び繰返すことができる。
【００２５】
そのため、スイッチングユニット１２０内で十分に大きなキャパシタ２１２を使用することによって、高速制動するのに十分に高い電圧に関連するエネルギーが貯蔵され、インダクタに提供されて、誘導ユニット１１６の１つ又は複数のインダクタ内での電流の高速上昇を補強することができる。これは、次に、導電性ディスク１０６上で電磁力を誘起する制動ユニット１１０の応答時間を改善する。
【００２６】
図３を参照すると、本開示の態様による制動ユニット１１０の回路図（略図）が示される。理解を容易にするため、制動ユニット１１０は、図１及び２のコンポーネントを参照して述べられる。制動ユニット１１０は、制動ユニットコントローラ１１４、誘導ユニット１１６、電力源１１８、及びスイッチングユニット１２０を含む。
【００２７】
図３の実施形態において、キャパシタ３１４は、電力源１１８に並列に結合されて、変換器２１０によって生成される電流内のＡＣ成分をフィルタリングする。更に、例示的な実施形態において、変換器２１０は、インダクタ３１６、スイッチ３１８、及びダイオード３１９を含む。一実施形態において、スイッチ３１８は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ及び／又はＩＧＢＴを備える。スイッチ３１８は、電力源１１８に並列に結合され、電力源１１８から提供される電圧レベルを、インダクタ３１６を介して増加させるように制御される。例えば、スイッチングユニットコントローラ２１６は、スイッチ３１８をトグルで切換えて、電圧のディーティサイクルを調整し、それにより、電力源１１８によって提供される電圧レベルを増加させることができる。更に、ダイオード３１９は、電力源１１８によって提供される増加した電圧レベルに関連するエネルギーがキャパシタ２１２に向かうことを可能にするために使用される。
【００２８】
キャパシタ２１２は、ダイオード３１９を通してスイッチ３１８に並列に結合される。図２に関して論じたように、キャパシタ２１２は、ブレーキコマンドを受信する前に高電圧を貯蔵し、ブレーキコマンドが受信されたとき、貯蔵された高電圧を誘導ユニット１１６に提供するために使用される。同様に、キャパシタ２１２は、ブレーキコマンドが終了したとき、誘導ユニット１１６内のエネルギーを用いて部分的に再充電することができる。一実施形態において、キャパシタ２１２は、十分なエネルギー貯蔵を提供するためのキャパシタバンクを備える。
【００２９】
ブリッジ２１４は、次に、図３の実施形態において、キャパシタ２１２に並列に結合される。一例において、ブリッジ２１４は、キャパシタ２１２に並列に結合された２つの分岐を有するＨブリッジ回路を備えることができる。各分岐は、誘導ユニット１１６内のそれぞれのインダクタ３２２に結合された、一対のスイッチ３２０及び一対のダイオード３２４を備える。スイッチ３２０は、一実施形態において、ＭＯＳＦＥＴを備えることができる。スイッチ３２０の各対は、スイッチングユニットコントローラ２１６がブレーキコマンドを受信したとき、ターンオンされて、キャパシタ２１２の両端の電圧を誘導ユニット１１６内のインダクタ３２２に提供することができる。一例において、スイッチ３２０は、スイッチ３２０を非伝導状態から伝導状態に移動させるためターンオンされるため、電流が、スイッチ３２０を介してキャパシタからインダクタ３２２に流れる。
【００３０】
同様に、制動が終了したとき、スイッチ３２０の各対をターンオフすることができる。特に、制動が終了したとき、スイッチ３２０は、スイッチ３２０を非伝導状態に戻すためターンオフされるため、電流はスイッチ３２０を通って流れない。しかし、インダクタ３２２内に蓄積されるエネルギーは、ダイオード３２４を通って反対方向に流れて、キャパシタ２１２を第４の電圧レベルまで再充電することができる。更に、インダクタ３２２によって提供されるエネルギーは、インダクタ３２２内の電気損失のせいで、第２の電圧レベルにはない場合がある。そのため、キャパシタ２１２を、第２の電圧レベルより低い第４の電圧レベルに充電することができるだけである。
【００３１】
図４は、本開示の態様による制動ユニット内の電圧及び電流信号の例示的な信号波形を示す。理解を容易にするため、信号波形は、図３のコンポーネントを参照して述べられ、図４は、電力源１１８が電池を含む例である。信号波形は、キャパシタ電圧信号４０２、コイル電流信号４０４、及び電池電流信号４０６を含む。キャパシタ電圧信号４０２はキャパシタ２１２の両端の電圧を表し、コイル電流信号４０４はインダクタ３２２内の電流を示し、電池電流信号４０６は電力源１１８によって提供される電流を表す。
【００３２】
図４に示すように、時間Ｔ0にて、キャパシタ電圧信号４０２は最大又はピークレベル（キャパシタ２１２が第２の電圧レベルまで完全に充電されていることを意味する）にあり、コイル電流信号４０４及び電池電流信号４０６はゼロレベルにある。これは、誘導ユニットによってまだ電流が必要とされないからであり、キャパシタ電圧が第２の電圧レベルに達した後、電力源１１８は、キャパシタが、後で、使い尽くされるまで又は使い尽くされなければ、更なる電流を供給し続ける必要はない。
【００３３】
更に、時間Ｔ1にて、ブレーキコマンドが受信され、キャパシタ２１２の両端の電圧が、インダクタ３２２に提供される。そのため、キャパシタ電圧信号４０２はランプダウンし始めることができ、また、コイル電流信号４０４は上昇し始めることができる。キャパシタ２１２が、例えば約４００Ｖ等の非常に高い電圧を有するとき、インダクタ３２２内の電流の変化速度もまた非常に高いことになる。したがって、コイル電流信号４０４は、時間Ｔ2にて上昇することができる。時間Ｔ1と時間Ｔ2との間の期間は第１の期間と呼ばれる。一例において、第１の期間は、約５ｍｓから約５０ｍｓの範囲内であるとすることができる。
【００３４】
更に、時間Ｔ2後に、コイル電流信号４０４は、定常状態で働くことができる。しかし、電気損失がインダクタ３２２内に存在することになり、それにより、コイル電流信号４０４を定常状態で維持するために、ある程度の更なる電流が必要とされることになる。図４の実施形態において、時間Ｔ2後に、所定のレベルの電池電流信号４０６が、キャパシタ２１２に連続して提供されて、キャパシタ２１２の電荷（ｃｈａｒｇｅ）を第３の電圧レベルに維持することができる。この実施形態において、キャパシタ２１２からの電流は、インダクタ３２２に連続して提供されて、インダクタ３２２内のこれらの電気損失を補償する。
【００３５】
時間Ｔ3は、ブレーキコマンドが終了する時間を表す。この時間に、図４に示す実施形態において、インダクタ３２２内のエネルギーは、反対方向に送られて、キャパシタを第２の電圧レベルに再充電する。そのため、時間Ｔ4までに、キャパシタ電圧信号４０２は上昇することができ、コイル電流信号４０４はランプダウンすることができる。時間Ｔ3と時間Ｔ4との間の期間は第２の期間と呼ばれる。一例において、第２の期間は、約５ｍｓから約５０ｍｓの範囲内であるとすることができる。同様に、時間Ｔ3にて、キャパシタ２１２がインダクタ３２２内のエネルギーによって再充電されるため、電力源１１８は電池電流信号４０６を供給するのを終えることができる。そのため、電力源１１８からの電池電流信号４０６は、時間Ｔ3にて、ゼロレベルまで降下する場合がある。この例は、インダクタ損失がほとんどないことを仮定する。実際には、電池電流信号は、どんなインダクタ損失をも補償するため、或る期間、続き、図２に関して述べたように、キャパシタ電圧信号４０２を完全に元通りに上昇することができる。
【００３６】
図５を参照すると、本開示の態様による電磁力を誘起する制動ユニットの応答時間を改善するための方法を示すフローチャートが示される。理解を容易にするため、方法５００は、図２及び３のコンポーネントを参照して述べられる。方法５００は、ステップ５０２で始まり、電力源１１８によって供給される電圧レベルが、第１の電圧レベルから第２の電圧レベルに変換されて、キャパシタ２１２に貯蔵されるエネルギーを増加させる。
【００３７】
その後、ステップ５０４にて、スイッチングユニットコントローラ２１６は、ブレーキコマンドが制動ユニットコントローラ１１４から受信されたかどうかを検証する。スイッチングユニットコントローラ２１６がブレーキコマンドを受信する場合、方法５００はステップ５０６に移動する。ステップ５０６にて、スイッチングユニットコントローラ２１６は、少なくとも１つのインダクタ３２２内で電流を上昇させて、導電性ディスク１０６上に電磁力を誘起するようにブリッジ２１４に指令する。特に、ブリッジ２１４は、キャパシタ２１２に貯蔵されたエネルギーを少なくとも１つのインダクタ３２２に提供することができる。キャパシタ２１２が第２の電圧レベルまで充電されるため、少なくとも１つのインダクタ３２２内の電流は、第１の期間以内で上昇することができる。一例において、第１の期間は約５ｍｓから約５０ｍｓの範囲内であるとすることができる。「上昇（ｒａｍｐ  ｕｐ）」という用語は、電流を、その最終値のかなりの割合まで上昇させることを意味することに留意されたい。
【００３８】
ステップ５０８にて、キャパシタに貯蔵されたエネルギーが検証される。特に、スイッチングユニットコントローラ２１６は、キャパシタ２１２内のエネルギーが閾値未満であるかどうかを定期的に又は連続的に決定することができる。キャパシタ２１２内のエネルギーが閾値未満である場合、方法はステップ５１０に移動する。
【００３９】
ステップ５１０にて、スイッチングユニットコントローラ２１６は、変換器２１０から供給される電圧レベルを第１の電圧レベルから第３の電圧レベルに変換するように変換器２１０に指令するため、キャパシタ２１２は、第３の電圧レベルまで連続して充電される。この充電は、電流がインダクタ３２２を通って流れるときにインダクタ３２２内に電気損失が存在するため有用である。
【００４０】
ブレーキコマンドが終了したとき、ステータスが、ステップ５１２にて検出され、方法はステップ５１４に移動し、スイッチングユニットコントローラ２１６は、エネルギーを少なくとも１つのインダクタ３２２からキャパシタ２１２に提供し、それにより、キャパシタ２１２を第４の電圧レベルまで再充電するようにブリッジ２１４に指令する。その後、方法はステップ５０２に戻り、キャパシタを、次のブレーキコマンドに備えて完全に充電することができる。
【００４１】
システム及び方法の種々の実施形態は、制動ユニットの応答時間を改善するために使用され、所望の期間以内でのＬＶＲＴを補助する。更に、電池が電力源として使用され、低コストパワーエレクトロニクスが、キャパシタと組合せて変換器及びブリッジのために使用されるとき、システムのコスト及びサイズは適度のままである。
【００４２】
本発明の或る特徴だけが、本明細書で示され述べられたが、多くの修正及び変更を当業者が思い付くであろう。したがって、添付特許請求の範囲が、本発明の真の精神内に入るこうした全ての修正及び変更をカバーすることが意図されることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４３】
１００  発電システム
１０２  原動機
１０４  回転可能シャフト
１０６  導電性ディスク
１０８  発電機
１１０  制動ユニット
１１２  電力グリッド
１１４  制動ユニットコントローラ
１１６  誘導ユニット
１１８  電力源
１２０  スイッチングユニット
１２２  ブレーキコマンド
１２４  速度センサ
２１０  変換器
２１２  キャパシタ
２１４  ブリッジ
２１６  スイッチングユニットコントローラ
３１４  キャパシタ
３１６  インダクタ
３１８  スイッチ
３１９  ダイオード
３２０  スイッチ
３２２  インダクタ
３２４  ダイオード
５００  方法
【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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【外国語明細書】
2016025848000001.pdf