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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-25
(45)【発行日】2024-12-03
(54)【発明の名称】電力システムのための拡張バス・インピーダンス及びサンプ制御
(51)【国際特許分類】
H02J 3/16 20060101AFI20241126BHJP
H02J 3/18 20060101ALI20241126BHJP
H02J 15/00 20060101ALI20241126BHJP
【ＦＩ】
H02J3/16
H02J3/18
H02J15/00 A
【請求項の数】
17
(21)【出願番号】P 2023522955
(86)(22)【出願日】2021-10-01
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-11-01
(86)【国際出願番号】 US2021053173
(87)【国際公開番号】W WO2022081355
(87)【国際公開日】2022-04-21
【審査請求日】2023-06-13
(31)【優先権主張番号】17/073,219
(32)【優先日】2020-10-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】503455363
【氏名又は名称】レイセオン カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(74)【代理人】
【識別番号】100135079
【弁理士】
【氏名又は名称】宮崎 修
(72)【発明者】
【氏名】クズネツォフ，スティーブン ビー．
【審査官】辻丸 詔
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１６／０３３６９２８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１６／０６６３９６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭４７－００３７７２（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２０／００５４０７（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｊ ３／１６
Ｈ０２Ｊ ３／１８
Ｈ０２Ｊ １５／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
電源からの電力を分配するよう構成される配電バスと、前記電源からの前記電力の一部を受け取るよう構成される複数の電気負荷と、
前記配電バスに並列に接続される複数の周波数変換器であって、各周波数変換器は、前記電気負荷のうちの１つに対応し、各周波数変換器は、前記電源からの前記電力の周波数を、対応する電気負荷に関連付けられる出力周波数に変換し、前記対応する電気負荷に有効電力を提供するよう構成される、複数の周波数変換器と、
前記電気負荷のうちの１つ以上に電力を供給するために変換可能な慣性エネルギーを貯蔵するために回転するよう構成されるフライホイールと、
前記フライホイールに結合され、かつ複数のＤＦＩＭ三次巻線ポートを備える二重給電誘導機（ＤＦＩＭ）であって、各ＤＦＩＭ三次巻線ポートは、前記電気負荷のうちの対応する１つに進み無効電力を提供し、結果として前記電源からの有効電力を主に提供する前記複数の周波数変換器における無効電力需要を低減するように構成され、前記ＤＦＩＭは、シャント接続され、前記電気負荷のうちの１つ以上における電力の変化に応答して、前記配電バスにおける伝送インピーダンスを低減し、前記配電バスにおける電圧降下を低減するよう構成される、二重給電誘導機（ＤＦＩＭ）と、
を備える、システム。
【請求項2】
前記電気負荷のうちの１つに関連付けられる電力は、サンプ状態に関連付けられる低周波数で振動し、前記ＤＦＩＭは、前記電源又は当該システムにおける前記サンプ状態の影響を最小限に抑えるために、前記サンプ状態に関連付けられるエネルギーを前記フライホイールから抽出するか、又は前記サンプ状態に関連付けられるエネルギーを前記フライホイールに戻すように構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記電気負荷のうちの前記１つに関連付けられる前記電力は、再生電力と非再生電力の間で振動し、前記ＤＦＩＭは、前記再生電力のうちの少なくとも一部を受け取り、前記再生電力のうちの前記少なくとも一部を使用して、前記フライホイールに貯蔵された前記慣性エネルギーを増加させるよう構成される、
請求項２に記載のシステム。
【請求項4】
前記ＤＦＩＭは、複数の出力ポートを含み、各出力ポートは、他の出力ポートとは独立に、前記サンプ状態に関連付けられる前記エネルギーの少なくとも一部を吸収するよう構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項5】
軸速度と慣性貯蔵エネルギーの変化に対して三次巻線における各出力周波数を実質的に一定の値に維持するように、前記ＤＦＩＭの二次巻線における励磁電流と周波数を前記フライホイールの軸速度に反比例するように変化させるよう構成されるＤＦＩＭ励磁器を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記電気負荷の各々は、無効電力需要又は無効電力振動を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
複数の電気負荷のための電力を生成するよう構成される発電機と、前記発電機からの前記電力を受け取って分配するよう構成される配電バスと、
前記配電バスに並列に接続される複数の周波数変換器であって、各周波数変換器は、前記電気負荷のうちの１つに対応し、各周波数変換器は、前記発電機からの前記電力の周波数を、対応する電気負荷に関連付けられる出力周波数に変換し、前記対応する電気負荷に有効電力を提供するよう構成される、複数の周波数変換器と、
前記電気負荷のうちの１つ以上に電力を供給するために変換可能な慣性エネルギーを貯蔵するために回転するよう構成されるフライホイールと、
前記フライホイールに結合され、かつ複数のＤＦＩＭ三次巻線ポートを備える二重給電誘導機（ＤＦＩＭ）であって、各ＤＦＩＭ三次巻線ポートは、前記電気負荷のうちの対応する１つに進み無効電力を提供し、結果として前記発電機からの有効電力を主に提供する前記複数の周波数変換器における無効電力需要を低減するように構成され、前記ＤＦＩＭは、シャント接続され、前記電気負荷のうちの１つ以上における電力の変化に応答して、前記配電バスにおける伝送インピーダンスを低減し、前記配電バスにおける電圧降下を低減するよう構成される二重給電誘導機（ＤＦＩＭ）と、
を備える、システム。
【請求項8】
前記電気負荷のうちの１つに関連付けられる有効又は無効電力は、サンプ状態に関連付けられる低周波数で振動し、前記ＤＦＩＭは、前記発電機又は当該システムにおける前記サンプ状態の影響を最小限に抑えるために、前記サンプ状態に関連付けられるエネルギーを前記フライホイールから抽出するか又は前記サンプ状態に関連付けられるエネルギーを前記フライホイールに戻すよう構成される、
請求項７に記載のシステム。
【請求項9】
前記電気負荷のうちの前記１つに関連付けられる電力は、再生電力と非再生電力の間で振動し、前記ＤＦＩＭは、前記再生電力のうちの少なくとも一部を受け取り、前記再生電力のうちの前記少なくとも一部を使用して、前記フライホイールに貯蔵された前記慣性エネルギーを増加させるよう構成される、
請求項８に記載のシステム。
【請求項10】
前記ＤＦＩＭは、複数の出力ポートを含み、各出力ポートは、他の出力ポートからガルバニック分離され、前記他の出力ポートとは独立に、前記サンプ状態に関連付けられる前記エネルギーの少なくとも一部を吸収するよう構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項11】
軸速度における広範な変化に対して三次巻線における各出力周波数を実質的に一定の値に維持するように、前記ＤＦＩＭの二次巻線における励磁電流と周波数を前記フライホイールの軸速度に反比例するように変化させるよう構成されるＤＦＩＭ励磁器を更に備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項12】
前記電気負荷の各々は、無効電力需要又は無効電力振動を有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項13】
発電機を使用して複数の電気負荷のための電力を生成するステップと、配電バスにおいて前記電力を受け取って、前記電気負荷における使用のために前記電力のうちの少なくとも一部を分配するステップと、
複数の周波数変換器によって、前記発電機からの前記電力の周波数を、対応する電気負荷に関連付けられる出力周波数に変換し、前記対応する電気負荷に有効電力を提供するステップであって、前記複数の周波数変換器は、前記配電バスに並列に接続され、各周波数変換器が、前記電気負荷のうちの１つに対応する、ステップと、
前記電気負荷のうちの１つ以上における無効電力の需要に応答して、シャント接続された二重給電誘導機（ＤＦＩＭ）を使用して、前記配電バスにおける伝送インピーダンスを低減するステップであって、前記ＤＦＩＭは、複数のＤＦＩＭ三次巻線ポートを備え、各ＤＦＩＭ三次巻線ポートは、前記電気負荷のうちの対応する１つに進み無効電力を提供し、結果として前記発電機からの有効電力を主に提供する前記複数の周波数変換器における無効電力需要を低減するように構成される、ステップと、
慣性エネルギーを貯蔵し、かつ前記電気負荷のうちの１つに関連付けられる電力の振動から前記発電機を守るために、前記ＤＦＩＭに結合されるフライホイールを回転させるステップと、
を含む、方法。
【請求項14】
前記電気負荷のうちの１つに関連付けられる有効電力は、サンプ状態に関連付けられる低周波数で振動し、当該方法は、前記発電機における前記サンプ状態の影響を最小限に抑えるために、前記ＤＦＩＭを介して、前記サンプ状態に関連付けられるエネルギーを前記フライホイールから抽出するか、又は前記サンプ状態に関連付けられるエネルギーを前記フライホイールに戻すステップを更に含む、
請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記ＤＦＩＭは、一次又は二次巻線とは異なる電圧レベルで動作し、かつ前記電気負荷によって要求される前記無効電力の少なくとも一部を補償する、前記複数のＤＦＩＭ三次巻線ポートにおいて進み無効電力を生成する非対称の空間過渡巻線を含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記ＤＦＩＭの二次巻線はＤＦＩＭ励磁電源に結合され、前記ＤＦＩＭ励磁電源は、前記複数のＤＦＩＭ三次巻線ポートが進み無効電力又は遅れ無効電力を提供して、反復的又は過渡的に振動負荷状態の力率を補償することを可能にするよう構成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項17】
前記ＤＦＩＭは、複数の多相とガルバニック分離された出力ポートを含み、当該方法は、各出力ポートにおいて、他の出力ポートとは独立に、前記サンプ状態に関連付けられる前記エネルギーの少なくとも一部を吸収するステップを更に含む、
請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般に、電気機械を使用する電力システムに向けられる。より具体的には、本開示は、脈動負荷（pulsating loads）を有する電力システムのための拡張バス・インピーダンス（augmented bus impedance）及びサンプ制御（thump control）に関する。
【背景技術】
【0002】
船舶上の多くの可変速度ドライブ又はレーダー電源物資は、エネルギー貯蔵をほとんど持たない又はまったく持たない。その結果、出力電力の過渡変動（transient swings）は、それに対応して主交流（ＡＣ）バス上で大きなエネルギー変動を示し、その結果として電圧変動が生じる。大きな有効電力（real power）変動が生じると、これらは船舶電力システム上の無効電力（reactive power）の大きな変動（ｋＶＡＲ）を伴い、原子炉バルブの応答を含む最高レベルでの発電機の動作に影響を与える。中電圧ＡＣ配電を備えた既存の船舶は、無効電力の制御が最小限であり、静的なボルトアンペア無効電力（ＶＡＲ）コンペンセータは使用されない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0003】
本開示は、電力システムのための拡張バス・インピーダンス及びサンプ制御のためのシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0004】
第１の実施形態において、システムは、電源からの電力を分配するよう構成される配電バスを含む。システムはまた、電源からの電力の一部を受け取るよう構成される複数の電気負荷も含む。システムは更に、電気負荷のうちの１つ以上における電力の変化に応答して、配電バス上の伝送インピーダンス及び電圧降下を低減し、エネルギー貯蔵能力を提供するよう構成される二重給電誘導機械（doubly-fed induction machine、ＤＦＩＭ）を含む。
【0005】
第２の実施形態において、システムは、複数の電気負荷のための電力を生成するよう構成される発電機を含む。システムはまた、発電機からの電力を受け取って分配するよう構成される配電バスも含む。システムは、電気負荷のうちの１つ以上における有効又は無効電力の変化に応答して、伝送インピーダンス及び配電バス上の電圧降下を低減するよう構成されるＤＦＩＭを含む。
【0006】
第３の実施形態において、方法は、発電機を使用して複数の電気負荷のための電力を生成するステップを含む。方法はまた、配電バスにおいて電力を受け取って、電気負荷における使用のために電力のうちの少なくとも一部を分配するステップも含む。方法は、電気負荷のうちの１つ以上における無効電力の変化に応答して、ＤＦＩＭを使用して、配電バスにおける伝送インピーダンス及び配電バスにおける電圧降下を低減するステップを更に含む。
【0007】
他の技術的特徴は、以下の図面、説明及び特許請求の範囲から当業者には容易に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【0008】
本開示のより完全な理解のために、以下の説明は、添付図面と併せて参照される。
【0009】
【図1】本開示による、拡張バス・インピーダンス制御（augmented bus impedance control、ＡＢＩＣ）の例示のシステムを示す図である。
【0010】
【0011】
【図2B】正及び負のスリップ値での従来の二重給電誘導発電機の動作の範囲を示す図である。
【0012】
【図3A】本開示による、二重給電誘導機（doubly-fed induction machine、ＤＦＩＭ）の無効電力出力のための広範な制御を示す例示のグラフを示す図である。
【図3B】本開示による、ＤＦＩＭの無効電力出力のための広範な制御を示す例示のグラフを示す図である。
【図3C】本開示による、ＤＦＩＭの無効電力出力のための広範な制御を示す例示のグラフを示す図である。
【図3D】本開示による、ＤＦＩＭの無効電力出力のための広範な制御を示す例示のグラフを示す図である。
【0013】
【図3E】本開示による、中間バスに進み無効電力（leading reactive power）を提供する能力を有する、三次巻線と過渡条件を持つ例示の誘導機のグラフ３０５を示す図である。
【0014】
【図4】本開示による、ＡＢＩＣの別の例示のシステムを示す図である。
【0015】
【0016】
【0017】
【図7A】従来の大型電力変換器の特性を示す図である。
【図7B】従来の大型電力変換器の特性を示す図である。
【図7C】従来の大型電力変換器の特性を示す図である。
【図7D】従来の大型電力変換器の特性を示す図である。
【0018】
【0019】
【図9】本開示による拡張バス・インピーダンス制御の例示的な方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下に説明される図１から図９及び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様々な実施形態は、例示のみを目的としており、いかなるようにも本開示の範囲を限定するように解釈されるべきではない。当業者は、本開示の原理が、適切に配置されたすべてのタイプのデバイス又はシステムにおいても実装されてもよいことを理解するであろう。
【0021】
簡潔性及び明確性のために、一部の特徴及び構成要素は、他の図面に関連して図示されるものを含め、すべての図面において明示的に示されていない。図面に示されているすべての特徴は、説明される実施形態のいずれかにおいて採用されてもよいことが理解されよう。特定の図面からの特徴又は構成要素の省略は、簡潔性及び明確性のためであり、その図面に関連して説明されている実施形態において、その特徴又は構成要素を採用することができないことを暗示することを意味するものではない。
【0022】
上述のように、船舶上の多くの可変速度ドライブ又はレーダー電源物資は、エネルギー貯蔵をほとんど持たない又はまったく持たない。その結果、出力電力の過渡変動は、それに対応して主交流（ＡＣ）バス上で大きなエネルギー変動を示し、その結果として電圧変動が生じる。大きな有効電力変動が生じると、これらは船舶電力システム上の無効電力の大きな変動を伴い、原子炉バルブの応答を含む最高レベルでの発電機の動作に影響を与える。中電圧ＡＣ（ＭＶＡＣ）配電（例えば４．１６ｋＶから１３．８ｋＶ）を備えた既存の船舶は、無効電力の制御が最小限であり、静的なボルトアンペア無効電力（ＶＡＲ）コンペンセータは使用されない。
【0023】
現代の船舶電力システムは、一般的なＡＣ配電システム上で、低周波数／低パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）と高周波数／高ＰＲＦの両方の脈動負荷の組合せを有する。脈動負荷間の干渉は、多くの軍用船舶で大きな問題となっている。例えばレーダー交流直流（ＡＣ／ＤＣ）電力変換器は、コンプレッサ及びポンプ装置に使用される従来の可変速度ドライブと負の相互作用をする。メガワット規模でこの問題を適切に解決するためには、エネルギー貯蔵管理と無効電力変調の組合せが望まれる。
【0024】
本開示は、電力システムのための拡張バス・インピーダンス制御の様々な実施形態を提供する。開示される実施形態は、ＡＣバスを強化し、電圧サグを低減し、「サンプ」（低周波電力振動（power oscillation））を大幅に低減するために、有効及び無効電力制御をアクティブ・エネルギー貯蔵と組み合わせる。開示される実施形態では、二重給電マルチポート誘導機を使用して、「弱い」ＡＣ電力システムにおける補償のための無効制御及びサンプエネルギーを提供する。主力発電機から負荷サイトまでの伝送距離が長い海軍船舶は、直列電気リアクタンス（series electrical reactance）が非常に高いため、弱いシステムを構成する可能性がある。開示される実施形態は、これらのタイプのシステムにおける電圧調整と無効電力の安定性を改善する。サンプの軽減は、変動的又は確率的負荷を有する陸上ベースと船舶ベースの電力システムの両方で望ましい。
【0025】
本開示の実施形態は、本明細書で説明される特徴のいずれか１つ、２つ以上又はすべてを含むことがある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むことがある。開示される実施形態は、海軍船舶及び早期警戒レーダー電力システムに関して説明されることがあるが、これらの実施形態は、他の適切なシステム又は用途にも適用可能である。
【0026】
図１は、本開示による拡張バス・インピーダンス制御（ＡＢＩＣ）のための例示のシステム１００を示す。システム１００のいくつかの実施形態を、海軍船舶電力システムに使用することができるが、他の用途も本開示の範囲内である。上述のように、ＡＢＩＣは、ＡＣバスを強化し、電圧サグを減少させ、「サンプ（thump）」を減少させるための、有効及び無効電力制御とエネルギー貯蔵の組合せを表す。
【0027】
図１に示されるように、システム１００は、ＡＣ配電バス１０４に周波数ｆ１で電力を提供する発電機セット１０２（例えばタービン発電機）を含む。システム１００はまた、高速脈動負荷１１０（例えばレーザー、レーダー、レールガン等）に有効電力とエネルギー貯蔵を提供し、かつ配電バス１０４に電圧／ＶＡＲサポートを提供するための調整可能な無効電力のソースも提供する、二重給電誘導機（ＤＦＩＭ）１０６を含む。ＤＦＩＭ１０６は、その固定子又は一次巻線に出入りする有効電力と無効電力の両方の双方向電力流を有する電気機械であり、ＤＦＩＭ１０６は、その回転子又は二次巻線に供給される励磁ＡＣ電力によって制御される。
【0028】
配電バス１０４は、発電機セット１０２からの電力を、ＤＦＩＭ１０６に及び低速脈動負荷１１２に分配する。低速脈動負荷１１２は、１つ以上のコンプレッサ、ポンプ等を表すことができる、「ハウスキーピング」負荷である。配電バス１０４の部分を、様々な要因に応じて、「強い」バス又は「弱い」バスとして特徴付けることができる。１つの要因は、電流が指定量（例えば８０％）だけ変動するときに、高速脈動負荷１１０でどの程度の電圧変動が発生するかである。弱いバスでは、高速脈動負荷１１０における電圧が大幅に（例えば２０％以上）変動することがある。強いバスでは、電圧の変動ははるかに小さい（例えば５％以下）。弱いバスは、中間変圧器に加えて、長い伝送距離（例えば約８００フィート以上）にわたって存在する伝送ケーブルのインダクタンスが原因である可能性がある。バスの強さを特徴付ける別の要因は、短絡定格（short circuit rating）である。例えば強いバスはより高い短絡定格を有することがあり（例えば４０ＭＶＡ）、弱いバスはより低い短絡定格を有することがある（例えば６ＭＶＡ）。
【0029】
ＤＦＩＭ１０６は回転機械であり、静的ＶＡＲコンペンセータで典型的に使用されるＡＣキャパシタバンクの約２倍の容量性エネルギー貯蔵密度を有することがある（例えば８．４３ＭＶＡＲ／ｍ３対４ＭＶＡＲ／ｍ３）。ＤＦＩＭ１０６は高速フライホイール１０８に結合されており、これは、エネルギーを慣性エネルギーの形式で貯蔵し、発電機セット１０２を電気負荷のうちの１つに関連付けられる電力の振動から緩衝し、それにより、システムの電力サージを軽減する。フライホイール１０８はまた、標準的な船舶用タービン発電機が応答することができるよりも速い応答時間でＤＦＩＭ１０６がサンプを軽減するのにも役立つ。サンプを軽減することにより、すべての主要な電気機器の寿命が延びる。
【0030】
図１に示されるように、ＤＦＩＭ１０６は、３つの固定子巻線ポートを含む。ポート１は、固定子への一次電源入力であり、ポート２及び３は固定子の出力ポートである。ポート１は、不安定な配電バス１０４から入力皮相電力（input apparent power）（ＭＶＡ）を受け取る。ポート２は、反復性（recurrent）電力又は電流サージで脈動負荷１１０に安定した有効電力（メガワット程度）を提供する。負荷１１０は、整流されたＤＣ負荷であってもよく、厳密にはＡＣ負荷であってもよい。ポート１とポート２は、フライホイール１０８と電力／エネルギーを交換する。ポート３は、進み力率無効電力（leading power factor reactive power）Ｑ３（ＭＶＡＲ）を生成し、これは、回転子（又は二次）励磁多相電力入力の作用によって変調され、この無効電力Ｑ３は配電バス１０４に注入される。ＡＢＩＣ無効コントローラ１１４は、電圧レベルを調整して、それぞれの負荷に対する正しいＶＡＲ一致を得る。無効電力Ｑ３は、一般に、ＤＦＩＭ１０６の出力電圧の二乗に比例する。ポート３は「同期コンデンサ」機能をサポートし、ソースエネルギーとしてＤＦＩＭ１０６の貯蔵された磁場を利用する。多相回転子励磁は、別のＡＣ励磁電源１１６から得られる。この回転子励磁電源は、出力電力の１～２回電気サイクル程度で、回転子電流と電圧レベルを迅速に変更する能力を有し、その結果、ポート２及びポート３における出力電圧を迅速に変調することができる。図１は１つのＤＦＩＭ１０６のみを示しているが、これは単なる一例にすぎない。他の実施形態は、反対方向に回転する１つ以上の機械を含む追加のＤＦＩＭ１０６を含むことができる。
【0031】
図２Ａは、本開示による、図１のシステム１００内の発電機リアクタンスの関数として伝送可能電力を示す例示のグラフ２００を示す。図２Ａに示されるように、Ｐｍａｘは、発電機セット１０２から負荷１１０への最大正規化伝送可能電力である。電力は、伝送線路特徴インピーダンスＺｏに正規化された発電機リアクタンスＸｔに対して示されている。伝送線路はほとんどが誘導性である場合であっても、長さに関係なく、伝送線路は無効電力の需要（demand）がある。グラフ２００内のラベル１から５の曲線は、異なる長さの伝送線路を表す。曲線１は、最も短い長さ（例えば０．５ｋｍ）又は「最も強い」バスを有する伝送線路である。曲線５は、最も長い長さ（例えば２．５ｋｍ）又は「最も弱い」バスを有する伝送線路である。
【0032】
点Ｐ１は、単位あたり最大電力Ｐmax＝２．５なので、典型的な固定リアクタンスＸｔ／Ｚｏ＝０．２０／単位の所望の動作点を表す。量Ｐoはソース発電機の公称出力電力である。同じ発電機リアクタンスＸｔ／Ｚｏ＝０．２０の場合、Ｐmaxは単位あたりわずか１．０であるため、点Ｐ５は、最も望ましくない動作点である。比Ｐmax／Ｐｏを大きくし、１．０より大きくすることが望まれるか又はそのようにする必要があり得る。システム１００は、シャント接続されたＤＦＩＭ１０６によるＶＡＲ注入レベル（図１のＱ３＠Ｖ１）に応じて、（許容可能な有効電力を増加させることによって）中長距離伝送線路上の動作点Ｐ５をＰ１とＰ５の間の動作点に変更する。実際には、電圧降下が大きいため、システムは典型的に、Ｘｔ／Ｚｏ＞０．４０を使用しない。開示される実施形態は、本明細書で詳述されるように、ＡＣ／ＤＣ制御整流器システム及びＤＦＩＭから更に下流のＤＣ負荷の無効需要を補償するための無効電力の必要性もカバーする。
【0033】
図２Ｂは、正及び負のスリップ値における従来の二重給電誘導発電機の動作の範囲を示す。図２Ｂでは、有効電力出力ＰＧは、ソースに接続される従来の二重励磁巻線回転子誘導機の固定子回路用であり、ここで、ＰＳは公称電源レベルである。正のスリップ値は、機械がモーターとして動作しており、回転子への電力ＰＲの正の流れがあり、ソースエネルギーを吸収していることを示す。負のスリップ値は、機械が発電機として動作しており、回転子から出る電力ＰＲの流れがあり、エネルギーをソースに還元していることを示す。回転子の電力は、スリップ値０に関して対称である。信号ＰＧＣは、公称値を上回る又は下回る、ソースに戻されるべき電力を推定するための制御信号である。この配置の１つの問題は、ソースが回転子又はその負荷によって発達した過剰なエネルギーを吸収できない可能性があり、これが、サンプ状態又は反復的過渡挙動を引き起こす可能性があることである。開示される実施形態は、この問題を解決する。
【0034】
図３Ａから図３Ｄは、本開示による、ＤＦＩＭ無効電力出力の広範な制御を示す例示のグラフ３０１～３０４を示す。いくつかの実施形態では、グラフ３０１～３０４は、可変スリップ励磁制御周波数を持つ６０Ｈｚ出力の三次多相機械巻線に基づくことができる。明らかに、この概念を、６０Ｈｚより十分に低く、６０Ｈｚより十分に高い周波数に拡張することができる。ＤＦＩＭは、図１のＤＦＩＭ１０６で表わされてよい。
【0035】
図３Ａに示されるように、グラフ３０１は、図１のポート１及びポート３の巻線に対応する固定子周辺位置（stator peripheral position）の関数として、Ｑ軸巻線の無効電力出力に対応する磁場直交密度（magnetic field quadrature density）Ｂｑを示している。プロット曲線３１１は、極６と極８との間のＱ軸巻線の無効出力磁場密度Ｂｑを示している。プロット曲線３１１は、１５％スリップの場合、単位直交磁束密度（unit quadrature magnetic flux density）あたり約±１で、点Ｐ６と点Ｐ８との間のほぼ等しい正と負の無効電力を示している。ここで、無効電力は、図１のポート３の巻線の固定子電流負荷と無効出力Ｂｑの空間積分である。
【0036】
図３Ｂに示されるように、グラフ３０２は、６極までの固定子周辺位置の関数として、Ｑ軸巻線の無効出力放射磁場密度Ｂｑを示している。プロット曲線３１２は、極４と極６との間のＱ軸巻線の無効出力磁場密度Ｂｑを示している。プロット曲線３１２は、１９％スリップの場合、点Ｐ４における０から点Ｐ６における単位あたりの高度に先行する容量性出力（highly leading capacitive output）５．８までの無効出力を示している。この特性は、固定子周辺位置ｓ／Ｔｐ＝３．０から開始するＶＡＲ生成を助ける補助的な固定子励磁巻線を有する。したがって、無効電力用の中波バスを満たすために純粋な無効出力が必要とされるとき、プロット曲線３１２で示されるように、ＤＦＩＭを１９％のスリップで動作させ、極４と極６との間に位置する巻線から出力を得ることができる。スリップ値は、出力無効需要に直接応答する回転子スリップ周波数励磁電源によって迅速に制御される。
【0037】
図３Ｃに示されるように、グラフ３０３は、４極専用の誘導発電機のスリップ値（単位あたり）と出力周波数ｆ（Ｈｚ）の関数として、生成された無効電力Ｑの正規化限界を示している。ｆ＝５０～６００Ｈｚの範囲の機械の場合、無効特性は、単位スリップあたり約０．０５でピークに達する。２つ又は３つの出力を持つ機械の場合、適切な巻線設計を使用することによって、合計Ｑを出力間で均等に分割することができる。４極の倍数の機械は、４極の複数の反復可能なセクションを利用する。
【0038】
図３Ｄに示されるように、グラフ３０４は、固定子エアギャップ周辺位置と単位あたり最大０．２５までのスリップ値の関数として、同相正規化エアギャップ径方向束密度（in-phase normalized airgap radial flux density）Ｂｐを示している。束密度Ｂｐは、ポート２又は３のいずれかのＤＦＩＭの有効電力出力の主要な成分である。グラフ３０４に示されるこれらの曲線は、固定子電流負荷（メートル周囲あたりＡｍｐ回転）とのスカラー積で空間位置にわたって積分され、ポート２で固定子巻線によって吸収されて、出力負荷が再生するときのモードでフライホイール加速に移される有効電力の限界を予測し、それによってエネルギーを電力システムに送り返す。例えばいくつかの実施形態では、単位あたり０．０５から０．１１（正又は負）のスリップ値が最も望ましい可能性がある。示される曲線は、磁化係数（magnetization factor）の１つの値、Ｇ＝Ｘｍ／Ｒ２＝３０について有効であり、ここで、Ｘｍは磁化リアクタンスであり、Ｒ２は回転子抵抗である。
【0039】
図３Ｅは、本開示による、中間バスに進み無効電力を提供する能力を有する三次巻線と過渡条件を持つ例示の誘導機のグラフ３０５を示している。対象のＤＦＩＭ三次巻線は、これによって定義される特定の制限の下で、電流に対して有効電力と無効電力の両方を出力することができる。図８Ａ及び図８Ｂの巻線図によって定義される空間的過渡状態において、図３Ｅは、反復可能なセクションにおける一次固定子極ｎ＝１からｎ＝４の異なる族（families）について、単位スリップあたりの関数としてプロットされた総エアギャップ束密度（Ｂｔ２として）と直交束密度（Ｂｑ２として）の組合せを示している。一次巻線の反復可能な固定子セクションの後、固定子周辺は多相三次巻線のセクションで巻かれ、空間過渡が発生する。例えば１２極機械は３つの反復可能なセクションを有する。最も有用な特性はｎ＝４族である。太線で示されているように、１０％のサンプルスリップ値では、Ｂｑ２値は単位あたり（per unit、ｐ．ｕ．）０．２７であり、Ｂｔ２値は単位あたり０．４４である。これら２つの点の差は、磁束密度の同相成分Ｂｐ２＝０．１７（単位あたり）である。Ｂｔ２＝Ｂｐ２＋Ｂｑ２の関係は、すべてのスリップ値に対して成立する。
【0040】
その結果、成分値は、Ｂｐ＝０．４１２ｐ．ｕ．、Ｂｑ＝０．５１９ｐ．ｕ．、Ｂｔ＝０．６６３ｐ．ｕ．である。単位あたりの基本量は、値Ｕｓ／（ｐｒ＊Ｊｓ）であり、ここで、Ｕｓは同期場速度（synchronous field speed）（ｍｓ）、ｐｒは回転子表面抵抗率（ｏｈｍｓ）、Ｊｓは固定子電流負荷（Ａ／ｍ周辺）である。図３Ｅの曲線は、負荷から／負荷へのサンプ無効電力を吸収は生じるためのより大きな無効電力（積分Ｂｑ＊Ｊｓとして計算される）に加えて、三次巻線から利用可能な実質的な有効電力（積分Ｂｐ＊Ｊｓとして計算される）があることを示す。図３Ｅからわかるように、スリップが５％のような値まで減少すると、Ｂｐの相対レベルが減少し、スリップ値が０に近づくにつれて最終的に０に向かって減少する。これは、開示される実施形態の動作モードを定義する；サンプ電力のレベルが増加すると、ＤＦＩＭ４０６への調整可能な周波数ドライブ４１４（図４に関して後述される）は、低スリップから高い値へとスリップ値を瞬間的に増加させて、より高いＢｐをもたらし、結果として、振動又は不安定な負荷から有効電力を吸収するために、三次巻線の少なくとも１つについてより高い有効電力能力をもたらす。サンプエネルギーは、タービンソースに送り返されるのではなく、マシン回転子内で放散する。
【0041】
ＤＦＩＭ巻線による純粋な有効電力吸収の必要性が生じる場合（フライホイールへの負荷エネルギーの転送等）、機械は、図３Ｄに示されるように、極４と極８との間で５～１１％のスリップ値で動作することができる。８％のスリップ曲線３１３は、この４極セクタでＢｐが単位あたり４．７から１２に増加することを示している。対照的に、ＤＦＩＭが有効サポートと無効サポートの両方を同時に提供しなければならないとき、１６％などのスリップ周波数調整によって中間のスリップ値を命令することができる。同相束密度Ｂｐは、単位あたり９．８でかなりのピークに達し、直交束密度Ｂｑは単位あたり３．０である（図３Ｂを参照されたい）。スリップ値は、同期速度ωｓを指示するＤＦＩＭ回転子励磁回路の作用により、任意の機械速度ωｒで調整され、それにより、スリップ＝（ωｓ－ωｒ）／ωｓである。同期速度（ラジアン／秒）は、ωｓ＝２＊πｆｓ／極ペアの数として、適用される励磁周波数ｆｓに正比例する。最近のドライブは数ミリ秒以内に周波数ｆｓを変更することができるので、回転子の同期場速度を同じ短い期間で変更することができ、それにより、ＤＦＩＭ出力無効電力のピークの場所を非常に高速に制御することが可能になる。
【0042】
図４は、本開示による、拡張バス・インピーダンス制御（ＡＢＩＣ）のための別の例示のシステム４００を示す。以下で議論するように、システム４００は、図１のシステム１００の対応する構成要素と同一又は類似の複数の構成要素を含む。
【0043】
図４に示されるように、システム４００は、ＡＣ配電バス４０４に電力を提供する船舶電力発電機４０２を含む。いくつかの実施形態では、発電機４０２は、図１の発電機セット１０２と同一又は類似のものとすることができる。発電機４０２及びバス４０４は、４１６０ボルトや周波数ｆｘ等の中程度の多相電圧電位である。
【0044】
システム４００はまた、複数の（例えば３つの）多相三次巻線ポート１～３を有するＤＦＩＭ４０６も含み、各ポートが、個別のパルス負荷（pulsed load）４１０～４１２（例えばレーダー、ジャマー、より高い電圧入力を必要とする電磁エフェクター等）を補償する。ＤＦＩＭ４０６は、一次又は二次巻線とは異なる電圧レベルで動作し、かつパルス負荷４１０～４１２によって要求される無効電力の少なくとも一部を補償する、三次巻線において進み無効電力を生成する非対称の空間過渡巻線（space-transient winding）を備える。ＤＦＩＭ４０６は、エネルギー貯蔵慣性フライホイール４０８に結合され、入力にソース周波数ｆｘ、出力に周波数ｆｏを有する調整可能速度の可変電圧可変周波数（variable-voltage variable-frequency、ＶＶＶＦ）ドライブ４１４によって速度を上げられる。有効電力Ｐｏは、ＶＶＶＦドライブ４１４によってＤＦＩＭ４０６の一次巻線に提供され、加速電力、摩擦損失、巻線損失及び一次Ｉ２Ｒ損失を補償する。回転子とフライホイールが定格速度に達すると、ＤＦＩＭ４０６は、調整可能な出力ｋＶＡＲとｋＷ特性を持つ回転コンデンサとして動作する。いくつかの実施形態では、ＤＦＩＭ４０６は８極機械を含み、７，５００～１１，０００ｒｐｍの実用的な動作速度範囲に基づいて５００～７３３Ｈｚの出力範囲を有する。もちろん、他の極数、出力範囲及び動作速度範囲も可能であり、本開示の範囲内である。また、図４は１つのＤＦＩＭ４０６のみを示しているが、これは一例にすぎない。他の実施形態は、反対方向に回転する１つ以上のＤＦＩＭを含め、追加のＤＦＩＭ４０６を含む。
【0045】
各負荷４１０～４１２の回路は、ＡＣ－ＡＣ間周波数変換器４１６～４１８と、負荷への所望の入力電圧に応じて昇圧又は降圧変圧器＋ＡＣ／ＤＣ整流器４２０～４２２を有する。変圧器４２０～４２２は、負荷４１０～４１２を電源電力からガルバニック分離（galvanically isolate）するために設けられている。各ＡＣ－ＡＣ間周波数変換器４１６～４１８は、ソース周波数ｆｘを、対応する負荷４１０～４１２について選択された中波ｆ１、ｆ２、ｆ３に変換する。ｆ１、ｆ２、ｆ３での中波中間リンクの利点は、変換器４２０～４２２のサイズの縮小と、ＤＦＩＭ４０６のサイズを含め、フィルタ成分サイズの縮小である。システム４００のアーキテクチャは、ＤＦＩＭ４０６の回転子ダンパーケージが、脈動負荷４１０～４１２を供給するＡＣ／ＤＣ整流器４２０～４２２によって生成される、より高い高調波を吸収することを可能にする。
【0046】
各周波数変換器４１６～４１８は、周波数ｆ１、ｆ２又はｆ３を出力し、これは、ソース周波数ｆｘよりも実質的に高い（例えば１０ｘ）。ＤＦＩＭ励磁器４２４を使用してＤＦＩＭ４０６の二次（回転子）巻線における励磁電流Ｉｅ及び周波数ｆｒを軸速度に反比例するように変化させることにより、三次巻線における出力周波数ｆ１、ｆ２及びｆ３は、エネルギーが抽出されるか又はフライホイール４０８に戻されるときに、広い速度変化にわたって実質的に一定のままにすることができる。ＤＦＩＭ４０６の機械巻線の磁気設計に起因して、周波数ｆ１、ｆ２及びｆ３は好ましくは等しく、ＤＦＩＭ４０６の主固定子巻線に注入されるＶＶＶＦドライブ４１４からの出力ｆｏと同じ周波数である。ＤＦＩＭ励磁器４２４は、三次巻線出力が、進み無効電力又は遅れ無効電力（lagging reactive power）を提供して、反復的又は過渡的に振動負荷状態の力率を補償することを可能にする。
【0047】
各パルス負荷４１０～４１２は、変圧器４２０～４２２への入力に反映されるように、等価リアクタンスＸｑｑを有する。ＤＦＩＭ４０６の３つの別個の出力三次巻線は、対応する高周波バス上で無効電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３及び無効電力Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３（Ｑ＝Ｉ２Ｘｑｑとして）と、関連する無効エネルギーを提供するが、これらは、制限なく、異なるライン電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３とすることができる。図４に示されるように、２つの負荷４１０～４１１は降圧変圧器４２０～４２１と整合され、３つめの負荷４１２は昇圧変圧器４２２を有する。周波数変換器４１６～４１８は、ソース電圧Ｖｘよりも上又は下に出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を押し上げる又は下げる能力を有する。ＤＦＩＭ４０６の３つの出力は、共通の周波数を有するが、出力電力／エネルギーは実質的に異なるレート（ＭＷ／ｓ又はＭＪ／ｓ）と規模とすることができる。
【0048】
ＤＦＩＭ４０６の複数の三次出力巻線は、各々出力ポート１～３のうちの１つに関連付けられており、負荷４１０～４１２のＶＡＲサポートを提供する。三次巻線はまた、スリップ値動作範囲に応答して、有効電力出力を提供するか又は有効電力を吸収する（図３Ｄを参照されたい）。各出力ポート１～３は、進み無効電流と電力を、対応する負荷４１０～４１２に提供することができ、これは、無効需要又は無効電力振動を有する。これは、結果として、船舶電力発電機４０２からの主に有効電力を提供する周波数変換器４１６～４１８の無効電力需要と物理的なサイズ／重量を低減する。サンプ状態が発生すると（レーダーや同様の用途に典型的である可能性がある）、サンプ有効電力エネルギーは、船舶電力発電機４０２に悪影響を与えるのではなく、フライホイール４０８から抽出されるかフライホイールに戻される。これは、船舶全体の電力変調を低減し、これは、電力変調の悪影響を受けやすい原子力航空母艦にとって特に重要である。
【0049】
ＤＦＩＭ４０６のシャント接続は、システム４００内で有効バス・インピーダンスがスリップ励磁制御によって調整可能であることを除いて、静的シャント・キャパシタがＡＣバス・インピーダンスを低減するのとほぼ同じ方法で、中波バス・インピーダンスをＤＦＩＭ接続なしで存在する値以下へ低減する。変圧器４２０～４２２は、負荷４１０～４１２の条件に応じて可変である、入力無効ＫＶＡＲ需要を有する。各負荷４１０～４１２のパルスレート（パルス／秒）が高いほど、対応する変圧器／整流器ペア４２０～４２２への入力における基本電力と調和電力の無効需要が高くなる。ＤＦＩＭ４０６は、図５Ａから図５Ｄと関連して、以下で説明されるように、スリップ励磁電流「Ｉｅ」の調整とスリップ励磁周波数「ｆｒ」の調整の組合せによって、無効電力Ｑ１、Ｑ２又はＱ３の出力を制御する。ＤＦＩＭ励磁器４２４は、ＤＦＩＭ回転子回路の巻線損失を補償する有効電力出力Ｐｒを有する。
【0050】
ＡＣ配電バス４０４のインピーダンスを下げる原理は、様々な要因に依存する。ＤＦＩＭ４０６は、低スリップモード（例えば１．５～２．５％）で制御されるとき、任意の出力周波数で負のＡＣ抵抗を構成する。ＤＦＩＭ４０６は、高速アクティブ回転子周波数コントローラ（例えば可変周波数絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＩＧＢＴドライブ）の使用によって、広い速度／エネルギー範囲にわたって負の抵抗領域で維持される。ＤＦＩＭ４０６の負の抵抗は、この特性について変換器に依存しないが、３つの周波数変換器４１６～４１８を用いて、バス４０４（例えば６０Ｈｚ）を、ｋＷとｋＶＡＲ出力の両方で高い電力密度を得るために必要なＤＦＩＭ出力周波数（例えば１０００Ｈｚ）に一致させる。いくつかの実施形態では、システム４００は、例えば６０Ｈｚで０．６３オームから０．１２オームまでのバスインピーダンスの減少を示す可能性があるが、他の値も可能であり、本開示の範囲内である。
【0051】
ＤＦＩＭ４０６は、高い軸速度が使用されるとき、高い電力密度（例えば６ｋＶＡ／ｋｇ）を達成する。周波数変換器４１６～４１８は非常に小型で効率的かつ軽量である。ＤＦＩＭ４０６の無効電力（ｋＶＡＲ）出力は、全体的なｋＶＡ機械評価内の有効電力（ｋＷ）出力とは独立である。出力ポート３は実質的に直交軸の磁気回路で動作するが、出力ポート２の有効電力出力は実質的に直接軸の磁気回路で動作する。
【0052】
図５Ａから図５Ｄは、本開示による、ＤＦＩＭ４０６による無効電力制御を示す例示のフェーザ図５０１～５０４を示す。図５Ａにおいて、フェーザ図５０１は、それぞれ図４の３つのパルス負荷４１０～４１２を表す３つのパルス負荷（負荷１、負荷２、負荷３）を示している。フェーザ図５０１において、有効電力ＰはＸ軸で示され、無効電力ＱはＹ軸で示されている。図５Ａに示されるように、線５１０～５１２は、３つのパルス負荷についての皮相電力（apparent power）Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を表し、これにより、皮相電力Ｓ１＞Ｓ２＞Ｓ３と有効電力Ｐ１＞Ｐ２＞Ｐ３となる。複数の巻線／ポートでのＤＦＩＭ４０６の出力（線５１３で示される）は、３つの無効電力Ｑ１Ｌ＞Ｑ２Ｌ＞Ｑ３Ｌを完全に補償し、有効電力はもっぱら周波数変換器４１６～４１８を通して引き出される。
【0053】
図５Ｂでは、フェーザ図５０２は負荷２（線５１１）の突然の変化を示しており、これは、現在は負荷１と負荷３を超えており（すなわち、Ｐ２＞Ｐ１＞Ｐ３）、したがって、Ｑ２Ｌ＞Ｑ１Ｌ＞Ｑ３Ｌである。状況は安定的であり、ＤＦＩＭ４０６は２～５サイクル内の変化を補償し、負荷２の有効電力Ｐ２は周波数変換器４１７によって増加する。ＤＦＩＭ４０６は、その出力のほとんどが無効電力であり、摩擦及び風損にわずかな有効電力Ｐｏしか使用されないので、８８～８９度の位相角で動作する。実際のパルス電力の実装では、負荷２は、図５Ａと図５Ｂの状態の間で、１秒間に複数回周期的に又は低周波数（例えば２Ｈｚ）で大きな有効及び無効電力変動で振動している可能性があり、したがって、サンプ状態が発生する。発電機４０２（例えばガスタービン）は大きな負荷からの再生電力を容易に受け入れることができないため、ほとんどの場合、周波数変換器４１６～４１８は電力の流れにおいて一方向であることに留意されたい。
【0054】
図５Ｃにおいて、フェーザ図５０３は、負荷３（線５１２）が、非再生Ｑｕａｄｒａｎｔ（象限）ＩＩ負荷から再生のＱｕａｄｒａｎｔ ＩＩＩ負荷へ急に変化する場合を示している。原動機を保護するために、周波数変換器４１８が一方向である場合、システム４００は、ＤＦＩＭ４０６にこの電力／エネルギーＰ３／Ｅ３を吸収させ、このエネルギーＥ３を使用して、ＤＦＩＭ４０６に結合されたフライホイール４０８を再充電させることによって、負荷エネルギーＥ３を有効電力として吸収することができる。このモードは図５Ｃに示されており、この場合、ＤＦＩＭ４０６（線５１３）は現在Ｑｕａｄｒａｎｔ ＩＶで動作しており、ここで、フェーザＳＴ３は３つの負荷４１０～４１２にすべての無効電力を提供し、フライホイール４０８がもはや更なるエネルギー増加を受け入れることができなくなり、そのエネルギーを負荷４１０～４１２のいずれかに排出しなければならなくなるまで、反復的に、負荷３から有効電力／エネルギーを吸収する。
【0055】
ＤＦＩＭ４０６及びＤＦＩＭ励磁器４２４の設計は、Ｑｕａｄｒａｎｔ ＩＩからＱｕａｄｒａｎｔ ＩＩＩへの負荷の変動が、確率的に発生するか又は迅速な応答で定期的に交互に発生することを可能にする。フライホイール４０８に負荷エネルギーを吸収させることによって、これは、そうでなければシステム４００全体（原動機ソース以外）に分配されるであろう、望ましくない過電圧及び過渡的影響をもたらす可能性のある、サンプエネルギーを排除する。システム４００は、同時に各負荷に無効電力補償を提供しながら、ＤＦＩＭ４０６が、隣接ポートとは独立に各出力ポート１～３にサンプエネルギーを吸収させ、サンプエネルギーの各セグメントを、その取り付けられたエネルギー貯蔵ユニットに戻すことを可能にする。
【0056】
図５Ｄでは、フェーザ図５０４は、図４の整流器４２０～４２２のような標準的な高出力６パルス制御ＡＣ－ＤＣ整流器を例示している。図５Ｄの回路図５０５は、このような高出力６パルス制御ＡＣ－ＤＣ整流器の代表的な回路を示している。図面において、Ｑ１は基本無効電力を表し、ＱＨは調和無効電力を表す。
【0057】
図６は、本開示による、図４に示される３つの出力分岐のうちの１つの例示の等価回路６００を示している。図６に示されるように、回路６００は、発電機４０２をソース電圧Ｖｘのソース６０２としてモデル化し、周波数変換器４１６～４１８を複合インピーダンスＺｘ＝Ｒｘの入力周波数変換器６０４としてモデル化する。入力周波数変換器６０４は、中波バスでノード６０５に給電する。ノード６０５はＤＦＩＭ４０６からの電力注入も有し、これは、回路６００で、ソース電圧Ｖ４、直列インピーダンスＺ４＝Ｒ４－ｊＸ４のＤＦＩＭ６０６としてモデル化される。負荷４１０～４１２と、整流器４２０～４２２を有する変圧器は、磁化リアクタンスＸｍを有するシャント分岐６０８と、インピーダンスＺＬ＝ＲＬ＋ｊＸＬを有する直列分岐６１０としてモデル化される。ＤＦＩＭ４０６によって、そのポートの各々のために展開される無効電力は、ＸｍとＸＬで消費される無効電力を完全に補償する。
【0058】
負荷整流器４２０～４２２がサイリスタのような位相制御ブリッジデバイスである場合、このデバイスが、ゲート遅延（α角度）と電流の位相バックスイッチングを有するとき、負荷４１０～４１２が純粋に抵抗性であるときであっても、整流器４２０～４２２への入力に対して等価な無効需要（reactive demand）が発生する。この無効需要は、負荷４１０～４１２の加速又は過渡変動で特に大きく、回路６００では、負荷と直列のリアクタンスＸｃによって表される。結果として生じる無効需要は、以下で説明されるように、変圧器磁化リアクタンス、変圧器漏れリアクタンス（transformer leakage reactance）及びＡＣ－ＤＣ変換器無効需要の組合せである。高電力サイリスタベースのＡＣ－ＤＣ変換器に存在する転流重複（commutation overlap）も無効需要に加わる。このＡＣ－ＤＣ変換器の無効需要は、出力ＤＣ電流に応じて増加する。負のリアクタンス－ｊＸ４はＤＦＩＭ出力巻線の設計特徴であり、出力リアクタンスＸｌ＋ＸｃをＸｍと並列に一致させることができ、そのため、入力周波数変換器は有効な無効需要を持たない。
【0059】
図７Ａから図７Ｄは、従来の大型電力変換器の特性を示している。図７Ａから図７Ｄの図は、Albert Kloss-Brown（Boveri&Cie、１９８４年）によるテキストブック「Basic Guide to Power Electronics」のグラフを示している。図７Ａは、テキストブックの図７７を示している。図７Ａの右側の電力サークル図は、正規化された無効電力をサイリスタゲート遅延角αの関数として示している。ＡＣ－ＤＣ変換器の無効電力需要は、単位当たり１．０で約α＝８７度でピークになることに留意されたい。図７Ｂは、テキストブックの図８１を示している。図７Ｂの下のグラフは、正規化された無効電力をＤＣ負荷電流ｉｄとα角の関数として示してる。図７Ａ及び図７Ｂでは、線７０１～７０２が、変換後のＡＣ－ＤＣ制御整流器の入力側の無効電力需要（遅れＰＦ）を示すために図に追加されている。
【0060】
図７Ｃでは、線７０３は、負荷状態の加速又は過渡変化の間に、ＡＣ－ＤＣ整流器への正規化された無効電力入力ｑｌが最初の３サイクルで非常に高いことを示している。図７Ｄでは、線７０４は、加速領域の間の最初の３サイクル中の単位あたり約０．７５の平均無効電力を示している。したがって、急速な負荷変化の間、定常状態の要件を超える追加の無効電力が必要とされる。
【0061】
図８Ａ及び図８Ｂは、本開示による、ＤＦＩＭ８０４のようなＡＢＩＣ機械の例示の巻線図８０１～８０４を示している。図８Ａ及び図８Ｂに示されるように、ＡＢＩＣ機械は、１０８個の固定子スロットと３個の無効出力巻線を有する２極ＡＢＩＣ機械である。図８Ａにおいて、巻線図８０１は、ＡＢＩＣ主入力「Ｍ」の巻線を示している。巻線図８０２は、無効出力Ｑ１グループの巻線を示している。図８Ｂにおいて、巻線図８０３は、無効出力Ｑ２グループの巻線を示している。巻線図８０４は、無効出力Ｑ３グループの巻線を示している。図８Ｂの下部に示されているブロックＭ、Ｑ１、Ｍ、Ｑ２等は、機械に励磁を提供する主巻線と、その後に無効巻線が続く機能ブロックである。次に、別の主巻線と別の無効巻線が続く。この一連の巻線は、機械磁気回路に過渡現象（transient）を発生させ、これは、追加の進み無効電力を生成する。
【0062】
図１から図８Ｂは、拡張バス・インピーダンス制御及び関連する詳細の例示のシステムを示しているが、図１から図８Ｂに様々な変更が加えられてもよい。例えば図は１つのＤＦＩＭのみを有するシステムを示しているが、これは１つの例にすぎない。他の実施形態では、システムは、反対方向に回転する１つ以上のＤＦＩＭを含め、追加のＤＦＩＭを含むことができる。一般に、電力システムには多種多様な構成があり、図１から図８Ｂは、本開示をいずれかの特定の構成に限定するものではない。
【0063】
図９は、本開示による、拡張バス・インピーダンス制御の例示的な方法９００を示す。説明の容易さのために、方法９００は、図１のシステム１００又は図４のシステム４００を使用して実行されるものとして説明される。しかしながら、方法９００は、いずれか他の適切なデバイス又はシステムとともに使用されることが可能である。
【0064】
図９に示されるように、ステップ９０２において、複数の負荷に対する電力が、発電機を使用して生成される。これは、例えば発電機４０２が、システム４００で使用するための電力を生成することを含み得る。ステップ９０４において、電力が配電バスで受け取られ、電力の少なくとも一部が、負荷で使用するために分配される。これは、例えば配電バス４０４が電力を分配することを含むことがあり、その一部が、負荷４１０～４１２の各々において使用される。ステップ９０６において、負荷のうちの１つ以上における電力の変化に応答して、シャント接続されたＤＦＩＭを使用して、配電バス上のインピーダンスが低減される。これは、例えばＤＦＩＭ４０６が、負荷４１０～４１２のうちの１つ以上における電力の変化に応答して、バス４０４上のインピーダンスを低減することを含み得る。
【0065】
ステップ９０８において、負荷リプル（ripple）又はサンプからの脈動電力が、ＤＦＩＭ４０６の三次巻線に吸収される。ステップ９１０において、負荷リプル又はサンプのエネルギーが、フライホイールエネルギー貯蔵の再充電電力又は加速に変換される。ステップ９１２において、負荷有効電力需要が高いとき、フライホイールエネルギー貯蔵からのエネルギーは、ＤＦＩＭ４０６へ及び負荷へ放出される。ステップ９１４において、電圧が、バスへのＤＦＩＭ無効電力出力と注入によって中間負荷で変調され、出力コンバータで無効電力を使用する大きな負荷変動を補償する。
【0066】
図９は、拡張バス・インピーダンス制御の方法９００の一例を示しているが、図９に様々な変更を加えることができる。例えば一連のステップとして示されているが、図９に示されている様々なステップは、重複したり、並列に起こったり、異なる順序で起こったり、複数回起こったりする可能性がある。さらに、いくつかのステップが組み合わされるか削除される可能性があり、特定のニーズに応じて追加のステップが追加される可能性がある。
【0067】
この特許文書全体を通して使用される特定の単語及びフレーズの定義を記載することは有利なことがある。「含む（include）」及び「備える（comprise）」という語及びその派生語は、限定ではなく包含を意味する。「又は（or）」という用語は包括的であり、及び／又は、を意味する。「関連付けられる（associated with）」というフレーズ及びその派生語は、含む、～に含まれる、～と相互接続する、包含する、～内に包含される、～に又は～と接続する、～と通信可能である、～と協力する、インターリーブする、並列する、～に近接する、～に又は～と結合される、有する、～の特性を有する、～に又は～と関係を有する等を意味する。「～のうちの少なくとも１つ」というフレーズは、項目のリストとともに使用されるとき、列挙された項目のうちの１つ以上の異なる組合せが使用されることがあり、リスト内の１つの項目のみが必要とされることがあることを意味する。例えば「Ａ、Ｂ及びＣのうちの少なくとも１つ」は、以下の組合せのうちのいずれか、すなわち、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡとＢ、ＡとＣ、ＢとＣ及びＡとＢとＣのいずれかを含む。
【0068】
本出願の説明は、特定の要素、ステップ又は機能が、特許請求の範囲に含まれなければならない本質的又は重要な要素であることを暗示するものとして読まれるべきではない。特許請求に係る主題の範囲は、許可された請求項によってのみ定義される。さらに、請求項のうちのいずれも、「～のための手段（means for）」又は「～のためのステップ（step for）」という正確な単語が特定の請求項において明示的に使用され、その後に機能を識別する分詞句が続く場合を除き、添付の請求項又は請求項の要素のいずれかに関して３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２（ｆ）を援用するように意図されていない。請求項における「メカニズム」、「モジュール」、「デバイス」、「ユニット」、「構成要素」、「要素」、「メンバ」、「装置」、「機械」又は「システム」等（これらに限定されない）の用語の使用は、請求項自体の特徴によって更に修正又は強化されるものとして、関連技術分野の専門家に公知の構造を指すように理解され、意図されており、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１２（ｆ）を援用するように意図されていない。
【0069】
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改変及び交換は、当業者には明らかである。したがって、例示の実施形態の上記の説明は、本開示を定義又は制約するものではない。以下の請求項によって定義されるように、本開示の精神及び範囲から逸脱することなく、他の変更、置換及び改変も可能である。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図3D】
【図3E】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8A】
【図8B】
【図9】