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公開番号2025093958
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-24
出願番号2025027361,2022502841
出願日2025-02-21,2020-04-29
発明の名称タービン電気推進用非対称24パルス単巻変圧器整流器ユニット、並びに関連するシステム及び方法
出願人エルデックエアロスペースコーポレーション
代理人SK弁理士法人,個人,個人
主分類H02M 7/06 20060101AFI20250617BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】タービン電気推進用の非対称AC/DC単巻変圧器、並びに関連するシステム及び方法を提供する。
【解決手段】非対称AC/DC単巻変圧器は、デルタ巻線の第1のコイル、第2のコイル及び第3のコイル(各コイルは、この対応する入力相で励磁される)、並びに第1のコイルに結合された第1の複数の補正巻線、第2のコイルに結合された第2の複数の補正巻線、及び第3のコイルに結合された第3の複数の補正巻線を備える。複数の整流器を有するブリッジ整流器は、それぞれの個々の補正巻線に結合される。個々の補正巻線の相は、個々の相電圧が逆入力相に対して制御されるように、非対称である。電圧は中性点に対して不平衡である。
【選択図】図1A
特許請求の範囲【請求項１】
システムであって、
非対称単巻変圧器と、ブリッジ整流器とを備え、
前記変圧器は、
対応する入力相で励磁される、デルタ巻線の第１～第３のコイルと、
前記第１のコイルに結合された第１の複数の補正巻線と、
前記第２のコイルに結合された第２の複数の補正巻線と
前記第３のコイルに結合された第３の複数の補正巻線とを有し、
前記ブリッジ整流器は、それぞれの個々の補正巻線に結合された複数の整流器を有し、
前記個々の補正巻線の相は、個々の相電圧が逆入力相に対して制御されるように非対称であり、電圧は中性点に対して不平衡である、システム。
続きを表示（約 1,500 文字）【請求項２】
各複数の補正巻線は、３つの個別巻線を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
各複数の補正巻線のタップ位置は、デルタ巻線の各対応するコイルを４つのセグメントに分離する、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記ブリッジ整流器は、この対応するダイオードの入力で１２のＡＣ相を受信し、前記ブリッジ整流器はＤＣ電圧を出力する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ブリッジ整流器は、
前記入力相のＡＣ電圧を整流するように構成された主整流器と
前記補正巻線のＡＣ電圧を整流するように構成された２次整流器とを備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記主整流器がＤＣ電力の約６６％を供給し、前記２次整流器がＤＣ電力の約３４％を供給する、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記デルタ巻線がトリプレン高調波のための低インピーダンスパスを構成する、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記ブリッジ整流器において、個々の相電圧は、ある相から次の隣接する相まで約１５度のオフセットである、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
デルタ巻線の第１のコイル、第２のコイル及び第３のコイルを有する単巻変圧器の設計方法であって、
前記方法は、巻数選択ステップ、タップ位置選択ステップ、ベクトル図構成ステップ、線を引くステップ、巻数比決定ステップ、及び巻数決定ステップを備え、
前記巻数選択ステップは、デルタ巻線の第１のコイル、第２のコイル及び第３のコイルの巻数を選択するステップであり、
前記タップ位置選択ステップは、前記デルタ巻線の第１のコイル、第２のコイル及び第３のコイルのそれぞれに沿って、補正巻線のための３つのタップ位置を選択するステップであり、前記タップ位置は、前記第１のコイル、第２のコイル及び第３のコイルそれぞれを４つのセグメントに分割し、
前記ベクトル図構成ステップは、３相入力の入力相間の巻数に比例した脚の長さを持つ正三角形を用いて変圧器のベクトル図を構成するステップであり、前記三角形の各辺は前記デルタ巻線の完全なコイルを表し、
前記線を引くステップは、前記デルタ巻線の第１のコイル、第２のコイル及び第３のコイルに沿って、各タップ位置から個々の補正巻線を表す線を引くステップであり、各線は、前記補正巻線に巻きつけられた前記コイルの相に相当する相及び補正巻線の巻数に比例する長さを有する第１の複数のベクトルのベクトルとして表され、前記第１の複数のベクトルの各ベクトルは、前記三角形の辺の１つと平行し、
前記巻数比決定ステップは、前記第１の複数のベクトルの対応するベクトルの前記長さによって、各補正巻線の巻数比を決定するステップであり、並びに
前記巻数決定ステップは、各補正巻線の巻数を、前記巻数比と前記デルタ巻線の完全なコイルの巻数の積として決定するステップを含む、方法。
【請求項１０】
前記単巻変圧器の出力相を決定するステップをさらに備え、
前記出力相を決定するステップは、
各補正巻線ベクトルの端から前記正三角形の反対側の頂点まで、第２の複数のベクトルのベクトルを描くステップと
前記第２の複数のベクトルの前記対応するベクトルの長さによって、前記個々の補正巻線の出力相を決定するステップとによって前記出力相を決定する、請求項９に記載の方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
続きを表示（約 2,400 文字）【０００２】
本出願は、２０１９年７月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／８７４７８２号の優先権を主張するものであり、該仮特許出願全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
現代の航空機は、搭載するアクチュエータにますます電気を使用している。さらに、全く新しいカテゴリーの、電気で駆動する航空機エンジンが開発されている。結果として、電気航空機の構造のために、ＡＣ／ＤＣコンバータの電力品質を向上させるべきである。
【０００４】
ある従来のシステムは、六角形の巻線構成に依拠し、ＤＣ電圧に変換される１２のＡＣ相を確立する（２４パルス整流が可能）。しかし、このような従来のシステムでは、トリプレン高調波が発生しやすく、航空宇宙産業用途での使用には限界がある。トリプレン高調波とは、３相システムで共相（ｃｏ－ｐｈａｓａｌ）になる奇数調波である。このような高調波は、第３高調波、第９高調波、第１５高調波などである。これらの高調波は共相であるため、３相システムで相殺されず、循環させるためにリターン路やデルタループが必要となる。これらが備えられていない場合、トリプレン高調波電流の存在により、電圧の不均等や過剰な電力消散などの問題を引き起こす。トリプレン高調波を緩和するためには、典型的には、巻線を追加したり、コアを大きくしたりする必要があり、結果的に、重量が増加し、効率が低下する。一方で、１相あたり８つの巻線を必要とする従来の単巻変圧器の構成では、トリプレン高調波を緩和するためには、１相あたり９つの巻線が必要となる。従来の単巻変圧器では、１相あたり追加の巻線を必要とし、トリプレン高調波緩和専用のデルタ巻線を形成し、トリプレン高調波電流の低インピーダンスパスを設ける。
【０００５】
他の従来の設計では、デルタ巻（ｄｅｌｔａ－ｗｏｕｎｄ）の対称単巻変圧器に基づき、３つの入力相から１２の出力相を複数のブリッジ整流器に供給し、２４パルスのＡＣ／ＤＣ変換を可能にする。デルタ巻対称アプローチでは、相は中性点に対して均一な振幅とフェージングを有するように設計されている。デルタ巻対称アプローチは、固有のトリプレン高調波緩和により低電流歪みを実現するが、相間変圧器を追加する必要がある。相間変圧器は、負荷に供給されるすべての電力を処理する単巻変圧器を必要とし、これによって、非対称電力処理技術と比較して重量と効率の面でペナルティが発生する。結果として、対称ソリューションは、航空宇宙産業用途で許容可能な重量と効率よりも、重量が増え、効率が低下する。
【０００６】
要するに、上記の従来のアプローチは、１つ又は複数の下記の欠点に悩まされている。つまり、固有のトリプレン高調波緩和がない、１コア脚あたり８つ以上の巻線を必要とする複雑な組立プロセス、高重量、及び低効率であることである。一方で、２４パルス未満の様態を設けるＡＣ／ＤＣコンバータ、例えば、現代の航空宇宙産業用途で一般的な１８パルスや１２パルスのＡＴＲＵは、軽量、高効率、及び固有のトリプレン高調波緩和を備えたものがある。しかし、これらの１８パルス及び１２パルスＡＴＲＵは、２４パルス変換によって提供される高い電力品質と低電流歪み（全高調波歪み又はＴＨＤｉ＜５％）を提供することはできない。従って、航空宇宙産業用途のニーズに対応するために、許容可能な重量と動作効率を備える２４パルス変換とトリプレン高調波緩和を提供できるＡＣ／ＤＣコンバータのシステムと方法が必要とされている。
【発明の概要】
【０００７】
本概要は、以下の「詳細な説明」でさらに記載される概念の選択を簡略化して紹介するために提供される。本概要は、クレームされた主題の主要な特徴を特定することを意図したものではなく、また、クレームされた主題の範囲を決定する際の補助として使用することを意図したものでもない。
【０００８】
本発明技術により、３相ＡＣ電圧から、平均入力相－中性点間ＲＭＳ電圧の振幅の約２．３５倍の振幅のＤＣ電圧に変換することが可能になる。例えば、本技術では、現代の航空宇宙産業用電力システムで一般的に使用されている２３０ボルトのＡＣ入力から公称５４０ボルトのＤＣ出力を実現する。出力電圧は入力電圧に比例する。
【０００９】
本発明技術は、単巻変圧器と整流器を組み合わせて、２４パルスの単巻変圧器整流器ユニット（Ａｕｔｏ－ＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒＲｅｃｔｉｆｉｅｒＵｎｉｔ、ＡＴＲＵ）を形成する。２４パルス整流に必要な１２相のうち３相を提供するために、３つの入力相をブリッジ整流器の３つのノードに直接供給することができる。３つの入力相をブリッジ整流器に直接接続することによって形成される電力経路は、ＡＴＲＵが処理する電力の大部分（例えば、電力の約３分の２又は約６６％）を処理する。この電力経路によって、単巻変圧器のサイズを大幅に減少させることが可能になる。単巻変圧器は、デルタ構成を形成する、３つのコイルで構成されている。また、３つの入力相も単巻変圧器のデルタコイルに供給される。
【００１０】
各コイルは、複数の直列巻線を含む。デルタ巻単巻変圧器の３つのコイルのそれぞれは、デルタの辺を形成する４つの直列巻線及び３つの補正巻線を含んでもよい。合わせて９つの補正巻線は、組み合わされた２４パルス動作のために、３つの入力相に対して適切な振幅とフェージングを有する９つの出力点を提供する（補正巻線からの９相、及び入力相からの３相）。これらの１２相はブリッジ整流器によって直接２４パルスに整流され、従来の既知のシステムで一般的に使用されている相間変圧器（ＩｎｔｅｒｐｈａｓｅＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ、ＩＰＴｓ）を追加する必要はない。
（【００１１】以降は省略されています）

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