CN101610061A - 变频发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变频发电机，包括一个多极定子，一个多极转子和一个由主回路整流电路、转子励磁线圈驱动电路和CPU控制单元电路组成的变频电路，其特征在于所述多极转子的磁场采用电磁可控磁场，所述多极定子的输出电压是由所述多极定子发出的高频电压波形与CPU控制单元电路设定的多极转子的励磁驱动电压波形相叠加后产生的调幅电压，该调幅电压通过主回路整流电路正反相整流形成所需频率的正弦波交流输出电压。本发明的总造价均低于现有的同步发电机和逆变发电机，且从性能而言，本发明的电压稳定性、频率精度、波形失真情况等可基本达到现有逆变发电机的水平，而远高于同步发电机。

Description

变频发电机
技术领域
本发明涉及一种变频发电机。
背景技术
目前传统的发电机大都为交流同步发电机，由供输出电能的主绕组和提供磁场的励磁绕组组成，这类同步发电机直接产生的是与发动机转速完全同步的交流电，即每一个周期一个正弦波，如图1所示。由于目前的交流电频率一般都为50Hz或60Hz。如磁极数是2极或4极，则提供的动力源就只能是3000r，3600r和1500r，1800r。而一般动力源的转速最佳值不一定在此范围内。例如小型汽油发动机的最佳工作频可在4000r甚至更高，所以用同步发电机方式就无法发挥出其更大的动力，而较大柴油机的最佳工作频率在2500左右，3600r已无法工作，要制造60Hz的发电机就只能用磁极数为四极的同步发电机，且发动机只能用1800r转速，这样就大大降低了柴油发电机的功率，增加了重量。其次，发电机的功率重量比与频率有很大的关系，频率越高，发电机频率重量比越大，发电机可做得越轻。一般情况频率增加10倍，同一功率发电机只有原机的三分之一重量，所以通过增加发电机的频率就可大大减少原材料的使用及发电机的重量。
另一种近年开始在一些小型发动机上使用较多的为逆变发电机，其原理是采用永磁多极发电机发出较高频率的等幅交流电，然后通过一个逆变器将较高频率的交流电转换成一个恒定的直流电，再通过逆变方式转换成50Hz或60Hz的正弦交流电(如图2所示)，简称ADA发电方式，此方式解决了同步发电机的发动机只能对应固定频率的缺点。也解决了发电机低频工作的缺点，同时具有非常好的电性能。但这种逆变发电机的交流电产生方式是通过20K左右频率对直流进行斩波再用电感进行滤波使输出的波形复原成50Hz或60Hz正弦波交流电，由于20K的频率能量很大，容易产生高次谐波并通过电感辐射到空中生产电磁干扰，所以此方法只能用在较小功率的发电机上。而且逆变发电机的电子线路部分较复杂，成本高，性价比较低，市场竞争优势不明显。
发明内容
本发明目的是：提供一种能够同时克服上述现有同步发电机和逆变发电机的缺点，且重量更轻，价格更低，性能也完全能满足所有用电器需要的变频发电机。
本发明的技术方案是：一种变频发电机，包括一个多极定子，一个多极转子和一个由主回路整流电路、转子励磁线圈驱动电路和CPU控制单元电路组成的变频电路，其特征在于所述多极转子的磁场采用电磁可控磁场，所述多极定子的输出电压是由所述多极定子发出的高频电压波形与CPU控制单元电路设定的多极转子的励磁驱动电压波形相叠加后产生的调幅电压，该调幅电压通过主回路整流电路正反相整流形成所需频率的正弦波交流输出电压。
本发明中所述多极转子的磁场强弱受励磁驱动电压控制，并按照所需发出的正弦波交流输出电压的频率作周期性变化。
本发明中所述多极定子输出的高频电压的频率具体为所述多极转子的转速与其磁极数的乘积，而励磁驱动电压的低频包络线频率及波形则是根据正弦波交流输出电压的频率及波形的需要由所述CPU控制单元电路所产生。
进一步讲，本发明中所述励磁驱动电压由所述CPU控制单元电路输出的励磁电压控制信号经转子励磁线圈驱动电路放大后输出给多极转子的励磁线圈；而励磁电压控制信号则由CPU控制单元电路根据所需的正弦波交流输出电压的频率及波形变化曲线信号，并结合取自多极定子输出电压的反馈信号、取自正弦波交流输出电压的反馈信号以及其它各种反馈信号进行综合处理后产生。而所述的其它各种反馈信号同现有技术一样，具体包括发电机输出端因负载变动而造成输出电压波动的反馈信号、驱动转子旋转的发动机本身输出功率不稳定而造成输出电压波动的反馈信号，以及发电机的定转子因温度变化而造成输出电压波动的反馈信号等。
而本发明中所述正弦波交流输出电压的波形是由所述主回路整流电路根据CPU控制单元电路输出的整流控制信号对多极定子输出的调幅电压包络线进行正反相整流而形成。
并且本发明中的上述整流控制信号与前述励磁电压控制信号同步。
本发明的优点是：
本发明与现有的同步发电机相比，由于采用电磁可控磁场的多极转子，提高了发电机的频率，故大大节省了铜材及矽钢材料，减轻了机器的重量；而最大的优势是本发明可选择与发动机转速达成最佳匹配关系的工作频率，与同步发电机相比使得同样排量的发动机可输出更大的功率。
而本发明与现有的逆变发电机比较，由于其发电过程取消了ADA发电方式中20K左右的高频斩波过程，所以没有高频辐射干扰，几乎消除了电磁干扰；同样本发明的变频电路取消了使用价格昂贵的大功率半导体功率器件，以及大容量电容，避免使用体积较大容易造成电磁干扰的大电感，故大大减低了成本，简化了电子电路，进一步减轻了发电机重量。
总之，本发明的总造价均低于现有的同步发电机和逆变发电机，且从性能而言，本发明的电压稳定性、频率精度、波形失真情况等可基本达到现有逆变发电机的水平，而远高于同步发电机。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为现有的同步发电机定子上输出的电压波形示意图；
图2为现有的逆变发电机定子上的输出电压至最终正弦波输出电压波形变化示意图；
图3为本发明变频发电机的定转子部分的结构示意图；
图4为本发明的变频电路的工作原理框图；
图5为本发明的多极定子上输出电压波形至最终正弦波输出电压波形变化示意图。
其中：1、多极定子；2、多极转子；3、输出线圈；4、励磁线圈。
具体实施方式
实施例：结合图3和图4所示，本实施例所述的这种变频发电机，包括一个多极定子1，一个多极转子2和一个由主回路整流电路、转子励磁线圈驱动电路和CPU控制单元电路组成的变频电路，所述多极转子2的磁场采用电磁可控磁场，其各个极上的励磁线圈4与转子励磁线圈驱动电路相连，而多极定子1上的输出线圈3则同主回路整流电路相连，所述CPU控制单元电路则同时连接主回路整流电路和转子励磁线圈驱动电路。
结合图4、图5所示，本实施例所述的变频发电机工作时，同现有技术一样，由发动机驱动多极转子2转动后，便在多极定子1的输出线圈上产生电压，多极定子1上取出部分能量提供给多极转子2的励磁线圈4后又使其自身输出线圈3上绩聚能量直至达到平衡状态。
正常工作时，CPU控制单元电路根据所需发出的正弦波交流输出电压的频率及波形变化曲线信号，并结合取自多极定子输出电压的反馈信号和取自正弦波交流输出电压的反馈信号以及其它各种反馈信号，综合处理后产生励磁电压控制信号，该励磁电压控制信号经转子励磁线圈驱动电路放大形成励磁驱动电压输出给多极转子的励磁线圈，以控制多极转子的磁场强弱按所需的正弦波交流输出电压的频率作周期性变化，进而在多极定子上产生一个带有包络线的调幅电压，该调幅电压也即由所述多极定子发出的高频电压波形与励磁驱动电压波形相叠加的产物。而其中所述多极定子输出的高频电压的频率为所述多极转子的转速与其磁极数的乘积。
与此同时所述主回路整流电路根据CPU控制单元电路输出的与前述励磁电压控制信号同步的整流控制信号来对多极定子输出的调幅电压包络线进行正反相整流，再滤波，最终输出完全的正弦波交流电。
本发明所述的这种变频发电机与现有的同步发电机相比，由于采用电磁可控磁场的多极转子，提高了发电机的频率，故大大节省了铜材及矽钢材料，减轻了机器的重量；而最大的优势是本发明可选择与发动机转速达成最佳匹配关系的工作频率，与同步发电机相比使得同样排量的发动机可输出更大的功率。
而本发明与现有的逆变发电机比较，由于其发电过程取消了ADA发电方式中20K左右的高频斩波过程，所以没有高频辐射干扰，几乎消除了电磁干扰；同样本发明的变频电路取消了使用价格昂贵的大功率半导体功率器件，以及大容量电容，避免使用体积较大容易造成电磁干扰的大电感，故大大减低了成本，简化了电子电路，进一步减轻了发电机重量。
总之，本发明的总造价均低于现有的同步发电机和逆变发电机，且从性能而言，本发明的电压稳定性、频率精度、波形失真情况等可基本达到现有逆变发电机的水平，而远高于同步发电机。

Claims (6)

1.一种变频发电机，包括一个多极定子，一个多极转子和一个由主回路整流电路、转子励磁线圈驱动电路和CPU控制单元电路组成的变频电路，其特征在于所述多极转子的磁场采用电磁可控磁场，所述多极定子的输出电压是由所述多极定子发出的高频电压波形与CPU控制单元电路设定的多极转子的励磁驱动电压波形相叠加后产生的调幅电压，该调幅电压通过主回路整流电路正反相整流形成所需频率的正弦波交流输出电压。
2.根据权利要求1所述的变频发电机，其特征在于所述多极转子的磁场强弱受励磁驱动电压控制，并按照所需发出的正弦波交流输出电压的频率作周期性变化。
3.根据权利要求1或2所述的变频发电机，其特征在于所述多极定子输出的高频电压的频率为所述多极转子的转速与其磁极数的乘积，而励磁驱动电压的低频包络线频率及波形是根据所需的正弦波交流输出电压的频率及波形由所述CPU控制单元电路所产生。
4.根据权利要求3所述的变频发电机，其特征在于所述励磁驱动电压由所述CPU控制单元电路输出的励磁电压控制信号经转子励磁线圈驱动电路放大后输出给多极转子的励磁线圈；而励磁电压控制信号则由CPU控制单元电路根据所需的正弦波交流输出电压的频率及波形变化曲线信号，并结合取自多极定子输出电压的反馈信号、取自正弦波交流输出电压的反馈信号以及其它各种反馈信号进行综合处理后产生。
5.根据权利要求4所述的变频发电机，其特征在于所述正弦波交流输出电压的波形是由所述主回路整流电路根据CPU控制单元电路输出的整流控制信号对多极定子输出的调幅电压包络线进行正反相整流而形成。
6.根据权利要求5所述的变频发电机，其特征在于所述主回路整流电路的整流控制信号与所述励磁电压控制信号同步。
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