CN101632219B - 用于控制激励的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于同步发电机的激励控制电路。所述同步发电机是包括主机(2)和用于激励所述主机的激励器(6)的类型。所述激励控制电路包括：自动电压调整器(10)，用于控制从所述主机向所述激励器的功率流；以及激励增强系统(14)，用于选择性地从第二电功率源(12)向所述激励器(6)供应功率。这可以使得例如当所述发电机过载时能够提供额外的激励。该布置可以使得能够通过增加激励增强系统以提供增强的负载性能来升级同步发电机。

Description

用于控制激励的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种用于控制同步发电机中的激励的方法和设备。

背景技术

同步发电机通过将由转子产生的磁场相对于定子中的绕组进行旋转以便在定子绕组中产生AC输出而工作。通过使DC电流通过转子中的绕组，可以产生转子的磁场。这个DC电流可以由安装在发电机的轴上的激励器产生。可以提供自动电压调整器(AVR)来控制激励器，由此控制被供应到转子绕组的电流。

同步发电机通常具有最大额定负载，其是发电机在稳态条件下可以供应的最大负载。另外，特定的应用可能要求发电机具有短路维护和/或增强的过载能力。要求这一点的应用包括(除其他以外)航海应用、移动灯塔和军用原动力发电机组。

传统上，已经通过使用嵌入在主机的定子中的辅助绕组或者与电枢绕组成直线地连接的组合变压器来满足这样的要求。所述辅助绕组方法的缺点是它不能在使用中或者在制造后被安装(up-fit)。因此，绕组本身必须被嵌入在所有的机器中，导致较高的活性材料成本。而组合变压器可以被安装，以满足组合变压器的许多变化形式所要求的许多框架尺寸和/或磁芯尺寸的要求，因此增加了在分发中心的库存要求。而且，需要发电机降低额定值，从而再一次影响了活性材料和成本。

可选地，可以使用永久磁铁发电机(PMG)来激励发电机并提供用于满足短路维护和过载支持要求的单独装置。这样的PMG在稳态条件下将作为受保护的激励功率源(source of excitation power)。即使PMG可以避免与辅助绕组或者组合变压器相关联的问题中的一些，也需要对于在没有过载能力的机器上使用的AVR的替代AVR。

已经估计，在低功率范围(＜50kVA)中，应用的仅仅大约5-10％实际上需要增强的过载性能。因此，经常有必要提供没有增强的过载性能的复杂性和所附加的费用的基础机器。尽管如此，仍然期望能够升级基础机器以提供短路和过载性能，同时将基础机器的成本保持为最小。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于同步发电机的激励控制电路，所述同步发电机包括主机和用于激励主机的激励器，所述激励控制电路包括：

自动电压调整器，用于控制从所述主机向所述激励器的功率流；以及

激励增强系统，用于选择性地从第二电功率源向所述激励器供应功率。

通过提供用于选择性地从第二电功率源向所述激励器施加功率的激励增强系统，本发明可以使得例如当发电机过载时能够提供另外的激励。本发明也可以提供下述优点：通过增加激励增强系统以提供增强的过载性能来容易地升级同步发电机。

所述激励增强系统可以被布置为在过载期间从第二电功率源向所述激励器供应功率以补充或者替代由主机供应的功率。这可以增强发电机的过载性能。

优选的是，所述自动电压调整器被布置为在稳态运行期间控制来自主机的功率流。以这种方式，可以在发电机不在过载状态下时实现通常的发电机控制。优选的是，所述系统被布置为当所述发电机过载或者接近过载时，从所述第二电功率源向所述激励器供应功率。以这种方式，当所述发电机在过载状态下时，可以提供另外的激励功率，这可以增强所述发电机的过载性能。例如，所述激励增强系统可以被布置为随着过载期间所述发电机上的负载的增大，从所述第二电功率源向所述激励器提供增大的功率量。可选地，可以适当地接通或者关断来自第二源的功率。

所述激励增强系统可以被布置为从自动电压调整器接收用于指示所述发电机的负载状况的控制信号，并且根据所述控制信号来控制从所述第二电功率源向所述激励器的功率供应。以这种方式，可以控制所述系统以使得当需要时，例如当所述发电机处于过载状态下时，功率仅仅从所述第二电功率源向所述激励器供应。而且，这种布置可以允许控制从所述第二电功率源向所述激励器供应的功率量，以使得例如当所述发电机具有更重的负载或者在短路状态下时，从所述第二源供应更多的功率。这可以改善所述发电机的过载性能。

优选的是，布置所述激励控制系统以使得在过载状态期间所述发电机的输出端处的电压大于在没有来自所述激励增强系统的贡献的情况下所述发电机的输出端处的电压。优选的是，所述激励增强系统被布置为控制从所述第二电功率源向所述激励器供应的功率，以使得在过载状态期间所述发电机的电压输出与正常运行期间所述发电机的电压输出基本上相同。

所述激励增强系统可以包括可控开关，用于选择性地从所述第二电功率源向所述发电机供应功率。所述可控开关可以包括例如晶体管，诸如双极晶体管或者场效应晶体管(FET)。在这个示例中，如果第二电功率源是AC源，则系统可以还包括整流器，用于对AC源进行整流。作为另一个示例，所述可控开关可以包括一个或多个闸流晶体管。如果所述第二电功率源是AC源，则所述一个或多个闸流晶体管可以被布置为对所述AC源进行整流和控制。

所述激励增强系统可以被布置为能够连接到自动电压调整器或者从其去除。以这种方式，所述激励增强系统可以被添加到没有增强的过载性能的发电机，以便升级所述发电机。

所述自动电压调整器的输出和所述激励增强系统的输出可以被组合并被供应到相同的激励器绕组。这使得可以将所述激励增强系统添加到没有独立的激励器需求的现有的发电机。优选的是，所述激励器是由与主机相同的原动机驱动的单个机器。

优选地，所述第二电功率源与第一源分离，并且可以是例如由与主机相同的原动机驱动的机器。例如，所述第二电功率源可以是永久磁铁发电机。所述永久磁铁发电机可以被安装在与主机相同的轴上，或者以其他方式被布置为由与主机相同的原动机驱动。所述永久磁铁放大器可以是三相的、单相的或者具有某其他数量的相。可选地，所述第二电功率源可以是由与驱动主机的原动机分离的原动机驱动的机器。

在本发明的一个优选实施例中，所述第二电功率源是永久磁铁发电机，其可以被安装在与主机相同的轴上。因为用于所述激励器的至少一些功率可以来自主机，因此所述永久磁铁发电机可以具有比需要提供所有的激励功率时低的额定值，这可以减小发电机的整体尺寸、重量和成本，而同时提供增强的过载性能。这样的布置也可以使得基本发电机被升级以提供增强的过载性能。

在另一个实施例中，所述第二电功率源是DC功率源。所述DC功率源可以是例如电池，其可以在正常运行期间被主机充电。这种布置可以避免对用于提供激励功率的独立机器的需要，因此可以实现发电机的长度、尺寸、重量的减小和/或成本的降低。

在另一个实施例中，所述第二电功率源是电容器，诸如超级电容器。在正常运行期间所述电容器可以被主机充电，并且可以被布置为在过载状态期间放电以提供暂时的额外激励功率源。

在上述布置的任何一种中，所述激励增强系统可以包括所述第二电功率源，或者所述第二电功率源可以是某个其他系统的一部分。

如果期望，所述激励增强系统可以被选择性地布置为除了所述第一源之外还从两个或者更多的电功率源向所述激励器施加功率。例如，所述系统可以被选择性地布置为从永久磁铁发电机和电池两者或者功率源的任何其他组合向所述激励器施加功率。

本发明扩展到一种同步发电机，其包括主机、用于激励所述主机的激励器和以如上所述的任何形式的激励控制电路。

根据本发明的另一个方面，提供了一种用于激励同步发电机的方法，所述同步发电机包括主机和用于激励所述主机的激励器，所述方法包括：控制从所述主机向所述激励器的功率流，以及选择性地从第二电功率源向所述激励器施加功率。

所述设备特征中的任何一个可以作为方法特征被提供，并且反之亦然。

附图说明

现在参照附图，仅仅通过示例来描述本发明的优选特征，在附图中：

图1示出了同步发电机的部件；

图2示出了典型的发电机的过载特性；

图3示出了具有激励增强系统的同步发电机的部件；

图4示出了图3的布置的可能的电压过载特性；

图5更详细地示出了激励增强系统的部件；

图6示出了采用MOSFET开关技术的激励增强控制器的实施方式；

图7示出了图6的布置的电压过载特性；

图8示出了采用闸流晶体管开关技术的激励增强控制器的实施方式；

图9示出了图8的布置的电压过载特性；以及

图10示出了激励增强系统的另一个实施例。

具体实施方式

图1示出了同步发电机1的部件。所述发电机包括主机2，主机2包括主转子3和主定子4。主转子3位于轴5上，轴5被诸如柴油机(未示出)的原动机驱动。主转子产生磁场，以便主转子相对于主定子的旋转使得在主定子绕组中产生AC输出。

通过使DC电流通过转子绕组来磁化所述主转子。该DC电流由激励器6产生，所述激励器6包括激励器转子7、激励器定子8和旋转二极管9。激励器转子7被安装在轴5上，并且激励器转子7相对于激励器定子8的旋转在激励器转子绕组中产生AC输出。该AC输出被旋转二极管9转换为DC，并且旋转二极管的DC输出被馈送到主转子3。

在图1的布置中，经由AVR 10从主定子4汲取用于激励器6的功率。这被称为自激励。AVR 10控制被供应到激励器定子8的激励水平。通过控制被馈送到激励器定子的相对低的功率，通过激励器转子的整流输出来实现对主转子中的高功率的控制。

图2示出了在图1中所示的类型的典型发电机的过载特性。值得注意的是下述事实：该发电机没有短路能力，即在0每单位伏特处，所述发电机产生0每单位电流。过载能力是差的，其中所述发电机在90％的额定电压处仅仅获得～1.8每单位电流。

图3示出了根据本发明的实施例的激励增强系统的同步发电机的部件。所述激励增强系统包括激励增强发电机12和激励增强控制器14。在这个实施例中，激励增强发电机12是具有转子15和定子16的永久磁铁发电机(PMG)。

在图3的布置中，AVR 10管理从主定子4向激励器场的功率流。对于稳态工作状态，即从没有负载直到全负载运行，主要通过主机电源来满足激励需求。在过载状态期间，从激励增强发电机12向激励器6提供额外的功率，以补充由主机提供的功率。

激励增强控制器14控制和管理来自激励增强发电机12的功率流。由激励增强发电机满足的激励功率百分比与由主机提供的激励功率的百分比的对比在主机没有负载和短路之间变化。在短路状态期间，所述激励增强发电机将贡献激励器场所需要的功率的大多数(如果不是全部的话)。图4示出了图3的布置的可能的电压负载特性。在图4中，图解了每个功率源对整个激励需求的理想化的贡献。

激励增强发电机12与传统的永久磁铁发电机的不同在于：它可以瞬时地而不是连续地被定额，因为它仅仅在激励增强控制器短时间调用激励支持时才需要工作。这导致成本、重量、惯性和体积外壳(volumetricenvelope)上的益处。对于小机器，PMG可以是例如10极(pole)的设计，并且可以将例如475瓦特的瞬时功率递送到22欧姆的激励器场电阻中，以满足主发电机(3 x PU)的短路要求。当然可以理解，在适当时，可以使用除了这些之外的值。激励增强发电机可以在制造后或者在使用中被安装到发电机的轴上。

在本实施例中，所述激励增强控制器是与AVR的电子模块分离的电子模块，其可以在制造后或者在使用中与激励增强发电机一起被安装。这可以允许使用公共的AVR来用于具有或者不具有激励支持的发电机。如上所述，激励增强控制器的功能是控制和管理从激励增强发电机向激励器场的功率流，以便补充可以从主机电枢绕组获得的功率。在替代实施例中，所述激励增强系统可以被实现为AVR的一部分。

图5更详细地示出了根据本发明的实施例的激励增强系统的部件。参见图5，通过电压传感器20来感测来自发电机主定子的AC输出。所感测的电压被馈送到AVR控制电路22，所述AVR控制电路22将所感测的电压与基准电压相比较，以便产生控制信号。所述控制信号被馈送到AVR输出电路24。AVR输出电路24根据所述控制信号来对来自主定子的AC输出进行整流和控制，以便产生用于激励器定子的DC输出。AVR输出电路24可以包括例如串联在主定子和激励器之间的闸流晶体管，所述闸流晶体管被控制电路22控制。

电压传感器20、AVR控制电路22和AVR输出电路24用于管理在稳态运行期间从主定子向激励器的功率流。这些部件因此存在于没有增强的过载能力的机器中。如果期望升级所述机器以具有增强的过载能力，则通过连接器25、26将激励增强系统连接到该机器。

激励增强系统(EBS)包括激励增强发电机28、EBS输出电路30和EBS控制电路32。当需要激励增强时，在EBS控制电路32的控制下，通过EBS输出电路30从激励增强发电机28向激励器馈送功率。EBS控制电路32从AVR控制电路22接收控制信号，所述控制信号指示主机的负载状况。当主机上的负载接近和超过额定负载时，从激励增强发电机向激励器馈送功率，以补充或者替代来自主定子的功率。作为示例，来自激励增强发电机的功率和来自主定子的功率的比可以如图4中所示。

激励增强发电机28可以是以在图3中所示的方式安装在主轴上的永久磁铁发电机。那么，EBS输出电路30可以包括用于对来自永久磁铁发电机的AC输出进行整流以及控制的部件。

图6示出了采用MOSFET开关技术的激励增强控制器的实施方式。参见图6，来自激励增强发电机(EBG)的功率被二极管D1-D6整流，以建立DC功率总线。在控制电路C和晶体管驱动电路D的控制下，通过MOSFET晶体管T1将来自DC总线的功率馈送到激励器。控制电路C和驱动电路D使用脉宽调制(PWM)技术来在必要时增加激励器场电流。所述控制电路C通过监视来自AVR的控制信号(辅助驱动信号)的状态来确定所需要的贡献的水平。PWM控制确保AVR和激励增强控制器功率源的平滑过渡。

图7示出了使用图6中所示的类型的激励增强控制器实现的电压过载特性以及对于归因于主机和激励增强控制器的整体激励需求的百分比贡献。可以看出，在正常的运行状态直到全负载状态下，主要或者全部通过主机来满足激励需求。在过载状态下，逐渐地通过激励增强发电机来满足激励需求，直到在短路状态下，通过激励增强发电机来提供所有的激励功率。

图8示出了采用闸流开关技术的激励增强控制器的实施方式。参见图8，经由半受控的、三相闸流晶体管桥来将来自激励增强发电机(EBG)的功率控制到激励器场中，所述半受控的、三相闸流晶体管桥包括闸流晶体管TY1、TY2和TY3以及二极管D1、D2和D3。在控制电路C的控制下，通过闸流晶体管驱动电路D来驱动闸流晶体管。同样根据来自AVR的控制信号(辅助驱动信号)在三个简单步骤中控制该桥，直到全导通。该系统中的任何固有的不稳定性被AVR/激励增强控制器组合的高速动作和激励器场与主机的时间常数相抵消。在图9中图解了使用该控制器获得的过载特性以及对于归因于主机和激励增强控制器的整体激励需求的百分比贡献。

图7和9都示出了所获得的～3PU的短路能力。而且，在90％发电机伏特处，～2.75PU的过载电流是可能的；这例如足以启动这样的感应电动机：该感应电机具有比没有用于提供过载支持的部件的发电机更大的发电机额定值的每kVA的马力(HP)输出。

当然，可以适配短路和过载特性，以通过改变给定主机配置的激励增强系统和激励器场绕组的特性来满足替代的需求。

图5、6和8示出了在激励增强系统和发电机的现有部件之间的多个连接。本实施例的激励增强系统使用“即插即用”布线原理，其中，所有的连接具有推入配合连接器，而没有任何两个连接是相同的。这使得不可能出现错误的连接，因此简化了的升级处理。

如上所述的激励增强系统提供了利用另外一个源来补充来自由AVR控制的一个源的功率流的方法。所述AVR受控的激励源可以是主机或者诸如安装在主轴上的永久磁铁发电机的某其他源。所述激励增强发电机可以是如上所述的永久磁铁发电机或者某其他功率源。虽然如上所述的实施例使用三相AC永久磁铁发电机来作为激励增强功率源，但是如果将激励增强控制器的输入端上的6器件整流器替换为具有4个二极管的单相等同物，则所述激励增强功率源当然可以是单相AC功率源。

图10示出了激励增强系统的另一个实施例。在图10的实施例中，DC源被用作激励增强发电机。所述DC源可以是例如传统的发电机组电池，在正常运行期间其被发电机充电。所述激励增强控制器类似于在图6中所示的那个，但是没有整流器。如果来自所述源的DC输出需要进一步的调节和/或稳定以满足激励增强控制器的要求，则使用DC/DC转换器。如果低压(12/24伏特)发电机组电池被用作DC功率源，则可能是这种情况。实现这种高级发电机组集成的益处包括作为其导致的发电机长度减小的结果的更小的整体封装。

可以被用作激励增强发电机的替代的DC源的另一个示例是超级电容器。在这种情况下，在正常运行期间所述电容器被发电机充电，并且在过载状态期间提供用于激励器的功率的短期供应。

Claims (14)

1.一种用于同步发电机的激励控制电路，所述同步发电机包括主机和用于激励所述主机的激励器，所述激励控制电路包括：

自动电压调整器，用于控制从所述主机向所述激励器的功率流；以及

激励增强系统，用于选择性地从第二电功率源向所述激励器供应功率，

其中所述激励增强系统被布置为从所述自动电压调整器接收指示所述发电机的负载状况的控制信号，并且根据所述控制信号来控制从所述第二电功率源向所述激励器供应的功率的量。

2.根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述激励增强系统被布置为在过载期间从所述第二电功率源向所述激励器供应功率以补充或者替代由所述主机供应的功率。

3.根据权利要求1或者2的激励控制电路，其中，所述自动电压调整器被布置为在稳态运行期间控制从所述主机向所述激励器的功率流。

4.根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述激励增强系统被布置为随着过载状态期间所述发电机上的负载的增大，从所述第二电功率源向所述激励器供应增大的功率量。

5.根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述激励增强系统能够连接到所述自动电压调整器或者从其去除。

6.根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述自动电压调整器的输出和所述激励增强系统的输出被组合并被供应到相同的激励器绕组。

7.根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述激励器是被与所述主机相同的原动机驱动的单个机器。

8.根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述第二电功率源是被与所述主机相同的原动机驱动的机器。

9.根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述第二电功率源是被与驱动所述主机的原动机分离的原动机驱动的机器。

10.根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述第二电功率源是永久磁铁发电机。

11.根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述第二电功率源是DC功率源。

12.根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述第二电功率源是电容器。

13.一种同步发电机，其包括主机、用于激励所述主机的激励器和根据前述权利要求中的任何一项的激励控制电路。

14.一种用于激励同步发电机的方法，所述同步发电机包括主机和用于激励所述主机的激励器，所述方法包括：

用自动电压调整器控制从所述主机向所述激励器的功率流；以及

用激励增强系统选择性地从第二电功率源向所述激励器施加功率；

其中所述激励增强系统从所述自动电压调整器接收指示所述发电机的负载状况的控制信号，并且根据所述控制信号来控制从所述第二电功率源向所述激励器供应的功率的量。

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