CN102055398A - 自励式发电机的容性负载保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供自励式发电机的容性负载保护装置。对于具备自动电压调节器(10)的自励式发电机(1)，配备有：磁场电流控制用驱动器(21)，其与磁场绕组(6)串联地连接，且用于通过AVR(10)所具有的驱动电路(23)进行导通/断开控制以使磁场电流流过磁场绕组(6)；容性负载保护用转子短路驱动器(22)，其与磁场绕组(6)并联地连接，且通过导通动作使短路电流流过磁场绕组(6)，作为磁场电流控制用驱动器和容性负载保护用转子短路驱动器的驱动电源，连接有自举电路(30)，自举电路(30)具有在磁场电流控制用驱动器(21)导通时蓄积电荷的电容部(32)。

Description

自励式发电机的容性负载保护装置

技术领域

本发明涉及通过自动电压调节器(AVR)控制供应给磁场绕组的电流以调节发电机的输出的发动机驱动式发电机(自励式AVR式同步发电机)的控制装置，尤其涉及保护自动电压调节器(AVR)免受反电动势破坏的自励式发电机的容性负载保护装置，所述反电动势是由于连接了容性负载时所述发电机中的电枢反应而产生的。

背景技术

关于自励式AVR式同步发电机，在专利文献1中记载有如下所述的结构，如图4所示，该结构具有：被卷绕在发电机1的定子侧的发电绕组2和励磁绕组3；被卷绕在由驱动源(发动机)4旋转的转子5上的磁场绕组6；安装在转子5上以产生励磁电流的永久磁铁7；控制供应给所述磁场绕组6的电流的自动电压调节器(AVR)10。

经由电刷8与磁场绕组6连接的自动电压调节器(AVR)10具有：在输入侧连接了励磁绕组3的两端的整流器11；设置在整流器11与接地之间且用于对整流器11的输出电压进行平滑的电容器12；与磁场绕组6并联地连接的续流二极管13；通过导通/截止控制来使磁场电流流过磁场绕组6的晶体管14；对磁场电流进行PWM控制的磁场电流驱动电路(磁场电流驱动单元)15。磁场绕组6的一端被连接到整流器11的输出侧，磁场绕组6的另一端被连接到晶体管14的集电极侧。

为了在对流过磁场绕组6的磁场电流进行PWM控制的情况下吸收停止通电时所发生的浪涌电压并实现磁场电流的平滑化，而设置续流二极管13。

此外，发电绕组2的输出侧被构成为经由电刷8连接到负载9，并且检测到的输出电压被输入到磁场电流驱动电路15。

通过自动电压调节器(AVR)10，按如下所述的方式进行动作：通过晶体管14的导通/截止来控制供应给磁场绕组6的电流，由此，使从发电绕组2输出的电压保持为预先设定的电压。

在自励式AVR式同步发电机中，在作为负载9，连接有容性负载即电容性负载的情况下，会引起由电枢反应造成的转子5的磁化作用。因此，如图5B所示，因一定量以上的容性负载电流而引起在转子5的磁场绕组6上产生反电动势电压的现象。此时，认为由于在作为转子励磁控制单元的AVR上施加反电动势电压(过电压)，因此，在没有保护功能的情况下，会在AVR 10内部的电容器12等整流器件等上产生由过电压造成的损坏。另外，图5A是示出没有连接容性负载的通常情况中的、流过励磁绕组3和磁场绕组6的电流的简略电路说明图。再者，在图5A和图5B中，使用磁场电流控制FET 14来代替图4中的作为开关元件的晶体管14。

以往，如图6所示，使用对两个双极晶体管进行了达林顿(Darlington)连接的自偏压电路40来作为用于抑制反电动势电压的容性负载保护用短路电路。根据该电路，通过由容性负载的电枢反应造成的反电动势，基极电流ib从转子(磁场绕组6)经由引线电阻41流到晶体管42，晶体管43短路，由此流过短路电流ic。

引用文献

专利文献1：日本特开平8-140400号公报

发明内容

虽然将晶体管、FET等器件用于形成容性负载保护用短路电路，但是存在有这样的问题：在上述的自偏压电路40中，依靠转子5中产生的反电动势电压无法得到对于晶体管42、43而言足够的栅电压，因此，不能在饱和动作区域中使用这些器件，需要发热量大的大型器件。

另外，在晶体管42的基极上连接有用于降低电压的大型引线电阻41，需要抑制器件的发热。

而且，还存在有这样的问题：如果使用在电路上易操作的PNP晶体管、P沟道FET，则价格昂贵，没有适合于电路的大容量器件。

也就是说，在自偏压电路中，晶体管42、43所需要的功能只是短路动作，如果能够实现该功能，则可以抑制AVR内器件的发热，保护装置可以大幅度地小型化，并且也能够大幅度地降低由反电动势电压造成的电路损坏的可能性。

本发明是鉴于上述实际情况而提出来的，其目的在于，关于保护自动电压调节器(AVR)免受因电枢反应产生的反电动势的破坏的装置，提供一种可以使用低价的器件来构成的自励式发电机的容性负载保护装置。

为了达到上述目的，第一方案的发明在下述方面具有第一特征，即：

自励式发电机1具备自动电压调节器10，所述自动电压调节器10根据发电机输出电压的变动，向磁场绕组6供应对卷绕在由发动机驱动的发电机中的励磁绕组3的输出进行整流而获得的电流，对于所述自励式发电机1，配置有：

磁场电流控制用驱动器21，其与所述磁场绕组6串联地连接，用于通过所述自动电压调节器10所具有的驱动电路23进行导通断开控制而使磁场电流流过所述磁场绕组6；以及

容性负载保护用转子短路驱动器22，其与所述磁场绕组6并联地连接，通过导通动作使短路电流流过磁场绕组6，

作为所述磁场电流控制用驱动器和容性负载保护用转子短路驱动器的驱动电源，连接有自举电路30，

所述自举电路30具备在所述磁场电流控制用驱动器21导通时蓄积电荷的电容部32。

第二方案的发明在下述方面具有第二特征：在第一方案的自励式发电机的容性负载保护装置中，由N沟道MOSFET构成所述磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22。

第三方案的发明在下述方面具有第三特征：在第一方案的自励式发电机的容性负载保护装置中，具备使所述磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22总是相互反转地进行动作的控制单元24。

第四方案的发明在下述方面具有第四特征：在第三方案的自励式发电机的容性负载保护装置中，所述控制单元24分别以任意的脉冲宽度和相位控制所述磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22，由此，以不同的定时进行电压驱动。

根据具有第一特征的本发明，通过设置容性负载保护用转子短路驱动器22，实现防止由于磁场绕组6中产生的反电动势而造成的AVR损坏，并且对容性负载保护用转子短路驱动器22使用电容部32作为独立的电源。

即，通过使用自举电路作为各驱动器的驱动电源，可以用一个系统的电源来确保足够使磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22两者在饱和区域进行动作的栅电压。其结果，可以抑制导通时的各驱动器的发热，能够采用小型的器件来作为各驱动器。

根据具有第二特征的本发明，通过对各驱动器使用廉价的N沟道MOSFET，可以廉价地构成装置整体。

根据具有第三特征的本发明，通过具备使各驱动器总是相互反转地动作的控制单元24，能够避免各驱动器同时导通。

根据具有第四特征的本发明，通过分别以任意的脉冲宽度和相位对各驱动器进行控制，能够以不同的定时对各个驱动器进行电压驱动。

附图说明

图1是示出本发明一个实施方式的自励式发电机的容性负载保护装置的要部结构的框图。

图2是用于说明驱动磁场电流控制用驱动器和容性负载保护用转子短路驱动器的驱动脉冲的时间图。

图3是用于说明磁场绕组中产生的反电动势与磁场电流控制用驱动器以及容性负载保护用转子短路驱动器的驱动脉冲之间的关系的时间图。

图4是示出具备自动电压调节器(AVR)的一般的自励式发电机的结构的结构说明图。

图5A示出自励式发电机的简易电路图，是示出在平常的时候流动的电流的简易电路图。

图5B示出自励式发电机的简易电路图，是示出在连接容性负载的时候流动的电流的简易电路图。

图6是示出现有的容性负载保护用短路电路的结构的简易电路图。

标号说明

1自励式发电机

2发电绕组

3励磁绕组

4发动机

5转子

6磁场绕组

7永久磁铁

8电刷

9负载

10自动电压调节器(AVR)

11整流器

13续流二极管

14晶体管(磁场电流控制FET)

15磁场电流驱动电路

21磁场电流控制用驱动器

22容性负载保护用转子短路驱动器

23FET驱动电路

24CPU(控制单元)

25恒压电源

30自举(bootstrap)电路

32电容部

33光电耦合器

40自偏压电路

具体实施方式

下面参照附图说明本发明一个实施方式的自励式发电机的容性负载保护装置。图1是示出本发明的自励式发电机的容性负载保护装置的要部结构的框图。在图1中，关于与图4相同的结构，标注相同的标号。

如图4所示，连接有容性负载保护装置的自励式发电机1由发动机驱动，并具备自动电压调节器10，该自动电压调节器10根据发电机输出电压的变动向磁场绕组6供给电流，该电流是利用整流器11对卷绕在发电机中的励磁绕组3的输出进行整流而获得的。电容器12是用于使整流器11的输出电压平滑化的电容器。

用于使磁场电流流到磁场绕组6的磁场电流控制用驱动器21与磁场绕组6串联地连接。该磁场电流控制用驱动器21被构造成：通过自动电压调节器10所具有的FET驱动电路23进行导通/断开控制，由此，使磁场电流流到磁场绕组6。磁场电流控制用驱动器21由载流子为电子(n沟道)的N沟道MOSFET构成。

此外，使短路电流流到磁场绕组6的容性负载保护用转子短路驱动器22与磁场绕组6并联地连接。该容性负载保护用转子短路驱动器22被构造成：在磁场绕组6上产生反电动势的情况下，通过导通动作使短路电流流到磁场绕组6。容性负载保护用转子短路驱动器22由载流子为电子(n沟道)的N沟道MOSFET构成。

磁场电流控制用驱动器21的栅极部经由FET驱动电路23与CPU 24连接。用于驱动CPU 24的规定的电源电压(直流5V)从驱动容性负载保护装置的直流电源26(直流15V)经由恒压电源25被供应给CPU 24。此外，作为驱动电源，直流电源26经由电源线27被连接到FET驱动电路23。

驱动定时经过调节的PWM信号输出从FET驱动电路23被输入到磁场电流控制用驱动器21的栅极部，由此，进行磁场电流控制用驱动器21的导通/断开控制，控制流到磁场绕组6的磁场电流。

容性负载保护用转子短路驱动器22的栅极部经由自举电路30被连接到CPU 24。

自举电路30被构造成具有二极管31、电容部32以及具备发光二极管33a和光电晶体管33b的光电耦合器33，电容部32被连接于容性负载保护用转子短路驱动器22的栅极部与源极部之间，相对于直流电源26为正向的二极管31经由电源线27连接到容性负载保护用转子短路驱动器22的栅极部以及电容部32。

光电耦合器33的输出部以与电容部32并联的方式连接到容性负载保护用转子短路驱动器22的栅极部以及容性负载保护用转子短路驱动器22的源极部(磁场电流控制用驱动器21的漏极部)。

光电耦合器33用于实现容性负载保护用转子短路驱动器22与CPU24的电绝缘。即，在磁场电流控制用驱动器21断开时，由于容性负载保护用转子短路驱动器22的标准电位与CPU 24的标准电位不同，因此将CPU 24的驱动信号变换为光信号，通过该光信号来驱动容性负载保护用转子短路驱动器22。

也就是说，自举电路30的光电耦合器33与FET驱动电路23接收来自CPU 24的驱动信号，分别独立地对磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22进行导通/断开控制。

因此，在通过来自CPU 24的驱动信号使磁场电流控制用驱动器21导通而容性负载保护用转子短路驱动器22断开(非导通)时，自举电路30使电荷从直流电源26经由二极管31蓄积到电容部32中，在磁场电流控制用驱动器21断开时(非导通时)，来自CPU 24的驱动信号被发光二极管33a变换为光信号，利用该光信号，使光电晶体管33b导通，由此，光电耦合器33的输出侧短路，作为由蓄积在电容部32中的电荷实现的独立电源，使容性负载保护用转子短路驱动器22得以驱动。

CPU 24进行的磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22的控制，如图2所示，是通过总是使得反转动作(导通/断开)的驱动脉冲(总是某一方为导通)来进行。关于磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22的驱动脉冲，为了可靠地防止两者同时导通，设置相对于一方的驱动脉冲的下降使另一方的驱动脉冲的上升延迟的死区时间(dead time)，由此，既避免两FET同时短路，又兼顾磁场/容性负载保护。

通过使磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22中的任一个导通，在将位于容性负载保护用转子短路驱动器22内部的源极和漏极之间的寄生二极管用作为续流二极管的基础上，使容性负载保护用转子短路驱动器22导通，对磁场电流进行同步整流，可以减少损失。

接着，对CPU 24进行的磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22的具体控制进行说明。

由于磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22能分别以独立的电源来驱动，因此，通过CPU 24的控制程序，可分别以任意的脉冲宽度、相位来进行控制。

关于通过驱动脉冲进行的磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22的控制，在负载中连接了容性负载的情况下，因为磁化作用而几乎不需要转子的励磁，所以可以使磁场电流控制用驱动器21的导通占空比(on duty)无限地接近0。

即，如图3所示，在磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22的一直反转动作(导通/断开)中，将容性负载保护用转子短路驱动器22的导通时间设定得较长，可以分别以不同的定时对磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22进行电压驱动。

关于磁场电流控制用驱动器21的导通/断开控制，通过以任意的脉冲宽度和相位进行控制，可以恰当地控制磁场电流。

此外，在连接了容性负载时，虽然需要以产生反电动势的相位使“磁场电流控制用驱动器21断开而容性负载保护用转子短路驱动器22导通”，但是可以通过CPU 24的控制程序容易地进行设定。

下面，说明在通过图3所示的定时的驱动脉冲对磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22进行导通/断开控制时的容性负载保护装置的动作。

在自举电路30中，在通过来自CPU 24的驱动信号使磁场电流控制用驱动器21导通而容性负载保护用转子短路驱动器22断开(非导通)时，电荷从直流电源26经由二极管31被蓄积到电容部32中。

此外，在磁场电流控制用驱动器21断开(非导通)而容性负载保护用转子短路驱动器22导通时，由磁场绕组6中产生的反电动势造成的短路电流在由磁场绕组6和容性负载保护用转子短路驱动器22构成的闭合电路中流动，由此，防止对AVR侧的电容器12造成影响。

也就是说，根据上述的自励式发电机的容性负载保护装置的结构，对磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22进行导通/断开控制，通过在磁场电流控制用驱动器21断开而容性负载保护用转子短路驱动器22导通时使短路电流流过磁场绕组6，可以防止由于磁场绕组6中产生的反电动势对AVR电路(电容器12等)造成损坏。

此外，根据上述的容性负载保护装置的结构，将N沟道MOSFET用于磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22，通过基于自举电路30实现的独立电源来分别进行驱动。因此，可以确保使各驱动器的MOSFET在饱和区域进行动作所需的足够的栅电压，可以通过一个系统的直流电源26在饱和区域使用磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22两者，能够抑制MOSFET的发热(实现发热损失的降低)，其结果，可以采用小型的器件来作为MOSFET，能够以廉价且大容量的N沟道MOSFET来应对。

对上述的容性负载保护装置与图6所示的作为容性负载保护用短路电路的自偏压电路40的比较进行说明。

首先，通过自偏压电路40进行动作的容性负载保护晶体管(晶体管42、43)不能控制启动时间(firing time)(被动的动作)。即，在自偏压电路40的情况下，除非连接了容性负载并在磁场绕组6中产生反电动势，否则晶体管42、43不动作。因此，在进行AVR的数字化(微机控制)的时候，为了在连接了容性负载时直接通过微机来控制磁场电流控制FET 14，需要避免容性负载保护晶体管(晶体管42、43)与磁场电流控制FET 14同时导通(短路)的电路、控制。

对此，若使用上述的容性负载保护装置，则通过自举电路30，由CPU24控制磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22，由此，可以利用预先决定的程序来进行微机控制，能够利用软件来避免各驱动器同时导通(短路)。

另外，即使是不在CPU 24中使用基于程序的微机控制的情况下，也可以通过逻辑电路以相反的逻辑对驱动磁场电流控制用驱动器21和容性负载保护用转子短路驱动器22进行驱动，由此发挥相同的效果(抑制发热/小型化)。

再者，在容性负载保护用短路电路由自偏压电路40形成的情况下，如上面所述，除非连接了容性负载并在磁场绕组6中产生反电动势，否则晶体管42、43不动作。在FET、晶体管的故障模式为短路，自偏压电路40中的磁场电流控制用FET(晶体管)14发生了故障/短路的情况下，有可能在自励式发电机1的输出电压保持过电压的状态下继续发电。

对此，如果使用本例的容性负载保护装置，则在磁场电流控制用驱动器(FET)21或容性负载保护用转子短路驱动器(FET)22中的一方发生了短路故障的时刻，由于在两者的FET上都产生短路状态，因此两者都损坏，AVR的单元损坏，但是因为不流过磁场电流，发电机输出不会上升，所以可以避免发电机以保持过电压的状态继续发电的情况。

Claims (4)

1.一种自励式发电机的容性负载保护装置，

自励式发电机(1)具备自动电压调节器(10)，所述自动电压调节器(10)根据发电机输出电压的变动，向磁场绕组(6)供给对卷绕在由发动机驱动的发电机中的励磁绕组(3)的输出进行整流而获得的电流，对于所述自励式发电机(1)，配置有：

磁场电流控制用驱动器(21)，其与所述磁场绕组(6)串联地连接，用于通过所述自动电压调节器(10)所具有的驱动电路(23)进行导通断开控制以使磁场电流流过所述磁场绕组(6)；以及

容性负载保护用转子短路驱动器(22)，其与所述磁场绕组(6)并联地连接，通过导通动作使短路电流流过磁场绕组(6)，

作为所述磁场电流控制用驱动器和容性负载保护用转子短路驱动器的驱动电源，连接有自举电路(30)，

所述自举电路(30)具备在所述磁场电流控制用驱动器(21)导通时蓄积电荷的电容部(32)。

2.根据权利要求1所述的自励式发电机的容性负载保护装置，其中，由N沟道MOSFET构成所述磁场电流控制用驱动器(21)和容性负载保护用转子短路驱动器(22)。

3.根据权利要求1所述的自励式发电机的容性负载保护装置，其中，具备使所述磁场电流控制用驱动器(21)和容性负载保护用转子短路驱动器(22)总是相互反转地进行动作的控制单元(24)。

4.根据权利要求3所述的自励式发电机的容性负载保护装置，其中，所述控制单元(24)分别以任意的脉冲宽度和相位控制所述磁场电流控制用驱动器(21)和容性负载保护用转子短路驱动器(22)，由此，以不同的定时进行电压驱动。

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