CN1020835C

CN1020835C - 发电机电压调节器功率电路

Info

Publication number: CN1020835C
Application number: CN89105839.7A
Authority: CN
Inventors: 大卫·阿兰·福克斯
Original assignee: Sundstrand Corp
Current assignee: Sundstrand Corp; CBS Corp
Priority date: 1988-12-29
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1993-05-19
Anticipated expiration: 2004-12-28
Also published as: DE68914272T2; DE68914272D1; JPH02228298A; EP0376726A3; CN1043837A; EP0376726A2; US4933623A; EP0376726B1; CA2005091A1

Abstract

一种发电机电压调节器电路，具有一开关电路，用以接通或切断发电机励磁机励磁绕组(12)与直流电源(10)之间的联系；放电电路(CR1、CR2)，用以导通在励磁机绕组被开关电路(14)切断后由绕组中磁场消退所产生的电流，该电流以相反方向通过直流电源；驱动电路(26)，用一系列导通脉冲控制开关电路，各导通脉冲响应时钟信号中的一个转换而开始产生，在励磁绕组中的电流达到一预定数值，或当时钟信号中发生第二转换时被终止。

Description

本发明涉及发电机中的电压调节，尤其是，涉及一种用于电压调节器中的功率电路，以及由该电路实现的控制发电机电压的方法。

控制一台发电机的输出电压需要控制发电机的励磁或励磁机励磁电流。由于某些应用要求不同的功率强度，典型使用的是开关式调节器。1984年5月1日发布的美国专利第4，446，417号介绍了一种典型的用于飞机发电机的电压调节器。在该专利所公开的调节器中，当正常运行时，把一个正的直流电压加于发电机励磁机励磁绕组的一端，绕组的另一端接地，或者，通过一只开关晶体管接到正的直流电压。开关晶体管经过脉冲宽度调制的占空比（duty cycle）控制励磁机励磁绕组两端的平均电压并从而控制励磁机励磁电流。该电流经过检测并被转变成一个电流源信号，用以反馈到一个稳定电路。

如果希望迅速地减小励磁机励磁电流，例如由于载荷的下降，正常的电流衰减（正比于电感/电阻时间常数）是不够的。采用强制反励磁在励磁绕组两端加以相当大的反向电压，从而迫使电流迅速下降。在上述专利的电路中，其强制反励磁函数是非线性的。强制反励磁电路的控制由一个独立的控制回路来提供。该回路对输出电流的大误差作出响应。在某些瞬变条件下，正常的调节脉冲宽度调制信号可能与强制反励磁电路在发电机输出的控制方面产生对抗。这种情形会造成瞬态响应的降低。

本发明提供一种发电机电压调节器功率级，它在实行强制反励磁时不会与用于发电机输出的正常调节的控制电路相对抗。

根据本发明构成的发电机电压调节器功率电路包括一个将发电机励磁机励磁绕组与一个直流电源交替地接通或切断的开关电路，和一个用于导通电流的放电电路，该电流是在励磁机励磁绕组被开关电路切断之后由于绕组中的磁场消失所产生。并以相反的方向流过直流电源。一个驱动电路向开关回路发出一系列的导通脉冲。每一个导通脉冲响应一个时钟信号中的一个转换而开始产生，而在励磁机励磁绕组中的电流达到某一预先规定的数值，或者当该时钟信号中发生一个第二转换时被终止。

在最佳实施方案中，开关电路包括一对在电路上与发电机励磁机励磁绕组作串联连接的固态开关器件，而放电电路包括一对同样在电路上与励磁绕组作串联连接的二极管。这些开关和二极管以半桥式功率级的方式连接，在开关被切断时提供最大的强制励磁。

本发明还包括由上述功率电路及该实施方案所实现的控制发电机电压的方法。本发明的调节器功率电路对一个线性控制信号作出响应，并提供最大的强制励磁以致善瞬态响应。它们还是容错式的，并能提供内在的励磁机励磁电流的限制。

通过参看描述上述实施方案的附图，可以更充分地了解本发明，但这只是一个例子。其中：

图1是根据本发明的一种实施方案构成的一种发电机电压调节器功率电路的方框图;

图2A和2B是图1的电压调节器功率电路的原理图;

图3画出了图2A和2B的电路的输出级的传递函数;而

图4和5表达了图2A和2B所示电路的工作情况的一系列波形。

参看这些图，图1是根据本发明实施方案发电机电压调节器功率电路的方框图。直流电源10提供了发电机主励磁机励磁绕组12所需的电功率。在一台典型的发电机中，直流电源可能包括一台永磁式发电机（它与主发电机的轴相耦合并一起被驱动）以及相应的可见于以往技术设计中的整流及滤波元件。开关电路14把主励磁机励磁绕组连接到直流电源，并在该绕组两端交替地施加正向和反向极性的电压。主励磁机励磁绕组中的电流受到监控，且一个与该电流成正比变化的信号通过线路16反馈到比较器18。将线性的电流指令信号提供给端子20，而比较器将这个电流指令信号与线路16中的电流表征信号相比较，从而在线路22中产生一个控制信号。脉冲发生器24产生一系列的导通脉冲，这些脉冲被驱动电路26用来控制开关电路14的运行。脉冲发生器应用一个由时钟电路28来的时钟输入信号控制脉冲的触发，并应用线路22中的控制信号来控制每一个脉冲的终止。

图2A和2B是图1的发电机电压调节器功率电路的原理图。图中所示开关电路14包括一对采取晶体管Q1和Q2方式的固态开关器件以及一对二极管CR1和CR2。晶体管Q1在电路上连接于励磁机励磁绕组12的一端和直流电源的第一导线30之间。图示晶体管Q2在电路上连接于励磁机励磁绕组的第二端和直流电源的第二导线32之间。二极管CR1被连接于励磁机励磁绕组的第二端和直流电源的第一导线之间，而二极管CR2被连接于励磁绕组的第一端和电源的第二导线之间。在这个半桥式开关电路中。晶体管起开关装置的作用，将励磁机励磁绕组与直流电源交替地接通或断开，而二极管起放电装置的作用，用以导通电流。该电流是在切断励磁机绕组与电源的联系之后由该绕组中的磁场消失所产生的，它以相反的方向通过直流电源。在工作时，两个晶体管同时被导通，改变晶体管的占空比，以便控制励磁机励磁绕组两端的电压，从而控制励磁机励磁绕组的电流。

回到图2A和2B，当晶体管Q1和Q2大致上同时导通时，电源的全部直流输出电压VDC加于励磁绕组的两端。当晶体管Q1和Q2同时截止时，励磁电流通过二极管CR1和CR2变换方向而返回电源，将全部负压-VDC加于励磁绕组上。合成的励磁机励磁电压波形在+VDC与-VDC之间切换，其平均值取决于占空比，如图3的传递函数所示。注意占空比低于50%时发生的负电压输出，只有在电流沿正方向流动时才得以维持。这样一来，这个半桥式输出电路产生了双方向的输出电压，但仅产生单方向的输出电流。这一特性并不限制该输出级被用作一个电压调节器的功率级。

包含有分流电阻R1、电阻R2和滤波电容器C1的网络提供了产生一个电流表征信号的手段，该信号代表了当Q2导通时流入励磁机励磁绕组中的实际电流。

这一信号经由线路16被馈入比较器回路18，这个比较器将它和加于端子20处的一个线性的电流指令信号相比较。比较器电路包括电阻R3、R4和R5;电容器C2和C3;稳压二极管CR3;和放大器U1。这些元件按图中所示连接和工作，以便在线路22中产生一个控制信号，这个控制信号在电流表征信号超过了由端子20 处的电流指令信号所确立的一个预先规定的数值时，由逻辑低电平转变成逻辑高电平。

包括电阻R6、R7和R8;电容器C4、C5和C6;以及D型触发器电路U2和U3的脉冲发生器电路24的连接如图2A所示。该电路使用了来自时钟28的时钟信号以及线路22中的控制信号，以在线路34中产生一系列的脉冲。这些脉冲被用来导通驱动器U4，而驱动器U4直接导通晶体管Q2，并通过一个光隔离器U5和驱动器U6导通晶体管Q1。

包括二极管CR4和电容器C7和C8的一个自举电源电路36为光隔离器U5和驱动器U6的输出级提供电压。位于晶体管Q1和Q2的栅极处的一对电磁干涉控制电路38和40对驱动电路输出端处电压相对于时间的变化率提供控制，以便最大限度地减少电磁干涉。电路38包含电阻R9、R10和R11;电容器C9和二极管CR5。电路40包含电阻R12、R13和R14;电容器C10;和二极管CR6。包含电阻R15、R16、电容器C11和二极管CR7的一个斜坡网络42将一个斜坡信号加在分流电阻R1二端的电流表征信号上。这一做法为以大于50%的占空比工作的电流编程电路提供了所需的标准的斜率补偿。

二极管CR8的作用是，当万一控制电路发生故障时，通过将端子44接地使晶体管Q2截止。电阻R17限制通往光隔离器U5的发光二极管的电流。电阻R18提供一种手段来监控在占空比指示终端46处的平均电压。

现在可以参照图4和5的计时波形图来叙述图2A和2B的电路的工作过程。功率级的开关是依靠脉冲发生电路中D型触发器U2和 U3所产生的电流程序逻辑来控制的。这个电路接收一个外部时钟信号，该时钟信号可能是固定频率，或者当本发明被应用于一个速度可变频率恒定的系统中时，这个时钟信号可以和一个反相器的切换模式同步，以便减少调制。时钟频率必须足够高，以便保持励磁机励磁电流的低脉动。励磁机绕组中的脉动电流取决于时钟频率、电源电压（例如一台经过整流的永磁式发电机的输出）和励磁绕组的电感。

图2A和2B的电路对端子20上的线性的电流指令信号作出响应。先有技术的调节器功率级特别要求脉冲宽度调制输入控制信号。它们在调节器的检测及误差放大部分存在极限性。本发明的线性响应功率级使得在整个电压调节器的设计方面可以有更大的自由度。

参看图4的计时波形图，当时钟信号CL经历一个由逻辑低到逻辑高电平的转换时，一个开关周期在时间T₀开始。这就将脉冲信号U3R提供给触发器U3的复位输入端，从而在需要的时候将它复位。电阻R8和电容器C4以如下方式控制触发器U2的复位端处信号U2R的上升时间，即触发器U2在时间T₁处复位，这个时间可能是，例如，在时间T₀之后7微秒，触发器U2的复位使得其Q端输出U2Q升高，并定时控制触发器U3，使触发器U3的Q端输出U3Q升高。这种初始复位和时间延迟确保了功率级在每一个周期中截止一个短时间，以便使自举电源充电。

触发器U3的输出U3Q使驱动器U4导通，从而U4又使晶体管Q1和Q2导通。通过电阻R1的电流形成一个电流信号IQ2，这个电流信号包含了由网络42提供的一个斜坡函数。当这个电流信号达到了某一个由端子20处的电流指令信号所确立的电压阈值V_TH 时，比较器电路18的输出Ulout在时间T₂处升高。这就使得触发器电路U3复位并使脉冲在时间T₃处终止。在时间T₄处，时钟信号回复到逻辑低电平。

如果通过励磁机励磁绕组的电流没有达到程序规定的电平，则由脉冲发生器电路24所产生的控制脉冲在下一个时钟脉冲开始时就被终止。这种情形被画于图5的计时波形图中。在时间T₅处，时钟信号经历了一个由逻辑低到逻辑高电平的转换，在这一点处，电流信号IQ2还未达到电压阈值电平V_TH。然而，时钟信号的转换将触发器U3复位，从而将输出脉冲U3Q在时间T₅处终止。在经过一个预先规定的延时之后，这个脉冲在时间T₆处又再次开始产生。

在比较器的控制输入处，稳压二极管CR3将到U1的输入箝制在一个预先规定的最高电平上。由于图2A和2B的电路具有线性响应，这就是励磁机励磁电流提供了内在的电流限制。这一特性减小了发电机的励磁机因过大的励磁电流而可能发生的过热危险。

图2A和2B的电路的响应，没有由于励磁绕组的电感/电阻时间常数造成的内在的延迟，在本质上其转换速率是被限定的。功率级响应电流指令信号设计励磁电流，以消除励磁机励磁时间常数。励磁机励磁电流反馈信号对于稳定调节器并非必要。用于在端子20处产生信号的误差放大器中的补偿，仅仅对于旋转磁场时间常数才有必要。

图2A和2B的电路还是容错式的。在晶体管Q1或Q2短路时，电路仍能继续工作。这一条件仅仅使强制励磁的特性被丧失，并导致载荷迁移瞬态响应的降低。通过监视占空比输出端46处的平均电压可以检测出这些晶体管中任一个的失效。当正常工作时，其占空比大于50%。当一只晶体管短路时，其占空比变得小于50%。

根据本发明构成的电路应用一个线性响应的功率级，它不需要脉冲宽度调制输入信号。应用电流设计程序来消除时间常数，用一个半桥式的输出级结构来最大限度地强化励磁电流。容错式的设计提供了在输出端处的受控的dv/dt以及内在的励磁机励磁电流限制。通过使时钟信号与发电机的交流输出同步，可以达到减少调制。

虽然本发明是根据目前最佳的实施方案进行叙述的，但是显然，对于本领域的技术人员来说，可能作出各种不同的变化而不离开本发明的范围。因此，这些变化应包括在所属的权利要求书中。

Claims

1、一种发电机电压调节器功率电路，包含用以连接或切断发电机励磁机励磁绕组(12)到直流电源(10)之间的联系的开关器件(Q1，Q2)，其特征在于还包括：一种用于导通电流的放电装置(CR1，CR2)，该电流是在上述励磁机励磁绕组被所述开关器件切断之后由上述励磁机绕组中磁场消失所产生的，并以相反的方向通过所述直流电源；以及用于用一系列的导通脉冲来驱动所述开关器件的装置(26)，每一个导通脉冲响应时钟信号中由第一逻辑电平到第二逻辑电平转换之后，经过一个预先规定的时间被产生，并在所述励磁机励磁绕组中的电流达到一个预先规定的数值时，或者当该时钟信号中发生一个由上述的第一逻辑电平到上述的第二逻辑电平的下一个转换时被终止。

2、一种向发电机的励磁机绕组提供励磁电流的方法，所述方法包含以开关器件（Q1，Q2）接通或切断一个发电机励磁机励磁绕组（12）到直流电源（10）之间的联系的步骤，其特征在于包括以下各步骤：通过放电装置（CR1、CR2）导通电流，该电流是在上述励磁机励磁绕组被上述开关器件切断之后，由上述励磁机绕组中的磁场消退所产生的，并以相反的方向通过所述直流电源;以及用一系列的导通脉冲驱动所述开关器件，每一个导通脉冲响应时钟信号中由第一逻辑电平到第二逻辑电平转换之后，经过一个预先规定的时间被产生，在所述励磁机励磁绕组中的电流达到一个预先规定的数值时，或者当该时钟信号中发生一个由所述第一逻辑电平到第二逻辑电平的下一个转换时被终止。

3、一个发电机电压调节器功率电路，其特征在于：一个第一固态开关器件（Q1）在电路上连接于一台发电机的励磁机励磁绕组（12）的第一端与直流电源的第一导线（30）之间;一个第二固态开关器件（Q2）在电路上连接于所述励磁机励磁绕组的第二端和直流电源的第二导线（32）之间;一个第一二极管（CR2）在电上连接于励磁机励磁绕组的所述第一端与所述直流电源的第二导线之间;一个第二二极管（CR1）在电路上连接于所述励磁机励磁绕组的第二端与所述直流电源的第一导线之间;以及大体上同时提供一系列导通脉冲给予第一和第二固态开关器件的装置（26），第一个导通脉冲响应时钟信号中由第一逻辑电平到第二逻辑电平转换之后，经过一个预先规定的时间被产生，当励磁机励磁绕组中的电流达到一个预先规定的数值时，或者当该时钟信号中发生一个由第一逻辑电平到第二逻辑电平的下一个转换时被终止。

4、一种如权利要求3中所述的发电机电压调节器，其进一步的特征在于：在该调节器中，所述的提供导通脉冲的装置包括：用于产生一个电流表征信号的装置（R1），该信号代表流入所述励磁机励磁绕组中的实际电流;用于将所述电流表征信号与代表所需的励磁机励磁电流的一个电流指令信号相比较，以及用于当所述电流表征信号值超过一个相应于所述电流指令信号的阈值时产生一个控制信号的装置（18）;用于产生所述一系列导通脉冲的装置（24），每一个脉冲在所述时钟信号中起始的一个由第一逻辑电平到第二逻辑电平的转换之后，经过一个预先规定的时间开始产生，而响应所述控制信号，或者响应所述时钟信号中由第一逻辑电平到第二逻辑电平的所述下一个转换被终止;以及用以驱动所述第一和第二固态开关器件，作为对上述导通脉冲的响应的装置（26）。

5、一种向发电机的励磁机励磁绕组提供励磁电流的方法，其特征在于包括如下各步骤：将第一固态开关器件（Q1）在电路上连接于发电机的励磁机励磁绕组（12）的第一端与直流电源的第一导线（30）之间;把第二固态开关器件（Q2）在电路上连接于所述励磁机励磁绕组的第二端与直流电源的第二导线（34）之间;将第一二极管（CR2）在电路上连接于所述励磁机励磁绕组的第一端与所述直流电源的第二导线之间;将第二二极管（CR1）在电路上连接于所述励磁机励磁绕组的第二端与直流电源的第一导线之间;以及大致上同时地向第一和第二固态开关器件提供一系列的导通脉冲，每一个导通脉冲响应时钟信号中由第一逻辑电平到第二逻辑电平的转换之后，经过一个预先规定的时间被产生，而在所述励磁机励磁绕组中的电流达到一个预规定值时，或者当所述时钟信号中发生由第一逻辑电平到第二逻辑电平的下一个转换时被终止。

6、一种如权利要求5中所述向发电机的励磁机绕组提供励磁电流的方法，其特征在于提供一系列导通脉冲的步骤包含如下各个步骤，产生一个电流表征信号，它代表流入所述励磁机励磁绕组中的实际电流;将所述电流表征信号与一个代表所需励磁机励磁电流的电流指令信号相比较;当所述的电流表征信号值超过相应于上述电流指令信号的一个阈值时，产生一个控制信号;产生所述一系列导通脉冲，每一个脉冲在所述时钟信号中起始的一个由上述第一逻辑电平到上述第二逻辑电平的转换之后的一个预先规定的时间开始产生，而响应所述控制信号，或者响应所述时钟信号中由第一逻辑电平到第二逻辑电平的下一个转换被终止;以及驱动所述第一和第二固态开关器件，作为对上述导通脉冲的响应。