CN1021181C - 用于电源调压的电路和方法 - Google Patents

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Abstract

介绍一种用于电源调压的电路和方法，将一个代表电源输出电压的状态信号与基准信号相结合以产生第一控制信号的方法。代表电源输出电流的状态信号与基准信号相结合以产生第二控制信号。将偏压信号加到连接点100上并将第一第二控制信号经“或”网络CR19，CR20，CR21连接到连接点从而在连接点形成一个输出信号。然后响应于此输出信号以控制电源输出。

Description

本发明涉及用于调压的电路和方法，更具体地说，涉及应用于调整电源输出电压的一些电路和方法。
典型的发电机电压调整器包括一个用来检测大功率交流或直流发电机的输出电压并产生一个正比于所检测电压的直流输出信号的检测电路。从一个基准信号减去该检测电路输出信号后得到一个正比于发电机实际输出与要求输出之差的误差信号。还包括一个用来修正电压调整器反馈控制回路的回路增益以获得所需暂态响应的补偿器。
所述补偿器的输出被放大后产生用于发电机激磁机的磁场电流。发电机的输出正比于激磁机的磁场电流。考虑到所需的功率电平，通常用一些开关放大器产生激磁机的磁场电流。这些放大器需要一个脉宽调制的输入信号，该输入信号则可通过放大所述误差信号得到。
所需的来自误差放大器的脉宽调制输出信号对检测电路上施加了一些限制。因为误差放大器的增益是由在检测电路的输出信号中的波纹决定的，所以必须对此波纹予以控制以维持系统增益不变。
上述有关用于电源调压的电路和方法的先有技术在如下美国专利文献中有描述：US    No.3621，370;No.3，854，082; No.4，044，296;No.4，335，344及No.477，765等。
在美国专利No.4，044，296中的装置采用一包括一个检测电路，在其输出端输出信号E1。该输出信号E1代表了对于平均发电机输出电压的正常值的偏离。输出电压E1被送至积分器。该积分器输出的是一个波纹信号，它不是一个稳定的直流信号，而是一个模拟该专利图8中188处所示的输出波形的周期信号。积分器的输出信号被送至一个增益和补偿电路60（见该专利的图6）。电路60的增益取决于电容器174和电阻器172（它使放大器呈低通滤波特性）。于是，电路60的增益取决于积分器输出信号的波纹的频率特性，如果放大器的增益要保持不变，则来自积分器的波纹信号的频率特性必须保持不变。
上述专利中的放大器60的输出放到该专利的图7中所示的电路，从而提供一个如其图8的190处所示的脉宽调制信号，以便控制激励器磁场，而放大器60的输出则是一波纹信号，如在图8中的188处所示。该波动的信号是那个用以确定控制激励器磁场的脉宽的信号。
本发明提供了一个线性控制信号，该控制信号与第一，第二和第三状态信号值成正比，并随这些值而连续改变。
如果调压器的功率放大器可以线性误差信号工作，则可以避免对检测电路上的限制，从而就不需要脉宽调制的误差信号。本发明提供了一种用于检测和控制发电机输出电压的电路和方法，采用这种方法可以利用线性误差输出信号控制发电机的激磁而使系统性能达到最佳化。
本发明提供了一种调整电源输出电压的方法，根据该方法，要产生一个代表电源输出电压的第一状态信号，此状态信号与一个基准信 号结合后产生一个第一控制信号。类似地，产生一个代表电源输出电流的第二状态信号並与一个基准信号结合后产生一个第二控制信号。将一个偏压信号加到连接点，並通过一个“或”网络将所述第一和第二控制信号耦合到该连接点，由此在该连接点上形成一个输出信号。于是，根据输出信号对电源输出电压进行控制。当电源输出电压低于一个预定值时，所述第一控制信号幅值比所述偏压信号幅值大，而当电源输出电流小于一个预定值时，所述第二控制信号幅值比偏压信号幅值大。
当本发明的方法应用于直流电网、可调速恒频发电系统时，要产生一个代表直流电纲导线直流电压的附加状态信号，並将该状态信号与基准信号相结合以产生一个第三控制信号。该第三控制信号也通过所述“或”网络耦合到上述连接点。当敏感到的直流电压大小比第二预定值小时，第三控制信号的幅值要比偏压信号幅值大。
当本发明用于具有多相输出的一些发电机时，可产生代表发电机的最高电压输出相位幅值的附加状态信号。该附加状态信号与输出电流状态信号相结合后产生所述第二控制信号。
本发明也包括用以实现上述方法的一些电路。这些电路产生一个线性输出信号，並配有独立的误差检测器和对电源输出电压和负荷控制进行补偿。
实现本发明上述方法的电路可具有一个软起动特点，其中基准信号是一个当电路接通时逐渐增加到其正常工作电平的直流电压信号。
结合附图下面仅作为例子示出本发明较佳实施例的描述，对本发明将会更容易理解。其中：
图1为实施本发明的方法包括一个电压调整器的发电系统方框图; 及
图2A和2B示出了图1电压调整器的原理图。
现参阅附图。图1为实施本发明的方法包括一个电压调整器的发电系统方框图。该系统包括一个连接到外部原动机以变速驱动的发电机10（原动机未在图中示出），它在母线12，14和16上提供三相输出。该三相输出经桥式整流器18整流后送至一对直流电网的母线20和22。
滤波电容24连接在直流电网导线之间。逆变器26从直流电纲导线上接收直流电压，並在母线28，30，32及34上送出一个恒定频率的多相输出。本发明的电压调整器36经由导线38，40和42对逆变器的输出电压进行监视。电流互感器44，46和48敏感于逆变器的输出电流並在导线50，52和54上产生电流信号。电压调整器也经由导线56和58通过一个信号调节电路59监视直流电网电压，调节电路59包括一个差分放大器和滤波器。所有这些输入信号被电压调整器通过线60用来控制发电机10的激磁机磁场电流。
图2A和2B示出了图1电压调整器的原理图。电压调整器包括一个监视电路62，监视电路通过电阻器Ra，Rb和Rc与相母线28，30和32相连接，监视电路62包括二极管CR1，CR2和CR3;电阻器R1，R2，R3和R4;以及电容器C1。由这些元件联合在导线64上产生一个第一状态信号，该信号代表出现在母线28，30和32上逆变器的平均输出电压。导线66与一个高相敏感电路68相连。高相敏感电路包括二极管CR5;放大器U1;及电阻器R8和R9。由这些元件相结合在放大器U1的输出端产生 一个正比于出现在逆变器的输出相导线上最高电压幅值的一个状态信号。包括桥式整流器BR1，BR2和BR3;二极管CR6，CR7，CR8，CR9，CR10和CR11;及电阻器R11，R12和R13的电流敏感电路72，通过电流互感器44，46和48敏感于发电机的输出电流，並产生一个代表逆变器的输出电流的状态信号输出。电路68和72，电容器C2和电阻器R10结合起来组成了一个峰值敏感电路，此峰值敏感电路在导线84上产生了一个结合状态信号。结合状态信号的幅值决定于由导线70，71和74上的最大的相电流指示信号和在U1的输出端上强的相状态信号。
软起动基准电路76为系统提供受控接通。该电路包括晶体管Q1;二极管CR12，CR13，CR14和CR15;电容器C3和C4;电阻器R14，R15，R16，R17和R18。当开关SW1闭合时，上述这些元件工作並在导线78上产生一个直流基准电压信号。
放大补偿电路80包括放大器U2;二极管CR4和CR16;电容器C5，C6和C7;电阻器R5，R6，R7，R19，R20，R21和R22，它用来将导线78上的基准信号和导线64上的第一电压状态信号结合起来以在导线82上产生一个第一控制信号。
将导线84上的结合状态信号送至放大补偿电路86。该电路包括放大器U3;二极管CR17;电容器C8和C9;和电阻器R23，R24和R25。由这些元件的结合作用将导线78上的基准信号和导线84上的结合状态信号结合起来並在导线88上产生一个第二控制信号。
端点90与图1系统中的信号调节电路59的输出端和由电阻器R26和R27形成的分压器相连，该分压器用来在导线92上产生 一个代表直流电网电压的直流电网电压状态信号。包括放大器U4;二极管CR18;电容C10和C11;及电阻器R28，R29和R30的第三放大补偿电路94接收直流电网电压状态信号和基准信号，结合起来并放大这些信号以便在导线96上产生一个第三控制信号。
通过将一直流电压加到端点98，经电阻器R31和导线102在连接点100上产生一个偏压。二极管CR19，CR20和CR21作为一个“或”网络，用来将导线82，88和96上的控制信号耦合到连接点100，由此形成一个输出信号，並通过二极管CR23经导线104将此形成的输出信号馈送到功率放大器106。功率放大器经导线108控制发电机励磁机的磁场电流。
现在来介绍图2A和2A的电路的工作原理。当开关SW1闭合时，晶体管Q1将导线78上的基准信号经二极管CR12，CR13和电阻器15钳位至地。当开关SW1打开而接通电路时，晶体管截断，电容器C4充电至15伏导线78上的基准电压跃变至由基准齐纳二极管CR4和电位差计R7建立的电平上。在较佳实施例中，逆变的正常交流输出电压为三相400赫芝115伏。通过电阻器Ra，Rb和Rc敏感到三相交流输出电压。半波电流经这些电阻器和二极管CR1，CR2和CR3流入到电阻器R2。跨过R2两端合成的电压波形呈现出一个6脉冲全波整流信号，但它实际上由三个半波整流的输入电流之和组成。因此，在R2上的波形包含有关每相电压的整个正半周的信息。于是对输入电压变化的响应是很快的。R2上的电压被电阻器R1，R3和R4分压並被电容器C1滤波以消除高频噪声。电阻R1有一个正温度系数以便补偿在输入二极管两端的电压。
用放大补偿电路80对电容器C1两端上的电压和基准电压进行 比较。输入电阻器R20和反馈元件R19，C6，C7及CR16修正增益以便控制发电机电压调整器系统的暂态响应。放大器U2的输出通过二极管CR21连接到正偏压电阻器R31。
由与发电机的三相输出相耦合的电流互感器敏感于交流电流。每相电流信号由二极管电桥整流后並送至一个负载电阻和二极管，由此得到一个正比于该相的交流电流的电压信号。通过二极管CR7，CR9和CR11将三个电压信号相连后在电阻器R10的两端产生一个总的电流信号。二极管CR6，CR8和CR10分别与负载电阻器R11，R12和R13串联，用以补偿在二极管CR7，CR9及CR11上的压降。滤波电容器C2提供一个长的放电时常数以使电流敏感电路响应于峰值电流。这样一来，可以对单相或三相电流限制提供几乎相等的性能。导线84上的电压与基准电压通过放大补偿电路86相比较。电路86的输出通过二极管CR20连接到正偏压电阻器R31。
为应用于直流电网变速恒定频率系统，输入信号90对于一个缓冲的直流电网信号是适用的。当交流敏感电路发生故障时，或交流电压发生短路时，该直流输入信号可用来限制电网电压。由分压电阻器R26和R27产生的电压通过放大补偿电路94与基准电压相比较。电路94的输出通过二极管CR19与偏压电阻器R31相连。
在电阻器R2上敏感到的交流电压通过分压电阻器R8和R9也与放大器U1相连。将放大器U1连结成一个峰值检波器以便对电容器C2进行充电。于是C2上的电压响应于最高输入交流电压的峰值电压。在正常情况下，电容器C2充电到稍低于基准电压。
在正偏压电阻器R31上的电压受来自放大器U2，U3或U4的最低输出电压的控制。当没有控制信号时，电阻器R31上的偏压被 晶体管Q1经二极管CR22降至地电位。二极管CR23用来补偿跨过“或”网络二极管CR19，CR20和CR21两端上的压降，以使该电路的输出与最低控制误差放大器的输出相匹配，或者使电路的输出当晶体Q1接通时变成零。该电路在导线104上的输出信号用来控制发电机的励磁机的磁场电流。
三个放大和补偿电路80，86和94的各反馈元件以稍有差别的方式进行连接。放大器的每个输出被一个反馈二极管钳位，此反馈二极管用来维持当没有对发电机输出进行控制时放大器的闭环控制。将每个放大器的反馈RC网络连接到“或”二极管网络的正偏压电阻器侧。这种连接可保持在反馈电容器上有一适当的偏压以保证每个控制环路的快速响应。假如放大器U2的反馈网络直接与其输出端相连，则将对电压调整器的响应会有一个延迟。例如在短路期间，交流敏感将是零，而在一个实施例中放大器的输出将约为5.6伏直流。当消除短路而电压环路开始工作时，在电容器C7两端上会出现这种差别而延迟放大器U2的响应。跨接在放大器U2输出和输入端的电容C6可减少在输出控制信号中的波纹电压而不会影响φ电路的响应。
放大器U4的反馈电路与放大器U2相同，只是前者没有直接反馈电容器。跨接在放大器U3输出输入端上的电容C8的电容量大到足以影响系统的暂态响应。这是需要的因为来自放大器U1的高相敏感信号将放大器U3的输入信号偏置到很接近于基准电平。若没有电容C8，则控制电路在加负荷时的响应要慢下来，因为放大器U3的输出信号试图去控制控制信号的上升速度。
显而易见，按本发明构成的电路中包括用于交流电压和逆变器输出电流的独立的敏感电路。用一些独立的误差放大器将每个敏感电路 的输出与一个基准信号进行比较，同时对每个误差放大器实行补偿。每一个放大器的输出通过一个“或”网络连接到一个正偏压电阻器上，以产生控制回路的输出。其输出在一个功率放大器中进行放大后作为发电机励磁机磁场电流。这些独立的误差放大器可以接收一个公用基准信号或可以接收单独的基准信号。
二极管的“或”连接提供了一个用以确定哪个电路正在控制发电机励磁机磁场电流的逻辑。在正常情况下，交流电压敏感和误差放大器处于控制下。电流和直流输出均低于基准电平，而它们放大器的输出则为高电平。如果负载电流超过所需电平，则误差放大器U3的输出信号就会降低以控制功率级的输入並由此控制发电机励磁机磁场电流。如果直流电网电压超过设定的极限，则在放大器U4发生同样的作用。由于采用了独立的误差放大器和补偿，使得对正常的交流调节，限流和直流电网限压都达到最佳响应。
交流电压敏感电路62响应于三个输入相电压的平均值。高相位敏感电路68产生一个正比于最高相电压幅值的一个输出。这对在不平衡负荷或过荷情况下是重要的，因为此时即使平均电压仍在正常的极限范围内作调整，但最高相电压可能超过规定的指标。将高相敏感电路的输出信号与电流敏感电路的输出信号结合在一起，同时组合后的信号共用同一误差放大器。
本发明的电压调整利用一个线性输出信号提供了敏感和控制。还可以提供独立的误差检测器和对交流，负载电流和直流电网控制进行补偿。误差放大器的高增益提供了只受敏感和基准电平精度限制的调整。还包括交流敏感快速响应和高相位抑制。
虽然我们以目前认为是本发明较佳实施例的观点对本发明作了描 述，显而易见，熟悉本技术领域的人们还可以在不脱离本发明范围内对本发明作各种改变。例如，虽然本发明表明是应用于具有一个多相交流发电机和一个逆变器的电源，然而它也适合于其它类型的电源。本发明的较佳实施例也容易地适用于多相交流，单相交流和直流发电机单独使用的场合，也适用于上述各种发电机与一个逆变器相组合的场合。因此所附的权利要求书拟复盖诸如上述这样的系统。

Claims (6)

1、一种调整电源输出电压的方法，所述方法包括各步骤：产生一个代表电源输出电压的第一状态信号；将所述第一状态信号与一个基准信号相组合以产生第一控制信号；产生一个代表所述电源的输出电流的第二状态信号；将上述第二状态信号与所述基准信号相结合以产生一个第二控制信号；其特征在于包括下列各步骤：
将一个偏压信号加到一个连结点；通过各自的第一和第二二极管将所述第一和第二控制信号耦合到所述连接点，从而在所述连接点上形成线性输出信号；根据所述输出信号控制所述电源的输出电压；其中，所述电源的输出电压低于一个预定值时所述第一控制信号幅值大于所述偏压信号的幅值；及其中当所述电源的输出电流小于一个预定值时所述第二控制信号幅值大于所述偏压信号的幅值。
2、一种调整电源输出电压的方法，所述方法包括各步骤：产生一个代表电源输出电压的第一状态信号;将所述第一状态信号与一个基准信号相结合以产生一个第一控制信号;产生代表所述电源的输出电流的第二状态信号;将所述第二状态信号与所述基准信号相结合以产生一个第二控制信号;其特征在于下列各步骤：
产生代表由整流所述电源输出电压形成的直流电压的第三状态信号;将所述第三状态信号与所述基准信号相结合产生一个第三控制信号;将一个偏压信号加到一个连结点;通过各自的第一和第二二极管将所述第一，第二和第三控制信号与所述连结点相耦合，由此在所述连结点上形成一个线性输出信号;当所述电源的输出电压低于一个预定值时，其中所述第一控制信号的幅值大于所述偏压电压信号的幅值;当所述电源的输出电流小于一个预定值时，其中所述第二控制信号幅值大于所述偏压信号幅值，而当所述直流电压的幅值小于一个第二预定值时，其中所述第三控制信号的幅值大于所述偏压信号的幅值。
3、一种调整电源输出电压的方法，所述方法包括各步骤：产生代表多相电源平均输出电压的第一状态信号;将所述第一状态信号与一基准信号相结合以产生一个第一控制信号;产生代表所述电源的多个输出相上最高电压幅值的第二状态信号;及产生代表所述电源输出电流的第三状态信号;其特征在于下列各步骤：
结合所述第二和第三状态信号以获得一个第四状态信号;将所述第四状态信号与所述基准信号相结合以产生一个第二控制信号;将一个偏压信号加到一个连接点;通过各自的第一和第二二极管将所述第一和第二控制信号耦合到所述连接点，从而在所述连接点上形成一个线性输出信号;根据所述输出信号控制所述电源的输出电压;当所述电源的输出电压低于预定值时，其中所述第一控制信号的幅值大于所述偏压信号的幅值;当所述电源的输出电流小于一个预定值时，而且在所述电源的所述输出相上中最高的电压低于第二预定值时，则所述第二控制信号的幅值大于所述偏压信号的幅值。
4、一种用于电压调整器的检测和控制电路包括：用于产生代表一个电源输出电压的第一状态信号的装置（62）;用于将所述第一状态信号与一个基准信号相结合以产生第一控制信号的装置（80）;用于产生代表所述电源输出电流的第二状态信号的装置（72）;及用于将所述第二状态信号与所述基准信号相结合以产生一个第二控制信号的装置（86）;其特征在于包括：
用于将一个偏压信号加到一个连结点（100）的装置（98）;用于将所述第一和第二控制信号耦合到所述连接点的第一和第二二极管，由此在所述连结点上形成一个线性输出信号;其中，当所述电源的输出电压低于预定值时，所述第一控制信号的幅值大于所述偏压信号的幅值，而当所述电源的输出电流低于预定值时，所述第二控制信号的幅值大于所述偏压信号的幅值。
5、一种用于电压调整器的检测和控制电路包括：用于产生一个代表一个电源的输出电压的第一状态信号的装置（62）;用于将所述第一状态信号与一个基准信号相结合以产生一个第一控制信号的装置（80）;用于产生一个代表所述电源的输出电流的第二状态信号的装置（72）;及用于将所述第二状态信号与所述基准信号相结合以产生一个第二控制信号的装置（86）;其特征在于包括：
用于代表通过对所述电源的所述输出电压进行整流而形成直流电压产生第三状态信号的装置（R26，R27）;用于将所述第三状态信号与所述基准信号相结合以产生一个第三控制信号的装置（94）;用于把一个偏压信号加到一个连结点（100）的装置（98）;用于将所述第一，第二和第三控制信号耦合到所述连结点的第一，第二和第三二极管，由此在所述连结点形成一个线性输出信号，其中，当所述电源输出电压低于预定值时，所述第一控制信号的幅值大于所述偏压信号的幅值;当所述电源的输出电流小于一个预定值时，其中所述第二控制信号的幅值大于所述偏压信号的幅值，而当所述直流电压低于第二预定值时，所述第三控制信号的幅值大于所述偏压信号幅值。
6、一种用于电压调整器的第三和控制的电路包括：用于产生代表一个多相电源的平均输出电压的第一状态信号的装置（62）;用于将所述第一状态信号与一个基准相结合以产生一个第一控制信号的装置（80）;用于产生代表多输出相上的所述电源的最高电压幅值的第二状态信号的装置（68）;用于产生代表所述电源的输出电流的第三状态信号的装置（72）;其特征在于包括：
用于将所述第二状态信号与所述第三状态信号相结合以获得一个第四状态信号的装置（84）;用于将所述第四状态信号与所述基准信号相结合以产生一个第二控制信号的装置（86）;用于将一个偏压信号加到连接点（100）的装置（98）;用于将所述第一和第二控制信号与所述连接点相耦合，由此在所述连接点上形成一个线性输出信号的第一和第二二极管;其中，当所述电源的输出电压低于一个预定值时，所述第一控制信号的幅值大于所述偏压信号的幅值;而当所述电源的输出电流小于预定值且在所述电源的所述输出相的最高电压低于第二预定值时，所述第二控制信号的幅值大于所述偏压信号的幅值。
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