CN102966449B - 用于调节发电机组的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于调节发电机组的方法。一种用于对发电机组(1)的交流发电机(3)的输出电压进行调节的方法，发电机组包括对所述交流发电机进行驱动的发动机(2)，该发动机(2)包括速度调节器，该交流发电机(3)包括转子(19)，该转子具有磁极轮，该方法包括以下步骤：至少在该交流发电机(3)的输出处的负载增加时，改变该磁极轮中的电流以便使交流发电机(3)的输出电压突然达到低于负载增加之前的电压的交流发电机的一个设定点的电压，该磁极轮中电流的改变取决于发动机(2)的减速度，对输出电压(U)进行调节的方法独立于速度调节器的操作。

Description

用于调节发电机组的方法和系统

技术领域

本发明涉及对发电机组的交流发电机的调节。

背景技术

一种发电机组由一个发动机以及一个交流发电机的组件组成。为了提供一个额定电压以及频率，发动机和交流发电机都装备有调节装置。发动机装备有被整合到该发动机的燃料喷射系统中的一个电子速度调节器。除其他之外，发动机速度的调节依赖于发动机轴的旋转速度的测量值，例如通过一个传感器对每时间单位内一个有齿的环齿轮在该传感器前面经过的齿数进行计数。

借助由这个传感器发送的信号，速度调节器喷射计算机确定了燃料喷射水平从而将速度保持在一个预定值上，但是并不具有施加在该发动机上的负载水平的直接知识，因为还不存在经济的手段用于将这个负载水平传告知计算机。

施加到该发动机上的负载的每个变化，无论它是增加还是减少，均会导致在发动机转数上(速度调节器试图通过一个适当的喷射水平来对其进行校正)的瞬时减少或者增加。

在已知的发电机组中，仅仅是通过速度和喷射水平的知识，该调速器就确定了施加到发动机上的负载水平。

所要求的发动机扭矩C是直接与交流发电机的输出处的电流I成比例的。实际上，发动机的功率P的定律为：

P＝C.w，

其中，w是发动机的旋转速度。

交流发电机的功率定律P为：

P＝U.I.cos(φ)，

其中，U是交流发电机的输出电压，并且φ是电流I与电压U之间的 相移。

发动机和交流发电机是机械式连接的，对于在偶联效率之内，它就有可能写为：

C.w＝U.I.cos(φ)。

在施加一个大的有效负载的过程中，cos(φ)变得接近于1，并且交流发电机的电压下降。交流发电机装备有一个电压调节器，该电压调节器通过在磁极轮中增加电流而迅速校正这个电压下降。

负载中的这种变化还导致速度的下降，因为对发动机所要求的扭矩C增大了。发动机没有能力立即响应这个要求，其速度w下降，这是因为扭矩C的一部分是从旋转动能的储备中抽取的。

在一种已知的方式中，为了避免超过可以对发动机要求的最大扭矩，该电压调节器随着频率的变化而使得电压下降以便将扭矩要求在发动机的水平处保持恒定。当速度ω降低时，电压调节器使得输出电压U以一种成比例的方式下降，使得扭矩C保持恒定。

这种策略对于所谓的上一代的发动机(如大气压式或者高惯性发动机)、并且对于负载的低到中等程度的增加是有效的。

现在，涡轮增压器发动机正被越来越多地使用在发电机组中。这种类型的发动机的一个缺点是如果涡轮增压不能正确地被启动那么它的性能会降级。

现在，负载的突然增加会倾向于就发动机的正确运行而言使得发动机过度减速。在怠速运行的过程中，进气口的压力是接近于大气压力的，而一旦负载的增加被施加到发电机组上，发动机的速度就下降到这样一个点上，即：不论速度调节器在喷射系统上反作用，排气流都不足以将涡轮增压器的这个涡轮或这些涡轮启动到它们的运行状况中。于是它们没有能力使进气压力增加，而这种增加是为了使该发动机有能力加速并且恢复到其额定速度所要求的。因此，存在一个不返回的点，这里的要求是避免达到这一点。

一种已知的解决方案，称为负载接收模块(LOAD ACCEPTANCE MODULE)，在于使电压不再与速度成比例地下降而是突然地下降，实际上一旦速度下降开始，就处于这个被称为“拐点”的水平处。电压U被突然降低，所要求的发动机扭矩C也就减少，从而协助速度的加快以及其返回到运行点。

根据现有技术的发电机组的额定运行点100表示在图2的曲线上，例如，如图所示，与交流发电机的输出处的、等于400V的电压U以及等于50Hz的频率F相对应。

当负载发生增加时，发动机速度w下降，频率F在称为“拐点”的一个点101处达到了48Hz的一个阈值。在这个已知的解决方案中，该交流发电机的电压调节器使电压U以一种与速度w成比例的方式来下降，以便使所要求的发动机扭矩C保持恒定，从而达到一个新的运行点102。

为了减轻这种先前陈述的过程的缺陷，根据现有技术的调节过程的一个变体在图3中进行了展示。

例如在点103处不断地测量到发动机速度的导数。当负载发生增加并且速度下降到阀值101之下时，交流发电机的电压调节器就使电压U不再以一种与速度w成比例的方式来下降，而是以一种突然的且固定的方式，一旦速度开始下降，就在点101之下。在所展示的实例中，电压U因此在运行点104处下降了13％。

无论负载增加的水平如何电压下降的值都是固定的，并且这在特别是小增加的过程中可能会带来一个问题，这种电压下降并不总是适合于施加到发电机组上的负载的这种增加的。

从专利US 5 703 410中已知，基于该交流发电机的输出处的矫正的电压的知识来监测交流发电机的励磁电流以及燃料喷射。

从申请EP 1 938 447中也已知，当检测到一个负载变化时，通过监测装置发送一个控制信号(它代替了速度调节器的输出信号)来控制发电机组的燃料吸入致动器。

存在着一种要求来进一步改进发电机组的性能，尤其是在负载增加的过程中，以便除其他之外协助涡轮增压器发动机的使用。

发明内容

本发明的目的在于至少部分地应对这种要求并且，根据本发明多个方面中的一个，这个目的是通过一种用于对发电机组的交流发电机的输出电压进行调节的方法来实现的，该发电机组包括一个对所述交流发电机进行驱动的发动机，该发动机包括速度调节器，该交流发电机包括一个具有磁极轮的转子，该方法包括以下步骤：

至少在该交流发电机的输出处的负载增加时，改变该磁极轮中的电流以便使交流发电机的输出电压突然达到交流发电机的一个设定点的电压，这个设定点的电压低于负载增加之前的那个电压，该磁极轮中电流的改变是取决于发动机的减速度，对输出电压进行调节的方法独立于速度调节器的操作。

通过本发明，磁极轮中的电流甚至在低施加负载的情况下也被适当地降低，并且该发动机扭矩在为增加该发动机的功率而要求的时间段上以一种适当的方式被减少。

本发明允许以电压下降的形式将一种校正施加到交流发电机上，这种电压下降不再如现有技术中那样的是固定的，而是例如与该发动机的减速度成比例的。

负载增加的越大，速度下降的就越快，这是因为，在施加该负载的时刻，仅旋转动能的储备可以对该扭矩要求做出响应。通过本发明，电压下降于是就大到足以减轻发动机的所要求的扭矩，并且因此帮助它恢复到其额定旋转速度上。

一旦已经达到或者足够接近这个额定旋转速度，具体地大于一个预定的阀值，该交流发电机的电压就被逐渐升高到一个设定点上，这样做的作用是随着发动机能力的变化而逐渐地增加所要求的发动机扭矩。

发动机的旋转速度基于交流发电机的输出电压的频率可以是已知的。因此，该发动机的减速度基于在各个瞬间的频率的知识可以计算出来。

该发动机的旋转速度作为一个变量可以由发动机的或交流发电机的一个速度传感器来进行测量，例如，以与发动机轴的旋转速度成比例的频率来发送脉冲的一个传感器。

这种减速度是通过代表该发动机的旋转速度的一个数量相对于时间的导数来确定的，并且这个导数可以持续地、以规律的间隔地、或者至少在该发动机的旋转速度达到这个拐点时被计算出来。

随着发动机的减速度而变化的磁极轮中电流的值的演进可以遵循一个预定的控制规则，例如在一个表中预先记录的或者计算的。这种计算可以涉及至少一个参数，如在应用这个校正的时刻上的功率水平。

可以执行磁极轮中电流的改变以便达到该交流发电机的一个设定点的电压，该设定点的电压与该额定电压之间的偏差取决于例如处于一种线性的或者非线性方式中的减速度。

当该发动机的旋转速度增加时，磁极轮中电流的值可以再次被改变以便使输出电压在负载增加之前回到其值上。

换句话说，一旦该发动机的旋转速度再次增加，该磁极轮中电流的值就会可以用一种适当的方式来增加，因此电压也增加。

这种校正可以基于负载增加的一个预定的阀值来被施加，它可是恒定的或是作为至少一个参数(例如该功率水平)的函数而被计算出来。在一个实例中，这种校正是基于发动机减慢到一个预定的速度之下而应用的，有可能的是例如额定速度减小4％，尤其是用于与一个50Hz的额定频率相对应的额定速度的48Hz的电压的频率。

这个交流发电机的输出可以被连接到一个三相网络上，发动机的额定旋转速度是例如1500rpm，并且交流发电机的多个相之间的额定输出电压是例如400V以及50Hz。施加与发动机的减速度成比例的电压减少可以例如在频率下降到低于或者变成等于48Hz时进行。

为了对磁极轮中的电流起作用，有可能的是在交流发电机包括一个励磁机(它具有一个线圈式定子)时对励磁机的励磁电流起作用。磁极轮中的电流的改变可以例如通过减少励磁机的励磁电流来进行。

具体地说，在交流发电机包括一个励磁机(其定子包括多个永磁体)的情况下，有可能的是通过以下方式对磁极轮中的电流起作用：将一个切换系统安排在该转子上使之有可能调制该磁极轮中的电流。

在这样的一个变体中，该交流发电机在该转子处可以包括用于控制该切换系统的一个控制器。一个传输系统，例如无线的，可以与位于该交流发电机的定子处的电压调节器进行通信。

该控制器可以控制该切换系统，以便例如通过跨过该磁极轮的这些端子的电压的一种脉宽调制而对该交流发电机的输出电压进行调节。该控制器可以随着在该交流发电机的输出处找到的电压的变化来改变该脉宽调制的占空比。这样的一个改变使之有可能在负载变化时改进交流发电机的响应时间。

根据本发明的调节方法可以与旨在改进发电机组的运行的其他调节措施相组合，例如，旨在随着交流发电机的输出处有效功率的变化而改变燃料喷射到发动机中的流速的多种措施。

根据其多个方面中的另一个，本发明的主题进一步是一种用于对发电机组的交流发电机的输出电压进行调节的系统，该发电机组包括对所述交 流发电机进行驱动的一个发动机，该发动机包括速度调节器，该交流发电机包括一个转子，该转子具有一个磁极轮，该调节系统被配置为至少在该交流发电机输出处的负载增加时改变该磁极轮中电流的值，以便使该交流发电机的输出电压突然到低于负载增加之前的电压的交流发电机的一个设定点的电压，磁极轮中电流的值的改变取决于该发动机的旋转速度的导数，尤其是与该发动机的减速度成比例，对输出电压进行的调节独立于速度调节器的操作。

该调节系统可以被配置为将该交流发电机的电压减少到一个设定点的值，对该设定点的值进行选择的方式为：额定电压与设定点的电压之间的偏差是例如与这种减速度成比例的。

通过施加一个与这种减速度成比例的电压减少来使输出电压降低可以(例如)一旦该电压的频率下降在一个预定值之下(例如48Hz，这转达了施加一个超过预定阀值的负载)时完成。

这个调节系统可以被整合到交流发电机的电压调节器中。发动机的速度调节器的运行可以完全是独立于根据本发明的调节系统的。

本发明的所有以上已经列出的关于该方法的特征同样认为是关于该调节系统的。

附图说明

通过阅读按照后面的实现方式的非限制性实例的详细说明并且通过查看附图可以更好地理解本发明，在附图中：

图1表示根据本发明的一个发电机组，

图2和图3(已经予以说明)表示了多条电压-频率曲线从而展示了根据现有技术的发电机组的运行，

图4和图5表示多条电压-频率曲线从而展示了根据本发明的发电机组的运行，

图6以一种示意性的方式表示了根据本发明的发电机组的调节链，

图7以分离的方式表示了根据本发明的交流发电机，并且

图8和图9表示根据本发明的一种交流发电机的变体。

具体实施方式

如图1中所示，根据本发明的发电机组1包括一个发动机2以及一个交流发电机3。

发动机2有利地是一个涡轮增压的发动机，但是本发明不受限于一种具体的发动机类型。

交流发电机3的输出被连接到例如一个三相网络上，发动机2的额定旋转速度wn是例如1500rpm，额定频率Fn是等于例如50Hz，并且在该交流发电机的多个相之间的额定输出电压Un是例如400V。

发动机2包括一个速度调节器4，这个速度调节器包括一个喷射计算机，这个喷射计算机对该发动机的喷射(或者这些气体的控制)进行计算，从而使得旋转速度w尽可能在额定值wn处保持恒定。

发动机2包括一个速度传感器5，它可以是例如感应的、电容的、或者光学的。传感器5例如被安排在由发动机2驱动在旋转之中的一个有齿的环齿轮的前面，并且将多个脉冲(以与旋转速度w成比例的一个频率)发送到喷射计算机。

速度调节器4计算出用于将发动机2的速度w保持等于其额定值wn的适当的燃料喷射水平。

如图7中所展示的，交流发电机3包括一个电压调节器6，该电压调节器监测该交流发电机的输出处的电压U并且确定有待施加在磁极轮8中的电流以便保持这个额定的电压幅值。

调节器6可以是由具有多个永磁体9的一个发电机来供电的，但是本发明并不限于一种特定的为该调节器供电的方式。

交流发电机3的转子19在该说明的实例中包括一个整流器17，该整流器由全波二极管桥构成，从而在励磁机电枢7的基础上为一条DC总线23供电。

交流发电机3在定子20处包括一个励磁机感应器28以及这个主要机器的电枢27(连接到负载30上)。

根据本发明的发电机组1包括用于对交流发电机3的输出电压进行调节的一个系统，该系统被设计为基于交流发电机3的输出处的频率的知识来检测负载的增加。

该调节系统被配置为在检测到负载的增加超过一个预定的阀值时，改 变磁极轮中的电流的值，以便使该交流发电机3的输出电压U到低于负载增加之前的值的一个值。

磁极轮中的电流的值的改变是取决于代表发动机2的旋转速度w的一个数量的导数。

代表发动机2的旋转速度w的这个数量在这个实例中被认为是该交流发电机3的输出电压U的频率F。

在根据本发明的发电机组中，如图4中所展示的，电压下降不是固定的而是例如以一种成比例的方式取决于速度的导数，在这种情况下，当负载增加导致旋转的频率F减少到一个值，而这个值低于或等于一个预定值(在这个所考虑的实例中是48Hz)时，电压U就突然减少了x％而达到一个运行点105。

为了使电压U减少到一个新的设定点值Uc，磁极轮中的电流的值被改变。设定点的值确定的方式为，在额定电压Un与设定点的值Uc之间偏差是例如与频率的导数dF/dt成比例的。随着频率导数dF/dt变化的电压的演进遵循一个预定的控制规则，它可以是列表的并且可任选地取决于至少一个参数，例如功率水平。

磁极轮中电流的改变因为减少了扭矩C而协助了发动机2的旋转速度的w的增加。

一旦旋转速度w增加，磁极轮中电流的值I可以再次被改变，以便使输出电压U的值回到负载增加之前的那个值上，到额定运行点100上，如在图5中所展示的。

如图6中所展示的，在步骤110中频率F是每个瞬间处测量的，其导数dF/dt是在步骤112中计算的。

在不存在任何应用的校正的情况下，该调节链在步骤115将交流发电机的电压保持在设定点的值114处。

有待应用的校正是在步骤113中确定的。

步骤111中，系统确定了是否必须应用校正。如果旋转的频率F已经减少了多于一个预定的量值，对于50Hz的额定旋转速度而言，例如已经低于或者变得等于48Hz(这对应于大于4％的变化)，例如就施加校正。

电压调节器可以按一种常规的方式对定子20处的励磁电流起作用，以便改变磁极轮中的电流并且因此改变电压U。

在图8和图9中所表示的变体中，转子包括一个内置的通信系统，并且该DC总线23被连接到一个切换系统18上。可以设想这是一个滤波电容器21。

例如，切换系统18可以(如展示的)由一个续流二极管26以及由一个可切换的电子部件25(例如一个IGBT晶体管)形成。

一个控制器13控制着这个切换系统18，以便通过脉宽调制(在IGBT装置的实例中)来对磁极轮8中的电流进行调节。脉宽调制的占空比β取决于这个主要机器的输出电压，以便尽可能地将交流发电机3发出的电压保持在希望的值上。

转子包括在该实例中展示的一个电流传感器10，用于对磁极轮8中的电流进行测量。如此测量的电流的值被传输到控制器13上。

在说明的实例中，定子20是由一个电源32来提供电力的，并且该励磁机感应器28是线圈式的。一个HF无线通信系统安排在转子的控制器13与交流发电机3的定子20的电压调节器6之间。该无线通信系统是由安排在该转子处的传输模块14、安排在定子20处的传输模块29、以及连接所述这些模块的无线传输通道15形成的。

通过转子19的电流传感器10测量的磁极轮8中电流的值是由无线通信系统14、15、29传输到定子20的电压调节器6上。

本发明不限于刚刚已经说明的这些实例。例如，该励磁机是基于多个永磁体(图9中的一个变体中)的。

除非另外说明，术语“包括一个”应理解为是与“包括至少一个”同义。

Claims (13)

1.用于对发电机组(1)的交流发电机(3)的输出电压(U)进行调节的方法，该发电机组包括对所述交流发电机进行驱动的发动机(2)，该发动机(2)包括速度调节器，该交流发电机(3)包括转子(19)，该转子具有磁极轮(8)，该方法包括以下步骤：

至少在该交流发电机(3)输出处的负载增加时，改变该磁极轮(8)中的电流以便使该交流发电机(3)的输出电压(U)突然达到所述交流发电机的一个设定点的电压，该设定点的电压低于负载增加之前的那个电压，在该磁极轮(8)中的电流的改变取决于发动机(2)的减速度，

对所述输出电压(U)进行调节的方法独立于所述速度调节器的操作。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该磁极轮(8)中电流的值的改变由于交流发电机(3)的输出电压(U)的减少而导致了发动机(2)的旋转速度(w)的增加，并且其中该磁极轮(8)中电流的值再次被改变，以便使该输出电压(U)的值回到负载(30)增加之前的那个值上。

3.根据权利要求1到2中的任一项所述的方法，其中该发动机(2)是涡轮增压的发动机。

4.根据权利要求1到2中的任一项所述的方法，其中该负载的增加对应于该发动机低于一个预定的速度的减慢。

5.根据权利要求4所述的方法，其中该预定的速度是额定速度减小4％。

6.根据权利要求5所述的方法，其中该预定的速度是对于同50Hz的额定频率相对应的额定速度的48Hz的电压频率所对应的速度。

7.根据权利要求1到2中的任一项所述的方法，其中该磁极轮(8)的电流的改变是通过减少励磁机励磁的电流来进行的。

8.根据权利要求1到2中的任一项所述的方法，其中该磁极轮(8)的电流的改变是通过跨过该磁极轮的这些端子的电压的脉宽调制来进行的。

9.根据权利要求1到2中的任一项所述的方法，其中，该设定点的电压(Uc)与额定电压(Un)之间的偏差是与减速度成比例的。

10.用于对发电机组(1)的交流发电机(3)的输出电压(U)进行调节的系统，该发电机组包括对所述交流发电机(3)进行驱动的发动机(2)，该发动机(2)包括速度调节器，该交流发电机包括转子(19)，该转子具有磁极轮(8)，该系统被配置为至少在该交流发电机(3)输出处的负载增加时改变该磁极轮(8)中电流的值，以便使该交流发电机(3)的输出电压(U)突然达到所述交流发电机的一个设定点的电压，该设定点的电压低于负载增加之前的那个电压，该磁极轮(8)中电流的值的改变取决于代表该发动机(2)的旋转速度的一个数量的导数，

对所述输出电压(U)进行的调节独立于所述速度调节器的操作。

11.根据权利要求10所述的系统，该系统被配置为使该交流发电机(3)的电压减少到一个设定点的电压，该设定点的电压被选择的方式为：额定电压(Un)与该设定点的电压(Uc)之间的偏差是至少取决于该发动机(2)的减速度。

12.根据权利要求10或11所述的系统，该系统被配置为在施加的负载的增加对应于电压的低于一个预定值的频率减少时，施加电压减少。

13.根据权利要求12所述的系统，该系统被配置为在施加的负载的增加对应于额定频率减小4％时，施加电压减少。