CN103314522B - 用于激励三相交流发电机的谐振换流系统 - Google Patents

Abstract

一种具有场线圈的交流发电机，该场线圈产生磁场，磁场在线圈装置中感应产生电。场线圈励磁系统包括具有输出线圈装置用于产生交流电的发电机。整流器在两个结点将交流电转换为电压和直流电流。处于两个结点之间的电容器，具有电容，电容与输出线圈装置的电感形成谐振电路。由于该谐振电路，电压和直流电流以预定相位关系振荡。开关和场线圈在所述结点之间串联。控制器致使开关导通持续由接收的控制信号所指定的一段时间。在这段时间结束后，在最小电流水平第一次出现时，使所述开关处于非导通状态。预定相位关系能够使最小电流水平通过检测电压而被探测到。

Description

用于激励三相交流发电机的谐振换流系统

相关申请的交叉引用

不适用。

联邦资助研究或开发的声明

不适用。

技术领域

本发明涉及一种用于激励发电机的场线圈的电路和方法。

背景技术

家庭及商业建筑通常具有电气后备发电系统，其中内燃机驱动交流发电机，该交流发电机在得不到电力公司的供电的情况下提供电力。电力公司中断供电时，控制器自动启动引擎。当交流发电机到达工作速度时，控制器启动自动转换开关以断开建筑物中从电力供应线路上选定的电路，并连接这些电路至交流发电机的输出端。当控制器检测到电力公司供电恢复时，自动转换开关被操作用以重新连接建筑物电路至电力公司的供电线路并且关闭引擎。

交流发电机具有带有场线圈的转子，所述场线圈产生磁场，该磁场与转子一起转动。转动磁场在三个定子绕组中感应产生电流，以产生交流发电机的三相输出电流。场线圈由励磁机激励，励磁机供应直流电，有效产生磁场。

直流电能够以多种方式供给场线圈。一种技术是将直流电从固定元件传输至转子上的转动元件。这个过程能够通过将直流电从固定元件供应至与转子上的滑环接触的电刷实现。另一种技术通常被称作“无刷励磁机”。一种形式是，直流电供应至固定励磁机绕组，产生励磁磁场。转子上的一个或多个励磁绕组穿过该励磁磁场，由此在励磁绕组中感应产生交流电。整流转子上的交流电以产生所需的用于转子场线圈的直流励磁电流。

通常，通过选择性地变化供应至电刷或固定励磁机绕组上的直流供应电流，能够将交流发电机产生的输出电压调整为不变量。交流发电机输出电压被检测，并且所需量级的任意偏差由错误信号表示。调节器电路通过改变直流供应电流，响应该错误信号，直至该错误信号指示已产生所需输出电压。

另一种用于供应直流电至场线圈的技术采用永磁发电机。固定永磁装置产生励磁磁场。励磁绕组转动穿过励磁磁场，由此在励磁绕组中感应产生交流电。整流转子上的交流电以产生所需的用于转子场线圈的直流励磁电流。由于励磁磁场由永磁装置提供，交流发电机输出电压的调整不能通过控制励磁磁场实现。替代地，能够控制转子上的励磁绕组的电力在场线圈上的应用，以调整交流发电机输出电压。

发明内容

一种交流发电机，具有场线圈，该场线圈由电流激励以产生磁场，该磁场在交流发电机输出线圈装置中感应产生电。一种用于激励场线圈的系统包括具有励磁输出线圈装置用于产生交流电的发电机。连接至励磁输出线圈装置的整流器，在一对输出结点处将交流电转换为电压和直流电流。电容器，连接在一对输出结点之间，并具有电容，该电容与励磁输出线圈装置的电感形成谐振电路。所述谐振电路使得电压和直流电流变化，例如电压和直流电流振荡。最小电流探测器被可操作地连接，以确定直流电流的量级何时处于最低水平，并产生该事件的指示。

开关与场线圈串联以形成电路分支，该电路分支联结在输出结点之间。控制器响应励磁控制信号，将所述开关置于导通状态，并响应所述指示，将所述开关置于非导通状态。

该系统的一方面，励磁控制信号指定所述开关的占空比。控制器通过将所述开关保持在导通状态持续一段时间的方式做出响应，随后当具有最低水平的直流电流第一次出现时，将所述开关置于非导通状态。

该系统的另一方面，谐振电路促使电压与直流电流具有预定的相位关系。例如，电压比直流电流超前90度。在这种情况下，最小电流探测器检测电压，以确定何时出现最小电流情况。公开了一种特定方法和用于做出该决定的电路。

附图说明

图1为示出示例性的引擎驱动型发电机组的结构示意图，其具有整合在本发明中的交流发电机；

图2为交流发电机的结构示意图；

图3为交流发电机中的控制器的结构示意图；

图4为产生用以控制交流发电机的励磁的多个信号的波形图；以及

图5为交流发电机中的最小电流探测器的结构示意图。

具体实施方式

首先参照图1，引擎驱动型发电机组(发电机组)10包括原动机，例如内燃机12，由轴14联结至交流发电机16。该引擎驱动型发电机组10通常用于提供后备电源至在事故中中断了电力公司供电的建筑物。自动转换开关(ATS)15自动感应此类中断，该自动转换开关15连接至公用线路17并连接至交流发电机16的输出端19。当自动转换开关15探测到公用电源不可用时，指示该事件的信号发送至引擎驱动型发电机组10。为了响应该信号，引擎12开始驱动交流发电机16。在交流发电机开始产生标称电压水平(例如220伏特)以后，自动转换开关15断开建筑物与公用线路17之间的电线，并连接该线路至交流发电机的输出端。

具体地，来自自动转换开关15的公用电源中断信号由发电机组控制器22接收，从而经由通信总线20发送启动命令至引擎控制子系统24。通信总线20可符合由国际汽车工程师学会(SAEInternational)发布的计算机区域网络(CAN)J-1939标准，但是也可采用其它通信总线协议。发电机组控制器22和引擎控制子系统24分别控制交流发电机16和内燃机12的操作。

发电机组控制器22是基于微型计算机的子系统，其执行控制程序，所述程序管理交流发电机的操作以确保产生恒定的输出电压。此类发电机组控制器的示例在专利号为6,555,929的美国专利中描述，其说明书以参考的方式合并于此。除了接收来自自动转换开关15的输入信号之外，发电机组控制器22接收来自操作员控制面板18以及输出传感器26的信号，输出传感器26检测交流发电机16产生的电的电压和电流水平。发电机组控制器22确定检测到的电压水平是否偏离标称电压水平以及偏离多少。如果存在，那么该偏离量被用于改变由发电机组控制器22在线28上产生的控制信号以控制交流发电机中的磁场的励磁。

参照图2，交流发电机16具有转子38及附接至轴14的励磁机电枢47，轴14由内燃机12驱动。转子38在常规定子30内旋转，交流发电机输出线圈装置34缠绕在定子30上。交流发电机输出线圈装置34包括三个输出绕组35、36和37的常规设置，所述三个输出绕组定向设置以在交流发电机的输出端19处产生三相交流电流，下文将对此进行描述。

励磁机40安装在转子38上，其产生直流电流并施加于位于交流发电机输出线圈装置34附近的场线圈46。励磁机40包括永磁发电机45，所述永磁发电机45具有缠绕在励磁机电枢47上的励磁输出线圈装置44以及固定位于励磁机电枢旁边的永磁体装置32。励磁输出线圈装置44由三个励磁机绕组41、42和43形成，它们以常规的WYE方向连接，在永磁体装置32产生的磁场内转动时产生三相交流电流。

永磁发电机45产生的三相交流电流应用到三相桥式整流器48的输入端。桥式整流器48将交流电流转换成单直流电流，在供应结点51和52之间产生DC(直流)电压。电容器55连接在供应结点51和52之间。电路分支也连接在所述供应结点之间，由场线圈46与场效应晶体管(FET)56串联形成。FET56可以是MOSFET并且依赖于开关最大电流水平，也可采用并行连接并控制的多个FET。控制器54打开及关断FET56，来控制场线圈46产生的磁场的强度，并因此调整交流发电机16的输出电压。如下文将描述的，打开/关断控制的占空比决定磁场的强度。当FET56打开时，即处于导通状态，流经场线圈46的电流上升至某稳态DC水平。随后，当FET56开关关闭时，即处于非导通状态，场线圈电流通过与场线圈46并行连接的回扫二极管(flybackdiode)57下降至零。可以采用多个并联的回扫二极管用于获得更大的电流处理能力。

当FET处于非导通状态时，操作控制器54和FET56的电力源自供应结点51和52之间的电压。电容器55上的电荷提供了当FET56必须保持打开一段时间(例如至少十秒)时在短路情况下的穿越。

控制励磁机40以改变场线圈46产生的励磁磁场，由此调节交流发电机输出电压至一个实质上恒定的标称水平(例如220伏特)。为了控制励磁机40，图1中的输出传感器26提供了关于交流发电机16的每个输出相位的电压量级的指示。那些电压量级指示被发送至发电机组控制器22，并由发电机组控制器22决定供应至场线圈46的电流的量级，以产生具有所需强度的励磁磁场。可以采用多个常规的发电机组控制器中的任一个，例如专利号为6,700,356的美国专利中所描述的一种。替代地，可以使用硬连线的电压调节器替代发电机组控制器22，产生用于控制场线圈电流的信号，以响应由输出传感器26测得的输出电压。

参照图4，交流发电机16的调整使用预定的连续的励磁机控制周期(T₀-T₂)。该调整涉及通过改变FET56的占空比，即通过改变每个励磁机控制周期(FET导通)的时间长度，对施加在场线圈46上的电流量级的控制。例如，用于产生交流发电机16的全负荷输出功率水平的连续的占空比能够为50％，这就意味着FET56在励磁机控制周期的一半时间内是导通的。

再来参照图1，发电机组控制器22将由输出传感器26测得的输出电压与标称输出电压水平(例如220伏特)进行比较。相对标称水平的任何偏差都将产生错误信号，以常规方式使用该错误信号来决定如何改变FET56的占空比，以产生场线圈46的适当的磁场，从而生成标称输出电压。该占空比控制与用在先前的交流发电机中的大体上是类似的。所需占空比由发电机组控制器22在线28上产生的励磁控制信号的电压水平来表示。

参照图2，线28上的励磁控制信号经由光耦合器60施加于交流发电机转子38上的励磁机40。光耦合器60具有固定传输器62和转动接收器64。励磁控制信号施加至传输器62，其发出用励磁控制信号的电压水平调制的光束66。光束66直射向转子38。转子38上的接收器64接收调制后的光束66，并且产生信号，该信号被施加至控制器54的输入端。该接收器信号的电压根据光束的调制而改变。用于传送励磁控制信号至转动的励磁机40的其它技术也可以被采用。

如图3所示，控制器54包括放大器和滤波器电路70，来自光接收器64的输出信号施加于所述放大器和滤波器电路。放大器和滤波器电路70增大该信号的强度并且过滤合成信号以去除任何的由于外部光到达光接收器64所带来的杂散分量。来自放大器和滤波器电路70的信号是发电机组控制器22产生的励磁控制信号的复制信号，其中电压水平指定FET56的占空比，以及由此所需的场线圈励磁的量级。复制信号施加于电压控制计时器72的输入端V_IN。电压控制计时器72通过开启一段时间(ON)的方式做出响应，这段时间的长度等于复制信号的电压水平乘以时间的常增量X，即ON＝X*V_IN。电压控制计时器72在线73上产生输出信号，称作“励磁开启时间信号”，该输出信号在计时期间具有正逻辑水平(例如高逻辑水平)，如图4所示。励磁开启时间信号响应于由发电机控制器22的励磁控制信号所表示的占空比。

常规励磁控制技术能够简单地打开和关闭FET56以响应于励磁开启时间信号的水平，而不需考虑流经FET的电流的量级。但是，本申请人发现当FET56关断时，由于永磁发电机45的励磁输出线圈装置44的电感以及此时的电流量级，在供应结点51和52之间经常会产生高瞬变电压峰值。由于永磁发电机45附接至三相桥式整流器48，具有负极性的励磁输出线圈装置44上的瞬变被立即调整并添加至组合的DC总线电压。该高瞬变电压峰值能够毁坏FET，因此是不希望的。

已经确定的是，如果FET56的关断转换发生在流经FET的DC电流为零时，或至少达到最低水平，这些高开关瞬变能够被最小化或消除。即使流经FET的电流不会变为零，当FET56的关断转换发生在电流最小时，开关瞬变效应也能够明显减弱。但是这需要传感器来探测当前状态。

电容器55具有选定的电容，当与永磁发电机45的励磁输出线圈装置44的电感以及电路电阻联合时，形成谐振电路。该电路的谐振频率能够为励磁输出线圈装置产生的交流电的基本频率或该基本频率的谐波。谐振导致周期性变化的(例如振荡)电流并且在三相桥式整流器48的输出端产生电压DC波形，如图4所示。所述谐振使得供应点51和52之间的电压比流经FET56的电流超前90度。尽管在励磁机40的该示例性实施例中电压和电流之间为90度相位关系，但是也可采用其它相位关系。

励磁机40的控制利用最小电流探测器50，该探测器探测FET处于导通状态时流经FET的电流何时达到最低水平。在每个电流周期中，该最低电流水平发生在最低点(MIN)，该点对应于零值电流。在图5中的示例性最小电流探测器50的示意性结构图中，电压传感器80感应到供应结点51和52之间的DC电压，并且发出表示该电压的信号。该信号施加于电压平均电路82，该电路产生运行平均电压水平(AVE)，其中平均时间间隔至少为振荡DC电压的一个周期。得到的平均电压水平表示振荡周期内的电压最大值与电压最小值之间的中间水平。该平均电压水平(AVE)施加于比较器84的反相输入端，所述比较器具有非反相输入端，电压传感器80的电压水平直接施加在该非反相输入端。比较器84在线85上的输出在当供应结点电压小于平均电压时具有低逻辑水平，并且在当供应结点电压大于平均电压时具有高逻辑水平。

当供应结点51和52之间的振荡DC电压发生经过平均电压水平的从低到高转换时，例如发生在图4中的时间T₃时，由于电压与电流之间的90度相位关系，电流处于最低水平。所述经过平均电压水平的电压转换促使比较器84在线85上的输出从低逻辑水平上升至高或正逻辑水平。那么通过探测比较结果的低至高转换(上升沿)，能够探测到达到最低电流水平的时间点。比较器84产生的信号施加至单稳态多谐振荡器86的触发输入端，该单稳态多谐振荡器响应于该信号的上升沿，在最小电流探测器50的输出线88上发出简短的正逻辑水平脉冲，如图4所示。最小电流水平的探测促使最小电流探测器50施加正逻辑水平脉冲至门开关74的关断(OFF)输入端。

再次参照图2和图3，门开关74还具有开启(ON)输入端，其接收由电压控制计时器72产生的励磁开启时间信号。在ON输入端接收正逻辑水平后，门开关74在其输出端75产生正逻辑水平。门开关74的输出保持为正持续一段时间，这段时间与之后ON输入端接收正逻辑水平的时间一样长，直至在OFF输入端接收到正逻辑水平。门开关74的输出75施加至门极驱动器76，门极驱动器在线53上产生信号，该信号施加至FET56的门极，以控制FET56的导通状态。

当励磁开启时间信号转为正时，门开关在其输出线73上产生正逻辑水平，促使FET56在时间T₁开启，如图4中的底部波形所示。在FET56的导通状态，三相桥式整流器48的DC电流馈通场线圈46。随后，当励磁开启时间信号在励磁机控制周期的末端在时间T₂转为负(false)时，在门开关74上的输出保持为正，直至最小电流探测器50的下一个正逻辑水平脉冲在OFF输入端被接收。在图4中的时间T₃，门开关74的输出转为负，由此关断FET56。注意到，在时间T₃，流经FET56的电流处于最低水平。

当FET导通时，三相桥式整流器48的输出电流发送通过场线圈46，其产生磁场，该磁场在交流发电机输出线圈装置34中感应产生电流。当FET56关断时，场线圈46的衰减的磁场产生电流，所述电流流经回扫二极管57。由于FET56的开关频率设置为励磁机控制周期的长度，电流持续流经场线圈46，即使FET56处于非导通状态。该电流的量级由FET56的占空比控制，所述占空比转而由发电机组控制器22中的电压调节器的线28上的信号确定。

前文主要针对本发明的优选的实施例。尽管主要描述了本发明的范围内的多种替代实施例，本领域技术人员应该容易意识到，通过本发明的公开的实施例，容易想到其它的替代实施例。相应地，本发明的范围应该根据所附权利要求来确定，而不受限于上述说明。

Claims (19)

1.一种用于激励交流发电机的场线圈以产生磁场的系统，所述磁场在交流发电机输出线圈装置中感应产生电，所述系统包括：

发电机，具有用于产生交流电的励磁输出线圈装置；

整流器，具有输出端并且将交流电转换为输出电压和直流电流；

电容器，其连接至所述整流器的输出端，并且具有电容，该电容与励磁输出线圈装置的电感形成谐振电路，其中所述谐振电路促使所述输出电压和直流电流周期性地变化；

开关，所述开关被可操作地连接以控制所述直流电流对所述场线圈的应用；

最小电流探测器，其被可操作地连接，以确定所述直流电流的量级何时处于最低水平，并由此产生一指示；以及

控制器，所述控制器响应励磁控制信号，将所述开关置于导通状态，此时所述直流电流施加于所述场线圈，以及所述控制器响应所述指示，将所述开关置于非导通状态。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述谐振电路具有谐振频率，该谐振频率等于所述交流电的基本频率，或者等于所述基本频率的谐波。

3.根据权利要求1所述的系统，进一步包括与所述场线圈并行连接的回扫二极管。

4.根据权利要求1所述的系统，其中所述谐振电路使得所述输出电压比所述直流电流超前一预定相位关系。

5.根据权利要求1所述的系统，其中所述谐振电路使得所述输出电压比所述直流电流超前90度。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述最小电流探测器分析电压以探测所述直流电流的最低水平的出现，所述电压与所述输出电压相对应地周期性地变化。

7.根据权利要求1所述的系统，其中响应于所述输出电压与平均电压水平具有预定关系，所述最小电流探测器确定何时所述直流电流具有最低水平，其中所述最小电流探测器将所述输出电压平均化以产生所述平均电压水平。

8.根据权利要求7所述的系统，其中所述预定关系为何时所述输出电压做出经过所述平均电压水平的转换。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述预定关系为何时所述输出电压从小于所述平均电压水平上升至大于所述平均电压水平。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器将所述开关置于导通状态持续由励磁控制信号限定的一段时间，并且在这段时间后，所述指示第一次出现时将所述开关置于非导通状态。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述励磁控制信号指示用于所述开关的操作的占空比。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述开关为场效应晶体管。

13.一种用于激励交流发电机的场线圈以产生磁场的方法，所述磁场在交流发电机输出线圈装置中感应产生电，所述方法包括：

提供由发电机的励磁输出线圈装置和联结至所述励磁输出线圈装置的电容器所形成的谐振电路；

操作所述发电机以产生交流电；

调整所述交流电为输出电压和直流电流；

将开关置于导通状态，由此施加所述直流电流至所述场线圈；

探测所述直流电流的最低水平的出现；以及

响应于探测所述直流电流的最低水平的出现，将开关置于非导通状态。

14.根据权利要求13所述的方法，其中将开关置于导通状态包括保持所述开关为导通状态持续一预定时间段。

15.根据权利要求14所述的方法，其中在经过所述预定时间段以后，第一次出现所述直流电流的最低水平时，将开关置于非导通状态。

16.根据权利要求13所述的方法，其中探测所述直流电流的最低水平的出现包括将一段时间内的输出电压平均化，以产生平均电压水平；以及响应于所述输出电压与所述平均电压水平之间的预定关系，确定所述直流电流的最低水平的出现，其中所述预定关系为何时所述输出电压做出经过所述平均电压水平的转换。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述预定关系为何时所述输出电压从小于所述平均电压水平上升至大于所述平均电压水平。

18.根据权利要求13所述的方法，进一步包括：

检测在所述交流发电机输出线圈装置中感应产生的电的特性；

响应于所述特性产生励磁控制信号；以及

其中响应于所述励磁控制信号时，将开关置于导通状态。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述励磁控制信号指示用于所述开关的操作的占空比。