CN1040293A - 电力发生器 - Google Patents

Abstract

一种用于机动车辆上的电力电源，与车辆电池、交流发电机和调节器相连接。该电力电源包括一个电压倍增器，用于使来自交流发电机的整流输出电压倍增；以及包括焊接插孔，用于进行焊接工作。一个多极开关用于使所述电力电源可独立地选择在常规的电池充电、电动用具运转和焊接三种工作方式之一上。

Description

本发明是Voogt于1986年8月14日申请的流水号为896482的待批的美国专利申请的部分申请的继续。

本发明涉及一种用于标准机动车辆交流发电机上的设备。它能选择进行焊接、操作电动工具，或者作为该交流发电机通常的充电器用途而对车辆电池进行充电。

本发明基于对机动车辆交流发电机所作的简单改进，使其输出可在提供焊接电流、适合于操纵电动工具的直流供电，或者对车辆电池提供充电电流（常规方式工作）之间变换。

已有技术的设备，例如Stroud等人的美国专利4330715和Smith的美国专利4599687已经提出连接在一种改进了的机动车辆交流发电机绕组上的二倍压电路。这种设备由于采用了大电容器和功率二极管，因此有效地提高了输出电压，使之足以驱动电动工具;以及因使用了开关使之可由一种运行方式转换到另一种方式。

Smith采用了三相两级二倍压电路，该电路使用了六只大电容器和八只功率二极管，但是交流发电机调节器不是标准车辆型的，而是为Smith设备专门设计的。因此，假如Smith的装置发生故障，没有备件，则电池或者不能充电或者过充电，并且遭受损坏。

Smith的电路是有缺点的：因为使用了大量的难以布线的大功率另部件，使制造成本增加，附件多使线路复杂化，同时增加了出故障的可能性。

Smith设备的其他缺点是电压倍增器总是与交流发电机A、C绕组相接，即使在交流发电机正常运转时亦如此。由于Smith设备不同交流发电机隔绝，因此在车辆运行时电容器一直充电。这样，在车辆正常运行时Smith设备有了故障就会造成车辆发生故障。

Smith设备还有一个缺点是它不能调节焊接电压输出。

Stroud等人采用了一级二倍压电路以及和Smith同样采用了一种非标准电压调节器。虽然Stroud等人用了较少的另部件，但是因为只有一级二倍压电路，所以不能提供足够的电力去驱动220和240伏电动工具。

Stroud等人的设备的其他缺点是将焊接插孔接点41和43放在与电动电源插孔R1同一位置上，在处于焊接方式时，把用电器或电动工具连接到电动电源插孔上由于低电压可能造成用电器损坏。

Stroud等人的设备的又一缺点是它不能对110伏电压输出或焊接电压输出进行调节。

最后，无论是Smith的还是Stroud等人的已有设备都有这样的缺陷，即它们没有提供适当的安全措施和设备保护电路或装置。

本发明涉及一种用于操纵电动工具并与皮带轮驱动的三相交流发电机相连接的装置。该交流发电机是一种标准的机动车辆交流发电机，它与一三相全波桥式整流器和一标准的电压调节器相连，使交流发电机的输出得以控制，以满足电池常规充电的需要。交流发电机的两相连接到一个电容性电压倍增器电路上，以便输出120伏或240伏的直流电压。通过一个与车辆电池相联的串联调节器电路检测输出电压并使其保持在所需的电压数值上，以控制通过该交流发电机场线圈（转子）上的电流。

电压倍增器电路包括两级二倍压电路。第一对串联的电容器连接在已经整流的交流发电机输出的正负端子之间。第一个阻塞二极管的正极与已经整流的交流发电机的正极输出端相连，而第二个阻塞二极管的负极与已经整流的交流发电机的负极输出端相连。第二对串联的电容器作为输出电容器连接在第一阻塞二极管的负极和第二阻塞二极管的正极之间。交流发电机的一个绕组的两端分别连接在第一对串联的电容器中间和第二对串联的电容器中间。

与上述已有技术相比，本发明不仅解决了安全和设备保护问题，还兼顾了以下优点：

1）减少了部件数目（从而提高了可靠性和降低了成本）;

2）合适的功率输出（电压为直流120V或240V）;

3）有效的单独的转换开关（多极）;

4）使用标准交流发电机调节器，从而使交流发电机的调节较为简单（只需用两条外加导线改成三角形连接）;

5）完善的超负荷保护，电流电压双重指示以及确保安全的焊接电压调节;

6）允许两个或更多的用电器同时并联在增加了的电动电源输出端上工作;

7）采用两个功率二极管和四个电容器，它们均按其基本形式工作，即一种简单形式的连接，不影响用电器的输出功率;

8）采用一电压感测电路，连接在输出电容器两端，通过一发光二极管（L.E.D）指示实际的输出电压;

9）采用一电流感测电路，串联在电压倍增器输出的负端，以一个L.E.D的发光来指示过电流状态;

10）采用一电压检测电路，连接在二倍压电路的输出端，用一串联连接的调节器去控制经过该交流发电机调节器而加到交流发电机场线圈（转子）上的电流，从而控制其输出电压;

11）采用一电压检测电路，连接在焊接插孔上，借助一串联连接的调节器去控制通入交流发电机场线圈（转子）的电流，从而控制其焊接开路电压;

12）采用一温度感测电路，以检测元件的工作温度，如果温度超过设定的温限，则通过串联的调节器去切断用电器;

13）采用单独的多极开关，当用于电动工具时，通过三个电极将电压倍增电路以及调节器连同其相应的电路连接到交流发电机的输出端;当用来焊接时，开关处于其中间位置，不接通任何极;当用于通常的电池充电时，开关处于第三种位置，使串联的调节器电路傍路，并将电池连接到已整流的交流发电机的输出端上;

14）采用一点火信号灯电路，连接到车辆点火信号灯上，用以指示车辆电池是否被充电。

上述各部件均装在一个小的封闭的盒子中，并予以适当布置，使电动插孔、焊接插孔和多极开关均能可靠工作。适当安排焊接插孔位置，使之除了处于焊接方式工作时，其他时候该插孔均被多极开关的手柄遮挡住。

图1是本发明的原理图，示出用作电动电源发生器的与标准车辆发电机相连接的接线图。

图2-4是线路图，更详细地示出本发明所用到的电路的连接和安排，包括车辆交流发电机、电池、点火开关和点火信号灯的相关位置以及与本发明装置的实际连接关系。

图5是一开关连接表，示出开关所处各位置的开合接触关系。

图6是本发明的面板实体图。

如图1所示，车辆交流发电机10具有三个输出绕组A、B和C，它们彼此成三角形连接。将绕组A、B和C与具有六个二极管D1到D6的标准三相全波二极管桥式整流堆11相连，以提供经过整流的直流电并由端子38+和38-输出。

当交流发电机转子17以其约每分钟7000转的额定运转速度旋转时以及交流发电机10全激励时，其每一输出绕组上的交流发电机开路峰值电压为60V    AC。电压调节器12经串联的调节器13和车辆点火开关15与电池14两端相连。当电池14借助开关16而不与已经整流的交流发电机输出相连时，其输出电压将保持在等于或低于12.6V。调节器12感测到低电压时，就进入满载工作，从而使交流发电机10全激励。

电池14通常经开关16连接到已经整流的交流发电机输出端，使电池14充电。由于调节器12对其电压进行感测，因而它按照当达到14V左右时切断电路的常规方式控制着交流发电机的输出。开关16的一个极并联在串联调节器13的两端，在正常工作方式时将其短路。

开关16还有另外两种开合状态，一种状态是全部电极均断开，如图5所示，这时从焊接插孔端子38+和38-接线，使焊接工作得以进行。在这种状态时，电压调节器12经串联调节器13和点火开关15连到电池14上。由于电池14不和已经整流的交流发电机输出相连，因此调节器“观察到”低电压，从而对交流发电机10进行全激励，使之在端子38+和38-上提供约80V到100V的直流电压，直接用于焊接。在这种状态时，由于接有焊接电压检测器电路，串联调节器13也可以调节激励程度使之达到80V的直流输出最大值，这将在下文中更详细地描述。

在其第三种状态时，开关16选择在电动电源位置上，用以对电动工具供电。更具体说，电压倍增器18经开关16的三个电极16b与已整流的交流发电机输出相连，电极16a保持在断开位置。电压倍增器电路18提供一标称电压220V或110V直流输出给电动工具，例如钻机和其他可用直流电的工具或设备。

电压倍增器电路18的输入既来自二极管电桥11的输出，也直接来自交流发电机的定子绕组。电压倍增器电路18包括第一对串联的电容器20、22、一对二极管24、26和第二对串联的电容器28、30。电容器20、22、28和30均为470F电容量、耐压250V的电容器。二极管24和26为50安培电流、耐反向峰值电压300V的二极管。

二极管24的正极连到交流发电机二极管电桥11的正极，而二极管26的负极连接到交流发电机二极管电桥11的负极。电压倍增器电路18的电压在正端34和负端36上输出。交流发电机10的输出绕组C两端分别接在电容器20和22的中间点以及电容器28和30的中间点上。

以下参见图2-4对电动电源发生器的工作作一描述。假定开关16位于电动工具工作状态即第三种状态，此时电极16b闭合而电极16a断开，车辆电池与交流发电机10的二极管电桥11的输出不连接，以及电压倍增器电路18既与交流发电机二极管电桥11相连接，也与交流发电机绕组C相连接。

当交流发电机10的转子17旋转时，就在交流发电机10的三个输出绕组A、B和C中每一绕组上都产生一交变电压（AC电流）波形，三个波形的相位彼此相差120度。首先来看绕组A。绕组A中的额定的波形正半周经二极管D3将电容器20充电到该波形的峰值电压。在绕组A中的下一个负半周时，经二极管D6使电容器22充电到该波形的负峰值电压。

由于电容器20和22互相串联，因此在此串联的一对电容器两端的电压是绕组A中交变电流波形峰值电压的两倍。以同样的方式，绕组C中交变电流波形也将对电容器28和30充电。

当绕组C具有额定的波形正半周时，它经电容器20和二极管24向电容器28充电。在这一时刻，电容器28被有效地连接在交流发电机绕组C和串联的电容器20的两端，因此，它将被充电到绕组C中交变电流波形电压峰值和电容器20上电压之和的电压数值。这就使电容器28两端的电压等于电容器20上电压的两倍。

绕组C处于负半周时，阻塞二极管24阻止电容器28放电，而二极管D1到D3阻止电容器20放电。以同样方式，在绕组C中的波形处于负半周时，经二极管26和电容器22使电容器30充电。同样，在这一时刻，电容器30被有效地连接在串联的电容器22和交流发电机绕组C两端上，因此，它将被充电到电容器22上电压和交流绕组C上峰值电压之和的数值。这使电容器30两端的电压等于电容器22的电压的两倍。

在绕组C处于正半周时，阻塞二极管26阻止电容器30放电，而二极管D4到D6阻止电容器22放电。由于电容器28和30是串联的，并且因为该电容器中每一个的电压都分别是电容器20和22的两倍，因此这一对串联的电容器28和30两端的总电压将是交流发电机10的一个绕组上交流峰值电压的四倍。

串联电容器28和30两端的电压由端子34+和36-输出，同时由于接有阻塞二极管24和26，可防止它反回来向电路中放电。以上描述了基本工作原理，然而在输出端34和36上获得的实际电压，还取决于该交流发电机的特性。特别是，所获得的电压值，取决于交流发电机的激励电流、转速、所连接的负载性质以及电容器20、22、28和30的大小。

如图4所示，电容器28和30两端的输出是由电压感测电路32检测的。它包括由电阻40到44和稳压二极管51和52形成的分压器。该电路通过晶体管60和光耦合器70控制串联的调节器13的输入，从而调整交流发电机10的激励电流。

以下讲述电压感测电路32的工作原理。一旦输出端子34+和36-上呈现足够高的电压，结果使电流通过稳压二极管51和52，使晶体管60编流增加，从而使电流通过光耦合器70，这时光耦合器70中的晶体管部分将使集成电路80的反相输入端接地，因而使其输出趋向12V。

这样也使（串联调节器13的）晶体管61-64截止，这依次又减小了场线圈的激励电流，使端子34+和36-两端的输出电压下降，直到达到预定的电压值或者由分压器40-44均衡设置的电压值为止，从而使输出电压得到调节。

跨接在电阻42两端上的开关33用于使端子34+和36-上的输出选择在120伏或240伏上。具体说，如果开关33合上使电阻42短接，则光耦合器70将控制输出电压为120伏。反之，如果开关33断开，则光耦合器70将使输出电压控制在240伏上。

处于电动电源工作方式，即开关16b合上从而输出高电流时，这时这些电容器承受着很大的脉动电流，也就是不连续的变化。电容器20和22工作在最恶劣的条件下，因此比电容器28和30更急速地被加热。靠近电容器22的是一支具有负温度系数的热敏电阻31，它接在集成电路81的输入端。当电容器22的温度上升而超过预定值时，热敏电阻31的电阻下降，结果使比较器集成电路81的输出端从12V变为0V，从而使集成电路80的反相输入端重新接地，由于晶体管64截止，因而又一次断开串联的调节器13。

在电容器28和30的两端还接有一电压指示电路，它包括晶体管90到104。该电路由六个串联的恒流电路组成，使之能有效地分配加在其上的电压，因为它们必须有效地指示12V至220V的电压。

发光二极管111至115的供电是由六级恒流源（一种随电压而变化的电阻）提供的，而电压的检测是通过稳压二极管53和由电阻45到48构成的分压器进行的。发光二极管111到114对输出电压进行指示。

并联的电阻49和50串联在输出端的负极上。一旦输出电流超过由电阻49和50的电阻值所确定的预定值时，晶体管65就被正向偏置，因而发光二极管115发光指示出超负荷状态。

处于焊接方式时，开关16的全部电极16a和16b均断开，此时焊接电压检测器37开始工作。在电动电源工作方式时，通过将开关16的触点5c和6c有效地搭接，使电阻139短接。这种电路可保证开路焊接电压不会超过工业安全标准中制定的所需的安全电压。

将开关16放置在使其所有电极均为断开状态，并将交流发电机二极管电桥11连接到焊接端子38+和38-上，这时即可直接进行焊接。可提供的焊接电流取决于交流发电机的激励特性和交流发电机转子速度。由于在焊接期间电压倍增器18完全与电路断开，因此电路没有损耗。

焊接电压检测器37包括一个由电阻139和140组成分压器。当电压增加到在电阻139两端有足够的电压降从而使电流流过稳压二极管54和55以及光耦合器71时，光耦合器71的晶体管部分就使集成电路80的反相输入端接地。这使得集成电路80的输出升高，从而使（串联调节器13的）晶体管61-64截止，这样就使开路焊接电压得到控制。

由于晶体管64是同标准的交流发电机调节器12（装配在交流发电机10上）串联的，因此在常规的电池充电期间由于开关16的电极16b是断开的，故电压感测检测器32感测不到电压。相应地，晶体管64被驱动成全导通状态，因此只有很小的功率损耗，其电压降只有0.2V。这使标准的调节器12能感测电池电压，并作相应的调节。

当开关16的开关电极16a接通，亦即晶体管64两端短接时，就构成了一个低电阻通路，使电池14直接与标准的调节器12达到良好的电连接。

在为用电器提供220V直流电源时，电池14与交流发电机10的输出二极管断开，晶体管64根据端子34+和36-上的输出电压进行调节，而当感测到较低的电池电压时，标准调节器12则导通，从而使激动调节被有效地移开。因此，该合适的调节器就当然地对交流发电机10的激动进行了控制。

在由端子34+和36-供电而使负载工作时，端子上的电压有一定的波动，这种波动随负载的增加而增大。通过光耦合器70和71将这种波动引入串联的调节器13中。这使晶体管64很轻巧地将电路或者切换在无负载状况下（很小的热损耗）或者切换在几乎作为斩波器工作的负载状况下，由这种波动和控制电路的一般稳定性决定，使之处于导通或不导通状态。

这种斩波器的作用，由于其频率很高以及与激励相联系的较长的磁性电路延迟，从而对输出没有有害的影响。这使串联的调节器13的热损耗很小。当晶体管64全导通并提供4安培输出电流时，由于有很高的晶体管驱动电流，其电压降约为0.2V。

车辆装有电动设备时，车辆的点火信号灯电路一般是不能使用的。为了克服这一问题，提供了一种点火保护电路19，其工作原理将在下文描述。

包括二极管57和58以及稳压二极管56的电池电压检测电路被连接到比较器集成电路82的非反相输入端。如果电池电压较低，集成电路82的非反相输入端为0V，从而使输出也为0V，因此晶体管66截止。这使晶体管67和68经由电阻142和143导通。接着晶体管67和68使车辆点火信号灯21两端的电路接通，从而使灯泡发光。

如果电池电压超过13.5V，电池14充满电，从而使集成电路82的非反相输入端电位为正，结果集成电路82的输出端变成12V，使晶体管66导通，因而使晶体管67和68的基极接地。这样，晶体管67和68截止，使点火信号灯熄灭。

晶体管67和68的集电极上接有电阻144，它对集成电路82提供正反馈，使通断有一定滞后作用，从而减小了点火信号灯的闪烁。晶体管67和68的发射极与地之间分别串联一电阻145和146。

电阻145和146上的电压取决于所通过的电流。此电压加到比较器集成电路83的非反相输入端，如果它超过0.6V（提供500MA电流）时，将使集成电路83的输出趋向12V。这一正向电压经二极管59和电阻147加到集成电路82的非反相输入端，再使点火指示灯熄灭。

经电路85给集成电路83提供正反馈，电路85例如可以是一个与一个二极管串联的电阻。万一出现超负荷，该正反馈就封锁集成电路83并需断电复位。

这样，该电路就保护了晶体管67和68，使其免于损坏，万一由于点火信号灯直接接入已有太大负荷的电池正极而导致超负荷时，使晶体管截止。同样，该电路也提供了点火信号灯的过电流保护。

图6示出处于焊接状态时开关16的手柄位置，这时焊接插孔38+和38-是露出来的。如果开关16转到电动电源位置（PWR）或运行位置时，则焊接插孔之一被挡住。因此，这个开关的构形使得在开关16处于电动工具工作位置或车辆电池正常充电位置时不会让焊接工作也进行，从而起到保护作用。

最后，提供了一项装置，使电源冷却风扇可经晶体管69而接通。它设计成只有当用电器不是在通常的充电方式下工作，亦即开关16的电极16a是断开的情况下，电源冷却风扇才工作。此外，只有当集成电路82的输出为OV，亦即当点火信号灯亮时，该风扇才工作。

典型的这种风扇是一小型的12伏薄型风扇，它只需要200MA电流。在苛刻的和用电器连续工作条件下，它给予了安全保证。采取了措施使得该装置能工作在12或24V直流电池电压供电的车辆和交流发电机上，并可提供120V或240V的直流电压输出。

应当了解，以上对本发明最佳实施例所作的描述并不是以任何方式去限定本发明范围。可以作出各种变化和改型而不违背本发明的精神和范畴，例如，虽然开关16的这种手柄已经用于防止在通常的电池充电（运行）或电动设备工作方式交替选用时又进行焊接，但是，也可以引出另外的开关触点，使之在不处于焊接工作时切断焊接插孔，而在处于焊接工作方式时接通焊接插孔。对于本领域的技术人员，其他变化和改型也都是显而易见的。

Claims (11)

1、一种用于机动车辆上的电力电源，该电力电源与车辆电池相互连接，并同三角形接线的交流发电机以及电压调节器相连接，所述电力电源包括：

电压倍增器电路部件，该部件与来自车辆的成三角形连接的交流发电机的已整流的电压输出端可切换地相连接，以使已整流的输出电压倍增；并具有电动电源输出接线端子，使电动用具得以通电运转；

焊接接线插孔，用于进行焊接工作；以及

开关部件，用于选择常规的电池充电、电动用具运转或焊接三种工作方式之一；所述开关部件只有当选择在电动用具运转方式时才将上述电压倍增器电路连接到上述整流输出端；所述开关部件只有当选择在焊接方式时才提供上述焊接接线插孔用于进行焊接；以及所述开关部件当选择在常规电池充电方式时用于不让电动用具运转方式和焊接方式同时出现。

2、如权利要求1所述的电力电源，其特征在于还包括一电压感测部件，用于检测和调节来自上述电压倍增器电路部件的已倍压的整流输出。

3、如权利要求1所述的电力电源，其特征在于还包括一焊接电压检测器部件，用于检测和调节所述焊接插孔接线端上的焊接电压。

4、如权利要求1所述的电力电源，其特征在于还包括一车辆点火电路部件，用于使车辆点火信号灯电路在所述开关部件处于任何状况时均能保持工作，并为车辆信号灯提供过电流保护。

5、如权利要求2所述的电力电源，其特征在于还包括一串联的调节部件，它串联在车辆电池和电压调节器之间，用于和所述电压感测部件协同工作，调节通到车辆交流发电机的激励电流，以调节倍压后的整流电压输出。

6、如权利要求5所述的电力电源，其特征在于还包括过温切断电路，用于保护所述电压倍增器电路部件使其不致过热，它按照检测所述电压倍增器电路部件中积累的热量并对其作出响应，使所述串联调节部件去减少通入车辆交流发电机的激励电流。

7、如权利要求1所述的电力电源，其特征在于所述电压倍增器电路部件包括第一对串联的电容器，它们连接在已经整流的交流发电机输出的正负极两端;第一阻塞二极管，其正极连接在已经整流的交流发电机输出的正极端;第二阻塞二极管，其负极连接在已经整流的交流发电机输出的负极端;以及第二对串联的电容器，它们连接在第一阻塞二极管的负极和第二阻塞二极管的正极上;以三角形连接的交流发电机的三个交流发电机绕组之一的两端分别连接在第一对和第二对串联的电容器的中间。

8、一种用于机动车辆上的电力电源，该电力电源与车辆电池相互连接，并同三角形接线的交流发电机以及电压调节器相连接，所述电力电源包括：

电压倍增器电路部件，该部件与来自车辆的成三角形连接的交流发电机的已整流的电压输出端可切换地相连接，以使已整流的输出电压倍增;并具有电动电源输出接线端子，使电动用具得以通电运转;

焊接接线插孔，用于进行焊接工作;以及

开关部件，用于选择常规的电池充电、电动用具运转或焊接三种工作方式之一;

电压感测部件，用于检测和调节来自上述的电压倍增器电路部件的已倍压的整流输出;以及

串联的调节部件，它串联在车辆电池和电压调节器之间，用于和所述电压感测部件协同工作，调节通到车辆交流发电机的激励电流，以调节倍压后的整流电压输出。

9、如权利要求8所述的电力电源，其特征在于还包括焊接电压检测器部件，用于检测和调节所述焊接插孔接线端上的焊接电压。

10、如权利要求8所述的电力电源，其特征在于还包括一车辆点火电路部件，用于使车辆点火信号灯电路在所述开关部件处于任何状况时均能保持工作，并为车辆信号灯提供过电流保护。

11、如权利要求8所述的电力电源，其特征在于所述的电压倍增器电路部件包括第一对串联的电容器，它们连接在已经整流的交流发电机输出的正负极两端;第一阻塞二极管，其正极连接在已经整流的交流发电机输出的正极端;第二阻塞二极管，其负极连接在已经整流的交流发电机输出的负极端;以及第二对串联的电容器，它们连接在第一阻塞二极管的负极和第二阻塞二极管的正极上;以三角形连接的交流发电机的三个交流发电机绕组之一的两端分别连接在第一对和第二对串联的电容器的中间。

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