CN1043838A - 用非线性补偿调整发电机电压 - Google Patents

Abstract

一种调整发电机输出电压的方法，将代表发电机实际输出的信号与基准信号相组合，产生一个正比于实际输出与要求输出之差的控制信号。用一个代表发电机在预期的工作转速和负荷范围的非线性传递函数修正所述控制信号。根据修正的控制信号控制发电机的激磁器励磁电流，从而使实际输出接近要求的输出。用一个插入到电压控制回路的非线性元件对发电机增益变化提供补偿，从而使总回路增益在发电机的工作转速和负荷范围内保持不变。

Description

本发明涉及发电机稳压，更具体地说，涉及到一种用来调整在变负载条件下工作並被变速驱动的发电机的输出电压。

通常用于调整发电机输出电压的稳压器包括一个敏感电路，此敏感电路产生一个与发电机的交流或直流输出成正比的电压信号。此信号与一个基准信号相减后得到一个正比于发电机输出的误差的信号。包括一个补偿器，用来修正稳压器控制回路的增益。补偿器的输出经放大后用于控制发电机激磁器的励磁电流。发电机的输出正比于激磁器的励磁电流。在控制回路中的每个元件的增益和响应可予以测量，而补偿器则可根据众所周知反馈控制方法进行设计以获得所需的瞬态响应。

在诸如飞机那种应用场合的一些电力系统中，发电机必须工作在一个宽速范围内。由于发电机的增益（发电机输出电压与激磁器励磁电流之比）是正比于其转速且随着加上负载而降低，因此如上讨论的那种结构的稳压器，当以各种转速下工作的发电机被加上或去掉负载的时，会产生不可接受的瞬态响应。例如，当工作在接近其工作转速范围的低端的发电机加上负荷时，发电机的输出电压定是降低，然后才慢慢恢复，这是因为电压控制回路的增益是相当低的缘故。然而增益不能大量增加，以避免使控制回路在当高速工作的发电机中去掉负荷时处于严重的欠阻尼状态。在要求的转速和负荷范围内的瞬态响应的差别会是相当大的。本发明的目的是寻求提供一种可改进发电机在所期望的工作转速和负荷范围内的瞬态响应的稳压器。

按照本发明构思的发电机的稳压器，在电压控制回路中包括一个非线性元件，它用来补偿由于转速和负荷改变时引起的发电机增益的变化，从而改进了系统的总的瞬态响应。本发明提供了一种调节发电机输出电压的方法，该方法包括如下步骤：产生一个代表发电机实际输出的第一信号;将第一信号与一个基准信号结合起来获得一个正比于发电机要求的输出与实际输出之差变化的控制信号。上述控制信号被一个代表在所需工作转速和负荷范围内的发电机的增益的非线性传递函数加以修正;及发电机激磁器的励磁电流根据最后的经修正后的控制信号予以控制，从而使发电机的实际输出接近于所要求的输出。发电机的输出既可以是电压也可以是电流，並且它们既可为交流也可为直流。

本发明也提供了用以实现上述方法的一些稳压电路。在最佳实施例中，非线性传递函数为控制信号的指数函数。

在结合附图阅读了仅用作为例子的本发明的最佳实施例之后，读者对本发明将会有一个更清楚的理解。

图1为根据本发明的一个实施例构建的一个稳压器的方框图;

图2为用于本发明的最佳实施例的非线性传递函数的曲线;

图3用来说明图1中的非线性元件的增益;以及

图4为用于本发明的最佳实施例的非线性元件的示意图。

现参阅图1，图1是按本发明的一个实施例设计的发电机的稳压器。图中发电机10与一个外部原动机（未予示出）相耦合，原动机以变速驱动发电机。发电机通过线12送出直流或交流电压。该电压被敏感电路14敏感从而在线16上产生一个代表发电机输出电压的第一电压信号V₁。在点18处加入一个可以是正比于发电机要求的输出电压的直流电压的基准电压Vref。第一电压信号V₁与电压基准信号Vref在结合点20相减，从而在线22上产生一个误差信号Ve。补偿器24接收该误差信号並产生一个用作为非线性元件26的输入信号V_in的控制信号。非线性元件的传递函数修正控制信号V_in以便产生一个输出信号V₀。放大器28根据非线性元件的输出信号通过线30控制发电机10的激磁器励磁电流。

在图1中的所有的元件中除了非线性元件以外都可在现行的稳电器中找到。本发明加上了一个非线性元件，其增益做得可补偿在发电机中的增益变化，结果使得控制回路的总增益在发电机的工作转速和负荷范围内基本不变。发电机激磁器的励磁电流EFA包含了用于确定非线性元件增益所需的信息。在低速和高负荷时，EFA为大电流，而在高速和轻负荷时，EFA为低电流。于是非线性元件的增益应该正比于发电机的EFA。该增益是一个等效于传递函数在工作点上的导数的微分增益。放大器28控制发电机的EFA，以便使得EFA正比于非线性元件的输出电压V₀。

非线性补偿器的理想函数应该是指数函数。其所以是理想是因为指数函数的导数正比于函数本身。如果函数为：

$V_0\mathrm{=\; Ce}{}^{(\frac{V_{\mathrm{i\; n}}}{k})}$ (1)

其中K和C为常数，则：

$\mathrm{G\; =}\frac{{\mathrm{dV}}_0}{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{i\; n}}}=\frac{c}{k}{e}^{(\frac{V_{\mathrm{i\; n}}}{k})}=\frac{1}{k}{V}_0$ (2)

因此，增益正比于与EFA成正比的V₀。遗憾的是，可提供的指数函数模块都是利用二极管的伏安特性，而此特性是对温度灵敏的。然而，在补偿网络中的温度漂移是不希望有的。因此，本发明的最佳实施例使用了如下形式的函数：

$V_0=\frac{V_{\mathrm{i\; n}}{}^n}{K}$ (3)

或

$V_{\mathrm{i\; n}}\mathrm{=\; (KV}{}_0){}^{\frac{1}{n}}$ (4)

其中K为常数。于是

$\mathrm{G\; =}\frac{{\mathrm{dV}}_0}{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{in}}}=\frac{{\mathrm{nV}}_{\mathrm{i\; n}}{}^{\mathrm{n\; -\; 1}}}{K}=\frac{n}{K}{\mathrm{(vok)}}^{\frac{\mathrm{n\; -\; 1}}{n}}=\frac{{\mathrm{nV}}_0{}^{(\frac{\mathrm{n\; -\; 1}}{n})}}{K^{\frac{1}{n}}}$ (5)

${\mathrm{G\alpha V}}_0{}^{\frac{\mathrm{(\; n\; -\; 1\; )}}{n}}\mathrm{\alpha \; EFA}{}^{\frac{\mathrm{(n\; -\; 1)}}{n}}$ (6)

如果n大，则如要求的那样增益近似地正比了V₀。图2显示了非线性元件的传递函数32（V₀～V_in），而图3中的曲线34则示出了n＝6时的增益与V₀的关系，而这种特性在现行的集成电路函数模块中可现成提供的。可以看到，由曲线34所表示的增益只轻微地偏离正比于V₀的直线。

图4是一个用在本发明实施例中的非线性补偿元件的示意图。有源元件是Burr-Brown 4302多功能转换器，如图连接后可产生传递函数E₀：

$E_0\mathrm{=\; Y}\frac{Z^m}{X}$ (7)

对m＝5，基准电压为5伏，则函数为：

$V_0=\frac{V_{\mathrm{i\; n}}{}^6}{5^5}$ (8)

而增益为：

$\mathrm{G\; =\; 6(}\frac{V_0}{5}{)}^{\frac{5}{6}}$ (9)

式（9）正是所需的形式。

使用如上描述的非线性传递函数，几乎对所有瞬态条件下的系统响应都得到了改善，使得在所需的转速和负荷范围内的瞬态响应都一致。非线性元件的插入也是可被现行的敏感和放大器电路接受的，並且本发明的技术对交流和直流系统均适用。

虽然本发明已经以目前认为是最佳实施例的方式进行了描述，但是毫无疑问，熟悉本技术领域的人们还可以对本发明作各种改变而並不离开本发明的范围。例如，可以对发电机的转速和负荷采用其它一些形式的非线性元件的传递函数以进一步细调系统以满足一些特殊的要求。此外，虽然本发明的最佳实施例采用了发电机输出电压敏感器，但是电流敏感器或者电流敏感器和电压敏感器的组合也是可以采用的。因此本发明的权利要求书中应覆盖这种变化。

Claims (8)

1、一种调整可变转速发电机的输出电压的方法，上述方法包括步骤：

产生代表发电机10的实际输出的第一信号；将上述第一信号与一基准信号相组合，以获得一个正比于上述发电机的要求的输出和上述发电机的实际输出之差而变化的控制信号；上述方法其特征在于包括下列步骤：

用一个代表在一个预期的上述发电机的工作转速和负荷内的上述发电机的增益的非线性传递函数修正上述控制信号；根据修正的控制信号控制在上述发电机的激磁器的励磁绕组中的电流，从而使得上述实际输出接近于所述的要求的输出。

2、根据权利要求1的方法，其特征还在于：上述传递函数为一指数函数。

3、权利要求1的方法，其特征还在于：上述传递函数具有V₀＝CeV_in/k的形式，其中V_in为控制信号，V₀为修正后的控制信号，而C和K为常数。

4、根据权利要求1的方法，其特征还在于：上述传递函数具有V₀＝V n_in/K的形式，其中V_in为控制信号，V₀为修正后的控制信号，而n和K为常数。

5、一种用于调整一个可变速发电机的输出电压的稳压器，所述稳电器包括：用于产生代表一个发电机的实际输出的第一信号的装置14;及用于将上述第一信号与一个基准信号相组合以获得一个正比于上述发电机的要求的输出和上述发电机的实际输出之差而变化的控制信号;其特征在于包括：

用于用一个代表在一个预期的上述发电机的工作转速和负荷范围内的上述发电机的增益的非线性传递函数修正上述控制信号的装置26;

用于根据修正后的控制信号控制在上述发电机激磁器的励磁绕组中的电流的装置28，以便使上述实际输出接近于上述要求的输出。

6、根据权利要求5的稳压器，其特征还在于：上述传递函数是一个指数函数。

7、根据权利要求5的稳压器，其特征还在于：所述传递函数具有V₀＝CeV_in/k的形式，式中V_in为控制信号，V₀为修正后的控制信号，而c和k为常数。

8、根据权利要求5的稳压器，其特征还在于：所述传递函数具有V₀＝V n_in/k的形式，其中V_in为控制信号，V₀为修正后的控制信号，而n和k为常数。