CN105281626B - 发电机的励磁辅助装置及励磁辅助电源控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种发电机的励磁辅助装置及其控制方法，应用在连接有一自动电压调整器(AVR)的一发电机，该励磁辅助装置设在一电瓶与该自动电压调整器之间；其中，该励磁辅助装置持续监测该发电机的输出电源的电压状态，当输出电源的电压瞬间下降至预设变动程度时，该励磁辅助装置将电瓶的直流电源加以转换、升压为一交流形式的辅助电源，并输出该辅助电源予自动电压调整器，令自动电压调整器输出励磁能源予发电机，使发电机获得该额外的励磁能源以提升发电机的输出功率。

Description

发电机的励磁辅助装置及励磁辅助电源控制方法

技术领域

本发明是一种发电机的励磁辅助装置及励磁辅助电源控制方法，尤指一种可转换电瓶的直流电源成为应用于发电机的一励磁用的交流辅助电源。

背景技术

发电机在运作时，需要利用一励磁系统先建立一磁场而使发电机产生交流电源，建立该磁场的能量称为励磁电源。根据该励磁电源的供给方式，励磁系统可区分为自励式(自激式)、他励式(他激式)或其它激磁等类型。而自动电压调整器(AVR)即是用来控制励磁系统的重要装置，可决定发电机的输出电压是否稳定。

如图7所示，自励式的励磁系统指由发电机本身输出的一部分电力供应给自动电压调整器(AVR)，使该自动电压调整器(AVR)能产生该励磁电源再回送给发电机使用。但是此类系统的缺点在于，当发电机的负载突然增大(如启动大型马达)将导致发电机的输出电压下降，该自动电压调整器的电源随之陡降，导致自动电压调整器输出的励磁电源亦会随之下降至极低，最终造成发电机无法正常发电。

如图8所示，他励式的励磁系统指由发电机以外的一励磁机提供该励磁电源，例如以一永磁发电机(PMG)产生该励磁电源。此类型的系统可克服前述自励式系统的缺点，不会因负载变重而失去励磁电源，而可持续提供励磁电源给自动电压调整器(AVR)使用。但是他励式的励磁机的体积庞大、重量大、建置成本高。

发明内容

鉴于现有自励式及他励式的励磁系统具有上述缺点，本发明的主要目的是提供一种发电机的励磁辅助装置及其控制方法，利用电瓶的电力而产生励磁辅助电源，兼具体积小、成本低、安装方便等众多优点。

为达到前述目的，本发明的励磁辅助装置应用在具有一自动电压调整器(AVR)的一发电机，该励磁辅助装置连接在一电瓶与该自动电压调整器之间，励磁辅助装置包含有：

一处理器，其内部预设有决定是否输出一辅助电源VAUX的判断条件；

一电瓶电压接收电路，连接该处理器并接收及量测该电瓶的直流电压，将该直流电压转换为一工作电源，所量测出的直流电压值提供给该处理器；

一发电机输出监测电路，连接该处理器并侦测该发电机的输出电压的电压值及频率值，该输出电压的电压值及频率值提供给该处理器；

一设定电路，连接该处理器，提供给使用者设定一预设电压下降百分比p；

一辅助电源产生电路，连接该处理器及电瓶电压接收电路，依据处理器控制而将电瓶的直流电压转换为交流形式的该辅助电源，并输出该辅助电源至自动电压调整器；

一辅助电源测量电路，连接该处理器并测量该辅助电源的大小，以提供给该处理器。

该处理器所预设的判断条件为dV≥Vavg×p，当前述判断条件成立时输出该辅助电源，其中，各参数意义如下：

p：预设电压下降百分比；

dV＝Vavg-Vi；

Vavg：发电机输出电压移动平均值(moving average)；

Vi：发电机输出电压即时值。

藉此，该自动电压调整器可接收该辅助电源并提供一励磁能源予发电机，令发电机获得该额外的励磁能源以提升发电机的输出功率。

本发明所提供的励磁辅助电源控制方法由一励磁辅助装置所执行，该励磁辅助装置应用在具有一自动电压调整器(AVR)及一电瓶的一发电机，该方法包含：

监测发电机状态，监测并记录发电机输出电源的电压，而得到该发电机输出电源的一电压移动平均值Vavg及一电压即时值Vi；

判断发电机是否为运作中；

当发电机为运作中，判断该励磁辅助装置是否正输出一辅助电源；

当辅助电源尚未输出，判断辅助电源VAUX是否进入一预备输出模式(standbymode)；

当辅助电源VAUX进入预备输出模式，判断发电机的输出电压是否瞬间下降，依据一判断条件dV≥Vavg×p进行判断，其中：

p：预设电压下降百分比；

dV＝Vavg-Vi；

Vavg：发电机的输出电源的电压移动平均值；

Vi：发电机的输出电源的电压即时值；

当发电机的输出电压瞬间下降，输出该辅助电源至一自动电压调整器，其中，该辅助电源为一电瓶的直流电源进行转换后所得到的交流电源；

判断停止该辅助电源的条件是否成立，若是，则停止输出该辅助电源。

本发明相较于自励式或他励式的励磁系统，至少具备下列优点及功效:

1.相较于永磁发电机，本发明的体积相对缩小、重量轻，且制造成本低。但可达成与永磁发电机相同的功效，不受瞬间重载影响而可输出一稳定的辅助电源。

2.在安装方面，励磁辅助装置仅需与电瓶连接即可，如此可简化装设作业。

3.励磁辅助装置仅在发电机的输出电压明显下降时才会对外输出该辅助电源，在发电机平时正常运作时，该励磁辅助装置仅利用极小电力而处于待机状态，故几乎不会消耗电瓶电力，使电瓶仍可保持原有的蓄电。纵使发电机的输出电压即使下降，若输出电压的变化仍在该发电机本身可负荷的范围之内，仍可利用该自动电压调整器提供自励式的励磁能源，不须以励磁辅助装置补充该辅助电源。

附图说明

图1：本发明励磁辅助装置应用于发电机的示意图；

图2：本发明励磁辅助装置的电路方块图；

图3A～图3F：本发明励磁辅助装置中各电路的详细电路图；

图4：本发明励磁辅助控制方法的流程图；

图5：发电机的输出电压是否进入稳定工作状态的波形示意图；

图6：本发明辅助电源启动及关闭的时间示意图；

图7：现有自励式发电机励磁系统的示意图；

图8：现有他励式发电机励磁系统的示意图。

其中，附图标记：

10处理器 20电瓶电压接收电路

21电源稳压电路 22电瓶电压量测电路

30发电机输出监测电路 31电压量测电路

32频率量测电路 40设定电路

41电压下降幅度设定电路 42辅助电源输出逾时设定电路

43手动测试电路 50辅助电源产生电路

51驱动电路 52全桥切换电路

53变压器 54负载电流测量电路

55电源反接保护电路

60辅助电源测量电路 70灯号指示电路

80通信接口

100励磁辅助装置 200电瓶

300自动电压调整器 400发电机

具体实施方式

参考图1所示，本发明的励磁辅助装置100是应用在具有一电瓶200及一自动电压调整器300的一发电机400，且连接在该电瓶200与该自动电压调整器300之间。该励磁辅助装置100取用电瓶200的直流电源，当该发电机400的输出电源的电压下降至预设条件时，励磁辅助装置100可输出一辅助电源VAUX至该自动电压调整器300。该电瓶200可以是一额外加入的电瓶，也可以是发电机系统中原有的电瓶。

如图2所示，本发明励磁辅助装置100主要包含有：一处理器10、一电瓶电压接收电路20、一发电机输出监测电路30、一设定电路40、一辅助电源产生电路50及一辅助电源测量电路60。

如图3A所示，该处理器10内部储存有一控制程序，负责控制各其它电路，并根据所接收的各种输入信息执行综合运算，进而控制辅助电源VAUX。

进一步参考图3B所示，该电瓶电压接收电路20接收来自电瓶200的直流电源，并将该直流电源转换为励磁辅助装置100本身所需的工作电源，并量测该直流电源的电压值大小以提供该电压值给处理器10。在本实施例中包含有一电源稳压电路21及一电瓶电压量测电路22，其中，该电源稳压电路21将电瓶200的直流电源转换为励磁辅助装置100的工作电源，例如+3.3V、+5V的工作电压；该电瓶电压量测电路22量测电瓶200的直流电压值并传送给该处理器10。

如图3C所示，该发电机输出监测电路30用于侦测发电机400的输出电源的电压值及频率值，并将侦测到的电压值及频率值提供给处理器10。本实施例中包含一电压量测电路31及一频率量测电路32，该电压量测电路31接收及侦测该发电机400的输出电源的电压，并传送该输出电源的电压值给处理器10；该频率量测电路32则是量测出发电机400的输出电源的频率值，并传送该频率值给处理器10。

如图3D所示，该设定电路40是用于供使用者自行设定所需的操作参数或供使用者执行测试动作，可设定的操作参数可包含一预设电压下降百分比p、逾时设定值；该设定电路40在本实施例中包含一电压下降幅度设定电路41、一辅助电源输出逾时设定电路42、一手动测试电路43。该电压下降幅度设定电路41用于设定该预设电压下降百分比p以作为是否输出辅助电源VAUX的判断标准；该辅助电源输出逾时设定电路42则是用于设定该逾时设定值(Overtime setting)，用以决定该辅助电源VAUX可最长持续输出的时间，当超过逾时设定值(Overtime setting)，将逐渐降低该辅助电源VAUX的电压，直到完全停止输出该辅助电源VAUX；该手动测试电路43供使用者自行执行测试作业。

如图3E、3F所示，该辅助电源产生电路50根据该微处理10的控制而输出该辅助电源VAUX，内部包含有一驱动电路51、一全桥切换电路52、一变压器53、一负载电流测量电路54及一电源反接保护电路55。该驱动电路51的详细电路如图3E所示，连接在处理器10与全桥切换电路52之间，根据处理器10的控制信号产生用以控制该全桥切换电路52的多个驱动信号。

如图3F所示，该全桥切换电路52连接该驱动电路51及电瓶电压接收电路20，全桥切换电路52中包含多颗的切换电晶体，该等切换电晶体根据前述驱动信号而交替导通/关闭，藉由交替开关动作将电瓶200输出的直流电源转换成一交流电源。该变压器53连接于该全桥切换电路52的输出端，对该交流电源进行升压而产生辅助电源VAUX以提供给自动电压调整器300。该负载电流测量电路54侦测通过该全桥切换电路52的电流大小，并将电流值转换成一电流信号后回传给处理器10。该电源反接保护电路55连接该电瓶电压接收电路20，其功用是防止使用者将电瓶200反接至励磁辅助装置100，当电瓶200的电压反接时，该电源反接保护电路55将立即中断该励磁辅助装置100与电瓶200之间的连接，以防止该励磁辅助装置100损坏。

仍参考图3F所示，该辅助电源测量电路60用于测量该辅助电源VAUX的电压大小，并将测得的电压值大小回授给处理器10，供处理器10监测该辅助电源VAUX的电压值大小。

除此之外，该处理器10还可进一步包含一灯号指示电路70及一通信接口80。该灯号指示电路70用于显示本发明的运作状态，可包含但不限于电瓶电压过低显示灯、电流过载显示灯、测试模式显示灯、电源/待机显示灯等。该通信接口80供本发明励磁辅助装置100与一外部设备连线，使该外部设备通过通信接口80对励磁辅助装置100进行功能测试、校正及固件更新，以判断该励磁辅助装置100的电路是否能正常运作。

有关上述本发明励磁辅助装置100的详细电路动作，配合图4所示的控制方法加以说明，该控制方法主要以处理器10进行控制，包含有以下步骤：

发电机状态监测(S401)，由该处理器10透过该发电机输出电源监电路30持续侦测并记录发电机400输出电源的电压。当处理器10在进行记录时，可先将发电机400输出的交流电源的电压先行整流后，进行取样而计算，计算后所得到的数据包含有：

Vavg：发电机输出电源的电压移动平均值

Vi：发电机输出电源的电压即时值

dV：Vavg-Vi，发电机输出电压瞬间变动值

p：预设电压下降百分比

由于发电机400多数情况下是维持在正常输出的状态，Vavg可反应出该发电机400的额定输出电压；当负载异常变化，使发电机400的输出电源的电压下降时，Vavg所受之影响较小，但Vi却可立即反应出电压变化；因此，利用两者相比较后所得到的差值dV可作为监测发电机运作状态的重要条件。

判断发电机是否为运作中(S402)，在此步骤可根据发电机400的输出电源的频率值进行判断，当所侦测出的频率值低于一预设频率值时，判断发电机为非运作中；反之，当频率值高于该预设频率值时，认定为发电机运作中。

当发电机为运作时，进一步判断励磁辅助装置是否正在输出辅助电源VAUX(S403)。

当辅助电源VAUX并未输出时，判断辅助电源VAUX是否进入预备输出模式(S404)。若未进入预备输出模式，将执行步骤S409。

当辅助电源VAUX进入预备输出模式，判断发电机的输出电源的电压是否瞬间下降(S405)，依据判断式dV≥Vavg×p判断发电机的输出电压是否发生瞬间降低的现象(例如重载时)，若条件成立，代表有瞬间下降。若条件不成立，则回到步骤S401。

当发电机的输出电源的电压瞬间下降，输出该辅助电源VAUX并开始计时(S406)，在辅助电源VAUX输出时将依据该负载电流测量电路54所提供的侦测结果，启动输出限流功能(S413)，避免负载电流过大而烧毁组件。

当开始计时后，判断该励磁辅助装置输出该辅助电源的时间是否已达一逾时设定值(Overtime setting)(S407)，若尚未到达该逾时设定值，将持续输出辅助电源VAUX。

当辅助电源输出时间已到达该逾时设定值(Overtime setting)，即停止输出辅助电源(S408)。

在上述步骤S404中，若辅助电源还未进入预备输出模式，本发明进一步判断发电机的输出电源的电压是否进入稳定工作状态(S409)，在此依据判断式dV≤|Vavg×n％|加以判断，n为一设定值，当条件成立即认定为进入稳定工作状态；反之，则代表发电机输出电源的电压尚未稳定。请参考图5所示，在时间点t1之前，发电机的输出电源的电压变化幅度大，此时尚未进入稳定工作状态；在时间点t1以后，发电机的输出电源的电压变化幅度已缩小，判断条件dV≤|Vavg×n％|已成立，代表发电机已进入稳定工作状态，以实线所示的该条线段代表该发电机的输出电源的电压即时值Vi，虚线所示的该条线段代表该发电机输出电源的电压移动平均值Vavg。在本实施例中，n值设定为3。

当发电机的输出电压已进入稳定工作状态，即控制该辅助电源VAUX进入预备输出模式(S410)；反之，当发电机的输出电源的电压还未进入稳定工作状态，即控制该辅助电源VAUX(S411)不进入该预备输出模式。

在辅助电源VAUX已经完成输出后，回归步骤S401进行状态监测，若在步骤402中判断发电机为非运作中，表示该辅助电源VAUX仍无法提供足够能源使发电机恢复成正常运作状态，此种情况通常是发电机本身有其它原因而无法达到运作条件，为避免过度消耗电瓶电力，将不重复输出辅助电源(S412)。

为进一步说明前述步骤S406、S407，请参考图6所示，为本发明辅助电源VAUX的启动及关闭的时间示意图。上方的波形代表侦测得到的发电机400的输出电源，下方的波形代表辅助电源VAUX。当发电机400输出电源的电压突然下降至一定程度时(如水平虚线所示准位)，本发明的励磁辅助装置立刻输出该辅助电源VAUX，当辅助电源VAUX其持续输出的时间达到该逾时设定值(Overtime setting)，即会逐渐降低该辅助电源VAUX的大小，避免励磁电源剧烈变动，造成自动电压调整器300输出的励磁电源产生追逐现象。如此可使发电机400的输出电压维持平稳输出，不会有抖动的现象，如此直到辅助电源VAUX完全停止。

在上述流程中，判断该辅助电压VAUX是否需停止输出的条件为逾时预设值，但除了以时间作为条件之外，在步骤S408中也可以改为判断发电机的输出电源的电压是否恢复至正常的稳定工作状态，若已恢复，则同样可停止输出该辅助电压VAUX。

Claims (11)

1.一种发电机的励磁辅助装置，其特征在于，应用在具有一自动电压调整器与一电瓶的一发电机，该励磁辅助装置连接在该电瓶与该自动电压调整器之间，该励磁辅助装置包含：

一处理器，其内部预设有决定是否输出一辅助电源的判断条件；

一电瓶电压接收电路，连接该处理器并接收及量测该电瓶输出的直流电源的直流电压值，将该直流电源转换为该励磁辅助装置的一工作电源，所量测出的直流电压值提供给该处理器；

一发电机输出监测电路，连接该处理器并侦测该发电机的输出电源的电压值及频率值，该输出电源的电压值及频率值提供给该处理器；

一设定电路，连接该处理器，提供给使用者设定一预设电压下降百分比p；

一辅助电源产生电路，连接该处理器及电瓶电压接收电路，依据处理器控制而将电瓶输出的直流电源转换为交流形式的该辅助电源，并输出该辅助电源至自动电压调整器；

一辅助电源测量电路，连接该处理器并测量该辅助电源的电压值，以提供该电压值给该处理器；

其中，该处理器所预设的判断条件为dV≥Vavg×p，当该判断条件成立时输出该辅助电源，其中：

p：预设电压下降百分比；

dV＝Vavg-Vi；

Vavg：发电机输出电源的电压移动平均值；

Vi：发电机输出电源的电压即时值。

2.如权利要求1所述发电机的励磁辅助装置，其特征在于，该设定电路进一步供使用者设定一逾时设定值，当该辅助电源已持续输出达该逾时设定值，该处理器逐渐降低该辅助电源的电压而直到完全停止输出该辅助电源。

3.如权利要求2所述发电机的励磁辅助装置，其特征在于，该设定电路包含有：

一电压下降幅度设定电路，供使用者设定该预设电压下降百分比p；

一辅助电源输出逾时设定电路，供使用者设定该逾时设定值。

4.如权利要求1、2或3所述发电机的励磁辅助装置，其特征在于，该电瓶电压接收电路包含：

一电源稳压电路，将电瓶输出的直流电源转换为励磁辅助装置的工作电源；

一电瓶电压量测电路，量测该电瓶输出的直流电源的直流电压值，并传送该直流电源的直流电压值给该处理器。

5.如权利要求4所述发电机的励磁辅助装置，其特征在于，该辅助电源产生电路包含：

一驱动电路，连接该处理器并依据处理器的控制信号产生多个驱动信号；

一全桥切换电路，连接该驱动电路及该电瓶电压接收电路，根据该驱动信号的控制将该电瓶输出的直流电源转换成一交流电源；

一变压器，对该交流电源进行升压处理而产生该辅助电源；

一负载电流测量电路，侦测通过该全桥切换电路的电流大小，并将测量出的电流大小提供给处理器；

一电源反接保护电路，连接该电瓶电压接收电路，于电瓶反接至励磁辅助装置时，中断该电瓶与励磁辅助装置之间的连接。

6.如权利要求5所述发电机的励磁辅助装置，其特征在于，该处理器进一步连接：

一灯号指示电路，用于显示该励磁辅助装置的运作状态；

一通信接口，供与一外部设备连线。

7.如权利要求6所述发电机的励磁辅助装置，其特征在于，该发电机输出监测电路包含：

一电压量测电路，量测该发电机的输出电源的电压值，以传送该输出电源的电压值给处理器；

一频率量测电路，检量测该发电机的输出电源的频率值，并传送该发电机的输出电源的频率值给处理器。

8.一种励磁辅助电源控制方法，由一励磁辅助装置执行，该励磁辅助装置应用于具有一自动电压调整器与一电瓶的一发电机，其特征在于，该方法包含：

监测发电机状态，监测并记录发电机的输出电源的电压的状态，以得到发电机输出电源的一电压移动平均值Vavg及发电机输出电源的一电压即时值Vi；

判断发电机是否为运作中；

当发电机为运作中，判断励磁辅助装置是否正输出一辅助电源；

当辅助电源尚未输出，判断辅助电源是否进入一预备输出模式；

当辅助电源进入该预备输出模式，依据一判断条件dV≥Vavg×p判断发电机的输出电源的电压是否瞬间下降，其中：

p：预设电压下降百分比；

dV＝Vavg-Vi；

Vavg：发电机输出电源的电压移动平均值；

Vi：发电机输出电源的电压即时值；

当发电机的输出电源的电压瞬间下降，输出该辅助电源至该自动电压调整器，该辅助电源为由该电瓶输出的直流电源进行转换后所得到的交流电源；

判断停止该辅助电源的条件是否成立，若是，则停止输出该辅助电源。

9.如权利要求8所述励磁辅助电源控制方法，其特征在于，在判断发电机是否为运作的步骤中，将发电机的输出电源的频率值与一预设频率值相比较，当输出电源的频率值高于该预设频率值时，判定发电机为运作中；若该发电机非运作中，立即停止输出该辅助电源。

10.如权利要求8或9所述励磁辅助电源控制方法，其特征在于，在判断停止该辅助电源的条件是否成立的步骤中，判断该励磁辅助装置持续输出该辅助电源的时间是否已经到达一逾时设定值；若是，则逐渐降低该辅助电源的电压大小，直到励磁辅助装置完全停止输出该辅助电源。

11.如权利要求8或9所述励磁辅助电源控制方法，其特征在于，当辅助电源未进入该预备输出模式，进一步包含：

判断发电机的输出电源的电压是否进入稳定工作状态，依据判断式dV≤|Vavg×n％|加以判断，当条件成立判定为进入稳定工作状态，n为一设定值；

当发电机的输出电源的电压已进入稳定工作状态，即控制该辅助电源进入该预备输出模式；

当发电机的输出电源的电压还未进入稳定工作状态，即控制该辅助电源不进入该预备输出模式。