CN107005189B - 冷启动交流发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了冷启动交流发电机。一种交流发电机,具有与其相关联的供电与控制电路,该电路使得交流发电机在过电气负载或短路期间能够继续其运行;其中,该电路能够隔离电源的至少一个相的至少一个极,由此至少为控制电路提供电力。
Description
技术领域
本发明涉及电气机器,并且更具体地涉及对这种机器中使用的交流发电机的运行的改进。本发明还涉及对这种交流发电机的性能的改进,特别是但非排他地,诸如在诸如地下采矿中发生的危险环境中使用的那些交流发电机。更特别地,本发明提供了对与交流发电机相关联的电路的改进,该电路允许在有负载并且没有电池的情况下的冷启动。
背景技术
交流发电机广泛地用于工业和采矿环境中.交流发电机与其他机器结合使用,并在使用中将来自旋转轴的机械功率转换成电力和热量.产生的电力通常用于驱动电气设备。交流发电机的效率受到各种运行因素的限制,包括风扇冷却损耗、轴承损耗、铁损耗、铜损耗和二极管桥中的电压降.交流发电机通常用于在车辆和其他设备中提供电力.通常,它们与可充电电池结合使用,但是在例如采矿和石油化工工业中,出于安全原因,在没有电池的情况下使用交流发电机。
迄今为止已知设计和使用的交流发电机基本由熟知的、预期的和明显的结构配置组成,尽管现有技术中包括的多个设计已经被开发用于实现交流发电机发电的目的和需求.隔爆型(flameproof)交流发电机用于在采矿和石油化工工业中经常出现的危险爆炸环境中.虽然这些设备满足其各自的功能、特定目的和需求,但是上述现有技术没有公开包括当发生重的电气负载或短路时能够使得交流发电机将电力输送至负载的电路的交流发电机。
常见的交流发电机具有被设计为向三组定子绕组传送变化的磁场的转子,其中三组定子绕组向具有六个功率二极管的整流桥电路提供三相电力.来自整流桥的电流中的一些被用于为激励线圈(field coil)供电,激励线圈控制在定子绕组中感应出电流的旋转磁场的强度。由定子绕组产生的电压与磁场的强度和转子的旋转速度两者成比例。磁场强度的变化与通过激励线圈的电流成比例。调节器控制激励线圈的电流,以在输出端子处传送指定的电压.对于给定的旋转速度,由交流发电机产生的制动转矩与由负载吸收的电流成比例。
当通过激励线圈的电流达到交流发电机构件的磁饱和点时,一般的交流发电机达到最大磁场。在正常运行期间,交流发电机传送经调节的输出电压。一些负载(诸如冷白炽灯)在最初被启用时吸收过量电流,这导致输出电压在短时间内下降至调节电压(regulated voltage)以下。当输出电压跌落时,交流发电机失调(lose regulation).
当交流发电机过载时,调节器传送最大的激励线圈电流。在该最大调节期间,磁场与输出电压基本成正比,输出电压转而与磁场基本成正比。对于任何给定的过载,输出电压将下降,这还使输出电流降低,直到达到平衡点。值得注意的是,输出端子上的通过短路电路的电流远小于正常运行期间的最大输出电流.
当交流发电机在连接有重负载的情况下启动,并且在不使用电池或电源的情况下,重负载阻止交流发电机的输出电压达到临界或最小激励阈值,临界或最小激励阈值是可允许交流发电机立刻供电并正确驱动负载的值.在这种情况下,操作者需要分阶段开启重负载以允许交流发电机维持调节。
在理想地需要具有需在短路或重负载期间运行的控制电路的交流发电机的设备中,控制电路的电力需要由外部提供,或者以某种方式从非常小的三相定子电压从内部获取。
在过去,在采矿和石油化工工业中常见的不包括电池的或者不包括具有相当大的永磁体的设计的自激励设备中,在最大电气负载的情况下启动通常是不可能的。因此,长期以来希望提供一种交流发电机,其在启动期间能够在短路或重电气负载的情况下继续运行,并且当没有电池或外部电源时能够从内部获取电力.
发明内容
考虑到这一点,本发明提供了一种自激励无电池设备,适于在没有电池或者没有具有相当大的永磁体的设计的情况下允许与交流发电机相关联的设备在最大负载的情况下启动的电路,而这在过去是不可能的。本发明还提供了在与交流发电机一起使用的设备的启动期间没有电池电力或外部电力可用时对交流发电机的运行的改进。本发明还提供了对这种交流发电机的性能的改进,特别地但非排他地,诸如在诸如地下采矿中发生的危险环境中使用的那些交流发电机。更特别地,本发明提供了对与交流发电机相关联的电路的改进,其允许在从交流发电机传送最大电力并且不使用电池或大型永磁体的情况下冷启动设备.
本发明提供了一种用于交流发电机的供电与控制电路,其通过隔离至少一个相的至少一个极使得交流发电机在过负载或短路期间能够继续其运行,以提供用于控制电路和/或激励线圈的电力.
本发明的最广泛的范围包括:
交流发电机,具有与其相关联的供电与控制电路,该电路使得交流发电机在过电气负载或短路期间能够继续其运行;其中,该电路能够隔离电源的至少一个相的至少一个极,从而至少为控制电路提供电力。该交流发电机还包括至少一个电子或机电开关,每个开关能够切断所述电源的所述至少一个单个相。
本发明的另一宽泛的形式包括:
用于交流发电机的供电控制电路;所述电路使得该交流发电机在过电气负载或短路期间能够继续其运行;其中,该电路能够隔离电源的至少一个相的至少一个极,从而至少为控制电路提供电力.
本发明提供了对已知的现有技术和所指出的缺点的替代方案.从以下描述中,前述及其他目的和优点将变得清楚.在说明书中,参考构成其一部分的附图,附图通过图示的方式示出了可以实践本发明的具体实施例。这些实施例将被充分详细地描述以使本领域技术人员能够实践本发明,并且应当理解,也可以利用其他实施例,并且可以在不背离本发明的范围的情况下进行结构改变。在附图中,在多个视图中相似的附图标记表示相同或相似的部件。因此,下面的详细描述不应被理解为限制性的,并且本发明的范围由所附权利要求来最好地限定。
附图说明
现在将根据优选的但非限制性的实施例详细描述本发明,其中:
图1示出了与交流发电机相关联的电路的示意性布置,其中至少一个相可以被隔离以使得能够为电路供电从而使得能够启动负载。
具体实施方式
虽然将根据优选的实施例描述本发明,但应当理解,也可以构思其它变形.在不背离如本文所限定的本发明的精神和范围的情况下,可以对设计和构造进行各种修改。
参考图1,示出了用于交流发电机2的供电电路1的优选的实施例的示意性电路框图.n沟道功率MOSFET 10与通常将电流传送到正极输出端子14的三相整流桥的功率二极管12中的一个串联连接。MOSFET 10是一种类型的晶体管,被称为金属氧化物半导体场效应晶体管,其被用于利用电压的变化来放大或切换电子信号。当晶体管关断时,没有电流可以流动,因此仿佛与晶体管一起使用的设备上的导线被切断.MOSFET通常连接到需要导通和关断的设备。当晶体管导通时,电力可以流动,因此仿佛与晶体管一起使用的设备上的导线被连接.
功率二极管12和功率MOSFET 10之间的电力线16被用于为控制电路18和激励线圈20供电.电力线22将另外两个功率二极管24连接到功率MOSFET10.在优选的实施例中,可选的电流传感器26用于连接电力线22和正极输出端子14并且测量输出电流。在正常运行中,功率MOSFET 10导通,从而连接电力线16和22,使得电流可以在任一方向上流动.当功率MOSFET 10导通时,电路与标准三相交流发电机类似地运行.
功率MOSFET 10的栅极驱动电压需要比电力线22电压高至少几伏.为了提供该电压,电压升压器28增大来自电力线16的电压以提供所需的栅极电压.
在正常运行期间,控制电路18使功率MOSFET 10导通,使得电流可以在两个方向上流过功率MOSFET 10。当发生过载或短路时,输出电压下降.当输出电压在阈值电压以下时,控制电路关断功率MOSFET 10以将电力线16从电力线22切断。电力线16继续向控制电路18、激励线圈20和电压升压器28提供电力.电力线22继续向负载或短路电路提供一些电流。
重负载可能具有非常低的导通阻抗,并且需要在短时间内足够的电流以形成其正常运行阻抗。由于激励线圈电流正由可以提供最大场的电力线16供应,因此根据本发明的优选实施例的电路提供了该电流。随着负载的阻抗增大,输出电压增大。该坡升(rampingup)过程快速地导致输出电压超过一定的阈值,在此情况下,控制电路18使功率MOSFET 10导通,并且交流发电机开始正常地运行.
在另一个实施例中,如优选的实施例中示出的电子或机电开关MOSFET 10在一个或多个整流器之前与相串联布置.在这种情况下,整个相从负载切断,并且可以根据需要以任何方式使用来自相的电力。
在优选的实施例中,当控制电路在特定的持续时间内检测到过载或短路时,该电路通过关断机电或电子开关30来关断输出。这还允许将适当的启动电流传送到最初使交流发电机过载的负载。控制电路还通过一些适当的手段向操作者反馈故障。在解决故障之后,操作者通过一些适当的措施重置故障状况。电子开关30最初被关断,由此控制电路可以确保交流发电机具有例如足够的旋转速度以能够驱动负载.电子开关30可以根据需要被用于连接或切断负载。
对于例如在采矿和石油化工工业中常见的自激励式无电池设备,本发明可以在最大负载的情况下启动.通常,在没有电池或者没有具有相当大的永磁体的设计,这是不可能的.
在其它实施例中,功率MOSFET 10可以是p沟道MOSFET和被改变以提供所需的负栅极控制驱动电压的相关联的电路.此外,在其它实施例中,功率MOSFET 10可以与功率二极管14串联放置,其中功率二极管14为负极输出端子供电.功率MOSFET 10可以被实视为任何合适的电子或机电开关。典型地,使用二极管来构造整流桥,但是整流桥可以以其它方式被实现,诸如使用机电或电子开关的有源桥.
在另一实施例中,控制电路18对于转变阈值中的任一个或两者使用电流阈值而不是电压阈值.根据另一实施例,交流发电机包括安装到转子的线圈而不是定子绕组,以及用于将电力从这些线圈传导到附接至主体的导体上的电刷.在另一实施例中,在一个或多个相的正极和负极上提供了相开关.根据另一个实施例,提供了与激励线圈结合使用或者代替激励线圈使用的一个或多个永磁体。
Claims (27)
1.一种交流发电机,具有与所述交流发电机相关联的供电与控制电路,所述供电与控制电路使得所述交流发电机在过电气负载或短路期间能够继续其运行;其中,所述供电与控制电路能够隔离电源的至少一个相的至少一个极,由此至少为控制电路提供电力;所述供电与控制电路还包括至少一个电子或机电开关,每个开关能够切断所述电源的所述至少一个单个相;以及用于检测所述交流发电机的输出端子上的过载或短路的控制电路以及用于控制一个或多个电子或机电开关使得一个或多个电子或机电开关在正常运行期间闭合的控制器。
2.根据权利要求1所述的交流发电机,其中,对所述至少一个相的单个极的隔离用于将来自所述至少一个单个相的电力与电气负载隔离。
3.根据权利要求2所述的交流发电机,其中,当来自所述至少一个被隔离的相的电力被与所述交流发电机相关联的设备感应出时,来自所述至少一个被隔离的相的电力可用于为所述负载提供电流。
4.根据权利要求3所述的交流发电机,其中,当来自所述至少一个被隔离的相的电力用于为所述供电与控制电路供电时,一个或多个额外的相为所述负载提供电流。
5.根据权利要求4所述的交流发电机,其中,所述至少一个电子或机电开关中的每一个与整流器串联布置。
6.根据权利要求5所述的交流发电机,其中,所述至少一个电子或机电开关包括能够利用电压的变化来放大或切换电子信号的功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
7.根据权利要求6所述的交流发电机,其中,所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET与将电流传送至正极输出端子的三相整流桥的功率二极管中的第一功率二极管串联连接。
8.根据权利要求7所述的交流发电机,其中,当所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET关断时,没有电流流至所述负载,并且当所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET导通时,电流流至所述负载。
9.根据权利要求8所述的交流发电机,其中,在吸收电力的设备件的启动期间,发生所述过电气负载。
10.根据权利要求9所述的交流发电机,还包括:
连接至所述交流发电机的定子线圈的相的整流器。
11.根据权利要求10所述的交流发电机,其中,在第一功率二极管和功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET之间的第一电力线被用于为所述控制电路和/或激励线圈供电。
12.根据权利要求11所述的交流发电机,其中,第二电力线将另外两个功率二极管连接至所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
13.根据权利要求12所述的交流发电机,还包括插入在所述第一电力线和所述正极输出端子之间的电流传感器以使得能够测量输出电流。
14.根据权利要求13所述的交流发电机,其中,当所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET导通并且连接所述第一电力线和所述第二电力线时,电流在任一方向流动。
15.根据权利要求14所述的交流发电机,其中,所述供电与控制电路还包括增大来自所述第一电力线的电压以向所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET提供所需要的棚极驱动电压的电压升压器。
16.根据权利要求15所述的交流发电机,其中,所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET的所述棚极驱动电压比所述第二电力线电压至少高几伏。
17.根据权利要求16所述的交流发电机,其中,在正常运行期间,所述控制电路使所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET导通从而使得电流能够在两个方向流过所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET。
18.根据权利要求17所述的交流发电机,其中,当输出电压在阈值电压以下时,所述控制电路使所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET关断以将所述第一电力线从所述第二电力线切断。
19.根据权利要求18所述的交流发电机,其中,当发生过载或短路时,所述输出电压下降。
20.根据权利要求19所述的交流发电机,其中,在正常运行期间,所述第一电力线持续地向所述控制电路、所述激励线圈和所述电压升压器提供电力。
21.根据权利要求20所述的交流发电机,其中,所述功率金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET在一个或多个整流器之前与相串联部署。
22.根据权利要求21所述的交流发电机,其中,整个相从所述负载切断,并且能够以选择的任何方式来使用来自所述相的电力。
23.根据权利要求22所述的交流发电机,其中,所述交流发电机包括安装到转子的线圈以及用于将来自这些线圈的电力传导到附接至所述交流发电机的主体的导体上的电刷。
24.根据权利要求23所述的交流发电机,其中,至少一个电子或机电开关在电气过载期间断开,由此允许切断的电力被用于为所述控制电路供电。
25.根据权利要求23所述的交流发电机,其中,至少一个电子或机电开关在电气过载期间断开,以允许切断的电力被用于为所述激励线圈供电。
26.根据权利要求23所述的交流发电机,其中,至少一个电子或机电开关在电气过载期间断开,以允许切断的电力被用于为所述控制电路和所述激励线圈供电。
27.一种用于交流发电机的供电控制电路,所述供电控制电路使得所述交流发电机在过电气负载或短路期间能够继续其运行;其中,所述供电控制电路能够隔离电源的至少一个相的至少一个极,由此至少为控制电路提供电力;所述供电控制电路还包括至少一个电子或机电开关,每个开关能够切断所述电源的所述至少一个单个相;以及用于检测所述交流发电机的输出端子上的过载或短路的控制电路以及用于控制一个或多个电子或机电开关使得一个或多个电子或机电开关在正常运行期间闭合的控制器。
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