CN108111076B - 一种自励恒压发电机的三频励磁机系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自励恒压发电机的三频励磁机系统及其控制方法，其主要特点是三种频率的电机:频率为f1的主励磁机，频率为f2的电源发电机，频率为f3的控制信号发电机共一个励磁机定子、励磁机转子铁心，且有f1＝2f2、f2＝2f3关系；该系统及其控制方法通过励磁机转子上的控制机构，实现设置在主机定子上的电压调节器AVR对三频励磁机系统的励磁机转子侧的励磁电流的正、反向控制和励磁电流大小的控制，实现该系统的自励恒压调节，同时提高了电压调节器AVR的可靠性和可维修性。
Description
技术领域
本发明属于发电机技术领域，特别涉及一种自励恒压发电机的三频励磁机系统及其控制方法。
背景技术
发电机的形式很多，但其工作原理都基于电磁感应定律和电磁力定律。因此，其构造的一般原则是:用适当的导磁和导电材料构成互相进行电磁感应的磁路和电路，以产生电磁功率，达到能量转换的目的。
随着科学技术的发展，用电设备对发电机输出的电源品质要求越来越高，既要求发电机输出的电源品质好，也要求供电设备本身体积小、重量轻、可靠性高。
电励磁发电机调压性能好，可配置多种保护功能及实现并联运行功能，但是体积大，重量大，可靠性不高。
永磁发电机具有体积小、重量轻、可靠性高等特点，但是永磁发电机也有不足的地方，即其输出电压不可调节，且其输出电压受环境温度的影响较大，因此使用起来具有局限性。于是复合励磁永磁发电机被提出并进行了大量的研究。
在实用新型申请号为201420574265.8的专利申请中，公开了一种无源自励恒压无刷同步发电机，该发电机主要包括主发电机电枢、主发电机转子、励磁机定子、励磁机电枢、旋转整流模块、控制箱、自动电压调节器AVR七部分。通过利用励磁机定子铁心剩磁，解决发电机起励问题和负载变化、转速变化等引起的电压恒定问题，保证发电机完全自励，省去外部直流电源或副励磁机。但是，该实用新型公开的一种无源自励恒压无刷同步发电机的自动电压调节器不能实现励磁电流的正、反向控制和励磁电流大小的控制。
中国专利ZL201110118451.1提出了一种齿谐波励磁的混合励磁永磁电机，同时借助无线传输技术将控制信号由定子传递到转子，通过控制齿谐波励磁系统输出的励磁电流，以实现发电机带不同负载时的恒压输出。但该电机转子结构较复杂，需要布置无线接收模块和斩波电路，安装维护困难，同时降低了运行的可靠性。
发明内容
为解决上述问题，本发明的首要目的在于提供一种自励恒压发电机的三频励磁机系统及其控制方法，该系统及其控制方法通过励磁机转子上的控制机构，实现设置在主机定子上的电压调节器AVR对三频励磁机系统的励磁机转子侧的励磁电流的正、反向控制和励磁电流大小的控制，实现该系统的自励恒压调节，同时提高了电压调节器AVR的可靠性和可维修性。
本发明的另一个目的在于提供一种自励恒压发电机的三频励磁机系统及其控制方法，该系统及其控制方法不但调压性能好，可配置多种保护功能及实现并联运行功能外；而且发电效率高、体积小、重量轻、操作方便、实用性强、易于广泛推广。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种自励恒压发电机的三频励磁机系统，该系统设置在发电机上，发电机包括有主机定子、主机转子、采集信号模块、电源模块、永磁励磁体，所述主机定子上设置有电压调节器AVR，其特征在于所述三频励磁机系统包括有励磁机定子、励磁机转子、控制机构，所述励磁机定子与所述励磁机转子同轴设置，所述控制机构设置在励磁机转子上；通过励磁机转子上的控制机构，实现设置在主机定子上的电压调节器AVR对三频励磁机系统的励磁机转子侧的励磁电流的正、反向控制和励磁电流大小的控制，实现该系统的自励恒压调节。
所述励磁机定子包括有定子铁芯、主励磁机励磁绕组、电源电机励磁绕组、控制信号电机励磁绕组，所述主励磁机励磁绕组、电源电机励磁绕组、控制信号电机励磁绕组均绕卷在定子铁芯上；
所述主励磁机励磁绕组、电源电机励磁绕组、控制信号电机励磁绕组、采集信号模块、电源模块均与所述电压调节器AVR电连接；所述电源模块提供电源给电压调节器AVR，所述采集信号模块采集电压信号反馈至所述电压调节器AVR；再通过电压调节器AVR对三频励磁机系统的励磁机转子侧的励磁电流的正、反向控制和励磁电流大小的控制，实现该系统的自励恒压调节。
所述励磁机转子包括有转子铁芯、反补三相电枢绕组、正补三相电枢绕组、电源单相电枢绕组、控制信号单相电枢绕组，所述反补三相电枢绕组、正补三相电枢绕组、电源单相电枢绕组、控制信号单相电枢绕组均绕卷在转子铁芯上；
所述反补三相电枢绕组、正补三相电枢绕组、电源单相电枢绕组、控制信号单相电枢绕组均与控制机构电连接；
所述励磁机转子上还设置有底板，所述控制机构安装在所述底板上；
所述控制机构包括有空载反补三相整流桥、负载正补三相整流桥、正反向励磁控制电路，所述空载反补三相整流桥、负载正补三相整流桥、正反向励磁控制电路均设置在底板上，所述空载反补三相整流桥与所述正反向励磁控制电路电连接，所述负载正补三相整流桥与所述正反向励磁控制电路电连接。
其中，主机定子、主机转子、采集信号模块、电源模块、永磁励磁体均为现有技术，能够实现上述功能即可。
进一步地，所述正反向励磁控制电路包括有反补电路开关管、正补电路开关管、控制单元、补偿转子励磁绕组；所述反补电路开关管与补偿转子励磁绕组电连接，所述正补电路开关管与补偿转子励磁绕组电连接，所述反补电路开关管与控制单元电连接，所述正补电路开关管与控制单元电连接。
进一步地，所述反补三相电枢绕组与所述空载反补三相整流桥电连接，所述空载反补三相整流桥与所述反补电路开关管电连接，所述正补三相电枢绕组与所述负载正补三相整流桥电连接，所述负载正补三相整流桥与所述正补电路开关管电连接；所述控制单元与所述电源单相电枢绕组电连接，所述控制单元与控制信号单相电枢绕组电连接，所述控制单元有四个端口，分别为a、b、c、d端口，所述反补电路开关管与所述a、b端口电连接，所述正补电路开关管与所述c、d端口电连接。
进一步地，所述空载反补三相整流桥包括有二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，所述负载正补三相整流桥包括有二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12，所述正补电路开关管包括有MOS管Q1、二极管D13、电阻R1、R2，所述反补电路开关管包括有MOS管Q2、二极管D14、电阻R3、R4；
所述反补三相电枢绕组包括有1、2、3端口；所述正补三相电枢绕组包括有1、2、3端口；所述补偿转子励磁绕组包括有1、2端口；所述电源单相电枢绕组包括有1、2端口；所述控制信号单相电枢绕组包括有1、2端口；
所述补偿转子励磁绕组的1端口与所述二极管D1、D2、D3的正极连接，所述补偿转子励磁绕组的1端口与所述二极管D7、D8、D8的负极连接，所述补偿转子励磁绕组的2端口与所述电阻R2、MOS管Q1、二极管D13的公共端连接，所述补偿转子励磁绕组的2端口与所述MOS管Q2、二极管D14的公共端连接；
所述反补三相电枢绕组的1端口与所述二极管D1的负极连接，所述反补三相电枢绕组的2端口与所述二极管D2的负极连接，所述反补三相电枢绕组的3端口与所述二极管D3的负极连接，所述反补三相电枢绕组的1端口与所述二极管D4的正极连接，所述反补三相电枢绕组的2端口与所述二极管D5的正极连接，所述反补三相电枢绕组的3端口与所述二极管D6的正极连接；
所述正补三相电枢绕组的1端口与所述二极管D9的正极连接，所述正补三相电枢绕组的2端口与所述二极管D8的正极连接，所述正补三相电枢绕组的3端口与所述二极管D7的正极连接，所述正补三相电枢绕组的1端口与所述二极管D12的负极连接，所述正补三相电枢绕组的2端口与所述二极管D11的负极连接，所述正补三相电枢绕组的3端口与所述二极管D10的负极连接；
所述二极管D13的负极与所述MOS管Q1与所述二极管D6的正极的公共端连接，所述二极管D13的正极与所述MOS管Q1与电阻R2的公共端连接；所述二极管D14的负极与所述MOS管Q2与所述补偿转子励磁绕组的2端口的公共端连接，所述二极管D14的正极与所述MOS管Q2与电阻R4的公共端连接；
所述电阻R1与所述a端口连接，所述电阻R2与所述b端口连接，所述MOS管Q1与所述电阻R1、R2的公共端连接，所述电阻R3与所述c端口连接，所述电阻R4与所述d端口连接，所述MOS管Q2与所述电阻R3、R4的公共端连接。
进一步地，所述控制单元包括有桥式整流器、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R5、R6、R7、驱动芯片U1、稳压芯片、光电耦合器、DC-DC电源模块；
所述桥式整流器包括有1、2、3、4端口；所述驱动芯片U1包括有1、2、3、4、5、6、7、8端口；所述光电耦合器包括有1、2、3、4端口；所述DC-DC电源模块包括有1、2、3、4端口；所述稳压芯片包括有输入端、输出端、接地端；
所述电源单相电枢绕组的1端口与所述桥式整流器的2端口连接，所述电源单相电枢绕组的2端口与所述桥式整流器的3端口连接，所述桥式整流器的4端口接地；所述电容C1的一端与所述桥式整流器的1端口连接，所述电容C1的另一端接地；所述电容C2的一端与所述桥式整流器的1端口连接，所述电容C2的另一端接地；所述稳压芯片的输入端与所述桥式整流器的1端口连接，所述稳压芯片的输出端与所述DC-DC电源模块的2端口连接，所述稳压芯片的接地端接地；所述电容C3的一端和所述稳压芯片与所述桥式整流器之间的节点连接，所述电容C3的另一端接地；所述电阻R5的一端和所述稳压芯片与所述桥式整流器之间的节点连接，所述电阻R5的另一端接地；
所述控制信号单相电枢绕组的1端口与所述电阻R7连接，所述控制信号单相电枢绕组的2端口与所述光电耦合器的2端口连接；所述光电耦合器的1端口与所述电阻R7连接，所述光电耦合器的4端口与驱动芯片U1的2端口连接，所述光电耦合器的3端口接地；
所述驱动芯片U1的1端口与稳压芯片的输出端连接，所述驱动芯片U1的3端口与稳压芯片的输出端连接，所述驱动芯片U1的4端口与所述d端口连接且所述驱动芯片U1的4端口接地，所述驱动芯片U1的5端口与所述c端口连接,所述驱动芯片U1的6端口与所述b端口连接,所述驱动芯片U1的7端口与所述a端口连接；所述驱动芯片U1的8端口与所述DC-DC电源模块的3端口连接；所述DC-DC电源模块的1端口接地，所述DC-DC电源模块的4端口与所述b端口连接；所述电容C6的一端连接所述DC-DC电源模块的1端口，所述电容C6的另一端连接所述光电耦合器的4端口；所述电容C4的一端连接所述驱动芯片U1的1端口，所述电容C4的另一端接地；所述电容C5的一端连接所述DC-DC电源模块的4端口，所述电容C5的另一端连接所述驱动芯片U1的8端口；所述电阻R6的一端连接所述DC-DC电源模块的4端口，所述电阻R6的另一端连接所述驱动芯片U1的8端口。
进一步地，所述主励磁机励磁绕组的极数为2P1个，所述电源电机励磁绕组的极数为2P2个，所述控制信号电机励磁绕组的极数为2P3个极，所述主励磁机励磁绕组、电源电机励磁绕组、控制信号电机励磁绕组共用一个定子铁芯，所述主励磁机励磁绕组、电源电机励磁绕组、控制信号电机励磁绕组的极数关系为2P1＝2(2P2)，2P2＝2(2P3)。这样的设置，使所述励磁机定子内的磁路互不干涉，所述励磁机转子内的电枢绕组的感应电压也互不影响。
进一步地，所述反补三相电枢绕组的频率为f1，正补三相电枢绕组的频率为f1，电源单相电枢绕组的频率为f2，控制信号单相电枢绕组的频率为f3，所述反补三相电枢绕组、正补三相电枢绕组、电源单相电枢绕组、控制信号单相电枢绕组共用一个转子铁芯，所述反补三相电枢绕组、正补三相电枢绕组、电源单相电枢绕组、控制信号单相电枢绕组的频率关系为f1＝2f2，f2＝2f3。这样的设置，使所述励磁机定子内的磁路互不干涉，所述励磁机转子内的电枢绕组的感应电压也互不影响。
为实现上述目的，本发明还提供一种自励恒压发电机的控制机构的控制方法，当采集信号模块采集到的信号值比所述电压调节器AVR内设定的值大时，所述电压调节器AVR通过所述控制信号电机励磁绕组与所述控制信号单相电枢绕组控制所述控制单元与所述反补电路开关管电接通，此时正补电路开关管断开，反补三相电枢绕组发出的电提供反补励磁电流，从而调节所述自励恒压发电机的端电压降低；
当采集信号模块采集到的信号值比所述电压调节器AVR内设定的值小时，所述电压调节器AVR通过所述控制信号电机励磁绕组与所述控制信号单相电枢绕组控制所述控制单元与所述正补电路开关管电接通，此时反补电路开关管断开，正补三相电枢绕组发出的电提供正补励磁电流，从而调节所述自励恒压发电机的端电压升高；
当采集信号模块采集到的信号值等于所述电压调节器AVR内设定的值时，所述电压调节器AVR不工作。
进一步地，当所述自励恒压发电机空载电压高时，控制信号电机励磁绕组的励磁电压将为零，控制信号单相电枢绕组感应电压为零，反补电路开关管开通，正补电路开关管断开，反补三相电枢绕组发出的电提供反补励磁电流，通过设置在主机定子上的电压调节器AVR的调节，使所述三频励磁机系统空载电压恒定在额定电压400V左右；当所述自励恒压发电机带上负载后电压低于400V，控制信号电机励磁绕组有励磁电压，控制信号单相电枢绕组有感应电压，反补电路开关管开通，断开正补电路开关管，正补三相电枢绕组发出的电提供正补励磁电流，通过设置在主机定子上的电压调节器AVR的调节，使所述三频励磁机系统负载电压恒定在额定电压400V左右。
进一步地，所述控制单元包括有桥式整流器、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R5、R6、R7、驱动芯片U1、稳压芯片、光电耦合器、DC-DC电源模块；
所述桥式整流器包括有1、2、3、4端口；所述驱动芯片U1包括有1、2、3、4、5、6、7、8端口；所述光电耦合器包括有1、2、3、4端口；所述DC-DC电源模块包括有1、2、3、4端口；所述稳压芯片包括有输入端、输出端、接地端；
所述电源单相电枢绕组的1端口与所述桥式整流器的2端口连接，所述电源单相电枢绕组的2端口与所述桥式整流器的3端口连接，所述桥式整流器的4端口接地；所述电容C1的一端与所述桥式整流器的1端口连接，所述电容C1的另一端接地；所述电容C2的一端与所述桥式整流器的1端口连接，所述电容C2的另一端接地；所述稳压芯片的输入端与所述桥式整流器的1端口连接，所述稳压芯片的输出端与所述DC-DC电源模块的2端口连接，所述稳压芯片的接地端接地；所述电容C3的一端和所述稳压芯片与所述桥式整流器之间的节点连接，所述电容C3的另一端接地；所述电阻R5的一端和所述稳压芯片与所述桥式整流器之间的节点连接，所述电阻R5的另一端接地；
所述控制信号单相电枢绕组的1端口与所述电阻R7连接，所述控制信号单相电枢绕组的2端口与所述光电耦合器的2端口连接；所述光电耦合器的1端口与所述电阻R7连接，所述光电耦合器的4端口与驱动芯片U1的2端口连接，所述光电耦合器的3端口接地；
所述驱动芯片U1的1端口与稳压芯片的输出端连接，所述驱动芯片U1的3端口与稳压芯片的输出端连接，所述驱动芯片U1的4端口与所述d端口连接且所述驱动芯片U1的4端口接地，所述驱动芯片U1的5端口与所述c端口连接,所述驱动芯片U1的6端口与所述b端口连接,所述驱动芯片U1的7端口与所述a端口连接；所述驱动芯片U1的8端口与所述DC-DC电源模块的3端口连接；所述DC-DC电源模块的1端口接地，所述DC-DC电源模块的4端口与所述b端口连接；所述电容C6的一端连接所述DC-DC电源模块的1端口，所述电容C6的另一端连接所述光电耦合器的4端口；所述电容C4的一端连接所述驱动芯片U1的1端口，所述电容C4的另一端接地；所述电容C5的一端连接所述DC-DC电源模块的4端口，所述电容C5的另一端连接所述驱动芯片U1的8端口；所述电阻R6的一端连接所述DC-DC电源模块的4端口，所述电阻R6的另一端连接所述驱动芯片U1的8端口。
本发明的有益效果在于：相比于现有技术，在本发明当中，该系统通过励磁机转子上的控制机构，实现设置在主机定子上的电压调节器AVR对三频励磁机系统的励磁机转子侧的励磁电流的正、反向控制和励磁电流大小的控制，实现该系统的自励恒压调节，同时提高了电压调节器AVR的可靠性和可维修性；该系统不但调压性能好，可配置多种保护功能及实现并联运行功能外；而且发电效率高、体积小、重量轻。
附图说明
图1是本发明一种自励恒压发电机的三频励磁机系统的结构示意图。
图2是本发明一种自励恒压发电机的三频励磁机系统的励磁机定子结构示意图。
图3是本发明一种自励恒压发电机的三频励磁机系统的励磁机转子结构示意图。
图4是本发明一种自励恒压发电机的三频励磁机系统的控制机构安装在底板上的示意图。
图5是本发明一种自励恒压发电机的三频励磁机系统的电路原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1-5所示，本发明提供一种自励恒压发电机的三频励磁机系统，该系统设置在发电机上，发电机包括有主机定子、主机转子、采集信号模块10、电源模块20、永磁励磁体30，所述主机定子上设置有电压调节器AVR，其特征在于所述三频励磁机系统包括有励磁机定子1、励磁机转子2、控制机构3，所述励磁机定子1与所述励磁机转子2同轴设置，所述控制机构3设置在励磁机转子2上；通过励磁机转子2上的控制机构3，实现设置在主机定子上的电压调节器AVR对三频励磁机系统的励磁机转子2侧的励磁电流的正、反向控制和励磁电流大小的控制，实现该系统的自励恒压调节。
励磁机定子1包括有定子铁芯11、主励磁机励磁绕组12、电源电机励磁绕组13、控制信号电机励磁绕组14，主励磁机励磁绕组12、电源电机励磁绕组13、控制信号电机励磁绕组14均绕卷在定子铁芯11上；
主励磁机励磁绕组12、电源电机励磁绕组13、控制信号电机励磁绕组14、采集信号模块10、电源模块20均与电压调节器AVR电连接；电源模块20提供电源给电压调节器AVR，采集信号模块10采集电压信号反馈至电压调节器AVR；再通过电压调节器AVR对三频励磁机系统的励磁机转子2侧的励磁电流的正、反向控制和励磁电流大小的控制，实现该系统的自励恒压调节。
励磁机转子2包括有转子铁芯21、反补三相电枢绕组22、正补三相电枢绕组23、电源单相电枢绕组24、控制信号单相电枢绕组25，反补三相电枢绕组22、正补三相电枢绕组23、电源单相电枢绕组24、控制信号单相电枢绕组25均绕卷在转子铁芯21上；
反补三相电枢绕组22、正补三相电枢绕组23、电源单相电枢绕组24、控制信号单相电枢绕组25均与控制机构3电连接；
励磁机转子2上还设置有底板26，控制机构3安装在底板26上；
控制机构3包括有空载反补三相整流桥31、负载正补三相整流桥32、正反向励磁控制电路33，空载反补三相整流桥31、负载正补三相整流桥32、正反向励磁控制电路33均设置在底板26上，空载反补三相整流桥31与正反向励磁控制电路33电连接，负载正补三相整流桥32与正反向励磁控制电路33电连接。
在本实施例中，正反向励磁控制电路33包括有反补电路开关管331、正补电路开关管332、控制单元333、补偿转子励磁绕组334；反补电路开关管331与补偿转子励磁绕组334电连接，正补电路开关管332与补偿转子励磁绕组334电连接，反补电路开关管331与控制单元电连接，正补电路开关管332与控制单元电连接。
在本实施例中，反补三相电枢绕组22与空载反补三相整流桥31电连接，空载反补三相整流桥31与反补电路开关管331电连接，正补三相电枢绕组23与负载正补三相整流桥32电连接，负载正补三相整流桥32与正补电路开关管332电连接；控制单元333与电源单相电枢绕组24电连接，控制单元333与控制信号单相电枢绕组25电连接，控制单元333有四个端口，分别为a、b、c、d端口，反补电路开关管331与a、b端口电连接，正补电路开关管332与c、d端口电连接。
在本实施例中，空载反补三相整流桥31包括有二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，负载正补三相整流桥32包括有二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12，正补电路开关管332包括有MOS管Q1、二极管D13、电阻R1、R2，反补电路开关管331包括有MOS管Q2、二极管D14、电阻R3、R4；
反补三相电枢绕组22包括有1、2、3端口；正补三相电枢绕组23包括有1、2、3端口；补偿转子励磁绕组334包括有1、2端口；电源单相电枢绕组24包括有1、2端口；控制信号单相电枢绕组25包括有1、2端口；
补偿转子励磁绕组334的1端口与二极管D1、D2、D3的正极连接，补偿转子励磁绕组334的1端口与二极管D7、D8、D8的负极连接，补偿转子励磁绕组334的2端口与电阻R2、MOS管Q1、二极管D13的公共端连接，补偿转子励磁绕组334的2端口与MOS管Q2、二极管D14的公共端连接；
反补三相电枢绕组22的1端口与二极管D1的负极连接，反补三相电枢绕组22的2端口与二极管D2的负极连接，反补三相电枢绕组22的3端口与二极管D3的负极连接，反补三相电枢绕组22的1端口与二极管D4的正极连接，反补三相电枢绕组22的2端口与二极管D5的正极连接，反补三相电枢绕组22的3端口与二极管D6的正极连接；
正补三相电枢绕组23的1端口与二极管D9的正极连接，正补三相电枢绕组23的2端口与二极管D8的正极连接，正补三相电枢绕组23的3端口与二极管D7的正极连接，正补三相电枢绕组23的1端口与二极管D12的负极连接，正补三相电枢绕组23的2端口与二极管D11的负极连接，正补三相电枢绕组23的3端口与二极管D10的负极连接；
二极管D13的负极与MOS管Q1与二极管D6的正极的公共端连接，二极管D13的正极与MOS管Q1与电阻R2的公共端连接；二极管D14的负极与MOS管Q2与补偿转子励磁绕组334的2端口的公共端连接，二极管D14的正极与MOS管Q2与电阻R4的公共端连接；
电阻R1与a端口连接，电阻R2与b端口连接，MOS管Q1与电阻R1、R2的公共端连接，电阻R3与c端口连接，电阻R4与d端口连接，MOS管Q2与电阻R3、R4的公共端连接。
在本实施例中，控制单元333包括有桥式整流器3331、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R5、R6、R7、驱动芯片U1、稳压芯片3332、光电耦合器3333、DC-DC电源模块3334；
桥式整流器3331包括有1、2、3、4端口；驱动芯片U1包括有1、2、3、4、5、6、7、8端口；光电耦合器3333包括有1、2、3、4端口；DC-DC电源模块3334包括有1、2、3、4端口；稳压芯片3332包括有输入端、输出端、接地端；
电源单相电枢绕组24的1端口与桥式整流器3331的2端口连接，电源单相电枢绕组24的2端口与桥式整流器3331的3端口连接，桥式整流器3331的4端口接地；电容C1的一端与桥式整流器3331的1端口连接，电容C1的另一端接地；电容C2的一端与桥式整流器3331的1端口连接，电容C2的另一端接地；稳压芯片3332的输入端与桥式整流器3331的1端口连接，稳压芯片3332的输出端与DC-DC电源模块3334的2端口连接，稳压芯片3332的接地端接地；电容C3的一端和稳压芯片3332与桥式整流器3331之间的节点连接，电容C3的另一端接地；电阻R5的一端和稳压芯片3332与桥式整流器3331之间的节点连接，电阻R5的另一端接地；
控制信号单相电枢绕组25的1端口与电阻R7连接，控制信号单相电枢绕组25的2端口与光电耦合器3333的2端口连接；光电耦合器3333的1端口与电阻R7连接，光电耦合器3333的4端口与驱动芯片U1的2端口连接，光电耦合器3333的3端口接地；
驱动芯片U1的1端口与稳压芯片3332的输出端连接，驱动芯片U1的3端口与稳压芯片3332的输出端连接，驱动芯片U1的4端口与d端口连接且驱动芯片U1的4端口接地，驱动芯片U1的5端口与c端口连接,驱动芯片U1的6端口与b端口连接,驱动芯片U1的7端口与a端口连接；驱动芯片U1的8端口与DC-DC电源模块3334的3端口连接；DC-DC电源模块3334的1端口接地，DC-DC电源模块3334的4端口与b端口连接；电容C6的一端连接DC-DC电源模块3334的1端口，电容C6的另一端连接光电耦合器3333的4端口；电容C4的一端连接驱动芯片U1的1端口，电容C4的另一端接地；电容C5的一端连接DC-DC电源模块3334的4端口，电容C5的另一端连接驱动芯片U1的8端口；电阻R6的一端连接DC-DC电源模块3334的4端口，电阻R6的另一端连接驱动芯片U1的8端口。
在本实施例中，主励磁机励磁绕组12的极数为2P1个，电源电机励磁绕组13的极数为2P2个，控制信号电机励磁绕组14的极数为2P3个极，主励磁机励磁绕组12、电源电机励磁绕组13、控制信号电机励磁绕组14共用一个定子铁芯11，主励磁机励磁绕组12、电源电机励磁绕组13、控制信号电机励磁绕组14的极数关系为2P1＝2(2P2)，2P2＝2(2P3)。这样的设置，使励磁机定子1内的磁路互不干涉，励磁机转子2内的电枢绕组的感应电压也互不影响。
在本实施例中，反补三相电枢绕组22的频率为f1，正补三相电枢绕组23的频率为f1，电源单相电枢绕组24的频率为f2，控制信号单相电枢绕组25的频率为f3，反补三相电枢绕组22、正补三相电枢绕组23、电源单相电枢绕组24、控制信号单相电枢绕组25共用一个转子铁芯21，反补三相电枢绕组22、正补三相电枢绕组23、电源单相电枢绕组24、控制信号单相电枢绕组25的频率关系为f1＝2f2，f2＝2f3。这样的设置，使励磁机定子1内的磁路互不干涉，励磁机转子2内的电枢绕组的感应电压也互不影响。
为实现上述目的，本发明还提供一种自励恒压发电机的控制机构3的控制方法，当采集信号模块10采集到的信号值比电压调节器AVR内设定的值大时，电压调节器AVR通过控制信号电机励磁绕组14与控制信号单相电枢绕组25控制控制单元333与反补电路开关管331电接通，此时正补电路开关管332断开，反补三相电枢绕组22发出的电提供反补励磁电流，从而调节自励恒压发电机的端电压降低；
当采集信号模块10采集到的信号值比电压调节器AVR内设定的值小时，电压调节器AVR通过控制信号电机励磁绕组14与控制信号单相电枢绕组25控制控制单元333与正补电路开关管332电接通，此时反补电路开关管331断开，正补三相电枢绕组23发出的电提供正补励磁电流，从而调节自励恒压发电机的端电压升高；
当采集信号模块10采集到的信号值等于电压调节器AVR内设定的值时，电压调节器AVR不工作。
在本实施例中，当自励恒压发电机空载电压高时，控制信号电机励磁绕组14的励磁电压将为零，控制信号单相电枢绕组25感应电压为零，反补电路开关管331开通，正补电路开关管332断开，反补三相电枢绕组22发出的电提供反补励磁电流，通过设置在主机定子上的电压调节器AVR的调节，使三频励磁机系统空载电压恒定在额定电压400V左右；当自励恒压发电机带上负载后电压低于400V，控制信号电机励磁绕组14有励磁电压，控制信号单相电枢绕组25有感应电压，反补电路开关管331开通，断开正补电路开关管332，正补三相电枢绕组23发出的电提供正补励磁电流，通过设置在主机定子上的电压调节器AVR的调节，使三频励磁机系统负载电压恒定在额定电压400V左右。
在本实施例中，控制单元333包括有桥式整流器3331、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R5、R6、R7、驱动芯片U1、稳压芯片3332、光电耦合器3333、DC-DC电源模块3334；
桥式整流器3331包括有1、2、3、4端口；驱动芯片U1包括有1、2、3、4、5、6、7、8端口；光电耦合器3333包括有1、2、3、4端口；DC-DC电源模块3334包括有1、2、3、4端口；稳压芯片3332包括有输入端、输出端、接地端；
电源单相电枢绕组24的1端口与桥式整流器3331的2端口连接，电源单相电枢绕组24的2端口与桥式整流器3331的3端口连接，桥式整流器3331的4端口接地；电容C1的一端与桥式整流器3331的1端口连接，电容C1的另一端接地；电容C2的一端与桥式整流器3331的1端口连接，电容C2的另一端接地；稳压芯片3332的输入端与桥式整流器3331的1端口连接，稳压芯片3332的输出端与DC-DC电源模块3334的2端口连接，稳压芯片3332的接地端接地；电容C3的一端和稳压芯片3332与桥式整流器3331之间的节点连接，电容C3的另一端接地；电阻R5的一端和稳压芯片3332与桥式整流器3331之间的节点连接，电阻R5的另一端接地；
控制信号单相电枢绕组25的1端口与电阻R7连接，控制信号单相电枢绕组25的2端口与光电耦合器3333的2端口连接；光电耦合器3333的1端口与电阻R7连接，光电耦合器3333的4端口与驱动芯片U1的2端口连接，光电耦合器3333的3端口接地；
驱动芯片U1的1端口与稳压芯片3332的输出端连接，驱动芯片U1的3端口与稳压芯片3332的输出端连接，驱动芯片U1的4端口与d端口连接且驱动芯片U1的4端口接地，驱动芯片U1的5端口与c端口连接,驱动芯片U1的6端口与b端口连接,驱动芯片U1的7端口与a端口连接；驱动芯片U1的8端口与DC-DC电源模块3334的3端口连接；DC-DC电源模块3334的1端口接地，DC-DC电源模块3334的4端口与b端口连接；电容C6的一端连接DC-DC电源模块3334的1端口，电容C6的另一端连接光电耦合器3333的4端口；电容C4的一端连接驱动芯片U1的1端口，电容C4的另一端接地；电容C5的一端连接DC-DC电源模块3334的4端口，电容C5的另一端连接驱动芯片U1的8端口；电阻R6的一端连接DC-DC电源模块3334的4端口，电阻R6的另一端连接驱动芯片U1的8端口。
本发明的有益效果在于：相比于现有技术，在本发明当中，该系统通过励磁机转子2上的控制机构3，实现设置在主机定子上的电压调节器AVR对三频励磁机系统的励磁机转子2侧的励磁电流的正、反向控制和励磁电流大小的控制，实现该系统的自励恒压调节，同时提高了电压调节器AVR的可靠性和可维修性；该系统不但调压性能好，可配置多种保护功能及实现并联运行功能外；而且发电效率高、体积小、重量轻。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种自励恒压发电机的三频励磁机系统，该系统设置在发电机上，发电机包括有主机定子、主机转子、采集信号模块、电源模块、永磁励磁体，所述主机定子上设置有电压调节器AVR，其特征在于所述三频励磁机系统包括有励磁机定子、励磁机转子、控制机构，所述励磁机定子与所述励磁机转子同轴设置，所述控制机构设置在励磁机转子上；
所述励磁机定子包括有定子铁芯、主励磁机励磁绕组、电源电机励磁绕组、控制信号电机励磁绕组，所述主励磁机励磁绕组、电源电机励磁绕组、控制信号电机励磁绕组均绕卷在定子铁芯上；
所述主励磁机励磁绕组、电源电机励磁绕组、控制信号电机励磁绕组、采集信号模块、电源模块均与所述电压调节器AVR电连接；所述电源模块提供电源给电压调节器AVR，所述采集信号模块采集电压信号反馈至所述电压调节器AVR；
所述励磁机转子包括有转子铁芯、反补三相电枢绕组、正补三相电枢绕组、电源单相电枢绕组、控制信号单相电枢绕组，所述反补三相电枢绕组、正补三相电枢绕组、电源单相电枢绕组、控制信号单相电枢绕组均绕卷在励磁机转子铁芯上；
所述反补三相电枢绕组、正补三相电枢绕组、电源单相电枢绕组、控制信号单相电枢绕组均与控制机构电连接；
所述励磁机转子上还设置有底板，所述控制机构安装在所述底板上；
所述控制机构包括有空载反补三相整流桥、负载正补三相整流桥、正反向励磁控制电路，所述空载反补三相整流桥、负载正补三相整流桥、正反向励磁控制电路均设置在底板上，所述空载反补三相整流桥与所述正反向励磁控制电路电连接，所述负载正补三相整流桥与所述正反向励磁控制电路电连接。
2.根据权利要求1所述的一种自励恒压发电机的三频励磁机系统，其特征在于所述正反向励磁控制电路包括有反补电路开关管、正补电路开关管、控制单元、补偿转子励磁绕组；所述反补电路开关管与补偿转子励磁绕组电连接，所述正补电路开关管与补偿转子励磁绕组电连接，所述反补电路开关管与控制单元电连接，所述正补电路开关管与控制单元电连接。
3.根据权利要求2所述的一种自励恒压发电机的三频励磁机系统，其特征在于所述反补三相电枢绕组与所述空载反补三相整流桥电连接，所述空载反补三相整流桥与所述反补电路开关管电连接，所述正补三相电枢绕组与所述负载正补三相整流桥电连接，所述负载正补三相整流桥与所述正补电路开关管电连接；所述控制单元与所述电源单相电枢绕组电连接，所述控制单元与控制信号单相电枢绕组电连接，所述控制单元有四个端口，分别为a、b、c、d端口，所述反补电路开关管与所述a、b端口电连接，所述正补电路开关管与所述c、d端口电连接。
4.根据权利要求3所述的一种自励恒压发电机的三频励磁机系统，其特征在于所述空载反补三相整流桥包括有二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6，所述负载正补三相整流桥包括有二极管D7、D8、D9、D10、D11、D12，所述正补电路开关管包括有MOS管Q1、二极管D13、电阻R1、R2，所述反补电路开关管包括有MOS管Q2、二极管D14、电阻R3、R4；
所述反补三相电枢绕组包括有1、2、3端口；所述正补三相电枢绕组包括有1、2、3端口；所述补偿转子励磁绕组包括有1、2端口；所述电源单相电枢绕组包括有1、2端口；所述控制信号单相电枢绕组包括有1、2端口；
所述补偿转子励磁绕组的1端口与所述二极管D1、D2、D3的正极连接，所述补偿转子励磁绕组的1端口与所述二极管D7、D8、D8的负极连接，所述补偿转子励磁绕组的2端口与所述电阻R2、MOS管Q1、二极管D13的公共端连接，所述补偿转子励磁绕组的2端口与所述MOS管Q2、二极管D14的公共端连接；
所述反补三相电枢绕组的1端口与所述二极管D1的负极连接，所述反补三相电枢绕组的2端口与所述二极管D2的负极连接，所述反补三相电枢绕组的3端口与所述二极管D3的负极连接，所述反补三相电枢绕组的1端口与所述二极管D4的正极连接，所述反补三相电枢绕组的2端口与所述二极管D5的正极连接，所述反补三相电枢绕组的3端口与所述二极管D6的正极连接；
所述正补三相电枢绕组的1端口与所述二极管D9的正极连接，所述正补三相电枢绕组的2端口与所述二极管D8的正极连接，所述正补三相电枢绕组的3端口与所述二极管D7的正极连接，所述正补三相电枢绕组的1端口与所述二极管D12的负极连接，所述正补三相电枢绕组的2端口与所述二极管D11的负极连接，所述正补三相电枢绕组的3端口与所述二极管D10的负极连接；
所述二极管D13的负极与所述MOS管Q1与所述二极管D6的正极的公共端连接，所述二极管D13的正极与所述MOS管Q1与电阻R2的公共端连接；所述二极管D14的负极与所述MOS管Q2与所述补偿转子励磁绕组的2端口的公共端连接，所述二极管D14的正极与所述MOS管Q2与电阻R4的公共端连接；
所述电阻R1与所述a端口连接，所述电阻R2与所述b端口连接，所述MOS管Q1与所述电阻R1、R2的公共端连接，所述电阻R3与所述c端口连接，所述电阻R4与所述d端口连接，所述MOS管Q2与所述电阻R3、R4的公共端连接。
5.根据权利要求4所述的一种自励恒压发电机的三频励磁机系统，其特征在于所述控制单元包括有桥式整流器、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R5、R6、R7、驱动芯片U1、稳压芯片、光电耦合器、DC-DC电源模块；
所述桥式整流器包括有1、2、3、4端口；所述驱动芯片U1包括有1、2、3、4、5、6、7、8端口；所述光电耦合器包括有1、2、3、4端口；所述DC-DC电源模块包括有1、2、3、4端口；所述稳压芯片包括有输入端、输出端、接地端；
所述电源单相电枢绕组的1端口与所述桥式整流器的2端口连接，所述电源单相电枢绕组的2端口与所述桥式整流器的3端口连接，所述桥式整流器的4端口接地；所述电容C1的一端与所述桥式整流器的1端口连接，所述电容C1的另一端接地；所述电容C2的一端与所述桥式整流器的1端口连接，所述电容C2的另一端接地；所述稳压芯片的输入端与所述桥式整流器的1端口连接，所述稳压芯片的输出端与所述DC-DC电源模块的2端口连接，所述稳压芯片的接地端接地；所述电容C3的一端和所述稳压芯片与所述桥式整流器之间的节点连接，所述电容C3的另一端接地；所述电阻R5的一端和所述稳压芯片与所述桥式整流器之间的节点连接，所述电阻R5的另一端接地；
所述控制信号单相电枢绕组的1端口与所述电阻R7连接，所述控制信号单相电枢绕组的2端口与所述光电耦合器的2端口连接；所述光电耦合器的1端口与所述电阻R7连接，所述光电耦合器的4端口与驱动芯片U1的2端口连接，所述光电耦合器的3端口接地；
所述驱动芯片U1的1端口与稳压芯片的输出端连接，所述驱动芯片U1的3端口与稳压芯片的输出端连接，所述驱动芯片U1的4端口与所述d端口连接且所述驱动芯片U1的4端口接地，所述驱动芯片U1的5端口与所述c端口连接, 所述驱动芯片U1的6端口与所述b端口连接, 所述驱动芯片U1的7端口与所述a端口连接; 所述驱动芯片U1的8端口与所述DC-DC电源模块的3端口连接;所述DC-DC电源模块的1端口接地，所述DC-DC电源模块的4端口与所述b端口连接；所述电容C6的一端连接所述DC-DC电源模块的1端口，所述电容C6的另一端连接所述光电耦合器的4端口；所述电容C4的一端连接所述驱动芯片U1的1端口，所述电容C4的另一端接地；所述电容C5的一端连接所述DC-DC电源模块的4端口，所述电容C5的另一端连接所述驱动芯片U1的8端口；所述电阻R6的一端连接所述DC-DC电源模块的4端口，所述电阻R6的另一端连接所述驱动芯片U1的8端口。
6.根据权利要求1所述的一种自励恒压发电机的三频励磁机系统，其特征在于，所述主励磁机励磁绕组的极数为2P1个，所述电源电机励磁绕组的极数为2P2个，所述控制信号电机励磁绕组的极数为2P3个极，所述主励磁机励磁绕组、电源电机励磁绕组、控制信号电机励磁绕组共用一个励磁机定子铁芯，所述主励磁机励磁绕组、电源电机励磁绕组、控制信号电机励磁绕组的极数关系为2P1=2（2P2），2P2=2（2P3）。
7.根据权利要求1所述的一种自励恒压发电机的三频励磁机系统，其特征在于所述反补三相电枢绕组的频率为f1，正补三相电枢绕组的频率为f1，电源单相电枢绕组的频率为f2，控制信号单相电枢绕组的频率为f3，所述反补三相电枢绕组、正补三相电枢绕组、电源单相电枢绕组、控制信号单相电枢绕组共用一个转子铁芯，所述反补三相电枢绕组、正补三相电枢绕组、电源单相电枢绕组、控制信号单相电枢绕组的频率关系为f1 =2f2，f2 =2f3。
8.一种上述权利要求3-5任一项所述的自励恒压发电机的三频励磁机系统的控制方法，其特征在于当采集信号模块采集到的信号值比所述电压调节器AVR内设定的值大时，所述电压调节器AVR通过所述控制信号电机励磁绕组与所述控制信号单相电枢绕组控制所述控制单元与所述反补电路开关管电接通，此时正补电路开关管断开，反补三相电枢绕组发出的电提供反补励磁电流，从而调节所述自励恒压发电机的端电压降低；
当采集信号模块采集到的信号值比所述电压调节器AVR内设定的值小时，所述电压调节器AVR通过所述控制信号电机励磁绕组与所述控制信号单相电枢绕组控制所述控制单元与所述正补电路开关管电接通，此时反补电路开关管断开，正补三相电枢绕组发出的电提供正补励磁电流，从而调节所述自励恒压发电机的端电压升高；
当采集信号模块采集到的信号值等于所述电压调节器AVR内设定的值时，所述电压调节器AVR不工作。
9.根据权利要求8所述的一种自励恒压发电机的三频励磁机系统的控制方法，其特征在于当所述自励恒压发电机空载电压高时，控制信号电机励磁绕组的励磁电压将为零，控制信号单相电枢绕组感应电压为零，反补电路开关管开通，正补电路开关管断开，反补三相电枢绕组发出的电提供反补励磁电流，通过设置在主机定子上的电压调节器AVR的调节，使所述三频励磁机系统空载电压恒定在额定电压400V左右；当所述自励恒压发电机带上负载后电压低于400V，控制信号电机励磁绕组有励磁电压，控制信号单相电枢绕组有感应电压，反补电路开关管开通，断开正补电路开关管，正补三相电枢绕组发出的电提供正补励磁电流，通过设置在主机定子上的电压调节器AVR的调节，使所述三频励磁机系统负载电压恒定在额定电压400V左右。
10.根据权利要求8所述的一种自励恒压发电机的三频励磁机系统的控制方法，其特征在于所述控制单元包括有桥式整流器、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6，电阻R5、R6、R7、驱动芯片U1、稳压芯片、光电耦合器、DC-DC电源模块；
所述桥式整流器包括有1、2、3、4端口；所述驱动芯片U1包括有1、2、3、4、5、6、7、8端口；所述光电耦合器包括有1、2、3、4端口；所述DC-DC电源模块包括有1、2、3、4端口；所述稳压芯片包括有输入端、输出端、接地端；
所述电源单相电枢绕组的1端口与所述桥式整流器的2端口连接，所述电源单相电枢绕组的2端口与所述桥式整流器的3端口连接，所述桥式整流器的4端口接地；所述电容C1的一端与所述桥式整流器的1端口连接，所述电容C1的另一端接地；所述电容C2的一端与所述桥式整流器的1端口连接，所述电容C2的另一端接地；所述稳压芯片的输入端与所述桥式整流器的1端口连接，所述稳压芯片的输出端与所述DC-DC电源模块的2端口连接，所述稳压芯片的接地端接地；所述电容C3的一端和所述稳压芯片与所述桥式整流器之间的节点连接，所述电容C3的另一端接地；所述电阻R5的一端和所述稳压芯片与所述桥式整流器之间的节点连接，所述电阻R5的另一端接地；
所述控制信号单相电枢绕组的1端口与所述电阻R7连接，所述控制信号单相电枢绕组的2端口与所述光电耦合器的2端口连接；所述光电耦合器的1端口与所述电阻R7连接，所述光电耦合器的4端口与驱动芯片U1的2端口连接，所述光电耦合器的3端口接地；
所述驱动芯片U1的1端口与稳压芯片的输出端连接，所述驱动芯片U1的3端口与稳压芯片的输出端连接，所述驱动芯片U1的4端口与所述d端口连接且所述驱动芯片U1的4端口接地，所述驱动芯片U1的5端口与所述c端口连接, 所述驱动芯片U1的6端口与所述b端口连接, 所述驱动芯片U1的7端口与所述a端口连接; 所述驱动芯片U1的8端口与所述DC-DC电源模块的3端口连接;所述DC-DC电源模块的1端口接地，所述DC-DC电源模块的4端口与所述b端口连接；所述电容C6的一端连接所述DC-DC电源模块的1端口，所述电容C6的另一端连接所述光电耦合器的4端口；所述电容C4的一端连接所述驱动芯片U1的1端口，所述电容C4的另一端接地；所述电容C5的一端连接所述DC-DC电源模块的4端口，所述电容C5的另一端连接所述驱动芯片U1的8端口；所述电阻R6的一端连接所述DC-DC电源模块的4端口，所述电阻R6的另一端连接所述驱动芯片U1的8端口。
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