CN110086390A - 提供双等级电压的发电设备和可移动式发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种离网运行的提供双等级电压的发电设备和移动式发电机组。发电设备包括发电机和励磁控制装置。发电机包括转子、开关和定子。转子包括多相对称绕组，定子具有单相绕组，单相绕组包括输出部，输出部具有分别包括至少一个线圈的第一段和第二段，第一段和第二段分别与开关连接，用户可以有选择地切换开关使第一段与第二段串联,以通过开关向用电负载提供高等级的输出电压,用户还可以有选择地切换开关使第一段与第二段并联,以通过开关向用电负载提供低等级的输出电压。励磁控制装置使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，并根据传感器测量的发电设备的运行数据计算用电负载的实时功率，对应于计算的实时功率调节发动机的转速。

Description

提供双等级电压的发电设备和可移动式发电机组
技术领域
本发明涉及发电设备，特别是由发动机驱动的能够提供双等级电压的的发电设备。
背景技术
一种产生交流电并向用电负载供电的方式是使用离网运行(即脱网,off-grid)的发电系统。临时或者长期不连电网的发电系统叫离网运行的发电系统。当今离网运行的发电系统已在人们的生活和工作中得到了广泛地应用。例如，在人们野营、野餐或在户外工作时，离网运行的发电系统已被广泛地用来和用电设备通过电路连接从而向用电设备提供能量。类似这样的发电系统也被用来在紧急情况下(例如停电时)提供备用电。
离网运行的发电系统通常使用一个发动机来提供原动力，该发动机和发电机通过一个共同的轴连接在一起。发动机一启动就会带动轴转动，从而驱动发电机产生电能。如人们所知，多数电器设备都被设计成使用固定频率的电能，例如在北美是60赫兹的电能，在中国是50 赫兹的电能。发电系统输出电能的频率主要由发动机的运行速度决定。因此，一些发电设备发动机的运行速度是固定不变的，以使输出电能的频率保持不变。但是，在发电系统带动的负载小于机组的额定负载时，如果发动机仍然以额定转速运行，则发动机的燃料效率小于最佳值,同时运行噪音也非常大。
另外，由于许多负载都被设计成使用一定电压值的电能，所以通常离网运行的发电系统需要产生已知等级的输出电压。例如，北美一些的家用电器使用120伏等级的电压，而还有一些电器使用240伏等级的电压。
发明内容
为满足北美以及其他国家对双等级电压的需求，发明人曾经尝试使用变换器(例如交流 -直流-交流的变换器)来调节电压。但是这种方案使用换器调节电压的成本非常高，变换器的成本占发电机成本的20％-60％。而绕组线圈的成本远远低于变换器的成本，由此设计出一种离网运行的能够提供双等级输出电压的发电设备。该发电设备的定子单相绕组具有多个分别和开关连接的线圈。用户可以有选择地切换开关使第一段与第二段串联和并联，从而实现输出双等级的输出电压。离网运行的发电设备是指临时或者长期不与电网连接的发电设备。单相绕组是指绕组的线圈只有一个轴向的绕组，单相绕组可由多个线圈构成，但各个线圈的轴向需重叠。对称绕组是指布置成能够产生旋转磁场的形式的绕组。旋转磁场是大小不变，轴线位置在空间以固定频率改变的电机气隙磁场。多相对称绕组是指对称绕组可以有两相或者更多相。
根据一些实施例，离网运行的发电设备包括发动机、发电机和励磁控制装置。发电机包括转子、开关、定子和一个或者多个传感器。转子和发动机同轴连接，转子包括多相对称绕组，而定子具有单相绕组，单相绕组包括输出部，其中输出部具有第一段和第二段，第一段和第二段分别包括至少一个用来产生感应电压的线圈，第一段和第二段可分别与开关连接，所述双等级的输出电压包括一个高等级的输出电压和一个低等级的输出电压，用户可以有选择地切换开关使第一段与第二段串联,以通过开关向用电负载提供高等级的输出电压,用户还可以有选择地切换开关使第一段与第二段并联,以通过开关向用电负载提供低等级的输出电压。传感器测量发电设备的的运行数据。励磁控制装置与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，并至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算用电负载的实时功率，和对应于计算的实时功率调节发动机的转速。
一些实施例还提供一种为负载供电的可移动式离网运行的发电机组。该发电机组包括发动机、感应发电机和励磁控制装置。感应发电机包括转子、开关、定子和一个或者多个传感器。转子和发动机同轴连接，包括多相对称绕组。定子具有单相绕组，单相绕组包括输出部，其中输出部具有第一段和第二段，第一段和第二段分别包括至少一个用来产生感应电压的线圈，第一段和第二段可分别与开关连接，所述双等级的输出电压包括一个高等级的输出电压和一个低等级的输出电压，用户可以有选择地切换开关使第一段与第二段串联,以通过开关向用电负载提供高等级的输出电压,用户还可以有选择地切换开关使第一段与第二段并联, 以通过开关向用电负载提供低等级的输出电压。传感器测量发电设备的的运行数据。励磁控制装置与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，并至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算用电负载的实时功率，和对应于计算的实时功率调节发动机的转速。
在一些具体的实施例中，第一段和第二段中的其中一段通过开关与用电负载连接，从而在向用电负载提供高等级的输出电压的同时还可以向用电负载提供低等级的输出电压。
在一些具体的实施例中，发电机进一步包括频率转换装置，该频率转换装置与转子绕组连接，定子单相绕组与频率转换装置连接，以通过频率转换装置向转子绕组提供励磁电压, 从而在转子绕组中产生旋转磁场。
在一些具体的实施例中，定子单相绕组的第一段和第二段中的其中一段与频率转换装置连接，以通过频率转换装置向转子绕组提供励磁电压。
在一些具体的实施例中，定子单相绕组还包括励磁部，其中励磁部包括至少一个线圈，所述励磁部与频率转换装置连接，以通过频率转换装置向转子绕组提供励磁电压。
在一些具体的实施例中，频率转换装置进一步包括直流母线电压提供装置和逆变器。直流母线电压提供装置与定子的单相绕组连接，接收来自定子单相绕组的励磁电压，对励磁电压进行整流，并输出整流后的直流母线电压。逆变器与直流母线电压提供装置连接，接收整流后的直流母线电压，并向转子绕组提供交流励磁电压。
在一些具体的实施例中，发电机还包括电气部件，该电气部件连接定子单相绕组和负载，并使得定子单相绕组产生的感应电压和提供给负载的输出电压频率相同。
在一些具体的实施例中，发电机还包括位于开关和励磁控制装置之间的信号传递部件，该信号传递部件将开关是处于高等级电压模式还是低等级电压模式的切换信号传递给励磁控制装置。
在一些具体的实施例中，发电机被设置成在亚同步状态或者同步状态下运行。
上述离网运行的发电设备和可移动式发电机组(为简略起见下文不再提及可移动式发电机组)利用分别和开关连接的定子单相绕组的复数个线圈来提供双等级的输出电压，显著降低该发电设备成本。
附图简要说明
图1为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。
图2A示出了一些具体实施例中的转子的一种布置方式。
图2B示出了一些具体实施例中的转子的另外一种布置方式。
图2C示出了一些具体实施例中的转子的另外一种布置方式。
图3A-3C分别示出了一些具体实施例中的转子三相绕组的展开图。
图3D示出了一些具体实施例中的定子单相绕组的展开图。
图4示出了一些具体实施例中的一种组合开关。
图5为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。
图6A示出了一些具体实施例中的一种直流母线电压提供装置的示意图。
图6B示出了另外一些具体实施例中的另外一种直流母线电压提供装置的示意图。
图7示出了向转子绕组提供励磁电压的另外一种方式。
图8为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。
图9为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。
图10示出了一些具体实施例中离网运行发电设备的一种控制系统。
图11为对应于图10中示出的控制系统的控制方法的流程图。
图12为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。
图13示出了一些具体实施例中离网运行发电设备的另外一种控制系统。
图14为对应于图13中示出的控制系统的控制方法的流程图。
图15为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。
具体实施例
下面的说明将参照图。图中示出的是一些具体实施例。在各个图中类似的图标记表示类似的部件。应当理解这里使用的术语是用来说明书图和具体实施例，不应当视为限定申请的保护范围。
图1为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。该发电设备带动的负载140可以为人们在野营时使用的诸如烤箱和音响设备这样的不和电网相连的负载，或者在停电时使用的电器设备等。发电设备包括发动机110、发电机和励磁控制装置170。发动机110可以通过一个进口接收诸如汽油、柴油、天然气或者液态丙烷这样的燃料。进入发动机110的燃料被压缩、点燃，从而使得发动机110的活塞产生往复运动。活塞的往复运动由发动机110 的曲轴转换成旋转运动。曲轴可和发电机连接。发电机可以为变速恒频、转子电压由变换器提供的感应发电机。例如可以为双馈感应发电机，这样方便调频。具体而言该发电机包括转子120、定子130、一个或者多个传感器(图1中未示出)和电气部件。转子120可以是具有多相对称绕组的圆柱形转子。该转子以可旋转的方式设置在定子130内，并通过一个共同的轴121和发动机110的曲轴同轴连接。当发动机110转动时，轴121驱动转子120转动，转子120绕组中就会产生一个旋转磁场。励磁控制装置170用来监控发电机和电动机110的运行，下面将会对此详细说明。
发电机的定子130包括一个单相绕组。转子120的多相对称绕组中建立的旋转磁场的转动使定子单相绕组中感应出一个单相感应电压。该感应电压被通过导线(例如图1中示出的 L120、N120、L240、N240)直接提供给负载140。由于各个国家大多数电器设备适用的标称电压频率都是固定的，例如在北美为60赫兹，在中国为50赫兹。故而为了可以向大多数家用电器和其他的电力设备提供电能，励磁控制装置170控制定子单相绕组中产生的感应电压的频率，使感应电压频率在一个预设的值域，例如在北美可以为60赫兹左右，在中国为50赫兹左右。
定子的单相绕组和负载140之间的电路上还设有电气部件，例如图1中示出的开关150。电气部件还可以包括插接负载的插座、电线等。这些电气部件连接定子单相绕组和负载，将定子单相绕组中产生的感应电压提供给负载。另外，诸如断路器这样的电气部件可以在过载时切断电路。电气部件还可以为自动切换开关(AUTO TRANSFERS SYSTEM ORSWITCH)，用来实现在多个输出输出电压之间进行切换。但是,这里的电气部件不能是诸如整流器、逆变器这样改变电压、电流频率的转换器，即电气部件使得定子130单相绕组产生的感应电压和施加在负载上的输出电压的频率相同。
转子120可以包括多相对称绕组。图2A示出了一些具体实施例中的转子220A的一种布置方式。转子220A具有星形连接的三相绕组U、V、W。这三相绕组U、V、W的轴线在空间上相隔120度。三相绕组U、V、W中的每一相都包括一个匝数相等的线圈。如图2A所示，线圈的引线可以通过接线柱220U、220V、220W连接。三相绕组的其它对称式布置方式，例如三角形布置，也适用上述发电设备。图2B示出了一些具体实施例中的转子的另外一种布置方式。转子220B包括对称布置的五相绕组M、N、O、P、Q。这五相绕组M、N、O、P、Q 的轴线在空间上相隔72度。如图2B所示，线圈的引线可以通过接线柱220O、220P、220Q、 220M、220N连接。图2C示出了一些具体实施例中的转子220C的另外一种布置方式。转子包括在空间上相隔90度的两相对称绕组R和S。两相对称绕组R、S中的每一相都包括一个匝数相等的线圈。如图2C所示，线圈的引线可以通过接线柱220R、220S、220J连接。当在这样的转子绕组中施加励磁电压时其中就会产生一个旋转磁场。
图3A-3C分别示出了一些具体实施例中的转子三相对称绕组的展开图。从这些图中可以看到线圈是如何缠绕的，还可以看到线圈的缠绕方向。转子的每相绕组都有2极和13槽的节距。一个线圈分两层缠绕在30个槽(在图中用数字1-30表示)中。图示的三相绕组分别具有输入节点A、B、C和输出节点X、Y、Z。图3D示出了一些具体实施例中的定子330单相绕组的展开图。该单相绕组具有2极，36槽，输入节点D和输出节点G。复数个线圈可以如图3D中所示的那样同心绕制。
定子130的单相绕组还可以向转子120的绕组提供励磁电压，为旋转磁场提供能量，以补偿由发动机机的转速变化引起的定子130的单相绕组中产生的感应电压幅值和频率的变化趋势。所述发动机对应于负载的变化来改变其转速。这样的运行方式使得定子130感应电压 (即发电设备的输出电压)的幅值保持稳定，同时输出电压的频率也保持恒定。
在一些具体实施例中，定子130的单相绕组可以包括输出部130A和励磁部130B。输出部130A和励磁部130B分别向负载提供输出电压和向转子的绕组提供励磁电压。输出部可以具有一个以上的线圈，以提供双等级的输出电压。图1中示出的输出部130A包括第一段130A1和第二段130A2。第一段130A1可以包括一个线圈，该线圈具有第一引线UAL(可为火线)和第二引线UAN(可为零线)。第一段130A2可以包括另外一个线圈，该线圈具有第三引线VBL和第四引线UBN(二者分别可为火线和零线)。在一些具体实施例中，第一段 130A1和第二段130A2也分别包括多个串联的线圈。
在一些具体实施例中，发电机可以包括开关150。开关150可以为手动式转换开关或者其它类似的开关。图4示出了一些具体实施例中的一种开关。第一段130A1和第二段130A2 的引线UAN、UAL、UBL、UBN分别连接到开关150上。该开关是一种组合式开关，主要包括一组固定的触点151和诸如刀片152这样的能够手动或通过凸轮使其从一个触点移动到另外一个触点以有选择地在某个特定的开关位置建立电路的机构。用户可以操控刀片152以有选择地使第一段130A1和第二段130A2并联或者串联。通过这样的方式，就可以产生双等级的输出电压，例如120伏特和240伏特的电压(即北美最常用的标定电压)，该双等级的输出电压从开关150提供给负载140。开关150可以带有与引线UAN、UAL、UBL、UBN连接的接线柱，以将120伏和240伏的电压施加在负载上。例如在图4示出的开关位置，第一段 130A1和第二段130A2为串联连接，输出一个高等级的输出电压，例如240伏。另外，在一些具体实施方式中，还可以将第一段130A1的引线UAN、UAL或者第二段130A2的引线UBL、 UBN和负载连接，这样就可以在输出高等级输出电压的同时还输出低等级的输出电压，例如 120伏。当第一段130A1的引线UAL和第二段130A2的引线UBL连接，并且引线UAN、UBN 连接(即刀片152移至图4中示出的白色触点位置)时，第一段130A1和第二段130A2并联，向负载140输出120伏的输出电压。120伏的输出电压可以提供给和开关150连接的照明设备和其它便利设备。240伏的输出电压可以提供给电压需求更高的设备，例如取暖、空调、厨房的炉子和水加热器。
励磁部130B可以包括一个线圈。该线圈的引线可以连接至转子绕组U、V、W，以将励磁部130B中产生的感应电压提供给转子绕组，为旋转磁场提供能量。在上述具体实施例中，励磁部130B是独立于输出部130A的，这样就可以方便地通过励磁部130B产生大于输出电压的直流母线电压，这样方便调节励磁电压。例如，当励磁部130B的线圈具有所需的匝数时，励磁部130B可以产生320伏的励磁电压。
图5为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。在图1和5中类似的图标记用来指示类似的部件(尽管图5中示出的发电设备和图1中示出的不同)。在一些具体实施例中，定子530包括第一部530A1和第二部530A2。第一部530A1可以包括带有引线UAL和 UAN的一个线圈，第二部530A2可以包括带有引线UBL和UBN的另外一个线圈。引线UAL、UAN、UBL、UBN分别连接至开关550上。用户可以切换开关550有选择地使第一部530A1和第二部530A2并联和串联，以获得双等级的输出电压。和图1中示出的具有独立励磁部的发电设备不同，该发电设备的第一部530A1和第二部530A2中的一个还被用来提供励磁电压。例如，在图5中，第二部530A2还有一对引线EXN和EXL，这对引线连接至转子绕组的电路上。
在另外一些具体实施例中，第二部530A2可以包括串联的第一线圈和第二线圈(图5中未示出)，第一线圈的引线UBL和UBN连接至开关550上用来产生感应电压提供给负载540，而第一线圈的引线UBL和第二线圈的引线EXL连接至转子绕组的电路上，即第一线圈和第二线圈串联产生的感应电压来励磁。和设置单独的励磁线圈的方案相比，该方案可以减少励磁线圈的匝数。
在一些具体实施例中，在第二部530A2和转子绕组之间可以设有频率转换装置560。频率转换装置560就是电机领域常说的变换器，其调整第二部530A2产生的感应电压，从而产生一个具有所需频率和幅值的电压提供给转子绕组，以为旋转磁场提供能量。频率转换装置 560可以包括一个直流母线电压提供装置，其接收来自定子单相绕组的励磁电压(为交流电压)，向母线BUS+、BUS-提供一个直流母线电压。该直流母线电压提供装置可以是一个整流器。图6A示出了一些具体实施例中的一种直流母线电压提供装置661A的示意图。该直流母线电压提供装置661A包括由四个布置成“桥”式的整流二极管组成的不控整流桥电路 661A1。还可以设置一个母线电容662A2来使不控整流桥电路661A1的输出电压平滑。图6B 示出了另外一些具体实施例中的另外一种直流母线电压提供装置661B的示意图。该直流母线电压提供装置661B主要包括一个起到整流和升压作用的功率因数校正电路(POWER FACTOR CORRECTION)。另外，还可以设置一个母线电容661B2来储存能量，过滤掉高频的交流电压分量。
图7示出了向转子绕组提供励磁电压的另外一种方式。根据一些实施例，定子的单相绕组也可以不向转子绕组提供励磁电压。一个直流电源，例如电池710，用来提供直流母线电压。还可以设置与电池710连接的直流-直流转换器720，该直流-直流转换器720用来在将直流电压提供给与转子绕组连接的母线BUS+、BUS-之前提高直流电压的幅值，以给转子绕组中的旋转磁场提供能量。还可以设置母线电容730来储存能量，过滤掉高频的交流电压分量。
现在回到图1和5。发电设备还包括监控发电机和发动机110、510运行的励磁控制装置170、570。例如，基于微处理器或者其它计算机驱动的系统可以用作励磁控制装置170、570，励磁控制装置170、570可以包括处理器和存储器。处理器在存储器中的与发电机运行相关的程序指令的控制下运行。励磁控制装置170、570与发电机和发动机110、510电连接，例如，励磁控制装置170、570可以固定在发电机上，并通过导线或者无线连接方式和发动机110、510连接。这样，励磁控制装置170、570可以收集设置在发电机上的一个或者多个传感器(下面将参照图9和10进行说明)测量的发电设备的运行数据，利用传感器测量的实时运行数据计算实时负载功率，并根据计算的实时负载功率调整发动机110、510的转速。励磁控制装置170、570还可以调节发电机励磁电压的幅值和频率，从而确保发电机输出的输出电压具有恒定的频率和幅值。除了使用励磁控制装置170、570直接控制发动机110、 510以外，还可以由发动机控制模块(ECM,ENGINE CONTROL MODULE，图中未示出)直接控制发动机110、510的运行，而励磁控制装置170、570控制发动机控制模块。可以通过一个通信线连接励磁控制装置170、570和发动机控制模块。发动机控制模块可以固定在发动机 110、510上。发动机控制模块可以调节发动机转速，从而调节发电机的输出功率，还可以监控发动机的多个特性，例如燃料消耗量、发动机起动信息和油压。
图8为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。该发电设备和前面参照图1和 5说明的发电设备类似，因此这里不再对相同和相似的部件进行重复说明。该发电设备包括频率转换装置860。该频率转换装置860主要包括直流母线电压提供装置861和逆变器862。该通过母线向逆变器提供直流电压的直流母线电压提供装置861和上面结合图6A、6B说明的直流母线电压提供装置类似，因此这里不再对直流母线电压提供装置861进行更多地说明。
逆变器862对应于转子绕组的相数可以是两相、三相、四相和五相直流-交流逆变器。如图8所示，逆变器862为三相六开关直流-交流逆变器，该逆变器接收来自励磁控制装置 870的脉冲控制信号(例如SPWM波或者SVPWM波)，脉冲控制信号实质上是一定的占空比，励磁控制装置870带有产生脉冲控制信号的程序，其产生具有所需频率和幅值的SPWM或者SVPWM励磁信号，该励磁信号调节转子绕组中励磁电流的幅值和频率，具有适当幅值和频率的励磁电流为旋转磁场提供能量，以补偿由发动机机的转速变化引起的定子单相绕组中产生的感应电压变化的趋势，定子单相绕组感应电压的幅值和频率的变化主要是由随着负载的变化而调整的发动机转速的改变引起的。具有所需频率和幅值的SPWM或者SVPWM励磁信号被施加在转子绕组上，以调整转子绕组中感应出的旋转磁场的强度和相对于转子的转速。从而使得定子输出电压(即发电设备的输出电压)的幅值可以保持稳定，输出电压的频率也维持恒定。PWM波或SVPWM波可以是方波、修正正弦波和正弦波等，采用什么波形主要取决于逆变器862的电路设计。逆变器862的每个桥臂都通过导线和转子的一相绕组连接。逆变器 862的每个桥臂上设有一个或者多个开关器件。开关器件可以是诸如绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)、双极结型晶体管(BJT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、门极关断晶闸管(GTO)、可控硅(SCR)、集成门极换流晶闸管(IGCT)这样的半导体开关器件。如图8所示，在一些具体的实施例中，在逆变器862的每个桥臂上都设有一对IGBT。来自励磁控制装置 870的脉冲信号通过一定的占空比来连续地控制逆变器862开关器件的开关时间。直流母线电压提供装置861向逆变器862提供一个相对稳定的直流母线电压。逆变器862所需的直流母线电压取决于系统的设计，设计因素例如包括定子电压大小、发电机转速变化范围、发电机转子绕组的设计、IGBT器件的电压电流参数和系统成本等。逆变器862产生具有一定幅值和频率的SPWM或者SVPWM励磁信号，并用该励磁信号调节转子绕组的电流的幅值和频率，从而使转子绕组中产生具有所需强度和相对转速(相对于转子的转速)的旋转磁场。额定功率为7000瓦的上述发电设备中使用的逆变器862的额定功率小于1500瓦，通常是700-800 瓦。与此相比，如果使用逆变器调整发电机产生的全功率，额定功率为7000瓦的发电机中使用的逆变器的功率也会是7000瓦。而本发明中，由于定子端输出的电流通过电气元件直接提供到负载，而不进行任何频率变化，也就是说定子端的输出电流的频率已经是目标值，不需要再用逆变器进行调整。由于上述具体实施例发电设备中的逆变器862仅仅调节励磁功率，而励磁功率仅仅占定子单相绕组产生的全功率的很小的一部分，因此逆变器862的功率可以小很多。逆变器862的重量也会大大减轻，其成本也大幅降低。据估计，逆变器成本可以占到发电机成本的20％-50％，因此具有上述特征的移动式发电机组有巨大的成本优势。
励磁控制装置870中带有调整发动机功率(即发动机转速)的程序。励磁控制装置870 利用传感器(图8中未示出)测量的实时运行数据计算实时负载功率，并对计算的实时负载功率作出响应，调整发动机的转速。励磁控制装置870是采用预先定义的发动机最低油耗曲线跟踪发动机的最低油耗点，调节发动机的功率。预先定义的发动机最低油耗曲线可以存储在励磁控制装置870中。
在一些具体实施例中，发电机还可以包括电池880。为安全起见，电池880可以和母线 BUS+、BUS-电隔离。例如，电池880的直流电压可以通过一个励磁电压提供装置890施加到母线BUS+、BUS-上，以在发电设备启动时向转子绕组提供励磁电压，使转子绕组中产生旋转磁场。励磁电压提供装置890的结构可以类似于变压器的结构。该励磁电压的幅值相当小，例如可以是1-20伏。
在一些具体的实施例中，发电设备被设置成以小于或者等于同步转速的转速运行，即发电设备在亚同步或者同步状态下工作。例如，同步转速为3600转/分钟时，汽油机可以以3000-3600转/分钟的速度运行。发动机转速越高，输出功率越大，因此发电机组带动一个负载从空载到额定功率时，发动机转速将达到最大转速3600转/分钟，此时转子励磁电压的频率将减小，当发动机转速为3600转/分钟时，转子励磁电压就为直流。这样，在发电设备的同步转速为3600转/分钟的情况下，由汽油机带动的发电设备始终在亚同步或者同步状态下运行。这意味着发电设备中的电能总是从定子侧流向转子侧，没有能量的反向流动。该特征使得发电设备可以使用具有单向特征的低成本装置或者零件(例如图6A中的不控整流桥)。但是应当理解，在一些不理想的运行状态下发电设备的运行速度有可能大于同步转速，此时输出电压的频率可能略微超过预设频率。可以在发电设备中设置诸如断路器这样的保护机制，以在发电设备转速过大时使其停机
图9为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。图8中的发电设备和图9中的发电设备的主要区别是后者具有单独的励磁部(和图5示出的发电设备类似)。结合前面的说明，本领域的技术人员很容易理解图9中示出的发电设备，这里不再赘述。
上面参照图1-9对向离网运行的发电设备进行了说明。定子具有单相绕组、转子具有多相对称绕组的发电设备对现有的发电设备的控制系统提出了挑战。发明人曾尝试采用矢量控制策略来控制具有单相绕组的发动设备。但是，矢量控制策略通常用来控制三相电机。并且，此种控制策略需要用到像Clark-Park变换这样的复杂变换来将发电设备的单相绕组参数变换成三相参数。而且，矢量控制策略本身非常复杂，实施这种类型的控制策略还需要使用费用比较高的传感器，特别是用来测量角位移的位置传感器(例如电机编码器)。本发明提供一种用于上述发动设备的低成本、经济的控制系统。该控制系统控制发电机转子励磁电压的幅值和频率，维持定子电压的幅值和频率的大小(即实现恒定电压、恒定频率)，同时根据负载功率的大小调节发动机的转速，使发动机油耗最低。下面将参照图10-15对该控制系统进行说明。
在该控制系统中，通过表征转子电压目标值和转差角的具有所需频率和幅值的励磁信号调节转子绕组中励磁电流的幅值和频率，从而控制旋转磁场的强度和相对于转子的相对转速。确保发电设备输出电压的幅值(即定子单相绕组输出给负载的负载电压)保持稳定，输出电压的频率也保持恒定，而发动机的转速则对应于负载的变化而变化，从而可以实现优化燃料效率。这个控制系统使得发电设备能够根据负载需要在较宽的发动机转速范围内运行，以在输出电压保持恒定的情况下使得燃料效率最优。
图10示出了一些具体实施例中发电设备的控制系统。图11为对应于图10中示出的控制系统的控制方法的流程图。定子单相绕组通过火线A、B和零线N向负载输出双等级输出电压，即高等级电压和低等级电压。高等级电压可以为火线和火线之间的电压USAB，低等级电压可以为火线和零线之间的电压UAN、UBN。和上面结合图4说明的方式类似，用户可以操作开关实现在高等级电压模式和低等级电压模式之间进行切换。切换信号可以从开关传输给励磁控制装置1070,例如可以通过一根信号线或者无线通信装置(例如WIFI等)。励磁控制装置1070接收到开关的切换信号后可以选择一个对应于切换信号的一种电压模式。可以设置第一电流传感器12A1和第二电流传感器12A2来测量火线和零线之间的第一电流IBN和火线和零线之间的第二电流IAN。类似地，可以设置第一电压传感器10V1和第二电压传感器10V2来测量火线和零线之间的第一电压UBN(更准确地讲是测量第一电压UBN的幅值，下文简称为测量电压)和火线和零线之间的第二电压UAN(即低等级电压)。另外，还设置有第三电压传感器10V3来测量火线与火线之间的输出电压USAB(即高等级电压)。
转子具有按照对称方式设置的三相绕组U、V、W，这三相绕组分别和逆变器1062的三个桥臂连接。如上所述，直流母线电压提供装置(图10中未示出)输出的直流链电压Udc被提供给逆变器1062。第一电压传感器10V1、第二电压传感器10V2、第三电压传感器10V3 和第一电流传感器12A1、第二电流传感器12A2分别按照图10显示的方式和引线A、B、N 相连。速度传感器10S连接在转子上来测量转子的转速，速度传感器也可以测量发动机转速作为转子的转速。第一电压传感器10V1、第二电压传感器10V2、第三电压传感器10V3和第一电流传感器12A1、第二电流传感器12A2测量的发电设备的运行数据可以经过过滤，然后输送给励磁控制装置1070。
可以为励磁控制装置1070编制程序，使其具有不同的功能模块，例如计算单元和确定单元来实施图11中示出的操作。例如，励磁控制装置1070中可以带有生成计算模块的程序，使得计算模块可以根据图10中示出的传感器测量的数据来确定发动机的理想转速。在另外一些实施例中，励磁控制装置1070的功能模块也可以由CMOS(COMPLEMENTARY METALOXIDE SEMICONDUCTOR，互补性氧化金属半导体)、ASIC(APPLICATION SPECIFICINTEGRATED CIRCUITS，专用集成电路)、PGA(PROGRAMMABLE GATE ARRAY，可编程门阵列)、FPGA(FIELD- PROGRAMMABLE GATE ARRAY，现场可编程门阵列)等逻辑电路实现。
如图11所示，当发电设备在低等级电压模式下运行时，利用下面的公式1和2计算火线与零线之间的第一负载功率Pload AN，和火线与零线之间的第二负载功率Pload BN。公式1和 2为：
Pload AN＝UAN*IAN公式1
Pload BN＝UBN*IBN公式2
其中，UAN和UBN为测量的火线与零线之间的输出电压的幅值，IAN和IBN是测量的火线与零线之间的负载电流的幅值。然后，利用下面的公式3计算总负载功率Pload total：
Pload total＝Pload AN+Pload BN公式3
励磁控制装置利用得到的总负载功率Pload total来确定所需的发动机转速。
当发电设备在高等级电压模式下运行时，利用下面的公式4计算负载功率Pload：
Pload＝USAB*IAN公式4
在公式4中，可以用IBN代替IAN，因为在高等级电压模式下IBN和IAN相等。励磁控制装置可以利用Pload来确定所需的发动机转速。
可以使用下面的公式5和6确定转差角：
ωslip＝ω1-ωr公式5
θslip＝∫ωslip公式6
其中ωr是测量的转子转速，ω1是发电机的同步转速。
图12为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。该控制环路使用闭环控制在两种等级的电压模式之间切换，能够自动调节励磁电压的幅值。控制环路中设有用来减小转子目标电压值误差的比例-积分(PI)调节器。具体而言，在高等级电压模式下，高等级输出电压USAB作为负反馈输入PI调节器，定子的基准电压值Us*用于在PI调节器中校正高等级的输出电压USAB。PI调节器的输出值是转子目标电压值Urq*。在低等级电压模式下，低等级输出电压UAN或UBN为负反馈输入PI调节器，定子的基准电压值Us*用于在PI调节器中校正低等级输出电压。可以依据测量的输出电压的幅值和发电设备的特性(例如包括转子电阻、转子电流幅值等)来确定转子的基准电压值Us*。PI调节器的输出值是转子目标电压值Urq*。然后，励磁控制装置使用确定的转差角和转子目标电压值Urq*产生具有一定占空比的脉冲信号，该脉冲信号被输入如图10所示的逆变器中来控制逆变器开关器件的开关时间。逆变器调节流过转子绕组电流的幅值和频率，藉此调节转子绕组中旋转磁场的强度和旋转磁场相对于转子的转速，从而确保定子单相绕组中产生的感应电压(即输出电压)的幅值和频率维持恒定。
图13示出了一些具体实施例中离网运行发电设备的另外一种控制系统。图14为对应于图13中示出的控制系统的控制方法的流程图。图15为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。如图13所示，定子单相绕组通过火线A、B和零线N向负载输出火线与火线之间的高等级电压USAB，和火线与零线之间的低等级单边电压UAN、UBN。用户可以切换开关实现在高等级电压模式和低等级电压模式之间进行转换。和图10-12示出的具体实施例不同，在这些具体实施例中，无论发电设备是工作在在高等级电压模式还是低等级电压模式，励磁控制装置1370都采用相同的控制策略，因此无需来自开关的切换信号就可以实现监控发电设备。
可以设置第一电流传感器13A1和第二电流传感器13A2来测量第一火线和零线之间的第一电流IBN和第二火线和零线之间的第二电流IAN。类似地，可以提供第一电压传感器13V1 和第二电压传感器13V2来测量第一火线和零线之间的第一电压UBN和第二火线和零线之间的第二电压UAN(即单边低电压)。这些实施例中无需测量火线与火线之间的输出电压(即高电压)，而只是测量火线和零线之间的低电压。
无论发电设备是运行在低等级电压模式下还是高等级电压模式下，都利用下面的公式7 计算发电设备的总负载功率Pload total：
Pload total＝UAN*IAN+UBN*IBN公式7
其中，IBN、IAN为第一火线和零线之间的第一电流的幅值和第二火线和零线之间的第二电流的幅值，UBN、UAN为第一火线和零线之间的第一电压的幅值和第二火线和零线之间的第二电压的幅值。
励磁控制装置利用得到的总负载功率Pload total来确定所需的发动机转速。
图15为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。和图10-12示出的具体实施例不同，在这些具体实施例中，转子的电压控制环路不在高等级电压模式和低等级电压模式之间切换。对应于图13示出的控制系统，该电压控制环路仅仅采用定子绕组的单边输出电压UAN或UBN作为负反馈,定子的基准电压值Us*作为PI调节器的另外一个输入值。PI调节器的输出值是校正的转子目标电压值Urq*。然后励磁控制装置使用获得的转差角和校正的转子目标电压值产生具有一定占空比的脉冲信号，该脉冲信号被输入如图13所示的逆变器 1362中来控制逆变器开关器件的开关时间。逆变器1362调节流过转子绕组电流的幅值和频率，藉此调节转子绕组中旋转磁场的强度和旋转磁场相对于转子的转速，从而使得定子单相绕组中产生的感应电压的幅值和频率也被对应地调节。附图13-15示出的实施例只控制定子绕组的单边输出电压，励磁控制装置无需和开关进行通信以获得开关的工作模式。
应当指出，在一些具体的实施例中，可以按照不同于流程图11、14中示出的顺序执行图中示出的操作。事实上，图中显示相继发生的操作可以以大体上同时执行，或者可以以相反的顺序执行。操作是否可以同时执行或者以与图中显示相反的顺序进行取决于操作实现的功能。例如，在执行确定转子目标电压值的操作的同时或者之后都可以执行测量转子转速的操作。
上述离网运行的发电设备利用分别和开关连接的定子单相绕组的复数个线圈来提供双等级的输出电压，大幅降低发电设备成本。
发电设备包括具有单相绕组的定子和具有多相对称绕组的转子，转子的绕组设置成可以形成旋转磁场的形式。具有单相绕组的定子和具有多相对称绕组的转子组合在一个发电设备中使得该发电设备能够为小功率的单相用电设备(例如家用电器)供电，同时该发电设备的控制也比较简单、容易。
在上面说明的控制系统中，没有使用通常成本较高的位置传感器(例如编码器)。另外，上面说明的控制系统也没有采用电流环控制。因此，励磁控制装置能够通过简单的方式容易地实施这些控制系统。从而使具有较低性能的控制设备可以作用励磁控制装置，降低了电机成本。
为负载提供能量的离网运行的发电设备从定子侧直接输出电能，而不经过任何频率转换。和利用定子侧交流-直流-交流转换器调节全功率的常规发电机相比，上述发电设备仅仅使用设置在转子侧(而非输出负载功率的定子侧)的逆变器调节全功率的一小部分。逆变器调节施加在转子绕组上的励磁电压的幅值和频率，来为旋转磁场提供能量，以补偿由发动机机的转速变化引起的定子单相绕组中产生的感应电压的幅值和频率的变化，感应电压的幅值和频率的变化主要是由随着负载的变化而调整的发动机转速的改变引起的。通过这种方式，使得定子感应电压(即发电设备的输出电压)的幅值保持稳定，同时发电设备的输出电压的频率也保持恒定。据估计该发电设备中逆变器的最大额定功率仅仅是常规发电装置中使用的逆变器的10％左右。因此上述发电设备中可以使用较低额定功率的逆变器。逆变器向复数个转子绕组提供交流电压。该交流电压被用做励磁电压，其幅值和频率都可以控制。和使用直流电压作为励磁电压的方式相比，上述使用交流电压作为励磁电压的方式更有利，因此前者只能控制励磁电压的幅值。
上述发电设备中发动机的转速是可调的，这样可以使燃料效率最大，从而降低二氧化碳的排放量。对应于负载来优化发动机的转速还可以降低发电设备运行产生的噪音，并延长发动机的寿命。定子侧输出电压的频率保持恒定。使用封闭的电压环来确定调节旋转磁场强度用的转子电压的目标值，这使得定子侧输出电压的幅值也保持稳定。该特点使得能够使用上述发电设备为对电压和频率变动敏感的音频、视频播放器和一些科学研究用的仪器供电。另外，该发电设备可以利用定子的单相绕组产生双等级电压，这样用户可以使用该发电设备为标定电压不同的电器设备供电。
发电设备被设置成以低于或者等于同步转速的速度运行。这意味着发电设备中的电能总是单向流动，即从定子侧流向转子侧，电能没有反向流动。该特征使得发电设备可以使用一些诸如不控整流桥这样的低成本装置。该特征也使得可以使用简单、容易的控制策略来控制发电设备。发电设备中也能够使用具有相对较低功率的装置。
应当理解，上面说明的仅为本发明的一些具体实施例，并非用于限定本发明的保护范围。在不脱离发明的范围的情况下，可对上述实施例的细节进行适当的改进。发明的范围和本质在权利要求书中定义。

Claims (10)

1.一种离网运行的能够提供双等级输出电压的发电设备，包括：
发动机；
发电机，其包括:
和发动机同轴连接的转子，转子包括多相对称绕组；
开关,该开关和用电负载连接，并可由用户切换；
具有单相绕组的定子，单相绕组包括输出部，其中输出部具有第一段和第二段，第一段和第二段分别包括至少一个用来产生感应电压的线圈，第一段和第二段可分别与开关连接，所述双等级的输出电压包括一个高等级的输出电压和一个低等级的输出电压，用户可以有选择地切换开关使第一段与第二段串联,以通过开关向用电负载提供高等级的输出电压,用户还可以有选择地切换开关使第一段与第二段并联,以通过开关向用电负载提供低等级的输出电压；和
一个或者多个传感器，所述传感器被设置成测量发电设备的运行数据；和
励磁控制装置，与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，并至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算用电负载的实时功率，和对应于计算的实时功率调节发动机的转速。
2.根据权利要求1所述的发电设备，第一段和第二段中的其中一段通过开关与用电负载连接，从而在向用电负载提供高等级的输出电压的同时还可以向用电负载提供低等级的输出电压。
3.根据权利要求1所述的发电设备，发电机进一步包括频率转换装置，该频率转换装置与转子绕组连接，所述定子单相绕组与频率转换装置连接，以通过频率转换装置向转子绕组提供励磁电压,从而在转子绕组中产生旋转磁场。
4.根据权利要求3所述的发电设备，其中所述定子单相绕组的第一段和第二段中的其中一段与频率转换装置连接，以通过频率转换装置向转子绕组提供励磁电压。
5.根据权利要求3所述的发电设备，定子单相绕组还包括励磁部，其中励磁部包括至少一个线圈，所述励磁部与频率转换装置连接，以通过频率转换装置向转子绕组提供励磁电压。
6.根据权利要求3所述的发电设备，频率转换装置进一步包括:
直流母线电压提供装置，其与定子的单相绕组连接，接收来自定子单相绕组的励磁电压，对励磁电压进行整流，并输出整流后的直流母线电压；和
逆变器，其与直流母线电压提供装置连接，接收整流后的直流母线电压，并向转子绕组提供交流励磁电压。
7.根据权利要求1所述的发电设备，所述发电机还包括电气部件，该电气部件连接定子单相绕组和负载，并使得定子单相绕组产生的感应电压和提供给负载的输出电压频率相同。
8.根据权利要求1所述的发电设备，所述发电机还包括位于开关和励磁控制装置之间的信号传递部件，该信号传递部件将开关是处于高等级电压模式还是低等级电压模式的切换信号传递给励磁控制装置。
9.根据权利要求1所述的发电设备，所述发电机被设置成在亚同步状态或者同步状态下运行。
10.一种离网运行的能够提供双等级输出电压的移动式发电机组，该发电机组包括：
发动机；
感应发电机，该感应发电机包括：
和发动机同轴连接的转子，转子包括多相对称绕组；
开关,该开关能够和用电负载连接，并可由用户切换；
具有单相绕组的定子，单相绕组包括输出部，其中输出部具有第一段和第二段，第一段和第二段分别包括至少一个用来产生感应电压的线圈，第一段和第二段可分别与开关连接，所述双等级的输出电压包括一个高等级的输出电压和一个低等级的输出电压，用户可以有选择地切换开关使第一段与第二段串联,以通过开关向用电负载提供高等级的输出电压,用户还可以有选择地切换开关使第一段与第二段并联,以通过开关向用电负载提供低等级的输出电压；和
一个或者多个传感器，所述传感器被设置成测量发电设备的运行数据；和
励磁控制装置，与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，并至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算用电负载的功率，和对应于计算的功率调节发动机的转速。
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