CN1266307A - 电源设备 - Google Patents

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Abstract

一种电源设备,当电源设备的输出电压因所接负载的特性而遭受到瞬时激增时,能控制加到构成双向离子变频器的每个晶体管上电压的上升,双向离子变频器的正和负变换器接到三相发电机的三相输出绕组上,并以反向平行的方式相互连接,用于产生通过一对输出线提供给负载的单相交流电流。触发角控制装置使正和负变换器交替开关,以在单相交流电流的每半个重复周期内工作,由此使双向离子变频器产生单相交流电流。桥式整流器连接在这对输出线间。电储能电容器电路连接在桥式整流器的输出端,用于存储整流输出。

Description

电源设备
本发明涉及一种电源设备，产生具有工频或类似频率的单相AC功率，特别是涉及这种类型的电源设备，其使用由晶体管组成的双向离子变频器(cycloconverter)并具有较低输出电压的小型发电机，在其一个输入侧上，带有用于防止由于连接到电源设备上的负载的特性而加到晶体管上的过电压的装置。
在现有技术中，所谓双向离子变频器是公知的，其直接把具有固定频率的AC功率变换为具有另一个频率的AC功率。
作为一种现有的双向离子变频器，一般被用于变换由工频电力线所供给的功率或者由大功率发电机(例如，见日本专利公报(Kokoku)No.60-9429)所产生的功率，并且一般被用于驱动一台AC电动机。
进而，当产生几百至几千瓦特的小型发电机被连接到这样的现有双向离子变频器的输出侧上时，则因为发电机的有限发电能力，而当重负荷被接到电源设备上时，会出现一个大的输出电压降落。当使用永磁发电机作为发电机时，该输出电压降落实际上是较大的。为了克服该问题，必须使用具有高耐压的晶体管。
为了消除该缺陷，本受让人已经提出了日本专利公开公报(Kokai)No.10-52045并且其对应于US专利No.5,886,893的电源设备，其包括由正和负变换器组成的一个双向离子变频器，每个变换器由两个半波变换器的双层结构构成，由此把加到每个晶体管上的电压减小为一个小植。
但是，在该电源设备中，当电源设备处于瞬态工作状态中时，例如当接到电源设备上的负载被接通或者断开时，加到每个晶体管上的电压(即电源设备的输出电压)有时会在其所出现的峰值中遭受到一个瞬时激增，或者，当一个电抗负载连接到电源设备上以及类似情况下时，由于输出电压波形的畸变而在其所出现的峰值中遭受到一个瞬时激增。
为了克服该问题，也提出了对策。
本发明的一个目的是提供一种电源设备，即使在电源设备的输出电压因所连接的负载的特性而遭受到瞬时激增时，也能抑制加到构成电源设备的双向离子变频器的每个晶体管上的电压上的上升。
为了实现上述目的，本发明提供一种电源设备，包括：
一个具有三相输出绕组的发电机；
一对可变的控制桥式电路，连接到发电机的三相输出绕组上并且以反向并联的方式相互连接以形成一个用于产生将要供给负载的单相交流电流输出的双向离子变频器，该双向离子变频器具有一对输出线，通过其传输单相交流电流输出；
一个桥式驱动电路，用于使可变控制桥式电路交替开关以便于在单相交流电流输出的一个重复周期中的每半个周期中工作，由此使该双向离子变频器产生单相交流电流输出；
一个桥式整流器，连接在这对输出线之间，并具有一个用于提供整流输出的输出端；以及
一个电储能电容器电路，连接到桥式整流器的输出端，用于在其中存储整流输出。
根据该电源设备，桥式整流器和电储能电容器电路工作以抑制单相交流电流输出的峰值中的激增，由此，即使当电源设备的输出电压因所连接的负载的特性而遭受到瞬时激增时，也能防止加到可变控制桥式电路上的电压中的上升。
最好，电源设备包括监视装置，用于监视单相交流电流输出的峰值；和控制装置，用于控制可变控制桥式电路，以便于当由监视装置所监视的峰值超过一个预定值时，停止可变控制桥式电路的工作。
根据该优选实施例，当通过桥式整流器和电储能电容器电路来防止单相交流电流输出的峰值中的激增时，监视单相交流电流输出的峰值，并且当所监视的峰值超过预定值时，停止可变控制桥式电路的工作。其结果，能够防止电压中的瞬时激增，并且同时能够容易地检测到过电压，由此能够保证电源设备执行其停止发电的保护功能。
最好，三相输出绕组具有一个中性点，双向离子变频器的输出线具有一个在其间相对于单相交流电流输出所形成的一个中性点，每个可变控制桥式电路都具有两个半波变换器的双层结构，在双向离子变频器的输出线之间所形成的中性点被连接到三相输出绕组的中性点上，以使可变控制桥式电路作为一个倍压整流器而工作。
根据该优选实施例，每个可变控制桥式电路都具有两个半波变换器的双层结构，在双向离子变频器的输出线之间所形成的中性点被连接到三相输出绕组的中性点上，以使可变控制桥式电路作为一个倍压整流器而工作。其结果，能够使用耐压不高的小型晶体管，并且即使因负载的特性而在电压中出现瞬时激增时，也能直接使用这样的小型晶体管。
最好，发电机是具有由永磁体组成的转子的永磁发电机。
最好，电储能电容器电路包括一个电容器和一个电阻器。
本发明的这些和其他的目的、优点及特征将通过结合附图对本发明的实施例的描述而得到进一步说明。在这些附图中：
图1是示意性地表示根据本发明的一个实施例的电源设备的结构的方框图；
图2A是图1中出现的AC发电机的横截面图；图2B是图1中出现的AC发电机的纵截面图；
图3是表示三相全波桥式整流器的结构的电路图；
图4A是表示用于控制图1中出现的正上变换器的晶体管SCRk+的触发角而产生的基准锯齿波的例子的示意图；图4B是表示用于控制图1中出现的正下变换器的晶体管SCRk+的触发角而产生的基准锯齿波的例子的示意图；
图5A是表示用于控制图1中出现的负上变换器的晶体管SCRk-的触发角而产生的基准锯齿波的例子的示意图；图5B是表示用于控制图1中出现的负下变换器的晶体管SCRk-的触发角而产生的基准锯齿波的例子的示意图；
图6A是表示图1的电源设备的上(半波)变换器的输出电压波形的例子的示意图；图6B是表示图1的电源设备的下(半波)变换器的输出电压波形的例子的示意图；
图6C是表示图1的电源设备的上和下(半波)变换器的合成输出电压波形的例子的示意图。
下面结合附图所示的实施例来详细说明本发明。
图1表示根据本发明的一个实施例的电源设备的一个完整布置。
在图1中，标号1和2分别代表围绕一个AC发电机的定子而独立绕制的输出绕组，即，三相主输出绕组(主线圈)和三相辅助输出绕组(副绕组)。
图2A和图2B分别以纵截面和横截面表示AC发电机的结构。三相主线圈1由在区域A1内形成21极的线圈组成，三相副绕组2由在区域A2内形成三极的线圈组成。转子R由具有八对磁极的永磁体组成，并且由未图示的内燃机所驱动而旋转。
参照图1，三相主线圈1具有三个输出端U，V和W，它们连接在每个正和负变换器BC1和BC2的各自输入端U，V和W上。双向离子变频器CC的输出侧连接到一个LC滤波器3A上，用于从来自由正变换器BC1(下面称为“正上变换器”)的晶体管SCR1+至SCR3+形成的上变换器层(半波变换器)BC1U或者来自由负变换器BC2(下面称为“负上变换器”)的晶体管SCR1-至SCR3-形成的上变换器层(半波变换器)BC2U的半波整流电流中去掉高次谐波成分，并且还连接到一个LC滤波器3B上，用于从来自由正变换器BC1(下面称为“正下变换器”)的晶体管SCR4+至SCR6+形成的下变换器层(半波变换器)BC1L或者来自由负变换器BC2(下面称为“负下变换器”)的晶体管SCR4-至SCR6-形成的下变换器层(半波变换器)BC2L的半波整流电流中去掉高次谐波成分。LC滤波器3A和3B之间的连接点C被连接到三相主线圈1的中性点上，并且，该中性点作为现有的控制块的接地GND。
LC滤波器3A的输出侧连接到上半波变换器电压检测电路5A上，用于检测来自去掉高次谐波的LC滤波器3A的半波电流的输出电压，而LC滤波器3B的输出侧连接到下半波变换器电压检测电路5B上，用于检测来自去掉高次谐波的LC滤波器3B的半波电流的输出电压。上半波变换器电压检测电路5A的正输入端和下半波变换器电压检测电路5B的负输入端通过一对输出线51，51分别连接到一对获得单相输出的输出端50，50上。
这样，在本实施例中，连接点C，即，在单相输出侧形成的中性点和三相主线圈1的中性点被相互连接以建立倍压整流器连接。对应于该连接，正和负变换器BC1和BC2由上变换器层BC1U和下变换器层BC1L，以及上变换器层BC2U和下变换器层BC2L的各自的双层结构所构成。
这对输出线51，51之间的连接是由四个二极管组成的全波桥式整流器(以下称为“桥式整流器”)20的输入侧。桥式整流器20具有连接到由电容器(即电解电容器)21和电阻器22组成的电储能电容器电路55上的输出边侧。
电压检测电路5A和5B分别具有连接到把由电压检测电路5A和5B所检测的电压进行合成的输出电压合成电路5C上的输出侧。输出电压合成电路5C具有连接到计算输出电压合成电路5C的近似有效值的一个近似有效值计算电路8上的输出侧。电路8依次具有连接到一个比较器9的负输入端上的输出侧。连接到比较器9的正输入端上的是一个基准电压发生电路10，用于给电源设备发生一个基准电压值。比较器9具有一个连接到一个控制函数计算电路11上的输出侧，该控制函数计算电路11根据比较器9的比较结果来计算一个控制函数，例如一个线形函数。
控制函数计算电路11具有连接到一个幅值控制电路12上的输出侧，该幅值控制电路12控制例如来自所连接的正弦振荡器13的具有50Hz或者60Hz的工频的正弦波的幅值。即，幅值控制电路12发生一个幅值控制信号，用于根据来自控制函数计算电路11的控制函数来控制来自正弦振荡器13的正弦波。
在输出电压合成电路5C中，具有一个比较器5C1，用于把合成输出电压的峰值同一个预定值(不允许加到构成双向离子变频器CC的每个晶体管SCRk±上的电压超过其耐压的上限值(可以包括某个临界值))进行比较；以及一个控制电路5C2，当峰值等于或者大于该预定值的比较被决定时，停止双向离子变频器的工作(禁止其栅极的触发)。
幅值控制电路12具有一个连接到所需波形成电路14上的输出侧，该所需波形成电路14响应于来自电路12的幅值控制信号而产生一个所需要的波(在幅值上被调节的正弦波)。所需波形成电路14具有一个连接到触发角控制装置15上的输出侧，该触发角控制装置15用于控制构成双向离子变频器CC的每个晶体管SCRk±的栅极的触发角，该输出侧也连接到每个比较器16和17的正输入端上。
触发角控制装置15包括一个正上栅极控制装置15A，用于控制正上变换器BC1U的晶体管SCR1+至SCR3+的栅极(下面称为“正上栅极”)的触发角；一个负上栅极控制装置15B，用于控制负上变换器BC2U的晶体管SCR1-至SCR3-的栅极(下面称为“负上栅极”)的触发角；一个正下栅极控制装置15C，用于控制正下变换器BC1L的晶体管SCR4+至SCR6+的栅极(下面称为“正下栅极”)的触发角；一个负下栅极控制装置15D，用于控制负下变换器BC2L的晶体管SCR4-至SCR6-的栅极(下面称为“负下栅极”)的触发角。
每个栅极控制装置15A至15D都具有三个比较器，未表示，每个比较器把来自所需波形成电路14的所需波与一个合成信号(基准锯齿波)进行比较，参见下述内容，并且当模样适合于后者时，触发一个对应的栅极。
比较器16具有一个连接到上半波变换器电压检测电路5A的输出侧的负输入端，而比较器17具有一个连接到下半波变换器电压检测电路5B的输出侧上的负输入端。比较器16的输出侧连接到正上栅极控制装置15A和负上栅极控制装置15B上，而比较器17的输出侧连接到正下栅极控制装置15C和负下栅极控制装置15D上。比较器16把来自上半波变换器电压检测电路5A的电压同所需波进行比较，根据比较的结果，有选择地产生一个高(H)电平信号或者一个低(L)电平信号。同样，比较器17把来自下半波变换器电压检测电路5B的电压同所需波进行比较，根据比较的结果，有选择地产生一个高(H)电平信号或者一个低(L)电平信号。
当H电平信号来自比较器16时，正上栅极控制装置15A被启动，而负上栅极控制装置15B被禁止。另一方面，当L电平信号来自比较器16时，正上栅极控制装置15A被禁止，而负上栅极控制装置15B被启动。同样，当H电平信号来自比较器17时，正下栅极控制装置15C被启动，而负下栅极控制装置15D被禁止。另一方面，当L电平信号来自比较器17时，正下栅极控制装置15C被禁止，而负下栅极控制装置15D被启动。
三相副绕组2的输出端被连接到一个合成信号形成电路18上，该合成信号形成电路18可以由图3所示的的三相全波整流器FR所组成。合成信号形成电路18响应于来自三相副绕组2的三相输出而形成并发出图4A至5B所示的锯齿波。
图4A和4B表示了用于控制正变换器BC1的晶体管SCRk+的触发角的锯齿波的例子。图4A表示用于控制正上变换器BC1U的晶体管SCR1+至SCR3+的触发角的锯齿波，而图4B表示了用于控制正下变换器BC1L的晶体管SCR4+至SCR6+的触发角的锯齿波。
另一方面，图5A和5B表示了用于控制负变换器BC2的晶体管SCRk-的触发角的锯齿波的例子。图5A表示用于控制负上变换器BC2U的晶体管SCR1-至SCR3-的触发角的锯齿波，而图5B表示了用于控制负下变换器BC2L的晶体管SCR4-至SCR6-的触发角的锯齿波。
合成信号形成电路18的输出侧连接到正上栅极控制装置15A、负上栅极控制装置15B、正下栅极控制装置15C和负下栅极控制装置15D上。合成信号形成电路18与栅极控制装置15A至15D之间的连接线都由连接到栅极控制装置15A至15D的各自对应的比较器上的三根信号线端部所形成，用于给它们提供具有上述参照图4A至5B所述的延伸的锯齿波部分的各自的三个锯齿波。即，如图4A和4B所示的具有延伸的锯齿波部分的三个锯齿波在图4A和4B所示的定时中被提供给正上栅极控制装置15A和正下栅极控制装置15C的各自对应的比较器，而如图5A和5B所示的具有延伸的锯齿波部分的三个锯齿波在图5A和5B所示的定时中被提供给负上栅极控制装置15B和负下栅极控制装置15D的各自对应的比较器。
正上栅极控制装置15A的三个比较器的输出侧被连接到正上变换器BC1U的晶体管SCR1+至SCR3+的各自对应的栅极上，负上栅极控制装置15B的三个比较器的输出侧被连接到负上变换器BC2U的晶体管SCR1-至SCR3-的各自对应的栅极上，正下栅极控制装置15C的三个比较器的输出侧被连接到正下变换器BC1L的晶体管SCR4+至SCR6+的各自对应的栅极上，负下栅极控制装置15D的三个比较器的输出侧被连接到正上变换器BC2的晶体管SCR4-至SCR6-的各自对应的栅极上，
虽然在本实施例中，合成信号形成电路18是这样构成：其响应于来自三相副绕组2的三相输出而形成合成信号(基准锯齿波)，但并不仅限于此，可以使用一个单相副绕组代替三相副绕组2来响应于单相输出而形成合成信号(基准锯齿波)。
接着，将描述上述构成的电源设备的工作。
当转子R由发动机驱动而旋转时，如上述那样，在三相主线圈1的三相输出端之间产生电压。接着，当每个晶体管SCRk±的栅极被触发角控制装置15所触发时，双向离子变频器CC发出两个半波整流电流，该电流通过把三相主线圈1的中性点连接到接地GND上而获得，并且，滤波器3A和3B从两个半波整流电流中去掉高次谐波成分。上半波变换器电压检测电路5A和下半波变换器电压检测电路5B检测半波整流电流的电压，其通过输出电压合成电路5C而加在一起。近似有效值计算电路8根据这样合成的电压来计算双向离子变频器输出电压的近似有效值，并且发生一个代表所计算的近似有效值的信号。
比较器9把该近似有效值同由基准电压发生电路10所发出的基准电压值进行比较，并且控制函数计算电路11根据比较的结果来计算控制函数(线形函数)。根据这样的计算的控制函数，幅值控制电路12控制由正弦振荡器13所发出的50Hz或60Hz的正弦波的幅值，以产生一个控制信号，并且所需波形成电路14根据该控制信号产生所需波(正弦波)。这样，所需波的幅值被调节为与由合成信号形成电路18所发出的锯齿波的幅值没有太大区别的值。
比较器16把来自所需波形成电路14的所需波同由上层半波变换器电压检测电路5A所检测的输出电压进行比较，并且当其模样在电压上大于后者时，由比较器16给正上栅极控制装置15A发出一个高(H)电平信号，以启动其，而当其模样在电压上小于后者时，由比较器16给负上栅极控制装置15B发出一个低(L)电平信号，以启动其。同样，比较器17把所需波同由下半波变换器电压检测电路5B所检测的输出电压进行比较，并且当其模样在电压上大于后者时，由比较器17给正下栅极控制装置15C发出一个高(H)电平信号，以启动其，而当其模样在电压上小于后者时，由比较器17给负下栅极控制装置15D发出一个低(L)电平信号，以启动其。
正上栅极控制装置15A和负上栅极控制装置15B中所选择的一个的比较器和正下栅极控制装置15C和负下栅极控制装置15D中所选择的一个的比较器都把来自所需波形成电路14的所需波同来自合成信号形成电路18的各自的锯齿波各个进行比较。当所需波适合于锯齿波时，由栅控制装置15给对应的晶体管SCRk±的栅极发出一个具有预定波长的一次脉冲，由此来控制其触发角。
图6A至6C表示由本实施例的电源设备所产生的输出波形的例子。图6A表示了由上(半波)变换器BC1U和BC2U形成的输出波形，图6B表示了由下(半波)变换器BC1L和BC2L形成的输出波形，图6C表示了通过合成图6A和6B的波形所形成的输出波形，即本实施例的电源设备的输出电压的波形。
这样，根据本实施例，上(半波)变换器BC1U和BC2U形成具有图6C单相输出波形的幅值的一半的波形，而下(半波)变换器BC1L和BC2L形成具有图6C单相输出波形的幅值的一半的波形。这些波形被合成即加在一起，并作为单相输出而提供给负载。形成图6A波形和图6B波形的方式与在美国专利US5,886,893所述的相同，该专利转让给本受让人，在此通过参照其图1至6而省略其描述。
如上述那样，根据本实施例，在单相输出侧上形成的中性点和三相主线圈1的中性点被相互连接以建立倍压整流器连接，并且，正和负变换器BC1和BC2由正上变换器BC1U和正下变换器BC1L，以及负上变换器BC2U和负下变换器BC2L的各自双层结构所构成。因而，即使产生几百至几千瓦特的小输出功率发电机连接到双向离子变变器的输入侧，即使当在电源设备的空载状态下线到线电压上升时，加到晶体管SCRk±上的电压被抑制在一个低值上。这就允许使用具有低耐压的小型晶体管。
当电源设备处于瞬态工作状态中时，例如当接到电源设备上负载被接通或者断开时，或者，当一个电抗负载连接到电源设备上或类似设备下时，由于输出电压波形的畸变使单相输出的峰值(即电源设备的输出电压)有时遭受到一个瞬时激增。在单相输出的峰值中的这样的上升通过桥式整流器20而由电容器21所吸收。即，在单相输出的峰值中的这样的上升首先由上述电路20和55所抑制，然后被加到构成双向离子变频器CC的晶体管SCRk±上。这样，即使单相输出的峰值遭受到瞬时激增，晶体管SCRk±上的电压中的上升的影响实际上变为忽略不计的。这就允许耐压不高的小型晶体管可以直接使用而不需要对构成双向离子变频器CC的晶体管SCRk±进行任何改变。
如上述那样，根据本实施例，由于桥式整流器20被连接在输出线51和51之间，并且，由电容器21和电阻器22组成的电储能电容器电路55连接到桥式整流器20的输出侧，即使当单相输出的峰值因连接在电源设备上的负载的特性而遭受到瞬时激增时，也能够避免加到晶体管SCRk±上电压的上升。
进而，除了在单相输出的峰值的瞬时激增的上述情况外，还会出现因某种原因而使单相输出的峰值持续上升，而导致其超过晶体管SCRk±的耐压。在这样的情况下，输出电压合成电路5C的比较器5C1决定峰值等于或者大于预定值，然后，控制电路5C2停止双向离子变频器CC的工作。
双向离子变频器CC的工作可以通过首先立即停止发动机来恢复，以使所产生的输出电压降到零伏特，并且，然后再次起动发动机来取得所产生的输出，由此使峰值低于预定值。如果峰值≥预定值的状态被消除(例如，由于过载状态被去掉)，将重复执行双向离子变频器的起动和停止。
这样，根据本实施例，通过桥式整流器20和由电容器21和电阻器22组成的电储能电容器电路55来防止单相交流电流输出的峰值中的急剧上升，并且进而监视三相输出峰值，当其变得等于或者大于预定值时，停止双向离子变频器CC的工作。其结果，电压中的瞬时激增可以被避免，并且同时能够容易地检测到过电压，由此能够使电源设备完全执行其停止发电的保护功能。

Claims (7)

1.一种电源设备，包括：一个具有三相输出绕组的发电机；一对可变控制桥式电路，连接到所述发电机的所述三相输出绕组上并且以反向并联的方式相互连接以形成一个用于产生将要供给负载的单相交流电流输出的双向离子变频器，所述双向离子变频器具有一对输出线，通过其传输所述单相交流电流输出；一个桥式驱动电路，用于使所述可变控制桥式电路交替开关以便于在所述单相交流电流输出的一个重复周期中的每半个周期中工作，由此使所述双向离子变频器产生所述单相交流电流输出；一个桥式整流器，连接在所述一对输出线之间，并具有一个用于提供整流输出的输出端；以及一个电储能电容器电路，连接到所述桥式整流器的所述输出端，用于在其中存储所述整流输出。
2.根据权利要求1的电源设备，包括：监视装置，用于监视所述单相交流电流输出的峰值；和控制装置，用于控制所述可变控制桥式电路，以便于当由所述监视装置所监视的所述峰值超过一个预定值时，停止可所述可变控制桥式电路的工作。
3.根据权利要求1的电源设备，其中，所述三相输出绕组具有一个中性点，所述双向离子变频器的所述输出线具有一个在其间相对于所述单相交流电流输出所形成的一个中性点，每个所述可变控制桥式电路都具有两个半波变换器的双层结构，在所述双向离子变频器的所述输出线之间所形成的所述中性点被连接到所述三相输出绕组的所述中性点上，以使所述可变控制桥式电路作为一个倍压整流器而工作。
4.根据权利要求2的电源设备，其中，所述三相输出绕组具有一个中性点，所述双向离子变频器的所述输出线具有一个在其间相对于所述单相交流电流输出所形成的一个中性点，每个所述可变控制桥式电路都具有两个半波变换器的双层结构，在所述双向离子变频器的所述输出线之间所形成的所述中性点被连接到所述三相输出绕组的所述中性点上，以使所述可变控制桥式电路作为一个倍压整流器而工作。
5.根据权利要求1的电源设备，其中，所述发电机是具有由永磁体组成的转子的永磁发电机。
6.根据权利要求4的电源设备，其中，所述发电机是具有由永磁体组成的转子的永磁发电机。
7.根据权利要求1的电源设备，其中，所述电储能电容器电路包括一个电容器和一个电阻器。
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