CN1739234A - 具有用于120/240vac工作的双循环换流器的发电机 - Google Patents

Abstract

一种根据本发明的发电机系统，具有两种工作模式，例如120 VAC和240/120 VAC工作模式。发电机系统具有带有两组独立绕组的永磁发电机，每套绕组产生三相AC电压。一个三相AC电压被耦合到第一或主循环换流器并且第二个三相AC电压被耦合到第二或从属循环换流器。循环换流器的带电输出通过诸如继电器的开关互相耦合，并且每个循环换流器的中性点输出被耦合到地线上。控制器控制循环换流器，以跨越它们具有相同振幅的各自输出，提供第一输出电压，例如120 VAC。当在120 VAC模式中，跨越第一和第二循环换流器的带电输出的开关被闭合，使第一和第二循环换流器的带电输出短路在一起，并且控制器操作第一和第二循环换流器，以便它们的输出电压相互同相。当在240/120 VAC模式中时，跨越第一和第二循环换流器的带电输出的开关被断开，并且控制器操作循环换流器，以便它们的输出电压为异相180度。永磁发电机具有无刷DC电动机驱动所使用的转子位置传感器，以将永磁发电机作为无刷DC电动机驱动，来起动发电机系统的引擎，并且还改进供控制循环换流器使用的余弦波信息。

Description

具有用于120/240VAC工作的双循环换流器的发电机

与相关申请的交叉引用

本申请要求2003年1月17日递交的申请号60/440,959的美国临时申请的权益。

技术领域

本发明涉及便携式发电机，更具体的讲，涉及使用具有120VAC工作模式和240/120VAC工作模式的循环换流器的便携式发电机。

背景技术

目前的便携式发电机通常利用用于提供希望的电源输出的同步交流发电机或循环换流器，该希望的电源输出一般是120VAC或240VAC。任意便携式发电机的重要考虑因素是：

-电压调整；

-双电压输出能力；

-空闲电压和频率；

-频率容限；

-谐波失真；

-感应电动机工作

-充电器工作

-接地结构；

-4-刀(120-240伏)扭锁兼容性；

-对负载变化的响应；以及

-尺寸和重量。

关于空闲电压和频率，与同步发电机相比，在空闲时使用电子解决办法(即，反相器技术)更容易提供120伏和60Hz。但是，仍然需要足够的电压“峰值储备”。更高的电压又需要更多的交流发电机线圈，导致线圈电阻的增加和系统效率的降低。

存在于便携式发电机的输出波形中的谐波失真是必须解决的另一个重要考虑因素。尽管对于恒速通用电动机供电的便携式电动工具而言，波形纯度并不重要，但是当运行感应电动机和充电器时它是一个重要考虑因素。感应电动机将涉及失真的波形，但是输入的谐波含量将变为热量，而不变为扭矩。如果将实现产生失真波形的反相器拓扑结构付诸实施，那么来自谐波的额外热量必须被量化。正弦波脉冲宽度调制(PWM)的反相器将产生仅具有某些高频噪声的优异波形，但是它们可能需要完全的H-电桥，不易适应于对于北美洲接地惯例和4-刀扭锁布线惯例。

关于接地结构，在北美洲，标准接地惯例要求每个120伏电路的一侧(中性点)被接地。这意味着240伏电路具有浮置地线。

另一个重要因素是4-刀(120-240伏)扭锁兼容性。该惯例需要四个导线：地线、中性点、120伏线1和120伏线2。每个120伏电路连接在120伏线和中性点之间。240伏电路连接在120伏线1和120伏线2之间。

发电机对负载变化的响应能力是另一个重要考虑因素。由于同步交流发电机使用的大磁场感应，与同步发电机相比，所有反相器拓扑结构将对负载变化提供更快的响应。

考虑到尺寸和重量，利用反相器拓扑结构也将是符合需要的，因为几乎任意反相器拓扑结构将提供优于同步发电机的尺寸和重量的优点。但是，设法由两个半桥式电路产生正弦波可能需要大的电容器，这将降低由反相器拓扑结构所提供的体积减小的优点。

已在发电机系统中使用的循环换流器将由发电机产生的AC电压转变为所希望的AC输出电压。使用循环换流器的电子系统一般具有用于循环换流器的AC电压源，循环换流器是相当刚性的(低源阻抗)。因此，可以从提供到循环换流器的三相交流电压直接导出用于循环换流器的SCR换向的AC相位信息。对除去由SCR切换/换向引入的换向触点(notches)来说，适当的滤波是必需的。但是，永磁发电机提供非常弱的AC电源，其中它们具有显著的串联电抗。对于使用永磁发电机的发电机系统中循环换流器的SCR的控制而言，存在两个问题。首先，AC电压波形明显地被循环换流器的SCR开关干扰，因此将需要充分的滤波。其次，永磁发电机的电抗在永磁发电机的反电动势(back-emf)电压波形(不能被测量)和在永磁发电机的输出处的AC电压(端电压)引入显著的相移，尤其当发电机系统被加载时。这些负载相关的相移不能被简单的滤波器消除。

具有两个分开的120VAC输出的发电机一般可使用多极开关，如图10所示，该发电机可以在120VAC并联连接模式(120VAC模式)至240VAC之间切换。参考图10，发电机系统1000被显示为具有两个分开的120VAC电源1002、1004，上述电源可以是循环换流器，例如如下所述的循环换流器42、44。发电机系统1000还具有120VAC输出和240VAC输出以及开关1010，120VAC输出示例地被显示为电阻1006，240VAC输出示例地被显示为电阻1008，并且开关1010将发电机系统1000在电源1002和1004被并联连接的120VAC并联连接模式与电源1002和1004被串联连接的240VAC串联连接模式之间切换。

120VAC电源1004的正输出1014连接到地线和120VAC输出1006的一侧。120VAC电源1004的负输出1018被耦合到120VAC输出1006的另一侧和240VAC输出1008的一侧。开关1010切换120VAC电源1002的正输出1012和120VAC电源1002的负输出1016，以在120VAC并联连接模式和240/120VAC串联模式之间切换120VAC电源1002、1004。

如图10所示，开关1010是多极开关，例如，双极继电器。当在并联连接的120VAC模式中时，120VAC电源1002的正输出1012通过开关1010连接到120VAC电源1004的正输出1014，且因此连接到地线，并且电源1002、1004的负输出1016、1018分别被开关1010连接在一起。通过并联连接的120VAC电源1002、1004，在120VAC输出1006处提供120VAC。

在240VAC串联模式中，120VAC电源1002的正输出1012通过开关1010连接到240VAC输出1008的另一侧，如上所述，240VAC输出1008的第一侧连接到120VAC电源1004的负输出1018。120VAC电源1002的负输出1016通过开关1010连接到地线。通过120VAC电源1004在120VAC输出1006处提供120VAC，并且通过串联连接的120VAC电源1002、1004在240VAC输出1008处提供240VAC。

发明内容

根据本发明的发电机系统具有至少两种工作模式，在第一模式中提供第一输出电压，以及在第二模式中提供第一输出电压和第二输出电压。第二输出电压是第一输出电压两倍。在一个实施例中，第一输出电压是额定120VAC以及第二输出电压是额定240VAC。发电机系统具有带有两套独立绕组的永磁发电机，每套绕组产生三相AC电压。一个三相AC电压被耦合到第一或主循环换流器，并且第二个三相AC电压被耦合到第二或从属循环换流器。循环换流器的带电(live)输出通过诸如继电器的开关相互耦合，并且循环换流器的中性点输出被耦合到地线。控制器控制循环换流器，以跨越它们的各自带电和中性点输出提供第一输出电压，示例地是120VAC。当在第一模式中，如120VAC模式，跨接第一和第二循环换流器的带电输出的开关被闭合，使第一和第二循环换流器的带电输出短路在一起，并且控制器操作第一和第二循环换流器，以便它们的输出电压相互同相。当在第二模式中，如240/120VAC模式中，跨接第一和第二循环换流器的带电输出的开关被断开，并且控制器操作第一和第二循环换流器，以便它们的输出电压异相180度。这跨接每个第一和第二循环换流器的带电和中性点输出，提供第一输出电压，示例地是120VAC，并且跨接第一和第二循环换流器的带电输出，提供是第一输出电压的两倍的第二输出电压，示例地是240VAC。在本发明的一个方面中，开关是单极开关，如单极继电器。

在本发明的一个方面，循环换流器被控制器相控并自然换向。

在本发明的一个方面中，永磁发电机具有转子位置传感器，当转子旋转时，感测永磁发电机的转子的位置。这些转子位置传感器的输出被输入到使用它们产生控制波信息的控制器，控制器用控制波信息来控制循环换流器，示例地是余弦控制波。

在本发明的一个方面，循环换流器具有诸如可控硅整流器(SCR)的自然换向的开关器件的正极性排和负极性排。在本发明的一个方面，每个SCR包括具有SCR和光-SCR的SCR/光-SCR组合，光-SCR被耦合到SCR的栅极，并用来触发或控制SCR。

在本发明的一个方面，跨接每个循环换流器的正负极性排的SCR的电压被感测，并用来确定各个循环换流器排何时处于零值电流条件。

在本发明的一个方面，最初通过循环换流器的瞬时电流的带通滤波器从循环换流器的正极性排转换到负极性排，当带通滤波的瞬时电流大约变为零时开始转换，如落入大致为零的预定范围。

从下面提供的详细描述，将理解本发明可应用的更多范围。应当理解，尽管表示发明的优选实施例，详细的描述和具体例子仅仅用于例示的目的，并不用以限制发明的范围。

附图说明

由详细的描述和附图将更完全地理解本发明，其中：

图1是根据发明的发电机系统的简化示意图；

图2是图1的发电机系统的简化电源系统图；

图3是用于控制图1的发电机系统的时序图；

图4是用于开始图1的发电机系统的循环换流器的正极性排和负极性排转换的电路逻辑的简化示意图；

图5是用于电压控制图1的发电机系统的电路逻辑的简化示意图；

图6示出了由图1的发电机系统的永磁发电机的转子位置传感器的输出形成余弦波信息的流程图；

图7是在图1的发电机系统的循环换流器中使用的SCR/光-SCR组合的简化示意图；

图8是感测跨接图1的发电机系统中循环换流器的SCR的电压的传感电路的简化示意图；

图9是可以用于起动图1的发电机系统的无刷DC电动机驱动电路的简化示意图；以及

图10是用于在并联和串联连接模式之间切换两个120VAC电源的现有技术多极开关布置的简化示意图。

具体实施方式

优选实施例的下列描述实际上是示例性的，并且不限制本发明的应用或使用。

参考图1，示意地示出了可在第一和第二工作模式之间切换的发电机系统10。在第一模式中，发电机系统10产生第一输出电压，以及在第二模式中，发电机系统10产生两种输出电压，第一输出电压和第二输出电压，第二输出电压是第一输出电压的两倍。在一个实施例中，第一输出电压是额定120VAC以及第二输出电压是额定240VAC，因此第一模式被另外地称为120VAC模式，以及第二模式被另外地称为240/120VAC模式。在该实施例中，第一输出电压指额定的120VAC，意味着它是诸如灯、电动工具等美国的灯具和装置中使用的标准AC电压。第二输出电压指额定的240VAC，以便它是120VAC的额定第一输出电压的两倍。

发电机10具有引擎12，示例地为内燃机，驱动发电机14，该发电机示例地是永磁发电机，并且在此将其称为永磁发电机14。永磁发电机14具有转子15和定子，转子15具有永久磁铁，定子具有两套独立/分开的三相绕组200、202(图2)。永磁发电机14也包括转子位置传感器16、18、20，示例地是霍尔效应传感器，每120度电感测永磁发电机的转子(未示出)的位置。霍尔效应传感器示例地作为永磁发电机14部件的霍尔效应传感器，以使它能够作为无刷DC电动机被驱动，以起动引擎12，如下面所描述的以及如2002年6月6日申请的U.S.S.N.60/386,904、名称为“用于便携式内燃机的发电机、使用便携式通用电池组的起动器系统”所述，在此将其公开内容全部引入作为参考。转子位置传感器16、18、20的输出被耦合到控制器的输入，如数字信号处理器(DSP)28。

永磁发电机14在第一组输出30、32、34处和第二组输出36、38、40处产生两个分开的三相电压。所产生的第一三相电压的输出30、32、34被耦合到第一(主)AC电力变换器42，以及第二组输出36、38、40被耦合到第二(从属)AC电力变换器44。在本发明的实施例中，AC电力变换器42和44是循环换流器，并且在此将称为循环换流器。每个循环换流器42、44被DSP 28控制，以在它们各自的出口56、58将耦合到各自的三相电压转变为独立和分开的120VAC 60Hz电压。应当理解，可以使用除数字信号处理器以外的控制器，如微控制器。也应该理解，永磁发电机14、DSP 28和循环换流器42、44可以配置为产生其他电压和频率，例如115VAC或50Hz，用于美国以外的市场，而没有显著的硬件改变。下面将更详细地描述循环换流器42、44和通过DSP 28控制它们。此外，在一个实施例中，为每个循环换流器42、44提供DSP 28。

开关46，示例地是单极继电器，跨接第一循环换流器42的带电输出48和循环换流器44的带电输出50耦合。第一和第二循环换流器42、44的中性点输出52、54分别被耦合到地线。第一循环换流器42的带电输出48被耦合到出口56的带电输出55，以及第一循环换流器42的中性点输出52被耦合到出口56的中性点输出57。第二循环换流器44的带电输出54被耦合到出口58的带电输出，以及第二循环换流器44的中性点输出50被耦合到出口58的中性点输出61。

在本发明的实施例中，该结构为发电机系统10提供两种工作模式，120VAC和240/120VAC。在120VAC模式中，开关46闭合，并联第一和第二循环换流器42、44的带电输出48、50，与240/120VAC模式相比，在发电机系统10的出口56、58处提供增加的输出电流。在240/120VAC模式中，第一和第二循环换流器42、44被DSP 28控制，以便由跨接它们各自的带电输出48、50的循环换流器42、44输出到各个中性点输出52、54的电压之间互相有180度相位差，以对于240VAC工作启动单点串联连接。在发电机系统10的出口60处提供240VAC，以及在每个出口56、58处提供120VAC。在120VAC模式中，第一和第二循环换流器42、44被DSP 28控制，以便通过循环换流器42、44输出的电压相互同相。通过第一和第二循环换流器42、44输出互相同相的电压保证在第一和第二循环换流器42、44之间没有循环电流流动，且因此允许它们之间共享负载，只要第一和第二循环换流器42、44的每一个输出电压具有相同的振幅。在120VAC模式中，在第一和第二循环换流器42、44的出口56、58处分别提供120VAC，以及出口60被开关46短路。在这种方式下操作循环换流器42、44，允许开关46作为单极开关，如单极继电器。

应当理解，对于120VAC模式，当它们被并联连接时，同相地操作120VAC的两个电源，以及对于240/120VAC模式，当它们被串联连接时，180度异相的操作120VAC的两个电源，这些技术可以使用具有除循环换流器以外的AC电力变换器的120VAC电源，例如(例如且不限于)2002年2月15日申请的、名称为“具有双H-电桥的交流发电机/转换器”的USSN10/0772129申请和2002年2月15日申请的、名称为“具有双H-电桥和自动电压调整的交流发电机/转换器”的USSN10/10/077386申请所公开的反相电路或H-电桥电路。在此将这两个申请的公开内容全部引入作为参考。

图2示出了发电机系统10的整体电源系统示图的简化形式。如曾提及的，永磁发电机14具有两套独立的三相绕组，绕组200、202。示例地，永磁发电机14在轴或转子处具有额定106VAC RMS相电压(至中性点/星点)、240Hz，具有0.7毫亨的相位电感。应当理解，永磁发电机14可以被配置，以便额定输出值不同。三相绕组200的绕组被确定为A₁、B₁和C₁，以及三相绕组202的绕组被确定为A₂、B₂和C₂。循环换流器42示例地具有开关器件的两排，正极性排204和负极性排206，以及循环换流器44也示例地具有开关器件的正极性排208和负极性排210。在发明的一个方面，开关器件是自然换向的开关器件，如可控硅整流器。但是应当理解，可以使用其他类型的自然换向的开关器件。每排204、206、208、210示例地具有六个可控硅整流器。第一和第二循环换流器42、44的正极性排和负极性排204、206、208、210分别形成非循环电流6脉冲系统。非循环指每个循环换流器42、44的正极性排和负极性排不同时导电的工作模式。亦即，当循环换流器42、44的电流输出是正极性时，仅仅循环换流器42、44的正极性排204、208分别导电，并且当循环换流器42、44的电流输出是负极性时，仅仅循环换流器42、44的负极性排206、210分别导电。因而，循环换流器42的正极性排和负极性排204和206工作，以便它们不同时导电，以及循环换流器44的正极性排和负极性排208、210也工作，以便它们不同时导电。

每个循环换流器42、44具有跨接它们各自的120VAC输出而耦合的输出滤波电容器212、214，被显示为电阻216、218。240VAC输出被显示为电阻220。示例地，滤波电容器212、214是40微法电容器，以及当永磁发电机14具有上述的额定输出值时，循环换流器42、44的120VAC输出216、218每个具有3.6Kw容量。

当发电机系统10处于120VAC模式时，DSP 28控制循环换流器42、44，以便它们的输出电压彼此同相，并且当发电机系统10处于240/120VAC模式时，循环换流器42、44被控制，以便它们的输出电压是180度异相。因此，将仅仅描述循环换流器42的工作。在这方面，循环换流器42的正极性排204的可控硅整流器被确定为AT+、BT+、CT+、AB+、BB+和CB+。循环换流器42的负极性排206的可控硅整流器被确定为AT-、BT-、CT-、AB-、BB-和CB-。

转向图2和3，描述循环换流器42的控制。循环换流器42被DSP 28控制，使用常规余弦控制。至DSP 28的输入是永磁发电机14的绕组A₁、B₁和C₁的三相电输出30、32、34，永磁发电机14的A₁、B₁和C₁绕组的反电动势电压波形以及输出的AC电压和循环换流器42的电流，作为到滤波电容器212和120VAC输出216的输出，以及依据阻抗和功率因素的负载。由于永磁发电机14的反电动势电压波形不能被实际测量，在本发明的一个方面中，来自转子位置传感器16、18和20的信号被DSP 28使用，以模拟反电动势电压波形并形成用于循环换流器42的正极性排和负极性排204、206的可控硅整流器的触发控制的控制波信息(示例地，余弦控制波)。(术语波形和波在此可互换地使用。此外，应当理解波可以是表示波的数字数据以及模拟信号。)

依据导通瞬时控制每个SCR，但是通过导通其他SCR控制截止，使第一SCR反向偏置，该过程被称为自然换向。只有当来自SCR的AT-、BT-、CT-、AT+、BT+和CT+的输出电流是正极性时，正极性排204的SCR可以被导通。参考图3的时序图，只要来自循环换流器42的SCR的AT-、BT-、CT-、AT+、BT+和CT+的输出电流是正极性，通过在DSP 28中实现的3位环形计数器以连续的顺序(AT+、BT+、CT+以及再次由AT+开始的顺序)触发确定为AT+、BT+和CT+的三个SCR。只要来自循环换流器42的SCR的AT-、BT-、CT-、AT+、BT+和CT+的输出电流是正极性，通过在DSP 28中实现的第二个3位环形计数器以永恒的顺序触发确定为AB+、BB+和CB+的三个SCR。在DSP 28中实现的两个3位环形计数器的转变顺序是将基准电压波300(AT+、BT+、CT+)和基准电压波300的反基准电压波302(AB+、BB+、CB+)与永磁发电机14的绕组A₁、B₁和C₁的反电动势电压的相应余弦波相比较的比较点，基准电压波300和反基准电压波302都由DSP 28产生。为了清楚起见，图3仅仅示出了用于控制AT+的余弦波304的全周期和用于控制BT+和CT+的余弦波306、308的部分周期，余弦波304是绕组A1电压(即，反相的B₁电压)的余弦波。如图3所示，当正极性排204被启动时，当余弦波304相对于基准电压波300变为正极性时，AT+被触发。然后当余弦波306相对于基准电压波300变为正极性时，BT+被触发。BT+导通反向偏置AT+，使它截止。类似地，然后当余弦波308相对于基准电压波300变为正极性时，CT+被触发，以及反向偏置BT+，使它截止。AB+、BB+和CB十被同等地控制。在来自循环换流器42的SCR的AT-、BT-、CT-、AT+、BT+和CT+的输出电流是正极性时，用于永磁发电机14的一个电周期的导通顺序是AT+、CB+、BT+、AB+、CT+、和BB+。在这方面，每个AT+、BT+和CT+继续停留，直到下一个AT+、BT+和CT+导通，它们被反向偏置。每个AB+，BB+和CB+类似地继续停留，直到下一个AB+、BB+和CB+导通，它们被反向偏置。因此，当正极性排204被启动时，总有AT+、BT+和CT+之一以及AB+、BB+和CB+之一同时导通。

循环换流器42的负极性排206以相似的安排来控制。只有当来自循环换流器42的SCR的AT-、BT-、CT-、AT+、BT+和CT+的输出电流是负极性时，负极性排206的SCR才可以被导通。在来自循环换流器42的SCR的AT-、BT-、CT-、AT+、BT+和CT+的输出电流是负极性时，用于永磁发电机14的一个电周期的导通顺序是AT-、CB-、BT-、AB-、CT-和BB-。

示例地，在DSP 28中实现比较器，将用于诸如如余弦波304、306、308等余弦波中的余弦波信息与用于诸如基准电压波300、302等基准电压波的基准电压波信息相比较，以及与DSP 28中实现的3位环形计数器一起，提供循环换流器42的正极性排和负极性排204、206的上述控制。在DSP 28也实现循环换流器44的可比较控制。

如已被提及的，来自转子位置传感器16、18和20的信号被DSP 28使用，以模拟反电动势电压波形，并形成用于循环换流器42的正极性排和负极性排204、206以及用于循环换流器44的正极性排和负极性排208、210的触发控制的余弦波信息。用于低速、高扭矩应用中的典型无刷DC电动机驱动(在如下所述的本发明的一个方面用于起动发电机系统10的引擎12)需要安装在发动机内的三个霍尔效应传感器，以感测转子的位置。这些霍尔效应传感器提供导通/截止逻辑信号，提供用于发动机的三相激发的相位关系。通常，每个霍尔效应传感器在用于每个三相线电压的发动机的零度电子和180度电子(例如，逻辑1至0转变)处提供转变(例如，逻辑0至1)。因此，每个霍尔效应传感器的输出与另两个霍尔效应传感器的输出位移120度，以便永磁发电机14转子的每次旋转，三个霍尔效应传感器提供六次转变。

当永磁发电机14被引擎12驱动时，由霍尔效应传感器产生的信号可以直接表示永磁发电机14的输出电压的相位，霍尔效应传感器示例地是转子位置传感器16、18、20。下面，转子位置传感器16、18、20有时将被称为霍尔效应传感器16、18、20。重要地，由霍尔效应传感器16、18、20产生的信号直接表示永磁发电机14的反电动势电压相位，以及这些信息用于控制循环换流器42、44中的SCR的换向。以此方式使用霍尔效应传感器16、18、20消除使用永磁发电机14的端电压信息(输出30、32、34、36、38、40处的电压)滤波零相移的需要，以及消除必须从永磁发电机14的实际端电压计算反电动势电压的需要(即，计算由负载电流和内电抗引起的永磁发电机14的内部相移)。而且，由于当使用无刷DC电动机驱动来驱动永磁发电机14时，霍尔效应传感器16、18、20示例地是用于起动发动机12的霍尔效应传感器，因此不需要额外的霍尔效应传感器。

转向图6，将描述示例地在DSP 28中使用的逻辑，形成供控制循环换流器42、44的SCR的换向使用的余弦控制波信息。在600、602、604处测量(仅仅使用上升沿)每个霍尔效应传感器16、18、20的周期，以建立周期(“霍尔周期”)。在霍尔效应传感器16、18、20的每个上升沿上该霍尔周期被更新。在606，霍尔周期被除以84，以建立用于计时器的周期，以便计时器在每个霍尔周期将具有84次溢出，即，每霍尔周期中断84次。在608，每个计时器溢出复位计时器为零并使计数器(“霍尔周期计数器”)增加一。

然后将霍尔周期计数器的值、霍尔周期计数器的值加28的偏移量(120度)和霍尔周期计数器的值加56的偏移量(240度)用作具有84项的正弦波检查表的指示器。在616和在618，从正弦波检查表读取由这些指示器指向的正弦波检查表中的三项，这些三个值变为与基准电压波相比较的余弦值，如基准电压波300，以控制循环换流器42的SCR的换向。循环换流器44被类似地控制。

参考图4，描述根据本发明的一个方面的排选择和转换控制。如所述，对于每个循环换流器42、44，在任意给定时间仅仅其正极性排204、208或负极性排206、210可以被导通。排选择和循环换流器42、44的转换控制被相等地执行，因此将参考循环换流器42进行描述。

假定在循环换流器42的输出216处的输出电压是具有60Hz频率的正弦波，那么对于60Hz周期的半周期，每个正极性排和负极性排204、206被导通。由来自SCR的AT-、BT-、CT-、AT+、BT+和CT+的输出电流的极性决定正极性排和负极性排204、206中的哪一个导电，为了论述，假定为在相同的60Hz频率，但是具有依赖于负载的功率因素。

根据至滤波电容器212和输出216的循环换流器42的测量瞬时输出电流决定正极性排和负极性排204、206的选择(即，一个被启动以便其SCR可以被触发为导电和一个被禁止以便其SCR不能被触发为导电)。该瞬时电流被滤波，示例地由带通滤波器400滤波，以消除电流脉动并保证由带通滤波器400输出的基本60Hz成分的信号相对于瞬时电流不具有任意的相移。示例地，带通滤波器400是具有Q为值2的2-极60Hz带通滤波器。然后从带通滤波器400输出的滤波电流信号被输入到比较器402。比较器402示例地是磁滞比较器，具有负磁滞现象，具有+0.1A或-0.1A的开关电平。比较器402的输出决定至循环换流器42的滤波电容器212和输出216的基本60Hz电流是正极性或负极性。当由带通滤波器400输出的过滤电流信号低于+0.1A时，比较器402从正极性切换为负极性，以及当由带通滤波器400输出的过滤电流信号增加超过-0.1A时，从负极性切换为正极性。当比较器402从正极性切换为负极性时，DSP 28禁止循环换流器42的正极性排204，在探测到实际输出电流为零之后，接着100微秒的延迟，启动循环换流器42的负极性排206。因而，不将更多的触发脉冲流入到正极性排204中的SCR的栅极端子。但是，当该转变发生时，导电的正极性排204中的SCR继续导电，直到出现真正的电流零值。此时，它们将被反向偏置和切断。反之，当比较器402从负极性切换为正极性时，DSP 28禁止循环换流器42的正极性排204，在探测到实际输出电流零值之后，接着100微秒的延迟，启动循环换流器42的正极性排206。与正极性排204的情况一样，当该转变发生时，导电的负极性排206中的SCR将继续导电，直到出现真正的电流零值，此时它们被反向偏置和切断。

可以通过比较器404感测真正的电流零值条件。比较器404示例地是两个窗口比较器，决定什么时候实际输出电流(不滤波的基本电流)落入+/-25mA的窗口内。比较器404示例地具有第一和第二比较器406、408，它们的输出耦合到AND栅极410的输入。比较器406的正输入被耦合到+25mA基准，以及比较器408的负输入耦合到-25mA基准。到滤波电容器212和循环换流器的输出216的输出电流被耦合到比较器406的负输入和比较器408的正输入。当输出电流落入+/-25mA窗口时，两个比较器406、408的输出将是正极性的，导致AND栅极410的输出是正极性的，表示为真正的电流零值。在如下所述的本发明的一个方面，通过感测跨接循环换流器42、44的SCR两端的电压，间接地感测真正的电流零值条件。

一旦探测到真正的零值电流条件，将强加延迟，示例地是100微秒，以保证目前导电的SCR具有足够的时间切断。在该延迟之后，发生从正极性排204至负极性排206的转换(或反之亦然)。

应当理解在DSP 28中示例地实现上述排转换控制逻辑。但是，也应该理解可以使用分立元件来实现上述排转换控制的所有或部分，如使用间接地决定真正的电流零值条件的电压传感电路800，如下所述。

对于发电机系统，输出电压是具有由使用它的国家所需要的电压和频率的正弦波形，例如在美国是120VAC，60Hz。在循环换流器42(和循环换流器44)的SCR的控制下使用与该波形的成比例的等效物，例如，图3中的波300、302。但是，由于由发电机系统10所产生的电压(图1)与永磁发电机14的转子的旋转速度直接成正比以及永磁发电机14上的负载产生穿过永磁发电机14的相位电抗的电压降的事实，因此需要某些形式的输出电压控制。

图5示出了在DSP 28中实现的示例性电压控制。发电机系统10的瞬时输出电压(Vout)被测量并被输入到DSP 28中。然后Vout的绝对值被滤波，在被适当地标度之后，用作比例反馈回路中的反馈项。对Vout的绝对值进行滤波的滤波器示例地是2极低通滤波器，具有3.2Hz的截止频率和0.25的Q值。滤波器的输出是Vout的绝对值的平均值，具有被除去的60Hz/120Hz分量。用来标度该滤波器的输出的比例因子示例地是0.00926，以便1.0的值能对应于120VAC RMS的正弦AC输出电压。

到反馈回路的输入基准Vref是由DSP 28产生的基准电压波的平均值，并被指定为1.0的值，如基准电压波300(图3)，对应于120VAC 60Hz正弦波。比例反馈回路的输出(Vc)用于为SCR触发控制而直接控制的余弦波的有效量，如余弦波304、306、308(图3)。使用的比例增益是16，在1.0的Vc时成比例的输出值在循环换流器42、44的输出处产生最大输出电压。在2.0的Vc时成比例的输出值在循环换流器42的输出处产生一半的最大输出电压。因此，图5的比例反馈回路被设立为当循环换流器42的输出电压降到低于120VAC时，图5的比例反馈回路的比例增益级的输出减小，促使循环换流器42的输出电压增加，为发电机系统10提供输出电压控制。为循环换流器44提供比较控制。

参考图1和2，如所论述，开关46示例地是继电器并被发电机系统10的前面板(未示出)上的开关62所控制。开关62示例地避免向控制开关46的DSP 28提供输入信号。

串联或并联的工作循环换流器42、44不存在任意特别的问题。但是，串并联工作之间的转变需要仔细的计时控制。

DSP 28控制串联(240/120VAC)和并联(120VAC)工作之间发电机系统10的转变。当开关62被掷为将发电机系统10从串联(240/120VAC)工作切换为并联(120VAC)工作时，第一和第二循环换流器42、44之一的输出被截止(即，其所有SCR不再导通)。在适当的延迟之后，示例地3.5电子60Hz或50Hz周期，那些循环换流器42、44被重启动，相对于其他循环换流器42、44的输出电压同相。然后开关46被闭合。

从并联(120VAC)至串联(240/120VAC)工作的转变由DSP 28以相似的方式进行控制。当开关62被掷为将发电机系统10从并联切换至串联工作时，开关46被立即断开。第一和第二循环换流器42、44的输出都被禁止(所有它们的SCR不再导通)。在适当的延迟之后，示例地在3.5电子60Hz或50Hz周期之后，第一和第二循环换流器被重启动，在它们的输出之间具有180度相移。

在本发明的一个实施例中，通过用高速2路分开的串行链接的两个DSP28，提供控制循环换流器42的DSP 28及提供控制循环换流器44的DSP 28，以处理第一和第二循环换流器42、44之间的控制。示例地，用于第一循环换流器42的DSP 28限定向用于第二循环换流器44的DSP 28传送的60Hz输出波形的相位，并且也提供输出电压和电流测量信息到用于第二循环换流器44的DSP 28，以保持第一循环换流器42和第二循环换流器44同步。每个DSP 28示例地可以是可从Dallas Texas的Texas Instruments公司获得的TMS320LC2402A。

在本发明的一个方面中，可以通过监视由永磁发电机14输出到各个循环换流器42、44的第一和第二输出的三相电压，间接地探测每个循环换流器42、44的输出处的真正瞬间零值电流条件。由于两个循环换流器42、44同等地执行这些工作，因此将参考循环换流器42进行描述。通过感测跨接循环换流器42的正极性排和负极性排204、206的每个SCR两端的电压，感测从永磁发电机14的输出30、32、34到循环换流器42的带电和中性点输出48、52的电压。当跨接任意的循环换流器42的SCR两端的电压小于确定的绝对值时，如±8至9伏，这意味着SCR是导电的，并且循环换流器的输出电流不是零，其中SCR是循环换流器的部分。当跨接循环换流器42的所有SCR两端的电压超过+8至+9伏或小于-8至-9时，它意味着循环换流器42的所有SCR被阻挡以及循环换流器42的输出处于零值电流条件。

零值电流条件被处理为数字信号开输入到用于如上所述的排转换控制的DSP 28中。图8是感测跨接循环换流器42的SCR两端的电压的这种电压传感电路800的示意图。电压传感电路800包括感测跨接SCR两端电压的电压传感电路802和感测跨接SCR两端电压的电压传感电路804，SCR确定为循环换流器42的正极性排和负极性排204、206的AT+、AT-、BT+、BT-、CT+和CT-，以及SCR确定为循环换流器42的正和负极性排204、206的AB+、AB-、BB+、BB-、CB+和CB-。

在发明的一个方面中，循环换流器42的正极性排和负极性排204、206和循环换流器44的正极性排和负极性排208、210的SCR示例地是SCR/光-SCR组合。参考图7，示出了用于被确定为AT+的循环换流器42中正极性排204的SCR的SCR/光-SCR组合700。SCR/光-SCR组合700具有SCR 702，SCR 702具有耦合到永磁发电机14(图1)的输出30的阳极和耦合到循环换流器42的输出48的阴极(图1)。SCR 702的栅极被耦合到光-SCR704的阴极。光-SCR704的阳极通过电阻器706耦合到SCR 702的阳极。光-SCR704的选通发光二极管708被耦合到DSP 28的输出。SCR 702示例地是可以从欧文(Irving)，德克萨斯轴的Teccor Electronics公司获得的S6016R，以及SCR704示例地是可以从爱文(Irvine)，CA的Toshiba America ElectronicComponents公司获得的TLP741J。

图9是本发明的一个方面的简化示意图，与发电机系统10(图1)结合使用无刷DC驱动电路900，以驱动用于启动引擎12(图1)的永磁发电机14，类似于上面参考的、名称为“用于便携式内燃机的发电机、使用便携式通用电池组的起动器系统”的USSN60/077219申请所述，电路900是低压DC至AC三相反相器，引入无刷DC/永磁发电机(BLDC/PMG)起动机来控制902，以及通过电池直接供电，示例地通过通用的电池组903，如来自DEWALT XR PLUS(延长的使用时间)通用电池组线的通用电池组。DC驱动电路900包括可通过3极继电器开关906，电连接永磁发电机14的功率放大级(power stage)904。功率放大级904包括跨接DC总线或轨线910和912耦合的六个相同的功率开关装置908a-908f。功率开关装置908a和908b在总线910和912之间串联连接，具有电连接到继电器906的一个极的中心节点914。功率开关装置908c和908d在总线910和912之间串联连接，具有电连接到继电器906的第二极的中心节点916。功率开关装置908e和908f在总线910和912之间串联连接，具有电连接到继电器906的第三极的中心节点918。六个二极管920a-920f分别与总线910和912之间的开关装置908a-908f并联连接。开关装置908a-908f可以包括各种适合的功率开关元件，例如场效应晶体管(FET)、绝缘栅双极性晶体管(IGBTs)或金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)。

永磁发电机14的霍尔效应传感器16、18、20连接到BLDC/PMG起动器上控制902的输入。另外，DC驱动电路250包括瞬时起动器开关922，控制从通用电池组903至BLDC/PMG起动控制器902的流量。

在工作中，引擎12最初是静止。通过用户闭合瞬时起动开关922启动引擎12。然后BLDC/PMG起动控制器902变为被通用电池组903激励。假若霍尔效应传感器16、18、20指示引擎12的速度或永磁发电机14的速度小于预定值例如500rpm，那么3极继电器开关906将被BLDC/PMG起动控制器902激励，由此将三相功率放大级904连接到永磁发电机14。利用来自霍尔效应传感器16、18、20的信息，BLDC/PMG起动控制器902将开关装置908a-908f导通和截止，以使用永磁发电机14内的三相绕组(或来自这种的抽头绕组)的第一套200的电子换向提供扭矩到引擎12。引擎12将被永磁发电机14旋转，在BLDC/PMG起动控制器902的控制之下被功率放大级904驱动作为“发动机模式”中的发动机，以加速引擎12至引擎12启动时的速度。一旦引擎12被起动，永磁发电机14被驱动预定最高速度，例如500rpm，然后3极继电器开关906被BLDC/PMG起动控制器902去激励，由此从永磁发电机14断开功率放大级904。断开功率放大级904避免超速驱动通用电池组903和提供过量的电压到开关装置908a-908f。一旦起动操作完成，瞬时的启动开关922被断开，以及BLDC/PMG起动控制器902终止导通和截止开关装置908a-908f。

BLDC/PMG起动控制器902可以是微处理器，基于简化的电子电路和提供附加的控制部件。附加的控制部件可以包括设置最大起动(cranking)时间，例如，五秒，如果当通用电池组903不具有足够的电压旋转或启动引擎12时，瞬时起动开关922被保持闭合太长时间，或不允许起动，以避免损坏。由基于BLDC/PMG起动控制器902提供的更多控制特点包括3极继电器开关906的速度探测和控制，以避免超速驱动通用电池组和功率放大级904，或通过利用超过最小速度的开关装置908a-908f的脉冲宽度调制控制设置永磁发电机14的上起动速度，与通用电池组903的电压无关。

发明的描述在性质上仅仅是示例性的，因此不脱离发明的要点的变化被认为是在发明的范围内。这种变化不允许被认为是背离发明的精神和范围。

Claims (121)

1、一种至少具有第一和第二模式的发电机系统，该发电机系统在第一模式中产生第一交流电输出电压，以及在第二模式中产生该第一交流电输出电压和第二交流电输出电压，第二输出电压是第一输出电压的两倍，该发电机系统包括：

第一和第二电压源，每个电压源具有输出，在该输出处它们产生第一输出电压；

开关，当该开关处于第一位置时，并联耦合第一和第二电压源的第一和第二输出，并且当该开关处于第二位置时，串联耦合第一和第二电压源的第一和第二输出，当该开关处于第一位置时，在第一和第二电压源的输出处产生第一输出电压，并且当该开关处于第二位置时，跨接第一和第二电压源的串联耦合的输出两端产生第二输出电压，同时当该开关处于第二位置时，在第一和第二电压源的输出处也产生第一输出电压。

2、根据权利要求1所述的发电机系统，其中当该第一和第二电压源的输出并联耦合时在第一输出电压处有效的电流，大于第一和第二电压源的输出串联耦合时在第一输出电压处有效的电流。

3、根据权利要求1所述的发电机系统，进一步包括耦合到第一和第二电压源的控制器，该控制器操作第一和第二电压源，以便当该开关处于第一位置时，它们的第一输出电压同相，并且当该开关处于第二位置时，它们的第一输出电压异相一百八十度。

4、根据权利要求3所述的发电机系统，其中该控制器包括用于控制第一电压源的第一控制器和用于控制第二电压源的第二控制器。

5、根据权利要求1所述的发电机系统，其中每个第一和第二电压源均包括耦合到具有输出的AC电力变换器的发电机，该输出提供第一和第二电压源的输出。

6、根据权利要求5所述的发电机系统，其中具有第一和第二套绕组的发电机提供该第一和第二电压源的发电机，该第一套绕组耦合到第一电压源的AC电力变换器，以提供第一电压源的发电机，以及第二套绕组耦合到第二电压源的AC电力变换器，以提供第二电压源的发电机。

7、根据权利要求6所述的发电机系统，其中该第一和第二电压源的AC电力变换器包括循环换流器。

8、根据权利要求7所述的发电机系统，进一步包括耦合到第一和第二电压源的循环换流器的控制器，该控制器操作第一和第二电压源的循环换流器，以便当开关处于第一位置时它们同相，当开关处于第二位置时它们异相一百八十度。

9、根据权利要求8所述的发电机系统，其中该控制器使用余弦控制操作该循环换流器。

10、根据权利要求9所述的发电机系统，其中该发电机包括至少一个转子位置传感器，感测发电机的转子位置并产生指示转子位置的信号。

11、根据权利要求10所述的发电机系统，其中该控制器使用转子位置信号形成用来控制循环换流器的控制波。

12、根据权利要求9所述的发电机系统，其中该发电机包括产生指示转子位置的信号的转子位置传感器，该信号彼此位移一百二十度。

13、根据权利要求12所述的发电机系统，其中该控制器使用转子位置信号形成用来控制循环换流器的控制波。

14、根据权利要求13所述的发电机系统，其中每个循环换流器包括自然换向的开关装置的正极性排和负极性排。

15、根据权利要求14所述的发电机系统，其中该控制器产生基准波，并基于该控制波与基准波的比较，通过产生用于自然换向的开关装置的触发信号来控制循环换流器。

16、根据权利要求15所述的发电机系统，其中自然换向的开关装置包括可控硅整流器。

17、根据权利要求15所述的发电机系统，其中每个自然换向的开关装置包括可控硅整流器/光-可控硅整流器组合。

18、根据权利要求15所述的发电机系统，其中该第一和第二发电机是具有第一和第二套绕组的三相发电机，每套绕组具有至少一个用于每个相位的绕组。

19、根据权利要求10所述的发电机系统，其中该发电机包括引擎和无刷DC电动机驱动电路，该无刷DC电动机驱动电路耦合到至少一套发电机绕组，用于将该发电机作为无刷DC电动机来驱动，以启动引擎，该转子位置传感器耦合到该无刷DC电动机驱动电路的无刷DC电动机控制器。

20、根据权利要求12所述的发电机系统，其中发电机包括引擎和无刷DC电动机驱动电路以及转子位置传感器，无刷DC电动机驱动电路耦合到至少一套发电机绕组，用于将发电机作为无刷DC电动机驱动，以启动引擎，转子位置传感器耦合到无刷DC电动机驱动电路的无刷DC电动机控制器。

21、根据权利要求10所述的发电机系统，其中该转子位置传感器包括霍尔效应传感器。

22、根据权利要求12所述的发电机系统，其中该转子位置传感器包括多个霍尔效应传感器。

23、根据权利要求20所述的发电机系统，其中该转子位置传感器包括多个霍尔效应传感器。

24、根据权利要求1所述的发电机系统，其中该开关包括单极开关。

25、根据权利要求24所述的发电机系统，其中每个第一和第二电压源的输出均具有带电和中性点输出，该单极开关是一个具有单极继电器的单极的单极继电器，该单极继电器跨越第一电压源的带电输出和第二电压源的带电输出而耦合。

26、根据权利要求14所述的发电机系统，其中在非循环模式中该控制器操作每个循环换流器中自然换向的开关装置的正极性排和负极性排，该控制器基于循环换流器的瞬时输出电流，启动正极性排和负极性排之一，并禁止每个循环换流器的其他正极性排和负极性排。

27、根据权利要求26所述的发电机系统，其中当循环换流器的瞬时输出电流从正极性至负极性转变时，该控制器禁止每个循环换流器的正极性排，然后仅在循环换流器的输出处出现真正的零值电流条件之后，启动循环换流器的负极性排，当循环换流器的瞬时输出电流从负极性至正极性转变时，该控制器进一步禁止每个循环换流器的负极性排，然后仅在循环换流器的输出处出现真正的零值电流条件之后，启动循环换流器的负极性排。

28、根据权利要求27所述的发电机系统，其中对于每个循环换流器，循环换流器的输出处的真正零值电流条件通过比较器而被确定，该比较器确定循环换流器的实际输出电流在第一和第二参考电平之间。

29、根据权利要求28所述的发电机系统，其中第一和第二参考电平是+25mA和-25mA。

30、根据权利要求27所述的发电机系统，其中对于每个循环换流器，该控制器通过感测循环换流器的正极性排和负极性排是不导电的，来确定在循环换流器的输出处出现真正零值电流条件。

31、根据权利要求30所述的发电机系统，其中该控制器感测一个循环换流器的正极性排和负极性排是不导电的包括：感测跨越循环换流器的正极性排和负极性排的每个自然换向的开关装置两端间的电压为超过预定电平。

32、根据权利要求27所述的发电机系统，进一步包括：用于对循环换流器的瞬时输出电流进行滤波的每个循环换流器的带通滤波器，以减小电流脉动并保证由带通滤波器输出的处于基本频率的信号，相对于循环换流器的瞬时输出电流没有任何相移，由耦合到比较器的输入上的带通滤波器所输出的信号，产生指示瞬时输出电流是否从正极性转变为负极性或从负极性转变为正极性的信号。

33、根据权利要求32所述的发电机系统，其中该基本频率是60Hz。

34、根据权利要求1所述的发电机系统，其中该第一输出电压是额定120VAC，并且该第二输出电压是额定240VAC。

35、一种发电机系统，包括：

AC发电机，具有耦合到循环换流器的输出，该循环换流器具有自然换向的开关装置的正极性排和自然换向的开关装置的负极性排；

控制器，耦合到正极性排和负极性排的自然换向的开关装置；

转子位置传感器，用于感测发电机的转子位置并产生指示该转子位置的信号，该转子位置传感器耦合到该控制器；

该控制器使用该转子位置信号形成控制波，该控制波用来控制正极性排和负极性排的自然换向的开关装置的切换。

36、根据权利要求35所述的发电机系统，其中该转子位置传感器包括产生指示转子位置的信号的多个转子位置传感器，该信号彼此位移一百二十度。

37、根据权利要求36所述的发电机系统，其中多个转子位置传感器包括霍尔效应传感器。

38、根据权利要求36所述的发电机系统，其中控制器产生基准波，并基于控制波与基准波的比较，产生用于正极性排和负极性排的自然换向的开关装置的触发信号。

39、根据权利要求38所述的发电机系统，其中AC发电机包括引擎和无刷DC电动机驱动电路，该无刷DC电动机驱动电路耦合到AC发电机，用于将AC发电机作为无刷DC电动机来驱动，以启动引擎，该转子位置传感器耦合到该无刷DC电动机驱动电路的无刷DC电动机控制器。

40、根据权利要求36所述的发电机系统，其中对于每个循环换流器，在非循环模式中，控制器操作该循环换流器的正极性排和负极性排，该控制器基于该循环换流器的瞬时输出电流，启动正极性排和负极性排之一，并禁止其他正极性排和负极性排。

41、根据权利要求40所述的发电机系统，其中对于每个循环换流器，该控制器基于在正极性和负极性之间或在负极性和正极性之间转变的循环换流器的瞬时输出电流，启动循环换流器的正极性排和负极性排之一，并禁止循环换流器的其他正极性排和负极性排，其中该控制器仅在循环换流器的输出处出现真正的电流零值条件之后，启动循环换流器的正极性排和负极性排之一。

42、根据权利要求41所述的发电机系统，其中对于每个循环换流器，循环换流器的输出处的真正零值电流条件通过比较器而被确定，该比较器确定循环换流器的实际输出电流落入第一和第二参考电平之间。

43、根据权利要求42所述的发电机系统，其中第一和第二参考电平是+25mA和-25mA。

44、根据权利要求41所述的发电机系统，其中控制器通过感测该正极性排和负极性排不导电，确定在循环换流器的输出处出现真正的零值电流条件。

45、根据权利要求44所述的发电机系统，其中控制器感测该正极性排和负极性排不导电包括：感测跨越每个自然换向的开关装置两端的电压并感测该正极性排和负极性排为超过预定电平。

46、根据权利要求41所述的发电机系统，进一步包括用于对循环换流器的瞬时输出电流进行滤波的带通滤波器，以减小电流脉动并保证由带通滤波器输出的处于基本频率的信号，相对于瞬时输出电流没有任何相移，由耦合到比较器的输入上的带通滤波器所输出的信号，产生指示瞬时电流输出是否从正极性转变为负极性或从负极性转变为正极性的信号。

47、根据权利要求46所述的发电机系统，其中该基本频率是60Hz。

48、根据权利要求35所述的发电机系统，其中该自然换向的开关装置包括可控硅整流器。

49、根据权利要求35所述的发电机系统，其中每个自然换向的开关装置包括可控硅整流器/光-可控硅整流器组合。

50、一种发电机系统，包括：

AC发电机，具有耦合到循环换流器的输出，该循环换流器具有自然换向的开关装置的正极性排和自然换向的开关装置的负极性排；

控制器，耦合到正极性排和负极性排的自然换向的开关装置；

在非循环模式中，该控制器操作正极性排和负极性排，该控制器基于循环换流器的瞬时输出电流启动正极性排和负极性排之一，并禁止其他正极性排和负极性排；

带通滤波器，用于对循环换流器的瞬时输出电流进行滤波，以减小电流脉动并保证由带通滤波器输出的处于基本频率的信号，相对于瞬时输出电流没有任何相移，由耦合到比较器的输入的带通滤波器所输出的信号，产生指示瞬时输出电流输出是否从正极性转变为负极性或从负极性转变为正极性的信号。

51、根据权利要求50所述的发电机系统，其中该控制器仅在它禁止正极性排和负极性排中的另一个之后，启动正极性排和负极性排之一，并且它感测循环换流器的输出穿过真正的零值电流条件，当跨越每个自然换向的开关装置两端的电压超过预定电平时，该控制器感测在循环换流器的输出处出现真正的零值电流条件，该超过预定电平表明每个自然换向的开关装置是不导电的。

52、根据权利要求50所述的发电机系统，其中该基本频率是60Hz。

53、根据权利要求50所述的发电机系统，其中该每个自然换向的开关装置包括可控硅整流器/光-可控硅整流器组合。

54、一种发电机系统，包括：

AC发电机，具有耦合到循环换流器的输出，该循环换流器具有自然换向的开关装置的正极性排和自然换向的开关装置的负极性排；

每个自然换向的开关装置包括可控硅整流器/光-可控硅整流器组合。

55、一种双模式发电机系统，当该发电机系统处于第一模式时具有120VAC的额定输出电压，并且当该发电机系统处于第二模式时具有120VAC和240VAC的额定输出电压，包括：

永磁发电机，具有第一和第二套相分离的三相绕组和一转子；

引擎，用于驱动该永磁发电机的转子；

多个转子位置传感器，产生指示转子位置的信号，该信号彼此位移一百二十度；

耦合到该发电机的第一套绕组的第一循环换流器和耦合到该发电机的第二套绕组的第二循环换流器；

每个第一和第二循环换流器具有带电输出和中性点输出，该第一循环换流器的带电输出耦合到第一出口的带电输出，并且该第一循环换流器的中性点输出耦合到第一出口的中性点输出，该第二循环换流器的带电输出耦合到第二出口的带电输出，并且该第二循环换流器的中性点输出耦合到第二出口的中性点输出；

每个第一和第二循环换流器具有自然换向的开关装置的正极性排和自然换向的开关装置的负极性排；

跨接第一循环换流器的带电输出和中性点输出而耦合的第一滤波电容器和跨接第二循环换流器的带电输出和中性点输出而耦合的第二滤波电容器；

跨接该第一和第二出口的带电输出耦合的第三出口和跨接该第一和第二出口的带电输出耦合的开关；

控制器，耦合到自然换向的开关装置和转子位置传感器；

该控制器使用由转子位置传感器产生的信号形成余弦控制波，该信号用来控制循环换流器的自然换向的开关装置的切换；

该控制器操作第一和第二循环换流器，以便当该发电机系统处于第一模式，开关闭合并联第一和第二循环换流器的带电输出时，在第一和第二循环换流器的带电输出处的输出电压同相，此处额定120VAC输出电压产生于第一和第二出口处，具有比该发电机系统处于第二模式时更大的有效电流；

该控制器操作第一和第二循环换流器，以便当该发电机系统处于第二模式，开关断开耦合到与第一和第二循环换流器的带电输出串联的第三出口时，在第一和第二循环换流器的带电输出处的输出电压彼此异相一百八十度，该额定120VAC输出电压产生在第一和第二出口处，以及该额定240VAC输出电压产生在第三出口处。

56、根据权利要求55所述的发电机系统，进一步包括用于驱动发电机的引擎和耦合到该发电机和转子位置传感器的无刷DC电机驱动电路，无刷DC电动机电路将该发电机作为无刷DC电动机驱动，以启动引擎。

57、根据权利要求56所述的发电机系统，其中该转子位置传感器包括霍尔效应传感器。

58、根据权利要求55所述的发电机系统，其中该开关是单极开关。

59、根据权利要求58所述的发电机系统，其中该单极开关是单极继电器。

60、根据权利要求55所述的发电机系统，其中每个自然换向的开关装置包括可控硅整流器/光-可控硅整流器组合。

61、根据权利要求55所述的发电机系统，其中在非循环模式中，该控制器操作每个循环换流器的正极性排和负极性排的自然换向的开关装置，该控制器基于在正极性和负极性之间或负极性和正极性之间转变的循环换流器的瞬时输出电流，启动每个循环换流器的正极性排和负极性排之一，并禁止每个循环换流器的其他正极性排和负极性排，其中仅在该控制器感测到出现于循环换流器的带电输出处的真正的电流零值条件之后，启动每个循环换流器的正极性排和负极性排之一。

62、根据权利要求61所述的发电机系统，其中当该控制器感测跨越循环换流器的正极性排和负极性排的每个自然换向的开关装置两端的电压超过预定电平时，该控制器感测出现在一个循环换流器的带电输出处的真正电流零值条件，该超过预定电平表示循环换流器的每个自然换向的开关装置不导电。

63、根据权利要求62所述的发电机系统，进一步包括用于在该循环换流器的带电输出处对瞬时输出电流进行滤波的每个循环换流器的带通滤波器，以减小电流脉动并保证由每个带通滤波器输出的基本60Hz成分的信号，相对于在该循环换流器的带电输出处的瞬时输出电流没有任何相移，由输入到比较器的带通滤波器所输出的信号，产生表明瞬时输出电流是否从正极性转变为负极性或从负极性转变为正极性的信号。

64、根据权利要求55所述的发电机系统，其中当该发电机系统在模式间切换时，如果该发电机系统从第一模式切换到第二模式，则该控制器：

a、断开开关：

b、然后禁止第一和第二循环换流器的自然换向的开关装置，以便它们全都不导电；以及

c、在预定延迟之后，重启动第一和第二循环换流器的自然换向的开关装置，以便第一和第二循环换流器的带电输出相互异相一百八十度；

以及如果发电机系统从第二模式切换至第一模式切换，则该控制器：

a、禁止第一和第二循环换流器之一的自然换向的开关装置；

b、在预定的延迟之后，重启动被禁止的自然换向的开关装置，以便第一和第二循环换流器的带电输出同相；然后

c、闭合开关。

65、根据权利要求64所述的发电机系统，其中该预定延迟是3.5电周期。

66、一种控制至少具有第一和第二模式的发电机系统的方法，当该发电机系统处于第一模式时该发电机系统产生第一交流电输出电压，并且当该发电机系统处于第二模式时产生第二交流电输出电压，该第二输出电压是第一输出电压的两倍，该方法包括：

并联耦合第一和第二电压源的输出，并操作该第一和第二电压源，以便当该发电机系统处于第一模式时，该第一和第二电压源的输出处的电压同相；以及

串联耦合第一和第二电压源的输出，并操作该第一和第二电压源，以便当该发电机系统处于第二模式时，第一和第二电压源的输出处的电压异相一百八十度，该第二模式带有跨越串联耦合地第一和第二电压源的输出处两端产生的第二输出电压以及在第一和第二电压源的每个输出处产生第一输出电压。

67、根据权利要求66所述的方法，包括产生表明永磁发电机的转子位置的转子位置信号并由转子位置信号形成控制波，以及使用该控制波控制第一和第二循环换流器，该第一循环换流器耦合到永磁发电机的第一套绕组，以及第二循环换流器耦合到永磁发电机的第二套绕组，第一循环换流器具有输出，该输出提供第一电压源的输出，并且第二循环换流器具有输出，该输出提供第二电压源的输出。

68、根据权利要求67所述的方法，包括产生基准波，比较控制波与基准波，并基于控制波与基准波的比较，控制第一和第二循环换流器的自然换向的开关装置的切换。

69、根据权利要求67所述的方法，其中该发电机系统包括用于驱动永磁发电机的引擎，该方法包括利用无刷DC电动机驱动电路，驱动永磁发电机的第一和第二套绕组中的至少一个，以将永磁发电机作为无刷DC电动机驱动，来启动引擎，在将永磁发电机作为无刷DC电动机驱动中，该无刷DC电动机驱动电路的无刷DC电动机控制器使用转子位置信号。

70、根据权利要求67所述的方法，其中每个循环换流器包括自然换向的开关装置的正极性排和负极性排，该方法包括：

在非循环模式中，操作每个循环换流器的正极性排和负极性排，基于在正极性和负极性之间或负极性和正极性之间转变的循环换流器的瞬时输出电流，启动正极性排和负极性排之一，并禁止每个循环换流器的其他正极性排和负极性排，其中仅在循环换流器的输出处出现真正的电流零值条件之后，被启动的循环换流器之一的正极性排和负极性排之一被启动。

71、根据权利要求70所述的方法，包括当循环换流器的所有自然换向的开关装置都不导电时，确定在一个循环换流器的输出处出现真正的电流零值条件。

72、根据权利要求71所述的方法，包括感测跨越每个循环换流器的自然换向的开关装置两端的电压，并当跨越循环换流器的所有自然换向的开关装置的电压超过预定电平时，确定循环换流器之一的所有自然换向的开关装置都不导电。

73、根据权利要求72所述的方法，包括带通滤波每个循环换流器的瞬时输出电流，由该瞬时输出电流中产生滤波信号，以减小电流脉动并保证每个滤波信号的基本频率成分相对于被滤波的循环换流器的瞬时输出电流没有任何相移，以及将每个滤波信号与至少一个参考电平比较，以确定是否相应的循环换流器的瞬时输出电流从正极性转变为负极性或从负极性转变为正极性。

74、根据权利要求73所述的方法，其中参考电平包括+0.1A和-0.1A的第一和第二参考电平，以及该基本频率是60Hz。

75、根据权利要求66所述的方法，其中并联和串联耦合第一和第二电压源的输出包括将跨接第一和第二电压源的输出而耦合的单极开关切断，以串联耦合该输出，以及将该单极开关闭合，以并联耦合该输出。

76、根据权利要求75所述的方法，其中该单极开关是单极继电器。

77、根据权利要求70所述的方法，其中开关耦合在第一和第二电压源的输出之间，该方法包括：

通过首先断开该开关，将该发电机系统从第一模式切换到第二模式，然后禁止第一和第二循环换流器的自然换向的开关装置，以便它们全都不导电，以及在预定的延迟之后，再启动第一和第二循环换流器的自然换向的开关装置，并操作第一和第二循环换流器，以便在第一和第二循环换流器的输出处产生的电压彼此异相一百八十度，以及

通过禁止第一和第二循环换流器之一的自然换向的开关装置，将该发电机系统从第二模式切换到第一模式，在预定延迟之后，再启动被禁止的自然换向的开关装置，以及操作第一和第二循环换流器，以便在第一和第二循环换流器的输出处产生同相电压，然后闭合该开关。

78、根据权利要求68所述的方法，其中产生表明永磁发电机的转子位置的该转子位置信号包括产生彼此位移一百二十度的转子位置信号。

79、根据权利要求78所述的方法，其中产生转子位置信号包括用霍尔效应传感器产生转子位置信号。

80、一种操作双模式发电机系统的方法，在该双模式发电机系统中，当处于第一模式时该发电机系统具有120VAC的额定输出电压，并且当处于第二模式时具有120VAC和240VAC的额定输出电压，该发电机系统具有带有第一和第二套相分离的三相绕组和转子的永磁发电机，用于驱动该永磁发电机的转子的引擎，产生表明彼此位移一百二十度的转子位置的信号的多个转子位置传感器，耦合到第一套绕组的第一循环换流器和耦合到第二套绕组的第二循环换流器，每个循环换流器具有带电输出和中性点输出，第一循环换流器的带电输出耦合到第一出口的带电输出，并且第一循环换流器的中性点输出耦合到第一出口的中性点输出，第二循环换流器的带电输出耦合到第二出口的带电输出，并且第二循环换流器的中性点输出耦合到第二出口的中性点输出，每个第一和第二循环换流器均具有自然换向的开关装置的正极性排和自然换向的开关装置的负极性排，跨接第一循环换流器的带电输出和中性点输出而耦合的第一滤波电容器和跨接第二循环换流器的带电输出和中性点输出而耦合的第二滤波电容器，跨接第一和第二出口的带电输出而耦合的第三出口和跨接与第三出口并联的第一和第二出口的带电输出而耦合的开关，该方法包括：

使用表明永久磁铁的转子位置的信号形成余弦控制波，以控制第一和第二循环换流器的自然换向的开关装置的切换，

在开关闭合耦合到并联的第一和第二循环换流器的带电输出上的第一模式中操作该发电机系统，以及操作第一和第二循环换流器，以便在它们的带电输出处产生同相的输出电压，此处在第一和第二出口产生额定120VAC输出电压，该电压比该发电机系统处于第二模式时具有更大的有效电流；以及

在开关断开耦合到串联的第一和第二循环换流器的带电输出上的第二模式中操作该发电机系统，并且操作第一和第二循环换流器，以便在它们的带电输出处的输出电压为异相一百八十度，在第一和第二出口处产生额定120VAC的输出电压，以及在第三出口处产生240VAC的输出电压。

81、根据权利要求80所述的方法，其中该发电机系统包括用于驱动永磁发电机的转子的引擎，该方法包括使用该转子位置信号将永磁发电机作为无刷DC电动机驱动，以启动引擎。

82、根据权利要求80所述的方法，包括产生基准波，比较余弦控制波与该基准波，并基于余弦控制波与基准波的比较，控制第一和第二循环换流器的自然换向的开关装置的切换。

83、根据权利要求81所述的方法，包括：

在非循环模式中操作每个循环换流器的正极性和负极性排的自然换向的开关装置，对于每个循环换流器，基于在正极性和负极性之间或负极性和正极性之间转变的循环换流器的瞬时输出电流，启动循环换流器的正极性排和负极性排之一，并禁止循环换流器的正极性排和负极性排中的另一个，并且仅在循环换流器的带电输出处出现真正的电流零值条件之后，启动正极性排和负极性排之一。

84、根据权利要求83所述的方法，包括当循环换流器的所有自然换向的开关装置都不导电时，为每个循环换流器确定在循环换流器的带电输出处出现的真正的电流零值条件。

85、根据权利要求84所述的方法，包括为每个循环换流器感测跨接循环换流器的自然换向的开关装置的电压，并当循环换流器的所有自然换向的开关装置两端的电压超过预定电平时，确定那些循环换流器的所有自然换向的开关装置都不导电。

86、根据权利要求83所述的方法，包括为每个循环换流器带通滤波循环换流器的瞬时输出电流，产生滤波信号，以减小电流脉动并保证滤波信号的60Hz基本频率成分相对于循环换流器的瞬时输出电流没有任何相移，以及将滤波的信号与至少一个参考电平比较，以确定循环换流器的瞬时输出电流是否从正极性转变为负极性或从负极性转变为正极性。

87、根据权利要求86所述的方法，其中该参考电平包括+0.1A和-0.1A的第一和第二参考电平。

88、根据权利要求80所述的方法，其中该开关是单极继电器。

89、根据权利要求80所述的方法，包括：

通过首先断开开关将该发电机系统从第一模式切换为第二模式，然后禁止第一和第二循环换流器的自然换向的开关装置，以便它们全都不导电，并在预定延迟之后，再启动第一和第二循环换流器的自然换向的开关装置，以及操作第一和第二循环换流器，以便在第一和第二循环换流器的带电输出处产生的电压彼此异相一百八十度，以及

通过禁止第一和第二循环换流器之一的自然换向的开关装置，将发电机系统从第二模式切换到第一模式，在预定延迟之后，再启动被禁止的自然换向的开关装置，以及操作第一和第二循环换流器，以便在它们的带电输出处产生同相电压，然后闭合开关。

90、一种控制具有AC发电机的发电机系统的方法，该AC发电机具有耦合到循环换流器的输出，该循环换流器具有自然换向的开关装置的正极性排和自然换向的开关装置的负极性排，该方法包括基于转子位置形成控制波，并使用该控制波控制自然换向的开关装置的切换。

91、根据权利要求90所述的方法，其中该发电机系统包括产生表明转子位置的信号的多个转子位置传感器，该信号彼此位移一百二十度，该方法包括使用该转子位置信号产生控制波。

92、根据权利要求91所述的方法，包括产生基准波，将控制波与基准波比较，并基于控制波与基准波的比较产生用于自然换向的开关装置的触发信号。

93、根据权利要求92所述的方法，其中该发电机系统包括用于驱动AC发电机的引擎，该方法包括将AC发电机作为无刷DC电动机驱动，以启动引擎，以及此时使用转子位置信号。

94、根据权利要求91所述的方法，包括在非循环模式中操作循环换流器的正极性排和负极性排，基于在正极性和负极性之间或负极性和正极性之间转变的循环换流器的输出处产生的循环换流器的瞬时输出电流，启动正极性排和负极性排之一，并禁止正极性排和负极性排中的另一个，其中仅在循环换流器的输出处出现真正的零值电流条件之后，启动被启动的正极性排和负极性排之一。

95、根据权利要求94所述的方法，包括确定当所有自然换向的开关装置都不导电时出现真正的电流条件。

96、根据权利要求95所述的方法，包括感测跨越自然换向的开关装置两端的电压，并确定跨越所有自然换向的开关装置的电压超过预定电平时，所有自然换向的开关装置不导电。

97、根据权利要求96所述的方法，包括带通滤波循环换流器的瞬时输出电流，产生滤波信号，以减小电流脉动并保证滤波信号的基本频率成分相对于瞬时输出电流没有任何相移，以及将滤波信号与至少一个参考电平比较，以确定该瞬时输出电流是否从正极性转变为负极性或从负极性转变为正极性。

98、根据权利要求97所述的方法，其中该参考电平包括+0.1A和-0.1A的第一和第二参考电平。

99、一种控制具有AC发电机的发电机系统的方法，该AC发电机具有耦合到循环换流器的输出，该循环换流器具有自然换向的开关装置的正极性排和自然换向的开关装置的负极性排，该方法包括：

在非循环模式中操作循环换流器的正极性排和负极性排，基于在正极性和负极性之间或负极性和正极性之间转变的循环换流器的输出处产生的循环换流器的瞬时输出电流，启动正极性和负极性排之一，并禁止正极性排和负极性排中的另一个，以及带通滤波循环换流器的瞬时输出电流，产生滤波信号，以减小电流脉动并保证滤波信号的基本频率成分相对于瞬时输出电流没有任何相移，以及将滤波信号与至少一个参考电平比较，以确定瞬时输出电流是否从正极性转变为负极性或从负极性转变为正极性。

100、根据权利要求99所述的方法，包括仅在正极性排和负极性排中的另一个被禁止并在循环换流器的输出处出现真正的零值电流条件之后，启动被启动的正极性和负极性排之一。

101、根据权利要求100所述的方法，包括确定当所有自然换向的开关装置都不导电时出现真正的电流条件。

102、根据权利要求101所述的方法，包括感测跨接自然换向的开关装置两端的电压，并当跨接所有自然换向的开关装置两端的电压超过预定电平时，确定所有自然换向的开关装置不导电。

103、根据权利要求99所述的方法，其中该基本频率是60Hz。

104、根据权利要求99所述的方法，其中该参考电平包括+0.1A和-0.1A的第一和第二参考电平。

105、根据权利要求35所述的发电机系统，其中该控制器包括用于控制第一循环换流器的第一控制器和用于控制第二循环换流器的第二控制器。

106、根据权利要求55所述的发电机系统，其中该控制器包括用于控制第一循环换流器的第一控制器和用于控制第二循环换流器的第二控制器。

107、根据权利要求10所述的发电机系统，其中该控制器使用转子位置信号模拟发电机的反电动势电压波形，并由该反电动势电压波形形成控制波，该控制波用来控制循环换流器。

108、根据权利要求12所述的发电机系统，其中该控制器使用转子位置信号模拟发电机的反电动势电压波形，并由该反电动势电压波形形成控制波，该控制波用来控制循环换流器。

109、根据权利要求35所述的发电机系统，其中该控制器使用转子位置信号模拟发电机的反电动势电压波形，并由该反电动势电压波形形成控制波。

110、根据权利要求36所述的发电机系统，其中该控制器使用转子位置信号模拟发电机的反电动势电压波形，并由该反电动势电压波形形成控制波。

111、根据权利要求55所述的发电机系统，其中该控制器使用转子位置信号模拟发电机的反电动势电压波形，并由该反电动势电压波形形成余弦控制波。

112、根据权利要求67所述的方法，包括使用转子位置信号模拟发电机的反电动势电压波形，以及由该反电动势波形形成控制波。

113、根据权利要求80所述的方法，包括使用转子位置信号模拟发电机的反电动势电压波形，以及由该反电动势波形形成余弦控制波。

114、根据权利要求90所述的方法，包括基于转子位置信号模拟发电机的反电动势电压波形，以及基于该反电动势电压波形形成控制波。

115、根据权利要求19所述的发电机系统，进一步包括耦合到该无刷DC电动机驱动电路的便携式通用电池组，为该无刷DC电动机驱动电路提供DC电源。

116、根据权利要求20所述的发电机系统，进一步包括耦合到该无刷DC电动机驱动电路的便携式通用电池组，为该无刷DC电动机驱动电路提供DC电源。

117、根据权利要求39所述的发电机系统，进一步包括耦合到该无刷DC电动机驱动电路的便携式通用电池组，为该无刷DC电动机驱动电路提供DC电源。

118、根据权利要求56所述的发电机系统，进一步包括耦合到该无刷DC电动机驱动电路的便携式通用电池组，为无刷DC电动机驱动电路提供DC电源。

119、根据权利要求69所述的方法，进一步包括使用耦合到该无刷DC电动机驱动电路的便携式通用电池组，以为无刷DC电动机驱动电路提供DC电源。

120、根据权利要求81所述的方法，进一步包括在起动该引擎中使用该发电机系统的便携式通用电池的DC电源。

121、根据权利要求93所述的方法，进一步包括在起动该引擎中使用该发电机系统的便携式通用电池的DC电源。

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