CN1792029A - 电源系统和用于这种系统的永磁发电机 - Google Patents
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Abstract
一种电源系统，包括发动机驱动的永磁发电机(11)，其可以执行操作以产生可变电压和高频的输出，该输出经串励AC/AC转换电路(14)转换成固定电压且相对低频的AC输出，以通过跳闸开关(56－58)提供给外部负载(53－55)。旁路电路包括一对正常情况下闭合的并联的相反偏置的晶闸管(66－68)，该旁路电路连接于所述发电机输出和AC/AC转换电路(14)的输出之间。当因为在AC/AC转换电路(14)的输出上产生短路或过流条件而需要触发跳闸开关(56－58)跳闸时，触发晶闸管(66－68)以使其从断开状态切换到接通状态，从而直接由发电机(11)的高频输出以大电流为负载(53－55)供电，这增加了从AC/AC转换电路(14)吸取的电流，并使跳闸开关(53－55)跳闸。
Description
本发明涉及一种电源系统，包括：AC(交流)电源，其可操作以提供具有至少一个相位的AC输出电压的；串励AC/AC转换电路，其包括可操作以通过将所述AC输出电压转换成中间DC(直流)电压来建立中间DC链的第一转换器装置和可操作以将所述中间DC电压转换成具有至少一个相位的AC输出电压以提供给外部负载的第二转换器装置。这样的电源系统在本说明书中称为上述类型的电源系统。更具体地但不排他地说，本发明涉及上述类型的电源系统，即它可以是发电系统和/或电动机启动系统。本发明还涉及可操作以产生可变电压发生器输出的永磁发电机，所述发生器设有可操作以对可变电压发生器输出整流的整流装置。
WO 01/56133公开了一种涉及此前所述类型的电源系统，它是一种发电系统且还包括传感装置，所述传感装置可用于在外部负载连接于所述AC电源输出两端上时监视所述中间DC链以及向速度控制装置提供反馈信号，从而使可变电压发生器输出变化以及反控中间DC电压的变化趋势。为了在外部负载连接于AC电源输出两端上时为WO 01/56133所公开的发电系统提供短路保护，在AC电源输出的所述或每个相位中设有跳闸开关，所述或每个跳闸开关可操作以响应正在读取的短路状况而断开AC电源输出与外部负载的连接。所述或每个跳闸开关适于在通过它的电流保持在某个水平一定时间时跳闸。
适合的跳闸开关具有如下电流/时间跳闸特性：它们在因大电流而跳闸之前允许足以启动发动机或接通电灯的短时间的大电流或在跳闸之前允许较长时间的较低电流。如果跳闸开关适于因低工作电流而跳闸，则短路负载电流往往会逐步形成大电流。
自然，高频自换相器件如晶体管以及系统的其它电子元件需要额定性能，以抵御跳闸开关在尚未跳闸情况下可能承受的功率。因此，如果第二转换器装置包括晶体管装置，照常，其中的晶体管需要额定性能，以便抵御比正常负载工作条件下它们所承受的电流大数倍的电流，因此，响应检测到短路状况的事件，需要高于正常的电流来以最小时延使跳闸开关跳闸。此要求强加了显著的成本代价，因为晶体管的成本随其额定电流显著增加。类似的跳闸开关可用于电动机启动系统中为永磁电动机提供过流保护，以及以上有关在例如WO 01/56133所公开的发电系统中设置了跳闸开关，以在外部负载连接到AC电源输出两端时提供短路保护的观察评论适用于在电动机启动系统中将这种跳闸开关用于过流保护的用法。
US-A-6295215公开了一种此前所述类型的电源系统，它设有旁路电路，用于将AC电源提供的AC输出电压的所述或每个相位直接连接到第二转换器装置的AC输出电压的相应相位，从而旁路串励AC/AC转换电路，所述旁路电路包括AC电源提供的AC输出电压的所述或每个相位的相应的可电控的单向开关装置，所述可电控的单向开关装置可操作以允许在所述电源系统连接到外部负载时电流通过所述旁路电路以及通过所述串励AC/AC转换电路，所述电源系统还包括可操作以在所述电源系统连接到外部负载时检测至外部负载的电流的电流检测装置，以及可响应所述电流检测装置而执行操作以控制所述单向开关装置，由此控制电流通过所述旁路电路的控制装置。US-A-6295215中公开的此前所述类型的电源系统通常应用于诸如不间断(或“不可间断”)电源(UPS)，电动驱动器和其它应用中。在US-A-6295215公开的此前所述类型的电源系统的第一工作模式中，串励AC/AC转换电路可进行操作，以便主要由所述旁路电路将有效功率从AC电源传输到外部负载，所述有效功率是从AC电源输出到外部负载的功率的第二分量，从AC电源输出到外部负载的功率的第一分量由所述串励AC/AC转换电路传输。在第二工作模式中，所述串励AC/AC转换电路将AC电源的功率传输到外部负载，而所述旁路电路的可电控的单向开关装置为断开，这样，没有电力从AC电源通过所述旁路电路传输到外部负载。
US-A-2003/0043521公开了在电源与并联的多个负载之间设置熔断器。控制电路根据检测的故障状况使该熔断器熔断。这是通过将熔断器通过旁路这些负载的旁路电路连接到地来实现的，所述旁路电路具有较低的电阻，以便熔断器熔断。
本发明的目的在于使所提供的一个或多个跳闸开关能够在外部负载连接到AC电源输出端上时，为结合于发电系统中的此前所述类型的电源系统提供短路保护或为电动机启动系统提供过流保护，以便在检测到短路或过流状况之后使所述跳闸开关以最小时延跳闸，同时允许在此前所述类型的电源系统的所述第一和第二转换器和任何检测装置中采用不仅成本低而且额定电流低的电子元件。
根据本发明的一个方面，提供一种电源系统，它包括：AC电源，其可操作以提供具有至少一个相位的AC输出电压；串励AC/AC转换电路，其包括可操作以通过将所述AC输出电压转换成中间DC电压来建立中间DC链的第一转换器装置和可操作以将所述中间DC电压转换成具有至少一个相位的AC输出电压以提供给外部负载的第二转换器装置；旁路电路，其将所述电源提供的AC输出电压的所述或每个相位直接连接到所述第二转换器装置的AC输出电压的相应相位，从而旁路所述串励AC/AC转换电路，所述旁路电路包括所述电源提供的AC输出电压的所述或每个相位的相应的可电控的单向开关装置，所述可电控的单向开关装置可操作以允许在所述电源系统连接到外部负载时电流通过所述旁路电路以及通过所述串励AC/AC转换电路；电流检测装置，其可操作以在所述电源系统连接到外部负载时检测来自所述串励AC/AC转换电路的输出电流；以及控制装置，其可响应所述电流检测装置并执行操作以控制所述单向开关装置，由此控制电流通过所述旁路电路，其中针对所述第二转换器装置的AC输出电压的所述或每个相位和所述旁路电路的相应相位，设置了相应的跳闸开关，所述单向开关装置在正常情况下断开，使得正常情况下没有电流通过所述旁路电路，但是所述控制装置可响应所述电流检测装置检测到通过所述串励AC/AC转换电流的电流超过预定电流预定时间而执行操作，以使所述单向开关装置闭合，从而使从所述串励AC/AC转换电路经所述跳闸开关至所述外部负载的电流增加了通过所述旁路电路的电流，由此使所述或每个跳闸开关因通过它的电流增加而跳闸。
根据本发明的另一个方面，提供一种永磁发电机，它包括两组星型连接的多相定子绕组，所述两组中每组的每个所述定子绕组连接于具有正输出和负输出的相应的多相二极管整流器装置的相应分支的二极管之间，每个所述整流器装置的正输出用于连接到根据本发明所述一个方面的发电系统的所述第一转换器装置的正输入；每个所述整流器装置的负输出用于连接到所述第一转换器装置的负输入；以及所述两组星型连接的多相定子绕组的公共端子用于连接到发电系统的中性线。
在根据本发明所述一个方面的此前所述类型的电源系统中设置旁路电路使根据本发明的另一个方面的永磁发电机装置尤其适合用作此前所述类型的电源系统的AC电源。
在本发明优选实施例中，可电控的单向开关装置由具有比晶体管高得多的承载大电流的能力的晶闸管构成。触发晶闸管导致发电机以大电流直接为负载供电，这使跳闸开关跳闸，从而保护所述AC/AC转换电路的元件。所述发电机提供可变高频输出电压，而所述AC/AC转换电路的输出电压的频率相对较低。这致使所述晶闸管按所述发电机输出电压自然换相。短电流脉冲由所述旁路电路传递，从而在所述晶闸管跳闸时旁路所述AC/AC转换电路，并且在所述AC/AC转换电路的输出电压的一个半周期期间传输若干这种短电流脉冲。对于所述AC/AC转换电路的输出的每半个周期，所述旁路电路可适于生成大量电流脉冲，从而使系统输出高质量的电压和电流。这可以通过设置大量旁路来实现，其中每条旁路具有自己的单向开关装置。例如，所述发电机输出电压的各相位可以通过其自己的旁路连接到所述AC/AC转换电路的输出的各相位，其中所述各自的旁路具有各自的单向开关装置。这种配置不仅适用于短路保护，而且适用于在电动机启动系统中提供电流过载保护。
下面将参考附图，通过实例描述实施本发明的几种电源系统形式，附图中：
图1以示意图说明实施本发明的一种形式的发电系统；
图2以示意图说明图1所示的发电系统的AC/AC转换电路；
图3是电流-时间曲线图，它显示图1所示系统的每个跳闸开关的跳闸特性；
图4以示意图说明实施本发明的另一种形式的发电系统；
图5以示意图说明实施本发明的又一种形式的发电系统；
图6以示意图说明实施本发明的又一种形式的发电系统；
图7以示意图说明实施本发明的另一种形式的发电系统。
图1以示意图形式显示一个发电机组的组件。所述发电机组包括原动机10如狄赛尔内燃机，它以机械方式与发电机11的转子耦合，从而使转子相对于发电机11的定子旋转，以及从该发电机11产生三相可变频率和电压的AC输出。发电机11的优选形式是永磁发电机。
原动机10具有电子速度传感器12，速度控制器13和电子控制的燃油喷射系统。所述速度传感器12产生输出信号Ssp，它表示检测到的原动机速度。速度控制器13具有四个输入端口。这些输入端口之一接收最小速度参考信号Srmis。这些输入端口的另一个端口接收速度传感器12发出的实际速度信号Ssp。速度控制器13的第三输入端口接收最大速度参考信号Srmax，以及第四输入端口接收发电机组的操作生成的速度校正信号Srs，如下所述。速度控制器13响应四个输入信号Ssp、Srs、Srmis和Srmax控制原动机10的燃油喷射系统的操作，以控制原动机10以及使原动机10的速度维持在最小速度和最大速度之间，保持在与速度校正信号Srs相关的水平上。
发电机11的三相可变频率和电压输出R、S、T连接到串励(seriestrain)AC/AC转换电路14。图2显示：串励AC/AC转换电路14包括第一转换器15(它是双整流器电路和双电压增压器电路16)，制动控制器30和第二转换器17(它是三相DC/AC逆变器)。所述双整流器电路包括共阴极三脉冲整流器18和共阳极三脉冲整流器19。发电机11的输出R、S、T并联到共阴极三脉冲整流器18的阳极和共阳极三脉冲整流器19的阴极，并通过这两个整流器18和19的每一个来整流。整流器18和19的每一个具有一个输出端。连接到整流器18的阴极的输出端是正输出端，而连接到整流器19的阳极的输出端是负输出端。发电机11具有中性线端N。
双电压增压器电路16的每个增压器电路部分最好通过滤波器(未显示)连接于整流器18和19输出端的一个相应输出端与中性线端N之间。每个增压器电路部分包括电感器21，22，电感器21、22分别串联于相应整流器18、19的输出与相应电流传感器23、24的一端之间。电流传感器23的另一端连接到晶体管25的集电极和二极管26的阳极。
电流传感器24的另一端连接到晶体管27的发射极。晶体管25的发射极和晶体管27的集电极都连接到中性线端N。电流传感器24的另一端还连接到二极管28的阴极。二极管26的阴极连接到电容器29的一端。二极管28的阳极连接到另一个电容器31的一端。二极管29和31中每一个的另一端连接到中性线端。
电容器29两端的电压通过并联晶体管25和串联二极管26的开关操作与电感器21的组合效应来增压。电容器31两端的电压通过并联晶体管27和串联二极管28的开关操作与电感器22的组合效应来增压。双电压增压器电路16的输出是电容器29和31两端的电压，这些电压之和保持不变，形成DC链电压。
制动控制器30连接到DC链电压上。制动控制器30包括与晶体管Th串联的电阻器Rh，电阻器Rh连接到晶体管Th的集电极。反向偏置二极管Dh与电阻器Rh并联。晶体管Th的基极连接到制动电压控制器(未显示)。
电压传感器32连接于所述电容器29两端，由此可用于监视电容器29两端的电压Va。此外，电压传感器32还连接于所述电容器31上，由此可用于监视电容器31两端的电压Vb。因此电压传感器32可用于监视DC链电压。电压传感器32发出两个输出信号SVa和SVb，它们分别表示电容器29和电容器31两端的电压。
每个电流传感器23、24的输出连接到相应电流控制器33、34的输入，以分别提供至增压器晶体管25、27的基极的脉冲宽度调制的驱动电路，以作为电流源提供控制的电流来分别根据电压控制器35、36的调整维持电容器29、31两端的Va和Vb恒定。
电压控制器35和36的每一个具有四个输入端口并在这些输入端口之一上接收电压传感器32发出的输出信号SVa和SVb中的相应一个输出。每个电压控制器35、36在其另一输入端口接收相应的参考信号Svar、SVbr。将来自速度传感器12的输出信号Ssp馈送到每个电压控制器35、36的第三输入端口以及将参考信号St馈送到其第四输入端口。参考St是最大允许电流。它转换成给定稳定状态功率要求下的限制速度，因为电流因原动机10速度改变而变化。参考St选择为当原动机10以在选择的最大和最小发动机速度Srmax和Srmis之间的某个工作速度工作且负载连接于中间DC电压上时的电流。每个电压控制器35、36具有一个输出，它发出相应的电流需求信号Simxa、Simxb，以馈送到相应电流控制器33、34的输入。
第二转换器17具有连接到二极管26的阴极和电容器29的一端的正输入和通过第三电流传感器37连接到二极管28的阳极和电容器31一端的负输入。第二转换器17具有对应于各相位的电源输出端U、V、W，用于连接到外部负载。每个相位U、V、W的输出通过相应滤波器电路连接到中性线端，所述相应滤波器电路包括相应的串联电感器38、39、41和电容器42、43、44。
第三电流传感器37测量双增压器电路16和第二转换器17之间的电流。电流传感器37发出信号S1db，此信号馈送到速度校正电路45的三个输入之一。速度校正电路45的另一个输入接收参考信号SrLC，以及速度校正电路45的输出是信号Srs，它馈送到速度控制器13。
第二转换器17的三相输出的每个相位U、V、W的AC电源输出通过三对晶体管46和47；48和49；51和52中相应一对的双稳态开关装置的操作生成，其中所述三对晶体管彼此并联并且与电容器对29和31并联。每对晶体管46和47；48和49；51和52之间的串联连接分别通过电感器38、39、41连接到相应的电源输出端U、V、W。这些电源输出端U、V、W是图1所示的AC/AC转换电路14的电源输出端。
当AC/AC转换电路14的每个电源输出U、V、W连接到外部负载53、54、55时，跳闸开关56、57、58经由相应的负载53、54、55连接于相应的电源输出U、V、W与系统的中性线N之间，每个跳闸开关56-58各具有连接到相应电源输出U、V、W的一个电极和连接到相应负载53-55的另一个电极。对应于每个相位的另一个电流传感器59、61、62(参见图2)在相应电感器38、39、41的一侧(如图所示)或另一侧连接于相应的电源输出U、V、W与相应的跳闸开关56、57、58之间，以测量流经电感器38、39、41的电流。电压传感器63检测连接到每个电源输出U、V、W的每条线路与中性线端N之间的输出电压。每个跳闸56、57、58适于在该线路中的电流持续在某个水平上持续了一定时间时跳闸并断开与相应负载53、54、55的连接。图3所示的曲线是跳闸开关56-58跳闸时电流值和流逝时间的关系曲线图。
发电机组正常工作时产生的所需要的输出频率和电压值的参考水平由振幅和频率校正电路64(参见图2)提供，该电路具有七个输入和三个输出。它从电压传感器32接收输出信号SVa和SVb，SVa和SVb分别指示电容器29和31上的电压，这些电压共同构成相应输入上的DC链电压。在剩余的五个输入上，它接收相应的参考信号SRIF、SRRF、Sru1、Srv1和Srw1。来自电压、振幅和频率校正电路64的三个输出Sru2、Srv2和Srw2馈送到逆变器控制器65的三个输入中相应的一个输入上。逆变器控制器65具有连接到中性线N的另一个输入。它还从电压传感器63接收三个输入信号Svu、Svv和Svw，以及从相应的电流传感器59、61、62接收三个输入信号SIu、SIv、Siw，所述电流传感器测量通过各电感器38、39、41的电流。逆变器控制器65通过从相应的输出Tau、Tbu、Tav、Tbv、Taw、Tbw发送相应的脉冲宽度调制信号来控制逆变器17的三对晶体管的晶体管46、47、48、49、51和52的开关操作，上述输出连接到相应晶体管46、47、48、49、51、52的基极。因此，每个相位的AC输出U、V、W具有基本固定的频率和电压，并且该基本固定的频率和电压AC输出在正常情况下通过相应的跳闸开关56-58提供给相应的负载53-55。
发电机11的可变频率和电压AC输出的每个相位通过相应的开关装置66、67、68连接到AC/AC转换电路14的三个电源输出U、V、W中相应的一个输出上。每个开关装置66、67、68包括一对并联的电控的单向开关Thr1和Thr2、Ths1和Ths2以及Tht1和Tht2。每个电控的单向开关Thr1、Thr2、Ths1、Ths2、Tht1、Tht2是晶闸管。每对开关Thr1和Thr2、Ths1和Ths2、Tht1和Tht2作了相反地偏置，因此在接通时，当相位为正时，开关Thr1、Ths1、Tht1之一传输发电机11的三相输出的相应相位，而当相位为负时，并联开关对的另一个开关Thr2、Ths2、Tht2传输相应的相位。
单向开关Thr1-Tht2连接到发电机组的控制装置，此控制装置适于使这些开关中的每一个开关接通和断开。在本发明的一个实施例中，每个单向开关Thr1-Tht2连接到逆变器控制器65的相应输出上，该逆变器控制器从测量从AC/AC转换电路14流到相应负载53-55的电流的相应电流传感器59、61和62接收输入信号SIu、SIv和SIw，所述逆变器控制器65适于发出点火信号，此信号触发单向开关Thr1-Tht2中的每一个，使其从断开状态转到接通状态。
在系统的正常操作过程中，单向开关Thr1-Tht2处于断开状态，因此没有电流通过它们流到电源输出U、V、W。如果电流传感器59、61和62检测到电流以某一水平流经任一输出U、V、W持续了一定时间，相当于电动机启动系统中的短路或过流状况，需要触发相应的跳闸开关56-58，则逆变器控制器65通过逆变器控制器65与速度校正电路45的第三输入之间的适合的连接使单向开关Thr1-Tht2接通并使发电机11加速。这导致发电机输出增加。该输出通过相应的开关Thr1-Tht2直接馈送到电源输出U、V、W，由此将明显更高的电流馈送到那些输出，从而旁路AC/AC转换电路14并立刻触发跳闸开关56、57和58的跳闸。发电机11的AC输出的频率大大高于AC/AC转换电路14的三相输出U、V、W的频率，例如大约为该频率的两倍。因此，在端子U、V、W上的输出电压的半周期中，发电机输出电压从正变为负。由此，当发电机输出电压降到AC/AC转换电路14的输出电压以下且当通过相应单向开关Thr1-Tht2的电流降为零时，单向开关Thr1-Tht2将自然断开。
但是，在图1-3所示的本发明的优选实施例中，实现了使触发单向开关Thr1-Tht2从断开状态到接通状态与AC/AC转换电路14的输出的基本固定的频率以及与发电机11的输出的可变频率同步，后一个频率约为前者的两倍。
因此，对应于每个相位的电流传感器69、71、72(参见图1)连接于相应开关装置66、61、68和A/C转换电路14的相应电源输出U、V、W之间。每个电流传感器69、71、72产生实际的电流信号Iui-act、Ivi-act、Iwi-act，它们分别指示通过开关装置66-68的旁路电路的相应相位中的电流。
图1图示了用于控制开关装置66-68的晶闸管Thr1、Thr2、Ths1、Ths2、Tht1、Tht2的接通，以提供上述同步的系统。该控制系统包括集成电压传感器73，它检测连接到每个电源输出端U、V、W的每条线路与中性线N之间的输出电压。图1所示的传感器73最好是与图2所示电压传感器63相同的传感器，但它可以是另一个传感器。不管怎样，传感器73均可操作以发出各相位的相应实际电压输出信号Vui-act、Vvi-act、Vwi-act和各相位的相应rms输出电压信号Vurms-act、Vvrms-act、Vwrms-act。
有三个rms电压调节器74、75、76，每个相位一个。各rms电压传感器74、75、76分别在一个输入上从集成电压传感器73接收相应的rms输出电压信号Vurms-act、Vvrms-act、Vwrms-act以及在另一个输入上接收参考rms电压信号Vrms-ref。各rms电压调节器74、75、76分别在其输出上产生相应的参考电流信号Iui-act、Ivi-act、Iwi-act。正常情况下，每个实际的rms输出电压信号Vurms-act、Vvrms-act、Vwrms-act在量值上大于参考rms电压信号Vrms-ref，此情况下，相应输出参考电流信号Iui-ref、Ivi-ref、Iwi-ref为零。但是，当AC/AC转换电路的相应电源输出线U、V、W中的电流上升到某个水平已持续了一定时间，相当于永磁电动机驱动系统中的短路或过流状况，以致需要使相应的跳闸开关56、57、58跳闸并断开与相应负载的连接时，相应的实际rms输出电压信号Vurms-act、Vvrms-act、Vwrms-act将降低到参考rms电压信号Vrms-ref之下，在此情况下，相应的输出参考电流信号Iui-ref、Ivi-ref、Iwi-ref将是量值大于零的正弦信号。
有三个电流调节器77、78、79，每个相位一个。每个电流调节器77、78、79具有三个输入和一个输出。各电流调节器77、78、79分别在一个输入上从集成电压传感器73接收相应的实际的电压输出信号Vui-act、Vvi-act、Vwi-act以及在另一个输入上从相应的rms电压调节器74、75、76接收相应的参考电流信号Iui-ref、Ivi-ref、Iwi-ref以及从相应的电流传感器69、71、72接收实际的电流信号Iui-act、Ivi-act、Iwi-act。当相应的正弦参考电流信号Iui-ref、Ivi-ref、Iwi-ref的量值大于零时，各电流调节器77、78、79在其输出上产生相应的参考信号Aru、Asv、Atw。当相应的跳闸开关56、57、58跳闸时从各电流调节器77、78、79发出相应的参考信号Aru、Asv、Atw，这些信号称为角度信号。相应的参考信号Aru、Asv、Atw在相应的实际电压输出信号Vui-act、Vvi-act、Vwi-act为正时为正，而在相应的实际电压输出信号Vui-act、Vvi-act、Vwi-act为负时为负。
每个参考信号Aru、Asv、Atw馈送到晶闸管点火控制器81。同步单元82具有四个输入和一个输出。同步单元82的四个输入中的每一个输入连接到发电机11的电源输出R、S、T中相应的一个输出以及中性线N上。同步单元82的输出指示输出电压的每个相位R、S、T的瞬间电角度，它连接到晶闸管点火控制器81的第四个输入。
晶闸管点火控制器81将它接收的每个角度信号Aru、Asv、Atw转换成相应的晶闸管点火信号，并控制这些与发电机输出电压的相应相位R、S、T的电角度有关的晶闸管点火信号。当各角度信号Aru、Asv、Atw为正时，相应的晶闸管点火信号用于触发所述发电机输出的相应相位R、S、T的相应晶闸管Thr1、Ths1、Tht1。当各角度信号Aru、Asv、Atw为负时，相应的晶闸管点火信号用于触发所述发电机输出的相应相位R、S、T的另一相应晶闸管Thr2、Ths2、Tht2。
各角度信号Aru、Asv、Atw确定在相应周期中相应晶闸管Thr1-Tht2要从断开状态触发到接通状态的电角度位置。应理解，可采用逻辑器件来确定将各晶闸管点火信号导向哪一个晶闸管Thr1-Tht2，以在正弦输出电压Vui-act、Vvi-act、Vwi-act为正以及当它为负时触发晶闸管Thr1-Tht2从断开状态转为接通状态。
因此，无论何时AC/AC转换电路14的电源输出的相应相位为正，如持续约10毫秒，以及相应的输出参考电流信号Iui-ref、Ivi-ref、Iwi-ref的量值大于零，则将反复触发在发电机输出电流为正时传输它的晶闸管Thr1、Ths1、Tht1，使得发电机输出电流的多个正脉冲会在AC/AC转换电路14的电源输出为正的半周期期间通过相应的开关装置66-68传输到输出U、V、W。再者，可以使触发晶闸管Thr1-Tht2的定时与正弦波形式的发电机输出电流同步以及与正弦波形式的AC/AC转换电路14输出同步，以便使在AC/AC转换电路14的输出电流的半周期期间通过相应的旁路电路开关装置66-68馈送的发电机输出电流的脉冲数量最大化。
对于以上参照图1至3所述的包括异步旁路电路的发电系统而言，不一定要包括图1所示的中性线N，所述异步旁路电路具有用于短路或电流过载保护的大电流单向开关(如晶闸管)。此类系统中的旁路操作原理与以上参照图1至3所述的相似。
图4显示在发电机、整流器和电控的单向开关的详细配置方面与以上参照图1至图3所述的不同的系统。为方便起见，省略了用于控制晶闸管的开关的系统的图示。图4所示发电机PMG是具有两个三相可变频率和电压输出PMG1和PMG2的永磁发电机。这两个三相可变频率和电压输出PMG1和PMG2中的每一个通过两个全波桥式整流器Re1和Re2中相应的一个来整流。每个桥式整流器Re1、Re2具有至中性线端的连接并且具有相对于中性线端，在桥式整流器Re1的情况下为正，而在桥式整流器Re2的情况下为负的电源输出端。图4显示的发电机组的AC电源输出的中性线N连接到两个桥式整流器Re1和Re2的公共中性线端，而不是如图1和图2所示连接到发电机11的中性线端。
从三相发电机绕组PMG1输出的三相AC中的每个相位通过相应的电控的单向开关Tyup、Tyvp、Tywp连接到系统的三个电源输出U、V和W中相应的一个输出上，其中所述电控的单向开关是晶闸管。同样地，从三相发电机绕组PMG2输出的三相AC的每个相位通过相应的电控的单向开关Tyun、Tyvn、Tywn(也是晶闸管)连接到系统的三个电源输出U、V和W中相应的一个输出。使三个开关Tyup、Tyvp、Tywp偏置，以在发电机组绕组PMG1的三相输出的相应相位为正时传输该相位，而使其它三个开关Tyun、Tyvn和Tywn作相反地偏置，以在发电机组绕组PMG2的三相输出的相应相位为正时传输该相位。同样，单向开关Tyup-Tywn连接到系统的控制装置，所述控制装置适于根据适当的点火信号触发它们中的每一个，使其从断开状态转为接通状态。参照图4所述和所示的系统在其它方面以与以上参照图1至3所述的系统类似的方式工作。
图5显示对以上参照图1和2所述和所示的系统的另一种修改，其中，图1和图2所示系统的三相发电机11以及整流器18和19被替换为永磁发电机和整流器Re1、Re2、Re3和Re4的不同拓扑。
图5所示的永磁发电机PMG具有一个星型连接的双三相定子绕组PMG1和PMG2。星型连接的双三相定子绕组PMG1和PMG2的公共端连接到中性线端N。该双三相定子绕组PMG1和PMG2的其它端中的每一端连接于共阴极三脉冲整流器Re1、Re2的相应阳极和共阳极三脉冲整流器Re3、Re4的相应阴极之间。三脉冲整流器Re1和Re2中的每一个的公共阴极通过一对耦合电感器Lra中相应的一个电感器连接至系统增压器电路的正极性线的电感器Lba。三脉冲整流器Re3和Re4中的每一个的公共阳极通过一对耦合电感器Lrb中相应的一个电感器连接至系统增压器电路的负极性线的电感器Lbb。该耦合电感器Lra确保共阴极三脉冲整流器Re1和Re2的并行操作。同样，耦合电感器Lrb确保共阳极三脉冲整流器Re3和Re4的并行操作。由此，通过耦合电感器Lra减少了相应共阴极三脉冲整流器对Re1和Re2的DC输出整流电压之间的差，通过耦合电感器Lrb减少了共阳极三脉冲整流器对Re3和Re4的DC输出整流电压之间的差。因此，连接到为系统的增压器电路供电的正极性线或负极性线的电感器Lba和Lbb的DC输出具有六脉冲整流器的输出特性。
永磁发电机PMG的星型连接的双三相定子绕组的三绕组PMG1连接于共阴极三脉冲整流器Re1与共阳极三脉冲整流器Re3之间，并且还分别通过电控的开关装置Tu、Tv、Tw中相应的一个连接到系统的三个电源输出U、V、W中相应的一个。下文将参照图1至图3从其它方面描述系统的操作。
图6显示一个与以上参照图5所述系统相似的系统。不同之处在于，永磁发电机PMG的另一组星型连接的三相定子绕组PMG2的三个绕组中的每一个绕组连接于共阴极三脉冲整流器Re2与共阳极三脉冲整流器Re4之间，并且还分别通过相应的开关Tu2、Tv2和Tw2连接到三个电源输出端U、V、W中相应的一个输出端。开关Tu2、Tv2和Tw2中的每一个包括一对并联的相反偏置的单向开关Tyup2和Tyun2；Tyvp2和Tyvn2；以及Tywp2和Tywn2，这些开关是晶闸管。通过下文描述可理解图6所示系统的操作。
图7显示以上参照图1至图3所示发电系统中所用异步旁路电路的一种修改形式，这种形式使其特别适合用作电动机启动系统。对应于图1所示系统中相似部分的图7所示系统中的部分以同样的参考标记来标识。通过这种修改，发电机11的可变电压和高频率的输出的每个相位R、S、T通过相应的开关装置连接到AC/AC转换电路14的相对低的固定频率输出的每个相位U、V、W。更具体地说，除了通过开关装置66连接到输出相位U，发电机输出相位R还通过开关装置83连接到输出相位V，以及通过开关装置84连接到输出相位W。同样，除了通过开关装置67连接到输出相位V，发电机输出相位S还通过开关装置85连接到输出相位U，以及通过开关装置86连接到输出相位W。再者，除了通过开关装置68连接到输出相位W，发电机输出相位T还通过开关装置87连接到输出相位U，以及通过开关装置88连接到输出相位V。
如果电流传感器59、61和62检测到某个水平的电流通过输出U、V、W中的任何一个已持续了一定时间，相当于电动机启动系统中的短路或过流状况，因而需要触发相应的跳闸开关66、83、84或67、85、86或68、87、88跳闸，则根据以上参照图1所述原理构造的控制系统将控制这些三个开关组的触发，使得与以上参照图1所述的配置的情况相比，在AC/AC转换电路14的输出的相位U、V、W的每个半周期期间，有三倍之多的电流脉冲相继通过各旁路电路馈送到相应的相位U、V、W，从而提供适合于启动电动机的高质量的电压和电流。
Claims (23)
1.一种电源系统，包括：AC电源，其可操作以提供具有至少一个相位的AC输出电压；串励AC/AC转换电路，其包括可操作以通过将所述AC输出电压转换成中间DC电压来建立中间DC链的第一转换器装置和可操作以将所述中间DC电压转换成具有至少一个相位的AC输出电压以提供给外部负载的第二转换器装置；旁路电路，其将所述电源提供的AC输出电压的所述或每个相位直接连接到所述第二转换器装置的AC输出电压的相应相位，从而旁路所述串励AC/AC转换电路；所述旁路电路包括所述电源提供的所述AC输出电压的所述或每个相位的相应的、可电控的单向开关装置，所述可电控的单向开关装置可操作，以允许当所述电源系统连接到外部负载时电流通过所述旁路电路以及通过所述串励AC/AC转换电路；电流检测装置，其可操作以在所述电源系统连接到外部负载时检测来自所述串励AC/AC转换电路的输出电流；以及控制装置，其响应所述电流检测装置，且可操作以控制所述单向开关装置，由此控制电流通过所述旁路电路；其特征在于：针对所述第二转换器装置的AC输出电压的所述或每个相位和所述旁路电路的相应相位，设置了相应的跳闸开关；所述单向开关装置在正常情况下为开路，使得正常情况下没有电流通过所述旁路电路，但是所述控制装置可响应所述电流检测装置检测到通过所述串励AC/AC转换电流的电流超过预定电流预定时间而执行操作以使所述单向开关装置闭合，从而使从所述串励AC/AC转换电路经所述跳闸开关至所述外部负载的电流增加了经由所述旁路电路而来的电流，由此使每个跳闸开关因通过它的电流增加而跳闸。
2.如权利要求1所述的电源系统，其特征在于：所述AC电源包括发电机装置，其可操作以产生所述AC输出电压。
3.如权利要求2所述的电源系统，其特征在于：所述发电机装置可操作以产生可变电压发电机输出作为所述AC电源的所述AC输出电压；所述AC电源还包括以驱动方式与所述发电机装置耦合的可变速度原动机，以及可操作以控制所述原动机速度的速度控制装置；所述电源系统还包括检测装置，其可操作以在所述外部负载连接到所述AC电源输出端上时监视所述中间DC链以及向所述速度控制装置提供反馈信号，由此使所述可变电压发电机输出变化，以及反控所述中间DC电压的变化趋势。
4.如权利要求1至3中任一项所述的电源系统，其特征在于：它是电动机启动系统，其中所述第二转换器装置的AC输出电压的所述或每个相位连接到所述永磁电动机的一个定子绕组的相应相位。
5.如权利要求1至4中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述单向开关装置的所述或每个可电控的单向开关是晶闸管。
6.如权利要求3所述或从属于权利要求3的权利要求4和15中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述可变电压发电机输出是多相输出。
7.如权利要求6所述的电源系统，其特征在于：所述可变电压发电机输出的一个或多个相位连接到所述第一转换装置的正输入，而所述可变电压发电机输出的另一个相位或另外的相位则连接到所述第一转换器装置的负输入。
8.如权利要求5至7中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述旁路电路包括一对相反偏置的晶闸管，它们并联连接到所述第二转换器装置的所述AC输出电压的所述相应相位。
9.如权利要求8所述的电源系统，其特征在于：所述发电机输出的所述或每个相位由所述旁路电路通过一对相应的相反偏置晶闸管连接到所述第二转换器装置的所述AC输出电压的所述相应相位。
10.如从属于权利要求5且从属于权利要求6和7中任一项的权利要求8所述的电源系统，其特征在于：所述多相可变电压发电机输出的每个相位由所述旁路电路通过相应的晶闸管连接到所述第二转换器装置的所述AC输出电压的所述相应相位。
11.如从属于权利要求7的权利要求10所述的电源系统，其特征在于：所述可变电压发电机输出的所述一个或多个相位借以连接到所述第二转换器的输出的所述相应相位的所述或每个晶闸管相对于所述其它或另外的相位借以连接到所述第二转换器的输出的所述相应相位的所述或每个晶闸管作相反地偏置。
12.如权利要求5至11中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述或每个晶闸管在所述系统的正常操作期间断开，以及在检测到通过所述串励AC/AC转换电路的电流超过预定电流预定时间时，通过所述控制装置的操作接通。
13.如权利要求12所述的电源系统，其特征在于：所述控制装置可操作，以在检测到通过所述串励AC/AC转换电流的电流超过预定电流预定时间时激励所述速度控制装置使所述原动机加速。
14.如权利要求7、11或从属于权利要求7的权利要求8至10、12和13中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述第一转换器装置包括与所述可变电压发电机输出的一个或多个相位连接的一个全波整流器装置以及与所述可变电压发电机输出的其它或另外的相位连接的另一个全波整流器装置，这两个全波整流器装置中的每一个具有连接到所述中性线的端子。
15.如权利要求2或3或从属于权利要求2的权利要求4至13中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述永磁发电机包括两组星型连接的多相定子绕组，所述两组中每组的每个所述定子绕组连接于具有正输出和负输出的相应的多相二极管整流器装置的相应分支的二极管之间；所述整流器装置的正输出连接到所述第一转换器装置的正输入，所述整流器装置的负输出连接到所述第一转换器装置的负输入，以及所述两组星型连接的多相定子绕组的公共端子连接到所述中性线。
16.如权利要求14所述的电源系统，其特征在于：所述整流器装置的正输出和负输出的每一个通过相应的多耦合绕组电感装置连接到所述第一转换器装置的所述相应输入。
17.如权利要求1至16中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述控制装置可操作以使所述电源提供的所述AC输出电压的所述或每个相位的相应的所述单向开关装置的闭合与所述电源提供的所述相应AC输出电压的频率以及所述第二转换器装置的所述AC输出电压的相应相位的频率同步。
18.如权利要求17所述的电源系统，其特征在于：所述电源提供的所述AC输出电压的频率高于所述第二转换器装置的所述AC输出电压的频率，并且所述控制装置适于控制所述或每个相位的所述单向开关装置的闭合，以便在所述第二转换器装置的所述AC输出电压的相应相位的正半周期期间，从所述电源通过所述相应的单向开关装置将一系列正电流脉冲馈送到所述第二转换器装置的所述AC输出的所述相应相位。
19.如权利要求18所述的电源系统，其特征在于：所述控制装置可操作以监视所述第二转换器装置的所述AC输出电压的所述或每个相位的rms值，以及在该rms电压值小于某个参考值时触发接通该相位的所述相应旁路电路的单向开关装置。
20.如权利要求17至20中任一项所述的电源系统，其特征在于：所述电源提供的所述AC输出电压的各相位通过具有自己的单向开关装置的相应的旁路电路连接到所述第二转换器装置的所述AC输出电压的各相位。
21.如权利要求20所述的电源系统，其特征在于：所述控制装置可操作以控制对各单向开关装置的触发，以便从所述电源通过各单向开关装置将电流脉冲相继地馈送到所述第二转换器装置的所述AC输出。
22.一种永磁发电机，包括两组星型连接的多相定子绕组，所述两组中每组的每个所述定子绕组连接于具有正输出和负输出的相应的多相二极管整流器装置的相应分支的二极管之间；每个所述整流器装置的正输出用于连接到根据本发明所述一个方面的发电系统的所述第一转换器装置的正输入；每个所述整流器装置的负输出用于连接到所述第一转换器装置的负输入；以及所述两组星型连接的多相定子绕组的公共端子用于连接到所述发电系统的中性线。
23.如权利要求22所述的永磁发电机，其特征在于：所述整流器装置的正输出和负输出中的每一个输出通过相应的多耦合绕组电感装置连接到所述第一转换器装置的相应输入。
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