CN202565222U - 调节发电机组的交流发电机的输出电压的系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种对发电机组(1)的交流发电机(3)的输出电压进行调节的系统，该发电机组包括对所述交流发电机进行驱动的发动机(2)，该交流发电机(3)包括具有磁极轮的转子，该系统包括：用于检测交流发电机的输出处的功率增加的装置；以及用于改变磁极轮(8)中电流的值的装置，其改变磁极轮(8)中电流的值，以使交流发电机(3)的输出电压(U)达到一个值，该值低于检测到所述增加之前的值。

Description

调节发电机组的交流发电机的输出电压的系统

技术领域

本实用新型涉及对发电机组中的交流发电机的调节。

背景技术

一个发电机组由一个发动机以及一个交流发电机的组件构成。为了提供一个额定电压以及频率，发动机和交流发电机都装备有调节装置。发动机装备有被整合到该发动机的燃料喷射系统中的一个电子速度调节器。除其它之外，发动机速度的调节会取决于发动机轴的旋转速度的测量值，例如通过一个传感器对每时间单位内一个有齿的环齿轮在该传感器前面经过的齿数进行计数。

通过由这个传感器发送的信号，速度调节器的喷射计算机确定了燃料喷射水平从而将速度保持在一个预定值上，但是并不具有施加到该发动机上的负载水平的直接知识，因为还不存在经济的手段来用于将这个负载水平告知计算机。

施加到发动机上的负载的每个变化，无论它是增加还是减少，均会导致这个发动机转数的瞬时减少或增加，而速度调节器试图通过一个适当的喷射水平来对其进行校正。

在已知的发电机组中，仅仅是通过速度和喷射水平的知识，该调速器就确定了施加到发动机上的这个负载水平。

对发动机所要求的扭矩C是直接与交流发电机的输出处的电流I成比例的。实际上，发动机的功率P的定律为：

P＝C.w，

其中，w是发动机的旋转速度。

交流发电机的功率定律P为：

其中，U是交流发电机的输出电压，并且

是电流I与电压U之间的相移。

发动机和交流发电机是机械式连接的，对于在偶联效率之内，它就有可能写为：

在一个大的有效负载的施加过程中，

变得接近于1，并且交流发电机的电压下降。交流发电机装备有一个电压调节器，该电压调节器通过在磁极轮中增加电流而迅速校正这个电压下降。

负载的这种变化还导致速度的下降，因为对发动机所要求的扭矩C增大了。发动机没有能力立即响应这个需求，其速度w下降，这是因为扭矩C的一部分是从旋转动能的储备中抽取的。

实质上，发动机增加速度的方式是以这个电压调节器如何快速地将帮助施加到发动机上为条件的。

涡轮增压器发动机正被越来越多地使用在发电机组中。这种类型的发动机的一个缺点是如果涡轮增压不能正确地被启动那么它的性能会降级。

现在，负载的大量增加会倾向于就发动机的正确运行而言使得发动机过度减速。在怠速运行的过程中，进气口的压力是接近于大气压力的，而一旦负载的增加被施加到发电机组上，发动机的速度就下降到这样一个点上，即：尽管有速度调节器在喷射系统上的反作用，排气流仍不足以将这些涡轮增压器的这个或这些涡轮启动到它们的运行状况中。于是它们没有能力使进气压力增加，而这种增加是为了使该发动机有能力加速并且恢复到其额定速度所要求的。因此，存在一个不返回的点，这里要求避免达到这个点。

在一种已知的方式中，这种发动机帮助被施加在发动机的速度已经下降并且其速度已经下落低于某一数值时。

根据现有技术的发电机组的额定运行点100表示在图1的曲线上，例如，如图所示，与交流发电机的输出处的、等于400V的电压Un以及等于50Hz的额定频率Fn相对应。

当负载出现增加时，发动机的速度w下降，频率F在被称为“拐点(elbow)”的点101处达到了一个例如为48Hz的阈值。在这个已知的解决方案中，于是施加了这种发动机帮助，从而使之有可能根据不同的过程来对发动机卸载，因此它尽可能快速地恢复了其设定点速度。

仅在发动机速度已经下降之后施加这种发动机帮助是不利的，这是因为除其它之外，发动机将会在启动其涡轮增压器、减小排气流、以及在恢复一个适合于使速度增加的进气压力方面具有更多的困难。此外，在额定运行点100与点101之间，对发动机所要求的扭矩已经增加，已经响应了调节规则的这个电压调节器就有可能使电压U保持恒定。

在图2中表示了随时间t(用秒来表达)变化的三条曲线102、103和104，曲线102表示与发动机的速度w相关的频率F，曲线103表示交流发电机的输出电压U并且曲线104表示电流I。

电压U(如在曲线102、103和104的放大部分中展示的)仅仅在频率F已经在这个点101下方经过时才下降。这种反应延迟对于使发动机速度增加是不利的。

除了其它以外，对于发电机组通常要求的指标是ISO标准8528的G2指标。除其它之外，这些指标规定了有待施加到发电机组上的负载相对于其额定功率的百分比，从而使得它不会下降到其额定速度的10％之下以及其额定电压的20％之下。对于一个给定的发电机组，有待施加的负载的百分比越高，这个机组就越好。

基于一种速度的测量，已知的发动机帮助的这种反应延迟不会致使这个系统最佳并且就负载的大量增加而言不会允许这个发电机组将其速度下降控制在以上指标所允许的10％之内。

从专利US 5 703 410中已知，基于交流发电机的输出处的矫正的电压的知识来监测交流发电机的励磁电流以及燃料喷射。

从申请EP 1 938 447中也已知，当检测到一个负载变化时，通过监测装置发送一个控制信号(它代替了速度调节器的输出信号)来控制发电机组的燃料吸入致动器。

实用新型内容

存在着一种要求来进一步改进发电机组的性能，尤其是在负载增加的过程中，以便除其它之外协助涡轮增压器发动机的使用。

本实用新型的目的在于至少部分地应对这种要求并且将其实现，根据其多个方面的一个，这是通过一种对发电机组的交流发电机的输出电压进行调节的方法，该发电机组包括对所述交流发电机进行驱动的发动机，该交流发电机包括具有磁极轮的转子，该方法包括以下步骤：

检测该交流发电机的输出处的功率增加，并且在检测到增加的情况下，改变这个磁极轮中电流的值，以便暂时性地使交流发电机的输出电压达到一个值，这个值低于检测到这个功率增加之前的值，以此来减小对发动机所要求的扭矩水平，优选地是在发动机速度已经下降之前。

通过本实用新型，磁极轮中的电流甚至在低施加负载的情况下也被适当地降低，并且在为增加该发动机的功率而要求的时间段上该发动机扭矩以一种适当的方式被减少。

交流发电机的电压调节器可以在任何时候观察施加到这个发电机组上的负载水平并且非常快速地计算有功功率的份额。

在本实用新型中，由此可以通过了解被施加到发电机组上的负载的功率来进行调节。因此，一旦该负载增加，就可以将一种校正作用施加到发电机组上。发电机组的性能得到增强而其特性没有任何其它改变。

在对经过这个交流发电机的主电枢绕组的电流进行测量的电流传感器的帮助下、以及在交流发电机的输出处的电压的知识的帮助下可以确定的交流发电机的输出处的功率。这个信息被传输到交流发电机的电压调节器的计算机上，该计算机可以计算出功率以及功率的变化。这个功率可以通过电压调节器的通常已知的电学量值来计算。

通过观察多个电学量值来检测负载增加就允许了预期发动机的速度下降，并且使之有可能根据交流发电机的输出电压下降使交流发电机的输出处的电流以及由此的对发动机所要求的扭矩的降低。速度的下降就以一种有效的方式而受到限制。

磁极轮中电流的值的这种改变以及作为结果而导致的交流发电机电压的下降可以取决于检测到这种增加时已知的功率水平。知道发电机组的负载水平是有用的，在负载增加过程中，发动机在负载增加前的状态会影响其行为，例如，进气压力。

磁极轮中电流的或者交流发电机的输出电压的这种改变可以通过一种线性的或非线性的方式来取决于交流发电机的输出处的功率相对于时间的导数，这个导数有可能持续地、以规律的间隔计算出来。

随着交流发电机的输出处的功率变化的磁极轮中电流的值或者交流发电机的输出电压的值的这种演进可以遵循一个预定的控制规则，例如，在表中预先记录的、或者根据有至少一个参数(例如，功率水平)的函数计算出。

这个交电发电机的输出可以对三相网络供电，发动机的额定旋转速度为例如1500rpm，并且交流发电机的多个相之间的额定输出电压是例如400V且50Hz。

为了对磁极轮中的电流起作用，有可能的是在交流发电机包括励磁机(它具有线圈式定子)时对励磁机的励磁电流起作用。磁极轮中电流的改变可以例如通过减少励磁机的励磁电流来实现。

具体地说，在交流发电机包括励磁机(其定子包括多个永磁体)的情况下，有可能通过以下方式对磁极轮中的电流起作用：将切换系统安排在该转子上使之有可能调制该磁极轮中的电流。

在这样的一个变体中，该交流发电机在该转子处可以包括对该切换系统进行控制的控制器。传输系统，例如无线的，可以与位于该交流发电机的定子处的电压调节器通信。

这个电压调节器可以控制这个切换系统以便用跨过磁极轮的这些端子的电压的脉宽调制来调节。这个调节器可以随着磁极轮电流的值或搜索到的输出电压的变化来改变脉宽调制的占空比。这样一个变体使之有可能在负载变化时改进交流发电机的响应时间。

根据本实用新型的调节方法可以与旨在改进发电机组的运行的其它调节措施相组合，例如，旨在随着发动机的旋转速度的变化来改变燃料喷射到发动机中的流速或者交流发电机电压的降低的多种措施。

根据本实用新型的多个方面中的另一个，本实用新型的主题进一步是一种用于对发电机组的交流发电机的输出电压进行调节的系统，这个发电机组包括对所述交流发电机进行驱动的发动机，这个交流发电机包括具有磁极轮的转子，这个系统被配置为检测该交流发电机的输出处的功率增加并且改变这个磁极轮中的电流的值，以便使这个交流发电机的输出电压达到一个值，这个值低于检测到增加之前的值。

这个调节系统可以包括计算机，这个计算机对功率相对于时间的导数进行计算，并且当这个导数是正的或者大于某一阈值时，指示了这个交流发电机的输出处的电压减小以便优选地在发动机已经减速之前减少对发动机所要求的扭矩水平。

在电压中发生的减小可以取决于在变化之前(初始状态)测量的功率水平，这个校正量优选是在低功率(发动机怠速)时比高功率(发动机被加载)时更高。

这个调节系统可以被整合到交流发电机的电压调节器中。发动机速度调节器的运行可以完全是独立于这个调节系统的。

本实用新型的所有以上已经列出的关于该方法的特征同样认为是关于该调节系统的。

附图说明

通过阅读以下的实现方式的非限制性实例的详细说明并且通过查看附图可以更好地理解本实用新型，在附图中：

图1和图2(已经予以说明)表示多条对根据现有技术的发电机组的调节进行展示的曲线，

图3表示根据本实用新型的一个发电机组，

图4表示根据本实用新型的一个交流发电机，

图5以一种示意性的方式表示了根据本实用新型的发电机组的调节链，并且

图6和图7表示根据本实用新型的一种交流发电机的变体。

具体实施方式

根据本实用新型的发电机组1(图3中展示的)包括发动机2以及交流发电机3。

发动机2有利地是涡轮增压的发动机，但是本实用新型不受限于一种具体的发动机类型。

交流发电机3的输出例如对三相网络供电，发动机2的额定旋转速度w_n是例如1500rpm，额定频率F_n是等于例如50Hz，并且在该交流发电机的多个相之间的额定输出电压U_n是例如400V。

交流发电机3的转子19在该说明的实例中包括整流器17，该整流器由全波二极管桥构成，从而在励磁机电枢7的基础上为DC总线23供电。

交流发电机3在定子20处包括励磁机感应器28并且主电枢绕组27被连接到负载30上，示意性地表示出。

发动机2包括速度调节器4，该速度调节器包括喷射计算机，该喷射计算机对该发动机的燃料喷射(或者这些气体的控制)进行计算，从而使得旋转速度w尽可能在额定值w_n处保持恒定。

发动机2包括速度传感器5，它可以是例如感应性的、电容性的、或者光学的。传感器5例如被安排在由发动机2旋转驱动的有齿的环齿轮的前面，并且将多个脉冲(以与旋转速度w成比例的频率)发送到喷射计算机。

如在图4中展示的，交流发电机3包括电压调节器6，该电压调节器包括这样的系统：该系统用于对交流发电机3的输出电压进行调节并且被设计为基于交流发电机3输出处的功率的知识来检测负载增加。

该调节系统通过与交流发电机的输出处的多个电学的量相关的信息来计算交流发电机的输出处的功率P，例如交流发电机的输出处的多个相之间的电压U以及经过定子20的主电枢绕组27的电流，该电流是由传感器11来确定的。该电压调节器6可以是由具有多个永磁体9的发电机或者由任何其它装置来供电的。

该电压调节系统包括计算机12(例如基于微处理器的)，该计算机确定有待施加在磁极轮8中以便将电压的幅值保持在设定点的值上的电流，该设定点的值默认为额定电压U_n。

该调节系统被配置为当检测到功率增加时，改变磁极轮8中电流的值，以便用此方式使得交流发电机3的输出电压U达到一个值，这个值低于负载增加之前的值。

如在图5中展示的，在步骤110中有功功率P_tn是在每个瞬时t_n处测量的，在步骤111中记录下在瞬时t_n-1处测量的值P_tn-1。导数dP/dt是在步骤112中计算的。

在额定运行下，在不存在任何有待施加的校正的情况下，也就是说如果dP/dt是零或者小于预定阈值，该调节链使交流发电机的电压保持在该设定点的值116处，该设定点的值是额定电压。

如果有功功率的导数dP/dt是正的，就在步骤114中确定有待施加到该设定点的电压的校正量K，出于为了减小交流发电机的输出处的电压并且暂时性地减小对发动机所要求的扭矩的观点，从而允许发动机更容易地加速。为了减小该输出电压，调节器对磁极轮中的电流起作用。

由此，磁极轮中电流的值随着有功功率的导数dP/dt的变化而被改变。随着有功功率的导数dP/dt变化的磁极轮中的电流或者输出电压的这种演进遵循一个预定的控制规则，这种控制规则可以是列表的或在每个瞬时计算出的。控制规则取决于发动机及其性能。

磁极轮8中电流的值以及交流发电机的输出电压的改变是取决于交流发电机3的输出处的有功功率的变化，并且优选地还取决于有功功率的水平。由此，校正量K可以随着有功功率在瞬时t_n-1处的水平115的变化而得到调制。

因此，功率越高，则校正量可以是越小的，因为发动机已经具有一种允许其更好地对抗负载变化的运行方式。

一旦发动机的功率已经增加并且旋转速度w增加，就可以再次改变磁极轮中的电流的值，以便使输出电压U的值回到负载增加之前的那个值，回到该额定运行点100。

电压调节器6可以按一种常规的方式对定子20处的励磁电流起作用，从而改变磁极轮中的电流并且因此改变电压U。

在图6和图7表示的变体中，转子19包括内置的通信系统，并且DC总线23被连接到切换系统18上。可以设想的是过滤电容器21。可以设想具有基于闸流晶体管的或基于三端双向晶闸管的切换系统的其它装备。

切换系统18可以，如图所示，由续流二极管26以及由可切换的电子部件25(例如IGBT晶体管)形成。

控制器13控制着切换系统18，以便通过脉宽调制来调节磁极轮8中的电压。脉宽调制的占空比β除其它之外还取决于主要机器的输出电压，以便尽可能地将交流发电机3发出的电压保持在希望的值上。

在展示的实例中，转子19包括电流传感器10，用于对磁极轮8中的电流进行测量。如此测量的电流的值被传输到控制器13上。

在说明的这个实例中，定子20处的电压调节器6由电源32来供电，并且励磁机感应器28是线圈式的。HF无线通信系统被安排在交流发电机3的转子19的控制器13与定子20的电压调节器6之间。该无线通信系统是由安排在转子19处的传输模块14、安排在定子20处的传输模块29、以及连接所述这些模块的无线传输通道15形成的。

通过转子19的电流传感器10测量的磁极轮8中电流的值由无线通信系统14、15、29传输到定子20的电压调节器6上。

本实用新型不限于刚刚已经说明的这些实例。例如，该励磁机在图7的一个变体中具有多个永磁体的类型(未展示)。

除非另外说明，术语“包括一个”应理解为是与“包括至少一个”同义。

Claims (4)

1.用于对发电机组（1）的交流发电机（3）的输出电压（U）进行调节的系统，所述发电机组包括对所述交流发电机进行驱动的电动机（2），所述交流发电机（3）包括转子（19），所述转子具有磁极轮（8），所述系统包括：

用于检测所述交流发电机的输出处的功率增加的装置；以及

用于改变所述磁极轮（8）中电流的值的装置，其改变所述磁极轮（8）中电流的值，以使所述交流发电机（3）的输出电压（U）达到一个值，所述值低于检测到所述增加之前的值。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括计算机，所述计算机对有功功率相对于时间的导数进行计算，并且当所述导数是正的或者大于某一阈值时指示所述交流发电机的输出处的电压减小以便减少对所述发动机要求的扭矩水平。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述电压减小取决于在所述功率增加之前测量的功率水平，使得所述电压在低功率时比高功率时减小得更多。

4.根据权利要求1至3中任一个所述的系统，还包括控制器（13），所述控制器与所述转子一起旋转并且使得能够通过跨所述磁极轮的各端子的电压的脉宽调制来控制所述磁极轮中的电流。 

Images