TW201601449A - 發電機的勵磁輔助裝置及勵磁輔助電源控制方法 - Google Patents

Abstract

本發明是一種發電機的勵磁輔助裝置及其控制方法，係應用在連接有一自動電壓調整器(AVR)的一發電機，該勵磁輔助裝置設在一電瓶與該自動電壓調整器之間；其中，該勵磁輔助裝置係持續監測該發電機之輸出電源的電壓狀態，當輸出電源的電壓瞬間下降至預設變動程度時，該勵磁輔助裝置係將電瓶之直流電源加以轉換、升壓為一交流形式的輔助電源，並輸出該輔助電源予自動電壓調整器，令自動電壓調整器輸出勵磁能源予發電機，使發電機獲得該額外的勵磁能源以提升發電機之輸出功率。

Description

發電機的勵磁輔助裝置及勵磁輔助電源控制方法

本發明是一種發電機的勵磁輔助裝置及勵磁輔助電源控制方法，尤指一種可轉換電瓶的直流電源成為應用於發電機的一勵磁用的交流輔助電源。

發電機在運作時，需要利用一勵磁系統先建立一磁場而使發電機產生交流電源，建立該磁場之能量稱為勵磁電源。根據該勵磁電源的供給方式， 勵磁系統可區分為自勵式(自激式)、他勵式(他激式)或其它激磁等類型。而自動電壓調整器(AVR)即是用來控制勵磁系統的重要裝置，可決定發電機的輸出電壓是否穩定。

如圖7所示，自勵式的勵磁系統係指由發電機本身輸出的一部分電力供應給自動電壓調整器(AVR)，使該自動電壓調整器(AVR)能產生該勵磁電源再回送給發電機使用。但是此類系統的缺點在於，當發電機的負載突然增大(如啟動大型馬達)將導致發電機的輸出電壓下降，該自動電壓調整器的電源隨之陡降，導致自動電壓調整器輸出的勵磁電源亦會隨之下降至極低，最終造成發電機無法正常發電。

如圖8所示，他勵式的勵磁系統係指由發電機以外的一勵磁機提供該勵磁電源，例如以一永磁發電機(PMG)產生該勵磁電源。此類型的系統可克服前述自勵式系統的缺點，不會因負載變重而失去勵磁電源，而可持續提供勵磁電源給自動電壓調整器(AVR)使用。但是他勵式的勵磁機之體積龐大、重量大、建置成本高。

鑑於現有自勵式及他勵式之勵磁系統具有上述缺點，本發明之主要目的是提供一種發電機的勵磁輔助裝置及其控制方法，利用電瓶之電力而產生勵磁輔助電源，兼俱體積小、成本低、安裝方便等眾多優點。

為達到前述目的，本發明的勵磁輔助裝置係應用在具有一自動電壓調整器(AVR)的一發電機，該勵磁輔助裝置連接在一電瓶與該自動電壓調整器之間，勵磁輔助裝置包含有：

一處理器，其內部係預設有決定是否輸出一輔助電源V_AUX 之判斷條件；

一電瓶電壓輸入電路，係連接該處理器並接收及量測該電瓶的直流電壓，將該直流電壓轉換為一工作電源，所量測出之直流電壓值提供給該處理器；

一發電機輸出監測電路，係連接該處理器並偵測該發電機之輸出電壓的電壓值及頻率值，該輸出電壓的電壓值及頻率值提供給該處理器；

一設定電路，係連接該處理器，提供給使用者設定一預設電壓下降百分比p；

一輔助電源產生電路，係連接該處理器及電瓶電壓輸入電路，依據處理器控制而將電瓶的直流電壓轉換為交流形式的該輔助電源，並輸出該輔助電源至自動電壓調整器；

一輔助電源測量電路，係連接該處理器並測量該輔助電源之大小，以提供給該處理器。

該處理器所預設之判斷條件為 dV ≧ Vavg  × p，當前述判斷條件成立時係輸出該輔助電源，其中，各參數意義如下： Vavg：發電機輸出電壓移動平均值(moving average); Vi：發電機輸出電壓即時值; dV = Vavg-Vi; p：預設電壓下降百分比。

藉此，該自動電壓調整器可接收該輔助電源並提供一勵磁能源予發電機，令發電機獲得該額外的勵磁能源以提升發電機之輸出功率。

本發明所提供之勵磁輔助電源控制方法係由一勵磁輔助裝置所執行，該勵磁輔助裝置係應用在具有一自動電壓調整器(AVR)及一電瓶的一發電機，該方法包含：

監測發電機狀態，係監測並記錄發電機輸出電源的電壓，而得到該發電機輸出電源的一電壓移動平均值Vavg及一電壓即時值Vi；

判斷發電機是否為運作中；

當發電機為運作中，判斷該勵磁輔助裝置是否正輸出一輔助電源；

當輔助電源尚未輸出，判斷輔助電源V_AUX 是否進入一預備輸出模式(standby mode)；

當輔助電源V_AUX 進入預備輸出模式，判斷發電機之輸出電壓是否瞬間下降，係依據一判斷條件 dV ≧ Vavg × p 進行判斷，其中： Vavg：發電機之輸出電源的電壓移動平均值； Vi：發電機之輸出電源的電壓即時值； dV = Vavg-Vi； p：預設電壓下降百分比；

當發電機之輸出電壓瞬間下降，輸出該輔助電源至一自動電壓調整器，其中，該輔助電源為一電瓶的直流電源進行轉換後所得到的交流電源；

判斷停止該輔助電源之條件是否成立，若是，則停止輸出該輔助電源。

本發明相較於自勵式或他勵式的勵磁系統，至少具備下列優點及功效:

1.相較於永磁發電機，本發明之體積相對縮小、重量輕，且製造成本低。但可達成與永磁發電機相同之功效，不受瞬間重載影響而可輸出一穩定的輔助電源。

2.在安裝方面，勵磁輔助裝置僅需與電瓶連接即可，如此可簡化裝設作業。

3. 勵磁輔助裝置僅在發電機之輸出電壓明顯下降時才會對外輸出該輔助電源，在發電機平時正常運作時，該勵磁輔助裝置僅利用極小電力而處於待機狀態，故幾乎不會消耗電瓶電力，使電瓶仍可保持原有的蓄電。縱使發電機之輸出電壓即使下降，若輸出電壓的變化仍在該發電機本身可負荷的範圍之內，仍可利用該自動電壓調整器提供自勵式的勵磁能源，不須以勵磁輔助裝置補充該輔助電源。

參考圖1所示，本發明之勵磁輔助裝置100是應用在具有一電瓶200及一自動電壓調整器300的一發電機400，且連接在該電瓶200與該自動電壓調整器300之間。該勵磁輔助裝置100取用電瓶200之直流電源，當該發電機400之輸出電源的電壓下降至預設條件時，勵磁輔助裝置100可輸出一輔助電源V_AUX 至該自動電壓調整器300。該電瓶200可以是一額外加入的電瓶，也可以是發電機系統中原有之電瓶。

如圖2所示，本發明勵磁輔助裝置100主要包含有：一處理器10、一電瓶電壓輸入電路20、一發電機輸出監測電路30、一設定電路40、一輔助電源產生電路50及一輔助電源測量電路60。

如圖3A所示，該處理器10內部係儲存有一控制程式，負責控制各其它電路，並根據所接收的各種輸入資訊執行綜合運算，進而控制輔助電源V_AUX 。

進一步參考圖3B所示，該電瓶電壓輸入電路20接收來自電瓶200的直流電源，並將該直流電源轉換為勵磁輔助裝置100本身所需的工作電源，並量測該直流電源的電壓值大小以提供該電壓值給處理器10。在本實施例中包含有一電源穩壓電路21及一電瓶電壓量測電路22，其中，該電源穩壓電路21將電瓶200的直流電源轉換為勵磁輔助裝置100的工作電源，例如+3.3V、+5V的工作電壓；該電瓶電壓量測電路22量測電瓶200的直流電壓值並傳送給該處理器10。

如圖3C所示，該發電機輸出監測電路30用於偵測發電機400之輸出電源的電壓值及頻率值， 並將偵測到的電壓值及頻率值提供給處理器10。本實施例中包含一電壓量測電路31及一頻率量測電路32，該電壓量測電路31接收及偵測該發電機400之輸出電源的電壓，並傳送該輸出電源的電壓值給處理器10；該頻率量測電路32則是量測出發電機400之輸出電源的頻率值，並傳送該頻率值給處理器10。

如圖3D 所示，該設定電路40是用於供使用者自行設定所需的操作參數或供使用者執行測試動作，可設定的操作參數可包含一預設電壓下降百分比p、逾時設定值；該設定電路40在本實施例中包含一電壓下降幅度設定電路41、一輔助電源輸出逾時設定電路42、一手動測試電路43。該電壓下降幅度設定電路41用於設定該預設電壓下降百分比p以作為是否輸出輔助電源V_AUX 之判斷標準；該輔助電源輸出逾時設定電路42則是用於設定該逾時設定值(Overtime setting)，用以決定該輔助電源V_AUX 可最長持續輸出的時間，當超過逾時設定值(Overtime setting)，將逐漸降低該輔助電源V_AUX 的電壓，直到完全停止輸出該輔助電源V_AUX ；該手動測試電路43供使用者自行執行測試作業。

如圖3E、3F所示，該輔助電源產生電路50根據該微處理10的控制而輸出該輔助電源V_AUX ，內部包含有一驅動電路51、一全橋切換電路52、一變壓器53、一負載電流測量電路54及一電源反接保護電路55。該驅動電路51的詳細電路如圖3E所示，連接在處理器10與全橋切換電路52之間，根據處理器10的控制信號產生用以控制該全橋切換電路52的複數個驅動信號。

如圖3F所示，該全橋切換電路52連接該驅動電路51及電瓶電壓輸入電路20，全橋切換電路52中包含多顆的切換電晶體，該等切換電晶體根據前述驅動信號而交替導通／關閉，藉由交替開關動作將電瓶200輸出的直流電源轉換成一交流電源。該變壓器53連接於該全橋切換電路52的輸出端，對該交流電源進行升壓而產生輔助電源V_AUX 以提供給自動電壓調整器300。該負載電流測量電路54偵測通過該全橋切換電路52之電流大小，並將電流值轉換成一電流信號後回傳給處理器10。該電源反接保護電路55係連接該電瓶電壓輸入電路20，其功用是 防止使用者將電瓶200反接至勵磁輔助裝置100，當電瓶200的電壓反接時，該電源反接保護電路55將立即中斷該勵磁輔助裝置100與電瓶200之間的連接，以防止該勵磁輔助裝置100損壞。

仍參考圖3F所示，該輔助電源測量電路60係用於測量該輔助電源V_AUX 的電壓大小，並將測得的電壓值大小回授給處理器10，供處理器10監測該輔助電源V_AUX 的電壓值大小。

除此之外，該處理器10還可進一步包含一燈號指示電路70及一通訊界面80。該燈號指示電路70用於顯示本發明的運作狀態，可包含但不限於電瓶電壓過低顯示燈、電流過載顯示燈、測試模式顯示燈、電源／待機顯示燈等。該通訊界面80供本發明勵磁輔助裝置100與一外部設備連線，使該外部設備透過通訊界定80對勵磁輔助裝置100進行功能測試、校正及韌體更新，以判斷該勵磁輔助裝置100的電路是否能正常運作。

有關上述本發明勵磁輔助裝置100之詳細電路動作，配合圖4所示之控制方法加以說明，該控制方法主要以處理器10進行控制，包含有以下步驟：

發電機狀態監測(S401)，由該處理器10透過該發電機輸出電源監電路30持續偵測並記錄發電機400輸出電源之電壓。當處理器10在進行記錄時，可先將發電機400輸出之交流電源的電壓先行整流後，進行取樣而計算，計算後所得到的資料包含有：

Vavg：發電機輸出電源的電壓移動平均值

Vi：發電機輸出電源的電壓即時值

dV：Vavg-Vi， 發電機輸出電壓瞬間變動值

p：預設電壓下降百分比

由於發電機400多數情況下是維持在正常輸出的狀態， Vavg可反應出該發電機400之額定輸出電壓；當負載異常變化，使發電機400之輸出電源的電壓下降時，Vavg所受之影響較小，但Vi卻可立即反應出電壓變化；因此，利用兩者相比較後所得到的差值dV可作為監測發電機運作狀態之重要條件。

判斷發電機是否為運作中(S402)，在此步驟可根據發電機400之輸出電源的頻率值進行判斷，當所偵測出之頻率值低於一預設頻率值時，係判斷發電機為非運作中；反之，當頻率值高於該預設頻率值時，係認定為發電機運作中。

當發電機為運作時，進一步判斷勵磁輔助裝置是否正在輸出輔助電源V_AUX (S403)。

當輔助電源V_AUX 並未輸出時，判斷輔助電源V_AUX 是否進入預備輸出模式(S404)。若未進入預備輸出模式，將執行步驟S409。

當輔助電源V_AUX 進入預備輸出模式，判斷發電機之輸出電源的電壓是否瞬間下降(S405)，係依據判斷式 dV ≧ Vavg  × p 判斷發電機之輸出電壓是否發生瞬間降低的現象(例如重載時)，若條件成立，代表有瞬間下降。若條件不成立，則回到步驟S401。

當發電機之輸出電源的電壓瞬間下降，係輸出該輔助電源V_AUX 並開始計時(S406)，在輔助電源V_AUX 輸出時將依據該負載電流測量電路54所提供之偵測結果，啟動輸出限流功能(S413)，避免負載電流過大而燒毀元件。

當開始計時後，判斷該勵磁輔助裝置輸出該輔助電源的時間是否已達一逾時設定值(Overtime setting)(S407)，若尚未到達該逾時設定值，將持續輸出輔助電源V_AUX 。

當輔助電源輸出時間已到達該逾時設定值(Overtime setting)，即停止輸出輔助電源(S408)。

在上述步驟S404中，若輔助電源還未進入預備輸出模式，本發明進一步判斷發電機之輸出電源的電壓是否進入穩定工作狀態(S409)，在此係依據判斷式 dV ≦ |Vavg × n%| 加以判斷，n為一設定值，當條件成立即認定為進入穩定工作狀態；反之，則代表發電機輸出電源的電壓尚未穩定。請參考圖5所示，在時間點t1之前，發電機之輸出電源的電壓變化幅度大，此時尚未進入穩定工作狀態；在時間點t1以後， 發電機之輸出電源的電壓變化幅度已縮小，判斷條件 dV ≦ |Vavg × n%| 已成立，代表發電機已進入穩定工作狀態，以實線所示的該條線段代表該發電機之輸出電源的電壓即時值Vi，虛線所示的該條線段代表該發電機輸出電源的電壓移動平均值Vavg。在本實施例中，n值設定為3。

當發電機之輸出電壓已進入穩定工作狀態，即控制該輔助電源V_AUX 進入預備輸出模式(S410)；反之，當發電機之輸出電源的電壓還未進入穩定工作狀態，即控制該輔助電源V_AUX (S411)不進入該預備輸出模式。

在輔助電源V_AUX 已經完成輸出後，係回歸步驟S401進行狀態監測，若在步驟402中判斷發電機為非運作中，表示該輔助電源V_AUX 仍無法提供足夠能源使發電機恢復成正常運作狀態，此種情況通常是發電機本身有其它原因而無法達到運作條件，為避免過度消耗電瓶電力，將不重複輸出輔助電源(S412)。

為進一步說明前述步驟S406、S407，請參考圖6所示，為本發明輔助電源V_AUX 之啟動及關閉的時間示意圖。上方的波形代表偵測得到的發電機400之輸出電源，下方的波形代表輔助電源V_AUX 。當發電機400輸出電源的電壓突然下降至一定程度時(如水平虛線所示準位)，本發明的勵磁輔助裝置立刻輸出該輔助電源V_AUX ，當輔助電源V_AUX 其持續輸出的時間達到該逾時設定值(Overtime setting)，即會逐漸降低該輔助電源V_AUX 的大小，避免勵磁電源劇烈變動，造成自動電壓調整器300輸出的勵磁電源產生追逐現象。如此可使發電機400之輸出電壓維持平穩輸出，不會有抖動的現象，如此直到輔助電源V_AUX 完全停止。

在上述流程中，判斷該輔助電壓V_AUX 是否需停止輸出的條件為逾時預設值，但除了以時間作為條件之外，在步驟S408中也可以改為判斷發電機之輸出電源的電壓是否恢復至正常的穩定工作狀態，若已恢復，則同樣可停止輸出該輔助電壓V_AUX 。

10‧‧‧處理器
20‧‧‧電瓶電壓輸入電路
21‧‧‧電源穩壓電路
22‧‧‧電瓶電壓量測電路
30‧‧‧發電機輸出監測電路
31‧‧‧電壓量測電路
32‧‧‧頻率量測電路
40‧‧‧設定電路
41‧‧‧電壓下降幅度設定電路
42‧‧‧輔助電源輸出逾時設定電路
43‧‧‧手動測試電路
50‧‧‧輔助電源產生電路
51‧‧‧驅動電路
52‧‧‧全橋切換電路
53‧‧‧變壓器
54‧‧‧負載電流測量電路
55‧‧‧電源反接保護電路
60‧‧‧輔助電源測量電路
70‧‧‧燈號指示電路
80‧‧‧通訊界面
100‧‧‧勵磁輔助裝置
200‧‧‧電瓶
300‧‧‧自動電壓調整器
400‧‧‧發電機

圖1：本發明勵磁輔助裝置應用於發電機的示意圖。 圖2：本發明勵磁輔助裝置之電路方塊圖。 圖3A~圖3F：本發明勵磁輔助裝置中各電路之詳細電路圖。 圖4：本發明勵磁輔助控制方法之流程圖。 圖5：發電機之輸出電壓是否進入穩定工作狀態之波形示意圖。 圖6：本發明輔助電源啟動及關閉的時間示意圖。 圖7：現有自勵式發電機勵磁系統之示意圖。 圖8：現有他勵式發電機勵磁系統之示意圖。

10‧‧‧處理器

20‧‧‧電瓶電壓輸入電路

21‧‧‧電源穩壓電路

22‧‧‧電瓶電壓量測電路

30‧‧‧發電機輸出監測電路

31‧‧‧電壓量測電路

32‧‧‧頻率量測電路

40‧‧‧設定電路

50‧‧‧輔助電源產生電路

51‧‧‧驅動電路

52‧‧‧全橋切換電路

53‧‧‧變壓器

54‧‧‧負載電流測量電路

55‧‧‧電源反接保護電路

60‧‧‧輔助電源測量電路

70‧‧‧燈號指示電路

80‧‧‧通訊界面

Claims (11)

1. 一種發電機的勵磁輔助裝置，係應用在具有一自動電壓調整器與一電瓶的一發電機，該勵磁輔助裝置連接在該電瓶與該自動電壓調整器之間，該勵磁輔助裝置包含： 一處理器，其內部係預設有決定是否輸出一輔助電源之判斷條件； 一電瓶電壓輸入電路，係連接該處理器並接收及量測該電瓶的直流電源的直流電壓值，將該直流電源轉換為該勵磁輔助裝置的一工作電源，所量測出之直流電壓值提供給該處理器； 一發電機輸出監測電路，係連接該處理器並偵測該發電機之輸出電源的電壓值及頻率值，該輸出電源的電壓值及頻率值提供給該處理器； 一設定電路，係連接該處理器，提供給使用者設定一預設電壓下降百分比p； 一輔助電源產生電路，係連接該處理器及電瓶電壓輸入電路，依據處理器控制而將電瓶的直流電源轉換為交流形式的該輔助電源，並輸出該輔助電源至自動電壓調整器； 一輔助電源測量電路，係連接該處理器並測量該輔助電源之電壓值，以提供該電壓值給該處理器； 其中，該處理器所預設之判斷條件為 dV ≧ Vavg × p，當該判斷條件成立時係輸出該輔助電源，其中： Vavg：發電機輸出電源的電壓移動平均值; Vi：發電機輸出電源的電壓即時值; dV = Vavg-Vi; p：預設電壓下降百分比。
2. 如請求項1所述發電機的勵磁輔助裝置，該設定電路進一步供使用者設定一逾時設定值，當該輔助電源已持續輸出達該逾時設定值，該處理器係逐漸降低該輔助電源的電壓而直到完全停止輸出該輔助電源。
3. 如請求項2所述發電機的勵磁輔助裝置，該設定電路包含有： 一電壓下降幅度設定電路，供使用者設定該預設電壓下降百分比p。 一輔助電源輸出逾時設定電路，供使用者設定該逾時設定值。
4. 2或3所述發電機的勵磁輔助裝置，該電瓶電壓輸入電路包含： 一電源穩壓電路，將電瓶的直流電源轉換為勵磁輔助裝置的工作電源； 一電瓶電壓量測電路，係量測該電瓶之直流電源的直流電壓值，並傳送該直流電源的直流電壓值給該處理器。
5. 如請求項4所述發電機的勵磁輔助裝置，該輔助電源產生電路包含： 一驅動電路，係連接該處理器並依據處理器的控制信號產生複數個驅動信號； 一全橋切換電路，係連接該驅動電路及該電瓶電壓輸入電路，係根據該驅動信號的控制將該電瓶輸出的直流電源轉換成一交流電源； 一變壓器，對該交流電源進行升壓處理而產生該輔助電源； 一負載電流測量電路，係偵測通過該全橋切換電路之電流大小，並將測量出之電流大小提供給處理器； 一電源反接保護電路，係連接該電瓶電壓輸入電路，係於電瓶反接至勵磁輔助裝置時，中斷該電瓶與勵磁輔助裝置之間的連接。
6. 如請求項5所述發電機的勵磁輔助裝置，該處理器進一步連接： 一燈號指示電路，用於顯示該勵磁輔助裝置的運作狀態； 一通訊界面，供與一外部設備連線。
7. 如請求項6所述發電機的勵磁輔助裝置，該發電機輸出監測電路包含： 一電壓量測電路，係量測該發電機之輸出電源的電壓值，以傳送該輸出電源的電壓值給處理器； 一頻率量測電路，檢量測該發電機之輸出電源的頻率值，並傳送該發電機之輸出電源的頻率值給處理器。
8. 一種勵磁輔助電源控制方法，係由一勵磁輔助裝置執行，該勵磁輔助裝置係應用於具有一自動電壓調整器與一電瓶的一發電機，該方法包含： 監測發電機狀態，係監測並記錄發電機之輸出電源的電壓的狀態，以得到發電機輸出電源的一電壓移動平均值Vavg及發電機輸出電源的一電壓即時值Vi； 判斷發電機是否為運作中； 當發電機為運作中，判斷勵磁輔助裝置是否正輸出一輔助電源； 當輔助電源尚未輸出，判斷輔助電源是否進入一預備輸出模式； 當輔助電源進入該預備輸出模式，係依據一判斷條件 dV ≧ Vavg × p判斷發電機之輸出電源的電壓是否瞬間下降，其中： Vavg：發電機輸出電源的電壓移動平均值； Vi：發電機輸出電源的電壓即時值； dV = Vavg-Vi； p：預設電壓下降百分比； 當發電機之輸出電源的電壓瞬間下降，輸出該輔助電源至該自動電壓調整器，該輔助電源為由該電瓶的直流電源進行轉換後所得到的交流電源； 判斷停止該輔助電源之條件是否成立，若是，則停止輸出該輔助電源。
9. 如請求項8所述勵磁輔助電源控制方法，在判斷發電機是否為運作之步驟中，係將發電機之輸出電源的頻率值與一預設頻率值相比較，當輸出電源的頻率值高於該預設頻率值時，係判定發電機為運作中；若該發電機非運作中，係立即停止輸出該輔助電源。
10. 如請求項8或9所述勵磁輔助電源控制方法，在判斷停止該輔助電源之條件是否成立之步驟中，係判斷該勵磁輔助裝置持續輸出該輔助電源的持間是否已經到達一逾時設定值；若是，則逐漸降低該輔助電源的電壓大小，直到勵磁輔助裝置完全停止輸出該輔助電源。
11. 如請求項8或9所述勵磁輔助電源控制方法，當輔助電源V_AUX 未進入該預備輸出模式，係進一步包含: 判斷發電機之輸出電源的電壓是否進入穩定工作狀態，係依據判斷式 dV ≦ |Vavg × n%| 加以判斷，當條件成立係判定為進入穩定工作狀態，n為一設定值； 當發電機之輸出電源的電壓已進入穩定工作狀態，即控制該輔助電源進入該預備輸出模式； 當發電機之輸出電源的電壓還未進入穩定工作狀態，即控制該輔助電源不進入該預備輸出模式。