用于控制激励的方法和设备的制作方法

专利名称：用于控制激励的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于控制同步发电机中的激励的方法和设备。
背景技术：
转以便在定子绕组中产生AC输出而工作。通过使DC电流通过转子中 的绕组，可以产生转子的磁场。这个DC电流可以由安装在发电机的轴 上的激励器产生。可以提供自动电压调整器(AVR)来控制激励器，由 此控制被供应到转子绕组的电流。
同步发电机通常具有最大额定负栽，其是发电机在稳态条件下可以 供应的最大负载。另外，特定的应用可能要求发电机具有短路维护和/ 或增强的过栽能力。要求这一点的应用包括(除其他以外)航海应用、 移动灯塔和军用原动力发电机组。
传统上，已经通过使用嵌入在主机的定子中的辅助绕组或者与电枢 绕组成直线地连接的组合变压器来满足这样的要求。所述辅助绕组方法 的缺点是它不能在使用中或者在制造后被安装(up-fit)。因此，绕组本 身必须被嵌入在所有的机器中，导致较高的活性材料成本。而组合变压 器可以被安装，以满足组合变压器的许多变化形式所要求的许多框架尺 寸和/或磁芯尺寸的要求，因此增加了在分发中心的库存要求。而且，需 要发电机降低额定值，从而再一次影响了活性材料和成本。
可选地，可以使用永久磁铁发电机(PMG)来激励发电才几并提供用 于满足短路维护和过栽支持要求的单独装置。这样的PMG在稳态条件 下将作为受保护的激励功率源(source of excitation power)。即使PMG 可以避免与辅助绕^L或者组合变压器相关联的问题中的一些，也需要对 于在没有过载能力的机器上使用的AVR的替代AVR。
已经估计，在低功率范围(<50kVA)中，应用的仅仅大约5-10% 实际上需要增强的过载性能。因此，经常有必要提供没有增强的过载性 能的复杂性和所附加的费用的基础机器。尽管如此，仍然期望能够升级
4基础机器以提供短路和过载性能，同时将基础机器的成本保持为最小。

发明内容
根据本发明的第 一方面，提供了 一种用于同步发电机的激励控制电 路，所述同步发电机包括主机和用于激励主机的激励器，所述激励控制
电路包4舌
自动电压调整器，用于控制从所述主机向所述激励器的功率流；以
及
激励增强系统，用于选择性地从第二电功率源向所述激励器供应功率。
通过提供用于选择性地从第二电功率源向所述激励器施加功率的 激励增强系统，本发明可以使得例如当发电机过载时能够提供另外的激 励。本发明也可以提供下述优点通过增加激励增强系统以提供增强的 过载性能来容易地升级同步发电机。
所述激励增强系统可以被布置为在过栽期间从第二电功率源向所 述激励器供应功率以补充或者替代由主机供应的功率。这可以增强发电 机的过载性能。
优选的是，所述自动电压调整器被布置为在稳态运行期间控制来自 主才几的功率流。以这种方式，可以在发电才几不在过载状态下时实现通常 的发电机控制。优选的是，所述系统被布置为当所述发电机过载或者接 近过载时，从所述笫二电功率源向所述激励器供应功率。以这种方式， 当所迷发电机在过载状态下时，可以提供另外的激励功率，这可以增强 所述发电机的过载性能。例如，所述激励增强系统可以被布置为随着过 栽期间所述发电机上的负栽的增大，从所述第二电功率源向所述激励器 提供增大的功率量。可选地，可以适当地接通或者关断来自第二源的功 率。
所述激励增强系统可以被布置为从自动电压调整器接收用于指示 所述发电机的负栽状况的控制信号，并且根据所述控制信号来控制从所 述第二电功率源向所述激励器的功率供应。以这种方式，可以控制所述 系统以使得当需要时，例如当所述发电机处于过栽状态下时，功率仅仅 从所述第二电功率源向所述激励器供应。而且，这种布置可以允许控制 从所述第二电功率源向所述激励器供应的功率量，以使得例如当所述发电机具有更重的负栽或者在短路状态下时，从所述第二源供应更多的功 率。这可以改善所述发电机的过载性能。
优选的是，布置所述激励控制系统以使得在过栽状态期间所述发电 机的输出端处的电压大于在没有来自所述激励增强系统的贡献的情况 下所述发电机的输出端处的电压。优选的是，所述激励增强系统被布置 为控制从所述第二电功率源向所述激励器供应的功率，以使得在过载状 态期间所述发电机的电压输出与正常运行期间所述发电机的电压输出 基本上相同。
所述激励增强系统可以包括可控开关，用于选择性地从所述第二电 功率源向所述发电机供应功率。所述可控开关可以包括例如晶体管，诸
如双极晶体管或者场效应晶体管(FET)。在这个示例中，如果第二电 功率源是AC源，则系统可以还包括整流器，用于对AC源进行整流。 作为另一个示例，所述可控开关可以包括一个或多个闸流晶体管。如果 所述第二电功率源是AC源，则所述一个或多个闸流晶体管可以被布置 为对所述AC源进行整流和控制。
所述激励增强系统可以被布置为能够连接到自动电压调整器或者 从其去除。以这种方式，所述激励增强系统可以被添加到没有增强的过 载性能的发电机，以便升级所述发电机。
所述自动电压调整器的输出和所述激励增强系统的输出可以被组 合并被供应到相同的激励器绕组。这使得可以将所述激励增强系统添加 到没有独立的激励器需求的现有的发电机。优选的是，所述激励器是由 与主机相同的原动机驱动的单个机器。
优选地，所述第二电功率源与第一源分离，并且可以是例如由与主 机相同的原动机驱动的机器。例如，所述第二电功率源可以是永久磁铁 发电机。所述永久磁铁发电机可以被安装在与主机相同的轴上，或者以 其他方式被布置为由与主机相同的原动机驱动。所述永久磁4失放大器可 以是三相的、单相的或者具有某其他数量的相。可选地，所述第二电功 率源可以是由与驱动主机的原动机分离的原动机驱动的机器。
在本发明的 一个优选实施例中，所述第二电功率源是永久i兹铁发电 机，其可以被安装在与主机相同的轴上。因为用于所述激励器的至少一 些功率可以来自主机，因此所述永久磁铁发电机可以具有比需要提供所 有的激励功率时低的额定值，这可以减小发电机的整体尺寸、重量和成本，而同时提供增强的过载性能。这样的布置也可以使得基本发电机被 升级以提供增强的过栽性能。
在另一个实施例中，所述第二电功率源是DC功率源。所述DC功 率源可以是例如电池，其可以在正常运行期间被主4几充电。这种布置可 以避免对用于提供激励功率的独立机器的需要，因此可以实现发电机的 长度、尺寸、重量的减小和/或成本的降低。
在另一个实施例中，所述第二电功率源是电容器，诸如超级电容器。 在正常运行期间所述电容器可以被主机充电，并且可以被布置为在过栽 状态期间放电以提供暂时的额外激励功率源。
在上述布置的任何一种中，所述激励增强系统可以包括所述第二电 功率源，或者所迷第二电功率源可以是某个其他系统的一部分。
如果期望，所述激励增强系统可以被选择性地布置为除了所述第一 源之外还从两个或者更多的电功率源向所述激励器施加功率。例如，所 述系统可以被选择性地布置为从永久磁铁发电机和电池两者或者功率 源的任何其他组合向所述激励器施加功率。
本发明扩展到一种同步发电机，其包括主机、用于激励所述主机的 激励器和以如上所述的任何形式的激励控制电路。
根椐本发明的另一个方面，提供了一种用于激励同步发电机的方 法，所迷同步发电机包括主机和用于激励所述主机的激励器，所述方法 包括控制从所述主机向所述激励器的功率流，以及选择性地从第二电 功率源向所述激励器施加功率。
所述设备特征中的任何一个可以作为方法特征被提供，并且反之亦然。


现在参照附图，仅仅通过示例来描述本发明的优选特征，在附图中:
图1示出了同步发电机的部件；
图2示出了典型的发电机的过载特性；
图3示出了具有激励增强系统的同步发电机的部件；
图4示出了图3的布置的可能的电压过栽特性；
图5更详细地示出了激励增强系统的部件；
图6示出了采用MOSFET开关技术的激励增强控制器的实施方式;图7示出了图6的布置的电压过栽特性；
图8示出了采用闸流晶体管开关技术的激励增强控制器的实施方
式；
图9示出了图8的布置的电压过载特性；以及 图IO示出了激励增强系统的另一个实施例。
具体实施例方式
图1示出了同步发电冲几1的部件。所述发电机包括主才几2，主机2 包括主转子3和主定子4。主转子3位于轴5上，轴5被诸如柴油机(未 示出)的原动机驱动。主转子产生磁场，以便主转子相对于主定子的旋 转使得在主定子绕组中产生AC输出。
通过使DC电流通过转子绕组来磁化所述主转子。该DC电流由激 励器6产生，所述激励器6包括激励器转子7、激励器定子8和旋转二 极管9。激励器转子7被安装在轴5上，并且激励器转子7相对于激励 器定子8的旋转在激励器转子绕组中产生AC输出。该AC输出被旋转 二极管9转换为DC,并且旋转二极管的DC输出被馈送到主转子3。
在图1的布置中，经由AVR 10从主定子4汲取用于激励器6的功 率。这被称为自激励。AVR IO控制被供应到激励器定子8的激励水平。 通过控制被馈送到激励器定子的相对低的功率，通过激励器转子的整流 输出来实现对主转子中的高功率的控制。
图2示出了在图1中所示的类型的典型发电机的过栽特性。值得注 意的是下述事实该发电机没有短路能力，即在O每单位伏特处，所述 发电机产生O每单位电流。过栽能力是差的，其中所述发电机在90%的 额定电压处仅仅获得 1.8每单位电流。
图3示出了根据本发明的实施例的激励增强系统的同步发电机的部 件。所述激励增强系统包括激励增强发电机12和激励增强控制器14。 在这个实施例中，激励增强发电机12是具有转子15和定子16的永久 磁铁发电机(PMG)。
在图3的布置中，AVR 10管理从主定子4向激励器场的功率流。 对于稳态工作状态，即从没有负栽直到全负载运行，主要通过主机电源 来满足激励需求。在过载状态期间，从激励增强发电机12向激励器6 提供额外的功率，以补充由主机提供的功率。激励增强控制器14控制和管理来自激励增强发电机12的功率流。 由激励增强发电机满足的激励功率百分比与由主机提供的激励功率的 百分比的对比在主机没有负栽和短路之间变化。在短路状态期间，所述 激励增强发电机将贡献激励器场所需要的功率的大多数(如果不是全部 的话)。图4示出了图3的布置的可能的电压负栽特性。在图4中，图 解了每个功率源对整个激励需求的理想化的贡献。
激励增强发电机12与传统的永久磁铁发电机的不同在于它可以 瞬时地而不是连续地被定额，因为它仅仅在激励增强控制器短时间调用 激励支持时才需要工作。这导致成本、重量、惯性和体积外壳(volumetric envelope)上的益处。对于小机器，PMG可以是例如10极(pole)的设 计，并且可以将例如475瓦特的瞬时功率递送到22欧姆的激励器场电 阻中，以满足主发电机(3 x PU)的短路要求。当然可以理解，在适当 时，可以使用除了这些之外的值。激励增强发电机可以在制造后或者在 使用中被安装到发电机的轴上。
在本实施例中，所述激励增强控制器是与AVR的电子^^块分离的 电子模块，其可以在制造后或者在使用中与激励增强发电机一起被安 装。这可以允许使用公共的AVR来用于具有或者不具有激励支持的发 电机。如上所述，激励增强控制器的功能是控制和管理从激励增强发电 机向激励器场的功率流，以便补充可以从主机电枢绕组获得的功率。在 替代实施例中，所述激励增强系统可以被实现为AVR的一部分。
图5更详细地示出了根据本发明的实施例的激励增强系统的部件。 参见图5，通过电压传感器20来感测来自发电机主定子的AC输出。所 感测的电压被馈送到AVR控制电路22，所述AVR控制电路22将所感 测的电压与基准电压相比较，以便产生控制信号。所述控制信号被馈送 到AVR输出电路24。 AVR输出电路24根据所述控制信号来对来自主 定子的AC输出进行整流和控制，以便产生用于激励器定子的DC输出。 AVR输出电路24可以包括例如串联在主定子和激励器之间的闸流晶体 管，所述闸流晶体管被控制电路22控制。
电压传感器20、 AVR控制电路22和AVR输出电路24用于管理在 稳态运行期间从主定子向激励器的功率流。这些部件因此存在于没有增 强的过栽能力的机器中。如果期望升级所述机器以具有增强的过栽能 力，则通过连接器25、 26将激励增强系统连接到该机器。
9激励增强系统(EBS)包括激励增强发电机28、 EBS输出电路30 和EBS控制电路32。当需要激励增强时，在EBS控制电路32的控制下， 通过EBS输出电路30从激励增强发电才几28向激励器馈送功率。EBS 控制电路32从AVR控制电路22接收控制信号，所述控制信号指示主 机的负载状况。当主机上的负载接近和超过额定负载时，从激励增强发 电机向激励器馈送功率，以补充或者替代来自主定子的功率。作为示例， 来自激励增强发电机的功率和来自主定子的功率的比可以如图4中所 示
激励增强发电机28可以是以在图3中所示的方式安装在主轴上的 永久磁铁发电机。那么，EBS输出电路30可以包括用于对来自永久磁 铁发电机的AC输出进行整流以及控制的部件。
图6示出了采用MOSFET开关技术的激励增强控制器的实施方式。 参见图6，来自激励增强发电机(EBG)的功率被二极管Dl-D6整流， 以建立DC功率总线。在控制电路C和晶体管驱动电路D的控制下，通 过MOSFET晶体管Tl将来自DC总线的功率馈送到激励器。控制电路 C和驱动电路D使用脉宽调制(PWM)技术来在必要时增加激励器场 电流。所述控制电路C通过监视来自AVR的控制信号(辅助驱动信号) 的状态来确定所需要的贡献的水平。PWM控制确保AVR和激励增强控 制器功率源的平滑过渡。
图7示出了使用图6中所示的类型的激励增强控制器实现的电压过 栽特性以及对于归因于主机和激励增强控制器的整体激励需求的百分 比贡献。可以看出，在正常的运行状态直到全负栽状态下，主要或者全 部通过主机来满足激励需求。在过栽状态下，逐渐地通过激励增强发电 机来满足激励需求，直到在短路状态下，通过激励增强发电4几来提供所 有的激励功率。
图8示出了采用闸流开关技术的激励增强控制器的实施方式。参见 图8,经由半受控的、三相闸流晶体管桥来将来自激励增强发电机(EBG ) 的功率控制到激励器场中，所述半受控的、三相闸流晶体管桥包括闸流 晶体管TY1、 TY2和TY3以及二极管D1、 D2和D3。在控制电路C的 控制下，通过闸流晶体管驱动电路D来驱动闸流晶体管。同样根据来自 AVR的控制信号(辅助驱动信号)在三个简单步骤中控制该桥，直到全 导通。该系统中的任何固有的不稳定性被AVR/激励增强控制器组合的
10高速动作和激励器场与主机的时间常数相抵消。在图9中图解了使用该 控制器获得的过载特性以及对于归因于主机和激励增强控制器的整体 激励需求的百分比贡献。
图7和9都示出了所获得的 3PU的短路能力。而且，在90%发电 机伏特处，~2.75 PU的过栽电流是可能的；这例如足以启动这样的感应 电动机该感应电机具有比没有用于提供过载支持的部件的发电机更大 的发电机额定值的每kVA的马力(HP)输出。
当然，可以适配短路和过载特性，以通过改变给定主机配置的激励 增强系统和激励器场绕组的特性来满足替代的需求。
图5、 6和8示出了在激励增强系统和发电机的现有部件之间的多 个连接。本实施例的激励增强系统使用"即插即用"布线原理，其中， 所有的连接具有推入配合连接器，而没有任何两个连接是相同的。这使 得不可能出现错误的连接，因此简化了的升级处理。
如上所述的激励增强系统提供了利用另外 一 个源来补充来自由 AVR控制的一个源的功率流的方法。所述AVR受控的激励源可以是主 机或者诸如安装在主轴上的永久磁铁发电机的某其他源。所述激励增强 发电机可以是如上所述的永久磁铁发电机或者某其他功率源。虽然如上 所述的实施例使用三相AC永久磁铁发电机来作为激励增强功率源，但 是如果将激励增强控制器的输入端上的6器件整流器替换为具有4个二 极管的单相等同物，则所述激励增强功率源当然可以是单相AC功率源。
图IO示出了激励增强系统的另一个实施例。在图IO的实施例中， DC源被用作激励增强发电机。所述DC源可以是例如传统的发电机组 电池，在正常运行期间其被发电机充电。所述激励增强控制器类似于在 图6中所示的那个，但是没有整流器。如果来自所述源的DC输出需要 进一步的调节和/或稳定以满足激励增强控制器的要求，则使用DC/DC 转换器。如果低压U2/24伏特)发电机组电池被用作DC功率源，则可 能是这种情况。实现这种高级发电机组集成的益处包括作为其导致的发 电机长度减小的结果的更小的整体封装。
可以被用作激励增强发电机的替代的DC源的另一个示例是超级电 容器。在这种情况下，在正常运行期间所述电容器被发电机充电，并且 在过栽状态期间提供用于激励器的功率的短期供应。
权利要求
1.一种用于同步发电机的激励控制电路，所述同步发电机包括主机和用于激励所述主机的激励器，所述激励控制电路包括自动电压调整器，用于控制从所述主机向所述激励器的功率流；以及激励增强系统，用于选择性地从第二电功率源向所述激励器供应功率。
2. 根据权利要求1的激励控制电路，其中，所述激励增强系统被 布置为在过栽期间从所述第二电功率源向所述激励器供应功率以补充 或者替代由所述主机供应的功率。
3. 根据权利要求1或者2的激励控制电路，其中，所述自动电压 调整器被布置为在稳态运行期间控制从所述主机向所述激励器的功率 流。
4. 根据前述权利要求中的任何一项的激励控制电路，其中，所述 激励增强系统被布置为随着过载状态期间所述发电机上的负载的增大， 从所述第二电功率源向所述激励器供应增大的功率量。
5. 根据前述权利要求中的任何一项的激励控制电路，其中，所述 激励增强系统被布置为从所述自动电压调整器接收指示所迷发电机的 负栽状况的控制信号，并且根据所述控制信号来控制从所述第二电功率 源向所述激励器的功率供应。
6. 根椐前述权利要求中的任何一项的激励控制电路，所述激励增 强系统包括可控开关，所述可控开关用于选择性地从所述第二电功率源 向所述激励器供应功率。
7. 根椐前述权利要求中的任何一项的激励控制电路，其中，所述 激励增强系统能够连接到所述自动电压调整器或者从其去除。
8. 根据前述权利要求中的任何一项的激励控制电路，其中，所述 自动电压调整器的输出和所述激励增强系统的输出被组合并被供应到 相同的激励器绕组。
9. 根椐前述权利要求中的任何一项的激励控制电路，其中，所述 激励器是被与所述主机相同的原动机驱动的单个机器。
10. 根椐前述权利要求中的任何一项的激励控制电路，其中，所述 第二电功率源是被与所述主机相同的原动机驱动的机器。
11. 根据前述权利要求1-9中的任何一项的激励控制电路，其中， 所述第二电功率源是被与驱动所述主机的原动机分离的原动机驱动的机器。
12. 根据前述权利要求中的任何 第二电功率源是永久磁铁发电机。
13. 根椐权利要求1-9中的任何 第二电功率源是DC功率源。
14. 根据权利要求卜9中的任何 第二电功率源是电容器。
15. —种同步发电机，其包括主机、用于激励所述主机的激励器和 根据前述权利要求中的任何一项的激励控制电路。
16. —种用于激励同步发电机的方法，所述同步发电机包括主机和 用于激励所述主机的激励器，所述方法包括控制从所述主机向所述激 励器的功率流，以及选择性地从第二电功率源向所述激励器施加功率。一项的激励控制电路，其中，所述 一项的激励控制电路，其中，所述 一项的激励控制电路，其中，所述
全文摘要
公开了一种用于同步发电机的激励控制电路。所述同步发电机是包括主机(2)和用于激励所述主机的激励器(6)的类型。所述激励控制电路包括自动电压调整器(10)，用于控制从所述主机向所述激励器的功率流；以及激励增强系统(14)，用于选择性地从第二电功率源(12)向所述激励器(6)供应功率。这可以使得例如当所述发电机过载时能够提供额外的激励。该布置可以使得能够通过增加激励增强系统以提供增强的负载性能来升级同步发电机。
文档编号H02P9/10GK101632219SQ200880004140
公开日2010年1月20日 申请日期2008年2月5日 优先权日2007年2月6日
发明者D·H·达尔比, M·J·赖特, N·布朗, N·杰克曼 申请人:康明斯发电机技术有限公司