动车发电系统的制作方法

专利名称：动车发电系统的制作方法
本申请涉及并要求日本专利申请N0.Hei.7-98980的优先权，它被结合于此作为参考。
本发明涉及具有动车交流发电机的动车发电系统，并尤其涉及能控制供给超前相位电流的动车发电系统。
日本专利公开文献No.4-138030公开了一种利用三相桥式整流电路对动车同步发动机发生的电流进行整流的动车发电系统，该三相桥式整流电路包含半导体开关器件，每个由MOSFET组成，由此对电池充电。
根据以上的公开，构成三相整流桥电路的各MOSFETs被进行如下的开关控制施加给各相电枢绕组的每个电压(也称为″相电压″)首先与电池电压相比较。接着，用于产生高于电池电压VB的电位的一相的上侧开关被导通，及其余两相产生低电位相的下侧开关被导通，由此输出电池充电电流。
大家知道， 用于常规三相AC发电机中的各电枢绕组的输出端通过超前相位电容器彼此相接，以将超前相位电流供给它们相应的电枢绕组，由此减少电枢电流中形成的滞后并增加发电机的输出。
但是，根据上述公开的动车发电系统具有在输出、效率、振动等方面的问题。另外，使用传统超前相位电容的上述超前相位电流供给系统具有一个问题，即由于发电机电感大，故需要增大每个超前电容的容量，则每个电容的尺寸过于增大。
考虑到以上问题，因此本发明的一个目的在于提供一种动车发电系统，它能提供超前相位电流，并能阻止系统增大尺寸及复杂性。
为了解决上述问题，本发明人发现特别有利的是仅在一个周期或期间的预定时期(以下称″相位时间″)中使开关进入导通，以使得超前相位的电流提供给其相应的电枢绕组，由此使改善发电状态，例如输出、效率、振动等成为可能。然而，本发明人也发现了，在开关控制下，在这种特定的相位时间中将超前电流提供给其相应的电枢绕组的情况下输出电流的变化率即波动大大的增加了。
本发明的另一目的是通过提供超前相位电流并同时抑制输出电流的变化来改善发电状态。
上述目的在本发明的第一优选实施例中是这样实现的，即提供一种动车发电系统，它包括具有一产生磁场磁通的磁场绕组及产生发电输出的电枢绕组的并可由发动机驱动的AC发电机；一个AC-DC功率变换单元，用于对每个电枢绕组输出的电压进行整流并将整流电压提供给电负载；磁场电流控制单元，用于控制供给磁场绕组的磁场电流；电压控制单元，用于控制磁场电流控制单元以便将由AC发电机产生的每个输出控制在预定值；发电状态检测单元，用于检测相对于AC发电机发电状态的预定数量的发电状态；确定单元，用于基于发电状态的检测量，确定是否必须将超前相位电流提供给每个电枢绕组；及一个超前相位电流控制单元，用于当确定单元确定必须提供超前相位电流时对每个电枢绕组起动超前相位电流的供给或增加超前相位电流，及当确定单元确定出不需要供给超前相位的电流时停止超前相位电流的供给或减小超前相位电流。
对每个电枢绕组提供超前相位电流将意味着对其提供的超前相位电流量的增加。另外，停止对其提供超前相位电流将意味着对其提供超前相位电流量的减小。
最好，当在对每个电枢绕组提供超前相位电流是必须的方向上发电状态量超过第一阈值时，确定单元确定对每个电枢绕组提供超前相位电流是必须的。在任一情况下，检测发电状态量，该状态量涉及发电机的发电状态及根据向发电机提供的超前相位电流而变化。当基于检测的状态量确定了必须使超前相位电流流过每个电枢绕组时，使超前相位电流提供给每个电枢绕组(超前相位电流供给量的增加包括在内)。如果确定出是不必须的，则停止对每个电枢绕组提供超前相位电流(超前相位电流的减小包括在内)。
如果是这样，当需要改变发电状态时，就通过将超前相位电流供给每个电枢绕组来获得发电状态的改变，例如由于上述供给引起的输出增大或类似变化。当上述变化不必须时，可以停止供给超前相位电流，以抑制由于对其提供超前相位电流带来的故障状态，尤其是输出电流变化率即波动的增大。也就是，当通过向电枢绕组提供超前相位电流并同时抑制输出电流的变化来改善发电状态时，发电状态量例如是涉及蓄电池容量的物理量，及如果需要时在超前相位电流控制下可增加蓄电池的容量。
此外，根据本发明，当输出增大不需要时，可以抑制波动的增大。另一方面，当输出增大必须时，可通过向相应电枢绕组提供超前相位电流使输出增大。另外，具有恒定额定功率的系统主体结构可以使尺寸减小。即为，由于超相位电流提供给相应的电枢绕组，而没有使用超前相位电容，故不需要设置大的超前相位电容。因此，系统的主体结构可以在尺寸上减小。由于以下的原因该系统的主体可以作得更小。
这就是，由于在高转速(rpm)区域输出电流大量增加，动车发电系统的额定值是基于为了保证在怠速区域(低rpm区域)中恒定输出电流值的主体结构来确定的，以便提供最小发生电压及输出电流。根据本发明的超前相位电流的供给可如下地决定。因为在传统的无超前相位系统的发电机中在怠速区域(低rpm区域)中发电电压低，输出电流携带时间与每个周期的比例小。因此，通过供给超前相位电流来延长输出电流携带时间的作用在怠速区域(低rpm区域)中被证实是很大的。也即，在输出电流携带时间以外的时间中提供超前相位电流使其通过半导体开关器件以延长输出电流携带时间，及在输出电流携带时间中提供超前相位电流以增加输出电流的效果在低转速区是极佳的。因此，显然地，通过对每个电枢绕组提供超前相位电流来获得恒定额定电流的主体结构可大大减小尺寸。
以下将描述超前相位电流的供给及它的控制。
本发明中所述的超前相位电流是指在与电枢电压方向相反的方向上流过的电枢电流。通过仅在表现为交流电流(AC)的电枢电流的一个周期中的预定时间(以下只称为″相位时间″)中使开关进入导通，相应的电枢绕组得电。
在从电枢绕组中流出的输出电流已经到零后，在预定时间中在流入电枢绕组的方向上供给超前相位电流。接着，在流入电枢绕组的发电电流已经到零后，在预定时间中在流出电枢绕组的方向上供给超前相位电流。顺便说一下，预定时间是指从与任意一相逆相的电枢电流的2n电角度相对应的一个周期中从第一预定相位角位置到第二预定相位角位置的时间(相位时间)。
当AC电压供给到AC-DC功率变换单元时，由整流AC电压获得的电压变为一定的值。因而，不可避免地存在AC-DC功率变换单元的高电位DC功率端子上的电位超过电枢电压的相位时间，及在AC-DC功率变换单元的低电位DC功率端子上的电位降到电枢电压以下的相位时间。通常，这些时间是电枢电流不被提供的时间。
在上述的在传统的AC-DC功率变换单元(例如三相全波整流)中不可避免地出现的电枢电流非携带时间中电流相位超前或导前电枢电压地供给的相位时间中将超前相位电流供给每个电枢绕组。因此，由于导前相位电流在相位上超前电枢电压，磁场的磁通增加，故导致发电电压(电枢电压)的增加及输出的增加。
接着将对通过与附设权利要求书中的AC-DC功率变换装置相对应的三相逆变器电路供给导前相位电流的情况作出说明。三相逆变器电路包括用于各相的高压侧开关，它与各相的输出端子及高电位DC功率端子相连接，及包括用于各相的低压侧开关，它与各相的输出端子及低电位DC功率端子相连接。
首先，仅在上述预定时间(例如图5中所示的T2)中，表现为反相电流的相电流在流入其相应电枢绕组的方向上流动。
当不供给反相电流时，相电压通常为其值大于在预定时间T2期满时的时间t1′上、在低电位DC功率端子上的电压(

图1中的OV)。于是，当不提供反相电流时，在时间t1′后相电流(反相电流)不从低电位DC功率端子流入电枢绕组。
但是，在预定时间T2期间，当使反相电流通过高压侧开关流入相应的电枢绕组时，在时间t1’上关断高压侧开关时在每个电枢绕组中形成的反电势在相对相应相的电枢绕组输出端上在降低电位的方向上产生出来，即相对于相应相的相电压。因此，通过反电势使相电压降低，以致相电压变得低于在低电位DC功率端子上的电位。其结果是，反相电流从低电位DC功率端子通过导通的低压侧开关或与低压侧开关相并联的低压侧二极管流到相应相的电枢绕组。
换言之，通过在预定时间T2期间因未提供反相电流而未流过反相电流使电磁能量存储在电枢绕组中，并且在时间t1′后电磁能量被释放。在时间t1′后流过的反相电流实际上是从高电位DC功率端子上恢复的。
另外，在从流过低压侧开关的电流从流入相应电枢绕组的方向改变到流出电枢绕组的方向的时间起延迟预定时间后关断低压侧开关。这样一来，由于如上述同样的操作及功能发电容量可以被提高。
接着将对由于供给超前相位电流使输出电流变化率即波动增大的试验事实进行分析，其中超前相位电流是由与AC-DC功率变换装置相应的三相逆变电路提供的。
如上所述，超前相位电流在电流从一相的电枢绕组的输出端(相输出端)经过AC-DC功率变换单元的高电位DC功率端子流到外部的紧接之前从该给定相的电枢绕组流出到AC-DC功率变换单元的低电位DC功率端子上。当超前相位电流通过AC-DC功率变换单元的半导体开关器件(即，低压侧开关)关断时，在电枢绕组中产生出感应电压(Ldi/dt)，以致超前相位电流企图突然通过在此时刻导通的DCAC-DC功率变换单元的半导体开关装置(高压侧开关)流出(上升)。也就是，当在电枢绕组中产生的电压为高时，从高压侧开关流到外部的输出电流的上升沿由于预先提供给其相应电枢绕组的超前相位电流变得陡斜。类似地，当在电枢绕组中产生的电压为低时，通过低压侧开关流入相应电枢绕组的输出电流上升沿由于预先供给电枢绕组的超前相位电流变得陡斜，其结果是由于将超前相位电流供给到相应电枢绕组而增加了上述波动。
并且，当发电状态量进一步超过第二阈值，该第二阈值在与电对每个电枢绕组必须供给超前相位电流的方向相反的方向上超过第一阈值时，该确定单元确定对每个电枢绕组提供超前相位电流是必须的，并当发电状态量在必须提供超前相位电流的方向上超过预定第一阈值时提供超前相位电流。这样一来，由于执行了基于阈值的所谓二进制控制，控制被简化了。这样做时，因为执行了具有滞后的所谓二进制控制，可以减少被动。
此外，可以使发电状态量包括由蓄电池电压、磁场电流、发电功率、发电电压、负载电压、发电电流及波动率中至少一个组成的电状态量。以此方式，可以方便及可靠地检测及控制发电机的发电状态。
也可以使发电机的状态量包括由发电机的转速，发动机转速及动车速度中至少一个组成的速度状态量。以此方式，可以方便及可靠地检测及控制发电机的发电状态。
仅当由基于速度状态量的决定结果确定必须提供超前相位电流及由基于电状态量的决定结果确定必须提供超前相位电流时，才可以提供超前相位电流。因此，可以避免一个问题即当发电机转动状态对于提供超前相位电流不恰当时，仅基于电状态量发出超前相位电流提供指令。
另外，当发动机的转速被确定为小于预定转速时，基于发电状态量，确定单元可确定发动机处于怠速状态，并当发动机被确定处于怠速状态时，确定单元确定必须将超前相位电流供给电枢绕组。以此方式，可方便及可靠地检测及控制发电机的发电状态。
可以作到，仅当由怠速决定的结果确定必须提供超前相位电流及由基于电状态量的决定结果确定必须提供超前相位电流时，才可以提供超前相位电流。因此，在除发电机处于怠速的时间外的时间上可以停止提供超前相位电流。
顺便说一下，在低rpms、如怠速期间利用提供超前相位电流来增大输出的效果特别地好。这是因为，在低rpms、如怠速期间，在一个周期内电枢电压超过高电位DC功率端子上的电位的相位时间的比例减小了，而除上述外的超前相位电流携带有效时间的比例增加了，并且发电电压低及输出(电流)小，根据本发明的通过提供超前相位电流的输出增加效果增强了。也就是，根据本发明的输出增加效果显著地出现在低rpms、如怠速时，这时通过在上述时间上提供超前相位电流使发电电压上升；尤其是在上述时间前的时间，从电枢绕组通过AC-DC功率变换单元输出DC的期间被延长了，且输出电流本身也增大了。
因此，通过在输出本来低的怠速期间提供超前相位电流可避免缺少输出。另外，在输出通常足够的高rpm区域上输出电流的变化可以减小。
此外，还可以是，该系统包括一个检测单元，用于检测与发电机转速相关的物理量，及超前相位电流控制单元根据基于该物理量检测的发电机转速来确定用于对每个电枢绕组提供导前相位电流的定时。
因此，通过AC-DC功率变换单元输出DC的AC发电机在每相中具有一个电枢电压(相电压)变为低于在AC-DC功率变换单元的高电位DC功率端子上电位的时间，及一个电枢电压变为高于其低电位DC功率端子上电位且没有电流从每个电枢绕组输出的时间。
由于为了超前相位电流控制的需要所选择的开关导通，在这些超前相位电流携带有效时间期间使超前相位电流流过相应的电枢绕组。因为该时间根据这些时间期间转速而变化，在不需要的时间期间提供超前相位电流的问题可以通过基于与转速相关的状态量调节电流携带时间来解决。
作为对基于转速来确定电流携带时间的一种替换，可以确定电流携带时间的最大值。
此外，可以是，在超前相位电流携带定时中，超前相位电流控制单元启动向各电枢绕组供给超前相位电流，在该定时中，在发动机转速为一预定值的时间上发电机的效率及输出中的一个变为大于或等于一预定值。以此方式，可以获得输出及效率的改善，并使控制简化。
顺便说一下，通过提供超前相位电流使改善输出的效果最佳的超前相位电流携带状态(例如电流携带定时)不同于通过提供超前相位电流使增大效率的效果最佳的超前相位电流携带状态。增大效率变为最高的超前相位电流携带时间通常短于增大输出变为最大的超前相位电流携带时间。
另外，可以是，在超前相位电流携带定时中，超前相位电流控制单元启动向各电枢绕组供给超前相位电流，在该定时中，在发动机转速为一预定的发动机怠速速度(例如500-100rpm)的时间上发电机的效率及输出中的一个变为大于或等于一预定值。
此外，超前相位电流控制单元可具有高效发电方式，它代表在发电机效率变为大于或等于预定值的超前相位电流携带状态下的超前相位电流控制方式；及高输出发电方式，它代表在发电机输出变为大于或等于预定值的超前相位电流携带状态下的超前相位电流控制方式，其中当对每个电枢绕组提供超前相位电流被确定是必要时，确定单元基于发电状态量选择这两个方式中的一个。以此方式，当需要高输出时可获得高输出。当不需要高输出时，可以获得高效率。
如上所述，通过提供超前相位电流使改善输出的效果最佳的超前相位电流携带状态(例如电流携带定时)不同于通过提供超前相位电流使增大效率的效果最佳的超前相位携带状态。通常，增大效率变为最高的超前相位电流携带时间短于增大输出变为最大的超前相位电流携带时间。
因而可基于发电状态量确定输出是否留有安全裕量。如果确定出输出留有这样的裕量，则超前相位电流携带状态从高输出侧移到高效率侧。如果确定出输出缺少这样的裕量，则导前相位电流携带状态从高效率侧移到高输出侧。其结果是，可以获得上述的操作和效果。
也可以是，发电状态量包括蓄电池电压，及确定单元当蓄电池电压低于预定第一电压值时确定必须对每个电枢绕组提供超前相位电流，而当蓄电池电压高于包含预定第一电压值在内的预定第二电压值时确定不必要提供超前相位电流。以此方式，在超前相位电流控制下可使蓄电池电压控制到期望的电平上。这可以带来一个优点，就是由于磁场电流的控制上述控制可以快速地作出。利用与磁场电流控制相结合可以增大输出控制的范围。
超前相位电流控制单元可以限制超前相位电流变化率的最大值，以使得逐渐改变超前相位电流；以限制超前相位电流携带时间、相对每个相电压的携带超前相位电流的相位、及提供给电枢绕组的超前相位电流的平均值中至少一个的变化率的最大值，由此逐渐地改变超前相位电流；或是以超前相位电流携带时间与电枢电流彼此相对是连续的预定周期的比例来限制该变化率的最大值，由此逐渐地改变超前相位电流。
再者，超前相位电流可以逐渐地变化，即，超前相位电流可以用电流的预定最大增加率或电流的预定最大下降率或小一些的变化率来变化。
以此方式，可以依据超前相位电流的供给或不供给来防止发电机负载转矩的突然增大。另外，施加给发动机的机械冲击可以减小并且可以抑制发动机转速的变化及增加。
可以作到，发电状态量至少包括以下物理量之一由发电机供电的电负载增大时的输出压降，及发电机转速的下降，并且当输出压降及发电机转速下降中的至少一个被确定为大于基于物理量的另一个时，确定单元确定必须逐渐地改变并提供超前相位电流。以此方式，当负载转矩变化小时可以快速地执行超前相位电流电流携带控制而非逐渐地改变。
也可以是，发电状态量包括涉及发动机转速变化的物理量，及当该变化作为物理量被确定为大值时确定单元确定需要提供超前相位电流，及当确定不需要提供超前相位电流时，超前相位电流控制单元在对供给超前相位电流的控制下抑制发动机转速的变化。
因此，在发动机转速被确定为高的一种物理状态(例如空转时)时进行超前相位电流控制下，发动机转速的变化受到抑制。
也就是，当发动机的转速高时，提供超前相位电流来增加发动机负载，而当发动机转速低时，停止提供超前相位电流来减小发动机负载。因此可以方便及快速地抑制转速的变化。
还有一个可能，发电状态量包括涉及由发动机产生的振动的一个物理量，当振动被确定为作为物理量的大值时，确定单元确定必须提供超前相位电流，及当超前相位电流提供被确定为必须时在对提供超前相位电流的控制下超前相位电流控制单元抑制发动机的振动。
因此，在确定出发动机有大振动的一种物理状态(如在空转时)时进行超前相位电流控制下，可以抑制发动机产生的振动。
也就是，在与发动机振动波形(尤其是它们的基波频率)相同的频率上及抑制振动的方向上执行超前相位电流的控制。顺便地说，发动机的振动包括旋转振动，往复振动及由这些振动组合获得的振动。但是，任何的振动均可被控制。
还可以是，发电状态量包括涉及发电机预定部分的温度的物理量，及确定单元基于物理量确定发电机是否具有低温度，并当发电机被确定为处于低温度时超前相位电流控制单元停止向每个电枢绕组提供超前相位电流及减小超前相位电流，而当发电机被确定为处于非低温状态时启动对每个电枢绕组提供超前相位电流及增加超前相位电流。
因此，当发电机处于低温度时停止提供超前相位电流。也就是，当发电机处于低温度时，发电机中使用的每个绕组的电阻值小，在同样的物理状态下与处于高温的发电机相比输出增大。因此可以阻止流过的电流超出希望值或需要值，及阻止发动机的负载加重。
可以作到，超前相位电流控制单元包括一个常规/反向供电开/关电路，它具有分别由单独连接高电位DC功率端子及各相电枢绕组输出端的半导体开关器件组成的高压侧开关及分别连接到设成低于高电位DC功率端子的低电位DC功率端子及电枢绕组输出端子的半导体开关器件组成的低压侧开关，及一个控制器，用于控制常规/反向供电开/关电路。
以此方式，超前相位电流控制单元可以简单地构成。尤其是，当常规/反向供电开/关电路作为AC-DC功率变换单元两用时，电路结构还可以简化。
并且，也可以使超前相位电流控制单元包括一个短路电路，该短路电路由多个在各相电枢绕组输出端子之间短路用的半导体开关器件组成，及一个控制器，用于控制每个半导体开关装置的开及关。以此方式，超前相位电流控制单元可以简单地构成。
还可以是，设置检测单元，用于检测在AC-DC功率转换单元的高电位DC功率端子及低电位DC功率端子中至少一个端子与每个电枢绕组输出端子之间的电位差及至少一个电枢电流，及超前相位电流控制单元基于至少一个电位差及至少一个电枢电流设置用于开及关每个半导体开关器件的定时。以此方式，则不需要设置一个开关角传感器、即绝对值类型的旋转编码器。其结果是系统结构可被简化。
也可以是每个半导体开关器件在其中包括电流检测电阻元件，用于检测电枢电流；例如，用于检测每个电枢电流的电流检测电阻元件可以与集成在其中的半导体开关器件集成在一个芯片上以简化系统结构。
还可以是，在从每个电枢绕组输出端子上的电位变为小于高电位DC功率端子上的电位时开始经过预定时间后，控制器使每个高压侧开关关断，并在从每个电枢绕组输出端子上的电位变为大于低电位DC功率端子上的电位时开始经过预定时间后使每个低压侧开关关断。因此，可以方便及可靠地在最佳定时上切断超前相位电流。
还可以为，在从每个电枢绕组输出端子上的电位变为大于在低电位DC功率端子上的电位时开始经过预定时间后控制器使每个上侧开关导通，并在从每个电枢绕组输出端子上的电位变为小于在高电位DC功率端子上的电位时开始经过预定时间后使每个下侧开关导通。
再者，还可以是，在从每个电枢绕组输出端子上的电位变为小于高电位DC功率端子上的电位时开始(即在电枢电流已经反向后)经过预定时间后使每个低压侧开关导通，及在从每个电枢绕组输出端子上的电位变为大于低电位DC功率端子上的电位时开始即(即在电枢电流已经反向后)经过预定时间后使每个高压侧开关导通。如果以此方式进行，就可以简单及可靠地以最佳定时提供超前相位电流。
尤其是，当高压侧开关及低压侧开关在相位上彼此等同地被反向操作时，每相的电枢绕组总是与或是上侧开关或是低压侧开关电连接。因此，可以防止在高压侧开关或下侧开关关断时的大反电势作为浪涌电压施加到相应的半导体开关器件上。
也可以这样在每个电枢绕组的输出端子上的电位变为小于在高电位DC功率端子上的电位时，控制器使短路电路的半导体开关器件导通以允许超前相位电流流入每个电枢绕组，及在每个电枢绕组的输出端子上的电位变为大于在低电位DC功率端子上的电位时，使短路电路的半导体开关器件导通以允许超前相位电流流出每个电枢绕组，以及在从导通时开始经过预定时间后使短路电路的半导体开关器件关断。
因此超前相位电流能被方便及可靠地以最佳定时导通及关断。
该系统还可包括一个相位角检测单元，用以检测AC发电机转子的旋转相位角，其中超前相位电流控制单元基于该旋转相位角控制每个半导体开关器件的开通和关断时间。以此方式，超前相位电流可以可靠地在最佳定时上被导通及关断。
每个半导体开关器件可包括一个MOSFET。因为MOSFET能够提供双向供电，半导体开关器可被构成为单个元件。因为MOSFET尤其包括一对在其源极和漏极中的一个和一个沟区之间的寄生结型二极管，就产生了这样的优点，即如果在应用中该结型二极管对中的一个对常规/反向供电开/关电路的每个高压侧开关或每个低压侧开关产生短路，则过大的电流可被另一二极管分流。
MOSFET可包括SiC作为其材料。因为SiC具有高的耐电压性能及低的导通电阻，可以获得减小损耗及增大电压。
根据本发明的另一方面可这样实现上述目的，即提供一种动车发电系统，它包括具有一产生磁场磁通的磁场绕组及产生发电输出的电枢绕组的并由发动机驱动的AC发电机；一个磁场电流控制单元，用于控制供给磁场绕组的磁场电流；一个电压控制单元，用于控制磁场电流控制单元以便使AC发电机的每个输出控制到预定值上；及一个超前相位电流控制单元，用于控制对每个电枢绕组供给超前相位电流，其中超前相位电流控制单元限制超前相位电流变化率的最大值以便逐渐改变超前相位电流。
以此方式，随着提供或不提供超前相位电流可防止发电机负载转矩的突然变化，减少施加给发动机的机械冲击及抑制发动机转速变化的增大。
根据本发明的另一方面可这样地实现上述目的，即提供一种动车发电系统，它包括具有一产生磁场磁通的磁场绕组及产生发电输出的电枢绕组的并由发动机驱动的AC发电机；一个磁场电流控制单元，用于控制供给磁场绕组的磁场电流；一个电压控制单元，用于控制磁场电流控制单元以便使AC发电机的每个输出控制到预定值上；一个检测单元，用于检测与发动机的转速变化相关的物理量；一个超前相位电流控制单元，用于控制对每个电枢绕组供给超前相位电流；及一个确定单元，用于基于该物理量确定发动机转速变化的，值，由此当确定变化为大时，超前相位电流控制单元对每个电枢绕组提供超前相位电流。
因此，在超前相位电流的控制下减小了发动机转速的变化。也即，当发动机转速高时，供给超前相位电流来增大发动机负载。另一方面，当发动机转速低时，停止提供超前相位电流以减轻发动机负载。其结果是，可以方便及快速地阻止发动机转速的变化。
根据本发明的又一方面可以这样实现上述目的，即提供一种动车发电系统，它包括具有一产生磁场磁通的磁场绕组及产生发电输出的电枢绕组的并由发动机驱动的AC发电动机，一个磁场电流控制单元，用于控制供给磁场绕组的磁场电流；一个电压控制单元，用于控制磁场电流控制单元以便使AC发电机的每个输出控制到预定值上；一个检测单元，用于检测与发动机产生的振动相关的物理量；一个超前相位电流控制单元，用于控制对每个电枢绕组供给超前相位电流；及一个确定单元，用于基于该物理确定发动机振动的幅值，由此当确定振动为大时，超前相位电流控制单元对每个电枢绕组提供超前相位电流。
以此方式，在超前相位电流的控制下减少了发动机产生的振动。也即，对超前相位电流在与检测与估算的发动机振动波形相同的频率上及抑制振动的方向上进行控制。顺便地说，发动机振动包括旋转振动、往复振动及它们的组合产生的振动。但是，它们中的任一个均可被控制。
根据本发明的又一方面可以这样实现上述目的， 即提供一种动车发电系统，它包括具有一个产生磁场磁通的磁场绕组及产生发电输出的电枢绕组的并由发动机驱动的AC发电机；一个磁场电流控制单元，用于控制供给磁场绕组的磁场电流；一个电压控制单元，用于控制磁场电流控制单元以便使AC发电机的每个输出控制到预定值上；一个检测单元，用于检测与AC发电机预定部分的温度相关的物理量；一个超前相位电流控制单元，用于控制对每个电枢绕组供给超前相位电流；及一个确定单元，用于基于该物理确定AC发电机是否处于低温，由此当AC发电机被确定为低温度时，超前相位电流控制单元停止对每个电枢绕组提供超前相位电流，及当AC发电机被确定为非低温时，启动对每个电枢绕组提供超前相位电流。
因此，在具有AC发电机的动车发电系统的超前相位电流的控制下抑制了在低温时的过度发电输出现象。
也即，当发电机处于低温度时，用于发电机中的每个绕组的电阻低，在与高温下相比的同样物理状态下输出便增大。由于在低温度时停止供给超前相位电流，因此可以防止输出电流超过期望值或需要值，并阻止发动机的负载加重。
从以下结合附图的说明及附设权利要求书中将会更加弄清本发明的上述及另外目的、特征及优点，附图中通过图示例子的形式表示出本发明的优选实施例。
由以下结合附图对优选实施例的详细说明将会使本发明的附加目的及优点更易于被阐明。
图1是用于解释根据本发明的系统的整体结构的电路图；图2是图1中所示三相全波整流器11的单相电路图；图3A-3D是描述图1中所示动车发电系统在非超前相位电流控制时的相电流和相电压波形及MOSFETs 11a及11d的开/关定时的定时图；图4A-4F是描述图1中所示的动车发电系统在超前相位电流控制时的相电流和相电压波形及MOSFETs 11a及11d的开/关定时的定时图；图5是描述图1中所示控制器7在非超前相位电流控制时的控制操作的流程图；图6及7是描述图1中所示控制器7在超前相位电流控制时的另外控制操作的流程图；图8是解释图1中所示动车发电系统的第二实施例电路图；图9A-90是描述图8中所示动车发电系统的非超前相位及超前相位电流控制时的相位角及控制极信号相位之间关系的定时图；图10是用于解释图1中所示的动车发电系统第三实施例的电路图；图11是用于解释图1中所示的动车发电系统第四实施例的电路图；图12及13是描述图12中所示控制器在非超前相位电流控制时的控制操作的流程图；图14是描述本发明动车发电系统第一实施例操作操作的流程图；图15是表示在第一实施例中在超前相位电流控制时所获得的滞后相位角值δ及效率和输出之间关系的特性图；图16是在第一实施例中在超前及非超前相位电流控制时获得的输出电流变化的定时图；图17是表示在第一实施例中在超前及非超前相位电流控制时获得的发电机输出电流及转速之间关系的特性图；图18是描述第二实施例的控制操作的流程图；图19是描述第三实施例的控制操作的流程图；图20是描述第四实施例的控制操作的流程图；图21A-21C是用于解释在第四实施例中获得的效果的定时图；图22是描述第四实施例的控制操作的流程图；图23是描述根据本发明第五实施例中获得的效果的定时图；图24是描述第五实施例的改型的流程图；图25是描述根据本发明的第六实施例的控制操作的流程图；图26是描述根据本发明第七实施例的控制操作的流程图；及图27是描述本发明第八实施例的控制操作的流程图。
以下将参照图1的电路框图来描述根据本发明的动车发电系统的总体结构。
如图1中的框图所示，该动车发电系统包括三相同步发电机(例如AC发电机)100；三相全波整波器(相应附设权利要求书中所述的AC-DC功率变换装置及常规/反向供电开/关电路)11，用于对被三相同步发电机100发出的AC进行整流；及一个控制器7。三相全波整流整流器11及控制器7构成了如附设权利要求书中所述的确定装置及超前相位电流供给装置。
在每个电枢绕组5a至5c中发出的电流被三相全波整流器11整流。通过磁场绕组4c的磁场电流受到控制器7的控制。当通过磁场电流的磁场绕组4c旋转时，在电枢绕组5a至5c中感应出三相AC电压。
三相全波整流器11包括一个逆变器电路，其类型为，其中设置了以三相桥连接的各由SiC构成的MOSFETs 11a至11f。三相全波整流器11的高电位DC输出端子与电池9的高电位端子及电负载10的一端相连接，而其低电位DC输出端子与电池9的低电位端子及电负载10的另一端一起接地。
控制器7使用微处理机来实现，并如果使用脉宽调制(PWM)技术时对磁场电流的导通比进行控制，以使得电池电压VB与预定的发电电压相适配。此外，控制器7基于后面所述的电压降信号Pa至Pf产生控制极电压信号Ga及Gf，所述电压降信号分别由它们相应的Si-MOSFETs 11a至11f输入，并将产生的控制极电压信号Ga至Gf提供给Si-MOSFETs 11a至11f其相应的栅极。顺便地说，标号70是指示磁场温度检测器，它与发电机相接触并产生相应于磁场绕组温度的温度信号。
现在将参照图2来描述三相全波整流器11的a相逆变器。
用作上侧开关的Si-MOSFET 11a及用作下侧开关的Si-MOSFET 11d均为N沟道型器件并彼此串联连接。Si-MOSFET 11a具有在电枢绕组侧的N型区域，它在发电期间用作漏极区域，及具有在电池侧的N型区域，它在发电期间用作源极区域，及直接设在它的栅极114a下方的P沟道区域。在这些N型区域及P沟道区域之间的PN结形成一个寄生二极管。
在用作上侧开关的Si-MOSFET 11a中在电枢绕组侧的P沟道区域及N型区域彼此短路连接。此外，在电枢绕组侧的N型区域及电枢绕组5a彼此通过用作电流检测的小电阻相互电连接，该电阻例如是通过将具有预定电阻率的半导体或金属迹线等插放在它们之间形成在具有绝缘膜的芯片上的小电阻113a。因此通过检测降落在该低电阻113a上的电压降可以检测电流。
在Si-MOSFET 11d中，与上面类似地，在与电枢绕组侧相反的一侧上的P沟道区域及N型区域彼此短路地连接。此外，在与电枢绕组侧相反的侧上的N型区域通过一个用于检测电流的小电阻113d与地相互电连接。因此，通过检测电阻113d上的电压降可以检测出电流。其余的Si-MOSFETs 11b、11e、11c及11f分别具有与上述电阻类似的电阻，并包括与它们相应点分别相连接的端子Pb至Pf，其中N型区域及电阻彼此电连接。顺便地说，MOSFETs 11a及11d的寄生二极管112a及112d用作将发电电流供给电流9的电流通路或通道。
因此，当Si-MOSFET 11a导通时流过的电流可以从相电压Va及施加在连接端子Pa上的电位之间的差值来检测。类似地，流经11b至11f的通道电流也可被检测。
顺便地说，各个栅极电压足够高及每个Si-MOSFETs 11a至11f用在非饱和有效区域(即，在耗尽层中通道未被夹断的工作方式)中。
以下将描述三相全波整流器11的每个MOSFETs 11a至11f的开关定时。
(其中未提供超前相位电流)首先来描述一个执行非提供超前相位电流的控制例。图3B是在电枢绕组5a上产生的相电压Va的定时图。
用作a相下侧开关的Si-MOSFET 11d的控制将如下地执行。检验电枢绕组5a的相电压是否低于地电压VE＝OV及另外的相电压Vb和Vc。如果发现相电压Va低于这些电压，则使Si-MOSFET 11d导通。当相电压Va变成高于地电压时，Si-MOSFET 11d进行关断。作为另外两相的下侧开关的每个Si-MOSFET 11e及11f的开和关的控制以与上述相同的方式进行。
对于执行非超前相位方式的子程序的一个例子将参照图5所示的流程图来描述。在规则的时间间隔上中断一个未示出的主程序时将执行该流程图中所示的子程序。
首先检验X相的一个相电压Va是否超过电池电压VB(步骤200)。如果回答为YES，则使上侧开关11a导通(步骤202)。如果回答是NO，则使上侧开关11a关断(步骤204)。接着作出检验，看相电压Va是否小于相当于电池低电位端子上电位的OV(步骤206)。如果回答是YES，则使下侧开关导通(步骤208)。如果回答是NO，则使下侧开关关断。
然后检验Y相的相电压Vb是否超过电池电压VB(步骤212)。如果发现回答为YES，则使上侧开关11b导通(步骤214)。如果发现回答为NO，则使上侧开关11b关断(步骤216)。接着作出检验，看相电压Vb是否低于电池低电位端子上电位相对应的OV(步骤218)。如果发现回答为YES，则使下侧开关11e导通(步骤220)。如果发现回答为NO，则使下侧开关11e关断(步骤222)。
接着检验Z相的相电压Vc是否超过电池电压VB(步骤224)。如果发现回答为YES，则使上侧开关11c导通(步骤226)。如果发现回答为NO，则使上侧开关11c关断(步骤228)。接着作出检验，看相电压Vc是否低于电池低电位端子上电位相对应的OV(步骤230)。如果发现回答为YES，则使下侧开关11f导通(步骤232)。如果发现回答为NO，则使下侧开关11f关断(步骤234)。然后，执行返回主程序。
(其中提供超前相位电流)现在将描述用于执行提供超前相位电流的一个控制例。图4B是在电枢绕组5a上产生的相电压Va的定时图。
在本实施例中，用作上侧开关的Si-MOSFET 11a的导通定时设在流过其中的相电流从负改变到正时、即从低电阻113d上的电压降Vpsd从负变到正时的时间t2延迟T4(＝T2)的时间t2′(＝to)上。用作上侧开关的每个另外的Si-MOSFETs 11b及11c的导通定时以与上述相同的方式设置。另外，用作下侧开关的Si-MOSFET 11d的导通定时设在流过其中的相电流从正改变到负时、即从低电阻113d上的电压降Vpsd从正变到负时的时间t1延迟T2的时间t1′上。用作下侧开关的每个另外的Si-MOSFETs 11e及11f的导通定时以与上述相同的方式设置。
另一方面，本实施例中每个Si-MOSFETs 11a至11f的导通定时延伸到从导通定时开始约180℃的相位时间后的时间上。即就是，Si-MOSFET 11a与Si-MOSFET 11d的导通同时地或在其导通的稍前面关断，而Si-MOSFET 11d及Si-MOSFET 11a的导通同时地或在其导通的稍前面关断。
对执行超前相位控制方式子程序的一个例子根据图6及7所示的流程图进行描述。
首先检验用于对子程序执行是否被视为首先执行作出决定的特征位F2是否为1(步骤290)。如果发现子程序执行不是首先执行(F2＝1)时，则程序执行跳到步骤300。如果发现子程序执行是首先执行(F2＝0)时，则仅是使用图5中所示的非超前相位控制程序执行将MOSFET 11a至11f进入导通(导使它们开通)的操作(步骤292)。接着，特征位F2被设成1并使程序进行到步骤300(步骤294)。顺便提一下，在功率增大时特征位F2将复位到0。
在步骤300上首先检验在下侧开关11d中流过的电流或电枢电流ix是否从负变到正，即，在下侧开关11d导通期间从电流流入定子绕组5a的方向变化到电流流出到低电位DC功率端子(OV)的方向。如果发现回答为YES，则内部定时器d被启动(步骤302)。如果发现回答为NO，则检验在上侧开关11a中流过的电流或电枢电流ix是否从正变到负，即在上侧开关11a导通期间从电流由定子绕组5a流出到高电位DC功率端子的方向变化到电流流入定子绕组5a的方向(步骤304)。如果发现回答为YES，则内部定时器a被启动(步骤306)。如果发现回答为NO，则程序进行到步骤308。
在步骤308上首先检验在下侧开关11e中流过的电流或电枢电流iy是否从负变到正，即，在下侧开关11e导通期间从电流流入定子绕组5b的方向变化到电流流出到低电位DC功率端子(OV)的方向。如果发现回答为YES，则内部定时器e被启动(步骤310)。如果发现回答为NO，则检验在上侧开关11b中流过的电流或电枢电流iy是否从正变到负，即在上侧开关11b导通期间从电流由定子绕组5b流出到高电位DC功率端子的方向变化到电流流入定子绕组5b的方向(步骤312)。如果发现回答为YES，则内部定时器b被启动(步骤314)。如果发现回答为NO，则程序进行到步骤316。
在步骤316上首先检验在下侧开关11f中流过的电流或电枢电流iz是否从负变到正，即，在下侧开关11f导通期间从电流流入定子绕组5c的方向变化到电流流出到低电位DC功率端子(OV)的方向。如果发现回答为YES，则内部定时器d被启动(步骤318)。如果发现回答为NO，则检验在上侧开关11c中流过的电流或电枢电流iz是否从正变到负，即在上侧开关11c导通期间从电流由定子绕组5c流出到高电位DC功率端子的方向变化到电流流入定子绕组5c的方向(步骤320)。如果发现回答为YES，则内部定时器c被启动(步骤322)。如果发现回答为NO，则程序进行到步骤400。
在步骤400上，作出检验，看由定时器d测量的时间是否已结束，即仅已经过了预定延时ΔT＝T2＝T4。如果在步骤400上确定出由定时器d测量的时间未完，则程序直接进行到步骤404。如果在步骤400上确定出定时器d已走完，则使下侧开关11d关断及上侧开关11a导通。接着，定时器d被复位到0及然后程序执行进行到步骤404。
在步骤404上检验由定时器a测量的时间是否已结束，即仅是预定的延时(超前相位电流携带或供电时间)ΔT＝T2＝T4已经过去。如果在步骤404上发现回答为NO，则程序直接进行到步骤408。如果在步骤404上发现回答为YES，则下侧开关11d被导通而上侧开关11a被关断。接着，定时器a被复位到0，然后程序进行到步骤408。
在步骤408上检验由定时器e测量的时间是否已结束，即仅是预定的延时ΔT＝T2＝T4已经过去。如果在步骤408上发现回答为NO，则程序直接进行到步骤412。如果在步骤408上发现回答为YES，则下侧开关11e被关断而上侧开关11b被导通。接着，定时器e被复位到0，然后程序进行到步骤412。
在步骤412上检验由定时器b测量的时间是否已结束，即仅是预定的延时ΔT＝T2＝T4已经过去。如果在步骤412上发现回答为NO，则程序直接进行到步骤416。如果在步骤412上发现回答为YES，则下侧开关11e被导通而上侧开关11b被关断。接着，定时器b被复位到0，然后程序进行到步骤416。
在步骤416上检验由定时器f测量的时间是否已结束，即仅是经过了预定的延时ΔT＝T2＝T4已经过去。如果在步骤416上发现回答为NO，则程序直接进行到步骤420。如果在步骤416上发现回答为YES，则下侧开关11f被关断而上侧开关11c被导通。接着定时器f被复位到0，然后程序进行到步骤420。
在步骤420上检验由定时器c测量的时间是否已结束，即仅是预定的延时ΔT＝T2＝T4已经过去。如果在步骤420上发现回答为NO，则程序直接进行到步骤102。如果在步骤420上发现回答为YES，则下侧开关11f被导通而上侧开关11c被关断。接着定时器C被复位到0，然后程序进行到步骤102。
这样一来，由于以上所述的关断时间的延时就形成了供给它们电枢绕组5a，5b及5c的超前相位分量所经过的通路或通道，因此就产生了磁场的增强。即使Si-MOSFET 11a例如已经到达时间t1，Si-MOSFET 11a也未被关断。因此，它的关断延迟了时间间隔ΔT＝T2＝T4。类似地，Si-MOSFET 11d的关断也在时间t2′上进行，即从时间t2开始延时ΔT＝T2＝T4。因此该电流可被提供给每个电枢绕组5a至5c。其结果是，将用于产生磁场增强作用的其相位超前相电压a(见图4A-4F)的电流提供给定子绕组5a。现在必须将一个充电间隔或时间T1(＝T3)与延时ΔT＝T2＝T4的和设成180℃或较小些的电角度。即使在b相需滞后a相120℃电角度相位及c相应超前120电角度相位的状态中控制这些相位，在三相上也可以执行超前相位的控制。
在上述的控制例中，每个开关11a至11f仅在180的时间间隔期间导通。但是导通时间可以小于180℃因为在此情况下在每相逆变器电路中产生了上侧开关及下侧开关两者均关断的时间，可以执行以下的控制。
例如，将对a相作出描述。如果相应于a相的定子绕组5a的相电压Va在上侧开关11a及下侧开关11d关断的时间期间变得大于电池电压VB，则上侧开关11a被导通。另一方面，导通的上侧开关11a的关断将在从相电压Va变为低于电池电压VB时开始经过预定延时ΔT后进行，其方式与上述方式相同。
类似地，如果在上侧开关11a及下侧开关11d均为关断的时间期间相电压Va变为低于地电位，则下侧开关11d被关断。另一方面，导通的下侧开关11d的关断将在从相电压Va变为低于地电压OV时开始经过预定延时ΔT后进行，其方式与上述方式相同。对b相及c相的控制也以与上述相的方式进行。顺便地说，上述装置的开/关控制仅是对a相作出的。在开关11b，11c，11e以及11f上的b及c相控制可用a相开关定时移动120°来进行。
图8是表示图1中所示实施例的改型1的动车AC发电机的电路框图。该表示动车AC发电机的电路框图与图1中的电路框图相似，不同之处在于本动车AC发电机包括磁极位置检测器(相当于附设权利要求书中的相位角检测装置)16，用于检测转子每个磁极的位置，及一个小电阻元件r，用于检测磁场电流。顺便提及，电阻元件r是与磁场绕组4c串联连接的。控制器7由电阻元件r上的电压降来检测磁场电流并从控制发动机1的ECU2来读发动机信息。在本实施例中，三相全波整流器11中的MOSFETs 17a至17f不同于MOSFETs 11a至11f的地方是它们没有这样的电流检测电阻。
以下参照图9A-90的定时图来描述以上述方式构成的MOSFETs17a至17f的开和关的控制。
在本实施例中，每个转子磁极的位置由磁极位置检测器16来检测。磁极位置检测器16由绝对值位置类型的旋转编码器构成。接着，磁极位置检测器16在参考角位置上输出参考脉冲信号及在每个预定增量角上输出脉冲信号。控制器7根据读出的参考脉冲信号对脉冲信号计数及输出相位角信号Sa，Sb及Sc以控制MOSFETs17a至17f。控制器7在相位角δ1上输出高电平，在该相位角处，与来自X相的电枢绕组5a的输出电压相对应的相电压Va从负变化到正，并在相位角δ2上输出低电平，在该相位角处，相电压Va从正变化到负。此外，控制器7在相位角δ3上输出高电平，在该相位角处，与来自Y相的电枢绕组5b的输出电压相对应的相电压Vb从负变化到正，并在相位角δ4上输出低电平，在该相角处，相电压Vb从正变化到负。另外，控制器7在相位角δ5上输出高电平，在该相位处，与来自Z相的电枢绕组5c的输出电压相对应的相电压Vc从负变化到正，并在相位角δ6上输出高电平，在该相位处，相电压Vc从正变化到负。
因为非超前相位控制方式本身可被设置成等于图5中所示的控制方式，故以下将描述超前相位控制方式。在本实施例中的超前相位控制方式如下。如图9A-90中所示，MOSFET 17a及MOSFET 17b分别在超前相位控制的相位角滞后相位角δ1一个与预定延迟或滞后角δ相等的相位角时导通及关断。MOSFET 17a及MOSFET 17d分别在超前相位控制的相位角滞后相位角δ2一个与预定滞后角δ相等的相位角时关断及导通。MOSFET 17b及MOSFET 17e分别在超前相位控制的相位角滞后相位角δ3一个与预定滞后角δ相等的相位角时导通及关断。MOSFET 17b及MOSFET17e分别在超前相位控制的相位角滞后相位角δ4一与预定滞后角δ相等的相位角时关断及导通。MOSFET 17c及MOSFET 17f分别在超前相位控制的相位角滞后相位角δ5一个与预定滞后角δ相等的相位角时导通及关断。接着，MOSFET 17c及MOSFET 17分别在超前相位控制的相位角滞后相位角δ6一个与预定滞后角δ相等的相位角时关断及导通。
如果上述结构作到时便可获得与图1中所示相同的超前相位控制。以下将详细地描述包括在图1中所示的动车发电系统中所用的延时ΔT的及在图8中所示的动车发电系统中所用的滞后角δ的超前相位电流携带或供电时间的设定方法。
现在将参照图10来描述本发明第二实施例的发电系统。图10中所示的发电系统是这样一种类型的，即图1中所示的三相全波整流器11的MOSFET 11a至11f分别被不包括类似图2方式的小电阻电流检测元件的MOSFETs 17a至17f代替。
由于非超前相位控制本身可采用图5中所示的控制方式，故以下将参照图6及7所示的流程图来描述第二实施例的超前相位电流控制方式。本改型与图1中所示实施例不同之处在于MOSFETs17a至17f中每个的开/关定时是基于每个MOSFETs 17a至17f的源极和漏极之间的电位差来决定的。图6表示作出关于每个电枢电流过零点决定的程序，而图7表示用于控制每个MOSFETs 17a至17f的开/关的程序。本实施例不同于第一实施例的地方仅在于第一实施例中是基于每个电阻上的电压降检测过零点的，本实施例中是基于每个MOSFETs 17a至17f的源极和漏极之间的电位差确定每个电枢电流的过零点的。
首先检验用于对该程序执行是否是首先执行作出决定的特征位F2是否为1(步骤290)。如果发现子程序执行不是首先执行(F2＝1)时，则程序执行跳到步骤300。如果发现程序执行是首先执行(F＝0)时，则仅是使用图8中所示的程序执行将MOSFET 17a至17f进入导通(即使它们开通)的操作(步骤292)。接着，特征位F2被设成1并使程序进行到步骤300(步骤294)。顺便提一下，在功率增大时，特征位F2将复位到0。
在步骤300上首先检验在下侧开关17d中流过的电流或电枢电流ix是否从负变到正，即，在下侧开关17d导通期间依赖于Va是否已变得大于或等于OV检验是否从电流流入定子绕组5a的方向变化到电流流出到低电位DC功率端子(OV)的方向。如果在步骤300上发现回答为YES，则内部定时器d被启动(步骤302)。如果在步骤300上发现回答为NO，则检验在上侧开关17a中流过的电流或电枢电流ix是否从正到负，即，在上侧开关17a导通期间依赖于Va是否已变得小于或等于VB，检验是否从电流由定子绕组5a流出到高电位DC功率端子的方向变化到电流流入定子绕组5a的方向(步骤304)。如果在步骤304上发现回答为YES，则内部定时器被启动(步骤306)。如果在步骤304发现回答为NO，则程序进行到步骤308。
在步骤308上首先检验在下侧开关17e中流过的电流或电枢电流ix是否从负变到正，即，在下侧开关17e导通期间依赖于Vb是否已变得大于或等于OV检验是否从电流流入定子绕组5b的方向变化到电流流出到低电位DC功率端子(OV)的方向。如果在步骤308上发现回答为YES，则内部定时器e被启动(步骤310)。如果在步骤308上发现回答为NO，则检验在上侧开关17b中流过的电流或电枢电流ix是否从正到负，即，在上侧开关17b导通期间依赖于Vb是否已变得小于或等于VB，检验是否从电流由定子绕组5b流出到高电位DC功率端子的方向变化到电流流入定子绕组5b的方向(步骤312)。如果在步骤312上发现回答为YES，则内部定时器被启动(步骤314)。如果在步骤312发现回答为NO，则程序进行到步骤316。
在步骤316，根据在下侧开关17f的导通周期期间VC是否变为大于或等于OV，首先判断在下侧开关17f中流动的电流或电枢电流iz是否从负的变为正的，也就是，从电流流入到定子线圈5c中的方向到电流流出到低电位DC电源端的方向。如果在步骤316上发现回答是YES，那么内部记时器f被启动(步骤318)。如果在步骤316上发现回答是NO，那么根据在下侧开17c的导通周期期间VC是否变为小于或等VB(步骤320)，判断在上侧开关17c中流动的电流或电枢电流iz是否从正的变为负的，也就是，从电流由定子线圈5c流出到高电位DC电源的方向到电流流入到定子线圈5c的方向。如果在步骤316上发现回是YES，那么内部记时器c被启动(步骤322)。如果在步骤316上发现回答是NO，那么程序进入到步骤400。
在步骤400，判断由计时器d测量的时间周期是否结束，也就是，仅仅一个预定的延迟时间ΔT＝T2＝T4已经经过。如果在步骤400上判断出由计时器d测量的时间周期没有结束，那么下侧开关17d被关断和上侧开关17a被导通。此外，计时器d被设置到0和此后程序进入到步骤404。
在步骤404，判断由计时器a测量的时间周期是否结束，也就是，仅仅一个预定的延迟时间ΔT＝T2＝T4已经经过。如果在步骤404上发现回答是NO，那么程序直接进入到步骤408。如果在步骤404上发现回答是YES，那么下侧开关17d被关断和上侧开关17a被导通。此外，计时器a被设置到0和此后程序进入到步骤408。
在步骤408，判断由计时器e测量的时间周期是否结束，也就是，仅仅一个预定的延迟时间ΔT＝T2＝T4已经经过。如果在步骤408上发现回答是NO，那么程序直接进入到步骤412。如果在步骤408上发现回答是YES，那么下侧开关17e被导通和上侧开关17b被导通。此外，计时器e被设置到0和此后程序进入到步骤412。
在步骤412，判断由计时器b测量的时间周期是否结束，也就是，仅仅一个预定的延迟时间ΔT＝T2＝T4已经经过。如果在步骤412上发现回答是NO，那么程序直接进入到步骤416。如果在步骤412上发现回答是YES，那么下侧开关17e被导通和上侧开关17b被关断。此外，计时器b被设置到0和此后程序进入到步骤416。
在步骤416，判断由计时器f测量的时间周期是否结束，也就是，仅仅一个预定的延迟时间ΔT＝T2＝T4已经经过。如果在步骤416上发现回答是NO，那么程序直接进入到步骤420。如果在步骤416上发现回答是YES，那么下侧开关17f被关断和上侧开关17c被导通。此外，计时器f被设置到0和此后程序进入到步骤420。
在步骤420，判断由计时器c测量的时间周期是否结束，也就是，仅仅一个预定的延迟时间ΔT＝T2＝T4已经经过。如果在步骤420上发现回答是NO，那么程序直接进入到步骤102。如果在步骤420上发现回答是YES，那么下侧开关17f被导通和上侧开关17c被关断。此外，计时器c被设置到0和此后程序进入到主程序。
下面将参照图11来描述本发明的第三实施例。
根据第三实施例的动车发电系统包括一个具有Lundell-Rice型磁极的动车三相同步发电机(对应于在附设权利要求书中的一个交流发电机)100，一个用于把由动车三相同步发电机产生的AC电流整流的三相全波整流器(对应于在附设权利要求书中的AC-DC电源变换装置)3，一个短路电路4，一个用于控制短路电路的控制器7a和一个用于控制励磁电流的调节器8。短路电路4和控制器7a构成了附设权利要求书中的超前相位电流控制装置。
三相同步发电机100包括缠绕在一个定子铁心上的三相电枢线圈5a，5b和5c和一个缠绕在转子铁心上的励磁线圈4c。三相同步发电机100是一个由一个发动机驱动的所谓交流发电机。正如已知的，通过把一个所需的励磁电流从调节器8提供到励磁线圈和通过由发动机使转子铁心转动使在电枢线圈5a，5b和5c中分别包括有三相AC电压Va，Vb和Vc。
控制器7a具有一个包括在其中的微处理机。该控制器7a用作为一个用于根据由电枢线圈5a，5b和5c来的输出电压(相位电压)控制短路电路4的各个短路开关41到43和用于在一个预定时间上把超前相位电流的一个预定量提供给每个电枢线圈5a，5b和5c的电路。
调节器8具有一个导通率或导通比确定电路81，用于把电池电压VB与一个预定的参考电压相比较以便保持电池电压VB恒定，也用于根据比较的结果来确定励磁电流If的导通率和用于根据确定的导通率来控制一个开关晶体管82。该开关晶体管82断续地控制提供给励磁线圈4c的励磁电流。
三相全波整流器3是一个常规的整流器。此外，三相全波整流器3对由动车三相同步发电机产生的输出整流和把整流的输出提供给电池9和一个电负载10。
短路电路4包括短路开关41到43，每个开关包括一个由SiC构成的功率MOSFET(MOS场效应晶体管)，它们以三角形连接(或星型接)的方式被设置。短路开关41到43相互的连接点与它们对应的电枢线圈5a，5b和5c的输出端电连接。
由于利用三相全波整流器3而不使短路开关41到43导通可以对相电压Vc整流，所以将不对该第三实施例的非超前相位控制进行描述。在本实施例中，相电压Va将超前相电压Vb120°和相电压Vb将超前相电压Vc120°。为了简化说明，在三相全波整流器3的二极管31到36上的正向电压降将被忽略。
下面将结合在图12和13中所示的流程图来描述第三实施例的超前相位电流控制。在图12和13中示出的子程序是一个在一个预字的时间间隔上最好周期到被执行的中断程序。
首先在步骤500检查用于指示短路控制操作的特征位F是否为1。如果在步骤500上发现特征位F是0，那么执行返回到主程序(没有示出)作为表示执行短路控制的指令存在。如果在步骤500上发现特征F位是1，那么执行到步骤501。
在步骤501上，读出相电压Va到Vc。接下来在步骤502上检查读出的相电压Va是否小于电池电压VB。如果在步骤502上发现回答是NO，那么程序进入到步骤503。如果在步骤502上发现回答是YES，那么程序进入到步骤512。在步骤503上检查读出的相电压Va是否大于地电压VE(＝0V)。如果在步骤503上发现回答是NO，那么程序进入到步骤504。如果在步骤503上发现回答是YES，那么程序进入到步骤512。在步骤512上，一用于设置短路开关41的导通时间的计时器a被启动，以便使短路开关41立即导通(步骤514)。此后，程序进入到步骤600。
在步骤504上检查相电压Vb是否小于电池电压VB。如果在步骤504上发现回答是NO，那么程序进入到步骤506。如果在步骤504上发现回答是YES，那么程序进入到步骤516。接着在步骤506上检查相电压Vb是否大于地电压VE(＝0V)。如果在步骤506上发现回答是NO，那么程序进入到步骤508。如果在步骤506上发现回答是YES，那么程序进入到步骤516。在步骤516上，一用于设置短路开关42的导通时间的计时器b被启动，以便使短路开关42立即导通(步骤518)。此后，程序进入到步骤600。
在步骤508上检查相电压Vc是否小于电池电压VB。如果在步骤508上发现回答是NO，那么程序进入到步骤510。如果在步骤508上发现回答是YES，那么程序进入到步骤520。在步骤510上检查相电压Vc是否大于地电压VE(＝0V)。如果在步骤510上发现回答是NO，那么程序进入到步骤600。如果在步骤510上发现回答是YES，那么程序进入到步骤520。在步骤520上，一用于设置短路开关43的导通时间的计时器c被启动，以便使短路开关43立即导通(步骤522)。此后，程序进入到步骤600。
顺便地说，在步骤514和518完成之后程序立即跳到步骤600的原因是在图12和13中所示的程序有规则地和频繁地被执行和由于在一个程序循环时间内在短路开关41到43之间的相位不同，所以短路开关41到43不能一起被导通。此外，在每个计时器a，b和c中将设置一个预定的延迟时间ΔT，该延迟时间ΔT由后面待描述的一个实施例来计算和预设置。
在随后的步骤600上检查由计时器a测量的时间是否已经到达在计时器a中设置的延迟时间ΔT。如果在步骤600上发现回答是NO，那么程序进入到步骤604。如果在步骤600上发现回答是YES，那么短路开关41被关断和计时器a被复位(步骤602)。此后，程序进入到步骤604。
在随后的步骤604上检查由计时器b测量的时间是否已经达到在计时器b中设置的延迟时间ΔT。如果在步骤604上发现回答是NO，那么程序进入到步骤608。如果在步骤604上发现回答是YES，那么短路开关42被关断和计时器b被复位(步骤606)。此后，程序进入到步骤608。
在随后的步骤608上检查由计时器c测量的时间是否已经到达在计时器c中设置的延迟时间ΔT。如果在步骤608上发现回答是NO，那么程序返回到主程序(没有示出)。如果在步骤608上发现回答是YES，那么短路开关43被关断和计时器c被复位(步骤610)。此后，程序返回到主程序。
如果使放电或流出电流为零，那么由于上述操作，超前相位的电流(短路电流)经过短路开关41到43流入到它们对应的电枢线圈5a，5b和5c中，反之，如果使流入电流为零，那么超前相位的电流(短路电流)经过短路开关41到43从它们对应的电枢线圈5a，5b和5c中流出，由此能够获得所提供的超前相位的电流。
下面参照图4A-4F来描述由短路开关41的导通控制所产生的电磁现象。
在第三实施例中，短路电流通过它对应的电枢线圈的通路在一个时间t1时被开始并在一个短路时间被结束的一个时间上(此后称为″t1′″)被结束。当没有提供短路电流时，相电压Va一般地比Vb小，但具有一个比在一个低电位DC电源上的电压(0V)高的值。当短路电流没有被提供时，在时间t1′经过之后相电流Va不从低电位DC电源端流入到定子线圈5a中。然而，当在从时间t1到时间t1′的周期期间使短路相电流流入到定子线圈的定子线圈5a中时，在时间t1′上短路开关41关断时在定子线圈5a中产生的反电动势在定子的线圈5a的输出端上减少电位或相电压Va的方向上被产生。因此，相电压Va由所产生的反电动势被减少并因此相电压Va变为比在低电位DC电源端上的电位(OV)低。其结果是，电流能够从低电位DC电源端经过二极管43流入到定子线圈5a中。
换言之，它被认为是由于短路电流的通路经过定子线圈5a，所以在定子线圈5a中存储有电磁能并且在时间t1′之后该电磁能被释放。在时间t1′之后流动的电流由电池9经过一个高电位DC电源端来恢复。由于类似的原因，考虑到当在从时间t2到t2′的周期期间短路电流从定子线圈5a流出时，由于短路电流的通路经过定子线圈5a，所以在定子线圈5a中存储有电磁能并且在时间t2′之后该电磁能被释放。在时间t2′之后流动的电流由电池9经过一个高电位DC电源端来恢复。
第三实施例能够产生一个非常有利的效果，也就是由于相电流被提供给上述的每个短路开关41到43，所以甚至在这些开关被进入到关断失效状态的情况下电池9不被放电，由此安全被保证。
下面将描述本发明的第四实施例，在该实施例中上述的相电流经过每个定子线圈的通路适用于动车发电系统的操作控制。然而，一个利用在图8中所示的转角传感器(即，一个绝对位置型旋转编码器)16的方式作为简化说明的例子将被描述为超前相位电流控制方式。但是不用说参照上述的其他方式也可以被适用。
下面结合在图14中所示的一个流程图来描述本发明的第四实施例，该实施例作为用于描述由发电机100发电的状态的一个例子，该实施例根据发电机100的发电率来进行超前相位电流控制。
首先，在步骤1000上，控制器7等待直到由发电机100的发电率大于或等于一个预定的阀值A(例如，100％)为止。然后确定一个重载状态或电力不足状态已经发生。此外，利用由在图8所示的转角传感器16检测的转角信号来检测旋转速度(步骤1010)。在该实施例中，发电率将被限定为一个提供给一个开关晶体管(没有示出)的基极的控制电压的导通比或导通率，该开关晶体管被包括在图8中所示控制器7中并且控制提供给励磁线圈4c的励磁电流。在用开关晶体管的公知的控制条件下假设导通率由控制器7来获得，以致于电池电压VB与一个预定的目标电压相一致或相匹配。
在下一个步骤1020上，从包括在控制器7中的一个存储器(没有示出)中存储的一个图表中读出在检测的旋转速度为n时表示最大效率的滞后角值δa并且在该存储器中预先已存储了n和sa之间的关系。读出的滞后角值δa被存储在控制器7中的一个CPU(没有示出)的寄存器(没有示出)中。如由图9A-9O所示的时间图所表示的，虽然在一个流程图中没有示出，但是控制器7在一个定时上执行一个用于使每个MOSFETs 17a-17f导通和关断的子程序，在该定时中用于超前相位控制的相位角以规则的时间间隔或以与在14中所示的主程序无关的规则角度分别地滞后相位角s1-s6一个滞后角值δa。顺便地说，在当发电率大于或等于A时发电机100能够产生最大效率的滞后角值δa和转速n之间的关系预先被测量和被存储在存储器中。
在下一个步骤1025上检查从超前相电流经过电枢线圈的通路在用于提供发电机100的最大效率的滞后角δa上被开始时是否已经经过了一个预定的时间。如果在步骤1025上发现回答是NO，那么程序进入到步骤1010。如果在步骤1025上发现回答是YES，那么在步骤1030上检查发电率是否大于或等于A，以便根据在最大效率时超前相位电流经过的通路来检查电池9的容量是否处在一个恢复状态，即，电力短缺已被解决。如果发现发电率小于A，那么确定由于在最大效率时超前相位电流经过其通路，所以电池9正在被充电，并因此电力短缺正在被解决。此后，程序进入到步骤1040。如果发电率仍然维持大于或等于A，那么在步骤1060上就确定在最大效率的条件下超前相位电流经过的通路没有解决电力短缺。因此，在步骤1060上再次检查转速n。在检测到的转速n时用于提供发电机100的最大输出的滞后角δb从包括在控制器7中的存储器(没有示出)中存储的图表中被读出，并且在该存储器中预先已存储了n和s之间的关系。读出的滞后角值δb被存储在控制器7中的一个CPU(没有示出)的寄存器(没有示出)中。控制器7在一个定时上执行一个用于使每个MOSFETS 17a-17f导通和关断的子程序，在该定时中用于超前相位控制的相位角以规则的时间间隔或以与在14中所示的主程序无关的规则角度分别地滞后相位角s1-s6一个滞后角值δb。顺便地说，在当发电率大于或等于A时发电机100能够产生最大效率的滞后角值δb和转速n之间的关系预先被测量和被存储在存储器中。
如果在步骤1030上发现发电率小于A，那么在步骤1040上确定发电率是否小于或等于一个第二阀值B(例如，50％)。如果在步骤1040上发现回答是NO，那么程序进入到步骤1010。如果在步骤1040上发现回答是YES，那么在步骤1050上确定不需要使超前相位电流经过电枢线圈和一个执行把滞后角δ值设置到0的控制的命令，也就是，执行在间断控制下的非超前相位电流控制(见图5)的命令被发出。
因此，当根据代表发电的一个状态量的发电率，待发电量是略微低时，能够以一种发电机100高效率发电的方式来控制超前相位电流。当待发电量仍然是低的时候，非超前相位电流控制能够以高输出发电方式被执行。
如在图15中所示，对应于最大效率以一个任意转速获得的超前相位电流的量(在本实施例中为滞后δa)一般地小于对应于最大输出的超前相位电流的量(在本实施例中为滞后δb)。
上述的实施例示出了发电率已经被采用为代表发电状态的发电状态量的情况。然而，其它状态的电量，例如励磁电流，电池电压，产生的电压，负载电压，产生电流，脉动率等，可以被用来代替上述的发电率。换句话说，如果励磁电流和产生的电流在它们增加的方向上超过一个第一阀值，那么能够确定电力短缺的状态或需要增加发电的状态。如果电池电压，产生的电压和负载电压在它们减少的方向上超过该第一阈值，那么能够确定电力短缺的状态或需要增加发电的状态。如果脉动率，即，在发电机100的输出电流或输出电压中的变化率在它增加的方向上超过该第一阈值，那么能够确定电力短缺的状态或需要增加发电的状态。
此外，如果励磁电流和产生的电流在它们减少的方向上超过一个小于第一阈值的第二阈值，那么电力短缺的状态被解决和允许超前相位电流经过的通路没有波动的停止。如果电池电压，产生的电压和负载电压在它们增加的方向上超过一个大于第一阈值的第二阈值，那么能够解决电力短缺的状态和没有波动的停止超前相位电流经过的通路。如果脉动率，即，在发电机100的输出电流或输出电压中的变化率在它减少的方向上超过一个小于第一阈值的第二阈值，那么能够解决电力短缺的状态和没有波动地停止超前相位电流经过的通路。
与发电机100的转速相关的速度状态量，例如发电机100或发电机1的转速，动车速度等可以被用作为发电状态量来代替发电率以便执行上述的超前相位电流控制，该速度状态量被用来代替上述的电状态量。
也就是说，由于从发电机100产生的电压和输出的电流随着其转速的增加而大大地增加，所以即使没有电力短缺，如果发电机的转速n，发动机转速和动车转速在它们增加的方向上超过第二阈值，那么也不会产生问题。因此，它能够使超前相位电流经过电枢线圈中止。另一方面，当发电机的转速n，发动机转速和动车转速在它们减少的方向上超过一个小于第二阈值的第一阈值，电力短缺的可能性被确定和一个用于使超前相位电流经过电枢线圈的命令被发出。
因此，没有超前相位电流被提供给其对应的在高速旋转范围内的电枢线圈，其中超前相位电流经过该电枢线圈是不需要的。在高速旋转范围中的输出电流的波动率能够被减小并且在低旋转范围中能够解决输出的短缺。在图16中示出了一个在滞后角值δ是0时(在非超前相位控制的时间)输出电流(波动)中的变化率和在超前相位控制的时输出电流(波动)中的变化率之间的比较图。一个问题出现了，即当超前相位电流经过该电枢线圈时波动增加。
顺便地说，只有当速度状态量和电状态量需要超前相位电流经过该电枢线圈时超前相位电流可以流过该电枢线圈。另一方面，在低转速(rpm)下超前相位电流可以无条件地被提供给电枢线圈和在高转速(rpm)下只有当电状态量需要超前相位电流经过电枢线圈时超前相位电流可以被提供给电枢线圈。例如，进行检测发电机的转速n是否小于或等于2000rpm。根据检测的结果，用于产生超前相位电流的控制被进行。此外，只有当电状态量需要增加输出时能够在2000-5000rpm时提供超前相位电流。因此，在5000rpm或更高进能够使超前相位电流停止流动。
图17示出了在提供超前相位电流和非超前相位电流时的输出电流与发电机的转速n之间的关系曲线。根据超前相位电流流过对应的电枢线圈而增加输出的效果在低转速(rpm)时特别地明显，但在高转速(rpm)时其效果是低的。
在上述的实施例中，已经执行了提供超前相位电流的二进制控制。然而不用说，超前相位电流经过对应电枢线圈的量可以被增加来代替提供超前相位电流和超前相位电流经过对应电枢线圈的量可以被减小来代替不提供超前相位电流。
由于上述的结构和操作，在正常使用下的上述控制能够对汽车消耗一加仑汽油所行的平行哩程提供改进和通过在发电输出的波动被减小的状态中保持发电电压为一个高质量的电源和通过当发电机的输出是低的时候产生高效和高输出电源来防止电池充电短缺。
由于在输出往往是低的情况下，由于提供超前相位电流在低转速(rpm)时该输出能够被增加，所以发电机在尺寸上和重量上能够相对地被减小。减小怠速的效果和由此改进汽车消耗一加仑汽油所行的平均哩程在相同的结构中也能够被获得。
下面将参照18来描述一个在一个第五实施例中执行在怠速时控制超前相位电流经过其对应电枢线圈的例子。
在本实施例中，步骤2020被执行来代替在表示第四实施例的图14的流程图中的步骤1010和1020。此外，步骤2070被执行来代替步骤1060和1070。
换句话说，在步骤2020上，一个滞后角值δ被固定到一个与超前相位电流流过其对应电枢线圈的量等效的滞后角值δc，该滞后角值δc在一个预定的怠速时提供发电机100的最大效率，而与实际的转速无关。在步骤2070上，一个滞后角值δ被固室到一个与超前相位电流流过其对应电枢线圈的量等效的滞后角值δd，该滞后角值δd在一个预定的怠速时提供发电机100的最大输出，而与实际的转速无关。
因此，在最需要提供超前相位电流发生的情况下，当在怠速时强烈地需要增加输出时能够提供用于提供最大输出的超前相位电流。此外，在最需要提供超前相位电流发生的情况下，当在怠速时略微地需要增加输出但不需要提供最大输出时能够提供具有高效率的超前相位电流。因此，当根据提供的超前相位电流而不需要增加输出时，能够取消它的供电。由于在非怠速时提供超前相位电流，使增加输出的效果是小的，所以，即使控制是简单的，通过这样作能够保证最好的效果。
类似地，在一个动车正常转速时的一个滞后角值δ能够被设置到最有效的值或最大输出值来代替在怠速时的滞后角值δ。
在这种情况下，当动车正在运转时，相对于最大转速能够改进发电机的效率，由此能够改进汽车消耗一加仑汽油所行的平均哩程的效果。
下面将参照19来描述另一个在一个第六实施例中执行在怠速时控制超前相位电流经过对其对应电枢线圈的例子。
在本实施例中，在表示实施例2的图18中所示的流程图中的步骤1000之前设置步骤990，用于确定动车是否在怠速状态。顺便地说，根据它们打开的角度，转速和动车速度利用一个ECU2来确定该怠速。
在本实施例中，根据确定的结果，利用作为发电状态量的与动车状态量对应的转速和与电状态量对应的发电率来间断地控制超前相位电流的供给。特别地，只有当发电机的转速被确定为怠速时，根据发电率来控制超前相位电流的供给。如果是这样，那么在最需要供给超前相位电流发生的情况下，也就是待发的电是低的情况下，只有当在怠速时发电率是高的时候能够提供超前相位电流。此外，当强烈需要增加输出时能够供给用于提供最大输出的超前相位电流。由此，在最需要提供超前相位电流发生的情况下，当在怠速时略微地需要增加输出但不需要提供最大输出时能够提供具有高效率的超前相位电流。
根据一个由转角传感器16输出的脉冲信号来检测发动机的转速。如果检测到的转速落入到一个预定的低转速范围之内，那么在本实施例中该转速可以被确定为是表示怠速状态。作为上述发电机的转速的替代物，可以利用动车转速，发电机的转速，等等作为速度状态量。如果一个动车速度传感器输出一个动车速度，例如为0，那么能够确定发动机为怠速。当发动机的转速低于800rpm时，给发动机被确定为是怠速并且程序进入到步骤1000。当发动机的转速增加大约2000rpm时，可以停止超前相位电流的供给。此外，当动车速度是低于5千米/小时时，考虑到发电机的转速为低和发出的电小能够执行用于提供超前相位电流的控制。如果动车速度是大约20千米/小时，那么考虑到发电机的转速n高和发出的电足够的大，能够停止用于提供超前相位电流的控制。
在上述实施例中，控制器7包括一个微处理机。在这种条件下，每个独立的流程图已经被执行。然而，不用说利用ECU2也能够执行上述的流程图。
下面参照在图20中所示的流程图来描述第七实施例，该实施例利用一个与电状态量等效的电池电压作为发电的状态量来对超前相位电流进行控制。
在步骤700上，控制器首先等待直到发电率达到一个预定的值(在本实施例中为95％或更高)为止。如果在步骤700上发现回答是YES，那么在步骤702上检测一个电池电压VB是否小于一个预定被调整的电压Vref。如果在步骤702上发现回答是NO，那么在步骤706上检测一个滞后角值δ是否等于最小值δmin(在本实施例中与一个接近于0的值对应)。如果在步骤706上发现回答是YES，那么在步骤712上滞后角值δ被设置为0来确定不需要供给超前相位电流。此后，程序进入到步骤700。如果在步骤706上发现回答是NO，那么在步骤710上从滞后角值δ的先前值中只减去一个预定的小值而获得的一个值被设置为滞后角值δ的目前值。在步骤711上一个预定的时间已经被延迟之后，程序进入到步骤700。另一方面，在步骤702上如果电池电压VB大于预定的调整电压，那么检测该滞后角值δ是否等于最大值δmax。如果在步骤704上发现回答是YES，程序进入到步骤700。如果在步骤704上发现回答是NO，那么在步骤708上把一个预定的小值加到滞后角值δ的先前值中而获得的一个值被设置为滞后角值δ的目前值。在步骤711上一个预定的时间已经被延迟之后，程序进入到步骤700。在步骤711上进行预定时间的延迟是为了抑制程序的循环速度，由此防止在步骤708上滞后角值δ的增加率过分的加速和防止在步骤710上滞后角值δ的减少率过分地加速。
在本实施例中，如果在控制器7中设置的CPU的用于存储滞后角值δ的寄存器中存储的值是0，那么根据一个在预定的时间间隔上执行的中断程序来执行用于供给非超前相位电流的控制。如果在寄存器中存储的值不是0，那么根据一个在预定的时间间隔上执行的中断程序来执行用于供给超前相位电流的控制。
换句话说，在本实施例中，超前相位电流被控制以便使电池电压VB与被调整地电压Vref相一致，在此有这样一种可能性，既发电率变为大于一个预定的值和在简单控制励磁电流的情况下发生发电短缺。
在上述的实施例中，滞后角值δ的最大值δmax被设置到用于产生在图15中所示的最大输出的滞后角值δ2。滞后角值δ的最小值δmin被设置到在图15中所示的滞后角值δ0。
由于在本实施例中的步骤708，710和711上滞后角值δ中的变化率的最大值被控制到预定值或更小的值(即滞后角值逐渐地变化)，所以通过提供超前相位电流对发动机负载的瞬间冲击能够被减轻。
下面参照图21A-21C来描述逐渐改变滞后角值的效果。如果用于发电机的负载突然地增加和电池电压被降低，那么当由于常规的励磁电流控制使发电率突然地增加时或当根据超前相位电流的控制滞后角值δ突然增加时，在超前相位电流控制下在步骤708和711上由于逐渐增加滞后角值δ的作用使发动机负载逐渐地和简单地被增加。因此，能够防止发动机的转速突然地减小。由于甚至当发电率是100％时超前相位电流逐渐地增加，所以能够防止发动机的转速突然地减小。在本实施例中，一个预定的初始值被设置到上述用于存储滞后角值δ的寄存器上，其中在接通电源后在初始的时间上复位。顺便地说，作为电池电压减小的一个替代物，发电机的转速减小可以从一个预定的值来检测以便逐渐地改变滞后角值和供给电流。上述的逐渐变化被进行以便把滞后角值δ中的变化率的最大值(变化速度)控制到预定的值或较小的值。滞后角值δ示出了一个超前相位电流从给或进行周期。为了简便起见，对于根据转角传感器逐渐地改变滞后角值δ描述已经被进行，它作为超前相位电流控制系统。因此，在相位上超前相电压一个滞后角值δ的超前相位电流被供给。因而，虽然每个相电压和相电流的相位周期被检测和用于供给超前相位电流的控制被进行以致于被检测的相位周期中的变化率的最大值被抑制到一个预定值或较小的值，但是除了像在本发明的第五实施例中的确定电枢电流的过零点之外，通过附加地提供确定相电压的过零点能够获得与上述相同的有利效果。
即使在超前相位电流通过的周期期间流动的超前相位电流值被检测以便计算检测到的值的平均值和在被计算的平均值中的变化率的最大值被控制到一个预定值或较小的一个值，与上述一样的有利效果能够被获得。此外，即使电枢电流的循环周期(即，用于通过超前相位电流的周期)被检测以至超前相位电流通过的周期的最大值从被检测的周期中来确定，并且利用超前相位电流通过的周期来代替与在本实施例(步骤704，746，708，710和712)中使用的角相关的每个恒定周期和可变周期，与上述一样的有利效果也能够被获得。换句话说，通过根据电池电压把一个预定的小比例加到电枢电流每个周期的超前相位电流通过的周期比的一个初始值(例如，1％)上或从该初始值减去一个预定的小比例，和通过把在该比例中的变化率的最大值控制到一个预定值或较小的值，能够获得逐渐地改变滞后角值的上述效果。
下面将参照在图22中所示的流程图来描述在本发明的第八实施例中在上述超前相位电流控制的情况下用于减小发动机转速中的周期变化(即波动)的操作。
由于在怠速时上述的波动是特别敏感的，所以根据一个与在图19的步骤990上相同的系统或方式，首先在步骤800上检查发动机是否是在怠速状态，如果在步骤800上发现回答是NO，那么程序返回到步骤800。如果在步骤800上发现回答是YES，那么在步骤802上检测发动机的转速。然后在步骤804上检查被检测到的发动机转速是否小于一个预定的转速Nl。如果在步骤804上发现回答是YES，那么在步骤806上选择一个超前相位电流通过或供给方式(例如，参见图6A和7)以便增加发动机负载。如果在步骤804上发现回答是NO，那么在步骤808上选择一个非超前相位电流供给方式(例如，参见图5)以便减小发动机负载。
在这种情况下，能够减小发动机转速中的周期变化(即波动)。图23是一个时间图，它用于描述在提供超前相位电流(由实线表示)时和在不提供超前相位电流(由虚线表示)时减小发动机转速中的周期变化(即，波动)的效果。如果在怠速时发动机的平均转速被认为是Nm(在本实施例中为600rpm)，那么最好上述的预定转速Nl是Nm，最佳为一个略微小于Nm的值。在本实施例中滞后角值δ被保持恒定。
随便地说，根据发动机转速中的变化(波动)幅度能够纠正预定的转速Nl。换句话说，当发动机转速中的变化是大的时候，预定的转速Nl被设置到一个实际等于平均转速Nm(在本实施例中为600rpm)的值，以便以与发动机转速中的变化相位相反的相位形式增加发动机负载的转矩。另一方面，当发动机转速中的变化是小的时候，预定的转速Nl被设置到一个充分小于平均转速Nm(在本实施例中为600rpm)的值，以至于在具有与发动机转速中的变化相位相反的相位的发动机负载的转矩中的增加量被减小。在图24的流程图中示出了该过程的一个例子。给流程图等效于一个在图22中的步骤802和804之间附加设置的步骤803。目前的步骤803与一个步骤相对应，该步骤用于根据检测到的发动机转速从控制器中的存储器里读出与检测到的发动机转速相对应的一个预定的转速。顺便地说，它们之间的关系预先已被存储在该存储器中。在这种情况下，根据波动能够调整超前相位电流的供给量。因此，当波动小时，能够防止通过供给具有一个相反相位的超前相位电流使波动增加的危险。
顺便地说，即使超前相位电流流过的周期与相电流的每个周期之比被改变，对于超前相位电流供给量的控制允许对滞后值δ角进行调整，以及对在相电流的每个周期上的超前相位电流流过的周期，即，滞后角值δ进行调整。
在上述的实施例中，根据发动机转速是否大于预定的转速Nl，由提供超前相位电流所引起的转速中的变化已被抑制。然而，当在一个预定周期期间发动机转速中的变化率(转速中的变化量/平均转速)超过一个预定的范围时，可以抑制发动机转速。此外，如果当发动机转速落入怠速的发动机速度范围中时超前相位电流正在被提供，那么可以停止提供超前相位电流以便抑制发动机的停机。
下面将参照在图25中所示的流程图来描述在本发明的第九实施例中在上述超前相位电流控制的情况下用于防止发动机转速突然减小的另一个控制的例子中。
首先在步骤900上输入一个相对于发动机负载中一个突然变化而变化的状态量。在步骤902上，根据状态量中的变化检查发动机负载是否突然地增加。如果在步骤902上发现回答是YES，那么在步骤904上检查控制是否是在超前相位电流供给方式。如果在步骤902上发现回答是NO，那么在步骤906上检查发动机负载是否被突然地减小。
用于相对于发动机负载中一个突然变化而变化的状态量，能够选用一个负载电流、电池电压、发电率、 一个用于控制供给电负载的开关的导通和关断的状态、用于把电力供给像压缩机或类似物这样的机械负载的开关的导通和关断的状态。很明显利用控制器7 ECU22能够检测这些状态量。
如果在步骤906上发现回答是NO，那么程序返回到步骤900，如果在步骤906上发现回答是YES，那么在步骤910上一个用于提供超前相位电流的命令被发出。此后程序返回到步骤900。如果在步骤904上发现回答是NO，那么程序返回到步骤900。如果在步骤904上发现回答是YES，那么在步骤908上检查电池电压是否大于一个预定的最小值和用于电池容量的容限是否被提供。如果电池电压低和没有给出用于电池容量的容限，那么程序返回到步骤900。如果电池电压高和给出了用于电池容量的容限，那么在步骤912上停止超前相位电流供给方式。和程序返回到步骤900。
因此，能够防止发动机转速由在图21A-21C中所示的发电机负载中的突然变化引起的突然地变化。
顺便地说，超前相位电流控制与励磁电流控制相比具有快速响应，因而，超前相位电流控制适合于在本实施例中的控制。
下面将参照在图26中所示的流程图来描述在本发明的第十实施例中根据励磁线圈4c、每个定子线圈5a-5c或发电机100的一个预定部分的温度进行超前相位电流控制的例子。
本流程图是把步骤1002，1004和1006加到在图14中所示的流程图中的一个流程图。下面仅描述这些步骤。在步骤1000上，发电机率与一个预定的值A(例如，95％)比较。如果在步骤1000上发现回答是YES，那么由于输出可能地是低，所以超前相位电流被执行。然而在其控制之前，在步骤1002上根据由在图8中所示的一个温度传感器70所产生的信号来检测发电机100的温度。当发电机100的温度低时励磁电流增加已经是公知的。
如果发现被检测的温度是大于或等于一个预定值T(例如，100℃)，那么参照上面所述认为在低温时励磁电流中的增加可以被忽略，程序返回到步骤1010。如果发现被检测的温度是小于或等于预定值T，那么从一个被存储的图表中寻找一个与该温度对应的滞后角值δg和把被寻找到的滞后角值δg设置到上述用于存储s的寄存器中。此后，程序进入到步骤1040。
在一个存储器中存储的上述图表示出了在预先被检测的温度和最适合的滞后角值δg(在该温度时不产生磁饱和)之间的关系。换句话说，当温度变得越高时，滞后角值δg变得越小。
顺便地说，根据用于检测流过励磁线圈4c的一个被连接的电流检测电阻的电阻值可以从一个表示该电阻和温度之间关系的图表中寻找到发电机100的温度。由于在这种情况下不需要温度传感器70，所以能够简化结构。
在这种情况下，即使当发电率是大的，即负载是大的时候，在低温时通过增加励磁电流能够减小超前相位电流。因此，能够抑制一个输出增加和超出常规希望之外的磁饱和。特别当发动机被启动时或在一个低温度上发动机已被启动之后马上就能够防止由发电机100无用地增加发动机负载。
在本实施例中，相对于温度超前相位电流不被增加和被减小。然而，通过在低温时把励磁电流控制到一个预定的限制值和抑制发电机的转矩能够进一步改进在低温时发动机的启动能力。
下面将参照在图27中所示的流程图来描述在本发明的第十一个实施例中在超前相位电流控制的情况下用于减小由发动机引起的振动的一个振动制操作。其它的实施例示出许多的应用，在这些应用中基于本发明的超前相位电流控制的输出控制与基于励磁电流的常规输出控制相比速度更高。
由于由发动机引起的振动尤其在怠速时是容易灵敏的，所以首先根据一个类似于在19中的步骤990的系统或方式，在步骤2000上确定发动机是否是在怠状态，如果在2000上发现回答是NO，那么程序返回到步骤2000。如果在步骤2000上发现回答是YES，那么在步骤2002上从一个经过ECU2连接到发动机1上未被举例说明的曲轴角传感器上读出一个曲轴角。
接着在步骤2004上检测在供给超前相位电流的情况下读出的曲轴角是否是一个可控的半个周期或相反的半个周期。如果在步骤2004上发现回答是YES，那么在步骤2006上选择一种超前相位电流供给或进行方式。如果在步骤2004上发现回答是NO，那么在步骤2008上选择一种超前相位电流非供给方式。
顺便地说，用通过把旋转振动和往复振动相结合所获得的一种波形形式来表示发动机的振动(特别是它的基频分量)。然而，该复合的波形具有与一个预定的曲轴角相对应的一周或周期。在从一个预定的曲轴角θ1到一个预定的曲轴角θ2的相位周期期间发动机的转速增加(此后称为″速度增加相位周期″)。因而，如果在速度增加相位周期期间(它可以是以速度增加相位周期为中心的半个周期)通过供给超前相位电流使发动机负载加重，那么能够防止一个曲轴的转速增加并且与曲轴速度增加相关的发动机振动能够被抑制。
当通过一个传动带使发电机100和发动机1相互连接时，可能有这样一种情况，即在它们之间的转矩传送时间有点被延迟。在这种情况下，通过利用该延迟时间可以快速进行用于选择超前相位电流供给方式的计时。
虽然参照附图结合最佳的实施例已经充分地描述了本发明，但是应当注意的是对本领域里的技术人员来说各种各样的变化和变型将是明显的。这些变化和变型被认为是在由附加的权利要求所限定的本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种发电系统，包括一个具有一产生磁场磁通的磁场绕组及产生发电输出的电枢绕组并且由一个发动机驱动的发电机；AC-DC功率变换装置，用于对每个电枢绕组输出的电压进行整流并将整流电压提供给电负载；磁场电流控制装置，用于控制供给磁场绕组的磁场电流；电压控制装置，用于控制磁场电流控制装置以便将由发电机产生的每个输出控制到一个预定的值；发电状态检测装置，用于检测相对于所述发电机发电状态的预定数量的发电状态；确定装置，用于基于发电状态的检测量，确定是否必须将超前相位电流提供给每个电枢绕组；和超前相位电流控制装置，用于当确定装置确定必须提供超前相位电流时对每个电枢绕组起动超前相位电流的供给或增加超前相位电流的供给，及当确定装置确定出不需要供给超前相位电流时停止超前相位电流的供给或减小超前相位电流。
2.根据权利要求1的发电系统，还包括一个由所述AC-DC电力变换装置供电的蓄电池。
3.根据权利要求1的发电系统，其中当在对每个电枢绕组提供超前相位电流是必须的方向上发电状态量超过第一阈值时，确定装置确定对每个电枢绕组提供超前相位电流是必须的。
4.根据权利要求1的发电系统，其中当在与对每个电枢绕组提供超前相位电流是必须的方向相反的方向上发电状态量进一步超过一个大于所述第一阈值的第二阈值时，确定装置确定对每个电枢绕组提供超前相位电流不是必须的。
5.根据权利要求1的发电系统，其中发电状态量包括由蓄电池电压、磁场电流、发电功率、发电电压、负载电压、发电电流、及波动率中至少一个组成的电状态量。
6.根据权利要求1的发电系统，其中发电状态量包括由发电机的转速、发动机的转速及动车速度中至少一个组成的速度状态量。
7.根据权利要求1的发电系统，其中当发动机的转速被确定为小于预定转速时，基于发电状态量，所述确定装置可确定发动机处于空转状态，并当发动机被确定处于空转状态时，确定装置确定必须将超前相位电流供给每个电枢绕组。
8.根据权利要求1的发电系统，还包括检测装置，用于检测与发电机转速相关的物理量，及所述超前相位电流控制装置根据基于该物理量检测的发电机转速来确定用于对每个电枢绕组提供超前相位电流的定时。
9.根据权利要求1的发电系统，其中在超前相位电流携带定时时，超前相位电流控制装置把所述超前相位电流供给每个电枢绕组，在该定时中，在发动机转速为一预定值的时间上发电机的效率和输出中的一个变为大于或等于一个预定值。
10.根据权利要求9的发电系统，其中在超前相位电流携带定时时，超前相位电流控制装置把所述超前相位电流供给每个电枢绕组，在该定时中， 在发动机转速为一预定的发动机空转速度的时间上发电机的效率和输出中的一个变为大于或等于一个预定值。
11.根据权利要求1的发电系统，其中所述超前相位电流控制装置具有高效发电方式，它代表在发电机效率变为大于或等于预定值的超前相位电流携带状态下的超前相位电流控制方法，及高输出发电方式，它代表在发电机输出变为大于或等于预定值的超前相位电流携带状态下的超前相位电流控制方式，和当对每个电枢绕组提供超前相位电流被确定是必要时，所述确定装置基于发电状态量选择这两个方式中的一个。
12.根据权利要求1的发电系统，其中发电状态量包括蓄电池电压，及当蓄电池电压低于预定第一电压值时确定装置确定必须对每个电枢绕组提供超前相位电流，而当蓄电池电压高于包含预定第一电压值在内的预定第二电压值时确定装置确定不必要提供超前相位电流。
13.根据权利要求1的发电系统，其中所述超前相位电流控制装置限制超前相位电流变化率的最大值，以使得逐渐改变超前相位电流。
14.根据权利要求1的发电系统，其中所述超前相位电流控制装置限制超前相位电流携带时间、相对每个相电压的携带超前相位电流的相位、及提供给电枢绕组的超前相位电流的平均值中的一个变化率的最大值，由此逐渐地改变超前相位电流。
15.根据权利要求14的发电系统，其中所述超前相位电流控制装置限制超前相位电流携带时间与电枢电流彼此相对是连续的预定周期的比例的变化率的最大值，由此逐渐地改变超前相位电流。
16.根据权利要求13的发电系统，其中发电状态量至少包括以下物理量之一由发电机供电的电负载增大时的输出压降、及发电机转速的下降，并且当输出压降及发电机转速下降中的至少一个被确定为大于作为物理量的另外量时，确定装置确定逐渐地改变并提供超前相位电流。
17.根据权利要求1的发电系统，其中发电状态量包括涉及发动机转速变化的物理量，及当该变化作为物理量被确定为大值时确定装置确定需要提供超前相位电流，及当确定出需要提供超前相位电流时所述超前相位电流控制装置在对供给超前相位电流为了供给超前相位电流而抑制发动机转速的变化。
18.根据权利要求1的发电系统，其中发电状态量包括涉及由发动机产生的振动的一个物理量，当振动被确定为作为物理量的大值时所述确定装置确定必须提供超前相位电流，及当超前相位电流提供被确定为必须时所述超前相位电流控制装置为了供给超前相位电流而抑制发动机的振动。
19.根据权利要求1的发电系统，其中发电状态量包括涉及发电机预定部分的温度的物理量，及确定装置基于所述物理量确定发电机是否具有低温度，并当发电机被确定为处于低温度时超前相位电流控制装置停止向每个电枢绕组提供超前相位电流及减小超前相位电流，而当发电机被确定为处于非低温度状态时起动对每个电枢绕组提供超前相位电流及增加超前相位电流。
20.根据权利要求1的发电系统，其中所述超前相位电流控制装置包括一个常规/反向供电开/关电路，它具有分别由单独连接高电位DC功率端子及各相电枢绕组输出端的半导体开关器件组成的高压侧开关及分别连接到设成低于高电位DC功率端子的低电位DC功率端子及电枢绕组输出端的半导体开关器件组成的低压侧开关，及一控制器，用于控制常规/反向供电开/关电路。
21.根据权利要求20的发电系统，还包括检测装置，用于检测在AC-DC功率转换装置的高电位DC功率端子及低电位DC功率端子中至少一个端子与每个电枢绕组输出端子之间的电位差及至少一个电枢电流，及超前相位电流控制装置基于至少一个电位差及至少一个电枢电流设置用于开及关每个半导体开关装置的定时。
22.根据权利要求20的发电系统，其中在从每个电枢绕组输出端子上的电位变为小于高电位DC功率端子上的电位开始经过预定时间后，所述控制器使每个高压侧开关关断，并在从每个电枢绕组输出端子上的电位变为大于低电位DC功率端子上的电位时开始经过预定时间后，所述控制器使每个低压侧开关导通。
23.根据权利要求20的发电系统，其中在从每个电枢绕组输出端子上的所述电位变为大于所述低电位DC功率端子上的电位时开始经过预定时间后，所述控制器使每个高压侧开关导通，并在从每个电枢绕组输出端子上的所述电位变为小于高电位DC功率端子上的电位时开始经过预定时间后，所述控制器使每个低压侧开关导通。
24.根据权利要求20的发电系统，还包括相位角检测装置，用于检测所述发电机转子的旋转相位角，其中所述超前相位电流控制装置基于所述旋转相位角控制在所述每个半导体开关的导通/关断的时间上的导通/关断时间。
25.根据权利要求20的发电系统，其中每个半导体开关器件包括一个MOS场效应晶体管(MOSFET)。
26.根据权利要求25的发电系统，其中所述MOS场效应晶体管是SiC构成的。
27.根据权利要求1的发电系统，其中所述超前相位电流控制装置包括一个短路电路，该短路电路由多个在各相电枢绕组输出端子之间短路用的半导体装置组成，及一个控制器，用于控制每个半导体装置的开及关。
28.根据权利要求27的发电系统，其中每个半导体开关在其中包括电流检测电阻元件，用于检测电枢电流。
29.根据权利要求27的发电系统，其中在每个电枢绕组的输出端子上的电位变为小于在高电位DC功率端子上的电位时，所述控制器使短路电路的半导体开关导通以允许超前相位电流流入到每个电枢绕组，及在每个电枢绕组的输出端子上的电位变为大于在低电位DC功率端子上的电位时，所述控制器使短路电路的半导体开关导通以允许超前相位电流流出每个电枢绕组，及在从导通时开始经过预定时间后使短路电路的半导体开关关断。
30.一种发电系统，包括一个具有一产生磁场磁通的磁场绕组及产生发电输出的电枢绕组并且由一个发动机驱动的发电机；磁场电流控制装置，用于控制供给磁场绕组的磁场电流；电压控制装置，用于控制磁场电流控制装置以便将由发电机产生的每个输出控制到一个预定的值；超前相位电流控制装置，用于控制提供给每个电枢绕组的超前相位电流，所述超前相位电流控制装置限制超前相位电流变化率的最大值，以使得逐渐改变超前相位电流。
31.一种发电系统，包括一个具有一产生磁场磁通的磁场绕组及产生发电输出的电枢绕组并且由一个发动机驱动的发电机；磁场电流控制装置，用于控制供给磁场绕组的磁场电流；电压控制装置，用于控制磁场电流控制装置以便将由发电机产生的每个输出控制到一个预定的值；检测装置，用于检测与所述发动机转速的变化相关的物理量；超前相位电流控制装置，用于控制提供给每个电枢绕组的超前相位电流；确定装置，用于根据所述物理量确定所述发动机转速变化的值；由此当所述变化被确定为大于一个预定量时所述超前相位电流控制装置把所述超前相位电流供给每个电枢绕组。
32.一种发电系统，包括一个具有一产生磁场磁通的磁场绕组及产生发电输出的电枢绕组并且由一个发动机驱动的发电机；磁场电流控制装置，用于控制供给磁场绕组的磁场电流；电压控制装置，用于控制磁场电流控制装置以便将由发电机产生的每个输出控制到一个预定的值；检测装置，用于检测与所述发动机产生的振动相关的物理量；超前相位电流控制装置，用于控制提供给每个电枢绕组的超前相位电流；确定装置，用于根据所述物理量确定所述发动机振动的值；由此当所述变化被确定为大于一个预定量时所述超前相位电流控制装置把所述超前相位电流供给每个电枢绕组。
33.一种发电系统，包括一个具有一产生磁场磁通的磁场绕组及产生发电输出的电枢绕组并且由一个发动机驱动的发电机；磁场电流控制装置，用于控制供给磁场绕组的磁场电流；电压控制装置，用于控制磁场电流控制装置以便将由发电机产生的每个输出控制到一个预定的值；检测装置，用于检测一个与所述发电机的一个预定部分的温度相关的物理量；超前相位电流控制装置，用于控制提供给每个电枢绕组的超前相位电流；确定装置，用于根据所述物理量确定所述发电机是否处在一个低温度上；由此当发电机被确定为处于低温度时超前相位电流控制装置停止向每个电枢绕组提供超前相位电流及减小超前相位电流，而当发电机被确定为处于非低温度状态时起动对每个电枢绕组提供超前相位电流及增加超前相位电流。
全文摘要
有AC发电机的动车发电系统检测与发电机发电状态相关并根据供给发电机的超前相位电流变化的量。当根据检测的状态量确定需要对电枢绕组供给超前相位电流时，将之供给各电枢绕组。如确定不需要供给，停止供给各电枢绕组的超前相位电流。如这样当需要发电状态变化时通过供给超前相位电流能获得发电状态的变化，例如输出增加或由供给引起的类似变化。当变化不需要时，停止供给超前相位电流抑制属于供给超前相位电流的故障状态。
文档编号H02J7/24GK1144413SQ96108048
公开日1997年3月5日 申请日期1996年4月24日 优先权日1995年4月24日
发明者筒井敏雄, 佐藤博英 申请人:日本电装株式会社