專利名稱：通用頻率發(fā)電機(jī)的制作方法
相關(guān)申請(qǐng)本申請(qǐng)是1998年9月22日提交的并在2000年4月4日作為美國專利第6047104號(hào)公布的專利申請(qǐng)序列號(hào)09/158464的部分繼續(xù)申請(qǐng)，因此把它的全部內(nèi)容通過引用合并在本發(fā)明的說明書中。
領(lǐng)域本專利說明是屬于諸如發(fā)電機(jī)一類的電機(jī)領(lǐng)域，而更為具體而言，則與以下能力有關(guān)，即能基本上彼此獨(dú)立地改變?cè)瓌?dòng)機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)輸出頻率中的一個(gè)或兩個(gè)，以及當(dāng)使用其中機(jī)械轉(zhuǎn)速和輸出頻率難于匹配的諸如當(dāng)高RPM原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)第輸出頻率發(fā)電機(jī)之類的裝置時(shí)還能省去齒輪箱。
背景發(fā)電機(jī)已使用了超過一個(gè)世紀(jì)，上溯至Faraday和Fouquet的原理簡單歸納如下如果在磁場(chǎng)中的導(dǎo)線相對(duì)于機(jī)械力場(chǎng)移動(dòng)(大于電磁力)，那么導(dǎo)線中就產(chǎn)生電流或?qū)Ь€兩端產(chǎn)生電壓，并且由此就把機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電能。為了滿足能量產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的各種需求，設(shè)計(jì)了不同形式的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)?？梢哉f全部都遵循Faraday的電動(dòng)原理，正如之后由Lenz更準(zhǔn)確加以描述的那樣。
流行型的發(fā)電機(jī)是AC發(fā)電機(jī)，雖然在某些應(yīng)用中也使用DC發(fā)電機(jī)。AC發(fā)電機(jī)有許多配置，最普通的就是這樣一種發(fā)電機(jī)，其中提供電能的線圈是靜止的，而在其中感應(yīng)電流的磁場(chǎng)則是旋轉(zhuǎn)的。通常同步AC發(fā)電機(jī)的主要部件是定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子通常具有偶數(shù)極的交變極性。每極具有勵(lì)磁線圈并把勵(lì)磁線圈電氣連接以形成勵(lì)磁繞組。勵(lì)磁器把DC電流饋送給勵(lì)磁繞組，而得到的mmf(磁動(dòng)勢(shì))則產(chǎn)生所期望的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。勵(lì)磁器可以是由同一原動(dòng)機(jī)(例如，水輪機(jī)或蒸汽或燃?xì)廨啓C(jī))作為轉(zhuǎn)子加以驅(qū)動(dòng)的DC發(fā)電機(jī)。DC電流通過電刷和集流環(huán)進(jìn)入轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。在“無刷”勵(lì)磁器中，可通過置于轉(zhuǎn)子上的整流器電路并對(duì)這個(gè)AC電流進(jìn)行整流，而從置于同主轉(zhuǎn)子直接連接的分離轉(zhuǎn)子上的分離AC繞組得到DC電流。
其中產(chǎn)生所期望emf(電動(dòng)勢(shì))的定子或電樞繞組通常置于定子內(nèi)部或外部表面上整齊排列的槽縫中。定子繞組包括如此安置的線圈，以使諸線圈邊分離相隔一個(gè)極。例如，對(duì)于使用四極的轉(zhuǎn)子，它們相隔90度。當(dāng)原動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子時(shí)，轉(zhuǎn)子上勵(lì)磁繞組的磁通量產(chǎn)生對(duì)電樞繞組的掃描，在其中感應(yīng)出所期望的emf。具有四極的轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過180機(jī)械度時(shí)(它對(duì)應(yīng)于360電氣度)，就得到emf的完整周期。對(duì)p極發(fā)電機(jī)以n RPM機(jī)械旋轉(zhuǎn)的更一般情況(其中p是正整數(shù))，以Hz為單位的電頻率與極數(shù)p和以RPM為單位的機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)，即f＝pn/120。相反，n＝120f/p。
單相AC發(fā)電機(jī)在定子上具有單個(gè)電樞繞組，但由于諸如機(jī)械振動(dòng)以及功率脈動(dòng)之類因素這通常只用于小功率的應(yīng)用。對(duì)于較大功率的最通常配置是在具有相等rms值但相位相隔120度的三個(gè)端子產(chǎn)生三個(gè)電壓的三相系統(tǒng)(相對(duì)于第四個(gè)中性端)。
同步發(fā)電機(jī)通常饋送電力網(wǎng)(經(jīng)常通過升壓變壓器)，但只當(dāng)滿足以下幾個(gè)條件時(shí)才可連接于電力網(wǎng)(a)電力網(wǎng)的頻率和發(fā)電機(jī)emf是相同的(例如60Hz的電力網(wǎng)，對(duì)于2極的轉(zhuǎn)子發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就以3600 RPM轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于4極的轉(zhuǎn)子就以1800 RPM轉(zhuǎn)動(dòng)，等等)；(b)發(fā)電機(jī)的相位順序與電力網(wǎng)相同；(c)發(fā)電機(jī)的emf與電力網(wǎng)電壓相同；以及(d)在發(fā)電機(jī)的emf和電力網(wǎng)電壓之間沒有相位差。只有當(dāng)所有四個(gè)條件都滿足時(shí)，發(fā)電機(jī)才能安全連接于或保持連接于電力網(wǎng)以向其饋送電能。
由于AC同步發(fā)電機(jī)通常把它的機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度與供電頻率相聯(lián)系，從而使2極60Hz的發(fā)電機(jī)將以3600 RPM旋轉(zhuǎn)，而2極50Hz的發(fā)電機(jī)則以3000 RPM旋轉(zhuǎn)，所以難以達(dá)到原動(dòng)機(jī)的有效運(yùn)行，或難以從一個(gè)輸出頻率變化到另一個(gè)，或者難以以有效和高效地響應(yīng)負(fù)載變化的方式運(yùn)行原動(dòng)機(jī)。例如，隨著原動(dòng)機(jī)改進(jìn)的出現(xiàn)，如果允許運(yùn)行于很高的RPM，那么某些發(fā)動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生很高的馬力。這可能與期望輸出的電頻率是不相符的，并也可能意味著減少發(fā)動(dòng)機(jī)重量以及改進(jìn)它的效率，但需要添加笨重的轉(zhuǎn)矩齒輪箱，從而它會(huì)降低總效率以及增加維護(hù)和成本。
典型的著名發(fā)電機(jī)在1998年由Chapman & Hall，Int’l Thomson Publishing出版的O.I.Elgerd等人所著的《Electric Power Engineering，2nd Ed》中有所討論，它通過引用在這里合并并在以下通過其標(biāo)題加以引用。
概述以下所述較佳實(shí)施例通過提供能以方便的機(jī)械速度驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的同時(shí)，還能產(chǎn)生為所期望的另一輸出頻率來克服了已知現(xiàn)有技術(shù)這些和其它一些的缺點(diǎn)。換言之，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)能以實(shí)質(zhì)上獨(dú)立于轉(zhuǎn)子機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度的速度旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，原動(dòng)機(jī)可以以明顯不同于要不然將由所期望輸出電頻率指定的速度的速度旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子一例如高速轉(zhuǎn)輪可以以它自己的速度驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子軸而仍舊饋送60Hz或50Hz的電力網(wǎng)。作為另一例子，可以有效使用同一的發(fā)電機(jī)饋送60Hz或50Hz的電力網(wǎng)，不同的只在于電子控制的設(shè)置，它建立和維持轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)速度，而不需要改變轉(zhuǎn)子的機(jī)械轉(zhuǎn)速。作為再一個(gè)例子，不饋送固定頻率輸電線的發(fā)電機(jī)可以有效運(yùn)行于多個(gè)輸出頻率的任何一個(gè)，而無需改變?cè)瓌?dòng)機(jī)的RPM。此外，可以通過改變?cè)瓌?dòng)機(jī)速度來計(jì)算出負(fù)載條件以匹配當(dāng)前負(fù)載，同時(shí)保持電頻率為常數(shù)或以不同方法改變。照這樣，原動(dòng)機(jī)就可以對(duì)當(dāng)前負(fù)載是有效的速度運(yùn)行，但發(fā)電機(jī)的輸出頻率可以保持相同或以所期望的方法改變。
如本專利所述，可由主機(jī)械或主電氣控制達(dá)到這樣一些優(yōu)點(diǎn)。在主要為機(jī)械的實(shí)施中，在選擇驅(qū)動(dòng)速度和所期望的輸出頻率之后，確定驅(qū)動(dòng)向勵(lì)磁繞組供電的電刷所要求的不同速度。主要為電氣的實(shí)施允許更多的設(shè)計(jì)自由度，而計(jì)算機(jī)時(shí)代的電子學(xué)和原理則使得對(duì)于較佳結(jié)果的自動(dòng)同步成為可能。消除瞬變的穩(wěn)定盒，連同當(dāng)前同步發(fā)電機(jī)使用的是個(gè)重要的發(fā)展步驟。由于穩(wěn)定盒為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以如果轉(zhuǎn)子以非同步速度運(yùn)轉(zhuǎn)，則勵(lì)磁繞組和電樞間的差頻產(chǎn)生強(qiáng)的反向emf；這轉(zhuǎn)而又對(duì)異步的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反作用轉(zhuǎn)矩。
這里所揭示系統(tǒng)和方法的一個(gè)目的在于提供一種電子換向電路，它可與以零機(jī)械速度開始的輸電線同步，另一個(gè)目的在于使發(fā)電機(jī)穩(wěn)定，而無需感應(yīng)電機(jī)盒。進(jìn)一步目的在于順利地把無刷同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為無刷通用發(fā)電機(jī)。還有另一個(gè)目的在于改進(jìn)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行，同時(shí)能夠繼續(xù)使用大部分已知發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和配置，例如轉(zhuǎn)子和勵(lì)磁繞組、定子和電樞繞組以及換向器條，正如它們存在于已知AC發(fā)電機(jī)中，比如單相和三相發(fā)電機(jī)。從以下陳述的詳細(xì)揭示附加目的會(huì)變得明顯。
附圖簡述

圖1a、1b和1c說明了典型機(jī)械碳刷換向系統(tǒng)以及當(dāng)碳刷從一個(gè)換向器條移到下一個(gè)時(shí)電樞線圈中產(chǎn)生的電流。
圖2說明了換向器條的電流交換分布。
圖3、3a和3b是說明用于向換向器條供電并由此向勵(lì)磁繞組供電而無需電刷或集流環(huán)電子電路的電路簡圖。
圖4時(shí)說明用于向換向器條供電以是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以實(shí)際上與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速無關(guān)的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)的典型控制電路框圖。
圖4a是用于說明控制勵(lì)磁繞組電流的斜坡電壓的時(shí)序圖。
圖5說明用于使發(fā)電機(jī)而通過頻率、相位、emf和相位順序與電力網(wǎng)或一些其它參考同步的鎖相電路。
圖6說明用于電氣控制轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)實(shí)質(zhì)上與轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速無關(guān)的典型配置。
圖7說明典型無刷可變速度同步的發(fā)電機(jī)。
較佳實(shí)施例詳述圖1a說明了典型機(jī)械刷系統(tǒng)的部分，它用作在過程或在電刷和換向器條之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)中使AC發(fā)電機(jī)定子中一組電樞線圈的電流流動(dòng)方向從正向轉(zhuǎn)換為負(fù)向的開關(guān)。它也使鄰近電樞線圈從負(fù)向轉(zhuǎn)換為正向。如圖1a所見，處于正電壓電平的電刷10與傳統(tǒng)換向器條12的一部分換向器條片a電氣接觸。由于這一電氣接觸，電流(Ia)以圖1所示的方向繞著線圈14流動(dòng)，并在示出的而且并是同一電樞繞組一部分的其它線圈中以所示方向流動(dòng)。為了簡化起見，說明了單相發(fā)電機(jī)，但該原理也適用于3相發(fā)電機(jī)。如圖1b所見，當(dāng)同一電刷10和換向器條12之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起了電刷10與換向器條片b電氣接觸，而脫離與條片a的電氣接觸時(shí)，在相同電樞線圈14中的電流(Ib)與電流(Ia)具有的方向相反，而由于電刷10與條片b的接觸在其它線圈中的電流方向則如圖1c所示。圖1c說明同一電刷10相對(duì)于換向器條12的兩個(gè)不同位置(假設(shè)在電刷和換向器條之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)期間的不同時(shí)間)以及由于與條片a和條片b的電氣接觸引起的電流方向。
圖2說明了在換向器條12一個(gè)條片的交換期間電流(I)的時(shí)間記錄。電刷10和換向器條之間的接觸表面通過電刷相對(duì)高的電阻率調(diào)節(jié)電流的流動(dòng)。圖2所示換向時(shí)間中的線性時(shí)間電流分布對(duì)保持電樞線圈14其余部分的恒定電流流動(dòng)是可期望的。
圖3是32個(gè)條片換向器的電子交換電路詳細(xì)電路圖，它可以替代關(guān)于圖1a-1c所討論的這類電刷配置，而圖3a則是換向器條片驅(qū)動(dòng)器的放大。可以采用任何合適的低損耗晶體管系統(tǒng)；對(duì)于每個(gè)換向器條片，圖3所示的電路使用一對(duì)N型和P型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(F.E.T.)。使用典型的換向器條交換電路，由圖3可以看出，來自功能主交換計(jì)算機(jī)的輸入信號(hào)確定在順序中使用的換向器條片。如果選擇了特定條片，并根據(jù)需要交換的電流方向，N溝道或P溝道的F.E.T.在偏置柵輸入接收斜坡信號(hào)。
圖3a說明了圖3所示電路的條片驅(qū)動(dòng)器之一。響應(yīng)于控制信號(hào)1_P，P溝道的晶體管Q41導(dǎo)通，把電源30連接到標(biāo)號(hào)為“1_換向器條”的輸出端，它電氣連接于對(duì)應(yīng)的換向器條片。相反，響應(yīng)于控制信號(hào)1_N，N溝道的晶體管Q53導(dǎo)通，把同一輸出端接地。電容器C61和C85跨接于F.E.T.Q41和Q53以獲得磁儲(chǔ)能(C61跨接P溝道的Q51，C85跨接N溝道的Q53)。F.E.T.電容器C73是進(jìn)一步吸收瞬變電壓的穩(wěn)定電容器。電阻器R41和R53是偏置和柵控電路的部分。電源30可以是為勵(lì)磁繞組的提供DC電流的已知類型勵(lì)磁器電路。
圖3b是鼠籠式電樞配置的等效電路，它在對(duì)于無刷結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)再作詳細(xì)討論。
圖4以框圖形式說明完整的數(shù)字換向交換電路。在圖4中，術(shù)語“偶數(shù)換向器條”和“奇數(shù)換向器條”表示可選的換向器條片。由不同信號(hào)驅(qū)動(dòng)偶數(shù)號(hào)和奇數(shù)號(hào)的條片，因?yàn)楫?dāng)由斜坡柵信號(hào)啟動(dòng)一個(gè)換向器條片(稱為奇數(shù)的一個(gè))時(shí)，就在同一換向器條時(shí)隙期間由反相斜坡信號(hào)使以前偶數(shù)的換向器條片截止。此外，同時(shí)啟動(dòng)和截止相隔180度的P溝道和N溝道驅(qū)動(dòng)器對(duì)；然而，由于這些晶體管的互補(bǔ)特性，這些柵需要分別參考電源電壓和地的反相斜坡。
在圖3的例子中，其中有32個(gè)換向器條，第21個(gè)條片上的P溝道的F.E.T.41的同時(shí)啟動(dòng)第五換向器條片上的N溝道的F.E.T.Q53。在同一時(shí)間周期中，截止第四條片上的N溝道以及第20條片上的P溝道。如果換向器條片的數(shù)量不能被4整除，那么奇數(shù)和偶數(shù)的N以及P溝道設(shè)備不能配對(duì)。例如，具有22個(gè)條片的換向器條，在第16條片上的P溝道的同時(shí)啟動(dòng)第5條片上的N溝道。
應(yīng)該清楚術(shù)語換向器條片是用戶的稱謂因?yàn)檫@是AC發(fā)電機(jī)的典型組件。雖然這里所揭示的實(shí)施例中可以使用相同的結(jié)構(gòu)，但相關(guān)的方面在于條片電氣連接于電樞繞組的特定點(diǎn)。由于沒有電刷或集流環(huán)需要用于所揭示的實(shí)施例中，所以換向器條片可以是簡單的驅(qū)動(dòng)器輸出通過永久(但不需要)連接加以電氣連接的終端，比如輸出端“1_換向器條”。
圖4中所示的控制電路通過壓控振蕩器(VCO)16產(chǎn)生頻率。如果發(fā)電機(jī)不需要與電力網(wǎng)同步，那么VCO 16的輸出頻率可手動(dòng)控制，例如通過變阻器的配置16a。VCO 16的輸出控制上/下計(jì)數(shù)器18，它通過256步對(duì)來自VCO 16的一個(gè)脈沖遞增計(jì)數(shù)，隨后由來自上/下控制20的信號(hào)使它的方向反向以遞減計(jì)數(shù)256步，并重復(fù)了這個(gè)順序。如果期望使發(fā)電機(jī)與電力網(wǎng)(或某些其它標(biāo)準(zhǔn))同步運(yùn)行，那么可由來自圖5中所示元件的信號(hào)控制上/下計(jì)數(shù)器18，并且以下進(jìn)行討論，其中不需使用VCO 16并可從圖4中省略。把計(jì)數(shù)器18(256步進(jìn)或256步退)的數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為在A/D轉(zhuǎn)換器21的模擬上斜坡或下斜坡信號(hào)，并通過變阻器配置21a提供對(duì)模擬斜坡的幅度控制，變阻器配置21a可由手動(dòng)控制或可通過維持來自轉(zhuǎn)換器21的斜坡期望幅度電平的反饋回路加以控制。來自轉(zhuǎn)換器的模擬斜坡通過互補(bǔ)放大器21b和21c并分別作為正斜坡(ramp+)和負(fù)斜坡(ramp-)。兩個(gè)斜坡互相是鏡像的并相差180度相位。放大器21b的輸出是鋸齒波形，而放大器21c的輸出是另一個(gè)鋸齒波形，一個(gè)具有正峰值，另一個(gè)具有負(fù)峰值。把這些斜坡提供到差分放大器29a到19d，它們還通過可變偏移量控制28a接收來自諸如DC/DC轉(zhuǎn)換器28的電源輸入。圖4中標(biāo)為V并用作Vcc電源的電壓源為電子器件供電。以下對(duì)于圖4a描述控制28引起的偏移功能。把放大器29a和29b的輸出提供到多路復(fù)用器22，如分別標(biāo)為“偶數(shù)P”和“偶數(shù)N”的信號(hào)，而把放大器29c和29d的輸出提供到多路復(fù)用器24，如分別標(biāo)為“奇數(shù)P”和“偶數(shù)N”的信號(hào)。在條片計(jì)數(shù)器26的控制下運(yùn)行多路復(fù)用器以便為每一斜坡交換其輸出到每個(gè)斜坡的連續(xù)換向器條片。
參照?qǐng)D4a，使用如圖4中相同的標(biāo)號(hào)“偶數(shù)P”、“奇數(shù)P”、“偶數(shù)N”和“奇數(shù)N”說明來自放大器29a到29d的斜坡。如圖4a中所見，各個(gè)斜坡信號(hào)相位相差180度，并通過諸如圖4中的28a的偏移電路偏移以說明晶體管的閾值電壓，比如圖3a中的Q41和Q53。圖4a中的標(biāo)號(hào)識(shí)別一個(gè)換向器條(條片)周期的持續(xù)時(shí)間，它對(duì)應(yīng)一個(gè)上斜坡或一個(gè)下斜坡的持續(xù)時(shí)間。圖4a還識(shí)別同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)鄰近換向器條片的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器(比如圖3a的驅(qū)動(dòng)器)的周期，并因此短路本地線圈。
再參照?qǐng)D4，每個(gè)多路復(fù)用器22和24具有32個(gè)輸出(在使用32個(gè)條片的換向器條的情況下)，分別進(jìn)入條片驅(qū)動(dòng)器22a和22b以及24a和24b。多路復(fù)用器22饋送偶數(shù)號(hào)的換向器條片用驅(qū)動(dòng)器，而多路復(fù)用器24饋送奇數(shù)號(hào)的換向器條片用驅(qū)動(dòng)器。事實(shí)上驅(qū)動(dòng)器22a和22b是與圖3a中的驅(qū)動(dòng)器電路相同16個(gè)電路。從多路復(fù)用器進(jìn)入標(biāo)為“偶數(shù)P驅(qū)動(dòng)器”的框中的輸出事實(shí)上就是諸如圖3a中標(biāo)為“1_P”的輸入，而進(jìn)入圖4中標(biāo)為“偶數(shù)N驅(qū)動(dòng)器”的框的輸出事實(shí)上就是諸如圖3a中標(biāo)為“1_N”的輸入端。事實(shí)上圖4中標(biāo)為“1_換向器條”的輸出與圖3a中標(biāo)為“1_換向器條”的輸出相同。當(dāng)然，在32個(gè)條片的發(fā)電機(jī)的情況下，對(duì)于16個(gè)偶數(shù)號(hào)的換向器條片的每個(gè)均有各自的驅(qū)動(dòng)器電路以及各自的輸入及輸出信號(hào)。考慮到圖3a和圖4中的標(biāo)號(hào)以及奇數(shù)號(hào)的16個(gè)換向器條片是相關(guān)的這一事實(shí)，多路復(fù)用器24和組件24a及24b的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行是相似的。
圖5說明了用于自我同步的鎖相電路，一種在純機(jī)械的系統(tǒng)中不可或地或不完全實(shí)用的裝置。這個(gè)電路使發(fā)電機(jī)31與以發(fā)電機(jī)任何軸轉(zhuǎn)速的的輸電線32的線電壓相位同步。例如，在圖5中可通過光耦合器34采樣線電壓的相位。當(dāng)發(fā)電機(jī)31中的轉(zhuǎn)子正在旋轉(zhuǎn)并且發(fā)電機(jī)輸出開路電壓時(shí)，使用光耦合器來檢測(cè)自產(chǎn)生電壓用以同鑒相器38上的線電壓信號(hào)進(jìn)行相位比較。把由鑒相器38通過電子開關(guān)38控制的壓控振蕩器40的輸出通過光耦合器42饋送進(jìn)圖4中的上/下計(jì)數(shù)器18，替換圖4中VCO 16輸出的使用。
在運(yùn)行時(shí)，當(dāng)開關(guān)39處在所示位置時(shí)，鑒相器38從發(fā)電機(jī)31和輸電線32(但不從來源32a)的輸出接收輸入，鑒相器38產(chǎn)生與它的兩個(gè)輸入之間的任何相位差有關(guān)的信號(hào)，它隨來自實(shí)際產(chǎn)生可允許相位誤差窗口的鎖定誤差源38a的信號(hào)變化。鑒相器38的輸出控制VCO 40的頻率，它從內(nèi)部建立了上下可允許頻率的限制。通過根據(jù)來自鑒相器38的信號(hào)以合適的方向改變VCO 40的頻率，圖5的控制電路加速或減慢發(fā)電機(jī)31中轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)，使其會(huì)聚于發(fā)電機(jī)31輸出和輸電線電力網(wǎng)的相位之間可允許的誤差窗口中。電路44檢測(cè)何時(shí)完成相位鎖定并使LED指示器44發(fā)光指示，這樣可以閉合電源開關(guān)(未示出)以把發(fā)電機(jī)31的輸出連接到電力網(wǎng)，假使用于這個(gè)目的的其他條件(emf、相位順序以及頻率)也滿足的話。
如果希望，發(fā)電機(jī)31可以以相似的方式與相位信號(hào)的另一源32a相位同步。在這種情況下將并不采用來自輸電線32的相位輸入。
如不需要或不希望相位同步，開關(guān)39就可用于所示相反的位置，這樣就不把鑒相器38連接于VCO 40，并且手動(dòng)或另外由來自包括變阻器的配置45的信號(hào)控制VCO 40的輸出頻率。
啟動(dòng)可按相似于當(dāng)前用于這樣一些發(fā)電機(jī)過程的另一種方式進(jìn)行，使用勵(lì)磁器以及反饋電路把發(fā)電機(jī)提到合適的輸出頻率和emf以及合適的相位順序(如果使用了多相位發(fā)電機(jī))。在啟動(dòng)中附加的轉(zhuǎn)矩可能改變軸轉(zhuǎn)速，但鎖相電路可調(diào)節(jié)該速度以使其保持同步。驅(qū)動(dòng)器(可以是任何機(jī)械或電氣原動(dòng)機(jī))可以檢測(cè)轉(zhuǎn)矩的改變以及R.P.M.的需要以提供合適的機(jī)械能。
圖6說明了典型機(jī)械配置，它安裝在發(fā)電機(jī)31軸上，這樣以上所述的換向器控制電路就與軸一起旋轉(zhuǎn)。電路的電源來自集流環(huán)或通過整流器的自勵(lì)磁器系統(tǒng)。機(jī)械配置包括一系列的碟片60，它包括典型的電子玻璃纖維電路板。這些碟片60攜帶相應(yīng)條片的條片驅(qū)動(dòng)器，即如圖3中所示的電路。附加的碟片62可以攜帶驅(qū)動(dòng)器的邏輯電路，比如調(diào)壓器以及驅(qū)動(dòng)器邏輯和光檢測(cè)器66。碟片與轉(zhuǎn)子軸一起旋轉(zhuǎn)。之前討論的VCO 40不需要與旋轉(zhuǎn)部件一起安裝，并通過調(diào)制激光68(由光檢測(cè)器68檢測(cè)它的輸出)把頻率信息提供到旋轉(zhuǎn)部分，這樣提供了光隔離。VCO 16可以替代圖6中的VCO 40或者電力網(wǎng)及電壓用作鎖相電路的參考頻率以通過光信號(hào)饋送到系統(tǒng)。如果自勵(lì)磁器(見圖7)提供驅(qū)動(dòng)勵(lì)磁繞組必要的電能和電子設(shè)備的電能，這可以使配置成為無刷。
圖7說明了典型無刷變速同步發(fā)電機(jī)。機(jī)械軸70附于主發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組(圖7中標(biāo)為“電樞”)以及勵(lì)磁器電樞74。提供到勵(lì)磁繞組72的電壓由勵(lì)磁器線圈76控制，它從外部控制電路接收它的信號(hào)。產(chǎn)生的AC電能首先通過整流器電路78饋送然后進(jìn)入電子換向系統(tǒng)80。電子換向系統(tǒng)80現(xiàn)在控制勵(lì)磁繞組76上的各個(gè)線圈的交換。這產(chǎn)生了轉(zhuǎn)子場(chǎng)，它與定子中的典型電樞線圈互相作用；定子線圈產(chǎn)生電能。根據(jù)本專利揭示的典型無刷配置包括普通同步發(fā)電機(jī)的自勵(lì)磁電能以及串聯(lián)工作的DC電刷類型的換向電樞。該系統(tǒng)用作機(jī)械電子轉(zhuǎn)換器；使用這個(gè)場(chǎng)，機(jī)械能放大為電能，把它升高到更高的發(fā)電機(jī)輸出電平。機(jī)械能還饋送到勵(lì)磁器；這可解釋為由主電樞系統(tǒng)的放大信號(hào)。雖然在這個(gè)配置中可使用正常的反饋控制，但勵(lì)磁器系統(tǒng)的場(chǎng)通常使用DC源。在這里所揭示中，DC或旋轉(zhuǎn)AC源均是起作用的。AC勵(lì)磁可對(duì)旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)起作用，但通常如果使用旋轉(zhuǎn)的AC勵(lì)磁場(chǎng)，對(duì)于場(chǎng)以與機(jī)械軸相反的方向旋轉(zhuǎn)是可期望的。這將為發(fā)電機(jī)以更高速度放大所需能量。如前所述并由于反向的E.M.F.，發(fā)電機(jī)的反饋控制可不同于普通同步發(fā)動(dòng)機(jī)的反饋控制。由于反饋控制涉及轉(zhuǎn)矩/R.P.M.的關(guān)系，它就根據(jù)使用的特定原動(dòng)機(jī)類型而個(gè)別加以編程。
無刷配置當(dāng)今同步發(fā)電機(jī)趨向于無刷。AC勵(lì)磁器的勵(lì)磁線圈由外部電源供電或連接于發(fā)電機(jī)的輸出。勵(lì)磁器的可選電源是自耦變壓器。勵(lì)磁器電樞產(chǎn)生可變頻率的AC電能，它被轉(zhuǎn)換為DC電能以饋送發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組。由于AC勵(lì)磁器在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相同的軸上，它消除了電刷類型發(fā)電機(jī)需要的集流環(huán)的需要，使發(fā)電機(jī)無刷。雖然在本專利揭示中可以使用相同一般類型的無刷配置，但來自外部控制系統(tǒng)的電子信號(hào)可以從光耦合器饋送。進(jìn)一步，AC勵(lì)磁器場(chǎng)可以幫助產(chǎn)生電能，同時(shí)軸不旋轉(zhuǎn)。因此，勵(lì)磁器場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向應(yīng)該與軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，從而當(dāng)軸最終開始旋轉(zhuǎn)時(shí)就可以產(chǎn)生較高的電壓。這導(dǎo)致較高電能產(chǎn)生以饋送給主電樞繞組并確保在任何軸轉(zhuǎn)速下頻率將不會(huì)減小到零。
較佳可變頻率發(fā)電機(jī)的配置是無刷配置。重繞無刷同步發(fā)電機(jī)的電樞以使把主電樞的勵(lì)磁繞組配置為沒有換向器條的DC電樞，但具有換向器連接。電子換向系統(tǒng)傳送線頻率和發(fā)電機(jī)實(shí)際的軸R.P.M.之間的換向速度差以提供差分換向速度。同一軸上的AC勵(lì)磁器為發(fā)電機(jī)的電樞供電。它被轉(zhuǎn)換為DC電能，使配置無刷。發(fā)電機(jī)的場(chǎng)強(qiáng)由勵(lì)磁器的場(chǎng)強(qiáng)控制，而勵(lì)磁器場(chǎng)可由DC電能或AC電能控制。如果AC電源控制勵(lì)磁器場(chǎng)，那么較佳地這個(gè)電能就為勵(lì)磁器提供旋轉(zhuǎn)場(chǎng)。該旋轉(zhuǎn)的方向應(yīng)與機(jī)械軸的旋轉(zhuǎn)方向相反。到線頻率用電子換向器的輸入以及機(jī)械軸的R.P.M應(yīng)該產(chǎn)生由光耦合器連接的鎖相R.P.M.。進(jìn)行實(shí)際的機(jī)械配置以使電子換向定位于整個(gè)電樞軸的最末端，它包括勵(lì)磁器電樞；整流器；滾珠軸承以及在機(jī)械驅(qū)動(dòng)器中主磁場(chǎng)電樞。機(jī)械R.P.M.速度可通過機(jī)械原動(dòng)機(jī)(比如燃?xì)廨啓C(jī)；蒸汽輪機(jī)；水輪機(jī)；風(fēng)輪機(jī)或內(nèi)燃機(jī))與轉(zhuǎn)矩曲線相聯(lián)系。這個(gè)聯(lián)系可為原動(dòng)機(jī)提供特別的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。例如，考慮單軸燃?xì)廨啓C(jī)以3600P.R.M.旋轉(zhuǎn)的效率而忽略負(fù)載條件。如果燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)，那么它的效率在部分負(fù)載的條件下下降十分快速。由于燃?xì)廨啓C(jī)必須仍舊以3600R.P.M.運(yùn)轉(zhuǎn)，所以它處理相同量的空氣。所使用的控制方法降低了工作溫度，轉(zhuǎn)而降低了熱力學(xué)效率。然而，如果燃?xì)廨啓C(jī)使用本專利說明書揭示的這類變速發(fā)電機(jī)，它可以在部分負(fù)載的條件下以低于3600RPM的速度更有效地運(yùn)行。它會(huì)處理更少的工作流體(空氣)并把運(yùn)行溫度保持在發(fā)動(dòng)機(jī)標(biāo)準(zhǔn)考慮的盡可能的高度。這樣通過使用這里揭示的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)就增加了燃?xì)廨啓C(jī)的部分負(fù)載的效率。
作為另一個(gè)例子，如果柴油機(jī)是發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)，已知這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)它的RPM隨轉(zhuǎn)矩負(fù)載變化時(shí)工作最佳。然而，由于典型現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)配置為柴油發(fā)電機(jī)設(shè)置，柴油機(jī)就必須以同步速度運(yùn)行而忽略它的負(fù)載條件。這個(gè)操作不匹配自然柴油機(jī)的運(yùn)行特性。結(jié)果，柴油機(jī)只能運(yùn)行在有限負(fù)載范圍；否則它必須犧牲其大量熱效率并需要高的燃料損耗。然而，在如這里揭示的實(shí)施例中，柴油機(jī)RPM可隨負(fù)載變化而變化。
這里一個(gè)重要的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)就是使用了跨接所有晶體管的并聯(lián)電容器，作為抑制如圖3、3a和3b所示的瞬變過程的方法。電樞設(shè)計(jì)具有于脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩條件下使用的內(nèi)建穩(wěn)定特性，比如當(dāng)由活塞機(jī)通過連接諸條的電容器驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)時(shí)。電容器還提供存儲(chǔ)來自電樞線圈啟動(dòng)的感應(yīng)能量以及變換其電流方向的兩個(gè)功能。和碳刷系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)允許感應(yīng)能量電阻性地散逸為熱量。假使它作為隔離電源運(yùn)行，并且不連接于公用輸電線，則發(fā)電機(jī)還可使用振蕩器電路作為參考替代線電壓頻率以運(yùn)行于期望頻率。如圖3b所示，連接換向器條的電容器使脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定；在高脈沖條件下，這個(gè)電路就像鼠籠型感應(yīng)機(jī)電樞那樣運(yùn)行。
如果機(jī)械軸保持靜止，那么電刷旋轉(zhuǎn)R.P.M.可以接近發(fā)電機(jī)的發(fā)生頻率；當(dāng)這發(fā)生時(shí)，可變頻率自同步發(fā)電機(jī)變?yōu)槟芰哭D(zhuǎn)換器。于是它可用于諸如轉(zhuǎn)換電池組或燃料電池的DC電能或使用饋送到能量轉(zhuǎn)換器的頻率以產(chǎn)生電能系統(tǒng)的不同期望頻率這樣的目的。由于這里所揭示的可變頻率同步發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)這個(gè)方法就成為可能的。對(duì)于特定應(yīng)用，發(fā)電機(jī)繞組的勵(lì)磁器邊可以適當(dāng)加以設(shè)計(jì)以匹配發(fā)電機(jī)能量需要的要求。對(duì)于DC到AC的轉(zhuǎn)換器，不再需要?jiǎng)?lì)磁器；只有DC電源可被饋送到具有本地振蕩器的電子換向器作為線電壓同步用的參考。
分支具有自同步鎖相電路的電子換向系統(tǒng)提供更簡便的方法操作同步發(fā)電機(jī)，因?yàn)榭梢匀肯龣C(jī)械齒輪盒。鎖相電路加速了發(fā)電機(jī)的同步操作，這提供了操作便捷性并實(shí)際減少了所需部件，由此減少了制造和維護(hù)成本。由于大多數(shù)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)可以電機(jī)系統(tǒng)的反向方式運(yùn)行，所以這里所揭示的原理也適用于電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)。
為了驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，如今的變速驅(qū)動(dòng)電路通常把AC電源轉(zhuǎn)換為DC電源，隨后把AC反向轉(zhuǎn)換為可變頻率。這會(huì)使這樣的系統(tǒng)變得昂貴及低效。如上所揭示的控制可以替代舊的變速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，而發(fā)電機(jī)頻率轉(zhuǎn)換器和變速驅(qū)動(dòng)器的組合可為工業(yè)應(yīng)用提供電能使用方面中的重大改進(jìn)。諸如泵、鼓風(fēng)機(jī)、變速驅(qū)動(dòng)造紙機(jī)以及紡織操作的應(yīng)用都可以從使用以上所揭示的控制原理中得利，而那些原理的最重要應(yīng)用可能是電車。使用本專利說明書的揭示可使電車更為價(jià)廉，并導(dǎo)致更快速地拓展電車的使用范圍。當(dāng)應(yīng)用于電動(dòng)機(jī)時(shí)這里所揭示的變速驅(qū)動(dòng)器可以改變高速鐵路的功率傳輸系統(tǒng)以及電船的推進(jìn)系統(tǒng)。由于通過光纖耦合器可以饋送差分速度，就可以使用連接于計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的單光纖線路控制系統(tǒng)，作為未來加強(qiáng)控制應(yīng)用的靠線飛行控制系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生電能的方法，其特征在于包括以第一頻率旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)的軸；以第二頻率從發(fā)電機(jī)輸出AC電能；彼此獨(dú)立地改變所述頻率以按所選的建立起其間的可變差。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于改變的步驟包括從電子學(xué)上控制向發(fā)電機(jī)電樞饋送AC功率，其中饋送到電樞的AC功率頻率不同于從發(fā)電機(jī)輸出的AC功率頻率。
3.一種產(chǎn)生電能的方法，其特征在于包括提供具有換向器條片以及與其一起旋轉(zhuǎn)的勵(lì)磁線圈的發(fā)電機(jī)；從與換向器條一起旋轉(zhuǎn)的電路提供電流給換向器條片，并以所選的順序和方向饋送所述電流到勵(lì)磁線圈；以及選擇性地改變頻率，以這個(gè)頻率把電流提供給不同的換向器條片以選擇性地維持或改變發(fā)電機(jī)的輸出頻率。
4.一種同線電壓發(fā)電機(jī)輸出相位同步的方法，其特征在于包括檢測(cè)線電壓相位和發(fā)電機(jī)輸出的相位；互相比較所檢測(cè)的相位以檢測(cè)它們之間的相位差；以及以與相位差有關(guān)的頻率把功率提供給發(fā)電機(jī)中的勵(lì)磁繞組線圈，由此以達(dá)到線電壓和發(fā)電機(jī)輸出之間的相位同步。
全文摘要
一種發(fā)電機(jī)，其中通過電子控制(80)可以實(shí)質(zhì)上彼此獨(dú)立地改變轉(zhuǎn)子的機(jī)械旋轉(zhuǎn)速度和輸出頻率，以達(dá)到就如原動(dòng)機(jī)(70)的速度及負(fù)載條件和發(fā)電機(jī)輸出之間更佳的匹配一類結(jié)果。
文檔編號(hào)H02P9/00GK1446396SQ01810513
公開日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2001年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月3日
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