用于涡轮电动机/发电机的功率调节系统的制作方法

文档序号:7317264阅读:206来源:国知局
专利名称:用于涡轮电动机/发电机的功率调节系统的制作方法
技术领域
本发明总体上涉及电动机/发电机功率调节器,更具体体地涉及用于涡轮电动机/发电机的功率调节系统。
背景技术
涡轮电动机/发电机(包括微型涡轮电动机/发电机)通常被用在发电应用中,如医院、机场等的备用涡轮发电机。在序列号为6020713的美国专利(以后称为′713号专利)中对这样的涡轮电动机/发电机进行了描述,这里将其全文引用为参考。′713号专利描述了公知的涡轮发电机,它包括一个具有多个间隔相等、极性交替并且围绕转子外围的磁极的转子部件,该转子部件可以在具有多个绕组和极性交替的磁极的定子中旋转。
为了启动涡轮发电机,将电流提供给永磁发电机/电动机的定子线圈,以使永磁发电机/电动机作为电动机运行,由此使涡轮发电机的燃气涡轮机加速。为了提供启动功率,′713号专利包括一个通过电源整流器和开关逆变器与永久磁铁的定子线圈耦合的电源。在这样的加速过程中,按照正确的顺序将火花和燃料引入燃烧室并且达到燃气涡轮机自持条件。此时,将涡轮发电机与电源断开,并且涡轮发电机作为外面负载的电源来运行。具体来说,在将开关逆变器重新配置为受控的60赫兹模式并且将供电整流器改变为与供电整流器不同的电源整流器之后,由涡轮发电机提供功率。
但是,由于包含两个截然不同的整流器,因此,前述的′713号专利的涡轮发电机受到大型电气部件占位面积(footprint)的损害。
在序列号为5008801的美国专利(以后称为′801号专利)中对用于涡轮发电机的另一种功率调节系统进行了描述,这里将其全文引用为参考。′801号专利公开了一种通过逆变器和单独的组合整流器/滤波器,从外部电源给定子线圈提供启动功率的功率调节系统。对于需要给负载提供中点输出端的情况,′801号专利利用一个输出自耦变压器来生成中点。由于包含单独的自耦变压器,′801号专利的功率调节系统也要受到大型电气部件占位面积的损害并且由于变压器而使效率下降。

发明内容
按照本发明的一个实施例,提供了一种备有与电动机/发电机端口电气耦合的整流器以及与整流器和负载端口电气耦合的逆变器的电动机/发电机功率调节器。在启动模式中,组合的整流器和逆变器给电动机/发电机端口提供启动功率。在运行模式中,组合的整流器和逆变器将产生的功率提供给负载端口并且生成中点输出端。
按照本发明的另一个实施例,提供了一种对电动机/发电机进行控制的方法,包括通过与逆变器电气耦合的整流器给电动机/发电机提供启动功率,通过整流器和逆变器对从电动机/发电机产生的功率进行调节,并且在对产生的功率进行调节的同时,通过组合的整流器和逆变器生成中点输出端。
按照本发明的另一个实施例,提供了一种具有用于给电动机/发电机提供启动功率的装置、用于对电动机/发电机产生的功率进行调节的装置以及用于从对产生的功率进行调节的装置的输出中生成中点输出端的装置的电动机/发电机功率调节器。
按照本发明的另一个实施例,提供了一种具有与电动机/发电机端口电气耦合的三腿有源整流器、与负载端口电气耦合的四腿逆变器、将整流器与逆变器电气耦合的双向DC功率总线以及与逆变器的一个腿耦合的中点输出端的电动机/发电机功率调节器。


图1为按照本发明一个实施例的功率调节系统的框图。
图2为按照本发明一个实施例的开关器件和二极管的放大图。
图3为按照本发明一个实施例的,在运行模式中的图1的功率调节系统的框图。
图4为按照本发明一个实施例的,在启动模式中的图1的功率调节系统的框图。
图5为按照本发明另一个实施例的,在启动模式中的功率调节系统的框图。
具体实施例方式
以下将对本发明当前的优选实施例进行介绍。只要可能,将在涉及的相同或者相似部分的所有附图中使用相同的参考数字。
仅为了进行说明,将参照涡轮电动机/发电机(即,利用涡轮原动机的电动机/发电机)对本发明的优选实施例进行描述。但是,应该理解,还可以将本发明应用于除了简单的涡轮电动机/发电机以外的更多的设备,如柴油机发电设备(即,利用柴油机作为原动机的电动机/发电机)。
在图1的示意图中示出了按照本发明第一实施例的功率调节系统100。如图所示,功率调节系统100包括与涡轮电动机/发电机120电气耦合的整流器110。整流器110还与逆变器130电气耦合,逆变器130又与负载端口140电气耦合。最好,可以将负载端口140有选择地与用于提供启动功率的外部电源(例如,没有示出的电力网)耦合,还可以有选择地与一个或多个电气负载耦合。
如图1所示,整流器110最好包括有源整流器(即,除了已知的无源二极管整流器以外还包括一次侧有源元件)。对于三相电源的应用,整流器110被配置为“三腿”有源整流器,整流器110的每个腿112、114和116与由电动机120产生的/提供给发电机120的三相中的一相对应。但是,应该理解,对于三相输入以外的电源的应用,可以增加更多的腿或者减少为更少的腿(例如,两个腿、四个腿的应用等)。如图2的放大图所示,整流器110的每个腿112、114、116包括多个开关器件210(例如,一对双绝缘栅双极性晶体管(IGBT)),按照公知的方式,将多个开关器件210中的每一个与相应的二极管220并联电气耦合。
与有源整流器110相似,逆变器130最好也包括有源逆变器130(图1)。逆变器130的每个腿132、134、136和138包括多个开关器件210(例如,一对FET),按照公知的与整流器110相同的方式,将多个开关器件210中的每一个与相应的二极管220并联电气耦合。但是,与整流器110不同,逆变器130最好包括一个“四腿”有源逆变器130(或者比用于除了三相输出以外的应用的整流器110多一个腿)。具体来说,有源逆变器130的三个腿134、136、138中的每一个与输出到负载端口140的三相中的一相对应。此外,对应于由组合的整流器110/逆变器130生成的中点输出端150,提供第四个腿132。这个中点输出端150可以称为生成的中点。
应该理解,尽管示出了只有两级的整流器110和逆变器130(即,每个腿仅有两个串联的开关器件210),但是,可以在例如高压发电的场合使用多于两级的多级变换。
在图3所示的运行模式期间,整流器110将由涡轮电动机/发电机120提供的交流(AC)功率转换为直流(DC)功率。通过双向DC功率总线160将DC功率提供给逆变器130。DC总线电容器162位于双向DC功率总线160之间,对提供给逆变器130的电压进行滤波。
在运行模式期间,逆变器130将整流器110提供的DC功率转换为60赫兹的AC功率。仅为了进行说明,将运行模式期间通过功率调节器100的单相功率流标为310(图3)。然后,最好在利用输出滤波器170进行滤波之后,通过负载端口140将60赫兹的AC功率输出到负载。按照公知的方式,通过以固定的60赫兹的速率使逆变器130导通和关断,进行DC到AC功率的变换。由输出滤波器170对组合整流器110/逆变器130提供的生成中点150进行滤波,以消除任何由于切换而感应的电流冲击。通过直接从组合整流器110/逆变器130提供生成中点,可以省略附加变压器或者其它附加部件。
如图4所示,在启动模式中,图1的整流器110和逆变器130的作用相反。仅为了进行说明,将在启动模式中通过功率调节器100的单相功率流标为410。应该理解,如前面参照图1所描述的,图4所示的整流器420和逆变器430分别与逆变器130和整流器110对应。为了进行说明,图4分别将前者的整流器110和逆变器130重新标为逆变器430和整流器420,以便与它们在启动模式中的“交换的”功能相对应。
优选地,在启动模式期间,将AC功率提供给整流器420(对应于运行模式的逆变器130),整流器420将AC功率变换为DC功率。通过双向DC功率总线160将DC功率提供给逆变器430(对应于运行模式的整流器110)。由控制单元(没有示出)对逆变器430进行控制,在适当的控制规则下(例如,按照固定的压频比)将AC功率提供给涡轮电动机/发电机120的电枢绕组。控制单元逐渐增加逆变器430(的切换速率和)产生的基波频率,按照公知的方式使涡轮电动机/发电机120加速到一定速度。一旦涡轮电动机/发电机120达到运行速度,则使逆变器430与整流器420反转,按照前述的运行模式运行。
如上所述,本发明的优选实施例提供了一种在已知的涡轮功率调节系统之上具有减少了的占位面积的可反转的或者可重新配置的涡轮功率调节系统100。由此,减少了涡轮功率调节系统100的制造和维护成本。
但是,应该理解,在不需要使用单独的启动器电路的情况下,本发明的优选实施例还为启动而进行发电。单独的启动电路通常被用于单独产生一个通常大于电源电压的可变电压,用于如对涡轮电动机/发电机进行启动的应用。
通过消除单独的启动电路,本发明的优选实施例还可以减少涡轮功率调节系统的占位面积,并且由此实现了相应地减少涡轮功率调节系统的成本和复杂程度。即使对于本发明来说不需要单独的启动电路,但应该理解,根据具体实施情况,如果需要,也可以将单独的启动电路与本发明的实施例结合起来使用。
除了上述的使占位面积减少了以外,本发明人还发现,可以对上述的涡轮功率调节系统100的功率因数进行调节,以便为给定的实施情况选择需要的特定功率因数。一般来说,输出的“功率因数”指的是输出功率中有效功率与视在功率之比,例如,按照由Asea Power Systems在因特网上公布的标题为“功率因数定义和应用”的TN-002号技术说明文稿所描述的,这里将其全文引用为参考。当具有清楚的线性关系时,功率因数与电压与电流之间的相位角有关。但是,当电压与电流之间没有明显的相位关系时,或者当电压和电流都采用任意值时,也可以对其进行定义。
功率因数是一个描述电流对负载中的有效功率贡献多少的简单方法。功率因数为一(一或者1.00)表示100%的电流给负载提供功率,而功率因数为零表示电流不给负载提供功率。通常,纯电阻负载如加热器元件的功率因数为一,通过它们的电流与加在它们两边的电压成正比。通常,电容性和电感性(电动机)负载的功率因数为零,并且按照更复杂的方式对通过它们的电流进行定义。
可以认为AC线路中的电流包括两个成分实数和虚数。实数部分产生被负载吸收的功率,而虚数部分是被反射回电源的功率,如在电流和电压的极性相反的情况下,它们的乘积,即功率,是负的。
使功率因数尽可能接近于一很重要,其原因在于一旦将功率输送给负载,就不希望其中的很多(如果有的话)返回电源。利用电流将功率传送给负载,又利用电流将功率带回到电源。因此,功率返回电源将引起效率下降。
本发明人还发现了上述的涡轮功率调节系统100允许通过对涉及整流器110和/或逆变器130的电流控制环进行控制,来对功率因数进行调节。有源整流器110能够同时并且独立地对DC总线160的电压进行调节并且对输入(发电机)电流的功率因数进行控制。例如,将q轴参考电流(Iqref)设置为100A,d轴参考电流(Idref)设置为50A,则会使整流器110吸收领先于整流器电压的功率因数为0.89的输入电流。相反,将Iqref设置为100A,Idref设置为0A,则会使整流器110吸收功率因数为1.0的发电机电流。在这两种情况下,整流器110传送给DC总线160的功率大小相等。优选地,将涡轮功率调节系统100的功率因数设置为大于或者等于0.95,以便使返回到涡轮电动机/发电机120的功率最小。但是,在某些情况下,如轻载或者进行无功补偿时,有时需要低功率因数(例如,接近零)来维持整流器110的可控性或者提供领先的无功功率以帮助系统进行电压调节。
由此,本发明的优选实施例允许电动机/发电机功率调节系统100的设计者当给特定的场合选择功率因数时拥有较宽的范围。这样能够提高功率调节系统的效率,和/或提供已知设备以前未能达到的功率因数范围。
图5的示意图示出了按照本发明第二实施例的功率调节系统500。应该理解,在许多方面,这个第二实施例与本发明的第一实施例大致相似。但是,与第一实施例不同之处在于可以有选择地将负载端口140与用于提供启动功率的外部电源耦合,按照第二实施例的功率调节系统500包括耦合到DC总线160的启动电源510(例如,电池、燃料电池等)。仅为了进行说明,将启动模式中通过功率调节器500的单相功率流标为510。
在启动模式期间,通过双向DC功率总线160将来自启动电源510的DC功率提供给逆变器430。然后,如前面所述,由控制单元(没有示出)对逆变器430进行控制,按照固定的压频比将AC功率提供给涡轮电动机/发电机120的电枢绕组,并且使涡轮电动机/发电机120加速。由此,不需要由整流器410将来自负载端口140的AC功率变换为用于逆变器430的DC功率。
在运行模式期间,则可以利用来自涡轮电动机/发电机120的经过整流器110(图1)整流的DC功率重新对启动电源510进行充电(图5),通过在DC功率总线160上施加DC功率,可以对所提供的启动电源510重新充电(例如,通过施加稳定的DC功率对电池重新充电)。在其它启动电源510如燃料电池的应用中,可以使启动电源510可选择地与DC功率总线160脱离。
因此,上述的电动机/发电机功率调节系统500能够为不便于将稳定的电源可选择地耦合到负载端口140的应用提供启动功率。例如,在野外环境中(例如,狂欢节、手工表演等)用于提供功率的微型涡轮电动机/发电机中可以发现这些情况。
为了示出和描述,已经给出了对本发明优选实施例的前面描述。不是意图无遗漏或者将本发明限制在所披露的精确形式,根据上述教授的修改和变化是可能的,或者可以根据本发明的实践获得。为了说明本发明的原理及其实际应用,以使本领域技术人员能够在各种实施例中利用本发明并且按照适合于预期的特定使用进行修改而选择和描述的这些实施例。意图是由所附权利要求来规定本发明的范围以及它们的等价物。
权利要求
1.一种电动机/发电机功率调节器(100),包括一个整流器(110),与电动机/发电机端口(120)电气耦合;以及一个逆变器(130),与所述整流器(110)和负载端口(140)电气耦合,其中,在启动模式中,组合的整流器(110)和逆变器(130)给电动机/发电机端口(120)提供启动功率,并且其中,在运行模式中,组合的整流器(110)和逆变器(130)将发出的功率提供给负载端口(140)并且生成中点输出端(150)。
2.如权利要求1所述的电动机/发电机功率调节器,还包括一个DC功率总线(160),使双向功率流能够将整流器(110)与逆变器(130)电气耦合;以及一个总线电容器(162),位于与DC功率总线(160)并联的位置。
3.如权利要求2所述的电动机/发电机功率调节器,还包括一个与DC功率总线(160)耦合的启动电源(510),。
4.如权利要求1所述的电动机/发电机功率调节器,其中,所述整流器(110)包括一个有源整流器。
5.如权利要求4所述的电动机/发电机功率调节器,其中,所述整流器(110)包括一个三腿(112、114、116)整流器,该整流器包括多个开关器件(210);以及多个二极管(220),所述二极管(220)中的每一个被并联地与各自相应的开关器件(210)电气耦合。
6.如权利要求1所述的电动机/发电机功率调节器,还包括一个原动机,用于所述电动机/发电机。
7.一种对电动机/发电机进行控制的方法,包括如下步骤通过与逆变器(130)电气耦合的整流器(110)给电动机/发电机提供启动功率;通过所述整流器(110)和所述逆变器(130)对从电动机/发电机产生的功率进行调节;并且在对产生的功率进行调节同时,通过组合的整流器(110)和逆变器(130)生成中点输出端(150)。
8.一种电动机/发电机功率调节器,包括用于给电动机/发电机提供启动功率的装置;用于对电动机/发电机产生的功率进行调节的装置;以及用于从对产生的功率进行调节的装置生成中点输出端的装置。
9.一种电动机/发电机功率调节器,包括一个三腿(112、114、116)有源整流器(110),与电动机/发电机端口(120)电气耦合;一个四腿(132、134、136、138)逆变器(130),与负载端口(140)电气耦合;一个双向DC功率总线(160),将所述整流器(110)与所述逆变器(130)电器耦合;以及一个中点输出端(150),与所述逆变器(130)的腿(132、134、136、138)中的一个(132)耦合。
10.如权利要求9所述的电动机/发电机功率调节器,其中,在启动模式中,所述组合的整流器(110)和逆变器(130)给电动机/发电机端口(120)提供启动功率,并且其中,在运行模式中,所述组合的整流器(110)和逆变器(130)给负载端口(140)提供产生的功率和用于中点输出的中点(150)。
全文摘要
一种电动机/发电机功率调节器(100),配备有一个与电动机/发电机端口(120)电气耦合的整流器(110)和一个与整流器(110)和负载端口(140)电气耦合的逆变器(130)。在启动模式中,组合的整流器(110)和逆变器(130)给电动机/发电机端口(120)提供启动功率。在运行模式中,组合的整流器(110)和逆变器(130)将产生的功率提供给负载端口(140)并且生成中点输出端(150)。
文档编号H02M7/48GK1494205SQ0315566
公开日2004年5月5日 申请日期2003年9月1日 优先权日2002年11月1日
发明者Z·叶, G·辛哈, L·J·加塞斯, Z 叶, 加塞斯 申请人:通用电气公司
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