专利名称：调节交流发电机的激励的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对发电机组的控制，该发电机组包括机械驱动交流发电机的发动机， 并尤其涉及调节由交流发电机产生的电压。
背景技术：
电力发电机组(或“发电机组”)被广泛用于产生电力。发电机组典型地包括耦合 到交流发电机的发动机，该交流发电机将来自发动机的转动能转化为电力。发电机组的输 出端电压与在交流发电机的磁通密度和发动机速度都成正比。磁通密度典型地通过控制交 流发电机的场电流或激励电平(excitation level)来确定，同时发动机的速度典型地由发 动机调速器确定。许多常规交流发电机为输出三个不同交流电压的三相机器，每个交流电压的相位 角相对于其他两个电压的相位角偏移120度。由于许多负载被设计成在给定电压处接收功 率，所以通常期望发电机组产生的输出电压为已知的、相对恒定的电平。尤其是，发电机组 经常耦合到被设计成保持特定电压电平的电力网。因为发电机组的交流发电机的输出电压 部分由交流发电机的激励电平决定，所以能够对这个激励电平进行控制是很重要的。对激励电平的控制典型地需要关于交流发电机输出电压的反馈信息。在一种控制 中，关于一个电相位的输出电压被馈送给模拟电压调节器，该模拟电压调节器检测(sense) 输出电压，并将检测到的电压与期望电压电平相比较。该比较产生误差信号，该误差信号被 用于调整交流发电机的激励电平，以促使输出电压带达到期望的电平。这样的模拟电压调 节器非常迅速地对由瞬时负载变化产生的电压波动作出响应，但是基于平均电压电平的调 节可能导致在其他负载条件下的输出电压不准确。已经研制出使用微型电子计算机的数字电压调节器，其利用RMS电压测量，因此 避免了使用模拟调节器时发生的不准确。数字电压调节器为稳定状态的电负载条件下发生 的电压变化提供了良好的补偿。但是，价格合理的数字电压调节器比模拟调节器的反应慢， 并且可能不能充分地响应源自瞬时负载条件的电压波动，并且它们的软件需要为不同的交 流发电机设计定制。
发明内容
混合式电压调节器控制由交流发电机产生的交流电的电压，其中该交流发电机具 有例如励磁机的机构来控制交流发电机中的磁场强度。该混合式电压调节器包括数字电压 调节器和模拟电压调节器，数字电压调节器提供稳定状态下RMS输出电压的稳定性，而模拟电压调节器提供对瞬时情况的快速响应。 数字电压调节器响应指定了期望电压电平的电压命令，并通过产生调整电压命令 响应交流电的RMS电压的第一测量。模拟电压调节器响应调整电压命令，并通过产生调节 电压命令响应交流电的电压的第二测量。场控制电流采用调整电压命令来产生用于驱动交 流发电机中控制磁场强度的机构的电流。在优选实施例中，数字电压调节器包括第一检测器，该第一检测器产生与由交流 发电机产生的交流电各相位的RMS电压平均值相对应的第一测量。第二检测器采用交流电 的RMS电压测量导出电压与频率比率(V/Hz)。该比率被用于产生误差值。第一电路响应于 第一测量修改电压命令，由此产生数字调整电压命令。转换器将数字调整电压命令转变成 模拟调整电压命令。模拟电压调节器的优选型式包括电压传感器，电压传感器通过对交流电的电压进 行整流以产生整流电压，该整流电压然后在一段时间内被平均，来产生第二测量。第二电路 响应于第二测量修改调整电压命令，由此产生调节电压命令。
图1是示出了发电机组的框图，该发电机组包括交流发电机、发动机控制模块和 能够控制交流发电机的激励的发电机组控制器；以及图2是在发电机组控制器中的混合式数字模拟电压调节器的功能框图。
具体实施例方式首先参考图1，发电机组100包括发动机102和交流发电机(或同步发电机)104， 并具有典型的在20KW至2000KW之间或以上的额定功率。发动机102典型地为由汽油、柴 油、天然气或其他燃料提供动力的内燃机，并为交流发电机104的转子提供扭矩。转子的转 动产生转动的磁场，该转动的磁场在定子线圈组中感应出交流电。如图2中所示，交流发电机104为三相同步的机器，由此转子140的转动产生了转 动的磁场，该磁场在定子线圈组150处感应出交流电压。具体而言，转子140由连接到发动 机102的轴142驱动。磁场的强度由包括励磁机(exciter) 108的机构控制，该励磁机108 包括一组固定线圈144，该组固定线圈144围绕在转子140上缠绕的电枢线圈146的周围。 该电枢线圈146被连接到整流电路148，该整流电路148在转子上产生应用于场线圈149 的直流电流。场线圈149在一组定子线圈150中转动，在其中交流发电机的输出电流被产 生。定子线圈150可以被缠绕成常规的三角或星形配置。定子线圈150的终端被连接到三 条输出线151、152和153。交流发电机104还具有缠绕在场线圈149附近的固定拾波线圈 154(pickup coil)。在图2中示出的示范性交流发电机104为无刷式，但是依照本发明的混合式电压 调节器可以与其他类型的交流发电机一起使用。这样的其他交流发电机例如包括其中场线 圈直接通过电刷连接驱动的那些交流发电机，和具有永久磁转子和用于调整磁场的电控制 机构的交流发电机。再次参考图1，图中显示控制器(发电机组控制器)110被耦合来控制和监视发电 机组100的运行。发电机组控制器110为电脑化系统，其包括微型计算机111和存储了用于操作发电机组的软件程序和数据的存储器112。实现发电机组控制和监视的若干接口包括 CAN接口 113、电压和电流传感器数字接口 114、模拟电压调节器115、模拟输入/输出(模 拟I/O)接口 116和数字输入/输出(数字I/O)接口 117。这些接口通过一组总线1 耦 合到微型计算机111，该组总线可提供信号取样、信号复用以及外围设备的控制，例如在下 面讨论的操作员接口设备。电压和电流传感器数字接口 114从发电机组100的输出传感器 106接收关于由交流发电机104产生的每个电相位的电压和电流的信号。如同将更详细地 描述的那样，模拟电压调节器115通过产生施加给励磁机108的电流来响应那些传感器信 号，励磁机108驱动交流发电机的场线圈以生成转动的磁场。发电机组控制器110能够通过K-BUS接口 119和MODBUS接口 118与远程控制和 监控设备通信。K-BUS接口 119利用专利技术K-BUS串行通信协议提供串行通信。MODBUS 接口 118利用多种“开放”串行通信协议中的任意协议提供串行通信。K-BUS接口 109和 MODBUS接口 118都被配置成使用RS-232或者RS-485的串行标准。发电机组控制器110包括操作员接口 126，通过这个接口人们可以向发电机组控 制器提供命令并可以接收信息。该操作员接口 1 包括控制开关120、紧急停止按钮IM和 操作员接口面板130。控制开关120可被以转动的方式设置到三个位置中的一个上，这三个 位置是自动位置121、关闭/重启位置122和运行位置123。将控制开关设置到运行位置 123，致使发电机组控制器110通过发动机控制模块(ECM) 1 发送信号，来启动并运行发电 机组100。将控制开关120设置到自动位置121，允许从远程地点启动和控制发电机组100。 这种操作模式还允许在时间上延迟发动机的启动和冷却。将控制开关120设置到关闭/重 启位置122，起动了对发电机组100的立即关闭并且还重置了发电机组控制器110的软件程 序。如果故障出现使系统陷入停机，操作员必须在发电机组100能够被重启之前将控制开 关120移动到关闭/重置位置122来清除故障。紧急停止按钮IM允许操作员通过按动按 钮来立即停止发电机组100。操作员接口面板130包括具有多个按钮式数据输入键的按键区132和LED或IXD 显示器134。按键区132允许操作员将多种信息和命令输入发电机组控制器110。显示器 134是字母数字显示器，通过该显示器发电机组控制器110将关于系统运行的信息呈现给 操作员。也可以采用例如真空荧光显示器的其它类型的显示器。参考图2，发电机组控制器110提供对交流发电机104产生的三相电压的调节。为 此目的，发电机组控制器110包括混合式电压调节器200，该混合式电压调节器200包括数 字电压调节器202和模拟电压调节器115。数字电压调节器202和模拟电压调节器被串联 连接，以将指定了期望电压电平的电压命令转换成调节电压命令，该调节电压命令限定了 用于交流发电机104的激励的大小。在如图2中说明的混合式电压调节器200的优选实施 例中，数字电压调节器202接收电压命令并产生调整电压命令，该调整电压命令然后由模 拟电压调节器115处理成为调节电压命令。然而，数字电压调节器202与模拟电压调节器 115的串联连接和处理次序可颠倒。数字电压调节器202以微型计算机111执行的软件的形式来实现，但是也可为此 功能提供专用的微型计算机。主发电机组控制程序将指定了交流发电机104的期望输出电 压的电压命令或设定点(setpoint)发送给数字电压调节器202。该电压命令被应用于数 字比例积分(Proportional-integral，PI)控制电路206的一个输入端，该数字比例积分(PI)控制电路206还从三相RMS电压检测器208和伏特每赫兹检测器(volt per Hertz detector) 210接收信号。比例积分(PI)控制回路的增益由微型计算机111来调整。三相RMS电压检测器208经由电压和电流传感器数字接口 114连接到交流发电机 输出线151-153。电压和电流传感器数字接口 114包括模拟数字转换器，该转换器产生指示 由交流发电机104产生的各电相位ΦΑ、ΦΒ和ΦC的瞬间电压的数字值。三相位RMS电压 检测器208使用这三个数字电压值来导出各电相位的电压的数字RMS测量。计算产生的三 个RMS测量的平均值，来产生应用于数字PI控制电路206的另一个输入端的RMS值。这样， 数字电压调节器201工作在来自交流发电机104的ΦΑ、ΦΒ和Φ C三个电相位的RMS电压 的平均值上。这样做，与如果一个相位电压被独自用于调节的情况相比，其中一个相位电压 的误差(aberration)对电压调节产生的影响将小一些，从而提供良好的稳定状态的调节。 或者，三相位RMS电压检测器208能够通过对各相位的瞬间电压的测量求平均值，然后从交 流发电机产生的交流电流的一个周期内的平均测量导出RMS测量来实现相同的结果。伏特每赫兹(V/Hz)检测器210类似于保护发电机不受过度激励和补偿造成的伤 害的传统功能，该补偿是针对交流发电机负载的改变对发动机速度的影响的。具体而言，交 流发电机输出端的电负载可以对发动机具有的重大影响，取决于负载大小和发动机速度控 制的响应时间。在稳压系统中与交流发电机的电子调节器相比，柴油机尤其具有相对慢的 响应，或相对长的时间常数。负载的突然增长可能导致发动机和被驱动的交流发电机的速 度迅速降低。这种影响经常发生在大型电动机负载被启动的时候。在最坏的情况下，大型 负载的突然应用可能引起发动机停转，导致来自交流发电机的电功率的完全损耗。响应于这种不利影响，在例如第4，777，425号美国专利中描述的常规交流发电机 控制电路已经包括了相对快速作用的“伏特每赫兹”斜坡控制(ramp control)来减少交流 发电机上的电负载，并因此减小了对发动机速度的影响。V/Hz检测器210接收对于一个电 相位(比如相位ΦΑ)的数字RMS电压测量，并从该电压测量计算出相位频率。这使V/Hz 检测器210能够导出所选相位的电压与频率比率(伏特每赫兹)，当过载情况存在时该比率 被用作指标。已经发明出各种用于导出电压与频率比率的软件方法，其中任意一种都可被 V/Hz检测器210采用。V/Hz检测器210的软件实现，允许配置调节器的人员在若干期望频 率响应曲线当中选择，这些期望频率响应曲线被用在确定表示实际和期望的交流发电机性 能之间的差异的误差值中。任意的结果误差值被应用于数字PI控制电路206的另一个输 入端。过载情况一发生，该误差值减少交流发电机104的激励，这降低了输出电压，从而减 轻了发动机102上的负载。数字PI控制电路206还利用比例积分控制回路的常规软件实现，该比例积分控制 回路对实际输出的交流发电机电压与期望电压之间的偏差进行补偿，该实际输出的交流发 电机电压由三相RMS电压检测器208的输出端指示，该期望电压由电压命令指定。数字PI 控制电路206产生被应用于转换器212的控制输入端的调整电压命令，该转换器212诸如 是脉冲宽度调制器(PWM)或数字模拟转换器，产生表示被调整、期望的电压设定点的模拟 输出信号。数字电压调节器202提供了相对低的控制回路，来消除使用电压平均值的快速模 拟控制回路通常没有检测出的RMS电压误差。此外，这种数字实现提供了伏特每赫兹补偿。继续参考图2，来自转换器212的模拟调整电压命令被应用于模拟电压调节器115的输入端。具体而言，常规模拟比例积分控制电路214具有一个接收模拟调整电压命令的 输入端和另一个接收单相、平均电压传感器216的输出的输入端。该电压传感器216是对 交流发电机输出的一个电相位，例如ΦΑ的电压进行整流的模拟电路。瞬间整流电压被在 给定的时间段(例如交流电的十个周期)内平均，以提供模拟测量，该模拟测量被模拟PI 控制电路214用作交流发电机产生的实际电压电平的指示。优选的实施方式采用阻容均衡 电路，该阻容均衡电路能对由于在交流发电机104上电负载的不同产生的电压波动做出快 速响应。被用在电路214中的常规模拟PI控制回路具有手动可调整的增益，并具有产生调 节电压命令的输出端。调节电压命令被用于熟知的场控制电路218的控制输入端，该场控制电路218还 接收来自交流发电机拾波线圈的输入信号。可与模拟电压调节器115分离的场控制电路 218，通过产生用于驱动交流发电机励磁机108的固定线圈组144的场电流，来响应那些输 入。该场电流决定了交流发电机的激励电平，并因此决定了由场线圈149产生的转动的磁 场的大小。这继而调节了交流发电机104产生的三个电相位的输出电压。如前面指出的，数字电压调节器202和模拟电压调节器115的串联连接和处理次 序可被颠倒。这种情况下，场控制电路218可以是混合式电压调节器的分离组件，被连接到 数字电压调节器202之后，数字电压调节器202跟随在模拟电压调节器115之后。模拟电压调节器115利用了基于单相电压平均值的快速模拟PI回路，并因此补偿 了瞬时电压波动。因此，混合式电压调节器200包括数字和模拟部分，提供了模拟调节器的 快速动作响应以及数字电压调节器的长期稳定状态的稳定性和三相RMS电压响应。前述的描述首先指向本发明优选的实施例。即使某些注意力被给予了在本发明的 范围内不同实施例，可以预见的是对于一个本领域技术人员将很可能实现目前从本发明实 施例的公开是显而易见的其他方案。因此，本发明的范围将由随附的权利要求书确定而非 限制在上面的揭示中。
权利要求
1.一种混合式电压调节器，用于控制由交流发电机产生的交流电的电压，其中所述交 流发电机具有响应于电信号控制磁场强度的机构，所述混合式电压调节器包括数字电压调节器和模拟电压调节器的组合，该数字电压调节器和模拟电压调节器被串 联连接，来将指定期望电压电平的电压命令转换成调节电压命令；以及场控制电路，其通过产生被应用于所述交流发电机的所述机构的电信号来响应所述调 节电压命令；其中所述数字电压调节器响应所述交流电的电压的RMS测量，影响所述电压命令的转 换，并且其中所述模拟电压调节器响应在所述交流电的多个周期中电压的平均测量，影响所述 电压命令的转换。
2.如权利要求1所述的混合式电压调节器，其中所述数字电压调节器进一步响应所述 交流电的电压和频率之间的关系，影响所述电压命令的转换。
3.如权利要求1所述的混合式电压调节器，其中所述数字电压调节器包括，将被影响 的电压命令的版本转换为应用于所述模拟电压调节器的模拟信号的转换器。
4.如权利要求1所述的混合式电压调节器，其中所述数字电压调节器包括用来转换所 述电压命令的比例积分控制回路。
5.如权利要求1所述的混合式电压调节器，其中所述模拟电压调节器包括被用来转换 所述电压命令的比例积分控制回路。
6.一种混合式电压调节器，其用于控制交流发电机产生的交流电的电压，其中所述交 流发电机具有控制所述交流发电机中磁场强度并从而控制所述电压的大小的机构，所述混 合式电压调节器包括接收指定期望电压电平的电压命令的数字电压调节器，产生所述交流电的电压的RMS 测量的第一检测器，以及响应于所述RMS测量修改电压命令从而产生调整电压命令的第一 电路；以及模拟电压调节器，其包括产生所述交流电的电压的模拟测量的电压传感器、响应于所 述模拟测量修改所述调整电压命令从而产生调节电压命令的第二电路，以及通过产生应用 于励磁机的电流来响应所述调节电压命令的场控制电路。
7.如权利要求6所述的混合式电压调节器，其中通过对所述电压进行整流产生整流电 压，然后在一段时间内平均该整流电压，来产生所述模拟测量。
8.如权利要求6所述的混合式电压调节器，其中所述数字电压调节器还包括产生对应 于所述调整电压命令的模拟信号的转换器，其中所述模拟信号被应用于所述模拟电压调节器
9.如权利要求8所述的混合式电压调节器，其中所述转换器包括脉冲宽度调制器和数 字模拟转换器的其中之一。
10.如权利要求6所述的混合式电压调节器，其中所述数字电压调节器还包括第二检 测器，该第二检测器通过产生被应用于所述第一电路的误差值来响应所述交流电的电压与 频率之间的关系。
11.如权利要求6所述的混合式电压调节器，其中所述数字电压调节器还包括第二检 测器，该第二检测器接收所述RMS测量并导出电压与频率的比率，根据该比率产生误差值，其中所述第一电路还响应于该误差值产生所述调整电压命令。
12.如权利要求6所述的混合式电压调节器，其中所述第一电路和所述第二电路中的 至少一个包括比例积分控制回路。
13.如权利要求6所述的混合式电压调节器，其中所述交流电发电机生成交流电的三 个相位，并且所述第一检测器为每个相位产生电压的RMS测量。
14.如权利要求13所述的混合式电压调节器，其中通过对一个相位的电压进行整流， 然后在一段时间内平均该整流电压，来产生所述模拟测量。
15.如权利要求6所述的混合式电压调节器，其中所述交流发电机生成交流电的三个 相位，并且所述第一检测器为每个相位产生电压的单独RMS电压测量，然后产生那些RMS电 压测量的平均值。
16.一种混合式电压调节器，用于控制由交流发电机产生的交流电的三个相位的电压， 其中所述交流发电机具有控制磁场强度并从而控制所述电压的大小的机构，该混合式电压 调节器包括接收指定期望电压电平的电压命令的数字电压调节器，产生与所述交流电的每个相位 的RMS电压测量的平均值相对应的RMS值的第一检测器，响应于所述RMS值修改所述电压 命令从而产生数字调整电压命令的第一电路，从所述数字调整电压命令产生模拟调整电压 命令的转换器；以及模拟电压调节器，其接收所述模拟调整电压命令，所述模拟电压调节器包括电压传感 器、第二电路和场控制电路，所述电压传感器通过对一个相位的电压进行整流，然后该经整 流的电压在一段时间内被平均，产生平均测量，所述第二电路响应于所述平均测量修改所 述模拟调整电压命令从而产生调节电压命令，所述场控制电路通过产生应用于所述交流发 电机的所述机构的电流来响应所述调节电压命令。
17.如权利要求16所述的混合式电压调节器，其中所述转换器包括脉冲宽度调制器和 数字模拟转换器的其中一个。
18.如权利要求16所述的混合式电压调节器，其中所述数字电压调节器还包括第二检 测器，该第二检测器通过产生被应用于所述第一电路的误差值来响应交流电的电压与频率 之间的关系。
19.如权利要求16所述的混合式电压调节器，其中所述数字电压调节器还包括第二检 测器，该第二检测器接收所述交流发电机产生的电压的RMS测量，并导出电压与频率的比 率，从该比率产生误差值，其中所述第一电路还响应于所述误差值产生所述调整电压命令。
20.如权利要求16所述的混合式电压调节器，其中所述第一电路和所述第二电路中的 至少一个包括比例积分控制回路。
全文摘要
一种混合式电压调节器控制交流发电机产生的交流电的三个相位的电压。数字电压调节器为每个相位产生RMS电压的平均值，并根据交流电的电压与频率比率产生误差值。RMS电压平均值和误差值被用于对指定期望电压电平的电压命令进行修改。被修改的电压命令由对交流发电机输出电压进行整流的模拟电压调节器处理，该输出电压然后在一段时间内被取平均值。产生的平均电压值被用来修改电压命令，以产生调节电压命令，该调节电压命令决定了被应用来激励交流发电机的电流的电平。
文档编号H02P9/44GK102150357SQ200980116022
公开日2011年8月10日 申请日期2009年2月25日 优先权日2008年3月3日
发明者伊萨克·弗拉姆普顿, 哈里森·奇尤, 埃里克·阿尔布斯梅尔, 赞恩·C·伊顿, 道格拉斯·W·多恩 申请人:科勒公司