自动电压调节器、自动电压调节方法、发电机励磁系统和发电系统与流程

相关申请的交叉引用

本申请基于2016年11月4日提交的日本专利申请第2016-216610号且要求该日本专利申请的优先权，通过引用该日本专利申请的全部内容并入本文。

本文所描述的实施例总体上涉及用于控制由发电机形成的场的自动电压调节技术。

背景技术：

在旋转场型同步发电机中，将直流提供给发电机场电路，这使得发电机中的场线圈变为电磁体。

对场线圈进行励磁的方法的类型大致分为晶闸管励磁系统和无刷励磁系统。在无刷励磁系统中，不必需要诸如电刷或电连接电刷的滑环的滑动接触器。

由于无刷励磁系统的同步发电机不需要滑动接触器，因此不必需要电刷的更换和频繁维护。因此，例如在欧洲积极采用无刷励磁系统的同步发电机。

无刷励磁系统包括被配置为主要对场线圈的场电路进行励磁的交流(ac)励磁器和被配置为对该ac励磁器进行励磁的永磁体发电机(pmg)。

ac励磁器电枢在由pmg在ac励磁器场线圈的封闭空间中生成的静态磁场中旋转，从而在ac励磁器电枢中生成ac电流。

该ac电流由被提供在旋转轴上的整流器电路整流成直流，然后，该直流流入发电机场电路中，从而对发电机场线圈进行励磁。

在无刷励磁系统中，通过增加或减少从pmg电枢流入ac励磁器场电路的电流能够控制在发电机场电路中的电流量以及控制发电机场线圈的励磁。

一般地，通过自动电压调节器(avr)使所生成的电量保持恒定，所述avr通过监测发电机的输出电压来自动调节pmg的输出。

当电力系统中发生事故时，例如，当发电机的输出电压由于云对地放电而快速下降时，avr通过施加高于发电机的额定场电压的场电压来控制pmg的输出并且在短时间内升高发电机的输出电压(在下文中，该操作被称为积极强制操作)。

虽然即使在如上所述的不合规范的情况下也能通过常规avr稳定地控制发电机的输出电压，但是仍然存在对实现比常规技术更可靠地控制发电机的输出电压的新颖技术的需求。

附图说明

在附图中：

图1是图示包括有无刷发电机励磁系统的发电系统的示意性结构图；

图2是图示配备有第一实施例的自动电压调节器的发电机励磁系统的示意性电路框图；

图3a是图示当发生故障时发电机的输出电压的时序图；

图3b是图示当发生故障时发电机场电压的时序图；

图4是图示第一实施例的自动电压调节方法的序列图；

图5是图示第二实施例的发电机励磁系统的电路框图；并且

图6是图示第二实施例的发电机励磁系统的变型的电路框图。

具体实施方式

在对实施例进行说明之前，下面将对本发明的发明人的观点进行说明。

在基于发电机12的输出电压控制发电机场电路的输出的常规技术中，存在发电机场电路中生成超过装备的设计容限的电压的可能性。

生成超过设计容限的电压的情形可能在例如下述情况下发生：发电机电压检测比较器有故障，并且因此发电机场电路中的实际电压与根据发电机的输出电压计算出的电压之间存在相当大的差异。

在发电机12的输出电压的变化对于电压值的变化在很大程度上发生延迟的情况下同样如此。

尤其地，在无刷励磁设备的情况下，由于其传输结构，发电机12的输出电压的响应倾向于关于来自avr的指令而发生延迟。

因此，当在操作者确认发电机12的输出电压增加之后场电压返回到额定电压(即，额定负载)时，在一些情况下在发电机场电路中生成超过装备的设计容限的电压。

当在发电机场电路中生成的电压超过装备的设计容限时，存在在与发电机场电路相连接的整流器电路或者该整流器电路中的保险丝上施加过量负载的可能性。

出于此原因，关于发电机励磁系统，本发明人已经设计出了一种新颖且创新的构造。在该创新的构造中，实现了对发电机12的输出电压的控制，同时在所述控制中反映了实际施加到发电机场电路的场电压，使得确保了对励磁系统中的各个元件的保护。

在下文中，将参考附图对自动电压调节器、自动电压调节方法、发电机励磁系统和发电系统的各自的实施例进行说明，其中的每个都装备有上述的创新的构造。

注意，对于每幅图中的相同部件给予相同的附图标记，并且省略重复的说明。

在一个实施例中，一种自动电压调节器包括：检测指示单元，其被配置为监测发电机的输出电压，并且当所述发电机12的所述输出电压偏离预定范围时输出指示信号，所述指示信号是指示对发电机励磁系统的发电机场电路中生成的指定参数的检测的信号；场参数检测单元，其被配置为在所述指示信号之后检测所述指定参数；以及比较计算器，其被配置为计算所述指定参数与构成所述发电机励磁系统的每个部件的预定可允许上限电压值之间的比较值。

在一个实施例中，一种自动电压调节方法包括以下步骤：监测发电机的输出电压；当所述发电机12的所述输出电压偏离预定范围时输出指示信号，所述指示信号是指示对发电机励磁系统的发电机场电路中生成的指定参数的检测的信号；设定所述指定参数的可允许上限值；在所述指示信号之后检测所述指定参数；并且计算所述指定参数与构成所述发电机励磁系统的每个部件的预定可允许上限电压值之间的比较值。

图1是图示包括有无刷励磁设备的发电系统10的示意性结构图。

在旋转场型的发电系统10中，旋转轴13被提供有发电机场线圈11、ac励磁器电枢14以及永磁体场线圈(pmg场线圈)19，如图1所示。

ac励磁器电枢14和发电机场线圈11彼此电连接，并且构成如图2所示的发电机场电路16。

通过ac励磁器15、永磁体发电机(pmg)17和pmg场线圈19的旋转使得在pmg电枢22中生成ac电流，并且整流器24将ac电流转换成直流，从而在ac励磁器场线圈18中生成静态磁场。

ac励磁器电枢14在该静态磁场中旋转，从而在发电机场电路16中生成ac电流，并且从而发电机场线圈11被励磁。

相应地，通过发电机场线圈11的旋转生成的发电机电枢27中的感应电动势被输出作为发电系统10的发电机12的输出电压。

自动电压调节器(avr)29与连接到发电机电枢27的电力输出布线28相连接。

在使用无刷型发电系统10的许多情况下，avr29通过根据发电机12的输出电压对ac励磁器场线圈18的励磁的调节程度来稳定发电机12的输出电压。

在下文所述的每个实施例的avr29中，除了发电系统10的发电机12的输出电压之外，通过检测与发电机场线圈11相关的发电机场电路16的至少一个指定参数来改善可控性。

指定参数是用于指定发电机场线圈11的状态的物理量，例如，场电流if、发电机场电压vf和场电阻。

在下文中，将对发电机场线圈11的发电机场电压vf用于指定参数的情况进行说明。

(第一实施例)

图2是图示装备有第一实施例的avr29的发电机励磁系统30的示意性电路图。

在avr29中，发电机电压检测比较器31(在下文中被简称为检测比较器31)通常监测发电系统10的发电机电枢27的输出电压(在下文中被称为发电机12的输出电压)。

检测比较器31监测由发电机电压设定电路33设定的设定值与已经由变压器32调节成能够监测到的可监测值的发电机12的输出电压之间的幅度关系。

由发电机电压设定电路33设定的设定值是例如发电机12的输出电压的额定输出值。

注意，检测比较器31的监测目标可以是另一参数，例如，输入到ac励磁器场线圈18的电压值，而非发电机12的输出电压。

当发电机12的输出电压小于由发电机电压设定电路33设定的设定值时，检测比较器31执行上述的积极强制操作。

换言之，检测比较器31将门脉冲调制指令输出到门脉冲发生器34，使得从门脉冲发生器34发送到整流器24的门脉冲被调制，并且流过pmg17的ac励磁器场线圈18的直流增加。

检测比较器31通过增强ac励磁器场线圈18的磁场来增加流过发电机场电路16的感应电流的量。

另外，检测比较器31通常保持发电机场电压vf的可允许上限值。

发电机场电压vf的可允许上限值被设定为这样的值：其例如大约是诸如整流器电路26的整流器单元的与发电机场电压vf有关的每个电路元件的设计容限的70％至80％。

图3a是图示当故障发生时发电机12的输出电压的时序图，图3b是图示当故障发生时发电机场电压vf的时序图。

当发电机12的输出电压由于故障发生而迅速下降时，检测比较器31将门脉冲调制指令输出到门脉冲发生器34，使得发电机场电压vf上升，如图3b所示。

换言之，当发电机12的输出电压迅速下降时(t＝t0)，检测比较器31使得门脉冲发生器34通过将发电机场电压vf的目标值设定为较高的值(例如，该发电机场电压vf的额定值的两倍)来调制门脉冲。

检测比较器31生成比额定负载高的发电机场电压vf，直至电枢输出电压恢复。在检测到电枢输出电压恢复后，检测比较器31将发电机场电压vf返回到额定负载的水平。

为了迅速恢复发电机输出，需要增加发电机场线圈11的输出(例如，电压)。

为了增加发电机场线圈11的输出，需要将发电机场电压vf迅速增加到比额定负载高的设定值(峰值电压或顶值电压)。

当峰值电压的目标设定值被设定为比实际目标值高的值时，这缩短了使得发电机场电压vf达到实际目标值所需的时间，并且因此在短时间范围内恢复发电机12的输出电压。

取决于故障的方面，发电机12的输出电压在一些情况下无需达到其峰值电压就会恢复。

然而，当峰值电压的目标设定值接近装备的设计容限时，发电机场电压vf有时在积极强制操作期间超过该设计容限。

这是因为，在发电机场电压vf达到峰值电压之后(t＝t1)，发电机场电压vf实际上会由于场控制传输延迟而略微增加。

因此，当在检测比较器31检测到发电机12的输出电压已经恢复到额定输出值的时刻(t＝t1)发电机场电压vf返回到额定负载时，发电机场电压vf在一些情况下超过该设计容限。

这是因为，存在长的信息传输过程，包括例如从检测到发电机12的输出电压已经恢复到额定输出值的时刻(t＝t1)到发电机场电压vf变化的时刻(t＝t2)ac励磁器15的磁场强度的变化。

出于此原因，第一实施例的avr29还包括辅助门脉冲调节器(例如，处理电路)40，其被配置为直接检测发电机场电压vf并使用检测到的发电机场电压vf来辅助由avr29执行的控制操作，如图2所示。

辅助门脉冲调节器40包括检测指示电路41、发电机场电压检测器(场参数检测电路)42和比较计算器44。检测指示电路41监测发电机12的输出电压，并且当发电机12的输出电压下降到预定值以下时输出指示对发电机场电路16中生成的场电压的检测的指示信号。发电机场电压检测器42根据该指示信号来检测发电机场电压vf。比较计算器44计算发电机场电压vf与构成发电机励磁系统30的每个部件(例如，发电机场电路16)的可允许上限电压值之间的比较值。

检测指示电路41与检测比较器31相连接。检测指示电路41直接监测发电机12的输出电压或者监测与该发电机的输出电压有关的参数作为电压信息。

当从电压信息中直接检测到的或获得的发电机12的输出电压降至预定值以下时，检测指示电路41输出指示对发电机场电路16中生成的发电机场电压vf的检测的指示信号。

在下文中，将对上述电压信息是从发电机12输出的发电机12的输出电压的情况进行说明。

其中使用avr29的发电机励磁系统30具有如图2所示的无刷励磁设备。

在无刷励磁设备中，发电机场电路16旋转且该发电机场电路16未装备有诸如电刷的滑动接触器。

出于此原因，当被配置为无刷励磁设备时，发电机励磁系统30被提供有驱动器电路45，所述驱动器电路45接收由检测指示电路41输出的指示信号并且使得成对的检测端子46与发电机场电路16相接触。

另外，发电机场电路16被提供有输出端子48，所述输出端子48与发电机场电路16相连接并且输出发电机场电压vf。

例如，成对的检测端子46与被配置为测量如图2所示的发电机场线圈11的两端之间的电势的输出端子48相接触。

仅当检测指示电路41指示对发电机场电压vf的检测时，发电机场电压检测器42才使用成对的检测端子46来检测发电机场电压vf。

比较计算器44计算发电机场电压vf与由设计容限存储器43保持的针对每个部件所预定的可允许上限电压值之间的电压差。关于该电压差的信息被发送到门脉冲调节器52。

门脉冲调节器52基于由比较计算器44计算的电压差来降低由从门脉冲发生器34输出到ac励磁器场电路15的积极强制信号所指示的发电机场电压vf的目标设定值。

注意，操作者可以基于比较计算器44的确定的结果而不是由门脉冲调节器52执行的上述自动控制来手动降低发电机场电压vf的目标设定值。

根据上述构造，能够在监测发电机场电压vf的同时使得发电机12的输出电压恢复到额定输出，从而不达到过量电压。

接下来，将根据需要通过参考图1和图2基于图4所示的序列图来描述第一实施例的自动电压调节方法。

换言之，将对当发电机12的输出电压迅速下降时的电压调节方法进行说明。

在步骤s11中，检测比较器31通过检测发电机12的输出电压并将发电机12的检测到的输出电压与发电机电压的设定值进行比较来保持对发电机12的输出电压的监测。

在步骤s12中，门脉冲发生器34在没有观察到不合规范时以正常相位规范地生成门脉冲。

在步骤s13中，检测比较器31检查发电机12的输出电压是否迅速下降。当发电机12的输出电压没有迅速下降时(步骤s13中的否)，处理返回到步骤s11，其中检测比较器31继续检测并监测发电机12的输出电压。相反，当发电机12的输出电压迅速下降时(步骤s13中的是)，辅助门脉冲调节器40的处理继续进行到步骤s16，并且门脉冲发生器34的处理继续进行到步骤s14。

在步骤s14中，门脉冲发生器34在已经由检测比较器31输入的输出指示后输出积极强制信号到整流器24。

在下一步骤s15中，整流器24在接收到积极强制信号后加强ac励磁器场线圈18的磁场输出。在发电机场电路16中生成的感应电动势由于ac励磁器场线圈18的增强的磁场输出而增加，因此发电机场电压vf增加。

同时，在辅助门脉冲调节器40的一侧，在步骤s13中的肯定确定之后执行以下处理。

在步骤s16中，检测指示电路41检测发电机12的输出电压的迅速下降并且输出指示信号。

在下一步骤s17中，与对指示信号的接收相同步(或在其后)，驱动器电路45将发电机场电压检测器42的成对的检测端子46连接到发电机场电路16的输出端子48。

在下一步骤s18中，发电机场电压检测器42检测发电机场电压vf。

在下一步骤s20中，比较计算器44检查发电机场电压vf是否超过由检测比较器31保持的可允许上限值。当发电机场电压vf超过可允许上限值时，处理继续进行到步骤s21，其中门脉冲调节器52调节要由门脉冲发生器34生成的门脉冲。相反，当发电机场电压vf未超过可允许上限值时，处理继续进行到步骤s22，而不经过步骤s21。

在步骤s22中，发电机场电压vf被维持在比额定负载高的目标设定值附近，从而发电机12的输出电压增加。由检测比较器31检测发电机12的输出电源的这个增加。

在步骤s23中，检测比较器31检查发电机12的输出电压是否恢复到额定输出值。当发电机12的输出电压未恢复到额定输出值时，处理返回步骤s20。当发电机12的输出电压恢复到额定输出值时，处理继续进行到步骤s24。以这种方式，检测比较器31和辅助门脉冲调节器40通过重复步骤s20、s21、s22和s23的处理而使得发电机12的输出电压返回到额定输出值。

在步骤s24中(即，当发电机12的输出电压达到额定输出值时)，检测比较器31将门脉冲调制指令输出到门脉冲发生器34，使得发电机场电压vf降至额定负载。以这种方式，发电机12的输出电压被维持到额定输出值，并且完成一系列的电压调节操作。

如上文所述的辅助门脉冲调节器40和检测比较器31的各自的操作可以由装备有存储器设备(例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)和硬盘驱动器(hdd))和被配置为执行存储在存储器中的预定程序的处理器的计算机来实现。

例如，由检测指示电路41、发电机场电压检测器42、比较计算器44和门脉冲调节器52实施的各自的功能可以通过使得处理器执行存储在存储器中的预定程序来实现。

代替软件处理，上述功能可以通过诸如专用集成电路(asic)和现场可编程门阵列(fpga)的硬件来实现。

另外，由辅助门脉冲调节器40和检测比较器31实施的各自的功能可以通过软件处理与硬件处理的组合来实现。

此外，在图2所示的所有部件中，阈值存储器43可以由诸如rom或ram的存储器设备构成。

根据如上所述的第一实施例的avr29，avr29能够通过反映实际施加到发电机场线圈11上的发电机场电压vf来控制发电机12的输出电压。

换言之，通过在短暂时段内将发电机场电路16的状态反馈给avr29，能够避免在发电机场电路16中生成过量电压并且保护与发电机场电路16有关的每个部件。

(第二实施例)

图5是图示第二实施例的发电机励磁系统30的电路框图。

在第二实施例的发电机励磁系统30中，多对成对的检测端子46彼此并联连接，如图5所示。

另外，发电机励磁系统30包括计数器51和开关电路49。计数器51对时间进行计数，直至成对的检测端子46的产品生命周期由于磨损(即，磨耗)而结束。开关电路49根据从计数器51输入的指令来切换用于电压检测的成对的检测端子46。

当输出指示信号时，使得用于电压检测的成对的检测端子46与发电机场电路16相接触并且与发电机场电路16的旋转相结合在发电机场电路16的表面上滑动。因此，成对的检测端子46会随着时间推移而磨损(即，磨耗)。

在持续性方面，不期望每当用于电压检测的成对的检测端子46的产品生命周期结束就通过停止发电系统10来更换或维修成对的检测端子46。能够根据成对的检测端子46的接触时间或发电系统10的总操作时段来估计磨损程度。

出于此原因，在第二实施例的发电机励磁系统30中，两对或更多对检测端子46与发电机场电压检测器42并联连接，并且提供计数器51和开关电路49。

例如，一个检测端子46用于检测发电机场电压vf，并且其余的成对的检测端子46与用于该电压检测的成对的检测端子并联连接作为备用件。

当计数器51为开关电路49提供了指示用于检测电压的成对的检测端子46的产品生命周期结束的信息时，开关电路49将用于该电压检测的成对的检测端子从产品生命周期已结束的成对的检测端子切换到成对的检测端子46中的备用对中的一个。

根据如上所述的第二实施例，产品生命周期已结束的成对的检测端子46能够自动由备用检测端子46来更换。

可以基于成对的检测端子46的接触时间或发电系统10的总操作时段的量来确定每个检测端子46的产品生命周期。

计数器51和开关电路49可以被包括在avr29内或被提供为独立于avr29。

接下来，将参考图6来描述第二实施例的发电机励磁系统30的变型。

如图6所示，发电机励磁系统30被提供有故障检测电路53，所述故障检测电路53基于当使得成对的检测端子46与发电机场电路16相接触时由发电机场电压检测器42检测到的电压值来检测成对的检测端子46的不合规范性。

即使当使用中的成对的检测端子46在以接触时间或操作时段的量方面的产品生命周期结束前，使用中的成对的检测端子46由于例如在一些情况下断开而不能充分地将电压传输到发电机场电压检测器42。

出于此原因，当发电机场电压vf已知时，通过使得目标检测端子46与发电机场电路16相接触，故障检测电路53检查目标检测端子46是否能够准确地检测发电机场电压vf。

故障检测电路53与发电机场电压检测器42和开关电路49相连接。

当由发电机场电压检测器42检测到的实际的发电机场电压vf并不等于已知的发电机场电压vf时，故障检测电路53将中断信号输出到开关电路49。

开关电路49一接收到来自故障检测电路53的中断信号，开关电路49就将用于电压检测的成对的检测端子46从当前使用的对切换到备用对中的一个，即使计数器51所计数的时间并未指示当前使用的对的产品生命周期结束。

以这种方式，即使使用中的成对的检测端子46在产品生命周期结束之前，在使用中的成对的检测端子46发生问题的情况下，能够通过正常的检测端子46来适当地更换使用中的成对的检测端子46。

第二实施例在构造和操作方面类似于第一实施例，除了以下：(a)多对成对的检测端子46彼此并联连接，(b)用于检测的成对的检测端子46被自动切换，以及(c)对成对的检测端子46的故障进行自动检测。因此，省略重复的说明。

根据如上所述的第二实施例的发电机励磁系统30，能够获得与第一实施例相同的效果。另外，在第二实施例中，由于用于检测的成对的检测端子46能够自动被备用件更换，因此改善了发电系统10的持续性，并且能够减轻维护管理的负担。

此外，在第二实施例中，即使当使用中的成对的检测端子46在产品生命周期结束之前，在这些检测端子46发生问题的情况下，能够通过连接作为备用件的正常的检测端子46来适当地更换使用中的成对的检测端子46。

根据上述实施例中的至少一个的自动电压调节器29、自动电压调节方法或发电机励磁系统30，avr29通过监测发电机场电压vf来辅助控制发电机12的输出电压，因此能够控制发电机12的输出电压，从而反映实际施加到发电机场线圈11上的发电机场电压vf。

顺带地，检测指示电路41是权利要求中所述的检测指示单元的范例。

发电机场电压检测器42是权利要求中所述的场参数检测单元的范例。

比较计算器44是权利要求中所述的比较计算单元的范例。

注意，在权利要求中使用的术语与在实施例中使用的术语之间的上述对应关系仅是为了参考而进行某种解读，并且不应被解释为限制本公开内容。

虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅是通过范例的方式进行呈现，而不旨在限制本发明的范围。事实上，本文所述的新颖的方法和系统可以以多种其它方式来实施；此外，在不偏离本发明的主旨的情况下，可以对本文所述的方法和系统的形式进行各种省略、替代和改变。权利要求及其等同方案旨在覆盖落入本发明的范围和主旨内的这样的形式和变型。

虽然对装备有avr29的发电机励磁系统30被配置为无刷励磁设备的情况进行了说明，但是能够例如以与第一实施例和第二实施例类似的方式对晶闸管励磁设备进行控制。