采用混合式整流器的无刷发电机励磁机的制作方法

专利名称:采用混合式整流器的无刷发电机励磁机的制作方法
本发明是关于电动发电机，特别是关于大型发电机用的无刷励磁机。
大型发电机是由原动机驱动进行发电的。励磁机供电给发电机转子，给发电机转子供应能有效地产生与转子一起旋转的磁场的直流电。环绕转子配置的环形定子上装有多个绕组，这些绕组中电是由旋转磁场感应产生的。
往转子输送直流电是将直流电从一个固定部件传送到转动部件上。有一种传送直流电的方法是采用若干与转子一起转动的滑环和若干与各滑环接触的固定电刷。
环滑法在可靠性方面有问题。有一种经过改良的从固定部件将电能传送给转动部件的方法，这就是一般周知的无刷励磁机法，该方法是将直流磁场加到励磁机固定绕组上。一个或多个与转子一起转动的绕组通过励磁机固定绕组所产生的磁场，从而产生交流电。励磁机的交流电在位于转子上的整流器中经过整流之后产生所需要的直流励磁。
转子所需要的直流励磁机的功率随发电机负荷而变。就是说，发电机负荷增加时，转子磁场强度必须增加，以保持所希望的输出。这通常是通过改变馈到励磁机固定绕组的直流功率实现的。直流功率可由一个控制信号控制或根据发电机输出电压的测定值控制，也可以选择性地结合发电机输出电流的测定值控制。
励磁机磁场控制装置对发电机输出电压降低的反应是增加馈到励磁机固定绕组的直流电压。在某些装置中，输出电压和电流的大小及相位的关系用来补偿消耗在发电机输出功率中无功分量的励磁机磁场电压。
理论上，励磁机电流应该即刻响应发电机负荷的变化，从而使发电机输出电压基本上保持恒定。实际上，励磁机控制电路的响应时间，还有其它因素，妨碍着用普通无刷励磁机达到这种理论状态。
因此本发明的一个目的是提供一种能克服先有技术上述缺陷的发电机励磁。
本发明的另一个目的是提供一种基本上能即时响应输出功率各参数偏离规定值的无刷发电机励磁机。
本发明的又一目的是提供一种具有混合式整流器的无刷励磁机，该无刷励磁机产生输出，其有效导电时间系根据发电机输出各项参数的测定值进行控制的。
本发明的再一个目的是提供一种具有一个旋转式整流器的无刷励磁机，整流器中的至少一些整流元件可由一个固定元件上根据发电机输出各参数产生的一个信号进行控制。
本发明的还有一个目的是提供一种具有若干光传输器件的发电机励磁机，该光传输器件用以控制励磁机馈到发电机磁场绕组的功率各相位的各个部分。
概括地说，本发明提供一种采用混合式全波整流器的无刷发电机励磁机，全波整流器的至少一些整流二极管可根据一个外部信号进行控制，以调节馈到发电机转子的整个励磁机功率。固定和旋转组件之间选通信号和同步信号的联络采用光传输方法。
根据本发明的一个实施例，本发明提供了一种控制励磁机馈到发电机转子上磁场绕组的功率用的设备，该设备包括一个幅度基本上稳定的磁场电源、在转子上的至少一个励磁机绕组、一个对磁场电源敏感的装置和一个控制装置，对磁场电源敏感的装置用以在至少一个励磁绕组中感应出励磁电能，控制装置响应发电机的输出，用以控制励磁机馈到磁场绕组的部分功率，因而发电机对其上的负荷敏感。
参照附图阅读下面的说明即可了解本发明的上述和其它目的、特点和优点，附图中的同样参考编号表示相同的元件。
图1是一个装有先有技术无刷励磁机的发电机的简化方框图。
图2是一个装有本发明一个实施例的无刷励磁机的发电机简化方框图。
图3是图2选通和混合式整流器电路的方框原理图。
图4是图3选通电路的原理图。
图5A至5D是一些波形图。介绍本发明设备的工作情况时将参看这些图。
图6是本发明光传输装置的透视图。
图7是图6本发明一个实施例的一部分光传输装置的端视图。
图8是本发明另一个实施例的一个光传输装置一部分的透视图。
参看图1。从图中可以看到，具有先有技术的无刷励磁机的发电机，其总的编号为10。发电机10有一个转子12，转子12有一个可在环形定子16内转动的磁场绕组14。定子16包括多个绕组18，在磁场绕组14所产生的旋转磁场的感应下，绕组18中感应有电能。
无刷励磁机由若干固定元件和若干转动元件组成，固定元件包括输出测量装置20、励磁机磁场控制电路22和励磁机磁场线圈24，转动元件包括多个励磁机绕组26和一个整流器28。输出测量装置20根据输出测定值产生一个励磁机磁场控制信号，此信号经由线路30上送到励磁机磁场控制电路22上。励磁机磁场控制电路22根据它在线路30上收到的信号产生一个直流信号。励磁机磁场绕圈24所产生的合成磁场在励磁机绕组26中感应出交流励磁电能，此电能再经整流器28中整流，产生脉动直流，加到磁场绕组14上。
虽然希望能对磁场绕组14所产生的磁场进行即时控制，但普通系统中固有的延迟性能却阻碍了这个愿望的实现。
应该指出，线路30、励磁机磁场控制电路22和整流器28都是本专业的技术人员所熟悉的一般事物，因此这里不再赘述。
现在参看图2。从图中可以看到，具有本发明一个实施例的无刷励磁机的发电机，其总编号为32。转子34包括一个磁场绕组14(对应于图1中的磁场绕组)和构成励磁机一部分的附加设备。单向传动二极管85(见图3)最好并联连接到磁场绕组14，作为时间电流被切断时分散储存在磁场绕组中电荷的电流通路。磁场电源36给励磁机磁场线圈24供应恒定的直流功率。馈到励磁机磁场线圈24的直流功率的大小能在励磁机绕组26中感应出超过完全激励磁场绕组14所需最大功率的交流功率值。后面即将谈到，励磁机控制设备减少了实际馈到磁场绕组14的励磁功率值。
输出测量装置20将其励磁机控制信号经由线路30馈到磁场相位控制电路38，控制电路38确定馈到磁场绕组14的功率必须减少的值，以使发电机32的输出情况保持在其规定值。接口装置40将场相位控制电路38发出的相位控制信号加到转子34中的选通和混合式整流器电路44上。相位控制信号可以使选通和混合式整流器电路44限制由励磁机绕组26产生加到磁场绕组14的电能周期相位的各部分。
在选通和混合式整流器电路44中产生的同步信号经由同步线路45加到传送器42上，以便传送到接口装置40中。同步信号是用在场相位控制电路38中，用以确定其所产生的相位控制信号的定时。
接口装置40，传送器42以及选通和混合式整流器电路44可以采用任何适当的方法在各固定和转动元件之间传送控制和同步信号。例如可采用普通滑环、磁的、射频的或其它常用的方法。但在本最佳实施例中采用了光电子器件传送所需要的信号。从接口装置40传送到选通和混合式整流器电路44的控制信号系经由线路43传送，线路43最好是一个光通路。同样，从传送器42到接口装置40的同步信号是在线路47上传送的，线路47最好也为光通路。
现在参看图3。来自励磁机绕组26的励磁机电能各相A、B、C连接到混合式整流器44的各接点。具体地说，A相励磁电能接到二极管48阴极端与可控硅整流器54阳极端的接点。同样，B相励磁电能接到二极管50与可控硅整流器56相应端子上，C相电能接到二极管52和可控硅整流器58的相应端子上。各可控硅整流器54、56和58的阴极端接到馈电给磁场绕组14一端的正母线60上。各二极管48、50和52的阳极端接到馈电给磁场绕组14另一端的负母线62上。选通电源64接收励磁机的全部三相功率以便在正选通母线66上产生正电压，在负选通母线68上产生负电压。选通电源64最好是任何类型能承受励磁电力线路上存在的各电压的普通小功率使用容量三相整流器。选通电源64最好起码具有相当的滤波能力。熟悉本专业的技术人员是完全能选择、制造和使用适合用作选通电源64的三相整流器的，因而这里不再进一步详细介绍。
正负选通母线66和68都接到A选通电路70、B选通电路72和C选通电路74的各输入端上。线路76a、78a和80a分别接到A选通电路70、B选通电路72和C选通电路74上。线路76b、78b和80b还接到正母线60上，线路76a、78a和80a则接到可控硅整流器54、56和58的控制极上。各相位控制信号由光通路43a、43b和43c接到选通电路70、72和74上。
众所周知，可控硅整流器在其控制极电压升到比其阴极更正的电压之前是不会导通的。可控硅整流器一旦开始导通，就不管其控制极电压以后的情况如何，一直导通下去，直到其阴极端电压比阳极端电压更为正为止。在变压器76、78和80各原绕组上没有信号时，可控硅整流器54、56和58控制极和阳极端的电压仍然相等，因此仍然截止。在励磁机A相功率正半周的某一选择点上，光通路43a上的选通控制信号使A选通电路70能向变压器76上加一个尖选通脉冲信号，从而使可控硅整流器54开始导通，并在A相正幅度的其余时间保持导通。
现在再回头看图3。励磁同步发电机83发出一个同步信号，经由同步线路45通过传送器42(图2)传送到各固定组件上。熟悉本专业的技术人员会记得，交流发电机的相位必然会随负荷变化而偏移。为使相位控制根据励磁机A、B、C相的实际相位发展进行，将同步信号定时，使其在励磁机交流A、B、C相的相位发展的一预定基准点出现。可采用任何适当的基准点。在例示的实施例中，励磁同步发电机83控制着B相和C相的相对幅度，而且在A相比C相变得更正时，加到接收器/传送器42的同步信号情况发生变化。这就可以产生其定时与转动组件上交流信号的实际各相位联锁的选通控制信号。励磁同步发电机83采用例如控制光传送装置的二极管(例如发光二极管)的普通控制组件，这些组件的性能和它们连接到各输入端和输出端的方式是本专业的技术人员所熟悉的。
光通路43a、43b和43c上的相位控制信号分别加到选通电路70、72和74上。
选通电路70、72和74完全相同，因此这里只详细介绍B选通电路72。
现在参看图4。B选通电路72有一个光敏晶体管79，光敏晶体管79的基极由来自光路43的光照射其上在其中释放出来的载流子控制。光敏晶体管79的集电极一发射极通路连接在正选通母线66与第二晶体管81的基极之间。晶体管81的集电极通过脉冲变压器82的原绕组接到正选通母线66。脉冲变压器82的副绕组接到各可控硅整流器54、56和58(图3)以及正母线60。脉冲变压器82作为电压隔离器。晶体管81的发射极接到负 选通母线68。二极管84与脉冲变压器82的原绕组并联联接。脉冲变压器82的副绕组接到变压器78的原绕组(图3)。偏置电阻器87接在晶体管81的发射极和基极之间。
现在再参看图3。在光路43b上没有信号时，光敏晶体管79保持截止。当光通路43b上有控制信号出现时，光敏晶体管79导通，选通信号就通过脉冲变压器82加到可控硅整流器56上。这时脉冲变压器82各绕组处在触发可控硅整流器56导通的适当极性。可控硅整流器56一经导通，只要阳极端相对于阴极端仍然为正(即只要电流继续正向流动)，它就继续导通。在导通期间，选通信号以后所发生的变化都不影响导通状态。B相电压极性一反(即变负)，可控硅整流器56就停止导通，直到B相电压回复到其正极性情况，并接收正选通信号之后才恢复导通。
脉冲变压器82可采取任何适当的结构，例如采用小环形铁心的结构，这是因为要触发其各自的可控硅整流器只需要短暂的输出脉冲。可采用普通脉冲变压器。最好配备有一些锐化或整形各选通电路70、72和74的输出跃变用的装置，以便加到各可控硅整流器的控制极进行有效的触发。例如在B选通电路72中可采用一个击穿二极管或二端交流开关元件，以便产生用小型脉冲变压器能很好加以控制的那种从断开到接通的突然过渡。
现在参看图5A至5D。图5A是加到其中一个可控硅整流器54、56或58其中一个电能相位的波形图。图5B是可控硅整流器在其控制极电位相对于阴极电位为正时其整流后的输出。图中所示的正半波整流信号为可控硅整流器的最大输出。图5C是可控硅整流器当其相位变成正之后一段时间在其控制极上接收触发信号时的输出。应该指出，可控硅整流器正半周导通部分的时间缩短了。这有效地减少了从可控硅整流器加到负荷上的功率值。图5D是可控硅整流器在正半周更加后的时间接受触发时的输出。熟释本专业的技术人员会知道，图5C的波形可在可控硅整流器控制极上给定一个阈值电压获取，电源若超过该阀值电压，由于阈值点系位于波形的正向侧，因而可控硅整流器就开始导通。图5D的波形不能靠给定控制极阈值来获取，因为触发是在波形的负向部分发生的。
现在再参看图2和图3。在触发信号加到各选通电路70、72和74使其定时选择它们各自相位的正半周所需部分的情况下，可以使加到磁场绕组14的励磁功率从励磁机在其绕组26中感应产生的励磁机功率大约全值到整个励磁机功率全值的大约一半的范围内变化。在实用中，各可控硅整流器最好是其相位通过正向零交叉稍微延迟一段时间进行触发。在大多数应用中，变化范围在大约全功率值的5%至100%之间均属令人满意的。
熟释本专业的技术人员会知道，本发明的上述实施例触决了励磁机响应时间的一般问题。鉴于各光选通信号可能从一个周期到下一个周期从一个极端变化到另一个极端，因而无需通过延迟来补偿负荷的变化。因此在负荷变化的情况下有可能显著提高发电机32保持其额定输出的能力。
现在参看图2和图3。场相位控制电路38根据测定出的输出参数，以及通过接口装置40反馈到其上的同步信号的引导，发出A、B、C相的选通信号。选通电路70、72和74收到这些信号时，能使可控硅整流器54、56和58的各控制极在选通信号到达之后适用于其相位正半周的任何部分。
上面已经说过，相位控制和同步信号在各固定和转动组件之间的联系可采用任何适当的方法。在本最佳实施例中采用了光电子技术。
现在参看图6和图7。发电机32的轴86上同心固定有一个光接收器/传送器88。光接收器/传送器88的轴向表面96上配置有多个同心透明环90、92和94。各透明环将射到其上的光导向其各自的控制极上。轴向表面96中心配置有同步发射器98。接口装置40有一个发射器/检测器表面100(从图7可看得最清楚)，靠近轴向表面96配置，但与轴向表面96不接触。发射器/检测器表面100包括三个同心发射器环102，各环配置在与其在轴向表面96中透明环相应的半径相匹配的半径上。各发射体环102由多个光发射器104组成，所有光发射器在来自场相位控制电路38(图2)的相位控制信号的控制下同时导通和截止。发射器/检测器表面100也包括一个中心配置的同步光检测器106，用以接收同步发射器98发送的同步信号。各发射器环102中光发射器104的数量和间隔角是这样选择，使得至少一个光发射器104安置在能影响其相应的控制极的位置上。间隔角不一定要一致，在本最佳实施例中，令各间隔角稍微有点差别，从而使结果有所改进。此外，不同发射器环102可采用不同数目的光发射器104。这是出于想使毗邻的光发射器104之间具有预定的线性间距而这样做的。采用这种相等的线性间距，就可以在半径较小的发射器环102比在半径较大发射器环102采用较少的光发射器104。
现在参看图8，这是本发明的另一个实施例。在周边表面112上具有多个同心透明条110的光接收器/传送器108系固定得能与发电机的一根轴(图中未示出)同心转动。光接收器/传送器108的轴向表面114的中心配置有同步信号发射器98。套在光接收器/传送器108的杯形接口装置116内表面上有多个光发射器平行环(图中未示出)，这些光发射器平行环安置在这样的位置，使它们可以将光投射到在光接收器/传送射器108各自的同心透明条110上。杯形接口装置116内部轴向配置有同步光检测器(图中未示出)，与同步信号发射体98成一直线。鉴于各光发射体和同步检测器在杯形接口装置116内部的配置方式对应于接口装置40(图7)上相同元件，因而有关杯形接口装置116内部在这里不再赘述。
熟释本专业的技术人员会知道，在这里采用可控硅整流器作为混合式整流器中的可控元件仅仅是举例而已，不应视其作为对本发明的限制。其它类型器件，例如晶体管或三端双向可控硅开关元件，可用以代替可控硅整流器，而不致脱离本发明的精神实质和范围。
上面参照附图介绍了本发明的一些最佳实施例。不言不喻，本发明并不局限于这些具体的实施例，熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明在所附权利要求
书中规定的范围和精神实质的基础上，是可以对本发明进行各种更改和改进的。
权利要求
1.一种控制馈到发电机转子上磁场绕组的励磁功率用的设备，其特征在于，该设备包括一个幅度基本上恒定的磁场源；设在所述转子上的至少一个励磁绕组；响应所述磁场源用以在所述至少一个励磁绕组上感应出励磁功率的装置；和响应于所述发电机的一个输出，用以控制馈到所述磁场绕组的一部分所述励磁功率，从而使所述发电机对其上的负荷敏感的控制装置。
2.根据权利要求
1的设备，其特征在于，所述控制装置包括至少一个在所述转子上的可控元件和将一控制信号从一固定元件传输到所述可控元件以限制馈到所述磁场绕组的所述部分励磁功率用的装置。
3.根据权利要求
2的设备，其特征在于，所述至少一个可换元件包括至少一个可控硅整流器，以及所述传输用的装置包括将所述控制信号加到所述可控硅整流器一控制极用的装置。
4.根据权利要求
1的设备，其特征在于，所述控制装置包括一个混合式整流器，用以有效地整流交流励磁功率，以产生加到所述磁场绕组上的直流励磁功率，所述混合式整流器包括至少一个可控元件，且所述控制装置还包括在所述交流励磁功率一个周期中的可控制部分的期间保持所述可控元件不导通用的装置。
5.根据权利要求
4的设备，其特征在于，所述至少一个可控元件至少是一个可控硅整流器。
6.根据权利要求
1的设备，其特征在于，所述控制装置包括用以产生至少一个对所述发电机的所述输出敏感的相位控制信号的一个场相位控制装置，将所述至少一个相位控制信号从所述固定元件连接到所述转动元件用的一个接口装置，在所述转子上，对所述至少一个用于控制加到所述转子上所述励磁功率的一部分交流相位的相位控制信号敏感的一个装置。
7.根据权利要求
6的设备，其特征在于，所述接口装置包括用以作为所述至少一个相位控制信号与所述各转动元件接口的光学装置。
8.根据权利要求
7的设备，其特征在于，所述接口装置包括至少多个光发射器，这些光发射器都一起受控制并安置在一定的位置，用以在所述转子大体上处在其所有必要的角位置时将光传输到其在所述转子上的装置上。
9.根据权利要求
8的设备，其特征在于，所述多个光发射器是配置在一个圆上，该圆的半径在所述接口装置的一个面上，面向同心配置在所述一根转子轴的一个光接收器/传送器的一端，在所述转子上的所述装置系配置在相应的半径上，用以接收来自至少其中一个所述光发射器的光。
10.根据权利要求
8的设备，其特征在于，所述至少多个光发射器系配置在一个环上，面向所述光接收器/传送器的周边表面;且在所述转子上的所述装置系配置在外部周边表面上，通常与所述各光发射器成直线。
11.根据权利要求
1的设备，其特征在于，所述控制装置包括在所述转子上用以产生与所述励磁功率情况有关的一个同步信号的一个装置;和用以将所述同步信号从所述转子传送到一个固定元件的装置。
12.根据权利要求
11的设备，其特征在于，所述励磁功率是三相交流功率，所述励磁功率的所述情况至少与三相中的两相有幅度关系。
13.根据权利要求
12的设备，其特征在于，所述幅度关系包括三相中的预定两相之间相同的幅度。
专利摘要
一种无刷发电机励磁机采用混合式全波整流器，其中，至少某些整流二极管可根据外部信号加以控制，以调节馈到发电机转子上总的励磁功率。各固定组件和转动组件之间选通和同步信号的传输采用光传输技术。
文档编号H02P9/36GK87105510SQ87105510
公开日1988年3月9日 申请日期1987年8月7日
发明者欧文·艾伯特·吉布斯, 约翰·哈罗德·帕斯洛, 安德鲁·约瑟夫·加利什 申请人:通用电气公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan