具有模组化励磁增强系统的交流无刷同步发电机

摘要

本发明涉及一种具有模组化励磁增强系统的交流无刷同步发电机，其包括交流无刷同步发电机本体及自动电压调节器与励磁增强系统，励磁增强系统与交流无刷同步发电机本体匹配连接，并通过PMG控制模块与自动电压调节器相连，自动电压调节器将交流无刷同步发电机本体内主机的工作状态信号传输到PMG控制模块，以通过PMG控制模块将励磁增强系统输出所需的励磁增强电流作用于励磁机定子上，控制主机励磁组件输出相应的励磁功率，以使得主机在过载或重负载等复杂负载时稳定地输出所需电压和功率。本发明结构紧凑，能与国际上通用的发动机接口直接匹配，方便使用，提高了生产效率，降低了使用及维护运行成本，安全可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有模组化励磁增强系统的交流无刷同步发电机，属于交流无刷同步发电机的技术领域。

背景技术

交流同步无刷发电机通过转子产生的旋转磁场，定子绕组输出交流电压，通过自动电压调节器（AVR）控制转子励磁绕组上的直流电流去控制定子绕组的输出。

交流同步无刷发电机都有一个额定最大输出功率，这是发电机在稳态条件下可以供应的最大负载。在一些场合，比如港口，船用，军用及通讯，非线性负载等等使用，要求发电机需具有短路强励和过载能力，通常的做法是通过辅助绕组或变压器相复励的结构实现，辅助绕组必须在制造中先期嵌入机器定子矽钢片槽中，变压器相复励相对与不同的机器需有不同的磁芯尺寸和绕组，两者都有成本高，制造工艺繁杂，体积重量笨重并需要发电机降低额定值和不能在机器制造后或使用中加装升级的限制。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种具有模组化励磁增强系统的交流无刷同步发电机，系统可以配置自动电压调节器（AVR）实现一般性场合使用，也可以方便的加装励磁增强系统实现高要求场合使用，具即插即用可升级性，其结构紧凑，相比现在的发电机同样功率段发电机可以实现轻量小型标准化，能与国际上通用的发动机接口直接匹配，方便使用，提高了生产效率，具很高的性价比，降低了使用及维护运行成本，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述具有模组化励磁增强系统的交流无刷同步发电机，包括：

交流无刷同步发电机本体，包括主机及与所述主机匹配连接的主机励磁组件，所述主机励磁组件包括励磁机定子；

自动电压调节器，与所述交流无刷同步发电机本体的本体输出端及励磁机定子相连，根据本体输出端输出的电压/电流检测交流无刷同步发电机本体内主机的负载状态，并控制作用于励磁机定子上的励磁电流，以控制主机励磁组件输出相应的励磁功率，使得主机稳态运行输出所需的电压和功率；

励磁增强系统，与交流无刷同步发电机本体匹配连接，并通过PMG控制模块与自动电压调节器相连，自动电压调节器将交流无刷同步发电机本体内主机的过载、重负载的工作状态信号传输到PMG控制模块，以通过PMG控制模块将稀土永磁发电机（PMG）定子输出的电源按所需要的励磁增强电流作用于励磁机定子上，控制主机励磁组件输出相应的励磁功率，以使得主机在过载或重负载时稳定地输出所需电压和功率。

所述主机包括主定子及与所述主定子匹配的主转子，所述主转子安装于发电机轴上，本体输出端与主定子连接；主机励磁组件还包括安装于发电机轴上的励磁机转子及旋转整流保护装置，励磁机转子与励磁机定子对应配合。

所述励磁增强系统包括稀土永磁发电机（PMG），所述稀土永磁发电机的PMG转子与发电机轴配合连接，稀土永磁发电机的PMG定子与PMG控制模块相连。

所述旋转整流保护装置包括旋转二极管及浪涌电压吸收器。

所述自动电压调节器包括

输入电源电路，与本体输出端连接，并将本体输出端输出的电压进行整流、滤波及稳压后分别连接到电压检测电路、低通滤波器、AVR电源及AVR输出电路；

电压检测电路，对输入电源电路输出电压进行电压采样，并将所述采样电压输入电压设定电路内；

低通滤波器，将输入电源电路输出的电压低通滤波后输入到同步电路；

AVR电源，通过输入电源电路转换后提供所需的工作电源；

同步电路，与锯齿波发生器及频率检测电路相连，以对频率检测电路及锯齿波发生器输出同步信号；

频率检测电路，同步电路提供同步信号，检测本体输出端输出电压频率，根据电路设定的频率/电压曲线参数输出电平信号到放大器内；

电压设定电路，将采样电压与设定电压比较后输入求和运算放大器内；

求和运算放大器，与下垂设定电路、手动电位器的输出端相连，求和运算放大器的输出端通过精密整流电路与放大器相连，下垂设定电路将输入的下垂电流整形限幅后输入求和运算放大器内，精密整流电路对求和运算放大器叠加求和形成的波形信号整流后输出放大器内；

放大器，接收频率检测电路、精密基准电路、过励磁检测电路及精密整流电路输出的信号，并通过稳压电路负反馈，以控制与放大器输出端相连锯齿波发生器产生相应脉宽的锯齿波；

电平检波器，与锯齿波发生器的输出端相连，以对锯齿波发生器输出锯齿波的脉宽进行检测，并将所述检测的锯齿波脉宽通过接口电路输出，且通过调节器电平转换电路控制AVR输出电路的输出状态，以控制AVR输出电路作用于励磁机定子上的励磁电流；

分压器，对励磁机定子上的励磁电压进行采样，并将所述采样得到的励磁电压采样信号输入到过励磁检测电路；

过励磁检测电路，将分压器采样的励磁电压采样信号与设定的最大励磁保护电压比较，当在预设时间内所述励磁电压超过最大励磁保护电压，向放大器输入过励磁信号，以通过放大器关断锯齿波发生器输出锯齿波。

所述PMG控制模块包括：

输入整流电路，与励磁增强系统的输出端相连，以对励磁增强系统输出的电流整流、稳压及滤波后与PMG控制模块电源相连，以通过PMG控制模块电源提供所需的工作电源；

微处理器，与自动电压调节器的EB/DR信号端相连，根据自动电压调节器输出主机负载工作状态信号，通过微处理器输出相应的电平，并通过相应的电平转换电路及功率输出电路调节励磁增强系统作用于励磁机定子上的励磁增强电流。

所述微处理器的输出端分别通过第一电平转换电路、第二电平转换电路及第三电平转换电路分别与第一功率输出电路、第二功率输出电路、第三功率输出电路相连，以通过第一功率输出电路、第二功率输出电路及第三功率输出电路输出作用于励磁机定子上的励磁增强电流。

所述自动电压调节器检测励磁机定子上的励磁电压，在励磁机定子上的励磁电压超过自动电压调节器内最大励磁保护电压时，在达到保护预设时间后，自动电压调节器关断作用于励磁机定子上的励磁电流及励磁增强电流。

所述微处理器检测负载状态有无改善，在励磁增强系统介入工作设定时间后负载状态无法恢复到正常范围时，微处理器会自动关闭输出励磁增强电流。

所述自动电压调节器通过防反接即插即用插头与PMG控制模块匹配连接。

本发明的优点：交流无刷同步发电机本体与励磁增强系统相配合，包括主机、主机励磁组件及模组化的励磁增强系统。主机励磁组件、励磁增强系统、自动电压调节器及PMG控制模块均采用模块化结构，提高了生产效率，提高了产品升级的便捷性，联接方便；所述励磁增强系统根据交流无刷同步发电机本体的负载状态，与自动电压调节器配合后调节励磁机定子的励磁电流，以使得主机励磁组件输出所需的励磁功率，以使得主机在稳态运行、过载或重负荷等复杂负载状态时稳定输出所需的电压和功率；提高交流无刷同步发电机工作的稳定性和输出精度等参数，扩大了发电机工作范围以适应不同用户的负载，降低了用户投资使用成本，结构紧凑，适应范围广，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为现有自励型发电机典型输出过载特性。

图3为本发明在励磁增强系统介入工作后交流无刷同步发电机的输出过载特性。

图4为本发明自动电压调节器的电路框图。

图5为本发明PMG控制模块的电路框图。

图6为本发明PMG控制模块的输出曲线。

附图标记说明：1-主转子、2-旋转二极管、3-励磁机转子、4-PMG转子、5-PMG定子、6-励磁定子、7-电压调节器、8-PMG控制模块、9-主定子、10-本体输出端、11-发电机轴、12-主机、13-主机励磁组件、14-励磁增强系统、15-电压设定电路、16-手动电位器设定电路、17-求和运算器、18-下垂设定电路、19-精密整流电路、20-稳压电路、21-放大器、22-精密基准电路、23-频率检测电路、24-同步电路、25-低通滤波器、26-锯齿波发生器、27-过励磁检测电路、28-交流无刷同步交流发电机本体、29-电平检波器、30-调节器电平转换、31-AVR输出电路、32-接口电路、33-AVR电源、34-输入电源电路、35-输入整流电路、36-PMG控制模块电源、37-微处理器、38-第三电平转换电路、39-第二电平转换电路、40-第一电平转换电路、41-第三功率输出电路、42-第二功率输出电路、43-第一功率输出电路、44-分压器及45-电压检测电路。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示：为了能够提高交流无刷同步发电机在过载或重负载等复杂负载时输出电压和功率的稳定性，同时提高联接操作的灵活性，本发明包括交流无刷同步发电机本体28，所述交流无刷同步发电机本体28包括主机12及与所述主机12匹配连接的主机励磁组件13，所述主机励磁组件13包括励磁机定子6；励磁机转子；旋转整流保护组件。

自动电压调节器7，与所述交流无刷同步发电机本体28的本体输出端10及励磁机定子6相连，根据本体输出端10输出的电压/电流检测交流无刷同步发电机本体28内主机12的负载状态，并控制作用于励磁机定子6上的励磁电流，以控制主机励磁组件13输出相应的励磁功率，使得主机12在稳定的输出所需的电压和功率；

励磁增强系统14，与交流无刷同步发电机本体28匹配连接，并通过PMG控制模块8与自动电压调节器7相连，自动电压调节器7将交流无刷同步发电机本体28内主机12的工作状态信号传输到PMG控制模块8，通过PMG控制模块8将稀土永磁发电机（PMG）定子5输出可控的励磁增强电流作用于励磁机定子6上，控制主机励磁组件13输出相应的励磁功率，以使得主机12在过载或重负载等复杂负载时稳定地输出所需电压和功率。本发明实施例中，自动电压调节器（AVR）7均是通过对本体输出端10输出的电压/电流进行检测判断后得到主机12的负载工作状态。

上述，交流无刷同步发电机本体28在稳态运行是指主机12的负载及输出功率与电压等参数均在额定参数范围内，交流无刷同步发电机本体28在过载或重负荷状态是指主机12的负载状态复杂多变，经常性有超过额定负载参数范围或者重负载和低功率因数的非线性负载（比如频繁的电动机的启停，变频器，UPS（Uninterruptible Power System），通讯等工业用负载），此时，常规交流无刷同步发电机输出的电压和功率会变得大幅波动不稳定，影响负载的工作使用和寿命。

具体地，主机12包括发电机轴11上的主转子1及与所述主转子1配合的主定子9，主机12通过发电机轴11与外部的原动机相连，通过原动机带动发电机轴11及主转子1转动，所述原动机包括柴油机。

本发明实施例中，所述主机励磁组件13包括励磁机转子3、与所述励磁机转子3配合的励磁机定子6及对所述励磁机转子3输出的交流电进行整流的旋转整流保护装置，所述励磁机转子3及旋转整流保护装置均安装于发电机轴11上，励磁机定子6与电压调节器7相连，也即励磁机转子3及旋转整流保护装置均能跟随发电机轴11转动。本发明实施例中，旋转整流保护装置采用旋转二极管2及浪涌电压吸收器，通过旋转二极管2及浪涌电压吸收器将励磁机转子3输出的交流电整流为直流电后输入到主机转子1。自动电压调节器（AVR）7从发电机输出端10上获取电压，经过相关变换及控制后输出作用于励磁机定子6的励磁电流，以较低的功率通过励磁机转子3的整流输出，实现对主转子1的高功率控制，实现自励的功能。

所述励磁增强系统14包括稀土永磁发电机（PMG），所述稀土永磁发电机（PMG）的转子4安装于发电机轴11上，稀土永磁发电机（PMG）定子5与PMG控制模块8相连；也即PMG转子4能跟随发电机轴11同步转动，以达到PMG转子4与PMG定子5产生相对转动的目的。所述励磁增强系统14在主机12稳定运行时不介入工作，主机12在工作时，励磁增强系统14内的稀土永磁发电机（PMG）定子5与PMG转子4配合，在PMG定子5上产生相应的电压；而当主机12在过载或重负载输出偏离额定正常参数时，根据自动电压调节器7输出的信号，稀土永磁发电机（PMG）的输出通过PMG控制模块8，向励磁机定子6输出一个可控的励磁增强电流，即自动电压调节器（AVR）7和励磁增强系统14同时向励磁机定子6输入电流，在励磁机定子6内得到所需的励磁电流，即励磁机组件13能够输出相应的励磁功率，主机12在相应励磁功率作用下，稳定地输出所需的电压和功率，以通过所述励磁电流达到对主定子1的高功率的控制，进而实现对交流无刷同步发电机本体28输出电压及功率的控制，达到更加稳定交流无刷同步发电机本体28输出电压和功率的目的。

如图4所示：本发明实施例中，所述自动电压调节器7包括

输入电源电路34，与本体输出端10连接，并将发电机本体输出端10输出的电压进行整流、滤波及稳压后分别连接到电压检测电路45、低通滤波器25、AVR电源23及AVR输出电路31；

电压检测电路45，对输入电源电压进行连续不间断实时采样，并将所述采样电压输入电压设定电路15内；

低通滤波器25，将输入电源电路34输出的电压低通滤波后输入到同步电路24；

AVR电源23，将输入电源34转换后为AVR电路提供所需的工作电源；

同步电路24，为锯齿波发生器26及频率检测电路23提供同步信号；

频率检测电路23，根据检测发电机本体输出端输出的电压频率，根据电路设定的频率/电压曲线参数输出电平信号，并将所述电压频率输入到放大器21内；

电压设定电路15，将采样电压与设定电压比较后输入求和运算器17内；

求和运算器17，与下垂设定电路18、手动电位器16的输出端相连，求和运算器17的输出端通过精密整流电路19与放大器21相连，下垂设定电路18将输入的下垂电流整形限幅后输入求和运算器17内，精密整流电路19对求和运算器17叠加求和形成的波形信号整流后输出放大器21内；

所述下垂电流为通过下垂传感器获得的电流值，所述下垂电流值为与本体输出端10输出电流相关的电流值；本发明实施例中，还包括手动电位器16，所述手动电位器16的输出端与求和运算器17相连，通过手动电位器16进行电压调节；求和运算器17将电压设定电路15、手动电位器16及下垂设定电路18输入的参数进行叠加后得到相应的波形信号，通过精密整流电路19整流后输入放大器21，以作为放大器21比较判断的一个基本参量。

放大器21，接收频率检测电路23、精密基准电路22、过励磁检测电路27及精密整流电路19输出的信号，并通过稳压电路20负反馈，以控制与放大器21输出端相连锯齿波发生器26产生相应脉宽的锯齿波；

通过精密基准电路22产生一个不受外界环境温度影响的基准电压，做放大器21的电压基准，提高AVR电路工作的稳定性与可靠性；锯齿波发生器26产生的锯齿波受放大器21输出的控制信号及同步电路24输出的同步电路控制；

电平检波器29，与锯齿波发生器26的输出端相连，以对锯齿波发生器26输出锯齿波的脉宽进行检测，并将所述检测的锯齿波脉宽通过接口电路32输出，且通过调节器电平转换电路30控制AVR输出电路31的输出状态，以控制AVR输出电路31作用于励磁机定子6上的励磁电流；

本发明实施例中，通过接口电路32与PMG控制模块8相连，以将检测得到交流无刷同步交流发电机本体28的负载状态信号输入到PMG控制模块8内。

分压器44，对励磁机定子6上的励磁电压进行实时采样，并将所述采样得到的励磁电压采样信号输入到过励磁检测电路27；

过励磁检测电路27，将分压器44采样的励磁电压采样信号与设定的最大励磁保护电压比较，当在预设时间内所述励磁电压超过最大励磁保护电压，向放大器21输入过励磁信号，以通过放大器21关断锯齿波发生器26输出锯齿波。

本发明实施例中，上述电路均位于同一块PCB上，图中的EB信号为AVR电源33与PMG控制模块电源36的信号共地端，DR为自动电压调节器7输出至PMG控制模块8的负载工作状态检测控制信号。

如图5所示：所述PMG控制模块8包括：

输入整流电路35，与稀土永磁发电机（PMG）输出端相连，对稀土永磁发电机（PMG）输出的电源整流、稳压及滤波后通过PMG控制模块电源36，为PMG控制模块8提供所需的工作电源；

微处理器37，与自动电压调节器7的EB/DR信号输出端相连，根据自动电压调节器7输出主机负载工作状态信号，通过微处理器程序输出相应的电平，电平转换电路及功率输出电路调节励磁增强系统14作用于励磁机定子6上的励磁增强电流。

本发明实施例中，所述微处理器37的输出端分别通过第一电平转换电路40、第二电平转换电路39及第三电平转换电路38分别与第一功率输出电路43、第二功率输出电路42、第三功率输出电路41相连，以通过第一功率输出电路43、第二功率输出电路42及第三功率输出电路41输出作用于励磁机定子6上的励磁增强电流。

本发明实施例中，自动电压调节器7采用电子灌封胶密封，并利用防反接插头进行快速输入输出连接，防水、防震等能适应恶劣环境使用；PMG控制模块8采用电子灌封胶密封，并利用防反接进行快速输入输出联接，以防水、防震等能适应恶劣环境使用；自动电压调节器7及PMG控制模块8和励磁机定子6，稀土永磁发电机（PMG）的PMG定子5间的连接应用防反接即插即用的插接件，升级简便并能避免连接错误造成的风险。

为了能够对交流无刷同步发电机和负载进行有效保护，本发明所述自动电压调节器7及PMG控制模块8在励磁机定子6的励磁电压/电流超过设计保护值并达到预设保护时间时，自动电压调节器7关断输入励磁机定子6内的励磁电流；如超过额定励磁电压10s时，电压调节器7关断向励磁机定子6输出的励磁电流，保护发电机和负载不受损害。

励磁增强系统14接受自动电压调节器（AVR）7提供的负载状态控制信号，微处理器37根据负载状态控制稀土永磁发电机（PMG）向励磁绕组6输出合适的电流，以这种控制方式，可以在需要时，例如交流无刷同步发电机在启动电动机时，产生过载状态下，励磁增强系统14介入工作，从而使交流无刷同步发电机输出保持在额定正常的参数范围，在发电机有更重的负载下甚至短路状态下时，励磁增强系统14会提供更强的功率；同时励磁增强系统14具有保护功能，在输出强励时，微处理器37会检测负载状态有无改善，在过负载5s后如无法恢复到正常范围，励磁增强系统14会自动关闭输出，保护交流无刷同步发电机和负载。

如图2所示：为自励型发电机电性输出过载特性，其过载能力较差，没有短路能力，在90%的额定电压处，仅能提供1.8倍的过载电流，恢复性能较差。如图3所示：为本发明励磁增强系统14介入工作后交流无刷同步发电机的输出过载特性，可以看出，通过励磁增强系统14输出的电流值使得交流无刷同步发电机输出获得了3倍的短路能力，在90%额定电压下，也可以提供2.75倍的过载能力，满足了电动机等的启动及非线性的过载能力，恢复性能好。

本发明交流无刷同步发电机本体28与励磁增强系统14相配合，包括主机12、主机励磁组件13及模组化的励磁增强系统14，主机励磁组件13、励磁增强系统14、自动电压调节器7及PMG控制模块8均采用模块化结构，提高了生产效率，提高了产品升级的便捷性，联接方便；所述励磁增强系统14根据交流无刷同步发电机本体28的负载状态，与自动电压调节器7配合后调节励磁机定子6的励磁电流，以使得主机励磁组件13输出所需的励磁功率，以使得主机12在稳态运行、过载或重负荷等复杂负载状态时稳定输出所需的电压和功率；提高交流无刷同步发电机本体28工作的稳定性和精度等参数，扩大了发电机工作范围以适应不同用户的负载，降低了用户投资使用成本，结构紧凑，适应范围广，安全可靠。