CN1266306A - 电源设备 - Google Patents

Abstract

一种电源设备,根据负载条件控制供给接到电源设备上的负载电流。双向离子变频器正和负变换器接三相发电机的三相输出绕组,以反向平行相互连接,产生负载单相交流电流。触发角控制装置使正负变换器交替开关,在单相交流电流每半个重复周期内工作,使双向离子变频器产生单相交流电流。所需波形成电路形成输入触发角控制装置驱动信号的所需波形,使触发角控制装置驱动正负变换器,输出单相交流电流具有所需的交流电流波形。幅值控制电路根据负载的变化改变所需波形,稳定双向离子变频器输出电压。幅值限制电路在双向离子变频器输出电压等于或低于预定值时把所需波形幅值限制为更低值。

Description

电源设备

本发明涉及一种电源设备，产生具有工频或类似频率的单相AC功率，特别是涉及这种类型的电源设备，其使用具有连接到一个较小功率发电机上的输入边的双向离子变频器(cycloconverter)，并且当电源设备处于一个过载状态下或者负载处于几乎短路状态下时，限制提供给连接在电源设备上的负载的电流。

在现有技术中，所谓双向离子变频器是公知的，其直接把具有固定频率的AC功率变换为具有另一个频率的AC功率。

作为一种现有的双向离子变频器，一般被用于变换由工频电力线所供给的功率或者由大功率发电机(例如，见日本专利公报(Kokoku)No.60-9429)所产生的功率，并且一般被用于驱动一台AC电动机。

在使用上述双向离子变频器的现有电源设备中，双向离子变频器不设置用于储能的装置。因而，当使用双向离子变频器来获得单相正弦交流电流时，输入给双向离子变频器的电能也是正弦变化的。

因此，当产生几百至几千kW的小功率的小型发电机被连接到该双向离子变频器的输入侧以产生单相正弦波时，仅有输入正弦波的峰值部分能够作为输入能量使用，从而使利用效率非常低，导致仅有非常小的输出功率作为单相交流电流产生。

为了消除该缺陷，本受让人已经提出了日本专利公开公报(Kokai)No.10-52047的电源设备，其中，当加到电源设备上的负载上升时，用于驱动双向离子变频器的一个驱动信号的所希望的波形从正弦波形变为矩形波形，该矩形波形具有受到电源设备的输出电压所限制的最大幅值，由此即使在过载被加到电源设备上时，也能没有困难地确保双向离子变频器的工作。

但是，该现有的电源设备适合于在对应于所加过载程度的过载条件下向所连接的负载提供电流，由此，即使当不需要给负载提供电流时，根据负载条件，电源设备连续给负载提供电流。不需要给负载提供电流的负载条件包括例如接近于负载短路的过载条件(包括短路状态)。当负载处于这样的条件下时，不需要连续地向负载提供足够的电流量。

本发明的一个目的是提供一种电源设备，能够以与负载的条件相关的灵活方式来控制提供给连接在电源设备上的负载的电流。

为了实现上述目的，本发明提供一种电源设备，包括：

一个具有三相输出绕组的发电机；

一对可变控制桥式电路，连接到发电机的三相输出绕组上并且以反向并联的方式相互连接以形成一个用于产生提供给负载的单相交流电流的双向离子变频器；

一个桥式驱动电路，用于使可变控制桥式电路交替开关以便于在单相交流电流输出的一个重复周期中的每半个周期中工作，由此使该双向离子变频器产生单相交流电流输出；

所需波形成装置，用于形成输入给桥式驱动电路的驱动信号的波形，用于使驱动桥式电路驱动可变控制桥式电路，以使单相交流电流具有所需的交流电流波形；

波形改变装置，用于根据负载中的变化而改变所需波形的形状，以便于稳定双向离子变频器的输出电压；以及

幅值限制装置，用于当双向离子变频器的输出电压变为等于或者低于一个预定值时把所需波形的幅值限制为一个较小的值。

根据本发明的电源设备，当电源设备瞬时过载时，能够改变所需波的形状，由此来自电源设备的输出能够自动地提高到接近于来自发电机的全部输入能量的上限的值上，并且，在电源设备的一个进一步过载条件下，把所需波的幅值限制为适当的较小的值，以使能够根据电源设备的负载条件而灵活地控制提供给负载的电流。

最好，电源设备包括比较装置，用于比较双向离子变频器的输出电压和所需输出电压；以及波形改变装置，用于根据比较装置的比较结果，当负载上升时，把所需波形的形状从正弦波变为矩形波。

更好，波形改变装置在负载上升时对应于上升的程度把所需波形的形状从正弦波变为矩形波。

更好，当负载变为几乎短路时，幅值限制装置把所需波形的幅值限制为一个适当的较小值上。

本发明的这些和其他的目的、优点及特征将通过结合附图对本发明的实施例的描述而得到进一步说明。在这些附图中：

图1是示意性地表示根据本发明的一个实施例的电源设备的结构的方框图；

图2A是图1中出现的AC发电机的横截面图；

图2B是图1中出现的AC发电机的纵截面图；

图3表示三相全波桥式整流器的结构的电路图；

图4是一个示意图，以举例的方式，表示当每个晶体管的触发角被控制在120°至-60°的范围中时，用于控制图1中出现的晶体管的触发角而发生的基准锯齿波；

图5A至5C是表示在各个不同负载条件下由图1的所发出的50Hz输出的波形的例子的示意图；

图6A是表示当所需波的幅值未被限制时所呈现的所需波最大幅值-输出电压特性的一个例子的示意图；

图6B是表示当所需波的幅值未被限制时所呈现的输出电压-输出电流特性的一个例子的示意图；

图7A是表示当所需波的幅值被限制在一个预定的过载条件下时所呈现的所需波最大幅值-输出电压特性的一个例子的示意图；

图7B是表示当所需波的幅值被限制在一个预定的过载条件下时所呈现的输出电压-输出电流特性的一个例子的示意图；

图8A是表示当所需波的幅值在负载接近于短路的情况下被进一步限制时所呈现的所需波最大幅值-输出电压特性的一个例子的示意图；

图8B是表示当所需波的幅值在负载接近于短路的情况下被进一步限制时所呈现的输出电压-输出电流特性的一个例子的示意图。

下面结合附图所示的实施例来详细说明本发明。

图1表示根据本发明的一个实施例的电源设备的一个完整布置。

在图1中，标号1和2分别代表围绕一个AC发电机的定子而独立绕制的输出绕组，即，标号1表示三相主输出绕组(主线圈)和标号2表示三相辅助输出绕组(副绕组)。

图2A和图2B分别以纵截面和横截面表示AC发电机的结构。三相主线圈1由在区域A1内形成21极的线圈组成，三相副绕组2由在区域A2内形成三极的线圈组成。转子R由具有八对磁极的永磁体组成，并且由未图示的内燃机所驱动而旋转。

参照图1，三相主线圈1具有三个输出端U，V和W，它们连接在一个双向离子变频器CC的每个正和负变换器BC1和BC2的各自输入端U，V和W上。双向离子变频器CC具有一个连接到一个LC滤波器3上的输出侧，该LC滤波器3用于去掉来自双向离子变频器CC的输出电流的高次谐波成分。LC滤波器3的一个输出侧连接在一个输出电压检测电路5上，用于检测来自LC滤波器3的被去掉了高次谐波成分的输出电流的电压。输出电压检测电路5具有一个连接在电源设备的控制系统的接地GND上的负输入端，由此从输出电压检测电路5的正输入端和其负输入端获得一个单相输出。

输出电压检测电路5具有一个连接到近似有效值计算电路8上的输出侧，该近似有效值计算电路8用于计算来自电路5的输出电压的近似有效值。电路8具有一个连接在比较器9的负输入端上的输出侧。连接在比较器9的正输入端上的是基准电压发生电路10，用于给电源设备发生一个基准输出电压值。比较器9还具有一个连接到控制函数计算电路11上的输出侧，该控制函数计算电路11根据比较器9的比较结果来计算一个控制函数，例如线形函数。

控制函数计算电路11具有连接到一个幅值控制电路12上的输出侧，该幅值控制电路12控制来自所连接的正弦振荡器13的具有50Hz或者60Hz的工频的正弦波的幅值。进而，连接到幅值控制电路12上的还有幅值限制电路20的输出侧，该幅值限制电路20用于根据有近似有效值计算电路8所计算的输出电压的近似有效值来限制正弦波的幅值。

幅值控制电路12发生一个幅值控制信号，用于根据来自控制函数计算电路11的控制函数和来自幅值限制电路20的幅值限制信号(限制值)来控制来自正弦振荡器13的正弦波的幅值。

幅值控制电路12具有一个连接到所需波形成电路14上的输出侧，该所需波形成电路14响应于来自电路12的幅值控制信号而产生一个所需要的波。所需波形成电路14具有一个连接到触发角控制装置15上的输出侧，该触发角控制装置15用于控制构成双向离子变频器CC的每个晶体管SCRk±的栅极的触发角，该输出侧也连接到比较器16正输入端上。

触发角控制装置15包括一个正栅极控制装置15a，用于控制正变换器BC1的晶体管SCRk+的栅极(下面称为“正栅极”)的触发角；一个负栅极控制装置15b，用于控制负变换器BC2的晶体管SCRk-的栅极(下面称为“负栅极”)的触发角。

正栅极控制装置15a和负栅极控制装置15b都具有六个比较器，未表示，每个比较器把所需波与一个合成信号(基准锯齿波)进行比较，参见下述内容，并且当两个波相互符合时，触发一个对应的栅极。

比较器16具有一个连接到输出电压检测电路5的输出侧上的负输入端和一个连接到正栅极控制装置15a和负栅极控制装置15b上的输出端。比较器16把来自输出电压检测电路5的输出电压同所需波进行比较，根据比较的结果，有选择地产生一个高(H)电平信号或者一个低(L)电平信号。

当H电平信号来自比较器16时，正栅极控制装置15a被启动，而负栅极控制装置15b被禁止。另一方面，当L电平信号来自比较器16时，正栅极控制装置15a被禁止，而负栅极控制装置15b被启动。

三相副绕组2的输出侧被连接到一个合成信号形成电路18上，例如，该合成信号形成电路18可以由图3所示的的三相全波桥式整流器FR所组成。合成信号形成电路18响应于来自三相副绕组2的三相输出而形成并发出图4所示的锯齿波。

图4表示能够把晶体管SCRk±的栅极的触发角控制在120°至-60°的范围内作为控制触发角范围的锯齿波的例子。

合成信号形成电路18具有连接到正栅极控制装置15a和负栅极控制装置15b上的输出侧。合成信号形成电路18与正和负栅极控制装置15a，15b之间的连接线都由六个信号线组成，这些信号线连接到每个栅极控制装置15a，15b的六个比较器中各自对应的那个上，用于给它们提供图4所示的各自的锯齿波。

正栅极控制装置15a的六个比较器具有连接到正变换器BC1的晶体管SCRk+的各自对应的那个的栅极上的输出侧，而负栅极控制装置15b的六个比较器具有连接到负变换器BC2的晶体管SCRk-的各自对应的那个的栅极上的输出侧。

虽然在本实施例中，合成信号形成电路18这样构成：其响应于来自三相副绕组2的三相输出而形成合成信号(基准锯齿波)，但并不仅限于此，可以使用一个单相副绕组代替三相副绕组2来响应于单相输出而形成合成信号(基准锯齿波)。

接着，将描述上述构成的电源设备的工作。

当转子R由发动机驱动而旋转时，如上述那样，在三相主线圈1的三相输出端之间产生电压。接着，当每个晶体管SCRk±的栅极被触发角控制装置15所触发时，双向离子变频器CC发出电流，并且，滤波器3从该电流中去掉高次谐波成分。输出电压检测电路5检测电流的电压。近似有效值计算电路8根据这样检测的电压来计算电压的近似有效值，并且发生一个代表所计算的近似有效值的信号。

比较器9把该近似有效值同由基准电压发生电路10所发出的基准电压值进行比较，并且控制函数计算电路11根据比较的结果来计算控制函数(线形函数)以发出所计算的函数。特别是，控制函数计算电路11计算线形函数，以便于当来自比较器9的输出上升时，线形函数的比例系数(比例常数)也上升，即，来自基准电压发生电路10的基准电压值与来自近似有效值计算电路8的近似有效值之差较大。

输出电压的近似有效值也提供给幅值限制电路20，其根据近似有效值发出限制值。

幅值控制电路12产生一个控制信号，用于根据来自控制函数计算电路11的控制函数和来自幅值限制电路20的限制值来控制由正弦振荡器13所发出的50Hz或60Hz的正弦波的幅值，并且所需波形成电路14根据该控制信号产生所需波(正弦波)并输出其。给来自所需波形成电路14的输出或控制信号提供预定的上限值和下限值，并且，所需波形成电路14这样构成：以使其不能产生高于预定上限值或者低于预定下限值的一个电压值。即，当来自比较器9的输出值上升而使来自控制函数计算电路11的线形函数的比例系数上升时，来自所需波形成电路14的所需波的形状从正弦波变为矩形波。

比较器16把来自所需波形成电路14的所需波同由来自输出电压检测电路5的所检测的波进行比较。并且当其模样在电压上大于后者时，由比较器16给正栅极控制装置15a发出一个高(H)电平信号，以使其启动，而当其模样在电压上小于后者时，由比较器16给负栅极控制装置15b发出一个低(L)电平信号，以使其启动。

选择的正栅极控制装置15a和负栅极控制装置15b的一个的比较器把来自所需波形成电路14的所需波同来自合成信号形成电路18的相应的锯齿波进行每个比较。当所需波适合于锯齿波或者同其相交时，由触发角控制装置15给对应的晶体管SCRk±的栅极发出一个具有预定波长的一次脉冲，由此来控制其触发角。

图5A至5C表示由本实施例的电源设备所产生的50Hz的输出波形的例子。图5A表示当电源设备处于空载条件下时所产生的输出波形，图5B表示当电源设备处于额定负载条件下时所产生的输出波形，图5C表示当电源设备处于过载条件下时所产生的输出波形。

如在这些附图中所示的那样，当过载被瞬态地加到电源设备上时，双向离子变频器的输出波形根据所加过载的程度而从正弦波变为矩形波，即，该程度为来自基准电压发生电路10的基准电压与来自近似有效值计算电路8的近似有效值之差。

虽然在本实施例中，所需波的形状根据负载条件而从正弦波变为矩形波，但并不仅限于此，当电源设备构成为其输出电压受到最大幅值的限制时，可以根据负载条件而提高所需波的幅值。

图6A和6B表示了当所需波的幅值没有限制时所呈现的所需波最大幅值-输出电压特性(图6A)和输出电压-输出电流特性(图6B)的例子。图7A和7B表示当所需波的幅值被限制在该电源设备的一个预定的过载条件下时所呈现的所需波最大幅值-输出电压特性(图7A)和输出电压-输出电流特性(图7B)的一个例子。图8A和8B表示当所需波的幅值在负载接近于短路的情况下被进一步限制时所呈现的所需波最大幅值-输出电压特性(图8A)和输出电压-输出电流特性(图8B)的一个例子。在图6A至8B中，“rms”代表有效值(均方根)。

当所需波的幅值象图6A和6B那样没有限制时，根据电源设备的负载条件来产生图5A和5B所示的输出波形。

另一方面，在图7A的情况下，所需波的幅值(最大幅值)开始被限制(特别是，限制值开始被限制)，如图7A所示的那样，以使其对应于输出电压而线性减小，在一个时间点上，电源设备处于过载条件下，例如，当输出电压(即由近似有效值计算电路8所计算的近似有效值)减小到80V。由此，输出波形的幅值被限制成：其小于图5C所示的波形。结果，如图7B所示的那样，在输出电压减小到80V之后，输出电流中的上升量比在所需波的幅值没有限制(见图6B)的情况下时更急剧地减小。

图8A和8B表示了在预定过载条件下所需波的幅值被限制的情况，与图7A和7B所示的例子的情况相同，并且当负载接近短路时，进一步被限制。如图8A所示的那样，当所需波的幅值被进一步限制时，在一个时间上，负载变为接近短路，例如，当输出电压减小到30V时，其输出波形的幅值进一步减小，在输出电压减小到30V之后，输出电流中的上升量比输出电压在30V至80V之间(见图7B)时更急剧地减小。

虽然在上述实施例中，当负载变为接近于短路时，所需波的幅值被进一步限制，而输出电流仍然上升(上升量逐渐地降低)，并不仅限于此，当负载变为接近于短路时，所需波的幅值也可以被限制，以使输出电流的量减少到比以前更低的值上。

Claims (4)

1.一种电源设备，包括：

一个具有三相输出绕组的发电机；

一对可变控制桥式电路，连接到所述发电机的所述三相输出绕组上并且以反向并联的方式相互连接以形成一个用于产生提供给负载的单相交流电流的双向离子变频器；

一个桥式驱动电路，用于使所述可变控制桥式电路交替开关以便于在所述单相交流电流输出的一个重复周期中的每半个周期中工作，由此使所述双向离子变频器产生所述单相交流电流输出；

所需波形成装置，用于形成输入给所述桥式驱动电路的驱动信号的波形，用于使所述驱动桥式电路驱动所述可变控制桥式电路，以使所述输出的单相交流电流具有所需的交流电流波形；

波形改变装置，用于根据所述负载中的变化而改变所述所需波形的形状，以便于稳定所述双向离子变频器的输出电压；以及

幅值限制装置，用于当所述双向离子变频器的所述输出电压变为等于或者低于一个预定值时把所述所需波形的幅值限制为一个较小的值。

2.根据权利要求1的电源设备，包括：

比较装置，用于比较所述双向离子变频器的所述输出电压和所述所需输出电压；以及

其中所述波形改变装置，根据所述比较装置的比较结果，当所述负载上升时，把所述所需波形的形状从正弦波变为矩形波。

3.根据权利要求2的电源设备，其中，所述波形改变装置在所述负载上升时对应于上升的程度把所述所需波形的所述形状从所述正弦波变为所述矩形波。

4.根据权利要求2的电源设备，其中，当所述负载变为几乎短路时，所述幅值限制装置把所述所需波形的所述幅值限制为一个更加小的值上。

Images