用於渦輪電動機/發電機的功率調節系統的製作方法

2023-04-25 22:56:31

專利名稱：用於渦輪電動機/發電機的功率調節系統的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及電動機/發電機功率調節器，更具體體地涉及用於渦輪電動機/發電機的功率調節系統。
背景技術：
渦輪電動機/發電機(包括微型渦輪電動機/發電機)通常被用在發電應用中，如醫院、機場等的備用渦輪發電機。在序列號為6020713的美國專利(以後稱為′713號專利)中對這樣的渦輪電動機/發電機進行了描述，這裡將其全文引用為參考。′713號專利描述了公知的渦輪發電機，它包括一個具有多個間隔相等、極性交替並且圍繞轉子外圍的磁極的轉子部件，該轉子部件可以在具有多個繞組和極性交替的磁極的定子中旋轉。
為了啟動渦輪發電機，將電流提供給永磁發電機/電動機的定子線圈，以使永磁發電機/電動機作為電動機運行，由此使渦輪發電機的燃氣渦輪機加速。為了提供啟動功率，′713號專利包括一個通過電源整流器和開關逆變器與永久磁鐵的定子線圈耦合的電源。在這樣的加速過程中，按照正確的順序將火花和燃料引入燃燒室並且達到燃氣渦輪機自持條件。此時，將渦輪發電機與電源斷開，並且渦輪發電機作為外面負載的電源來運行。具體來說，在將開關逆變器重新配置為受控的60赫茲模式並且將供電整流器改變為與供電整流器不同的電源整流器之後，由渦輪發電機提供功率。
但是，由於包含兩個截然不同的整流器，因此，前述的′713號專利的渦輪發電機受到大型電氣部件佔位面積(footprint)的損害。
在序列號為5008801的美國專利(以後稱為′801號專利)中對用於渦輪發電機的另一種功率調節系統進行了描述，這裡將其全文引用為參考。′801號專利公開了一種通過逆變器和單獨的組合整流器/濾波器，從外部電源給定子線圈提供啟動功率的功率調節系統。對於需要給負載提供中點輸出端的情況，′801號專利利用一個輸出自耦變壓器來生成中點。由於包含單獨的自耦變壓器，′801號專利的功率調節系統也要受到大型電氣部件佔位面積的損害並且由於變壓器而使效率下降。

發明內容
按照本發明的一個實施例，提供了一種備有與電動機/發電機埠電氣耦合的整流器以及與整流器和負載埠電氣耦合的逆變器的電動機/發電機功率調節器。在啟動模式中，組合的整流器和逆變器給電動機/發電機埠提供啟動功率。在運行模式中，組合的整流器和逆變器將產生的功率提供給負載埠並且生成中點輸出端。
按照本發明的另一個實施例，提供了一種對電動機/發電機進行控制的方法，包括通過與逆變器電氣耦合的整流器給電動機/發電機提供啟動功率，通過整流器和逆變器對從電動機/發電機產生的功率進行調節，並且在對產生的功率進行調節的同時，通過組合的整流器和逆變器生成中點輸出端。
按照本發明的另一個實施例，提供了一種具有用於給電動機/發電機提供啟動功率的裝置、用於對電動機/發電機產生的功率進行調節的裝置以及用於從對產生的功率進行調節的裝置的輸出中生成中點輸出端的裝置的電動機/發電機功率調節器。
按照本發明的另一個實施例，提供了一種具有與電動機/發電機埠電氣耦合的三腿有源整流器、與負載埠電氣耦合的四腿逆變器、將整流器與逆變器電氣耦合的雙向DC功率總線以及與逆變器的一個腿耦合的中點輸出端的電動機/發電機功率調節器。


圖1為按照本發明一個實施例的功率調節系統的框圖。
圖2為按照本發明一個實施例的開關器件和二極體的放大圖。
圖3為按照本發明一個實施例的，在運行模式中的圖1的功率調節系統的框圖。
圖4為按照本發明一個實施例的，在啟動模式中的圖1的功率調節系統的框圖。
圖5為按照本發明另一個實施例的，在啟動模式中的功率調節系統的框圖。
具體實施例方式
以下將對本發明當前的優選實施例進行介紹。只要可能，將在涉及的相同或者相似部分的所有附圖中使用相同的參考數字。
僅為了進行說明，將參照渦輪電動機/發電機(即，利用渦輪原動機的電動機/發電機)對本發明的優選實施例進行描述。但是，應該理解，還可以將本發明應用於除了簡單的渦輪電動機/發電機以外的更多的設備，如柴油機發電設備(即，利用柴油機作為原動機的電動機/發電機)。
在圖1的示意圖中示出了按照本發明第一實施例的功率調節系統100。如圖所示，功率調節系統100包括與渦輪電動機/發電機120電氣耦合的整流器110。整流器110還與逆變器130電氣耦合，逆變器130又與負載埠140電氣耦合。最好，可以將負載埠140有選擇地與用於提供啟動功率的外部電源(例如，沒有示出的電力網)耦合，還可以有選擇地與一個或多個電氣負載耦合。
如圖1所示，整流器110最好包括有源整流器(即，除了已知的無源二極體整流器以外還包括一次側有源元件)。對於三相電源的應用，整流器110被配置為「三腿」有源整流器，整流器110的每個腿112、114和116與由電動機120產生的/提供給發電機120的三相中的一相對應。但是，應該理解，對於三相輸入以外的電源的應用，可以增加更多的腿或者減少為更少的腿(例如，兩個腿、四個腿的應用等)。如圖2的放大圖所示，整流器110的每個腿112、114、116包括多個開關器件210(例如，一對雙絕緣柵雙極性電晶體(IGBT))，按照公知的方式，將多個開關器件210中的每一個與相應的二極體220並聯電氣耦合。
與有源整流器110相似，逆變器130最好也包括有源逆變器130(圖1)。逆變器130的每個腿132、134、136和138包括多個開關器件210(例如，一對FET)，按照公知的與整流器110相同的方式，將多個開關器件210中的每一個與相應的二極體220並聯電氣耦合。但是，與整流器110不同，逆變器130最好包括一個「四腿」有源逆變器130(或者比用於除了三相輸出以外的應用的整流器110多一個腿)。具體來說，有源逆變器130的三個腿134、136、138中的每一個與輸出到負載埠140的三相中的一相對應。此外，對應於由組合的整流器110/逆變器130生成的中點輸出端150，提供第四個腿132。這個中點輸出端150可以稱為生成的中點。
應該理解，儘管示出了只有兩級的整流器110和逆變器130(即，每個腿僅有兩個串聯的開關器件210)，但是，可以在例如高壓發電的場合使用多於兩級的多級變換。
在圖3所示的運行模式期間，整流器110將由渦輪電動機/發電機120提供的交流(AC)功率轉換為直流(DC)功率。通過雙向DC功率總線160將DC功率提供給逆變器130。DC總線電容器162位於雙向DC功率總線160之間，對提供給逆變器130的電壓進行濾波。
在運行模式期間，逆變器130將整流器110提供的DC功率轉換為60赫茲的AC功率。僅為了進行說明，將運行模式期間通過功率調節器100的單相功率流標為310(圖3)。然後，最好在利用輸出濾波器170進行濾波之後，通過負載埠140將60赫茲的AC功率輸出到負載。按照公知的方式，通過以固定的60赫茲的速率使逆變器130導通和關斷，進行DC到AC功率的變換。由輸出濾波器170對組合整流器110/逆變器130提供的生成中點150進行濾波，以消除任何由於切換而感應的電流衝擊。通過直接從組合整流器110/逆變器130提供生成中點，可以省略附加變壓器或者其它附加部件。
如圖4所示，在啟動模式中，圖1的整流器110和逆變器130的作用相反。僅為了進行說明，將在啟動模式中通過功率調節器100的單相功率流標為410。應該理解，如前面參照圖1所描述的，圖4所示的整流器420和逆變器430分別與逆變器130和整流器110對應。為了進行說明，圖4分別將前者的整流器110和逆變器130重新標為逆變器430和整流器420，以便與它們在啟動模式中的「交換的」功能相對應。
優選地，在啟動模式期間，將AC功率提供給整流器420(對應於運行模式的逆變器130)，整流器420將AC功率變換為DC功率。通過雙向DC功率總線160將DC功率提供給逆變器430(對應於運行模式的整流器110)。由控制單元(沒有示出)對逆變器430進行控制，在適當的控制規則下(例如，按照固定的壓頻比)將AC功率提供給渦輪電動機/發電機120的電樞繞組。控制單元逐漸增加逆變器430(的切換速率和)產生的基波頻率，按照公知的方式使渦輪電動機/發電機120加速到一定速度。一旦渦輪電動機/發電機120達到運行速度，則使逆變器430與整流器420反轉，按照前述的運行模式運行。
如上所述，本發明的優選實施例提供了一種在已知的渦輪功率調節系統之上具有減少了的佔位面積的可反轉的或者可重新配置的渦輪功率調節系統100。由此，減少了渦輪功率調節系統100的製造和維護成本。
但是，應該理解，在不需要使用單獨的啟動器電路的情況下，本發明的優選實施例還為啟動而進行發電。單獨的啟動電路通常被用於單獨產生一個通常大於電源電壓的可變電壓，用於如對渦輪電動機/發電機進行啟動的應用。
通過消除單獨的啟動電路，本發明的優選實施例還可以減少渦輪功率調節系統的佔位面積，並且由此實現了相應地減少渦輪功率調節系統的成本和複雜程度。即使對於本發明來說不需要單獨的啟動電路，但應該理解，根據具體實施情況，如果需要，也可以將單獨的啟動電路與本發明的實施例結合起來使用。
除了上述的使佔位面積減少了以外，本發明人還發現，可以對上述的渦輪功率調節系統100的功率因數進行調節，以便為給定的實施情況選擇需要的特定功率因數。一般來說，輸出的「功率因數」指的是輸出功率中有效功率與視在功率之比，例如，按照由Asea Power Systems在網際網路上公布的標題為「功率因數定義和應用」的TN-002號技術說明文稿所描述的，這裡將其全文引用為參考。當具有清楚的線性關係時，功率因數與電壓與電流之間的相位角有關。但是，當電壓與電流之間沒有明顯的相位關係時，或者當電壓和電流都採用任意值時，也可以對其進行定義。
功率因數是一個描述電流對負載中的有效功率貢獻多少的簡單方法。功率因數為一(一或者1.00)表示100％的電流給負載提供功率，而功率因數為零表示電流不給負載提供功率。通常，純電阻負載如加熱器元件的功率因數為一，通過它們的電流與加在它們兩邊的電壓成正比。通常，電容性和電感性(電動機)負載的功率因數為零，並且按照更複雜的方式對通過它們的電流進行定義。
可以認為AC線路中的電流包括兩個成分實數和虛數。實數部分產生被負載吸收的功率，而虛數部分是被反射回電源的功率，如在電流和電壓的極性相反的情況下，它們的乘積，即功率，是負的。
使功率因數儘可能接近於一很重要，其原因在於一旦將功率輸送給負載，就不希望其中的很多(如果有的話)返回電源。利用電流將功率傳送給負載，又利用電流將功率帶回到電源。因此，功率返回電源將引起效率下降。
本發明人還發現了上述的渦輪功率調節系統100允許通過對涉及整流器110和/或逆變器130的電流控制環進行控制，來對功率因數進行調節。有源整流器110能夠同時並且獨立地對DC總線160的電壓進行調節並且對輸入(發電機)電流的功率因數進行控制。例如，將q軸參考電流(Iqref)設置為100A，d軸參考電流(Idref)設置為50A，則會使整流器110吸收領先於整流器電壓的功率因數為0.89的輸入電流。相反，將Iqref設置為100A，Idref設置為0A，則會使整流器110吸收功率因數為1.0的發電機電流。在這兩種情況下，整流器110傳送給DC總線160的功率大小相等。優選地，將渦輪功率調節系統100的功率因數設置為大於或者等於0.95，以便使返回到渦輪電動機/發電機120的功率最小。但是，在某些情況下，如輕載或者進行無功補償時，有時需要低功率因數(例如，接近零)來維持整流器110的可控性或者提供領先的無功功率以幫助系統進行電壓調節。
由此，本發明的優選實施例允許電動機/發電機功率調節系統100的設計者當給特定的場合選擇功率因數時擁有較寬的範圍。這樣能夠提高功率調節系統的效率，和/或提供已知設備以前未能達到的功率因數範圍。
圖5的示意圖示出了按照本發明第二實施例的功率調節系統500。應該理解，在許多方面，這個第二實施例與本發明的第一實施例大致相似。但是，與第一實施例不同之處在於可以有選擇地將負載埠140與用於提供啟動功率的外部電源耦合，按照第二實施例的功率調節系統500包括耦合到DC總線160的啟動電源510(例如，電池、燃料電池等)。僅為了進行說明，將啟動模式中通過功率調節器500的單相功率流標為510。
在啟動模式期間，通過雙向DC功率總線160將來自啟動電源510的DC功率提供給逆變器430。然後，如前面所述，由控制單元(沒有示出)對逆變器430進行控制，按照固定的壓頻比將AC功率提供給渦輪電動機/發電機120的電樞繞組，並且使渦輪電動機/發電機120加速。由此，不需要由整流器410將來自負載埠140的AC功率變換為用於逆變器430的DC功率。
在運行模式期間，則可以利用來自渦輪電動機/發電機120的經過整流器110(圖1)整流的DC功率重新對啟動電源510進行充電(圖5)，通過在DC功率總線160上施加DC功率，可以對所提供的啟動電源510重新充電(例如，通過施加穩定的DC功率對電池重新充電)。在其它啟動電源510如燃料電池的應用中，可以使啟動電源510可選擇地與DC功率總線160脫離。
因此，上述的電動機/發電機功率調節系統500能夠為不便於將穩定的電源可選擇地耦合到負載埠140的應用提供啟動功率。例如，在野外環境中(例如，狂歡節、手工表演等)用於提供功率的微型渦輪電動機/發電機中可以發現這些情況。
為了示出和描述，已經給出了對本發明優選實施例的前面描述。不是意圖無遺漏或者將本發明限制在所披露的精確形式，根據上述教授的修改和變化是可能的，或者可以根據本發明的實踐獲得。為了說明本發明的原理及其實際應用，以使本領域技術人員能夠在各種實施例中利用本發明並且按照適合於預期的特定使用進行修改而選擇和描述的這些實施例。意圖是由所附權利要求來規定本發明的範圍以及它們的等價物。
權利要求
1.一種電動機/發電機功率調節器(100)，包括一個整流器(110)，與電動機/發電機埠(120)電氣耦合；以及一個逆變器(130)，與所述整流器(110)和負載埠(140)電氣耦合，其中，在啟動模式中，組合的整流器(110)和逆變器(130)給電動機/發電機埠(120)提供啟動功率，並且其中，在運行模式中，組合的整流器(110)和逆變器(130)將發出的功率提供給負載埠(140)並且生成中點輸出端(150)。
2.如權利要求1所述的電動機/發電機功率調節器，還包括一個DC功率總線(160)，使雙向功率流能夠將整流器(110)與逆變器(130)電氣耦合；以及一個總線電容器(162)，位於與DC功率總線(160)並聯的位置。
3.如權利要求2所述的電動機/發電機功率調節器，還包括一個與DC功率總線(160)耦合的啟動電源(510)，。
4.如權利要求1所述的電動機/發電機功率調節器，其中，所述整流器(110)包括一個有源整流器。
5.如權利要求4所述的電動機/發電機功率調節器，其中，所述整流器(110)包括一個三腿(112、114、116)整流器，該整流器包括多個開關器件(210)；以及多個二極體(220)，所述二極體(220)中的每一個被並聯地與各自相應的開關器件(210)電氣耦合。
6.如權利要求1所述的電動機/發電機功率調節器，還包括一個原動機，用於所述電動機/發電機。
7.一種對電動機/發電機進行控制的方法，包括如下步驟通過與逆變器(130)電氣耦合的整流器(110)給電動機/發電機提供啟動功率；通過所述整流器(110)和所述逆變器(130)對從電動機/發電機產生的功率進行調節；並且在對產生的功率進行調節同時，通過組合的整流器(110)和逆變器(130)生成中點輸出端(150)。
8.一種電動機/發電機功率調節器，包括用於給電動機/發電機提供啟動功率的裝置；用於對電動機/發電機產生的功率進行調節的裝置；以及用於從對產生的功率進行調節的裝置生成中點輸出端的裝置。
9.一種電動機/發電機功率調節器，包括一個三腿(112、114、116)有源整流器(110)，與電動機/發電機埠(120)電氣耦合；一個四腿(132、134、136、138)逆變器(130)，與負載埠(140)電氣耦合；一個雙向DC功率總線(160)，將所述整流器(110)與所述逆變器(130)電器耦合；以及一個中點輸出端(150)，與所述逆變器(130)的腿(132、134、136、138)中的一個(132)耦合。
10.如權利要求9所述的電動機/發電機功率調節器，其中，在啟動模式中，所述組合的整流器(110)和逆變器(130)給電動機/發電機埠(120)提供啟動功率，並且其中，在運行模式中，所述組合的整流器(110)和逆變器(130)給負載埠(140)提供產生的功率和用於中點輸出的中點(150)。
全文摘要
一種電動機/發電機功率調節器(100)，配備有一個與電動機/發電機埠(120)電氣耦合的整流器(110)和一個與整流器(110)和負載埠(140)電氣耦合的逆變器(130)。在啟動模式中，組合的整流器(110)和逆變器(130)給電動機/發電機埠(120)提供啟動功率。在運行模式中，組合的整流器(110)和逆變器(130)將產生的功率提供給負載埠(140)並且生成中點輸出端(150)。
文檔編號H02M7/48GK1494205SQ0315566
公開日2004年5月5日 申請日期2003年9月1日 優先權日2002年11月1日
發明者Z·葉, G·辛哈, L·J·加塞斯, Z 葉, 加塞斯 申請人:通用電氣公司