專利名稱：可變速恒頻起動器/發(fā)電機系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到可變速恒頻(VSCF)電力系統(tǒng)，特別是涉及到提供起動器和發(fā)電機二者功能這樣的系統(tǒng)。
在航空發(fā)電系統(tǒng)中，希望有一個提供起動器和發(fā)電機二者功能的單獨的系統(tǒng)。當(dāng)去掉專用的起動器時，減少飛機上的重量是很重要的。因此，能提供引擎起動功能的電力系統(tǒng)，就能夠節(jié)省費用且減輕重量。
可變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)一般用于航空應(yīng)用場合。一種型式VSCF系統(tǒng)包括一個可變速發(fā)電機，該發(fā)電機向一對直流連接導(dǎo)體提供直流功率。一個逆變器電路接收來自連接導(dǎo)體的直流功率，且產(chǎn)生恒頻交流輸出。直流連接可變速恒頻系統(tǒng)已建立了其固有的簡單及可靠性，且希望對目前的設(shè)計改型，以提供起動器的功能。
當(dāng)VSCF電力系統(tǒng)作為一個引擎起動器運行時，電功率變換器經(jīng)過電力接觸器進行切換，則它從一條實用功率母線得到其輸入功率，且將功率輸送到又作為一臺馬達運行的發(fā)電機。該電子變換器典型地包括一個三相整流器和一個直一交流逆變器。該整流器從線路接收功率，且將其饋送給逆變器。于是從實用母線得到的功率具有三相全波整流器電路特性。正如所知，這個整流器的電流有高的諧波含量，即20%第五次諧波;14%第七次諧波;9%第十一次諧波;8%第十三次諧波等等。
一種適當(dāng)設(shè)計的濾波器可以加到系統(tǒng)中，該系統(tǒng)將諧波電流減小到可接受的水平;但是，這樣一個濾波器將必須將其實際重量加給系統(tǒng)，因為它必須根據(jù)最低的諧波(20%第五次諧波)設(shè)計。例如，一個60/75KVA系統(tǒng)需要一個重要約30磅，或約為全部發(fā)電機系統(tǒng)重量的三分之一的濾波器。一臺大濾波器的另一個缺點是它對該系統(tǒng)呈現(xiàn)導(dǎo)前的功率因數(shù)。如果由一個傳統(tǒng)的恒速發(fā)電機(如一個地面電力車)給飛機供電，則這樣大的導(dǎo)前功率因數(shù)的負載將使發(fā)電機自激，達到最高電壓，且破壞該電力系統(tǒng)。這種方法是不實用的。
因此就希望設(shè)計一種VSCF起動器/發(fā)電機系統(tǒng)，在系統(tǒng)中所要求的起動器濾波器的尺寸能夠減小。
本發(fā)明提供了一種可變速恒頻起動器/發(fā)電機系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一臺在電氣上連到一條多相母線的電機;一對連到一對直流連接導(dǎo)體的多相整流器;以及一個逆變器，用來將連接導(dǎo)體上的直流電壓變換成第二條多相母線上的浮空(floating)多相交流電壓。設(shè)置了一個變壓器，當(dāng)該系統(tǒng)以發(fā)電模式運行時，用于將第二母線上的浮空多相交流電壓轉(zhuǎn)換成對地參考(ground-referenced)多相交流電壓;且當(dāng)該系統(tǒng)以起動器模式運行時，用于將外部供給的多相交流電壓轉(zhuǎn)換成一對移相的三相電壓。設(shè)置有切換設(shè)備，用于選擇交替地連接電機功率母線;對于電機的發(fā)電機運行，將其連到至少一個多相整流器;且對于電機的起動器運行，將其連接到第二條多相母線。另外設(shè)置了切換設(shè)備，用于選擇交替地連接變壓器;對于電機的發(fā)電機運行，將其連到第二條多相母線;或?qū)τ陔姍C的起動器運行，將兩個移相的三相電壓連到整流器。
本發(fā)明還包括一種操作上述可變速恒頻起動器/發(fā)電機系統(tǒng)的方法。利用一對多相整流器與一對移相的多相電壓結(jié)合，以在起動器運行期間提供直流連接電壓，所需的起動器濾波器的尺寸明顯減小。
從以下對其較佳實施例的敘述將會使本發(fā)明更易于明了，附圖中僅以舉例方式示出實施例，其中

圖1和2是可以按照本發(fā)明構(gòu)成的VSCF起動器/發(fā)電機系統(tǒng)的方框圖;
圖3和4是本發(fā)明另外實施例的示意圖;
圖5是表示在一個典型的構(gòu)成中性點變壓器上呈現(xiàn)的電壓的向量圖;
圖6、7、8和9是表示在已改型用于該發(fā)明的起動器/發(fā)電機系統(tǒng)中的構(gòu)成中性點變壓器上呈現(xiàn)的電壓向量圖。
參考附圖。圖1和2是可以按照本發(fā)明構(gòu)成的VSCF起動器/發(fā)電機系統(tǒng)的方框圖。在每一個附圖中，功率流動的方向由粗線表示。圖1中，該系統(tǒng)以發(fā)電模式運行。一臺電機10，例如可以是一臺同步發(fā)電機，由一臺外部原動機(未示出，如一臺飛機引擎)驅(qū)動。第一條多相功率母線12連到該電機10，此母線經(jīng)由導(dǎo)體14連到一個多相橋式整流器16。這樣就在一對直流連接導(dǎo)體18上產(chǎn)生直流電壓。一個逆變器20將該連接導(dǎo)體上的直流電壓轉(zhuǎn)換為在第二條多相功率母線22上的恒頻交流電壓。在母線22上的浮空電壓連到一個濾波器26和一個構(gòu)成中性點的變壓器28，將其轉(zhuǎn)變?yōu)閷Φ貐⒖冀涣鬏敵鲭妷?。一個起動器濾波器30被接觸器32的觸點旁路，以使對地參考交流電壓輸送到負載34。
圖2描述再構(gòu)形的圖1的系統(tǒng)，以按起動器模式運行。圖2中，一個外部電源(例如可以是一條實用母線或一個地面電力車)連接到起動器濾波器30，并輸送到構(gòu)成中性點變壓器28。接觸器14將構(gòu)成中性點變壓器的輸出切換到整流器16，以產(chǎn)生直流連接電壓;該電壓由逆變器20轉(zhuǎn)換成線22上的可控頻率交流輸出電壓，這可按已知技術(shù)(如美國第4574340號專利所述)進行。接觸器24用于將第二條多相功率母線22連到第一條多相功率母線12，所以電機10作為一個馬達而被驅(qū)動，以用作為一臺連帶的引擎(未示出)的起動器。
眾所周知，如果用于產(chǎn)生直流連接電壓的整流器從典型的六脈動結(jié)構(gòu)改變?yōu)槭}動的結(jié)構(gòu)，則起動器濾波器30的諧波分量及重量將大大下降。這是因為十二脈動整流器的諧波分量以第十一次諧波開始。諧波分配將是第十一次諧波9%;第十三次諧波8%;第二十三次諧波4%;第十五次諧波4%等等。降低這些諧波所需的濾波器將比六脈動整流器所需的濾波器尺寸小得多。由于該濾波器較小，對于外部電源中發(fā)電機自激來說導(dǎo)前的功率因數(shù)，不是一個問題。為了完成這一點，用在本發(fā)明中的整流器需要十二個二極管，而不是在目前典型的VSCF變換器整流器組件中采用的六個二極管。十二脈動整流器由二個由分開的三相電壓供電的傳統(tǒng)的六脈動整流器組成。這兩組三相電壓互相相移30度。于是就需要一個三相對六相的移相變壓器，以實現(xiàn)十二脈動的整流器系統(tǒng)。為實現(xiàn)這個功能所用的變壓器重量增加仍過大，且使系統(tǒng)比六脈動濾波的途徑并不輕。
由于目前的VSCF系統(tǒng)包括一臺構(gòu)成中性點變壓器，本發(fā)明就提供了一種方法，即能夠?qū)⒃撟儔浩鞲男?，以按照起動器的運行模式需要，提供在二組三相電壓之間所要求的30度相位移。這樣就形成一個諧波輸入電流較低的起動器系統(tǒng)，從而就降低了所需起動器濾波器的尺寸和重量。由于加入本發(fā)明起動器功能而帶來的在VSCF發(fā)電機系統(tǒng)中重量的增加，被由于從引擎中去掉傳統(tǒng)用的起動器實現(xiàn)的重量下降補償還有余。
圖3為按照本發(fā)明一個實施例構(gòu)成的VSCF起動器/發(fā)電機系統(tǒng)的示意圖。在這個實施例中，電機10電氣連到包括導(dǎo)體38、40和42的第一條多相功率母線12。這條功率母線上的電壓由第一個三相橋式整流器44整流，以在一對直流連接導(dǎo)體46和48上產(chǎn)生直流電壓。一個濾波電容器50跨接在該二直流連接導(dǎo)體上。逆變器20按已知技術(shù)運行，以在包括導(dǎo)體52，54和56的第二條多相功率母線25上產(chǎn)生恒頻交流輸出。三相開關(guān)58可以是一個接觸器的觸點，它用于選擇交替地在發(fā)電機運行期間將第二條功率母線切到濾波器26，或在起動器運行期間將其切換到第一條功率母線。構(gòu)成中性點變壓器28包括第一組Y形連接的線圈60、62和64，用于將第二條功率母線上的浮空交流電壓轉(zhuǎn)換為對地參考電壓;還包括第二組中心抽頭線圈66、68和70。在發(fā)電運行模式期間，第二多頭開關(guān)72(例如可以是一個接觸器的觸點)用于將變壓器28的Y形連接線圈連接到第二條功率母線25。
在起動器運行期間，外部的三相電壓施加到線74、76和78上，且開關(guān)72動作，將線圈66、68和70的中心抽頭分別連到線圈60、62和64的一端。變壓器28是這樣繞制的在線80、82和84上產(chǎn)生第一組三相電壓;在線86、88和90上產(chǎn)生第二組三相電壓;第二組對第一組電壓有30度電角度相移。第一組移相電壓由橋式整流器92整流，而第二組移相的電壓由整流器94整流。橋式整流器92和94在電氣上都連到相間的變壓器96和98，以在直流連接導(dǎo)體46和48上產(chǎn)生十二脈動的整流直流電壓。開關(guān)58動作，將逆變器20的輸出連到電機10，以使該電機能夠作為一臺起動器運行。
圖4是本發(fā)明另一實施例的示意圖。如圖3一樣，所有開關(guān)都表示為發(fā)電機運行所需的位置。圖4的系統(tǒng)提供一個不同的切換布置，以省掉圖3系統(tǒng)所需要的幾個橋式整流器中的一個。在圖4的系統(tǒng)中，第一組和第二組開關(guān)100和102，用于在發(fā)電機運行期間將橋式整流器92和94連到第一條功率母線12，或在起動器運行期間將其連到在線80、82、84、86、88和90上的兩組移相的三相電壓上。變壓器28′繞制成，使得中心抽頭線圈66、68和70分別永久地連到Y(jié)型連接線圈60、62和64的一端。開關(guān)104用于在發(fā)電機運行期間將濾波器26的輸出連到變壓器28′。當(dāng)圖4所有開關(guān)被操作到其另一位置時，就能用線74、76和78上外部施加的三相電壓，將電機10作為一個起動馬達進行驅(qū)動。
圖5是描述如何繞制一個典型的直流連接VSCF構(gòu)成中性點變壓器的向量圖。該圖描述了一個所謂“鋸齒(zig-zag)”變壓器通用的設(shè)計，因為它的繞組之間耦合得特別好，于是阻抗低。該向量圖表示作用到中性點電壓的線以實踐向量106、108和110表示，而在六個繞組其每一個上的電壓以虛線向量A、-A、B、-B、C和-C表示。要注意，平行的箭頭(虛線)為繞在變壓器鐵心的相同柱上，所以需要并采用三柱鐵芯。
圖6是表示通過增加中心抽頭繞組112、114和116將圖5的構(gòu)成中性點變壓器改型的一個方法的向量圖。注意，這些新向量也平行于圖5中原有的鋸齒向量。因此，增加的繞組能置于原有的三柱鐵心上。
圖7表示對構(gòu)成中性點變壓器改型的最終電壓向量。第一組三相電壓80′、82′和84′呈現(xiàn)于圖3和4的線80、82和84上，而第二組三相交流電壓86′、88′和90′位于圖3和4的線86、88和90上。注意，所要求的兩組移相的三相電壓向量示于施加的電壓向量106、108和110的兩側(cè)，且增加的繞組尺寸要精確地確定，以提供所要求的對應(yīng)于施加的電壓移相±15度。還要注意，由于移相變壓器是中心供電，在兩個移相繞組上的阻抗是對稱的。這是十二脈動整流器應(yīng)用中必需的特性。
圖8和9是表示也可以用于本發(fā)明系統(tǒng)中的交流變壓器繞組結(jié)構(gòu)的向量圖。在圖8中，向量118、120和112描述了與電壓124-136總加施加的電壓，以產(chǎn)生第一組移相電壓138、140和142，以及第二組移相電壓144、146和148。圖9表示與圖8同樣的變壓器的另一種連接，以達到相同效果。
盡管對目前認為的較佳實施例進行了敘述，但很明顯，對那些技術(shù)熟練的人員可以作出各種變化，而不脫離本發(fā)明的范圍。因此意在使附加的權(quán)利要求書包括這些變化。
權(quán)利要求
1.一種可變速恒頻起動器/發(fā)電機系統(tǒng)，它包括一臺電機10，該電機10電氣連到第一條多相母線12；第一多相整流器92；一對直流連接導(dǎo)體46、48；以及用來將上述直流連接導(dǎo)體上的直流電壓轉(zhuǎn)換成在第二條多相母線25的浮空多相交流電壓的逆變器20；其特征在于第二個多相整流器94；電氣上將上述第一個和第二個多相整流器連到上述直流連接導(dǎo)體的裝置96、98；一個將上述第二條多相母線上浮空的多相交流電壓轉(zhuǎn)換成對地參考的多相交流電壓，且將外部施加的三相交流電壓轉(zhuǎn)換成一對移相的三相電壓的變壓器28′；用于對上述電機的發(fā)電機運行可選擇交替地將上述第一條多相母線連到至少上述多相整流器中的一個，或?qū)ι鲜鲭姍C的起動器運行將上述第一條多相母線連到上述第二條多相母線的裝置58、100、102；以及對于上述電機的發(fā)電機運行可選擇交替地將上述變壓器連到上述第二條多相母線，或?qū)ι鲜鲭姍C的起動器運行將第一個上述移相的三相電壓連到上述第一個多相整流器，且將第二個上述移相的三相電壓連到上述第二個多相整流器的裝置104、100、102。
2.如權(quán)利要求1所述的一種起動器/發(fā)電機系統(tǒng)，其進一步特征在于上述變壓器包括一個包括三個Y形連接線圈60、62、64的主繞組;及一個包括多個中心抽頭線圈66、68、70的輔助繞組，其每個線圈都有一個中心抽頭，在上述電機的起動器運行期間，與上述主繞組中的一個線圈的一端相連。
3.一個可變速恒頻起動器/發(fā)電機系統(tǒng)包括一臺電氣上連到第一條多相母線12的電機10;一對直流連接導(dǎo)體46、48;電氣上連接在上述第一條多相母線和上述成對直流連接導(dǎo)體之間的第一多相整流器44;以及用來將上述直流連接導(dǎo)體上的直流電壓轉(zhuǎn)換成第二條多相母線25上浮空多相交流電壓的逆變器20;其特征在于第二個多相整流器92;第三個多相整流器94;電氣上將上述第二個和第三個多相整流器連接到上述直流連接導(dǎo)體上的裝置96、98;用于將上述第二條多相母線上的上述浮空的多相交流電壓轉(zhuǎn)換成對地參考多相交流電壓，并用于將外部供給的三相交流電壓轉(zhuǎn)換成一對移相的三相電壓的變壓器28;用于對上述電機的起動器運行電氣上將上述第一條多相母線連接到上述第二條多相母線的裝置58;以及對上述電機的發(fā)電機運行可選擇交替地將上述變壓器連到上述第二條多相母線，或?qū)ι鲜鲭姍C的起動器運行將第一個上述移相的三相電壓連到上述第二個多相整流器，以及將第二個上述移相的三相電壓連到上述第三個多相整流器上的裝置72。
4.如權(quán)利要求3所述的一種起動器/發(fā)電機系統(tǒng)，其進一步特征在于上述變壓器包括一個包括三個Y形連接線圈60、62、64的主繞組;以及一個包括多個中心抽頭線圈66、68、70，其每個線圈都有一個中心抽頭，在上述電機的起動器運行期間連到一個上述主繞組線圈一端的輔助繞組。
5.一種操作一個可變速恒頻起動器/發(fā)電機系統(tǒng)的方法包括的步驟為將一臺電機10連接到第一條多相母線12;電氣上將第一個多相整流器92連到一對直流連接導(dǎo)體46、48;以及將上述直流連接導(dǎo)體上的直流電壓轉(zhuǎn)換成第二條多相母線25上浮空的多相交流電壓，其特征在于其步驟為電氣上將第二個多相整流器94連接到上述直流連接導(dǎo)體;使用變壓器28′，將上述第二條多相母線上的上述浮空的多相交流電壓轉(zhuǎn)換成對地參考多相交流電壓，并將外部供給的三相交流電壓轉(zhuǎn)換成一對移相的三相電壓;對上述電機的發(fā)電機運行可選擇交替地將上述第一條多相母線連到至少上述多相整流器中的一個，或?qū)ι鲜鲭姍C的起動器運行將上述第一條多相母線連接到上述第二條多相母線;以及對上述電機的發(fā)電機運行可選擇交替地將上述變壓器連到上述第二條多相母線，或?qū)ι鲜鲭姍C的起動器運行將第一個上述移相的三相電壓連到上述第一個多相整流器，且將第二個上述移相的三相電壓連接到上述第二個多相整流器。
6.一種操作一個可變速恒頻起動器/發(fā)電機系統(tǒng)的方法包括的步驟為將一臺電機10連接到第一條多相母線12;電氣上將第一個多相整流器44連接在上述第一條多相母線和一對直流連接導(dǎo)體之間;以及將上述直流連接導(dǎo)體上的直流電壓轉(zhuǎn)換成第二條多相母線25上的浮空的多相交流電壓;其特征在于其步驟在十二脈動結(jié)構(gòu)中，電氣上將第二和第三個多相整流器92、94連接到上述一對直流連接導(dǎo)體46、48;使用變壓器28，將上述第二條多相母線上的上述浮空的多相交流電壓轉(zhuǎn)換成對地參考多相交流電壓，且將外部供給的三相交流電壓轉(zhuǎn)換成一對移相的三相電壓;對上述電機的起動器運行將上述第一條多相母線連到上述第二條多相母線;且對上述電機的發(fā)電機運行可選擇交替地將上述變壓器連到上述第二條多相母線，或?qū)ι鲜鲭姍C的起動器運行將第一個上述移相的三相電壓連到上述第二個多相整流器，且將第二個上述移相的三相電壓連到上述第三個多相整流器。
7.操作一個起動器/發(fā)電機系統(tǒng)的方法，對發(fā)電運行模式包括的步驟為a.將一個來自外部驅(qū)動的可變速電機10的多相可變頻率交流輸出電壓整流，以產(chǎn)生第一直流電壓;b.使用一個逆變器20，將上述第一直流電壓轉(zhuǎn)換成浮空的三相恒頻交流電壓;c.將上述浮空的三相恒頻交流電壓連到一個構(gòu)成中性點變壓器28的三相Y形連接繞組，以產(chǎn)生一個對地參考三相交流輸出電壓;且d.將上述對地參考三相交流輸出電壓供到外部負載;以及對起動運行模式，其步驟為a.將一個外部三相交流電壓供至上述構(gòu)成中性點變壓器Y形連接繞組，且其特征在于其步驟為b.使用上述構(gòu)成中性點變壓器的附加繞組66、68、70，從上述構(gòu)成中性點變壓器產(chǎn)生一個六相交流輸出電壓;c.將上述六相交流輸出電壓整流，以產(chǎn)生第二直流電壓;d.使用上述逆變器，將上述第二直流電壓轉(zhuǎn)換成可控頻率交流電壓，以及e.用上述可控頻率交流電壓驅(qū)動上述電機。
8.如權(quán)利要求7的一種操作一個起動器/發(fā)電機系統(tǒng)的方法，其進一步特征為上述步驟使用上述構(gòu)成中性點變壓器的附加繞組，以從上述構(gòu)成中性點變壓器產(chǎn)生六相交流輸出電壓，上述步驟包括的步驟為將上述附加繞組中三個線圈66、68、70之每一個的中心抽頭點連到上述Y形連接繞組中三個線圈60、62、64之每一個的第一端。
全文摘要
可變速恒頻起動器/發(fā)電機系統(tǒng)設(shè)有電氣連接到多相母線的電機，及在連接導(dǎo)體上產(chǎn)生直流電壓的成對的多相整流器。逆變器將直流電壓轉(zhuǎn)換成浮空交流電壓，進而由變壓器轉(zhuǎn)換成對地參考交流電壓。在發(fā)電機運行時，電機的輸出電壓被整流器整流，產(chǎn)生直流電壓，又由逆變器轉(zhuǎn)換成恒頻交流電壓。在起動器運行時，變壓器將外部電壓轉(zhuǎn)換成一對移相的交流電壓，又經(jīng)成對的多相整流器整流，在連接導(dǎo)體上產(chǎn)生十二脈動整流直流電壓。降低了外電源供給電流諧波含量。
文檔編號F02N11/04GK1044368SQ8910965
公開日1990年8月1日 申請日期1989年12月31日 優(yōu)先權(quán)日1989年1月1日
發(fā)明者多納爾·尤金·貝克, 杰克·沃倫·奧格登 申請人:西屋電氣公司