專利名稱：發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器功率電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機中的電壓調(diào)節(jié)，尤其是，涉及一種用于電壓調(diào)節(jié)器中的功率電路，以及由該電路實現(xiàn)的控制發(fā)電機電壓的方法。
控制一臺發(fā)電機的輸出電壓需要控制發(fā)電機的勵磁或勵磁機勵磁電流。由于某些應(yīng)用要求不同的功率強度，典型使用的是開關(guān)式調(diào)節(jié)器。1984年5月1日發(fā)布的美國專利第4，446，417號介紹了一種典型的用于飛機發(fā)電機的電壓調(diào)節(jié)器。在該專利所公開的調(diào)節(jié)器中，當正常運行時，把一個正的直流電壓加于發(fā)電機勵磁機勵磁繞組的一端，繞組的另一端接地，或者，通過一只開關(guān)晶體管接到正的直流電壓。開關(guān)晶體管經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制的占空比(dutycycle)控制勵磁機勵磁繞組兩端的平均電壓并從而控制勵磁機勵磁電流。該電流經(jīng)過檢測并被轉(zhuǎn)變成一個電流源信號，用以反饋到一個穩(wěn)定電路。
如果希望迅速地減小勵磁機勵磁電流，例如由于載荷的下降，正常的電流衰減(正比于電感/電阻時間常數(shù))是不夠的。采用強制反勵磁在勵磁繞組兩端加以相當大的反向電壓，從而迫使電流迅速下降。在上述專利的電路中，其強制反勵磁函數(shù)是非線性的。強制反勵磁電路的控制由一個獨立的控制回路來提供，該回路對輸出電流的大誤差作出響應(yīng)。在某些瞬變條件下，正常的調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制信號可能與強制反勵磁電路在發(fā)電機輸出的控制方面產(chǎn)生對抗。這種情形會造成瞬態(tài)響應(yīng)的降低。
本發(fā)明提供一種發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器功率級，它在實行強制反勵磁時不會與用于發(fā)電機輸出的正常調(diào)節(jié)的控制電路相對抗。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器功率電路包括一個將發(fā)電機勵磁機勵磁繞組與一個直流電源交替地接通或切斷的開關(guān)電路，和一個用于導(dǎo)通電流的放電電路，該電流是在勵磁機勵磁繞組被開關(guān)電路切斷之后由于繞組中的磁場消失所產(chǎn)生，并以相反的方向流過直流電源。一個驅(qū)動電路向開關(guān)回路發(fā)出一系列的導(dǎo)通脈沖。每一個導(dǎo)通脈沖響應(yīng)一個時鐘信號中的一個過渡過程而被觸發(fā)。而在勵磁機勵磁繞組中的電流達到某一預(yù)先規(guī)定的數(shù)值，或者當該時鐘信號中發(fā)生一個第二過渡過程時被終止。
在最佳實施方案中，開關(guān)電路包括一對在電路上與發(fā)電機勵磁機勵磁繞組作串聯(lián)連接的固態(tài)開關(guān)器件，而放電電路包括一對同樣在電路上與勵磁繞組作串聯(lián)連接的二極管。這些開關(guān)和二極管以半橋式功率級的方式連接，在開關(guān)被切斷時提供最大的強制勵磁。
本發(fā)明還包括由上述功率電路及該實施方案所實現(xiàn)的控制發(fā)電機電壓的方法。本發(fā)明的調(diào)節(jié)器功率電路對一個線性控制信號作出響應(yīng)，并提供最大的強制勵磁以致善瞬態(tài)響應(yīng)。它們還是容錯式的，并能提供內(nèi)在的勵磁機勵磁電流的限制。
通過參看描述上述實施方案的附圖，可以更充分地了解本發(fā)明，但這只是一個例子，其中

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種實施方案構(gòu)成的一個發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器功率電路的方框圖;
圖2A和2B是圖1的電壓調(diào)節(jié)器功率電路的原理圖;
圖3畫出了圖2A和2B的電路的輸出級的傳遞函數(shù);而圖4和5表達了圖2A和2B所示電路的工作情況的一系列波形。
參看這些圖，圖1是根據(jù)本發(fā)明實施方案發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器功率電路的方框圖。直流電源10提供了發(fā)電機主勵磁機勵磁繞組12所需的電功率。在一臺典型的發(fā)電機中，直流電源可能包括一臺永磁式發(fā)電機(它與主發(fā)電機的軸相耦合并一起被驅(qū)動)以及相應(yīng)的可見于以往技術(shù)設(shè)計中的整流及濾波元件。開關(guān)電路14把主勵磁機勵磁繞組連接到直流電源，并在該繞組兩端交替地施加正向和反向極性的電壓。主勵磁機勵磁繞組中的電流受到監(jiān)控，且一個與該電流成正比變化的信號通過線路16反饋到比較器18。將線性的電流指令信號提供給端子20，而比較器將這個電流指令信號與線路16中的電流表征信號相比較，從而在線路22中產(chǎn)生一個控制信號。脈沖發(fā)生器24產(chǎn)生一系列的導(dǎo)通脈沖，這些脈沖被驅(qū)動電路26用來控制開關(guān)電路14的運行。脈沖發(fā)生器應(yīng)用一個由時鐘電路28來的時鐘輸入信號控制脈沖的觸發(fā)，并應(yīng)用線路22中的控制信號來控制每一個脈沖的終止。
圖2A和2B是圖1的發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器功率電路的原理圖。圖中所示開關(guān)電路14包括一對采取晶體管Q1和Q2方式的固態(tài)開關(guān)器件以及一對二極管CR1和CR2。晶體管Q1在電路上連接于勵磁機勵磁繞組12的一端和直流電源的第一導(dǎo)線30之間。圖示晶體管Q2在電路上連接于勵磁機勵磁繞組的第二端和直流電源的第二導(dǎo)線32之間。二極管CR1被連接于勵磁機勵磁繞組的第二端和直流電源的第一導(dǎo)線之間，而二極管CR2被連接于勵磁繞組的第一端和電源的第二導(dǎo)線之間。在這個半橋式開關(guān)電路中，晶體管起開關(guān)裝置的作用，將勵磁機勵磁繞組與直流電源交替地接通或斷開，而二極管起放電裝置的作用，用以導(dǎo)通電流，該電流是在切斷勵磁機繞組與電源的聯(lián)系之后由該繞組中的磁場消失所產(chǎn)生的，它以相反的方向通過直流電源。在工作時，兩個晶體管同時被導(dǎo)通，改變晶體管的占空比，以便控制勵磁機勵磁繞組兩端的電壓，從而控制勵磁機勵磁繞組的電流。
回到圖2A和2B，當晶體管Q1和Q2大致上同時導(dǎo)通時，電源的全部直流輸出電壓VDC加于勵磁繞組的兩端。當晶體管Q1和Q2同時截止時，勵磁電流通過二極管CR1和CR2變換方向而返回電源，將全部負壓-VDC加于勵磁繞組上。合成的勵磁機勵磁電壓波形在+VDC與-VDC之間切換，其平均值取決于占空比，如圖3的傳遞函數(shù)所示。注意占空比低于50%時發(fā)生的負電壓輸出，只有在電流沿正方向流動時才得以維持。這樣一來，這個半橋式輸出電路產(chǎn)生了雙方向的輸出電壓，但僅產(chǎn)生單方向的輸出電流。這一特性并不限制該輸出級被用作一個電壓調(diào)節(jié)器的功率級。
包含有分流電阻R1、電阻R2和濾波電容器C1的網(wǎng)絡(luò)提供了產(chǎn)生一個電流表征信號的手段，該信號代表了當Q2導(dǎo)通時流入勵磁機勵磁繞組中的實際電流。
這一信號經(jīng)由線路16被饋入比較器回路18，這個比較器將它和加于端子20處的一個線性的電流指令信號相比較。比較器電路包括電阻R3、R4和R5;電容器C2和C3;穩(wěn)壓二極管CR3;和放大器U1。這些元件按圖中所示連接和工作，以便在線路22中產(chǎn)生一個控制信號，這個控制信號在電流表征信號超過了由端子20處的電流指令信號所確立的一個預(yù)先規(guī)定的數(shù)值時，由邏輯低電平轉(zhuǎn)變成邏輯高電平。
包括電阻R6、R7和R8;電容器C4、C5和C6;以及D型觸發(fā)器電路U2和U3的脈沖發(fā)生器電路24的連接如圖2A所示。該電路使用了來自時鐘28的時鐘信號以及線路22中的控制信號，以在線路34中產(chǎn)生一系列的脈沖。這些脈沖被用來導(dǎo)通驅(qū)動器U4，而驅(qū)動器U4直接導(dǎo)通晶體管Q2，并通過一個光隔離器U5和驅(qū)動器U6導(dǎo)通晶體管Q1。
包括二極管CR4和電容器C7和C8的一個自舉電源電路36為光隔離器U5和驅(qū)動器U6的輸出級提供電壓。位于晶體管Q1和Q2的柵極處的一對電磁干涉控制電路38和40對驅(qū)動電路輸出端處電壓相對于時間的變化率提供控制，以便最大限度地減少電磁干涉。電路38包含電阻R9、R10和R11;電容器C9和二極管CR5。電路40包含電阻R12、R13和R14;電容器C10;和二極管CR6。包含電阻R15、R16、電容器C11和二極管CR7的一個斜坡網(wǎng)絡(luò)42將一個斜坡信號加在分流電阻R1二端的電流表征信號上。這一做法為以大于50%的占空比工作的電流編程電路提供了所需的標準的斜率補償。
二極管CR8的作用是，當萬一控制電路發(fā)生故障時，通過將端子44接地使晶體管Q2截止。電阻R17限制通往光隔離器U5的發(fā)光二極管的電流。電阻R18提供一種手段來監(jiān)控在占空比指示終端46處的平均電壓。
現(xiàn)在可以參照圖4和5的計時波形圖來敘述圖2A和2B的電路的工作過程。功率級的開關(guān)是依靠脈沖發(fā)生電路中D型觸發(fā)器U2和U3所產(chǎn)生的電流程序邏輯來控制的。這個電路接收一個外部時鐘信號，該時鐘信號可能是固定頻率，或者當本發(fā)明被應(yīng)用于一個速度可變頻率恒定的系統(tǒng)中時，這個時鐘信號可以和一個反相器的切換模式同步，以便減少調(diào)制。時鐘頻率必須足夠高，以便保持勵磁機勵磁電流的低脈動。勵磁機繞組中的脈動電流取決于時鐘頻率、電源電壓(例如一臺經(jīng)過整流的永磁式發(fā)電機的輸出)和勵磁繞組的電感。
圖2A和2B的電路對端子20上的線性的電流指令信號作出響應(yīng)。先有技術(shù)的調(diào)節(jié)器功率級特別要求脈沖寬度調(diào)制輸入控制信號，它們在調(diào)節(jié)器的檢測及誤差放大部分存在極限性。本發(fā)明的線性響應(yīng)功率級使得在整個電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)計方面可以有更大的自由度。
參看圖4的計時波形圖，當時鐘信號CL經(jīng)歷一個由邏輯低到邏輯高電平的過渡過程時，一個開關(guān)周期在時間T0開始。這就將脈沖信號U3R提供給觸發(fā)器U3的復(fù)位輸入端，從而在需要的時候?qū)⑺鼜?fù)位。電阻R8和電容器C4以如下方式控制觸發(fā)器U2的復(fù)位端處信號U2R的上升時間，即觸發(fā)器U2在時間T1處復(fù)位，這個時間可能是，例如，在時間T0之后7秒鐘。觸發(fā)器U2的復(fù)位使得其Q端輸出U2Q升高，并定時控制觸發(fā)器U3，使觸發(fā)器U3的Q端輸出U3Q升高。這種初始復(fù)位和時間延遲確保了功率級在每一個周期中截止一個短時間，以便使自舉電源充電。
觸發(fā)器U3的輸出U3Q使驅(qū)動器U4導(dǎo)通，從而U4又使晶體管Q1和Q2導(dǎo)通。通過電阻R1的電流形成一個電流信號IQ2，這個電流信號包含了由網(wǎng)絡(luò)42提供的一個斜坡函數(shù)。當這個電流信號達到了某一個由端子20處的電流指令信號所確立的電壓閾值VTH時，比較器電路18的輸出U1out在時間T2處升高。這就使得觸發(fā)器電路U3復(fù)位并使脈沖在時間T3處終止。在時間T4處，時鐘信號回復(fù)到邏輯低電平。
如果通過勵磁機勵磁繞組的電流沒有達到程序規(guī)定的電平，則由脈沖發(fā)生器電路24所產(chǎn)生的控制脈沖在下一個時鐘脈沖開始時就被終止。這種情形被畫于圖5的計時波形圖中。在時間T5處，時鐘信號經(jīng)歷了一個由邏輯低到邏輯高電平的過渡過程。在這一點處，電流信號IQ2還未達到電壓閾值電平VTH。然而，時鐘信號的過渡過程將觸發(fā)器U3復(fù)位，從而將輸出脈沖U3Q在時間T5處終止。在經(jīng)過一個預(yù)先規(guī)定的延時之后，這個脈沖在時間T6處又再次被觸發(fā)。
在比較器的控制輸入處，穩(wěn)壓二極管CR3將到U1的輸入箝制在一個預(yù)先規(guī)定的最高電平上。由于圖2A和2B的電路具有線性響應(yīng)，這就是勵磁機勵磁電流提供了內(nèi)在的電流限制。這一特性減小了發(fā)電機的勵磁機因過大的勵磁電流而可能發(fā)生的過熱危險。
圖2A和2B的電路的響應(yīng)，沒有由于勵磁繞組的電感/電阻時間常數(shù)造成的內(nèi)在的延遲，在本質(zhì)上其轉(zhuǎn)換速率是被限定的。功率級響應(yīng)電流指令信號設(shè)計勵磁電流，以消除勵磁機勵磁時間常數(shù)。勵磁機勵磁電流反饋信號對于穩(wěn)定調(diào)節(jié)器并非必要。用于在端子20處產(chǎn)生信號的誤差放大器中的補償，僅僅對于旋轉(zhuǎn)磁場時間常數(shù)才有必要。
圖2A和2B的電路還是容錯式的。在晶體管Q1或Q2短路時，電路仍能繼續(xù)工作。這一條件僅僅使強制勵磁的特性被喪失，并導(dǎo)致載荷遷移瞬態(tài)響應(yīng)的降低。通過監(jiān)視占空比輸出端46處的平均電壓可以檢測出這些晶體管中任一個的失效。當正常工作時，其占空比大于50%，當一只晶體管短路時，其占空比變得小于50%。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)成的電路應(yīng)用一個線性響應(yīng)的功率級，它不需要脈沖寬度調(diào)制輸入信號。應(yīng)用電流設(shè)計程序來消除時間常數(shù)，用一個半橋式的輸出級結(jié)構(gòu)來最大限度地強化勵磁電流。容錯式的設(shè)計提供了在輸出端處的受控的dv/dt以及內(nèi)在的勵磁機勵磁電流限制。通過使時鐘信號與發(fā)電機的交流輸出同步，可以達到減少調(diào)制。
雖然本發(fā)明是根據(jù)目前最佳的實施方案進行敘述的，但是顯然，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，可能作出各種不同的變化而不離開本發(fā)明的范圍。因此，這些變化應(yīng)包括在所屬的權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器功率電路，包含用以連接或切斷發(fā)電機勵磁機勵磁繞組12到直流電源10之間的聯(lián)系的開關(guān)器件Q1，Q2，其特征在于還包括一種用于導(dǎo)通電流的放電裝置CR1，CR2，該電流是在上述勵磁機勵磁繞組被所述開關(guān)器件切斷之后由上述勵磁機繞組中磁場消失所產(chǎn)生的，并以相反的方向通過所述直流電源；以及用于用一系列的導(dǎo)通脈沖來驅(qū)動所述開關(guān)器件的裝置26，每一個導(dǎo)通脈沖響應(yīng)時鐘信號中由第一邏輯電平到第二邏輯電平的初始過渡過程而被觸發(fā)，并在所述勵磁機勵磁繞組中的電流達到一個預(yù)先規(guī)定的數(shù)值時，或者當該時鐘信號中發(fā)生一個由上述的第一邏輯電平到上述的第二邏輯電平的下一個過渡過程時被終止。
2.一種向發(fā)電機的勵磁機繞組提供勵磁電流的方法，所述方法包含以開關(guān)器件Q1，Q2接通或切斷一個發(fā)電機勵磁機勵磁繞組12到直流電源10之間的聯(lián)系的步驟，其特征在于包括下各步驟通過放電裝置CR1、CR2導(dǎo)通電流，該電流是在上述勵磁機勵磁繞組被上述開關(guān)器件切斷之后，由上述勵磁機繞組中的磁場消退所產(chǎn)生的，并以相反的方向通過所述直流電源;以及用一系列的導(dǎo)通脈沖驅(qū)動所述開關(guān)器件，每一個導(dǎo)通脈沖響應(yīng)時鐘信號中由第一邏輯電平到第二邏輯電平的初始過渡過程而被觸發(fā)，在所述勵磁機勵磁繞組中的電流達到一個預(yù)先規(guī)定的數(shù)值時，或者當該時鐘信號中發(fā)生一個由所述第一邏輯電平到第二邏輯電平的下一個過渡過程時被終止。
3.一個發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器功率電路，其特征在于一個第一固態(tài)開關(guān)器件Q1在電路上連接于一臺發(fā)電機的勵磁機勵磁繞組12的第一端與直流電源的第一導(dǎo)線30之間;一個第二固態(tài)開關(guān)器件Q2在電路上連接于所述勵磁機勵磁繞組的第二端和直流電源的第二導(dǎo)線32之間;一個第一二極管CR2在電路上連接于勵磁機勵磁繞組的所述第一端與所述直流電源的第二導(dǎo)線之間;一個第二二極管CR1在電路上連接于所述勵磁機勵磁繞組的第二端與所述直流電源的第一導(dǎo)線之間;以及裝置26大體上同時提供一系列導(dǎo)通脈沖給予第一和第二固態(tài)開關(guān)器件，每一個導(dǎo)通脈沖響應(yīng)時鐘信號中由第一邏輯電平到第二邏輯電平的初始的過渡過程被觸發(fā)，當勵磁機勵磁繞組中的電流達到一個預(yù)先規(guī)定的數(shù)值時，或者當該時鐘信號中發(fā)生一個由第一邏輯電平到第二邏輯電平的下一個過渡過程時被終止。
4.一種如權(quán)利要求3中所述的發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器，其進一步的特征在于在該調(diào)節(jié)器中，所述的提供導(dǎo)通脈沖的裝置包括裝置R1，用于產(chǎn)生一個電流表征信號，該信號代表流入所述勵磁機勵磁繞組中的實際電流;裝置18，用于將所述電流表征信號與代表所需的勵磁機勵磁電流的一個電流指令信號相比較，以及用于當所述電流表征信號值超過一個相應(yīng)于所述電流指令信號的閾值時產(chǎn)生一個控制信號;裝置24，用于產(chǎn)生所述一系列導(dǎo)通脈沖，每一個脈沖在所述時鐘信號中起始的一個由第一邏輯電平到第二邏輯電平的過渡過程之后，經(jīng)過一個預(yù)先規(guī)定的時間被觸發(fā)，而響應(yīng)所述控制信號，或者響應(yīng)所述時鐘信號中由第一邏輯電平到第二邏輯電平的所述下一個過渡過程被終止;以及裝置26，用以驅(qū)動所述第一和第二固態(tài)開關(guān)器件，作為對上述導(dǎo)通脈沖的響應(yīng)。
5.一種向發(fā)電機的勵磁機勵磁繞組提供勵磁電流的方法，其特征在于包括如下各步驟將第一固態(tài)開關(guān)器件Q1在電路上連接于發(fā)電機的勵磁機勵磁繞組12的第一端與直流電源的第一導(dǎo)線30之間;把第二固態(tài)開關(guān)器件Q2在電路上連接于所述勵磁機勵磁繞組的第二端與直流電源的第二導(dǎo)線34之間;將第一二極管CR2在電路上連接于所述勵磁機勵磁繞組的第一端與所述直流電源的第二導(dǎo)線之間;將第二二極管CR1在電路上連接于所述勵磁機勵磁繞組的第二端與直流電源的第一導(dǎo)線之間;以及大致上同時地向第一和第二固態(tài)開關(guān)器件提供一系列的導(dǎo)通脈沖，每一個導(dǎo)通脈沖響應(yīng)時鐘信號中由第一邏輯電平到第二邏輯電平的一個初始的過渡過程被觸發(fā)，而在所述勵磁機勵磁繞組中的電流達到一個預(yù)先規(guī)定值時，或者當所述時鐘信號中發(fā)生由第一邏輯電平到第二邏輯電平的下一個過渡過程時被終止。
6.一種如權(quán)利要求5中所述的向發(fā)電機的勵磁機繞組提供勵磁電流的方法，其特征在于提供一系列導(dǎo)通脈沖的步驟包含如下各個步驟產(chǎn)生一個電流表征信號，它代表流入所述勵磁機勵磁繞組中的實際電流;將所述電流表征信號與一個代表所需勵磁機勵磁電流的電流指令信號相比較;當所述的電流表征信號值超過相應(yīng)于上述電流指令信號的一個閾值時，產(chǎn)生一個控制信號;產(chǎn)生所述一系列導(dǎo)通脈沖，每一個脈沖在所述時鐘信號中起始的一個由上述第一邏輯電平到上述第二邏輯電平的過渡過程之后的一個預(yù)先規(guī)定的時間被觸發(fā)，而響應(yīng)所述控制信號，或者響應(yīng)所述時鐘信號中由第一邏輯電平到第二邏輯電平的下一個過渡過程被終止;以及驅(qū)動所述第一和第二固態(tài)開關(guān)器件，作為對上述導(dǎo)通脈沖的響應(yīng)。
全文摘要
一種發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)器電路，具有一開關(guān)電路，用以接通或切斷發(fā)電機勵磁機勵磁繞組12與直流電源10之間的聯(lián)系；放電電路CR1、CR2，用以導(dǎo)通在勵磁機繞組被開關(guān)電路14切斷后由繞組中磁場消退所產(chǎn)生的電流，該電流以相反方向通過直流電源；驅(qū)動電路26，用一系列導(dǎo)通脈沖控制開關(guān)電路，各導(dǎo)通脈沖響應(yīng)時鐘信號中的一個過渡過程被觸發(fā)，在勵磁繞組中的電流達到一預(yù)定數(shù)值，或當時鐘信號中發(fā)生第二過渡過程時被終止。
文檔編號H02P9/10GK1043837SQ89105839
公開日1990年7月11日 申請日期1989年12月28日 優(yōu)先權(quán)日1988年12月29日
發(fā)明者大衛(wèi)·阿蘭·?？怂?申請人:西屋電氣公司