專利名稱：用于渦輪/交流發(fā)電機(jī)的共軸電氣系統(tǒng)的制作方法
背景技術(shù)：
燃?xì)鉁u輪必須在燃料噴射和點(diǎn)燃之前由輔助裝置驅(qū)動(dòng)成以啟動(dòng)速度旋轉(zhuǎn)，然后自持運(yùn)作。以前，例如，已經(jīng)用輔助電動(dòng)或壓縮空氣電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪箱系統(tǒng)使渦輪旋轉(zhuǎn)，并達(dá)到啟動(dòng)速度?！皻狻眲?dòng)力啟動(dòng)系統(tǒng)也用于小型渦輪，并通過(guò)把氣流，尤其是空氣對(duì)準(zhǔn)到渦輪或壓縮輪中使主轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)來(lái)操作。這些已有的系統(tǒng)很復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)。
可以利用燃?xì)鉁u輪驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)來(lái)產(chǎn)生電力。交流發(fā)電機(jī)可以由自由渦輪來(lái)驅(qū)動(dòng)，自由渦輪耦接到交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子上，或者穿過(guò)齒輪箱。在這些系統(tǒng)中，必須精確地控制渦輪的速度，以把交流電流的輸出保持在所需頻率和電壓上。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，把具有永磁轉(zhuǎn)子的交流發(fā)電機(jī)連接到主渦輪轉(zhuǎn)子上，以便可以啟動(dòng)渦輪并產(chǎn)生電力。這里描述的電氣系統(tǒng)可以使轉(zhuǎn)子以各種速度工作，而與轉(zhuǎn)子速度的輸出頻率和電壓無(wú)關(guān)。該電氣系統(tǒng)獨(dú)特地引入了逆變器，在啟動(dòng)模式工作下以及在功率產(chǎn)生模式工作下都能輸出適當(dāng)?shù)碾妷汉皖l率。
電氣系統(tǒng)用于在啟動(dòng)模式期間使渦輪旋轉(zhuǎn)，然后在渦輪達(dá)到其正常工作狀態(tài)時(shí)，從交流發(fā)電機(jī)中取出電力。在啟動(dòng)時(shí)，交流發(fā)電機(jī)起到電動(dòng)機(jī)的作用。電氣系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)的作用包含電力升壓、電力轉(zhuǎn)換和控制，以向交流發(fā)電機(jī)提供例如三相交流電力。頻率和電壓都是作為時(shí)間和轉(zhuǎn)速的函數(shù)來(lái)控制的。在啟動(dòng)期間從直流源(例如電池)或者從交流電源之一獲得電氣系統(tǒng)的電力。根據(jù)轉(zhuǎn)子位置反饋，啟動(dòng)電路可以起到開環(huán)控制系統(tǒng)或者閉環(huán)控制系統(tǒng)的作用。
當(dāng)通過(guò)控制燃料和空氣的燃燒而提供能力，使渦輪在極高速旋轉(zhuǎn)時(shí)接近正常工作條件時(shí)，用于初始時(shí)把交流發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)成電動(dòng)機(jī)的電路自動(dòng)被重新配置成從交流發(fā)電機(jī)接收能量。接著，可以從電氣系統(tǒng)取出所希望電壓和頻率的三相電。
簡(jiǎn)言之，根據(jù)本發(fā)明，渦輪/交流發(fā)電機(jī)的電氣系統(tǒng)包含燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪和共軸旋轉(zhuǎn)的交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)具有永磁轉(zhuǎn)子和定子繞組。定子電路連接到定子繞組上。直流匯流線向逆變電路提供電力。逆變電路的輸出連接到交流輸出電路上或者通過(guò)第一接觸器連接到定子電路上。整流器連接在定子電路與直流匯流線之間。信號(hào)發(fā)生器由從共軸旋轉(zhuǎn)取得的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，開環(huán)波形發(fā)生器產(chǎn)生與共軸旋轉(zhuǎn)無(wú)關(guān)的波形。第二接觸器把信號(hào)發(fā)生器或開環(huán)波形發(fā)生器之一連接到使逆變電路轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)器上。臨時(shí)電源向直流匯流線提供電力。在啟動(dòng)模式期間，控制電路把第一接觸器轉(zhuǎn)換成把逆變電路連接到定子電路上，把第二接觸器轉(zhuǎn)換成把信號(hào)發(fā)生器連接到驅(qū)動(dòng)器(更佳地為一脈寬調(diào)制器)上。在電力輸出模式期間，控制電路把第一接觸器轉(zhuǎn)換成使逆變器從定子電路上斷開，把第二接觸器轉(zhuǎn)換成把開環(huán)波形發(fā)生器連接到驅(qū)動(dòng)器上。在啟動(dòng)期間，交流發(fā)電機(jī)起到電動(dòng)機(jī)的作用，以把渦輪的速度提高到安全點(diǎn)火速度。逆變器用于響應(yīng)于信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)對(duì)定子繞組進(jìn)行整流。在電力輸出模式期間，逆變器用于把交流發(fā)電機(jī)的整流輸出轉(zhuǎn)換成交流信號(hào)，響應(yīng)于開環(huán)波形發(fā)生器加到交流輸出電路上，從而產(chǎn)生頻率與交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的電力。
根據(jù)較佳實(shí)施例，渦輪/交流發(fā)電機(jī)的電氣系統(tǒng)包含燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪和共軸旋轉(zhuǎn)的交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)由永磁轉(zhuǎn)子和定子繞組組成。定子繞組通過(guò)接觸器連接到逆變電路上。逆變電路連接到直流匯流線上。逆變電路還連接到信號(hào)發(fā)生器上。一位置編碼器連接到渦輪/交流發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸上。其輸出端也連接到信號(hào)發(fā)生器上。逆變器處理直流匯流線電壓和信號(hào)發(fā)生器的輸出，產(chǎn)生三相交流輸出電壓。信號(hào)發(fā)生器控制逆變器的輸出頻率。同時(shí)，可變電壓直流電源把隨時(shí)間變化的電壓加到直流匯流線上。直流匯流線電壓控制逆變輸出電壓電平。因此，逆變器的輸出頻率和電壓都是可以全面控制的。在啟動(dòng)模式期間，逆變器的輸出通過(guò)接觸器加到起到電動(dòng)機(jī)作用的交流發(fā)電機(jī)上。當(dāng)啟動(dòng)模式開始時(shí)，直流電源電壓開始從0伏斜向上升。信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率被設(shè)置在固定的低頻上。當(dāng)直流匯流線電壓開始增加時(shí)，交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子開始以低速旋轉(zhuǎn)。編碼器檢測(cè)軸的位置變化，并把該信號(hào)發(fā)送給信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器處理該信息，并開始作為發(fā)動(dòng)機(jī)速度的函數(shù)提高其輸出頻率。該頻率的增加直接引入到逆變器，用于控制逆變器輸出電壓的頻率。這一控制過(guò)程產(chǎn)生了隨時(shí)間變化的逆變器輸出，其頻率和電壓通過(guò)接觸器加到交流發(fā)電機(jī)上。因此，交流逆變器起到電動(dòng)機(jī)的作用，把渦輪軸的速度加速到適宜點(diǎn)火的值上。一旦渦輪達(dá)到其正常的工作速度，可變電壓電源就被去除。而且，軸位置編碼器信號(hào)也與信號(hào)發(fā)生器斷開，由精確的固定時(shí)基信號(hào)代替。接著，整流交流發(fā)電機(jī)的交流輸出電壓，把得到的直流輸出電壓加到直流匯流線上。這種重新配置可以使逆這器工作成與渦輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的固定頻率的電力輸出源。在電力輸出模式時(shí)，逆變器通過(guò)輸出濾波器提供電力。然后把經(jīng)濾波的輸出電力連接到接觸器上，接觸器把它接到一組端子上，供消費(fèi)使用?？刂葡到y(tǒng)綜合了在操作啟動(dòng)和功率輸出模式期間的逆變器、電源、信號(hào)發(fā)生器和接觸器的操作。在操作的功率輸出模式期間，控制系統(tǒng)連續(xù)地測(cè)量逆變器的輸出電壓，并把信號(hào)送往信號(hào)發(fā)生器，以補(bǔ)償由于輸出負(fù)載條件變化引起的輸出電壓波動(dòng)。
根據(jù)較佳實(shí)施例，信號(hào)發(fā)生器是脈寬調(diào)器。一般地，交流發(fā)電機(jī)的定子繞組是三相繞組，逆變電路和交流電路是三相電路。
根據(jù)較佳實(shí)施例，電氣系統(tǒng)包含電池供電電路，它包括電池和零升壓逆變電路，向直流匯流線輸出0與逆變器需要的電壓之間的電壓，為交流發(fā)電機(jī)提供電力，使之達(dá)到安全點(diǎn)火速度。根據(jù)另一個(gè)較佳電路，電池供電電路包含降壓電路，對(duì)電池重新充電，以及在輸出模式期間，由直流匯流線為低電壓電器(例如電扇和泵等)供電。
附圖概述通過(guò)下面參照附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的進(jìn)一步特征和其它目的以及優(yōu)點(diǎn)將變得更明顯。


圖1是電氣系統(tǒng)與燃?xì)鉁u輪/交流發(fā)電機(jī)總體關(guān)系的示意圖；圖2在啟動(dòng)模式期間向交流發(fā)電機(jī)提供電力以及在電力輸出模式期間向負(fù)載傳送產(chǎn)生的電力的電氣系統(tǒng)的示意圖；圖3示意地示出了把交流發(fā)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)換成在直流匯流線上直流電壓的整流電路；圖4a和4b示意地示出了逆變電路，它由6個(gè)IGBT開關(guān)組成，用于在啟動(dòng)模式期間向交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換電流，在電力輸出模式期間提供三相輸出；圖5示意地示出了逆變電路的開環(huán)波形發(fā)生器和閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器；圖6示出了升壓/降壓斬波器，適用于在啟動(dòng)模式期間用電池電力向直流匯流線提供電力，并且在電力輸出模式期間由直流匯流線向電池充電；以及圖7示意地示出了包括渦輪傳感器和渦輪控制器的整個(gè)電氣系統(tǒng)。
本發(fā)明的實(shí)施方式圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的電氣控制系統(tǒng)1與包含燃?xì)鉁u輪2與交流發(fā)電機(jī)3的電力發(fā)生系統(tǒng)之間的關(guān)系。交流發(fā)電機(jī)的電樞安裝在與渦輪軸共軸的軸上。電氣控制系統(tǒng)與電力發(fā)生系統(tǒng)共同作用提供啟動(dòng)電力、發(fā)動(dòng)機(jī)控制、信號(hào)處理、電池充電、用戶接口以及產(chǎn)生用戶電力的功率轉(zhuǎn)換和控制。獨(dú)立和連線操作都較容易。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，示出了根據(jù)本發(fā)明的渦輪發(fā)生器的電力電路的一般結(jié)構(gòu)。渦輪10由共用軸12連接到永磁(稀土釤鈷)交流發(fā)電機(jī)11上。定子利用高質(zhì)量、低損耗的電工硅鋼片疊層制成。該疊層包含三相分布繞組，繞在12個(gè)定子槽中，并具有一個(gè)外殼，用油來(lái)冷卻。交流發(fā)電機(jī)的性能與冷卻的效果有關(guān)。在當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例中，四極永磁轉(zhuǎn)子的大小如下有效長(zhǎng)度3.55英寸；在磁鐵下直徑1.00英寸；直徑超過(guò)1.430英寸；磁鐵重量0.70磅；轉(zhuǎn)子重量1.95磅。
交流發(fā)電機(jī)的三相定子繞組由交流匯流線14連接到整流器15上。整流器的輸出端連接到直流匯流線16上。在電力發(fā)生期間，即，在渦輪驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)時(shí)的電力輸出模式期間，交流匯流線的三相輸出由整流器進(jìn)行整流，在直流匯流線上提供直流電力。直流電力加到逆變器17上。在電力輸出模式期間，逆變器17轉(zhuǎn)換直流電力，提供頻率與交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的三相輸出。該頻率受到系統(tǒng)控制器18的信號(hào)的控制。電感器19和電容器20對(duì)逆變器輸出進(jìn)行濾波。經(jīng)濾波的三相輸出通過(guò)輸出接觸器21(由系統(tǒng)控制器18通過(guò)繼電器22進(jìn)行控制)和輸出斷電器23傳送給負(fù)載。
電流變換器25檢測(cè)反饋給系統(tǒng)控制器18的輸出電流，以限制三相逆變器輸出的電流，并平衡功率。
為了啟動(dòng)渦輪，必須把它加速到適當(dāng)?shù)狞c(diǎn)火速度。在啟動(dòng)模式期間，交流發(fā)電機(jī)工作成電動(dòng)機(jī)。在啟動(dòng)模式期間，逆變器17的輸出通過(guò)啟動(dòng)接觸器30連接到交流發(fā)電機(jī)的定子繞組上，啟動(dòng)接觸器30由系統(tǒng)控制器18控制。同時(shí)，電容器接觸器31把濾波電容器20從輸出電路中移去。由于在啟動(dòng)期間頻率非常高，所以必須從定子電路中移去濾波電容器20。
在啟動(dòng)期間，通過(guò)保險(xiǎn)絲34從電池33取得直流電力，并把它提供給升壓斬波器36。升壓斬波器把直流電池電力的電壓從0伏提升到這樣的電壓，即當(dāng)由逆變器把它轉(zhuǎn)換成交流電時(shí)，它將能把交流發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)成以能使渦輪安全點(diǎn)火的速度的電動(dòng)機(jī)。較佳地，軸位置傳感器37產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，加到系統(tǒng)控制器18上，接著利用該信號(hào)來(lái)控制逆變器17，產(chǎn)生三相輸出，對(duì)交流發(fā)電機(jī)的定子繞組進(jìn)行變換，以把交流發(fā)電機(jī)和渦輪的速度提供到點(diǎn)火速度。
參照?qǐng)D3，它示意地示出了適當(dāng)?shù)恼麟娐?。如圖所示，Δ連接三相定子繞組40、41、42由6個(gè)二極管43a，43b，43c，43d，43e，43f連接到直流匯流線16上。
參照?qǐng)D4a和4b，它示意地示出了適當(dāng)?shù)哪孀兤麟娐贰?圖4a示出了定子繞組的一種Δ連接，圖4b示出了一種星形連接。)逆變器包含6個(gè)固態(tài)(IGBI)開關(guān)，在啟動(dòng)模式期間，它們可以交替地把Δ連接的定子繞組的一角通過(guò)接觸器30連接到直流匯流線16的正或負(fù)側(cè)上。而且固態(tài)開關(guān)44a，44b，44c，44d，44e，44f在所有時(shí)間上都把直流匯流線的正或負(fù)測(cè)連接到濾波電感器19上，在啟動(dòng)之后，通過(guò)接觸器31連接到濾波電容器20上。逆變器用于產(chǎn)生三相輸出信號(hào)。由于它由系統(tǒng)控制器中的微處理器來(lái)控制，所以能提供可變范圍較寬的輸出電壓和頻率。在電力發(fā)生系統(tǒng)的啟動(dòng)和電力輸出操作期間，輸出逆變器以兩種不同的方式使用。
在啟動(dòng)階段，逆變器用于輸出隨時(shí)間變化的電壓和頻率，以把交流發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)成電動(dòng)機(jī)，把交流發(fā)電機(jī)的渦輪驅(qū)動(dòng)軸加速到電力發(fā)生系統(tǒng)持續(xù)工作所必須的轉(zhuǎn)速。在其目前的結(jié)構(gòu)中，它需要范圍從0至350伏頻率從接近0至2KHzr三相電壓。
在電力輸出階段，逆變器用于輸出與用戶電力要求一致的三相電壓。一般的電壓為480vac、240vac、208vac、120vac，頻率為50，60和400Hz。本系統(tǒng)并不限于這些值，如果需要，電壓和頻率的可選范圍幾乎是無(wú)限的。
電力發(fā)生系統(tǒng)的某些應(yīng)用需要輸出逆變器能夠線路連接到現(xiàn)存的電力網(wǎng)絡(luò)中。線路定相電路與系統(tǒng)控制器一起使用，監(jiān)視電力網(wǎng)絡(luò)電壓的相位，并使電力發(fā)生系統(tǒng)與之同步。以相同的方式，系統(tǒng)控制器可以監(jiān)視電力網(wǎng)絡(luò)的電壓幅度，調(diào)整電力發(fā)生系統(tǒng)的輸出，以適應(yīng)和控制電力傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。
圖5示意地示出了系統(tǒng)控制器中產(chǎn)生開環(huán)波形以驅(qū)動(dòng)逆變器17的一部分。頻率發(fā)生器50產(chǎn)生頻率在250Hz與600kHz之間可以由CPU51選擇的輸出脈沖。這些脈沖事先加到正弦波PROM(可編程只讀存儲(chǔ)器)52a，52b，52c的輸入端上。正弦波PROM的輸出(基本上為256K查找表)的相位彼此精確地偏移120°。PROM的輸出加到數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器53a，53b，53c上，產(chǎn)生三個(gè)模擬正弦波。數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器的每個(gè)波形的幅度都由正弦波(幅度)命令獨(dú)立地控制。然后把正弦波在脈寬調(diào)制器54a，54b，54c中與來(lái)自三角波發(fā)生器的三角波進(jìn)行比較。三角波發(fā)生器的頻率是可控制的。然后把脈寬調(diào)制的波形通過(guò)驅(qū)動(dòng)選擇門55a，55b，55c加到驅(qū)動(dòng)器57a，57b，57c上。在目前實(shí)現(xiàn)的實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生三對(duì)脈沖信號(hào)控制逆變器。在渦輪驅(qū)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)的電力輸出模式期間，波形發(fā)生器用于驅(qū)動(dòng)逆變器。至此為止所描述的波形電路為開環(huán)的。換句話說(shuō)，它不受交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。然而，也可以把多種反饋信號(hào)用來(lái)調(diào)節(jié)數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器輸出的信號(hào)的幅度。當(dāng)在電力輸出模式期間，波形電路主要用于驅(qū)動(dòng)逆變器時(shí)，它可以在啟動(dòng)模式剛開始時(shí)控制逆變器，使電樞至少旋轉(zhuǎn)一次。這可以對(duì)霍爾效應(yīng)傳感信號(hào)進(jìn)行定相。
三個(gè)霍爾效應(yīng)開關(guān)58安裝成拾取共軸旋轉(zhuǎn)時(shí)偏移120°的磁脈沖。這些信號(hào)由霍爾邏輯電路59來(lái)處理，產(chǎn)生一對(duì)與每個(gè)拾取的脈沖對(duì)應(yīng)的信號(hào)。三對(duì)信號(hào)由驅(qū)動(dòng)選擇門55a，55b，55c進(jìn)行選通，到達(dá)驅(qū)動(dòng)器57a，57b，57c。位置傳感系統(tǒng)由永久磁體和霍樂(lè)效應(yīng)傳感器組成，在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)期間用來(lái)把電力轉(zhuǎn)換給交流發(fā)電機(jī)的定子繞組。傳感器的定相是在啟動(dòng)階段開始時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)短地以正常旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)渦輪交流發(fā)電機(jī)軸來(lái)完成。在啟動(dòng)階段的這一開始期間對(duì)軸的旋轉(zhuǎn)是由輸出逆變系統(tǒng)的微計(jì)算機(jī)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的，輸出逆變系統(tǒng)是開環(huán)結(jié)構(gòu)，它不利用霍爾效應(yīng)傳感器。一旦完成了對(duì)傳感器的定相，就把它們的信號(hào)加到系統(tǒng)的輸出逆變器部分，以方便在閉環(huán)控制下啟動(dòng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)?；魻栃?yīng)拾取能對(duì)逆變器17和交流發(fā)電機(jī)的定子繞組進(jìn)行閉環(huán)轉(zhuǎn)換。增益控制電路61處理逆變電路17的反饋，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電路的增益，平衡逆變器17輸出的三相輸出。
在啟動(dòng)模式期間，電池通過(guò)升壓斬波器為直流匯流線供電。圖6是在啟動(dòng)模式期間，12或24伏電池向直流匯流線提供0至350伏電壓的升壓斬波器的示意圖。當(dāng)升壓斬波器開關(guān)65a和65b閉合時(shí)(導(dǎo)通)，電流流入到電感器66中。當(dāng)開關(guān)65a和65b打開時(shí)，電感器的磁場(chǎng)使電感器的驅(qū)動(dòng)端A相對(duì)于端B為正，并把電流通過(guò)二極管67a和67b分別提供給直流匯正側(cè)和負(fù)側(cè)。開關(guān)65a和65b以4kHz的頻率被驅(qū)動(dòng)。占空比被控制成從0至100％，以使直流匯流線電容器70上的輸出電壓從0至350伏變化。在啟動(dòng)期間利用0斬波電路的升壓可以使交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速逐步增加。
在功率輸出模式期間，充電電路向電池充電。充電開關(guān)68a和68b以約1kHz的頻率轉(zhuǎn)換。占空比可以調(diào)節(jié)。當(dāng)充電開關(guān)68a和68b閉合時(shí)，直流匯流線的電流流過(guò)電感器66。當(dāng)充電開關(guān)打開時(shí)，電感器的B側(cè)相對(duì)于A側(cè)變?yōu)檎?，通過(guò)二極管69a和69b向電池填充取得的電流。如這里所示的，升壓和充電電路共用同一個(gè)電感器，但這并不是必須的。
在設(shè)置成45KW電力輸出的本發(fā)明的較佳實(shí)施例中，部件采用如下的尺寸濾波電感器19300mH每相濾波電容器20100μF每相直流匯流線電容器70 4700μF逆變器17中的IGBT開關(guān)400A/600V
圖7示出了系統(tǒng)控制器與燃?xì)鉁u輪之間的相互作用。系統(tǒng)控制器利用三個(gè)微處理器，彼此通過(guò)高速串行鏈路進(jìn)行通信，并提供如下功能(1)控制使渦輪轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到達(dá)持續(xù)操作渦輪所必需的速度的電力；(2)處理和控制交流發(fā)電機(jī)在電力輸出系統(tǒng)工作期間產(chǎn)生的電力，提供公用線電壓和頻率的三相輸出電力；(3)控制操作電力發(fā)生系統(tǒng)工作所需要的其它子系統(tǒng)，例如點(diǎn)火器、冷卻風(fēng)扇、燃油和油泵；(4)測(cè)量壓力、溫度、流量和速度的儀器的信號(hào)調(diào)節(jié)和控制；以及(5)產(chǎn)生和控制控制板，為系統(tǒng)操作和診斷提供用戶接口。
三個(gè)微處理器每個(gè)都具有與它們自己相關(guān)的存儲(chǔ)器，可獨(dú)立編程和運(yùn)行。一個(gè)微處理器用于監(jiān)視鍵盤、顯示器和RS232通信。第二個(gè)微處理器用于監(jiān)視渦輪參照，激勵(lì)故障切斷，并記錄最后幾小時(shí)工作的工作參數(shù)歷史。第三個(gè)微處理器監(jiān)視和控制電路選擇頻率、電壓、激勵(lì)中繼器等。
操作有兩種獨(dú)立的系統(tǒng)操作模式、在第一種模式中，系統(tǒng)控制器18用于控制升壓斬波器36和輸出逆變器17，隨時(shí)間改變輸出電壓和頻率。以這種方式的操作，是把交流發(fā)電機(jī)用作可變速電動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)以燃?xì)鉁u輪持續(xù)工作所需要的速率旋轉(zhuǎn)。在操作的第二種模式中，系統(tǒng)控制器18自動(dòng)地重新配置逆變器部分，提供用戶電力輸出。在該操作模式中，由整流器15把交流發(fā)電機(jī)輸出的高頻交流電轉(zhuǎn)換成直流電，施加給逆變器的輸入端。逆變器與系統(tǒng)控制器一起提供所希望的三相輸出電壓和正常用戶應(yīng)用所需要的頻率。輸出電壓頻率和相位以與獨(dú)立和連線用戶應(yīng)用一致的方式控制。
控制板72在用戶和控制器之間提供了一個(gè)接口。它為用戶提供了各種控制和器械操作選項(xiàng)，例如啟動(dòng)、關(guān)斷、連線和診斷。在系統(tǒng)正常啟動(dòng)和操作期間，系統(tǒng)控制器如下按序控制功率發(fā)生系統(tǒng)。
1)根據(jù)控制板72的命令，控制器18向波形發(fā)生器和升壓斬波器發(fā)送合適的命令，啟動(dòng)渦輪瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)，以對(duì)霍爾位置傳感器進(jìn)行正確地定相位，以便進(jìn)行后續(xù)的啟動(dòng)功能。
2)接著，控制器控制升壓斬波器36和波形發(fā)生器(見圖5的50至54項(xiàng)和58項(xiàng))，使三相電壓和頻率上升到逆變器上。把該三相輸出傳送給交流發(fā)電機(jī)，交流發(fā)電機(jī)把渦輪軸的轉(zhuǎn)速加速到其持續(xù)工作必須的速度作為響應(yīng)。
3)在上述啟動(dòng)期間，系統(tǒng)控制器監(jiān)視和控制其它功能，例如燃料流量、點(diǎn)火。轉(zhuǎn)速、溫度以及壓力等。
4)在啟動(dòng)階段以后，系統(tǒng)控制器重新配置升壓斬波器，使它工作成電池充電器。此外，將波形發(fā)生器復(fù)位，提供產(chǎn)生用戶電力輸出要求所需要的信號(hào)。這些信號(hào)連接到選擇開關(guān)的輸入端，送到驅(qū)動(dòng)器和逆變器。因此，逆變器提供了所希望的三相輸出電壓和用戶所希望的頻率。
5)在如4)所述的正常電力輸出操作期間，系統(tǒng)控制器監(jiān)視和控制所有控制電力發(fā)生系統(tǒng)所必須的功能，例如控制和/或監(jiān)視只有整個(gè)電力發(fā)生系統(tǒng)的部分才有的燃料流量、溫度、壓力、速度、運(yùn)行時(shí)間以及各種診斷。
通過(guò)這些對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述尤其是專利法需要的描述，希望以專利證書形成保護(hù)的內(nèi)容如下權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種渦輪/交流發(fā)電機(jī)的電氣系統(tǒng)，渦輪/交流發(fā)電機(jī)包含燃?xì)鉁u輪和同軸的永磁交流發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述電氣系統(tǒng)包含a)所述交流發(fā)電機(jī)具有永磁轉(zhuǎn)子和定子繞組；b)一定子電路，連接到定子繞組上；c)交流輸出電路；d)逆變電路，連接到交流輸出電路上；e)第一接觸器，把逆變電路連接到定子電路上；f)直流匯流線，連接到逆變電路上；g)整流電路，連接在定子電路與直流匯流線之間；h)臨時(shí)供電電路，連接到直流匯流線上；i)驅(qū)動(dòng)器，連接成使逆變電路轉(zhuǎn)換；j)信號(hào)發(fā)生器，由從同軸旋轉(zhuǎn)得到的信號(hào)驅(qū)動(dòng)；k)開環(huán)波形發(fā)生器；l)第二接觸器，把信號(hào)發(fā)生器或開環(huán)波形發(fā)生器之一連接到逆變器上；以及m)控制電路，在啟動(dòng)模式期間，把第一接觸器轉(zhuǎn)換成把逆變電路連接到定子電路上，把第二接觸器轉(zhuǎn)換成把信號(hào)發(fā)生器連接到脈沖驅(qū)動(dòng)器上，在電力輸出模式期間，把第一接觸器轉(zhuǎn)換成把逆變電路從定子電路上斷開，把第二接觸器轉(zhuǎn)換成把開環(huán)波形發(fā)生器連接到驅(qū)動(dòng)器上；從而，在啟動(dòng)模式期間，交流發(fā)電機(jī)起到電動(dòng)機(jī)的功能，把渦輪的轉(zhuǎn)速提升到安全點(diǎn)火速度，在電力輸出模式期間，電氣系統(tǒng)向交流輸出電路輸出其頻率與交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的交流電。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，連接成使逆變電流轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)器是脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)器。
3.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，交流發(fā)電機(jī)的定子繞組是三相繞組，逆變電路和交流輸出電路是三相電路。
4.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，電池供電電路包含電流和零升壓逆變電路，向直流匯流線輸出0與使交流發(fā)電機(jī)提供到安全點(diǎn)火速度所需要的電壓之間的電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，電池供電電路包含降壓電路，在輸出模式期間對(duì)電池重新充電。
6.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，電池供電電路包含逆變電路，它共用一個(gè)共用電感器，在啟動(dòng)模式期間，電壓進(jìn)行升壓，輸出到直流匯流線上，在電池充電模式期間，對(duì)直流匯流線電壓進(jìn)行降壓，對(duì)電池充電。
7.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，電池供電電路包含恒頻脈寬調(diào)制器，以驅(qū)動(dòng)升壓電路。
8.如權(quán)利要求7所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，控制電路控制脈寬調(diào)制器的占空比，以控制輸出到直流匯流線的電壓。
9.如權(quán)利要求7所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，電池供電電路包含驅(qū)動(dòng)充電電路的恒頻脈寬調(diào)制器和調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制器占空比的裝置，以控制電池的充電電壓。
10.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，信號(hào)發(fā)生器由從磁傳感器拾取的信號(hào)驅(qū)動(dòng)，磁傳感器由附在共用軸上的磁體激勵(lì)。
11.如權(quán)利要求10所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，磁傳感器是霍爾效應(yīng)傳感器。
12.如權(quán)利要求11所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，閉環(huán)波形電路還包含霍爾傳感器編碼電路。
13.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，油泵和燃料泵以及電子裝置的電源都由電池的直流電來(lái)供電。
14.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，交流輸出電路包含電流傳感變換器，提供限流控制。
15.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，交流輸出電路的每一相都包含濾波電感器和電容器。
16.如權(quán)利要求15所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，在啟動(dòng)期間，由控制電路控制的接觸器從交流輸出電路上除去濾波電容器。
17.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，開環(huán)波形發(fā)生器用于觸發(fā)啟動(dòng)，后面跟著閉環(huán)控制，把共用軸的轉(zhuǎn)速提供到安全轉(zhuǎn)速，以便點(diǎn)火。
18.如權(quán)利要求1所述的電氣系統(tǒng)，其特征在于，波形發(fā)生器每相都包含計(jì)數(shù)器、PROM、數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器和具有幅度控制的放大器，它們可獨(dú)立地控制。
全文摘要
一種渦輪/交流發(fā)電機(jī)的電氣系統(tǒng),渦輪/交流發(fā)電機(jī)包含燃?xì)怛?qū)動(dòng)渦輪和共軸旋轉(zhuǎn)的永磁交流發(fā)電機(jī),電氣系統(tǒng)包含逆變電路,可連接到交流輸出電路或交流發(fā)電機(jī)的定子繞組之一上。在啟動(dòng)模式期間,控制電路把逆變電路轉(zhuǎn)換連接到交流發(fā)電機(jī)的定子繞組上,在電力輸出模式期間,把逆變電路轉(zhuǎn)換連接到交流輸出電路上。因此,在啟動(dòng)模式期間,交流發(fā)電機(jī)起到電動(dòng)機(jī)的作用,把渦輪的轉(zhuǎn)速提高到安全點(diǎn)火速度,在電力輸出模式時(shí),電氣系統(tǒng)向交流輸出電路輸出頻率與交流發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)的電力。
文檔編號(hào)H02P9/48GK1242883SQ9718124
公開日2000年1月26日 申請(qǐng)日期1997年12月3日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月3日
發(fā)明者祖雷斯·C·古譜塔, 布里杰·巴爾加瓦, 道格拉斯·R·伯納姆, J·邁克爾·蒂特斯, 喬恩·W·蒂特斯 申請(qǐng)人:艾略特能源系統(tǒng)股份有限公司