CN101454966A - 永磁发电机控制器 - Google Patents

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Abstract

用于控制永磁交流发电机(10)的方法及***，其中该发电机设有定子绕组和位于转子上的永磁体，该发电机与驱动单元(50)连接，该发电机进一步设有半导体转换器，该转换器设有与发电机输出端连接的交流输出端以及用于控制发电机输出电压的直流环节，该转换器进一步设有用于对转换器的输出进行滤波的滤波装置，从而将经过滤波的转换器输出传送到发电机的输出端。

Description

永磁发电机控制器
技术领域
本发明涉及一种永磁同步发电机控制器。
本发明尤其涉及一种控制永磁同步发电机的方法和一种用于控制永磁同步发电机的***。优选地，本发明用作船舶的后备电源或通信(corresponding)电源。
背景技术
发动机-发电机的组合，代表性地柴油机-同步发电机的组合是公知的在船舶上用作电源的设备，尤其是作为后备电源，UPS(不间断电源)等等。同步发电机通常设有外部激励。发电机输出电压和频率必须保持恒定。频率由发动机速度(发动机转数)控制，而且如果发电机连接到交流电压栅板(voltage grid)，有功的发电机功率也通过这种方式控制。由于通过发电机外部激励进行激励控制，发电机输出和负载电压控制也是可用的。
在负载一侧出现短路的情况下，按照安全规程发电机必须能够产生最少比额定电流高三倍的电流。
永磁(PM)发电机可用于替代具有外部激励的同步发电机。使用永磁发电机时，不需要外部激励，因此不需要外部激励动力，所以其发电机效率会比传统发电机的发电机效率高。永磁发电机的缺点在于，不能对永磁体进行控制，因此不能对发电机输出电压和负载电压进行控制从而使其保持恒定。
发明内容
本发明的目标是消除现有技术方案的缺点，实现永磁发电机控制，使得对发电机输出电压的控制成为可能。
本发明的另一个目标是实现一种***，其中永磁发电机的额定值(rating)和尺寸可以最小化。
本发明的又一个目标是实现一种***，其中控制电路的元件数量可以最小化，而且电路可以尽可能地简化。
在本发明中，同步永磁发电机控制器得到改善，使用了附加的包括半导体开关电桥(转换电桥)和直流电容器的三相功率转换器，所述半导体开关电桥连接到发电机的输出端，所述直流电容器与转换器直流电路连接。可以将输出滤波器连接到发电机的输出端从而实现正弦的转换器输出电压。
本发明在所附权利要求中进行了详细的限定。
额定的转换器功率与永磁发电机的构造有关。与传统方案相比，这样的构造有很多好处，特别是较轻的重量和发电机尺寸以及较高的效率。
附图说明
下面，将参照附图详细描述本发明的优选实施例，其中：
图1示出了通过附加的无功功率转换器进行的永磁发电机电压控制，
图2是永磁发电机的简化的等效电路，
图3示出了转换器连接到永磁发电机抽头绕组上的连接方式，
图4示出了简化的滤波器构造，以及
图5是根据本发明的用于永磁发电机的优选电路以及用于进行电压控制的转换器。
具体实施方式
图1示出了用作船舶后备电源的柴油机-永磁发电机装置，该电源产生450V的三相交流输出电压UU、UV和UW。该装置包括三相同步永磁发电机10，该发电机具有定子绕组和永磁转子并提供三相输出电压。该发电机通过公共轴60与用作发电机驱动单元的柴油机50连接。
该永磁发电机装置进一步设有控制永磁发电机输出电压的附加的三相功率转换器。该转换器的交流输出端与永磁发电机的输出端GENOUT连接，并且包括整波转换器电桥30和控制单元40。直流环节(DC link)电容器CDC连接在转换器的直流一侧。该装置在转换器的交流输出端进一步设有转换器输出滤波器，用以对转换器的三相交流输出电压进行滤波从而提供正弦的电压和电流。除了直流环节电容器，在直流一侧没有其它连接。
转换器电桥是一种整波电桥，其在上、下臂部(arms)具有脉冲宽度调制的半导体开关V1到V6，比如IGBTs，续流二极管D1到D6与这些半导体开关反向并联地连接。所述半导体开关V1到V6依靠控制单元40中的PWM控制器通过脉冲宽度调制的方式进行控制。
滤波器是三相扼流电容(choke-capacitance)滤波器结构L1、Cf和L2，其具有串联的扼流器(choke)L1和L2以及在每个相上连接在两者之间的电容器单元。滤波器也可以仅仅基于L1扼流器，而没有L2和Cf。转换器能够通过控制单元40产生、获取(take)并控制发电机产生的无功功率。
通过这种方式，发电机的输出电压和负载电压UU、UV和UW受到控制并在不同的负载条件下保持恒定。额定的转换器功率与永磁发电机的构造有关，并且是额定的发电机功率的一部分，在30％到50％的范围内。与传统的方案(具有外部激励的同步发电机)相比这样的构造有很多好处，比如较轻的发电机重量和较高的效率。
如果应用附加的控制策略，根据本发明的电路还可以有其它的好处。
永磁发电机通过相对较高的内部定子电感而对短路电流进行限制。因此，对三倍于额定电流的短路电流的需要和永磁发电机的生产成本非常相关。当附加转换器电路受控在短路条件下供应电流时，在第三象限(无功电流)，直到达到发电机的额定电流值，短路的发电机电流可以减小(例如为额定电流的两倍)。在这种情况下，负载短路电流将是额定电流的三倍，而发电机短路电流将仅仅是额定电流的两倍。(负载电流＝发电机电流+转换器电流)。
这种附加的转换器操作特性使得有可能实现紧凑的永磁发电机构造。
对于转换器在短路条件下在负载一侧的操作，需要一些有功功率对转换器的功率损耗进行补偿。提供这种有功功率的功率源可以是短路条件下剩余的负载电压的一部分，(例如发电机电压的10％)。其它的方案来自于直流环节电容器，该电容器可以根据在短路持续的时间内对功率损耗进行补偿的需要制成。
考虑到永磁发电机的简化的单相等效电路，图2包括发电机绕组LGEN和EMS(电动机源(electromotoric source))。整个电路可以显著地简化。如果在永磁发电机的绕组的每一相上取一个抽头，我们会得到如图3所示的电路。在图3中，转换器与永磁发电机绕组的抽头TAP1连接。
通过这种方式，甚至在发电机终端短路时(负载和发电机处于零电压)，如果抽头处于内部电感为9:1的位置，抽头电压将是最小值10％。同时，必要的转换器的滤波扼流器将被集成在每一相的三个发电机绕组LG1、LG2和LG3中，如图4所示，而抽头位于第二和第三绕组LG2和LG3之间。这里，绕组LG3代替了图1中的扼流器L2。
如果剩余的L2的感应值足够高，电路可以被显著简化，参见图5，其中滤波器根本不存在。
对于本领域技术人员显然本发明的实施例并不局限于上面介绍的例子，而是可以在随后的权利要求的范围内变化。除了IGBT，所使用的全控半导体开关还可以包括其他完全栅格控制的半导体开关，即能够打开和关闭的开关，比如晶体管或MOSFET。

Claims (13)

1、一种控制永磁交流发电机(10)的方法，其中所述发电机设有定子绕组和位于转子上的永磁体，所述发电机与驱动单元(50)连接，
其特征在于，
所述发电机进一步设有半导体转换器，所述半导体转换器设有与发电机输出端连接的交流输出端以及用于控制发电机输出电压的直流环节，以及
所述转换器进一步设有滤波装置，用以对所述转换器的输出进行滤波，从而将经过滤波的转换器输出传送到发电机的输出端。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，除了发电机短路电流供应，所述控制器的转换器电路受控在短路条件下供应电流。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在短路条件下，在负载一侧用于补偿转换器功率损耗的有功功率来自于剩余的负载电压。
4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，直流环节电容器(CDC)连接在所述转换器的直流一侧，在短路条件下，用于补偿转换器功率损耗的负载一侧的有功功率来自于所述直流环节电容器，所述直流环节电容器根据在短路持续的时间内对功率损耗进行补偿的需要制成。
5、一种用于控制永磁交流发电机(10)的***，其中所述发电机设有定子绕组和位于转子上的永磁体，所述发电机与驱动单元(50)连接，
其特征在于，
所述发电机进一步设有半导体转换器，所述半导体转换器设有与发电机输出端连接的交流输出端以及用于控制发电机输出电压的直流环节，以及
所述转换器进一步设有滤波装置，用以对所述转换器的输出进行滤波，从而将经过滤波的转换器输出传送到发电机的输出端。
6、根据权利要求5所述的***，其特征在于，除了发电机短路电流供应，所述控制器的转换器电路受控在短路条件下供应电流。
7、根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述滤波器为扼流电容滤波器结构(L1、Cf、L2)。
8、根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述滤波电路仅包括L1扼流器。
9、根据权利要求5所述的***，其特征在于，转换器的滤波扼流器连接集成在发电机绕组(LG1、LG2LG3)中，抽头(TAP1)位于所述绕组之间。
10、根据权利要求5和9所述的***，其特征在于，转换器的滤波器完全集成在发电机绕组中，在发电机输出端没有外部滤波装置。
11、根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述发电机为多相、优选三相的、永磁发电机，具有三相定子绕组。
12、根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述发电机为与船舶发动机，比如柴油机，连接的船舶后备电源或者通信电源中的发电机。
13、根据权利要求5所述的***，其特征在于，所述转换器电桥为具有半导体开关(V1到V6)的整波电桥，优选地具有与所述半导体开关反向并联的续流二极管(D1到D6)，而且所述半导体开关V1到V6由控制单元(40)进行控制。
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