CN110086389A - 离网运行的发电设备和可移动式发电机组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种离网运行的发电设备和移动式发电机组。发电设备包括发动机和发电机。发电机包括转子、定子、励磁控制装置和电气部件。转子包括设置成用来形成旋转磁场的多相对称绕组，定子包括用于产生感应电压的单相绕组。电气部件连接定子单相绕组和负载，并使得定子单相绕组产生的感应电压和提供给负载的输出电压频率相同。励磁控制装置与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，并至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算负载的功率，和对应于计算的功率调节发动机的转速。上述发电设备从定子侧直接输出电能，不经过任何转换器，可以降低发电设备的成本。

Description

离网运行的发电设备和可移动式发电机组
技术领域
本发明涉及发电设备，特别是由发动机驱动的变速恒频的发电设备。
背景技术
一种产生交流电并向用电负载供电的方式是使用离网运行(即脱网,off-grid)的发电***。临时或者长期不连电网的发电***叫离网运行的发电***。当今离网运行的发电***已在人们的生活和工作中得到了广泛地应用。例如，在人们野营、野餐或在户外工作时，离网运行的发电***已被广泛地用来和用电设备通过电路连接从而向用电设备提供能量。类似这样的发电***也被用来在紧急情况下(例如停电时)提供备用电。
离网运行的发电***通常使用一个发动机来提供原动力，该发动机和发电机通过一个共同的轴连接在一起。发动机一启动就会带动轴转动，从而驱动发电机产生电能。如人们所知，多数电器设备都被设计成使用固定频率的电能，例如在北美是60赫兹的电能，在中国是50赫兹的电能。发电***输出电能的频率主要由发动机的运行速度决定。因此，一些发电设备发动机的运行速度是固定不变的，以使输出电能的频率保持不变。但是，在发电***带动的负载小于机组的额定负载时，如果发动机仍然以额定转速运行，则发动机的燃料效率小于最佳值,同时运行噪音也非常大。
因此，市场需要一款发动机速度可调但输出电压频率恒定的离网运行的发电机组。
发明内容
下面对对离网运行的发电设备进行说明。发电设备包括发电机，发电机包括具有单相绕组的定子和具有多相对称绕组的转子。定子单相绕组中产生感应电压，该感应电压不经过任何频率转换被直接提供给负载。离网运行的发电设备是指临时或者长期不与电网连接的发电设备。单相绕组是指绕组的线圈只有一个轴向的绕组，单相绕组可由多个线圈构成，但各个线圈的轴向需重叠。对称绕组是指布置成能够产生旋转磁场的形式的绕组。旋转磁场是大小不变，轴线位置在空间以固定频率改变的电机气隙磁场。多相对称绕组中“多相”可以是两相和更多相。
根据一些实施例，离网运行的发电设备包括发动机、发电机和励磁控制装置。发电机包括转子、定子、一个或者多个传感器和电气部件。转子和发动机同轴连接，转子包括多相对称绕组，而定子包括用来产生感应电压的单相绕组。传感器测量发电设备的的运行数据。励磁控制装置与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，并至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算负载的功率，和对应于计算的功率调节发动机的转速。电气部件连接定子单相绕组和负载，并使得定子单相绕组产生的感应电压和提供给负载的输出电压频率相同。
一些实施例还提供一种为负载供电的可移动式离网运行的发电机组。该发电机组包括发动机、感应发电机和励磁控制装置。感应发电机包括转子、定子和一个或者多个传感器。转子和发动机同轴连接，包括多相对称绕组，而定子包括用于产生感应电压的单相绕组。定子单相绕组通过电路和负载连接向负载提供输出电压，感应电压的频率和输出电压的频率相同。即在定子单相绕组和负载之间的电路中没有设置任何频率转换装置，感应电压的频率和输出电压的频率相同。传感器用于测量发电机组的的运行数据。励磁控制装置与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算负载的功率，和对应于计算的功率调节发动机的转速。
在一些具体的实施例中，定子单相绕组还为转子绕组提供励磁电压，发电机还包括频率转换装置，其中所述频率转换装置包括直流母线电压提供装置和逆变器。直流母线电压提供装置与定子的单相绕组连接，接收来自定子单相绕组的励磁电压，对励磁电压进行整流，并输出整流后的直流母线电压。逆变器，其与直流母线电压提供装置连接，接收整流后的直流母线电压，并向转子绕组提供交流励磁电压。
在一些具体的实施例中，直流母线电压提供装置为不可控整流桥电路或者功率因数校正装置。
在一些具体的实施例中，上述离网运行的发电设备还包括直流电源和逆变器，直流电源与逆变器连接向逆变器提供直流电压，逆变器接收直流电压并向转子绕组提供交流励磁电压。
在一些具体的实施例中，励磁控制装置采用闭环控制电路根据所需的发动转速和测量的转子转速的差值来调整发动机的转速，以对应于负载的变化优化燃料消耗。在一些具体的实施例中，所述发电设备被设置成以低于基准转速的速度运行。
根据一些实施例，所述的一个或者多个传感器进一步包括:电压传感器，所述电压传感器被设置成用来测量定子单相绕组中输出电压的幅值；电流传感器，所述电流传感器被设置为测量定子单相绕组提供给负载的电流的幅值；和速度传感器，所述速度传感器被设置为测量转子的转速。其中励磁控制装置包括第一计算单元、第一调节单元、第二计算单元、第三计算单元和第二调节单元。其中第一计算单元被设置成用来至少根据所述电压传感器测量的输出电压的幅值和电流传感器测量的定子单相绕组提供给负载的电流的幅值确定所需的发动机转速。第一调节单元被设置成用来至少根据所需的发动机转速来调节发动机的转速。第二计算单元被设置成用于至少根据所述速度传感器测量的转子转速确定转差角。第三计算单元，所述第三计算单元被设置成用于至少根据所述电压传感器测量的输出电压的幅值来确定转子的目标电压值。第二调节单元用于接收转子目标电压值和转差角，并利用转子目标电压值和转差角作为输入值生成调节信号，并使用调节信号调节转子绕组中励磁电流的幅值和频率。第一计算单元、第一调节单元、第二计算单元、第三计算单元和第二调节单元这些功能模块可以由程序实现，也可以由CMOS、ASIC等逻辑电路实现。
根据一些实施例，第三计算单元采用闭环控制电路确定转子的目标电压值，以减小确定的转子目标电压值的误差。
根据一些实施例，调节单元利用转子目标电压值和转差角产生具有一定占空比的脉冲信号，该脉冲信号被用来控制逆变器中开关器件的开关时间。
根据一些实施例，所述发电设备被设置成以低于或者等于同步转速的速度运行。
一些实施例提供一种离网运行的移动式发电机组，用于向负载供电，该发电机组包括发动机、感应发电机和励磁控制装置。其中感应发电机包括：和发动机同轴连接的转子，转子包括多相对称绕组；定子，具有能够产生感应电压的单相绕组；和测量发电机组运行数据的一个或多个传感器。励磁控制装置与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置：控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压；至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算负载的功率并对应于计算的功率调节发动机的转速；和调整转子绕组中旋转磁场的强度和旋转磁场相对于转子的转速其中，定子单相绕组通过电路和负载连接并向负载提供输出电压，电路使得提供给负载的输出电压和定子单相绕组产生的感应电压的频率相同。
上述离网运行的发电设备和可移动式发电机组(为简略起见下文不再提及可移动式发电机组)从定子侧直接向负载供电，定子侧电路中没有任何诸如整流器和逆变器这样的转换频率的装置。这使得占发电设备产生的总功率的一大部分的负载功率没有经过频率转换装置。相反，在该发电设备的转子侧设有频率转换装置，而转子侧的励磁功率仅仅占发电设备产生的总功率的很小一部分。因此，该离网运行的发电设备可以使用额定功率相对较小的频率转换装置。频率转换装置的额定功率仅仅大约是发电设备额定功率的10％左右。如果采用对定子侧输出电流进行频率转换的方式(例如，将定子绕组产生的交流电转换为直流，再将直流转换为具有特定频率的交流的方式)，则定子侧的频率转换装置的额定功率和发电设备的额定功率应相等。与这样的方案相比，本发明上述发电设备的成本相对较低，尤其是具有较小额定功率的功率转换装置的成本低。
附图说明
图1A为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。
图1B为另外一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。
图2示出了一些具体实施例中转子的一种布置方式。
图3示出了另外一些具体实施例中的转子的另外一种布置方式。
图4示出了另外一些具体实施例中的转子的另外一种布置方式。
图5为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。
图6A示出了一些具体实施例中的一种直流母线电压提供装置的示意图。
图6B示出了另外一些具体实施例中的另外一种直流母线电压提供装置的示意图。
图7示出了向转子绕组提供励磁电压的另外一种方式。
图8为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。
图9为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。
图10A示出了一些具体实施例中离网运行发电设备的控制***的示意图。
图10B示出了一些具体实施例中励磁控制装置的结构示意图。
图11为对应于图10中示出的控制***的控制方法的流程图。
图12为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。
图13示出了一些具体实施例中离网运行发电设备的另外一种控制***。
图14为对应于图13中示出的控制***的控制方法的流程图。
图15为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。
图16示出了一些具体实施例中离网运行发电设备的另外一种控制***。
图17为对应于图16中示出的控制***的控制方法的流程图。
图18为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。
图19示出了一些具体实施例中的转子励磁电流的波形图。
图20示出了一些具体实施例中从发电设备的定子侧输出的电流的波形图和电压的波形图。
具体实施例
下面的说明将参照图。图中示出的是一些具体实施例。在各个图中类似的图标记表示类似的部件。应当理解这里使用的术语是用来说明书图和具体实施例，不应当视为限定申请的保护范围。
图1A为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。该发电设备带动的负载140可以为人们在野营时使用的诸如烤箱和音响设备这样的没有和电网相连的负载，或者在停电时使用的电器设备等。离网运行的发电设备包括发动机110、发电机和励磁控制装置170。发动机110可以通过一个进口接收诸如汽油、柴油、天然气或者液态丙烷这样的燃料。进入发动机110的燃料被压缩、点燃，从而使得发动机110的活塞产生往复运动。活塞的往复运动由发动机110的曲轴转换成旋转运动。曲轴可和发电机连接。发电机可以为变速恒频、转子电压由变换器提供的感应发电机。具体而言该发电机包括转子120、定子130、一个或者多个传感器(图1A中未示出)和电气部件140。转子120可以是具有多相对称绕组的圆柱形转子。该转子以可旋转的方式容纳在定子130内，并通过一个共同的轴121和发动机110的曲轴同轴连接。当发动机110转动时，轴121驱动转子120转动，转子120绕组中就会产生一个旋转磁场。励磁控制装置170用来监控发电机和电动机110的运行，下面将会对此详细说明。
发电机的定子130包括一个单相绕组。转子120的多相对称绕组中建立的旋转磁场的转动使定子单相绕组中感应出一个单相感应电压。该感应电压被通过导线(例如图1A中示出的L120、N120、L240、N240)提供给负载140。由于各个国家大多数电器设备适用的标称电压频率都是固定的，例如在北美为60赫兹，在中国为50赫兹。故而为了可以向大多数家用电器和其他的电力设备提供电能，励磁控制装置170控制定子单相绕组中产生的感应电压的频率，使感应电压频率在一个预设的值域，例如在北美可以为60赫兹左右，在中国为50赫兹左右。
定子的单相绕组和负载140之间的电路上还设有电气部件，例如图1A中示出的开关150。电气部件还可以包括插接负载的插座、电线等。这些电气部件连接定子单相绕组和负载，将定子单相绕组中产生的感应电压提供给负载。另外，诸如断路器这样的电气部件可以在过载时切断电路。电气部件还可以为自动切换开关(AUTO TRANSFERS SYSTEM ORSWITCH)，用来实现在多个输出输出电压之间进行切换。但是,这里的电气部件不是诸如整流器、逆变器这样改变电压、电流频率的转换器，即电气部件需要确保定子130单相绕组产生的感应电压和施加在负载上的输出电压的频率相同。
转子120可以包括多相对称绕组。图2示出了一些具体实施例中的转子220的一种布置方式。转子220具有星形连接的三相绕组U、V、W。这三相绕组U、V、W的轴线在空间上相隔120度。三相绕组U、V、W中的每一相都包括一个匝数相等的线圈。如图2所示，线圈的引线可以通过接线柱224U、224V、224W连接。三相绕组的其它对称式布置方式，例如三角形布置，也适用上述发电设备。图3示出了一些具体实施例中的转子的另外一种布置方式。转子320包括对称布置的五相绕组M、N、O、P、Q。这五相绕组M、N、O、P、Q的轴线在空间上相隔72度。如图3所示，线圈的引线可以通过接线柱220O、220P、220Q、220M、220N连接。图4示出了一些具体实施例中的转子420的另外一种布置方式。转子包括在空间上相隔90度的两相对称绕组R和S。两相对称绕组R、S中的每一相都包括一个匝数相等的线圈。如图4所示，线圈的引线可以通过接线柱220R、220S、220J连接。当在这样的转子绕组中施加励磁电压时其中就会产生一个旋转磁场。
定子130的单相绕组还可以向转子120的绕组提供励磁电压，为旋转磁场提供能量，以补偿由发动机机的转速变化引起的定子130的单相绕组中产生的感应电压变化的趋势。所述发动机对应于负载的变化来改变其转速。这样的运行方式使得定子130的输出电压的幅值保持稳定，同时输出电压的频率也保持恒定。
在一些具体实施例中，定子130的单相绕组可以包括输出部130A和励磁部130B。输出部130A和励磁部130B分别包括至少一个线圈。在一些具体实施例中，输出部130A和励磁部130B分别向负载提供输出电压和向转子的绕组提供励磁电压。
图1B为另外一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。该发电设备的定子单相绕组的输出部130A只有一个独立的线圈，在线圈中产生一个等级的输出电压,比如120伏或者240伏。如上所述该一个等级的输出电压通过电路(具体在图1B中是由火线、零线UAL、UAN组成)被直接施加在负载140上。
在图1A示出的具体实施例中，输出部具有一个以上的线圈，以提供双等级的输出电压。图1A中示出的输出部130A包括第一段130A1和第二段130A2。第一段130A1可以包括一个线圈，该线圈具有第一引线UAL(可为火线)和第二引线UAN(可为零线)。第一段130A2可以包括另外一个线圈，该线圈具有第三引线UBL和第四引线UBN(二者分别可为火线和零线)。在一些具体实施例中，第一段130A1和第二段130A2也分别包括多个串联的线圈。
在一些具体实施例中，发电机可以包括开关150。开关150可以为手动式转换开关或者其它类似的开关。第一段130A1和第二段130A2的引线UAN、UAL、UBL、UBN分别连接到开关150上。该开关可以是一种组合式开关，用户可以操控开关150以有选择地使第一段130A1和第二段130A2并联或者串联。通过这样的方式，就可以产生双等级的输出电压，例如120伏特和240伏特的电压(即北美最常用的两种标定电压)，该双等级的输出电压从开关150提供给负载140。
励磁部130B可以包括一个线圈。该线圈的引线可以连接至转子绕组U、V、W，以将励磁部130B中产生的感应电压提供给转子绕组，为旋转磁场提供能量。在上述具体实施例中，励磁部130B是独立于输出部130A的，这样就可以方便地通过励磁部130B产生大于输出电压的直流母线电压，这样方便调节励磁电压。例如，当励磁部130B的线圈具有所需的匝数时，励磁部130B可以产生320伏的励磁电压。
本申请重点介绍了较复杂的和具有现实市场需求的双等级输出电压输出的结构和控制方式。在一些实施例中，电机只输出一个输出电压，定子130的单相绕组可以总共只有一个线圈。其结构和控制方式可以理解为将130A和130B永恒的串联起来。本领域技术人员在理解较复杂的双线圈结构和控制方式后也可理解更简单的单线圈结构和控制方式。
图5为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。在图1A、1B和5中类似的图标记用来指示类似的部件(尽管图5中示出的发电设备和图1A、1B中示出的不同)。在一些具体实施例中，定子530包括第一部530A1和第二部530A2。第一部530A1可以包括带有引线UAL和UAN的一个线圈，第二部530A2可以包括带有引线UBL和UBN的另外一个线圈。引线UAL、UAN、UBL、UBN分别连接至开关550上。用户可以切换开关550有选择地使第一部530A1和第二部530A2并联和串联，以获得不同等级的输出电压。和图1A、1B中示出的具有独立励磁部的发电设备不同，该发电设备的第一部530A1和第二部530A2中的一个还被用来提供励磁电压。例如，在图5中，第二部530A2还和一对引线EXN、EXL连接，这对引线连接至转子绕组的电路上(图5中未示出)。
在另外一些具体实施例中，第二部530A2可以包括串联的第一线圈和第二线圈，用来产生感应电压，第一线圈的引线UBL和UBN连接至开关550上用来提供输出电压提供给负载540，而第一线圈的引线UBL(火线)和第二线圈的引线EXL(火线)连接至转子绕组的电路上，即第一线圈和第二线圈串联产生的感应电压来励磁。和设置独立的励磁线圈的方案相比，该方案可以减少励磁线圈的匝数。
在一些具体实施例中，在第二部530A2和转子绕组之间可以设有频率转换装置560。频率转换装置560就是电机领域常叫的“变换器”，其调整第二部530A2产生的感应电压，从而产生一个具有所需频率和幅值的电压提供给转子绕组，以为旋转磁场提供能量。频率转换装置560可以包括一个直流母线电压提供装置，其接收来自定子单相绕组的励磁电压(为交流电压)，向母线BUS+、BUS-提供一个直流母线电压。该直流母线电压提供装置可以是一个整流器。图6A示出了一些具体实施例中的一种直流母线电压提供装置661A的示意图。该直流母线电压提供装置661A包括由四个布置成“桥”式的整流二极管组成的不控整流桥电路661A1。还可以设置一个母线电容662A2来使不控整流桥电路661A1的输出电压平滑。图6B示出了另外一些具体实施例中的另外一种直流母线电压提供装置661B的示意图。该直流母线电压提供装置661B主要包括一个起到整流和升压作用的功率因数校正电路(POWERFACTOR CORRECTION)。另外，还可以设置一个母线电容661B2来储存能量，过滤掉高频的交流电压分量。
图7示出了向转子绕组提供励磁电压的另外一种方式。根据一些实施例，定子的单相绕组也可以不向转子绕组提供励磁电压。一个直流电源，例如电池710，可以用来提供直流母线电压。还可以设置与电池710连接的直流-直流转换器720，该直流-直流转换器720用来在将直流电压提供给与转子绕组连接的母线BUS+、BUS-之前提高直流电压的幅值，以给转子绕组中的旋转磁场提供能量。还可以设置母线电容730来储存能量，过滤掉高频的交流电压分量。
现在回到图1A、1B和5。发电设备还包括监控发电机和发动机110、510运行的励磁控制装置170、570。例如，基于微处理器或者其它计算机驱动的***可以用作励磁控制装置170、570，励磁控制装置170、570可以包括处理器和存储器。处理器在存储器中的与发电机运行相关的程序指令的控制下运行。励磁控制装置170、570与发电机和发动机110、510电连接，例如，励磁控制装置170、570可以固定在发电机上，并通过导线或者无线连接方式和发动机110、510连接。这样，励磁控制装置170、570可以收集设置在发电机上的一个或者多个传感器(下面将参照图9和10进行说明)测量的发电设备的运行数据，利用传感器测量的实时运行数据计算实时负载功率，并根据计算的实时负载功率调整发动机110、510的转速。励磁控制装置170、570还可以调节发电机励磁电压的幅值和频率，从而维持发电机输出的输出电压具有恒定的频率和幅值。除了使用励磁控制装置170、570直接控制发动机110、510以外，还可以由发动机控制模块(ECM,ENGINE CONTROL MODULE，图中未示出)直接控制发动机110、510的运行，而励磁控制装置170、570控制发动机控制模块。可以通过一个通信线连接励磁控制装置170、570和发动机控制模块。发动机控制模块可以固定在发动机110、510上。发动机控制模块可以调节发动机转速，从而调节发电机的输出功率，还可以监控发动机的多个特性，例如燃料消耗量、发动机起动信息和油压。
图8为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。该发电设备和前面参照图1A、1B和5说明的发电设备类似，因此这里不再对相同和相似的部件进行重复说明。该发电设备包括频率转换装置860。该频率转换装置860主要包括直流母线电压提供装置861和逆变器862。该通过母线向逆变器提供直流电压的直流母线电压提供装置861和上面结合图6A、6B说明的直流母线电压提供装置类似，因此这里不再对直流母线电压提供装置861进行更多地说明。
逆变器862对应于转子绕组的相数可以是两相、三相、四相和五相直流-交流逆变器。如图8所示，逆变器862为三相六开关直流-交流逆变器，该逆变器接收来自励磁控制装置870的脉冲控制信号(例如SPWM波或者SVPWM波)，脉冲控制信号实质上是一定的占空比，励磁控制装置870带有产生脉冲控制信号的程序，其产生具有所需频率和幅值的SPWM或者SVPWM励磁信号，该励磁信号调节转子绕组中电流的幅值和频率，具有适当幅值和频率的励磁电流为旋转磁场提供能量，以补偿由发动机机的转速变化引起的定子单相绕组中产生的感应电压变化的趋势，定子单相绕组感应电压变化的趋势主要是由随着负载的变化而调整的发动机转速的改变引起的。励磁控制装置870将励磁信号施加在转子绕组上，以调整转子绕组中感应出的旋转磁场的强度和相对于转子的转速。从而使得定子输出电压(即发电设备的输出电压)的幅值可以保持稳定，输出电压的频率也维持恒定。PWM波或SVPWM波可以是方波、修正正弦波和正弦波等，采用什么波形主要取决于逆变器862的电路设计。逆变器862的每个桥臂都通过导线和转子的一相绕组连接。逆变器862的每个桥臂上设有一个或者多个开关器件。开关器件可以是半导体开关器件。如图8所示，在一些具体的实施例中，在逆变器862的每个桥臂上都设有一对IGBT(INSULATED GATE BIPOPAR TRANSISTOR)。来自励磁控制装置870的脉冲信号通过一定的占空比来连续地控制逆变器862开关器件的开关时间。直流母线电压提供装置861向逆变器862提供一个相对稳定的直流母线电压。逆变器862所需的直流母线电压取决于***的设计，设计因素例如包括定子电压大小、发电机转速变化范围、发电机转子绕组的设计、IGBT器件的电压电流参数和***成本等。逆变器862产生具有一定幅值和频率的SPWM或者SVPWM励磁信号，并用该励磁信号调节转子绕组的电流的幅值和频率，从而使转子绕组中产生具有所需强度和相对转速(相对于转子的转速)的旋转磁场。例如，额定功率为7000瓦的上述发电设备中使用的逆变器862的额定功率小于1500瓦，通常是700-800瓦。与此相比，如果使用逆变器调整发电机产生的全功率，额定功率为7000瓦的发电机中使用的逆变器的功率也会是7000瓦。而本发明中，由于定子端输出的电流通过电气元件直接提供到负载，而不进行任何频率变化，也就是说定子端输出电流的频率已经是目标值，不再需要使用逆变器进行调整。由于上述具体实施例发电设备中的逆变器862仅仅调节励磁功率，而励磁功率仅仅占定子单相绕组产生的全功率的很小的一部分，因此逆变器862的功率可以小很多。逆变器862的重量也会大大减轻，其成本也大幅降低。据估计，逆变器成本可以占到发电机成本的20％-60％，因此具有上述特征的离网运行的发电设备和移动式发电机组有巨大的成本优势。
励磁控制装置870中带有调整发动机功率(即发动机转速)的程序。励磁控制装置870利用传感器(图8中未示出)测量的运行数据计算负载功率，并对计算的实时负载功率作出响应，调整发动机的转速。励磁控制装置870是采用预先定义的发动机最低油耗曲线跟踪发动机的最低油耗点，确定调节发动机的功率。预先定义的发动机最低油耗曲线可以存储在励磁控制装置870中。
在一些具体实施例中，发电机还可以包括电池880。为安全起见，电池880可以和母线BUS+、BUS-电隔离。例如，电池880的直流电压可以通过一个励磁电压提供装置890施加到母线BUS+、BUS-上，以在发电设备启动时向转子绕组提供励磁电压，使转子绕组中产生旋转磁场。励磁电压提供装置890的结构可以类似于变压器的结构。该励磁电压的幅值相当小，例如可以是1-20伏。
在一些具体的实施例中，发电设备被设置成以小于或者等于同步转速的转速运行。例如，在发电设备处于稳态运行的工况下，当同步转速为3600转/分钟时，发动机可以以3000-3600转/分钟的速度运行。发动机转速越高，输出功率越大，因此发电机组带动一个负载从空载到额定功率时，发动机转速将达到最大转速3600转/分钟，此时转子励磁电压的频率将减小，当发动机转速为3600转/分钟时，转子励磁电压就为直流。这样，在发电设备的基准转速被设置在3600转/分钟的情况下，由发动机带动的发电设备始终在亚同步状态下运行。这意味着发电设备中的电能总是从定子侧流向转子侧，没有能量的反向流动。该特征使得发电设备可以使用具有单向特征的低成本装置或者零件(例如图6A中的不控整流桥)。但是应当理解，在一些不理想的运行状态下发电设备的运行速度有可能大于基准转速，此时输出电压的频率可能略微超过预设频率。可以在发电设备中设置诸如断路器这样的保护机制，以在发电设备转速过大时使其停机。
图9为一些具体实施例中离网运行的发电设备的示意图。图8中的发电设备和图9中的发电设备的主要区别是后者具有单独的励磁部(和图5示出的发电设备类似)。结合前面的说明，本领域的技术人员很容易理解图9中示出的发电设备，这里不再赘述。
一些具体的实施例提供一种离网运行的移动式发电机组。该发电机组包括发动机、感应发电机和励磁控制装置。感应发电机包括转子、定子和一个或多个传感器。转子和发动机同轴连接，包括多相对称绕组，而定子包括用于产生感应电压的单相绕组。定子单相绕组通过电路和负载连接并向负载提供输出电压，该电路向负载提供的输出电压的频率和定子单相产生的感应电压的频率相同。传感器用于测量发电机组的的运行数据。励磁控制装置与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置控制定制单相绕组使其产生的感应电压具有预定的频率，并至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算负载的实时功率，和对应于计算的实时功率调节发动机的转速。定子单相绕组产生的感应电压不经过任何频率转换装置直接提供给负载，即感应电压的频率和输出电压的频率相同。该特点使得上述发电设备重量大大减轻，成本也大幅降低。
上面参照图1-9对向离网运行的发电设备进行了说明。定子具有单相绕组、转子具有多相对称绕组的发电设备对现有的发电设备的控制***提出了挑战。发明人曾尝试采用矢量控制策略来控制具有单相绕组的发动设备。但是，矢量控制策略通常用来控制三相电机。并且，此种控制策略需要用到像Clark-Park变换这样的复杂变换来将发电设备的单相绕组参数变换成三相参数。而且，矢量控制策略本身非常复杂，实施这种类型的控制策略还需要使用费用比较高的传感器，特别是用来测量位置角的位置传感器(例如电机编码器)。本发明提供一种用于上述发动设备的低成本、经济的控制***。该控制***控制发电机转子励磁电压的幅值和频率，维持定子电压的幅值和频率的大小(即实现恒定电压、恒定频率)，同时根据负载功率的大小调节发动机的转速，使发动机油耗最低。下面将参照图10-18对该控制***进行说明。
在该控制***中，通过表征转子电压目标值和转差角的具有所需频率和幅值的励磁信号调节转子绕组中励磁电流的幅值和频率，从而控制旋转磁场的强度和相对于转子的相对转速。确保发电设备输出电压的幅值(即从定子单相绕组提供给负载的负载电压)保持稳定，输出电压的频率也保持恒定，而发动机的转速则对应于负载的变化而变化，从而可以实现优化燃料效率。这个控制***使得发电设备能够根据负载需要在较宽的发动机转速范围内运行，以在输出电压保持恒定的情况下使得燃料效率最优。
图10A示出了一些具体实施例中发电设备的控制***。图10B示出了一些具体实施例中励磁控制装置的结构示意图。图11为对应于图10A中示出的控制***的控制方法的流程图。这些具体实施例中的定子单相绕组仅输出一个等级的输出电压。例如通过火线的引线A、B施加给负载240伏的纯高压USAB(如图10A所示)。再如通过火线和零线的引线A、N输出给负载120伏的纯低压(图中未示出)。另外，可以通过调节转子绕组中旋转磁场的强度来调整定子单相绕组输出的输出电压的等级。例如，通过增大旋转磁场的强度可以将输出的120伏的纯低压调整为240伏的纯高压。下面仅仅以输出240伏电压的发电设备为例来说明发电设备的控制***。应当理解图10A示出的控制电路和图11示出的作业流程也可以用于定子侧输出120伏的发电设备。
转子具有按照对称方式设置的三相绕组U、V、W，这三相绕组分别和逆变器1062的三个桥臂连接。如上所述，直流母线电压提供装置(图10A中未示出)输出的直流链电压Udc被提供给逆变器1062。电压传感器10V和电流传感器10A分别和引线A、B相连，以测量定子单相绕组输出的输出电压USAB和负载电流ISAB。更具体地讲，测量的是输出电压USAB和负载电流ISAB的幅值。速度传感器10S连接在转子上来测量转子的转速。由于转子和发动机同轴连接，速度传感器也可以测量发动机转速来替代测量转子的转速。这里，输出电压和负载电流的幅值以及转子的转速可以是传感器检测的瞬时值，例如每隔1毫秒或者1秒检测的瞬时值，也可以是传感器在一段时间内检测的平均值或者积分值，例如传感器每秒钟检测一次，输出电压和负载电流的幅值、转子的转速可以是每连续10秒内的平均值或者积分值。电压传感器10V、电流传感器10A和速度传感器10S测量的发电设备的运行数据可以经过过滤，然后输送给励磁控制装置1070。
可以为励磁控制装置1070编制程序，使其具有不同的功能模块来实施图11中示出的操作。图10B示出了一些具体实施例中励磁控制装置的结构示意图。励磁控制装置1070可以包括第一计算单元171、第一调节单元172、第二计算单元173、第三计算单元174和第二调节单元175。第一计算单元171根据输出电压的幅值ULOAD和电流传感器测量的负载电流的幅值ILOAD确定所需的发动机转速。第一调节单172元用来至少根据所需的发动机转速来调节发动机的转速。第二计算单元173用于至少根据速度传感器测量的转子转速ωr确定转差角θslip。第三计算单元174用于至少根据输出电压的幅值ULOAD来确定转子的目标电压值Urq*。具体而言，第三计算单元174可以依据输出电压的幅值ULOAD和发电设备的特性(例如包括转子电阻、转子电流幅值等)来确定转子的目标电压值Urq*(即励磁电压值)。第二调节单元175用于接收转子目标电压值Urq*和转差角θslip，并利用转子目标电压值Urq*和转差角θslip作为输入值生成调节信号，并使用调节信号调节转子绕组120中励磁电流的幅值和频率。在另外一些实施例中，励磁控制装置1070的功能模块也可以由CMOS(COMPLEMENTARY METAL OXIDESEMICONDUCTOR，互补性氧化金属半导体)、ASIC(APPLICATION SPECIFIC INTEGRATEDCIRCUITS，专用集成电路)、PGA(PROGRAMMABLE GATE ARRAY，可编程门阵列)、FPGA(FIELD-PROGRAMMABLE GATE ARRAY，现场可编程门阵列)等逻辑电路实现。
当励磁控制装置1070收集到测量的发电设备的运行数据后，可以使用下面的公式1计算负载功率Pload：
Pload＝USAB*ISAB 公式1
其中，USAB为测量的输出电压的幅值，ISAB测量的负载电流的幅值。这样使用预先定义的发动机的特征曲线就可以确定所需的发动机转速。发动机的特征曲线是表征发动机的运行参数(例如发动机功率、转矩和转速)之间的关系的曲线。该曲线可由实验数据总结得出。可以将该特征曲线预先存储在励磁控制装置中。获得所需的发动机转速后，励磁控制装置可以使用所需的发动机转速来校正测量的发动机转速(即发动机的实际转速)，以对应于负载的变化来优化燃料消耗。
可以使用下面的公式2和3确定转差角：
ωslip＝ω1-ωr 公式2
θslip＝∫ωslip 公式3
其中ωr是传感器检测的转子的转速，ω1是发电机的同步转速。
图12为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。该控制环路使用闭环控制，能够自动校正励磁电压的幅值，从而确保定子侧的输出电压幅值保持恒定。控制环路中设有用来减小转子目标电压值误差的比例-积分(PI)调节器。输出电压USAB(作为负反馈)和定子的基准电压值Us*作为PI调节器的输入值。可以依据测量的输出电压的幅值和发电设备的特性(例如包括转子电阻、转子电流幅值等)来确定转子的目标电压值Urq*(即励磁电压值)。PI调节器的输出值是校正的转子目标电压值Urq*。励磁控制装置1070使用获得的转差角和校正的转子目标电压值产生具有一定占空比的脉冲信号，该脉冲信号被输入如图10所示的逆变器中来控制逆变器开关器件的开关时间。逆变器调节流过转子绕组电流的幅值和频率，藉此调节转子绕组中旋转磁场的强度和旋转磁场相对于转子的转速，从而确保定子单相绕组提供给负载的输出电压的幅值和频率维持恒定。
图13示出了一些具体实施例中离网运行的发电设备的一种控制***。图14为对应于图13中示出的控制***的控制方法的流程图。图15为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。这种控制***和图10-12中示出的前述控制***的不同点如下。
如图13所示，定子单相绕组通过火线A、B和零线N向负载输出双等级输出电压，即高等级电压和低等级电压。高等级电压为火线和火线之间的电压USAB，低等级电压为火线和零线之间的电压UAN、UBN(也叫做定子绕组单边电压)。用户可以操作开关实现在高等级电压模式和低等级电压模式之间进行切换。切换信号可以从开关传输给励磁控制装置1370，例如可以通过一根信号线或者无线通信装置(例如WIFI等)。励磁控制装置1370接收到开关的切换信号后可以选择一个对应于切换信号的一种电压模式。可以设置第一电流传感器12A1和第二电流传感器12A2来测量火线与零线之间的第一电流IBN和火线与零线之间的第二电流IAN。类似地，可以设置第一电压传感器13V1与第二电压传感器13V2来测量火线与零线之间的第一电压UBN和火线与零线之间的第二电压UAN(即低电压)。另外，还可以设置第三电压传感器13V3来测量火线与火线之间的输出电压(即高等级电压)。
当发电设备在低等级电压模式下运行时，利用下面的公式4和5计算火线与零线之间的第一负载功率Pload AN，和火线与零线之间的第二负载功率Pload BN。公式4和5为：
Pload AN＝UAN*IAN 公式4
Pload BN＝UBN*IBN 公式5
其中，UAN和UBN为测量的火线与零线之间的输出电压的幅值，IAN和IBN是测量的火线与零线之间的负载电流的幅值。然后，利用下面的公式6计算总负载功率Pload total：
Pload total＝Pload AN+Pload BN 公式6
励磁控制装置利用得到的总负载功率Pload total来确定所需的发动机转速。
当发电设备在高等级电压模式下运行时，利用下面的公式7计算负载功率Pload：
Pload＝USAB*IAN 公式7
在公式7中，也可以用IBN代替IAN，因为在高等级电压模式下IBN和IAN相等。励磁控制装置可以利用Pload来确定所需的发动机转速。
图15为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。该电压控制环路在两种等级的电压模式(高等级电压模式和低等级电压模式)之间切换。在高等级电压模式下，高等级的输出电压USAB作为负反馈输入PI调节器，定子的基准电压值Us*用于在PI调节器中校正高等级的输出电压USAB。PI调节器的输出值是校正后的转子目标电压值Urq*。在低等级电压模式下，低等级输出电压UAN或UBN为负反馈输入PI调节器，定子的基准电压值Us*用于在PI调节器中校正低等级输出电压。PI调节器的输出值是校正后的转子目标电压值Urq*。然后励磁控制装置产生一个脉冲信号。该控制***和控制方法中的其它操作和参照图10-12说明的控制***类似，这里不再说明。
图16示出了一些具体实施例中离网运行发电设备的另外一种控制***。图17为对应于图16中示出的控制***的控制方法的流程图。图18为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。如图16所示，定子单相绕组通过火线A、B和零线N向负载输出火线与火线之间的高等级电压USAB，和火线与零线之间的低等级单边电压UAN、UBN。用户可以切换开关实现在高等级电压模式和低等级电压模式之间进行转换。和图13-15示出的具体实施例不同，在这些具体实施例中，无论发电设备是工作在在高等级电压模式还是低等级电压模式，励磁控制装置1670都采用相同的控制策略，因此无需来自开关的切换信号就可以实现监控发电设备。
可以设置第一电流传感器16A1和第二电流传感器16A2来测量第一火线和零线之间的第一电流IBN和第二火线和零线之间的第二电流IAN。类似地，可以提供第一电压传感器16V1和第二电压传感器16V2来测量第一火线和零线之间的第一电压UBN和第二火线和零线之间的第二电压UAN(即单边低电压)。这些具体实施例中无需测量火线与火线之间的输出电压(即高等级电压)，而只是测量火线和零线之间的低等级电压。
无论发电设备是运行在低等级电压模式下还是高等级电压模式下，都利用下面的公式8计算发电设备的总负载功率Pload total：
Pload total＝UAN*IAN+UBN*IBN 公式8
其中，IBN、IAN是第一火线与零线之间的第一电流的幅值和第二火线与零线之间的第二电流的幅值，UBN、UAN是第一火线与零线之间的第一电压的幅值与第二火线和零线之间的第二电压的幅值。
励磁控制装置利用得到的总负载功率Pload total来确定所需的发动机转速。
图18为一些具体实施例中的转子电压控制环路的示意图。和图13-15示出的具体实施例不同，在这些具体实施例中，转子的电压控制环路不在高等级电压模式和低等级电压模式之间切换。对应于图16示出的控制***，该电压控制环路仅仅采用定子绕组的单边输出电压UAN或UBN作为负反馈，使用定子的基准电压值Us*作为PI调节器的另外一个输入来校正单边输出电压UAN或UBN。PI调节器的输出值是转子目标电压值Urq*。然后励磁控制装置使用获得的转差角和转子目标电压值产生具有一定占空比的脉冲信号，该脉冲信号被输入如图16所示的逆变器1662中来控制逆变器开关器件的开关时间。逆变器1662调节流过转子绕组电流的幅值和频率，藉此调节转子绕组中旋转磁场的强度和旋转磁场相对于转子的转速，从而确保定子单相绕组中产生的感应电压的幅值和频率恒定。附图16-18示出的具体实施例只监控定子绕组的单边输出电压，励磁控制装置无需和开关进行通信以获得开关的工作模式。
应当指出，在一些具体的实施例中，可以按照不同于图11、14、17中示出的顺序执行图中示出的操作。事实上，图中显示相继发生的操作可以以大体上同时执行，或者可以以相反的顺序执行。操作是否可以同时执行或者以与图中显示相反的顺序进行取决于操作实现的功能。例如，在执行确定转子目标电压值的操作的同时或者之后都可以执行测量转子转速的操作。
在上面说明的控制***中，没有使用通常成本较高的位置传感器(例如编码器)。另外，上面说明的控制***也没有采用电流环控制。因此，励磁控制装置能够通过简单的方式容易地实施这些控制***。从而使具有较低性能的控制设备可以作用励磁控制装置，降低了电机成本。图19示出了一些具体实施例中的转子励磁电流的波形图。该波形是具有定子单相绕组和转子三相绕组的发电设备产生的，该发电设备的运行转速是3000转/分钟，定子侧的输出电压是240伏，其带动的阻性负载是5千瓦(KW)。图20示出了一些具体实施例中从发电设备的定子侧输出的电流的波形图和电压的波形图。该波形是具有定子单相绕组的发电设备产生的，该发电设备的运行转速是3000转/分钟，定子侧的输出电压是240伏，其带动的阻性负载是5千瓦。图19、20清楚地表明上述控制***可以产生令人满意的波形。
上面披露的多个具体实施例可以带来很多益处。发电设备包括具有单相绕组的定子和具有多相对称绕组的转子，转子的对称绕组可以生成旋转磁场。具有单相绕组的定子和具有多相对称绕组的转子组合在一个发电设备中使得该发电设备能够为小功率的单相用电设备(例如家用电器)供电，同时该发电设备的控制也比较简单、容易。
为负载提供能量的离网运行的发电设备从定子侧直接输出电能，而不经过任何频率转换。和利用定子侧交流-直流-交流转换器调节全功率的常规发电机相比，上述发电设备仅仅使用设置在转子侧(而非输出负载功率的定子侧)的逆变器调节全功率的一小部分。逆变器调节施加在转子绕组上的励磁电压的幅值和频率，来为旋转磁场提供能量，以补偿由发动机机的转速变化引起的定子单相绕组中产生的感应电压的变化趋势，使感应电压的幅值和频率在不同的发动机转速下均保持不变。通过这种方式，使得定子输出电压(即发电设备的输出电压)的幅值保持稳定，同时发电设备的输出电压的频率也保持恒定。据估计该发电设备中逆变器的最大额定功率仅仅是常规发电装置中使用的逆变器的10％左右。因此上述发电设备中可以使用具有较低额定功率的逆变器。
在一些具体实施例中，逆变器向多相转子绕组提供交流电压。该交流电压被用做励磁电压，其幅值和频率都可以控制。使用直流电压作为励磁电压的方式只能控制励磁电压的幅值，因此上述使用交流电压作为励磁电压的方式更有利。
上述发电设备中发动机的转速是可调的，这样可以使燃料效率最大，从而降低二氧化碳的排放量。对应于负载来优化发动机的转速还可以降低发电设备运行产生的噪音，并延长发动机的寿命。定子侧输出电压的频率保持恒定。使用封闭的电压环来确定调节旋转磁场强度用的转子电压的目标值，这使得定子侧输出电压的幅值也保持稳定。该特点使得能够使用上述发电设备为对电压和频率变动敏感的音频、视频播放器和一些科学研究用的仪器供电。另外，该发电设备可以利用定子的单相绕组产生双等级电压，这样用户可以使用该发电设备为标定电压不同的电器设备供电。
发电设备被设置成以低于同步转速的速度运行。这意味着发电设备中的电能总是单向流动，即从定子侧流向转子侧，电能没有反向流动。该特征使得发电设备可以使用一些诸如不控整流桥这样的低成本装置。该特征也使得可以使用简单、容易的控制策略来控制发电设备。发电设备中也能够使用具有相对较低功率的装置。
应当理解，上面说明的仅为本发明的一些具体实施例，并非用于限定本发明的保护范围。在不脱离发明的范围的情况下，可对上述实施例的细节进行适当的改进。发明的范围和本质在权利要求书中定义。

Claims (10)

1.一种离网运行的发电设备，用于向负载供电，该发电设备包括：
发动机；
发电机，该发电机包括：
和发动机同轴连接的转子，转子包括多相对称绕组；
定子，具有能够产生感应电压的单相绕组；和
测量发电设备运行数据的一个或多个传感器；和
励磁控制装置，与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，并至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算负载的功率，和对应于计算的功率调节发动机的转速；
其中，所述发电机还包括电气部件，该电气部件连接定子单相绕组和负载，并确保定子单相绕组产生的感应电压和提供给负载的输出电压频率相同。
2.根据权利要求1所述的发电设备，其中定子单相绕组还为转子绕组提供励磁电压，发电机还包括频率转换装置，其中所述频率转换装置包括：
直流母线电压提供装置，其与定子的单相绕组连接，接收来自定子单相绕组的励磁电压，对励磁电压进行整流，并输出整流后的直流母线电压；和
逆变器，其与直流母线电压提供装置连接，接收整流后的直流母线电压，并向转子绕组提供交流励磁电压。
3.根据权利要求2所述的发电设备，其中直流母线电压提供装置为不可控整流桥电路或者功率因数校正装置。
4.根据权利要求1所述的发电设备，所述发电设备还包括直流电源和逆变器，所述直流电源与逆变器连接向逆变器提供直流电压，逆变器接收直流电压并向转子绕组提供交流励磁电压。
5.根据权利要求2所述的发电设备，其中所述的一个或者多个传感器进一步包括:
电压传感器，所述电压传感器被设置成用来测量定子单相绕组中输出电压的幅值；
电流传感器，所述电流传感器被设置为测量定子单相绕组提供给负载的负载电流的幅值；和
速度传感器，所述速度传感器被设置为测量转子或者发动机的转速；
其中励磁控制装置包括:
第一计算单元，所述第一计算单元被设置成用来至少根据所述电压传感器测量的输出电压的幅值和电流传感器测量的负载电流的幅值确定所需的发动机转速；
第一调节单元，所述第一调节单元被设置成用来至少根据所需的发动机转速来调节发动机的转速；
第二计算单元，所述第二计算单元被设置成用于至少根据所述速度传感器测量的转子转速确定转差角；和
第三计算单元，所述第三计算单元被设置成用于至少根据所述电压传感器测量的输出电压的幅值来确定转子的目标电压值；和
第二调节单元，用于接收转子目标电压值和转差角，利用转子目标电压值和转差角作为输入值生成调节信号，并使用调节信号调节转子绕组中励磁电流的幅值和频率。
6.根据权利要求5所述的发电设备，其中第一调节单元采用闭环控制方式根据所需的发动转速和测量的转子转速来调整发动机的转速，以对应于负载的变化优化燃料消耗。
7.根据权利要求5所述的发电设备，其中第三计算单元采用闭环控制方式确定转子的目标电压值，以减小确定的转子目标电压值的误差。
8.根据权利要求5所述的发电设备，其中第二调节单元利用转子目标电压值和转差角产生具有一定占空比的脉冲信号，该脉冲信号被用来控制逆变器中开关器件的开关时间。
9.根据权利要求1所述的发电设备，所述发电设备被设置成以低于或等于同步转速的速度运行。
10.一种离网运行的移动式发电机组，用于向负载供电，该发电机组包括：
发动机；
感应发电机，该感应发电机包括：
和发动机同轴连接的转子，转子包括多相对称绕组；
定子，具有能够产生感应电压的单相绕组；和
测量发电机组运行数据的一个或多个传感器；和
励磁控制装置，与发动机和发电机电连接，该励磁控制装置控制磁场变化使得定子单相绕组产生具有预设频率的感应电压，并至少根据传感器测量的发电设备的运行数据计算负载的功率，和根据计算的功率调节发动机的转速和转子绕组中旋转磁场的转速；
其中，定子单相绕组通过电路和负载连接并向负载提供输出电压，该电路使得其提供给负载的输出电压的频率和定子单相绕组产生的感应电压的频率相同。
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