CN1121743C - 为电动机类用电器供电的*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于尤其在船上的电动机类用电器的直流电压供电网。根据本发明的一个特别设计，多个发电机组在输出侧并行连接；并在每个机组的电流输出之后都连接一个可控整流器或一个直流电压控制器。该直流电压控制器具有一个连接一个电压调节器的控制输入；它的输出与该电压调节器的输入相接，以输入一个实际电压值信号和一个附加信号，该直流电压控制器的输出与供电网相连接，以实现电压供应。根据本发明的另一设计，各用电器分别经过一个逆整流器与供电网相连接，该逆整流器可经过一个控制输入由一个调节器控制，其中，除实际值和理论值外，一个源于逆整流器输入电压和/或供电网电压的附加信号被输到调节器的输入。最后，在至少有两个相互耦接的用电器的应用情况下，除实际值和理论值外，一个源于从供电网流进逆整流器的输入电流或源于相关功率的附加信号被输到调节器的输入。

Description

为电动机类用电器供电的***
技术领域
本发明涉及一种例如通过根据权利要求1的前序部分所述的船上或飞机上的舰用供电网为电动机类用电器供电的***。根据本发明的一个特别设计，多个电源可以并行运行，例如与交流发电机相耦接的柴油机或燃气轮机。此外本发明还涉及用于供电网稳定化和在相互耦接的用电器上进行负荷分配的调节回路。
背景技术
这类公知的岛式供电网是指拥有同步发电机的三相供电网。有效功率分配由柴油机或涡轮驱动机构的转速调节器(Regler)的转速-频率稳态器(Frequenzstatik)实现，无功负荷分配则由发电机-电压调节器的电压稳态器(Spannungsstatik)实现。至于稳态器装置(Statikeinrichtung)以及两个发电机并行运行时的负荷分配，Joachim Frauenhofer所写论文“西门子公司无刷同步发电机中的THYRIPART励磁”中提出的西门子公司的技术信息标准ASINMA/TNG3应作为基点。在此，这一基点得到全面的引用，并且是下述实施例的前提条件。
对三相岛式供电网公知如下方式：为在并行工作的发电机上进行负荷分配，从发电机的输出电流中为一个电压调节器的理论值/实际值-比较输入生成一个附加电压值，该附加电压值使得发电机电压随无功电流的增加而成比例地降低。然而这一点的前提条件是：一个独立的功能部件可从外部影响发电机电压。然而这种电压可控制或可调节的直流发电机或交流发电机的缺点是：体积庞大，重量大以及制造要求高。所以对自给自足的动力和供电的岛式供电网提出一个相当大的需求；这种岛式供电网以尺寸小、结构紧凑、重量轻为特征，尤其是发电机更应如此。
US-A-5 200 643公知(参阅第2栏第11至23行和第4栏第52行至第5栏第7行和附图1)一种带有多个直流电流供电源的供电网。这些供电源在具有控制输入的放大器中馈电，其中，用于实际输出电压和实际输出电流的信号与一个基准信号混合(参阅附图1中的标识32)。由此获得一个用于调差的信号，其中，各供电源的输出电压得到调节。
与本发明相关的现有技术由US-A-5 334 436(参阅该专利的特殊附图1)给出。然而在不带重叠调节装置的多个供电源平行连接时，并没能有效地获得理想的负荷分配，也没有满意地保证供电网的稳定性。
发明内容
为了根除上述现有技术中所述的缺点和解决相应的难题，本发明提出了一种为电动机类用电器供电的***。
按照本发明的一个方面，提供了一种为电动机类用电器供电的***，其具有多个并行工作的发电机组；它们通过各自的输出为一个用于用电器的供电网供电，其中，在每个机组的电流输出之后都连接一个可控整流器或一个直流电压控制器；该直流电压控制器具有一个连接一个电压调节器的控制输入，它的输出与该电压调节器的输入相耦接，以导入一个实际电压值信号，该直流电压控制器的输出还向供电网提供电源电压，其特征在于：所述可控整流器或直流电压控制器的输出与一个附加信号相耦接，该附加信号是为了将总负荷按理想的方式分配到各发电机组而生成，使得所述电源电压随电源电流的升高和/或随输到供电网上的功率的升高而下降。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用一个供电网为电动机类用电器供电的***，它具有一个或多个并行工作的发电机组，其中，各用电器分别经过一个逆变器与供电网相连接，其特征在于：该逆变器可经过一个控制输入由一个频率和/或转速调节器控制，其中，为稳定供电网，除逆变器的实际频率和/或转速和理论频率和/或转速外，一个来自所述逆变器输入电压和/或供电网电压的频率和/或转速附加信号被输到频率/转速调节器的输入；这样来生成附加信号，使得所述逆变器的频率和/或所述用电器的转速随供电网电压和/或逆变器输入电压的下降而下降。
按照本发明的另一方面，提供了一种利用一个调节回路为电动机类用电器供电的***，该调节回路用于至少两个电气和/或机械相耦接的用电器，这些用电器由一个或多个供电网供电，其中，各用电器分别经过一个逆变器与所述供电网相连接，其特征在于：该逆变器可经过一个控制输入由一个频率和/或转速调节器控制，其中，为了将总负荷按理想的方式、尤其对称地分配给各相互耦接的用电器，除逆变器的实际频率和/或转速和理论频率和/或转速外，一个源于从供电网流进逆变器的输入电流或源于相关功率的频率和/或转速附加信号被输到频率/转速调节器的输入；这样来生成附加信号，使得逆变器的频率和/或用电器的转速随逆变器输入电流和/或输入功率的升高而下降。
因此，本发明的目的是将一种直流供电网而不是一种三相供电网应用于飞机或机动车船，尤其是船只，例如军舰。这种直流供电网的电压可通过一种可控整流器或一个直流电压控制器(Steller)调节。由此，一方面大大降低重量，另一方面在该供电网内绝不会传输无功功率，从而不会产生任何问题。全部用电器都可连接到这一供电网(某种条件下经过整流)。
根据本发明，不采用直接对发电机进行励磁这一途径来调节电压，而是将一个整流器，尤其是一个晶体管整流器用作平衡电压的控制装置。在此避免了将无功功率馈入供电网。采用本发明的结构可使供电网动态负荷中没有无功功率。供电网中置入一个可控的、电压可调节的整流器，它可从交流电流中产生一个恒定的输出电压。有效负荷分配可通过改变尤其是平行移动稳态器特征线或用于相应整流器设备的电压稳态器来调整。
本发明提供了如下可能性：采用一个或多个分别由永久磁铁励磁且具有小回转质量的交流电动机，并在其后连接一个可控的、脉冲式晶体管整流器。尤其当采用在转子上有永久磁铁励磁的同步电机时，发电机的尺寸可大大减小。这种发电机例如由高增压的四冲程柴油机驱动，其所能承受负荷的增大速度仅仅等于由废气涡轮增压器所传输的增压空气容积的增大速度。
在本发明的另一设计中，动力设备的速度或转速需要调整，为此配置一个具有具有比例积分特性的调节器，从而可精确地获得一个例如为柴油机设定的转速。
采用所述负荷分配的方法(所述发明***以此方法为基础)来设置一个电压稳态器，它实现一种理想的负荷分配，因为从发电机的输出电流中生成一个用于所述电压调节器的理论/实际输入的附加电压。该电压调节器使得所述电压随整流器输出电流的升高而成比例下降。该电压稳态器根据其功率大小分别安装到各发电机组，例如由柴油机、发电机和整流器组成的机组。并不需要一个复杂的设备来进行负荷分配。
平行移动稳态器特性曲线产生一个在给定条件下理想的、不同的负荷分配。这一点为并行连接各发电机所需要，以避免在所述驱动机械、柴油机或其它动力设备上的负荷波动。这样就可能需要对两个或多个发电机的并行运行进行某种人工控制。
如果一种本发明的***或岛式供电网主要由转速可调整的驱动机构施加负荷，那么冲击负荷就原封不动地经过发电机传到作为动力设备的柴油机上。柴油机只能首先由其回转质量和发电机的回转质量的动能来承受这一冲击负荷，然后借助其转速调节器承受与在过剩燃烧空气上存在的负荷相等的负荷。如果该冲击负荷大于现有承受负荷的能力，那么柴油机的转速就下降，从而作为动力设备的柴油机的功率就下降。该柴油机就熄火，供电网失效。
在一种公知的带有作为负载的三相电动机的三相岛式供电网中，负荷冲击导致柴油机转速的降低，从而降低频率。这样可以根据所述工作机械的负荷特性曲线来减小常规的岛式供电网负荷，使该供电网承受较少的功率并因而稳定。
与此相反，本发明的目的是为发电***和供电***提供一种相应的稳定特性，而且在这些***中设置一种作为供电网的直流电压总线。
采用本发明的供电网得到如下优点：即便所述供电网提供直流电压，也可稳定地保证和在公知的三相岛式供电网中一样高的质量。同时为稳定供电网，从所述驱动机构或用电器的输入电压中产生一个用于所述各驱动机构或用电器的转速调节器的理论/实际值输入的附加值。该转速调节器使得转速随额定电压的下降而成比例地或相应地下降。
为此目的，这样一个频率/转速调节器是有利的，即，在该调节器中，传输函数具有比例积分传输特性。
为导出所述附加频率/转速信号值，相宜地布置一个频率稳态器和/或一个电压互感器：电压互感器的输入与逆变器输入电压和/或供电网电压相连接，电压互感器的输出与频率和/或转速调节器的输入相连接。用于所述频率稳态器或频率互感器的传输函数或传输特性具有比例特性。
在岛式供电网中理想的做法是：通过一个电轴或机械轴相互耦接的电动机类用电器或者在负荷侧并行连接的电动机变换器(Umformer)根据其额定功率大小成比例地承担负荷。对此在三相岛式供电网中公知如下设计：带有变换器的异步电动机根据其转差率特性曲线自动分担公共负荷。
在带有耦接的、由一个直流电压供电网供电的负荷的岛式供电网中，采用本发明的调节回路能够以相同的方式实现上述负荷分配。
为驱动机构的负荷分配或为所述最后要控制的且耦接在负荷侧的变换器，从所述输入功率中生成一个用于所述频率或转速调节器的附加频率信号值。该频率或转速调节器使得频率或转速随输入电流的增加或随输入功率的增加而下降。
为导出所述频率或转速附加信号值，这么设置一个频率稳态模块或频率稳态器和/或电流/电压互感器是有利的，即：这些设备在输入侧与所述逆变器的输入电流相连接，在输出则与所述频率/转速调节器的输入相连接。该频率稳态器或电流/频率互感器具有比例传输特性。
上述附加信号值应用于稳定动态过程。它们容许一种并行运行而无需重叠调节。因此在与直流电流供电网相连接时同样可获得一种特性，这种特性与从现有带有柴油发电机和经过柴油机的三相稳态器的负荷分配的岛式供电网中的特性一样。如果从稳态角度看所述调节器作用不理想，那么通过一个缓慢的平衡调节器并借助一个用于所有发电机的共用附加理论值可将所述岛式供电网的电压再次调整到理想值。该柴油机一旦再次能够提供为此所必需的功率，上述情形就立即实现。通过附加理论值，另一种负荷分配也可成为一种比例负荷分配。
本发明提出一种带有交流发电机、可控整流器和交流驱动机构的直流电压岛式供电网的新途径。这些设备经过转速调节的逆变器而运行。因此负荷分配和供电网稳定化可象在采用一种公知的三相岛式供电网时一样实现。
本发明的其他细节、特征、优点和作用由借助所附示意线路框图对本发明的一个优选实施例的下述描述所给出。
图1示出了本发明的一个优选实施例的示意线路框图。
本发明的直流电压岛式供电网具有一个第一动力设备1，例如一台柴油机，它的转速可在很大范围内变化。它经过一个驱动轴2(示意性地用点划线表示)驱动一个特设的交流发电机G，后者优选由永久磁铁励磁。动力设备1的转速由一个PI调节器3调节，而该调节器3输出例如用于柴油机1(作为动力设备)的燃料添加量F的一个调节参数或控制参数。在驱动轴2上，转速值nist被扫描，并输到一个加法器4。在该加法器4中，该转速值nist与一个理论值nsoll比较。然后调节差值就输到所述PI调节器的输入。
与这个发电机组并行，还配置一个或多个另外的发电设备21。它们可以是一个结构相同的柴油机发电机组，但也可以是一个具有不同功率的机组或完全不同的发电机组，如燃料电池。在发电机21的输出端，当采用柴油机组时输出交流电压，而当采用例如燃料电池时输出直流电压。
所述发电机G、21的输出端5分别与整流器或直流电压调节器6的输入端相连接。整流器或直流电压调节器6都具有一个电压控制输入7，通过它来设定相应的输出电压。在这种情况下，这一点通过各自的电压调节器8实现。在电压调节器8的输入端接入一个理论电压值usoll、一个实际电压值uist和一个附加电压值uz。该实际电压值通过一个与所述整流器或直流电压控制器的输出端相连接的电压互感器9而得到，而该附加电压值则通过一个电压稳态器10而获得。电压稳态器10的输入由一个电流互感器11供电，而后者同样与所述整流器输出直接相接。接在电流互感器11的连接点后面的是开关元件12，它们分别接到一个共用的直流电压总线13。
电动机类用电器M通过其它开关元件14和接在其后的逆变器15平行地耦接到总线13。逆变器15的输出频率通过一个特设的频率控制输入16由一个外部功能部件设定，在这种情况下，由一个频率/转速调节器17设定。和在电压调节器8或PI调节器3中的情形一样，理论频率值fsoll从外部输到该频率/转速调节器的加法器4。实际频率值fist则直接从所述逆变器输出和各电动机类用电器M的输入之间的连接线上读出。
如附图中右边用电器M的线路布置所示，一个频率稳态器18起稳定供电网的作用，它的附加频率输出信号fz1作为另一个理论值或实际值附加地输入各频率调节器17的加法器4。用于所述供电网稳定化用频率稳态器18的输入信号则从一个电压互感器9中获得，后者的输入直接与所述直流电压总线13相连接。
只要电动机类用电器M经过一个电气轴或机械轴耦接，如耦接连接轴19(示意性示出)，那么为进行负荷分配还需设置另一个频率稳态器20。该负荷分配用频率稳态器20在输入侧与一个电流互感器11相连接，而电流互感器11则从涉及的逆变器15与直流电压总线13相耦接的导线中产生一个用于所述频率稳态器的电流输入值。此外根据具有一种P传输特性的实施例，该频率稳态器20还生成第二个附加频率输出信号fz2。对相互处于耦接连接轴19中的用电器M来说，该附加信号fz2在一个独立的加法器4a中与上述来自所述供电网稳定化用频率稳态器的第一附加频率信号fz1相合成。然后，合成结果被输出到所述理论/实际值比较输入或各频率调节器17的相应加法器4。此外，该频率调节器17还生成一个用于各逆变器15的独立频率控制输入的调节参数，由此产生一种带有综合供电网稳定化和理想负荷分配的调节控制。

Claims (9)

1.一种为电动机类用电器(M)供电的***，其具有多个并行工作的发电机组(1-4、G；21)；它们通过各自的输出为一个用于用电器的供电网(13)供电，其中，在每个机组的电流输出(5)之后都连接一个可控整流器或一个直流电压控制器(6)；该直流电压控制器(6)具有一个连接一个电压调节器(8)的控制输入(7)，它的输出与该电压调节器(8)的输入相耦接，以导入一个实际电压值信号(uist)，该直流电压控制器(6)的输出还向供电网(13)提供电源电压，其特征在于：所述可控整流器或直流电压控制器的输出与一个附加信号(uz)相耦接，该附加信号(uz)是为了将总负荷按理想的方式分配到各发电机组(1-4、G；21)而生成，使得所述电源电压随电源电流的升高和/或随输到供电网上的功率的升高而下降。
2.根据权利要求1所述的***，其特征在于：所述交流发电机(G)由永久磁铁励磁。
3.根据权利要求1或2所述的***，其特征在于，为动力设备(1)配置一种速度或转速调整装置，其中，该调整装置具有一个具有比例积分特性的调节器(3)。
4.一种利用一个供电网(13)为电动机类用电器(M)供电的***，它具有一个或多个并行工作的发电机组，其中，各用电器(M)分别经过一个逆变器(15)与供电网(13)相连接，其特征在于：该逆变器(15)可经过一个控制输入(16)由一个频率和/或转速调节器(17)控制，其中，为稳定供电网(13)，除逆变器(15)的实际频率和/或转速(fist)和理论频率和/或转速(fsoll)外，一个来自所述逆变器输入电压和/或供电网电压(13)的频率和/或转速附加信号(fz1)被输到频率/转速调节器(17)的输入；这样来生成附加信号(fz1)，使得所述逆变器的频率和/或所述用电器的转速随供电网电压和/或逆变器输入电压的下降而下降。
5.根据权利要求4所述的***，其特征在于：频率/转速调节器(17)具有比例积分传输特性。
6.根据权利要求4或5所述的***，其特征在于：为导出所述频率和/或转速附加信号(fz1)，设置一个在输入侧与逆变器输入电压和/或供电网电压(13)相连接、在输出侧与频率和/或转速调节器(17)输入相连接的频率稳态器(18)和/或设置一个具有比例传输特性的电压互感器。
7.一种利用一个调节回路为电动机类用电器(M)供电的***，该调节回路用于至少两个电气和/或机械相耦接(19)的用电器(M)，这些用电器由一个或多个供电网(13)供电，其中，各用电器(M)分别经过一个逆变器(15)与所述供电网(13)相连接，其特征在于：该逆变器(15)可经过一个控制输入(16)由一个频率和/或转速调节器(17)控制，其中，为了将总负荷按理想的方式、尤其对称地分配给各相互耦接(19)的用电器(M)，除逆变器(15)的实际频率和/或转速(fist)和理论频率和/或转速(fsoll)外，一个源于从供电网(13)流进逆变器(15)的输入电流(I)或源于相关功率的频率和/或转速附加信号(fz2)被输到频率/转速调节器(17)的输入；这样来生成附加信号(fz2)，使得逆变器的频率和/或用电器的转速随逆变器(15)输入电流和/或输入功率的升高而下降。
8.根据权利要求7所述的***，其特征在于：为了导出频率和/或转速附加信号(fz2)，设置一个在输入侧与逆变器(15)的输入电流相连接、在输出侧与频率和/或转速调节器(17)的输入相连接的频率稳态器(20)和/或设置一个具有比例传输特性的电流-电压互感器。
9.一种根据权利要求1所述的供电***在船上用于给驱动单元和其他用电器供电。
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