專利名稱：用于調節發電機組的方法
技術領域：
本發明涉及對發電機組的交流發電機的調節。
背景技術：
一種發電機組由一個發動機以及一個交流發電機的組件組成。為了提供一個額定電壓以及頻率，發動機和交流發電機都裝備有調節裝置。發動機裝備有被整合到該發動機的燃料噴射系統中的一個電子速度調節器。除其他之外，發動機速度的調節依賴于發動機軸的旋轉速度的測量值，例如通過一個傳感器對每時間單位內一個有齒的環齒輪在該傳感器前面經過的齒數進行計數。借助由這個傳感器發送的信號，速度調節器噴射計算機確定了燃料噴射水平從而 將速度保持在一個預定值上，但是并不具有施加在該發動機上的負載水平的直接知識，因為還不存在經濟的手段用于將這個負載水平傳告知計算機。施加到該發動機上的負載的每個變化，無論它是增加還是減少，均會導致在發動機轉數上(速度調節器試圖通過一個適當的噴射水平來對其進行校正)的瞬時減少或者增加。在已知的發電機組中，僅僅是通過速度和噴射水平的知識，該調速器就確定了施加到發動機上的負載水平。所要求的發動機扭矩C是直接與交流發電機的輸出處的電流I成比例的。實際上，發動機的功率P的定律為P = C.w,其中，w是發動機的旋轉速度。交流發電機的功率定律P為P = U. I. cos ( ),其中，U是交流發電機的輸出電壓，并且Cj5是電流I與電壓U之間的相移。發動機和交流發電機是機械式連接的，對于在偶聯效率之內，它就有可能寫為C.w = U. I. cos (小)。在施加一個大的有效負載的過程中，COS(Ct)變得接近于1，并且交流發電機的電壓下降。交流發電機裝備有一個電壓調節器，該電壓調節器通過在磁極輪中增加電流而迅速校正這個電壓下降。負載中的這種變化還導致速度的下降，因為對發動機所要求的扭矩C增大了。發動機沒有能力立即響應這個要求，其速度w下降，這是因為扭矩C的一部分是從旋轉動能的儲備中抽取的。在一種已知的方式中，為了避免超過可以對發動機要求的最大扭矩，該電壓調節器隨著頻率的變化而使得電壓下降以便將扭矩要求在發動機的水平處保持恒定。當速度《降低時，電壓調節器使得輸出電壓U以一種成比例的方式下降，使得扭矩C保持恒定。這種策略對于所謂的上一代的發動機(如大氣壓式或者高慣性發動機)、并且對于負載的低到中等程度的增加是有效的。現在，渦輪增壓器發動機正被越來越多地使用在發電機組中。這種類型的發動機的一個缺點是如果渦輪增壓不能正確地被啟動那么它的性能會降級。現在，負載的突然增加會傾向于就發動機的正確運行而言使得發動機過度減速。在怠速運行的過程中，進氣口的壓力是接近于大氣壓力的，而一旦負載的增加被施加到發電機組上，發動機的速度就下降到這樣一個點上，即不論速度調節器在噴射系統上反作用，排氣流都不足以將渦輪增壓器的這個渦輪或這些渦輪啟動到它們的運行狀況中。于是它們沒有能力使進氣壓力增加，而這種增加是為了使該發動機有能力加速并且恢復到其額定速度所要求的。因此，存在一個不返回的點，這里的要求是避免達到這一點。一種已知的解決方案，稱為負載接收模塊(LOAD ACCEPTANCE MODULE)，在于使電壓不再與速度成比例地下降而是突然地下降，實際上一旦速度下降開始，就處于這個被稱為“拐點”的水平處。電壓U被突然降低，所要求的發動機扭矩C也就減少，從而協助速度 的加快以及其返回到運行點。根據現有技術的發電機組的額定運行點100表示在圖2的曲線上，例如，如圖所示，與交流發電機的輸出處的、等于400V的電壓U以及等于50Hz的頻率F相對應。當負載發生增加時，發動機速度w下降，頻率F在稱為“拐點”的一個點101處達到了 48Hz的一個閾值。在這個已知的解決方案中，該交流發電機的電壓調節器使電壓U以一種與速度w成比例的方式來下降，以便使所要求的發動機扭矩C保持恒定，從而達到一個新的運行點102。為了減輕這種先前陳述的過程的缺陷，根據現有技術的調節過程的一個變體在圖3中進行了展示。例如在點103處不斷地測量到發動機速度的導數。當負載發生增加并且速度下降到閥值101之下時，交流發電機的電壓調節器就使電壓U不再以一種與速度w成比例的方式來下降，而是以一種突然的且固定的方式，一旦速度開始下降，就在點101之下。在所展示的實例中，電壓U因此在運行點104處下降了 13%。無論負載增加的水平如何電壓下降的值都是固定的，并且這在特別是小增加的過程中可能會帶來一個問題，這種電壓下降并不總是適合于施加到發電機組上的負載的這種增加的。從專利US 5703410中已知，基于該交流發電機的輸出處的矯正的電壓的知識來監測交流發電機的勵磁電流以及燃料噴射。從申請EP 1938447中也已知，當檢測到一個負載變化時，通過監測裝置發送一個控制信號(它代替了速度調節器的輸出信號)來控制發電機組的燃料吸入致動器。存在著一種要求來進一步改進發電機組的性能，尤其是在負載增加的過程中，以便除其他之外協助渦輪增壓器發動機的使用。

發明內容
本發明的目的在于至少部分地應對這種要求并且，根據本發明多個方面中的一個，這個目的是通過一種用于對發電機組的交流發電機的輸出電壓進行調節的方法來實現的，該發電機組包括一個對所述交流發電機進行驅動的發動機，該交流發電機包括一個具有磁極輪的轉子，該方法包括以下步驟至少在該交流發電機的輸出處的負載增加時，改變該磁極輪中的電流以便使交流發電機的輸出電壓達到一個值，這個值低于負載增加之前的值，該磁極輪中電流的改變是取決于發動機的減速度。 通過本發明，磁極輪中的電流甚至在低施加負載的情況下也被適當地降低，并且該發動機扭矩在為增加該發動機的功率而要求的時間段上以一種適當的方式被減少。本發明允許以電壓下降的形式將一種校正施加到交流發電機上，這種電壓下降不再如現有技術中那樣的是固定的，而是例如與該發動機的減速度成比例的。負載增加的越大，速度下降的就越快，這是因為，在施加該負載的時刻，僅旋轉動能的儲備可以對該扭矩要求做出響應。通過本發明，電壓下降于是就大到足以減輕發動機的所要求的扭矩，并且因此幫助它恢復到其額定旋轉速度上。一旦已經達到或者足夠接近這個額定旋轉速度，具體地大于一個預定的閥值，該交流發電機的電壓就被逐漸升高到一個設定點上，這樣做的作用是隨著發動機能力的變化而逐漸地增加所要求的發動機扭矩。發動機的旋轉速度基于交流發電機的輸出電壓的頻率可以是已知的。因此，該發動機的減速度基于在各個瞬間的頻率的知識可以計算出來。該發動機的旋轉速度作為一個變量可以由發動機的或交流發電機的一個速度傳感器來進行測量，例如，以與發動機軸的旋轉速度成比例的頻率來發送脈沖的一個傳感器。這種減速度是通過代表該發動機的旋轉速度的一個數量相對于時間的導數來確定的，并且這個導數可以持續地、以規律的間隔地、或者至少在該發動機的旋轉速度達到這個拐點時被計算出來。隨著發動機的減速度而變化的磁極輪中電流的值的演進可以遵循一個預定的控制規則，例如在一個表中預先記錄的或者計算的。這種計算可以涉及至少一個參數，如在應用這個校正的時刻上的功率水平。可以執行磁極輪中電流的改變以便達到該交流發電機的一個設定點的電壓，該設定點的電壓與該額定電壓之間的偏差取決于例如處于一種線性的或者非線性方式中的減速度。當該發動機的旋轉速度增加時，磁極輪中電流的值可以再次被改變以便使輸出電壓在負載增加之前回到其值上。換句話說，一旦該發動機的旋轉速度再次增加，該磁極輪中電流的值就會可以用一種適當的方式來增加，因此電壓也增加。這種校正可以基于負載增加的一個預定的閥值來被施加，它可是恒定的或是作為至少一個參數(例如該功率水平)的函數而被計算出來。在一個實例中，這種校正是基于發動機減慢到一個預定的速度之下而應用的，有可能的是例如額定速度減小4%，尤其是用于與一個50Hz的額定頻率相對應的額定速度的48Hz的電壓的頻率。這個交流發電機的輸出可以被連接到一個三相網絡上，發動機的額定旋轉速度是例如1500rpm，并且交流發電機的多個相之間的額定輸出電壓是例如400V以及50Hz。施加與發動機的減速度成比例的電壓減少可以例如在頻率下降到低于或者變成等于48Hz時進行。
為了對磁極輪中的電流起作用，有可能的是在交流發電機包括一個勵磁機(它具有一個線圈式定子)時對勵磁機的勵磁電流起作用。磁極輪中的電流的改變可以例如通過減少勵磁機的勵磁電流來進行。具體地說，在交流發電機包括一個勵磁機(其定子包括多個永磁體)的情況下，有可能的是通過以下方式對磁極輪中的電流起作用將一個切換系統安排在該轉子上使之有可能調制該磁極輪中的電流。在這樣的一個變體中，該交流發電機在該轉子處可以包括用于控制該切換系統的一個控制器。一個傳輸系統，例如無線的，可以與位于該交流發電機的定子處的電壓調節器進行通信。該控制器可以控制該切換系統，以便例如通過跨過該磁極輪的這些端子的電壓的一種脈寬調制而對該交流發電機的輸出電壓進行調節。該控制器可以隨著在該交流發電機的輸出處找到的電壓的變化來改變該脈寬調制的占空比。這樣的一個改變使之有可能在負 載變化時改進交流發電機的響應時間。根據本發明的調節方法可以與旨在改進發電機組的運行的其他調節措施相組合，例如，旨在隨著交流發電機的輸出處有效功率的變化而改變燃料噴射到發動機中的流速的多種措施。根據其多個方面中的另一個，本發明的主題進一步是一種用于對發電機組的交流發電機的輸出電壓進行調節的系統，該發電機組包括對所述交流發電機進行驅動的一個發動機，該交流發電機包括一個轉子，該轉子具有一個磁極輪，該調節系統被配置為至少在該交流發電機輸出處的負載增加時改變該磁極輪中電流的值，以便使該交流發電機的輸出電壓到低于負載增加之前的那個值的一個值，磁極輪中電流的值的改變取決于該發動機的旋轉速度的導數，尤其是與該發動機的減速度成比例。該調節系統可以被配置為將該交流發電機的電壓減少到一個設定點的值，對該設定點的值進行選擇的方式為額定電壓與設定點的電壓之間的偏差是例如與這種減速度成比例的。通過施加一個與這種減速度成比例的電壓減少來使輸出電壓降低可以(例如)一旦該電壓的頻率下降在一個預定值之下(例如48Hz，這轉達了施加一個超過預定閥值的負載)時完成。這個調節系統可以被整合到交流發電機的電壓調節器中。發動機的速度調節器的運行可以完全是獨立于根據本發明的調節系統的。本發明的所有以上已經列出的關于該方法的特征同樣認為是關于該調節系統的。


通過閱讀按照后面的實現方式的非限制性實例的詳細說明并且通過查看附圖可以更好地理解本發明，在附圖中圖I表示根據本發明的一個發電機組，圖2和圖3 (已經予以說明)表示了多條電壓-頻率曲線從而展示了根據現有技術的發電機組的運行，圖4和圖5表示多條電壓-頻率曲線從而展示了根據本發明的發電機組的運行，
圖6以一種示意性的方式表示了根據本發明的發電機組的調節鏈，圖7以分離的方式表示了根據本發明的交流發電機，并且圖8和圖9表示根據本發明的一種交流發電機的變體。
具體實施例方式如圖I中所示，根據本發明的發電機組I包括一個發動機2以及一個交流發電機3。發動機2有利地是一個渦輪增壓的發動機，但是本發明不受限于一種具體的發動機類型。
交流發電機3的輸出被連接到例如一個三相網絡上，發動機2的額定旋轉速度wn是例如1500rpm，額定頻率Fn是等于例如50Hz，并且在該交流發電機的多個相之間的額定輸出電壓Un是例如400V。發動機2包括一個速度調節器4，這個速度調節器包括一個噴射計算機，這個噴射計算機對該發動機的噴射(或者這些氣體的控制)進行計算，從而使得旋轉速度w盡可能在額定值wn處保持恒定。發動機2包括一個速度傳感器5,它可以是例如感應的、電容的、或者光學的。傳感器5例如被安排在由發動機2驅動在旋轉之中的一個有齒的環齒輪的前面，并且將多個脈沖(以與旋轉速度w成比例的一個頻率)發送到噴射計算機。速度調節器4計算出用于將發動機2的速度w保持等于其額定值wn的適當的燃料噴射水平。如圖7中所展示的，交流發電機3包括一個電壓調節器6，該電壓調節器監測該交流發電機的輸出處的電壓U并且確定有待施加在磁極輪8中的電流以便保持這個額定的電
壓幅值。調節器6可以是由具有多個永磁體9的一個發電機來供電的，但是本發明并不限于一種特定的為該調節器供電的方式。交流發電機3的轉子19在該說明的實例中包括一個整流器17，該整流器由全波二極管橋構成，從而在勵磁機電樞7的基礎上為一條DC總線23供電。交流發電機3在定子20處包括一個勵磁機感應器28以及這個主要機器的電樞27 (連接到負載30上)。根據本發明的發電機組I包括用于對交流發電機3的輸出電壓進行調節的一個系統，該系統被設計為基于交流發電機3的輸出處的頻率的知識來檢測負載的增加。該調節系統被配置為在檢測到負載的增加超過一個預定的閥值時，改變磁極輪中的電流的值，以便使該交流發電機3的輸出電壓U到低于負載增加之前的值的一個值。磁極輪中的電流的值的改變是取決于代表發動機2的旋轉速度w的一個數量的導數。代表發動機2的旋轉速度w的這個數量在這個實例中被認為是該交流發電機3的輸出電壓U的頻率F。在根據本發明的發電機組中，如圖4中所展示的，電壓下降不是固定的而是例如以一種成比例的方式取決于速度的導數，在這種情況下，當負載增加導致旋轉的頻率F減少到一個值，而這個值低于或等于一個預定值(在這個所考慮的實例中是48Hz)時，電壓U就突然減少了而達到一個運行點105。為了使電壓U減少到一個新的設定點值Uc，磁極輪中的電流的值被改變。設定點的值確定的方式為，在額定電壓Un與設定點的值Uc之間偏差是例如與頻率的導數dF/dt成比例的。隨著頻率導數dF/dt變化的電壓的演進遵循一個預定的控制規則，它可以是列表的并且可任選地取決于至少一個參數，例如功率水平。磁極輪中電流的改變因為減少了扭矩C而協助了發動機2的旋轉速度的w的增加。一旦旋轉速度w增加，磁極輪中電流的值I可以再次被改變，以便使輸出電壓U的值回到負載增加之前的那個值上，到額定運行點100上，如在圖5中所展示的。如圖6中所展示的，在步驟110中頻率F是每個瞬間處測量的，其導數dF/dt是在 步驟112中計算的。在不存在任何應用的校正的情況下，該調節鏈在步驟115將交流發電機的電壓保持在設定點的值114處。有待應用的校正是在步驟113中確定的。步驟111中，系統確定了是否必須應用校正。如果旋轉的頻率F已經減少了多于一個預定的量值，對于50Hz的額定旋轉速度而言，例如已經低于或者變得等于48Hz (這對應于大于4%的變化)，例如就施加校正。電壓調節器可以按一種常規的方式對定子20處的勵磁電流起作用，以便改變磁極輪中的電流并且因此改變電壓U。在圖8和圖9中所表示的變體中，轉子包括一個內置的通信系統，并且該DC總線23被連接到一個切換系統18上。可以設想這是一個濾波電容器21。例如，切換系統18可以(如展示的)由一個續流二極管26以及由一個可切換的電子部件25 (例如一個IGBT晶體管)形成。一個控制器13控制著這個切換系統18，以便通過脈寬調制(在IGBT裝置的實例中)來對磁極輪8中的電流進行調節。脈寬調制的占空比P取決于這個主要機器的輸出電壓，以便盡可能地將交流發電機3發出的電壓保持在希望的值上。轉子包括在該實例中展示的一個電流傳感器10，用于對磁極輪8中的電流進行測量。如此測量的電流的值被傳輸到控制器13上。在說明的實例中，定子20是由一個電源32來提供電力的，并且該勵磁機感應器28是線圈式的。一個HF無線通信系統安排在轉子的控制器13與交流發電機3的定子20的電壓調節器6之間。該無線通信系統是由安排在該轉子處的傳輸模塊14、安排在定子20處的傳輸模塊29、以及連接所述這些模塊的無線傳輸通道15形成的。通過轉子19的電流傳感器10測量的磁極輪8中電流的值是由無線通信系統14、
15、29傳輸到定子20的電壓調節器6上。本發明不限于剛剛已經說明的這些實例。例如，該勵磁機是基于多個永磁體(圖9中的一個變體中)的。除非另外說明，術語“包括一個”應理解為是與“包括至少一個”同義。
權利要求
1.用于對發電機組(I)的交流發電機(3)的輸出電壓(U)進行調節的方法，該發電機組包括對所述交流發電機進行驅動的發動機(2)，該交流發電機(3)包括轉子(19)，該轉子具有磁極輪(8)，該方法包括以下步驟 至少在該交流發電機(3)輸出處的負載的增加時，改變該磁極輪(8)中的電流以便使該交流發電機⑶的輸出電壓⑶達到一個值，該值低于負載增加之前的那個值，在該磁極輪(8)中的電流的改變取決于發動機(2)的減速度。
2.根據前一項權利要求所述的方法，其中該磁極輪(8)中電流的值的改變由于交流發電機⑶的輸出電壓⑶的減少而導致了發動機⑵的旋轉速度(w)的增加，并且其中該磁極輪⑶中電流的值再次被改變，以便使該輸出電壓⑶的值回到負載(30)增加之前的那個值上。
3.根據以上權利要求中的任一項所述的方法，其中該發動機(2)是渦輪增壓的發動機。
4.根據權利要求I到3中的任一項所述的方法，其中該負載的增加對應于該發動機低于一個預定的速度的減慢。
5.根據權利要求4所述的方法，其中該預定的速度是例如額定速度減小4%，尤其是對于同50Hz的額定頻率相對應的額定速度的48Hz的電壓的頻率。
6.根據以上權利要求中的任一項所述的方法，其中該磁極輪(8)的電流的改變是通過減少勵磁機勵磁的電流來進行的。
7.根據權利要求I到5中的任一項所述的方法，其中該磁極輪(8)的電流的改變是例如通過跨過該磁極輪的這些端子的電壓的脈寬調制來進行的。
8.根據權利要求I至7中的任一項所述的方法，其中進行了對該磁極輪(8)的電流(I)的改變以便達到該交流發電機⑶的一個設定點的電壓，該設定點的電壓(Uc)與額定電壓(Un)之間的偏差例如是與減速度成比例的。
9.用于對發電機組⑴的交流發電機(3)的輸出電壓⑶進行調節的系統，該發電機組包括對所述交流發電機(3)進行驅動的發動機(2)，該交流發電機包括轉子(19)，該轉子具有磁極輪(8)，該系統被配置為至少在該交流發電機(3)輸出處的負載增加時改變該磁極輪⑶中電流的值，以便使該交流發電機⑶的輸出電壓⑶達到一個值，該值低于負載增加之前的那個值，該磁極輪(8)中電流的值的改變取決于代表該發動機(2)的旋轉速度的一個數量的導數。
10.根據權利要求9所述的系統，該系統被配置為使該交流發電機(3)的電壓減少到一個設定點的值，該設定點的值被選擇的方式為額定電壓(Un)與該設定點的電壓(Uc)之間的偏差是至少取決于該發動機(2)的減速度。
11.根據權利要求9或10所述的系統，該系統被配置為在施加的負載的增加對應于電壓的低于一個預定值的頻率減少時、例如額定頻率減小4%時，施加電壓減少。
全文摘要
本發明涉及用于調節發電機組的方法。一種用于對發電機組(1)的交流發電機(3)的輸出電壓進行調節的方法，發電機組包括對所述交流發電機進行驅動的發動機(2)，該交流發電機(3)包括轉子(19)，該轉子具有磁極輪，該方法包括以下步驟至少在該交流發電機(3)的輸出處的負載增加時，改變該磁極輪中的電流以便使交流發電機(3)的輸出電壓達到低于負載增加之前的值的一個值，該磁極輪中電流的改變取決于發動機(2)的減速度。
文檔編號H02P9/04GK102966449SQ20111040989
公開日2013年3月13日 申請日期2011年12月9日 優先權日2011年9月1日
發明者讓-馬里·安德烈亞克, 塞繆爾·莫澤, 帕特里斯·貝特熱 申請人:利萊森瑪電機公司