專利名稱：涉及電起動和發(fā)電的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此公開的主題涉及與在車輛中發(fā)電有關(guān)的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
例如包括商用和軍用車輛的許多車輛可包括發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其給包括諸如電動機(jī)或電子裝置之類的本地裝備的各種裝備及其他可連接至該系統(tǒng)的外部裝備提供電力。典型的發(fā)電機(jī)系統(tǒng)由可使用燃燒以機(jī)械地驅(qū)動發(fā)電機(jī)的原動機(jī)來提供動力。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，一種發(fā)電系統(tǒng)包括:原動機(jī)；發(fā)電機(jī)，其機(jī)械地連接至原動機(jī)，所述發(fā)電機(jī)包括磁場繞組部分和電樞繞組部分；直流總線節(jié)點(diǎn)；第一變頻驅(qū)動器，其具有電連接至總線節(jié)點(diǎn)的輸入和電連接至電樞繞組部分的輸出；以及變換器，其具有電連接至總線節(jié)點(diǎn)的輸入和電連接至磁場繞組部分的輸出。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種用于起動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的方法包括:將直流電從直流電源輸出至變換器；將直流電變換成交流電，并向發(fā)電機(jī)的磁場繞組部分輸出交流電；將直流電從直流電源輸出至變頻驅(qū)動器；將直流電變換成交流電，并將交流電從變頻驅(qū)動器輸出至發(fā)電機(jī)的電樞繞組部分；使發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動原動機(jī)，所述原動機(jī)機(jī)械地連接至發(fā)電機(jī)；以及起動原動機(jī)。這些及其他的優(yōu)點(diǎn)和特征將從以下結(jié)合附圖的說明變得更加明顯。


在說明書所附的權(quán)利要求中特別指出并清楚地要求保護(hù)被認(rèn)為是本發(fā)明的主題。本發(fā)明的前述及其他的特征和優(yōu)點(diǎn)將從以下結(jié)合附圖的詳細(xì)說明中顯現(xiàn)，附圖中:
圖1圖示了系統(tǒng)的示例性實(shí)施例的框圖。圖2圖示了圖1的系統(tǒng)的構(gòu)造的框圖。圖3圖示了系統(tǒng)的可替代的示例性實(shí)施例的框圖。借助于參考附圖的示例，以下的詳細(xì)描述對本發(fā)明的實(shí)施例以及其優(yōu)點(diǎn)和特征進(jìn)行了說明。
具體實(shí)施例方式圖1圖示了系統(tǒng)100的示例性實(shí)施例的框圖。系統(tǒng)100包括機(jī)械連接至發(fā)電機(jī)101的原動機(jī)102,發(fā)電機(jī)101具有:勵磁機(jī)部分,其包括勵磁機(jī)電樞繞組104和勵磁機(jī)磁場繞組106 ;旋轉(zhuǎn)整流器部分108 ;和主發(fā)電機(jī)部分，其包括主發(fā)電機(jī)磁場繞組110和主發(fā)電機(jī)電樞繞組112。原動機(jī)102可包括任何合適的機(jī)器，例如內(nèi)燃發(fā)動機(jī)或燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)。圖示的實(shí)施例包括電連接至整流器114的兩個主發(fā)電機(jī)電樞繞組112。兩個主發(fā)電機(jī)電樞繞組112的使用允許對12脈沖型整流器14的使用。替代的實(shí)施例可包括例如連接至6脈沖型整流器114的單組主發(fā)電機(jī)電樞繞組112。系統(tǒng)100包括直流(DC)系統(tǒng)總線(DC總線)116，直流系統(tǒng)總線116包括總線節(jié)點(diǎn)117。電池118和DC負(fù)載120經(jīng)由雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器122連接至DC總線116，所述雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器將DC電壓轉(zhuǎn)換成更高或更低的DC電壓?？删幊梯敵鲎儞Q器124連接至DC總線116，并可操作以將來自總線的DC電力變換成交流電AC。在圖示的示例中，可編程輸出變換器124可輸出60 Hz或400 Hz的電力。在這一點(diǎn)上，60 Hz的電力可以在系統(tǒng)運(yùn)行模式期間經(jīng)由濾波器126輸出至60 Hz負(fù)載128，而400 Hz的電力可以在系統(tǒng)起動模式期間輸出至勵磁機(jī)磁場繞組106。電壓調(diào)節(jié)器130連接至DC總線116，并在系統(tǒng)運(yùn)行模式期間向勵磁機(jī)磁場繞組106提供電力。一對變頻驅(qū)動器(VFD) 132連接至DC總線116，并且可操作以通過將來自總線的DC電力變換成輸出到牽引電動機(jī)134的三相AC輸出，從而驅(qū)動相應(yīng)的牽引電動機(jī)134。來自VFD 132的三相AC輸出還可被輸出至主發(fā)電機(jī)電樞繞組112的相應(yīng)的相。多個接觸件或開關(guān)裝置(Kl-Kll) 133布置在系統(tǒng)100中，以允許系統(tǒng)從起動模式到運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)100 (和以下描述的300)允許系統(tǒng)通過利用多功能設(shè)備從而在減少了部件數(shù)量的情況下以起動配置和運(yùn)行配置來進(jìn)行操作。例如，輸出變換器的使用在起動模式期間向繞制磁場的同步發(fā)電機(jī)(wound field synchronous generator) (WFSG)提供 400 Hz 的勵磁電力，并在發(fā)電(運(yùn)行)模式期間提供60 Hz的AC電力。與還包括有可操作以僅驅(qū)動發(fā)電機(jī)的附加VFD的情形相比，對驅(qū)動發(fā)電機(jī)101和起動原動機(jī)102的VFD 132的使用，減少了系統(tǒng)中VFD的數(shù)量。而且，可編程輸出變換器124的使用則允許單個變換器單元在起動配置期間(以較高的頻率)向勵磁機(jī)磁場繞組106提供勵磁電流，并在運(yùn)行操作期間向60Hz負(fù)載128提供60 Hz的電力。圖1圖示了具有以起動模式配置來調(diào)整的接觸件133的系統(tǒng)100。在這點(diǎn)上，在起動配置中，接觸件K1、K2、K4、K5、K8和KlO斷開(open)，并且接觸件K3、K6、K7、K9和Kll閉合(closed)。因此，在起動模式下，電池118向雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器122輸出低壓DC (例如24 Vdc)，雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器122則將所述低壓DC轉(zhuǎn)換成給DC總線116提供電力的高壓DC (例如300-800 Vdc)?？删幊梯敵鲎儞Q器124從DC總線116接收DC電力，并變換所述DC電力，以向勵磁機(jī)磁場繞組106輸出AC電力(例如400 Hz)。VFD 132從DC總線116接收DC電力，并向主發(fā)電機(jī)電樞繞組112輸出AC電力。VFD 132驅(qū)動主發(fā)電機(jī)磁場繞組110和機(jī)械地連接至原動機(jī)102的勵磁機(jī)電樞繞組104。原動機(jī)102的旋轉(zhuǎn)使得原動機(jī)102起動。一旦原動機(jī)102已起動并加速至超過了工作速度下限閾值，則系統(tǒng)100可以被調(diào)整以進(jìn)入運(yùn)行操作模式。圖2圖示了處在操作的運(yùn)行模式下的系統(tǒng)100的示例性實(shí)施例。在這點(diǎn)上，在運(yùn)行模式配置中，接觸件K3、K6和Kll斷開，并且接觸件K1、K2、K4、K5、K7、K8、K9和KlO閉合。閉合的接觸件K5允許來自主發(fā)電機(jī)電樞繞組112的AC電力由整流器114整流成供應(yīng)DC總線116的高壓DC。閉合的接觸件K7和K8以及K9和KlO允許VFD 132驅(qū)動牽引電動機(jī)134。電壓調(diào)節(jié)器130調(diào)節(jié)來自DC總線116的電力，以便為勵磁機(jī)磁場繞組106提供勵磁。雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器124對來自DC總線116的DC電力進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便給電池118充電和向DC負(fù)載120提供電力?？删幊梯敵鲎儞Q器124從DC總線116接收DC電力并對所述DC電力進(jìn)行變換，以便將AC電力(例如，60 Hz)經(jīng)由輸出濾波器126輸出至60 Hz負(fù)載128。
圖3圖示了系統(tǒng)的可替代示例性實(shí)施例300。系統(tǒng)300類似于以上描述的系統(tǒng)100，然而系統(tǒng)300包括連接至DC總線116和相應(yīng)電動機(jī)134的單個VFD 132。系統(tǒng)300的起動模式和運(yùn)行模式類似于以上描述的系統(tǒng)100的起動和運(yùn)動模式配置。盡管已經(jīng)結(jié)合僅有限數(shù)量的實(shí)施例來詳細(xì)描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)很容易理解的是，本發(fā)明不局限于這些公開的實(shí)施例。更確切地，本發(fā)明可改進(jìn)，以結(jié)合在此以前未描述但與本發(fā)明的精神和范圍相當(dāng)?shù)脑S多變型、變更、替換或等同布置。另外，盡管已描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但應(yīng)理解的是，本發(fā)明的方面可以僅包括所描述的實(shí)施例中的一些實(shí)施例。因此，本發(fā)明不應(yīng)被看作由前述說明限制，而是僅由所附權(quán)利要求的范圍限制。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)電系統(tǒng)，包括: 原動機(jī)； 發(fā)電機(jī)，其機(jī)械地連接至所述原動機(jī)，所述發(fā)電機(jī)包括磁場繞組部分和電樞繞組部分； 直流總線節(jié)點(diǎn)； 第一變頻驅(qū)動器，所述第一變頻驅(qū)動器具有電連接至所述總線節(jié)點(diǎn)的輸入和電連接至所述電樞繞組部分的輸出；以及 變換器，所述變換器具有電連接至所述總線節(jié)點(diǎn)的輸入和電連接至所述磁場繞組部分的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括第一電動機(jī)，所述第一變頻驅(qū)動器的輸出電連接至所述電動機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括電連接至所述總線節(jié)點(diǎn)的雙向直流至直流轉(zhuǎn)換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括電連接至所述雙向直流至直流轉(zhuǎn)換器的電池。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述變換器是可編程變換器，其可操作以從所述總線節(jié)點(diǎn)接收直流電并且輸出具有第一頻率的交流電。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述變換器還可操作以輸出具有第二頻率的交流電。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述變換器可操作，以便在起動操作模式期間向所述磁場繞組部分輸出具有所述第一頻率的交流電。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，所述變換器可操作，以便在運(yùn)行操作模式期間向電連接的負(fù)載輸出具有所述第二頻率的交流電。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括整流器，所述整流器具有連接至所述電樞繞組部分的輸入和連接至所述總線節(jié)點(diǎn)的輸出。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中，所述第一變頻驅(qū)動器可操作，以便在起動操作模式期間向所述電樞繞組部分輸出交流電，和在運(yùn)行操作模式期間向所述第一電動機(jī)輸出交流電。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述電樞繞組部分包括第一組三相電樞繞組和第二組三相電樞繞組。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括第二變頻驅(qū)動器，所述第一變頻驅(qū)動器的輸出被電連接至所述第一組三相電樞繞組，并且所述第二變頻驅(qū)動器的輸出被電連接至所述第二組三相電樞繞組。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括第二電動機(jī)，所述第二變頻驅(qū)動器可操作，以便在起動操作模式期間向所述第二組三相電樞繞組輸出交流電，和在運(yùn)行操作模式期間向所述第二電動機(jī)輸出交流電。
14.一種用于起動發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的方法，所述方法包括: 將直流電從直流電源輸出至變換器； 將所述直流電變換成交流電，并向發(fā)電機(jī)的磁場繞組部分輸出所述交流電；將直流電從所述直流電源輸出至變頻驅(qū)動器； 將所述直流電變換成交流電，并且將所述交流電從所述變頻驅(qū)動器輸出至所述發(fā)電機(jī)的電樞繞組部分； 使所述發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動原動機(jī)，所述原動機(jī)機(jī)械地連接至所述發(fā)電機(jī)；以及 起動所述原動機(jī)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述方法還包括:響應(yīng)于起動所述原動機(jī)，停止將交流電從所述變頻驅(qū)動器輸出到所述發(fā)電機(jī)的電樞繞組部分。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述方法包括:響應(yīng)于停止將交流電從所述變頻驅(qū)動器輸出到所述發(fā)電機(jī)的電樞繞組部分，將來自所述發(fā)電機(jī)的電樞繞組部分的交流電輸出至整流器部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，輸出到所述發(fā)電機(jī)的磁場繞組部分的交流電具有第一頻率。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述方法包括:響應(yīng)于停止將交流電從所述變頻驅(qū)動器輸出到所述發(fā)電機(jī)的電樞繞組部分，將交流電從所述變頻驅(qū)動器輸出至電動機(jī)。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述方法包括: 響應(yīng)于起動所述原動機(jī)，使輸出到所述發(fā)電機(jī)的磁場繞組部分的交流電輸出停止；以及 向所述磁場繞組部分輸出直流電。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述方法包括:響應(yīng)于使輸出到所述發(fā)電機(jī)的磁場繞組部分的交流電輸出停止 ，將具有第二頻率的交流電輸出到負(fù)載。
全文摘要
本發(fā)明是關(guān)于涉及電起動和發(fā)電的系統(tǒng)和方法。具體地，提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，包括原動機(jī)；發(fā)電機(jī)，其機(jī)械地連接至原動機(jī)，發(fā)電機(jī)包括磁場繞組部分和電樞繞組部分；直流總線節(jié)點(diǎn)；第一變頻驅(qū)動器，其具有電連接至總線節(jié)點(diǎn)的輸入和電連接至電樞繞組部分的輸出；以及變換器，其具有電連接至總線節(jié)點(diǎn)的輸入和電連接至磁場繞組部分的輸出。
文檔編號F02B63/04GK103161640SQ20111042292
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月16日
發(fā)明者G.I.羅斯曼, S.J.莫斯 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司