專利名稱：電力發(fā)電機的功率控制器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電力發(fā)電系統(tǒng)，尤其涉及一種具有自動監(jiān)測其容量的電力發(fā)電 機，其與至少一個智能負載相配合，安全地利用傳統(tǒng)上發(fā)電機所產生的剩余發(fā)電容量。
背景技術：
多種專用的電力系統(tǒng)應用和場所需要不依賴于標準電網的電源，在這些應用和場 所中使用電力發(fā)電機。通常，電力發(fā)電機被用作車、船用電源或偏遠地區(qū)電源的原動力，這 些偏遠地區(qū)諸如在鉆油平臺上、小鎮(zhèn)上、小島上、或運輸管線上等地方，電力發(fā)電機通常還 用作在未接入標準電網運行時，最初操作的后備電源。由于電力發(fā)電機充當主要角色，因此希望發(fā)電機可以在所有條件下都能夠作用， 或是至少能夠部分作用。事實上傳統(tǒng)的發(fā)電機受制于其負載，而負載的最大總和可能大大 超過發(fā)電機的額定容量，因此保持發(fā)電機處于滿容量運行是很困難的。因為發(fā)電機本身不 能直接控制其輸出功率；而只能控制它自己的輸出電壓。實際上是發(fā)電機的負載來控制來 自發(fā)電機的輸出功率。這樣，為了避免出現(xiàn)可能會損壞發(fā)電機的過載條件，傳統(tǒng)的發(fā)電機基 于過載條件指示器的檢測結果，諸如過溫，簡單地切斷發(fā)電機。發(fā)電機主要具有額定連續(xù)容量，其定義為在不給發(fā)電機造成損壞的條件下發(fā)電機 可以在一段時間內產生的最大電能總量。發(fā)電機還具有額定浪涌容量，其定義為發(fā)電機可 以在一段給定時間內保持不變的一個值，其中給定時間諸如是發(fā)電機在電能需求時經歷浪 涌的時間，該浪涌是由于發(fā)電機負載在通斷狀態(tài)之間轉變而引起的。額定連續(xù)容量和浪涌容量都是發(fā)電機可以實際處理的非常保守的估計值。也就是 說，大多數(shù)傳統(tǒng)的發(fā)電機都能產生比其額定允許值大很多的電能，而在使用時我們卻忽視 了許多發(fā)電機的發(fā)電能力。但是為了確保發(fā)電機連續(xù)運行，發(fā)電機一般選用具有一個足夠 大的連續(xù)容量，使其可以滿足所有負載同時以滿負荷運行。這種設想的結果常常是選擇一 個其容量大于所需的發(fā)電機，或是增加一個第二發(fā)電機，從而允許連接在第一發(fā)電機上的 負載減小。然而在許多情形下，處于費用、重量、體積、以及使用效率方面的考慮，這些解決 方案并不恰當。因此，需要一種能夠充分利用其容量的發(fā)電機。

發(fā)明內容
本發(fā)明是可以使電力發(fā)電機的全部電力容量被至少一個連接在發(fā)電機輸出端上 的智能負載使用的系統(tǒng)和方法。根據(jù)本發(fā)明，獲取可以確定發(fā)電機的當前輸出功率和發(fā)電機的電力容量的數(shù)據(jù)。并將這些可以表征發(fā)電機的當前輸出功率和發(fā)電機的電力容量的數(shù) 據(jù)提供給智能負載，用于使智能負載確定其功耗。


圖1是表示發(fā)電機的全部發(fā)電容量的典型發(fā)電機的兩個功率與時間關系圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的電力系統(tǒng)的框圖。
具體實施例方式本發(fā)明是涉及一種結合功率控制系統(tǒng)的發(fā)電機，與僅將功耗限制為其額定容量的 現(xiàn)有發(fā)電機不同，本發(fā)明的發(fā)電機力求俘獲和使用發(fā)電機的全部電能。圖1是用于表示發(fā) 電機的全部容量的典型發(fā)電機的功率與時間關系圖。圖1表示發(fā)電機產生的電能總量是 發(fā)電機可以持續(xù)發(fā)電并且發(fā)電機自身的給定現(xiàn)存系統(tǒng)參數(shù)不會有損害的時間的函數(shù)，其中 系統(tǒng)參數(shù)可以是環(huán)境溫度、發(fā)電機各種部件的溫度、發(fā)電機的轉速、發(fā)電機輸出頻率。當系 統(tǒng)參數(shù)變化時，發(fā)電機的容量也隨之發(fā)生變化。例如，當發(fā)電機的環(huán)境溫度升高時，發(fā)電機 的容量降低。這樣，對于不同的系統(tǒng)參數(shù)都存在圖1所示的功率-時間關系6和8，其中功 率-時間關系6表示對于第一套系統(tǒng)參數(shù)(例如，低環(huán)境溫度)的發(fā)電機容量，功率-時間 關系8表示對于第二套系統(tǒng)參數(shù)(例如高環(huán)境溫度)的發(fā)電機能量。如圖1所示，典型的發(fā)電機可以產生相對較高的功率，但是只能保持很短的時間。 當產生的功率減少時，發(fā)電機可持續(xù)產生電能的時間增長。最后，持續(xù)產生的電能停留在一 個穩(wěn)定的值。傳統(tǒng)發(fā)電機的額定持續(xù)容量和額定浪涌容量一般可以由發(fā)電機的功率_時間特 性得出。也就是說，這些額定值主要是由對應于假想惡劣環(huán)境下的發(fā)電機的功率-時間關 系確定的。額定持續(xù)容量一般是假想惡劣環(huán)境下的功率_時間關系的穩(wěn)態(tài)值，而額定浪涌 容量為該持續(xù)容量的倍數(shù)。該額定浪涌容量實際上可以小于發(fā)電機可以發(fā)出的最大電能。本發(fā)明可以使發(fā)電機發(fā)出超過其總容量的電能，而不是僅將發(fā)電機限制為其額定 持續(xù)容量。圖2是根據(jù)本發(fā)明的電力系統(tǒng)10的框圖。電力系統(tǒng)10包括的電力發(fā)電機12， 用于給多個不同類型的負載提供電能。為了便于闡述，圖2所示的發(fā)電機12帶有三個負載 14，16 和 18。如圖2所示，發(fā)電機12是無刷電機，其將原動機19產生的旋轉能量轉換成多相交 流電(AC)。然而本發(fā)明并不僅限于無刷電機，也可以采用其他類型的發(fā)電機來替代無刷電 機12。眾所周知，無刷電機12包括調壓器20 (或控制器或處理器)、具有定子場繞組22和 轉子場繞組24的勵磁器、旋轉整流器25、以及具有轉子場繞組26和定子場繞組28的主電 機。勵磁轉子場繞組24、旋轉整流器25和主電機場繞組26共用一個轉子，并且通過氣隙與 具有勵磁定子場繞組22和主電機定子場繞組28的定子分隔開。發(fā)電機12的傳統(tǒng)發(fā)電工作過程是眾所周知的。在工作時，調壓器20接收來自電 池30的直流(DC)電壓。同時也可使用永磁發(fā)電機或其他DC電壓源來代替電池30。調壓 器20給勵磁定子場繞組22提供第一 DC電壓，隨后形成磁場。勵磁轉子場繞組24在該磁 場中旋轉，產生第一多相AC電壓。然后第一 AC電壓被提供給旋轉整流器25，其將第一 AC 電壓調整為第二 DC電壓并提供給主發(fā)電機轉子場繞組26。然后主發(fā)電機轉子場繞組中的電流產生磁場，隨后在主發(fā)電機定子繞組28的輸出上產生感應多相AC電能。該AC電能被 提供給發(fā)電機12的負載14，16，和18，同時反饋給電壓調節(jié)器20。調壓器20利用該反饋幫助發(fā)電機12的輸出保持為一個恒定的電壓，否則的話發(fā) 電機12的輸出就會因為發(fā)電機12的轉子的可變轉速這樣的因素而變化。調壓器12是通 過測量發(fā)電機12的輸出電壓，和調節(jié)閉環(huán)方式所需的提供給勵磁定子繞組22的電流來實 現(xiàn)這個目的的。發(fā)電機12增加了功率管理邏輯和通訊能力，其允許俘獲并且使用發(fā)電機12的全 部發(fā)電能力，從而對傳統(tǒng)的發(fā)電機進行了改進。本發(fā)明主要使發(fā)電機12增加了控制其自身 電能產生和各種系統(tǒng)參數(shù)的能力、以及由此確定其當前發(fā)電能力的能力，下面將對此有更 加全面的描述。換句話說，本發(fā)明給發(fā)電機12提供了智能，使其可以得出以下問題的答案 “我現(xiàn)在正在作什么？，，“我能夠作什么”。隨后將該信息傳送給至少一個智能負載，該負載 能夠根據(jù)發(fā)電機12的能力調節(jié)其消耗。這樣，就給電力系統(tǒng)10提供了一個機會，使其可以 使用傳統(tǒng)上意義的發(fā)電機12的剩余發(fā)電能力。在圖2的實施方式中，給調壓器20增加了 這些能力，但是在替換實施方式中，可以增加一個單獨的控制器來實施這些技術特征。如上面參照附圖1所描述的，發(fā)電機12的發(fā)電能力(即它所能做什么)直接受到 發(fā)電機12的系統(tǒng)參數(shù)(即它現(xiàn)在在作什么)的影響。由于這個原因，本發(fā)明的一個重要方 面就是發(fā)電機12具有能獲知其系統(tǒng)參數(shù)的能力。因此，發(fā)電機12包括系統(tǒng)傳感器32，用 于感應和/或測量與發(fā)電機12的工作有關的多個系統(tǒng)參數(shù)，諸如其環(huán)境溫度、定子溫度、轉 子溫度、勵磁器產生的能量、轉子的轉速、或輸出信號的頻率。系統(tǒng)傳感器32可以包括硬件 和/或軟件，這些硬件和/或軟件可以包含在一個或多個用于感應、測量、或確定各個系統(tǒng) 參數(shù)的裝置內。此外，系統(tǒng)傳感器32可以采用多種傳統(tǒng)的方式實現(xiàn)。隨后可以表征這些系 統(tǒng)參數(shù)的數(shù)據(jù)被提供給調壓器20。該系統(tǒng)傳感器32包括用于確定輸出端上的電壓和電流 的硬件和/或軟件。重要的是，這些系統(tǒng)參數(shù)還包括提供給發(fā)電機12的輸出端上的電壓，和從發(fā)電機 12的輸出端上引出的電流。通過這兩個值，調壓器20可以計算出當前輸出功率的表示值， 其是發(fā)電機12的輸出端上的電壓和發(fā)電機12的輸出端上的電流的乘積。但該值并不等于 發(fā)電機12實際提供的功率，而是表示所提供功率的校正表示值。系統(tǒng)傳感器32包括硬件 /或軟件，用來確定輸出端上提供的電壓，和引出的電流。其他一些調壓器20所包括的系統(tǒng)參數(shù)的信息是發(fā)電機12以某一特定的輸出功率 運行的時間，如上所述，較高的輸出功率能維持一段時間，因此，發(fā)電機12可以包括一些硬 件和/或軟件，用來監(jiān)測發(fā)電機12在其額定持續(xù)容量之上運行的時間長度。調壓器20估算當前輸出功率的表示值和其余的系統(tǒng)參數(shù)，從而確定發(fā)電機12的 當前工作點。換句話說，調壓器20有效地確定哪條功率-時間曲線是恰當?shù)那€，以及這 條曲線在哪個位置上。從這些信息中，調壓器20可以確定發(fā)電機12的當前電容量。該電 容量是發(fā)電機12可以根據(jù)發(fā)電機12的輸出電壓、輸出電流、以及系統(tǒng)參數(shù)所產生的最大電 能。發(fā)電機12的電容量可以大于、小于、或是等于當前提供的電能；但重要的是，發(fā)電機12 的電容量可以超過發(fā)電機12的額定容量。例如，發(fā)電機12可以在冷天使用高速工作的原 動機19產生比熱天使用低速工作的原動機19更多的電能。本發(fā)明的另一個方面是使用智能負載(即具有用于控制自身耗能的自控制器的負載)，其通過通訊網絡44可通訊地連接到調壓器20上。如圖2所示，發(fā)電機12給負載 14，16和18提供電能。此處，負載14是傳統(tǒng)的“不智能”負載，也就是不具有智能的負載。 但負載16和18是智能負載，這兩個負載都包括用于控制自身負載的功率分布的控制器。特 別是，負載16包括負載控制器34和其自身負載36，而負載18包括負載控制器38和其自身 負載40和42。負載控制器34和38彼此可通訊地相互聯(lián)結，并且經由通訊網絡44和發(fā)電 機12的調壓器20相聯(lián)接。通過給發(fā)電機12以及負載12，16，和18提供智能功能，并且經 由通訊網絡44可通訊地連接每個設備，本發(fā)明可以改進能量的分布。通訊網絡44可以采用任意的通訊協(xié)議實現(xiàn)。例如，通訊網絡44可以采用一種ISO 標準通訊協(xié)議，如控制器局域網絡(CAN)來實現(xiàn)。負載控制器34和38接收傳送給負載16和18的電能，并將其轉換成相關負載的 有用形態(tài)。負載控制器34和38進一步接收和估算發(fā)電機12的當前輸出功率的代表值和 電容量，用于確定是否要調節(jié)各個負載16和18的能耗。負載16和18的負載控制器34和 38都具有他們所力爭的性能設定點。負載控制器34和38還包括傳感器(圖2中未示出)， 用于測量負載16和18的實際性能。通過估算還要做多少工作才能達到它的性能設定點， 發(fā)電機12當前提供的電能量、發(fā)電機12輸出的可以使用的電能量，負載控制器34和38可 以對要消耗多少電能作出一個智能決定。例如，如果負載18是一種車用空調系統(tǒng)，其中負載40是壓縮電機，負載42是壓縮 機的風扇電機，那么負載18會構成一個很大的負載。在該例中，空調控制器(負載控制器 38)可以估算出發(fā)電機12可以提供多少電能，以及空調系統(tǒng)(負載18)的運行狀況來確定 是否要調節(jié)其耗能。這樣，當空調系統(tǒng)(負載18)最初被設置成對熱空間制冷時，并且在發(fā) 電機12具有額外容量(也就是其電容量超過當前產生的功率)，空調控制器(負載控制其 38)可以優(yōu)選使空調系統(tǒng)(負載18)以較高的能耗率工作，直到到達其性能設定點，或是直 到發(fā)電機12減少了其容量。如果發(fā)電機12超過其容量工作(電容量小于當前產生的功 率)，空調控制系統(tǒng)(負載控制器38)可以選擇減少其電能消耗。這樣，空調系統(tǒng)(負載18) 可以不以較低的設置連續(xù)運行，而是在一段時間內利用發(fā)電機12的額外運行能力，較快地 完成其工作。負載控制器38和34還可以通過包括檢測計算負載16和18的輸入電壓和引出電 流的傳感器來計算其消耗的電能。由于具有發(fā)電機12，負載控制器38和34可以計算并且 依賴于實際消耗的電能的代表值，諸如電流乘以消耗的電壓。通過知曉其自身的消耗，負載 控制器34和38可以估算出其工作點，從而確定其自身容量。這樣，發(fā)電機12可以超過其 額定連續(xù)容量工作，智能負載16和18可以超過其額定連續(xù)消耗容量工作。這正是僅計算 溫度或電流，并且當超過預定極限值時關斷設備的現(xiàn)有負載控制器的改進點。估算能量耗 能的另一優(yōu)點是負載控制其34和38可以用實際的電能消耗和預測的電能消耗相比較，用 于識別元件的耗損、所需維護、或是顯著的故障。在使用時負載16和18在系統(tǒng)10內按優(yōu)先級排序，用以避免當發(fā)電機12宣布(通 告)其容量增加時，智能負載16和18同時從發(fā)電機12中獲取過多的電能。由此，在具有 較高優(yōu)先級的負載決定要對其耗電進行調節(jié)以前，具有較低優(yōu)先級的負載沒有機會增加其 耗電。負載控制器38和34還可以與他們的功耗代表值相互通訊，并且通過通訊網絡44
6與發(fā)電機12通訊，從而使能量的分布更加智能化。這樣，發(fā)電機12和負載16和18都能夠 最好地師整個電力系統(tǒng)10的優(yōu)化工作，而不是在只關心自己工作好壞的真空環(huán)境下工作。 該通訊還可以對負載優(yōu)先級進行動態(tài)登記。例如，如果負載16被指定為一個較高的優(yōu)先 級，并且比負載18更先于達到其設定點，則為了改進系統(tǒng)的性能，發(fā)電機12可以重新登記 優(yōu)先級。通過使負載控制器34和38與調壓器20通訊，負載控制器34和38可以要求調壓 器20調節(jié)提供給它的電能。例如，如果負載控制器38認為負載16可以使用更多的電能來 更好地滿足其設定點，但同時也意識到負載16不能再承受電流增加，則負載控制器38可以 給發(fā)電機12的調壓器20發(fā)出“調整”請求，或是暫時加大其輸出電壓，這樣最終結果雖然 增加了功率但電流不會增加?？梢酝ㄟ^給引起發(fā)電機12的轉子旋轉的原動機19增加“智能化”或是一個控制 器，來進一步改進電力系統(tǒng)10。這有助于在需要時可以讓原動機19控制其上的電能產生的 負荷。例如，在原動機19是汽車中的發(fā)動機，并且汽車需要加速的情況下，如汽車要企圖通 過交通路口或是要爬山時，原動機19可以給發(fā)電機12的調壓器20發(fā)出通知，要求其減少 功率消耗。調壓器20可以通過減少發(fā)電機12的輸出電壓來回應該請求，由此減少其產生 的功率以及原動機19上的負荷。也可以是，原動機19可以請求發(fā)電機12產生的電能由電 系統(tǒng)10傳送給另一負載系統(tǒng)，諸如汽車的傳輸系統(tǒng)。調壓器20不能由其負載來控制消耗。如果智能負載16和18沒有對調壓器20的 減少其消耗的請求作出回應，則調壓器20可以通過降低其輸出電壓來促使輸出功率減少。 由于電功率是輸出電壓和輸出電流的乘積，因此這種行為使得發(fā)電機12產生的功率減少?？偟膩碚f，本發(fā)明是一種電力發(fā)電機，其全部電能都可以被至少一個連接在其輸 出端上的智能負載所消耗。該發(fā)電機具有自動檢測能力，使其可以確定發(fā)電機的當前輸出 功率(即現(xiàn)在在做什么)，并且由此來確定發(fā)電機的容量(即能做什么)。然后經由通訊網 絡將這些結果告知給智能負載，用于使智能負載控制其能耗。雖然已經參照優(yōu)選實施方式對本發(fā)明進行了描述，但是本領域的技術人員應該認 識到可以在不脫離本發(fā)明精神和范圍的情況下對發(fā)明的形式和細節(jié)進行變化。
權利要求
一種電力系統(tǒng)，包括多個可變負載；發(fā)電機，經由輸出端給可變負載提供電能；多個系統(tǒng)傳感器，感測與發(fā)電機的運行相關的多個發(fā)電機參數(shù)，這些發(fā)電機參數(shù)包括發(fā)電機的輸出端上的電壓以及從發(fā)電機輸出端上流出的電流；發(fā)電機控制器，其與多個系統(tǒng)傳感器相連接，用于接收可以表征多個發(fā)電機參數(shù)的數(shù)據(jù)，并且由此確定當前發(fā)電機輸出功率的代表值以及發(fā)電機的電力容量；至少一個負載控制器，其可通訊地連接在發(fā)電機控制器上，用于接收可以表征當前發(fā)電機輸出功率的代表值以及發(fā)電機電力容量的數(shù)據(jù)，并且控制至少一個可變負載的功耗，其是當前發(fā)電機輸出功率代表值和發(fā)電機電力容量的函數(shù)。
2.根據(jù)權利要求1的電力系統(tǒng)，其中發(fā)電機參數(shù)進一步包括至少一個從以下組中選出 的參數(shù)環(huán)境溫度、定子溫度、轉子溫度、轉速、輸出信號頻率。
3.根據(jù)權利要求1的電力系統(tǒng)，其中發(fā)電機參數(shù)進一步包括發(fā)電機已經在其額定連續(xù) 容量之外運行的時間長度。
4.根據(jù)權利要求1的電力系統(tǒng)，其中至少一個負載控制器具有多個負載控制器，這些 控制器經由通訊網絡相互之間可通訊地連接并且與發(fā)電機控制器可通訊地連接。
5.根據(jù)權利要求4的電力系統(tǒng)，其中每個負載控制器在確定其負載的功耗時估算其負 載的性能設定點、其負載的被測性能、其負載當前消耗的電能代表值、其負載的電力功耗容 量、當前的發(fā)電機輸出功率代表值、以及發(fā)電機的電力容量。
6.根據(jù)權利要求5的電力系統(tǒng)，其中每個負載控制器將其負載的當前功耗和其負載的 功耗容量都經過通訊網絡發(fā)送給其他的負載控制器和發(fā)電機控制器。
7.根據(jù)權利要求4的電力系統(tǒng)，其中發(fā)電機控制器響應于來自一個負載控制器的請求 對發(fā)電機的輸出電壓進行調節(jié)。
8.根據(jù)權利要求4的電力系統(tǒng)，其中負載控制器具有與其相關優(yōu)先級值，該優(yōu)先級值 用于確定次序，負載控制器按該次序確定其負載的功耗。
9.根據(jù)權利要求1的電力系統(tǒng)，進一步包括原動機，給發(fā)電機提供一個旋轉勢能，發(fā)電機將該勢能轉化為電能；原動機控制器，其控制原動機的旋轉，并且通過通訊網絡可通訊地連接到發(fā)電機控制 器上，其中發(fā)電機控制器響應于來自原動機控制器地請求調節(jié)原動機上的發(fā)電機的發(fā)電負 載。
全文摘要
一種電力系統(tǒng)，包括多個可變負載；發(fā)電機，經由輸出端給可變負載提供電能；多個系統(tǒng)傳感器，感測與發(fā)電機的運行相關的多個發(fā)電機參數(shù)，這些發(fā)電機參數(shù)包括發(fā)電機的輸出端上的電壓以及從發(fā)電機輸出端上流出的電流；發(fā)電機控制器，其與多個系統(tǒng)傳感器相連接，用于接收可以表征多個發(fā)電機參數(shù)的數(shù)據(jù)，并且由此確定當前發(fā)電機輸出功率的代表值以及發(fā)電機的電力容量；至少一個負載控制器，其可通訊地連接在發(fā)電機控制器上，用于接收可以表征當前發(fā)電機輸出功率的代表值以及發(fā)電機電力容量的數(shù)據(jù)，并且控制至少一個可變負載的功耗，其是當前發(fā)電機輸出功率代表值和發(fā)電機電力容量的函數(shù)。
文檔編號H02P9/04GK101902194SQ20101025199
公開日2010年12月1日 申請日期2006年6月16日 優(yōu)先權日2005年6月17日
發(fā)明者M·魯波, R·溫賴特, W·W·齊 申請人:哈米爾頓森德斯特蘭德公司