СИСТЕМА И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОМ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
AC GENERATOR CONTROLLING SYSTEM AND METHOD

Область техники
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию способов и систем, предназначенных для регулировки выходного напряжения генераторов переменного тока, а более конкретно, имеет отношение к созданию способов и систем, предназначенных для регулировки выходного напряжения генераторов переменного тока, используемых для поддержания заряда (для зарядки) аккумуляторов.
Предпосылки к созданию изобретения
Существует множество применений, в которых необходимо подавать главным образом постоянную мощность от двигателя внутреннего сгорания. Например, при эксплуатации скважины природного газа двигатель внутреннего сгорания может быть использован для приведения в действие компрессоров и другого оборудования. Такие двигатели внутреннего сгорания могут работать без обслуживания 24 часа в день 7 дней в неделю. В таких применениях необходимо поддерживать заряд в аккумуляторе, связанном с такими двигателями внутреннего сгорания, который типично представляет собой батарею элементов с жидким электролитом.
В сочетании с такими двигателями может быть использован генератор переменного тока, который приводится в действие при помощи двигателя. В качестве примера такого генератора переменного тока можно привести генератор 10 переменного тока, показанный на фиг. 1. Такой генератор 10 переменного тока имеет выход 12, соединенный с батареей элементов с жидким электролитом или с аккумулятором 14. Генератор 10 переменного тока может иметь внутренний регулятор (стабилизатор) 16, который поддерживает выходное напряжение генератора переменного тока с использованием внутренней петли 18 обратной связи, которая типично находится внутри генератора переменного тока. Внутренний регулятор 16 может поддерживать выходное напряжение генератора 10 переменного тока на постоянном уровне, например 14 B в системе 12 B. Недостатком такого генератора 10 переменного тока является то, что аккумулятор 14 может подвергаться дневным или сезонным изменениям условий окружающей среды, которые могут потребовать повышения или понижения выходного зарядного напряжения генератора переменного тока. Например, в относительно холодный день, может быть желательно повысить зарядное напряжение на выходе 12 от 14 B до 14.2 B или 14.3 B. Кроме того, могут быть потери в линии между выходом 12 генератора 10 переменного тока и аккумулятором 14, так что напряжение, которое фактически поступает на клеммы аккумулятора, может быть меньше, чем измеренное на выходе генератора переменного тока и поступающее по цепи обратной связи на внутренний регулятор 16.
Как это показано на фиг. 2, для решения этой проблемы внутренний регулятор 16 генератора 20 переменного тока соединен проводами 22 с клеммами 24 аккумулятора 14, чтобы измерять напряжение дистанционно. Типично, эти провода 22 проложены вдоль силовых проводников 26, идущих с выхода 12 к аккумулятору 14. Генератор 20 переменного тока, имеющий внешние провода 22, соединенные с клеммами 24 аккумулятора, обеспечивает более точное зарядное напряжение, так как он учитывает любое падение напряжения вдоль проводников 26 или падение напряжения за счет сопротивления в точках соединения на выходе 12 или на аккумуляторе 14. Несмотря на то, что система, которая содержит генератор 20 переменного тока и внешние провода 22 для дистанционного измерения напряжения, имеет преимущества по сравнению с генератором 10 переменного тока на фиг. 1, связанные с низкой стоимостью изготовления и с тем, что петля обратной связи обеспечивает повышение точности, эта система имеет недостаток, связанный с тем, что в ней возникает дополнительный механизм отказа.
Если происходит обрыв проводов 22, обеспечивающих обратную связь для внутреннего регулятора 16, или нарушение их соединений с аккумулятором или с генератором переменного тока, то нарушается петля обратной связи генератора 20 переменного тока и внутренний регулятор 16 больше не может управлять напряжением на выходе 12. В такой ситуации выходное напряжение генератора 20 переменного тока будет повышаться до опасного уровня. Это потенциально может приводить к разрушению генератора 20 переменного тока, аккумулятора 14 и, возможно, других подверженных воздействию электронных устройств. Учитывая потенциальный вред от такого вида отказа, выгоды, полученные за счет использования такой системы генератора переменного тока с дистанционным измерением, не оправдывают возникающий риск.
Другие системы, например такие, в которых используют схемы компенсации температурных воздействий или заказные внешние регуляторы, также имеют аналогичную проблему. Если петля обратной связи нарушена, то генератор переменного тока больше не может управлять своим выходным напряжением, что потенциально может приводить к разрушению компонентов электрической системы. В связи с изложенным существует необходимость в создании системы управления генератором переменного тока и способа, в которых используют телеметрический датчик, но в которых исключен риск, связанный с обрывом контура обратной связи.
Раскрытие изобретения
В соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается система управления генератором переменного тока, предназначенная для использования с генератором переменного тока, который сконфигурирован так, чтобы подавать зарядное напряжение на аккумулятор, и имеет внутренний регулятор выходного напряжения, который измеряет и регулирует зарядное напряжение через внутреннюю линию обратной связи. Система может содержать переключатель на внутренней линии обратной связи; источник регулируемого напряжения, соединенный с внутренним регулятором выходного напряжения; внешнюю линию обратной связи, выполненную с возможностью подключения непосредственно к аккумулятору для измерения состояния аккумулятора, получающего зарядное напряжение; и контроллер, подключенный так, чтобы получать сигнал, соответствующий состоянию аккумулятора, по внешней линии обратной связи и в ответ на него избирательно размыкать переключатель и избирательно приводить в действие источник регулируемого напряжения, чтобы избирательно изменять входное напряжение внутреннего регулятора выходного напряжения, что побуждает внутренний регулятор выходного напряжения соответствующим образом изменять выходное напряжение генератора переменного тока, так что напряжение, поступающее на аккумулятор, будет иметь предварительно заданное значение.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается система управления генератором переменного тока, предназначенная для использования с генератором переменного тока, который сконфигурирован так, чтобы подавать зарядное напряжение на аккумулятор, и имеет внутренний регулятор выходного напряжения, который измеряет и регулирует зарядное напряжение через внутреннюю линию обратной связи. Система может содержать переключатель на внутренней линии обратной связи; источник регулируемого напряжения, соединенный с внутренним регулятором выходного напряжения; внешнюю линию обратной связи, выполненную с возможностью соединения с монитором аккумулятора, расположенным на расстоянии от генератора переменного тока и непосредственно у аккумулятора, чтобы определять состояние аккумулятора, получающего зарядное напряжение; и контроллер, подключенный так, чтобы получать от монитора аккумулятора сигнал, соответствующий состоянию аккумулятора, по внешней линии обратной связи и в ответ на него избирательно размыкать переключатель и избирательно приводить в действие источник регулируемого напряжения, чтобы избирательно изменять входное напряжение внутреннего регулятора выходного напряжения, что побуждает внутренний регулятор выходного напряжения соответствующим образом изменять выходное напряжение генератора переменного тока, так что напряжение, поступающее на аккумулятор, будет иметь предварительно заданное значение.
В соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения предлагается способ управления генератором переменного тока, предназначенный для генератора переменного тока, сконфигурированного так, чтобы подавать зарядное напряжение на аккумулятор, и имеющего внутренний регулятор выходного напряжения, который измеряет и регулирует зарядное напряжение через внутреннюю линию обратной связи. Указанный способ может включать в себя следующие операции: использование переключателя на внутренней линии обратной связи; использование источника регулируемого напряжения, соединенного с внутренним регулятором выходного напряжения; измерение, непосредственно на аккумуляторе, состояния аккумулятора, получающего зарядное напряжение, через внешнюю линию обратной связи; и прием сигнала, соответствующего состоянию аккумулятора, по внешней линии обратной связи и в ответ на него избирательное размыкание переключателя, избирательное приведение в действие источника регулируемого напряжения и избирательное изменение входного напряжения внутреннего регулятора выходного напряжения, что побуждает внутренний регулятор выходного напряжения соответственно изменять выходное напряжение генератора переменного тока, так что напряжение, поступающее на аккумулятор, будет иметь предварительно заданное значение.
Указанные ранее и другие характеристики и преимущества система управления генератором переменного тока и способа будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, и из приложенной формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана блок-схема одной известной системы управления генератором переменного тока.
На фиг. 2 показана блок-схема другой известной системы управления генератором переменного тока.
На фиг. 3 схематично показан вариант осуществления заявленной системы управления генератором переменного тока.
На фиг. 4 схематично показан другой вариант осуществления заявленной системы управления генератором переменного тока.
Подробное описание изобретения
Как это показано на фиг. 3, генератор 30 переменного тока снабжен вариантом осуществления заявленной системы управления генератором переменного тока, обозначенной в общем виде позицией 40. Генератор 30 переменного тока может быть приспособлен к его приведению в действие при помощи объединенного с ним двигателя 32 внутреннего сгорания и может вращаться с постоянной скоростью или с регулируемой скоростью. Система 40 управления генератором переменного тока может быть встроена в стандартный генератор 30 переменного тока, регулируемый с использованием внутренней обратной связи, который может иметь выход 12, с которого зарядное напряжение по кабелям 26 поступает на клеммы 24 аккумулятора или аккумуляторной батареи 14, причем внутренний регулятор 16 напряжения считывает зарядное напряжение на выходе 12 при помощи линии 18 обратной связи, которая находится внутри генератора 30 переменного тока.
Система 40 может быть установлена на генераторе 30 переменного тока, поблизости от него или внутри него, и может иметь на (в) линии 18 обратной связи переключатель 42, которым может быть реле с нормально замкнутыми контактами или его электронный эквивалент. Когда переключатель 42 замкнут, как это показано на фиг. 3, система 40 управления генератором переменного тока может быть полностью отключена от линии 18 обратной связи, причем в таком случае регулятор 16 может получать обратную связь внутри генератора, точно так же, как в случае, если бы система 40 управления генератором переменного тока отсутствовала. Система 40 управления генератором переменного тока может иметь контроллер 44, который может быть собран на монтажной плате или которым может быть программируемый логический контроллер, и источник 46 регулируемого напряжения на обходной линии 48. Контроллер 44 может управлять источником 46 регулируемого напряжения. Обходная линия 48 может быть соединена с линией 18 обратной связи, так что источник 46 регулируемого напряжения может быть включен параллельно с переключателем 42.
Контроллер 44 может быть подключен к внешней линии 22 обратной связи, которая подключена к клеммам 24 аккумулятора 14. Контроллер 44 может быть сконфигурирован так, чтобы приводить в действие источник 46 регулируемого напряжения, так чтобы регулировать напряжение на выходе источника регулируемого напряжения, причем этот источник, когда переключатель 42 разомкнут, может добавлять положительное или отрицательное напряжение к напряжению на обходной линии 48, полученному за счет линии 18 обратной связи, идущей с выхода 12 на внутренний регулятор 16. Контроллер 44 может быть сконфигурирован так, чтобы избирательно размыкать и замыкать переключатель 42. За счет размыкания переключателя 42 и приведения в действие источника 46 регулируемого напряжения контроллер 44 может изменять напряжение на внутренней линии 18 обратной связи за счет подключения положительного или отрицательного напряжения последовательно с напряжением на внутренней линии 18 обратной связи. Так как внутренний регулятор 16 стремится поддерживать свое напряжение на уровне заданного значения напряжения, измеренного на входе 49 обратной связи регулятора, обычно равного 14 B системе 12 В, то напряжение на выходе 12 генератора переменного тока будет равно, в этом примере, 14 B плюс или минус напряжение, добавляемое или вычитаемое при помощи источника 46 регулируемого напряжения на обходной линии 48, соединенной последовательно с линией 18.
Таким образом, контроллер 44 может регулировать (подстраивать) выходное напряжение генератора 30 переменного тока, все еще используя настроенный на заводе внутренний регулятор 16, поставляемый фирмой-изготовителем генератора переменного тока. Контроллер 44 может быть сконфигурирован так, чтобы если возникает состояние ошибки или если электропитание не поступает на контроллер, то контроллер 44 может перевести переключатель 42 назад в замкнутое положение и отключить источник 46 регулируемого напряжения, в результате чего будет восстановлена внутренняя обратная связь и таким образом защищена электрическая система.
Как это показано на фиг. 4, в соответствии с другим вариантом осуществления система 50 управления генератором переменного тока может иметь контроллер 52, который сконфигурирован так, чтобы получать информацию по линии 54 связи от монитора 56 аккумулятора. Монитор 56 аккумулятора может быть расположен на расстоянии от генератора 30 переменного тока, на аккумуляторе или аккумуляторной батарее 14 или поблизости от него (нее). В вариантах осуществления монитор 56 аккумулятора может быть подключен к клеммам 24 аккумулятора 14. В этом варианте осуществления монитор 56 аккумулятора может быть сконфигурирован так, чтобы собирать информацию относительно аккумулятора 14, такую как ток в системе, с которой соединен аккумулятор, напряжение аккумулятора и температура аккумулятора. Монитор 56 аккумулятора может быть сконфигурирован так, чтобы анализировать эту информацию и посылать сигнал по линии 54 связи на контроллер 52, запрашивающий заданное выходное напряжение от источника 46 регулируемого напряжения.
Монитор 56 аккумулятора может быть сконфигурирован так, чтобы обеспечивать компенсацию температурных воздействий и многостадийную зарядку или задавать любые другие изменения функционирования источника 46 регулируемого напряжения, производимые при помощи контроллера 52. Так как напряжение считывается при помощи монитора 56 аккумулятора непосредственно на аккумуляторе 14, то могут быть обеспечены все преимущества, достигаемые при помощи внешней обратной связи, но так как эта обратная связь может быть отключена от петли 18 фактической обратной связи регулятора 16, то не возникает ни одна из опасностей, описанных выше относительно варианта осуществления, показанного на фиг. 2.
Монитор 56 аккумулятора в варианте осуществления на фиг.4 может иметь связь с контроллером 52 по линии 54 связи, которая может быть выполнена как двусторонний, последовательный канал связи. Однако следует иметь в виду, что может быть использован любой способ связи, в том числе беспроводная связь. Система 50 может иметь электрическую линию 58 блокировки. Контроллер 52 может быть сконфигурирован так, чтобы электрическая линия 58 блокировки могла отключать электропитание со схемы контроллера 52, и контроллер может быть сконфигурирован так, чтобы замыкать переключатель 42 в таком случае, за счет чего восстанавливается внутренняя обратная связь с регулятором по внутренней линии 18 обратной связи.
В варианте осуществления контроллер 52 и монитор 56 аккумулятора могут быть сконфигурированы так, чтобы контролировать друг друга по каналу 54 связи, за счет чего обеспечивается дополнительное повышение надежности. Например, условия, которые могут побуждать контроллер размыкать переключатель 42 и изменять обратную связь генератора переменного тока, могут предусматривать осуществление системой 50 управления генератором переменного тока проверок безопасности, определение того, что источник регулируемого напряжения работает и установлен на 0 B, определение того, что работает двигатель, связанный с генератором 30 переменного тока, а генератор переменного тока работает надлежащим образом с использованием внутренней обратной связи, причем имеется безошибочная передача данных по каналу связи с монитором 56 аккумулятора, определение того, что напряжение, которое индицирует монитор аккумулятора, находится в заданных процентах отклонения от выходного напряжения генератора переменного тока, что может свидетельствовать о том, что проводка и подключения находятся в норме, определение того, что выходной ток генератора переменного тока находится в заданных пределах, и определение того, что расчет компенсации температурных воздействий выполнен правильно.
Кроме того, контроллер 52 может производить проверку безопасности монитора 56 аккумулятора. Такая проверка безопасности может предусматривать определение того, что двигатель работает и генератор переменного тока работает надлежащим образом с использованием внутренней обратной связи, определение того, что имеется безошибочная передача данных по каналу связи с контроллером 52, и определение того, что напряжение, которое индицирует монитор 56 аккумулятора, находится в заданных процентах отклонения от напряжения аккумулятора, что свидетельствует о том, что проводка и подключения находятся в норме.
Если оба контроллер 52 и монитор 56 аккумулятора проходят вышеупомянутые начальные проверки безопасности, монитор аккумулятора может послать запрос на изменение выходного напряжения генератора 30 переменного тока, и в этот момент контроллер 52 может разомкнуть переключатель 42 и произвести регулировку напряжения на выходе 12, чтобы получить желательное выходное напряжение. При наличии постоянной связи по линии 54 связи контроллер 52 и монитор 56 аккумулятора могут повышать или понижать напряжение на выходе 12 на основании любого числа критериев.
В варианте осуществления контроллер 52 может быть сконфигурирован так, чтобы замыкать переключатель 42, восстанавливая внутреннюю обратную связь генератора 30 переменного тока по линии 18 обратной связи, если он обнаруживает какие-либо неполадки или ошибки. Такими неполадками или ошибками могут быть команда от монитора 56 аккумулятора на замыкание переключателя 42, потеря связи с монитором аккумулятора, ошибки связи, обнаружение проблем проводки или подключений, потеря управления выходным напряжением генератора переменного тока, в том числе появление неожиданных результатов, превышение выходным током генератора переменного тока установленного предела и ошибки вычисления, произведенные монитором аккумулятора.
Монитор 56 аккумулятора и контроллер 52 могут быть сконфигурированы так, чтобы монитор аккумулятора мог отключать электропитание контроллера, в результате чего замыкается переключатель 42 и восстанавливается внутренняя обратная связь с генератором 30 переменного тока по линии 18 обратной связи, если обнаружены какие-либо неполадки или ошибки. Такими неполадками или ошибками могут быть потеря связи с монитором аккумулятора, ошибки связи, обнаружение проблем проводки или подключений, а также неправильное регулирование и неверное или не соответствующее запросу изменение напряжения. Монитор 56 аккумулятора может быть сконфигурирован так, чтобы содержать дополнительные элементы, такие как электрическое устройство десульфатации или устройство отключения при низком напряжении. Как монитор 56 аккумулятора, так и контроллер 52 могут быть сконфигурированы так, чтобы подавать информацию об ошибке или диагностическую информацию на индикатор 60 для оператора, который может быть выполнен в виде матрицы СИД, дисплея или любого другого подходящего средства. Как монитор 56 аккумулятора, так и контроллер 52 позволяют передавать статистические данные на индикатор 60 для оператора, который может быть выполнен в виде матрицы СИД, дисплея или любого другого подходящего средства, причем эти данные могут храниться, локально в памяти, связанной с контроллером 52, или дистанционно, и могут быть использованы для дальнейшего анализа. Индикатор 60 может быть расположен поблизости от монитора 56 аккумулятора или в местоположении, удаленном от монитора аккумулятора.
Описанные системы 40, 50 управления генератором переменного тока позволяют значительно снизить риски, связанные с наличием внешней обратной связи по напряжению, потому что в них имеется два вида обратной связи: внутренняя связь и внешняя связь. В генераторе 30 переменного тока, использованном в системе, может быть использован стандартный, внутренний, регулятор 16 одного напряжения, который по умолчанию получает обратную связь внутренне. Как уже было описано здесь выше, заявленные системы 40, 50 управления генератором переменного тока позволяют переключаться от внутренней обратной связи к внешней обратной связи и наоборот. Этот механизм переключения может быть расположен возможно ближе к регулятору 16 напряжения, чтобы минимизировать проблемы подключений. При внешней обратной связи системы 40, 50 управления генератором переменного тока могут использовать внешнюю обратную связь для любых подстроек напряжения, в том числе в случае компенсации температурных воздействий, многостадийной зарядки или дистанционного считывания. Описанные системы 40, 50 управления генератором переменного тока могут быть сконфигурированы так, что если любым образом нарушена внешняя обратная связь или если потеряно управление генератором 30 переменного тока, то системы могут автоматически вернуться к внутренней обратной связи, что позволяет защитить электрические компоненты системы. Обратная связь во внешнем режиме может быть обеспечена непосредственно по напряжению или за счет использования некоторого типа инфраструктуры связи, проводной или беспроводной.
Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения.