[发明专利]用于产生交流输出信号的系统和方法

说明书

相关申请

该申请要求来自递交日期为2007年3月27日的第60/907,248号美 国临时申请的优先权，特此通过引用被并入，如同这里进行充分阐述。

发明领域

本发明涉及具有潜在地可变速度却按照恒定输出产生电能的系统和 设备，尤其涉及特别具有电压调节系统的系统和设备。

发明背景

通过使用发电机产生电能对现代生活来说是重要的。这些发电机需 要某种外部能量以运转，该外部能量例如可以是某种类型的化石燃料和/ 或可再生能量。然后发电机消耗该能量源以产生电能。然而，电力输出保 持恒定以使产生的电能可用是重要的。

如果发电机的机轴速度保持恒定，电力输出就能够保持恒定。然而， 发电机的机轴速度不可能一直保持在恒定速率。因此，某些发电机已经依 赖至少维持在最小速度，使得根据机轴的最小速度来确定提供的电力输 出。如果机轴速度增加到超过该最小速度，所产生的超额电力就被丢弃并 因此被浪费掉了。

已经尝试了各种解决方案，但没有解决方案已经完全解决交流(AC) 发电机的该问题。例如，第5541483号美国专利提供了一种方法，用于控 制直流(DC)电动机或发电机，尤其是永磁类的DC电动机或发电机。 由于AC和DC发电机之间的功能差异，所描述的解决方案对AC发电机 无效。

第2004/0257050号美国专利申请描述了一种用于产生恒定电流的方 法和设备，其尝试通过控制发电机输出的电流来克服与潜在地可变机轴速 度相关联的缺陷，因而实现了恒定水平的输出电流。因此，该描述的发明 涉及较复杂的电流的稳定。

为实现稳定的电压输出而尝试的各种解决方案已经包括使用惯性和 摩擦力作为缓和机轴速度波动的手段；使用转距控制来控制机轴速度；或 将波动的AC电转换为DC电，然后再将其转换为标准的电网AC电力。 显然所有这些方法都非常浪费能量。

在使用可再生能量源的努力中，已经引入了使用“自然”能量的系 统和设备，“自然”能量例如通过使用风力涡轮机来使用的风能，通过使 用太阳能板来使用的太阳能，水力，例如波浪或潮汐力等。已知风会很经 常性地增大或减小风力和/或改变方向，风能可能是尤其多变的。然而， 所有这些“自然”能量源都可被认为是具有不稳定的动力水平。因此，对 于可再生能量，将不稳定的机械动力转换为稳定的电力的能力在多种应用 中具有较大需求。

该领域已经提出了各种解决方案来克服可再生能量源的不稳定性， 并尤其针对风能的产生。例如，第7068015号美国专利提供了一种风力的 解决方案，其是通过根据由测量输出电压或电流确定的反馈来调整依据风 力涡轮机的转动速度的磁场。第2004/0119292号美国专利申请提供了一 种方法，用于通过控制发电机的转距来控制发电机的机轴速度，如以上所 记述的，这是一种有缺点的解决方案。所教导的方法进一步需要操作二极 管整流器，这是另一个缺点。

第5083039号美国专利通过控制发电机的磁场、控制定子电流来控 制电力输出。然而，改变定子电流导致发电机转距的改变。为了补偿转距 的改变，要通过改变涡轮机“翼(wings)”或叶片的倾角来控制机轴速度， 由于风的状况，这可能是有缺点的，并且在任何情况下这都是有缺点的， 因为它需要额外消耗能量。类似地，第6137187号美国专利也是有缺点的， 因为它需要倾角控制系统。

发明概要

术语“恒定电输出”的意思是具有恒定峰值电压的交流输出信号。

本发明提供了一种系统和方法，用于检测以可变转动速度转动的机 轴的转动速度，并响应于该检测的速度控制AC发电机的磁场。该控制包 括利用向AC发电机供应电流的DC发电机。该电流决定了AC发电机的 磁场。能够以维持AC发电机的输出信号的峰值电压大致恒定的方式来控 制该磁场，尽管机轴的转动速度是变化的。

AC发电机感应的电磁力取决于法拉第定律：

其中：

EMF(电磁场)是输出电压。是线圈的切线速度。

L是穿过磁通的线圈长度。

B是磁场强度。

sin(θ)是线圈与磁通之间角度的正弦值。