[发明专利]用来起动大型同步旋转电机的电源系统

说明书

本发明概括地涉及可旋转的交流同步电动发电机，并更具体地介绍这种电机的起动系统;这种起动系统是用来起动大型柴油机的，其曲轴是与发电机转子相联接的。

大型自推进牵引机车（如火车头）通常都装备有“电力输送系统”。这类系统一般包括一台主同步发电机（有时称为牵引交流发电机），它向若干直流牵引电动机供电。这些直流（d-c）电动机的转子通过齿轮减速机构与机车的有关＊动滑车联结起来。发电机的转子在机械上是由机车上的热原动机（一般是12缸或16缸柴油机）的曲轴驱动的。当发电机转子上的励磁绕组通过励磁电流时，在电机定子的三相绕组中就产生交变电势。定子绕组的交变电势经过整流后，加到牵引电动机的电枢绕组上。通过适当地控制励磁的强度和柴油机的转速，即可控制和改变交流发电机的输出功率。

上述自推进机车由于其引擎没有运行而有时实际上将会停止工作。为了使它重新工作，需要采用适当的方法转动曲轴，使引擎运转起来，以前惯用的引擎“启动”功能通常是应用一台辅助直流发电机，其转子与曲轴在机械上耦合在一起，并且暂时运行于电动机工作状态而进行的，其电枢绕组用车上的蓄电池供电。一份1969年的英国专利（№1164957）提出，主发电机本身可以用作供起动引擎用的同步电动机。因此可以把分开使用的起动电动机所占用的空间、重量、成本和机械磨损等节省下来。然而，在后者情况下，其起动系统必须包含适当的装置，藉以将蓄电池的直流电转变为可以变频的三相交流电，这就是牵引发电机工作在电动机方式时所需要的。

在应用现有技术的，由机车蓄电池、电力换能器和上述三相交流同步发电机组成的引擎起动系统中，为了起动引擎的曲轴，电机转子的初始输出转矩以及定子绕组的电流必须相当大。当转子从静止状态加速起来时，所需的转矩和电流就比较小。而负载电流的基波频率将随转速（转/分）而增高。在这种起动工作方式中，换能器会给发电机提供变化合适的电流量值和频率，直到引擎曲轴的转速达到或超过维持其正常运行所需的最小转速为止。

一种非常适用于上述系统的特殊换能器就是通常所说的电流馈电的“三次谐波”辅助脉冲整流逆变器。关于这种逆变器的整流原理及其典型的用途曾在R.L.Steigerwald和T.A.Lipo合写的论文中描述过，该论文的题目是：《把一种新颖的强迫整流起动方案用于负载整流的同步电动机驱动的分析》该论文是于1977年10月2-4日，在美国加利福尼亚州，洛杉矶市举行电机及电子工程师学会/航空科学研究院（IEEE/IAS）年会上所推荐的，并于《IEEE文摘》（“IEEETRANS”）的1979年1月/2月第IA-15卷，第一期中重新发表的。在这里特予引用以作参考。

一台三次谐波辅助脉冲整流逆变器包括六个主要单向导通可控电子元件，如闸流晶体管。它们彼此联结成若干对同向串联的交替导通的整流元件，以便在一组三相交流端子与一对直流端子之间形成普通的三相双路六脉冲电桥。电桥的直流端子可与合适的、相当平稳的直流电源相连接，例如大容量多单元大型蓄电池。上述电桥的交流端子分别连到三相负载电路的各相。负载电路一般包括大型同步电动机的星形联结的三相定子绕组。

为了对负载电路供应三相交流电流，逆变器的六个主要整流元件按予定的顺序轮转地打开（即使之导通），这种预定的顺序是响应于由相连系的控制设备按照预定的型式，并在所希望的时间产生一系列的周期性的“触发”信号（即门控脉冲）的。为了通过强制整流而周期性地截止主要整流元件，逆变器备有辅助电路，它包括一个预先充好电的整流电容器和至少二个（第七和第八）交替导通的单向可控整流元件，它们准备同介于三相交流负载电路的中性点或公共点和电桥的任一直流端子之间的电容器联接起来。

在三次谐波逆变器的每一稳态运行的全周期中，辅助整流电路中的每一整流元件都短暂地分别导通三次。更具体地说，第七整流元件，每隔大约120°电角度触发一次，第八整流元件也按同样的时间间隔触发，但与第七元件的时间错开。从而，每隔60°电角度便有一个辅助整流元件触发。当辅助整流元件导通时，整流电容器就和负载电路的一相及二个主要整流元件中的第一个相并联，于是主要整流元件使负载电流导通。起初电容器电压比线路对零线的相电压高。该电压是加在电感负载上的，其极性恰好使电容器开始放电。结果，电流被强迫地从第一个整流元件（即离去的或脱开的整流元件）转换（换向）到包括导通的辅助整流元件及电容器的并联支路。在换向过程中，由负载电感限制电流的变化速度。