专利名称：电机的保护电路及方法
技术领域：
本发明涉及针对电机的保护电路及方法，特别是针对可再生能源涡轮机组件(如风力涡轮机)驱动的发电机的保护电路及方法。
背景技术：
可通过使用涡轮机将可再生能源(如风、波浪、潮汐能或水流)转换为电能，用以直接或借助齿轮箱驱动交流发电机的转子。产生于发电机定子终端的交流变频(“定子电压”)与转子的转速成正比。定子终端的电压也作为速度函数变化，取决于发电机的具体类型以及通量水平。为了最适宜的能量捕获，再生能源涡轮机输出轴的转速将根据驱动涡轮机组件的叶片的风或水流的速度而变化。通过使用功率变换器可实现发电机的可变电压和频率与电力网的标称的恒定电压和频率的匹配。功率变换器可具有任何合适的拓扑结构(例如，二级或三级的脉宽调制变换器)，并且通常通过适当的电路与发电机连接。例如，电路可包括一个或多个导体或电缆用于发电机的每一个相位。典型的交流同步发电机包括安装在转子上的磁场系统，其转子周围围绕着安装在定子上的定子绕组。定子绕组可由一个或多个独立的绕组构成，每个绕组具有η个相位。典型的是三相(即η=3)，但是在某些实例中可能是其它相位数。每个绕组包括多个线圈，这些线圈位于定子装置表面上形成的绕组槽中。转子可通过传统的具有集电环或无刷励磁电源的绕组提供旋转磁场。涡轮机驱动转子转动，通过定子绕组获得交流电。
这种布置会在运转过程中遭遇许多不同的故障。例如，在两个或多个导体之间(这些导体在发电机与功率变换器之间构成了 η相电路导体)、或功率变换器内部会发生短路。如果发生短路或故障，那么发电机将会产生故障电流，如果不适当的控制，会导致不可接受的损害。如果发电机的旋转磁场系统是由场绕组提供的，那么通过功率变换器或外部电路，转子磁通可以被非常迅速地置零。同时还会将定子电压置零并且排除故障电流。对于可再生能源应用，永磁发电机可提供很多益处，如减小耗损、提高效率、以及在低转速下运转的能力，从而使得涡轮机组件和转子之间的齿轮箱可被完全去除或者降低其复杂性。但是，如果旋转磁场系统使用永磁体，则会不断地产生大量转子磁通残留。就是说，如果发生故障电流，那么将不能通过功率变换器或外部电路将其减少。将故障电流置零，唯一的办法是通过控制涡轮机叶片将涡轮机组件的转速置零。很容易理解的是，对于大型风力涡轮机，这无法迅速完成，需要若干秒才能使发电机转子完全停止。故障电流会因此对发电机造成严重损坏，例如，永磁体的去磁会使得发电机无法产生电能。特别关注的是发电机与功率变换器之间的η相电路中的小于η个导体之间的短路所产生的故障电流。例如，一个典型的电路，其中定子绕组具有三相，如果短路仅发生在两个导体之间，那么相比于全部三个导体之间的短路的情况，发电机所受到的影响事实上会更严重。小于η个导体之间的短路会导致永磁体的严重过热以及高强度的震动，这会损坏涡轮机组件。消除永磁体去磁的风险的一个方法是提高发电机的电阻抗。这会将故障电流降低至不会造成永磁体去磁的大小。还使用 了保险丝作为η相电路的一部分，但是带来的实际保护很少，因为提高发电机的电阻抗通常会使得故障电流非常小，以至于无法引起保险丝熔化。另一个选择是在η相电路的发电机和功率变换器之间使用串联接触器(例如，一个具有用于每个相位的触点的中继设备)，或类似的转接装置。最新设计的用于可再生能源应用的永磁发电机(特别是那些不使用齿轮箱操作的)具有非常低的转速，发电机的定子终端所产生的交流变频也非常的低。为此，接触器必须有能力中断这些低频故障电流，这需要使用非常昂贵的额定直流接触器。
发明内容
本发明提供了一种装置，其包括具有至少一个η相定子绕组的电机(例如，发电机)，该定子绕组通过具有η个导体的η相电路与功率变换器相连，其中每个导体与一个开关装置相关联，该开关装置将导体与共用导体相连，这样，当发生故障电流时，可以操作开关装置将η相电路的导体连接在一起，以提供一个全部η相短路。这里所使用的术语“全部η相短路”指的是将电机的定子绕组连接到功率变换器的η相电路的全部η个导体之间的短路。即，优选地，η个导体中的每一个优选地都通过相关联的开关装置并行地与共用导体或终端连接，开关装置在发生故障电流时将被置于关闭状态。优选地，开关装置的打开或关闭由适当的控制器控制，该控制器可对故障电流做出响应。η相电路的导体可以是任何适当的布置(例如，每个相位有一个或多个电缆)，优选地是连接在电机的定子终端与功率变换器输入终端之间。每个导体分别承载定子绕组的一个相位。在一个典型的例子中，定子绕组具有定义3个相位(即η=3)的多个线圈。电机可具有w个定子绕组，每个绕组具有定义η个相位的多个线圈。在一个典型的例子中，电机具有一个或两个定子绕组(即w=l或2)。如果电机具有大于一个的定子绕组，则定子绕组可通过多个独立的η相电路连接到同一功率变换器或多个不同的功率变换器。多个独立的η相电路的各导体可连接到同一共用导体或多个不同的共用导体。S卩，如果电机具有大于一个的定子绕组，则与一个定子绕组相关联的η相电路的每个导体可通过相关联的开关装置并行地连接到第一共用导体，而且与另一个定子绕组相关联的η相电路的每个导体可通过相关联的开关装置并行地连接到第二共用导体。这种布置将提供两个全部η相短路，而具有两个独立的共用导体。概括地，保护电路需要总共w组，每组η个导体及η个相关联的开关装置。本发明还提供了一种保护电机的方法，该电机具有至少一个η相定子绕组，该定子绕组与具有η个导体的η相电路相连，其中每个导体与一个开关装置相连，该方法包括如下步骤当发生故障电流时，控制开关装置将η相电路的各导体连接在一起，以提供一个全部η相短路。优选地，开关装置将η相电路的各导体连接到一个共用导体或终端。
如果电机具有两个或多个定子绕组，每个定子绕组具有η个相位，那么，优选地，当任何一个η相电路发生故障电流时，控制全部的开关装置以将每个η相电路的各导体连接在一起。即，优选地是将该保护方法同时应用于所有η相电路。故障电流的产生可能是源于例如任何一个η相电路中的η个或小于η个的导体之间的短路，或功率变换器内部的短路。在电机是由可再生能源涡轮 机组件(例如，风力涡轮机)驱动的情况下，该方法还包括步骤控制涡轮机组件以停止转动。例如，通过控制涡轮机叶片，可将涡轮机组件的转速置零(从而将电机的转速置零)，从而可将故障电流置零。优选地，电机为发电机，在某些情况下，需要作为电动机操作。电机可以是永磁发电机(即旋转磁场系统使用高能量永磁体来提供转子磁通)。本发明还尤其适用于这类电机旋转磁场系统使用的转子绕组的转子线圈由高温超导材料(HTS)制成，因为这种转子线圈通常不会迅速地改变它们的磁通(因为高水平的磁能存储能力)并且在发生电流故障时不会急速的减小转子磁通。保护电路和方法意在为定子绕组补充一些适当的内部设计以及其它技术特征，这些补充将故障电流保持在可接受的限度以防止永磁体被去磁。在这种情况下，开关装置可被设定为针对减小的故障电流。如果电机没有设计为具有固有的低故障电流，则开关装置通常必须被设定为针对增大的故障电流。在任何一种情况中，保护电路和方法都将会通过避免不平衡的故障电流的影响来提供增强的保护。优选地，开关装置为接触器或类似设备。在发生故障电流时确保全部η相短路是指消除小于η相之间的短路的更严重的电学影响。另一个优点是可使用低成本的额定交流接触器取代非常昂贵的额定直流接触器。这是因为接触器只需要关闭故障电流，而不需要打开它。用于η相电路的导体的接触器或开关装置可以是多个单独的设备，或者可以形成为一个混合设备。
图I是示出根据本发明的其中发电机具有一个三相定子绕组的一个装置的示意图；图2是示出根据本发明的其中发电机具有两个三相定子绕组的一个装置的示意图。
具体实施例方式图I展示了一个具有一个三相定子绕组4的永磁发电机2。定子终端通过三相电路8与功率变换器6相连。更具体地，电路8包括三个独立的电缆或导体10a、10b、10c，它们分别承载定子绕组4的一个相位。发电机2的转子由具有任何适当数量的涡轮机叶片的风力涡轮机组件(未示出)驱动。接触器设备12包含三个独立的触点14a、14b、14c。各个独立的触点连接在三个电缆10a、10b、10c中的一个与共用导体或终端16之间。因此，通过接触器设备12的一个相关联的触点，电缆10a、10b、10c的每一个与共用导体16是并行连接的。当发电机2正常运转时，触点14a、14b、14c是打开的，电能通过电路8从发电机2的各定子终端流向功率变换器6。如果电路8或功率变换器6中存在短路或故障，则发电机2将开始产生故障电流。这可由控制器(未示出)感测到，并且触点14a、14b、14c会关闭以将电路8的电缆10a、10b、IOc连接到共用导体16。很容易理解的是，关闭触点会引起全部三相短路，这会保护发电机2免受两相短路的最严重的电学影响。涡轮机组件同样被控制，以尽快将发动机完全停止并且将故障电流置零。一旦触点14a、14b、14c关闭，就不会有故障电流从发电机2流向功率变换器6。于是接触器设备12的加入将功率变换器6被损坏的危险降到最低。
一旦故障电流被清除，接触器设备12的触点14a、14b、14c可再次打开。图2展示了一个具有两个独立的定子绕组20a、20b的永磁发电机2。定子终端通过两个三相电路22a、22b与功率变换器6相连。更具体地，第一电路22a包括三个独立的电缆或导体24a、24b、24c,它们分别承载第一定子绕组20a的一个相位,第二电路22b包三个独立的电缆或导体26a、26b、26c，它们分别承载第二定子绕组20b的一个相位。发电机2的转子由具有任何适当数量的涡轮机叶片的风力涡轮机组件(未示出)驱动。第一电路22a的接触器设备28包括三个独立的触点30a、30b、30c。每个独立的触点连接在电缆24a、24b、24c中的一个与共用导体或终端32之间。因此，通过接触器设备28的一个相关联的触点，电缆24a、24b、24c中的每一个与共用导体32是并行连接的。第二电路22b的接触器设备34包括三个独立的触点36a、36b、36c。每个独立的触点连接在电缆26a、26b、26c中的一个与共用导体或终端32之间。因此，通过接触器设备34的一个相关联的触点，电缆26a、26b、26c中的每一个与共用导体32是并行连接的。很容易理解的是，电缆26a、26b、26c可选择性地与一个独立的共用导体或终端(未示出)相连。当发电机2正常运转时，第一接触器设备28和第二接触器设备34的各触点是打开的，电能通过第一电路22a和第二电路22b从发电机2的各定子终端流向功率变换器6。如果第一电路22a和第二电路22b中的一个或功率变换器6存在短路或故障，则发电机2将开始产生故障电流。这可由控制器(未示出)感测到，并且第一接触器设备28和第二接触器设备34的各触点会关闭以将第一电路22a和第二电路22b的电缆连接到共用导体32。很容易理解的是，关闭触点会引起第一电路22a和第二电路22b中的每一个的全部三相短路，这会保护发电机2免受两相短路的最严重的电学影响。涡轮机组件同样被控制，以尽快将发动机完全停止并且将故障电流置零。一旦第一接触器设备28和第二接触器设备34的各触点关闭，就不会有故障电流从电机2流向功率变换器6。于是第一接触器设备28和第二接触器设备34的加入将功率变换器6被损坏的危险降到最低。一旦故障电流被清除，第一接触器设备28和第二接触器设备34的各触点可再次打开。
权利要求
1.一种装置，其包括具有至少一个η相定子绕组(4)的电机(2)，该定子绕组通过具有η个导体(10a、10b、IOc)的η相电路(8)与功率变换器(6)相连，其中每个导体(10a、10b、10c)与一个将该导体与一个共用导体(16)相连的开关装置(14a、14b、14c)相关联，这样，当发生故障电流时，操作所述开关装置(14a、14b、14c)将所述η相电路(8)的各导体(10a、10b、10c)连接在一起，以提供一个全部η相短路。
2.根据权利要求I所述的装置，其中所述开关装置为接触器(14a、14b、14c)。
3.根据权利要求I或2所述的装置，其中所述电机(2)包括第一η相定子绕组(20a)，该定子绕组通过具有η个导体(24a、24b、24c)的第一 η相电路(22a)与功率变换器(6)相连，所述电机(2)还包括第二 η相定子绕组(20b)，该定子绕组通过具有η个导体(26a、26b、26c)的第二 η相电路(22b)与功率变换器(6)相连。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一η相电路(22a)的每个导体(24a、24b、24c)与一个将该导体与一个共用导体(32)相连的开关装置(30a、30b、30c)相关联，这样，当发生故障电流时，操作所述开关装置(30a、30b、30c)将所述第一 η相电路(22a)的各导体(24a.24b.24c)连接在一起，以提供一个全部η相短路，并且其中所述第二 η相电路(22b)的每个导体(26a、26b、26c )与一个将该导体与同一个共用导体(32 )相连的开关装置(36a、36b、36c)相关联，这样，当发生故障电流时，操作所述开关装置(36a、36b、36c)将所述第二η相电路(22b)的各导体(26a、26b、26c)连接在一起，以提供一个全部η相短路。
5.根据权利要求3所述的装置，其中所述第一η相电路(22a)的每个导体(24a、24b、24c)与一个将该导体与第一共用导体相连的开关装置(30a、30b、30c)相关联，这样，当发生故障电流时，操作所述开关装置(30a、30b、30c)将所述第一 η相电路(22a)的各导体(24a、24b、24c)连接在一起，以提供一个全部η相短路，并且其中所述第二 η相电路(22b)的每个导体(26a、26b、26c)与一个将该导体与第二共用导体相连的开关装置(36a、36b、36c)相关联，这样，当发生故障电流时，操作所述开关装置(36a、36b、36c)将所述第二 η相电路(22b)的各导体(26a、26b、26c)连接在一起，以提供一个全部η相短路。
6.根据上述权利要求中的任意一项所述的装置，其中所述电机为永磁发电机。
7.根据权利要求I至5中的任意一项所述的装置，其中所述电机具有旋转磁场系统，该旋转磁场系统使用的转子绕组的转子线圈由高温超导(HTS)材料制成。
8.一种保护电机(2)的方法，该电机具有至少一个η相定子绕组(4)，该定子绕组与具有η个导体(10a、10b、IOc)的η相电路(8)相连，其中每个导体(10a、10b、IOc)与一个开关装置(14a、14b、14c)相连,该方法包括如下步骤 当发生故障电流时，控制所述开关装置(14a、14b、14c)将所述η相电路(6)的各导体(IOaUObUOc)连接在一起，以提供一个全部η相短路。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述开关装置(14&、1413、14(3)将所述11相电路(8)的导体(10a、10b、IOc)连接到一个共用导体(16)。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述电机(2)包括第一η相定子绕组(20a)，该定子绕组与具有η个导体(24a、24b、24c)的第一 η相电路(22a)相连,该η个导体与η个开关装置(30a、30b、30c)相关联，所述电机(2)还包括第二 η相定子绕组(20b)，该定子绕组与具有η个导体(26a、26b、26c)的第二 η相电路(22b)相连，该η个导体与η个开关装置(36a.36b.36c)相关联，该方法还包括如下步骤当发生故障电流时，操作所述开关装置(30a、30b、30c)将所述第一 η相电路(22a)的各导体连接在一起，以提供一个全部η相短路，并且操作所述开关装置(36a、36b、36c)将所述第二 η相电路(22b)的各导体连接在一起，以提供一个全部η相短路。
11.根据权利要求8至10中的任意一项所述的方法，其中所述开关装置为接触器(14a、14b、14c)。
12.根据权利要求8至11中的任意一项所述的方法，其中所述电机(2)由可再生能源涡轮机组件驱动，该方法还包括控制所述涡轮机组件停止转动的步骤。
全文摘要
一种装置，其包含通过具有三个导体(10a、10b、10c)(例如，电缆)的三相电路(8)连接到功率变换器(6)的电机(2)。每个导体(10a、10b、10c)与一个将该导体连接到共用导体(16)或终端的开关装置(14a、14b、14c，例如接触器等)。当电路(8)或功率变换器(4)中发生故障电流时，操作开关装置(14a、14b、14c)来关闭故障电流并且将三相电路(6)的各导体(10a、10b、10c)连接在一起，以提供全部三相短路。
文档编号H02H7/08GK102939695SQ201180017866
公开日2013年2月20日 申请日期2011年3月14日 优先权日2010年3月30日
发明者艾里克·安东尼·刘易斯 申请人:科孚德机电技术有限公司