CN102013866A - 发电机的静态励磁机、改型方法及其操作方法 - Google Patents

发电机的静态励磁机、改型方法及其操作方法 Download PDF

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Abstract

发电机(2)的静态励磁机(1)包括主变压器(8)，其高电压侧连接到电网(5)而其低电压侧连接到向发电机磁场电路(3)馈电的磁场电路转换器(9)。静态励磁机(1)还包括控制单元(11)，它设置成检测电网(5)的状态，以便在电网(5)的电压下降到低于预定电压值的情况下使至少电容器组(13)将能量提供给所述发电机磁场电路(3)。电容器组(13)连接在主变压器(8)的低电压侧与磁场电路转换器(9)的AC侧之间。本发明还涉及用于对静态励磁机(1)进行改型和操作其的方法。

Description

发电机的静态励磁机、改型方法及其操作方法 
技术领域
本发明涉及发电机的静态励磁机(static exciter)、改型方法及其操作方法。 
背景技术
同步发电机包括通常具有电枢电路的定子以及通常包含磁场电路(filed circuit)的转子。 
在操作期间，当转子转动时，激励磁场电路，使得因通量变化率而在电枢电路中感生电压。 
为了激励磁场电路，通常将变压器的高电压侧连接到电网(或汇流条)，而将其低电压侧连接到AC/DC转换器。 
这个AC/DC转换器把从变压器所提供的AC电压整流成DC电压，并且将其提供给发电机的磁场电路。 
由于为磁场电路馈电的电力直接从电网提供，在电网发生故障或扰动的情况下使电网的电压暂时下降，所以发电机/电网系统的稳定性可受到损害，使得电网和发电机可丢失其同步。 
电网往往提供有自动安全和保护系统，它们在这类故障发生时进行干预以恢复额定电网电压；然而，它通常花费多达数秒的时间来恢复电网电压，因而在故障发生时无法保证发电机/电网系统的稳定性。 
US2007/0296275公开了提供一种安全电路，它配置成在电网发生故障的情况下将电力注入磁场电路，以便保证发电机/电网系统的稳定性，从而防止它们丢失其同步。 
这个安全电路包括电容器组、在电网故障的情况下起动的开关以及直接插入磁场电路的二极管(即，这个二极管必须放置于转子上)。 
在电网发生故障的情况下，起动开关，使得电容器组将其能量提供给磁场电路中。
然而，即使这个技术证明是非常有效的，但是其实现在一些情况下可能很困难、成本高并且费时，因为它要求将二极管放置于转子上。 
具体来说，现有发电机的改型是困难的，因为必须打开发电机壳体并且必须将二极管安装到转子上。 
这种操作特别费时并且成本高。 
发明内容
因此，本发明的技术目标是提供静态励磁机、改型方法以及操作静态励磁机的方法，通过它们消除了已知技术的所述问题。 
在这个技术目标的范围之内，本发明的一个方面是提供静态励磁机及其操作方法，其实现是简易、节省成本和节省时间的。 
本发明的另一个目的是提供一种改型方法，其实现可以是简易、节省成本和节省时间的。 
根据本发明，通过提供根据所附权利要求书的静态励磁机、改型方法以及操作静态励磁机的方法，来实现该技术目标连同这些及其它方面。 
附图说明
通过在附图中作为非限制性示例所示的对根据本发明的静态励磁机和方法的优选但非排他的实施例的描述，本发明的其它特性和优点将变得更为明显，附图包括： 
图1是本发明的第一实施例的静态励磁机的示意图； 
图2是本发明的静态励磁机的第二实施例的细节； 
图3是本发明的静态励磁机的第三实施例；以及 
图4是图3的细节。 
具体实施方式
参照附图，示出发电机2的静态励磁机1。 
发电机2具有磁场电路3以及经由变压器6连接到电网5的汇流条4(定子三相电路)。 
静态励磁机1包括主变压器8，其高电压侧连接到电网5(如图所示，主变压器8通常直接连接到汇流条4，并且经由变压器6连接到电网5)，而其低电压侧连接到磁场电路转换器9(通常为整流器)。 
磁场电路转换器9转换来自主变压器8的AC电压，并且采用DC电压向发电机磁场电路3馈电。 
静态励磁机1还包括控制单元11，它设置成检测电网5的状态，以便在电网电压下降到低于预定电压值的情况下使至少一电容器组13将能量提供给发电机磁场电路3中。 
电容器组13连接在主变压器8的低电压侧与磁场电路转换器9的AC侧之间。 
有利地，静态励磁机还包括至少一个耦合电路15，它将电容器组13连接到主变压器8的低电压侧与磁场电路转换器9的AC侧之间的连接线16。 
下面详细描述本发明的不同实施例。 
实施例1 
在静态励磁机的第一实施例(图1)中，耦合电路15包括辅助三相转换器17，其DC侧连接到电容器组13，而AC侧耦合到连接线16。 
优选地，辅助转换器17是双向转换器，使得允许电容器组13的充电和放电。 
例如，辅助转换器17由功率半导体元件桥(IGBT，晶闸管)制成；在任何情况下，这些转换器是本领域众所周知的，并且任何适当转换器或功率半导体元件部署可用于实现本发明。 
辅助转换器17的AC侧电感式耦合到连接线16，并且在这个方 面，电感耦合经由辅助变压器18来实现。 
在本发明的这个实施例中，控制单元11连接到至少两个辅助连接线19。当然可提供也到全部三个辅助连接线19的连接，并且在不同配置(例如多于或少于三相)的情况下，可提供多于或少于两个连接。 
另外，控制单元11连接到辅助转换器17以便对它进行驱动。 
控制单元11检测辅助转换器17与辅助变压器18之间的辅助连接线19的电压，并且相应地驱动辅助转换器17。 
具体来说，控制单元11驱动辅助转换器17，使得它令电容器组13放电或充电。 
控制单元11还连接到电容器组13，以便控制其充电电平。 
这个实施例的静态励磁机的操作通过所述和所示是显而易见的，并且实质上如下所述。 
在正常操作(其中电压网在其标称值)期间，控制单元11驱动辅助转换器17，使得它令电力从辅助变压器18经过其而传递到电容器组13。 
在这种情况下，对电容器组13充电，使得在故障情况下它始终被充电，并且即时将其能量放电到磁场电路3中。 
在电网5发生故障时，电网电压下降，因而汇流条电压也下降，并且主变压器8的低电压侧的电压下降；这又引起辅助连接线19的电压下降。 
当控制单元11检测到辅助连接线19的电压已经下降到低于预定电压值时，它驱动辅助转换器17，使得它允许电力从电容器组13经过其而传递到辅助变压器18。 
这引起电容器组13被放电，并且通过辅助转换器17和辅助变压器18将其能量提供给连接线16，因而通过磁场电路转换器9提供给磁场电路3。 
本领域已知，在电网5发生故障时，多个自动保护和控制系统进 行干预，以便恢复电网电压；电网电压的恢复通常在几秒种内执行。 
因此，一旦恢复了电网电压(因而也恢复了辅助连接线电压)，则控制单元11驱动辅助转换器17，使得它再次令电力从辅助变压器18经过其而传递到电容器组13。 
因此，将电容器组13充电到就绪状态，以便在其它电网故障的情况下进行干预。 
实施例2 
图2示出本发明的静态励磁机的第二实施例。图2中，与已经参照第一实施例所述的元件相似或相等的元件具有相同的参考标号。 
第二实施例的静态励磁机具有与第一实施例相同的结构和特征。 
另外，这个静态励磁机具有各连接到辅助单相转换器17的三个电容器组13，其中辅助单相转换器17连接到辅助变压器18，辅助变压器18耦合到主变压器8与磁场电路转换器9之间的连接线16；此外，提供各辅助转换器17的控制单元11，或者备选地提供单独控制各辅助转换器17的单个控制单元11(这个实施例如图4所示)。 
换言之，静态励磁机对于各相具有一个电力注入电路(各电力注入电路包括电容器组13、辅助转换器17和辅助变压器18)，而图1的实施例仅具有一个三相电力注入电路。 
具体根据第一实施例的静态励磁机的操作，这个实施例的静态励磁机的操作是很清楚的。 
实施例3 
图3和图4示出本发明的静态励磁机1的第三实施例。又在这些附图中，与已经描述的那些元件相似或相等的元件具有相同的参考标号。 
具体来说，图3中，主变压器8和磁场电路转换器9示为通过连接线16连接。 
各连接线16具有带第一开关21的第一支路20(图4)，并且耦合电路15包括与第一支路20并联的第二支路22。 
第二支路22具有与单向组件24串联的第二开关23；电容器组13又与这些组件串联。 
控制单元11(在这种情况下，也是各连接线16的单个控制单元11或者单独控制各连接线16的开关21、23的单个控制单元11)连接到相应连接线16，并且还驱动开关21和23，即，它检测连接16的电压，并且相应地操作第一和第二开关21、23。 
单向组件24是二极管，它设置成使电容器组13在放电时将能量提供给磁场电路3。 
另外，可提供与电容器组13并联的例如电池等充电组件25。 
总之很清楚，(由于二极管24的帮助，)在电网5没有故障并且连接线16的电压具有其标称值的情况下，电容器组13的充电也在操作期间经由支路22(即，开关21断开，而开关23闭合)来执行。 
本发明的第三实施例的静态励磁机1的操作通过所述和所示是显而易见的，并且实质上如下所述。 
在正常操作(即，电网电压在其标称值)期间，开关21闭合(图4中的虚线)，而开关23断开(图4中的虚线)；因此，在正常操作期间，支路20是工作的，而支路22不工作的。 
当故障发生并且电网电压下降时，主变压器8的低电压侧的电压也下降，因而这些连接线16中的一个或多个的电压下降。 
仅参照一个连接线(操作对于各连接线均相同)，当控制单元11检测到连接线16的电压(它指示电网5的电压)下降到低于预定电压值时，它将开关21驱动为断开，而将开关23驱动为闭合。 
在这个方面，图4以实线示出在电网电压下降的故障情况下的开关21和开关23的配置；因此，在故障情况下，支路20是不工作的，而支路22是工作的。 
当开关23闭合时，电容器组13放电，并且二极管24推动放电 方向，使得将电力注入磁场电路转换器9，并且因而注入磁场电路3；开关21(是断开的)防止电容器组13被短路。 
在故障之后，自动安全和保护系统在短时间恢复电网电压。 
当控制单元11检测到连接线16的电压高于预定电压值时，它将开关21驱动为闭合而将开关23驱动为断开。 
开关21的闭合和开关23的断开也可由控制单元11以某个延迟来执行，使得对电容器组13充电。 
作为补充或替代，充电组件25可对电容器组13充电。 
改型方法 
本发明还涉及用于对发电机的静态励磁机进行改型的方法。 
该方法包括在主变压器8的低电压侧与磁场电路转换器9的AC侧之间提供至少一个电容器组13。 
有利地，还提供耦合电路15，它将电容器组13连接到主变压器8的低电压侧与磁场电路转换器9的AC侧之间的连接线16。 
这种改型方法是特别有利的，因为不需要修改转子，因而不需要打开发电机壳体并且在转子上安装任何组件。 
用于操作静态励磁机的方法 
本发明还涉及用于操作发电机的静态励磁机的方法。 
根据该方法，当电网电压下降到低于预定电压值时，电容器组13将电力注入主变压器8的低电压侧与磁场电路转换器9的AC侧之间。 
所述的特征当然可相互独立地提供。 
实际上，所使用的材料和尺寸可按照要求和现有技术随意选择。 
参考标号 
1     静态励磁机 
2     发电机 
3     磁场电路 
4：   汇流条 
5     电网 
6     变压器 
8]    主变压器 
9     磁场电路转换器 
11    控制单元 
13    电容器组 
15    耦合电路 
16    连接线 
17    辅助转换器 
18    辅助变压器 
19    辅助连接线 
20    第一支路 
21    第一开关 
22    第二支路 
23    第二开关 
24    单向组件 
25    充电组件。 

Claims (15)

1.一种发电机(2)的静态励磁机(1)，包括：主变压器(8)，其高电压侧连接到电网(5)而其低电压侧连接到向发电机磁场电路(3)馈电的磁场电路转换器(9)，
所述静态励磁机(1)进一步包括控制单元(11)，其设置成检测所述电网(5)的状态，以便在所述电网(5)的电压下降到低于预定电压值的情况下使至少电容器组(13)将能量提供给所述发电机磁场电路(3)，其特征在于，
所述电容器组(13)连接在所述主变压器(8)的低电压侧与所述磁场电路转换器(9)的AC侧之间。
2.如权利要求1所述的静态励磁机(1)，其特征在于，包括至少耦合电路(15)，它将所述电容器组(13)连接到所述主变压器(8)的低电压侧与所述磁场电路转换器(9)的AC侧之间的连接线(16)。
3.如权利要求2所述的静态励磁机(1)，其特征在于，所述耦合电路(15)包括辅助转换器(17)，其DC侧连接到所述电容器组(13)，而AC侧耦合到所述连接线(16)。
4.如权利要求3所述的静态励磁机(1)，其特征在于，所述辅助转换器(17)是双向转换器。
5.如权利要求3所述的静态励磁机(1)，其特征在于，所述辅助转换器(17)的AC侧电感式耦合到所述连接线(16)。
6.如权利要求5所述的静态励磁机(1)，其特征在于，所述辅助转换器(17)的AC侧的与所述连接线(16)的电感耦合经由至少一个辅助变压器(18)来实现。
7.如权利要求6所述的静态励磁机(1)，其特征在于，所述控制单元(11)检测所述辅助转换器(17)与所述辅助变压器(18)之间的至少辅助连接线(19)的电压，并且相应地驱动所述辅助转换器(17)。
8.如权利要求7或4所述的静态励磁机(1)，其特征在于，所述控制单元(11)驱动所述辅助转换器(17)，使得它令所述电容器组(13)放电或者令所述电容器组(13)充电。
9.如权利要求3所述的静态励磁机(3)，其特征在于，包括各连接到辅助转换器(17)的多个电容器组(13)，其中所述辅助转换器(17)各连接到辅助变压器(18)，所述辅助变压器(18)耦合到所述主变压器(8)与所述磁场电路转换器(9)之间的连接线(16)。
10.如权利要求2所述的静态励磁机，其特征在于，所述连接线(16)具有带第一开关(21)的第一支路(20)，并且特征在于，所述耦合电路(15)包括与所述第一支路(20)并联并且具有与至少单向组件(24)串联的至少第二开关(23)的第二支路(22)，所述电容器组(13)还连接到所述第二支路(22)，其中，所述控制单元(11)检测所述连接线(16)的电压，并且相应地操作所述第一和第二开关(21，23)。
11.如权利要求10所述的静态励磁机(1)，其特征在于，所述单向组件(24)是二极管，它设置成使所述电容器组(13)在放电时将能量提供给所述磁场电路(3)。
12.如权利要求10所述的静态励磁机(1)，其特征在于，还包括与所述电容器组(13)并联的充电组件(25)，和/或其中，所述控制单元(11)以某个延迟使所述第一开关(21)闭合而使所述第二开关(23)断开，使得对所述电容器组(13)充电。
13.一种用于对发电机的静态励磁机(1)进行改型的方法，所述静态励磁机(1)包括：主变压器(8)，其高电压侧连接到所述电网(5)而其低电压侧连接到向发电机磁场电路(3)馈电的磁场电路转换器(9)；所述静态励磁机(1)进一步包括控制单元(11)，其设置成检测所述电网(5)的状态，以便在所述电网的电压下降到低于预定电压值的情况下使至少电容器组(13)将能量提供给所述发电机磁场电路(3)，其中，所述方法包括在所述主变压器(8)的低电压侧与所述磁场电路转换器(9)的AC侧之间提供至少一个电容器组(13)。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，还提供具有至少耦合电路(15)的所述静态励磁机(1)，所述耦合电路(15)将所述电容器组(13)连接到所述主变压器(8)的低电压侧与所述磁场电路转换器(9)的AC侧之间的连接线(16)。
15.一种用于操作发电机的静态励磁机(1)的方法，所述静态励磁机(1)包括：主变压器(8)，其高电压侧连接到所述电网(5)而其低电压侧连接到向发电机磁场电路(3)馈电的磁场电路转换器(9)；所述静态励磁机(1)进一步包括控制单元(11)，其设置成检测所述电网(5)的状态，以便在所述电网(5)的电压下降到低于预定电压值的情况下使至少电容器组(13)将能量提供给所述发电机磁场电路(3)，其特征在于，所述电容器组(13)将电力注入所述主变压器(8)的低电压侧与所述磁场电路转换器(9)的AC侧之间。
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