CN103187892A - 具有永磁体发电机保护的高压直流发电系统 - Google Patents

Abstract

一种提供对故障条件保护的永磁体发电机系统。所述系统包括具有第一、第二和第三线圈的永磁体发电机，其中每个线圈具有第一端和第二端。在正常运行模式期间，所述线圈的第一端被短接到第一中性点，而在所述第一、第二和第三线圈中产生的交流(AC)电压被提供给与所述线圈第二端相关的初级输出。响应于所述系统的初级输出侧的故障条件，所述线圈的第二端被一起短接到第二中性点，而所述线圈的第一端从第一中性点断开。在备用模式期间，在所述线圈中产生的AC电压被提供给与所述线圈的第一端相关的次级输出。

Description

具有永磁体发电机保护的高压直流发电系统

技术领域

本发明涉及永磁体发电机，具体涉及提供避免短路情况的保护的永磁体发电机。

永磁体发电机(PMGs)是依靠永磁体产生运行发电机所必须的磁场的特殊类型的发电机。这与其它类型发电机相反，其通常利用激励电流产生所需磁场。虽然在很多应用中永磁体发电机优于更传统的电机和发电机，但是更传统的系统的一个好处在于在出现故障情况时快速消除激励以及由此磁场的存在的能力。由于在永磁体发电机中的磁场由永磁体产生，所以没有在出现故障时快速关闭机器的机制。例如，响应于永磁体发电机(PMG)中的短路情况，发电机将继续提供电压直到发电机的旋转部分静止下来。在此期间，短路故障可能会对永磁体发电机引起重大损害。

发明内容

一种发电系统，包括具有至少一个永磁体以及用于响应于由所述至少一个永磁体提供的磁场产生和交变电流(AC)电压的第一线圈、第二线圈和第三线圈的永磁体发电机(PMG)。所述第一线圈、第二线圈和第三线圈每个具有第一端和第二端。初级输出连接到所述第一、第二和第三线圈的所述第二端以接收在正常运行模式期间在那些线圈中产生的交流电压。次级输出连接到所述第一、第二和第三线圈的所述第一端以接收在备用运行模式期间在那些线圈中产生的交流电压。所述系统还包括第一对接触器和第二对接触器。所述第一对接触器包括连接在所述第一线圈的所述第一端和所述第二线圈的所述第一端之间的第一接触器以及连接在所述第二线圈的所述第一端和所述第三线圈的所述第一端之间的第二接触器。所述第二对接触器包括连接在所述第一线圈的所述第二端和所述第二线圈的所述第二端之间的第三接触器以及连接在所述第二线圈的所述第二端和所述第三线圈的所述第二端之间的第四接触器。在正常运行模式期间，所述第一对接触器闭合以连接所述第一、第二和第三线圈的所述第一端到第一中性点，而第二对接触器打开以将所述第一、第二和第三线圈中产生的所述交流电压提供至所述初级输出。在备用运行模式期间，所述第二对接触器闭合以将所述第一、第二和第三线圈的所述第二端连接到第二中性点，而所述第一对接触器打开以将所述第一、第二和第三线圈中产生的所述交流电压提供至所述次级输出。

附图说明

图1为根据本发明的实施例的永磁体发电机(PMG)系统的框图；

图2为根据本发明的实施例的提供了额外细节的永磁体发电机(PMG)系统的框图/电路图。

具体实施方式

本发明提供一种具备故障保护的永磁体发电机(PMG)系统。具体来说，所述永磁体发电机系统被配置运行于两种运行模式之一。在第一运行模式中(即，正常模式)，所述永磁体发电机的线圈具有一起短接到第一中性点的第一端和连接以提供交流电能到初级转换器的第二端。响应于在初级转换器侧检测到的故障，线圈的第二端被一起短接到第二中性点。而且，线圈的第一端从第二中性点断开以使得线圈中产生的电压被提供到级次转换器。永磁体发电机由此可甚至在检测的故障后继续供电。

图1为根据本发明的实施例的永磁体发电机(PMG)和保护系统10的框图。永磁体发电机系统10包括具有线圈L1，L2和L3的永磁体发电机12、初级转换器14、次级转换器16、控制器20和接触器R1a，R1b，R2a，R2b，R3a，R3b，R4a和R4b(一起被称为“所述接触器”)。线圈L1，L2和L3每个具有标示为a，b和c的相位的第一端以及标示为a′，b′和c′的相位的第二端。永磁体发电机系统10运行于两种运行模式之一，正常模式，其中永磁体发电机12产生的电压提供到初级转换器14，以及次级模式，其中永磁体发电机12产生的电能被提供到次级转换器16。运行模式由控制器20选择性地控制，其提供控制信号26以选择性打开和闭合所述接触器。这样，通过经由从次级转换器16向负载18供电使得初级转换器14中的故障能得到缓和。而且，通过将否则可能被提供给初级转换器14的电压引导给次级转换器16以供给负载18，本发明从而减轻了永磁体发电机系统10中否则可能由于短路导致的损害。在图1提供的实施例中，永磁体发电机12的线圈中产生的三相交流(AC)电压被转换为用于供给给负载18的直流(DC)电压。在另一个实施例中，可能不必将产生的交流电压转换为用于供给负载18的直流电压，或者可能需要包括额外的转换器以将直流电压转变为需要的形式或幅度。

控制器20通过控制各个接触器R1a，R1b，R2a，R2b，R3a，R3b，R4a和R4b的状态来指示运行模式。如下的表格示出了每一个接触器的状态(打开或闭合)以实施需要的运行模式。

表1

在正常运行时，接触器R1a和R1b闭合以分别将线圈L1，L2和L3的第一端a，b，和c连接到中性点n。接触器R2a和R2b保持打开以使得永磁体发电机12的线圈L1，L2和L3中产生的电压被提供给初级转换器14。在图1提供的实施例中，初级转换器14运行以将交流(AC)电压转换为通过闭合接触器R4a和R4b供给负载18的直流(DC)电压。接触器R3a和R3b保持打开从而将次级转换器和负载18隔离。接触器R1a，R1b，R4a和R4b在图1中示为常闭接触器，而接触器R2a，R2b，R3a和R3b被示出为常开接触器。在其它实施例中，所述接触器根据应用可为常闭或常开类型。而且，其它用于使能/断开电连接的公知装置可被用于代替传统接触器，包括固态开关器件(SSSDs)。

控制器20通过电流传感器22a，22b和22c监控永磁体发电机12的线圈L1，L2和L3中的电流。在图1所示的实施例中，流经每个线圈的电流通过分立的电流传感器单独监控。在其它实施例中，流经线圈L1，L2和L3的电流由单一的电流传感器统一监控。在另外的实施例中，永磁体发电机系统10的初级转换器侧的故障通过由电压传感器24监控直流总线电压来检测。响应于永磁体发电机系统10的初级转换器侧检测到的故障情况(例如，短路)，控制器20将永磁体发电机系统10的运行模式由正常运行模式转变为备用或故障模式。在备用模式中，接触器R1a，R1b，R4a和R4b被打开，而接触器R2a，R2b，R3a和R3b被闭合。闭合接触器R2a和R2b分别将线圈L1，L2和L3的第二端a′，b′和c′连接到第二中性点n′。这样，永磁体发电机12的线圈L1，L2和L3中产生的电压不再供给初级转换器14。打开继电接触器R1a和R1b使得线圈L1，L2和L3的第一端a，b，和c分别与第一中性点n断开。结果，线圈L1，L2和L3上产生的电压供给次级转换器16而不是初级转换器14。次级转换器16将接收到的交流电压转换为用于提供给负载18的直流电压。

在图1所示的实施例中，从正常运行模式到备用运行模式的安全转换要求接触器以安全的顺序打开和闭合。具体来说，在接触器R1a和R1b被打开将由线圈L1，L2和L3产生的电压提供给次级转换器16之前，接触器R2a和R2b被闭合以将永磁体发电机12和检测到的故障隔离。同样地，在闭合接触器R3a和R3b以从次级转换器16向负载18输送电能之前，接触器R4a和R4b被开打从而将负载18和检测到的故障断开。

响应于在永磁体发电机12中检测到的短路故障，故障不能通过从初级转换器14向次级转换器16转移电能而得到修复。由此，在永磁体发电机12中的短路故障期间，不论是在正常运行模式还是在备用运行模式期间，控制器20使得接触器R1a，R1b，R2a和R2b打开以实质上去除永磁体发电机12的中性点。虽然仍然连接到初级转换器14和次级转换器16，没有共同中性点则对电路不存在回路并且即使永磁体发电机12继续在线圈L1，L2和L3上产生电压，在初级转换器14或次级转换器16中没有电流产生。这样，短路故障被隔离在永磁体发电机12内而不能损害连接到永磁体发电机12的其他部件。

图2是根据本发明的实施例的永磁体发电机(PMG)系统30的框图/电路图。具体来说，图2所示的实施例中提供了关于初级转换器34和次级转换器36的具体实施的附加细节。

再者，永磁体发电机32包括线圈L1，L2和L3，其每个具有第一端a，b，和c以及第二端a′，b′，和c′。控制器40选择性打开和闭合接触器R1a，R1b，R2a，R2b，R3a，R3b，R4a和R4b以在正常运行模式或备用运行模式下运行永磁体发电机系统30。在一个实施例中，控制器40通过电流传感器42a，42b和42c监控永磁体发电机线圈L1，L2和L3中的电流以检测故障情况。在另一个实施例中，控制器40通过电压传感器44监控直流总线电压以检测故障情况。控制器40可以使用一种或多种故障检测技术以确定永磁体发电机系统30应该在正常运行模式下还是在备用运行模式下运行。

在正常运行模式期间，控制器40闭合接触器R1a和R1b以分别将线圈L1，L2和L3的第一端a，b，和c连接到第一中性点n。接触器R2a和R2b被打开以使得线圈L1，L2和L3中产生的电压被提供给初级转换器34。在图2所示的实施例中，初级转换器34为有源整流器，其包括六个选择性打开和关闭以将线圈L1，L2和L3提供的交流电压转换为直流电压提供给负载38的固态开关M1-M6。直流链路电容器C1，滤波电容器C2和滤波电感器L4用作平滑提供给负载38的直流波形。固态开关M1-M6可使用功率金属氧化物半导体晶体管(MOSFETs)，双极结型晶体管(BJTs)或其它公知的固态装置来实施。

需要从正常运行模式转换到备用运行模式的初级转换器34中的潜在的故障情况包括在固态开关M1-M6中的一个或多个中，在直流链路电容器C1，滤波电容器C2或滤波电感器L4中出现的故障。

响应于检测到的故障情况，永磁体发电机系统30从正常运行模式转换到备用运行模式。如参照图1所述，接触器R1a，R1b，R4a和R4b被打开，而接触器R2a，R2b，R3a，和R3b被闭合。闭合接触器R2a和R2b将永磁体发电机32的第二端a′，b′，和c′连接到第二中性点n′，而打开接触器R1a和R1b将第一端a，b，和c从第一中性点n断开以使得线圈L1，L2和L3中产生的电压被提供给次级转换器36。在图2所示的实施例中，次级转换器36为升压转换器，其包括二极管D1-D6，直流链路电容器C3，滤波电容器C4，滤波电感器L5以及固态开关M7。二极管D1-D6用作整流由永磁体发电机32提供的交流电压，而固态开关M7被选择性地打开和关闭以调节由升压转换器提供给负载38的直流电压的幅度。

在另一个实施例中，可以使用另外的有源整流器代替升压转换器向负载38提供所需的电压。但是，使用升压转换器的好处在于相比于有源整流器其一般更便宜，并且只要负载38的全功率需求得到了满足，作为仅在初级转换器34故障期间使用的备用装置不需要提供同样级别的能量效率。

响应于在永磁体发电机32中检测到的短路故障，无论是在正常运行模式期间还是在备用运行模式期间，接触器R1a，R1b，R2a和R2b被打开以将永磁体发电机32从初级转换器34以及次级转换器36上都断开。

虽然参考示例性实施例对本发明进行了说明，本领域技术人员应当理解在不偏离本发明的范围的前提下可以做出各种改变，也可使用等效物替代其中的元素。而且，在不偏离其实质范围的前提下，可以做出各种修改以将具体情形或者材料适应于本发明的教导。因此，本发明不旨在限于所公开的具体实施例，而是包括落入所附权利要求范围内的所有实施方式。

Claims (20)

1.一种发电系统，包括：

永磁体发电机(PMG)，具有至少一个永磁体以及响应于由所述至少一个永磁体提供的磁场产生并且交变电流(AC)电压的第一线圈、第二线圈和第三线圈，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈每个具有第一端和第二端；

初级输出，其被连接到所述第一、第二和第三线圈的第二端以在正常运行模式期间接收所述PMG的所述第一、第二和第三线圈中产生的AC电压；

次级输出，其被连接到所述第一、第二和第三线圈的第一端以在备用运行模式期间接收所述PMG的所述第一、第二和第三线圈中产生的AC电压；

第一对接触器，包括连接在所述第一线圈的第一端和所述第二线圈的第一端之间的第一接触器，以及连接在所述第二线圈的第一端和所述第三线圈的第一端之间的第二接触器；

第二对接触器，包括连接在所述第一线圈的第二端和所述第二线圈的第二端之间的第三接触器，以及连接在所述第二线圈的第二端和所述第三线圈的第二端之间的第四接触器；

控制器，用于选择性地在正常运行模式或备用运行模式下运行所述PMG系统，其中，在正常运行模式期间，所述控制器闭合所述第一对接触器以将所述第一、第二和第三线圈的第一端连接到第一中性点，并且打开所述第二对接触器以将所述第一、第二和第三线圈中产生的所述AC电压提供给所述初级输出；以及

其中，在备用运行模式期间，所述控制器闭合所述第二对接触器以将所述第一、第二和第三线圈的第二端连接到第二中性点，并且打开第一对接触器以将所述第一、第二和第三线圈中产生的所述AC电压提供给所述次级输出。

2.如权利要求1所述的系统，进一步包括：

可连接到初级输出的初级转换器，用于将所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈中产生的所述AC电压转换为直流(DC)电压；

可连接到次级输出的次级转换器，用于将所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈中产生的所述AC电压转换为DC电压；

第三对接触器，可连接在所述初级转换器的DC输出和负载之间，其中，所述控制器在正常运行期间闭合所述第三对接触器以将初级转换器提供的所述DC输出供应到所述负载，而在备用运行期间打开所述第三对接触器以将所述初级转换器从所述负载断开；以及

第四对接触器，可连接在所述次级转换器的DC输出和所述负载之间，其中，所述控制器在正常运行期间打开所述第四对接触器以将所述次级转换器从所述负载断开，而在备用运行期间闭合所述第四对接触器以将初级转换器提供的所述DC输出供应到所述负载。

3.如权利要求2所述的系统，其中所述初级转换器为有源整流器，其用于将由所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈产生的所述AC电压转换为所述DC电压。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述有源整流器包括：

第一对固态开关，可连接以接收由所述第一线圈产生的AC电压；

第二对固态开关，可连接以接收由所述第二线圈产生的AC电压；

第三对固态开关，可连接以接收由所述第三线圈产生的AC电压，其中，在所述正常运行模式期间，所述第一、第二和第三对固态开关被选择性地闭合和打开以将所述第一、第二和第三线圈中产生的AC电压转换为DC电压。

5.如权利要求2所述的系统，其中所述次级转换器为升压转换器，其用于将由所述第一线圈、所述第二线圈和所述第三线圈产生的所述AC电压转换为所述DC电压。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述升压转换器包括：

第一对二极管，可连接以整流由所述第一线圈产生的AC电压；

第二对二极管，可连接以整流由所述第二线圈产生的AC电压；

第三对二极管，可连接以整流由所述第三线圈产生的AC电压；

连接到所述第一、第二和第三对二极管的输出的固态开关，其在所述备用运行模式期间被选择性地闭合和打开以调节提供到所述负载的DC电压。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述控制器监控通过所述第一、第二和第三线圈中至少一个的电流来检测要求从所述正常运行模式到所述备用运行模式的转换的故障条件。

8.如权利要求2所述的系统，其中所述控制器监控由所述初级转换器提供的DC输出电压来检测要求从所述正常运行模式到所述备用运行模式的转换的故障条件。

9.运行永磁体发电机系统的方法，所述永磁体发电机系统包括永磁体发电机，该永磁体发电机具有第一、第二和第三线圈，每个线圈具有第一和第二端，所述方法包括：

在正常运行模式运行，其中第一对接触器被闭合以将所述第一、第二和第三线圈的第一端连接到第一中性点，其中所述第一、第二和第三线圈上产生的交流(AC)电压通过所述第一、第二和第三线圈的第二端被提供到初级输出；以及

响应于检测到的故障条件在备用运行模式运行，其中第二对接触器被闭合以将所述第一、第二和第三线圈的第二端连接到第二中性点，并且第一对接触器被打开，其中所述第一、第二和第三线圈上产生的电压通过所述第一、第二和第三线圈的第一端被提供到次级输出。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述永磁体发电机系统包括连接到所述第一、第二和第三线圈的第二端的初级转换器以及连接到所述第一、第二和第三线圈的第一端的次级转换器，其中在正常运行模式运行进一步包括：

以连接到所述第一、第二和第三线圈的第二端的初级转换器将在所述第一、第二和第三线圈中产生的AC电压转换为DC电压；

保持连接在所述次级转换器和负载之间的第三对接触器为打开状态；以及

保持连接在所述初级转换器和负载之间的第四对接触器为闭合状态以将由初级转换器提供的所述DC电压供应给所述负载。

11.如权利要求10所述的方法，其中在备用运行模式运行进一步包括：

以连接到所述第一、第二和第三线圈的第一端的次级转换器将在所述第一、第二和第三线圈中产生的AC电压转换为DC电压；

保持连接在所述次级转换器和负载之间的第三对接触器为闭合状态以将由次级转换器提供的所述DC电压供应给所述负载；以及

保持连接在所述初级转换器和所述负载之间的第四对接触器为打开状态。

12.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

监控通过所述第一、第二和第三线圈中至少一个的电流来检测要求从所述正常运行模式到所述备用运行模式的转换的故障条件。

13.如权利要求10所述的方法，进一步包括：

监控由所述初级转换器提供的DC电压来检测要求从所述正常运行模式到所述备用运行模式的转换的故障条件。

14.一种高压直流(DC)发电系统，包括：

永磁体发电机(PMG)，其具有至少一个永磁体以及响应于由所述至少一个永磁体提供的磁场产生并交变电流(AC)电压的第一线圈、第二线圈和第三线圈，所述第一线圈、第二线圈和第三线圈每个具有第一端和第二端；

初级转换器，连接到所述第一、第二和第三线圈的第二端，其在正常运行模式期间将所述第一、第二和第三线圈中产生的所述AC电压转换为直流(DC)电压；

次级转换器，可连接到所述第一、第二和第三线圈的第一端，其在备用运行模式期间将所述第一、第二和第三线圈中产生的所述AC电压转换为DC输出电压；

第一对接触器，包括连接在所述第一线圈的第一端和所述第二线圈的第一端之间的第一接触器，以及连接在所述第二线圈的第一端和所述第三线圈的第一端之间的第二接触器；

第二对接触器，包括连接在所述第一线圈的第二端和所述第二线圈的第二端之间的第三接触器，以及连接在所述第二线圈的第二端和所述第三线圈的第二端之间的第四接触器；

第三对接触器，包括连接在所述次级转换器的所述DC输出电压和负载之间的第五和第六接触器；

第四对接触器，包括连接在所述初级转换器的DC输出和负载之间的第七和第八接触器；

控制器，用于选择性地在正常运行模式或备用运行模式下运行所述系统，其中，在所述正常运行模式期间，所述控制器闭合所述第一对和第四对接触器并且打开所述第二对和第三对接触器以使得在所述第一、第二和第三线圈上产生的AC电压被提供给所述初级转换器，而所述初级转换器的所述DC输出电压被提供给所述负载；以及

其中在备用运行模式期间，所述控制器打开所述第一和第四对接触器并闭合所述第二和第三对接触器以使得在所述第一、第二和第三线圈上产生的AC电压被提供给所述次级转换器，且所述次级转换器的所述DC输出电压被提供给所述负载。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述初级转换器为有源整流器。

16.如权利要求14所述的系统，其中所述次级转换器为升压转换器。

17.如权利要求14所述的系统，其中所述系统响应于所述初级转换器中检测到的故障从所述正常运行模式转换到所述备用运行模式。

18.如权利要求17所述的系统，其中在从所述正常运行模式到所述备用运行模式的转换期间，所述控制器在打开所述第一对接触器前闭合所述第二对接触器。

19.如权利要求14所述的系统，其中所述控制器监控通过所述第一、第二和第三线圈中至少一个的电流来检测要求从所述正常运行模式到所述备用运行模式的转换的故障条件。

20.如权利要求14所述的系统，其中所述控制器监控DC输出电压来检测要求从所述正常运行模式到所述备用运行模式的转换的故障条件。

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