CN116762270A - 用于电感电路的去励磁系统 - Google Patents

Abstract

一种用于耗散来自电感电路(1，2)的能量的去励磁系统(15)，该电感电路(1，2)包括至少一个线圈(1)，该去励磁系统(15)适于被附接到所述电感电路(1，2)，并且至少一个线圈(1)包括：·放电电阻器(4)与单向放电开关元件(6)的串联连接，所述串联连接被布置为使得如果去励磁系统(15)被附接到电感电路(1，2)并且放电开关元件(6)处于导通状态，则形成闭合导通路径，闭合导通路径包括线圈(1)和放电电阻器(4)；·单向旁路开关元件(5)，并联连接到放电电阻器(4)，使得如果去励磁系统(15)被附接到电感电路(1，2)并且放电开关元件(6)和旁路开关元件(5)两者均处于导通状态，则形成闭合导通路径，该闭合导通路径包括线圈(1)、放电开关元件(6)和旁路开关元件(5)；以及控制装置，被配置为：在第一去励磁阶段中，将放电开关元件(6)和旁路开关元件(5)两者均切换到导通状态，而在第二去励磁阶段中，将旁路开关元件(5)切换到非导通状态，同时保持放电开关元件(6)处于导通状态。

Description

用于电感电路的去励磁系统

技术领域

本发明涉及用于从诸如同步机的场绕组之类的电感电路释放能量的系统。

背景技术

同步机使用两个磁动势之间的相互作用使转子以与多相电源电压的频率同步的频率旋转。通过转子中的磁通量提供两个磁动势中的一个磁动势。原则上讲，转子中的磁通量可以由永磁体产生。然而，对于工业设置中通常所需的通量的大小，永磁体不适于在连接到功率系统时使用于控制电枢电压和无功电流的通量变化。因此，为了励磁转子中的磁通量，向安装到转子的励磁线圈供应DC电流。

在诸如短路事件之类的故障的情况下，可能需要从转子中快速去除磁通量并且释放包括励磁线圈的电感电路中的电流。EP 3 595 166 A1公开了一种用于执行无刷同步机的快速去励磁的方法。放电电阻器与电源串联连接到励磁线圈并且通过开关元件桥接。在正常操作状态下，开关元件处于导通状态，并且不会发生励磁电流的放电。在异常操作状态下，开关元件处于非导通状态，并且励磁电流通过放电电阻器放电。

发明目的

本发明的目的是减轻诸如同步机的励磁线圈之类的电感电路的去励磁对部件造成的磨损，并且还减轻关于这些部件的尺寸设计要求。

该目的通过根据独立权利要求的去励磁系统和根据另一独立权利要求的励磁系统来实现。在从属权利要求中对其他有利实施例进行详述。

发明内容

发明人已经开发了一种用于从电感电路中耗散能量的去励磁系统，该电感电路包括至少一个线圈。该去励磁系统适于附接到电感电路。例如，它可以在电感电路的电源与电感电路之间的路径中进行切换，使得它可以在正常状态下将功率从电源传递到电感电路，而在异常状态下对电感电路进行放电。

去励磁系统包括放电电阻器和单向放电开关元件的串联连接。该串联连接被布置为使得如果去励磁系统连接到电感电路并且放电开关元件处于导通状态，则形成闭合导通路径，该闭合导通路径包括线圈和放电电阻器。也就是说，如果放电开关元件处于导通状态并且DC源被断开连接或其电压低于负载电压，则串联连接可以桥接电感电路。

电阻器可以包括任何类型的阻抗，该阻抗适于耗散流过它的能量。例如，电阻器可以是欧姆电阻器。电阻器可以是线性电阻器，其电阻与施加到其上的电压和电流无关。可替代地，电阻器可以是非线性电阻器，其电阻取决于电压、电流或其他量。

去励磁系统还包括单向旁路开关元件。该旁路开关元件并联连接到放电电阻器，使得如果去励磁系统连接到电感电路并且放电开关元件和旁路开关元件两者均处于导通状态，则形成闭合导通路径，该闭合导通路径包括线圈、放电开关元件和旁路开关元件。

去励磁系统还包括控制装置。这些控制装置协调开关元件的开关。在第一去励磁阶段中，控制装置将放电开关元件和旁路开关元件两者均切换到导通状态。当过渡到随后的第二去励磁阶段时，旁路开关元件被切换到非导通状态。同时，放电开关元件保持处于导通状态。

本文中，术语“导通状态”和“非导通状态”不应被解释为限制意义，即，导通状态表示完全导通，而非导通状态表示完全绝缘。相反，这些术语意味着：

·如果放电开关元件处于导通状态，但是旁路开关元件处于非导通状态，则来自电感电路的能量可以被耗散在放电电阻器中；

·如果放电开关元件和旁路开关元件两者均处于导通状态，则从电感电路施加的电流基本绕过放电电阻器，使得其存储的能量在其他地方(诸如在线圈的电阻部分、放电开关元件和旁路开关元件中)被耗散；以及

·如果放电开关元件和旁路开关元件两者均处于非导通状态，则来自电感电路的能量基本没有被去励磁系统耗散。

当通过具有阻抗R的放电电阻器耗散来自具有电感率L的电感电路的能量时，该耗散的时间常数由L/R给出。也就是说，电阻越大，每单位时间耗散的能量就越多，存储在电感电路中的给定量的能量消耗得就越快。因此，理论上讲，放电电阻器的大阻抗R是有利的。然而，实际上，大阻抗R与电感电路和功率源的断开连接相结合存在一定困难，如果电感电路保持不通电或对于线圈本身，R两端的电压变高，这就不可避免。

通常使用机械开关或机电开关执行这种断开连接，这些机械开关或机电开关将两个触头集合在一起以准许电流流动，并且再次分开这些触头以停止电流流动。当在负载电流下分开开关的触头时，触头之间可能会出现电弧放电。如果开关不能抑制或熄灭电弧放电，则在极端情况下，电弧可以保持持续，同时触头分开，直到触头已经被分开它们的最大可能距离并且电弧仍然有效的点。在这种情况下，开关不能切断电流。因此，在分开移动触头的基础上起作用的每个开关对其可以切断给定负载电流的最大电压具有限制。

虽然能量由于电流I流过电阻器而在阻抗R的放电电阻器中被耗散，但是电阻器两端存在I*R的电压降。根据楞次(Lenz)原理，该电压的极性与电源电压的极性相反。也就是说，将会通过电源电压和该电压降之和驱动诸如断路器之类的隔离开关两端的电弧。因此，放电电阻器的阻抗R越高，对用于切断电流的断路器的最大额定电压的要求就越高，该电流可以是施加在同步机的励磁线圈上的最大电流。励磁线圈的额定上限励磁电压在最近时间期间变得越来越大，这一事实加剧了这种情形。如果不能获得满足电压要求的断路器或如果具有足够额定电压的唯一可用断路器不能满足其他要求，则可能需要降低放电电阻器的阻抗R并且增加放电时间。

在这种情形下，当在第二去励磁阶段中使用放电电阻器时在第一去励磁阶段中使放电电阻器旁路的有利效果是双倍的。

首先，在第一去励磁阶段中，通过低得多的电阻使励磁电流短路。例如，如果放电电阻器和旁路电阻器两者均被配置为半导体开关(诸如ICGT)，则电压降可能仅等于这两个半导体开关的续流二极管的组合阈值电压，其可能近似为2伏。相比之下，励磁电流I和阻抗R的典型配置可能在放电电阻器上产生近似1000伏到2000伏的电压降。因此，在第一去励磁阶段中将该放电电阻器从回路中剪除意味着大大降低了电感电路通过其被供电的断路器的额定电压要求，并且变得与阻抗R的值无关。

其次，在该第一去励磁阶段期间，励磁电流被转移通过的低电阻引起快速增加的电流流经旁路电阻器和放电电阻器。这意味着快速减小的电流流经处于断开过程中的断路器。因此，在电弧中耗散较少的能量，同时断路器断开。这延长了断路器的寿命。由于负载可能没有电感，其中L/R的比率接近0，所以小电弧放电电压已经开始了源电流进入旁路电路的换向过程。

如果在断路器开始断开时已经建立了通过旁路开关元件和放电开关元件的导通路径并且可能出现电弧放电，则两种效果均为最高。

因此，在一个特别有利的实施例中，去励磁系统的控制装置与到电感电路的供电路径中的断路器的控制装置耦合或集成，并且被配置为：响应于对电感电路进行去励磁的请求，在断路器开始断开之前开始第一去励磁阶段。

电弧放电过程仅在断路器断开时的短时间框架内是必需的。一旦断路器的触头已经移动分开得足够远并且触头之间的空间中已经通过先前电弧放电进行电离的任何空气也已经恢复其绝缘性能，断路器就可以承受比它刚断开的状态高得多的电压。电弧可能必须跳过触头之间的整个间隙，因此触头之间的电场强度可能必须大于击穿电场强度。相比之下，当断路器刚开始断开时，容易跨越触头之间的近零距离产生电弧。

因此，在一个特别有利的实施例中，去励磁系统的控制装置还被配置为：在断路器已经达到其完全绝缘能力之后开始第二去励磁阶段。可以通过任何合适方法测量或估计达到完全绝缘能力的时刻。例如，可以在实验室实验中确定达到完全绝缘能力通常花费多长时间，然后可以设置定时器，使得在该定时器期满时，可以保证断路器完全绝缘。以这种方式，一旦放电电阻器的高阻抗R两端的高电压降不再引起问题，就可以使用该放电电阻器就尽可能快地耗散来自电感电路的能量。

优选地，去励磁系统的控制装置被配置为：最迟在第一去励磁阶段开始之后100ms，从第一去励磁阶段过渡到第二去励磁阶段。在该短时间框架内，不管最初承载的高电流如何，都无需对旁路开关元件和放电开关元件进行主动冷却。

在另一有利实施例中，去励磁系统还包括单向备用开关元件，该单向备用开关元件与放电电阻器和放电开关元件的串联连接并联连接。在放电开关元件和/或旁路开关元件发生故障的情况下，该备用开关元件可以用于在没有放电电阻器的情况下启动缓慢去励磁。如之前所讨论的，去励磁系统是安全相关系统，因此具有这种冗余是有利的。另外，即使放电开关元件和旁路开关元件仅在非常短的时间内承载高电流，并且与逆变器的开关元件相比较，它们具有每天大约1秒的非常小的占空比，这仍然也可能会造成这些开关元件磨损部件。

在另一有利实施例中，该去励磁系统的控制装置被配置为：监测在第一去励磁阶段中通过去励磁系统为电感电路馈电的源电流和在第二去励磁阶段中通过放电电阻器的电流；并且如果在第一去励磁阶段期间源电流没有下降到零和/或在第二去励磁阶段开始之后的预设时间内通过放电电阻器的电流没有达到预设阈值，则将备用开关元件切换到导通状态。如果断路器不能中断完全电流和/或放电开关元件和/或旁路开关元件当被命令这样做时不能切换到导通状态，则通过放电电阻器的电流可能不能增加到源电流的完全电平。在这种情况下，不会进入第一去励磁阶段，并且根本没有或只有部分励磁电流被放电。在这种情况下，如果备用开关元件被切换到导通状态，则无论如何这都应该允许电流流过备用开关元件。

如上文所讨论的，放电开关元件、旁路开关元件和/或备用开关元件可以优选地是固态半导体开关元件，而放电开关元件和旁路开关元件必须是在正常操作期间对于最大源电压具有阻断能力的单极类型。这些开关元件的开关迅速，并且没有牵涉到电弧放电。此外，这些开关元件包括可以用于耗散励磁电流的续流二极管。

在另一有利实施例中，去励磁系统还包括感应场开关元件，该感应场开关元件与放电开关元件反并联配置。该感应场开关元件可以用于耗散AC电流，该AC电流在电感电路外部感应并且具有比DC电流的幅度大的幅度，外部电源通过去励磁系统使用DC电流为电感电路馈电。

本发明还提供一种用于同步机的励磁系统。该励磁系统包括至少一个电源；如之前所描述的去励磁系统，被配置为连接到同步机的场绕组作为电感电路；以及至少一个断路器，控制从电源到去励磁系统的功率流动。为了“控制功率流动”具体包括断路器可以控制从一些功率源(诸如电网或连接到电网的变压器)到电源的流入。但是，为了“控制功率”还包括断路器可以控制功率从电源到去励磁系统的流出。如之前所讨论的，存在之前所描述的去励磁系统则减少了对断路器的磨损并且降低了断路器能够在特别高的电压下切断大电流的要求。

在另一有利实施例中，电源包括逆变器，该逆变器被配置为通过根据时间程序将AC电源电压切换到去励磁系统，而将AC电源电压转换为针对场绕组的DC电压。去励磁系统的控制装置与逆变器的控制装置耦合或集成。去励磁系统的控制装置被配置为在第一去励磁阶段内关断逆变器。特别地，关断逆变器可以意味着切换将AC电源电压连接到DC电压总线的所有开关元件。以这种方式，立即中断流过电源的电流。逆变器输出电压跟随最近连接的源AC电压，这意味着逆变器在相间源电压的负半周期期间停止导通。无论断路器是连接在电源的上游还是连接在电源与去励磁系统之间，效果都是断路器能够在不承载负载电流的状态下断开。这防止了触头分开时的电弧放电。在这种情况下，无需断路器在特定电压下切断特定电流的特定能力。

附图说明

在下文中，使用附图来说明本发明，而不旨在限制本发明的范围。附图示出：

图1：具有电源10和去励磁系统15的发电机3的励磁系统的示例性实施例；

图2：通过去励磁系统15缓解的断路器9a中的电弧放电问题的图示。

具体实施方式

图1示出了作为配备有励磁系统16的同步机的发电机3。励磁系统16包括电源10和去励磁系统15。励磁系统16为发电机3的场绕组1供电。场绕组1的阻抗的欧姆分量由等效电阻器2表示。

发电机3经由线路开关13和线路连接件14向电网供应所生成的功率。可以经由分路连接件12a从发电机3产生的功率和/或从辅助线路连接件12b汲取用于励磁系统16的功率。该功率通常是高电压。通过降压变压器11使高电压降压以供励磁系统16使用。可以借助于励磁系统16内的一个或多个单极或多极DC断路器9a和/或借助于到励磁系统16的三相功率线中的断路器9b来接通和断开用于励磁系统的功率。

励磁系统16的电源10是逆变器，该逆变器使用六个开关元件10a至10f根据时间程序将三相AC功率的三个两位切换到正总线(+)和负总线(-)。

去励磁系统15具有两个功率输入端子15a和15b以及两个功率输出端子15c和15d，该两个功率输入端子15a和15b分别连接到电源10的正总线和负总线；该两个功率输出端子15c和15d连接到包括其等效电阻2的场绕组1。去励磁系统15包括放电电阻器4以及旁路开关元件5，该放电电阻器4与放电开关元件6串联连接；该旁路开关元件5与放电电阻器4并联连接。备用开关元件8提供了在放电开关元件6发生故障的情况下使励磁电流放电的备选方式。按与放电开关元件6反并联的结构提供感应场开关元件7。该感应场开关元件7被激活以耗散AC电流，并且该AC电流由场绕组1中的发电机3感应并且具有大于来自电源10的DC电流的幅度的幅度。

图2图示了本发明对控制向场绕组1输送功率的断路器9a的寿命的有益效果。在图2中，所牵涉到的电流的强度由箭头的厚度指示。为了清楚起见，图2中省略了感应场开关元件7。

图2a图示了根据现有技术的去励磁过程，其中仅使用放电电阻器4和放电开关元件6的组合，而省略了旁路开关元件5。从大电流在电源10与场绕组1之间循环的状态开始，放电开关元件6被切换到导通状态，使得励磁电流开始在放电电阻器4中耗散。同时，断路器9a的触头9a1和9a2开始移动分开。由于放电电阻器4的相当高的电阻，所以只有相当小的电流通过它被放电。这意味着在断路器9a的触头9a1和9a2开始分开的时刻，相当大的电流流动跨越它。这会产生损坏触头9a1和9a2的高能电弧A。

图2b图示了去励磁系统15的实施例中的第一去励磁阶段。在第一去励磁阶段中，放电开关元件6和旁路开关元件5两者均处于导通状态。这具有以下效果：跨越放电开关元件6和旁路开关元件5使相当高的电流放电。同时，减小了从电源10汲取的电流。因为断路器9a两端的电压随着电流的减小而增大，所以增大放电电流同时减小从电源10汲取的电流均为自我调节。因此，电弧A的能量小得多。另一方面，由于跨越放电开关元件6和旁路开关元件5的路径的电阻相当低，所以断路器9a两端的电压的增大不高到使其显著促进电弧放电。因此，无需断路器9a在高电压下支持高电流电弧。如果可以在断路器9a开始断开的同时关断电源10，诸如通过关断图1所示的逆变器中的所有开关元件10a至10f，则可以使在断开开始时通过断路器9a的电流减小到零。这可以完全消除电弧放电。

图2c图示了第二去励磁阶段。与图2b相比，断路器9a的触头9a1和9a2现在已经分开足够远，使得断路器9a已经达到其完全绝缘能力。因此，当在非导通状态下对旁路开关元件5进行切换时，迫使放电电流经由放电电阻器4到电阻高得多的路径上时，断路器9a两端的电压增加得更多不再成问题。断路器9a不会再次开始电弧。因此，放电电阻器4的高电阻可以用于耗散存储在场绕组1中的能量。目标是尽可能早地(即，在尽可能接近初始负载电流的放电电流下)实现该状态。

附图标记列表

1 电感电路中的场绕组

2 电感电路中的等效电阻

3 发电机

4 放电电阻器

5 旁路开关元件

6 放电开关元件

7 用于负负载电流的其他开关元件

8 备用开关元件

9a AC断路器

9b DC断路器

10 电源

10a-10f 电源10中的开关元件

11 降压变压器

12a 用于为励磁系统16供电的分路连接件

12b 用于为励磁系统16供电的辅助线路连接件

13 线路开关

14 线路连接件

15 去励磁系统

16 励磁系统

A 弧。

Claims (10)

1.一种用于耗散来自电感电路(1，2)的能量的去励磁系统(15)，所述电感电路(1，2)包括至少一个线圈(1)，所述去励磁系统(15)适于被附接到所述电感电路(1，2)并且包括：

·放电电阻器(4)与单向放电开关元件(6)的串联连接，所述串联连接被布置为使得如果所述去励磁系统(15)被附接到所述电感电路(1，2)并且所述放电开关元件(6)处于导通状态，则形成闭合导通路径，所述闭合导通路径包括所述线圈(1)和所述放电电阻器(4)；

·单向旁路开关元件(5)，被并联连接到所述放电电阻器(4)，使得如果所述去励磁系统(15)被附接到所述电感电路(1、2)并且所述放电开关元件(6)和所述旁路开关元件(5)两者均处于导通状态，则形成闭合导通路径，所述闭合导通路径包括所述线圈(1)、所述放电开关元件(6)和所述旁路开关元件(5)；以及

·控制装置，被配置为：在第一去励磁阶段中，将所述放电开关元件(6)和所述旁路开关元件(5)两者均切换到导通状态，而在第二去励磁阶段中，将所述旁路开关元件(5)切换到非导通状态，同时保持所述放电开关元件(6)处于所述导通状态。

2.根据权利要求1所述的去励磁系统(15)，其中所述去励磁系统(15)的所述控制装置与到所述电感电路(1，2)的供电路径中的断路器(9a，9b)的控制装置耦合或集成，并且所述去励磁系统(15)的所述控制装置被配置为：响应于针对所述电感电路(1，2)的去励磁的请求，在所述断路器(9a，9b)开始断开之前开始所述第一去励磁阶段。

3.根据权利要求2所述的去励磁系统(15)，其中所述去励磁系统(15)的所述控制装置还被配置为：在所述断路器(9a，9b)已经达到所述断路器(9a，9b)的完全绝缘能力之后，开始所述第二去励磁阶段。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的去励磁系统(15)，还包括单向备用开关元件(8)，所述单向备用开关元件(8)被并联连接到所述放电电阻器(4)与所述放电开关元件(6)的所述串联连接。

5.根据权利要求4所述的去励磁系统(15)，其中所述去励磁系统(15)的所述控制装置被配置为：在所述第一去励磁阶段中监测通过所述去励磁系统(15)为所述电感电路(1，2)馈电的源电流；并且在所述第二去励磁阶段中监测通过所述放电电阻器(4)的电流；并且所述源电流在所述第一去励磁阶段期间不下降到零，和/或通过所述放电电阻器(4)的所述电流在所述第二去励磁阶段开始之后的预设时间内不达到预设阈值，将所述备用开关元件(8)切换到导通状态。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的去励磁系统(15)，其中所述放电开关元件(6)、所述旁路开关元件(5)和/或所述备用开关元件(8)是固态半导体开关元件。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的去励磁系统(15)，还包括感应场开关元件(7)，所述感应场开关元件(7)与所述放电开关元件(6)反并联配置。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的去励磁系统(15)，其中所述去励磁系统(15)的所述控制装置被配置为：最迟在所述第一去励磁阶段开始之后100ms，从所述第一去励磁阶段过渡到所述第二去励磁阶段。

9.一种用于同步机(3)的励磁系统(16)，包括：至少一个电源(10)、根据权利要求1至8中任一项所述的去励磁系统(15)以及至少一个断路器，所述去励磁系统(15)被配置为连接到所述同步机(3)的场绕组(1)作为所述电感电路，所述至少一个断路器控制从所述电源到所述去励磁系统的功率流动。

10.根据权利要求9所述的励磁系统，其中所述电源包括逆变器，所述逆变器被配置为通过根据时间程序将所述DC电源电压切换到所述去励磁系统，而将AC电源电压转换为针对所述场绕组的DC电压，所述去励磁系统的所述控制装置与所述逆变器的所述控制装置耦合或集成，并且所述去励磁系统的所述控制装置被配置为在所述第一去励磁阶段内关断所述逆变器。