CN1222104C - 对流过一个电气部件的电流进行限制的方法和限流装置 - Google Patents

Abstract

为了限制流过一个电气部件(76)、尤其是一台涡轮发电机的转子绕组的电流(I)，以部件(76)的热负荷(b)作为限制基础。由此可靠避免部件(76)被过热，同时使电流(I)、尤其是一次冲击励磁时的电流(I)完全被耗尽。

Description

对流过一个电气部件的电流 进行限制的方法和限流装置

技术领域

本发明涉及一种对流过一个电气部件，尤其是一个电流线圈的电流进行限制的方法以及一种限流装置，利用该电流装置可限制流过一个电气部件的电流。

背景技术

从美国专利US PS 5 321 308中可了解到一种控制流过发电机的转子绕组的励磁电流的方法，其中借助励磁电流和转子绕组的欧姆电阻值计算转子的温度，作为计算基础的则是已公知的关于铜的电阻-温度-关系。在转子过热时，就降低励磁电流。

美国专利US PS 5 198 744公开了一种发电机，尤其是一种用于汽车的起动机。其中，根据测得的发电机内的温度来调节通过发电机的励磁线圈的励磁电流。优选由测量温度来计算在发电机内某些部位处的温度。通过借助发电机温度来调节励磁电流，允许发电机在暂时过激励的状态下或者在高环境温度下运行。

由德国专利申请DE 41 41 837 A1公开了一种发电机，尤其是用于给一辆汽车提供动力的发电机，其中，根据在一个电压调节器中的温度来调节流过发电机的励磁绕组的电流。由此，当超过一个临界温度时，就能避免温度因过高的励磁电流而被进一步提升。为此，以适当的方式减小励磁电流。

从美国专利US 5 373 205中可了解到一种用于对一个电子开关组件、例如一个晶体管的温度进行测算的数学模型，以用于控制电机。该温度模型建立在一个指数性时间函数上。用模型计算温度可周期性地进行，其中，将计算出的温度值与一个最大的可允许的温度值比较。所计算出的温度值在此既是流过部件的瞬时电流的一个函数，也是在前面一个周期内电流的函数。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对流过一个电气部件的电流进行限制的方法，其中可靠避免电气部件被过热，但同时仍引导足够大的电流通过电气部件。本发明的另一目的是提供一种对流过一个电气部件的电流进行限制的限流装置，利用它，在保持高的运行安全性的同时，能在很大程度上消尽电流值。

本发明关于方法方面的目的通过一种对流过一个电气部件的电流进行限制的方法来实现，其中，首先确定出电气部件随时间的温度变化曲线，再由此求出电气部件所受热负荷，在此，对电流进行限制，使热负荷保持低于一可预定的负荷最大值。

电气部件的热负荷是电气部件在受一定时间的高温之后其材料所受应力的量度。通过借助热负荷来限制电流，一方面使得电气部件不会承受超过允许量的热负荷。另一方面使得电流在其大小及延续时间方面被完全耗尽，这是因为通过热负荷可将电流的数值和延续时间调节到这么高和这么长，即，使得对于电气部件正好还没有造成损害。换句话说，在预先确定能可靠避免受到热负荷损害的情况下，电流可以有一个最大值和/或最长持续时间。仅仅根据电气部件的温度来调节不能保证完全耗尽电流，因为对电气部件因受热负荷出现的瞬时高温进行分析得到的结果，不同于对电气部件在一较长的时间段内出现的较高温度进行分析得到的结果。

优选这样来定义电气部件的极限温度，即，处于极限温度之上的电气部件在经过一定的时间后会受到损害，在此，通过对温度变化曲线求和或求积分，计算出热负荷，此时，温度处于极限温度之上。

极限温度是这样一个温度值，即，当电气部件处于这一温度值之上经过一平均寿命尺度的关键性时间段之后会出现热损坏。换句话说，通过定义极限温度，提供了一个参数，当处于该参数之上时，电气部件会承受一个关键性的热负荷。通过在电气部件的温度高于极限温度的那个或那些时间段内，对温度求和和/或求积分求出热负荷。

优选可采用电气部件的一个热时间常数来计算热负荷，该热时间常数表示电气部件特征性的加热时间或冷却时间。借助热时间常数，在计算热负荷时考虑电气部件的热惰性。例如在因温度高于极限温度而切断电流之时，电气部件的温度通常会呈指数级地衰减。电气部件的温度因而在一定的时间段内尽管电流已被切断仍高于极限温度。由此得出电气部件的热负荷，利用该热负荷来控制并限制重新接通的电流。

优选由下列公式来计算热负荷：

$b\left(t_0\right)=\frac{1}{A}\underset{0}{\overset{t_0}{\∫}}T\left(t\right)-T_G\mathrm{dt},$

在此，

b(t₀)：在时间t₀时的热负荷，

T(t)：电气部件随时间变化的温度，

T_G：极限温度，

A：积分常数。

积分常数A反映了电气部件的热惰性，它优选按下列公式求出：

$A=Z\left[(T_S-T_G)\ln \frac{T_S-T_G}{T_S-T_u}\right],$

其中，

Z：电气部件的热时间常数，

T_S：电气部件在静电流时形成的温度，

T_u：电气部件在电流被切断时的瞬时温度。

优选测量或计算出温度随时间的变化曲线。电气部件随时间变化的温度曲线可连续地或不连续地通过一个适当的测量装置来测量。所测得的温度随时间变化的曲线随后可用来确定热负荷。但也可通过计算求出温度的时间曲线。为此优选计算出电气部件的温度与电流的关系，由这样一层关系并借助电流的时间曲线计算出温度的时间曲线。通过考虑电气部件的欧姆电阻值可根据电流计算出电气部件的温度。也优选考虑电气部件的热阻值。另外优选在计算温度时弄清非电损失、例如摩擦损失和/或冷却电气部件的冷却液体的冷却剂温度。

优选按照下列公式根据电流来计算部件温度：

其中：

T：部件温度；

R_T：热阻值；

R_O(20℃)：在20℃时的欧姆电阻值；

x：用于电气部件平均温度的加权因子；

I：通过电气部件的电流；

T_K：冷却剂温度；

T_R：因非电损失引起的温度升高；

T₁，T₂：常数，优选T₁＝255℃，T₂＝235℃。

计算电气部件的温度省下了用于测量电气部件温度的测量技术方面的费用。例如在发电机的转子绕组上，这一费用特别显著，因为必须询问旋转转子的温度测量值。

优选要对功率大于10MVA，尤其是大于100MVA的发电机，尤其是涡轮发电机的转子绕组和/定子绕组中的电流进行限制。由于在一台涡轮发电机中的功率密度很高，该发电机的电绕组内会产生很高的温度，这在某些情况下会显著损伤绕组。由于对发电机的运行安全有特别高的要求，这就要求有一种特别安全的用于对流过一个发电机的绕组的电流进行限制的方法，并且能特别精确地报告该电绕组的温度。这些可按特别可靠、但简便的方式借助确定电绕组的热负荷并通过限制电流来保证。

所述电流优选是通过转子的励磁电流，其中，励磁电流按照一种称为“冲击励磁”的方式被冲击式地提高到一个多需求值(Mehrbedarfswert)。在一台发电机上，对其输出功率可能在短时间内会形成需求高峰。这样一种需求高峰在一台与电网相连接的发电机上以电网电压的沉没(Absacken)形式表现出。通过提高流过转子的励磁电流，可对此予以补偿。提高励磁电流可增强转子的励磁磁场，从而在定子内感应出更高的电压。励磁电流这种短时间内冲击式的提高称为冲击励磁。励磁电流在短时间内会提高到某个多需求值。这个更高的电流通常会导致电绕组被加热到超过极限温度，从而给电绕组带来热负荷。迄今为止励磁电流的提高通常被限制在某个时间窗内、亦即一预定的时间段内。在该时间窗结束之后，励磁电流必须被限制到其额定值。这会带来两个问题：

一个是所述时间窗可能太短，这就是说，在冲击励磁前在电绕组中产生的热负荷可能会使提高的励磁电流在更长的时间内保持在多需求值。这样人们要更好地考虑满足所提高的电网要求。

另一个问题是，当电网电压在短时间内依次出现波动时，会导致前后依次出现冲击励磁。在此情形下，励磁电流可能会通过一个紧跟第一冲击励磁的第二冲击励磁的作用，在被限制到其额定值之后随即又重新被提高到所述多需求值。当多个冲击励磁前后依次出现时，尽管设有预定的时间窗，仍然会导致电磁绕组受到不允许的高的热负荷。

通过借助电磁绕组的热负荷来控制，进而对励磁电流进行限制，可避免上述缺点。通过测算出热负荷，可判断出是否励磁电流可能还要在较长的时间内被保持在多需求值，或者是否必须对冲击励磁进行限制。励磁电流在此优选在一个时限内被保持在多需求值，其中，借助热负荷确定时限。优选在在第一冲击励磁之后，只有当转子绕组温度低于极限温度时，才允许跟随第一冲击励磁的第二冲击励磁发生。优选在前后依次发生的冲击励磁之间设有一个最小时间间距。该时间间距在任何情况下都能遵守。

优选测量部件冷却用液体的温度并借助电流和该冷却液体温度计算出电气部件的温度。在此，对电流进行限制，使部件温度不会超过一个可预定的最大值。

通过冷却液体温度，人们获得有关电气部件热负荷的信息。现在就可以可靠地借助电流和冷却液体温度来计算部件温度。这种计算省却了在测量部件温度时的设备方面的投入费用。这些设备方面的费用尤其对于旋转电机的旋转电磁绕组来说是很大的。

优选在一个是旋转电机绕组且尤其是涡轮发电机转子绕组的电气部件上，通过将电气部件的热阻、电阻以及非电损失考虑在内，计算出部件温度。在一个用氢气冷却的涡轮发电机上，优选在计算时考虑到氢气压力。

本发明关于限流装置方面的目的通过一种对流过一个电气部件的电流进行限制的限流装置来实现，它具有用于对部件温度的时间特性曲线进行积分或求和的积分单元，以及一个与该积分单元相连的限流单元，用于根据积分单元的一个输出信号限制电流。

上述限流装置的优点与上述一种限制电流的方法的优点相对应。

优选采用限流装置对一台涡轮发电机的一个转子内的励磁电流进行限制。

附图说明

下面借助附图所示的一个实施例对本发明予以详细说明，附图中：

图1为用于限制流过一个电磁绕组的电流的方法的简略示图；

图2为图1所示方法步骤的简略示图；

图3示出在一个冲击励磁时的电流的时间特性曲线和一个由此得出的热负荷图表。

相同的附图标记在不同的附图中有同样的含义。

具体实施方式

图1示出一个用于对流过一个电气部件76的电流I进行限制的限流装置1。该电气部件在此是一个电磁绕组76(参见附图2)。利用限流装置1可实施一种方法，可对流过电磁绕组76的电流I进行限制。为此在一个第一计算单元3内计算电磁绕组76的温度T。在一个第二计算单元5内，利用前面计算得到的温度求出流过电磁绕组76的电流I的极限值。借助一个由一个PI调节器7和一个极限值发送器9组成的限制单元8，对电流I进行限制。

为了计算出电磁绕组76的温度T，通过一个输入口15将电流I的当前值输送给第一计算单元3。通过一个输入口17输入(在本实施例中)冷却电磁绕组76的冷却剂温度值T_K。此外，通过一个输入口19将一个温度升高值T_R输送给第一计算单元3。该温度升高是因非电损失引起的。借助这些输入值并根据温度T计算出电磁绕组的欧姆电阻值。这优选按照下列公式来计算：

其中，

R_O(T)：电磁绕组与温度有关的电阻值；

R_O(20℃)：电磁绕组在20℃时的电阻值；

T_K：冷却剂的温度；

T_R：由非电损失，例如摩擦引起的电磁绕组的温度升高；

T₁，T₂：常数，优选T₁＝255℃，T₂＝235℃。

x：用于平均绕组温度的加权因子。

按照下式由电阻值R_O和电流I计算出功率P：

P＝R_O·I²

由电磁绕组的热阻R_T和电磁绕组的热时间常数Z，计算出电磁绕组的温度T随时间t的变化：

$\frac{\mathrm{dT}}{\mathrm{dt}}=\frac{1}{Z}[R_{T}P-(T\left(t\right)-(T_K+T_R))]$

电磁绕组的温度T则按下列公式求出：

其中：

T：电磁绕组温度；

R_T：热阻值；

R_O(20℃)：在20℃时的欧姆电阻值；

x：用于电磁绕组平均温度的加权因子；

I：通过电磁绕组的电流；

T_K：冷却剂温度；

T_R：因非电损失引起的温度升高；

T₁，T₂：常数，优选T₁＝255℃，T₂＝235℃。

如此计算出的电磁绕组的温度值T被传送给第二计算单元5，在那儿测算电流I的限制。这一点下面要借助附图2予以详细说明。

在图2中简略示出第二计算单元5。它用于对图1所示电流I进行限制。电磁绕组的温度值T在一个输入口31处输入第二计算单元5中。在一个输入口33处则输入一个极限温度值T_G。该极限温度值T_G是这样一个温度值，即，当高于这一温度值时，就必须考虑可能因受热对电磁绕组造成损害。在一个输入口35处，冷却剂温度T_K被输送到第二计算单元5中。

若电磁绕组的温度T高于极限温度值T_G，就在一个积分单元37中对温度(T(t))的时间特性曲线进行积分。该积分导出电磁绕组所受到的热负荷b。优选按照下列公式来计算：

$b\left(t_0\right)=\frac{1}{A}\underset{0}{\overset{t_0}{\∫}}T\left(t\right)-T_G\mathrm{dt},$

其中，

b(t₀)：在时间t₀时的热负荷，

T(t)：电磁绕组随时间变化的温度，

T_G：极限温度，

A：积分常数。

积分优选分成两部分，也就是说，热负荷b是由电磁绕组加热阶段的一个第一部分b₁和电磁绕组冷却阶段的一个第二部分b₂之和构成。在第二部分b₂中对温度下降进行积分。该温度下降优选近似地表示成呈指数级衰减。积分常数A优选按照下列公式来定义：

$A=Z\left[(T_S-T_G)\ln \frac{T_S-T_G}{T_S-T_u}\right],$

其中，

Z：电磁绕组的热时间常数，

T_S：电磁绕组在一个恒定的高于额定值的电流时形成的温度，

T_u：电磁绕组的瞬时温度，在此温度时电流减小。

通过对高于极限温度T_G的时间特性曲线T(t)求积分，人们得到电磁绕组76的一个热负荷b值。借助该热负荷值b，人们现在可以可靠地调节流过电磁绕组76的电流值I，使之满足运行状态。借助极限值发送器43可以确定，是否热负荷b超过了在一个存储器47中的一个预定极限值b_m。另外借助一个极限值发送器45可以检验，是否电磁绕组76的温度T高于一个最大温度值T_M。若这两个条件中的一个满足，就借助触发电路(Flip-Flops)49和开关51引入对电流I的限制。

在图示实施例中，对在一个涡轮发电机70的转子74的转子绕组76A中流动的电流I进行控制。电流I通过转子绕组76A形成一个磁场，该磁场在转子74转动时在一个定子72的定子绕组76B中形成一个电压。对于该电压预定一个额定值U_S。调节回路53发出一个电压值ΔU_A。调节回路53在较长的时间段内通过调节电压值ΔU_A来调节端电压U_A，使绕组的温度T不会太高。

当例如因电网中的一个短路导致电压U_A出现沉没(Absacken)时，就必须在短时间内冲击式地提高流过转子绕组76A的电流I。这一过程称为冲击励磁，下面借助附图3予以详细说明。

图3示出在冲击励磁时流过一个转子绕组76A的电流I的时间特性曲线(I(t))。按同样的时间尺度，在其下方还示出转子绕组76A的温度T的时间特性曲线(T(t))。电流I在第一次冲击励磁S₁时由额定值I_N冲击式地提高到一个多需求值I_M。电流I在一个时限t_H内保持为多需求值。之后又被调回额定值I_N。一个第二冲击励磁S₂与之相隔一个时间间隔t_A用虚线示出。

电流I仅仅允许在一定的时间内保持在多需求值I_M上，因为要不然电磁绕组76会受到不允许的加热。因此，迄今为止为时限t_H预定的最大时间窗例如只有10秒。当电磁绕组76在电流I升高前较冷时，这一预定时间窗就会显得太短，也就是说，电流I还需毫无顾虑地流动较长的时间，以便人们能够更好地满足更高的电网需求。

按照迄今为止的调节方法，电流I另外可以在预定的时间窗结束之后立刻、亦即直接调回到额定值I_N，然后再升高到多需求值I_M。在存在多个前后紧跟的冲击励磁S₁，S₂时，就可能导致电磁绕组76会受到不允许的高温加热，因为用于多需求值I_M的多个时限t_H近似相加。

本发明解决了上述问题。它对于调节电流I，不是基于一个固定的时间窗，而是基于电磁绕组76实际的热负荷b。热负荷b通过对高于极限温度T_G的温度的时间特性曲线(T(t))求积分来产生。在为多需求值I_M的电流I的时限t_H期间，电磁绕组76的温度T升高。在调回到额定值I_N之后，温度T呈指数级衰减。借助热负荷b现在可以精确确定，电流I在其多需求值I_M上能够保持多长时间，而不会导致电磁绕组76受到不允许的高温加热。此外，对于两个前后相随的冲击励磁S₁，S₂可确定，第二冲击励磁S₂最早在何时可以跟随到第一冲击励磁S₁。优选只有在电磁绕组的温度T低于极限温度T_G时，才这样做。由于冲击励磁S₂在时间段t_A之后才需要，冲击励磁S₂因此被阻断。在时间段t_A期间温度T仍高于极限温度T_G。通过这种阻断不会导致前述的时限t_H的相加，进而不会导致电磁绕组76受到不允许的高温加热。

Claims (18)

1、一种对流过一个电气部件(76)的电流(I)进行限制的方法，其中，确定出电气部件(76)随时间的温度变化(T(t))，并由此求出电气部件(76)所受热负荷(b)，在此情况下，对电流(I)进行限制，使热负荷(b)保持低于一可预定的热负荷最大值(b_M)。

2、如权利要求1所述的方法，其中，这样来定义电气部件(76)的极限温度(T_G)，即，处于极限温度(T_G)之上的电气部件(76)会受到热损害，在此，通过对电气部件(76)的温度(T)高于极限温度(T_G)的温度变化曲线(T(t))求和和/或求积分，计算出热负荷(b)。

3、如权利要求2所述的方法，其中，采用电气部件(76)的一个热时间常数(Z)来计算热负荷，该热时间常数(Z)表示电气部件特征性的加热时间或冷却时间。

4、如权利要求3所述的方法，其中，由下列公式来计算热负荷(b)：

$b\left(t_0\right)=\frac{1}{A}\underset{0}{\overset{t_0}{\∫}}T\left(t\right)-T_G\mathrm{dt},$

在此，

b(t₀)：在时间t₀时的热负荷，

T(t)：电气部件随时间的温度变化，

T_G：极限温度，

A：积分常数，

并且：

$A=Z\left[(T_S-T_G)\ln \frac{T_S-T_G}{T_S-T_u}\right],$

其中，

Z：电气部件的热时间常数，

T_s：电气部件在静电流时形成的温度，

T_u：电气部件在电流被切断时的瞬时温度。

5、如权利要求4所述的方法，其中，所述公式被划分成一个加热部分(b₁)和一个冷却部分(b₂)，在此，热负荷由加热部分和冷却部分的和构成，冷却部分的温度变化(T(t))近似为一个指数性衰减函数。

6、如上述任一项权利要求所述的方法，其中，测量所述时间上的温度变化(T(t))。

7、如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，计算所述时间上的温度变化(T(t))。

8、如权利要求7所述的方法，其中，根据电流(I)计算电气部件(76)的温度(T)，在此，由电流(I)的时间特性曲线(I(t))计算时间上的温度变化(T(t))。

9、如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述电气部件(76)是一个转子绕组(76A)或定子绕组(76B)或一个滑环(71)或一个发电机(70)的励磁装置。

10、如权利要求9所述的方法，其中，所述发电机(70)是一个功率大于10MVA的涡轮发电机。

11、如权利要求9所述的方法，其中，所述发电机(70)是一个功率大于100MVA的涡轮发电机。

12、如权利要求9所述的方法，其中，所述电流(I)是通过转子绕组(76A)的励磁电流(I)，在此，励磁电流(I)经过一个称为冲击励磁(S1)的冲击式提高被提高到一个多需求值(I_M)，该励磁电流(I)在一个时限(t_H)内被保持在多需求值(I_M)上，所述时限(t_H)借助热负荷(b)来确定。

13、如权利要求12所述的方法，其中，进行第一次冲击励磁(S₁)，在此，只有在转子绕组的温度(T)低于极限温度(T_G)时，才允许在第一次冲击励磁之后进行第二次冲击励磁(S₂)。

14、如权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，测量电气部件(76)所用冷却液体的温度(T_K)并借助电流(I)和冷却液体温度(T_K)来计算电气部件(76)的温度(T)，在此情况下，对电流(I)进行限制，使部件温度(T)不会超过一个预定的最大温度值(T_M)。

15、如权利要求14所述的方法，其中，在考虑电气部件(76)的热阻(R_T)、电气部件(76)的电阻(R_O)和因非电损失引起的温度升高(T_R)的情况下来计算电气部件(76)的温度(T)。

16、一种对流过一个电气部件(76)的电流(I)进行限制的限流装置(1)，它具有一个积分单元(37)，用于对一个电气部件的温度(T)的时间上的温度变化(T(t))求积分或求和，以便计算出电气部件(76)的热负荷(b)作为电气部件在受一定时间的高温之后其材料所受应力的量度，它还具有一个与该积分单元(37)相连接的限流单元(8)，用于根据积分单元(37)的一个输出信号限制电流(I)。

17、如权利要求16所述的限流装置，其中，所述电气部件(76)是一台功率大于10MVA的涡轮发电机(70)的组成部件。

18、如权利要求16所述的限流装置，其中，所述电气部件(76)是一台功率大于100MVA的涡轮发电机(70)的组成部件。

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