TWI791660B - 用於使用定子二次繞組來修改永久磁鐵同步發電機的永久磁鐵場的系統和方法、及相關控制器 - Google Patents

用於使用定子二次繞組來修改永久磁鐵同步發電機的永久磁鐵場的系統和方法、及相關控制器 Download PDF

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Abstract

記載用於二次繞組修改一永久磁鐵(PM)同步發電器(PMSG)之一永久磁鐵場之系統、方法及裝置。在一或多個實例中，一種用於一PMSG之經記載系統包含該PMSG之一永久磁鐵(PM)以旋轉及產生一永久磁鐵場。該方法進一步包含該PMSG之複數個定子一次繞組(SPW)以自該永久磁鐵場產生一次電流。另外，該系統包含該PMSG之複數個定子二次繞組(SSW)，以自一電源汲取二次電流，及自該等二次電流產生一定子二次繞組磁場。在一或多個實例中，該永久磁鐵場與該定子二次繞組磁場一起創造用於該PMSG之一總磁場。

Description

用於使用定子二次繞組來修改永久磁鐵同步發電機的永久磁鐵場的系統和方法、及相關控制器
本發明係關於永久磁鐵同步發電器(PMSG)。詳言之，其係關於修改PMSG之一永久磁鐵(PM)場之定子二次繞組。
在永久磁鐵同步發電器(PMSG)中，被安裝於經耦接到機器之軸桿之轉子上的永久磁鐵(PM)產生一恆定磁鐵場。在短路故障之情況下，只要轉子旋轉，固定永久磁鐵場強度將保持對發電機之定子繞組通電，由此導致持續且大的短路電路，直至該機器完全停止。此持續且大的短路電流可造成發電機之顯著損壞，潛在地使發電機失能。
當前，用於發電機短路保護之一習知方法為熱磁型之線路安裝式斷路器的使用。使用此類型之斷路器的劣勢在於，熱效應需要一相對長之時間來啟動。另外，此斷路器亦經受失靈。在此等兩個情況中，斷路器可能不能保護發電器。
因而，存在對於用於發電機短路保護之一改良設計之需求。
本發明係關於一種用於二次繞組修改一永久磁鐵(PM)同步發電器(PMSG)之一永久磁鐵場之方法、系統及裝置。在一或多個實例中，一種用於一永久磁鐵同步發電器(PMSG)之方法包含旋轉該PMSG之一永久磁鐵(PM)。該方法進一步包含自該永久磁鐵旋轉產生一永久磁鐵場。在一或多個實例中，該永久磁鐵場經由該PMSG之複數個定子一次繞組(SPW)耦合。又，該方法包含由該等定子一次繞組自該永久磁鐵場產生一次電流。此外，該方法包含由該PMSG之複數個定子二次繞組自一電源汲取二次電流。另外，該方法包含由該等定子二次繞組自該等二次電流產生一定子二次繞組磁場。在一或多個實例中，該永久磁鐵場與該定子二次繞組磁場一起創造用於該PMSG之一總磁場。
在至少一個實例中，該定子二次繞組磁場抵消、弱化或強化該永久磁鐵場。在一些實例中，將該永久磁鐵安裝至一轉子上。在一或多個實例中，該等一次電流為三相電流。在至少一個實例中，該電源為一三相電源(TPS)。在一些實例中，該等二次電流為三相正弦電流或三相準正弦電流。
在一或多個實例中，該電源包含一控制器、複數個開關及一直流(DC)電源。在一些實例中，該等開關形成一反相器。在至少一個實例中，該方法進一步包含由該控制器比較負荷電流與參考最大電流。在一些實例中，該方法進一步包含當該等負荷電流大於該等最大電流時，由該控制器產生複數個脈衝序列。在一或多個實例中，該方法進一步包含藉由使用該等脈衝序列產生該等二次電流來切換該複數個開關。
在至少一個實例中，一種用於一永久磁鐵同步發電器(PMSG)之系統包含該PMSG之一永久磁鐵(PM)以旋轉及產生一永久磁鐵場。該方法進一步包含該PMSG之複數個定子一次繞組(SPW)以自該永久磁鐵場產生一次電流。又，該系統包含該PMSG之複數個定子二次繞組 (SSW)，以自一電源汲取二次電流，及自該等二次電流產生一定子二次繞組磁場。在一或多個實例中，該永久磁鐵場與該定子二次繞組磁場一起創造用於該PMSG之一總磁場。
在一或多個實例中，該控制器將比較負荷電流與最大電流。在一些實例中，當該等負荷電流大於該等最大電流時，該控制器將產生複數個脈衝序列。在至少一個實例中，將藉由使用該等脈衝序列產生該等二次電流來切換該複數個開關。
該等特徵、功能及優勢可在本發明之各種實例中獨立地達成，或可在又其他實例中組合。
100:永久磁鐵同步發電機(PMSG)
110:三相電流
120:定子一次繞組(SPW)
130:永久磁鐵(PM)
140:箭頭
150:桿
200:永久磁鐵同步發電機(PMSG)
210:三相電流
220:定子一次繞組(SPW)
230:永久磁鐵(PM)
240:箭頭
250:桿
260:定子二次繞組(SSW)
270:三相電流
300:電源
310:控制器
320:開關
330:電壓源
400:短路(SC)故障
600:比較器
610:一次電流訊號(Iload)
620:開關
630:減法器
640:比例-積分-導數控制器(PID)
650:脈衝寬度調變(PWM)產生器
660:次感測器
670:二次電流訊號(ISSW)
關於以下描述、隨附申請專利範圍及隨附圖式，本發明之此等及其他特徵、態樣及優勢將變得被更好地理解，其中：圖1為展示一習知永久磁鐵同步發電機(PMSG)連同由其定子一次繞組(SPW)產生之三相電流之圖。
圖2為展示根據本發明之至少一個實例的使用定子二次繞組(SSW)之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)連同由其定子一次繞組(SPW)所產生之三相電流以及由其定子二次繞組(SSW)所產生之三相電流之圖。
圖3A為根據本發明之至少一個實例的可用於供圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)使用的一例示性三相電源(TPS)之圖。
圖3B為展示根據本發明之至少一個實例的可由圖3A之三相電源(TPS)所產生的例示性正弦電流之曲線圖。
圖3C為展示根據本發明之至少一個實例的由圖2之永久磁鐵同步發電機(PMSG)之定子二次繞組(SSW)所產生的一例示性定子二次繞組磁場(ψssw)之曲線圖。
圖4A為根據本發明之至少一個實例的展示經歷短路(SC)故障之圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)之示意圖。
圖4B為展示根據本發明之至少一個實例的由圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)之定子二次繞組(SSW)所產生的磁場
Figure 107139382-A0305-02-0006-92
可抵消永久磁鐵(PM)之磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0006-93
以提供短路保護之方式之表。
圖5為展示根據本發明之至少一個實例的由永久磁鐵(PM)所產生之一例示性激發磁場
Figure 107139382-A0305-02-0006-94
及由圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)之定子二次繞組(SSW)所產生的一例示性激發磁場
Figure 107139382-A0305-02-0006-95
之曲線圖。
圖6A為展示根據本發明之至少一個實例的用於定子二次繞組(SSW)修改永久磁鐵(PM)同步發電機(PMSG)之一永久磁鐵場之記載之系統之圖。
圖6B為根據本發明之至少一個實例的用於定子二次繞組(SSW)修改圖6A之永久磁鐵(PM)同步發電機(PMSG)之一永久磁鐵場之記載之系統的控制器之功能圖。
圖7為展示根據本發明之至少一個實例的由圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)之定子二次繞組(SSW)所產生的磁場
Figure 107139382-A0305-02-0006-96
可弱化永久磁鐵(PM)之磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0006-97
之方式之曲線圖。
圖8為展示根據本發明之至少一個實例的由圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)之定子二次繞組(SSW)所產生的磁場
Figure 107139382-A0305-02-0006-98
可強化永久磁鐵(PM)之磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0006-99
之方式之曲線圖。
圖9為展示根據本發明之至少一個實例的用於定子二次繞組(SSW)修改永久磁鐵(PM)同步發電機(PMSG)之一永久磁鐵場之記載之方法之流程圖。
本文中記載之方法及裝置提供一種用於二次繞組修改一永久磁 鐵(PM)同步發電器(PMSG)之一永久磁鐵場之操作性系統。在一或多個實例中，本發明之系統允許定子二次繞組(SSW)之設計及控制方法修改永久磁鐵同步發電機之永久磁鐵場。詳言之，記載之系統使用在一永久磁鐵同步發電機內之定子二次繞組。在至少一個實例中，定子二次繞組產生一磁場以(1)抵消永久磁鐵同步發電機之永久磁鐵場以對發電機提供防止短路(SC)故障之保護。在一些實例中，定子二次繞組產生一磁場以(2)弱化或(3)強化永久磁鐵同步發電機之永久磁鐵場。具體在說，定子二次繞組允許針對短路故障保護以及針對場弱化或強化控制永久磁鐵主場磁鏈(就時序及值而言)。
如先前在上文提到，在PMSG中，被安裝於經耦接到機器之軸桿之轉子上的永久磁鐵產生一恆定磁鐵場。在短路故障之情況下，只要轉子旋轉，固定永久磁鐵場強度則將保持對發電機之定子繞組(亦即，定子一次繞組)通電，由此導致持續且大的短路電路，直至該機器完全停止。此持續且大的短路電流可造成發電機之顯著損壞，且潛在地使發電機失能。
當前用於發電機短路保護之一習知方法為熱磁型之線路安裝式斷路器的實施。使用此類型之斷路器的缺點在於，熱效應需要一相對長之時間來啟動。此外，此斷路器亦經受失靈。在此等兩個情況中，斷路器可能不能保護發電器。本發明之系統實施永久磁鐵同步發電機中之定子二次繞組(SSW)以產生磁場來抵消發電機之永久磁鐵場以保持發電機免受短路故障。
在以下描述中，闡述眾多細節以便提供系統之更透徹描述。然而，對熟習此項技術者將顯而易見，記載之系統可在無此等具體細節之情況下實踐。在其他實例中，尚未詳細描述熟知特徵以便不會不必要地混淆該系統。
本發明之實例可在本文中依功能及/或邏輯組件及各種處理步驟來描述。應瞭解，此等組件可由經組態以執行指定功能之任何數目個硬體、軟體及/或韌體組件實現。舉例而言，本發明之一實例可使用可在一或多個處理 器、微處理器或其他控制器件之控制下進行多種功能的各種積體電路組件(例如，記憶體元件、數位訊號處理元件、邏輯元件、查找表或類似者)。此外，熟習此項技術者將瞭解，本發明之實例可結合其他組件來實踐，且本文中描述之系統僅為本發明之一個實例。
為簡潔起見，本文中可不詳細描述與發電機及系統(及系統之個別操作組件)之其他功能態樣有關的習知技術及組件。此外，在本文中含有各種圖中展示的連接線意欲表示各種元件之間的實例功能關係及/或實體耦接。應注意，在本發明之一實例中，許多替代或額外功能關係或實體連接可存在。
圖1為展示一習知永久磁鐵同步發電機(PMSG)100連同由其定子一次繞組(SPW)120產生之三相電流110之圖。在此圖中，PMSG 100形狀為圓形且包含複數個桿150。在此圖中，PMSG 100包含六(6)個桿150。三(3)對定子一次繞組(SPW)120建構於六(6)個桿150上以形成相位A繞組(a-a')、相位B繞組(b-b')及相位C繞組(c-c')。每一繞組包含兩(2)個線圈(例如，相位A繞組包含線圈a及線圈a')，且每一線圈可包含多匝(雖然將每線圈三(3)匝展示為圖1中之一實例)。又，在圖1中，左圖描繪PMSG 100之實體圖，且右圖展示用於三相定子一次繞組120之電符號。
PMSG 100亦包含一永久磁鐵(PM)130。將永久磁鐵130安裝至經耦接至一主原動機(例如，機器)(圖中未示)之一轉子(圖中未示)上。將永久磁鐵130描繪為呈具有一北端(標注為「N」)及一南端(標注為「S」)之一細長桿之形式。應注意，可將永久磁鐵130製造為具有各種與如在圖1中描繪之細長桿不同的形狀。此外，應注意，永久磁鐵130可包含比如在圖1中所展示的一對柱(例如，一北端及一南端)還多。
當機械在運轉時，轉子在箭頭140的方向上旋轉，且接著又相應地旋轉永久磁鐵130。永久磁鐵130之自旋創造固定激發磁場(例如，永久磁鐵 場)
Figure 107139382-A0305-02-0009-1
。此固定激發磁場(例如，永久磁鐵場)
Figure 107139382-A0305-02-0009-2
經由定子一次繞組120之線圈耦合(例如，輻射)，由此使定子一次繞組120產生三相電流(例如，一次電流)110。應注意，用於PMSG 100之總磁場
Figure 107139382-A0305-02-0009-3
包含僅永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0009-4
。
圖2為展示根據本發明之至少一個實例的使用定子二次繞組(SSW)260之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)200連同由其定子一次繞組(SPW)220所產生之三相電流210以及由其定子二次繞組(SSW)260所產生之三相電流270之圖。圖2之記載之PMSG 200類似於圖1之習知PMSG 100。
在此圖中，PMSG 200形狀為圓形且包含複數個桿250。在此圖中，PMSG 200包含六(6)個桿250。應注意，在其他實例中，PMSG 200可包含比在圖2中展示之六個桿250多或少的桿250。三(3)對定子一次繞組(SPW)220被建構於六(6)個桿250上以形成相位A繞組(a-a')、相位B繞組(b-b')及相位C繞組(c-c')。每一繞組包含兩(2)個線圈(例如，相位A繞組包含線圈a及線圈a')，且每一線圈可包含多匝(雖然將每線圈三(3)匝展示為圖2中之一實例)。
亦在此圖中，三(3)對定子二次繞組(SSW)260被建構於六(6)個桿250上以形成相位A繞組(a-a')、相位B繞組(b-b')及相位C繞組(c-c')。每一繞組包含兩(2)個線圈(例如，相位A繞組包含線圈a及線圈a')，且每一線圈可包含多匝(雖然將每線圈一(1)匝展示為圖2中之一實例)。
又，在圖2中，左圖描繪PMSG 100之實體圖，右上圖展示用於三相定子一次繞組220之電符號，且右下圖展示用於三相定子二次繞組260之電符號。
PMSG 200亦包含一永久磁鐵(PM)230。將永久磁鐵230安裝 至經耦接至一主原動機(例如，機器)(圖中未示)之一轉子(圖中未示)上。在一或多個實例中，機器可為諸如空中載具(例如，飛機)、陸上載具(例如，卡車或汽車)或海上載具(例如，輪船或小船)的載具之電動機或引擎。將永久磁鐵230描繪為呈具有一北端(標注為「N」)及一南端(標注為「S」)之一細長桿之形式。應注意，在一或多個實例中，可將永久磁鐵230製造為具有各種與如在圖2中描繪之細長桿不同的形狀。此外，應注意，永久磁鐵230可包含比如在圖2中所展示的一對柱(例如，一北端及一南端)還多。
當機械在運轉時，轉子在箭頭240的方向上旋轉，且接著又相應地旋轉永久磁鐵230。永久磁鐵230之自旋創造固定激發磁場(例如，永久磁鐵場)
Figure 107139382-A0305-02-0010-5
。此固定激發磁場(例如，永久磁鐵場)
Figure 107139382-A0305-02-0010-6
經由定子一次繞組220之線圈耦合(例如，輻射)，由此使定子一次繞組220產生三相電流(例如，一次電流)210。
又，在操作期間，定子一次繞組220產生三相電流(例如，一次電流)210供配電。PMSG 200之定子二次繞組260自一電源汲取三相電流(例如，二次電流)270(例如，參看圖3A及圖6A之300)。以下在圖6A及圖6B之描述中論述關於一例示性電源之操作的細節。
三相電流(例如，二次電流)270為具體調諧之三相正弦電流(例如，參看圖3B)或三相準正弦電流。射入至定子二次繞組260內之三相電流(例如，二次電流)270創造一旋轉磁場，其與定子一次繞組220耦合以產生一定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0010-7
。該永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0010-8
及定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0010-9
一起創造PMSG 200之總磁場(ψgen)。應注意，在一或多個實例中，定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0010-10
將消除永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0010-11
、添加至該永久磁鐵場或自該永久磁鐵場減去以修改(例如，抵消、強化或弱化)PMSG 200之初始總磁場
Figure 107139382-A0305-02-0010-12
，該初始總磁場僅包含永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0010-13
。
應注意，若PMSG 200經製造為包含比圖2中所展示之六個桿250多或少的桿250，則一次電流210、二次電流270及電源(例如，參看圖3A及圖6A之300)可各包含多於或少於三個相位。具體言之，一次電流210、二次電流270及電源(例如，參看圖3A及圖6A之300)將各包含等於PMSG 200之桿250之數目的一半之數目個相位。舉例而言，若PMSG 200經製造為包含八(8)個桿，則一次電流210、二次電流270及電源將各包含四個相位。
圖3A為根據本發明之至少一個實例的可用於供圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)200使用的一例示性三相電源(TPS)300之圖。在此圖中，PMSG 200之定子二次繞組260被連接至三相電源300。三相電源300包含一控制器310、複數個開關(例如，六個開關)320及一電壓源(例如，直流電壓源(Vdc))330。應注意，在其他實例中，複數個開關320中的開關之數目可少於或多於如在圖3A中展示的開關之數目(亦即，六個開關)。
在三相電源300之操作期間，當電壓源330供應電壓時，控制器310命令複數個開關320進行切換。複數個開關320之切換產生三相電流(例如，二次電流)270，其由PMSG 200之定子二次繞組260所汲取。三相電流(例如，二次電流)270包含在時間上偏移週期之三分之一的三個正弦電流(參看圖3B)。
圖3B為展示根據本發明之至少一個實例的可由圖3A之三相電源(TPS)300所產生的例示性正弦電流之曲線圖。詳言之，此圖展示由三相電源(TPS)300所產生的三相電流(例如，二次電流)270之例示性正弦波形。在此曲線圖上，x軸表示時間，且y軸表示以伏特計之振幅。
在PMSG 200(參看圖2)之操作期間，一旦三相電流(例如，二次電流)270由定子二次繞組260所汲取，則經通電之定子二次繞組260創造一空間旋轉磁場(亦即，定子二次繞組磁場)
Figure 107139382-A0305-02-0011-14
(參看圖3C)。
圖3C為展示根據本發明之至少一個實例的由圖2之永久磁鐵同步發電機(PMSG)之定子二次繞組(SSW)260所產生的一例示性定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0012-18
之曲線圖。在此圖中，定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0012-19
為定子二次繞組260之磁鏈相量，其中ω為轉子速度，且θ為轉子位置角。
圖4A為根據本發明之至少一個實例的展示經歷短路(SC)故障400之圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)200之示意圖。在一或多個實例中，在操作期間，PMSG 200經歷相位對相位短路故障400。在其他情況中，定子一次繞組220中之至少一者經歷至接地之短路(亦即，相位至接地短路)。當PMSG 200經歷短路故障400時，記載之系統可藉由使定子二次繞組260產生定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0012-20
來提供對PMSG 200之短路保護，該定子 二次繞組磁場抵消由永久磁鐵產生之永久磁場
Figure 107139382-A0305-02-0012-21
，使得PMSG 200之總 磁場
Figure 107139382-A0305-02-0012-22
等於零(0)(參看圖4B)。
圖4B為展示根據本發明之至少一個實例的由圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)200之定子二次繞組(SSW)260所產生的磁場
Figure 107139382-A0305-02-0012-23
可抵消永久磁鐵(PM)230之磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0012-24
以提供短路保護之方式之表。在此表中，表之第一列展示定子二次繞組260產生定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0012-25
，且表之第二列展示永久磁鐵230產生永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0012-26
之方 式。永久磁場
Figure 107139382-A0305-02-0012-27
為永久磁鐵230之磁鏈相量，其中ω為轉子速度，且θ為轉子位置角。
該表之右行展示定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0012-28
(其與永久磁鐵 場
Figure 107139382-A0305-02-0012-29
大小相等且相位相反)(亦即
Figure 107139382-A0305-02-0012-31
)抵消永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0012-32
，使得PMSG 200之總磁場
Figure 107139382-A0305-02-0012-33
等於零(0)(亦即
Figure 107139382-A0305-02-0012-34
Figure 107139382-A0305-02-0012-35
)。
圖5為展示根據本發明之至少一個實例的由永久磁鐵(PM)230 所產生之一例示性激發磁場
Figure 107139382-A0305-02-0013-36
及由圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)200之定子二次繞組(SSW)260所產生的一例示性激發磁場
Figure 107139382-A0305-02-0013-37
之曲線圖。與圖5有關之以下方程式展示關於由定子二次繞組260所 產生之磁場
Figure 107139382-A0305-02-0013-38
如何與由永久磁鐵230所產生之磁場
Figure 107139382-A0305-02-0013-39
為數學上相關之公式。
以下公式中給出之具體實例展示如何計算由定子二次繞組260所汲取之三相電流(例如，二次電流)270以使定子二次繞組260產生磁場
Figure 107139382-A0305-02-0013-40
，該磁場抵消由永久磁鐵230產生之磁場
Figure 107139382-A0305-02-0013-42
以用於短路保護。
由永久磁鐵230所產生之磁通量：
Figure 107139382-A0305-02-0013-43
Figure 107139382-A0305-02-0013-44
係恆定的，且由PM材料及所產生之構造來判定。
θ1可量測。
由永久磁鐵260所產生之磁通量：
Figure 107139382-A0305-02-0013-45
Figure 107139382-A0305-02-0013-46
Figure 107139382-A0305-02-0013-47
Figure 107139382-A0305-02-0013-48
其中，k係恆定的，由發電機材料及構造來判定。
為完全抵消
Figure 107139382-A0305-02-0013-49
：
Figure 107139382-A0305-02-0013-50
因此：
Figure 107139382-A0305-02-0014-51
θ 2=90+θ 1
最終，三相電源300之控制器310將使用以下方程式命令該三相電源300之複數個開關(例如，六個開關)320將三相電流(例如，二次電流)270射入至PMSG 200之定子二次繞組260內，該等方程式一起被稱作方程式1：
Figure 107139382-A0305-02-0014-52
Figure 107139382-A0305-02-0014-53
Figure 107139382-A0305-02-0014-54
應注意，以上方程式(具有輕微修改)可用以計算待由定子二次繞組260汲取以使定子二次繞組260產生磁場(ψssw)之三相電流(例如，二次電流)270，該磁場添加至由永久磁鐵230所產生之磁場
Figure 107139382-A0305-02-0014-55
或自由永久磁鐵230所產生之磁場減去，以用於分別磁場強化或弱化。
圖6A為展示根據本發明之至少一個實例的用於定子二次繞組(SSW)260修改永久磁鐵(PM)同步發電機(PMSG)200之一永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0014-56
之記載之系統之圖。在此圖中，三相電源(TPS)300包含一控制器310、複數個開關(例如，六個開關)320及一電壓源(例如，直流電源(Vdc))330。在一或多個實例中，該等開關320形成一反相器。
圖6B為根據本發明之至少一個實例的用於定子二次繞組(SSW)260修改圖6A之永久磁鐵(PM)同步發電機(PMSG)200之一永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0014-57
之記載之系統的控制器310之功能圖。
參看圖6A及圖6B，在三相電源300之操作期間，主感測器(例如，換流器)620感測由定子一次繞組220所產生之三相電流(例如，一次電流)210。主感測器620接著基於所感測之三相電流(例如，一次電流)210產生一次電流訊號(Iload)(亦即，一次電流之量測結果)610。
又，在操作期間，次感測器(例如，換流器)660感測由定子二次繞組260次感測器汲取之三相電流(例如，二次電流)270。次感測器660接著基於所感測之三相電流(例如，二次電流)270產生二次電流訊號(ISSW)(亦即，二次電流之量測結果)670。
當電壓源330供應電壓時，在操作期間，控制器自主感測器(例如，換流器)620接收一次電流訊號(Iload)610，自次感測器(例如，換流器)660接收二次電流訊號(ISSW)670，且接收永久磁鐵230之轉子位置角θ。
控制器310之比較器600比較一次電流訊號(Iload)610與預定最大電流(Imax)以判定Iload 610是否大於Imax。若比較器600判定Iload 610不大於Imax，則此判定指示PMSG 200未經歷短路故障400，且比較器輸出一訊號(例如，「0」訊號)以將控制器310之開關620切換至「否」位置(例如，第一位置)。在將開關620切換至「否」位置後，控制器310之至少一個處理器(圖中未示)使控制器310僅重複比較器600比較一次電流訊號(Iload)610與預定最大電流(Imax)以判定Iload 610是否大於Imax之過程，而不進行其他動作(亦即，零)610。
然而，若比較器600判定Iload 610大於Imax，則此指示PMSG 200正經歷短路故障400，且比較器輸出一訊號(例如，「1」訊號)以將開關620切換至「是」位置(例如，第二位置)。在將開關620切換至「是」位置後，控制器310之處理器使用以上方程式1中之公式連同永久磁鐵230之轉子位置角θ計算待由定子二次繞組260汲取之三相電流(例如，計算之二次電流)，以使 定子二次繞組260產生一磁場(ψssw)，該磁場抵消由永久磁鐵230所產生之磁場
Figure 107139382-A0305-02-0016-58
，以用於短路保護。
應注意，雖然圖6B之功能圖指定方程式1之公式的使用，但在其他實例中，可使用對方程式1之公式的輕微修改替代方程式1之公式來產生定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0016-59
，以強化或弱化由永久磁鐵230產生之磁場
Figure 107139382-A0305-02-0016-60
。
接著，控制器310之減法器630自經計算之三相電流(例如，經計算之二次電流)減去自次感測器(例如，換流器)660所接收的二次電流訊號(ISSW)670以獲得該等電流之間的差(亦即，差值)。接著，將差值輸入至比例-積分-導數控制器(PID)640。PID 640對差值應用一準確且回應性校正以產生一經校正之差值。接著將經校正之差值輸入至一脈衝寬度調變(PWM)產生器650。PWM產生器650使用經校正之差值以針對複數個開關320中的開關中之每一者產生一脈衝序列(例如，以產生一共六(6)個脈衝序列，一個脈衝序列對應六個開關中之一個)。接著，控制器310輸出脈衝序列。
接著，將脈衝序列輸入至複數個開關320內。該等脈衝序列命令該複數個開關320進行切換。該複數個開關320之切換調變訊號以產生三相電流(例如，二次電流)270。該等三相電流(例如，二次電流)270由PMSG 200之定子二次繞組260所汲取。射入至定子二次繞組260內之三相電流(例如，二次電流)270創造一旋轉磁場，該旋轉磁場與定子一次繞組耦合以產生一定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0016-61
。定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0016-62
抵消永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0016-64
，以用於短路保護。
圖7為展示根據本發明之至少一個實例的由圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)之定子二次繞組(SSW)所產生的磁場
Figure 107139382-A0305-02-0016-65
可弱 化永久磁鐵(PM)之磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0016-66
之方式之曲線圖。此曲線圖展示一定子 二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0017-67
，其與永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0017-68
相比在大小上較小且相位 相反。定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0017-69
具有弱化永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0017-70
之效應，且 因而PMSG 200之總磁場
Figure 107139382-A0305-02-0017-71
經弱化。
圖8為展示根據本發明之至少一個實例的由圖2之記載之永久磁鐵同步發電機(PMSG)之定子二次繞組(SSW)所產生的磁場
Figure 107139382-A0305-02-0017-72
可強 化永久磁鐵(PM)之磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0017-73
之方式之曲線圖。此曲線圖展示一定子 二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0017-74
，其在大小上小於永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0017-75
，但在相位上 等於該永久磁鐵場。定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0017-76
具有強化永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0017-77
之效應，且因而PMSG 200之總磁場
Figure 107139382-A0305-02-0017-78
經強化。
應注意，在其他實例中，定子二次繞組磁場
Figure 107139382-A0305-02-0017-79
可在大 小上小於或大於永久磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0017-81
且在相位上等於該永久磁鐵場以強化永久 磁鐵場
Figure 107139382-A0305-02-0017-82
，以及PMSG 200之總磁場
Figure 107139382-A0305-02-0017-83
。
圖9為展示根據本發明之至少一個實例的用於定子二次繞組(SSW)修改永久磁鐵(PM)同步發電機(PMSG)之一永久磁鐵場之記載之方法900之流程圖。在該方法之開始910，旋轉PMSG之永久磁鐵(PM)920。該永久磁鐵產生一永久磁鐵場930。該永久磁鐵場經由該PMSG之複數個定子一次繞組(SPW)耦合。該等定子一次繞組自該永久磁鐵場產生一次電流940。接著，該PMSG之複數個定子二次繞組(SSW)自一電源汲取二次電流950。該複數個定子二次繞組自該等二次電流產生一定子二次繞組磁場960。該永久磁鐵場與該定子二次繞組磁場一起創造用於該PMSG之一總磁場。接著，方法900結束970。
另外，本發明包含根據以下條款之實例：
條款1. 一種用於一永久磁鐵同步發電機(PMSG)(200)之方法，該方法包含： 旋轉該PMSG(200)之一永久磁鐵(PM)(230)；自該永久磁鐵(230)旋轉產生一永久磁鐵場，其中該永久磁鐵場經由該PMSG(200)之複數個定子一次繞組(SPW)(220)耦合；由該等定子一次繞組(220)自該永久磁鐵場產生一次電流；由該PMSG(200)之複數個定子二次繞組(SSW)(260)自一電源(300)汲取二次電流；及由該複數個定子二次繞組(260)自該等二次電流產生一定子二次繞組磁場，其中該永久磁鐵場與該定子二次繞組磁場一起創造用於該PMSG(200)之一總磁場。
條款2. 如條款1之方法，其中該定子二次繞組磁場抵消、弱化或強化該永久磁鐵場。
條款3. 如條款1之方法，其中該永久磁鐵(230)安裝至一轉子上。
條款4. 如條款1之方法，其中該等一次電流為三相電流。
條款5. 如條款1之方法，其中該電源(300)為一三相電源(TPS)。
條款6. 如條款1之方法，其中該等二次電流為三相正弦電流或三相準正弦電流。
條款7. 如條款1之方法，其中該電源(300)包含一控制器(310)、複數個開關(320)及一直流(DC)電源(330)。
條款8. 如條款7之方法，其中該等開關(320)形成一反相器。
條款9. 如條款7之方法，其中該方法進一步包含由該控制器 (310)比較負荷電流與最大電流。
條款10. 如條款9之方法，其中該方法進一步包含當該等負荷電流大於該等最大電流時，由該控制器(310)產生複數個脈衝序列。
條款11. 如條款10之方法，其中該方法進一步包含藉由使用該等脈衝序列產生該等二次電流來切換該複數個開關(320)。
條款12. 一種用於一永久磁鐵同步發電機(PMSG)(200)之系統，該系統包含：該PMSG(200)之一永久磁鐵(PM)(230)，其旋轉且產生一永久磁鐵場；該PMSG(200)之複數個定子一次繞組(SPW)(220)，其自該永久磁鐵場產生一次電流；及該PMSG(200)之複數個定子二次繞組(SSW)(260)，其自一電源(300)汲取二次電流，及自該等二次電流產生一定子二次繞組磁場，其中該永久磁鐵場與該定子二次繞組磁場一起創造用於該PMSG(200)之一總磁場。
條款13. 如條款12之系統，其中該定子二次繞組磁場抵消、弱化或強化該永久磁鐵場。
條款14. 如條款12之系統，其中該永久磁鐵(230)安裝至一轉子上。
條款15. 如條款12之系統，其中該電源(300)為一三相電源(TPS)。
條款16. 如條款12之系統，其中該等二次電流為三相正弦電流或三相準正弦電流。
條款17. 如條款12之系統，其中該電源(300)包含一控制器 (310)、複數個開關(320)及一直流(DC)電源(330)。
條款18. 如條款17之系統，其中該控制器(310)將比較負荷電流與最大電流。
條款19. 如條款18之系統，其中當該等負荷電流大於該等最大電流時，該控制器(310)將產生複數個脈衝序列。
條款20. 一種用於一永久磁鐵同步發電機(PMSG)(200)之控制器(310)，該控制器(310)包含：一比較器(600)，其可操作(1)以比較為由該PMSG(200)之複數個定子一次繞組(SPW)(220)產生的一次電流之量測結果之一次電流訊號(Iload)與預定最大電流(Imax)以判定該等一次電流訊號(Iload)是否大於該等預定最大電流(Imax)，(2)以當該比較器(600)判定該等一次電流訊號(Iload)不大於該等預定最大電流(Imax)時，輸出一訊號以將一開關(620)切換至一第一位置，及(3)以當該比較器(600)判定該等一次電流訊號(Iload)大於該等預定最大電流(Imax)時，輸出一訊號以將該開關(620)切換至一第二位置；至少一個處理器，其可操作(1)以當該開關(620)經切換至該第一位置時，使該比較器(600)繼續執行該比較，及以(2)當該開關(620)經切換至該第二位置時，判定待由該PMSG(200)之複數個定子二次繞組(SSW)(260)汲取的計算之二次電流以使該等定子二次繞組(260)產生一定子二次繞組磁場以修改該PMSG(200)之一總磁場；一減法器(630)，其可操作以自該等計算之二次電流減去為由該等定子二次繞組(260)汲取的二次電流之量測結果之二次電流訊號(ISSW)以判定一差值；一比例-積分-導數控制器(PID)(640)，其可操作以對該差值應用一準 確且回應性校正以產生一經校正之差值；及一脈衝寬度調變(PWM)產生器(650)，其可操作以基於該經校正之差值產生至少一個脈衝序列，其中該至少一個脈衝序列用以產生該PMSG(200)之該定子二次繞組磁場。
雖然已展示及描述特定實例，但應理解，以上論述並不意欲限制此等實例之範圍。雖然已在本文中記載及描述本發明之許多態樣之實例及變化，但此記載僅係為了解釋及說明之目的而提供。因此，在不脫離申請專利範圍之範圍之情況下，可進行各種改變及修改。
在以上描述之方法指示某些事件以某一次序發生之情況下，受益於本發明之一般熟習此項技術者將認識到，可修改該排序，且此等修改係根據本發明之變化。另外，方法之部分可在可能時在並行過程中同時地執行，以及依序執行。此外，可執行該等方法之更多部分或更少部分。
因此，意欲使實例舉例說明可落入申請專利範圍之範圍內的替代、修改及等效物。
雖然本文中已記載某些說明性實例及方法，但熟習此項技術者自前述記載內容可顯而易見，在不脫離記載之技術之真實精神及範圍之情況下，可進行此等實例及方法之變化及修改。存在記載之技術之許多其他實例，僅就細節而言，每一者各不相同。因此，意欲記載之技術應僅限於隨附申請專利範圍及可適用法律之規則及原則所需之範圍。
200:永久磁鐵同步發電機(PMSG)
210:三相電流
220:定子一次繞組(SPW)
230:永久磁鐵(PM)
240:箭頭
250:桿
260:定子二次繞組(SSW)
270:三相電流

Claims (15)

  1. 一種用於永久磁鐵同步發電機(PMSG)(200)之方法，該方法包含：旋轉該PMSG(200)之永久磁鐵(PM)(230)；自該永久磁鐵(230)的旋轉產生一永久磁鐵場，其中該永久磁鐵場經由該PMSG(200)之複數個定子一次繞組(SPW)(220)進行耦合；由該複數個定子一次繞組(220)自該永久磁鐵場產生一次電流；由該PMSG(200)之複數個定子二次繞組(SSW)(260)自電源(300)汲取二次電流；由開關(620)在該一次電流不大於預定最大電流時而切換至第一位置，且在該一次電流大於該預定最大電流時而切換至第二位置，其中當該開關(620)經切換至該第二位置時，判定待由該複數個定子二次繞組(SSW)(260)汲取而計算之二次電流；及由該複數個定子二次繞組(260)自該二次電流產生定子二次繞組磁場，其中該永久磁鐵場與該定子二次繞組磁場一起創造用於該PMSG(200)之總磁場，其中自經計算之該二次電流減去該二次電流以取得差值，接著應用準確且回應性校正來校正該差值以產生經校正差值，其中進一步基於該經校正差值來產生該PMSG(200)之該定子二次繞組磁場。
  2. 如請求項1之方法，其中該定子二次繞組磁場抵消、弱化或強化該永久磁鐵場。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該一次電流為三相電流，該電源 (300)為三相電源(TPS)，且該二次電流為三相正弦電流或三相準正弦電流。
  4. 如請求項1或2之方法，其中該電源(300)包含控制器(310)、複數個開關(320)及直流(DC)電源(330)。
  5. 如請求項4之方法，其中該方法進一步包含由該控制器(310)比較負荷電流與最大電流。
  6. 如請求項5之方法，其中該方法進一步包含當該負荷電流大於該最大電流時，由該控制器(310)產生複數個脈衝序列。
  7. 如請求項6之方法，其中該方法進一步包含藉由使用該複數個脈衝序列產生該二次電流來切換該複數個開關(320)。
  8. 一種用於永久磁鐵同步發電機(PMSG)(200)之系統，該系統包含：該PMSG(200)之永久磁鐵(PM)(230)，其旋轉且產生永久磁鐵場；該PMSG(200)之複數個定子一次繞組(SPW)(220)，其自該永久磁鐵場產生一次電流；及該PMSG(200)之複數個定子二次繞組(SSW)(260)，其自電源(300)汲取二次電流，及自該二次電流產生定子二次繞組磁場；及開關(620)，其操作上在該一次電流不大於預定最大電流時而切換至第一位置，且在該一次電流大於該預定最大電流時而切換至第二位置，其中當該開關(620)經切換至該第二位置時，判定待由該複數個定子二次繞組(SSW)(260)汲取而計算之二次電流，其中該永久磁鐵場與該定子二次繞組磁場一起創造用於該PMSG(200)之總磁場，其中自經計算之該二次電流減去該二次電流以取得差值，接著應用準確且 回應性校正來校正該差值以產生經校正差值，其中進一步基於該經校正差值來產生該PMSG(200)之該定子二次繞組磁場。
  9. 如請求項8之系統，其中該定子二次繞組磁場抵消、弱化或強化該永久磁鐵場。
  10. 如請求項8或9之系統，其中該永久磁鐵(230)被安裝至一轉子上。
  11. 如請求項8或9之系統，其中該二次電流為三相正弦電流或三相準正弦電流。
  12. 如請求項8或9之系統，其中該電源(300)包含控制器(310)、複數個開關(320)及直流(DC)電源(330)。
  13. 如請求項12之系統，其中該控制器(310)將負荷電流與最大電流進行比較。
  14. 如請求項13之系統，其中當該負荷電流大於該最大電流時，該控制器(310)將產生複數個脈衝序列。
  15. 一種用於永久磁鐵同步發電機(PMSG)(200)之控制器(310)，該控制器(310)包含：比較器(600)，其操作上(1)比較為由該PMSG(200)之複數個定子一次繞組(SPW)(220)所產生的一次電流之量測結果之一次電流訊號(Iload)與預定最大電流(Imax)以判定該一次電流訊號(Iload)是否大於該預定最大電流(Imax)，(2)當該比較器(600)判定該一次電流訊號(Iload)不大於該預定最大電流(Imax)時，輸出訊號以將開關(620)切換至第一位置，且(3)當該比較器(600)判定該一次電流訊號(Iload)大於該預定最大電流(Imax)時，輸出訊號以將該開關(620)切換至第二位置； 至少一個處理器，其操作上(1)當該開關(620)經切換至該第一位置時，使該比較器(600)繼續執行該比較，且(2)當該開關(620)經切換至該第二位置時，判定待由該PMSG(200)之複數個定子二次繞組(SSW)(260)汲取而計算之二次電流，以使該複數個定子二次繞組(260)產生定子二次繞組磁場以修改該PMSG(200)之一總磁場；減法器(630)，其操作上自經計算之該二次電流減去作為由該複數個定子二次繞組(260)所汲取的二次電流之量測結果之二次電流訊號(ISSW)以判定差值；比例-積分-導數控制器(PID)(640)，其操作上對該差值應用準確且回應性校正以產生經校正差值；及一脈衝寬度調變(PWM)產生器(650)，其操作上基於該經校正差值產生至少一個脈衝序列，其中該至少一個脈衝序列用以產生該PMSG(200)之該定子二次繞組磁場。
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