專利名稱：用于環(huán)形電機場的快速放電的系統(tǒng)和方法
用于環(huán)形電機場的快速放電的系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明一般地涉及電機，并且更加具體地涉及環(huán)形電機場的快速放電。在眾多工業(yè)應(yīng)用中使用高功率同步交流(AC)電機。例如在采礦中，高功率同步AC電機用于無齒輪拉索(具有 10，000馬力的能力)、無齒輪傳送帶驅(qū)動和無齒輪軋機驅(qū)動。高功率同步AC電機也在其它系統(tǒng)如風(fēng)力渦輪機中運用。凸極AC同步電機包括稱作具有場繞組的轉(zhuǎn)子和定子的一組多相分布繞組。定子繞組被饋送以AC。用于場繞組的場電路或激勵系統(tǒng)可以使用DC源來供給能量。DC源例如可以從三相AC電源獲得，所述三相AC電源使用對DC鏈路進行充電的有源前端(AFE)整流器，然后使用DC斬波器以得到必要的場激勵。同樣的DC鏈路也可以用來饋送逆變器電路，該逆變器電路為定子繞組提供AC源。DC鏈路、逆變器和針對定子的輸入端易于出故障。在操作中使用大驅(qū)動電流。由于高功率AC同步電機的場繞組是電感性的，所以在場繞組中存儲了顯著的電磁能量。在DC鏈路短路故障或定子側(cè)短路故障的情況下，場電路需要去除能量，并且定子電路需要與AC源隔離。典型地，通過場消弧電路來實現(xiàn)場去除能量。放電時間長，并且需要高速斷路器以將定子繞組從AC源斷開。場能量作為廢熱而耗散。

發(fā)明內(nèi)容
在交流(AC)同步電機中，場繞組通過直流(DC)功率源來供給能量。顯著的電磁能量存儲在電感性的場繞組中。在系統(tǒng)故障如DC功率源中短路的情況下，電磁能量需要從場繞組中釋放。電磁能量被捕獲并存儲在電容器中作為電能。在實施例中，超級電容器組用于存儲，并且充電的超級電容器組用作備用或輔助功率源。備用或輔助功率源可以用來為采礦工作供電。在實施例中，場放電系統(tǒng)包括第一開關(guān)、第二開關(guān)和存儲電容器。在正常操作期間，第一開關(guān)打開，而第二開關(guān)閉合。在DC功率源、場繞組和閉合的第二開關(guān)之間完成回路。在故障狀況期間，針對場繞組的DC功率被去除，第二開關(guān)打開，第一開關(guān)閉合，并且場繞組中存儲的電磁能量被傳送到存儲電容器。通過參考以下詳細的描述和附圖，本發(fā)明的這些以及其它優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人
員而言將會變得明顯。


圖1示出了結(jié)合場放電系統(tǒng)的場激勵功率系統(tǒng)的示意圖；圖2A至圖2C示出了各種操作模式下的場放電系統(tǒng)的示意圖；圖3A至圖3B示出了針對三個不同場能量耗散方案的作為時間的函數(shù)的場電流的衰減的曲線圖；圖4示出了用于將場能量釋放到存儲電容器的方法的流程圖；以及圖5示出了實施場放電系統(tǒng)控制器的計算系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式凸極AC同步電機包括稱作具有場繞組的轉(zhuǎn)子和定子的一組多相分布繞組。定子繞組被饋送以AC。用于場繞組的場電路或激勵系統(tǒng)可以使用DC源來供給能量。DC源例如可以從三相AC電源獲得，所述三相AC電源使用對DC鏈路進行充電的有源前端(AFE)整流器，然后使用DC斬波器以得到必要的場激勵。同樣的DC鏈路也可以用來饋送逆變器電路，該逆變器電路為定子繞組提供AC源。DC鏈路、逆變器和針對定子的輸入端易于出故障。對于高功率應(yīng)用如移動采礦而言，機器額定值可以處于兆瓦范圍內(nèi)，并且電流可以在成百安培范圍內(nèi)變動。由于場繞組是電感性的，所以高電流導(dǎo)致顯著的電磁能量存儲在電感性場中。在DC鏈路或定子側(cè)電路中短路的情況下，當(dāng)場繞組中的能量存在時，定子繞組會饋送故障。也會生成電機的短路轉(zhuǎn)矩。由于短路轉(zhuǎn)矩典型地五到六倍于電機的額定轉(zhuǎn)矩，所以電機會被破壞。由于下面描述的傳統(tǒng)方法釋放場能量緩慢，所以使用昂貴的高速斷路器(HSCB)，以當(dāng)故障發(fā)生時快速將定子繞組從AC源斷開。例如對于具有九個繞組的多定子繞組同步電機而言，將會需要二十七個HSCB。在諸如DC鏈路中短路之類的故障的情況下，重要的動作將會是盡可能快地散發(fā)場能量以便維持安全操作?？焖偕l(fā)避免了使機器系統(tǒng)經(jīng)受過電壓狀況和高轉(zhuǎn)矩脈動，并且防止場繞組中存儲的能量饋送故障。這種能量難以通過小的電阻迅速散發(fā)。用于放電的時間常數(shù)通過L/R給出，其中，L是電感，而R則是場繞組的電阻；因此，隨著電阻降低，時間常數(shù)增加。典型的時間常數(shù)處于五秒的范圍內(nèi)。將大量的場能量轉(zhuǎn)換成廢熱進而可能造成機器系統(tǒng)的過熱；因此，增加的冷卻(具有隨之而來的成本)是所需要的。用于釋放場電流的傳統(tǒng)技術(shù)利用了通過放電電阻來短接場繞組，然后打開斷路器。由于場本質(zhì)上是高度電感性的，所以使用斷路器不能立刻中斷場電流。作為結(jié)果的斷路器上的電壓浪涌可能高得足以破壞斷路器。因此，在放電觸點關(guān)閉之后幾秒鐘再操作斷路器。電流開始通過放電觸點傳送到包含放電電阻的支路，并且同時斷路器被打開。電弧阻抗使電流衰減，并且與此同時迫使電流流過放電電阻。最后，流過斷路器的電流被變換成等離子態(tài)，其通過專門機構(gòu)熄滅，并且剩余的電流通過放電電阻衰減。除了場放電電路之外，被稱為消弧器的DC過電壓保護電路也與放電觸點并聯(lián)連接。這個電路維護場繞組的額定最大操作電壓之上的任何不想要的電壓浪涌。上面描述的場放電電路需要專用于場放電電路的DC斷路器。為了減少系統(tǒng)的成本，傳統(tǒng)斷路器常常與靜止場放電電路相結(jié)合。甚至具有DC中斷能力的AC斷路器也可能在這些系統(tǒng)中使用。如果功率從AC源導(dǎo)出，則斷路器可以連接在AC側(cè)。然而所有的這些技術(shù)都需要使用斷路器，這是高功率應(yīng)用中的昂貴部件。在本發(fā)明的實施例中，場繞組中的電磁場能量被傳送到存儲電容器。場能量在足夠短的時間內(nèi)被釋放，不需要高速斷路器來將定子繞組從AC源斷開。場能量沒有被散發(fā)為廢熱。被充電的電容器然后可以用作用于各種操作(包括采礦操作)的備用或輔助功率源。圖1示出了通過系統(tǒng)元件表示的場功率系統(tǒng)的實施例的示意圖。通過DC鏈路電容器102和DC斬波器104提供DC源。除了提供過電壓保護之外，消弧器110還可以用來短接場電路。場繞組120被表示為電感器(具有等效電感L)與電阻器(具有等效電阻R)相串聯(lián)。下面在圖2A至圖2C中更加詳細地示出了場放電系統(tǒng)130。
系統(tǒng)元件還包括控制元件，用于監(jiān)視并控制系統(tǒng)元件的操作。在此，具體的控制元件與具體的系統(tǒng)元件相關(guān)聯(lián)或者相對應(yīng)?？刂圃诂F(xiàn)有技術(shù)中是眾所周知的，這里不再詳細討論?？刂圃睦影ㄈ缦隆C鏈路電容器102具有控制元件A111，其測量電容器上的電壓。DC斬波器104具有控制元件B113，其控制并監(jiān)視DC斬波器的操作。消弧器110具有控制元件C115，其打開和關(guān)閉消弧器。場繞組120具有控制元件117，其測量流過場繞組的場電流和場繞組上的場電壓。場放電系統(tǒng)130具有控制兀件E119,其控制場放電系統(tǒng)的操作?？刂圃c下面進一步詳細地討論的場放電系統(tǒng)控制器140通信。在實施例中，場放電系統(tǒng)控制器140經(jīng)由各種控制信號與控制元件通信。場放電控制器140可以經(jīng)由包括單獨電路、公共數(shù)據(jù)總線和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的各種通信模式與控制元件通信。在此，控制信號包括模擬信號、數(shù)字信號、消息和命令。在此，控制信號包括控制系統(tǒng)元件的控制信號、報告系統(tǒng)元件狀態(tài)的控制信號以及報告來自系統(tǒng)元件的參數(shù)的值的控制信號?？刂葡到y(tǒng)元件的控制信號的例子是接通/斷開開關(guān)的控制信號。報告系統(tǒng)元件狀態(tài)的控制信號的例子是報告DC鏈路中短路的控制信號。報告參數(shù)的值的控制信號的例子是報告流過場繞組的電流和場繞組上的電壓的控制信號。圖2A至圖2C示出了不同操作模式下的場放電系統(tǒng)130的細節(jié)。為了簡化附圖，沒有示出控制元件和場放電系統(tǒng)控制器。場放電系統(tǒng)130包括開關(guān)SW1204、開關(guān)SW2206和存儲電容器208 (具有電容C)。在實施例中，開關(guān)SW1204用二極管來實施，而開關(guān)SW2206則用絕緣柵雙極晶體管(IGBT)來實施。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以用其它電氣和電子部件來實施開關(guān)。在圖2A中，場功率系統(tǒng)在正常狀況下操作。恒定的場電流201流過場繞組120并且流過閉合的開關(guān)SW2206。在這個時間期間，開關(guān)SW1204打開。在一個實施例中，存儲電容器208具有初始電荷，該初始電荷例如可以從DC鏈路電容器102(使用適當(dāng)?shù)碾娐?，未示?供應(yīng)。亦即，DC鏈路電容器102可以被用來部分地充電存儲電容器208。在另一個實施例中，存儲電容器208沒有初始電荷。在圖2B中，故障發(fā)生。例如，在DC鏈路上發(fā)生短路。消弧器110閉合；開關(guān)SW2206打開；并且開關(guān)SW1204閉合。在場放電系統(tǒng)控制器140 (參見圖1)的控制之下執(zhí)行這些動作。作為這些切換操作的結(jié)果，形成諧振LCR電路。場繞組120中的電感器的電磁場能量然后作為電能被傳送到存儲電容器208。由于能量從電感器傳送到存儲電容器208，場電流201隨著電容器電壓增加而下降到零。在圖2C中，一旦電流201下降到零，開關(guān)SW1204就打開，并且開關(guān)SW2206閉合。電感器的全部能量現(xiàn)在都已被傳送到存儲電容器208。在實施例中，這個存儲的能量用作用于各種操作的功率源，而不是作為廢熱而耗散。存儲電容器208例如可以用作采礦操作中的備用或輔助功率源。沒有示出用于從存儲電容器208中汲取功率的電路。在以下(El)和(E2)中表達了用于LCR電路的諧振方程。
權(quán)利要求
1.一種用于從同步電機的場繞組中釋放電磁能量的方法，所述方法包括以下步驟: 接收故障信號；以及 響應(yīng)于所述故障信號，將所述電磁能量傳送到電容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟: 接收命令；以及 響應(yīng)于所述命令，將所述電磁能量傳送到所述電容器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟: 測量流過所述場繞組的場電流；以及 當(dāng)所述場電流小于或等于閾值時，停止所述電磁能量向所述電容器的傳送。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟: 在將所述電磁能量傳送到所述電容器之前，對所述電容器進行部分地充電。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括以下步驟: 在所述電磁能量已被傳送到所述電容器之后，從所述電容器釋放電能。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述電容器包括超級電容器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述同步電機驅(qū)動無齒輪拉索、無齒輪傳送帶或無齒輪軋機中的一個。
8.一種用于從同步電機的場繞組中釋放電磁能量的設(shè)備，所述設(shè)備包括: 用于接收故障信號的裝置；以及 用于響應(yīng)于所述故障信號將所述電磁能量傳送到電容器的裝置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，進一步包括: 用于接收命令的裝置；以及 用于響應(yīng)于所述命令將所述電磁能量傳送到所述電容器的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，進一步包括: 用于測量流過所述場繞組的場電流的裝置；以及 用于當(dāng)所述場電流小于或等于閾值時停止所述電磁能量向所述電容器的傳送的裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，進一步包括: 用于在將所述電磁能量傳送到所述電容器之前對所述電容器進行部分地充電的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，進一步包括:用于在所述電磁能量已被傳送到所述電容器之后從所述電容器釋放電能的裝置。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其中，所述電容器包括超級電容器。
14.一種存儲用于從同步電機的場繞組中釋放電磁能量的計算機程序指令的計算機可讀介質(zhì)，所述計算機程序指令限定了以下步驟: 接收故障信號；以及 響應(yīng)于所述故障信號，將所述電磁能量傳送到電容器。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的計算機可讀介質(zhì)，其中，所述計算機程序指令進一步包括限定了以下步驟的計算機程序指令: 接收命令；以及 響應(yīng)于所述命令，將所述電磁能量傳送到所述電容器。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的計算機可讀介質(zhì)，其中，所述計算機程序指令進一步包括限定了以下步驟的計算機程序指令: 測量流過所述場繞組的場電流；以及 當(dāng)所述場電流小于或等于閾值時，停止所述電磁能量向所述電容器的傳送。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的計算機可讀介質(zhì)，其中，所述計算機程序指令進一步包括限定了以下步驟的計算機程序指令: 在將所述電磁能量傳送到所述電容器之前，對所述電容器進行部分地充電。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的計算機可讀介質(zhì)，其中，所述計算機程序指令進一步包括限定了以下步驟的計算機程序指令: 在所述電磁能量已被傳送到所述電容器之后，從所述電容器釋放電能。
19.一種用于從同步電機的場繞組中傳送電磁能量的場放電系統(tǒng),所述場放電系統(tǒng)包括: 電容器； 第一開關(guān)，其操作地耦合到所述電容器；以及 第二開關(guān)，其操作地耦合到所述電容器， 其中，所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)配置成: 響應(yīng)于第一控制信號，通過所述場繞組從直流功率源傳輸電流；以及 響應(yīng)于第二控制信號，將電磁能量從所述場繞組傳送到所述電容器。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的場放電系統(tǒng)，進一步包括場放電系統(tǒng)控制器，所述場放電系統(tǒng)控制器配置成: 接收故障信號；以及 響應(yīng)于所述故障信號，傳輸所述第二控制信號。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的場放電系統(tǒng)，其中，所述場放電系統(tǒng)控制器進一步配置成: 接收命令；以及 響應(yīng)于所述命令，傳輸所述第二控制信號。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的場放電系統(tǒng)，進一步包括控制元件，所述控制元件配置成: 從所述場放電系統(tǒng)控制器中接收至少一個控制信號。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的場放電系統(tǒng)，進一步包括控制元件，所述控制元件配置成: 將至少一個控制信號傳輸?shù)剿鰣龇烹娤到y(tǒng)控制器。
24.根據(jù)權(quán)利要求19所述的場放電系統(tǒng)，其中，所述電容器包括超級電容器。
全文摘要
通常在采礦操作中例如在無齒輪拉索、無齒輪傳送帶驅(qū)動和無齒輪軋機驅(qū)動中使用高功率同步電機。顯著的電磁能量存儲在電感性的場繞組中。在系統(tǒng)故障如激勵場繞組的直流功率源中短路的情況下，電磁能量需要從場繞組釋放。這種電磁能量典型地通過電阻器作為廢熱而被耗散。公開了一種場放電系統(tǒng)，在所述場放電系統(tǒng)中，電磁能量被捕獲并存儲在電容器中作為電能。如果超級電容器組用于存儲，則充電的超級電容器組可以用作用于采礦操作的備用或輔助功率源。放電時間足夠小，當(dāng)故障發(fā)生時，不需要高速斷路器將定子繞組從交流功率源斷開。
文檔編號H02P25/02GK103201947SQ201180048017
公開日2013年7月10日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月4日
發(fā)明者喬伊·馬宗達 申請人:西門子工業(yè)公司