专利名称：用于环形电机场的快速放电的系统和方法
用于环形电机场的快速放电的系统和方法
背景技术：
本发明一般地涉及电机，并且更加具体地涉及环形电机场的快速放电。在众多工业应用中使用高功率同步交流(AC)电机。例如在采矿中，高功率同步AC电机用于无齿轮拉索(具有 10，000马力的能力)、无齿轮传送带驱动和无齿轮轧机驱动。高功率同步AC电机也在其它系统如风力涡轮机中运用。凸极AC同步电机包括称作具有场绕组的转子和定子的一组多相分布绕组。定子绕组被馈送以AC。用于场绕组的场电路或激励系统可以使用DC源来供给能量。DC源例如可以从三相AC电源获得，所述三相AC电源使用对DC链路进行充电的有源前端(AFE)整流器，然后使用DC斩波器以得到必要的场激励。同样的DC链路也可以用来馈送逆变器电路，该逆变器电路为定子绕组提供AC源。DC链路、逆变器和针对定子的输入端易于出故障。在操作中使用大驱动电流。由于高功率AC同步电机的场绕组是电感性的，所以在场绕组中存储了显著的电磁能量。在DC链路短路故障或定子侧短路故障的情况下，场电路需要去除能量，并且定子电路需要与AC源隔离。典型地，通过场消弧电路来实现场去除能量。放电时间长，并且需要高速断路器以将定子绕组从AC源断开。场能量作为废热而耗散。
发明内容
在交流(AC)同步电机中，场绕组通过直流(DC)功率源来供给能量。显著的电磁能量存储在电感性的场绕组中。在系统故障如DC功率源中短路的情况下，电磁能量需要从场绕组中释放。电磁能量被捕获并存储在电容器中作为电能。在实施例中，超级电容器组用于存储，并且充电的超级电容器组用作备用或辅助功率源。备用或辅助功率源可以用来为采矿工作供电。在实施例中，场放电系统包括第一开关、第二开关和存储电容器。在正常操作期间，第一开关打开，而第二开关闭合。在DC功率源、场绕组和闭合的第二开关之间完成回路。在故障状况期间，针对场绕组的DC功率被去除，第二开关打开，第一开关闭合，并且场绕组中存储的电磁能量被传送到存储电容器。通过参考以下详细的描述和附图，本发明的这些以及其它优点对于本领域技术人
员而言将会变得明显。
图1示出了结合场放电系统的场激励功率系统的示意图；图2A至图2C示出了各种操作模式下的场放电系统的示意图；图3A至图3B示出了针对三个不同场能量耗散方案的作为时间的函数的场电流的衰减的曲线图；图4示出了用于将场能量释放到存储电容器的方法的流程图；以及图5示出了实施场放电系统控制器的计算系统的示意图。
具体实施例方式凸极AC同步电机包括称作具有场绕组的转子和定子的一组多相分布绕组。定子绕组被馈送以AC。用于场绕组的场电路或激励系统可以使用DC源来供给能量。DC源例如可以从三相AC电源获得，所述三相AC电源使用对DC链路进行充电的有源前端(AFE)整流器，然后使用DC斩波器以得到必要的场激励。同样的DC链路也可以用来馈送逆变器电路，该逆变器电路为定子绕组提供AC源。DC链路、逆变器和针对定子的输入端易于出故障。对于高功率应用如移动采矿而言，机器额定值可以处于兆瓦范围内，并且电流可以在成百安培范围内变动。由于场绕组是电感性的，所以高电流导致显著的电磁能量存储在电感性场中。在DC链路或定子侧电路中短路的情况下，当场绕组中的能量存在时，定子绕组会馈送故障。也会生成电机的短路转矩。由于短路转矩典型地五到六倍于电机的额定转矩，所以电机会被破坏。由于下面描述的传统方法释放场能量缓慢，所以使用昂贵的高速断路器(HSCB)，以当故障发生时快速将定子绕组从AC源断开。例如对于具有九个绕组的多定子绕组同步电机而言，将会需要二十七个HSCB。在诸如DC链路中短路之类的故障的情况下，重要的动作将会是尽可能快地散发场能量以便维持安全操作。快速散发避免了使机器系统经受过电压状况和高转矩脉动，并且防止场绕组中存储的能量馈送故障。这种能量难以通过小的电阻迅速散发。用于放电的时间常数通过L/R给出，其中，L是电感，而R则是场绕组的电阻；因此，随着电阻降低，时间常数增加。典型的时间常数处于五秒的范围内。将大量的场能量转换成废热进而可能造成机器系统的过热；因此，增加的冷却(具有随之而来的成本)是所需要的。用于释放场电流的传统技术利用了通过放电电阻来短接场绕组，然后打开断路器。由于场本质上是高度电感性的，所以使用断路器不能立刻中断场电流。作为结果的断路器上的电压浪涌可能高得足以破坏断路器。因此，在放电触点关闭之后几秒钟再操作断路器。电流开始通过放电触点传送到包含放电电阻的支路，并且同时断路器被打开。电弧阻抗使电流衰减，并且与此同时迫使电流流过放电电阻。最后，流过断路器的电流被变换成等离子态，其通过专门机构熄灭，并且剩余的电流通过放电电阻衰减。除了场放电电路之外，被称为消弧器的DC过电压保护电路也与放电触点并联连接。这个电路维护场绕组的额定最大操作电压之上的任何不想要的电压浪涌。上面描述的场放电电路需要专用于场放电电路的DC断路器。为了减少系统的成本，传统断路器常常与静止场放电电路相结合。甚至具有DC中断能力的AC断路器也可能在这些系统中使用。如果功率从AC源导出，则断路器可以连接在AC侧。然而所有的这些技术都需要使用断路器，这是高功率应用中的昂贵部件。在本发明的实施例中，场绕组中的电磁场能量被传送到存储电容器。场能量在足够短的时间内被释放，不需要高速断路器来将定子绕组从AC源断开。场能量没有被散发为废热。被充电的电容器然后可以用作用于各种操作(包括采矿操作)的备用或辅助功率源。图1示出了通过系统元件表示的场功率系统的实施例的示意图。通过DC链路电容器102和DC斩波器104提供DC源。除了提供过电压保护之外，消弧器110还可以用来短接场电路。场绕组120被表示为电感器(具有等效电感L)与电阻器(具有等效电阻R)相串联。下面在图2A至图2C中更加详细地示出了场放电系统130。
系统元件还包括控制元件，用于监视并控制系统元件的操作。在此，具体的控制元件与具体的系统元件相关联或者相对应。控制元件在现有技术中是众所周知的，这里不再详细讨论。控制元件的例子包括如下。DC链路电容器102具有控制元件A111，其测量电容器上的电压。DC斩波器104具有控制元件B113，其控制并监视DC斩波器的操作。消弧器110具有控制元件C115，其打开和关闭消弧器。场绕组120具有控制元件117，其测量流过场绕组的场电流和场绕组上的场电压。场放电系统130具有控制兀件E119,其控制场放电系统的操作。控制元件与下面进一步详细地讨论的场放电系统控制器140通信。在实施例中，场放电系统控制器140经由各种控制信号与控制元件通信。场放电控制器140可以经由包括单独电路、公共数据总线和数据网络的各种通信模式与控制元件通信。在此，控制信号包括模拟信号、数字信号、消息和命令。在此，控制信号包括控制系统元件的控制信号、报告系统元件状态的控制信号以及报告来自系统元件的参数的值的控制信号。控制系统元件的控制信号的例子是接通/断开开关的控制信号。报告系统元件状态的控制信号的例子是报告DC链路中短路的控制信号。报告参数的值的控制信号的例子是报告流过场绕组的电流和场绕组上的电压的控制信号。图2A至图2C示出了不同操作模式下的场放电系统130的细节。为了简化附图，没有示出控制元件和场放电系统控制器。场放电系统130包括开关SW1204、开关SW2206和存储电容器208 (具有电容C)。在实施例中，开关SW1204用二极管来实施，而开关SW2206则用绝缘栅双极晶体管(IGBT)来实施。本领域技术人员可以用其它电气和电子部件来实施开关。在图2A中，场功率系统在正常状况下操作。恒定的场电流201流过场绕组120并且流过闭合的开关SW2206。在这个时间期间，开关SW1204打开。在一个实施例中，存储电容器208具有初始电荷，该初始电荷例如可以从DC链路电容器102(使用适当的电路，未示出)供应。亦即，DC链路电容器102可以被用来部分地充电存储电容器208。在另一个实施例中，存储电容器208没有初始电荷。在图2B中，故障发生。例如，在DC链路上发生短路。消弧器110闭合；开关SW2206打开；并且开关SW1204闭合。在场放电系统控制器140 (参见图1)的控制之下执行这些动作。作为这些切换操作的结果，形成谐振LCR电路。场绕组120中的电感器的电磁场能量然后作为电能被传送到存储电容器208。由于能量从电感器传送到存储电容器208，场电流201随着电容器电压增加而下降到零。在图2C中，一旦电流201下降到零，开关SW1204就打开，并且开关SW2206闭合。电感器的全部能量现在都已被传送到存储电容器208。在实施例中，这个存储的能量用作用于各种操作的功率源，而不是作为废热而耗散。存储电容器208例如可以用作采矿操作中的备用或辅助功率源。没有示出用于从存储电容器208中汲取功率的电路。在以下(El)和(E2)中表达了用于LCR电路的谐振方程。
权利要求
1.一种用于从同步电机的场绕组中释放电磁能量的方法，所述方法包括以下步骤: 接收故障信号；以及 响应于所述故障信号，将所述电磁能量传送到电容器。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤: 接收命令；以及 响应于所述命令，将所述电磁能量传送到所述电容器。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤: 测量流过所述场绕组的场电流；以及 当所述场电流小于或等于阈值时，停止所述电磁能量向所述电容器的传送。
4.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤: 在将所述电磁能量传送到所述电容器之前，对所述电容器进行部分地充电。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包括以下步骤: 在所述电磁能量已被传送到所述电容器之后，从所述电容器释放电能。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电容器包括超级电容器。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述同步电机驱动无齿轮拉索、无齿轮传送带或无齿轮轧机中的一个。
8.一种用于从同步电机的场绕组中释放电磁能量的设备，所述设备包括: 用于接收故障信号的装置；以及 用于响应于所述故障信号将所述电磁能量传送到电容器的装置。
9.根据权利要求8所述的设备，进一步包括: 用于接收命令的装置；以及 用于响应于所述命令将所述电磁能量传送到所述电容器的装置。
10.根据权利要求8所述的设备，进一步包括: 用于测量流过所述场绕组的场电流的装置；以及 用于当所述场电流小于或等于阈值时停止所述电磁能量向所述电容器的传送的装置。
11.根据权利要求8所述的设备，进一步包括: 用于在将所述电磁能量传送到所述电容器之前对所述电容器进行部分地充电的装置。
12.根据权利要求8所述的设备，进一步包括:用于在所述电磁能量已被传送到所述电容器之后从所述电容器释放电能的装置。
13.根据权利要求8所述的设备，其中，所述电容器包括超级电容器。
14.一种存储用于从同步电机的场绕组中释放电磁能量的计算机程序指令的计算机可读介质，所述计算机程序指令限定了以下步骤: 接收故障信号；以及 响应于所述故障信号，将所述电磁能量传送到电容器。
15.根据权利要求14所述的计算机可读介质，其中，所述计算机程序指令进一步包括限定了以下步骤的计算机程序指令: 接收命令；以及 响应于所述命令，将所述电磁能量传送到所述电容器。
16.根据权利要求14所述的计算机可读介质，其中，所述计算机程序指令进一步包括限定了以下步骤的计算机程序指令: 测量流过所述场绕组的场电流；以及 当所述场电流小于或等于阈值时，停止所述电磁能量向所述电容器的传送。
17.根据权利要求14所述的计算机可读介质，其中，所述计算机程序指令进一步包括限定了以下步骤的计算机程序指令: 在将所述电磁能量传送到所述电容器之前，对所述电容器进行部分地充电。
18.根据权利要求14所述的计算机可读介质，其中，所述计算机程序指令进一步包括限定了以下步骤的计算机程序指令: 在所述电磁能量已被传送到所述电容器之后，从所述电容器释放电能。
19.一种用于从同步电机的场绕组中传送电磁能量的场放电系统,所述场放电系统包括: 电容器； 第一开关，其操作地耦合到所述电容器；以及 第二开关，其操作地耦合到所述电容器， 其中，所述第一开关和所述第二开关配置成: 响应于第一控制信号，通过所述场绕组从直流功率源传输电流；以及 响应于第二控制信号，将电磁能量从所述场绕组传送到所述电容器。
20.根据权利要求19所述的场放电系统，进一步包括场放电系统控制器，所述场放电系统控制器配置成: 接收故障信号；以及 响应于所述故障信号，传输所述第二控制信号。
21.根据权利要求20所述的场放电系统，其中，所述场放电系统控制器进一步配置成: 接收命令；以及 响应于所述命令，传输所述第二控制信号。
22.根据权利要求20所述的场放电系统，进一步包括控制元件，所述控制元件配置成: 从所述场放电系统控制器中接收至少一个控制信号。
23.根据权利要求20所述的场放电系统，进一步包括控制元件，所述控制元件配置成: 将至少一个控制信号传输到所述场放电系统控制器。
24.根据权利要求19所述的场放电系统，其中，所述电容器包括超级电容器。
全文摘要
通常在采矿操作中例如在无齿轮拉索、无齿轮传送带驱动和无齿轮轧机驱动中使用高功率同步电机。显著的电磁能量存储在电感性的场绕组中。在系统故障如激励场绕组的直流功率源中短路的情况下，电磁能量需要从场绕组释放。这种电磁能量典型地通过电阻器作为废热而被耗散。公开了一种场放电系统，在所述场放电系统中，电磁能量被捕获并存储在电容器中作为电能。如果超级电容器组用于存储，则充电的超级电容器组可以用作用于采矿操作的备用或辅助功率源。放电时间足够小，当故障发生时，不需要高速断路器将定子绕组从交流功率源断开。
文档编号H02P25/02GK103201947SQ201180048017
公开日2013年7月10日 申请日期2011年9月15日 优先权日2010年10月4日
发明者乔伊·马宗达 申请人:西门子工业公司