一种Crowbar装置和电的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种Crowbar装置及电机，其中Crowbar装置包括：作为承载体的散热器；贴合设置在散热器上的Crowbar电路，其用于实现电网故障时对电机的保护；与Crowbar电路电连接的信号转换模块，其用于接收外部信号并进行转换，然后将转换后的信号输送给所述Crowbar电路。本发明集成了散热器、Crowbar电路和信号转换模型，具有更高的集成度。同时，本发明通过合理地布局各个电路及零部件的位置，不仅使得本装置的结构更加紧凑，还使得本装置具有更好的电子性能和散热性能，从而保证了本装置的可靠性和实用性。
【专利说明】—种Crowbar装置和电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子电力应用【技术领域】，具体地说，涉及一种Crowbar装置和电机。
【背景技术】
[0002]随着并网风电机组的增加，风电机组与电网的相互影响也日渐明显。当电网发生故障时，电网电压会发生跌落或电压过高。而在电网电压发生跌落或者电压过高时，双馈异步风力发电机在定子侧会出现定子侧电压中含有直流或者负序分量的现象，从而产生较大滑差，引起转子绕组的过电压以及过电流。
[0003]转子绕组的过电压以及过电流会对转子绕组以及转子侧变流器的器件造成损坏。并且，因为变流器中转子侧的能量输入大于变流器电网侧的能量输出，这样就导致了中间直流电压也急剧提升。而变流器中的正常的斩波电路容量不能将中间直流电压的多余能量释放。所以为了在电网故障期间保护转子侧变流器和发电机转子绕组，双馈风力发电机都需要具有低压穿越能力，所以双馈风力发电机大都装有Crowbar装置(即撬棍装置)。
[0004]目前大部分双馈风力发电机组采用的是被动式Crowbar装置。然而被动式Crowbar装置在投入后不能自动退出，只能在被动能量释放到比较低后才能关断从而退出。同时，被动式Crowbar装置中电阻的选型范围普遍偏小。所以，被动式Crowbar装置已经无法满足最新的低压穿越标准的要求。
[0005]主动式Crowbar装置是近年来发展起来的新的Crowbar装置,其能够很好的满足低压穿越标准的要求。但是，现有的主动式Crowbar装置存在集成度不高、布局不合理、体积较大、安装以及维护困难等问题。
[0006]所以，基于上述情况，亟需一种集成度高、结构合理的Crowbar装置。
【发明内容】
[0007]为解决上述问题，本发明提供了一种Crowbar装置，包括:
[0008]作为承载体的散热器；
[0009]贴合设置在所述散热器上的Crowbar电路，其用于实现故障时对电机的保护；
[0010]与所述Crowbar电路电连接的信号转换模块，其用于接收外部信号并进行转换，然后将转换后的信号输送给所述Crowbar电路。
[0011]根据本发明的一个实施例，所述散热器作为第一层，所述Crowbar电路作为第二层，所述信号转换模块设置在所述Crowbar电路之上作为第三层。
[0012]根据本发明的一个实施例，所述Crowbar电路包括:
[0013]整流电路，其输入端与电机转子的输出端连接，用于将电机转子输出的交流电能转换为直流电能；
[0014]制动电阻，其作为所述直流电能的负载，用于将流过的直流电能转换为热能；
[0015]开关电路，其电连接于所述整流电路和制动电阻之间，用于根据外部信号相应地断开或闭合。[0016]根据本发明的一个实施例，所述整流电路与开关电路相邻设置。
[0017]根据本发明的一个实施例,所述Crowbar电路还包括:
[0018]支撑电容，其并联在所述整流电路的输出端之间，用于减小所述开关电路的关断过电压。
[0019]根据本发明的一个实施例，所述Crowbar电路还包括:
[0020]支撑电容，其并联在所述整流电路的输出端之间，用于减小所述开关电路的关断过电压；
[0021]放电电阻，其与所述支撑电容并联。
[0022]根据本发明的一个实施例，所述整流电路包括三相桥式不可控整流电路。
[0023]根据本发明的一个实施例，所述开关电路包括若干并联的绝缘栅双极型晶体管和若干与所述制动电阻反并联的二级管。
[0024]根据本发明的一个实施例，所述信号转换模块包括:
[0025]屏蔽板，其设置在上述开关电路上方；
[0026]光电转换板，其通过支架固定在所述屏蔽板上，用于将接收到的外部光信号转换为电信号；
[0027]门极驱动板，其设置在所述屏蔽板与光电转换板之间，电连接于所述光电转换板与Crowbar电路之间,用于将接收到的电信号进行电量转换后输出给所述Crowbar电路。
[0028]本发明还提供了一种电机，所述电机包括:
[0029]转子；
[0030]如上所述的Crowbar装置,所述Crowbar装置与所述转子连接,用于实现对所述转子的过电流保护。
[0031]本发明提供的Crowbar装置集成了散热器、Crowbar电路和信号转换模块,相较于现有的Crowbar装置，该装置具有更高的集成度。同时，通过合理地布局各个电路及零部件的安装位置，不仅使得整个装置的结构更加紧凑，还使得整个装置具有更加良好的电子性能和散热性能，从而保证了装置的可靠性和实用性。
[0032]同时，相较于现有的Crowbar装置,本发明提供的Crowbar装置中整流电路与开关电路的位置更为靠近，从而使得连接二者的铜排也就更短，这有助于降低Crowbar装置整流部分的杂散电感。
[0033]此外，针对现有的Crowbar装置瞬时关断过电压较大而使得过电压吸收电路较为复杂的问题。本发明通过在Crwobar电路中加入支撑电容和放电电阻，有效减小了开关电路关断瞬间的过电压。这不仅有利于过电压吸收电路的简化，还有利于降低对Crowbar电路中各个器件的性能要求，有助于扩大元器件的选型范围，从而减小了整个装置的体积和成本。
[0034]本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【专利附图】
【附图说明】
[0035]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍:
[0036]图1是根据本发明一个实施例的Crowbar装置的结构示意图；
[0037]图2是根据本发明一个实施例的Crowbar电路的电路图；
[0038]图3是根据本发明一个实施例的Crowbar装置的俯视图；
[0039]图4是图3所示的Crowbar装置的正视图。
【具体实施方式】
[0040]以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0041]现有的主动式Crowbar装置的集成度不高、结构不合理,这使得现有的Crowbar装置体积较大，设备的安装和维护困难。本发明通过对Crowabr装置各个部分进行合理布局，提供了一种集成度高、结构合理的Crowbar装置。
[0042]图1示出了本实施例中Crowbar装置的结构示意图。
[0043]如图1所示，本实施例所提供的Crowbar装置包括散热器101、Crowbar电路102和信号转换模块103。其中，散热器101处于整个装置的第一层(即底层)，并作为Crowbar电路102和信号转换模块103的承载体。
[0044]Crowbar电路102作为Crowbar装置的功能单元。当大功率风力发电系统的电网发生故障时，Crowbar电路102能够保证风力发电机不脱网，并且还能够为故障电网提供无功电流。同时，Crowbar电路102还能够在电网发生故障时实现对风力发电机转子和变流器的保护。
[0045]当风力发电机转子侧的电流过大时，Crowbar装置102能将风力发电机转子侧的输出电能转换为热能释放掉，从而抑制了变流器直流侧电压继续升高。因为Crowbar电路102工作时会产生大量的热量，所以为了能够有效地进行散热，从而保证各个器件的可靠性和使用寿命，本实施例中，Crowbar电路102作为整个装置的第二层贴合设置在散热器101上。
[0046]信号转换模块103作为整个装置的第三层，设置在Crowbar电路上。信号转换模块103与Crowbar电路102电连接，能够接收外部信号并将外部信号进行转换，然后将转换后的信号输送给Crowbar电路102。
[0047]现有的主动式Crowbar装置瞬时关断电流(即过电流)较大，关断时产生的过电压比较高，这就造成了关断过电压的吸收电路较为复杂。此外，随着我国风力发电机的大批量装机，电网也随着风力发电装机容量的增大而变得不稳定。因此，在低压穿越工况时最严酷的情况下，风力发电机的转子绕组的能量比较大。这也就造成了现有的主动式Crowbar装置对器件要求高，成本比较高，体积比较大。所以针对现有的主动式Crowbar装置的上述缺陷，本实施例提供了一种如图2所示的新的Crowbar电路。
[0048]如图2所示，本实施例中，Crowbar电路102包括整流电路201、开关电路202和制动电阻R2。其中，整流电路201采用三相桥式二极管整流电路，其输入端与电机转子的输出端连接，用于将电机转子输出的交流电能转换为直流电能。开关电路202电连接于整流电路201的输出端正极与制动电阻R2的一端之间，用于根据外部信号相应地断开或闭合，从而切断或导通制动电阻R2的电源。制动电阻R2的另一端与整流电路的负极连接。制动电阻R2作为整流电路201输出的直流电能的负载，当开关电路202闭合时，制动电阻R2能够将接收到的直流电能转换为热能消耗掉。
[0049]本实施例中，开关电路202采用三相全控逆变电路，其每条支路均包括自带续流二极管的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称为IGBT),同时每条支路的下桥臂中的IGBT的基极与射极连接。开关电路202采用三条支路能够有效地减小各条支路上流过的电流，从而降低了对各条支路上IGBT以及二极管性能的要求。这不仅有利于扩大器件的选型范围和降低装置的成本，还有助于提高开关电路的可靠性。
[0050]需要说明的是，本实施例中开关电路所包含的支路的数量并不作为对本发明的限定，在本发明的其他实施例中，开关电路支路的数量还可以采用其他合理数值。同时，在本发明的其他实施例中，整流电路和开关电路还可以采用其他合理的电路形式，例如整流电路也可以采用三相全控整流电路，本发明不限于此。
[0051]当风力发电机变流器模块上的直流母线电压高于预设的第一电压阈值时，开关电路202中各个支路的上桥臂中的IGBT导通。这样，整流电路201产生的直流电便能传输到制动电阻R2上，并由制动电阻R2将该直流电能转换为热能消耗掉。
[0052]当位于变流器电网侧的互感器检测到电网电压低于额定电网电压的90%，并且此时变流器的直流母线电压高于预设的第二电压阈值时，开关电路202中各个支路的上桥臂中的IGBT导通。这时，整流电路201产生的直流电能被传输到制动电阻R2上，并由制动电阻R2将该直流电能转换为热能消耗掉。在制动电阻R2将流经的直流电能转换为热能的过程中，制动电阻R2两端的电压也随之减小。当制动电阻R2上的电压低于预设的第三电压阈值时，此时开关电路202的各条支路中的IGBT断开，从而停止向制动电阻R2输送电能。
[0053]本实施例中，根据风力发电机变流器的实际工作情况，将第一电压阈值设定为1380V，第二电压阈值设定为1330V，第三电压阈值设定为300V。需要说明的是，在本发明的其他实施例中，上述电压阈值还可以根据不同的实际工作情况，取其他合理值，本发明不限于此。
[0054]现有的主动式Crowbar装置的瞬时关断电压比较高，这就造成了关断过电压、过电流的吸收电路较为复杂。针对该问题，如图2所示，本实施例在整流电路201的输出端正负极之间并联上了支撑电容Cl和放电电阻R1。利用电容的充电特性，支撑电容Cl能够抑制其两端电压的变化，起到了减小关断过电压的作用，从而达到保护开关电路的目的。当开关电路202各个上桥臂中的IGBT断开时，支撑电容Cl上的瞬时电压为制动电阻R2上的电压，该电压比直流母线电压低很多，所以能够保证开关电路202关断过程中产生的过电压不会对开关电路202中的元件造成损害。放电电阻Rl能够在IGBT未闭合时防止支撑电容Cl在充电过程中电压持续升高，同时其还能够在Crowbar电路停止工作(即IGBT断开)时对支撑电容Cl进行放电。
[0055]图3和图4分别示出了本实施例所提供的Crowbar装置的俯视图和正视图。
[0056]从图3和图4中可以看出，本实施例中，整流电路中的二极管315和开关电路中的IGBT314以及放电电阻Rl均贴合安装在散热器上，各个元件均匀地排列在散热器表面以充分利用散热器进行散热。[0057]支撑电容Cl架设在放电电阻Rl上方，其通过低感复合母排311与开关电路中的IGBT314的相应端口连接。本实施例中，低感复合母排311采用L形结构，其由正负导电铜排组成，正负导电铜排之间采用绝缘层进行隔离，并且铜排的边缘采用绝缘层进行包边。低感复合母排311垂直于散热器101安装，其横向伸出部分与IGBT314的相应端口连接，并在竖向的Dl位置处与支撑电容Cl连接。当IGBT关断时，支撑电容Cl能够使得IGBT直流母线的电压从300V左右上升到1200V需要的一定的时间，从而能够有效降低IGBT关断时直流母线电压，这也就降低了 IGBT的关断过电压。
[0058]如图4所示，直流正铜排312和直流负铜排313的一端在低感复合母排311的D2位置处分别与低感复合母排311中的正负导电铜排连接。直流正铜排312的另一端与整流电路的输出端正极连接，直流负铜排313的另一端与整流电路的输出端负极连接。本实施例中，整流电路与开关电路之间仅仅间隔有放电电阻R1。所以相较于现有的Crowbar装置，整流电路与开关开关电路的位置更为靠近。因此连接整流电路和开关电路相应端口的直流正铜排312和直流负铜排313的长度相较于现有的Crowbar装置的相应铜排更短，二者与低感复合母排311共同减小了直流部分的杂散电感。
[0059]当Crowbar电路202中不含有放电电阻时，为了减小整流电路和开关电路之间的距离，还可以将整流电路与开关电路相邻设置，本发明不限于此。
[0060]本实施例中，信号转换模块103包括光电转换板301、门极驱动板302和适配板303。同时，在IGBT314的上方还架设有屏蔽板304。当IGBT314因发生故障而造成元件损坏时，屏蔽板304能够防止IGBT314的碎片飞溅，从而对装置中的其他器件起到保护作用。
[0061]本实施例中，光电转换板301通过光纤与外部控制器连接。外部控制器根据检测到的变流器模块上的直流母线电压或电网电压输出相应的控制信号到光电转换板301中。光电转换板301能够将接收到的光信号转换为电信号后传输到与光电转换板301连接的门极驱动板302。同时，光电转换板302还设置有电源接口，其还可以将外部电源提供给门极驱动板302。
[0062]门极驱动板302接收光电转换板301传输来的控制信号，并将该控制信号进行电量转换后传输到与其连接的适配板303。适配板303焊接在IGBT元件上，其与开关电路中各个上桥臂的IGBT的基极连接。因为本实施例中，开关电路202包括三条支路，所以信号转换电路103包括三个适配板303，各个适配板303焊接在相应的IGBT元件上。门极驱动电路302能够将接收到的控制信号同时发送到三个适配板中，以驱动各个IGBT相应地导通或断开。
[0063]当IGBT中的一个或多个存在异常，或三个适配板中由一个或多个出现异常，或门极驱动板本身出现故障时，门极驱动板302能够将故障信号上报给光电转换板301。光电转换板301将故障信号转换为光信号后传输到外部控制器。外部控制器对接收到的故障信号进行分析后产生隔离信号，以隔离故障部件，从而提高了整个装置的安全性和可靠性。
[0064]如图3所示，本实施例中，整流电路的输入端分别通过三个交流输入铜排307与风力发电机转子的输出端连接，交流输入铜排307通过交流输入环氧块308固定在散热器101上。本实施例中，为了使用和维护的方便，将制动电阻R2通过直流输出铜排309与开关电路连接。同时，直流输出铜排309通过输出铜排环氧块310固定在散热器101上。
[0065]本实施例中，散热器采用自然风冷却散热方式。根据Crowbar装置的实际工作工况，Crowbar装置每次工作时长最长不超过过600ms,并且最短工作间隔不大于lOmin。因此开关电路中的IGBT的工作过程属于短时间大电流冲击。自然风冷却的散热方式完全能够满足IGBT的散热要求。同时，当Crowbar装置不工作的时候，整流二极管流过的电流很小，所以其发热量非常小，基本可以忽略。当Crowbar装置工作时，整流二极管也是出于短时间、大电流冲击的工作状态，采用自然风冷却的方式也完全能够满足要求。本实施例中，散热器采用自然风冷却的方式不需要添加额外的设备，有助于减小整个装置的体积、降低整个装置的成本。
[0066]需要说明的是，本实施例所采用的自然风冷却方式仅仅是作为本发明的优选方案，在本发明的其他实施例中，散热器还可以采用其他合理的散热方式，本发明不限于此。
[0067]本实施例还提供了一种发电机，其包括转子和如上所述的Crowbar装置，其中Crowbar装置与转子连接，用于在电网发生故障时对转子进行保护。
[0068]通过采用上述结构与器件布局，本实施例所提供的Crowbar装置的长度L为436mm,高度H能够达到178_。由此可以看出，相较于现有的Crowbar装置,本实施例提供的Crowbar装置在集成了散热器、Crowbar电路和多种信号转换板的同时,还能够具有较小的体积。
[0069]从上述描述中可以看出，相较于现有的Crowbar装置,本发明提供的Crowbar装置集成了散热器、Crowbar电路和信号转换模块，具有更高的集成度。同时，通过合理地布局各个电路及零部件的位置，不仅使得整个装置的结构更加紧凑，还使得整个装置具有更加良好的电子性能和散热性能，从而保证了装置的可靠性和实用性。
[0070]同时，相较于现有的Crowbar装置,本发明提供的Crowbar装置中整流电路与开关电路的位置更为靠近，这使得连接二者的铜排也就更断，从而有助于降低Crowbar装置整流部分的杂散电感。
[0071]此外，针对现有的Crowbar装置瞬时关断过电压较大，而使得过电压吸收电路较为复杂的问题。本发明通过在Crwobar电路中加入支撑电容和放电电阻，有效减小了开关电路关断瞬间的过电压。这不仅有利于过电压吸收电路的简化，还有利于降低对Crwobar电路中各个器件的性能要求，有助于扩大元器件的选型范围，从而减小了整个装置的体积和成本。
[0072]虽然本发明所披露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属【技术领域】内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【权利要求】
1.一种Crowbar装置,包括: 作为承载体的散热器； 贴合设置在所述散热器上的Crowbar电路，其用于实现电网故障时对电机的保护；与所述Crowbar电路电连接的信号转换模块，其用于接收外部信号并进行转换，然后将转换后的信号输送给所述Crowbar电路。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述散热器作为第一层，所述Crowbar电路作为第二层，所述信号转换模块设置在所述Crowbar电路之上作为第三层。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述Crowbar电路包括: 整流电路，其输入端与电机转子的输出端连接，用于将电机转子输出的交流电能转换为直流电能； 制动电阻，其作为所述直流电能的负载，用于将流过的直流电能转换为热能； 开关电路，其电连接于所述整流电路和制动电阻之间，用于根据外部信号相应地断开或闭合。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述整流电路与开关电路相邻设置。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述Crowbar电路还包括: 支撑电容，其并联在所述整流电路的输出端之间，用于减小所述开关电路的关断过电压。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述Crowbar电路还包括: 支撑电容，其并联在所述整流电路的输出端之间，用于减小所述开关电路的关断过电压； 放电电阻，其与所述支撑电容并联。
7.如权利要求3?6中任一项所述的装置，其特征在于，所述整流电路包括三相桥式不可控整流电路。
8.如权利要求3?7中任一项所述的装置，其特征在于，所述开关电路包括若干并联的绝缘栅双极型晶体管和若干与所述制动电阻反并联的二级管。
9.如权利要求3?8中任一项所述的装置，其特征在于，所述信号转换模块包括: 屏蔽板，其设置在上述开关电路上方； 光电转换板，其通过支架固定在所述屏蔽板上，用于将接收到的外部光信号转换为电信号; 门极驱动板，其设置在所述屏蔽板与光电转换板之间，电连接于所述光电转换板与Crowbar电路之间,用于将接收到的电信号进行电量转换后输出给所述Crowbar电路。
10.一种电机，其特征在于，所述电机包括: 转子； 如权利要求1?9中任一项所述的Crowbar装置,所述Crowbar装置与所述转子连接，用于实现对所述转子的过电流保护。
【文档编号】H02M7/00GK103986341SQ201410182558
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2014年4月30日
【发明者】杨印博, 杨林, 许浩, 马伯乐, 蒋耀生, 吴顶峰, 刘兴平, 张东辉, 邬冬临, 吴春冬, 杨乐乐 申请人:南车株洲电力机车研究所有限公司