提高无刷电励磁轴带发电系统短路过载能力的装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及发电机控制和电力电子技术领域，具体地指一种提高无刷电励磁轴带发电系统短路过载能力的装置和方法。
【背景技术】
[0002]现有的船舶电站一般由高速柴油机驱动的同步发电机构成，但高速柴油发电机需要燃烧轻质柴油，其高成本、高噪音、维护工作量大等因素迫使人们提出利用船舶主轴驱动发电机(即轴带发电机)的设想。轴带发电机利用船舶驱动螺旋桨的富裕功率工作，可以较大幅度节约发电成本，减轻发电设备维护工作量。但船舶主轴的转速会随船舶运行状况而变，采用传统的轴带同步发电机，其发出的电压频率会随主轴转速变化而变化，无法满足船舶电气设备对于恒频恒压电源的要求。无刷电励磁轴带发电系统通过四象限变流器将无刷电励磁同步发电机输出的变速变频电压源转变为变速恒频电压源，从而满足船舶电气设备的需求。
[0003]船舶电站的另一个重要技术指标是在船舶电气设备发生局部短路时，要求独立发电系统能短时(3秒时间内)提供三倍负载额定电流的过载能力。但无刷电励磁轴带发电系统的核心部件四象限变流器受功率元件(包括IGBT( Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)模块、支撑电容和滤波电感等)的限制，一般只能提供I.2倍的电流过载能力，要想达到三倍电流过载能力，只能采用更大容量的功率器件，由此会大大增加发电系统制造成本，但系统又长期运行在极轻载的工况，严重影响系统经济性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的就是要提供一种提高无刷电励磁轴带发电系统短路过载能力的装置和方法，该系统和方法在不增加四象限变流器功率元件容量的前提下，可以在船舶电气设备发生局部短路时，通过实时控制，使轴带发电机通过电子旁路开关提供三倍负载额定输出电流的过载能力，从而满足船舶电站技术标准要求。
[0005]为实现此目的，本发明所设计的一种提高无刷电励磁轴带发电系统短路过载能力的装置，它包括无刷电励磁同步发电机、四象限变流器和负载，无刷电励磁同步发电机的三相电源输出端通过四象限变流器连接负载，它还包括三相电子旁路开关、负载电流检测器和控制器，其中，所述三相电子旁路开关包括第一相电子旁路开关、第二相电子旁路开关和第三相电子旁路开关，所述负载电流检测器设置在负载的三相电源接口，用于实时监测负载电流；
[0006]所述第一相电子旁路开关的两端分别连接无刷电励磁同步发电机的第一相电源输出端和四象限变流器的第一相电源输出端，第二相电子旁路开关的两端分别连接无刷电励磁同步发电机的第二相电源输出端和四象限变流器的第二相电源输出端，第三相电子旁路开关的两端分别连接无刷电励磁同步发电机的第三相电源输出端和四象限变流器的第三相电源输出端；
[0007]负载电流检测器的信号输出端连接控制器的负载电流监测信号输入端，控制器的四象限变流器控制信号输出端连接四象限变流器的控制端，控制器的开关控制信号输出端分别连接第一相电子旁路开关、第二相电子旁路开关和第三相电子旁路开关的开关控制端，控制器的发电机控制信号输出端连接无刷电励磁同步发电机的控制端。
[0008]—种利用上述提高无刷电励磁轴带发电系统短路过载能力的装置进行过载保护的方法，其特征在于，它包括如下步骤:
[0009]步骤1:负载电流检测器实时监测负载电流，当负载电流检测器监测到负载电流达至IJl.2倍负载额定电流后，控制器向四象限变流器的控制端发送关断信号，令四象限变流器的所有绝缘栅双极型晶体管关断，禁止四象限变流器输出电流；
[0010]步骤2:控制器同时发送六路开关控制信号触发六个晶闸管导通，使第一相电子旁路开关、第二相电子旁路开关和第三相电子旁路开关导通，无刷电励磁同步发电机输出的电压通过第一相电子旁路开关、第二相电子旁路开关和第三相电子旁路开关直接向负载供电；在此期间，控制器向无刷电励磁同步发电机发出控制信号使无刷电励磁同步发电机的励磁电流提尚;
[0011]步骤3:当负载电流检测器检测到无刷电励磁同步发电机通过第一相电子旁路开关、第二相电子旁路开关和第三相电子旁路开关输出电流达到三倍负载额定电流后，控制器向无刷电励磁同步发电机发出控制信号对无刷电励磁同步发电机的励磁电流进行限制，使无刷电励磁同步发电机输出的电流保持在三倍负载额定电流，保证了第一相电子旁路开关、第二相电子旁路开关和第三相电子旁路开关中晶闸管的安全。
[0012]本发明在不增加主电路功率元件容量的前提下，将轴带发电系统短路过载能力提高到三倍额定电流。无刷电励磁轴带发电系统由船舶主轴驱动的无刷电励磁同步发电机和四象限变流器组成，为船舶电气设备负载提供变速恒频电源。作为无刷电励磁轴带发电系统的核心部件四象限变流器受功率元件的限制，一般只能提供1.2倍的电流过载能力，本发明提供了增设的电子旁路开关，可以在船舶电气设备负载发生局部短路时，通过电子旁路电路提供三倍额定电流的过载能力。
[0013]本发明在系统正常发电时，电子旁路开关处于断开状态，无刷电励磁轴带发电机发出的变速变频电源通过四象限变流器输出变速恒频电源给船舶电气负载，当船舶电气负载发生局部短路时，控制电路检测到负载电流超过额定电流后，控制四象限变流器停止供电，同时控制电子旁路开关导通，提供船舶电气负载三倍的过载电流，从而满足船舶电气设备的需求。
【附图说明】
[0014]图1为本发明的结构框图；
[0015]图2为本发明中控制器与电子旁路开关部分的结构示意图；
[0016]图3为本发明中晶闸管触发信号与相电压波形图；
[0017]其中，I一无刷电励磁同步发电机、2—四象限变流器、3—三相电子旁路开关、3.1—第一相电子旁路开关、3.2—第二相电子旁路开关、3.3—第三相电子旁路开关、4一负载电流检测器、5—控制器、5.1一单片机、6—负载。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明:
[0019]如图1和图2所示的提高无刷电励磁轴带发电系统短路过载能力的装置，它包括无刷电励磁同步发电机1、四象限变流器2和负载6(负载6可以是船舶上的任何负载，例:加热器、照明灯、空调、风机、压缩机等)，无刷电励磁同步发电机I的三相电源输出端通过四象限变流器2连接负载6，它还包括三相电子旁路开关3、负载电流检测器4和控制器5，其中，所述三相电子旁路开关3包括第一相电子旁路开关3.1、第二相电子旁路开关3.2和第三相电子旁路开关3.3，所述负载电流检测器4设置在负载6的三相电源接口，用于实时监测负载电流；
[0020]所述第一相电子旁路开关3.1的两端分别连接无刷电励磁同步发电机I的第一相电源Ul输出端和四象限变流器2的第一相电源输出端，第二相电子旁路开关3.2的两端分别连接无刷电励磁同步发电机I的第二相电源Vl输出端和四象限变流器2的第二相电源输出端，第三相电子旁路开关3.3的两端分别连接无刷电励磁同步发电机I的第三相电源Wl输出端和四象限变流器2的第三相电源输出端(具体来说，所述第一相电子旁路开关3.1的一端连接无刷电励磁同步发电机I的第一相电源输出端，第一相电子旁路开关3.1的另一端连接四象限变流器2的第一相电源输出端，第二相电子旁路开关3.2的一端连接无刷电励磁同步发电机I的第二相电源输出端，第二相电子旁路开关3.2的另一端连接四象限变流器2的第二相电源输出端，第三相电子旁路