勵磁繞組的靜態勵磁器及其操作方法

2023-09-12 18:28:20

專利名稱：勵磁繞組的靜態勵磁器及其操作方法
技術領域：
本發明涉及一種勵磁繞組的靜態勵磁器及其操作方法。
背景技術：
靜態勵磁器被廣泛用於為發電機的勵磁繞組供電。US2007/0296275(參照本文獻的圖1)公開了 一種具有勵磁變壓器(exciter transformer) 2的靜態勵磁器1，該勵磁變壓器2在一側連接至發電機4的母線3 (即連接 至發電機的輸出端)，並且在另一側連接至整流器5，該整流器5將由勵磁變壓器2供應的 交流電壓轉換為直流電壓。整流器5典型地由AVR(Automatic Voltage Regulator，自動電壓調節器)6驅動， 該AVR 6經由電壓互感器(voltage transformer) 7連接至母線3。整流器5的直流側與發電機4的勵磁繞組8和正向偏置二極體9串聯。正向偏置二極體9與電容器組10並聯；此外，在電容器組10與二極體9之間設置 開關11 ；可以將該開關11閉合，從而使電容器組10與整流器5串聯。在正常運行過程中，開關11打開；由於二極體9是正向偏置的並且導電的，所以將 來自勵磁變壓器2的交流電壓轉換為直流電壓並且供應至勵磁繞組8。在電網(grid)上發生幹擾(例如由於傳輸線中的短路)的情況下，電網的電壓下 降，並且因此母線3的電壓和電壓互感器7的低壓側上的電壓也下降。當電壓互感器7的低壓側上的電壓下降到預定電壓值以下時，將開關11閉合，從 而使得二極體9反向偏置(並且不再導通)，並且電容器組10與整流器5和勵磁繞組8串 聯。這使得將相當高的勵磁電壓施加至勵磁繞組8，並且保證了發電機/電網系統的 穩定性。然而，一旦發生幹擾，電容器組10就完全放電，因此如果發生多個幹擾，則該系統 不能處理這些幹擾。事實上(圖1)，即使靜態勵磁器1配備有保持為電容器組10充電的充電裝置 12(例如電池)，充電裝置的尺寸通常較小並且其花費幾分鐘至幾小時的時間用於將電容 器組10再充電至合格的充電水平。

發明內容
因此本發明的技術目的是提供一種靜態勵磁器和一種方法，通過它們來消除已知 技術的所述問題。在該技術目的的範圍內，本發明的一個方面是提供一種靜態勵磁器和一種方法， 它們能夠處理在短時間段中相繼發生(例如在幾分鐘內)的多個幹擾。連同該方面和其他方面，根據本發明通過提供根據所附權利要求的靜態勵磁器和 方法而實現該技術目的。


從根據本發明的靜態勵磁器和方法的優選而不排他的實施方式的描述將會更加 明白本發明的其他特徵和優點，其通過附圖中的非限制性實施例的方式示出，其中圖1是根據現有技術的靜態勵磁器的示意圖；圖2是根據本發明的實施方式的靜態勵磁器的示意圖；以及圖3和4是顯示根據本發明的實施方式，開關閉合/打開延遲時間帶的圖。
具體實施例方式參照附圖，這些顯示了發電機4的勵磁繞組8的靜態勵磁器1。發電機4具有經由變壓器(transformer) 21而連接至電網20的母線3。靜態勵磁器1包括由晶閘管橋(thyristor bridge)形成的整流器5，其從一側經 由勵磁變壓器2而連接至母線3 (可替換地，電壓互感器7也可以連接至電網20)，並且從另 一側連接至發電機1的勵磁繞組8。靜態勵磁器1還具有與整流器5串聯的諸如正向偏置二極體9等單向電子開關。另外，靜態勵磁器1還具有電容器組10，例如由相互串聯和並聯的多個超級電容 器(super capacitors)形成；電容器組10與二極體9並聯。靜態勵磁器1進一步包括二極體9與電容器組10之間的開關11 ；開關11連接至 控制單元22，當指示電網電壓的電壓(通過經由變壓器21連接至電網20的母線3的電壓 而進行控制)下降到第一預定電壓值V1以下時，該控制單元22將開關11閉合，從而將電 容器組10連接至勵磁繞組8。有利地，當指示電網電壓的電壓(通過母線3的電壓而進行控制)超過第二預定 電壓值V2時，控制單元22將開關11打開，從而將電容器組10從勵磁繞組8斷開。這使得電容器組10僅在需要的時間將能量提供至勵磁繞組8，並且防止電容器組 10的完全放電，避免了在不需要時的能量供應。第二預定電壓值％大於或等於第一預定電壓值V1 ；優選地，為了避免開關11的振 蕩狀的閉合和重開，第二預定電壓值V2大於第一預定電壓值義。靜態勵磁器1還包括為勵磁繞組8的AVR 6 (Automatic VoltageRegulator自動 電壓調節器)供電的電壓互感器7 ；優選地在電壓互感器7的低壓側上測量電網電壓下降。控制單元22具有第三預定電壓值V3,使得當電容器組10的電壓下降到第三預定 電壓值V3以下時，該控制單元22將開關11打開(因此防止電容器組10的完全放電)。另外，充電裝置12還配備有保護充電裝置12免於過電流的充電開關32，其主要作 為恆定電壓源而運行。具體地，當開關11閉合時充電開關32打開，並且當開關11打開時 充電開關32閉合。圖2顯示了開關11打開而充電開關32閉合。可替換地，充電裝置產生 恆定電流，具有支配性的電壓限制(with an overruling voltage limitation)(因此消除 了對充電開關的需求)。從所描述和圖示的內容可以明白在本發明的該實施方式中的靜態勵磁器的操作， 並且基本上如下所述。當在電網20上發生幹擾並且其電壓下降時，母線3的電壓也下降。
控制單元22持續地監視母線3的電壓(即電網20的電壓)，並且當其檢測到這樣 的下降時，驅動開關11將其閉合。因此電容器組10與整流器5串聯，並且將其能量供應給發電機1的勵磁繞組8。當電網20的電壓(並且因此母線3的電壓)再次上升(通常由於電網的自動保 護裝置而花費非常短的時間)時，控制單元22檢測母線3的增加電壓。當電網20的電壓(並且因此母線3的電壓)超過第二預定電壓值V2時，控制單 元22驅動開關11將其打開。通常開關11的重開如此快，使得電容器組10沒有完全放電，從而使得如果在電網 20上發生進一步的幹擾，電容器組10能夠處理它們。此外，為了防止電容器組10完全放電，當控制單元22檢測到電容器組10的電壓 低於第三預定電壓值V3時，控制單元22打開開關11。事實上，在這種情況下已經克服了操 作的最困難的階段，並且節省了電容器組電荷以用於電網20中的進一步的幹擾。在本發明的不同實施方式中，控制單元22以預定的延遲閉合或打開開關11。事實上，通常當電網20上發生幹擾時，電壓在兩個或多個步驟中下降和上升；例 如圖3顯示了電壓在兩個步驟中下降，並且圖4顯示了電壓又在兩個步驟中上升。延遲時間使得電容器組放電相對於實際需要的電功率得到優化。具體地(圖3)，控制單元10已存儲電壓下降帶序列(Voltage dropband series) (要用於當電網電壓下降時)和用於開關11的、與電壓下降帶序列的每個電壓帶(voltage band)相關聯的預定閉合延遲時間。相應地(圖4)，控制單元10已存儲電壓上升帶序列(要用於當電網電壓上升時) 和用於開關11的、與每個電壓帶相關聯的預定打開延遲時間。圖3顯示了電壓下降帶序列的具有比V1電壓高的電壓的電壓帶A、B，並且每個電 壓帶A、B已與延遲時間TA、Tb相關聯。這些延遲時間隨著電壓減少而逐漸減少；低於V1電 壓的電壓的延遲時間為零。相應地，圖4顯示了電壓上升帶序列的具有比V2電壓低的電壓的電壓帶C、D、E， 並且每個電壓帶C、D、E已與延遲時間Tc、TD、Te相關聯。這些延遲時間隨著電壓增加而逐 漸減少；高於V2電壓的電壓的延遲時間為零。在運行過程中，要傳遞至控制單元22的信息是電網的電壓是否下降或上升(從而 選擇要使用的電壓帶序列)，以及電網的實際電壓或其指示電壓(從而選擇特定的電壓帶 以及因此選擇延遲時間)。在本發明的不同實施方式中，電壓下降帶序列和電壓上升帶序列可以彼此相同或 不同，並且與其相關聯的延遲時間也可以彼此相同或不同。在本發明的該實施方式中，靜態勵磁器的操作與已經參照第一實施方式描述的基 本相同。具體地，參照圖3，當在電網20上發生幹擾時，電網20(以及母線3)上的電壓下降。在這方面，例如電壓在兩個步驟中從電壓30(100% )下降至大於電壓V1的電壓31。控制單元22檢測母線3的電壓(它是電網20的電壓的指示)，並且確定其包含在電壓下降帶A中。由於延遲時間Ta對應於電壓下降帶A，所以控制單元22以延遲時間TA(從電壓進 入電壓下降帶A時起)閉合開關11。如果在閉合開關11之前電壓進一步下降，則控制單元22檢測母線3的電壓(它 是電網20的電壓的指示)，並且確定新的電壓下降帶或者確定其低於電壓V1,因此相應地 閉合開關11。例如，在圖3中，一旦電壓下降到V1電壓以下，控制單元22就閉合開關11(延遲 時間為零)。相應地，母線3的電壓在兩個或多個步驟中上升(由於電網20的自動保護裝置)。因此控制單元22檢測母線3的實際電壓，確定其所屬的電壓上升帶。例如，母線3的電壓上升至對應於D電壓帶的水平。由於延遲時間Td對應於D電壓帶，所以控制單元22在延遲時間Td以後(在電壓 進入電壓上升帶D以後)才打開開關11。然後，如果在開關打開之前電壓進一步上升，則控制單元22檢測新的電壓並且根 據與其相關聯的延遲時間而驅動開關。在圖4中，一旦電壓超過V2電壓，就閉合開關11 (延遲時間為零)。本發明還涉及一種用於操作發電機的勵磁繞組的靜態勵磁器的方法。該方法在於當電網20的電壓以及因此母線3的電壓下降到第一預定電壓值V1以 下時，閉合開關11，將電容器組10與整流器5串聯，以及當電網20的電壓(以及因此母線 3的電壓)超過第二預定電壓值V2時，再次打開開關11，其中第二預定電壓值V2大於或等 於第一預定電壓值V1。此外，當電容器組10的電壓下降到第三預定電壓值V3以下時，也發生開關11的 打開。在該方法的不同實施方式中，以預定的延遲閉合或打開開關11。具體地，控制單元22具有多個電壓下降帶，各與預定的閉合延遲時間相關聯，並 且對於低於V1電壓的電壓，延遲時間為零。相應地，控制單元22具有多個電壓上升帶，各與預定的打開延遲時間相關聯，並 且對於高於V2電壓的電壓，延遲時間為零。當電網電壓(以及因此母線3的電壓)下降時，測量指示實際電網電壓的實際電 壓，以確定電網電壓所屬的電壓下降帶；例如測量電壓互感器7的低壓側上的電壓。然後，在電壓進入特定的電壓下降帶以後，以對應於特定的電壓下降帶的延遲時 間將開關11閉合。如果電壓低於V1，則延遲時間為零。相應地，當電網電壓(以及因此母線3的電壓)上升時，測量指示電網電壓的實際 電壓，以確定電網電壓所屬的電壓上升帶；例如測量電壓互感器7的低壓側上的電壓。然後，在電壓進入特定的電壓上升帶以後，以對應於特定的電壓下降帶的延遲時 間將開關11打開。如果電壓高於V2，則延遲時間為零。當然，所述的特徵也可以相互獨立地提供。以這樣的方式構思的靜態勵磁器和方法容許多種改進和變型，而所有這些都落在 本發明的原理的範圍內；此外，所有的細節可以由技術上的等同元素替換。
實際上，可以根據需要和技術情況而任意選擇使用的材料和尺寸。
參考標號
1靜態勵磁器
2勵磁變壓器
3母線
4發電機
5整流器
6AVR(Automatic Voltage Regulator 自動電壓調節器)
7電壓互感器
8發電機的勵磁繞組
9二極體
10電容器組
11開關
12充電裝置
20電網
21變壓器
22控制單元
30電壓
31電壓
32充電開關
V1第一預定電壓值
V2第二預定電壓值
V3第三預定電壓值
A-E電壓帶
Ta-Te對應於電壓帶A-E的延遲時間
權利要求
一種發電機(1)的勵磁繞組(8)的靜態勵磁器(1)，所述靜態勵磁器(1)包括連接至電網(20)並且連接至所述發電機(1)的所述勵磁繞組(8)的整流器(5)，與所述整流器(5)串聯的單向電子開關(9)，以及電容器組(10)，所述靜態勵磁器(1)還包括所述單向電子開關(9)與所述電容器組(10)之間的開關(11)，所述開關(11)連接至控制單元(22)，當指示所述電網電壓的電壓下降到第一預定電壓值(V1)以下時，所述控制單元(22)將所述開關(11)閉合，從而將所述電容器組(10)連接至所述勵磁繞組(8)，其特徵在於，當指示所述電網電壓的電壓超過第二預定電壓值(V2)時，所述控制單元(22)將所述開關(11)打開，從而將所述電容器組(10)從所述勵磁繞組(8)斷開，使得所述電容器組(10)僅在需要的時間將能量提供至所述勵磁繞組(8)。
2.根據權利要求1所述的靜態勵磁器(1)，其特徵在於，所述單向電子開關(9)是正向 偏置二極體。
3.根據權利要求1所述的靜態勵磁器(1)，其特徵在於，所述第二預定電壓值(V2)大 於或等於所述第一預定電壓值(義)。
4.根據權利要求2所述的靜態勵磁器(1)，其特徵在於，所述二極體(9)與所述電容器 組(10)並聯。
5.根據權利要求1所述的靜態勵磁器(1)，其特徵在於，包括為所述勵磁繞組(8)的自 動電壓調節器(6)供電的電壓互感器(7)，其中在所述電壓互感器(7)的低壓側上測量電網 電壓下降。
6.根據權利要求1所述的靜態勵磁器(1)，其特徵在於，所述整流器(5)是晶閘管橋。
7.根據權利要求1所述的靜態勵磁器(1)，其特徵在於，所述控制單元(22)具有第三 預定電壓值(V3),使得當所述電容器組(10)的電壓下降到所述第三預定電壓值(V3)以下 時，所述控制單元(22)將開關(11)打開。
8.根據權利要求1所述的靜態勵磁器(1)，其特徵在於，所述控制單元(22)以預定的 延遲閉合或打開所述開關(11)。
9.根據權利要求8所述的靜態勵磁器(1)，其特徵在於，所述控制單元(22)具有多個 電壓下降帶(A、B)，各與用於所述開關(11)的預定閉合延遲時間(TA、TB)相關聯，對於低於 第一預定電壓值(V1)的電壓，所述延遲時間為零，所述控制單元(22)還具有多個電壓上升 帶(C、D、E)，各與用於所述開關(11)的預定打開延遲時間(T。、TD、TE)相關聯，並且對於高 於第二預定電壓值(V2)的電壓，延遲時間為零。
10.一種用於操作發電機(4)的勵磁繞組(8)的靜態勵磁器(1)的方法，所述靜態勵 磁器(1)包括連接至電網(20)並且連接至所述發電機(1)的所述勵磁繞組(8)的整流器 (5)，與所述整流器(5)串聯的單向電子開關(9)，以及電容器組(10)，所述靜態勵磁器(10) 還包括所述單向電子開關(9)與所述電容器組(10)之間的開關(11)，所述開關(11)連接 至控制單元(22)，當所述電網(20)的電壓下降到第一預定電壓值(V1)以下時，所述控制單 元(22)將所述開關(11)閉合，從而將所述電容器組(10)連接至所述勵磁繞組(8)，其特 徵在於，當所述電網(20)的電壓超過第二預定電壓值(V2)時，所述控制單元(22)又將所 述開關(11)打開，從而將所述電容器組(10)從所述勵磁繞組(8)斷開，使得所述電容器組 (10)僅在需要的時間將能量提供至所述勵磁繞組(8)。
11.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述單向電子開關(9)是正向偏置二極
12.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，所述第二預定電壓值(V2)大於或等於 所述第一預定電壓值(義)。
13.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，當所述電容器組(10)的電壓下降到第 三預定電壓值(V3)以下時，將所述開關(11)打開。
14.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於，以預定的延遲閉合或打開所述開關 (11)。
15.根據權利要求14所述的方法，其特徵在於，所述控制單元(22)具有多個電壓下降 帶(A、B)，各與用於所述開關(11)的預定閉合延遲時間(TA、TB)相關聯，對於低於所述第一 預定電壓值(V1)的電壓，所述閉合延遲時間為零，所述控制單元(22)還具有多個電壓上升 帶(C、D、E)，各與用於所述開關(11)的預定打開延遲時間(T。、TD、TE)相關聯，並且對於高 於所述第二預定電壓值(V2)的電壓，所述打開延遲時間為零，從而使得當所述電網電壓下 降時，測量指示所述實際電網電壓的實際電壓，以確定所述實際電網電壓所屬的電壓下降 帶；然後，在所述電壓進入特定的電壓下降帶以後，以對應於特定的電壓下降帶的延遲時間 將所述開關(11)閉合，並且如果所述電壓低於所述第一預定電壓值(V1),則所述延遲時間 為零，相應地，當所述電網電壓上升時，測量指示所述電網電壓的實際電壓，以確定所述實 際電網電壓所屬的電壓上升帶；然後，在所述電壓進入特定的電壓上升帶以後，以對應於特 定的電壓下降帶的延遲時間將所述開關(11)打開，並且如果所述電壓高於所述第二預定 電壓值(V2),則所述延遲時間為零。
全文摘要
本發明的名稱為勵磁繞組的靜態勵磁器及其操作方法，涉及一種發電機(1)的勵磁繞組(8)的靜態勵磁器(1)，其包括連接至電網(20)並且連接至發電機(1)的勵磁繞組(8)的整流器(5)，與整流器(5)串聯的二極體(9)，以及電容器組(10)。該靜態勵磁器(1)還包括二極體(9)與電容器組(10)之間的開關(11)，該開關(11)連接至控制單元(22)，當指示電網電壓的電壓下降到第一預定電壓值(V1)以下時，該控制單元(22)將開關(11)閉合，從而將電容器組(10)連接至勵磁繞組(8)。當指示電網電壓的電壓超過第二預定電壓值(V2)時，控制單元(22)將所述開關(11)打開，從而將電容器組(10)從勵磁繞組(8)斷開，使得電容器組(10)僅在需要的時間將能量提供至勵磁繞組(8)。本發明還涉及一種用於操作靜態勵磁器(1)的方法。
文檔編號H02P9/14GK101989830SQ201010504218
公開日2011年3月23日 申請日期2010年7月30日 優先權日2009年7月30日
發明者C·吉內特, L·迭斯-馬羅託 申請人:阿爾斯託姆科技有限公司