专利名称：用于检测发电机绕组故障的系统的制作方法
技术领域：
本文公开的主旨涉及用于检测发电机绕组故障的系统。
背景技术：
某些风力涡轮机包括将风能转换成电能的双馈感应发电机(DFIG)。当风力涡轮 机的叶片旋转时，叶片驱动转子关于定子旋转，由此产生电能。DFIG—般电耦合于转换 器，其调整DFIG和电网之间的电力流。具体地，不论风力涡轮机叶片的旋转速度如何， 转换器使风力涡轮机能够以电网频率输出电力。一般而言，感应发电机并且特别是DFIG，包括转子和定子内的导线绕组。在运 转中，在这些绕组之间建立旋转磁场，由此感生输出电流。遗憾地，转子和/或定子的 绕组可在运转期间承受高电流负载(即大于设计负载)。这样的高电流可降低绕组之间的 绝缘，由此形成匝故障(turn fault)(即绕组之间短路)或接地故障(即一个或多个绕组和 电接地之间的短路)。这样的绕组故障可降低DFIG的效率。因此，DFIG的检查和维 护可每隔一定间隔进行以减轻这个效率上的损失。典型的检查技术牵涉使用微欧表人工 测量转子和定子内的每个绕组的电阻。这样的操作一般要求操作者攀登风力涡轮机塔， 进入机舱并且连接微欧表到DFIG。由于该过程高价并且耗时，一般每隔比期望的时间间 隔更长的间隔进行。因此，风力涡轮机可能在大量时段中采用低效方式运转。另外，在 某些情况下微欧表可能未能识别绕组故障。

发明内容
与最初要求权利的发明在范围上相当的某些实施例在下文概括。这些实施例不 是要限制要求权利的发明的范围，而相反这些实施例仅意在提供本发明的可能形式的简 要概括。实际上，本发明可包含与下文阐述的实施例相似或不同的多种形式。在第一实施例中，系统包括感应发电机，其包括转子和定子。系统还包括电耦 合于感应发电机并且配置成调整感应发电机和电网之间的电力流的转换器。系统进一步 包括电耦合于感应发电机和转换器的控制器。该控制器配置成采用发电模式和诊断模式 选择性地操作转换器。控制器的诊断模式配置成命令转换器发送输入信号到转子、从转 子和定子接收输出信号并且基于该输出信号识别转子和/或定子内的绕组故障。在第二实施例中，系统包括配置成通过转换器操作感应发电机的感应发电机控 制器。该感应发电机控制器包括诊断模式，其配置成命令转换器发送输入信号到感应发 电机的转子、从感应发电机的转子和定子接收输出信号并且基于该输出信号识别转子和/ 定子内的绕组故障。在第三实施例中，系统包括机器可读介质和设置在机器可读介质上的发电指 令。该发电指令配置成操作感应发电机。该系统还包括设置在机器可读介质上的诊断指 令。该诊断指令包括从电网断开感应发电机的指令、发送平衡交流(AC)电压到感应发 电机的转子的指令、从转子接收电流的指令、从感应发电机的定子接收电压的指令、基于接收的电流检测转子内的绕组故障的指令和基于接收的电压检测定子内的绕组故障的 指令。


当下列详细说明参照附图(其中相似的符号在整个附图中代表相似的部件)阅读 时，本发明的这些和其他的特征、方面和优势将变得更好理解，其中图1是根据本技术的某些实施例的风力涡轮机系统的正视图，其可采用配置成 检测感应发电机内的绕组故障的感应发电机控制器；图2是根据本技术的某些实施例的如在图1中示出的风力涡轮机系统的示意 图；图3是根据本技术的某些实施例的用于检测感应发电机内的绕组故障的方法的 流程图；图4是根据本技术的某些实施例的由感应发电机控制器提供给感应发电机的示 范性输入信号的图；图5是根据本技术的某些实施例的来自感应发电机内的定子的指示定子绕组故 障的示范性输出信号的图。
具体实施例方式本发明的一个或多个特定实施例将在下文描述。为了完成提供这些实施例的简 明说明，实际实现的所有特征可不在说明书中描述。应该认识到在任何这样的实际实现 的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定实现的决定以实现开发者的 特定目标，例如遵从系统相关和业务相关的约束，其可在实现之间变化。此外，应该认 识到这样的开发工作可是复杂和耗时的，但是对于受到本公开的益处的普通技术人员将 仍是设计、制作和制造的常规事业。当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所 述”意在表示有元件中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”意为包括 的并且表示除了列出的元件可有另外的元件。本公开的实施例可便于在风力涡轮机的机舱内的双馈感应发电机(DFIG)的远程 测试和诊断。具体地，在发电模式期间调整DFIG和电网之间的电力流的控制器在诊断模 式期间可起检测DFIG内的绕组故障的作用。在某些实施例中，该控制器电耦合于DFIG 和转换器。该控制器配置成在发电模式期间操作转换器使得DFIG不管风力涡轮机叶片 的转速如何都以电网频率输出电力。另外，该控制器配置成命令转换器发送输入信号到 DFIG的转子、从DFIG的转子和定子接收输出信号并且在诊断模式期间基于该输出信号 识别转子和/定子内的绕组故障。在某些实施例中，输入信号是平衡(交流)AC电压， 来自转子的输出信号是AC电流，并且来自定子的输出信号是AC电压。该控制器可配置 成基于输出信号内的不平衡的检测识别转子和/或定子内的绕组故障。因为某些DFIG控制器配置成命令转换器输出信号到DFIG并且测量DFIG内的 电流和电压，除控制器以外没有另外的硬件可提供以检测绕组故障。也就是说，本实施 例可通过重新配置或改型控制器而被采用以执行期望的诊断步骤。例如，在某些配置中，程序化以采用发电模式操作DFIG的控制器可重编程序以采用发电模式和诊断模式两 者操作DFIG。如将认识到的，重编程序可牵涉向控制器提供包括用于采用诊断模式操 作DFIG的指令的新的计算机可读介质(例如，可抽取的磁或光盘、存储器芯片等)。备 选地，设置在控制器内的计算机可读介质(例如磁或固态硬盘驱动器)上的指令可更新以 包括用于采用诊断模式操作DFIG的指令。在备选实施例中，配置成仅采用发电模式操 作DFIG模式的控制器可用配置成采用发电模式和诊断模式两者操作DFIG的控制器取代 (例如，用改型套件)。在另外的实施例中，风力涡轮机系统可最初包括配置成采用发电 模式和诊断模式两者操作DFIG的控制器。在上述的配置中，与牵涉专用诊断设备的安 装的系统相比，实现成本可显著降低。此外，因为DFIG的测试和诊断可远程执行(通 过与控制器的接口)，与使用微欧表人工测量转子和定子内的每个绕组的电阻相比，诊断 成本可降低。成本降低可便于增加的诊断频率，由此更早识别低效的风力涡轮机运转。图1是配置成将风能转换成电能的风力涡轮机系统10的正视图。该风力涡轮机 系统10包括塔12、机舱14和叶片16。叶片16通过与叶片16 —起旋转的轮毂20耦合于 机舱14内的发电机18。叶片16特别配置成将来自风的线性空气流动转换成旋转运动。 当叶片16旋转时，轮毂20和机舱14内的发电机18之间的耦合驱动发电机18旋转，由 此产生电能。尽管本实施例的风力涡轮机系统10中包括三个叶片16，但是备选实施例可 包括更多或更少的叶片16。例如，某些实施例可包括2、3、4、5、6、7、8或更多的叶 片16。每个叶片16包括前缘22和后缘24。空气流卷入前缘22并且向后缘24流动。 由于叶片16的形状，由流动引起的空气动力导致叶片16旋转，由此驱动发电机18产生 电力。风力涡轮机系统10的效能至少部分取决于将线性空气流转换成转动能。因此，叶 片16特别配置成高效地将风能转变成旋转运动。例如，叶片形状可选择成增强在叶片16 上的气流使得空气动力导致叶片16旋转。另外，叶片16典型地制造成大致上光滑的， 使得空气在叶片16上流动而不受干扰。在本实施例中，发电机18是双馈感应发电机(DFIG)。如将认识到的，例如单馈 感应发电机等其他的感应发电机配置可在备选实施例中采用。如下文详细论述的，DFIG 包括转子和定子。转子通过轮毂20耦合于叶片16，并且当叶片16由风驱动时旋转。转 子和定子都包括一系列配置成建立旋转电磁场的导线绕组。当转子由叶片16驱动旋转 时，转子的磁场和定子的磁场之间的相互作用感生电流从定子和/或转子流到电网，由 此产生电能。在风力涡轮机系统10的运转期间，转子旋转的速度可基于风速变化。因此， DFIG耦合于配置成调整发电机和电网之间的电能的流动的转换器。如下文详细论述的， 该转换器配置成提供大致上对应于电网频率(例如，50Hz、60Hz等)而不管转子的旋转 速度的来自DFIG的输出频率。具体地，该转换器电耦合于控制器，其命令该转换器基 于转子旋转速度改变转子内的电压频率。在本实施例中，控制器还包括用于采用配置成检测转子和/或定子内的绕组故 障的诊断模式操作DFIG的指令。控制器首先将DFIG从电网断开并且命令转换器发送输 入信号到DFIG。控制器然后从转子和/或定子接收输出，并且分析该信号以确定绕组故 障是否存在。因为控制器已经配置成命令转换器发送信号到发电机并且从发电机接收信号，对于控制器没有另外的硬件或连接可采用来检测绕组故障。因此，配置控制器检测 绕组故障可比发电机检查的备选方法明显便宜。例如，一个检查方法牵涉操作者攀登风 力涡轮机塔12，进入机舱14并且连接微欧表到DFIG。由于该过程高价并且耗时，一般 每隔比期望的时间间隔更长的间隔进行。相反，采用控制器检查DFIG内的绕组的方法 可远程并且更频繁地执行，由此提供低效的风力涡轮机系统运转的更早指示。如将认识 到的，风力涡轮机系统10仅表示现在描述的DFIG和控制器的示范性应用。因此，另外 的实施例可在备选发电系统中采用DFIG和控制器。图2是包括DFIG 18的风力涡轮机系统10的示意图。如图示的，风力涡轮机轮 毂20耦合于变速箱26。该变速箱26配置成将叶片16的较低旋转速度转换为DFIG 18的 较快旋转速度。例如，取决于叶片配置和风速，轮毂20可以大约10至50、20至40、25 至35或大约30RPM旋转。相反，DFIG 18可配置成在大约500至4000、1000至3500、 1000至3000、1000至2500或大约1000至2000RPM之间的运转范围内产生电力。因 此，变速箱 26 可提供大约 10 1、20 1、30 1、40 1、50 1、60 1、70 1 或更大的传动比(gearratio)。变速箱26进而耦合于DFIG 18的转子28。如之前论述的，转子28配置成在定 子30内旋转以产生电力。具体地，转子28和定子30两者都包括电绕组。如将认识到 的，流过转子28和定子30的电绕组的电流产生对应的磁场。当转子28由变速箱26驱 动旋转时转子28和定子30的磁场之间的相互作用在转子28和/或定子30内感生电流。 如下文详细论述的，这些电流提供给电网32，由此产生电能。如图示的，定子30直接耦合于电网32 (通过开关46)。因此，定子磁场以对应 于电网频率的速度旋转。例如，在某些实施例中，电网频率可是大约50Hz、60Hz或任何 其他期望的工作频率。此外，转子28通过滤波器34和转换器36电耦合于电网32。该 转换器36配置成改变供应给转子28的频率使得所得的定子磁场以对应于电网频率的速度 旋转。具体地，DFIG 18可采用三个模式，次同步、同步和超同步中的一个运转。如将 认识到的，DFIG 18的同步速度可通过在转子28和定子30内的极点的数量和DFIG 18输 出电力的频率确定。具体地，同步速度N可根据下列公式确定
权利要求
1.一种系统(10)，其包括包括转子(28)和定子(30)的感应发电机(18)；电耦合于所述感应发电机(18)并且配置成调整所述感应发电机(18)和电网(32)之 间的电力流的转换器(36)；以及电耦合于所述感应发电机(18)和所述转换器(36)的控制器(44)，其中所述控制器 (44)配置成采用发电模式和诊断模式选择性地操作所述转换器(36)，并且其中所述控制 器(44)的诊断模式配置成命令所述转换器(36)发送输入信号到所述转子(28)、从所述转 子(28)和所述定子(30)接收输出信号并且基于所述输出信号识别在所述转子(28)、所述 定子(30)或其组合内的绕组故障。
2.如权利要求1所述的系统(10)，其中所述感应发电机(18)包括双馈感应发电机。
3.如权利要求1所述的系统(10)，其中所述控制器(44)包括配置成使所述控制器 (44)能够采用所述诊断模式操作所述转换器(36)的改型套件。
4.如权利要求1所述的系统(10)，包括风力涡轮机，其包括所述感应发电机(18)。
5.如权利要求1所述的系统(10)，其中所述输入信号包括平衡交流(AC)电压，并且 其中所述转子输出信号包括AC电流。
6.如权利要求5所述的系统(10)，其中所述控制器(44)的所述诊断模式配置成基于 在所述转子(28)的输出信号内的电流不平衡的检测而识别在所述转子(28)内的绕组故 障。
7.如权利要求1所述的系统(10)，其中所述输入信号包括平衡AC电压，并且其中所 述定子输出信号包括AC电压。
8.如权利要求7所述的系统(10)，其中所述控制器(44)的所述诊断模式配置成基于 在所述定子(30)的输出信号内的电压不平衡的检测而识别在所述定子(30)内的绕组故障。
9.如权利要求1所述的系统(10)，其中所述控制器(44)的诊断模式配置成在命令所 述转换器(36)发送所述输入信号之前将所述感应发电机(18)从所述电网(32)断开。
10.一种系统(10)，其包括配置成通过转换器(36)操作感应发电机(18)的感应发电机控制器(44)，其中所述感应发电机控制器(44)包括诊断模式，其配置成命令所述转换器(36)发送 输入信号到所述感应发电机(18)的转子(28)、从所述感应发电机(18)的所述转子(28) 和定子(30)接收输出信号，以及基于所述输出信号识别在所述转子(28)、所述定子(30) 或其组合内的绕组故障。
全文摘要
系统(10)包括配置成通过转换器(36)操作感应发电机(18)的感应发电机控制器(44)。该感应发电机控制器(44)包括诊断模式，其配置成命令转换器(36)发送输入信号到感应发电机(18)的转子(28)、从感应发电机(18)的转子(28)和定子(30)接收输出信号并且基于该输出信号识别在转子(28)和/或定子(30)内的绕组故障。
文档编号G01R31/34GK102023276SQ20101028901
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月10日 优先权日2009年9月11日
发明者熊启谋, 赵海琦, 黎燕航 申请人:通用电气公司