CN102804314B - 低频断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种低频断路器，其结构简单且整体为小型结构，在成本方面也有优势。低频断路器(5U、5V、5W)中，将半导体开关(53U、53V、53W)和机械开关(54U、54V、54W)并联连接。半导体开关(53U、53V、53W)是将晶闸管(51U、51V、51W)和晶闸管(52U、52V、52W)相互反并联连接来构成。它们由断路器控制回路(7)进行控制。

Description

低频断路器
技术领域
本发明涉及例如适用于风力发电***、用来断开频率在10～20Hz左右的电流的低频断路器(低频电流断路器)。
背景技术
以往，作为风力发电***的一个示例，有如下的***：即，利用将半导体元件、例如IGBT元件进行桥式连接的转换器将由永磁式风力发电设备来发电的三相交流功率转换成直流功率，且利用将半导体元件、例如IGBT元件进行桥式连接的逆变器将其转换成交流功率，并提供给交流负载。
在这种结构中，虽然考虑了构成转换器的IGBT元件中的一个由于何种原因而发生短路事故的情况，然而一旦IGBT元件发生短路，则有时短路电流经由与IGBT元件反并联连接的二极管而继续流动。
但是，由于目前没有能断开这种短路事故等的故障电流的通用断路器，因此希望开发通用断路器。
永磁式风力发电设备不能控制励磁电流，必须断开在定子之间线路中流动的电流。如果不断开该故障电流，则构成转换器主回路的完好的IGBT等半导体元件会受到破坏。
在用于所述永磁式风力发电设备的同步发电机的情况下，内部阻抗高，因此即使在IGBT元件短路发生的情况下，流动的短路电流最大仅为正常电流的2倍左右，目前也有的可不使用熔断器等限流单元。
以往，用风力发电设备来发电，在交流电路中流动的交流电流是例如为10～20Hz左右的低频电流，希望开发如下的断路器：即，该断路器能以简单结构来断开该低频电流，成本方面也有优势。
目前，在风力发电***中，使用直流断路器。作为该直流断路器的一个示例，有如专利文献1所示的断路器，其与旁路开关例如气体断路器并联连接晶闸管阀。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开平7-105789
发明内容
本发明要解决的问题
然而在专利文献1的直流断路器的情况下，构成该直流断路器的晶闸管阀、气体断路器都是大型装置，在成本方面也不利。
此外，仅由晶闸管开关来构成的断路器中，当然会因通电而发生通电损耗。
因此本发明的目的在于提供如下的低频断路器：即，结构简单，整体上是小型结构，在成本方面也有优势，且损耗低。
用于解决问题的方法
为了实现上述目的，对应于权利要求1的发明是一种低频断路器，所述低频断路器的特征在于，包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述半导体开关和所述机械开关并联连接，将其和构成交流回路的交流电路串联连接，平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号使它们处于可导通状态，且使所述机械开关断开，从而使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，通过在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而断开所述交流电路的通电电流。
为了实现上述目的，对应于权利要求4的发明是一种低频断路器，所述低频断路器的特征在于，包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述半导体开关和所述机械开关并联连接，将其和构成交流回路的交流电路串联连接，
设置异常检测器，该异常检测器检测出所述交流电路中流动的电流的异常，
设置断路器控制回路，该断路器控制回路平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号使它们处于可导通状态，且利用所述异常检测器检测出电流异常时，对所述机械开关提供断开指令，使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而断开在所述交流电路中流动的异常电流。
为了实现上述目的，对应于权利要求7的发明是一种低频断路器，其特征在于，在经由构成交流回路的交流电路利用功率转换器将交流功率进行功率转换、并将该经转换的功率提供给负载的***中，
设置异常检测器，该异常检测器检测出构成所述功率转换器的半导体元件的短路，
包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述半导体开关和所述机械开关并联连接，将其和所述交流电路串联连接，
设置断路器控制回路，该断路器控制回路平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号使它们处于可导通状态，且利用所述异常检测器检测出构成所述功率转换器的半导体元件的短路时，对所述机械开关提供断开指令，使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而断开在所述交流电路中流动的异常电流。
为了实现上述目的，对应于权利要求10的发明是一种低频断路器，其特征在于，在经由构成交流回路的交流电路利用由IGBT元件构成的功率转换器将由永磁式风力发电设备发电的交流功率进行功率转换、并将该转换后的功率提供给负载的风力发电***中，
设置异常检测器，该异常检测器检测出在所述交流电路中流动的电流的异常或检测出所述IGBT元件的短路，
包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关
将所述半导体开关和所述机械开关并联连接，将其和所述交流电路串联连接，
设置断路器控制回路，该断路器控制回路平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号使它们处于可导通状态，且利用所述异常检测器检测出电流异常或检测出所述IGBT元件的短路时，对所述机械开关提供断开指令，使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而断开在所述交流电路中流动的异常电流。
对应于权利要求2、权利要求5、权利要求8、权利要求11的任一项的发明是将权利要求1、权利要求4、权利要求7、权利要求10的半导体开关和机械开关简要构成如下。即，低频断路器包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述机械开关和构成交流回路的交流电路串联连接，
在所述交流电路中的不同交流电路之间连接所述半导体开关，
平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号使它们处于可导通状态，且使所述机械开关断开，从而使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，通过在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而断开所述交流电路的通电电流。
此外，对应于权利要求3、权利要求6、权利要求9、权利要求12的任一项的发明是将权利要求1、权利要求4、权利要求7、权利要求10的半导体开关和机械开关简要构成如下。即，低频断路器包括半导体开关和机械开关，其中半导体开关包括第一和第二晶闸管和由半导体元件构成的第一和第二全波整流器，
将所述半导体开关和所述机械开关并联连接，将其和构成交流回路的交流电路串联连接，
所述半导体开关将所述第一整流器的负极与所述第一晶闸管的阳极相连接，将所述第一晶闸管的阴极与所述第二整流器的正极相连接，将所述第一整流器的正极与所述第二晶闸管的阴极相连接，将所述第二晶闸管的阳极与所述第二整流器的负极相连接，
平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号使它们处于可导通状态，且使所述机械开关断开，从而使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，通过在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而断开电流。
发明的效果
根据本发明，能提供如下的低频断路器：即，结构简单且整体为小型结构，在成本方面也具有优势，且由于平时电流在机械开关中流动，因此能降低损耗。
附图说明
图1是表示本发明的低频断路器所涉及的第一实施方式的简要结构图。
图2是用于说明图1的动作的时序图。
图3是表示本发明的低频断路器所涉及的第二实施方式的简要结构图。
图4是表示本发明的低频断路器所涉及的第三实施方式的简要结构图。
具体实施方式
下面，参照附图，说明本发明的实施方式。首先，参照图1的简要结构图和图2的时序图对第一实施方式进行说明。
图1表示风力发电***，该风力发电***中，经由构成三相交流回路的三相交流电路2U、2V、2W(统称为2)，利用功率转换器例如转换器3将由风力发电设备1发电的交流功率转换成直流功率，利用逆变器7将该转换后的直流功率转换成交流功率，并将该交流功率提供给交流负载8。另外，图中4是滤波电容器。
将本发明的低频断路器5U、5V、5W(统称为5)分别与各相交流电路2串联连接，还对各相交流电路2分别串联设置异常检测器6U、6V、6W(统称为6)，利用各异常检测器6分别检测出在各相交流电路2中流动的电流的异常，如图2(a)所示，异常检测信号输入到断路器控制回路10，如果向断路器控制回路10输入异常检测信号，则低频断路器5如下所述那样进行断开动作。
低频断路器5U构成为将半导体开关53U和机械开关54U并联连接，其中半导体开关53U通过将第一晶闸管51U和第二晶闸管52U相互反并联连接来构成，它们由下述断路器控制回路10所控制。低频断路器5V、5W的构成与低频断路器5U的相同，将半导体开关53V-机械开关54V、半导体开关53W-机械开关54W并联连接，半导体开关53V、53W通过将第一晶闸管51V-和第二晶闸管52V相互反并联连接、以及将第一晶闸管51W-和第二晶闸管52W相互反并联连接来构成，它们由下述断路器控制回路10所控制。
来自异常检测器6U、6V、6W的异常检测信号中至少一个输入到断路器控制回路10，如果输入该异常检测信号，则如图2(d)、(e)所示，从断路器控制回路10提供晶闸管51、52的栅极信号，如图2(f)所示，晶闸管51、52成为可导通(开通)状态。一旦晶闸管51、52成为导通状态，则从断路器控制回路10对机械开关54提供打开指令。
另外，风力发电设备1包括由与风车12直接连接的永磁体转子、以及定子线圈构成的永磁式同步发电机11。转换器3将功率转换元件3U、3V、3W、3X、3Y、3Z进行桥式连接，各功率转换元件都是将例如IGBT等自消弧型元件和二极管反并联连接来构成，各功率转换元件可利用转换器控制回路9来控制导通和截止。
参照图2，对这种结构的低频断路器5的动作进行说明。图2(a)是交流电路2的仅一相2U的电流波形，且表示转换器3的例如一个功率转换元件3U发生短路时、在交流电路2U中流动的电流波形。如图2(a)所示，若电流波形变得比基准值要大，则异常检测器6U进行异常检测，将该异常检测结果输入到断路器控制回路10。于是，断路器控制回路10如图2(d)、(e)所示那样，从断路器控制回路10提供晶闸管51、52的栅极信号，如图2(f)所示，晶闸管51、52成为可导通(开通)状态。一旦晶闸管51、52成为导通状态，则从断路器控制回路10对机械开关54提供打开指令，由此机械开关54在图2(c)所示的时刻，成为断开状态。
一旦机械开关54成为断开状态，则使到当前为止在机械开关54一侧中流动的通电电流换流至晶闸管51、52一侧，由于在该换流后，使得从断路器控制回路10提供的晶闸管51、52的栅极信号成为截止，图2(a)的交流电流在到过零点为止有电流流动，晶闸管51、52同时成为截止。其结果是，在交流电路中流动的例如频率为10～20Hz的异常电流被断开。
根据上述本发明的第一实施方式，由于将半导体开关53和简单结构的机械开关54并联连接的交流断路器和交流电路2串联连接，其中半导体开关53是将第一和第二晶闸管反并联连接而构成，设置用来检测在交流电路中流动的电流的异常的异常检测器，当异常检测器检测出异常时，利用组合有使交流断路器断开的断路控制回路的简单结构，能断开低频异常电流，因而在节省成本方面也有优势。此外，根据本发明的实施方式，平时电流在机械开关中流动，几乎不发生损耗。与此不同的是，在仅由晶闸管开关构成的结构中，当然会因通电而发生损耗。
另外，在图1和图2中，由于晶闸管51、52在通电电流未被断开的正常状态下，不会始终为导通状态，至少仅在即将断开电流之前，使晶闸管51、52成为可导通状态就可以，因此优选满足以上要求的结构。
尽管在上述第一实施方式中，对交流电路构成三相交流回路的情况进行了说明，但不限于三相交流回路，也可以是其它的交流回路。
此外，尽管在上述第一实施方式中，对适用于风力发电***的示例进行了说明，但不限于此，毋庸置疑还可适用于其它***中的有低频电流流动的交流电路。
图3是表示本发明的第二实施方式的简要结构图，参照该图进行说明。图3的实施方式是仅将上述第一实施方式的低频断路器5U、5V、5W构成为如下的结构。各低频断路器5都是相同结构，低频断路器5包括半导体开关53和机械开关54，其中半导体开关53是将第一和第二晶闸管相互反并联连接而构成，将机械开关54和构成交流回路的交流电路2串联连接，在交流电路2中的不同交流电路之间连接半导体开关53，平时使机械开关54处于导通状态以使通电电流在交流电路2中流动，至少在即将断开电流之前，向第一和第二晶闸管51、52提供栅极信号使它们处于可导通状态，且使机械开关54断开，从而使交流电路2的通电电流换流至晶闸管51、52，通过在该换流后使晶闸管51、52的栅极信号截止，来断开交流电路2的通电电流。其它的结构与图1的实施方式相同。
图4是表示本发明的第三实施方式的简要结构图，参照该图进行说明。图4的实施方式是仅将上述第一实施方式的低频断路器5U、5V、5W构成为如下的结构。各低频断路器5都是相同结构，低频断路器5包括半导体开关53和机械开关54，其中半导体开关53由第一和第二晶闸管51、52以及半导体元件构成的第一和第二全波整流器55、56构成，将半导体开关53和机械开关54并联连接，将其和构成交流回路的交流电路2串联连接，其中半导体开关53中，将第一整流器55的负极和第一晶闸管51的阳极相连接，将第一晶闸管51的阴极和第二整流器56的正极相连接，将第一整流器55的正极和第二晶闸管52的阴极相连接，将第二晶闸管52的阳极和第二整流器56的负极相连接。
在这种结构中，平时使机械开关54处于导通状态以使通电电流在交流电路2中流动，至少在即将断开电流之前，向第一和第二晶闸管51、52提供栅极信号使它们处于可导通状态，且使机械开关54断开，从而使交流电路2的通电电流换流至晶闸管51、52，通过该换流后使晶闸管51、52的栅极信号截止，来断开电流。
尽管在上述实施方式中，对交流电路2U、2V、2W分别设置异常检测
器6U、6V、6W的示例进行了说明，然而不限于此，也可以至少检测回路的短路状态并生成异常信号。例如，也可以是直接检测元件短路状态的方法。在该情况下，也可用检测出元件短路状态的信号，来开始打开机械开关54以及接通晶闸管51、52。
尽管在上述实施方式中，利用转换器3将交流功率转换成直流，用逆变器7将直流功率进一步转换成交流功率后提供给交流负载8，然而还可在没有逆变器7的情况下，将作为转换器3的输出的直流功率提供给未图示的直流负载。
标号说明
1…风力发电设备；2U、2V、2W…三相交流电路；2…三相交流电路；3…转换器；3U、3V、3W…功率转换元件；4…滤波电容器；5U、5V、5W…低频断路器；5…低频断路器；6U、6V、6W…异常检测器；6…异常检测器；7…逆变器；8…交流负载；9…转换器控制回路；10…断路器控制回路；11…永磁式同步发电机；12…风车；51U、51V、51W…第一晶闸管；52U、52V、52W…第二晶闸管；52…第二晶闸管；53U、53V、53W…半导体开关；53…半导体开关；54U、54V、54W…机械开关；54…机械开关；55…第一全波整流器；56…第二全波整流器。

Claims (8)

1.一种用于风力发电***的低频断路器，其特征在于，该低频断路器包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述半导体开关和所述机械开关并联连接，将其和构成交流回路的交流电路串联连接，平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号以使它们处于可导通状态，若所述第一和第二晶闸管成为导通状态，则使所述机械开关断开，从而使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，通过在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，在所述交流电路的通电电流过零点之后断开所述交流电路的通电电流。
2.一种用于风力发电***的低频断路器，其特征在于，该低频断路器包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述机械开关和构成交流回路的交流电路串联连接，
在所述交流电路中的不同交流电路之间连接所述半导体开关，
平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号以使它们处于可导通状态，若所述第一和第二晶闸管成为导通状态，则使所述机械开关断开，从而使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，通过在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，在所述交流电路的通电电流过零点之后断开所述交流电路的通电电流。
3.一种用于风力发电***的低频断路器，其特征在于，该低频断路器包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述半导体开关和所述机械开关并联连接，将其和构成交流回路的交流电路串联连接，
设置异常检测器，该异常检测器检测出所述交流电路中流动的电流的异常，
设置断路器控制回路，该断路器控制回路平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号以使它们处于可导通状态，若所述第一和第二晶闸管成为导通状态，则利用所述异常检测器检测出电流异常时，对所述机械开关提供断开指令，使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而在所述交流电路的通电电流过零点之后断开在所述交流电路中流动的异常电流。
4.一种用于风力发电***的低频断路器，其特征在于，该低频断路器包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述机械开关和构成交流回路的交流电路串联连接，
在所述交流电路中的不同交流电路之间连接所述半导体开关，
设置异常检测器，该异常检测器检测出所述交流电路中流动的电流的异常，
设置断路器控制回路，该断路器控制回路平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号以使它们处于可导通状态，若所述第一和第二晶闸管成为导通状态，则利用所述异常检测器检测出电流异常时，对所述机械开关提供断开指令，使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而在所述交流电路的通电电流过零点之后断开在所述交流电路中流动的异常通电电流。
5.一种低频断路器，其特征在于，在经由构成交流回路的交流电路利用功率转换器将通过风力发电进行发电的交流功率进行功率转换、并将该经转换的功率提供给负载的风力发电***中，
设置异常检测器，该异常检测器检测出构成所述功率转换器的半导体元件的短路，
该低频断路器包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述半导体开关和所述机械开关并联连接，将其和所述交流电路串联连接，
设置断路器控制回路，该断路器控制回路平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号以使它们处于可导通状态，若所述第一和第二晶闸管成为导通状态，则利用所述异常检测器检测出构成所述功率转换器的半导体元件的短路时，对所述机械开关提供断开指令，使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而在所述交流电路的通电电流过零点之后断开在所述交流电路中流动的异常电流。
6.一种低频断路器，其特征在于，在经由构成交流回路的交流电路利用功率转换器将通过风力发电进行发电的交流功率进行功率转换、并将该经转换的功率提供给负载的风力发电***中，
设置异常检测器，该异常检测器检测出构成所述功率转换器的半导体元件的短路，
该低频断路器包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述机械开关和所述交流电路串联连接，
在所述交流电路中的不同交流电路之间连接所述半导体开关，
设置断路器控制回路，该断路器控制回路平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号以使它们处于可导通状态，若所述第一和第二晶闸管成为导通状态，则利用所述异常检测器检测出构成功率转换器的半导体元件的短路时，对所述机械开关提供断开指令，使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而在所述交流电路的通电电流过零点之后断开在所述交流电路中流动的异常通电电流。
7.一种低频断路器，其特征在于，在经由构成交流回路的交流电路利用由IGBT元件构成的功率转换器将永磁式风力发电设备发电的交流功率进行功率转换、并将该经转换的功率提供给负载的风力发电***中，
设置异常检测器，该异常检测器检测出在所述交流电路中流动的电流的异常或检测出所述IGBT元件的短路，
该低频断路器包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述半导体开关和所述机械开关并联连接，将其和所述交流电路串联连接，
设置断路器控制回路，该断路器控制回路平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号以使它们处于可导通状态，若所述第一和第二晶闸管成为导通状态，则利用所述异常检测器检测出电流异常或检测出所述IGBT元件的短路时，对所述机械开关提供断开指令，使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而在所述交流电路的通电电流过零点之后断开在所述交流电路中流动的异常电流。
8.一种低频断路器，其特征在于，在经由构成交流回路的交流电路利用由IGBT元件构成的功率转换器将永磁式风力发电设备发电的交流功率进行功率转换、并将该经转换的功率提供给负载的风力发电***中，
设置异常检测器，该异常检测器检测出在所述交流电路中流动的电流的异常或检测出所述IGBT元件的短路，
该低频断路器包括将第一和第二晶闸管相互反并联连接的半导体开关以及机械开关，
将所述机械开关和所述交流电路串联连接，
在所述交流电路中的不同交流电路之间连接所述半导体开关，
设置断路器控制回路，该断路器控制回路平时使所述机械开关处于导通状态以使通电电流在所述交流电路中流动，至少在即将断开电流之前，向所述第一和第二晶闸管提供栅极信号以使它们处于可导通状态，若所述第一和第二晶闸管成为导通状态，则利用所述异常检测器检测出电流异常或检测出所述IGBT元件的短路时，对所述机械开关提供断开指令，使所述交流电路的通电电流换流至所述晶闸管，在该换流后使所述晶闸管的栅极信号截止，从而在所述交流电路的通电电流过零点之后断开在所述交流电路中流动的异常通电电流。
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