用于确定发电机布置中的短路故障的位置的方法、发电机布置、风力涡轮机、计算机程序和电可读介质

本发明涉及一种用于确定发电机布置（generator arrangement）中的短路故障的位置的方法，其中，发电机布置包括电机器（electrical machine）和至少一个通道（channel），其中，所述通道或每个通道包括断路器（breaker）、转换器单元和经由断路器连接到转换器单元的电机器的定子绕组的集合，其中，在通道中发生短路时，通过断开（open）断路器来中断定子绕组的集合与转换器单元之间的连接。此外，本发明涉及发电机布置、风力涡轮机、计算机程序和电可读介质。

在这种发电机布置中，短路故障可以发生在布置的不同部件中。通常，短路故障引起超过发电机布置的正常操作期间的电流的大电流。已知的是，使用保险丝或电路断路器来检测和停止电路中的这种短路电流。然而，大电流独立于发电机布置的电路中的短路故障的位置出现。因此，在发电机布置的通道中发生短路故障时，仅仅可以标识有故障的通道。

因此，可期望的是，在电路中发生短路故障时，可以获得关于短路故障的详细信息。

因此，本发明的目的是提供一种用于确定短路故障的位置的方法，其给出关于短路故障的位置的更精确的信息。

根据本发明，该问题通过初始描述的方法来解决，其中，依据被测对象（measurand）的至少一个测量的信号，其中，测量的信号是由电机器的至少一个传感器测量的并且其中被测对象描述了电机器的转矩波动（torque ripple），确定电机器或通道的转换器单元为短路故障的位置。

在电机器的通道中发生短路故障时，不但可以通过断开的断路器检测到有故障的通道，而且短路故障发生在通道的转换器单元中还是发生在电机器中的确定通过分别地评估被测对象或被测对象的至少一个测量的信号成为可能。因此，短路故障的不同源可以通过被测对象的评估来区分。

这具有如下优势：在发生短路故障之后，可标识有故障的部件，通过提供必须修理或替换的有故障的部件的位置来促进修理。

在本发明的优选实施例中，电机器包括两个或更多通道，其中，在通道中发生短路故障之后，停止通道的转换器单元并且断开通道的至少一个断路器，或者停止所有通道的转换器单元并且断开所有通道的断路器。断开断路器停止了通道中的大的短路电流。特别可能的是，断路器包括通道的每个相（phase）一个断路器，或者使用多相断路器，例如用于三相通道的三相断路器，使得定子绕组的集合中的每个定子绕组都与转换器单元分离。

在仅其中发生短路故障的有故障的通道的转换器单元被停止并且有故障的通道的断路器断开的情况下，电机器的剩余通道可以分别用于停止电机器或其转子的旋转。也有可能断开电机器的所有通道中的所有断路器并且停止所有转换器单元。在该情况下，例如使用机械制动器（brake）或诸如此类，电机器的转子的旋转的停止可以发生。

优选地，电机器包括两个或更多通道，其中，在通道的有故障的通道中发生短路故障之后，如果转换器单元被确定为位置，则利用除了有故障的通道之外的一个或多个通道继续或重启发电机布置的操作，其中，如果电机器被确定为位置，则停止操作。在通道的一个转换器单元中发生短路故障的情况下，电机器的操作的继续或者发电机布置的操作的重启使能在时间段中的发电机布置的使用，直到有故障的转换器单元可以被修理或者替换。在电机器中发生短路故障的情况下，发电机布置的操作的继续太危险，因为当操作继续时，电机器中的短路可能对电机器或对发电机布置引起严重的损坏，使得在该情况下，停止操作并且可以防止发电机布置的操作的重启。

在具有包括多于一个通道的电机器的发电机布置中，如果引起的有故障的通道的转换器单元已经被确定为短路故障的位置，则仅有故障的通道可能保持断开连接。包括仍然正常工作的转换器单元的电机器的其他通道可以用于继续发电机布置的操作。在该情况下，继续发电机布置的操作并且防止整个发电机布置的关闭是可能的。

然而，在短路故障发生在发电机布置的电机器中的情况下，整个发电机布置的进一步操作不应当发生，因为电机器中的短路故障可能分别引起对电机器或对发电机布置的其他部件的损坏。因此，如果电机器被确定为短路故障的位置，则可以防止发电机布置的进一步操作。

具有继续包括不止一个通道的发电机布置的操作的能力对于作为比如风力涡轮机或诸如此类的生成电能的设施一部分的发电机布置是特别有利的。在该情况下，一个通道的转换器单元中的短路故障不引起整个设施的停止直到有故障的部件被修理。

电机器尤其可以是具有多相定子的电机器，其包括定子绕组的若干集合，每个连接到单独的转换器单元。定子绕组的一个或多个集合可以是三相定子绕组，分别在作为发电机的电机器的操作或转子的旋转期间在定子中生成三相电流。特别地，转子可以包括永磁体或转子线圈，其也在短路故障发生之后生成磁场。

由于电机器的旋转转子和定子之间的磁耦合，在发生短路故障之后，可以发生电机器的转矩中的转矩波动。该转矩波动由电机器的至少一个传感器来测量，其中，传感器量化至少一个被测对象，其描述电机器的转矩波动。作为被测对象，可以使用受电机器的转矩波动影响的物理量。被测对象可以例如表现出与电机器的转矩波动相对应和/或与电机器的转矩波动成比例的波动。

电机器的转矩波动针对短路是不同的，这取决于它们出现在转换器单元中还是出现在发电机中。因此，通过评估电机器的转矩波动，对短路故障的位置的确定成为可能。

在通道的短路发生时，通过断开断路器来中断定子绕组的集合与转换器单元之间的连接。断路器可以包括例如耦合到电流传感器的开关。优选地，断路器是一种电路断路器，当短路或大的短路电流出现时，断路器就中断转换器单元和定子绕组的集合之间的连接。优选地，在发生短路时还停止转换器单元，例如分别通过将其关闭或通过停止其操作。

然而，短路故障可能已经发生在转换器单元中或发生在发电机中。例如，由于转换器中的有故障的部件，转换器单元中的短路故障可以发生。发电机中的短路故障例如由于电机器内部的绝缘击穿可以发生。然而，独立于短路的位置中断转换器单元和定子绕组的集合之间的连接以便停止大的短路电流。

在中断转换器单元和定子绕组的集合之间的连接之后，在有故障的通道中的转换器和机器之间的高短路电流流停止。尽管有短路故障，但在断开断路器之前，发电机布置的行为不取决于短路故障的位置。然而，在中断转换器单元和定子绕组的集合之间的连接之后，电机器的转子仍然旋转，并且发电机布置的行为取决于短路故障的位置而不同。

如果短路故障是由转换器单元内部的故障引起的，则通道中的电流将下降到零，因为转换器单元的切换停止并且转换器单元与定子绕组的集合之间的连接被中断。如果短路故障是由电机器中的内部故障引起的，则即使在转换器单元与定子绕组的集合之间的连接的中断之后，电机器的绕组中的电动势（electromotvie force）（反EMF）的磁耦合也将在电机器中生成故障电流，直到转子的旋转停止。在定子绕组的集合中发生短路故障时，即使在断路器的断开之后，由于短路，闭环也仍然保持。在该闭环中，电机器的旋转转子感应了故障电流。然而，不能直接测量这种故障电流。本发明基于该思想以通过评估被测对象的测量的信号来间接地测量这样的故障电流，其描述电机器的转矩波动，因为故障电流的存在影响电机器的转矩波动。因此，通过评估与电机器的转矩波动相关的被测对象的至少一个测量的信号，确定短路的位置变得可能。

优选地，作为电机器的至少一个传感器，使用测量电机器的至少一个部件的振动和/或加速度的传感器。通过传感器测量电机器的至少一个部件的振动，被测对象可以是例如电机器的至少一个部件的周期性位移。该位移可以对应于转矩波动，因为电机器的较大转矩波动可以引起电机器的至少一个部件的较大振动。此外或替代地，如下是可能的：使用测量电机器的至少一个部件的加速度的传感器，其中相应地，电机器的较大的转矩波动可以引起电机器的至少一个部件的较大的加速度波动幅度。

在本发明的优选实施方式中，耦合到电机器的主轴承（main bearing）和/或耦合到电机器的至少一个定子板（plate）的加速度计被用作传感器，和/或测量电机器内部的声音的麦克风被用作传感器，和/或短路转矩控制器被用作传感器。主轴承可布置在电机器的转子和定子之间以支撑旋转转子抵靠定子，使得电机器的转矩波动引起主轴承或主轴承的部件的振动或周期性偏转，其可由耦合到主轴承的加速度计来进行测量。传感器可以例如耦合到主轴承的静止环（stationary ring）。使用提供用于监视轴承条件的传感器是可能的。

使用耦合到定子板的加速度计也是可能的。定子板是环形的平板，其朝向环境对定子定界（delimit）并且可以取决于电机器的转矩波动而振动和/或表现位移。

此外或替代地，测量电机器内部的声音的麦克风可被用作传感器，因为电机器中的转矩波动的出现可以引起声音生成到空气中和/或作为电机器内部的机械振动。如下也是可能的：短路转矩控制器被用作传感器，其中，短路转矩控制器可以被配置成在电机器中发生短路期间减少转矩波动的出现，以最小化噪声生成并且防止在短路故障的情况下对电机器的损坏。这种短路转矩控制器包括传感器，该传感器测量描述电机器的转矩波动的被测对象以应用减少转矩波动的对策。有利地，由短路转矩控制器测量的被测对象也可以用于确定短路的位置。

优选地，从被测对象的至少一个测量的信号导出与转矩波动的幅度相关的比较值，其中，比较值与阈值进行比较，其中，如果比较值高于阈值，则电机器被确定为短路故障的位置，并且如果比较值低于阈值，则转换器单元被确定为短路故障的位置。比较值可以从被测对象的一个或多个测量的信号导出，其中，至少一个测量的信号尤其可以包括在短时间段上的测量，以描述转矩波动对被测对象的影响。根据该至少一个测量的信号，比较值被导出并与阈值进行比较。较大的比较值对应于较大的转矩波动，其如上所述地在电机器中的短路故障的情况中出现。因此，高于阈值的比较值指示电机器中的短路并且低于阈值的比较值指示转换器单元中的短路。用于与比较值比较的阈值可以是常数或变量，并且其可以从测量被导出或其可以凭经验被确定。阈值可以特别地取决于电机器的类型和/或发电机布置或其中使用发电机布置的设施的类型。

优选地，使用值的均方根值或测量的信号的峰峰值作为比较值，或者使用测量的信号的绝对值。均方根值和/或峰峰值可被用于分别描述对应于电机器的转矩波动的被测对象的测量的信号的周期性分量或周期性信号的幅度。由于转子的旋转，转矩波动也可以表现出周期性，特别是与转子的旋转速度相对应的周期性。作为绝对值，例如，可以使用测量的信号的平均周期内的平均值或最大值。

在本发明的优选实施例中，取决于电机器的平均转矩和/或电机器的转速来确定阈值。取决于电机器的平均转矩的阈值的确定可以计及如下事实：电机器的较大的操作转矩在短路故障的情况下可能引起较大的转矩波动。在断开断路器之后的平均转矩尤其可以用在包括定子绕的两个或更多集合的多通道发电机中。由于转矩波动的幅度也可能取决于旋转的频率，所以阈值对电机器的旋转速度的依赖性也可以是有利的。电机器的旋转速度和/或电机器的平均转矩分别可以例如由电机器的转矩传感器和/或旋转传感器和/或多通道机器的操作通道中实现的速度观测器单元来确定，尤其是在短路故障发生时或在短路故障发生之后不久的时间间隔中，使得可以考虑机器的当前状态来确定短路故障的位置。

特别地，即使在发生短路时触发风力涡轮机操作的停止，所描述方法的实现在风力涡轮机中也是可行的，因为短路检测和断路器断开通常在ms范围中（低于300 ms）完成，而涡轮机停止花费若干秒（高于10 s）。因此，断路器断开和涡轮机停止之间的足够时间窗可用于故障辨别。

优选地，被测对象的至少一个测量的信号被带通滤波，其中，依据电机器的旋转速度来确定带通滤波的下截止频率和/或上截止频率。通过对被测对象的测量的信号的带通滤波，可以提取与带通滤波器的通带相对应的某个频率或某个频带，以评估被测对象。通过确定带通滤波的下截止频率和/或上截止频率，对测量的信号进行滤波成为可能，使得可以获得与转矩波动的某个谐波相对应的测量的信号。例如如下是可能的：提取是电机器的旋转的频率两倍的频率处的转矩波动。还可以使用带通滤波和依据电机器的旋转速度的下截止频率和上截止频率的确定来提取其他谐波，如四次谐波或六次谐波。选择转矩波动的不同谐波可以计及电机器的不同几何形状和/或特征，并且可以取决于在发电机布置中使用的电机器的类型。

根据本发明的发电机布置包括电机器、控制单元和至少一个通道，其中，所述通道或每个通道包括断路器、转换器单元和经由断路器连接到转换器单元的电机器的定子绕组的集合，其中，电机器包括测量描述电机器的转矩波动的被测对象的至少一个传感器，其中，控制单元被配置成执行根据本发明的方法。

优选地，电机器可以包括两个或更多通道，所述通道可以是例如三相通道，每个三相通道包括定子绕组的三相集合。控制单元可以连接到转换器单元和/或断路器。控制单元连接到测量被测对象的至少一个传感器。此外，控制单元可以连接到电机器的另外的传感器，其中，另外的传感器测量例如电机器的平均转矩和/或电机器的旋转速度。此外或替代地，如下是可能的：电机器的平均转矩和/或电机器的旋转速度可由控制单元来计算和/或估计，例如通过评估电机器的电流和/或电压。

根据本发明的风力涡轮机包括根据本发明的发电机器布置。

根据本发明的计算机程序包括指令，当所述程序由包括电机器、控制单元和至少一个通道的发电机布置的控制单元执行时，所述指令使控制单元执行根据本发明的方法，其中，所述通道或每个通道包括用于检测通道中的短路的发生的装置、转换器单元和连接到转换器单元的电机器的定子绕组的集合，其中，电机器包括测量描述电机器的转矩波动的被测对象的至少一个传感器。

根据本发明的电可读介质具有存储在其上的根据本发明的计算机程序。

关于根据本发明的方法描述的所有特征和优势相应地应用于根据本发明的发电机布置、根据本发明的风力涡轮机、根据本发明的计算机程序和根据本发明的电可读介质。

本发明的附加优势和细节从下面讨论的实施例以及从附图变得清楚。附图是示意图并且示出：

图1 根据本发明的发电机布置，

图2描绘了在转换器单元中的短路故障的情况下的电机器的转矩的图，

图3 描绘了在电机器中的短路故障的情况下的电机器的转矩的图，

图4 根据本发明的方法的第一实施例的框图，以及

图5 根据本发明的方法的第二实施例的框图。

在图1中，示出了根据本发明的发电机布置1。发电机布置1包括电机器2、第一通道3和第二通道4。第一通道3包括转换器单元5和断路器6。相应地，第二通道4包括转换器单元7以及断路器8。

第一通道3的转换器单元5经由断路器6连接到电机器2的定子绕组的集合9。相应地，第二通道4包括经由断路器8连接到控制单元7的定子绕组的集合10。定子绕组的集合9、10是定子绕组的三相集合。在电机器2的旋转期间，因此在电机器2的发电机操作期间，在通道3、4中的每个中生成三相电流。所生成的三相电流由转换器单元5、7转换为DC电流。转换器单元5、7的DC侧可以连接到其他电部件和/或电路和/或电网。在该实施例中，在每个通道3、4的转换器5、7的DC侧，布置电容器11、12用于频率滤波。然而，在图1中省略了DC侧的另外的部件。如下特别是可能的：发电机布置1用在发电设备中，用在例如风力涡轮机中。

第一通道3中的断路器6可以被断开以在第一通道3中短路的情况下中断转换器单元5和定子绕组的集合9之间的连接。相应地，第二通道4中的断路器8可以被断开以在第二通道4中短路的情况下中断转换器单元7和定子绕组的集合10之间的连接。优选地，断路器6和8可以在通道3、4之一中短路的情况下同时中断它们各自的连接。

发电机布置1还包括连接到转换器单元5、7和断路器6、8的控制单元13。此外，控制单元13连接到电机器2的传感器14，其中，传感器14测量描述电机器2的转矩波动的被测对象。控制单元13包括用于存储数据和/或程序的存储器单元、用于发送和接收数据的通信单元以及用于处理数据和/或用于执行程序和/或用于控制通信单元的处理器单元。

在该实施例中，传感器14是耦合到电机器2的主轴承的加速度计。通过传感器14，可以测量由电机器2中的转矩波动的出现引起的振动，因为主轴承中的传感器14可测量的振动对应于电机器2的转矩波动。此外或替代地，耦合到电机器2的至少一个定子板的加速度计和/或测量电机器2内部的声音的麦克风和/或短路转矩控制器也可被用作传感器14。

如果短路出现在例如第一通道3中，则断开断路器6以停止第一通道3中的短路电流。例如可以通过控制单元13检测和/或命令断路器6的断开。可以通过控制单元13停止转换器单元5的操作。例如由于转换器单元5中的有故障的部件，通道3中的短路可以发生在转换器单元5中。以下也是可能的：例如由于电机器2内部和/或定子绕组的集合9中的绝缘击穿，短路故障出现在电机器2中。取决于短路故障发生的位置，关于电机器2的转矩波动的不同行为发生。由于当短路故障发生时电机器2处于操作中，所以电机器2的转子在旋转。转子包括用于生成磁场的装置，例如多个永磁体，使得在电机器2中发生短路故障之后，由于转子的磁化，可以在电机器2中生成电流。在该情况下，故障电流在定子绕组的集合9中流动。

在转换器单元5中出现短路故障的情况下，没有故障电流生成，因为通过断开断路器6中断（disrupt）了转换器单元5和/或定子绕组的集合9的定子绕组之间的连接，并且停止了转换器单元5中的切换。

电机器2中的故障电流引起电机器2的转矩的转矩波动。由于电机器2中的故障电流不能被直接测量，所以转矩波动的测量可以被用作故障电流的间接测量。转矩波动可以例如由传感器14测量，其测量电机器2的主轴承中的振动，因为如果转矩波动在电机器2的转矩中出现或增加，则电机器2的主轴承的振动也可以分别出现或增加。

在图2中，示出了描绘电机器2的转矩的图表。在纵坐标（ordinate）上，转矩M被绘制，依赖于在横坐标上绘制的时间t。在时间t

在图3中，描绘了针对电机器2中发生短路故障的电机器2的转矩M的曲线。短路故障相应地在t

在图4中，示出了根据本发明的方法的第一实施例的框图。作为输入变量，使用了描述电机器2的转矩波动的被测对象的测量的信号17。测量的信号17可以由电机器2的传感器14来测量。被测对象可以是例如在电机器2的主轴承的静止环处传感器14测量的加速度。

在框18中，消除测量的信号17的DC偏置的低通滤波发生。在低通滤波之后，在框19中对测量的信号17进行高通滤波，以去除任何HF噪声。在框20中，根据滤波后的测量的信号17，确定对应于转矩波动幅度的绝对值的测量的信号17中的波动的绝对值。在框21中，在确定测量的信号17中的波动的绝对值之后，通过分别在某个时间间隔上或在平均窗口上对所获得的绝对值求平均来确定比较值。比较值分别与转矩波动的幅度或与和转矩波动对应的测量的信号17中的波动的幅度相关。

在框22中，将比较值与阈值进行比较，其中，该阈值可以是固定值或者可以根据电机器2的绝对转矩或平均转矩来确定。电机器2的绝对转矩或平均转矩可以由连接到控制单元13的转矩传感器来测量，或者其可以由控制单元13基于由控制单元13测量的和/或控制的电机器2中的电流和/或电压来计算和/或估计。如果比较值超过该阈值，则电机器2被选择作为短路故障的位置。相反，如果比较值低于或等于该阈值，则第一通道3的转换器单元4被确定为短路故障的位置。框18至22的功能性可以在发电机布置1的控制单元13中实现。

在图5中，描绘了根据本发明的方法的第二实施例。该方法可以由发电机布置1的控制单元13来进行。作为输入变量，再次使用由传感器14测量的测量的信号17。此外，使用转子速度信号23，其由电机器2的转子速度传感器（未示出）测量或由控制单元13计算和/或估计。在框24中，测量的信号17的自适应带通滤波发生。由此，可以根据转子速度信号23来调整带通滤波的下截止频率和/或上截止频率。通过调整带通滤波的下截止频率和/或上截止频率，可以从测量的信号过滤转子的旋转的某个谐波。以下例如是可能的：对测量的信号17的二次谐波进行滤波。以下也是可能的：根据电机器2的类型，对测量的信号17的四次谐波或六次谐波进行滤波。此外或替代地，带通滤波的中心频率和/或阻尼（damping）也可以被调整。

在框25中，从测量的信号17计算均方根作为比较值。此外或替代地，均方根值，测量的信号17的峰峰值的计算也是可能的。比较值可以根据转子速度信号23来确定。所确定的比较值对应于电机器2的转矩波动。在框25中确定的比较值在框22中与阈值比较，如针对方法的第一实施例所描述的。如下是可能的，用于在框22中的比较的阈值根据电机器2的平均转矩和/或根据转子速度信号23来确定。方法的第二实施例也可以在控制单元13中实现。

在前文中讨论的方法的两个实施例中，可能的是，在确定短路故障的位置之后，如果转换器单元5已经被确定为短路故障的位置，则执行使用第二通道4的发电机布置1的重启，特别是如果在发生短路故障时断路器8被断开的话。如下也是可能的：在仅第一通道3的断路器6已经断开的情况下，使用第二通道4继续发电机布置1的操作。然而，如果电机器2已经被确定为短路故障的位置，则停止发电机布置1的操作。

如果故障发生在第二通道4中而不是第一通道3中，则相应地执行该方法。在仅包括一个通道的电机器的情况下，短路故障的位置可以例如存储在控制单元13的存储装置中，使得在发电机布置1的修理之前，短路的定位可用于促进修理。

如果方法应用在包括多于两个通道的发电机布置中，则如果有故障的通道的转换器单元被确定为短路故障的位置，则可以使用除有故障的通道之外的所有通道继续操作。相应地，如果电机器2已经被确定为短路故障的位置，则防止或停止发电机布置1的所有通道的操作。

尽管已经参照优选实施例详细描述了本发明，但是本发明不受所公开的示例的限制，技术人员能够从所公开的示例导出其他变型而不脱离本发明的范围。