電機和用于運行這種電機的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電機和用于運行這種電機的方法。電機(10)包括具有第一轉(zhuǎn)子繞組(14)的第一轉(zhuǎn)子芯(13)、具有第一定子繞組(17)的第一定子芯(16)、用于給所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)供應(yīng)電流的勵磁裝置(18)。勵磁裝置具有：帶有第二轉(zhuǎn)子繞組(20)的第二轉(zhuǎn)子芯(19)，第二轉(zhuǎn)子芯(19)以固定的旋轉(zhuǎn)關(guān)系連接到所述第一轉(zhuǎn)子芯(13)上；以及帶有第二定子繞組(22)的第二定子芯(21)。第二轉(zhuǎn)子繞組(20)和第二定子繞組(22)是多相繞組，并且第一轉(zhuǎn)子繞組(14)和第二轉(zhuǎn)子繞組(20)彼此連接。
【專利說明】電機和用于運行這種電機的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種電機和用于運行這種電機的方法。
[0002]例如，電機是旋轉(zhuǎn)電機，例如連接到燃氣渦輪或蒸汽渦輪上的同步發(fā)電機(渦輪發(fā)電機)或者連接到水力渦輪上的同步發(fā)電機(水力發(fā)電機)或者異步發(fā)電機或者同步或異步電動馬達或其它類型的電機。下文尤其涉及發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0003]電機，例如發(fā)電機(典型地，發(fā)電機是異步電機，在下文它被稱為為主電機)具有帶有轉(zhuǎn)子繞組(轉(zhuǎn)子繞組被供應(yīng)電功率)的轉(zhuǎn)子，以及定子，定子具有定子繞組，用于收集電功率，以供應(yīng)給供電網(wǎng)絡(luò)。
[0004]為了給轉(zhuǎn)子繞組供應(yīng)電功率，可以提供不同的勵磁系統(tǒng)。
[0005]第一勵磁系統(tǒng)是所謂的靜態(tài)勵磁系統(tǒng)；它包括靜態(tài)整流器，靜態(tài)整流器在其一側(cè)連接到供電網(wǎng)絡(luò)上以接收交流電功率，而在另一側(cè)連接到滑環(huán)上以將直流電功率傳遞給轉(zhuǎn)子繞組。
[0006]靜態(tài)勵磁系統(tǒng)的缺點在于，在運行過程中，滑環(huán)和連接到其上的電刷經(jīng)受著磨損，這種磨損導致了碳粉塵的產(chǎn)生。
[0007]另一種不同的勵磁系統(tǒng)是所謂的無刷勵磁系統(tǒng)。無刷勵磁系統(tǒng)包括帶有三相或多相勵磁轉(zhuǎn)子繞組的勵磁轉(zhuǎn)子，以及具有直流勵磁定子繞組的勵磁定子。
[0008]在運行過程中，通過勵磁定子繞組，在勵磁轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出交流電壓；然后它通過二極管被整流(以提供給主電機的轉(zhuǎn)子)，上述二極管隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0009]EP I 289 118 Al公開了一種無刷勵磁系統(tǒng)；具體地,它公開了一種勵磁系統(tǒng)，其具有連接到旋轉(zhuǎn)整流器(其又連接到主電機的轉(zhuǎn)子上)的交流勵磁轉(zhuǎn)子繞組和帶有直流勵磁定子繞組的勵磁定子。
[0010]這些電機具有這樣的缺點，即它們不能在啟動時提供勵磁(例如當勵磁轉(zhuǎn)子處在靜止時)。因此在較低的速度下不能進行制動。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目的是提出一種電機，其避免了已知電機的缺點。
[0012]本發(fā)明的另一個目的是提出一種電機，其省掉了滑環(huán)的使用。
[0013]更進一步，本發(fā)明的目的是提出一種運行這種電機的方法。
[0014]以上和其它目的由根據(jù)權(quán)利要求1和7所述的電機和方法來實現(xiàn)。
[0015]電機包括具有第一轉(zhuǎn)子繞組的第一轉(zhuǎn)子和具有第一定子繞組的第一定子，以及用以供應(yīng)電流給第一轉(zhuǎn)子繞組的勵磁裝置。勵磁裝置具有:帶有第二轉(zhuǎn)子繞組的第二轉(zhuǎn)子，第二轉(zhuǎn)子以固定的旋轉(zhuǎn)關(guān)系連接到第一轉(zhuǎn)子上；以及帶有第二定子繞組的第二定子。
[0016]電機的特征在于，第二轉(zhuǎn)子繞組和第二定子繞組是多相繞組，以及第一轉(zhuǎn)子繞組和第二轉(zhuǎn)子繞組彼此連接。[0017]在第一個改進中，第一轉(zhuǎn)子繞組和第二轉(zhuǎn)子繞組的所有相通過相連接導體彼此連接。
[0018]在另一個改進中，第一轉(zhuǎn)子繞組和第二轉(zhuǎn)子繞組布置在公共轉(zhuǎn)子軸上。
[0019]在進一步改進中，相連接導體在轉(zhuǎn)子軸內(nèi)延伸。
[0020]在更進一步改進中，勵磁裝置限定異步電機。
[0021]在另一個改進中，第一轉(zhuǎn)子繞組是多相繞組，以及第一轉(zhuǎn)子繞組和第二轉(zhuǎn)子繞組彼此直接連接(即，沒有其它構(gòu)件置于它們之間，諸如整流器)。
[0022]根據(jù)用于運行電機的方法，為了控制/調(diào)節(jié)電機，基于通過勵磁裝置的第二定子繞組的定子電流來確定通過第一轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子電流。
[0023]在方法的第一個改進中，測量轉(zhuǎn)子的速度，并且根據(jù)測量到的速度和勵磁裝置的等效電路圖來確定通過第一轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子電流。
[0024]在另一個改進中，勵磁裝置的機器模型用來確定流過第一轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子電流，使得基于勵磁裝置的測量電流來計算通過第一轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子電流。
[0025]在進一步的改進中，確定通過第一轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子電流是借助于多級級聯(lián)控制來實現(xiàn)的，其中，借助于通過第一定子繞組的定子電流來控制電機的磁化和轉(zhuǎn)矩，通過第一定子繞組的定子電流本身由通過第一轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子電流來控制，通過第一轉(zhuǎn)子繞組的轉(zhuǎn)子電流本身又通過施加通過勵磁 裝置的第二定子繞組的定子側(cè)電流來控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]下文將結(jié)合附圖參考示例性實施例更詳細地解釋本發(fā)明。在附圖中:
[0027]附圖1以非常簡化的表示示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的異步電機；
[0028]附圖2示出了連接到供電網(wǎng)絡(luò)上的電機；以及
[0029]附圖3示出了在本發(fā)明的不同實施例中的不同電機。
[0030]部件列表:
[0031]10主電機
[0032]11電機軸線
[0033]12 轉(zhuǎn)子
[0034]1?轉(zhuǎn)子軸
[0035]13轉(zhuǎn)子疊片芯
[0036]14轉(zhuǎn)子繞組
[0037]15 定子
[0038]16定子疊片芯
[0039]17定子繞組
[0040]18異步勵磁電機
[0041]19轉(zhuǎn)子疊片芯
[0042]20轉(zhuǎn)子繞組
[0043]21定子疊片芯
[0044]22定子繞組
[0045]23控制器/調(diào)節(jié)器[0046]24機器模型
[0047]25功率供應(yīng)
[0048]26電流傳感器
[0049]27轉(zhuǎn)速傳感器
[0050]28供電網(wǎng)絡(luò)
[0051]29相連接導體
[0052]30變壓器
[0053]31變壓器
[0054]33旋轉(zhuǎn)整流器。
【具體實施方式】
[0055]參考附圖1，示出了主電機10。主電機10例如是異步電機，如在抽水蓄能發(fā)電廠和/或風電場內(nèi)的變速發(fā)電的發(fā)電機。
[0056]主電機10包括具有轉(zhuǎn)子軸12a的轉(zhuǎn)子12，轉(zhuǎn)子軸12a繞著電機軸線11旋轉(zhuǎn)。
[0057]轉(zhuǎn)子12具有帶有相關(guān)聯(lián)的第一轉(zhuǎn)子繞組14的第一轉(zhuǎn)子芯13 (其可以是疊片式的或非疊片式的)。
[0058]轉(zhuǎn)子芯13被定子15同心地包圍，定子具有帶有第一定子繞組17的第一定子疊片芯16 ;定子繞組17被連接到供電網(wǎng)絡(luò)28。
[0059]這個主電機10關(guān)聯(lián)到勵磁裝置18上，勵磁裝置供應(yīng)電流給第一轉(zhuǎn)子繞組14。
[0060]勵磁裝置18包括具有相關(guān)聯(lián)的第二轉(zhuǎn)子繞組20的第二轉(zhuǎn)子芯19 (疊片芯或非疊片芯)，第二轉(zhuǎn)子繞組20被具有第二定子繞組22的第二定子疊片芯21同心地包圍著。
[0061]第二轉(zhuǎn)子芯19以固定的旋轉(zhuǎn)關(guān)系連接到第一轉(zhuǎn)子芯13，例如第二轉(zhuǎn)子芯19布置在轉(zhuǎn)子軸12a上(其它方案也都是可能的)。
[0062]第一轉(zhuǎn)子繞組14和第二轉(zhuǎn)子繞組20是多相繞組，并且通過相連接導體29彼此直接連接。
[0063]優(yōu)選地，兩個繞組14、20是可以由一個或多個并聯(lián)電路構(gòu)成的三相繞組。
[0064]在這個實施例中(主電機是異步電機)，在繞組14和20之間不需要用于整流的二極管。
[0065]可以承載較大電流的所有相連接在一起。因為軸承通常位于主電機和勵磁裝置18之間，所以這種連接(相連接導體29)有利地置于轉(zhuǎn)子軸12a之中(參見圖1中的箭頭)。這個方案的突出之處在于內(nèi)在安全性(對于過電壓)和電機的旋轉(zhuǎn)部分的相對簡化性。
[0066]對于根據(jù)本發(fā)明的方案，兩個繞組14和20的直接電連接和機械連接形成了不能被斷開的一個閉合電路。因此，危險電壓基本上不可能發(fā)生在轉(zhuǎn)子12上。更進一步地是，主電機的轉(zhuǎn)子繞組14不再直接承受將會發(fā)生在可能存在的變換器(PWM型)的輸出上的非?？焖俚碾妷鹤兓?。相比之下，在帶有滑環(huán)的老式靜態(tài)勵磁系統(tǒng)內(nèi)，如果帶有滑環(huán)的異步電機的轉(zhuǎn)子電路由于例如在滑環(huán)裝置發(fā)生損壞的情況下將會發(fā)生的任何原因被斷開，那么這將導致在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)產(chǎn)生可能有害的過電壓。
[0067]在主電機上的控制是通過控制勵磁裝置18的第二轉(zhuǎn)子芯19中感應(yīng)出的電流來實現(xiàn)的。[0068]在本公開的勵磁裝置18中，當?shù)诙ㄗ永@組22被供應(yīng)電流Is時，第二轉(zhuǎn)子繞組20上感應(yīng)出的電流Ir (這是供應(yīng)給第一轉(zhuǎn)子繞組14的電流)是:
[0069]Ir = Is.f (W)
[0070]其中:
[0071]Ir是在第二轉(zhuǎn)子繞組20上感應(yīng)的電流。
[0072]Is是在第二定子繞組22上提供的電流，
[0073]w是在第二定子芯21和第二轉(zhuǎn)子芯19之間的相對速度，
[0074]f (w)是w和電機設(shè)計的已知函數(shù)。
[0075]換句話說，勵磁裝置18可以看作是旋轉(zhuǎn)變壓器，其中變壓系數(shù)取決于速度。
[0076]當?shù)诙D(zhuǎn)子芯19的速度變化時(例如當啟動或停止主電機10)，供應(yīng)給第二定子繞組22的電流必須被控制，以在第二轉(zhuǎn)子繞組20上獲得所需電流。
[0077]如果已知速度和勵磁裝置18的等效電路圖，那么轉(zhuǎn)子電流可以通過計算來確定，這從通過勵磁裝置18的定子繞組22的定子電流開始。
[0078]例如，這可以通過多級級聯(lián)控制來完成。
[0079]根據(jù)圖1，為了此目的，提供控制器/調(diào)節(jié)器23，其通過電流傳感器26接收與定子繞組17內(nèi)的定子電流有關(guān)的信息。更進一步，控制器/調(diào)節(jié)器23從布置在轉(zhuǎn)子軸12a上的轉(zhuǎn)速傳感器27接收電機的當前速度；備選地，這個信息的任何一個或全部(但優(yōu)選是定子繞組17內(nèi)的定子電流)可以根據(jù)機器模型獲取。
[0080]勵磁裝置18的定子繞組22的功率供應(yīng)25 (例如變換器)由控制器/調(diào)節(jié)器23來控制。
[0081]當不測量這些電流時，轉(zhuǎn)子電流的控制質(zhì)量可以通過使用數(shù)學機器模型24(觀測器)來提高。這種機器模型24對控制器/調(diào)節(jié)器23提供用于確定主電機的轉(zhuǎn)子繞組14中的轉(zhuǎn)子電流的必要關(guān)系。
[0082]電機的運行大致如下。
[0083]附圖2示出了連接到供電網(wǎng)絡(luò)28上的主電機10的一個例子。
[0084]供電網(wǎng)絡(luò)28通過變壓器30連接到功率供應(yīng)25上，功率供應(yīng)連接到功率調(diào)節(jié)器23上。
[0085]功率供應(yīng)25又連接到第二定子芯21的第二繞組22上，第二繞組22可以在第二轉(zhuǎn)子芯19的第二繞組20內(nèi)感應(yīng)出電流。
[0086]第二繞組20連接到第一轉(zhuǎn)子芯13的第一繞組14上，第一繞組14又在第一定子芯16的第一繞組17內(nèi)感應(yīng)出電功率。第一繞組17通過變壓器31連接到供電網(wǎng)絡(luò)28上。
[0087]在運行中，第二繞組22被供應(yīng)電流Is，電流Is是根據(jù)在第二繞組20上的期望電流IHIr就是供應(yīng)到第一繞組14的電流)和第二轉(zhuǎn)子芯速度來確定的。電流Is是交流電流，例如三相電流，很明顯，任何數(shù)量的電流相都是可能的。電流Is在轉(zhuǎn)子繞組19中感應(yīng)出電流Ir。
[0088]電流Ir通過相連接導體29被傳輸?shù)降谝晦D(zhuǎn)子繞組14。通過第一轉(zhuǎn)子繞組14，電流Ir在第一定子繞組17中感應(yīng)出電功率。
[0089]當轉(zhuǎn)子12的速度改變時，電流Is相應(yīng)地改變以獲得期望Ir ;這可以在啟動、停止時或者在例如風力渦輪或水力渦輪的調(diào)控過程中完成。[0090]轉(zhuǎn)子也可以設(shè)有旋轉(zhuǎn)整流器33以防在第一轉(zhuǎn)子芯13處需要直流電功率(例如如果主電機限定同步電機的話)。
[0091]有利地，本公開的勵磁裝置可以與第一轉(zhuǎn)子和定子一起使用，上述第一轉(zhuǎn)子和定子限定異步電機、同步電機或雙饋異步電機(例如用于抽水蓄能發(fā)電廠中的變速發(fā)電以及也可以用在風電場中的那些)。此外，本公開的勵磁裝置可以用于高速旋轉(zhuǎn)同步電機(渦輪發(fā)電機、低級數(shù)水力發(fā)電機，以及類似電機)以及低速電機(在這種情況下，勵磁裝置用來僅通過非接觸方式將功率從定子傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子，并因此可以對應(yīng)地構(gòu)造得相對較小)。
[0092]有利地，勵磁裝置也適用于在靜止狀態(tài)下對同步電機勵磁，這對于傳統(tǒng)的無刷勵磁裝置是不可能的。這在以馬達模式啟動同步電機時尤其重要。
【權(quán)利要求】
1.一種電機(10)包括: 具有第一轉(zhuǎn)子繞組(14)的第一轉(zhuǎn)子芯(13)； 具有第一定子繞組(17)的第一定子芯(16)； 用于給所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)供應(yīng)電流的勵磁裝置(18)； 所述勵磁裝置具有: 具有第二轉(zhuǎn)子繞組(20)的第二轉(zhuǎn)子芯(19)，所述第二轉(zhuǎn)子芯(19)以固定的旋轉(zhuǎn)關(guān)系連接到所述第一轉(zhuǎn)子芯(13)上； 具有第二定子繞組(22)的第二定子芯(21)； 其特征在于 所述第二轉(zhuǎn)子繞組(20)和所述第二定子繞組(22)是多相繞組；以及 所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)和第二轉(zhuǎn)子繞組(20)彼此連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(10)，其特征在于，所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)和第二轉(zhuǎn)子繞組(20)的所有相通過相連接導體(29)彼此連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(10)，其特征在于，所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)和第二轉(zhuǎn)子繞組(20)布置在公共轉(zhuǎn)子軸(12a)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電機(10)，其特征在于，所述相連接導體(29)在所述轉(zhuǎn)子軸(12a)內(nèi)延伸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(10)，特征在于，所述勵磁裝置(18)限定異步電機。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(10)，特征在于，所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)是多相繞組，以及所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)和第二轉(zhuǎn)子繞組(20)彼此直接連接。
7.一種用于運行根據(jù)權(quán)利要求1-6中的任一項所述的電機(10)的方法,其特征在于，為了控制/調(diào)節(jié)所述電機，基于通過所述勵磁裝置(18)的所述第二定子繞組(22)的定子電流來確定通過所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)的轉(zhuǎn)子電流。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，測量所述轉(zhuǎn)子(12)的速度，以及根據(jù)測量到的速度和所述勵磁裝置(18)的等效電路圖來確定通過所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)的轉(zhuǎn)子電流。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，使用所述勵磁裝置(18)的機器模型(24)來確定通過所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)的轉(zhuǎn)子電流。
10.根據(jù)權(quán)利要求7-9中的任一項所述的方法，其特征在于，確定通過所述第一轉(zhuǎn)子繞組(14)的轉(zhuǎn)子電流是借助于多級級聯(lián)控制來實現(xiàn)的，其中，借助于通過所述第一定子繞組(17)的定子電流來控制所述電機的磁化和轉(zhuǎn)矩，通過所述第一定子繞組(17)的定子電流本身由通過第一轉(zhuǎn)子繞組(14)的轉(zhuǎn)子電流來控制，通過第一轉(zhuǎn)子繞組(14)的轉(zhuǎn)子電流本身又通過施加通過所述勵磁裝置(18)的所述第二定子繞組(22)的定子側(cè)電流來控制。
【文檔編號】H02K7/20GK103701260SQ201310469476
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年8月28日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月28日
【發(fā)明者】A·施維里, G·特拉希勒-薩梅克 申請人:阿爾斯通再生能源技術(shù)公司