CN101278470B

CN101278470B - 用于电机的激励装置

Info

Publication number: CN101278470B
Application number: CN2006800363348A
Authority: CN
Inventors: 简·韦格尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2006-09-11
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2026-09-11
Also published as: EP1929616B1; KR101526164B1; CN101278470A; KR20140040286A; ES2523582T3; KR20080068829A; WO2007039410A1; DE102005047551A1; US8018206B2; US20090153106A1; EP1929616A1

Abstract

在带有电激励且运动的次级部件的电机中，要将激励损失减到最小。根据本发明，通过旋转的感应变压器(5)实现了双向感应的能量传输，为此存在相关的功率电子装置，该功率电子装置被设计用于双向地传输功率和/或能量。优选地，存在超导电感(10)，其中，将电流引入到该超导电感(10)。由于双极性电压的影响，既可以通过将能量导入定子来进行激励、又可以通过导出能量来进行去激励，而不在所述转子(10)上将功率变换为热量。

Description

用于电机的激励装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于电机的激励装置。所述电机特别是同步电机，该同步电机优选但限于采用超导电感作为磁极转子绕组。

背景技术

在带有电激励且运动的次级部件(转子)的电机、例如同步电机(SM)中，可以通过将励磁绕组实施为高温超导(HTS＝High TemperatureSuperconductor)绕组来将激励损失减到最小。但是，为此必须将超导体冷却到80K(即，至少是液氮的温度)以下的温度范围。

在带有超导体的结构中要尽可能地避免通过机械接触的任何热输入。诸如滑环等的机械触点由于所要求的维护的原因是开销大的并且此外是容易磨损的。由于该原因，优选地非接触式地(即，感应地)将激励功率、监视和调节信息传输到转子上。在电机运行时，要求将在电机的励磁绕组的消磁时的去激励能量转换成热量。

公知的用于超导绕组的激励装置优选地组成如下：非接触式的能量传输段，至固定的控制和调节单元的非接触式的控制和调节信号传输段，以及用于影响电压的控制装置，和空转电路。在此，变压器尤其是感应地工作。

EP 1247324B1提出了一种单向感应的能量传输，其中，作为感应的运行装置存在“旋转的变压器”，该变压器由两个带有环形绕组以及轴向磁通引导件的碗状磁心组成。在此，所述碗状磁心可以相对地环绕共同的轴线移动。

在如下的博士论文中详细地描述了感应地工作的运行装置：AlbertEsser，“Berührungslose，kombinierte Energie-und Informationsübertragung fürbewegliche Systeme”ISBN 3-86073-046-0；ISEA，RWTH Aachen 1992。其中的实施方式的目标是在机器人关节中实现非接触式的双向能量和数据传输。

DE 4133001 A1还公开了一种用于既传输能量又传输数据的“光电传输”。在能量传输具有不足的功率密度的情况下，数据可能要极易受干扰且无电平地传输。在市场上可以得到这类系统。这种用于激励超导绕组的单向能量传输需要一个在被冷却的转子上的无源电阻来进行去激励，该电阻将激励能量转换为随后必须被排出的热量。在此，热量输入以及无源指数衰退的激励均是不希望的。

发明内容

从最接近的现有技术出发，本发明要解决的技术问题是，提供一种对可用于电机中的绕组的改善的激励装置。

上述技术问题是通过权利要求1的特征解决的。优选的扩展是从属权利要求的内容。

本发明尤其是针对一种带有超导磁极转子绕组的同步电机。不过，本发明也适合于对于非超导绕组的激励。

特别是，利用本发明实现一种通过旋转的感应变压器的双向能量传输。在此，所述感应变压器具有优势地由碗状磁心以及在转子上的合适的电压控制装置组成。

利用按照本发明的激励装置尤其可以直接地为超导电感馈电。在此，具有优势的是，双极性电压可以影响所述超导电感。如果该电压具有恒定的绝对值，则可以对应地线性激励和/或去激励该超导电感。

在本发明的范围内，在同时供电中断时的反馈的情况下，可以由所述超导电感为控制电子装置以及必要时的其它电气设备供电。也就是说，具有优势地不再需要单独的不间断供电(USV)。此外，通过该激励能量的反馈，避免了在去磁化过程中在冷却系统中的不希望的热量输入。

在本发明中，不需要由于较差的利用率而将旋转的变压器强迫地按照星形连接来运行。为使感应变压器具有良好的功率密度，建议按照中频传输(必要时尽可能地谐振)，以便使得部件较小。

也就是说，整体上可以通过本发明同等地对特别是同步电机的超导磁极转子线圈进行主动的激励以及去激励。在此，没有提高进入被冷却的系统中的热量输入。此外，在供电中断的情况下形成了USV功能。

附图说明

本发明的其它细节和优点借助于附图并结合权利要求由下面对附图的描述给出。其中，

图1示出了用于对特别是超导线圈进行双向的激励和/或去激励的装置的按照本发明的电路结构。

具体实施方式

图1中的电路具体地包括：作为电压源的电网接头1，后接的由整流器构成的换流器2，以及相连的逆变器3和相关的电子装置。此外，设置了感应变压器5，在放大图A中将其等效电路图显示为非接触式的变压器。

在变压器5的次级一侧连接了激励电路6，该激励电路包括对于电感的电压预定以及电压设置装置。该电感是由超导材料、特别是高温超导(HTS)材料制成的绕组构成的，所述高温超导材料具有高的迁移温度(Sprungtemperatur)。

在图1中，总地用10来标记该带有电感L_SC的超导线圈。该超导线圈10与空转电路11并联连接。

空转电路11被设置在紧靠超导绕组10的附近，并且按照规定是低电阻的。为了动态运行激励场，外部的控制装置7是必需的，以便在单极的激励电流的条件下在超导绕组10上提供双极性的电压。如果在去磁化的期间在激励装置的初级一侧出现了断电，则必须将HTS绕组10接入到空转电路11上，因为这样才不必将激励能量导出到初级一侧。否则的话，该电功率必然在电机的定子上被转换为热量。

按照图1，这样描述的激励装置的具体结构，是按照各个符合标准标记的部件形成的，对这些部件进行了具体的引用。由此，定义了用于双向的功率和能量传输的单元，以及用于在线圈10的超导电感上施加双极性的电压影响的控制装置。

三相固定电网接头借助于标准整流器在中间电路电容C1上提供直流电压。对于双向功率流的规定，要么要求自换相的影响电压的整流器，要么要求简单的线路换相二极管桥，该二极管桥带有用于转换可能由超导电感反馈的能量的制动断路器(Brems-Chopper)。首先，示出了从电网接头至超导电感(从左至右)的功率流。

逆变器3以及传输段是影响电压的换流器。逆变器(例如包括IGBT S1x，D1x)将直流电压转换为具有中频f_S的方波电压。整流器(S2x，在此是带有本征空转二极管的MOSFET)在直流电压电容器C2上运行。在相对低的电压U2的条件下，在次级一侧采用MOSFET是优选的。

在图1示出的实施方式中出现下列的谐振电容C1r和C2r：

C 1 r = \frac{1}{4 π^{2} \cdot f_{S}^{2} \cdot L_{σ 1}}; - - - (1)

C 2 r = \frac{1}{4 π^{2} \cdot f_{S}^{2} \cdot L_{σ 1}} \cdot {(\frac{w_{2}}{w_{1}})}^{2} - - - (2)

在交流中间电路中形成了正弦形的电流，其中，通过漏电感Lσ_x补偿了感应电压降。该谐振电容也仅仅可以被施加到一侧，使得对于等式(1)成立：

C 1 r = \frac{1}{8_{4}^{2} f_{S}^{2} L_{σ 1}} - - - (1 a)

在C2上的电压

U_{C 2} \approx U_{C 1} \cdot \frac{w_{2}}{w_{1}}

形成为具有在变压器绕组和在功率半导体上的欧姆电压降，其比按照变压系数换算到次级一侧的电压U_C1小很多。不过，所出现的损失也用于在电容C2上发生负载越变时对系统进行衰减。

在本文开始部分引用的博士论文中详细地说明了，如何选择对于正确的衰减适当的电容C2。有关的整流器总是无源的，对应的功率开关(IGBT或二极管)则由顺序控制器相应地截止。

在整流器中二极管传导电流并且被自然地换相。逆变器则无电流地接通和猛烈地断开IGBT。不过，随后需要在二极管上仅仅将小的三角波磁化电流进行换相。

在反向的功率流下，整流器和逆变器互换角色。上级的固定的顺序控制器控制激励或去激励或者激励电流的空转以及用于控制U_LSC的旋转电压控制装置。

S5-S7与二极管Dr1和S7的体二极管Dfr一起作为电压控制装置工作。如果接通S5和S6、断开S7，利用电压-U_C2来激励HTS绕组。如果断开S5，则二极管Dfr承担空转电流。其通量电压(Flussspannung)被减小，其中，MOSFET S7被接通在其控制特征曲线的第三象限中，并由此基本上承担空转电流。如果S6被接通，则电压-U_C2施加在L_SC上。即，HTS绕组10被去激励。

在HTS电感的激励和去激励中重要的是，非接触式的能量传输同等地允许对应的功率流，这点由带有功率电子装置的顺序控制器来保证。如果激励电流达到了特定的额定值，则被接入到空转电路，直到低于一定的边界值并且必须在激励状态中再次进行再充电。

所描述的装置特别适合于对大的旋转HTS电感进行馈电，该电感的磁化电流被固定地按照较低调节/控制动态控制。特别是，顺序控制器具有关于功率流的方向的认知，使得不需要如本文开始部分提到的现有技术那样对逆变器和整流器进行同步。有关的整流器总是无源的，对应的功率开关(IGBT或二极管)则由顺序控制器相应地截止。

如果在去激励的期间电网电压中断，则必须过渡到空转电路，因为在没有制动断路器的条件下不能输出功率，并且因此可以将在电网一侧的换流器上的中间电路电压假设为危险的高值。对应地，在电网中断的情况下不允许顺序控制器出故障。必要时要求的来自HTS绕组对电压U_C1的再充电，保证了足够的供电电压。根据HTS绕组的不同能函，也可以提供其它的来自U_C1的分量，以便将其在电网中断的情况下受控制地断开。

为了进行对次级换流器的激励电流测量值和控制信息的非接触式的数据传输，可以采用光学、电感或电容系统。所描述的电路的特别的优点是，可以受控制地进行在所描述的电路中的激励和去激励。因为不需要单独的能量源来去激励。

Claims

1.一种用于由定子和带有磁极转子绕组的转子组成的电机的激励装置，其中，通过感应变压器(5)实现至所述磁极转子绕组(10)上的感应的能量传输，并且存在相关的功率电子装置(20)，该功率电子装置被设计用于双向地传输功率和/或能量，其中，在所述转子上的所述磁极转子绕组是超导电感(10)，并且其中，在激励能量的反馈同时电网电压中断时的该激励能量的反馈的情况下，由所述磁极转子绕组(10)为所述功率电子装置供电。

2.根据权利要求1所述的激励装置，其特征在于，所述感应变压器(5)由两个碗状磁心组成，以及存在在所述转子上的用于所述磁极转子绕组(10)的电压控制装置(7)。

3.根据权利要求1所述的激励装置，其特征在于，所述超导电感(10)由高温超导材料的绕组组成。

4.根据权利要求2或3所述的激励装置，其特征在于，所述电压控制装置(7)直接地为所述超导电感(10)供电。

5.根据权利要求2或3所述的激励装置，其特征在于，通过所述电压控制装置(7)能够影响在所述超导电感(10)上的双极性电压(U_LSC)。

6.根据权利要求1所述的激励装置，其特征在于，所述超导电感(10)可以为其它的电气设备供电。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的激励装置，其特征在于，利用中频来进行所述至所述磁极转子绕组(10)上的感应的能量传输，以便得到所述感应变压器(5)的良好的功率密度。

8.根据权利要求7所述的激励装置，其特征在于，按照谐振调谐来进行所述能量传输。