CN102318156A - 用于操作永磁同步电机的方法以及包括这种电机的电力系统中的设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于具有永磁同步电机(5)、例如电动机或发电机的系统的设备，具有用于馈电或回收电能的变换器(4)。变换器(4)连接至定子并且用于馈送或回收大大低于最大功率的功率，以接合到电网的直接连接和变换器连接。

Description

用于操作永磁同步电机的方法以及包括这种电机的电力系统中的设备
本发明包括一种用于操作如权利要求1的前序部分所述的永磁同步电机的方法，以及一种如权利要求6的前序部分所述的、包括一个或多个这种电机的电力系统中的设备。
背景技术
目前，三相馈电在用于电机的馈电和控制的方案中占统治地位。可以是直接连接或通过变换器连接。在一些情形下，转子由集电环和变换器馈电。
通常，现有技术中的具有磁场馈电的同步电机(Electric Machines，Theory，Operation，Applications，Adjustment，and Control，Charles I Hubert.ISBN0-675-21136-0，第305-308页)具有固定的网频率。在这样的系统中，有功功率和无功功率是可控的。在发电机系统中，功率是通过控制能量(风、水、燃气、蒸汽等)供应来控制的。无功功率通过控制磁场绕组的电流来控制。在过励磁时，无功功率馈电至系统，其通常会增加电压(提供感性负载角)。在过低励磁时，无功功率来自网，具有感性负载角，电压会降低。在通常的同步电机中，励磁电机和辅助电动机(同源)。励磁电机提供较少励磁电流传递的集电器。辅助电动机带动该电机至同步旋转。可以如PCT申请WO 85/02886中描述的那样结合励磁电机和启动电机。
目前的PMSM系统变换器通常用于将电机连接至网。变换器在网和允许以可变的转速工作的电机之间提供去耦合。变换器允许面向电网的控制。这种“有源前端”可以使用开关来而不是面向电网的二极管。这种配置提供了当前令人满意的电网连接。缺点是增加了由变换器带来的成本。在一些情形下，变换器的成本等于电机的成本。
在最近十年期间，提出了具有部分变换器馈电的系统以提供增加的功能。一个例子为双馈同步电机，其在Electric Machines，Theory，Operation，Applications，Adjustment，and Control，Charles I Hubert.ISBN 0-675-21136-0，第8章中示出了。其中，定子直接从网馈电，同时转子通过变换器和集电环馈电。这种配置仅利用1/3的变换器额定值提供了增加的功能。公知的是，多相异步电机和磁阻电机通过定子的双馈入连接至电网。另一个现有技术的例子为具有直接连接至网的定子的同步电机，同时磁场电路具有变换器。变压器的功率额定值大大低于发电机的额定值。在慢转速电机上，普通同步电机需要不合适的大直径来容纳励磁绕组。在这种情形下，永磁同步电机是有利的选择。PMSM电机的缺点是磁场不能由磁场绕组控制，控制需要变换器。
在一些应用中，PMSM电机直接连接至网并且被用作电动机或发电机。这种配置可以在具有稳定速度的系统中使用。由于PM电机的固定的电压/速度曲线，无功功率流的流动在这种系统中不可控制。该系统的一种替代的控制是安装并联的无功功率源。这种源可以具有分段静电电容器或者开关电容器组件(STATCOM)来建立。该系统的缺点是高成本。
“软起动器”是一种具有用于关于启动电流和瞬态转矩提供更好的启动的设备的系统的概念(Design of Intelligent Soft-Start Controller for Induction Motor，Wen-Xiong Li，Jian-Guo Lv，Ming-Sheng Lw.JIE zm03，Proceedings of theThird international Conference on Machine learing and Cybernetics，上海，第26-29页，2004年8月)。这种系统典型的是使用串联至定子绕组的晶闸管。晶闸管为定子提升电压，以提供软启动，而不是直接启动。该类型的设备在启动时不能提供如全桥变换器的关于转矩/速度控制的功能。全桥配置可以控制具有先进的矢量控制的电机，而晶闸管串联连接提供了较少的控制。矢量控制的使用允许最优的各种电机的控制。晶闸管的串联连接也被提出用于控制有功功率和无功功率。
发明目的
本发明的主要目的是降低成本和尺寸，使得电机占有空间低于相应的永磁同步电机。
另一个目的是提供与全变换器系统相比具有更高效率的系统。
其它的目的将通过本发明以及其实施例的后续的描述来揭示。
发明内容
权利要求1描述了根据本发明的方法。其基于永磁同步电机的定子的双馈送。双馈送是通过使用定子的直接馈电和变换器馈电的结合来实现的。这提供了比现有技术的更多的优点。不同电机类型的优点在后续的实施例中更详细的阐述。本发明可以称作“双馈永磁同步电机”(DFPMPS)。
本发明还包括在包括永磁同步电机的电力系统中的设备，如要得要求6所述。其包括在具有永磁同步电机(例如电动机或发电机)的系统中的设备，具有用于馈电或回收电能的变换器，新颖性在于变换器用于馈送或回收大大低于最大功率的功率，以结合直接馈电和变换器馈电(或回收)。
该系统具有上述方法的相应的优点。
本发明的其它特征在剩余的权利要求中描述。
变换器可以额定为小于约50％的总功率(标称功率)。
本发明可用在不同的永磁电机，包括旋转的和线性的、电动机和发电机。
现在，永磁同步电机直接连接至电网或通过全桥变换器(具有电机的标称功率)连接。通过结合两种定子连接，有可能得到具有无功功率流控制的以恒定速度的操作的方案。现有技术和新方案之间的不同之处是现有技术的双馈送，即，直接馈电定子以及通过变换器馈电定子，而新发明具有两种方法(直接和变换器)馈电给定子。PMSM系统的转子具有永磁铁。
与全桥变换器的方案相比，新系统降低了成本，但将提供大部分功能。除了控制无功功率馈电之外，变换器可用于控制转矩。该新方案不需要电刷或集电环，并且因此比现有技术系统(双馈感应发电机-DFIG)需要更少的维护。
变换器馈电部分的尺寸根据系统控制的需求可变。连接要求在国家之间是不同的。在挪威，电网的所有者设定要求。在电网连接的要求中，大于10MW的系统具有特殊的连接要求。这些要求意味着新系统应设计成在电网中的不同操作条件期间有助于有功功率和无功功率的控制。
对于这样的系统，对系统的变换器馈电部分的要求达到50％。对于较小的系统(＜10MW)，本发明将会使系统能够更好地抵抗系统故障。在电压变化时，系统会向电网传送无功功率。对于更小的系统(＜10MW)，电网所有者的要求不会指导系统设计。在这样的系统中，稳定电压的要求最为重要。如果一个或多个发电机系统提供超出输出质量限制的电压变化和频率变化，则电能供应者要对可能对电气系统造成的损坏负责。在用户侧，在电压过高或过低时，通常对设备造成损坏。在使用DFPMSG(直接馈电永磁同步发电机)时，发电机系统的终端电压被控制，以避免用户侧的损坏。
根据本发明使用的变换器可以是标准变换器。对于使用的开关或拓扑的类型没有限制。一个例子可以为全桥变换器。该变换器可以基于IGBT(双极门极绝缘晶体管)技术，并设计具有用于电网侧(有源前端)的部分和连接至电动机的部分。所述两个变换器部分典型地连接有DC连接。
例子
现在将参照附图来描述本发明。
图1的描述
图1示出了一个集成的解决方案。R1、R2、S1、S2、T1和T2表示连接至两个独立的零点的绕组。绕组被分组为使得每一群组都为三相系统。群组1由R1、S1、T1组成。群组2由R2、S2、T2组成。群组1通过变换器3连接至电网。群组2通过电网连接器2直接连接至电网。当电机启动时，转子通过变换器3加速。可以使用变换器控制部分从而以变速操作。当在低速时回收减少的电能时，这对于风力电力系统有用。或在具有节距控制的推进系统。
1表示直接连接和变换器之间的连接器。它可包括电网滤波器和/或变压器。
2表示用于进行直接连接的连接器。它可以是物理的(接触器)或电子的(电力电子)。
3表示连接至电网的变换器。
4表示连接至电机的变换器。
5表示电机。
图2的描述
图2中示出了具有两个同轴电机的系统。该原理同样也可以用在没有用于启动具有替代输入(例如水或蒸汽)的引擎的共同轴的系统中。
图3的描述
1表示直接连接和变换器之间的连接器。它可包括电网滤波器和/或变压器。
2表示用于形成直接连接的连接器。它可为物理的(接触器)或电子的(电力电子)。
3表示连接至电网的变换器。
4表示连接至电机的变换器。
5表示电机。
6表示滤波器或变压器(也可以没有)。
7表示滤波器或变压器(也可以没有)。
图3的变换器可为普通的全桥变换器或其它变换器概念，例如，多电平变换器。具有可独立断开的开关的变换器，例如，IGBT开关，是有利的。
在图3中，变换器通过滤波器或电网变压器通过直接连接而连接。用于这种系统的滤波器可为L或LCL。和变换器一起的滤波器的额定值决定要被控制的功率部分。
通过使用变换器，可控制无功功率和有功功率。系统也可以在没有电网的干扰的情况下被控制。如果只使用直接连接，可实现某些操作的最大效率。
在效率方面，最后一个方案是最佳的，因为系统可以在没有使用变换器的情况下全功率输送。变换器的操作模式可以在无源、同步、启动、停止、无功补偿器和更多的模式之间改变。
在发电时，具有最佳效率的操作尤其重要，但是在系统中的高冷却要求也很重要。这可以是具有高表面温度的井下操作的情形。通过图3的系统，系统可在启动和操作期间使用电力电子来降低损耗。
图4的描述
图4示出了图1的电气系统的一个替换例。
1表示电机(6相)的定子。
2表示连接至电网的设备。
3表示直接连接。
4表示变换器。
5表示电网。
图4概略地示出了双馈定子。定子1具有6相。三相连接至直接连接3，另三相连接至变换器4。两个供电线路都连接至电网5以形成定子双馈。另外，系统还可以具有滤波器和变压器。接触器被布置成允许变换器的旁路和/或并联连接。
图5和6的描述
图5示出了双馈系统的连接的替换例。在这种情形下，变换器连接在两个独立的绕组群组之间。图6示出了用于图5中的变换器的一种可能的连接。图5和6中的配置将允许全部的双馈送的优点(启动、制动、无功功率控制、瞬变量衰减等)。
配置
系统可以不同地构造：
集成方案
在集成方案中，电机可以被分割成不同的绕组的群组。每个群组代表一个三相连接。一个或多个群组可直接馈电，而一个或多个群组可具有变换器连接。电机可以被布置成具有多个三相系统，例如9相系统，其中3相经由变换器连接，并且6相直接连接。
系统方案
在一个系统中，可以使用物理去耦系统，其中，一些部分直接连接至电网，而一个或多个部分通过变换器连接。系统控制可以被设置成控制流过变换器的电力和物理输入。
使用例
本发明可用在由水或其它能量驱动的发电机系统中使用。对于一个发电机系统，有多种可能用于将系统划分成直接连接部分和变换器连接部分。
在电动机中，可以使用变换器部分以将电机带至同步速度。当速度为同步速度时，直接连接部分被连接。系统像现有技术中的同步电机一样与辅助电机一起操作以实现同步速度。不同之处在于使用PM电机的定子的双馈绕组。这种系统的一个例子可以是船的推进系统。在一些系统中，推进器具有恒定的速度以及对螺旋桨叶的偏转的调整。这种类型的系统可以使用具有变换器和一些绕组的零偏转的推进器启动。当电机具有同步速度时，再接合要直接连接的部分。在这种方式下，实现更少花费和更高效的推进。
本发明的另一个版本用于双馈线性PSM电机。通常，这可以提供如旋转PMSM电机所描述的相同的优点。这将通过例子进一步描述。
线性电机用在不同的市场和应用中。一个例子是每端具有弹簧的线性系统，其中涉及共振。这种共振系统用于多种应用。这些应用中的一些的共同点是需要将该系统加速到共振速度。当实现该速度时，以速度进行工作或操作。具有双馈定子的本发明可以，例如，用在具有用于启动的变频器的线性电机中。在共振频率下，连接双馈绕组，变换器馈电绕组可提供对电机的控制，以及面向电网的无功功率的控制。
具有完全直接连接的双馈送
双馈PMSM的又一替代例可使用图3的系统，示出了一个替代的定子的双馈送。在这种情形下，定子同样由变换器和直接连接馈电。
本发明的优点概括
-当线路降低时，新系统可以独立运行
-可以实质上较低的成本控制有功功率
-可以实质上较低的成本控制无功功率
-可以在直接馈电和变换器馈电之间改变(图3)
-本发明可以使用共轴的多个定子
-本发明可以用于具有多个电机的系统，其中，一个电机为变换器馈电，而其余的电机为直接馈电
-双馈送可以用于降低成本。
本发明允许将普通的同步电机替换为双馈永磁同步电机。

Claims (10)

1.一种用于操作永磁同步电机的方法，使用变换器来连接至电网，其特征在于：
馈电通过直接馈电和通过功率大大低于总功率的变换器的馈电两者进行的。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：变换器的功率低于总功率的大约50％。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：变换器单独使用或用于启动系统。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：变换器用于控制有功功率流和无功功率流，并用于频率控制。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于：变换器用于衰减对应于在现有技术的同步电机中的阻尼绕组的瞬变量。
6.一种用于具有永磁同步电机(5)，例如电动机或发电机，的系统的设备，所述设备具有用于馈电或回收电能的变换器(4)，其特征在于：该变换器(4)连接至定子并且被设置用于馈电或回收大大低于最大功率的功率，以结合到电网的直接连接和变换器连接。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：永磁电机(5)的绕组被分成群组、段或盘，其一部分连接至变换器(3)，另一部分使用电网连接(2)直接连接至电网。
8.根据权利要求6所述的设备，具有多个电机，其特征在于：一个或多个电机由变换器馈电。
9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于：该变换器(3)被额定为小于总功率的大约50％。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：该设备被设置成所有绕组均使用双馈(附图3)。
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