CN102484439A - 包括开关系统、同步电机械、以及变速驱动器的组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种组件，所述组件包括：变频驱动装置(3)；包括转子和定子的同步电机械(2)；构造成将同步电机械(2)电连接到电网(100)的所述开关系统(4)，定子包括：连接到开关系统使得由电网(100)向定子供应电力的主电绕组(16)、以及连接到变频驱动器(3)的辅助电绕组(17)，开关系统(4)设置成当主电绕组(16)具有与电网(100)的电压、频率、和/或相位接近的电压、频率、和/或相位时，将所述主绕组连接到电网(100)。

Description

包括开关系统、同步电机械、以及变速驱动器的组件
技术领域
本发明的主题为一种包括调频器、同步电机械，以及相关的开关系统的组件。
本发明的目的是能够通过将带有永磁体的同步电机械直接地连接到主电力系统而使用该同步电机械。
本发明更特别地但非绝对地应用于：
-同步电机械，所述同步电机械仅需要相对较低的转矩来达到其额定速度，例如一旦达到该额定速度，便驱动可以被加载的元件的同步电机械。
-被驱动的同步电机械，例如发电机，所述同步电机械可以在不需要从主电力系统获得它们的能量的情况下达到它们的额定速度。
背景技术
在实践中，例如在Jacek F.GIERAS和Mitchell WING的著作“永磁体电动机技术(“Permanent magnet motor technology”)”中已知：通过使用异步电机械作为加速器而启动同步电机械，以使同步电机械达到与同步状态的速度接近的速度，然后允许同步电机械通过主电力系统直接提供动力。这种方案需要设置异步电机械，这会增加成本和/或空间需求。
例如从申请US 2003/0071533已知的另一种解决方案在于：通过制造同时带有鼠笼和磁体的转子而使异步电机械同步化。此外，这种机器的性能不是完全令人满意的，特别是当主电力系统的电压或载荷变化时是这样。
专利US 5 239 251和UQS 5 528 804公开了具有绕线转子和定子的电机械，所述定子具有主电绕组和附加的电绕组，附加的电绕组通过调频器而提供动力。这些电机械形成带有异步电机械转子的“双馈”型发电机，并且这些电机械与其中转子包括永磁体的同步电机械非常不同。
发明内容
本发明的目的是进一步改进同步电机械以及它们的电源系统。
本发明的特别目的是制造这样的同步电机械：该同步电机械的性能并不因主电力系统的电压变化或因载荷变化而受到严重影响，并且达到这样的速度，在该速度下，同步电机械可以以相对简单并且低成本的方式电连接到主电力系统。
本发明的目的是满足这个需要，并且根据本发明的方面之一，本发明通过包括如下部件的组件来实现该目的：
-调频器，
-同步电机械，该同步电机械包括转子和定子，以及
-开关系统，该开关系统构造用于将同步电机械电连接到主电力系统，
定子包括：主电绕组，该主电绕组连接到开关系统以通过主电力系统而被直接地提供动力；以及辅助电绕组，该辅助电绕组连接到调频器，开关系统设置成当主电绕组的电压、频率和/或相位与主电力系统对主电绕组的动力供给相适合时，将主电绕组连接到主电力系统。
“通过主电力系统而提供动力，联接到主电力系统或连接到主电力系统”是指这样的构造：其中，主电绕组仅通过开关系统直接地连接到主电力系统。
根据本发明，同步电机械可以通过用调频器改变应用到辅助电绕组的频率和电压而例如逐渐地被启动。因而，电动机在启动期间像常规同步电机械一样被提供动力。
调频器的额定功率可以介于同步电机械的额定功率的1％至50％之间，例如等于同步电机械的额定功率的大约25％。因此，所使用的调频器可以仅提供减小的功率，这相对于电动机完全通过调频器而提供动力的解决方案来说，减小了调频器的成本和调频器的空间需求。
开关系统可以具有这样的构造：其中，当主电绕组连接到主电力系统时，辅助电绕组被调频器供电。
调频器可以构造成当主电绕组被主电力系统提供动力时，调节辅助电绕组的沿机械的直电轴和/或沿机械的正交电轴的电流。
主电绕组和辅助电绕组可以缠绕成在电力方面是独立的。
定子可以包括多个凹槽，并且主电绕组和辅助电绕组可以容纳在不同的凹槽中。作为变型，主电绕组和辅助电绕组至少部分地容纳在相同的凹槽中。因此，容纳主电绕组的电导体的每个凹槽可以容纳辅助电绕组的电导体。
主电绕组和辅助电绕组可以在凹槽中被隔开，这使得能够在所述绕组之间产生漏通量并由此能够更容易地控制调频器。通过辅助装置，例如(以非限制性的方式)铁氧体磁环，这些漏通量也可以产生于绕组的头部或其它任何位置，甚至产生于绕组的外部。
辅助电绕组的尺寸可以设定成使得辅助电绕组具有与通过与主电绕组相同的主电力系统而提供动力的调频器的电压相适合的电压。
同步电机械和调频器例如是多相的，特别地，是三相的。
辅助电绕组的电压例如在主电绕组的电压的80％至100％之间。
同步电机械的定子的主电绕组和辅助电绕组可以包括不同数量的相位，例如主电绕组为单相的而辅助电绕组为三相的。
同步电机械可以包括带有永磁体的转子。这些永磁体用来在机械的空气间隙中产生感应通量，所述通量特别地在所述机械在额定条件下运转期间与定子相互作用。转子的永磁体例如不同于启动磁体。
同步电机械可以是具有内转子或外转子的径向通量感应机械，或作为变型，是轴向通量感应机械。
同步机械可以是勉强同步(synchro-reluctant)的机械：包括非常突出的转子，并具有少量磁体或不具有磁体，并构造成使得如同对常规同步机械而言，定子场在定子处旋转。
同步机械可以具有任意的额定功率，该额定功率例如是1kW和几个MW。
同步机械优选地为仅需要小转矩来达到主电力系统的同步状态的速度的同步机械，例如：空气压缩机或制冷压缩机，被逐渐加载的泵或通风系统，或者是能够在无载荷状态下启动并且仅在启动后被加载的机械，例如粉碎机、混合机、研磨机、筛分机或捏合机。这在些示例中，所述机械在其处于与待被粉碎、混合、研磨、筛分或捏合的产品相接触时被加载。
所述机械可以通过机械构件，例如液力偶合器或离心耦接器-例如离合器而与负载连接。
同步电机械可以形成电动机，并且调频器可以构造成为主电绕组提供与通过主电力系统对主电绕组的动力供给相适合的电压、频率和/或相位值。
与主电力系统的动力供给相适合的电压例如在主电力系统电压的95％至105％之间。
与主电力系统的动力供给相适合的频率例如为主电力系统的频率+1Hz或-1Hz。
与主电力系统的动力供给相适合的相位为相对于主电力系统的相位的+10°或-10°。
作为变型，同步机械为如下发电机：该发电机不需要或需要很少来自主电力系统的电功率来达到该发电机的额定速度。
根据本发明的另一方面，本发明的另一主题为一种用于控制通过开关系统电连接到主电力系统的同步电机械的方法，其中：
-启动同步机械，其中，该同步机械的定子的辅助电绕组电连接到调频器，以及
-对开关系统进行作用，以便当主电绕组的电压、频率和/或相位具有与由主电力系统对主电绕组的动力供给相适合的值时，将同步机械的定子的主电绕组连接到主电力系统。
同步机械可以通过由调频器为辅助电绕组提供动力而被启动。
当主电绕组连接到主电力系统，所述机械的旋转速度与通过主电力系统对主电绕组供给的电功率相适合时，定子的辅助电绕组可以继续由调频器供电。
所述方法可以包括这样的步骤：对调频器进行作用，以便在主电绕组被主电力系统提供动力时，调节沿机械的直电轴的感应通量。所述调节可以通过将沿所述机械的直轴(在派克变换(Park’s transformation)的方向上)的电流输入辅助电绕组而实现。所述调节能够调节机械的功率因数，和/或从例如效率的角度，或从主电力系统获得的或提供给主电力系统的无功能量的角度，使机械在其最佳操作点工作。
同等地或作为变型，该方法可以包括以下步骤：在调频器上进行作用，以便在主绕组被主电力系统提供动力时，调节辅助电绕组的沿机械的正交电轴的电流。这个调节使得特别地能够分配有助于形成机械的在主电绕组以及辅助电绕组中的扭矩的电流，并减少机械的热量和/或改进系统的整体效率。
特别地，是直轴电流的贡献还是交轴电流的贡献取决于所选择的调频器的性能。
根据本发明的另一方面，本发明的另一主题为用于使用同步电机械的方法，其中：
-同步电机械根据上文所述方法启动，在这个启动期间，同步电机械以减小的转矩运转，或无载荷地运转，并且，
-在同步电机械的定子的主电绕组连接到主电力系统之后，同步电机械被加载。
这种方法能够减小将同步电机械加速到与被主电力系统对主绕组的动力供给相适合的旋转速度而必需的转矩。
同步电机械为例如压缩机、泵或通风系统，并且在所述机械启动期间，流体承受较小压力损失，然后，一旦同步电机械的定子的主电绕组连接到主电力系统，流体的路径便被改变使得离开同步电机械的流体承受较大的压力损失。
当流体承受较小压力损失时，流体例如以闭合环路循环而不会遭受较大的压力损失。
附图说明
通过阅读以下本发明的非限制性示例性实施方式的描述，并通过研究附图，可以更好地理解本发明，其中：
图1示意性地示出根据本发明的示例性组件；
图2为根据本发明的示例性实施方式的同步电机械的轴向剖面视图；
图3为根据本发明的另一示例性实施方式的同步电机械的横截面的视图；
图4示意性地示出根据本发明的示例性实施方式的方法；以及
图5示意性地示出本发明的应用的示例。
具体实施方式
图1示出根据本发明的组件1的示例。该组件1包括同步电机械2、调频器3以及开关系统4。如图1中所示，调频器3和开关系统4都电联接到主电力系统100。主电力系统100例如是以50Hz的频率在各相之间输送400v的电压的三相工业主电力系统。作为变型，主电力系统的频率可以为60Hz，且各相之间的电压根据所涉及的主电力系统而可以不同于或等于400v。所述电压可以与世界上所有主电力系统的电压相对应。现在将参照图2和图3给出根据本发明的示例性实施方式的同步电机械2的描述。
同步电机械2可以是三相同步电动机。电动机2具有例如介于1kW至几个kW、甚至几个MW之间的额定功率。同步电动机2可以包括任意数量的极对，例如两个极、四个极、六个极、或八个极。
同步电动机2沿着转动轴线X延伸并且包括定子5和转子6。在示出的示例中，定子5和转子6是同心的，电动机中的感应通量是放射状的，但本发明不限制于这样的示例。在变型中，同步电动机2是盘状的，因而感应通量是轴向的。
在图2和图3的示例中，电动机2具有内转子，转子6被定子5围绕，但在未示出的示例中，电动机具有外转子。
如图2中所示，电动机2具有轴7，轴7可以是整体的。在图2的示例中，该轴7安装在由前端件10a和后端件10b支承的两个轴承9上的机械的壳体8上。前端件10a和后端件10b中的至少一个可以具有中央开口12，轴7穿过所述开口12延伸到壳体8的外面。
在所描述的示例中，定子5包括图3中所示的一组磁性金属片15，独立的主电绕组16和辅助电绕组17缠绕在磁性金属片组15上。
磁性金属片组15包括一系列凹槽18。主电绕组16和辅助电绕组17可以容纳在不同的凹槽18中。作为变型，只有特定的凹槽18同时容纳有主电绕组16和辅助电绕组17。在另一变型中，容纳有主电绕组16的每个凹槽18也容纳辅助电绕组17。
当凹槽18同时容纳有主电绕组16和辅助电绕组17时，间隔件21可以将主电绕组16和辅助电绕组17间隔开。
主电绕组16和辅助电绕组17可以是分布式绕组，或作为变型，可以是集中绕组(即缠绕在齿上)。
辅助电绕组17的尺寸与主电绕组16的尺寸之间的比率例如介于10％至100％之间，特别地介于10％至50％之间，更好地介于25％至40％之间。在所描述的示例中，同步电动机2的转子6包括永磁体20，永磁体20可以是：置于表面上的磁体并且在磁体之间具有极性或不具有极性；或者是以放射状的方式或其它方式置于转子中的嵌入式磁体。转子6例如是通量集中转子。
调频器3可以具有介于同步电动机2的额定功率的1％至50％之间的额定功率。调频器3的额定功率例如等于同步电动机2的额定功率的大约25％。
调频器例如容置在固定到同步电动机2的壳体8的外壳中。
调频器由主电力系统100供电，调频器电联接到同步电动机2的辅助绕组17。
开关系统3使得|[y1]能够将同步电机械2的定子6的主电绕组16联接到主电力系统100。
开关系统4包括开关19，开关19可以是机电式继电器，或诸如功率晶体管之类的电子元件。
开关系统可以包括：测量电动机的旋转速度的速度和/或位置的传感器；以及控制回路，该控制回路根据主电绕组16是否具有与主电力系统100的电压、频率和/或相位接近的电压、频率和/或相位来控制开关19处于打开或闭合位置。现在将参照图4给出对用于启动同步电动机2的示例性方法的描述。
在步骤50中，定子5的辅助电绕组17被调频器3而提供动力。开关系统4的开关19是打开的，使得定子5的主电绕组16不通过工业主电力系统供电。
在步骤51中，调频器调节辅助电绕组17中的电流，使得主电绕组16的电压、频率和/或相位尽可能地接近主电力系统100的电压、频率以及相位，特别地是等于主电力系统的电压和频率的+2.5％或-2.5％以及主电力系统的相位的+10°或-10°。
当测得的参数与被主电力系统对主电绕组16的动力供给相适合时，开关系统4的开关19在步骤52中自动地闭合，在此之后，同步电动机2的定子5的主电绕组16连接到主电力系统，并由此被主电力系统100供电。在这个步骤期间，同步电机械2的定子5的辅助电绕组17可以仍然被调频器3提供动力。
在步骤53——该步骤可以是可选的或可以是不可选的——中，当主电绕组16联接到主电力系统100时，可以改变由调频器3输送至辅助电绕组17的电流，以优化同步电动机2的运转。这使得能够改进同步电动机的功率因数和/或同步电动机的效率。
例如，在所述步骤53期间，可以通过沿直电轴将电流输入到辅助电绕组17中而调节机械的沿直轴(派克变换的方向)的感应通量。
另外地或作为变型，在所述步骤53期间，可以调节辅助电绕组17的沿正交电轴的电流。
最后，在该步骤期间，可以在调频器的可能性的范围之内，同时调节直轴电流和交轴电流。
本发明更特别地适用于仅需要小的转拒以达到额定速度的同步电机械，例如空气压缩机或制冷压缩机；泵或通风系统；或能够无载荷启动且仅在启动完成后被加载的机械，例如粉碎机、混合机、研磨机、筛分机或捏合机。
图5示出本发明在空气调节系统200中的应用的示例，空气调节系统200包括：压缩机201，压缩机201包括如上所述的同步电动机；以及环路202，环路202包括可控制阀203。
当同步电动机启动时，阀203是打开的，使得流体在环路202中循环而没有较大压力损失。当控制单元——所述控制单元例如结合至调频器中，或作为变型，是独立部件205——检测到主电绕组16的电压和相位接近主电力系统的电压和相位时，控制单元便触发开关系统4，这使得由主电力系统为同步电机械的定子的主电绕组提供动力，然后给出指令以关闭阀203，使得流体在所设置的回路中循环。
根据本发明的组件也可以用于驱动旋转电力旋转机械，驱动所述机械的同步电动机通过离合器联接到所述机械，其中所述离合器在同步电动机启动时处于分离状态，然后一旦主绕组通过主电力系统提供动力，所述离合器便处于接合状态。
根据本发明的组件也适用于不需要电源来启动到其额定转速的发电机，调频器能够在最开始被用于调节所述机械的参数，使得主电绕组16具有与主电力系统100的电压、频率以及相位接近的电压、频率以及相位，并且之后，一旦主绕组被连接，调频器便被用于调节所述机械的功率因数和效率参数。
表述“包括一个”必须理解为表示“包括至少一个”。

Claims (16)

1.一种组件(1)，所述组件(1)包括：
-调频器(3)，
-同步电机械(2)，所述同步电机械(2)包括定子(5)以及带有永磁体的转子(6)，以及
-开关系统(4)，所述开关系统(4)构造成将所述同步电机械(2)电连接到主电力系统(100)，
所述定子(5)包括：主电绕组(16)，所述主电绕组(16)连接到所述开关系统(5)以便由所述主电力系统(100)供电；以及辅助电绕组(17)，所述辅助电绕组(17)连接到调频器(3)，
所述开关系统(4)设置成当所述主电绕组(16)具有与所述主电力系统(100)的电压、频率和/或相位接近的电压、频率和/或相位时，将所述主电绕组(16)连接到所述主电力系统(100)。
2.根据前述权利要求所述的组件，所述开关系统(4)具有这样的构造，其中：当所述主电绕组(16)由所述主电力系统(100)供电时，所述定子的所述辅助电绕组(17)由所述调频器(3)供电。
3.根据权利要求2所述的组件，所述调频器(3)构造成当所述主电绕组(16)由所述主电力系统(100)供电时，调节所述辅助电绕组(17)的沿所述机械的直电轴的电流。
4.一种根据权利要求2或3所述的方法，所述调频器构造成当所述主电绕组(16)由所述主电力系统(100)供电时，调节所述辅助电绕组(17)的沿所述机械的正交电轴的电流。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的组件，所述调频器(3)能够使所述主电绕组(16)的电压、频率和/或相位达到与通过所述主电力系统(100)对所述机械的所述主电绕组的电力供给相适合的值。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的组件，所述调频器(3)的额定功率介于所述同步电机械(2)的额定功率的1％至50％之间。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述主电绕组(16)和所述辅助电绕组(17)被完全电隔离。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述定子(5)包括多个凹槽(18)，并且所述主电绕组(16)和所述辅助电绕组(17)容纳在不同的凹槽(18)中。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的组件，所述定子(5)包括多个凹槽(18)，并且所述主电绕组(16)和所述辅助电绕组(17)至少部分地容纳在相同的凹槽(18)中。
10.根据前述权利要求所述的组件，所述主电绕组(16)和所述辅助电绕组(17)在所述凹槽(18)中被隔开。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述机械(2)包括置于所述主电绕组(16)和所述辅助电绕组(17)中的至少一个的周围的辅助系统，特别地是铁氧体磁环，以产生用于使所述调频器的驱动更容易的额外泄漏。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，在所述辅助电绕组(17)中产生的电压介于所述主电绕组(16)的电压的80％至100％之间。
13.一种用于控制同步电机械(2)的方法，所述同步电机械(2)包括带有永磁体的转子，所述同步电机械(2)通过开关系统(5)电连接到主电力系统(100)，其中：
-启动所述同步电机械(2)，所述同步电机械(2)的定子(5)的辅助电绕组(17)电连接到调频器(3)，以及
-对所述开关系统(4)进行作用，以在所述主电绕组(16)的电压、频率和/或相位具有与经由所述主电力系统(100)对所述主电绕组(16)的电力供给相适合的值时，将所述同步电机械(2)的所述定子(5)的主电绕组(16)连接到所述主电力系统(100)。
14.一种使用同步电机械(2)的方法，其中：
-所述同步电机械(2)根据如权利要求13所述的方法被启动，所述同步电机械(2)在启动期间以减小的转矩运转，以及，
-所述同步电机械(2)在所述同步电机械(2)的所述定子的所述主电绕组(16)已被连接到所述主电力系统(100)之后被加载。
15.根据权利要求14所述的方法，所述同步电机械(2)为压缩机、泵和通风系统中的一种，并且在所述机械的启动期间，流体承受较小压力损失，然后，一旦所述同步电机械(2)的所述定子的所述主电绕组(16)连接到所述主电力系统(100)时，流体的路径被改变，使得离开所述同步电机械(2)的流体承受较大压力损失。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述流体在其承受较小压力损失时在闭合环路(202)中循环，而不会遭受较大压力损失。
CN2010800386295A 2009-07-31 2010-07-29 包括开关系统、同步电机械、以及变速驱动器的组件 Pending CN102484439A (zh)

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