CN102832775A - 带有电压调节的交流发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种有待电连接至负载上的交流发电机(1)，该交流发电机包括：转子，该转子包括：旋转场(4)，励磁电枢(2a)，耗散性部件(20)，和切换系统(11)，该切换系统使之有可能将该旋转场(4)选择性地连接至该励磁电枢(2a)和选择性地连接至该耗散性部件(20)上；以及控制器(13)，该控制器控制该切换系统(11)以便调节旋转场(4)中的电流，并且，响应于对该交流发电机(1)应用的负载的减小而将该耗散性部件(20)连接至该旋转场(4)，以耗散该旋转场中存储的感应能量。

Description

带有电压调节的交流发电机
技术领域
本发明的主题是一种同步电机。
背景技术
随着使用日益强大的交流发电机的发电厂的发展，确保尽可能快的负载加载或者负载消减已经变得至关重要。这已经导致了就电磁设计而言日益复杂的电机。在这种背景下使用了日益强大的计算机。
已知的同步发电机是由输出至一个二极管电桥的一个绕线式励磁发电机和一个主电机构成的。励磁电枢的电压经过调节并且用于为该主电机的旋转场供电，因而使之有可能产生该设施所需要的电压。这个电压是借助一个电压调节器来控制的，该电压调节器根据该主电机的输出电压向励磁电感器供应励磁电流。这种励磁能量是通过对来自该主电机或来自放置在该主电机的槽口中的多个辅助绕组的电压进行分接来供应的，抑或另外通过使用具有多个永磁体的、与主电机安装在相同的轴上的一个电机来供应的。
从美国专利6,362,588已知，使用一个传输(具有非正弦形式的)控制信号的系统来调节一个同步电机的电压。这个系统不是很可靠，因为它要求多个同步信号，这些同步信号在励磁发电机的情况下有非常多的谐波，从而不可避免地导致同步困难而影响这种解决方案的鲁棒性。
有可能的是减小励磁发电机的影响以便使该电机作为一个整体而获得一种更好的动态特性。
就该电机的内在结构而言，并不需要很多工作，工作主要被集中在调节部分上，为此使用了新的、所谓的现代控制规律。
存在着进一步提高交流发电机的性能水平的需求，特别是在负载大幅减小的过程中进一步提高交流发电机的性能水平的需求。
发明内容
本发明旨在至少部分地响应于这种需求，并且根据其多个方面之一，凭借有待电连接至负载的交流发电机而实现了这种需求，该交流发电机包括：
转子，包括：
旋转场，
励磁电枢，
耗散性部件，以及
切换系统，该切换系统使之有可能将该旋转场选择性地连接至该励磁电枢上和选择性地连接至该耗散性部件，以及
控制器，该控制器控制该切换系统以便调节该旋转场中的电流，并且响应于对该交流发电机所应用的负载的减小而将该耗散性部件连接至该旋转场，以耗散该旋转场中存储的感应能量。
本发明使之有可能在负载大幅减小时显著改善该交流发电机的响应时间。
凭借本发明，旋转场中的电流非常迅速地被降低，并且在负载减小时的电压过冲也被显著地降低。
该耗散性部件优选地是纯电阻性的。在多种变体中，该耗散性部件具有任何类型，本发明不限于一种具体类型的耗散性部件。
该控制器可以包含到该转子之中。在一种变体中，该控制器未包含到该转子之中。
该转子优选地包括一个整流器，该整流器从该励磁电枢处向直流总线供电，而该切换系统被连接至该直流总线。
这个直流总线可以包括滤波电容器，该滤波电容器具有小于30μF/kW励磁功率的电容。与已知的电力电子结构不同，通过使用这个耗散性部件来耗散能量，使用了一个非常小的滤波电容器。在一种变体中，这个直流总线是未滤波的。
这个切换系统包括多个可开关的电子部件，例如像多个IGBT晶体管。
这个切换系统优选地包括输出至该旋转场的二象限H构形桥。
可以将电流传感器布置在转子上以便测量旋转场中的电流并将适当测量的电流传输至控制器和/或传输至电压调节器。该电流传感器可以具有任何类型，特别是霍尔效应或感应性传感器。
可以将用于旋转场的温度传感器布置在转子上。
这个交流发电机包括定子，该定子包括励磁电感器，该励磁电感器可以包括多个永磁体。在一种变体中，该励磁电感器是绕线式的。
这个定子优选地包括电压调节器，该电压调节器可以由电压调节模块和直流电流发生器组成。
定子的电压调节器优选地通过脉宽调制作用在转子的切换系统的这些可开关的电子部件上。
在励磁电感器是绕线式的情况下，电压调节器还使之有可能向该电机的励磁发电机供应充足的电流以便确保过载模式运转并且同时避免励磁发电机的过热。在这种情况下，这种调节被称作是双功能的。
在一种变体中，电压调节器被放置在遥控柜中。
根据本发明的一种交流发电机可以包括布置在转子的控制器与定子的电压调节器之间的一种用于无线传输的系统，从而使之有可能避免使用一些环和刷，这些环和刷寿命可能是有限的并且涉及很多维修要求。
这种无线传输系统可以由两个传输模块(一个布置在转子上，另一个布置在定子上)以及连接所述模块的多条无线传输通道构成。
借助该双向无线传输系统，可以将旋转场中的电流的值(由转子的电流传感器所测量)传输至定子的电压调节器。
通过无线传输系统可以将由转子的温度传感器所测量的旋转场的温度值传输至电压调节器。这种信息可以用于监控该电机的正确运转的目的。
由该无线传输系统传输和接收的信息可以是处于二进制形式。本发明不限于一种具体的数据编码。
转子和控制器的传输模块优选地是通过对由整流器整流的电压能量的一部分进行分接来供电的。
当交流发电机启动时，可以存在控制装置以便将所有电子部件初始化，从而使之有可能确保该主电机的输出电压的逐渐递增。可以根据电机的要求来调节启动时间。凭借这个装置，可以在1秒和180秒之间的时间间隔上实施电压增加梯度。这就允许了一种逐渐的启动并且减少了驱动该电机的马达停转的风险。
控制器可以被布置成控制切换系统以便通过脉宽调制来调节旋转场中的电流。脉宽调制的占空比可以是主电机的输出电压以及旋转场中的电流值的函数。
在负载大幅减小的情况下，控制器可以减小脉宽调制的占空比，并且可以将耗散性部件连接至旋转场，以便耗散所述场中存储的感应能量。
这种感应能量在耗散性部件中能够以热量的形式被耗散，并且当存在滤波电容器时，可以将一个较小的部分存储在该滤波电容器中。
优选地，耗散性部件至旋转场的连接是在脉宽调制的占空比为零时建立的、并且在此占空比重新变成非零时停止。
根据本发明的另一方面，本发明的另一主题是一种用于缩短在上文中定义的交流发电机的负载消减响应时间的方法，在该方法中：
响应于检测到对该交流发电机应用的负载的减小，控制器作用于切换系统，以便将旋转场连接至耗散性部件，以此耗散旋转场中存储的感应能量。
本发明的上述所有特征对于该方法均有效。
附图说明
通过阅读以下对本发明实施方式的非限制性实例的说明并且通过研究附图，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是根据现有技术的一种交流发电机的示意性图示，
图2是根据本发明的一种交流发电机的示意性图示，
图3是根据本发明的一种交流发电机的示意性局部图示，
图4A展示了根据本发明的交流发电机在正常运转情况下的运转，并且
图4B展示了根据本发明的交流发电机在负载大幅减小的情况下的运转。
具体实施方式
如图1中所展示的，根据现有技术的一种交流发电机连接至一个负载8上，并且包括一个绕线式励磁发电机2a、2b，它输出至一个由双交变二极管电桥组成的整流器3，以及一个主电机4、5。
励磁电枢2a的整流的电压用于为该主电机的旋转场4供电。这个电压是由一个电压调节器7控制、由一个电源12供电、并且根据主电机4、5的输出电压向励磁电感器2b供应励磁电流。
如图2中所表示的，根据本发明的交流发电机1包括一个转子6和一个定子9，该交流发电机可以连接至一个负载8。
转子6包括一个旋转场4和一个励磁电枢2a。
转子6包括一个由双交变二极管电桥组成的整流器3，从而从这个励磁电枢2a为一个直流总线26供电，而这个直流总线上连接了一个切换系统11。
在所说明的实例中，直流总线26包括一个滤波电容器21，该滤波电容器的电容量是(例如)小于30μF/kW的励磁功率。
在未展示的一个变体中，直流总线26是未滤波的。
转子6包括一个耗散性部件20，该耗散性部件在所说明的实例中是纯电阻性的。
如所展示的，可以由三个可开关的电子部件22、23、24(例如IGBT晶体管)以及两个二极管27和28构成的这个切换系统11使之有可能选择性地将旋转场4连接至励磁电枢2a或者连接至耗散性部件20。在图2所展示的实例中，这个切换系统11包括输出至旋转场4的一个二象限H构形桥，该二象限H构形桥由二极管27、28以及可开关电子部件22和24构成。
交流发电机1还包括一个用于控制切换系统11的控制器13，以便通过脉宽调制来调节旋转场4中的电流Irp。脉宽调制的占空比α是主电机输出电压的函数，以便尽可能地将该交流发电机传递的电压维持在一个预先限定的值上。
在所描述的实例中，控制器13包含到转子6中并且随其一起旋转。在未展示的一种变体中，控制器13未包含在转子6中，而是(例如)布置在一个遥控柜中或者附接到定子上。
在所展示的实例中，转子6包括一个电流传感器10用于测量旋转场4中的电流Irp。电流Irp的适当测量的值被传输至控制器13。电流传感器10可以是一种霍尔效应传感器，但是本发明不限于一种具体类型的电流传感器。
如所展示的，旋转场4的温度传感器25可以布置在转子6上。温度Trp的适当测量的值被传输至控制器13。
如图3中所展示的，交流发电机1包括在定子9上的一个励磁电感器2b以及连接至负载8上的主电机的电枢5。定子9是由电源12供电的。
在所描述的实例中，励磁电感器2b是绕线式的。在未展示的一种变体中，励磁电感器2b包括多个永磁体。
在图3中可以看到定子9包括一个电压调节器16，该电压调节器由一个电压调节模块17和一个直流电流发生器18构成。
在这种变体中(未展示)，其中励磁电感器2b包括多个永磁体，电压调节器16仅由一个电压调节模块17组成。
一个RF无线传输系统被布置在交流发电机1的转子6的控制器13与定子9的电压调节器16之间。该无线传输系统由布置在转子6上一个传输模块14、布置在定子9上的一个传输模块19以及连接所述模块的多个无线传输通道15组成。
在传输模块14和15之间所交换的数据是数字式的，并且(例如)是按三个字节或24位编码的。
旋转场4中的电流Irp的值(由转子6的电流传感器10所测量)由无线传输系统14、15、19传输到定子9的电压调节器16。
旋转场4的温度的值Trp(由位于转子6上的温度传感器25所测量)由无线传输系统14、15、19传输到位于定子9上的电压调节器16。
转子6的传输模块14和控制器13是通过对由整流器3整流的电压的一部分能量进行分接来供电的。
在交流发电机1的启动过程中，一个控制装置(未展示)将所有电子部件初始化并且确保在主电机的输出电压中的一种逐渐的递增。
在图4A所展示的交流发电机1的正常运转中，也就是说，在负载8没有任何减少的情况下，如所展示的那样，自整流器3输出的电压为旋转场4供电，并且电流在可开关的电子部件24中循环。可开关的电子部件22处于导通模式，而可开关的电子部件23被截止。耗散性部件20和滤波电容器21未被连接至旋转场4。
在这种运转模式下，切换系统11通过控制器13的控制使之有可能通过调节向旋转场供电的电流的占空比来围绕一个设定点值调节交流发电机1的输出电压。
在负载8减小的情况下(如图4B所展示的)，控制器13根据该交流发电机的输出电压减小占空比α。当占空比α变为零时，可开关的电子部件22被截止，而可开关的电子部件23是处于导通模式。
控制器13因此将耗散性部件20连接至旋转场4，以便耗散所述旋转场中存储的感应能量。感应能量在耗散性部件20中以热量的形式被耗散，并且该能量的一部分存储在电容器21中。
耗散性部件20至旋转场4的连接是在控制可开关的电子部件24的脉宽调制的占空比α为零时建立的、并且当该占空比α再次变成非零时停止。
例如，无线传输模块14接收来自可开关的电子部件24的处于二进制形式的切换命令。这一信息被发送至控制器13，该控制器生成用于切换系统11的脉宽调制。
本发明并不限于已描述的这些实例。
除非另行指明，表述“包括一个/种”应被理解成与“包括至少一个/种”是同义的。

Claims (14)

1.一种有待电连接至负载(8)的交流发电机(1)，该交流发电机包括：
转子(6)，包括：
旋转场(4)，
励磁电枢(2a)，
耗散性部件(20)，以及
切换系统(11)，该切换系统(11)使得能够将该旋转场(4)选择性地连接至该励磁电枢(2a)和选择性地连接至该耗散性部件(20)；以及
控制器(13)，该控制器(13)控制该切换系统(11)以便调节该旋转场(4)中的电流(Irp)，并且响应于对该交流发电机(1)所应用的负载(8)的减小而将该耗散性部件(20)连接至该旋转场(4)，以耗散该旋转场中存储的感应能量。
2.根据权利要求1所述的交流发电机，该耗散性部件(20)是纯电阻性的。
3.根据权利要求1或2所述的交流发电机，该控制器(13)包含在该转子(6)之中。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的交流发电机，该转子(6)包括整流器(3)，该整流器(3)从该励磁电枢(2a)向直流总线(26)供电，该切换系统(11)被连接至该直流总线(26)。
5.根据权利要求4所述的交流发电机，该直流总线(26)包括滤波电容器(21)，该滤波电容器(21)优选地具小于30μF/kW励磁功率的电容。
6.根据权利要求1至4中的任一项所述的交流发电机，该直流总线(26)是未滤波的。
7.根据以上权利要求中的任一项所述的交流发电机，该切换系统(11)包括输出至该旋转场(4)的H构形桥。
8.根据以上权利要求中的任一项所述的交流发电机，包括电流传感器(10)，该电流传感器(10)用于测量该旋转场(4)中的电流(Irp)并且用于将适当测量的电流(Irp)的值传输至该控制器(13)和/或传输至电压调节器(16)。
9.根据以上权利要求中的任一项所述的交流发电机，包括励磁电感器(2b)，该励磁电感器(2b)包括多个永磁体。
10.根据权利要求1至8中的任一项所述的交流发电机，包括绕线式励磁电感器(2b)。
11.根据权利要求3所述的交流发电机，包括位于该控制器(13)与该交流发电机(1)的定子(9)处的电压调节器(16)之间的无线传输系统(14，15，19)。
12.根据权利要求11所述的交流发电机，包括用于该旋转场(4)的温度传感器(25)，由该无线传输系统(14，15，19)将所测量的值(Trp)传输到该定子(9)的电压调节器(16)。
13.根据以上权利要求中的任一项所述的交流发电机，该控制器(13)被布置成控制该切换系统(11)以便通过脉宽调制来调节该旋转场(4)中的电流(Irp)，并且优选地该耗散性部件(20)至该旋转场(4)的连接是在该脉宽调制的占空比(α)为零时建立的并在该占空比再次变为非零时停止。
14.一种用于减少根据以上权利要求中的任一项所述的交流发电机(1)的负载消减响应时间的方法，在该方法中：
响应于检测到对该交流发电机(1)应用的负载(8)的减小，该控制器(13)作用于该切换系统(11)，以将该旋转场(4)连接至该耗散性部件(20)，从而耗散该旋转场中存储的感应能量。
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