CN103701260A - 电机和用于运行这种电机的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机和用于运行这种电机的方法。电机(10)包括具有第一转子绕组(14)的第一转子芯(13)、具有第一定子绕组(17)的第一定子芯(16)、用于给所述第一转子绕组(14)供应电流的励磁装置(18)。励磁装置具有：带有第二转子绕组(20)的第二转子芯(19)，第二转子芯(19)以固定的旋转关系连接到所述第一转子芯(13)上；以及带有第二定子绕组(22)的第二定子芯(21)。第二转子绕组(20)和第二定子绕组(22)是多相绕组，并且第一转子绕组(14)和第二转子绕组(20)彼此连接。

Description

电机和用于运行这种电机的方法

技术领域

本发明涉及一种电机和用于运行这种电机的方法。

例如，电机是旋转电机，例如连接到燃气涡轮或蒸汽涡轮上的同步发电机(涡轮发电机)或者连接到水力涡轮上的同步发电机(水力发电机)或者异步发电机或者同步或异步电动马达或其它类型的电机。下文尤其涉及发电机。

背景技术

电机，例如发电机(典型地，发电机是异步电机，在下文它被称为为主电机)具有带有转子绕组(转子绕组被供应电功率)的转子，以及定子，定子具有定子绕组，用于收集电功率，以供应给供电网络。

为了给转子绕组供应电功率，可以提供不同的励磁系统。

第一励磁系统是所谓的静态励磁系统；它包括静态整流器，静态整流器在其一侧连接到供电网络上以接收交流电功率，而在另一侧连接到滑环上以将直流电功率传递给转子绕组。

静态励磁系统的缺点在于，在运行过程中，滑环和连接到其上的电刷经受着磨损，这种磨损导致了碳粉尘的产生。

另一种不同的励磁系统是所谓的无刷励磁系统。无刷励磁系统包括带有三相或多相励磁转子绕组的励磁转子，以及具有直流励磁定子绕组的励磁定子。

在运行过程中，通过励磁定子绕组，在励磁转子绕组中感应出交流电压；然后它通过二极管被整流(以提供给主电机的转子)，上述二极管随转子旋转。

EP 1 289 118 A1公开了一种无刷励磁系统；具体地，它公开了一种励磁系统，其具有连接到旋转整流器(其又连接到主电机的转子上)的交流励磁转子绕组和带有直流励磁定子绕组的励磁定子。

这些电机具有这样的缺点，即它们不能在启动时提供励磁(例如当励磁转子处在静止时)。因此在较低的速度下不能进行制动。

发明内容

本发明的目的是提出一种电机，其避免了已知电机的缺点。

本发明的另一个目的是提出一种电机，其省掉了滑环的使用。

更进一步，本发明的目的是提出一种运行这种电机的方法。

以上和其它目的由根据权利要求1和7所述的电机和方法来实现。

电机包括具有第一转子绕组的第一转子和具有第一定子绕组的第一定子，以及用以供应电流给第一转子绕组的励磁装置。励磁装置具有：带有第二转子绕组的第二转子，第二转子以固定的旋转关系连接到第一转子上；以及带有第二定子绕组的第二定子。

电机的特征在于，第二转子绕组和第二定子绕组是多相绕组，以及第一转子绕组和第二转子绕组彼此连接。

在第一个改进中，第一转子绕组和第二转子绕组的所有相通过相连接导体彼此连接。

在另一个改进中，第一转子绕组和第二转子绕组布置在公共转子轴上。

在进一步改进中，相连接导体在转子轴内延伸。

在更进一步改进中，励磁装置限定异步电机。

在另一个改进中，第一转子绕组是多相绕组，以及第一转子绕组和第二转子绕组彼此直接连接(即，没有其它构件置于它们之间，诸如整流器)。

根据用于运行电机的方法，为了控制/调节电机，基于通过励磁装置的第二定子绕组的定子电流来确定通过第一转子绕组的转子电流。

在方法的第一个改进中，测量转子的速度，并且根据测量到的速度和励磁装置的等效电路图来确定通过第一转子绕组的转子电流。

在另一个改进中，励磁装置的机器模型用来确定流过第一转子绕组的转子电流，使得基于励磁装置的测量电流来计算通过第一转子绕组的转子电流。

在进一步的改进中，确定通过第一转子绕组的转子电流是借助于多级级联控制来实现的，其中，借助于通过第一定子绕组的定子电流来控制电机的磁化和转矩，通过第一定子绕组的定子电流本身由通过第一转子绕组的转子电流来控制，通过第一转子绕组的转子电流本身又通过施加通过励磁装置的第二定子绕组的定子侧电流来控制。

附图说明

下文将结合附图参考示例性实施例更详细地解释本发明。在附图中：

附图1以非常简化的表示示出了根据本发明的示例性实施例的异步电机；

附图2示出了连接到供电网络上的电机；以及

附图3示出了在本发明的不同实施例中的不同电机。

部件列表：

10主电机

11电机轴线

12转子

12a转子轴

13转子叠片芯

14转子绕组

15定子

16定子叠片芯

17定子绕组

18异步励磁电机

19转子叠片芯

20转子绕组

21定子叠片芯

22定子绕组

23控制器/调节器

24机器模型

25功率供应

26电流传感器

27转速传感器

28供电网络

29相连接导体

30变压器

31变压器

33旋转整流器。

具体实施方式

参考附图1，示出了主电机10。主电机10例如是异步电机，如在抽水蓄能发电厂和/或风电场内的变速发电的发电机。

主电机10包括具有转子轴12a的转子12，转子轴12a绕着电机轴线11旋转。

转子12具有带有相关联的第一转子绕组14的第一转子芯13(其可以是叠片式的或非叠片式的)。

转子芯13被定子15同心地包围，定子具有带有第一定子绕组17的第一定子叠片芯16；定子绕组17被连接到供电网络28。

这个主电机10关联到励磁装置18上，励磁装置供应电流给第一转子绕组14。

励磁装置18包括具有相关联的第二转子绕组20的第二转子芯19(叠片芯或非叠片芯)，第二转子绕组20被具有第二定子绕组22的第二定子叠片芯21同心地包围着。

第二转子芯19以固定的旋转关系连接到第一转子芯13，例如第二转子芯19布置在转子轴12a上(其它方案也都是可能的)。

第一转子绕组14和第二转子绕组20是多相绕组，并且通过相连接导体29彼此直接连接。

优选地，两个绕组14、20是可以由一个或多个并联电路构成的三相绕组。

在这个实施例中(主电机是异步电机)，在绕组14和20之间不需要用于整流的二极管。

可以承载较大电流的所有相连接在一起。因为轴承通常位于主电机和励磁装置18之间，所以这种连接(相连接导体29)有利地置于转子轴12a之中(参见图1中的箭头)。这个方案的突出之处在于内在安全性(对于过电压)和电机的旋转部分的相对简化性。

对于根据本发明的方案，两个绕组14和20的直接电连接和机械连接形成了不能被断开的一个闭合电路。因此，危险电压基本上不可能发生在转子12上。更进一步地是，主电机的转子绕组14不再直接承受将会发生在可能存在的变换器(PWM型)的输出上的非常快速的电压变化。相比之下，在带有滑环的老式静态励磁系统内，如果带有滑环的异步电机的转子电路由于例如在滑环装置发生损坏的情况下将会发生的任何原因被断开，那么这将导致在转子绕组内产生可能有害的过电压。

在主电机上的控制是通过控制励磁装置18的第二转子芯19中感应出的电流来实现的。

在本公开的励磁装置18中，当第二定子绕组22被供应电流Is时，第二转子绕组20上感应出的电流Ir(这是供应给第一转子绕组14的电流)是：

Ir＝Is·f(w)

其中：

Ir是在第二转子绕组20上感应的电流。

Is是在第二定子绕组22上提供的电流，

w是在第二定子芯21和第二转子芯19之间的相对速度，

f(w)是w和电机设计的已知函数。

换句话说，励磁装置18可以看作是旋转变压器，其中变压系数取决于速度。

当第二转子芯19的速度变化时(例如当启动或停止主电机10)，供应给第二定子绕组22的电流必须被控制，以在第二转子绕组20上获得所需电流。

如果已知速度和励磁装置18的等效电路图，那么转子电流可以通过计算来确定，这从通过励磁装置18的定子绕组22的定子电流开始。

例如，这可以通过多级级联控制来完成。

根据图1，为了此目的，提供控制器/调节器23，其通过电流传感器26接收与定子绕组17内的定子电流有关的信息。更进一步，控制器/调节器23从布置在转子轴12a上的转速传感器27接收电机的当前速度；备选地，这个信息的任何一个或全部(但优选是定子绕组17内的定子电流)可以根据机器模型获取。

励磁装置18的定子绕组22的功率供应25(例如变换器)由控制器/调节器23来控制。

当不测量这些电流时，转子电流的控制质量可以通过使用数学机器模型24(观测器)来提高。这种机器模型24对控制器/调节器23提供用于确定主电机的转子绕组14中的转子电流的必要关系。

电机的运行大致如下。

附图2示出了连接到供电网络28上的主电机10的一个例子。

供电网络28通过变压器30连接到功率供应25上，功率供应连接到功率调节器23上。

功率供应25又连接到第二定子芯21的第二绕组22上，第二绕组22可以在第二转子芯19的第二绕组20内感应出电流。

第二绕组20连接到第一转子芯13的第一绕组14上，第一绕组14又在第一定子芯16的第一绕组17内感应出电功率。第一绕组17通过变压器31连接到供电网络28上。

在运行中，第二绕组22被供应电流Is，电流Is是根据在第二绕组20上的期望电流Ir(Ir就是供应到第一绕组14的电流)和第二转子芯速度来确定的。电流Is是交流电流，例如三相电流，很明显，任何数量的电流相都是可能的。电流Is在转子绕组19中感应出电流Ir。

电流Ir通过相连接导体29被传输到第一转子绕组14。通过第一转子绕组14，电流Ir在第一定子绕组17中感应出电功率。

当转子12的速度改变时，电流Is相应地改变以获得期望Ir；这可以在启动、停止时或者在例如风力涡轮或水力涡轮的调控过程中完成。

转子也可以设有旋转整流器33以防在第一转子芯13处需要直流电功率(例如如果主电机限定同步电机的话)。

有利地，本公开的励磁装置可以与第一转子和定子一起使用，上述第一转子和定子限定异步电机、同步电机或双馈异步电机(例如用于抽水蓄能发电厂中的变速发电以及也可以用在风电场中的那些)。此外，本公开的励磁装置可以用于高速旋转同步电机(涡轮发电机、低级数水力发电机，以及类似电机)以及低速电机(在这种情况下，励磁装置用来仅通过非接触方式将功率从定子传输到转子，并因此可以对应地构造得相对较小)。

有利地，励磁装置也适用于在静止状态下对同步电机励磁，这对于传统的无刷励磁装置是不可能的。这在以马达模式启动同步电机时尤其重要。

Claims (10)

1.一种电机(10)包括：

具有第一转子绕组(14)的第一转子芯(13)；

具有第一定子绕组(17)的第一定子芯(16)；

用于给所述第一转子绕组(14)供应电流的励磁装置(18)；

所述励磁装置具有：

具有第二转子绕组(20)的第二转子芯(19)，所述第二转子芯(19)以固定的旋转关系连接到所述第一转子芯(13)上；

具有第二定子绕组(22)的第二定子芯(21)；

其特征在于

所述第二转子绕组(20)和所述第二定子绕组(22)是多相绕组；以及

所述第一转子绕组(14)和第二转子绕组(20)彼此连接。

2.根据权利要求1所述的电机(10)，其特征在于，所述第一转子绕组(14)和第二转子绕组(20)的所有相通过相连接导体(29)彼此连接。

3.根据权利要求1所述的电机(10)，其特征在于，所述第一转子绕组(14)和第二转子绕组(20)布置在公共转子轴(12a)上。

4.根据权利要求2或3所述的电机(10)，其特征在于，所述相连接导体(29)在所述转子轴(12a)内延伸。

5.根据权利要求1所述的电机(10)，特征在于，所述励磁装置(18)限定异步电机。

6.根据权利要求1所述的电机(10)，特征在于，所述第一转子绕组(14)是多相绕组，以及所述第一转子绕组(14)和第二转子绕组(20)彼此直接连接。

7.一种用于运行根据权利要求1-6中的任一项所述的电机(10)的方法，其特征在于，为了控制/调节所述电机，基于通过所述励磁装置(18)的所述第二定子绕组(22)的定子电流来确定通过所述第一转子绕组(14)的转子电流。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，测量所述转子(12)的速度，以及根据测量到的速度和所述励磁装置(18)的等效电路图来确定通过所述第一转子绕组(14)的转子电流。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，使用所述励磁装置(18)的机器模型(24)来确定通过所述第一转子绕组(14)的转子电流。

10.根据权利要求7-9中的任一项所述的方法，其特征在于，确定通过所述第一转子绕组(14)的转子电流是借助于多级级联控制来实现的，其中，借助于通过所述第一定子绕组(17)的定子电流来控制所述电机的磁化和转矩，通过所述第一定子绕组(17)的定子电流本身由通过第一转子绕组(14)的转子电流来控制，通过第一转子绕组(14)的转子电流本身又通过施加通过所述励磁装置(18)的所述第二定子绕组(22)的定子侧电流来控制。

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