CN103931092B - 超导电机及其驱动方法 - Google Patents

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Abstract

一种超导电机（1），其特别是在独立电网中作为发电机使用，具有组件：定子（5）和相对所述定子（5）旋转的转子（2），‑其中，在至少一个组件上，特别是在转子（2）上，布置至少一个用于产生至少两个磁极的超导线圈（3），该超导线圈由冷却装置（4）冷却，并且‑在每个其他组件上，特别是在定子（5）上，用于每个相的电枢绕组中设置有至少两个并行走向的绕组元件（6），通过至少一个开关装置（7）能有选择地串联或并联连接这些绕组元件。

Description

超导电机及其驱动方法
技术领域
本发明涉及一种超导电机，特别是在独立电网中用作发电机，具有以下组件，定子和相对定子旋转的转子，
-其中，在至少一个组件上，特别是转子上，设置有至少一个用来产生至少两个磁极的超导线圈，该超导线圈由冷却装置冷却。此外，本发明涉及一种运行这种超导电机的方法。
背景技术
超导电机已经由现有技术已知，其包括超导线圈，特别是由高温超导材料组成的超导线圈，这些线圈可以作为励磁绕组来在磁极处产生磁场。对于这类电机，超导线圈必须由冷却装置有效地冷却，特别是具有至少一个冷却头的冷却装置。如果超导线圈的温度超过其工作温度时，则无法达到用于运行该超导电机所需的额定励磁电流。
这种超导电机，特别是高温超导-同步电机，在发电机工作模式下被用作独立电网内的能量源，例如也用在船舶中。现在问题是，如何在故障发生后，如冷却设备停止工作后，实现电网基本上有限地维持运行或重新建立电网的基本运行，特别地，由于超导线圈的冷却设备停止工作而使得励磁绕组温度上升，因此不再能够利用额定电流运行。
为了解决这个问题提出使用一种紧急供电装置，例如附加的柴油机组，该紧急供电装置在真正预期的（重新-）运行之前，可以长时间地为用于冷却作为励磁绕组的超导线圈的辅助装置提供功率。然而这里需要附加的十分耗费的发电装置，并且超导电机，特别是高温超导同步电机，用于在独立电网中产生能量方面不是一种很有吸引力的选择。
发明内容
本发明的目的基于，给出一种用于提高运行的安全性以及用于处理故障的、作为发电机，例如在独立电网中使用的超导电机的可行方案，并对该可行方案进行改进。
为了实现上述目的，根据本发明，在前述类型的超导电机中设置，即
-在每个其他组件上，特别是在定子上，用于每个相的电枢绕组中设置有至少两个并行走向的绕组元件，通过至少一个开关装置能够有选择地串联或并联连接绕组元件。
为了接下来可以更好地阐述，以此为出发点，即在常规的设计方案中，具有超导线圈的励磁绕组被布置在转子内（内极电机）。这意味着，在这种方案中定子是带有电枢绕组的电枢。然而本发明中也可以使用与之相反的设计方案，即具有超导线圈的磁极，也就是励磁绕组，被布置在定子内，因此电枢绕组（位于转子内）被视作不同的回路形式（外极电机）。此外，转子可以被设置为内转子或外转子，在有可能的情况下构造为中间类型。此外，使用如下通用概念，其中相绕组描述为绕组的一个或多个绕组元件，这些绕组元件配属有确定的相；绕组元件为绕组的一部分，其绕线或线圈彼此永久相连。此外，电枢绕组表示这样一种绕组，其在运转时从外部电网中接收有效功率和/或无功功率，或把有效功率和/或无功功率输送给外部电网。
本发明提出，在其中产生用于独立电网的能量的电枢绕组，也就是特别是定子绕组被实施为多个平行的多个绕组元件的形式，其中，绕组元件可以通过开关装置，特别是一种开关设备，被并联或串联连接。对每个相都可以执行相同的设置，其中，通常应用三相总绕组。如果绕组元件被串联连接，那么对于相同励磁电流，利用比在并联连接的绕组元件的情况下更高的电压和更低的电流产生功率。为了简化电路的复杂性，可以优选地作如下设置，为每个相设置偶数个，特别是刚好各两个平行的绕组元件。在该实例中，绕组元件的串联电路在额定-励磁电流下允许产生两倍的电压。因此可以实现，根据超导线圈的区域内，也就是励磁绕组的区域内的软铁的比例，使得在励磁电流大约为额定-励磁电流的一半时便可以产生正常的额定电压。然而，同时仅仅能产生大小电机额定功率的一半，因为仅有一半的电流流经串联连接的部分绕组元件。由此本发明可以实现，降低励磁电流并为独立电网提供能量。特别地，在相当高的温度条件下也可以实现低励磁电流。
一般地，这意味着，电枢绕组内，特别是在定子内，每个相都应用n个平行绕组元件时，在串联电路的情况下，在大约额定励磁的n分之一时，即可以由额定功率的n分之一的功率产生全部额定电压，其中，绕组元件内的电流同样为额定电流的n分之一。
这种具有并行走向的绕组元件的电压可转换的绕组以相对较小的耗费实现，因为通常绕组元件总归是要平行设置，以实现可产生功率的绕组。必不可少的是开关装置，该开关装置可以简单地通过位于超导电机的接线盒内的接线柱实现，这些接线柱可以被手动转接。而优选的是，特别通过可驱控开关，例如继电器，来实现开关装置的功能。
本发明的优点在于，通过这种方式，电机已经在被降低的励磁电流下能够达到额定电压，其中这种降低了的励磁电流可以被超导线圈的明显提高的超导温度所允许。这就意味着，例如即使冷却装置停止工作，超导电机也可以在紧急运行模式下以低励磁电流继续工作相当长的时间段，并将额定电压作为电网电压提供给独立电网使用，其中，例如两个串联连接的绕组元件在紧急运行模式下仍有一半的额定功率可用，这部分功率在理想的情况下不仅可以为超导电机的辅助装置供电，此外还可以为独立电网的其他部分供电。这样为了实现而采用的电路技术上的措施耗费很低。
本发明的改进方案中具有以下优点，即超导电机具有实现两种运行模式的控制装置，控制装置设计用于对于正常运行模式，驱控开关装置以并联连接绕组元件，并且对于紧急运行模式，驱控开关装置以串联连接绕组元件并且驱控用于超导线圈的励磁装置用来减小励磁电流，特别是当冷却装置停止工作的情况下。
通过所述控制装置可以实现正常运行模式和紧急运行模式，其中，在正常运行模式下由额定电压提供通常的额定功率，而在紧急运行模式下实现降低的功率，因为该控制装置符合目的地设置用于降低超导线圈的励磁电流。通过驱控相应的励磁装置能够实现的励磁电流的以额定励磁电流为起点的减小，被这样实施，即维持额定电压（在所述被降低了的功率情况下），也就是独立电网通过超导电机继续驱动。特别地，可以作如下设置，即控制装置设计为，在紧急运行模式下使用于超导线圈的励磁电流降低至相应于经过转换的电枢绕组的数量的额定励磁电流的部分。如果在优选的设计方案中每个相存在两个绕组元件，则励磁电流减半，因而可以得到同样的额定电压而功率则减半。
此外控制装置可以设计用于当冷却装置停止工作和/或当用于超导线圈的励磁装置的功率过低和/或当发生其他故障时，激活紧急运行模式。举例来说，故障可以由适当的检测装置来确定，例如传感器如温度、电压和电流测量仪。当故障发生时也可以实现全自动地转换至紧急运行模式，该紧急模式可以实现，即使在高温下，作为独立电网的发电机的超导电机仍可以受限地继续运行。
原则上，在本发明中能够考虑，即当每个相具有多于两个的偶数个绕组元件时，开关装置也可以实现绕组元件的部分并联连接及部分串联连接，从而总是相同的并联回路彼此串联连接，或总是相同的串联回路彼此并联连接。完全可以这样考虑，实现不同的接线状态，这些接线状态中仅有一部分绕组元件彼此串联连接，而另外一部分则并联连接，其中要注意的是，每个下级回路单元要具有正确的电压。相应地可以确定减小的励磁电流，接着可以得到额定电压。这样可以考虑多个紧急运行模式，其中在相同的额定电压下提供不同的降低的功率。
超导电机可以构造成同步电机和/或超导线圈可以由高温超导材料构成。高温超导-同步电机特别适合在独立电网中作为发电机运行。
此外能够设置，把各个相的相绕组连接成星形电路或三角电路。这两种方案都是常见的并且同样能够在本发明被考虑。
除了超导电机外，本发明还涉及一种用于驱动依据本发明的超导电机的方法，在正常运行模式下，为了产生额定功率绕组元件并联连接，并在紧急运行模式下，特别是当冷却装置停止工作时，为了产生小于额定功率的功率绕组元件串联连接。所有与超导电机相关的实施方式都可以类似地转换为依据本发明的方法，该方法可以实现正常运行模式和紧急运行模式及本发明的优点。
同时特别设置，在紧急运行模式下超导线圈利用小于额定电流的励磁电流来运行，特别是以这样一种方式，即在紧急运行模式下也可以产生超导电机的额定电压。也就是如果例如每个相使用两个绕组元件，因此励磁电流被减半，以产生额定电压。此外可以设置，当冷却装置停止工作或出现故障时和/或当用于超导线圈的励磁装置的励磁功率过低时，紧急运行模式会被激活。此外，这也可以通过控制装置实现，整个依据本发明的方法也可以由该控制装置实现。
因此借助依据本发明的方法也可以实现，超导电机以发电机的运行模式在独立电网中运行，并具有自动防故障功能，在这种情况下可以在更高的工作温度下实现紧急运行模式，并且超导电机仍可以利用降低的功率继续驱动。
附图说明
在下文说明的实施例并且依据附图给出本发明的其他优点和细节。其中示出：
图1为依据本发明的电机的原理简图，
图2为原理简图中的绕组元件的电路，
图3为在正常运行模式下的电路的示意性视图，以及
图4为在紧急运行模式下的电路的示意性视图。
具体实施方式
图1示意了依据本发明的超导电机1的极其简化的原理简图，在这里该超导电机被构造为同步电机。它包括转子2，为了简化描述该转子被表示为两极转子。为了在磁极处产生磁通，转子包括作为励磁绕组的超导线圈3，该超导线圈的导体是由超导材料组成，特别是一种高温超导材料。用于超导线圈3的冷却装置仅部分地由4说明。实现这种装置由现有技术中已知，这里就不再进一步说明。
对构造为内转子的转子2作如下设置，使其能够相对定子5旋转地支承，该定子具有多个简单示出的定子绕组U、V、W（电枢绕组），其中每个定子绕组配属于三个相。每个定子绕组U、V、W分别具有两个并行走向的绕组元件6。绕组具体的使用、定子齿轮数及诸如此类的内容能够考虑多种不同的，原则上在现有技术中已知的类型，因此在这里不必做进一步说明。
图2用另一个原理简图进一步示出定子绕组U、V、W，也即具体的绕组元件6的具体接线方式。显而易见，对于绕组元件6，每个相分别设置有可驱控开关装置7，通过这些开关装置，绕组元件6要么能够并联连接要么能够串联连接。用于实施此类开关装置的可行方案已经在现有技术中广泛为人所熟知，这里就不再进一步说明。
此外，电机1包括控制装置8，该控制装置设计用于驱控开关装置7和励磁装置9以产生用于超导线圈3的励磁电流。
现在，如果控制装置8获取到如下信息，即存在功能故障，该故障可以由相应的未进一步示出的检测装置和/或手动输入来获知，也就是例如冷却装置4停止工作和/或励磁装置9未以全功率运行，因此控制装置8把正常运行模式切换至紧急运行模式，其中在正常运行模式下，开关装置7这样连接，即使得绕组元件6并联连接并且励磁装置提供额定励磁电流，且其中在紧急运行模式下，开关装置7这样连接，即使得绕组元件6串联连接，并且励磁装置9，根据软铁的比例，为超导线圈3提供大约为额定励磁电流的一半的励磁电流。
两种运行状态示意性地通过图3和图4进一步示出。图3示意了正常运行模式，在该模式下绕组元件6并联连接，而且并联连接在星形接点10。图4示意了紧急运行模式，在该模式下绕组元件6串联连接并接着以长的总绕组的形式联接在星形接点10。
由于在紧急运行模式下，使用同样在高于超导线圈3的正常运行温度的温度下能够实现的一半额定电流，因此通过绕组元件6的串联连接得到同样的额定电压，然而这是在最大功率的一半的情况下，因为部分绕组元件6中产生的最大电流只有一半大小。
如果超导电机1在独立电网内作为发电机运行，则超导电机已经能够利用大约一半的励磁电流实现全额定电压。这种降低的励磁电流可以在超导线圈3的温度显著提高时，因此同样在冷却装置4停止工作时被允许。然而，利用一半的功率提供用于紧急运行状态的较高的功率。
虽然本发明的细节通过的优选的实施例被进一步图示和说明，但本发明不限于已公开的实施例，还可以在不偏离保护范围的前提下，本领域的技术人员能够从中推导出其他改进方案。

Claims (14)

1.一种在独立电网中用作发电机的超导电机(1)，包括作为组件的定子(5)和相对所述定子(5)旋转的转子(2)，
其中，在至少一个所述转子(2)上，设置有至少一个用来产生至少两个磁极的超导线圈(3)，所述超导线圈由冷却装置(4)冷却，并且
在每个所述定子(5)上，用于每个相的电枢绕组中设置有至少两个平行走向的绕组元件(6)，所述绕组元件通过至少一个开关装置(7)能够选择性地串联或并联连接。
2.根据权利要求1所述的超导电机，其特征在于，为每个相设置偶数个平行的绕组元件(6)。
3.根据权利要求2所述的超导电机，其特征在于，所述绕组元件为两个。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的超导电机，其特征在于，所述超导电机还具有实现两个运行模式的控制装置(8)，所述控制装置设计用于对于正常运行模式驱控所述开关装置(7)以并联连接所述绕组元件(6)，并且对于紧急运行模式驱控所述开关装置(7)以串联连接所述绕组元件(6)并且驱控用于所述超导线圈(3)的励磁装置(9)用来减小励磁电流。
5.根据权利要求4所述的超导电机，其特征在于，所述控制装置(8)设计为，在所述冷却装置(4)停止工作时和/或当所述励磁装置(9)用于所述超导线圈(3)的功率过低时激活所述紧急运行模式，和/或在所述紧急运行模式下，使用于所述超导线圈(3)的所述励磁电流降低至相应于经过切换的绕组元件(6)的数量的额定励磁电流的部分。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的超导电机，其特征在于，所述超导电机设计为同步电机和/或所述超导线圈(3)的导体由高温超导材料构成。
7.根据权利要求5所述的超导电机，其特征在于，所述超导电机设计为同步电机和/或所述超导线圈(3)的导体由高温超导材料构成。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的超导电机，其特征在于，不同相的相绕组连接为星形电路或三角电路。
9.根据权利要求7所述的超导电机，其特征在于，不同相的相绕组连接为星形电路或三角电路。
10.一种用于运行前述权利要求中任一项所述的超导电机的方法，其中在正常运行模式下，为了产生额定功率绕组元件(6)并联连接，并在紧急运行模式下，为了产生小于所述额定功率的功率所述绕组元件(6)串联连接。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在所述紧急运行模式下，所述超导线圈(3)利用小于额定电流的励磁电流运行，使得在所述紧急运行模式下也产生所述超导电机(1)的额定电压。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，当所述冷却装置(4)停止工作或出现功能故障时和/或用于所述超导线圈(3)的励磁装置(9)的励磁功率过低时激活所述紧急运行模式。
13.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，所述超导电机(1)以发电机的运行模式在独立电网中运行。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述超导电机(1)以发电机的运行模式在独立电网中运行。
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