CN104181465B - 模块化励磁系统 - Google Patents

Abstract

提供用于发电机或电动机的定子铁芯(5)的高能测试的励磁装置，该励磁装置包括一个或多个励磁模块，各励磁模块包括励磁绕组(1‑4)和电源(10‑13)，并且配置成驱动通过励磁绕组(1‑4)的励磁电流，通过各励磁绕组(1‑4)的励磁电流促成定子铁芯(50)的总励磁，其中，励磁模块还包括电容器(6‑9)，以及所述励磁模块的电源(10‑13)在其输出处充当电流源。

Description

模块化励磁系统

技术领域

本公开涉及用于测试定子铁芯的叠层的模块化励磁系统。另外，本公开涉及发电机的定子铁芯的高能测试。

背景技术

发电机的定子铁芯由大量层叠片组成。这些层叠片是具有定向晶体结构的薄铁片。它们相互绝缘，以降低因叠层之间的涡(傅科)电流引起的损耗。叠层的组件可通过经过定子磁轭以及环和压板的多个楔来机械加固。

在组装以及还在操作期间，层叠片之间的绝缘的故障可因热和磁应力以及机械应变和振动而发生。这些故障使定子的叠片短路。它们可引起在出故障叠片之间循环的显著涡电流。因这类涡电流引起的损耗可引起芯铁熔化，以及甚至引起相邻定子线棒的电绝缘的热故障。

存在称作高能和低能测试的两种已确立的测试方法。本公开集中于高能测试。

高能测试要求在定子铁芯中感应大约1.0 – 1.5特斯拉的磁通量密度。通量密度按照与使用中的通量密度相似的方式随时间进行交变。由于具有短路的涡电流叠片将呈现温度的增加，其明显高于定子铁芯的平均温度。局部过热则通过温度测量来检测。为此，可使用红外照相装置。

测试定子铁芯的高能方法具有多个缺点。它要求大功率电源和大功率励磁绕组。励磁绕组通常由电缆的若干绕组组成，并且充分确定尺寸，因此大功率电源能够驱动通过励磁绕组的足够的交变电流。为了获得通过定子铁芯的1.5特斯拉的磁通量密度，大功率电源必须提供相当大的电压和电流。

电流通常在数kA的范围之内，以及电压在数kV的范围之内。因此，测试所需的感性无功功率量在数MVAr的范围之内。330 MW涡轮发电机或者50 MW水轮发电机的励磁通常要求采取4 MVA、6.3 kV变压器形式的大功率电源。在现场，没有电力网也没有任何其它源可以能够向4 MVA、6.3 kA变压器提供4 MVA的主要无功功率。

上述感应电流至少部分能够通过电容器来补偿。该电容器并联连接到励磁绕组。特别是当测试大型发电机时，励磁绕组的绕组可围绕定子铁芯对称地布置。励磁绕组的对称布置产生通过铁芯的磁通量密度的更均匀分布。

在高能测试中施加的数kV的电压对测试附近的任何人员造成危险。这适用于励磁绕组以及还适用于为该绕组馈电的任何变压器。因此，高电压测试的预防措施、例如工作安全评估、任何高压设备周围具有联动装置的栅栏、紧急断开的开关等适用。所有那些预防措施使过程更加麻烦，并且增加高能测试的成本。

另一个问题因定子芯铁的非线性饱和曲线而出现。定子铁芯中的磁通量密度B与通过具有N圈的绕组的励磁电流I之间的关系能够描述为

但是，这个关系仅在线性区中才有效。随着通过励磁绕组的电流I增加，由铁叠层所组成的定子铁芯饱和。磁通量密度B与励磁电流I之间的关系则变为非线性。由于饱和，通过励磁绕组的电流I将随着B ≥ 1.3特斯拉的磁通量密度B、比线性更快地增加。它实际上能够变成实际上不能完成提供无功电流，因为没有足够的感应电流源是可用的。

另一种方式可利用功率电子转换器来提供励磁绕组。励磁绕组所需的无功功率至少部分能够由功率电子转换器中集成的用于能量存储的电路来提供。这种解决方案的优点在于，覆盖一直到最大无功功率的所有负载情况。这种解决方案的缺点在于，功率电子转换器需要设计用于最大负载。这又增加转换器的成本。另外，转换器内部的功率电子组件必须设计成耐受数kV的电压。由于诸如晶闸管和绝缘栅双极晶体管之类的功率电子组件的性质，高电压耐受的要求难以满足。

EP2541751中陈述的方式通过提供各具有励磁绕组的多个励磁模块，部分克服了这些问题。励磁绕组围绕定子铁芯来布置，以及每一个励磁绕组提供总励磁的一部分。因此，如果仅存在一个励磁绕组，则各励磁绕组上的电压仅成为原会存在的电压的一部分。换言之，减轻上述高电压危害。如EP2541751中陈述的方式仍然达不到解决高电流问题。如上所述，当通过定子铁芯的磁通量密度变得饱和时，它可变成实际上不能完成提供全励磁电流。

本公开面向提供上述需要以及面向克服上述困难。

发明内容

本公开针对用于测试定子铁芯的叠层的模块化励磁系统。按照本公开的励磁系统减轻上述高电压和高电流问题。为此，提供多个励磁模块。典型励磁模块包括AC电源、电容器和励磁绕组。但是，没有电容器的励磁模块或者仅具有电容器但是没有电源的励磁绕组也是可能的。励磁模块的数量取决于额定功率和发电机的类型。同步单元连接到各励磁模块。同步单元同步或者甚至设置通过各励磁绕组的电流值。在一个优选实施例中，所有这些电流是相同的并且经过同步，即，基本上具有相同的零交叉。

电源的特征在于在其功率输出充当电流源的特征。术语“电流源”在这里用于其特定电工技术含意，从而表示实际输出电流基本上与实际输出电压无关。在等效电路图中，这个行为能够通过在电源的输出处布置高输出阻抗来建模。在上述意义上、在其输出具有高输出阻抗的电子功率转换器和变压器适合作为电源。

由于电源输出的这个大输出阻抗，电源没有对应于例如输出电压的快速变化。当输出电压、即励磁电压因铁芯的饱和效应而遇到快速变化率、即具有其时间微分的高(绝对)值时，电源的输出电流将不会受到该快速变化率影响。励磁电流则将由电容器(其也是励磁模块的一部分)提供到高的程度。这个电容器优选地并联连接到励磁绕组。

该电容器的输出阻抗理想地为零。实际上，将电容器连接到电路的任何引线的电感将在其输出引入寄生阻抗。在电容器输出处的这些电感阻抗肯定将低于电源的输出电感。因此，与电源不同，电容器能够产生励磁电流的快速增加和减少。

模块化励磁系统原理上以通过定子铁芯的交变磁通量的任何基频进行工作。在预计用于具有50 Hz输出的机器的一个优选实施例中，模块化励磁系统使用45 Hz与55 Hz之间的基频。在预计用于具有60 Hz输出的发电机的一个优选实施例中，模块化励磁系统使用55 Hz与65 Hz之间的基频。当发电机处于正常操作时，这些优选频率允许接近交变磁通量的基频来执行测试。在这里应当注意，交变通量的时间形状将不一定是正弦的。

本公开涉及发电机或电动机的定子铁芯的高能测试。为了执行高能测试，多个励磁绕组围绕定子铁芯来布置。各励磁绕组则连接到电容器以及连接到电源，以形成励磁模块。同步单元连接到所有电源。

在作为电流源进行工作的电子电源的示范情况下，电源从同步单元接收信号，以设置其输出电流、其频率及其相对相位。在电源内部，控制模块接收这个信号。控制单元还从测量输出电流的电流传感器来接收输入。控制单元将设置点与在其输出处的实际电流进行比较。来自控制模块的信号用来调整输出电流。输出电流基于实际电流与设置点之间的比较的调整则重复进行。在一个具体实施例中，PID(比例、积分和微分)控制用于励磁电流的控制。在其它实施例中，控制基于神经网络或者基于模糊逻辑或者其它高级控制器拓扑。

附图说明

本发明的上述目的和许多伴随优点将变得更易于理解，因为通过结合附图参照以下详细描述，其变得更好理解，附图包括：

图1是按照本公开的励磁装置的示意图。

图2是按照本公开的励磁装置的另一个示意图。

图3是励磁装置的第三变化。

图4是具有电源细节的示意图。

具体实施方式

图1是励磁装置连同定子铁芯的示意图。图1示出围绕定子铁芯5对称布置的四个励磁绕组1-4。定子铁芯5通常由叠层片的堆叠组成。在高能测试之前，转子通常从通过定子中心的(圆柱)内孔14中被移除。如图1所示的定子铁芯5由磁性活性材料的闭合环(其对应于通过定子铁芯5的单独叠层和叠层段所形成的闭合环)来表示。

箭头指示流经励磁绕组1-4的电流的方向。励磁电流全部沿同一方向促成定子铁芯5内部的磁通量密度B。通过励磁绕组1-4的电流是交变电流。因此，如箭头所示通过励磁绕组1-4的电流优选地每秒50或60次改变方向。箭头指示在一个时刻的励磁电流的正向。相同情况适用于磁通量密度。通过励磁绕组1-4的电流进行交变，并且磁通量密度B的方向也这样进行。

图1示出围绕一个定子铁芯5的四个励磁绕组1-4的对称布置。在另一个实施例中，励磁绕组1-4不是围绕定子铁芯5对称地布置。励磁绕组1-4通常包括二与五匝之间。例如，它可能由缠绕定子铁芯5的低电压或中电压、高电流电缆组成。

电容器6-9电连接到四个励磁绕组1-4的每个。在一个优选实施例中，电容器6-9并联连接到励磁绕组1-4。为了使电容器6-9产生通过励磁绕组1-4的快速变化，必须避免在电容器6-9的输出处的寄生感性阻抗。电容器6-9与励磁绕组1-4之间的电连接通常实际上尽可能地短。

图1中的各励磁绕组1-4也电连接到电源10-13。图1的实施例示出并联连接的励磁绕组1-4、电容器6-9和电源10-13。电源10-13优选地是上述意义方面的电流源。优选地，电源10-13的输出阻抗至少是电容器6-9的感性输出阻抗的三倍。这样，电容器6-9而不是电源10-13允许电流的快速增加或减少。特别是当定子铁芯5的芯铁饱和时，通过励磁绕组1-4的电流将急剧地并且相当快速地增加。励磁电流则由电容器6-9而不是由电源10-13来提供。在一种最佳情况下，电源10-13主要提供补偿定子铁芯5的磁化和涡电流损耗所需的有功功率。电容器6-9主要提供由励磁线圈1-4和定子铁芯5所组成的负载所需的无功功率。

在另一个优选实施例中，电源10-13是在输出具有高感性杂散阻抗或者甚至独立电感的变压器。在其输出处具有3 mH的(杂散或独立)电感的变压器是典型示例。

在另一个实施例中，作为电压源进行工作的电子功率转换器用作电源10-13。足够大的阻抗必须串联连接到电子功率转换器的输出，以便得到足够的输出阻抗。

在又一个实施例中，将励磁绕组1-4的电源10-13结合为一个电源，其向所有励磁绕组1-4馈电。

在另一实施例(图2)中，一个或多个补偿电容器(8)连接到一个或多个励磁绕组(3)，而没有连接到电源。还有可能将电源(13)连接到励磁绕组(2)，而没有并联补偿电容器。

还应当注意，在另一电抗变换网络(reactive transformation network，图3，28)插入补偿电容器(6)与励磁线圈(1)之间以增加跨线圈两端的电压或者增加通过线圈的电流以减少在电源输出处的对应值的情况下，也能够使用发明原理。这类电抗变换网络是本领域众所周知的。

励磁线圈1-4的电源10-13本身必须提供有能量。优选地，它们(10-13)通过电力网15-18来馈电。甚至更优选地，三相400 V AC电力网用来为励磁模块供电。优选地，电源向定子铁芯输送大致相同的电流，并且因而输送相同的功率。为了使所有电源10-13以相同频率和相同相角来输送相同励磁电流，提供同步单元19。同步单元19连接到励磁模块1-4。同步单元19将典型信号发送给励磁模块1-4，其设置励磁电流、频率以及励磁电流之间的相对相位。

图4示出作为典型电源10的电子功率转换器。电源10通过三相引入线20连接到电力网15-18。引入线20优选地、但不一定与电网电流阻断地向AC/DC转换器21馈电，这将电容器22充电到所需电压。此后，可控DC/AC转换器23通过引出线24向励磁绕组1-4提供电流。优选地，电容器22具有足够的电容，因此它也能够存储能量，以向励磁绕组1-4提供附加无功功率。因此，在结束时，优选电子功率转换器能够工作在4象限模式。优选地，它还在其功率输入处具有功率因数校正电路(PFC)，并且还能够向电网反馈功率。

电源10的另一个输入端子25从同步单元19接收信号。来自同步单元19的信号由控制单元26连同来自电流传感器27的读数一起来处理。控制单元26与DC/AC转换器23进行通信，以便连续调整输出电流。

为了增加电子电源10的输出阻抗，另一串联电感可连接到其10引出线24。另外，可在输出处添加噪声滤波器，以便滤出由DC/AC转换器23所生成的高频信号。

虽然结合优选实施例全面描述了本发明，但是显然，在其范围之内可引入修改，而不是认为本申请受到这些实施例限制，而是受到随附权利要求书内容的限制。

附图标记说明

1-4 励磁绕组

5 定子铁芯

6-9 电容器

10-13 电源

14 定子内孔

15-18 电力网

18 同步单元

20 引入线

21 AC/DC整流器

22 电容器

23 DC/AC转换器

24 引出线

25 信号输入端子

26 控制器单元

27 电流传感器

28 电抗网络。

Claims (17)

1.一种用于发电机或电动机的定子铁芯(5)的电磁励磁的励磁装置，

所述励磁装置包括一个或多个励磁模块，

各励磁模块包括缠绕在所述定子铁芯上的励磁绕组(1-4)和电源(10-13)，所述电源(10-13)配置成通过驱动经过所述励磁绕组(1-4)的励磁电流来促成所述定子铁芯(5)的总励磁，

其特征在于，

励磁模块还包括与所述励磁绕组并联联接的电容器(6-9)，用于提供补偿感应电流以获得磁能量密度；

所述励磁模块的所述电源(10-13)在其输出处通过与所述励磁绕组并联联接的所述电容器来充当电流源。

2.如权利要求1所述的励磁装置，其中，省略所述电容器(6-9)的一个或多个。

3.如权利要求1所述的励磁装置，其中，所述电源(10-13)的一个或多个被省略。

4.如权利要求1所述的励磁装置，其中，电抗网络的一个或多个插入所述电容器(6-9)与所述电源(10-13)之间。

5.如权利要求1所述的励磁装置，其中，所述电源(10-13)的输出阻抗至少是所述电容器(6-9)的感性输出阻抗的三倍。

6.如权利要求1所述的励磁装置，包括配置成与所述电源(10-13)进行通信的同步单元(19)。

7.如权利要求6所述的励磁装置，其中，所述同步单元(19)设置通过各励磁模块的所述励磁绕组(1-4)的所述励磁电流。

8.如权利要求7所述的励磁装置，其中，所述同步单元(19)设置通过各励磁模块的所述励磁绕组(1-4)的所述励磁电流的相同值。

9.如权利要求1所述的励磁装置，其中，所述电源(10-13)生成通过所述励磁绕组(1-4)的交变励磁电流。

10.如权利要求9所述的励磁装置，其中，所述交变励磁的基频在45Hz与55Hz之间。

11.如权利要求9所述的励磁装置，其中，所述交变励磁的基频在55Hz与65Hz之间。

12.如权利要求1所述的励磁装置，其中，所述励磁装置配置成从到400V AC源(15-18)的连接来接收电功率。

13.如权利要求12所述的励磁装置，其中，所述源是三相源(15-18)。

14.如权利要求12或13所述的励磁装置，其中，所述源是电力网(15-18)。

15.如权利要求1所述的励磁装置，其中，所述电源(10-13)包括输出滤波器。

16.如权利要求15所述的励磁装置，其中，所述输出滤波器与所述励磁绕组(1-4)串联地电连接。

17.一种用于执行发电机或电动机的定子铁芯(5)的感应测试的方法，所述方法包括，

围绕所述定子铁芯(5)布置一个或多个励磁绕组(1-4)，

将这些励磁绕组(1-4)的一个或多个并联地电连接到用于提供补偿感应电流以获得磁能量密度的电容器(6-9)，

将这些励磁绕组(1-4)的一个或多个连接到配置成在其输出处充当电流源的电源(10-13)，所述电源通过与所述励磁绕组并联联接的所述电容器来来充当所述电流源。