CN104467293A - 发电机装置和用于减小转子偏心度的方法 - Google Patents

发电机装置和用于减小转子偏心度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及发电机装置和用于减小转子偏心度的方法。描述了一种发电机装置(4)，其具有定子(3)，所述定子(3)配备有至少两个相对的相绕组(X11……X32)，每个绕组(X11……X32)包括至少两个串联的子绕组(L111、L112)。该装置(4)还包括受控变阻器(V1)，其跨越所述相对的相绕组(X11……X32)的子绕组(L111、L112)的连接部。测量两个相对的相绕组(X11……X32)之间的电流不平衡，并且以这样的方式控制变阻器(V1)，使得当所述电流不平衡增加时，变阻器(V1)的电阻增加。

Description

发电机装置和用于减小转子偏心度的方法
技术领域
本发明涉及一种发电机装置，包括发电机，其具有定子和安装于所述定子自由地旋转的转子，其中所述定子配备有至少两个相反相绕组，每个绕组包括至少两个串联的子绕组。此外，本发明涉及一种控制发电机装置的转子倾斜/未同轴对准的方法，该发电机具有安装到定子自由地旋转的所述转子，其中所述定子配备有至少两个相对的相绕组，每个绕组包括至少两个串联的子绕组。此外，本发明涉及一种风力涡轮机，包括发电机装置。
背景技术
控制发电机的气隙，这是现有技术中所公知的。由于公差、不均一性、外部负载状况和电流变化，发电机的转子可能倾斜和/或变得偏心。该转子的偏心度可能引起不想要的效应，例如电效率的降低，并且在发电机结构上引起较大的力，这可能对发电机的部件，特别是对其轴承，具有负面影响。而且，发电机上的极限力可能导致转子和定子之间的接触，并因此损坏部件。
迄今为止，对于控制气隙偏转的提议主要是基于定子绕组布置的惠斯通电桥原理，和/或利用机械停止手段。然而，惠斯通电桥绕组的应用仅限于小功率电机，其具有电悬浮电机轴承的特定应用。针对这种装置的示例在Khoo，Fittro，Garvey的“An AC self-bearing rotating machine with a single set of windings”(PowerElectronics.Machines and Drives.2002年4月16-18日，IEE 2002第487期的会议公布)中被公开。
然而，仍需要提供一种解决方案，其用于减小发电机的转子偏心度，尤其是对于大规模功率发电机，例如，在诸如风力涡轮机的应用中。
发明内容
这种需要可以由根据独立权利要求的主题来满足。通过从属权利要求来描述本发明的有利实施例。
根据本发明的第一方面，提供了一种如开头段络中所公开的发电机装置，另外包括：
-受控变阻器，其跨越所述相对的相绕组的子绕组的连接部，
-传感器，其用于测量所述发电机的两个相对的相绕组的电流不平衡，以及
-电子电路，其用于以这样的方式控制所述变阻器，使得当所述相反定子/相绕组之间的电流不平衡增加时，变阻器的电阻增加。
根据本发明的另一方面，提供了一种控制如开头段落中所定义的发电机装置的转子偏心度的方法，其中所述装置包括受控变阻器，其跨越所述相对的相绕组的子绕组的连接部，并且其中该方法包括以下步骤：
-测量所述发电机的两个相对的相绕组的电流不平衡，以及
-以这样的方式控制所述变阻器，使得当电流不平衡增加时，变阻器的电阻增加。
本发明的这一方面基于的想法在于，转子的偏心度可以借助于局部功率监控或直接经由气隙测量来推断，以及基于的想法在于，反作用力可以经由定子绕组来施加，以便减小气隙偏心度。尤其是，转子可以因此被安装到只具有单个轴承的所述定子。
尤其是，这种概念可以被应用到大功率发电机，例如，在诸如风力涡轮机的应用中。
因此，风力涡轮机可以包括发电机装置，该发电机装置具有与风力涡轮机的转子耦合的发电机。尤其是，发电机可以被直接连接到风力涡轮机的转子，例如借助于轴。通过这种方式，本发明尤其涉及一种构造用于具有单个驱动端轴承的直接驱动风力涡轮机的发电机的方法。
根据本发明的另一实施例，该定子配备有三对相对的相绕组，并且该发电机装置包括：
-三个或更多个受控变阻器，其均被布置为跨越所述相对的相绕组的子绕组的连接部，
-三个或更多个传感器，其用于测量所述发电机的两个相对的相绕组的电流不平衡，以及
-电子电路，其用于以这样的方式控制所述变阻器，使得当连接到所述变阻器的相对定子/相绕组之间的电流不平衡增加时，变阻器的电阻增加。
以这种方式，本发明可以被应用于多相发电机。
根据本发明的另一方面，用于测量两个相对的相绕组的电流不平衡的传感器包括在相绕组的每个分支中的电流传感器。以这种方式，可以将容易可得和证明的手段用于测量该电流不平衡。
根据本发明的又一方面，相绕组的子绕组具有基本上类似的电感。以这种方式，分支的桥式布置和变阻器中的状况是基本对称的。
必须注意的是，本发明的实施例已经参考不同的主题而被描述。尤其是，一些实施例已经参考方法类型的权利要求而被描述，而其他实施例已经参考装置类型的权利要求而被描述。然而，本领域技术人员将从以上和下面的描述获悉的是，除非另有通告，除了属于一种类型的主题的特征的任意组合外，涉及不同主题的特征之间的任意组合，尤其是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征之间的任意组合，也被视为是由本文档所公开的。
本发明的以上限定的方面和另外的方面根据下文将要描述的实施例的示例是显而易见的，并且参考实施例的示例来被解释。下文将参考实施例的示例更详细地描述本发明，但本发明不限于该实施例的示例。
附图说明
图1示意性地示出了发电机的转子，其具有相对于其定子的偏心度；
图2示意性地示出了发电机装置的简化电路；
图3更详细地示出了气隙控制器；
图4示意性地示出了发电机的相绕组的圆周布置，以及
图5示意地示出了具有发电机装置的示例性风力涡轮机。
具体实施方式
附图中的图示是示意性的。注意的是，在不同附图中，相似或相同的元件或特征具备相同的附图标记或者具备仅在第一位内与对应的附图标记不同的附图标记。为了避免不必要的重复，已经参照先前描述的实施例所解释的元件或特征在描述的之后部分不再次被解释。
图1示意性地示出了发电机1的转子2，其具有相对于其定子3的偏心度，以便展示本发明的基本问题。
图2示意性地示出了发电机装置4的简化电路，尤其是连接到电网5的发电机1，其具有电气接线图中所示的定子绕组。
发电机装置4，包括发电机1，其具有定子3和安装于所述定子3自由地旋转的转子2，其中所述定子3配备有三对或更多对相对的相绕组或定子段X11……X32，每个绕组/段X11……X32包括两个串联的子绕组L111、L112。为了简洁起见，在图2中仅将两个子绕组L111、L112借助于参考标记来表示。然而，其他子绕组可以通过随后的编号方案用附图标记来容易地实际表示。
发电机装置4此外包括三个或更多个气隙控制器AGC1……AGC3，其均包括受控变阻器，该受控变阻器被布置为跨越所述相对的相绕组/段X11……X32的子绕组L111、L112的连接部。为了简洁起见，在图2中仅示出每个气隙控制器AGC1……AGC3的变阻器。
图3现在更详细地示出了气隙控制器AGC1。它包括电子电路P1、连接到电子电路P1的输出端的电控变阻器V1、以及在相绕组/段X11……X12的每个分支中的两个电流传感器A11和A12，其被连接到电子电路P1的输入端。
相应地，图2中所示的装置4包括三个或更多个传感器，其用于测量发电机1的两个相对的相绕组/段X11……X32的电流不平衡，每个传感器包括在相绕组/段X11……X32的每个分支中的电流传感器A11、A12。
最后，图4示意性示出了发电机1的相绕组/段X11……X32的圆周布置。可以看出的是，段X11和X12、X21和X22以及X31和X32彼此相对。
发电机装置4的功能如下。为了简洁起见，仅参照一对相绕组/段X11……X32，即参照图3的段X11和X12。
当转子2与定子3同轴时，通过段X11和X12的电流是基本相同的。当转子2在一个方向上倾斜时，比如说朝向段X11，由段X11所汲取的电流将会高于标称额定电流，这是由于段X11和具有磁体的转子2之间的更多磁链(fluxlinkage)而引起的。同时，由段X12(在直径上与段11相对)所汲取的电流将会小于标称值。
通过借助于电流传感器A11……A12监测从段X11和X12汲取的电流，检测到相对的相绕组X11和X12之间的电流不平衡。
电子电路P1现在以这样的方式控制变阻器V1，使得当连接到所述变阻器V1的相对的相绕组X11和X12之间的电流不平衡增加时，变阻器V1的电阻增加。
当转子2与定子3同轴时，变阻器V1的电阻在理论上将为零，并且当电流不平衡增加时，其被增加。因此，X12的电枢反应被迫使为更多，这将能够在段X12的方向上拉动转子2，并且因此抵消了强迫的转子(即气隙)偏转。
已经仅针对一个相解释了一般的功能。然而，可以容易想象的是，所述原理适用于发电机1的任何相。以这种方式，本发明性原理可以被应用于具有任意数量的相的发电机1。
还可以想象的是，本发明不限于图中所示的具体实施例，而是可以被应用于该实施例的变型。
电子电路P1可以是任何电子电路，其能够捕获通过段X11和X12的电流，并从所述电流导出用于变阻器V1的信号。它可以是模拟、数字或混合电路。因此，本发明性方法的部分或完整方法可以是在处理器中运行的计算机程序的步骤。出于易于控制和封装的目的，它可以被包括在功率转换器(或者功率调节器)组件中。
在图中所示的装置4中，相绕组X11的子绕组L111、L112具有基本上类似的电感。如果该绕组以这样的方式实现，使得绕组X11……X32的串联连接部在圆周方向上是连续的，则这是有益的。如果绕组被不连续地实现，其中一个绕组集在另一组绕集之间交错，则桥接点可以处于这些绕组的端部处。
最后，图5示意性地示出了一种示例性风力涡轮机6，其包括发电机装置4，其中所述发电机1被耦合到风力涡轮机6的转子7。在该特定示例中，发电机1借助于轴8被直接连接到风力涡轮机6的转子7。然而，发电机1也可以借助于齿轮被耦合到转子。
通常，有利的是，如果发电机1的转子2被安装到仅具有单个轴承的定子3(例如，位于图1中的转子2中)。以这种方式，也公开了具有单个驱动端轴承的直接驱动风力涡轮机。
应当注意的是，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且冠词“一(a)”或“一个(an)”的使用并不排除多个。并且，与不同实施例相关联地描述的元件可以被组合。还应当注意的是，权利要求中的附图标记不应理解为限制权利要求的范围。
为了概括本发明的上述实施例，能够声明：
能够解决本发明问题的技术特征是图2中所示的绕组布置，其中绕组L111、L112以这样的方式被布置，使得跨越直径上间隔的线圈/段X11……X32的电流可以由气隙控制器AGC1……AGC3所更改。这允许了由线圈/段X11……X32所产生的气隙磁通上的调整，并因此允许由电枢反应所产生的气隙作用力上的调整。
换句话说，惠斯通电桥原理与定子3的段相结合，从而允许气隙控制器AGC1……AGC3的设计和控制是模块化的。在大型电气机器中实现惠斯通气隙控制器时，这提供了性能和成本节约方面的具体改进。

Claims (8)

1.发电机装置(4)，包括：
-发电机(1)，其具有定子(3)和安装于所述定子(3)自由地旋转的转子(2)，其中所述定子(3)配备有至少两个相对的相绕组/段(X11……X32)，每个绕组/段(X11……X32)包括至少两个串联的子绕组(L111、L112)，
-受控变阻器(V1)，其跨越所述相对的相绕组/段(X11……X32)的子绕组(L111、L112)的连接部，
-传感器，其用于测量所述发电机(1)的两个相对的相绕组/段(X11……X32)的电流不平衡，以及
-电子电路(P1)，其用于以这样的方式控制所述变阻器(V1)，使得当所述相对的相绕组/段(X11……X32)之间的电流不平衡增加时，变阻器(V1)的电阻增加。
2.根据前述权利要求中所述的发电机装置(4)，其中所述定子(3)配备有三对相对的相绕组/段(X11……X32)，并且其中所述装置包括：
-三个或更多个受控变阻器(V1)，其均被布置为跨越所述相对的相绕组/段(X11……X32)的子绕组(L111、L112)的连接部，
-三个或更多个传感器，其用于测量所述发电机(1)的两个相对的相绕组/段(X11……X32)的电流不平衡，以及
-电子电路(P1)，其用于以这样的方式控制所述变阻器(V1)，使得当连接到所述变阻器(V1)的所述相对的相绕组/段(X11……X32)之间的电流不平衡增加时，变阻器(V1)的电阻增加。
3.根据前述权利要求中所述的发电机装置(4)，其中用于测量两个相对的相绕组/段(X11……X32)的电流不平衡的传感器包括在相绕组/段(X11……X32)的每个分支中的电流传感器(A11、A22)。
4.根据前述权利要求中所述的发电机装置(4)，其中所述相绕组/段(X11……X32)的子绕组(L111、L112)具有基本相同的电感。
5.根据前述权利要求中所述的发电机装置(4)，其中转子(2)被安装到只具有单个轴承的所述定子(3)。
6.风力涡轮机(6)，包括前述权利要求中所述的发电机装置(4)，其中发电机(1)被耦合到风力涡轮机(6)的转子(7)。
7.根据前述权利要求中所述的风力涡轮机，其中发电机(1)被直接连接到风力涡轮机(6)的转子(7)。
8.一种控制发电机装置(4)的转子偏心度的方法，发电机(1)具有安装于定子(3)自由地旋转的所述转子(2)，其中定子(3)配备有至少两个相对的相绕组/段(X11……X32)，每个绕组包括至少两个串联的子绕组(L111、L112)，并且所述装置包括受控变阻器(V1)，其跨越所述相对的相绕组/段(X11……X32)的子绕组(L111、L112)的连接部，该方法包括以下步骤：
-测量所述发电机(1)的两个相对的相绕组/段(X11……X32)的电流不平衡，以及
-以这样的方式控制所述变阻器(V1)，使得当所述电流不平衡增加时，变阻器(V1)的电阻增加。
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