CN105743284A - 一种励磁装置及使用其的同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种励磁装置及使用其的同步电机，该励磁装置包括励磁机、换流单元以及控制器，所述换流单元与所述励磁机连接，所述换流单元为所述励磁机提供三相交流励磁电流，所述控制器分别与所述励磁机和所述换流单元连接，用于控制所述励磁机和所述换流单元。本发明将励磁装置的转子和同步电机的主电机的转子同步旋转，从而可以使同步电机取消了传统励磁装置中可能采用的旋转整流器、电刷、换向器等易损部件，可以提高同步电机的可靠性，降低成本。

Description

一种励磁装置及使用其的同步电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体地，涉及一种励磁装置及使用其的同步电机。

背景技术

现代电力系统普遍采用电励磁同步电机作为发电机运行，发电机是把机械能转化为电能的机器，是当前电力系统最主要的电源，包括各种水电、核电、煤电机组和内燃发电机、燃气轮机组、部分风电机组的发电机，是旋转发电机最重要的型式。另外，大型电动机往往采用同步电机，以改善转矩特性，降低系统无功损耗，实现节能目的；还有一部分同步电机作为调相机运行，以补偿系统无功功率。

根据励磁方式不同，同步电机可以分为电励磁同步电机和永磁同步电机。同步电机的电励磁部分即励磁机或称励磁装置主要形式有直流发电机、静止整流器和旋转交流发电机+旋转整流器组成的无刷励磁装置。由于同步电机采用转子作为励磁绕组，通常非旋转的直流励磁机或整流装置必须通过电刷和滑环给电机转子提供励磁电流，可靠性较差。现有交流励磁机无刷励磁方式取消了可靠度较差的电刷和滑环，但是由于电枢和整流器、灭磁元件必须安装在转轴上与转子同步旋转，导致机组故障率高，励磁调整和控制非常困难。

发明内容

基于上述问题，本发明提供一种励磁装置以及使用其的同步电机，将励磁装置的励磁机转子和同步电机的主电机的转子连接到同一转轴，从而可以使同步电机取消传统励磁装置中可能采用的旋转整流器、电刷、换向器等易损部件，可以大幅提高同步电机的可靠性，降低成本。

本发明提供一种励磁装置，其特征在于，包括励磁机、换流单元以及控制器，所述换流单元与所述励磁机连接，所述换流单元为所述励磁机提供三相交流励磁电流，所述控制器分别与所述励磁机和所述换流单元连接，用于控制所述励磁机和所述换流单元。

其中，所述换流单元包括整流器、逆变器和开关驱动，所述整流器将电源发出的交流电转换成直流电，所述逆变器将所述直流电转换成特定的三相交流电，所述开关驱动与所述整流器和所述逆变器连接，用于控制所述整流器和所述逆变器。

其中，所述换流单元输出的三相交流电流输入到所述励磁机的定子绕组上，所述励磁机的转子绕组输出直流电势或直流电压。

其中，所述特定的三相交流电为频率、幅值和相位可调的三相正弦交流电。

其中，所述控制器还连接到所述交流换流单元的输出回路上，用于检测所述逆变器输出的特定的三相交流电的频率、幅值和相位，并根据检测结果控制所述交流换流单元。

其中，所述控制器还连接到所述励磁机的转子绕组的输出端，用于检测所述励磁机的输出电压或电流。

其中，所述励磁机还包括原动机，所述原动机与所述励磁机的转子机械连接，用于驱动所述励磁机的转子转动。

本发明的另一个方面，提供了一种同步电机，其特征在于，包括主电机和上述的励磁装置，所述主电机的转子和所述励磁装置的励磁机的转子位于同一转轴，并且所述励磁装置的输出端与所述主电机的转子绕组电气连接。

其中，所述励磁装置的励磁机的转子和所述主电机的转子使用同一个原动机驱动，并且所述励磁机的转子和所述主电机的转子同步转动。

通过上述实施例可知，本发明所述的励磁装置以及使用其的同步电机，使用三相正弦交流电作为励磁电流，通过调节励磁电流的频率、相位和幅值的大小，形成于转子同步的旋转磁场，转子在旋转磁场的作用下，不需要换向器的作用，在旋转磁场中同步旋转，从而形成直流电势。

同时，励磁装置的输出电流可以直接作为励磁电流使用到主电机的转子中，实现励磁机的转子和主电机的转子同轴旋转，从而可以方便的替代现有的同步电机的无刷励磁装置，取消了现有励磁装置的旋转整流器、旋转灭磁电阻和副励磁机，提高了励磁装置的可靠性。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明的实施例的励磁装置的结构示意图；

图2示出了本发明的实施例的同步电机的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

为描述简洁，以下实施例均按照同步发电机进行表述，作为同步电动机或调相机状态可参考电机原理推理得出。

图1示出了本发明的实施例的励磁装置的结构示意图。

参照图1，本发明的励磁装置包括：换流单元1、控制器2以及励磁机3。

换流单元1包括整流器11、逆变器12和开关驱动13，换流单元1的输入端输入电源7的三相交流电，整流器11将该三相交流电转换成直流电，然后输入到逆变器12，逆变器12将直流电转换成特定的三相交流电，即频率、幅值和相位可调的三相交流电，然后逆变器12将该特定的三相交流电输入到励磁机3，开关驱动13与整流器11和逆变器12连接，用于控制整流器11和逆变器12。

控制器2分别与换流单元1和励磁机3连接，用于控制换流单元和励磁机。具体地，控制器连接到换流单元的开关驱动13上，通过控制开关驱动13从而控制整流器11和逆变器12，从而可以调节换流单元1输出的特定三相交流电的频率、幅值和相位的值。

控制器2与励磁机3的转子32连接，用于检测转子32的转速和位置。同时，控制器2还连接到励磁机3的输出端，用于检测励磁机3的输出电流或电压值。

换流单元1将特定的三相交流电输入到励磁机3的定子31的定子绕组上，使得定子31产生旋转磁场，励磁机3的转子32与原动机55机械连接，并在原动机33的驱动下在旋转磁场中同步转动。

本实施例的励磁装置，其输出端可以直接连接到同步电机的主电机上，为主电机提供直流励磁电流，也可以连接到负载上，为负载提供直流电流或直流电势。

在使用上述励磁装置时，启动原动机33驱动转子32转动，当转子32达到预定的转速后，换流单元1想励磁机3的定子输入特定的三相正弦交流电流，并通过控制器2来调节输入的三相交流电流，从而形成于转子32同步旋转的磁场，使得转子32在定子的磁场中同步旋转，从而产生直流电势。

图2示出了本发明的实施例的同步电机的结构示意图。

参照图2，在本发明的另一个实施例中，提供了一种同步电机，该同步电机包括主电机和上述的励磁装置，并且励磁装置为主电机的转子绕组提供直流励磁电流。

在本实施例中，励磁机3的原动机33与主电机4的转子42机械连接，使得励磁机3的转子32和主电机4的转子42使用同一个原动机33驱动，并且直流励磁机3的转子32和主电机4的转子42在原动机33的驱动下同步转动。

控制器2连接到主电机4的定子41上，用于检测主电机定子41的输出电压和电流。

当主电机4的转子42和励磁机3的转子32在原动机33的带动下达到同步转速后，控制器2通过检测主电机4的定子42输出的电压电流和励磁机3的转子32位置及转速，控制换流单元1的输出电流，即控制励磁机3的定子31的励磁电流。

励磁机3的定子31的励磁电流将形成与转子32、42同步的旋转磁场，励磁机转子32的转子绕组感应出直流电势。励磁机转子32的转子绕组的感应电势在主电机4的转子42绕组中形成励磁电流，形成另一个旋转磁场，从而在主电机4的定子41中感应出交流电势。

主电机4的定子41中的感应电势受主电机4的转子42的励磁电流大小的控制，主电机4的转子42的励磁电流受励磁机3的转子32的感应电势的控制。励磁机3中，转子32的感应电势大小受定子31的电流即换流单元1的输出电流的控制。因此，控制器2可以通过调节换流单元1，控制主电机的输出电压和无功功率。

通过检测励磁机3的转子32的位置和转速，控制换流单元1输出的特定三相交流电流的频率、幅值、相位，从而调节转子32的转子绕组输出的直流电势的大小。

另外，在换流单元1和励磁机3之间的连接线路上设置有灭磁电阻6。在主发电机停机时，需要消除主电机4的转子42的转子绕组的励磁电流，即转子绕组产生的磁场时，首先停止换流单元1的输出，通过开关接通灭磁电阻6，转子42的转子绕组的电流将继续在励磁机3的转子32的转子绕组上流通，在定子31绕组感应出交流电势，通过灭磁电阻6转化为热能消耗掉，从而实现灭磁过程。

当原动机33需要起动时，在励磁机3的转子32上设置短路绕组(未示出)，使励磁机3可以异步启动，通过换流单元1在定子31的定子绕组上输入交流电流，产生有功转矩，从而启动整个机组。

由于励磁机3和主电机4的转子与原动机33同步旋转，转子上除了绕组和导线不存在旋转整流器、灭磁元件或只电刷、换向器等部件，仅通过换流单元将三相交流电源转化为频率、相位、幅值可变的交流励磁电流，整个同步电机系统将提高可靠性。

通过上述实施例可知，本发明所述的励磁装置以及使用其的同步电机，使用三相交流电作为励磁电流，通过调节励磁电流的频率、相位和幅值的大小，形成于转子同步的旋转磁场，转子在旋转磁场的作用下，不需要换向器的作用，在旋转磁场中同步旋转，从而形成直流电势。

同时，励磁装置的输出电流可以直接作为励磁电流使用到主电机的转子中，实现励磁机的转子和主电机的转子同轴旋转，从而可以方便的替代现有的同步电机的无刷励磁装置，取消了现有励磁装置的旋转整流器、旋转灭磁电阻和副励磁机；或者可以方便的替代现有的直流旋转励磁机取消了主电机励磁回路的电刷和励磁机换向器；或者可以方便的替代现有的静止整流励磁装置，取消了主电机励磁回路的电刷和励磁机换向器了。以上优点，都提高了励磁装置和同步电机整体的可靠性。

另外，本发明的同步电机，可以通过在换流单元和励磁机之间接入大功率的灭磁电阻，实现快速灭磁。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种励磁装置，其特征在于，包括励磁机、换流单元以及控制器，所述换流单元与所述励磁机连接，所述换流单元为所述励磁机提供三相交流励磁电流，所述控制器分别与所述励磁机和所述换流单元连接，用于控制所述励磁机和所述换流单元。

2.根据权利要求1所述的励磁装置，其特征在于，所述换流单元包括整流器、逆变器和开关驱动，所述整流器将电源发出的交流电转换成直流电，所述逆变器将所述直流电转换成特定的三相交流电，所述开关驱动与所述整流器和所述逆变器连接，用于控制所述整流器和所述逆变器。

3.根据权利要求1所述的励磁装置，其特征在于，所述换流单元输出的三相交流电流输入到所述励磁机的定子绕组上，所述励磁机的转子绕组输出直流电势或直流电压。

4.根据权利要求1所述的励磁装置，其特征在于，所述特定的三相交流电为频率、幅值和相位可调的三相交流电。

5.根据权利要求2所述的励磁装置，其特征在于，所述控制器还连接到所述交流换流单元的输出回路上，用于检测所述逆变器输出的特定的三相交流电的频率、幅值和相位，并根据检测结果控制所述交流换流单元。

6.根据权利要求1所述的励磁装置，其特征在于，所述控制器还连接到所述励磁机的转子绕组的输出端，用于检测所述励磁机的输出电压或电流。

7.根据权利要求1所述的励磁装置，其特征在于，所述励磁机还包括原动机，所述原动机与所述励磁机的转子机械连接，用于驱动所述励磁机的转子转动。

8.一种同步电机，其特征在于，包括主电机和权利要求1-7的任一选项所述的励磁装置，所述主电机的转子和所述励磁装置的励磁机的转子位于同一转轴，并且所述励磁装置的输出端与所述主电机的转子绕组连接。

9.根据权利要求8所述的同步电机，其特征在于，所述励磁装置的励磁机的转子和所述主电机的转子使用同一个原动机驱动，并且所述励磁机的转子和所述主电机的转子同步旋转运动。