CN107431442A - 包括交流发电机的机电组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机电组件(100)，该机电组件包括：具有绕线转子的交流发电机(110)；调节器(113)，其作用于交流发电机的励磁；位于交流发电机的输出端的整流器(111)，其为直流总线提供经整流的电压；以及升压器电路(115)，其借助于滤波器(120，130)而被连接至交流发电机的输出端并且为直流总线提供电压。

Description

包括交流发电机的机电组件
本发明涉及将例如通过内燃机获得的机械能转换为电能。
本发明涉及机电组件，该机电组件包括特别是高功率(通常大于或等于200kW)的交流发电机。
已知地，交流发电机包括通常在由环和刷子或者由励磁器提供DC电流的转子处的励磁绕组，以在通常在定子处的电枢绕组中产生AC电压。
存在用于从以可变速度工作的交流发电机输送DC电压的几种已知解决方案。
图1所示的第一解决方案在于通过简单的二极管桥11对由交流发电机10输送的AC电压进行整流。无论驱动元件的速度以及要输送的功率如何，由交流发电机13连续地调整借助于励磁器12或通过由环和刷子组成的组件对交流发电机的转子的激励，以保持恒定的DC电压。
仅当速度和功率的变化范围相对较小时，才能使用这种简单且鲁棒的解决方案。例如，对于内燃机的功率按照N3降低的发电机组，旋转速度的变化范围通常为标称旋转速度的75％至120％。向下扩展该速度范围致使交流发电机的尺寸显著过大，从而增加了其成本。
图2所示的第二解决方案在于通过由IGBT逆变器构成的有源整流器15对由交流发电机10输送的AC电压进行整流，该IGBT逆变器通过脉冲宽度调制来控制。对于某些工作点，特别是对于获得期望的DC电压所需的旋转的励磁电流不会导致磁路饱和的那些工作点，不对逆变器的晶体管16进行控制，并且以与解决方案1描述的方式相同的方式进行整流。对于其他工作点，旋转场的励磁电流保持固定，并且逆变器的晶体管被驱动以将电压升高到期望水平。公开WO 2012/110979A1特别描述了一种用于在两种类型的工作之间进行仲裁以使来自系统的整体损失水平最小的方法。
该解决方案使得能够在宽的速度范围(例如，标称速度的40％至120％)内进行操作，但是具有以下缺点：
-这是昂贵的，因为必须将逆变器的尺寸调节成(dimension)使由交流发电机提供的功率最大；
-逆变器的切换操作产生能够在交流发电机的轴承中流动并且影响其使用寿命的高的共模电流，而且产生存在在安装时干扰其他电气设备的风险的电磁辐射；以及
-逆变器的切换操作可以导致部分放电，这会降低交流发电机的绕组的使用寿命。
如申请US2002/105819中所述，图3所示的第三解决方案在于通过与升压斩波器17相关联的二极管桥11对由交流发电机10输送的AC电压进行整流。对于一些工作点，特别是对于获得期望的DC电压所需的转子的励磁电流不会导致交流发电机的磁路饱和的那些工作点，不对升压斩波器进行控制，并且以与第一解决方案的方式相同的方式进行整流。对于其他工作点，旋转场的励磁电流保持固定，并且升压斩波器被激活以将电压升高到期望的水平。
该第三解决方案使得能够在宽的速度范围(例如，标称速度的40％至120％)内工作。然而它具有以下缺点：
-整流器桥的二极管必须是快速恢复二极管，因为它们经受升压斩波器的高的dV/dt；这些快速恢复的二极管比第一解决方案的标准恢复二极管要贵得多；
-升压斩波器的切换操作产生能够在交流发电机的轴承中流动并且影响其使用寿命的高的共模电流，而且与第二解决方案一样，产生存在在安装时干扰其他电气设备的风险的电磁辐射；以及
-升压斩波器的切换操作会导致部分放电，这会降低交流发电机的绕组的使用寿命。
因此，需要减轻上述缺点，而本发明通过机电组件来实现这一点，该机电组件包括：
-绕线转子交流发电机，
-作用于交流发电机的励磁的调节器，
-在交流发电机的输出端处的整流器，将经整流的电压输送至DC总线，
-通过滤波器连接至交流发电机的输出端的升压电路，向DC总线输送电压。
与已知的解决方案相比，本发明使得：
-通过针对待传送的最大功率的一部分而被调节尺寸的升压电路、以及通过针对最大功率而被调节尺寸的整流器，在可变状态(特别是可变速度和功率)的宽的范围内工作。该解决方案比上述第二解决方案和第三解决方案便宜得多；
-与上述第三解决方案相比，使用其部件是标准恢复时间部件的整流器桥；
-消除交流发电机的轴承中的共模电流的风险；以及
-消除交流发电机的绕组中的局部放电的风险。
整流器优选地是二极管整流器。后者可以是标准恢复时间二极管，特别是具有大于或等于4μs的trr(反向恢复时间)。
滤波器可以包括在每个输出相上串联的电感器。特别是对于连接至650伏DC总线的500kW转换器，电感器的电感例如在40μH至80μH之间，或者特别是对于连接至1000伏DC总线的500kW转换器，电感器的电感例如在120μH至240μH之间。
优选地，将电感器的电感选择成使得在标称电流处，电感器两端的电压降在交流发电机的标称电压的4％至12％之间。
滤波器可以包括将每个相连接至DC总线的两个电容器。这两个电容器可能相同。特别是对于连接至650伏DC总线的500kW转换器，每个电容器的电容可以在80μF至300μF之间，或者特别是对于连接至1000伏DC总线的500kW转换器，每个电容器的电容可以在25μF至100μF之间。
优选地，将每个电容器的电容选择成使得LC滤波器的截止频率在1000Hz至5000Hz之间。
电容器优选地连接至电感器的上游端子，也就是说，连接至与交流发电机连接的端子。
LC滤波器可以例如通过插入与电容器串联的电阻器而被衰减。
可以针对要传送的最大功率的一部分(特别是小于标称功率的1/2)来调节升压电路的尺寸，而针对要传送的最大功率来调节整流器的尺寸。
转子可以由AC至DC转换器供电。
调节器可以作用于交流发电机的励磁器的励磁电流If。
在根据本发明的组件的第一工作模式下，励磁电流被调节成使得将DC总线的电压伺服控制为设定点值。
在第二工作模式下，交流发电机的电压由升压电路进行整流并且被升压到设定点电压Udc_ref。可以将交流发电机的励磁电流调整成使得交流发电机的磁饱和水平不超过预定值，以例如使饱和系数在1.25至1.6之间。
升压电路优选地包括逆变器。在这种情况下，在第二工作模式下，可以通过脉冲宽度调制(PWM)技术以设定的调制频率来控制逆变器。
本发明还涉及用于产生电力的方法，如上面限定的，在所述方法中，根据本发明的机电组件的交流发电机旋转地被驱动。
当交流发电机的速度优选地在其标称速度的80％至120％之间时，可以选择第一工作模式，而当交流发电机的速度低于第一模式的速度(优选地，低于其标称速度的80％)时，可以选择第二工作模式。
当要传送的功率低于第一模式下的功率时，可以选择第二工作模式。
通过阅读以下对其非限制示例性实现的详细描述以及通过检查附图，将能够更好地理解本发明，其中：
-先前描述的图1至图3示出了现有技术；
-图4是根据本发明的组件的示例的示意图；
-图5示出了功率随着旋转速度变化的示例；
-图6示出了调节电路的示例；以及
-图7是逆变器的电压的时序图。
如图1所示，根据本发明的组件100包括绕线转子同步交流发电机110，其转子由与旋转的AC至DC转换器119相关联的励磁器112提供DC电流。连接至励磁器的磁场绕组的电压调节器113使得可以调节DC总线的电压。
由二极管d1至d6、特别是由标准恢复时间(trr)二极管构成的整流器111对交流发电机110的电压进行整流。针对要输送的最大功率调节整流器111的尺寸。
升压电路115连接至交流发电机和DC总线。该升压电路115由电压逆变器构成，例如由IGBT形成的具有开关元件i1至i6的逆变器。通过脉冲宽度调制来控制逆变器115。
RLC滤波器将交流发电机110连接至逆变器115。该滤波器包括与交流发电机的输出串联的电感器120，以及连接至DC总线的电容器对130、131。滤波器包括成对地连接至每个相的六个电容器c1至c6。针对要输送的最大功率的仅一部分来调节升压电路115的尺寸。
交流发电机由内燃机驱动。作为变型，驱动元件例如是风力涡轮机。
在未示出的一个变型中，交流发电机仍然具有绕线转子，但是通过由环和刷子构成的组件为转子提供DC电流。
在第一工作模式下，交流发电机的AC电压由二极管d1至d6进行整流。调节器113连续地调整转子的励磁电流If，以将DC电压Udc伺服控制为设定点值Udc_ref，该设定点值Udc_ref可以是常数或变量。
调节器是例如现成的调节器，如来自利莱森玛(Leroy Somer)的一个编号D510。
只有没有被考虑到设计中的剩余电流通过逆变器的开关元件i1至i6。这种工作模式优选地用在功率速度平面的区域B中，在该区域B中，为了达到设定点值DC电压所需的转子的励磁电流If不会导致交流发电机的磁路饱和。如图5中可见，功率速度平面的该区域位于要提供的功率为最大处。
在第二工作模式下，交流发电机的与图5中的区域A对应的优选地在最低速度下使用的电压由逆变器进行整流并且被升高到设定点电压Udc_ref。
在这种工作模式下，将转子的励磁电流调整成使得交流发电机的饱和水平不超过某一限定值，以特别地使损耗最小化，例如保持饱和系数小于1.25。
由感应线圈120和电容器c1至c6构成的滤波器在点Vau、Vav、Vaw处以差模和共模的方式显著地衰减逆变器的电压Viu、Viv、Viw的谐波。
这种滤波的优点是保证逆变器的切换操作不会对交流发电机的绕组的可靠性产生影响。它还保证在三相交流发电机与系统的地面之间不存在陡峭的电压边缘，这些边缘将会通过产生共模电流而破坏交流发电机的轴承，并且特别是在逆变器切换操作的瞬间使二极管d1至d6不导通，从而能够使用标准恢复时间二极管。
在该第二工作模式的优选使用区域中，驱动交流发电机的元件可以仅输送其最大功率的一部分，从而使得可以仅针对标称功率的一部分(例如，内燃机的功率按照N3降低的发电机组的标称功率的1/3)来调节逆变器、感应线圈和电容器的尺寸。
对于该第二工作模式，存在用于将电压Udc调整为设定点值Udc_ref并且产生用于控制逆变器的命令的多种已知方法。
将参照图6来描述这些方法之一。
所使用的参照系d,q是以交流发电机的基本电压的频率旋转的正交参照系。在对三个电流Iiu、Iiv、Iiw施加了三相/两相变换并且接着使其旋转角度θ之后获得虚电流id、iq。将角度θ选择成使得对电流iq的值的修改仅作用于逆变器的输入端处的有功功率，以及使得对电流id的值的修改仅作用于无功功率。
由PID(比例-积分-微分)控制器201将DC总线的电压值调整为设定点值Udc_ref，PID控制器的输出构成电流设定点值iq_ref。
如公开WO 2012/110979A1中所述，例如，将当前设定点值id_ref选择成使交流发电机的损耗最小。
两个PI(比例积分)控制器202和203使得可以将电流id和iq伺服控制为相应的设定点值id_ref和iq_ref。在旋转参照系中，这两个电流调节器的输出表示必须施加在逆变器输入端处的电压矢量的2个正交分量Vd、Vq。
当电压Vd等于0时，满足上述关于角度θ的条件。PI和I(积分)控制器204和205用作PLL(锁相回路)。它们将电压Vd伺服控制为0，并且使得可以限定角度θ。
“调制”单元根据已知的脉冲宽度调制(PWM)方法来限定逆变器的每个臂的开关元件的闭合和打开的时刻。
在所考虑的示例中，所选择的技术是以设定的调制频率的脉冲宽度调制PWM，其中，逆变器的3个臂中只有2个臂在每个斩波周期切换，如图7所示。不切换的逆变器臂是例如其电流的绝对值在3个臂中最高的那个臂，以使逆变器的损耗最小。如图7所示，切换的两个相的占空比取决于值Vd_ref、Vq_ref、角度θ和电压Udc。
本发明不限于以上描述的示例。特别地，可以用晶闸管桥或混合桥来代替二极管桥111。
也可以使用多个二极管桥。
可以用升压斩波器代替逆变器。
表述“包括”应当被理解为“包括至少一个”的同义词。

Claims (17)

1.一种机电组件(100)，包括：
-绕线转子交流发电机(110)，
-调节器(113)，所述调节器作用于所述交流发电机的励磁，
-整流器(111)，所述整流器位于所述交流发电机的输出端，并且将经整流的电压输送至DC总线，
-升压电路(115)，所述升压电路借助于滤波器(120，130)而被连接至所述交流发电机的输出端，并且将电压输送至所述DC总线。
2.根据权利要求1所述的组件，所述整流器(111)是二极管整流器(d1,…,d6)。
3.根据权利要求2所述的组件，所述二极管(d1,...,d6)是标准恢复时间二极管，特别是具有大于或等于4μs的trr的二极管。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述滤波器(120，130)包括在每个输出相上串联的电感器(120)，所述电感器优选地具有被选择成使得所述电感器两端的电压降在所述交流发电机的标称电压的4％至12％之间的电感。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述滤波器(120，130)包括将每个相连接至所述DC总线的两个电容器(130，131)。
6.根据权利要求4和5所述的组件，所述电容器(130，131)具有被选择成使得LC滤波器的频率在1kHz至5kHz之间的电容，其中L是根据权利要求4所述的电感器的电感。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述逆变器(115)的尺寸是针对要传送的最大功率的一部分来被调节的，所述最大功率的一部分特别地小于标称功率的1/2。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述整流器(111)的尺寸是针对要传送的最大功率来被调节的。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述转子由所述交流发电机(110)的励磁器(112)提供DC电流，所述励磁器与AC至DC转换器(119)相关联，特别是与旋转转换器相关联。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述调节器(113)作用于所述励磁器的励磁电流If。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，其中，在第一工作模式下，所述励磁电流被调整成使得将所述DC总线的电压伺服控制为设定点值。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，其中，在第二工作模式下，所述交流发电机的电压由所述升压电路进行整流并且被升压到设定点电压Udc_ref。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述交流发电机的励磁电流被调整成使得所述交流发电机的磁饱和水平不超过预定值，优选地，饱和系数在1.25至1.6之间。
14.根据前述权利要求中的任一项所述的组件，所述升压电路(115)包括逆变器。
15.根据权利要求14所述的组件，通过脉冲宽度调制(PWM)技术、特别是以设定的调制频率来控制所述逆变器(115)。
16.一种用于产生电力的方法，其中，根据前述权利要求中的任一项所述的机电组件的交流发电机(110)旋转地被驱动。
17.根据前一权利要求、权利要求11以及权利要求12至14中的一项所述的方法，在所述交流发电机的速度特别是在所述交流发电机的标称速度的80％至120％之间的情况下，选择所述第一工作模式，而在所述交流发电机的速度低于所述第一模式下的速度的情况下，特别是在小于所述交流发电机的标称速度的80％的情况下，选择所述第二工作模式。
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