CN108604849A

CN108604849A - 发电机冷却方法

Info

Publication number: CN108604849A
Application number: CN201780009638.3A
Authority: CN
Inventors: G.艾罗尔迪
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Gamesa Renewable Energy
Priority date: 2016-02-02
Filing date: 2017-01-16
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2037-01-16
Also published as: EP3203616B1; WO2017133884A1; CN108604849B; US11005340B2; EP3203616A1; US20190044414A1

Abstract

用于冷却发电机（1）的方法，包括以下步骤：‑ 通过所述第一和第二温度传感器（51、52）监测端部绕组（18）和磁体（19）的温度；‑ 若端部绕组（18）和/或磁体（19）的温度上升并达到第一上限（L1），则操作多个冷却风扇（41、42）以向发电机（1）提供第一冷却功率（W1）；‑ 当提供第一冷却功率（W1）时，若磁体（19）的温度达到第二最大可接受温度（T2）并且端部绕组（18）的温度低于第一最大可接受温度（T1），则操作多个冷却风扇（41、42）以向发电机（1）提供第二冷却功率（W2），第二冷却功率（W2）低于第一冷却功率（W1）。

Description

发电机冷却方法

技术领域

本发明涉及一种用于冷却发电机的方法，所述发电机包括定子、转子和多个冷却风扇。具体地，本发明的方法应用于包括在风力涡轮机中的发电机。

背景技术

上述类型的发电机及其冷却方法总体是已知的。借助于风扇，空气被吹送通过转子定子间隙和定子空气管道以冷却发电机，特别是定子的端部绕组和转子的永磁体。

在操作过程中，机器被监测并就位有控制策略以使功率生产最大化。测量端部绕组温度以控制用于冷却的风扇。当温度达到第一预定义上限值时，通常可能有两种策略：

- 在所谓的大型驱动（LD）发电机中，安装的多个风扇的一部分被开启；

- 在所谓的小型驱动（SD）发电机中，安装的多个风扇的所有风扇以低速开启。

当温度达到高于第一上限的第二预定义上限值时，所述两种策略分别包括：

- LD发电机：开启安装的多个风扇的更多风扇;

- SD发电机：以更高的速度运行风扇。

除了测量端部绕组温度外，还测量发电机电流和转子永磁体温度。当后者也达到特定的预定义上限值时，当前就位的控制策略减少功率生产，从而能够将端部绕组温度和磁体保持在其最大可接受温度以下。绕组上的最大可接受温度取决于绝缘等级，并且磁体上的最大可接受温度取决于防止退磁的合金元素百分比。典型地，绕组上的最大可接受温度高于磁体上的最大可接受温度。

在这种情况下，当发电机降低额定值时，所有冷却风扇运转（LD发电机）或全速运转（SD发电机），这是由于它们被最大端部绕组温度控制，其已达到上述定义的第二上限。

然而，存在发电机中循环的冷却空气具有的温度包括在永磁体的最大可接受温度和端部绕组的最大可接受温度之间的情况。在这些情况下，端部绕组的温度可远低于其极限值，并且永磁体温度成为限制因素，因为冷却定子的循环空气趋向于也使永磁体升温。

典型地，这种情况发生于低扭矩，因而低电流和高环境温度，但其也可发生于全功率。

这可能是期望的。

发明内容

根据独立权利要求的主题可满足这种需求。本发明的有利实施例由从属权利要求描述。

根据本发明的第一方面，提供一种用于冷却发电机的方法。所述发电机包括：

- 定子，其包括多个绕组和与第一温度传感器相关联的至少一个端部绕组，所述端部绕组可操作直至第一最大可接受温度；

- 转子，其包括与第二温度传感器相关联的至少一个磁体，所述磁体可操作直至第二最大可接受温度；

- 一个或多个冷却风扇，在其活跃状态下产生通过发电机的空气流，用于冷却端部绕组和磁体。

所述方法包括以下步骤：

- 通过所述第一和第二温度传感器监测端部绕组和磁体的温度；

- 若端部绕组和/或磁体的温度上升并达到第一上限，则操作多个冷却风扇以向发电机提供第一冷却功率；

- 当提供第一冷却功率时，若磁体的温度达到第二最大可接受温度并且端部绕组的温度低于第一最大可接受温度，则操作多个冷却风扇以向发电机提供第二冷却功率，第二冷却功率低于第一冷却功率。

根据本发明的第二方面，提供一种用于发电机的控制单元。控制单元包括程序或产品，当软件程序或产品在控制单元上运行时，用于执行上述方法。

有利地，根据本发明，磁体温度被加到端部绕组和磁体自身的冷却控制中。以这种方式，更低的空气流允许磁体温度降低，从而允许生产更多功率，至少直到达到端部绕组的温度极限值。这通常发生于低扭矩（在转子中）、低电流（在发电机中）和高环境温度，但也可能发生于全电功率。因此理论上可能的是找到允许同时达到端部绕组和磁体两者的最大可接受温度的风扇数量或风扇速度，从而使发电机生产的功率最大化。

根据本发明的另一实施例，所述方法还包括以下步骤：

- 当提供第一冷却功率时，若端部绕组和/或磁体的温度继续上升并且两者分别低于第一和第二最大可接受温度，则操作多个冷却风扇以向发电机提供第三冷却功率，第三冷却功率高于第一冷却功率。

有利地，若两个最大可接受温度皆未达到，则这允许提高冷却功率而不使发电机降低额定值。

根据本发明的另一实施例，所述方法还包括以下步骤：

- 若端部绕组的温度达到第一最大可接受温度，则使发电机降低额定值。

有利地，当由冷却风扇产生的冷却功率不再有效时，使发电机降低额定值允许冷却端部绕组和磁体两者。

根据本发明的另一实施例，通过开启/关闭多个冷却风扇的一部分，操作多个冷却风扇以产生第一冷却功率、第二冷却功率和第三冷却功率。

有利地，所述实施例可应用于大型驱动（LD）发电机。

根据本发明的又一实施例，通过改变多个冷却风扇的速度来操作多个冷却风扇以产生第一冷却功率、第二冷却功率和第三冷却功率。

有利地，所述实施例可应用于小型驱动（SD）发电机。

必须注意，本发明的实施例参照不同主题描述。具体地，一些实施例参照方法类型权利要求描述，而其它实施例参照装置（控制单元）类型权利要求描述。然而，本领域技术人员将从以上和以下的描述中收集到：除非另有通知，否则除了属于一类主题的特征的任何组合之外，还有涉及不同主题的特征之间的任何组合，特别是方法类型权利要求和装置类型权利要求的特征之间，皆被认为与本文件一同公开。

以上定义的方面以及本发明的进一步方面从以下将被描述的实施例的示例中显而易见，并且参照实施例的示例进行解释。以下将参照实施例的示例更详细地描述本发明，但是本发明不限于此。

附图说明

图1显示包括在风力涡轮机中的示例性发电机的示意性截面，所述风力涡轮机根据本发明的冷却方法操作。

图2显示说明本发明的方法的框图。

具体实施方式

图1显示风力涡轮机（未以整体示出）的示例性发电机1的示意性截面。发电机1包括定子2、转子3和多个冷却风扇41、42。在图1所示的实施例中，发电机1包括两个冷却风扇41、42。根据其它可能的实施例，发电机1包括不同数量的冷却风扇。发电机1被包括在风力涡轮机（未以整体表示）中。

定子2沿着并围绕风力涡轮机的转动轴x延伸。关于转动轴x，定子2：

- 轴向地在第一轴向端部12和第二轴向端部13之间延伸;

- 径向地在内周向表面14和外周向表面15之间延伸。

靠近外周向表面15，定子2包括多个绕组17，其在轴向端部12、13处由多个端部绕组18连接。

转子3围绕定子2并且包括多个永磁体19，其从定子2的外周向表面15隔开转子定子间隙5。轴承10安装在转子3和定子2之间以允许转子围绕转动轴x转动。

在其活跃状态下，冷却风扇41、42使空气流F1、F2通过所述转子3和所述定子2之间的转子定子间隙5，并且通过所述定子2的轴向相邻段7之间的定子间隙6，其中空气流F1、F2以相同的方向导向通过定子间隙6。在其活跃状态下，冷却风扇41、42产生通过发电机1的空气流F1、F2以冷却端部绕组18和永磁体19。

发电机1还至少包括与端部绕组18相关联的第一温度传感器51和与永磁体19相关联的第二温度传感器52。第一温度传感器51和第二温度传感器52连接至发电机1的控制单元53，其操作冷却风扇41、42以冷却端部绕组18和永磁体19，特别是防止其分别达到第一最大可接受温度T1和第二最大可接受温度T2。

第一最大可接受温度T1具有的值包括在40℃至100℃之间。第二最大可接受温度T2具有的值包括在120℃至180℃之间。

根据其它可能的实施例，第一最大可接受温度T1和第二最大可接受温度T2具有不同的值，但是第一最大可接受温度T1通常大于第二最大可接受温度T2。

发电机1的控制单元53根据如图2的框图中所示的方法100操作冷却风扇41、42。方法100包括第一步骤110，其分别通过第一和第二温度传感器51、52监测端部绕组18和永磁体19的温度。

在方法100的第二步骤120中，检查端部绕组18和/或永磁体19的温度是否上升达到第一温度上限L1。第一温度上限L1可为对端部绕组18的温度或永磁体19的温度设定的极限值。

若未达到第一温度上限L1，则方法100继续再次执行第一步骤110，即监测端部绕组18和永磁体19的温度。

相反，若达到第一温度上限L1，则方法100继续执行第三步骤130，其中，控制单元53操作多个冷却风扇41、42以产生空气流F1、F2并向发电机1提供第一冷却功率W1，特别是向端部绕组18和永磁体19。

在方法100的第四步骤140中，检查当提供第一冷却功率W1时，永磁体19的温度是否达到第二最大可接受温度T2，同时端部绕组18的温度低于第一最大可接受温度T1。

若所述方法的先前的第四步骤140的条件被验证，则方法100继续第五步骤150，其中控制单元53操作多个冷却风扇41、42以改变空气流F1、F2以向发动机1提供第二冷却功率W2，特别是向端部绕组18和永磁体19。第二冷却功率W2被设定为低于第一冷却功率W1，从而允许端部绕组18在不升高永磁体19的温度的情况下冷却。在本发明的可能实施例中，在第五步骤150期间，空气流F1、F2的温度包括在第一最大可接受温度T1和第二最大可接受温度T2之间。例如当发电机1周围的环境温度高时，可达到所述条件。

若所述方法的先前的第四步骤140的条件未被验证，则方法100继续第六步骤160，其中检查当提供第一冷却功率W1时，端部绕组18和/或磁体19的温度是否持续上升，同时保持两者分别低于第一和第二最大可接受温度T1、T2。

若所述条件得到验证，则方法100继续第七步骤170，其中控制单元53操作多个冷却风扇41、42以改变空气流F1、F2以向发电机1提供第三冷却功率W3，特别是向端部绕组18和永磁体19。第三冷却功率W3被设定为大于第一冷却功率W1，从而允许使端部绕组18和永磁体19都被冷却。

若方法100的先前的第六步骤160中的条件未被验证，则方法100继续再次执行第三步骤130，即继续提供第一冷却功率W1。

在方法100的第八步骤（跟随第五或第七步骤170）中，检查端部绕组18的温度是否达到第一最大可接受温度T1。若达到这样的条件，则由冷却风扇41、42提供的冷却不再有效并且所述方法必须继续最终的第九步骤190，其中发电机1降低额定值，即由发电机1生产的电功率必须减少，从而允许端部绕组18和永磁体19都被冷却。

若方法100的先前的第九步骤190的条件未被验证，则方法100继续再次执行第七步骤170，即继续提供第三冷却功率W3。

根据本发明的两个可能的实施例，控制单元53可分别以两种不同的方式操作冷却风扇41、42以产生第一冷却功率W1、第二冷却功率W2和第三冷却功率W3，其取决于发电机1的类型：

- 若发电机1是大型驱动（LD）型，则通过开启/关闭多个冷却风扇的一部分来操作多个冷却风扇。因此，为了产生第一冷却功率W1，仅开启冷却风扇的相应的第一部分；为了产生第二冷却功率W2，关闭冷却风扇的所述第一部分的一部分；以及为了产生第三冷却功率W3，开启所有冷却风扇;

- 若发电机1是小型驱动（SD）型（例如类似附图1中的一个），则通过改变多个冷却风扇的速度来操作多个冷却风扇41、42。因此，为了产生第一冷却功率W1，冷却风扇41、42以第一速度操作；为了产生第二冷却功率W2，冷却风扇41、42以低于第一速度的第二速度操作；以及为了产生第三冷却功率W3，冷却风扇41、42以第三最大速度操作。

应注意，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。并且结合不同实施例描述的元件可被组合。还应注意，权利要求中的附图标记不应被解释为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种用于冷却发电机（1）的方法，所述发电机（1）包括：

- 定子（2），包括多个绕组（17）和与第一温度传感器（51）相关联的至少一个端部绕组（18），所述端部绕组（18）能操作直至第一最大可接受温度（T1）；

- 转子（3），包括与第二温度传感器（52）相关联的至少一个磁体（19），所述磁体（19）能操作直至第二最大可接受温度（T2）；

- 一个或多个冷却风扇（41、42），在其活跃状态下产生通过发电机（1）的空气流（F1、F2），用于冷却端部绕组（18）和磁体（19）；

- 其中，所述方法包括以下步骤：

- 通过所述第一和第二温度传感器（51、52）监测端部绕组（18）和磁体（19）的温度；

- 若端部绕组（18）和/或磁体（19）的温度上升并达到第一上限（L1），则操作多个冷却风扇（41、42）以向发电机（1）提供第一冷却功率（W1）；

- 当提供第一冷却功率（W1）时，若磁体（19）的温度达到第二最大可接受温度（T2）并且端部绕组（18）的温度低于第一最大可接受温度（T1），则操作多个冷却风扇（41、42）以向发电机（1）提供第二冷却功率（W2），所述第二冷却功率（W2）低于第一冷却功率（W1）。

2.如权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

- 当提供第一冷却功率（W1）时，若端部绕组（18）和/或磁体（19）的温度继续上升并且皆分别低于第一和第二最大可接受温度（T1、T2 ），则操作多个冷却风扇（41、42）以向发电机（1）提供第三冷却功率（W3），所述第三冷却功率（W3）高于所述第一冷却功率（W1）。

3.如权利要求1或2所述的方法，还包括以下步骤：

- 若端部绕组（18）的温度达到第一最大可接受温度（T1），则使发电机（1）降低额定值。

4. 如任一前述权利要求所述的方法，其中，通过开启/关闭多个冷却风扇（41、42）的一部分，多个冷却风扇（41、42）被操作用于产生第一冷却功率（W1）、第二冷却功率（W2）和第三冷却功率（W3 ）。

5.如任一前述权利要求所述的方法，其中，通过改变多个冷却风扇（41、42）的速度，多个冷却风扇（41、42）被操作用于产生第一冷却功率（W1）、第二冷却功率（W2）和第三冷却功率（W3）。

6.一种用于发电机（1）的控制单元（53），包括软件程序或产品，当所述软件程序或产品在所述控制单元（53）上运行时，用于执行任一前述权利要求所述的方法。