CN1105157A - 无瞬变过程的同步电机 - Google Patents

Abstract

接近开关和周向可运动的定子绕组使一台电动 机—发电机能从同步电动机状态瞬时检测并转换到 同步发电机状态。在输入功率或电动机状态下，定子 磁通领先于转子磁通，在转子上形成一个力矩，并且 由装置的固定外壳对定子形成一个反力矩。当定子 磁场由于正常电源的故障而衰减时，上述反力矩也会 衰减，并使定子绕组开始随着转子一起转动，直至转 子与定子磁场达到同步。在电动机或发电机中也可 以用动态定子对电源或负载的变化进行滤波或缓 冲。

Description

本发明涉及转动的电机以及电力的产生及其应用。本发明特别涉及到重型的同步电动机和同步发电机。

对作为主电源或备用电源来驱动机械设备的重型电动机和发电机，特别是同步的电动机和发电机来说，每当其转子电枢的磁通与定子电枢的磁通间出现相位移时，就会在转子和定子绕组之间发生磁通量的突然变化。在机械负载或馈入同步电动机的电力突然增大或减小时，以及在施加到同步发电机上的电气负载或转矩突然增大或减小时，就会出现这种相位移现象。

突然的相位移会产生明显的电压瞬变过程，发电机的要求高的负载不能耐受这种瞬变过程，或者是这一瞬变过程会从电力线上反馈到电动机。

例如数据处理设备和医疗仪器那样的精密负载在目前必须用笨重、复杂且昂贵的滤波和稳压装置来保护。发电站必须保护其设备，使用断路器和其他安全装置来防止由于电动机突然转变成发电机所形成的浪涌反馈电力，这样就会增大中断的风险。

本发明是从瞬变过程的发源地着手解决问题，例如在同步电力设备的内部着手，由此来限制那些不该发生的寄生的电路瞬变过程。

在正常供电发生中断、故障或不足的现象时，在不可间断的供电系统中设有从正常供电线路切换到备用或后备电源的开关装置。对于真正的不可间断电源来说，开关必须能有效地瞬时动作，并且对交流电源来说没有任何相位，频率或电压的变化。

不可间断的供电可能需要有过渡的供电，例如一个飞轮，以便在备用电源使速度上升并且接通线路之前承担负载。这种飞轮可能必须与快速动作电源衰减传感器和固态开关相结合，以便保持合理的飞轮重量和尺寸。在美国专利4，827，152号中描述了这种快速动作开关的一个实例。

许多现有的不可间断电源或许可以实现快速的切换，但没有足够的飞轮重量是不行的。根据转动质量的要求，飞轮可以是独立的结构，或是与电动机，轴或转子的构造相结合。对于要求高的负载来说，即使很小的频率变化也会造成问题，对飞轮的尺寸需求可能会变得不切实际。在需要考虑旋转质量的加速或减速时，飞轮的巨大旋转质量也会对起动和性能造成问题。

即使是具有较好构造的飞轮和快速动作开关，也必须配有旋转辅助装置，双驱动以及其他装置。在美国专利3，456，710号中描述了这些所需附加设备的一个例子。

对于要求高的负载来说，要使这些附加设备的交流电力频率和相位保持在容限之内也是一个问题。要求高的应用条件下，以往已采用了变频器（例如，在任意旋转位置以不同的相位耦合到转动装置上）和其他复杂的装置来控制要求高的频率和相位输出。

当前需要有一种较简单并且更有效的电力后备系统，它可以瞬时地检测出电力线的任何故障，并且同步地切换到一个备用电源，而不必依赖于笨重的动能存储装置或是复杂的相位和频率保持电路。

本发明的主要及次要目的如下：

对由于电源或负载的突变在同步电动机和发电机中造成的寄生的瞬变过程进行抑制;

对这些变化可能造成的转子与定子磁通之间的瞬时相位移进行自动校正;

为备用电源提供一种快速反应的电力传感器/开关;以及

在不需要复杂的控制电路和很大的飞轮质量的条件下为备用电源提供实质上相同的相位和频率。

上述和其他的目的是由动态的定子绕组来实现的，即使其响应转子与定子之间由于电源或负载的突变而形成的电磁力，使定子绕组围绕转子在有限范围内做自由的转动振荡。这就能使转动的电气设备能连续地调节或滤除其机械或电气输入的瞬变。在电源衰减时，如果与适当的开关装置相结合，根据电力的消耗，这种动态的定子可以使同步电动机转变成同步发电机。定子绕组的位置变化显示出设备运行条件的改变，并且同时执行转换动作以保持稳定的电压，并且防止出现瞬变电压和谐波。

在有电力输入定子绕组时，电动机-发电机起到一个由正常电源供电的电动机的作用。定子磁通稍稍领先于转子磁通，在转子上产生一个转矩，并在定子上形成一个平衡转矩。当定子磁场由于线路电力的衰减或不足而减弱时，平衡转矩也会减弱，并且定子绕组开始随转子一起转动，直至转子和定子磁场形成同步，即在此时实质上不产生电流，也不会吸收电流去做功。定子的运动可以被用于去触发一个用于转换电源的开关，而不会产生任何瞬变过程。

随着定子的连续转动，定子磁通开始稍稍落后于转子磁通，从而使电动机-发电机产生或输出电能。动态或浮动的定子可以允许其自身能自动地调节转子与定子间的适当的磁通角。由此就能有效地把输出的电力与电气输入的变化相隔离。同时还使得设备能自动地调节其功率因数。

图1是一个示意图，其中示出了在一个较佳的不可间断电源系统中的一个具有浮动定子的电动机-发电机;

图2是后备电源以及用于调节的电动机和发电机设备的透视图;

图3是沿着图2中3-3线绘制的电动机-发电机的端视图;

图4是具有另一种浮动定子构造的电动机-发电机的端视图;

图5是图4所示另一种浮动定子构造的局部细节;

图6是用于要求不太高的电气负载的第二种不可间断电源系统的示意图;以及

图7是第三种电源系统的示意图。

以下参见附图，在图1中示出了一台同步电动机-发电机2，它是用于要求高的负载10的一套后备电源系统1中的关键部件。电动机-发电机2的轴3的一端连接到一台发电机4。在轴3的另一端装有一个飞轮6，它通过一个离合器7啮合连接到一台热力发动机5上。

电动机-发电机2在轴3的两端由支柱13、14支撑在地面之上。壳体15以及安装在其内部的电动机-发电机定子可以围绕轴3做局部转动，而转子则装在轴3上。

在操作要求不高的时间期间，或者甚至在电源暂时故障期间，负载10可以承受电源的变化，此时仅有公用开关12闭合，负载10通过电力调节装置9从公用电力线接收电能在要求更高的条件下，必须避免从电源到负载10的瞬变过程，在此期间电动机-发电机开关8和发电机开关11也被闭合。电动机-发电机2由公用电源9激励，并且作为一台同步电动机去驱动发电机4。该发电机通过调节控制装置10a为电气负载10供电，代替或是与电力线同时为负载供电。由于公用开关12被断开，负载10能完全免受电力线9上瞬变过程的影响，并且由发电机4提供所需的电能。

在必须避免电源故障传到负载10的一种要求高的条件下，热发动机5保持运转，并且在公用电源9故障时使离合器7啮合。电动机-发电机开关8断开。热发动机5开始驱动电动机-发电机2和发电机4，确保以连续、无瞬变过程的方式为负载10供电。按照本发明，由于电动机-发电机2的特殊布置，把从电力线9获取的电能切换到由热发动机提供的机械能的切换过程中同样不会出现瞬变过程：电压下降，频率变化，或是相位移。通过闭合电动机-发电机开关8并且使离合器7分离，可以恢复电力线供电。本发明的这一实施例在执行这一相反过程时对由发电机4向负载10的供电不会有任何有害影响。

如果断开发电机开关11并闭合电动机-发电机开关33，甚至可以在不中断或不损害负载10的供电的条件下减轻发电机4的故障。

可以看出，为负载10提供能量的电源的变换并不是通过直接切换负载来实现的，而是通过用来自电力线9的电力或用热发动机5的机械力驱动电动机-发电机2。发电机4和电动机-发电机2把负载10与这一电力转换器隔离。

热发动机5可以是一台内燃机或是一台气体或蒸汽轮机。一台辅助的水力发动机可以被用来加强热发动机的动力，使飞轮加速。离合器7最好采用超速型的离合器，当电动机-发电机使热发动机超速时立即分离。如果允许电动机-发电机2的定子在电力切换期间能在圆周方向上运动，可以带来许多好处。如果能允许发电机4的定子象电动机-发电机2那样做有限的旋转运动，也是有益的。

如我们在前述的美国专利4，827，152号中所述，同步电动机-发电机中不固定支撑的定子的运动可以被用做指示供电电压变化的信号。这一变化可以由一个发动检测器32来检测，并且被用于触发一个开关去切换电源。通过采用各种安装方式可以供定子实现旋转运动。

在前述的一种状态下，当负载10同时由公用电源9和发电机4供电时，电力调节装置10a的负载分配控制方式最好是从发电机4提取所需电能的90%，其余来自电力线电源9。当电力线电源9或后备系统故障时，如下所述，仍然是通过电动机-发电机2中定子的运动来实现从上述两个电源或其中之一到一个交流或独立电源的切换。

图2和3说明了一种电动机-发电机2的定子的动态支撑方式，这种方式特别适用于普通类型的电动机-发电机，其中的定子是焊接在外壳内侧的。

发电机4的外壳被紧固在底板16的突出部16a上，而电动机-发电机2的外壳15被浮动地悬挂在该底板16的较低部16b上。支撑着飞轮6并且连接到离合器7的轴3的前端3a通过轴承13a支撑在第一支架13上。在底板16的较低部16b上，轴3的支撑高度H充分地超过从轴3到外壳15底部一侧的距离。第二支架14通过轴承14a支撑着轴3的另一端，该端连接到发电机4的轴上。如果发电机4内的轴承可以承受电动机-发电机2的额外重量，可以省略第二支架。

外壳15与底板16间的垂直间隙C必须允许外壳围绕轴3做旋转运动。典型的四极电机要求定子的旋转运动在任一方向上能大于22.5度。这一角度与90度的电气相位移相对应。因此，定子的最小弧形行程A按照下式由极数N来确定：

A＝180/N度

允许的最大旋转范围应稍小于180度相位移，例如为350/N度。这一限制是通过底板16b表面之上位于电动机-发电机支脚外沿19，20的下部处的定位挡板17，18来实现的。

图4和5中说明了另一种使同步电动机-发电机的定子实现动态悬浮的方式。此处不象通常那样把定子焊接在外壳内侧，而是由一系列滚动轴承22支撑着定子21。每个滚动轴承的衔铁23被焊接到定子21上，并且把滚子24架在圆形外壳26的内壁25上。用一个滚动轴承的衔铁23上的突出部30碰撞装在外壳16内表面31上的挡板28，29，由此来停止定子21绕转子27的旋转运动。在本实施例中，外壳26用惯用的方式紧固在支撑底板上。

具有动态定子结构的同步电动机-发电机的优越性能可以这样来理解，即在从电动机方式向发电机方式变换或做相反变换的过程中，定子是运动的。

当图1中的同步电动机-发电机2由电力线电源9激励按同步电动机方式工作时，定子磁通领先于转子磁通。由此形成的作用在定子上的圆周向转矩迫使定子相对于转子的转动方向做最大限度的偏移。

当电力线出现故障时，定子磁场消失，并使定子朝转子的转动方向运动。在此时，定子与转子的磁场同步，不产生电流。传感器32检测到电源的丧失，并且发出信号去切断电力线并使离合器7啮合。

在设备的性质由同步电动机向同步发电机过渡期间，定子的转动过程对这种变换有延迟的作用，并且因此能把电动机-发电机加在发电机4上的转矩维持一小段时间，直到由热发动机发出的机械功率接替为止。在此期间电压和频率不会有明显下降，仅在发电机4的功率输出中有90度的相位移。这种现象补充了飞轮6的效果，由此可以减小其所需质量，并且在某些应用场合可以完全取消飞轮。

当电动机-发电机2从同步发电机状态回到电动机状态时，发生与上述现象相反的情况。当设备工作在同步发电机状态时，定子磁通落后于转子磁通。当机械驱动被来自电力线的电功率所取代，以及随后的定子反冲运动保持了功率输出能平滑地过渡到交流电源。

从理论上来说，同步电动机的旋转磁场速度应稍有提高，以便实现从电动机到发电机的无瞬变过程的变换，但这是不可能的，因为该磁场是由定子磁通产生的，并且当定子磁通减弱或消失时，该磁场自动地减速，从而会形成较大的瞬变电压。

定子的自由运动对定子与转子磁场之间磁通量的变化有校正作用。定子的运动是自然的，并且是由定子与转子之间的转矩变化造成的。在电动机状态下，定子转矩与旋转磁场转矩相反。而在发电机状态下，定子转矩与轴上的转矩处于同一方向。由于转矩，功率及供电电压之间的关系，供电电压的任何变化都会直接影响到使定子运动的定子/转子转矩，从而吸收或产生一定数量的校正功率。

图6中示出了另一种用于要求不高的电负载的不可间断供电系统。采用热发动机与使电动机-发电机2加速并达到与公用电源9同步，可以使热发动机5停止运转并且断开离合器7，使电动机-发电机2起到一个同步电容滤波器的作用。旋转飞轮6和电动机-发电机2内的转子滤除或平滑公用电源的瞬变过程并且稳定电压。通过在电动机-发电机2上动态安装的定子的位置变化可以马上有效地吸收过剩的功率。相反地，由于定子的位置几乎是立即发生移动，在负载10变化时可以根据要求调节功率。当电压下降超过一个门限或是公用电源9消失时，公用开关12断开，热发动机5起动，并且使离合器7啮合，为负载10供电。如果负载对电源丧失的敏感程度比对例如公用电源出现尖峰时的过电压的敏感程度更高，在使用电力线9提供负载功率部分的同时可以使热发动机5保持连续运转，并且使电源的切换更加快速和平滑。

也可以用其他装置来代替或协助用于检测动态定子的运动的装置去控制电气开关。图中所示的传感器34是一个转速表，它可以协助或代替用于检测电动机-发电机的定子运动的传感器，也能提供使电气开关动作的控制信号。

常用的备用发电机通常是由一个机械闭锁的传动开关来隔离的。在公用电源故障期间，负载从公用电源切换到备用电源;然后在公用电源恢复时再切换回去。每次故障会造成负载的两次中断。要求高的电源用户例如医院要求其备用发电机在每两个星期中至少进行一次能承担全部或部分负载的练习。这种情况可能仅在非重要时间期间出现，因为必须要中断正常的供电，以便对系统进行演习。

按照本发明的备用电源系统允许用户在任意的时间内对备用电源进行演习。电动机-发电机2由热发动机5加速到同步速度，并且与公用电源9同步。当发电机的断路器8被闭合时，热发动机停止运转，并且由一个超速离合器7断开。

在同步设备2变为一台同步电动机（或同步电容器）时，可以修正功率因数，并且有助于保持电压稳定。为了演习备用电源系统，只需要起动发动机。当超速离合器与电动机的轴形成机械啮合时，定子不再产生转矩，并且因此而向轴的旋转方向转动，直至达到其定子停止位置，此时，该设备就变成了一台发电机。公用电源断路器12被自动断开，并由应急电源为负载10供电。当演习时间结束时，在适当的同步时刻用一个继电器使公用电源断路器12闭合，停止发动机，并且随着定子朝着与轴的旋转相反的方向倒转，使发电机变为一台同步电容器。

图7示出了另一种用于提供不间断的机械功率和/或电功率的实施例。热发动机5可以被用于起动（例如软起动）机械负载35，直到轴3的转速使电动机-发电机2与公用电源9同步时为止。在正常运行时，公用开关36和电动机-发电机开关37是闭合的，热发动机5停止转动，并使离合器7分离。电动机-发电机的动态定子起到一种缓冲作用，作可能传到机械负载35上的瞬变过程。机械负载35可以是一个泵或压缩机，例如是一台必须为重量工艺提供稳定液流的设备。

当公用电源出现衰减或不足时，电动机-发电机的定子的动态运动就指示出电源的故障并且同时使电动机-发电机2发出电力。这种电源故障指示使热发动机5起动，为负载35提供满负荷的机械功率。如果能隔离公用电源9，并且热发动机5和电动机-发电机工具有足够的容量时，可以同时提供机械功率和电功率。在电力线9正常供电期间也可以使发动机保持运转，以便充分地保护电气负载免受任何切换瞬变过程的影响。该系统还可以具有高峰期的平抑能力，也就是在高峰时间期间用热发动机5以合成驱动方式驱动机械负载35，从而减少公用电源的负担。电动机-发电机2可以补偿功率因数以及其他有害的电源状态。

独特的高峰平抑能力是由定子的有限运动来实现的。例如，在正常状态下，电动机-发电机2以600伏，300安培的输入电流驱动一台压缩机35。当天然气发动机5在高峰期间起动时，它可以提供一定量的所需的轴上驱动转矩。在此期间，根据由发动机提供的转矩的大小，定子会损失其部分反力矩，并且朝着瞬变或发电位置移动。可以用一个电力调节器输入-输出组件预先调整发动机的功率输出。如果把调节器设定到80%发动机功率，同步电动机在高峰平抑模式下则仅需60安培的输入电流。

本发明具有许多优点，包括为电动机到发电机或发电机到电动机的转变过程提供缓冲作用，在单一设备中提供同步电动机-发电机，减小或消除对降压或全压起动器的需求，消除电气和机械的瞬变过程，实现软起动，在电力的输出与输入状态之间实现连续的转变，避免切换及开关的瞬变过程，起到一个同步电容器的作用去补偿功率因数并稳定电压，允许用两个或更多能源驱动转动装置，以及提供应急，高峰及不间断的电气和机械功率。

Claims (8)

1、一种用于在公用电源失效时为至少一个负载维持供电的备用电源装置，该装置包括一个同步电力设备，该设备包括：

一个外壳，其形状适合架在一个支撑面上；

一个旋转轴具有沿着其转动轴向支撑在上述外壳上的第一和第二端；

固定安装在上述外壳内的上述轴上的具有N个极的第一转子；

同心地围绕上述转子并且固定在上述外壳内的一个定子；

其特征在于，包括有：

支撑上述外壳的一个构件；

上述构件的尺寸能把上述外壳保持在上述支撑表面之上并留有间隔，并且允许上述外壳和定子围绕上述转动轴在至少为180/N度并且不大于350/N度的弧度内自由地转动。

2、一种改进的同步电机设备，其特征在于，包括：

架在一个支撑面上的一个外壳;

一个转动轴;

固定安装在上述轴上并且有N个极的第一转子;以及

同心地包围着上述转子的一个定子;

一个装置，用于把上述定子转动地支撑在上述外壳之内，并且允许上述定子在上述设备的连续同步工作期间围绕与上述轴同心的轴线在至少为180/N并且不大于350/N度的弧度内自由地转动，并且根据由于电源或上述设备的负载的变化所导致的上述转子与上述定子之间的转矩变化自由地转动。

3、如权利要求1所述的装置，其特征是进一步包括用于连接及断开上述电源的装置;以及

用于使上述设备与一个机械功率源连接及断开的装置。

4、如权利要求3所述的装置包括一台热发动机;以及

用于有选择地用上述发动机的机械动力或来自上述电源的电力驱动上述电力设备的装置。

5、如权利要求4所述的装置进一步包括用于检测上述定子的旋转运动的装置;以及

响应上述检测装置，用于连接及断开上述电源及发动机的装置。

6、一种对交流电源进行稳压和滤波的自适应电气负载，其特征在于，它包括：

一台同步电动机具有一个由上述电源激励的定子绕组，一个径向的轴以及装在上述轴上的一个转子绕组;

一个由上述轴驱动的机械负载;以及

响应上述电源的变化，允许定子绕组围绕上述轴在有限弧度内自由转动的装置，用于维持上述电动机的同步运行。

7、如权利要求6的装置，其特征是上述允许装置还包括使上述定子绕组在不小于180/N度并且不大于350/N度的弧度内转动的装置，其中的N是上述电动机绕组的极数。

8、如权利要求7所述的装置进一步包括一个由上述同步电动机驱动的发电机。

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