CN1246969A - 同步电机 - Google Patents

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Abstract

一种用于功率与/或电压控制的同步电机,包括具有定子绕组的定子和具有磁场绕组的转子。定子绕组包括具有固态绝缘的高压电缆,转子具有基于发热的转子电流限制曲线,其在容量曲线中,在大大低于额定功率因数的功率因数下,和基于发热的定子电流限制曲线相交,或者在容量曲线中,具有在容量曲线中在基于发热的定子电流限制曲线的上面的基于发热的转子电流限制曲线,并提供一个用于限制电流以便避免热破坏的装置。在这种同步电机的功率与/或电压控制方法中,所述电机工作时的定子电流在小于最大允许的时间极限的某个时间间隔内可以超过基于发热的定子电流极限,此后,可以通过减少有功功率或者减少磁场电流,或者通过两者的组合,来减少过载。

Description

同步电机
本发明涉及一种在同步电机中控制功率与/或电压的方法，并涉及用于功率与/或电压控制的同步电机。
在下文中“同步电机”指的是同步发电机。同步发电机首先用于电网中以“小时级”供应有功和无功功率。有功功率也可以按照“秒-分级”被控制(频率控制)，无功功率也是如此(电压控制)。同步电机还对故障电流提供“毫秒级的”贡献，使得在电网中的故障状态可以用选择的方式很快地得以解决。
同步电机在电网中是一个重要的无功功率来源。当系统中无功功率需要增加时，这倾向于降低同步电机的端电压。为了保持电压恒定，一般通过同步电机的电压调节器增加磁场电流。这样，同步电机则的产生所需的无功功率，以便在所需的端电压下达到无功功率平衡。
只要功率的产生相应于同步电机的容量曲线中允许区域中的一点，就发生上述过程，容量曲线即关于无功和有功功率的限制曲线，见图1，其表示在过激操作时的关系。在过激操作时，即，在同步电机的产生无功功率时，允许的工作区域被基于发热的转子和定子电流极限所限制。目前的同步电机一般被这样定额，使得转子和定子电流极限在相应于额定功率因数下的额定功率的容量曲线中的一点彼此相交，见图1。同步发电机的额定功率因数一般为0.8-0.95。在功率因数大于额定功率因数的过激操作时，对于同步电机的容量曲线限制包括定子电流限制，在功率因数小于额定功率因数的过激操作时，对于同步电机的容量曲线限制包括转子电流限制。
在常规技术中，如果定子或转子电流限制被超过，则电流限制器，如果被安装并被使用的话，将进行工作。这些限制器通过减少激磁来降低电流。因为在达到破坏温度之前需要一段时间，所以在电流被降低之前定子或转子的电流限制器介入被延迟几秒。延迟一般取决于电流的大小，但是通常小于1分钟，例如见1995年9月的IEEE Transaction on Energy Conversion，第10卷第3期，VERIFICATION OF LIMITER PERFORMANCE IN MODERNEXCITATION CONTROL SYSTEMS。通过减少磁场电流实现电流减少将引起发电机的无功功率的产生和端电压的减少。对于在电机附近的系统部分的结果是局部无功功率的产生减少，并且当电压下降时，从系统的相邻部分更难于输入功率。
如果输电网不能在通常的电压下传输所需的功率，则有使电力系统遭受电压瘫痪的危险。为避免发生这种事故，在靠近负载处进行本地发电是有利的。如果不能这样，即功率必须从系统的其它部分供给，则在尽可能高的电压下输电是有利的。当电压下降时，输电线的无功功率的产生(分路电容)减少。为了保持负载电压的恒定，因而也保持负载的功率恒定，使用变压器抽头变换器。如果负载的功率消耗是恒定的，并且输电电压低于正常值，则输电线中的电流较高，输电线的无功功率消耗较大(串联电感)，见Cigrebrochure 101，1995年10月。
在许多电力系统中，如果电流限制器为上述的某种同步电机而工作，则无功功率的产生被限制，这可能导致系统的电压瘫痪。
在电力系统正常工作时，利用基本上是整体的电网，如果需要，通过安装附加的无功功率的产生源，例如机械转换的分流电容器与/或可控硅控制的静态无功补偿器(SVC)，一般可以避免这些情况。不过，因为大范围的电压瘫痪通常具有严重的后果，所以需要考虑异常的操作条件。如果电网是弱的，由于故障或电网的重要元件的维护，安装的无功功率的产生源可能不再足够，从而引起上述可以导致瘫痪的情况。安装附加的能够处理这些异常操作状态的可控无功功率的产生源，例如SVC装置的成本，是可观的。因而需要一种廉价的可控的无功功率的产生备用源，这些备用源应当能够提供无功功率，使得至少在10到20分钟内电压能够保持在规定的值上，从而给系统操作员一个采取保护行动的机会，例如启动汽轮机或卸掉负载。
在当今已有的电力系统或电厂中，通常使用升压变压器进行两级能量转换。旋转同步电机和变压器都具有磁路。已知这种设备的制造者在限制装置的设置值的推荐的技术标准方面是谨慎和保守的，见Cigre brochure 101，1995年10月，4.5.4节，第60页。协调是需要的，并且在对发电机和变压器进行定额和保护方面存在冲突的危险。升压变压器没有空气隙，因而对于由高电压或地磁电流引起的饱和很敏感。在正常和异常操作状态下，变压器也消耗发电机的无功功率的一部分。有功损耗的大部分存在于电枢电路和升压变压器的导体中，而在两种装置中的铁芯损耗是相当小的。这里的一个复杂问题是，损耗一般在中压和高压下发生，因此和如果在地电位发生相比，更加难于冷却。
本发明的目的在于提供一种用于功率与/电压控制的同步电机，并提供一种用于功率与/电压控制的方法，以便避免在电力系统中发生电压瘫痪。
本发明的目的是通过在引言中所述的那种同步电机和方法实现的，其具有如下技术特征：
一种具有功率与/或电压控制的同步电机，包括具有定子绕组的定子和具有磁场绕组的转子，其特征在于，定子绕组包括具有固态绝缘的高压电缆，转子具有基于发热的转子电流限制，其在容量曲线中，在大大低于额定功率因数的功率因数下，和基于发热的定子电流限制曲线相交，或者具有在容量曲线中在基于发热的定子电流限制的上面的基于发热的转子电流限制，以及用于限制电流以便避免热破坏的装置。
一种同步电机的功率与/或电压控制方法，其特征在于，所述电机工作时的定子电流在小于最大允许的时间极限的某个时间间隔内可以超过基于发热的定子电流极限，此后，可以通过减少有功功率或者减少磁场电流，或者通过两者的组合，来减少过载。
一种在包括具有定子绕组的定子和具有磁场绕组的转子的同步电机中实行功率与/或电压控制的方法，其特征在于，定子绕组由具有固态高压绝缘的电缆绕制，并且电机的转子被这样构成，使得在大大低于额定功率因数的功率因数下，在容量曲线中，基于发热的转子电流限制曲线和基于发热的定子电流限制曲线彼此相交，以及如果定子电流增加到引起热破坏的危险时，减少有功功率。
按照本发明，同步电机被这样设计，使得基于发热的转子电流限制相对于基于发热的定子电流限制被升高，使得在容量曲线中和基于发热的定子电流限制的交点在比额定功率因数值相当低的功率因数值上，或者把转子电流限制升高到定子电流限制之上，使得两个限制不再相交。如果转子和定子电流限制在容量曲线中在0功率因数下相交，如图2所示，或者如果转子电流限制被提高到定子电流限制之上，则对于所有的过激操作定子电流限制将是限制的。
在下面“电缆”应当指高压的绝缘电导体，其包括具有由导电材料例如铜制成的许多线股部分的缆芯，围绕缆芯的内部半导体层，围绕内部半导体层的高压绝缘层，和围绕绝缘层的外部半导体层。具有包括这种类型的电缆制成的定子绕组的同步电机可以被设计成和比常规电机较高的电压的电网直接相连，从而取消升压变压器。在无功功率的产生的情况下，使用为直接和输电电压等级相连而设计的电机是有利的，因为这样在常规电厂中升压变压器所消耗的无功功率利用按照本发明的电机可以被提供给电网。
在利用上述类型的电缆绕制的电机中本发明的优点是特别显著的，特别是电缆的直径范围为20-200mm，导电面积的范围为80-3000mm2的情况下。因而本发明的这种应用构成其优选实施例。
对于同步电机，提高转子电流限制具有许多优点，例如，这使得能够直接测量限制的定子温度。如果限制的温度位于转子上或者位于和旋转的物体有关的物体上则是相当困难的，因为其难于测量。此外，减少有功功率使得能够产生更多的无功功率。这利用常规的转子限制(rotor dimensioning)也是可能的，但是在这种情况下每减少一MW会得到更多的MVAr，如图1和图2中的曲线所示。
通过提高转子电流限制也获得了许多其它的优点，特别是对于这种类型的电机。对定子进行加热(与冷却)的时间常数比常规电机的大。这意味着，具有常规的定子电流限制器的这种电机比常规电机可以在过载状态下运行较长的时间而不会达到破坏温度。模拟表明，在一些情况下定子可以安全过载80％15分钟。这个延长的时间间隔可以被利用用于采取行动，或者减少系统的无功需求，或者增加无功功率的产生。也容易实现电机定子的强迫冷却。这种类型的电机和常规电机相比具有相当的效率，即其定子损耗大约相等。虽然常规电机主要具有导体损耗，但是这种类型的电机具有较小的导体损耗和较多的铁芯损耗。因为铁芯损耗在地电位产生，所以它们容易冷却。可以使用冷却的电机，例如，在高的铁芯温度下采用强迫冷却。
利用常规的电流限制器，由发热时间常数决定的时间间隔可被用于减少有功功率，因而能够增加与/或延长无功功率的产生。因而，不太需要减少磁场，在最好的情况下，完全不需要减少磁场。
利用直接的温度测量或温度估计(或其组合)，我们可以使用术语“定子电流限制”讨论定子温度限制。因为限制的是定子温度(在临界点)而不是定子电流，所以这具有许多优点。一般保守地设置电流限制器的趋势因而被减轻了，因为主要的量是已知的而不是导出的。利用常规的电流限制器，不能考虑当超过电流限制时电机的温度，即，不能考虑这样的事实，例如，在超过电流限制之前电机被短时间启动，或者在以前负载被短时间地降低。而通过使用定子温度限制使得这些可以被避免。电机的冷却被这样定额，使得定子在连续额定操作状态下不超过某个温度-我们称为额定温度。这个温度被保守地谨慎地设置，使得定子(绝缘)在一个长的时间间隔内可以经得起较高的温度。如果已知临界点的温度，则电机可以在相当长的时间间隔运行在额定操作状态之上。
利用这样的事实有助于对按照本发明的同步电机中具有凸极的转子(水电发电机)进行定额，即，定子的内直径可以作得比常规电机的大，因为定子绕组由电缆构成，其中绝缘占据更多的空间。因而对于这种类型的电机，可以按照常规的定额步骤设计定子，而只改变转子的设计，使得转子电流限制以所需的方式被提高。
这对于具有凸极的包括空气冷却的转子的同步电机可以实现，例如，通过利用额外的空间绕制磁场绕组的额外的匝数，以便增加磁极电压。这样，在磁场绕组中的一定数量的匝数包括冷却匝数，因而增加了磁场绕组的被冷却的表面。如果额外匝数具有和其它匝数相同的冷却匝数比，则磁场绕组中的温度增加可以被保持和使用常规的定额步骤相同的水平，尽管磁极电压被提高了。
对于具有圆柱形转子(汽轮机转子)的同步电机，例如可以通过使电机作得较长来增加转子电流限制。
下面参照附图更加详细地说明本发明，其中：
图1和图2分别表示具有常规定额的和按照本发明的过激的同步电机的容量曲线；
图3表示在按照本发明的同步电机中的定子绕组使用的电缆的截面图；
图4和图5表示在按照本发明的同步电机中温度估值器的两个实施例；
图6表示用于产生用于进一步控制的输出信号的温度监视电路的一个例子；以及
图7-9表示用于控制按照本发明的同步电机的各种电路。
图3表示在本发明中使用的电缆的截面图。这种电缆包括许多例如由铜制成的并具有圆形截面的线股部分2的导体。这些导体被设置在电缆1的中部。第一半导体层3围绕着导体。绝缘层，例如XLPE绝缘层围绕第一半导体层3，第二半导体层围绕绝缘层，并一般被接地。
在按照本发明的电机中，绕组最好用具有固态的挤压绝缘的电缆制成，这类电缆现在用于配电中，例如XLPE电缆或具有EPR绝缘的电缆。这种电缆是可弯曲的，这在本发明中是一个重要性能，因为用于按照本发明的电机的技术主要基于绕组系统，其中绕组由在装配期间被弯曲的电缆制成。XLPE电缆的柔性一般相当于对于直径为30mm的电缆，其曲率半径大约为20cm，对于80mm直径的电缆，其曲率半径大约为65cm。在本申请中，术语“可弯曲的”用于指绕组可向下弯曲到4倍于电缆直径的数量级的曲率半径，最好是8倍到12倍电缆直径。
在本发明中的绕组被这样构成，使得即使它们被弯曲时以及在操作期间受到热应力时，也保持其性能不变。极其重要的是，在这种情况下，绝缘层相互之间保持其黏附作用不变。其中绝缘层的材料性能是至关重要的，特别是其弹性和相对热膨胀系数。例如，在XLPE电缆中，绝缘层由交联的低密度聚乙烯制成，半导体层由其中混合有碳黑和金属颗粒的聚乙烯构成。由于温度波动而引起的体积变化由于电缆的半径的变化而完全被吸收，并且，由于在这些层中，相对于这些材料的弹性，其热膨胀系数之间的差别是很小的，所以可以发生半径的膨胀而不损害层之间的黏附作用。
上述的材料组合应当认为只是例子而已。其它的满足规定条件的同时也是半导体的材料，即，其电阻率范围为10-1-106ohm-cm，例如1-500ohm-cm，或10-200ohm-cm，当然也落在本发明的范围内。
例如，绝缘层可以由固态热塑材料制成，例如低密度的聚乙烯(LDPE)，高密度聚乙烯(HDPE)，聚丙烯(PP)，聚丁烯(PB)，聚甲基戊烯(PMP)，交联材料，例如交联聚乙烯(XLPE)，或橡胶，例如乙烯丙烯橡胶(EPR)或硅橡胶。
内外半导体层可以由同一种基本材料但其中混合有导电材料颗粒例如碳黑或金属粉末的材料制成。
这些材料的机械性能，特别是热膨胀系数，受是否加入碳黑或金属粉末的影响相当小，这些材料至少按照所需的比例加入，以便实现按照本发明所需的导电性。因而，绝缘层和半导体层具有基本相同的热膨胀系数。
乙烯-乙烯基-乙酸盐共聚物/腈橡胶，丁基接枝聚乙烯，乙烯-丁基-丙烯酸盐-共聚物以及乙烯-乙基-丙烯酸盐共聚物也可以构成用于半导体层的合适的聚合物。
甚至当使用不同类型的材料作为各个层中的基底时，也需要其热膨胀系数基本相同。上面列出的材料的组合便属于这种情况。
上面列出的材料具有相当好的弹性，其弹性模量E＜500MPa，最好＜200MPa。弹性足以沿径向吸收层中材料的热膨胀系数之间的任何微小差别，使得不出现裂痕或其它的破坏。层中的材料是有弹性的，并且层之间的黏附作用至少和最弱的材料相同。
两个半导体层的导电性足以基本使每层上的电位相等。外半导体层的导电性足够大，以便包括电缆中的电场，而又足够小，使得不致由于在层的纵向感应的电流而产生大的损耗。
这样，两个半导体层的每层基本上构成一个等位面，并且这些层基本上包封它们内部的电场。
当然，在绝缘层中可以设置一个或几个附加的半导体层。
如上所述，在本发明中的定子电流限制受到热方面的限制。首先绝缘层4确定这种限制。如果使用具有XLPE绝缘的电缆，在导体和绝缘之间的层的温度不应超过90℃，这是在额定操作状态下在正常的安装位置时的最大温度，即绝缘可以承受这一温度几小时，并且可以短期地超过一些。在定子中的芯铁和绝缘之间的表面层的温度不应超过一般为55℃的温度极限，即，在绝缘上的温差差至少应为35℃。
按照本发明的同步电机在额定操作状态下可以规定导体中的温度为70-80℃，铁芯的温度为40-50℃。这些温度极大地依赖于冷却剂的温度。可以使用冷却的电机降低这一温度，虽然在正常操作状态下对于效率具有不利影响。在另一方面，在紧急情况下，这种电机的连接被证明是正确的，虽然必须考虑其启动必须需要相当长的时间。
为了最大地利用在按照本发明的同步电机中的定子的热惯性，需要在发热最严重的绝缘部分中确定外层导体和铁芯的温度。这可以利用测量装置直接测量或者利用图4所示的那种温度估值器来实现。也可以按照图5使温度测量和温度估计相结合。
在图4中，由定子电流引起的，因而和和电机的负载有关，在导体中的损耗用电流源PLE表示，由磁通(电压)引起的铁芯损耗，其大约是和负载无关的常数，由电流源PFE表示。冷却剂的温度由电压源TKY表示。RR+S代表冷却管道和硅填充剂的热阻，RISO代表绝缘的热阻，CLE，CISO，CFE分别代表导体、绝缘和铁芯的热容。在点54的TLE代表导体中的温度，在点52的TISO代表绝缘的平均温度。图4所示的模型可以通过比较TFE和直接测量的芯铁温度进行校正。直接测量温度TLE是相当困难和昂贵的，因为导体通常处于高电位。
图4所示的模型也可以通过把导体和芯铁之间的热阻划分成串联的热阻被重新确定，这将相应于不同的绝缘半径。通过从每个连续的热阻和参考温度0℃之间的一点放置一个热容，可以更精确地模拟绝缘的热容与温度的相关。因为在绝缘中存在温度梯度，这种划分将得到有些改进的结果。
在图4中，温度TLE，TISO和TFE被认为是状态，而TKY，PLE，PFE被认为是输入信号。为了启动温度估值器，需要初始状态值，并且估值器一般和电机，即冷的电机同时启动。
当然接点的数量可以增加，但是结合图4以及下面结合图5所述的实施例是优选的。
图5表示图4的温度估值器的一种改型，其中芯铁温度TFE是直接测量的。在这个简化的图中，芯铁温度将由电压源TFE表示，并和PLE一起作为输入信号。温度TISO和TLE构成状态，并以和图4相同的方式在点52和54获得。
铜损和定子电流有关，因而和电机的负载大小有关。芯铁损耗和磁通有关，在端电压下其基本上是恒定的，取决于负载。在另一方面，对于温度增加和芯路的冷却的时间常数在这种电机中是极其大的，因而这种电机如果刚刚被启动，则具有较大的过载能力。
如果磁场减少，则芯铁损耗和铜损也将减少。
和常规电机相比，按照本发明的同步电机的优点在于，和电枢电路中的导体中的电流相比，电损失更和铁芯中的磁通有关。在地电位产生铁芯损耗，这有助于正常冷却，甚至有利于冷却机的强迫冷却。电枢电路的导体具有相当低的电流密度，因而在高压电位下的损耗是相当小的。
芯路的发热时间常数-因而冷却时间常数-是非常大的。计算表明，绝热温度增加的速率为百分之几°K/s的数量级。由于绕组电缆的固态绝缘的大的热阻，电枢电路(armature circuit)中的温度也有些增加。在相关的电流密度下，绝热温度以1/30-1/100°K/s的速率增加，而常规电机绝热温度增加的速率为1/10°K/s的数量级。
导体中的温度TLE和铁芯中的温度TFE必须被监视，图6说明用于发出用于进一步控制的输出信号的监视电路的一个例子。该电路包括按照图4的温度估值器2，对其施加输入幅值I(定子电流)，U(端电压)和TKY。由估值器2获得输出信号TLE和TFE，它们在4和6分别和预先设置的极限值TL，LE，以及TL，FE比较，如上所述，并把比较的结果输入端门8(最低值门)。该门在其输出端发出构成温度和温度极限之间的差的控制信号，其绝对值最大。
如果TFE被直接测量，则只有TLE需要借助于温度估值器根据I和TFE确定。如果TFE和TLE被直接测量，则不需要温度估值器，而使测量的温度直接和极限值比较。
图7以方块图的形式表示当定子电流超过最大允许极限值时用于减少有功功率的控制电路的一个例子。
同步发电机G通过断路器10和电网相连。发电机G通过可控硅整流器12励磁。电压U通过电压互感器PTS被送到测量值转换器14、一个用于确定实际的定子电流极限IL的单元IL“Prod”和一个单元ΔP“Prod”，用于产生信号“ΔP order”，用于当定子电流超过定子电流极限时，减少有功功率。用相同方式，电流I～通过电流互感器CTS被送到单元IL“Prod”和ΔP“Prod”。在单元IL“Prod”中，在确定定子电流极限时，考虑无功功率的方向、电压降和为减少磁场所允许的初始时间延迟。定子电流极限的根据是在额定操作条件下的定子温度(TLE＝70-80℃，TFE＝40-50℃，XLPE绝缘)。有功功率的减少速率和最大的减少范围也在单元ΔP“Prod”中确定，此外，还具有一个功能，用于当系统的无功功率需求再减少时，使同步电机恢复在定子电流被超过之前其发出的有功功率。
在所述实施例中同步电机在稳态操作时可以产生的最大无功功率等于100％的额定功率，并在有功功率被减少到0时获得。不过，有理由引入一个用于减少有功功率的大于0的较低的限制，因为有功功率的进一步减少将使得的产生无功功率的能力增加得不多，见图2。如果在稳态操作下需要更多的无功功率，这必须在一个合适的时间延迟之后，通过减少磁场来满足。
来自网络转换器14的输出信号U在16和预定的参考值UREF比较，并把比较的结果提供给放大器和信号处理单元18，然后被提供给门20。
定子电流I在22和在单元IL“Prod”中产生的定子电流极限IL比较，并把比较结果送到放大器和信号处理单元24，然后被送到具有非线性特性的下一个方块26。所述非线性特性是这样的：对于正的输入信号，获得大的输出信号，而对于负的输入信号，则获得和输入信号成比例的输出信号。来自方块26的输出信号也被提供给门20，其是一个最低值门，即获得最低的信号作为输出信号。
来自门20的输出信号被提供给具有积分作用的信号处理单元28，其和励磁机的整流器12的触发电路30相连。
图7的控制电路基本上包括三个主要部分：自动电压调节器，定子电流限制器，和用于减少有功功率以便在所需的电压等级下增加同步电机的能力，从而满足电力系统的无功需求的系统。
按照本发明，可以用几种方式实现磁场电流的减少。可以使用传统的限制器，其工作原理是，如果定子电流在最大的可允许期间内超过定子电流极限，磁场电流便被降低，直到定子电流等于定子电流极限。
实际的控制可以以几种方式实现。在这些情况下，至少初始时间延迟必须足够长，以便确保超过系统中的故障状态的短暂的大电流不会因为电流限制已被超过而引起磁场的减少。可以有时间延迟的各种方法，例如，不管电流超过极限值的数量多大而恒定的时间延迟，或反时限特性，即电流超过得越多，时间延迟越短。如果定子电流极限已被超过，必须允许一定时间间隔用于冷却。在讨论中的这种类型的同步电机具有大的关于定子发热和冷却的时间常数，因而和常规电机相比，可以具有大的时间延迟。这是因为需要允许有一段时间用于减少系统的无功功率的需求，或者用于增加电机产生无功功率的能力。
电机的定额，连同有功功率的减少，增加了电机产生无功功率的能力。
按照本发明，磁场电流的减少可以从最大临界点的温度开始。在定子中导体的温度和在最大临界点的定子中的铁芯的温度可以通过直接测量确定，这在导体温度的情况下可能是困难的，或者借助于温度估值器利用铜损(定子电流)、铁损(电压)和冷却剂作为输出信号，如上所述。因而，两种模式可用于控制，即：
1)如果温度低于其最大允许温度极限，则磁场电流被这样控制，使得端电压等于所需的操作电压，以及
2)如果端电压小于所需的操作电压，则磁场电流被这样控制，使得导体温度或铁芯温度等于最大允许温度极限，并且其它温度低于其极限。
定子温度等于最大允许定子温度和端电压等于所需的操作电压的转变点可以利用最小值门来实现，如结合附图所述的。
上述的方式1相应于正常的电压控制，而方式2则保护电机免遭高温破坏，因为当磁场电流减少时，端电压和定子温度减少。
图8表示用于实现上述类型控制的控制电路。
除去电流I～和U～之外，单元ΔT“Prod”还被输入冷却剂的温度TKY。来自单元ΔT“Prod”的输出信号被提供给放大器和信号处理单元40以及具有非线性特性的方块26，如上所述，以便连同由比较电压U和所需的工作电压Uref所得的处理和放大的输出信号提供给门20。根据来自门20的输出信号，以相应于按照图7的实施例所述的方式进行电机控制。
如果限制温度(TLE或TFE)接近于其最大温度极限(例如，TL， LE，＝90℃，TL，FE＝55℃，XLPE绝缘)，而时间导数大于0，则上述控制可以引起温度的“过冲”。如果超温是短暂的，只要其数量不大，就不构成对绝缘的严重威胁。不过，由于控制电路试图通过减少磁场来克服过温，它可以引起短暂的破坏电力系统的稳定性的电压下降。
为避免这种情况，控制电路可以附加温度预测电路，例如根据温度时间的导数进行预测，使得甚至在达到最大温度之前，电压也能缓慢地开始下降。这样，温度过冲将是轻微的，或者被完全消除。
这样电压将较早地开始下降，但是下降速度不是很快。
按照图7的传统的电流限制器和按照图8的定子温度限制器之间的比较表明，后者的优点在于，在一个长的时间内，几个小时的数量级允许过载，而传统的电流限制器只允许短时间的过载，几秒至几分的数量级。
不过，如果电机配备有定子温度限制器，则只要超过额定操作的温度，就应当向控制中心发出警告信号，因为这表明过载状态存在，并应当补救。
图9表示图7的控制电路的另一个实施例。其中基于温度的约束控制和有功功率与无功功率的控制相结合，前者旨在通过最大限度地利用定子的热容量在尽可能长的时间内维持端电压为一个可接受的值。
这样，在单元ΔT“Prod”中，以和按照图8的电路相同的方式产生输出信号。该信号被提供给放大器和信号处理单元40、方块26和门20，以便实现和图8相同的限制控制。来自单元ΔT“Prod”的输出信号连同电压U～一道也被提供给单元ΔP“Prod”，作为单元ΔP“Prod”的输出信号获得控制信号ΔP指令，以便把有功功率减少到U＝ref，即，端电压等于所需的操作电压，或者直到有功功率达到预定的最小功率限制，如上所述。有功功率的减少最好从铁芯或导体的温度超过电机规定的温度时开始。
还有一种可能的控制是基于启动一个冷却机，以便当达到电流和温度极限时降低铁芯和铜的温度。这使得电机能够被进一步加载。

Claims (38)

1一种具有功率与/或电压控制的同步电机，包括具有定子绕组的定子和具有磁场绕组的转子，其特征在于，定子绕组包括具有固态绝缘的高压电缆，转子具有基于发热的转子电流限制，其在容量曲线中，在大大低于额定功率因数的功率因数下，和基于发热的定子电流限制曲线相交，或者具有在容量曲线中在基于发热的定子电流限制的上面的基于发热的转子电流限制，以及用于限制电流以便避免热破坏的装置。
2如权利要求1所述的同步电机，其特征在于，所述用于限制电流的装置包括温度确定部件，用于确定至少在对于发热是临界的一点的定子的温度，与/或电流测量装置和电压测量装置，用于测量定子电流和电压，还包括控制电路，其和温度确定部件与/或电流测量和电压测量装置相连，用于当温度与/或定子电流或定子电压超过预定极限值时减少有功功率或磁场电流。
3如权利要求2所述的同步电机，其特征在于，温度确定部件包括至少一个测量装置，其设置在定子中的易于发热的一点，以便测量其上的温度。
4如权利要求3所述的同步电机，其特征在于，所述测量装置被设置在定子内的绕组槽内的槽壁上。
5如权利要求2所述的同步电机，其特征在于，温度确定部件包括温度估值器，其被设置用于根据铁芯损耗和导体中的损耗确定定子叠片的温度以及在临界加热点冷却剂的温度，以便当确定的温度超过预定极限值时，使控制电路减少磁场电流。
6如权利要求2-5任何一个所述的同步电机，其特征在于，温度确定部件包括温度估值器，其被设置用于根据导体中的损耗确定导体中和电缆绝缘的主要部分中的温度。
7如权利要求2-6任何一个所述的同步电机，其特征在于，设置控制电路，用于在最大允许的定子温度以下，当定子温度增加时，开始减少磁场电流。
8如权利要求1-7任何一个所述的同步电机，其特征在于，设置控制电路，用于在温度达到额定操作温度，即电机在额定操作状态下规定具有的温度，以上之后，而低于最大允许定子温度时，在一个预定的时间间隔，开始减少磁场电流。
9如权利要求1-8任何一个所述的同步电机，其特征在于，如果定子电流超过定子电流极限，设置控制电路用于这样控制磁场电流，当定子电流超过定子电流极限的时间小于最大允许时间时，使得电机的端电压等于所需的操作电压，并且当最大允许时间表示超过时，设置控制电路用于减少磁场电流，直到定子电流等于定子电流极限。
10如权利要求9所述的同步电机，其特征在于，控制电路被设置，用于当定子电流极限被超过之后，利用某个时间延迟，开始减少磁场电流。
11如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，设计磁场绕组使其具有额外的匝数，以便增加磁极电压。
12如权利要求11所述的同步电机，其特征在于，一定比例的额定匝数形成绕组的冷却匝数。
13如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，使磁场绕组具有增加的导电面积，以便获得绕组中的相当低的电流密度。
14如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，其特征在于，设置用于磁场绕组的特殊的冷却装置。
15如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，设置冷却机，以便当定子电流超过或者预测要超过定子电流极限与/或测量的温度超过预定的限制值时被接通，以便实现强迫冷却。
16如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，所述电缆是高压电缆，并且是这样一种类型的电缆，其包括具有许多线股部分的缆芯，围绕缆芯的内部半导体层，围绕内部半导体层的绝缘层，和围绕绝缘层的外部半导体层。
17如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，所述高压电缆的直径范围为20-200mm，导电面积的范围为80-3000mm2。
18如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，所述绕组是可弯曲的，并且所述层相互接触。
19如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，所述层由具有这样的弹性的材料构成，并在材料的热胀系数之间具有这样的关系，使得在操作期间与温度波动引起的层的体积的改变由材料的弹性所吸收，从而使这些层保持其间的黏附作用不变。
20如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，在所述层中的材料具有大的弹性，最好其弹性模量小于500MPa，最好小于200MPa。
21如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，用于所述层中的材料的热胀系数的值基本相同。
22如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，在所述层之间的黏附作用至少具有和材料的最弱的强度相同的大小。
23如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，每个半导体层基本上构成一个等位面。
24如前面任何一个权利要求所述的同步电机，其特征在于，所述转子是凸极型的。
25如权利要求1-23任何一个所述的同步电机，其特征在于，所述转子是圆柱形的。
26一种按照前面任何一个权利要求所述的同步电机的功率与/或电压控制方法，其特征在于，所述电机工作时的定子电流在小于最大允许的时间极限的某个时间间隔内可以超过基于发热的定子电流极限，此后，可以通过减少有功功率或者减少磁场电流，或者通过两者的组合，来减少过载。
27如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述电机能够在这样的定子电流下操作，所述定子电流超过基于发热的定子电流极限至少30％至少3分钟，而没有热破坏的危险，只要电机在过载状态之前具有额定的温度。
28如权利要求26或27所述的方法，其特征在于，所述电机能够在这样的定子电流下操作，所述定子电流超过基于发热的定子电流极限至少30％至少5分钟，而没有热破坏的危险，只要电机在过载状态之前具有额定的温度。
29如权利要求26-28任何一个所述的方法，其特征在于，所述电机能够在这样的定子电流下操作，所述定子电流超过基于发热的定子电流极限至少50％至少5分钟，最好至少80％至少15分钟而没有热破坏的危险，只要电机在过载状态之前具有额定的温度。
30一种在包括具有定子绕组的定子和具有磁场绕组的转子的同步电机中实行功率与/或电压控制的方法，其特征在于，定子绕组由具有固态高压绝缘的电缆绕制，并且电机的转子被这样构成，使得在大大低于额定功率因数的功率因数下，在容量曲线中，基于发热的转子电流限制曲线和基于发热的定子电流限制曲线彼此相交，以及如果定子电流增加到引起热破坏的危险时，减少有功功率。
31如权利要求30所述的方法，其中定子电流可以允许超过定子电流极限一个预定的最大时间，其特征在于，如果定子电流在定子电流极限之上，有功功率便被减少，直到定子电流等于定子电流极限，只要定子电流超过定子电流极限的时间小于所述最大允许时间。
32如权利要求31所述的方法，其特征在于，如果定子电流超过定子电流极限一个最大允许时间，则有功功率和磁场电流被减少，直到定子电流等于定子电流极限。
33如权利要求30-32任何一个所述的方法，其特征在于，有功功率按照斜坡函数被减少。
34如权利要求30-32任何一个所述的方法，其特征在于，如果定子电流超过定子电流极限但是低于大于定子电流极限的预定的第二限制值，有功功率则按照斜坡函数被减少，如果定子电流超过所述第二限制值，有功功率则尽快地被减少。
35如权利要求33或34所述的方法，其特征在于，对斜坡函数选择一个这样的导数，使得避免在电网上发生功率振荡，并阻止对于汽轮机和包括同步电机的电厂中其它部件的破坏。
36如权利要求33或34所述的方法，其特征在于，选择斜坡函数的导数，其和使定子发热的时间常数有关。
37如权利要求33-36任何一个所述的方法，其特征在于，有功功率被减少这样一个数量，使得在电机上维持可接受的端电压。
38如权利要求30-37任何一个所述的方法，其特征在于，功率因数的极限值是0。
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