CN1272246A - 一种旋转电机 - Google Patents
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Abstract
一种设计成直接连接到一个配电或输电网上的交流类型的旋转电机,包括至少一个电气绕组。该绕组包括至少一个导电体、一个围绕着该导体具有半导体性能的第一层、一个围绕着第一层的固体绝缘层、及一个围绕着该绝缘层具有半导体性能的第二层。为了电机的激励,还布置有一个可在正与负激励之间切换的无刷激励系统。一个电源设备包括这样一种旋转电机。在借助于正和负激励电流方向激励旋转电机的一种方法中,跨过电机的场绕组(4)临时连接一个双向场过压保护装置(8、10、12、14)或一个双向放电电路。
Description
本发明涉及一种设计成直接连接到配电或输电网上并且包括至少一个电气绕组的交流类型的旋转电机。本发明还涉及包括这样一种电机的电源设备，并且还涉及一种激励旋转电机的方法。
根据本发明的旋转电机可以是同步电机、双路馈电电机、外极电机或同步流电机。
为了把这种类型的电机连接到配电或输电网上，在随后所谓的电力网中，以前一直使用变压器把电压升高到电网级，即130-400kV的范围。
由Paul R.Siedler在“由绝缘研究产生的36kV发电机”中，Electrical World(电气世界)，1932年10月15日，第524-427页，描述了具有高达36kV额定电压的发电机。这些发电机包括其中把绝缘物划分成具有不同介电常数的不同层的高压电缆的绕组。使用的绝缘材料包括三种成分云母-箔云母、漆和纸的各种组合。
现在已经发现，通过由带有与用于输电的电缆中使用的相类似的类型的固体绝缘物的绝缘高压导电体制造电机的上述绕组，能把电机电压增大到这样的级，从而电机能直接连接到任何电力网上，而不用中间变压器。对于这些电机的典型工作范围是30至800kV。
如今带有旋转二极管整流器桥的静态激励器或无刷激励器用在旋转电机中。对于讨论的电机，在10-30秒持续时间期间，往往要求激励设备能够产生比额定负载激励的情况下的等效数值大1.5至3倍的峰值电压和峰值电流。对于电机定子终端上的25％的电压，激励设备也应该能够产生等效于额定负载激励电流的场电流。激励系统最好是“不需维护的”，即不带滑环的激励系统。在电网干扰下的响应和过渡时间也应该迅速，即激励设备也应该能够产生正和负的场电压。在同步补偿器的情况下，激励系统一般能够产生正和负的场电流，并且可能出现要求峰值电压因数大于3倍的额定负载激励电压。
无刷激励器消除了由来自刷和滑环的碳灰尘弄脏的问题。然而，按照已知技术的无刷激励器呈现出比静态激励器差的控制性能。
本发明的目的因而在于，提供一种能直接连接到电力网上、且装有具有改进控制性能的不需维护的”激励系统的旋转电机，及一种包括这样一种电机的电源设备，以及提出了一种用于旋转电机的激励的方法。
该目的借助于一种在引言部分中描述类型的、具有权利要求1的特征化特性的旋转电机，一种根据权利要求17的电源设备及一种按照权利要求18的方法实现。
在本发明中使用的绝缘导体或高压电缆是可弯曲的，并且具有在WO97/45919和WO97/45847中更详细描述的类型。在WO97/45918、WO97/45930和WO97/45931中进一步描述了绝缘导体或电缆。
因而，在根据本发明的装置中，绕组最好具有与带有固体、挤压绝缘物的电缆相对应的类型，象现在用于配电的那些，例如XLPE电缆或带有EPR绝缘物的电缆。这样一种电缆包括：由一股或多股部分组成的一个内导体、一个围绕着该导体的内半导体层、一个围绕着该半导体层的固体绝缘层、及一个围绕着该绝缘层的外半导体层。这样的电缆是可弯曲的，这在该上下文中是一种重要的性质，因为用于根据本发明的装置的技术，主要基于其中绕组由在装配期间挠曲的电缆形成的绕组系统。XLPE电缆的柔性通常对于直径30毫米的电缆对应于约20厘米的弯曲半径，而对于直径80毫米的电缆，弯曲半径约为65厘米。在本申请中，术语“可弯曲”用来指示对低到四倍电缆直径量级，最好是电缆直径的八至十二倍，的弯曲半径而可弯曲的绕组。
绕组应该建造成能保持其性质，即使当它弯曲时和在工作期间受到热或机械应力时也是如此。在该上下文中重要的是诸层保持其彼此粘结。诸层的材料性质，特别是其弹性和相对热膨胀系数，在这里是决定性的。在XLPE电缆中，例如，绝缘层包括交联、低密度聚乙烯，而诸半导体层由有碳黑和金属颗粒混合在其中的聚乙烯组成。作为温度波动结果的体积变化，作为电缆半径的变化被完全吸收，并且由于在诸层中热膨胀系数相对于这些材料的弹性有比较轻微的差别，所以能发生径向膨胀而不失去诸层之间的粘结。
上述材料组合应该仅作为例子考虑。其他实现规定条件、还有作为半导体的条件，即具有在10-1-106欧姆-厘米，例如1-500欧姆-厘米、或10-200欧姆-厘米范围内的电阻率，的组合自然也落入本发明的范围内。
例如，绝缘层可以由如下材料组成，诸如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(PMP)之类的固体热塑性材料，诸如交联聚乙烯(XLPE)之类的交联材料，或诸如二元乙丙橡胶(EPR)或硅橡胶之类的橡胶。
内和外半导体层可以具有相同的基础材料，但带有诸如混合在其中的碳黑或金属粉末之类的导电材料颗粒。
这些材料的机械性质，特别是其热膨胀系数，受碳黑或金属粉末是否混合在其中的影响较小-至少在要求的比例下是如此，以实现根据本发明必需的导电性。绝缘层和半导体层因而具有基本相同的热膨胀系数。
乙烯乙酸乙烯共聚物/腈橡胶、丁基接枝聚乙烯(butylymppolyethylene)、乙烯丙烯酸酯共聚物及乙烯丙烯酸乙酯共聚物也可以构成用于半导体层的适当聚合物。
即使当把不同类型材料用作各层中的基础时，也希望其热膨胀系数具有相同的数值量级。这是关于以上列出的材料组合的情形。
以上列出的材料具有较好的弹性，具有E＜500 MPa的E模量，最好＜200 MPa。该弹性对于诸层中材料的热膨胀系数之间的任何较小差值，足以在弹性的径向被吸收，从而不会出现裂纹、或其他损坏，并从而诸层不会彼此分离。诸层中的材料是弹性的，并且诸层之间的粘结力至少与材料最弱中的数值相同。
两个半导体层的导电性足以基本上使电位沿每层相等。外半导体层的导电性大得足以把电场包含在电缆内，而且同时低得足以不会由于层纵向感应的电流引起显著损耗。
因而，两个半导体层的每一个基本上构成一个等电位表面，并且带有这些层的绕组将基本包围其中的电场。
当然，没有东西能防止一个或多个辅助半导体层布置在绝缘层中。
通过向讨论的电机提供可在正与负激励之间切换的无刷激励系统，得到一种在电网干扰下有快速响应和过渡时间的一种“不需维护的”系统，例如，因为激励系统能够产生正和负的场电压，并因而产生正和负的场电流。
根据按照本发明的电机的便利实施例，激励系统包括：两个可控制反并联连接的换流器装置，用来向交流电机的场绕组馈电；一个双向场过压保护装置或放电电路，跨过场绕组连接；以及控制设备，用来控制换流器和过压保护装置或放电电路。这是一种不需要电流隔离电源和限流电抗、且不需要用来熄灭导电闸流管的分离短路装置的简单构造。激励系统也良好地适于诸如同点补偿器之类的同步电机。本发明因而利用由半导体技术提供的能力，以简单方式临时改变极性，当在电机的场电路中要求电流方向的变化时，这有助于场电流从静态换流器桥到短路电路的快速转换，并且反之亦然。
为了更清楚地解释本发明，现在参照附图将更详细地描述通过例子选择的按照本发明的实施例，在附图中
图1表示在根据本发明的电机中使用的绝缘电缆，
图2表示在按照本发明的电机中的激励系统的电路图，及
图3a-f表示在图2中所示激励系统中桥切换时的电压和电流变化。
图1表示打算用在按照本发明的电机绕组中的一种绝缘导体11的横截面。
绝缘导体11因而包括多个例如具有圆形横截面的且由铜(Cu)制成的股35。这些股35布置在绝缘导体11的中部。围绕股35布置一个第一半导体层13。围绕第一半导体层13布置一个绝缘层37，例如XLPE绝缘物。围绕绝缘层37布置一个第二半导体层15。绝缘导体是可弯曲的，并且在其整个使用寿命中保持该性能。所述三层这样建造，从而即使当绝缘导体挠曲时他们也彼此粘结。绝缘导体具有在20-250毫米间隔内的直径和在80-3000平方毫米间隔内的导电面积。
图2表示用于在按照本发明的电机中的激励系统的电路图。可以是静止或旋转的电机的场绕组4，连接到两个反并联连接的换流器桥1、2上。一个包括与有关触发电路12、14反并联连接的闸流管8、10的双向过压保护装置，也提供在场绕组4上方。
换流器桥1、2从一个电源16供电，并且经控制脉冲放大器20、22由一个切换逻辑电路18控制。一个用于闸流管桥形式的换流器桥1、2的控制脉冲发生器28，也布置成向脉冲放大器20、22发射控制脉冲。测量仪器24、26也布置成分别测量来自换流器桥1、2的电流IFB1和IFB2，并且把测量结果传送到用于控制目的切换逻辑电路18。由切换逻辑电路18经触发电路12、14也控制过压保护装置的闸流管8、10的连接。过压保护装置连接到一个限流电阻器R上。在带有场断路器的系统中，该电阻器R起放电电阻器的作用。
用来从桥1切换到桥2的过程如下：初始假定桥1是导通的，这意味着通过场绕组4的电流方向IF是正的，见图3a和3b。至控制脉冲发生器28和切换逻辑电路18的控制信号Ust，见图2，是负的，导致偏压减小，并因而导致桥1的极性变化，见图3a。对于偏压变化、根据图3b从最大正峰值电压到最小负峰值电压的时间间隔t2-t1，在50Hz的频率和6脉冲双向桥的情况下近似为8.3ms。
在时刻t3处，当电流IFB1仍大于零时，一个触发脉冲传送到放电闸流管10，并且把一个堵塞信号传送到桥1。作为负偏压处的自由轮效应的结果，得到激励电流IFB1至过压保护电路的瞬时传送，并且桥1变成无电流的。来自桥1是无电流的测量仪器24的一个信号，启动桥2的开启、和用于闸流管10的触发电路14的堵塞。根据图3的间隔t4-t3，即从桥1的堵塞直到连接桥2的时间段，大约为5ms，见图3。由图3d明白，在该切换间隔期间在场电路4中的电流IF作为场绕组4的电感的结果保持。如由图3d和3e明白的那样，偏置的桥2现在迫使一个电流IR，见图3f，通过闸流管10和限流电阻器R，并且也使一个电流IF通过同步电机的场绕组4。在时刻t5，场电流IF已经改变极性，并且通过桥2的临时偏压减小，即极性的临时改变，熄灭放电闸流管10，以迫使电流在短路电路或过压保护装置的相反方向上。
用来产生堵塞和检测信号的电流值的适当选择，保证用来把用作辅助电路或双向闸流管放电电路的双向场过压保护装置8、10、12、14的时间间隔较短。
在一个正控制信号下从负电流方向至正电流方向的切换，通过在过压保护装置中的闸流管8的临时连接以相应方式发生。
上面通过例子描述了按照本发明的旋转电机的一个实施例。然而，在本发明的范围内，当然几种改进是可行的。所述原理因而能用于静止或旋转闸流管桥，以便激励同步电机或用来向用于驱动系统的电动机供电。临时或脉冲偏压减小也可以用来复位致动的过压保护装置。在第一阶段，过压信号然后给出用于警报和复位保护装置的一个信号。在多次复位偿试之后的一个连续误差信号将产生一个启动信号。
可熄灭半导体元件的引入和使用，也能缩短用来在正与负激励之间切换或相反切换的时间间隔。在双向过压保护中的可熄灭半导体元件的引入，进行多余场电压的临时反向，以便熄灭致动和导通的半导体元件。
Claims (18)
1.一种设计成直接连接到一个配电或输电网上、且包括至少一个电气绕组的交流类型的旋转电机，其特征在于：绕组包括至少一个导电体、一个围绕着该导体具有半导体性能的第一层、一个围绕着第一层的固体绝缘层、及一个围绕着该绝缘层具有半导体性能的第二层，并且为了电机的激励，布置有一个可在正与负激励之间切换的无刷激励系统。
2.根据权利要求1所述的电机，其特征在于：第一层上的电位基本等于导体上的电位。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的电机，其特征在于：第二层布置成形成一个围绕导体的基本等电位表面。
4.根据权利要求3所述的电机，其特征在于：第二层连接到一个预定电位上。
5.根据权利要求4所述的电机，其特征在于：所述预定电位是地电位。
6.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：电机绕组的至少两个相邻层具有基本上相同的热膨胀系数。
7.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：导体包括多股，其至少一些彼此电气接触。
8.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：所述三层的每一层基本上沿其整个接触表面牢固地接合到相邻层上。
9.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：所述层布置成即使当绝缘导体挠曲时也彼此粘结。
10.一种包括设计成直接连接到一个配电或输电网上、且包括至少一个磁心和至少一个电气绕组的交流类型的至少一个主电机的电机，其特征在于：绕组由一种电缆形成，该电缆包括一个或多个载流导体，每个导体有多股，一个内半导体层绕每个导体布置，一个固体绝缘材料的绝缘层绕所述内半导体层布置，及一个外半导体层绕绝缘层布置，并且为了电机的激励，布置有一个可在正与负激励之间切换的无刷激励系统。
11.根据权利要求10所述的电机，其特征在于：所述电缆包括一个金属屏蔽层或壳层。
12.根据以上权利要求任一项所述的电机，其特征在于：激励系统包括：两个可控制反并联连接的换流器装置，用来向交流电机的场绕组(4)馈电；一个双向场过压保护装置(8、10、12、14)或放电电路，跨过场绕组连接；以及控制设备，用来控制换流器和场过压保护装置或放电电路。
13.根据权利要求12所述的电机，其特征在于：为了切换来自激励系统的激励电流的方向，把控制设备布置成改变换流器的极性，控制设备使过压保护装置临时连接在从一个至另一个电流方向的过渡外。
14.根据权利要求12或权利要求13所述的电机，其特征在于：过压保护装置或放电电路包括一个双向闸流管放电电路(8、10)。
15.根据权利要求12-14任一项所述的电机，其特征在于：致动的过压保护装置或放电电路能通过导通换流器(1、2)对极性临时或脉冲形成的变化的控制而复位。
16.根据权利要求12-14任一项所述的电机，其特征在于：致动的过压保护装置或放电电路能借助于可熄灭半导体元件复位。
17.一种电源设备，其特征在于：它包括在权利要求1-16任一项中所述的旋转电机。
18.一种借助于正和负激励电流方向激励旋转电机的一种方法，其特征在于：当在激励电流方向之间切换时，跨过电机的场绕组(4)临时连接一个双向场过压保护装置(8、10、12、14)或一个双向放电电路。
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