CN1279841A - 一种控制带有永磁转子的旋转高压交流电机中磁通量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

直接连接到高压电网中的一种旋转电机,其中适合于高压的磁路包括有操作关系的一个永磁转子,定子和主、副磁通控制线圈。至少一个线圈是一个由一个磁渗透的、磁场限定的绝缘系统包围的导体。

Description

一种控制带有永磁转子的旋转高压交流电机中 磁通量的方法和装置

背景技术

本发明涉及一种控制旋转高压交流电机中磁通量的方法和装置，其中电机具有一个永磁转子和至少一个装在定子中的副线圈。

本发明主要涉及直接连接到一个配电网或输电网的交流电机，其包含一个磁路，该磁路具有一个铁心，一个主线圈，至少一个副线圈，和一个永磁转子。这种电机包括同步电机，其主要用作连接到配电网或输电网的发电机，配电网或输电网在下面通常被称为电力网。同步电机也用作电动机和同步补偿器。这个技术领域还包括外磁极装置和同步磁通装置。

同步电机的转子通常包括电磁铁或永磁铁，其在稳定的情况下以一定的速度旋转，该速度与定子线圈中的电流的频率成正比，定子线圈通常是一个三相线圈。定子本质上与两种型式的转子相同。

如果转子包括电磁铁，磁场线圈通常由一个静止的或一个旋转的激励器供给直流电。通过控制磁场线圈中的直流电，可以控制电机中的磁通量，而且因此，例如定子终端的电压也可以被控制。各种控制功能元件通常被包括在激励器控制系统中，因此电机以适用于系统的方式运转。这种控制功能元件的例子有AVR(自动电压调节器)和PPS(电力系统稳定器)。

下面是对图1所示的一种典型激励控制系统中遇到的各种子系统的简短描述。

激励器1提供直流电给同步电机的磁场线圈，构成激励系统的供能阶段。

调节器2处理并放大输入的控制信号到一定的适于激励器控制的级别和形式。

终端电压变换器3和负载补偿器3检测定子终端电压，将其整流过滤成直流量，并与代表所需终端电压的参考值进行比较。另外，可以提供负载(线路电压降，或电抗的)补偿，如果需要在远离发电机终端的某通电位置保持恒定的电压。电力系统稳定器4提供一个附加的输入信号到发电机，以衰减电力系统的振荡。一些经常使用的输入信号是转子速度偏差，加速功和频率偏差。限制器和保护电路5包括一系列控制和保护性功能元件，其确保激励器和同步电机的容量极限不超范围。一些通常使用的功能元件是电场—电流限制器，最大激励限制器，终端电压限制器，每赫兹电压调节器和保护，及欠励磁限制器。

同步电机6包括一个转子和一个定子。电机中的磁通量由激励器1和转子的磁场线圈控制。

如果转子包括永磁铁，则不需要一个用于激励的直流电源。因此，转子中带有永磁铁的一个重要优点是没有激励损失。这急剧降低了对转子冷却的需求。结果是一个更有效的电机。它也提供了一个更紧凑的转子设计的可能性。

永磁转子的主要缺点是磁场控制不可行。因此永磁电机一既包括发电机又包括电动机一的工作性能受到了缺乏调节磁场能力的限制。作为一种独立式的发电机，终端电压将随负载的变化而变化。为了使该电压保持在合理的限度内，有时必须在发电机附近通过可调的、连接到电力网中的分流电容控制负载功率因子。作为一个电动机，永磁电机被广泛地用作一个可变速的驱动装置，该装置由一个可控电压和频率的电源供电。

有许多不同的永磁转子设计。一些设计见1987年的S．A．Nasar，McGraw Hill所编的《电机手册》第9章。

发明概述

本发明包括上述待审申请中所述型式的电机，其应用以一根电缆、一个定子、一个含有永磁铁的转子和至少一个主线圈及至少一个副线圈的形式形成的一个绕组。通过产生和消耗有功和无功功率，主线圈被连接到电力网中。

根据本发明，尽管转子中具有永磁铁，也可以控制电机中的磁通量。在本发明中，其中一个主线圈和一个副线圈被封装在定子中，这是通过将一个外或外部电路连接到副线圈而实现的。控制外电路，以使一个适当的电流在副线圈中流动，从而影响磁通量。以这种方式，用转子中的电磁铁代替传统系统中的、通过电机中的磁场线圈工作的所有相关控制功能元件是可能的。而且，可以增加一些控制功能，当通过磁场线圈工作时，它们不可能实现。这种功能可以是用以降低转子加速度的动载破坏，控制磁通量，其中控制磁通量是为了降低故障电流和电机中产生的谐波。

下面是对图2所示的本发明的一种同步电机的各种子系统的简短描述，其中相似的元件具有相同的附图标记。

与图1中的激励器1不同，其控制转子，外电路7控制副线圈中的电流，因此实现了所需的磁通量的影响。

调节器2处理并放大输入的控制信号到一定的适于激励器控制的级别和形式。

终端电压变换器和负载补偿器3检测定子终端电压，将其整流过滤成直流量，并与代表所需终端电压的参考值进行比较。另外，可以提供负载(线路电压降，或电抗的)补偿，如果需要在远离发电机终端的某通电位置保持恒定的电压。

电力系统稳定器4提供一个附加的输入信号到发电机，以衰减电力系统的振荡。一些经常使用的输入信号是转子速度偏差，加速功和频率偏差。

限制器和保护电路5包括一系列控制和保护功能元件，其确保外电路和同步电机的容量极限不超范围。一些功能元件是主线圈终端电压限制器，副线圈终端电压限制器，定子主线圈电流限制器，定子副线圈电流限制器和每赫兹电压调节器。

本发明的同步电机6具有至少一个副线圈和一个永磁转子。

如上所述，如果气隙磁通由同步电机定子中的一个副线圈控制，与气隙如果只由转子控制相比较，可以实现其它的控制目标。这例如这种情况，如果副线圈是一个能以不对称方式控制的三相线圈。

而且，对于根据本发明的一种同步电机，副线圈和气隙磁通之间的时间常数比磁场线圈和气隙磁通之间的时间常数小，后者是针对一种电机，该电机具有一个含有电磁铁的转子。这意味着，根据本发明通过副线圈比通过磁场线圈更快地影响磁通是可能的，其中磁场线圈用于一种电机，该电机具有一个含有电磁铁的转子。

对于本发明，可以利用永磁转子的优点，与一个包含电磁铁的转子相比，例如相当低的转子损失，更简单的转子冷却，更紧凑的转子设计。

由于副线圈中的铜损，定子中的附加损失比带有电磁铁的转子中的转子损失容易控制得多。这是由于定子静止不动的结果。

对于本发明，电压调节是通过控制外电路而实现的，因此从副线圈引入或引出无功功率。

图3表示对于根据本发明的一种电机，有功功率P与无供功率Q的关系曲线的一些特征，其中：CL表示对主线圈热基极电流的限制，MP表示涡轮的最大功率，C代表没有副线圈的性能，CI和CC表示对副线圈热基极电流的限制(假定副线圈附带可忽略的有功功率)，界限CI表示副线圈中的感应电流，而界限CC表示电容性电流，阴影区NO表示正常工作区。点OP表示一个工作点，其中假定副线圈中没有引出或引入有功功率，副线圈中的损失为0。TLC是电容性电流限CC上的一个工作点。TLI是感应电流限CI上的一个工作点。为了在工作点OP和TLC之间移动，引入副线圈的无功功率量增加。在这个例子中，主线圈和副线圈在TLC上处于热界限。为了在OP和TLI之间移动，从副线圈引出的无功功率量增加。

将本发明的电机的副线圈中的损失和另一个电机中的激励损失进行比较是合理的，后一电机具有一个转子，该转子含有电磁铁。后者在UE附近的性能欠激励区具有为0的励磁电流，和最小的激励损失，而根据本发明的一种电机沿曲线C在副线圈中具有最小的损失。显然，在曲线C附近，同步电机经常以高涡轮功率运行，但很少在UE附近。这表示根据本发明的电机的效率一般比具有含有电磁铁的转子的电机的效率高。

可以给永磁转子配以阻尼线圈，也可以不要它们。

本发明的另一个优点当然是消除了给旋转线圈供电的问题，对于具有电磁铁的转子，也是这种情况。

根据本发明的一个实施例，待审申请中描述的副线圈在此处以一个比较低的电压运行。因此，相连的电路与连接到主线圈的设备相比，包括不贵的低压设备。

一个例子如图4A所示，其中副线圈56可以设置在定子(51)中。也可以给带有一个副线圈的永磁转子配备控制线圈电流的装置。换句话说，在这个实施例中，副线圈起到一个磁场线圈的作用。转子变为一种永磁转子和电磁铁转子之间的混合体。

通过从副线圈56引入或引出无功功率，可以完成对本发明的一种电机的电压调节。

实现这个的一种简单方法是根据图14，其中一个电容和一个电抗线圈通过断电器被连接到副线圈上。通过闭合其中的一个断电器，无功功率或者由电容产生并被引入副线圈，或者被消耗并从副线圈中引出。和从主线圈中看到的一样，无功功率能以这种方式产生或被电机消耗。

为了实现一个抑制(smother)控制，按照图15，电容和电抗线圈可以被划分为数个机械切换的单元。按照图16，另一种实现窒息控制的方法是用一个硅可控整流器切换的电容(TSC)和硅可控整流器切换的电抗线圈(TSR)，SVC(静态变感补偿器)代替机械切换的电容和电抗线圈。引入或从副线圈引出的无功功率量能以这种方式被连续控制。

如果副线圈的目的也是给电站提供附加能量，一个优选实施例包括一个AC／DC DC／AC转换器，其带有一个连接到DC母线上的蓄能器(10)(例如蓄电池)，如图8所示。转换器(11)总是用于控制副电压母线上的电压，并以额定频率输送有功功率到连接到副电压母线上的负载。另外，可以控制离副线圈最近的转换器(9)，因此它可以从副线圈引入或引出无功功率。

其它实施方式也是可以的，例如根据图7和图9。如果电机备有两个线圈，可以采用图11所示的实施方式。

有电压失稳倾向的电力网的一个特征是一个区域中的同步发电机达到它们的无功功率产量的极限，或者通过达到励磁电流极限或衔铁电流极限，例如参见GIGRE报告“电压失稳的标准和措施”的2．2．3部分。在这样的一种紧急情况中，通常容许电机经过这些极限一段时间，分别取决于转子和定子发热的时间常数。

对于根据本发明的定子设计，与传统电机的相应时间常数相比，定子发热的时间常数较大。这主要是由于隔热系统的一个优化选择(XLPE)。对于根据本发明的一种副定子线圈，通过将无功功率引入副定子线圈可以得到附加的无功功率。副定子线圈可以具有和主线圈相同的隔热系统，因此它可以被设计为具有相同的发热时间常数。定子发热的大的时间常数因此可以被全面利用。因此，与带有一个含有电磁铁的转子的电机相比，根据本发明的一种电机可以过载较长的时间，给电力网的操作者提供了一定的时间，以采取措施防止电压失稳。

应该设计定子主线圈电流限制器和定子副线圈电流限制器，以使这些时间常数被全面利用。

在一个随电力网故障而来的瞬态干扰和通过隔断故障元件而清除故障的过程中，发电机的终端电压较低。对于一个传统的发电机，自动电压调节器通过增大励磁电压与这种情况响应，其对瞬态稳定性有一个有益的效果。这类控制的效率取决于激励系统将励磁电压快速增大到最高可能值的能力。

对于根据本发明的一种电机，通过转子电路工作的高速激励系统可以被连接到副线圈的一个电路代替，该电路能快速增加主线圈的电压。如图16所示，电路可以包括一个TSC。输入信号可以和用于传统高速激励系统的相同。通过副线圈工作的系统比通过磁场电路工作的系统具有较小的时间常数。而且，副线圈的隔热系统能经得住一个高均衡的基频过压。部分地由于它被加工成具有能经得住接地故障的尺寸，部分由于XPLE隔热能经受高均衡的基频过压数分钟。这容许一个高的峰值电压。换句话说，通过副线圈工作的系统能快速影响主线圈的电压。

动力制动利用一种原理，即在瞬态干扰过程中施加一个人工电载荷，以提高电机的电功率输出，从而降低转子加速度。动力制动的一种形式包括在故障后接通分流电阻约0．5秒，以降低附近电机的加速功并消除故障期间得到的动能。Bonneville能源管理局(BPA)在太平洋西北部已经采用了这种增进故障瞬态稳定的方案；制动装置包括一个1400MW，240KV的电阻。

对于根据本发明的一种电机，在连接到主线圈的电网中出现干扰的情况下，可以从副线圈中引出有功功率。这会降低加速功，从而降低转子加速度。一个优选实施方式将是通过一个断电器将电阻并联连接到副线圈中。对于一个断电器切换的电阻，见图17，应该注意避免“反冲”上的不稳定，如果电阻保持接通状态太长，则会出现这种情况。其它的实施方式也是可以的，例如利用一个硅可控整流器控制的电阻，见图18。例如比较这种解决办法和BPA设备，可以注意到，根据本发明的一个优选实施方式，电压级一般较低，意味着更简化的设备，并注意到这种设备主要是用来制动电机而不是一大组电机，如果制动装置设置在电力网中，可以是这种情况。

根据制动的一个有益实施方式，思路是将它与上述快速电压控制相结合，由于两者在瞬态稳定方面都有有益的效果。

上述制动装置的另一个申请是将它用作被用于产生峰值功率的电机的一个制动器，即用于需要经常起动和停止的电机。当制动电机时，问题是转化作为动能储存的能量。基本上有两种完成的方法，或者通过利用机械制动器或者通过利用电制动器。机械制动器的寿命相当短，即它们需要经常维修和修理。实现电制动的最简单的方法是通过施加一个短路到电机的终端并磁化电机，因此，例如在定子线圈中得到了额定电流，这之后机械扭矩被消除了，而且电机也与系统断开连接。该额定电流引起铜损，铜损给出了良好的制动效果，特别是在低速时。

对于根据本发明的一种电机，当然可以通过施加一个短路到主线圈终端来实现电制动。但是，由于这个终端是一个高压终端，需要为高压而设计实现短路的装置。换句话说，花费会变得昂贵。一个优选实施方式被代替来完成在副线圈终端的短路，最好通过一个如图17中的制动电阻，一个如图18中的硅可控整流器控制的电阻，或通过加载一个如图6中的蓄能器。电力网中功率振荡的降低

在电力网中有许多元件，它们被用于衰减功率振荡。例如，为此目的可以给SVC和HVDC电站配备附加控制。但是，最常用的给发电机转子振动增加衰减的方法之一是利用辅助的稳定信号控制其激励。这种控制功能元件通常被称为PSS(电力系统稳定器)。根据Prabha Kundur所著的《电力系统的稳定和控制》第767页，图19表示一个具有电压调节器和PSS的发电机的示意流程图。为了提供衰减，PSS必须产生一个与转子速度偏差同相的电扭矩向量。用于控制发电机激励的一个逻辑信号是转子的速度偏差。如果励磁电压(△Efd)和电扭矩(△Te)之间的激励器传递函数Gex(S)和发电机传递函数是纯增益时，转子速度偏差(△ωr)的一个直接反馈将导致一个衰减的扭矩向量。但是，实际上发电机和激励器(取决于其类型)呈现与增益和相位特性相关的频率。在理想情况中，随着PSS相位特性(Gpss(S))的补偿，PSS将在所有的振荡频率产生一个纯衰减扭矩，其中PSS相位特性与激励器和发电机的相位特性成反比。但是设计PSS以使对所有的频率都得到纯衰减比较困难，部分地是由于相位特性随系统条件而变化。通常，所考虑的频率范围是0．1～2．0Hz，而且，相位超前网应该在这整个范围上提供补偿。

如果根据本发明，电机配有一个副线圈，通过磁场线圈工作的传统PSS可以被一个通过副线圈工作的PSS代替。图6表示一个针对此目的的优选解决方法的单线示意图。控制转换器(9)，以使功率引入或从副线圈引出，因此被看作气隙扭矩中振荡的功率振荡被减小或消除，因此衰减了系统振荡。其它实施方式，例如根据图8的也是可以的。例如，这个控制回路的输入信号可以以转子速度或有功功率为基础，这如主线圈中所见。设计一个通过副线圈工作的PSS较容易，因此对于一个宽的频率范围，得到了或多或少的纯衰减，由于增益和相位在副线圈和电气隙扭矩之间几乎是频率无关的。内部故障电流的降低

当一个电机被连接到一个没有升压变压器的电力网上时，由于旋转磁通，电力网和电机两者在内部接地故障的情况中，将对故障电流有影响。

如果在电机中出现一个内部接地故障，则会导致一个高的故障电流，该电流会损坏电机。电机的损坏取决于故障电流的大小和持续时间。为了减少电机的损坏，需要降低故障电流的大小和持续时间。

在一个传统的发电站中，这是通过尽快将电机从电力网断开和通过控制励磁电流而实现的，因此它尽快减小，为的是消除电机中的旋转磁通量。

对于具有一个永磁转子的电机和对于定子的一个传统设计，不可能降低电机中的旋转磁通量。这是由于永磁铁的恒定磁通量而造成的。

对于根据本发明的一种电机，该电机在定子中具有一个副线圈，降低或消除具有一个永磁转子的电机中的旋转磁通量，从而降低故障电流的影响是可能的。这可以通过将一个电流输入副线圈中而实现，以这样的一种方式控制副线圈，使它在电机中产生一个旋转磁通，其叠加到永磁转子产生的旋转磁通上，因此合成的磁通被减少或消除。这将降低故障电流的大小和持续时间。

本发明能被例如如图12所示地实现，通过将一个副线圈(4)连接到一个频率转化器(15)，其能在副线圈(4)中产生一个可控电流。如果电机(1)中出现一个内部接地故障，用断电器(3)将电机(1)从电力网(7)中断开。而且，频率转化器(15)输入一个电流到副线圈(4)中，因此产生一个旋转磁通，其叠加到永磁转子产生的旋转磁通上，因此合成的磁通被减少或消除。

在图12中，频率转化器(15)由测量设备(19)通过控制信号(20)控制，设备(19)用转子角度测定信号(24)测定转子角。

由于磁场线圈的相对大的时间常数和传送必需电流到转子的难度，通过控制励磁电流来快速消除磁通量是复杂的。在一个传统电机中，磁场线圈的时间常数约为2～10秒。

对于具有一个副线圈的这种发明，比在传统电机中更快地降低旋转磁通产生的故障电流是可能的，这是由于定子中线圈的时间常数比转子中线圈的时间常数小，及定子中线圈的电流比转子中线圈的电流容易控制的缘故。

本发明能被例如如图12所示地实现，通过将一个副线圈(4)连接到一个频率转化器(15)，其能在副线圈(4)中产生一个可控电流。如果电机(1)中出现一个内部故障，用断电器(3)将电机(1)从电力网(7)中断开。同时，频率转化器(15)开始在副线圈(4)中产生一个相反大小的旋转磁通。这两个旋转磁通将叠加为零；那么比以传统方式更快地消除了旋转磁通量。

在图12中，频率转化器(15)由测量设备(19)通过控制信号(20)控制。测量设备(19)用转子角度测定信号(24)测定转子角。

采用本发明比采用传统系统更快地消除了故障电流。谐波的降低

当计算和设计三相交流电机时，目标通常是尽可能得到对称量和正弦量。为了从普通形式电机的电磁路中得到一个经济的发电量，谐波电动势作为到基电动势的谐波被产生了。在一定的条件下，这些谐波电动势使谐波电流在电机和电力网中流动。

众所周知，为了消除一个或多个谐波，可以选择定子线圈的弦。众所周知，关于带有凸出磁极的电机，另外，通过以一种适当的方式选择转子磁极的结构，特别是电机极铁的形状，可以影响和改进这些电机的电动势形状。

通过选择一个适当尺寸的绕线间隔而实现的电压第三谐波的完全消除，无论怎样都意味着一个相当大的适用于扭矩产生的基频的降低，约为14％。因此，这意味着只利用了86％的可用额定功率。为了避免这种降低，绕线间隔主要用于抑制第五谐波，从而降低只占少数比例。电机极铁形状的匹配经常用于经济地降低第七谐波电压。因此，第三谐波电压／电流的有害影响的消除或减弱必须用其它方法完成。

传统的发电机经常通过一个△／Y形接法的升压变压器连接到电力网中。这个变压器的主要目的是从发电机级，通常在10～20KV，增加电压到电力网的电压，其可以是数百KV。连接到发电机的变压器的△绕法有下述特点，即阻碍第三谐波电流。

当一个电机被直接连接到电力网中时，这个第三谐波电压(取决于发电机的接地)导致电力网中的一个第三谐波电流。为了降低该第三谐波电流，可以选择一个高阻抗的发电机接地，用一个第三谐波过滤器或绝缘中线接地。当需要直接接地时，用上述技术不能解决第三谐波的问题。

对于根据本发明的一种电机，该电机在定子中具有一个副线圈，减少或消除电机中产生的谐波是可能的。这可以通过将一个电流输入副线圈中而实现，以这样的一种方式控制副线圈，使它在电机中产生一个磁通，其将叠加到电机产生的谐波磁通上，因此合成的谐波磁通量被减少或消除。这将减少或消除电机谐波的影响。

本发明能被例如如图13所示地实现，通过将一个副线圈(4)连接到一个频率转化器(15)，其能在电机中产生一个可控磁通。频率转化器(15)以这样的一种方式控制，以使副线圈(4)产生磁通，该磁通叠加到电机产生的谐波磁通上，因此合成的谐波磁通量被减少或消除。这将减少或消除电机谐波的影响。外部负连续电流的补偿

对于一种传统的同步电机和平衡系统的情况，气隙磁通以和转子上磁场线圈相同的方向同步旋转。在不平衡系统的情况中，产生负连续电流。对于电机，有许多不平衡的三相源。最普通的原因是系统不对称(例如非调换的传输线)，不均衡负载，不均衡的系统故障及断路(例如断开的导体)。负连续电流向量以与转子相反的方向旋转。正如转子所看到的，该电流产生的磁通有一个两倍于同步速度的频率，这是转子的反向旋转和正向旋转相结合的结果。两倍频率转子电流的集肤效应使其进入转子的表面元件。这些转子电流能在极短的时间内造成有危险的高温。通常的作法是给发电机提供对外部负连续电流的防护。这种防护包括一个时间过流延迟，其与负连续电流响应，而且一般通过断开发电机断电器而工作。

对于一个带有阻尼线圈的永磁转子，定子线圈中的负连续电流将在阻尼线圈中感应两倍于频率的电流，而且也可能在由铁制成的转子的其它零件中。根据本发明，如果同步电机配有副线圈，尽管电机受到外部负连续电流的影响，但电机还可以运行。这可以通过将一个负连续电流输入副线圈中，其产生一个负连续气隙磁通向量，因此由于主线圈中负连续电流而引起的负连续气隙磁通向量被消除或减小到一定程度，即避免有危险的转子发热的程度。

附图的简要描述

图1是一个同步电机激励系统的功能示意流程图；

图2是根据本发明的一种带有永磁转子的同步电机的控制系统的示意功能流程图；

图3是一个性能图，表示根据本发明的一种电机的特性；

图4A是根据本发明的一种电机的示意说明图；

图4B是用在根据本发明的一种电机中的一根电缆的局部透视图；

图5至18是示意流程图，表示根据本发明的不同控制设备；

图19是一种传统控制系统的说明图。

为了更详细地解释发明及理解本发明的特定优点，现在将参照附图4至19对根据本发明的副线圈及连接到副线圈的装置进行详细描述，这些实施例被选作例子，其中：

图4A是电机定子(51)的一个扇区的示意图，其中可以设置一个副线圈(56)。永磁转子由(52)表示，在该例中，一个凸出的磁极转子，(55)，(54)和(53)代表主线圈。在这个实施例中，副线圈(56)被设置在定子的背面。副线圈(56)的其它设置方式也是可以的。

图4B表示一种典型的电缆(57)，其用作图4A的电机(1)中的一根绕线。电缆(57)包括一个导电的心线束(58)，该线束由许多股导电线形成，它们可以被调换而且一般是包覆绝缘层的，除靠近周边的少数股线(59A)之外。根据本发明，电缆(57)有一个磁渗透的、限定磁场的绝缘壳(60)。壳(60)包括一个围绕导电心线束(58)的第一或内层(61)。在这个实施例中，第一层(61)具有半导体的特性。围绕内层设有由一种绝缘材料形成的一个坚固的绝缘层(62)，沿其内界面与内层(61)相粘。围绕绝缘层(62)的是一个第二或外层(63)，其由一种具有半导体特性的材料构成，并在内界面被粘到绝缘层(62)上。图4B所示的设置和上述申请中描述的相同，几乎不需要进一步的解释，除了需指明这种电缆能经受高压并产生一个等势表面，该表面能限定电场，还容许电缆是磁渗透的，因此是磁路的一个操作元件。

图5表示本发明的一个优选实施例，其中电机(1)连接到一个电力网(7)，如果需要的话，副线圈(4)连接到一个被动的可控R，L，C—电路(8)上。如果需要接地，这个R，L，C—电路(8)可以包括一个或多个连续或平行，△或星形连接的被动元件，例如电阻、电容或电感线圈。这个R，L，C－电路(8)还可以包括断电器，半导体能开关的硅可控整流器。在图中不能看到与地的连接，被动元件也不能是可控的。

对于一个包括一个电容的、连接到副线圈(4)上的电路，电机(1)能产生额外的无功功率并给电力网(7)造成无功功率的额外影响。如果连接到副线圈(4)上的电路包括一个电感线圈，电机(1)能消耗电力网的无功功率。如果连接到副线圈(4)上的电路包括一个电阻，电机(1)能消耗有功功率，这将对电机产生一个制动／衰减扭矩。

图6表示本发明的另一个优选实施例，其中电机(1)连接到一个电力网(7)，如果需要的话，副线圈(4)连接到一个四分之一频率转换器。在图中，频率转换器(9)被表示为一个AC／DC转换器(9)和一个作为蓄能器(10)的蓄电池。蓄能器(10)也可以是一个电容或另一种能蓄能的元件。AC／DC转换器(9)可以是一个四分之一脉冲调制转换器(PWM)。其它形式的转换器也是可以的。

对于本发明，连续而快速地影响AC／DC转换器(9)和副线圈(4)之间的有功和无功功率的交替是可能的。

AC／DC转换器(9)能提供平衡和不平衡的三相量。

图7表示本发明的另一个优选实施例，基本和图6中的结构相同，但增加了一个通过断电器(3)连接的被动R，L，C－电路(8)。

对于本发明的这个优选实施例，用一个切换的被动R，L，C－电路(8)使副线圈(4)和R，L，C－电路(8)之间的有功和无功功率的交替更慢地不连续进行是可能的，而且用一个AC／DC转换器(9)和一个蓄能器(10)实现更快的连续交替也是可能的。

图8表示本发明的另一个优选实施例，与图6所示的类似，但增加了一个通过一个AC／DC转换器(9)、一个蓄能器(10)和一个DC／AC转换器(11)连接到副电力网(12)中的副线圈(4)，这两个转换器可以是四分之一转换器，例如PWM转换器。

对于本发明的这个优选实施例，通过AC／DC转换器(9)、蓄能器(10)和DC／AC转换器(11)，在上述容限范围内，用副线圈(4)给副电力网(12)提供额定电压和频率的功率是可能的。

图9表示本发明的另一个优选实施例，与图8所示的类似，但增加了一个通过断电器(3)连接的被动R，L，C－电路(8)。这两个转换器可以是四分之一转换器，例如PWM转换器。

对于本发明的这个优选实施例，实现了所述的图7和图8的优点的结合。

图10表示本发明的另一个优选实施例，与图9所示的类似，不同的是副电力母线(12)通过一个变压器(13)连接到电力网(7)。

对于本发明的这个优选实施例，通过变压器(13)由电力网(7)给蓄能器(10)连续供电是可能的。

图11表示本发明的另一个优选实施例，与图8所示的类似，但增加了一个附加的副线圈(14)和一个附加的AC／DC转换器(27)。

对于本发明的这个优选实施例，由于每个副线圈(4)和(14)能致力于各自的工作，所以控制装置可以更简单。

图12表示本发明的另一个优选实施例，与图8所示的类似，但增加了一个测量设备(19)。(24)是一个转子角度测量信号。也可以测定其它的控制信号。

对于本发明的这个优选实施例，在出现一个内部故障的情况中，用副线圈(4)降低故障电流是可能的。

图13表示本发明的另一个优选实施例，与图8所示的类似，但增加了一个变压器(13)和一个测量设备(19)。在该图中，测量设备(19)测定经过变压器(13)从电机(1)产生的谐波。也能测定其余的控制信号。频率转换器(15)通过从测量设备(19)到频率转换器的控制信号(20)由测量设备(19)控制。

对于本发明的这个优选实施例，用副线圈(4)减少从电机(1)产生的谐波是可能的。

图14表示本发明的另一个优选实施例，其中电机(1)连接到一个电力网(7)，其中一个断电器(3)连接的电容(6)和电阻(28)连到副线圈(4)。

对于本发明的这个优选实施例，用副线圈(4)和电容(6)产生或消耗无功功率，并因此提供将无功功率从电力网(7)引入的附加性能是可能的。

图15表示本发明的另一个优选实施例，与图14所示的类似，但增加了许多断电器(3)连接的电容(6)和电抗线圈(28)。

对于本发明的这个优选实施例，与图14描述的发明相同。用副线圈(4)、电容(6)和电阻(28)产生或消耗无功功率，并因此提供将无功功率从电力网(7)引入或引出的附加性能是可能的。由于断电器(3)，这种无功功率的引入／引出能以不连续的步骤进行。

图16表示本发明的另一个优选实施例，其中副线圈(4)连接到一个TSC／TCR型的静态变电容(SVC)(21)上。

对于本发明的这个优选实施例，用副线圈(4)和SVC(21)产生或消耗无功功率，并因此提供将无功功率从电力网(7)引入或引出的附加性能是可能的。由于SVC(21)，这种无功功率提供的变化比使用断电器更快。

图17表示本发明的另一个优选实施例，其中副线圈(4)连接到一个断电器(3)连接的电阻(22)上。

对于本发明的这个优选实施例，用副线圈(4)和一个电阻(22)电制动电机(1)是可能的。

图18表示本发明的另一个优选实施例，其中副线圈(4)连接到一个可控硅整流器控制的(23)电阻(22)上。

对于本发明的这个优选实施例，用副线圈(4)和可控硅整流器控制的(23)电阻(22)电制动转子速度是可能的。

图19是一种传统电机的代表示意流程图，该电机具有传统的AVR(自动电压调节器)和PSS(电力系统稳定器)。

下面是一个上文描述的带有附图标记的元件的列表，但其不应该被解释为对本发明的一种限制。1－电机2－主线圈3－开关4－副线圈5—接地设备6－电容7－到电力网的连接8－R，L，C－电路9－AC／DC转换器10－蓄能器11－DC／AC转换器12－副母线13－变压器14－副线圈215－频率转换器19－测量设备20－从测量设备(19)到频率转换器的控制信号21－TSC／TCR型的静态变感补偿器22－电阻23－可控硅整流器控制单元24－转子角度测量信号25－频率转换器的控制单元26－从控制单元到频率转换器的控制信号27－AC／DC转换器28－电抗线圈51－根据本发明的定子52－永磁转子53－部分主线圈54－部分主线圈55－部分主线圈56－副线圈57－电缆58－心线束59－线60－心线束61－第一／内层62－绝缘层63－第二／外层

这里提供了一些说明用的实施例，但对于本领域的技术人员而言，在不偏离本发明的范围内，可以进行各种变型。后附的权利要求覆盖了落入本发明实质和范围内的这些变化和改型。

Claims (45)

1．连接到电力网上的一种用于高压的旋转电机，包括一个定子，一个至少包含一个永磁转子的转子，和至少两个线圈，其特征在于：至少一个所述线圈包括一个主线圈，为了产生或消耗功率中的至少一种而连接到电力网上；至少一个所述线圈包括一个副线圈，用于控制电机中的磁通；至少一个所述线圈包括一个电缆，该电缆包括至少一个传输电流的导体和一个磁渗透的、电场限定的绝缘壳，该绝缘壳包围所述导体，所述电缆在电机的相应线圈中形成至少一个不中断的圈。

2．如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：电缆包括至少一个包围导体的半导体层。

3．如权利要求2所述的旋转电机，其特征在于：所述至少一个半导体层具有和绝缘层基本上相同的热膨胀系数。

4．如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：所述壳包括一个围绕传输电流的导体的绝缘层，和一个围绕绝缘层的具有半导体特性的外层，用于产生一个等势电场限定的表面。

5．如权利要求4所述的旋转电机，其特征在于：电缆还包括一个内层，其位于传输电流的导体和具有半导体特性的绝缘层之间。

6．如权利要求4所述的旋转电机，其特征在于：外层形成一个围绕导体的等势表面。

7．如权利要求5所述的旋转电机，其特征在于：内层和外层有相应的接触表面，并沿每个相应接触表面的长度方向被固定到邻近的绝缘层。

8．如权利要求4所述的旋转电机，其特征在于：外半导体层连接到一个选定的电势。

9．如权利要求8所述的旋转电机，其特征在于：选定的电势是地电势。

10．如权利要求4所述的旋转电机，其特征在于：每个线圈可连接到一个独立的电势。

11．如权利要求4所述的旋转电机，其特征在于：电缆是柔性的。

12．如权利要求5所述的旋转电机，其特征在于：传输电流的导体包括许多股第一绝缘线和至少一股非绝缘线，与内层电连接。

13．如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：壳具有足以在导体周围建立一个等势面的导电率。

14．如权利要求1所述的旋转电机，还包括耦合到副线圈上的装置，用于从电机选择性地增加和消除功率。

15．如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：功率是有功功率和无功功率中的至少一种。

16．如权利要求1所述的旋转电机，还包括至少耦合到副线圈上的控制装置，用于控制电机中磁通的相位、大小和频率中的至少一种。

17．如权利要求1所述的旋转电机，还包括耦合到副线圈上的至少一个变换器／转换器和一个DC蓄能装置。

18．如权利要求1所述的旋转电机，还包括一个耦合在主线圈和副线圈输出端之间的变压器。

19．如权利要求1所述的旋转电机，包括一个耦合到副线圈上的RLC电路。

20．如权利要求19所述的旋转电机，在RLC电路中包括以Y形或△形连接的三相电阻，电感线圈和电容中的至少一个。

21．如权利要求19所述的旋转电机，其特征在于：RLC电路包括开关装置，用于选择性地切换控制电机中磁通的RLC。

22．如权利要求21所述的旋转电机，其特征在于：开关装置包括一个断电器和一个半导体能转换开关中的至少一种。

23．如权利要求1所述的旋转电机，还包括一个第二副线圈。

24．如权利要求23所述的旋转电机，对每个副线圈，还包括至少一个变换器。

25．如权利要求20所述的旋转电机，其特征在于：电抗装置包括至少一个与副线圈并联的电容和一个相应的转换开关。

26．如权利要求1所述的旋转电机，还包括一个以△形或Y形中的至少一种可切换地与副线圈相连的电阻。

27．如权利要求26所述的旋转电机，其特征在于：开关装置包括一个断电器，一个半导体能转换开关和一个硅可控整流器中的至少一种。

28．如权利要求1所述的旋转电机，还包括耦合到主线圈上的传感器装置，用于产生输出，和耦合到副线圈上的装置，其与输出响应并用于在副线圈中引入或引出功率。

29．如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：副线圈设置在转子和定子中的至少一个中，而且还包括控制电机中磁通的相位、大小和频率中的至少一种的装置。

30．如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：主线圈和副线圈设置在定子中。

31．如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：至少一个定子线圈是一个三相线圈。

32．如权利要求1所述的旋转电机，包括多相线圈，而且其特征在于：每相是单独可控的，用于补偿主线圈的不均衡负载。

33．如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：转子基本上没有线圈损失。

34．如权利要求33所述的旋转电机，其特征在于：至少一个副线圈设置在永磁转子中，还包括通过控制副线圈中电流而控制电机中磁通的装置。

35．如权利要求37所述的旋转电机，其特征在于：控制电机中磁通的装置在副线圈和磁场线圈之前耦合。

36．如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：副线圈也产生附加的功率。

37．一种用于高压的旋转电机，包括一个定子，一个永磁转子和至少两个线圈，其特征在于：至少一个所述线圈包括一个主线圈，用于产生或消耗功率，和至少一个副线圈，用于控制电机中的磁通，而且至少一个所述线圈包括一个电缆，其包括至少一个传输电流的导体和一个磁渗透的、电场限定的绝缘壳，该绝缘壳包围所述导体，所述电缆在电机的相应线圈中形成至少一个不中断的圈，所述转子基本没有磁场线圈损失。

38．如权利要求17所述的旋转电机，其特征在于：变换器／转换器是一个四分之一变换器／转换器。

39．如权利要求28所述的旋转电机，其特征在于：传感器装置检测主线圈的终端电压，而且耦合到副线圈上的装置是这样的，使无功功率能从副线圈中被引入或引出，因此主线圈的终端电压被保持在所需的大小。

40．如权利要求28所述的旋转电机，其特征在于：传感器装置检测电力网中的功率振荡，而且耦合到副线圈上的装置是这样的，使无功功率能从副线圈中被引入或引出，因此气隙磁通中的振荡被减小或消除。

41．如权利要求28所述的旋转电机，其特征在于：传感器装置检测电机中的内部故障，而且耦合到副线圈上的装置是这样的，如果合适，为了降低故障电流而使电机中的磁通量减少。

42．如权利要求28所述的旋转电机，其特征在于：传感器装置检测电机中磁通的谐波含量，而且耦合到副线圈上的装置是这样的，使通过副线圈能产生磁通向量，因此合成的磁通具有一个减少的或消除的谐波含量。

43．如权利要求28所述的旋转电机，其特征在于：传感器装置检测电力网中的干扰，而且耦合到副线圈上的装置是这样的，如果合适，降低转子加速度的动力制动能被实现。

44．如权利要求28所述的旋转电机，其特征在于：传感器装置检测主线圈中的不均衡相位电流，而且耦合到副线圈上的装置是这样的，使不均衡电流能在副线圈中被输入，因此基本上只有正的连续磁通保留在电机中。

45．如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：主线圈包括所述电缆。

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