CN1452807A - 同步发电机 - Google Patents

Abstract

如由Enercon公司生产的E－33、E－40、E－12和E－66型，用在风力发电厂中的慢速旋转电机，例如环形发电机，需要很高的励磁功率。需要的励磁功率随极数、气隙增大以及无功功率的规模而增大。如上所述，本发明的目的是提高直接驱动发电机的效率并且避免上述缺点。用于风力发电厂的慢速旋转发电机(环形发电机)的发电机包括转子和包围转子的定子，实现了所述目的。定子至少具有一个注入容性电流的三相绕组并且/或者由定子产生一部分励磁功率。

Description

同步发电机

本发明涉及慢速旋转电机，例如环形发电机，如用在风力发电设备中的Enercon公司的E-33、E-40、E-12和E-66型，需要很大的励磁功率。需要的励磁功率随极数、气隙的增大以及无功功率的规模而增大。

以上说明的这种环形发电机具有例如72或84极。在风力发电站场合使用的直接驱动发电机尽可能一天运行24小时，因此它们的效率应该尽可能高。

用于风力发电设备的慢速运行环形发电机，如Enercon公司的E-66型环形发电机，运行在10和22rpm(转每分)之间的转速范围。这种环形发电机被制造为具有72个极(36对极)，并且因此产生6和13.2Hz之间的频率。

这种环形发电机包括转子和包围转子的定子，通过转子绕组建立励磁功率。如上所述，由于频率很低，用电容进行无功补偿或者对定子进行过补偿非常昂贵。

通常按照以下公式计算电容电流： $i_c=C\·\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}$

因此，对于正弦电压(按照已知发电机的情况)，电容电流为：

      i_c＝U·2·π·f·C

因此，由电压、电容的容量和所加的频率确定电容电流。

因此，与50或60Hz的常规频率相比，由于例如在6和13.2Hz之间的发电机频率，不幸只有很小的电容电流。公认正弦的电容电流包含相对于有功电流90°的相位移，但是在每种情况下，它流动的范围超过180°，并且在这种情况下，引起定子绕组铜耗增加。

DE 42 18 298披露了永磁发电机系统，其中，同步发电机具有旋转磁场，利用电压检测器和比较器使旋转磁场规则，电压检测器用于检测永磁同步发电机的输出电压，比较器用于将利用电压检测器检测的电压与利用电压设置器件设置的参考电压进行比较。

US-A-5 773 964披露了用于汽车发电机的调节系统。

本发明的目的是提高上述类型的直接驱动发电机的效率并且避免上述缺点。

按照本发明，为了达到所述目的，提出了具有如权利要求1所述特性的慢速旋转同步发电机。在从属权利要求中说明了有利的完善。

本发明根据这样的技术途径，不是如以往仅由转子(或其绕组)，而且由发电机或其三相电流绕组施加发电机的励磁机功率。

最好，在这种情况下，定子用电容电流励磁。

在这种情况下，在定子中感应的电压不是正弦形，而类似梯形(见图3)。然而，对于梯形电压来说，按照公式： $i_c=C\·\frac{\mathrm{du}}{\mathrm{dt}}$

容性的电容电流只在电压的正或负边缘期间流过。

在这种情况下出现的电流脉冲的频率大约在100和180Hz之间，最好是130Hz。因此，提供一个比正弦电压时高大约10倍的电流幅值。

按照本发明的发电机的另一个主要优点是容性电流在半个振荡的开始时流过。这表示容性电流100％对应于励磁电流，因此可以根据转子减小励磁电流。此外，只有当还没有大负载电流加在绕组上时，该电流加在定子绕组上(图4)。最好将发电机定子绕组设计为(至少)具有两个三相电流绕组，其中，每个三相电流绕组包括一个三相绕组。在这种设计中，将三相电流绕组布置为相差30°相位角(图5)。

按照这样的设计，每过30°之后，随着一个新的振荡，下一相开始。图6示出了360°范围的关系。

图7示出了在两套三相电流系统的定子中，容性励磁电流相对于时间轴的关系。可以看到，每过30°电角度，电容产生一个新的电流脉冲(见图5)。这样设计这个滤波器，使它除了提供整流器需要的尖峰(谐波)电流以外，还给发电机定子提供容性电流尖峰。

通过与以往的发电机比较也可以说明按照本发明的结构的优点，其中以往的发电机单独由转子产生励磁功率。在以前的包含单独由转子产生励磁功率的结构中，有接近20％的感应损耗。这表示根据公式P＝i²·R(100％+20％＝1.2)有1.2²的损耗。按照以前的发电机原理，由于极靴之间的距离不能无限远，通过磁极之间的气隙，漏磁从一个极靴直接进入另一个极靴，因此不可能避免损耗部分并且由相邻的极靴产生20％的损耗。

现在如果定子也产生励磁功率，则在产生的这部分励磁功率中不再发生这种损失。这还表示定子产生的励磁功率的部分100％贡献给功率。因此，可以总体减少一些转子的励磁功率，由于避免了其损耗，使由于定子励磁功率的损耗部分已经下降。由于减少了转子的励磁功率，漏电感也减小，以往出现的损耗部分再次减小20％。

图8示出了具有同步电机和连接在后面的逆变器的风力发电设备的电路框图。

图9示出了按照本发明的风力发电设备的电路框图，其中，将星形电路的电容网络连接到简单三相电流系统的绕组。

在图14中也可以看出按照本发明的结构的另一个优点。图14示出了发出不同的发电机功率与需要的励磁电流之间的关系。上面的曲线示出了没有滤波器需要的能量。下面的，励磁电流大约减小20％的曲线示出了按照本发明的结构的运行情况。

励磁电流减小20％可以使在磁极轮(pole wheel)或转子中的励磁功率减小36％。这表示大大减小了转子的励磁功率损耗。以这种方式可以增加发电机的功率。对于，在发电机具有大约20rmp的额定转速的情况下，它是主要转速并且因此dΦ/dt或气隙中的感应B确定结构尺寸。以这种方式，可以将以前发电机，如Enercon公司的E-66型风力发电设备(额定功率1.5MW)，的额定功率增加到1800kW。

图1示出了具有连接了整流器的三相电流系统的发电机(同步电机SM)。在三相导体系统中连接的是包括在三角形电路中的三个电容的电容网络。将电压U_G加在三相绕组的各个导体上。如图2所示，随着正弦的导体电压产生移相的正弦电流i_c。

图3示出了随着梯形电压的电容电流。图4示出了在电流-时间图上电容电流i_c和负载电流i_L的情况。

图5示出了包括至少两个三相电流系统的同步发电机(环形发电机)的结构，其中每个三相电流系统具有三个三相电流绕组。这两个三相电流系统位置相互错开大约30°。这也被参照图10和11示出。图10是按照本发明的慢速旋转同步发电机的部分断面图。此时转子子定子中旋转。

此外，还见图11，在定子中有两个独立的三相电流绕组U₁，V₁，W₁和U₂，V₂，W₂。将发电机的功率分散到两个三相电流绕组(三相电流系统)中，因此，每个三相电流系统只必须承担50％的额定功率。两个三相电流系统之间位置相差30°电角度，因此，在电气上和机械上(空间上)是彼此绝缘的。这表示电抗X_D也近似加倍，并且因此使短路电流减半。这有一个优点，即在三相电流系统可能短路的情况下，只能产生一半的短路功率。这使得在最大短路时刻(两相短路，例如U₁和V₁之间)，根据技术状态，相对于系统结构，减小50％。

图11为在定子较大的范围内，不同的三相电流系统的各相排列的简单概括。

图12示出了在按照本发明的发电机中的磁通(转子-＞定子)。在这样的设计中，磁通直接从转子的极靴均匀地在槽之间进入定子。

图13示出了具有按照本发明的同步发电机的风力发电设备外壳的断面图。在这种情况下，发电机的转子用法兰装配(flange-mounted)在风力发电设备转子上，风力发电设备的转子支撑在耳轴(trunnion)上。因此，不用传动和轴，将风力发电设备的转子直接与同步发电机的转子连接。发电机的转子位于发电机的定子中间，发电机定子直接安装在耳轴上。除了发电机以外，像安装在全驱动列车上一样，耳轴由机械支撑固定。

由于这样设计布置发电机的两个三相电流绕组，这意味着总将在定子绕组短路情况下出现的最大短路转矩限制为四倍额定转矩，最好是两倍额定转矩。短路转率也可以总小于两倍额定转矩。也可以将发电机转子设计为没有阻尼笼或阻尼绕组。

可见，也可以将按照本发明的设计应用于永磁发电机。

Claims (8)

1.一种用于风力发电设备的慢速旋转同步发电机(环形发电机)，其中发电机具有转子(转子部件)和包围转子的定子，并且，定子有至少一个三相电流绕组，由定子给该三相电流绕组施加容性电流，并且/或者由定子产生一部分发电机励磁功率。

2.如权利要求1所述的同步发电机，其特征在于，该同步发电机是一种多相发电机，并且，在定子绕组的各相导体之间提供用于减小励磁电流的装置。

3.如权利要求2所述的同步发电机，其特征在于，由电容和/或用于提供定子电流的滤波器电路提供用于减小励磁电流的装置。

4.如前面任意一个权利要求所述的同步发电机，其特征在于，在电压-时间图中，在定子中感应的电压近似为梯形形状。

5.如前面任意一个权利要求所述的同步发电机，其特征在于，定子绕组至少包括两个位置相互错开30°的三相电流系统(三相绕组)。

6.一种补偿元件，该单元包括电容、电感和阻尼电阻，将该单元连接到发电机的接线端并且给定子提供相当于励磁电流的电流脉冲，给连接在发电机后面的滤波器提供谐波功率。

7.如权利要求6所述的补偿单元，其特征在于，该补偿单元给定子提供六次电流谐波。

8.如前面任意一个权利要求所述的同步发电机，其特征在于，发电机是永磁发电机。

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