CN1672317A - 电机 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种用于监视旋转同步电机(9)的方法和设备，所述旋转同步电机包括具有转子绕组的转子和具有定子绕组的定子。所述方法包括以下步骤：确定定子绕组的电流，确定定子绕组电压，确定转子绕组电流，以及使用电机的模型和所确定的电流和电压值估算所述电机(9)中至少两个位置的温度。提供了一种按照本发明的设备以便执行该方法。

Description

电机
技术领域
本发明涉及一种旋转同步电机以及用于这种电机的方法。更具体地，本发明涉及用于监视和/或控制所述类型的电机的设备和用于控制所述类型的电机的方法，并涉及包括这种电机和这种设备的工厂或设施。
背景技术
旋转同步电机用于社会的多种领域。例如，旨在用于某些应用的发电机和电动机通常是这种类型的。
旨在用于分配的电力是借助于发电机产生的，并在通过不同的电压等级的电力网传输和分配之前借助于变压器被变换。变压器和电力网依赖于无功功率，以便能够变换和从发电机向用户传输有功功率。无功功率还用于控制电力系统中的电压。产生的有功功率由用户以不同的方式消耗。在工业、办公室和家庭中使用的许多电气设备(例如，配备有电动机的设备)还消耗无功功率。为了避免在配电网中的过量的功率损失，需要产生无功功率或补偿无功功率的消耗。在现有技术中，例如，这通过发电机和并联电容器来实现。
在电机中产生/消耗的最大功率通常基于该电机的额定值，所述额定值在特定的操作条件下对该电机是有效的。电机的额定值规定在不危及电机的使用寿命或功能的条件下可以流过电机的绕组的最大电流。
由于能量的损耗，在操作期间电机发热。产生的热量必须通过冷却被带走，以避免电机过热。根据电机的尺寸、应用和电机的结构，使用不同的冷却剂和冷却系统。在小的电机的情况下，主要采用空气冷却。对于封闭的空气冷却的电机，通常提供热交换器，其中冷却剂(例如水)冷却循环的空气，因而冷却电机。随着尺寸的增加，冷却系统变得更加完善和复杂。大功率的发电机通常是直接水冷和/或间接水冷的。直接水冷，例如，被用于转子和定子之类，不过水/空气和水/氢气的组合是常见的，空气/氢气的组合被水冷却，然后，空气/氢气的组合又冷却发电机。而电机的一种或几种冷却剂通过热交换器由来自任意的一次冷却剂源(例如，冷却塔、河流、湖泊或海)的水被冷却。热交换器可以是，例如，冷却剂/水、冷却剂/空气或水/氢气类型。通过将来自一次冷却剂源的冷却剂在一次侧上提供给热交换器，而二次侧和电机中的冷却管路相连接来实现冷却。或者，可以使用中间冷却管路，此时中间冷却管路还可以用于冷却其它系统，例如励磁系统。
由于电力网的正常操作中的干扰，有时需要可快速接入的和可控制的无功功率。为了满足这个要求，同步电机被加工成所需的尺寸以产生一定的无功功率输出。在瑞典，Svenska Kraftnt(瑞典国家电网)要求直接地或间接地和国家电网相连接的发电机能够连续地产生相应于1/3的有功功率输出的无功功率输出。这意味着发电机在大部分时间将工作在铭牌额定值之下，即，电机使用小于最大可允许电流的定子电流和小于最大可允许电流的转子电流操作，这导致低于额定工作温度的电机温度。
因而，在操作时间的较大部分时间期间，发电机内具有剩余的能力。所希望的是能够在一个较为最恰当的工作点组合无功功率输出的能力和正常的操作。还希望能够满足对于较高的无功功率输出的强烈的需要，而在工作时间的较大部分期间内，在发电机中没有未被使用的能力。
美国专利5321308披露了一种用于发电机的控制方法和控制设备。其说明书描述了如何最大化发电机的无功功率的产生。不过，无功功率的增加必然同时使得产生的有功功率减少。
在“Dynamic Thermal Ratings Realize Circuit Load Limits”，IEEEComputer Applications in Power，pp 38-43，2000年1月中，描述了一种暂时更好地使用配电系统的方法。不过，该文件没有涉及旋转电机，并且未提及如何补偿电力网中的暂时干扰，这种补偿需要增加的无功功率的产生。
因而，所希望的是能够补偿对于更多的无功功率的暂时的需要，而不影响可利用的有功功率。还希望能够更有效地使用同步电机，而不显著地影响其使用寿命。进一步还希望优化现有的和新的同步电机的效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种至少解决上述的一个问题的设备、方法和工厂或设施。
本发明的另一个目的在于提供一种设备或方法，所述设备或方法允许从由不同的冷却剂冷却的旋转同步电机输出较大的年平均功率，而不用对电机进行任何改造。
令人惊讶的是，发明人已经发现，根据在电机内的至少两个位置的温度的估算监视和控制旋转同步电机及其冷却，而不按照现有技术根据静态电流和功率限制值来控制电机会更好，所述的估算是根据电机电流和电压以及电机的模型进行的。
在独立权利要求中限定了按照本发明的一种设备、方法和工厂。本发明的其它特征记载在从属权利要求中。
下面说明本发明的不同的方面以及获得的优点。
按照本发明的用于监视包括具有转子绕组的转子和具有定子绕组的定子的旋转同步电机的方法包括以下步骤：确定定子绕组的电流，确定定子绕组电压，确定转子绕组电流，以及使用电机的理论模型和所确定的电流和电压值，估算电机中至少两个位置的温度。
这种方法提供了对电机中的温度的改进的控制。这可用于电机的改进的利用。
这里的确定指的是间接地或直接地测量或估算。例如，可以根据确定的定子绕组的电流值和确定的定子绕组的电压值以及确定的在电流和电压之间的相位差来确定转子绕组的电流。也可以根据确定的有功功率的值、确定的无功功率和确定的定子绕组的电压值来确定转子绕组电流。
采用理论模型指的是，和复制品相反，所述模型可以在计算机中实现。理论模型可以建立在实验测试的基础上，或者可以用一些其它方式导出。
由于电机的几何结构和许多电机的冷却的几何结构，温度沿轴向和沿径向而改变。不过，一种合理的假设是，定子绕组的棒沿切线方向具有相同的温度，但是这个值随机器的负载而变化。对于转子绕组、定子齿和转子齿这同样保持正确。为了模拟这种情况，可以把定子绕组和转子绕组沿轴向划分为若干个区。定子铁心和转子可被分成若干个区。最接近空气隙的区域也可以沿轴向被分成一组区。
借助于把定子和/或转子分成若干个区，可以实现电机中温度的改进的估算，因而实现电机的改进的控制。
模型可以利用不同的测量的变量，例如：(1)有功功率，(2)无功功率，(3)端电压，(4)定子电流，(5)转子电流，(6)海水温度，(7)冷的转子冷却水的温度，(8)冷的氢气的温度，(9)中间冷却水的温度，以及(10)氢气的压力。然后可以确定模型的输入变量，即：(1)定子电流，(2)转子电流，(3)端电压，(4)冷的定子冷却水的温度，以及(5)冷的氢气的温度。
模型可以使用上述变量的任何组合。
模型可以使用电机的区的质量、区的比热容量、区的发热功率和区的冷却功率的任何组合。发热功率可以使用绕组的温度相关的电阻和通过所述绕组的电流来模拟。
通过使用也是在电机中的一个点的测量温度作为估算的基础，可以获得对温度的更精确的估算。
从实际的观点看来，可以在电机内的几个位置测量温度。还可以间接地测量，例如，通过测量离开电机的冷却剂的温度。
通过测量转子的速度，并在估算温度时把测量的转子速度考虑进去，还可以获得对具有可变速度的电机的温度的改进的估算。
按照本发明的另一方面，提供一种用于控制旋转同步电机的至少一个变量的方法，所述电机包括具有转子绕组的转子和具有定子绕组的定子。所述方法包括以下步骤：确定定子绕组的电流，确定定子绕组的电压，确定转子绕组的电流，以及使用电机的模型并根据所确定的电流和电压值估算电机中至少两个位置的温度，以及根据估算的温度控制所述至少一个变量。
当所述电机是发电机时，利用本发明的方法获得的一个优点是，和当发电机根据电机额定值被控制时相比，可以从发电机提取更多的功率，所述电机额定值限定在规定的操作条件期间，发电机中可以发出的最大有功功率，这意味着，尤其是，在发电机中同时可以产生最大可允许的有功功率和最大可允许的无功功率，并且意味着，冷却剂的温度是最大可允许温度。
当电机是电动机时，利用按照本发明的方法获得的一个优点是，当和电动机根据其额定值被控制时相比，可以从电动机提取更多的功率，所述额定值限定在规定的操作条件下，电动机可以带动的最大可允许有功功率负载，这意味着，尤其是，在电动机中产生最大可允许的无功功率的同时，转换最大可允许的有功功率，并且还意味着，冷却剂的温度是最大可允许温度。
当电机是具有可变速控制的电动机时，利用按照本发明的方法可以获得的一个优点是，当和电动机根据其额定值被控制时相比，可以从电动机提取更多的功率，所述额定值限定在规定的操作条件下，电动机可以带动的最大可允许有功功率负载，所述条件之一是，在电动机中产生最大的无功功率的同时，转换最大的有功功率，并且冷却剂的温度是最大可允许温度。通常，额定值是针对不同的速度值被给出的。
当电机是同步补偿器时，利用按照本发明的方法获得的一个优点是，和同步补偿器根据其额定值被控制时相比，可以从同步补偿器中提取更多的无功功率，所述额定值限定在规定的操作条件下，可以产生的最大无功功率，这意味着，尤其是，在同步补偿器中产生/消耗最大可允许无功功率，并意味着，冷却剂的温度是最大可允许温度。
当电机是频率变换器时，利用按照本发明的方法获得的一个优点是，和频率变换器根据电机的额定值被控制时相比，在频率变换器中可以传输更多的功率，所述电机额定值限定在规定的操作条件下，可以在频率变换器中传输的最大有功功率，这意味着，尤其是，在频率变换器中可以同时传输最大可允许的有功功率和无功功率，并意味着，冷却剂的温度是最大可允许温度。
和按照现有技术的根据电机额定值被控制的电机相比，在根据本发明的电机中可以产生和被供给更多的功率，这是因为本发明允许根据实际条件进行控制，即，可以根据实际的冷却能力，例如，根据冷却剂温度、冷却剂流量或冷却剂压力对电机进行控制。
借助于使用用于电机控制的电机模型，根据对电机电流和电压的测量和/或计算以及可利用的冷却能力，可以在电机的一个或几个点获得温度的估算。按照一个实施例，在所述一个或几个点的温度被估算。估算的温度可以和最大可允许的温度比较，并且可以控制一个或几个输入变量，以便避免在电机中任何点的温度超过最大可允许温度。
当电机中的温度改变时，电机的不同部分将不同程度地膨胀。这引起机械磨损，其加速了电机的老化。按照一个实施例，电机用这种方式被控制，使得至少一个估算的温度基本保持恒定。这样获得的一个优点是，由于减少了机械磨损，使得电机将具有较长的使用寿命。
按照一个实施例，电机和冷却能力用这种方式被控制，使得在正常运行时，在电机中估算的至少一个温度基本上保持恒定。
按照一个实施例，虽然允许在某个有限的时间段将所述温度增加到一个预设值，以便可以确保电机的最大利用率，至少一个估算的温度被基本上保持恒定，对电机和冷却能力的控制适合于这种操作方式。
通常，电机被至少一种冷却剂冷却。这种冷却剂可以是空气，不过通常是液体或气体，例如氢气，它们通常又通过热交换器由来自一次冷却剂源的水冷却。按照一个实施例，来自一次冷却剂源的冷却剂的温度被测量，并且还根据冷却剂的可利用的冷却能力实现对电机的控制。通过使用一次冷却剂的温度的变化，这种测量可以最大化电机的功率输出。因而，使得例如能够利用冬天的冷的海水，以便增加输出功率。在现有技术中，电机的输出功率根据电机的额定值被控制，其预先假定冷却剂具有恒定的最大温度。
按照一个实施例，来自一次冷却剂源的冷却剂的温度被测量，并且关于来自一次冷却剂源的冷却剂的温度改变的信息和电机的冷却系统中可利用的控制范围组合在一起用于控制电机。使用这种类型的控制允许在电机中得到较低的温度。电机中的较低的温度意味着较低的绕组电阻，这减少了损耗。
按照另一个实施例，冷却剂的温度被测量，并根据冷却剂的温度实现电机中的有功功率和无功功率的控制。
可以(例如)通过控制冷却剂泵的转速、通过控制调节作为流入的冷却水被输入的流出的冷却水的数量的阀门和/或通过控制至少部分地由气体冷却的电机的气体的压力来控制冷却能力。
对于某些类型的操作，通过对照在电机中测量的温度校准模型，可以改善模型的精度。
当电机是发电机时，按照本发明的一个实施例，通过控制发电机的有功功率和无功功率中的至少一个来控制所述发电机。
按照本发明一个实施例，通过控制提供给转子的电流来控制发电机的无功功率。
通常，发电机直接或间接地和一个或几个涡轮机相连接。
按照本发明一个实施例，利用第一可允许温度和第二可允许温度实现控制，用这种方式进行控制，使得允许所述估算的温度作为稳定值达到第一可允许温度，并仅允许估算的温度达到第二可允许温度一个预定的持续时间段。
按照本发明的一个实施例，使用浮动能力(floating capability)图表，根据这样的变量，例如，可利用的冷却能力，限定电机的可允许的电功率的边界。在这种情况下，电机被这样控制，使得无功功率和有功功率的组合不超过所述能力图表的边界。应当理解，可允许的功率组合的其它的确定方式也是可能的，但是上述的确定方式是用于确定可允许的功率的一种实际的方式。这相当于利用第一可允许温度进行控制。
按照本发明一个实施例，使用浮动的动态的能力图表被用于控制电机及其冷却。当允许电机中的温度在连续操作方式下超过可允许的温度时，动态容量图表限定电机的可允许的电功率的边界。电机及其冷却被这样控制，使得无功功率和有功功率的组合不超过动态能力特性。动态容量图表限定了在一个短的时间间隔期间内有功功率和无功功率的可允许的组合。只要不超过动态能力图表，电机中的温度便不超过规定的最大可允许温度。这相当于上述的使用第二可允许温度的控制。
按照本发明的一个实施例，根据可利用的冷却能力，利用浮动能力图表对发电机进行控制。因为干扰使得一段短时间的增加的功率输出成为是必需的，可以在一段短的时间期间内使用动态能力图表来控制发电机，动态能力图表依赖于允许电机达到的温度。例如，可允许的温度被调节为适合于绝缘的实际的耐温性，或者可以由电机操作者设置。
显然，可以只使用一个动态能力图表操作电机，并且因而只暂时地利用绝缘的耐温性，而不利用由于冷却水的温度而可利用的附加的余量。
按照本发明的第二方面，提供一种用于控制旋转同步电机的控制设备。所述控制设备的特征在于，包括定子电流和定子电压信号输入端，并且所述控制设备适用于发送控制信号，以便根据所述信号输入端的信号并利用电机的模型，控制所述电机中的至少一个变量，所述模型用于估算电机中的至少两个位置的温度。
适合地，利用被相应地编程的一个或几个计算机来实现这种类型的控制设备，不过显然也可以利用专用电子设备来实现，例如一个或几个ASIC(应用专用的集成电路)。自然地，按照本发明的控制设备可以适用于实现上述的特征之一，以及与关于所获得的每个特征的方面所说明的相等同的优点。
按照本发明的用于监视或控制旋转同步电机的设备当然还可以包括存储装置和/或显示装置。
按照本发明的另一个方面，提供一种存储介质，其上存储有用于控制旋转同步电机的计算机程序，所述旋转同步电机包括具有定子绕组的定子和具有转子绕组的转子。当所述计算机程序被在计算机上执行时，其使计算机接收包括定子绕组电流数据的输入信号，并接收包括定子绕组电压数据的输入信号。所述程序还使计算机利用电机的模型估算电机内至少两个位置的温度。
按照本发明的另一方面，提供一种发电厂，其包括一个或几个涡轮机，以及一个或几个和所述涡轮机相连接并由上述的控制设备控制的发电机。
按照本发明的一种方法可用于用于发电的设施中，所述设施包括一个涡轮机和一个发电机。
所述发电设施可用于许多不同类型的电厂中，例如汽轮机发电厂，核电厂，燃油发电厂和水力发电厂。
对于发电站，母线管道(IPB)、发电机断路器(GCB)或发电机升压变压器(GSU)对于发电机的输出功率可以是限制因素。在这种情况下，这些装置的温度可以控制发电机的输出和/或用于发电机的控制设备可以控制用于这些系统的冷却能力。
当在本说明中提及测量时，可以借助于任何类型的传感器产生测量信号，例如温度传感器，例如热电偶、Pt 100传感器等；电流传感器，例如磁电流互感器、光电流互感器、分流器、Rogowski线圈等；或者电压传感器，例如磁电压互感器、光电压互感器、电容分压器、电阻分压器等。
显然，上述的特征可被组合在一个实施例中。
下面将参照附图说明本发明的优选实施例。
附图说明
图1表示按照本发明一个实施例的发电厂；
图2是按照本发明的方法的流程图；
图3表示按照本发明的电压调节器的操作；
图4表示发电机绝缘的使用寿命如何基本上作为操作温度的函数而改变；
图5表示转子如何被按照根据本发明的模型分成许多区；
图6表示定子如何被按照根据本发明的模型分成许多区；
图7表示发电机，该发动机可以被利用按照本发明的方法加以控制；
图8是表示了作为有功功率输出的函数的可允许的无功功率输出的曲线图。
具体实施方式
图1是可以实施本发明的核电厂的示意图。应当理解，图1所示的核电厂被大大简化了，以便清楚地说明本发明。
核电厂包括反应堆箱1，具有燃料棒2和控制棒3。在反应堆箱中产生用于操作涡轮机4的气流。汽轮机4可以包括几个涡轮机，例如一个高压涡轮机和3个低压涡轮机。涡轮机4又操作发电机9，发电机9产生电力。在图7中更详细地示出了发电机。在蒸汽通过涡轮机4之后，其被输送到冷凝器5，在其中水蒸气被凝结，然后被以水的形式由泵6再循环进入反应堆箱1。冷凝器5被来自一次冷却剂源的水冷却，通过第一入口7把水供给冷凝器5，并通过第一出口8把水排出。
图7表示按照本发明一个实施例的发电机9。发电机9包括具有转子绕组81的转子80和具有定子绕组83的定子82。图中的箭头84表示通过电机的冷却剂流。
从图1中被指定为U的连接上的发电机供应电力。应当理解，发电机的输出不必必须是单相AC电压，而可以不妨具有三相电压。发电机9由水和氢气冷却。在图1所示的实施例中，发电机和第一热交换器10以及第二热交换器11相连接，每个热交换器被用于其各自的冷却管路中。第一热交换器10具有第二入口12和第二出口13，第二热交换器具有第三入口14和第三出口15。发电机具有充有氢气的壳体，氢气在第一热交换器10中被冷却。氢气主要冷却转子和定子铁心。定子绕组由水冷却。绕组配备有管路，冷却水在管路中流动。冷却水在第二热交换器11中被冷却。
进入的冷却水的冷却效果可以借助于被提供在热交换器10和11的入口上的可控的阀门16被控制。阀门16被计算机化的控制系统17控制，所述控制系统还控制发电机的输出功率。
按照一个实施例，控制系统17是配备有软件的计算机。控制系统17可以由若干个互连的计算机构成。当然，也可以使用不互连的多个计算机来控制核电厂的不同的部分。
图2表示按照本发明的用于控制发电机和与其相关联的冷却系统的控制系统的操作的流程图。控制系统具有控制模块30，其具有第一有功功率信号输入端31，第二无功功率信号输入端32，第一电压信号输入端33，其接收来自电压传感器34的信号，以及转子电流信号输入端35，其适用于接收来自转子电流传感器36的转子电流信号。控制系统还具有定子电流信号输入端70，其适用于接收来自定子电流传感器71的信号。此外，控制系统具有温度信号输入端37，其适用于接收来自温度传感器38的温度信号。控制系统具有第一有功功率计算单元41，其和定子电流传感器71以及定子电压传感器34相连接，以及第二无功功率计算单元42，其和定子电流传感器71以及定子电压传感器34相连接。此外，控制模块30具有第一冷却信号输入端39，其适用于接收这样的信号，所述信号包含关于提供给图1所示的第一热交换器10的冷却水的温度的信息，以及第二冷却信号输入端40，其适用于接收这样的信号，所述信号包含关于提供给图1所示的第二热交换器11的水的温度的信息。
有功功率在和定子电流以及定子电压相连接的第一计算单元41中被计算。无功功率相应地在第二计算单元42中被计算，所述第二计算单元42和定子电压以及定子电流相连接。有功功率和无功功率的计算可以用若干个方式中的任何一个方式进行，这些方式对于本领域技术人员是显而易见的，因而此处不再详细说明。
参见图2，提供速度传感器43，其测量转子速度并把速度信号输入给控制模块的速度信号输入端44。不过，应当注意，在具有小的速度改变的应用中，可以省去速度传感器而对控制系统的功能没有任何较大的有害影响。此外，控制模块包括存储器45，其中存储有电机的模型。此外，关于电机的不同部分中的可允许温度的信息被存储在存储器45中。
输入到计算机的所有输入信号和存储在存储器中的信息使得控制模块能够用这种方式控制发电机及其冷却，使得在发电机不同部分中的温度不超过设置的限制。发电机不同部分的设置的限制取决于发电机不同部分中使用的材料。
图3表示按照本发明的自动电压调节器模块。电压调节器接收来自图2所示的控制模块30的输入信号。控制模块30上的第一输出端46和定子电流限制器47相连接，控制模块30上的第二输出端48和转子电流限制器49相连接，并且控制模块30上的第三输出端50和电压调节器51相连接。电压调节器51具有一个和发电机相连接的输出端，用于控制发电机的励磁。
图4表示作为绝缘温度的函数的发电机绝缘的使用寿命的图形表示。如图所示，基于云母的发电机绝缘在50℃的温度下具有大约105年的使用寿命。温度大约增加10℃，使用寿命便减少两倍。如图所示，在155℃的温度下，绝缘的使用寿命大约是40年。对于发电机，40年的使用寿命被认为是足够的，因此使用155℃的温度作为这种绝缘的极限值。如果这个极限值被短暂地超过，则使用寿命的减小和绝缘被保持在这个高温下的时间段成比例。
通过考虑一种大的蜗轮发动机说明用于估算旋转电机中的临界温度的方法。图5、6中分别示意地给出了蜗轮发电机的定子和转子。定子绕组由定子冷却水冷却，而转子绕组和铁心由氢气冷却。定子冷却水由中间冷却水冷却，中间冷却水又由海水冷却。定子冷却水在定子的一端进入电机，并在定子的另一端离开电机。氢气在电机的两端进入电机，并在发电机的中部离开电机的有源部分。这意味着，定子绕组和转子绕组中的温度沿轴向而改变。不过，一个合理的假设是，假定定子铁心和转子中的温度沿切线方向是均匀的。为了模拟这种情况，定子绕组和转子绕组沿轴向被分成若干个区。定子铁心和转子被分成若干个圆柱形的区，并且最接近空气隙的区也被沿轴向分成一组区。
图5表示如何把转子分成区。转子55被分成若干个区56，在这些区中进行温度估算。
图6表示如何把定子60分成内区61和外区62。内区61被分成若干个子区63。
模型可以利用不同的测量变量，例如：(I)有功功率，(II)无功功率，(III)端电压，(IV)定子电流，(V)转子电流，(VI)海水温度，(VII)冷的定子冷却水的温度，(VIII)冷的氢气的温度，(IX)中间冷却水的温度，以及(X)氢气的压力。然后可以确定模型的输入变量，即：定子电流、转子电流、端电压、冷的定子冷却水的温度、以及冷的氢气的温度。
动态模型由一组非线性的微分方程构成，用于由输入变量估算电机中每个部分的温度。所述方程由基本的物理定律和关于电机所使用的材料的物理性能的数据给出。模型中的一些温度可被测量，并且通过比较估算的温度和测量的温度，可以改善温度的估算。通过添加一个取决于测量的温度和估算的温度之间的差值的校正项，校正估算的温度。
公式(1)给出了电机的第i区的温度。一个区可以是：(1)转子绕组的轴向区，(2)定子绕组的轴向区，(3)转子齿的轴向和/或径向区，(4)定子齿的轴向区和/或径向区，(5)转子本体的轴向和/或径向区，(6)定子铁心的轴向和/或径向区，以及(7)压板的轴向区和/或径向区。
m i · c p , i · dT i dt = P h , i - P c , i - - - ( 1 )
其中：
mi  电机的第i个区的质量[kg]，
cp，i第i个区的比热容量[J/(Kg.K)]，
Ph，i第i个区的发热能力[W]，以及
Pc，i第i个区的冷却能力[W]。
公式(2)给出转子或定子绕组的第i区的发热能力Ph，i[W]：
P h , i = ( 1 + k ) · R i ( T i ) · I i 2 - - - ( 2 )
其中：
k 考虑到在定子绕组中的杂散损失的系数，其可以通过对绕组的理论分析或者通过使用发热试验的结果获得，
Ri由下式(5)给出绕组的第i区的DC电阻[欧姆]，以及
Ii通过绕组的第i区的电流[A]。电流Ii可以等于转子绕组中的电流(输入变量)，或等于定子绕组中的电流(输入变量)。
公式(3)给出定子铁心的第i区的发热能力Ph，i，[W]：
Ph，i＝f(U)    (3)
其中：
f一个非线性函数，其可以从铁心叠层的磁化曲线获得，或者从空载试验获得，
U端电压。
公式(4)给出在压板中产生的热量Pp：
Pp＝g(I，φ)   (4)
其中：
I定子电流[A]，(输入变量)，
φ在定子电流和端电压之间的相位差tan(φ)＝Q/P。(输入变量)，函数g(.)可以使用下述文件中的公式获得：“New Operating Chart forLarge Power Turbogenerators”by Latek，W.；Partyka，W.&Bytnar，A.Presented in Report 11-101 at the CIGRE Session in Paris on 26th Augustto 1st September 1990，或者通过使用在不同的操作条件下在电机的稳态操作期间压板的测量温度来获得。压板的冷却能力由下式(6)给出。上述的函数g(.)对于被驱动端和非被驱动端具有不同的参数。下式(5)给出绕组的第i区当其温度等于Ti[℃]时的电阻RI(Ti)[欧姆]。
R i ( T i ) = R a T 0 + T i T 0 + T a - - - ( 5 )
其中
Ra是环境温度下的区的电阻[欧姆]，其可以通过使用绕组的物理尺寸从理论计算中获得，或者从在电机的工厂试验期间的电阻测量获得，
T0是取决于用于制造绕组的合金的绕组材料的典型温度[℃]，
以及
Ta是取决于用于制造绕组的合金的绕组材料的典型温度[℃]。
公式(6)给出第i区的冷却能力Pc，i：
P c , i = h i ( p c ) · ( T i - T c , i ) + Σ j = 1 n λ i , j · ( T i - T i , j ) - - - ( 6 )
其中
hi(pc)当冷却剂压力等于Pc时，第i区的对流热传递系数[W/℃]，
pc冷却剂压力[Pa]，
Ti电机的第i区的温度[℃]，
Tc，i在第i区的冷却剂的温度[℃]，
公式(7)给出了冷却管路的区中的冷却剂的出口温度：
T d , 1 = T cc + Q d , 1 ρ c · c p , c · F d - - - ( 7 )
T d , 2 = T d , 1 + Q d , 2 ρ c · c p , c · F d
T d , n = T d , n - 1 + Q d , n ρ c · c p , c · F d
其中：
Tcc是进入冷却管路的冷却剂的温度[℃](输入变量)，
Qd，j是冷却管路的第j区的热流[W]。该热流等于由公式(6)限定的电机的第i区的冷却能力。j和i之间的关系取决于电机的实际上的区的细分和冷却管路的结构，
ρc是在冷却管路中的冷却剂的密度[kg/m3]，
cp，c在冷却管路中的冷却剂在恒压下的比热容量[J/(kg.k)]，以及
Fd是在冷却管路中的冷却剂流的质量速率(流率)(输入变量)[kg/s]。
图8是作为可允许的有功功率输出的函数的可允许的无功功率输出的图形表示。实线55指示出当维持电机的额定限制时的可能的功率输出，而第一虚线56指示出当允许作为较低的冷却剂温度的函数的电机温度控制功率输出时的可能的功率输出。第二个虚线57指示出当允许温度达到绝缘温度等级的设计值时，在有限的时间间隔期间内，例如15分钟，可能的功率输出。通过在模块30中连续地计算发电机9的估算温度，可以实现对发电机的最佳控制，以便确保发电机9的最佳运行。
按照本实施例，使用电机模型计算发电机中的温度，所述模型允许根据发电机输出和冷却剂温度和/或冷却能力计算发电机中的不能测量的温度。
自然地，在发电机中的最大可允许温度取决于在发电机中使用的绝缘的种类。
因而，通过测量负载和冷却剂温度，可以使用存储在控制模块30的存储器45中的电机模型计算电机的不同部分的温度。这意味着，在大部分运行条件下，可以使电机承受高于由电机额定值规定的负载，而电机的任何部分不会超过最大可允许温度。因而，可以使用可利用的附加的余量(例如)增加电机的负载，这是由于这样的事实，即，较低的冷却剂温度提供了改善的冷却。
为了增加安全余量和使用寿命，最大可允许的电机温度通常被设置为比可从所包括的元件导出的温度较低的值。例如，在其绕组具有155℃的限制值的电机的情况下，电机的额定值通常基于130℃的最大可允许的绕组温度。通过允许温度在一个短的时间段内(例如15分钟)达到155℃，电机可以具有动态的额定值，和由电机额定值规定的负载相比，该额定值允许高得多的负载。只要在电机的使用寿命期间不过于经常地使用这个动态能力，对电机使用寿命的影响将是很小的。
自然地，本发明不限于上述的实施例，在所附权利要求的范围内，可以用不同的方式进行修改。
例如，可以使用基于离散元件的计算装置，而不使用具有计算机程序的普通的计算机。
自然地，可以在较高的温度下多于15分钟地操作发电机。
或者，可以由发电机操作者确定所述较高的温度，而不由绝缘温度限制来确定。在这种情况下，发电机拥有者可以使减少的使用寿命和由暂时使电机在较高的温度下操作而增加的利润联系起来。
显然，本发明不限于上述的实施例，而是可以在所附权利要求的范围内以各种方式修改。例如，温度估算可以只用于监视的目的，以便确保电机的使用寿命，或者用于安排维护的目的。还可以通过某些形式的来自远程场所的通信进行监视和控制。
例如，当然，借助于使用互联网以便从电机获得信息并向电机传送信息，可以对电机进行远程控制和监视。
虽然上述的实施例基于和发电机相连的涡轮机，但是对于本领域技术人员，显然本发明也可以用于其它的同步电机，例如同步补偿器、电动机或频率变换器。

Claims (35)

1.一种用于监视包括具有转子绕组的转子和具有定子绕组的定子的旋转同步电机(9)的方法，所述方法包括以下步骤：
确定定子绕组的电流，
确定定子绕组电压，
确定转子绕组电流，以及
使用电机的理论模型和所确定的电流和电压值估算电机(9)中至少两个位置的温度。
2.如权利要求1所述的方法，其中还包括测量在所述电机中的至少一个点的温度的步骤，并且其中的温度估算也根据测量的温度来实现。
3.如权利要求1或2所述的方法，还包括测量转子速度的步骤，并且其中的温度估算也根据测量的转子速度来实现。
4.如权利要求1，2或3所述的方法，其中所述电机由至少一种冷却剂冷却，其中所述冷却剂的温度被测量，并且其中的温度估算也根据测量的冷却剂的温度来实现。
5.如前面任何一个权利要求所述的方法，其中按照所述模型的转子沿着电机的轴向被分成区，并且其中为每个区估算温度。
6.如前面任何一个权利要求所述的方法，其中按照所述模型的转子沿着电机的径向被分成区，并且其中为每个区估算温度。
7.如前面任何一个权利要求所述的方法，其中按照所述模型的定子沿着电机的轴向被分成区，并且其中为每个区估算温度。
8.如前面任何一个权利要求所述的方法，其中按照所述模型的定子沿着电机的径向被分成区，并且其中为每个区估算温度。
9.一种用于控制旋转同步电机(9)的至少一个变量的方法，所述电机包括具有转子绕组的转子和具有定子绕组的定子，所述方法包括以下步骤：
确定定于绕组的电流，
确定定子绕组的电压，
确定转子绕组的电流，以及
使用电机的理论模型，并根据所确定的电流和电压值估算电机(9)中至少两个位置的温度，以及
根据估算的温度，并使用所述电机的模型控制所述至少一个变量。
10.如权利要求9所述的方法，其中控制所述至少一个变量包括用这种方式进行控制，使得至少一个估算的温度基本上保持恒定。
11.如权利要求9或10所述的方法，所述方法还包括测量在所述定子中的至少一个点的温度的步骤，并且其中控制所述至少一个变量也根据测量的温度来实现。
12.如权利要求9-11中任何一个所述的方法，其中所述电机由至少一种冷却剂冷却，其中所述冷却剂的温度被测量，并且其中的所述至少一个变量的控制也根据测量的冷却剂的温度来实现。
13.如权利要求9-12中任何一个所述的方法，其中还包括测量转子速度的步骤，并且其中所述至少一个变量的控制也根据测量的转子速度来实现。
14.如权利要求9-13中任何一个所述的方法，其中还包括测量包围着电机的介质的温度的步骤，并且其中所述至少一个变量的控制也根据测量的环境温度来实现。
15.如权利要求9-14中任何一个所述的方法，其中控制所述至少一个变量包括控制施加于转子的电流。
16.如权利要求9-15中任何一个所述的方法，其中控制所述至少一个变量包括控制被提供的冷却效果。
17.如权利要求9-16中任何一个所述的方法，其中所述电机是发电机，并且其中控制所述至少一个变量包括控制被提供的功率。
18.如权利要求9-16中任何一个所述的方法，其中所述电机是电动机，并且其中控制所述电动机包括控制负载。
19.如权利要求9-18中任何一个所述的方法，其中所述控制借助于控制第一可允许温度和第二可允许温度来实现，其中所述控制用这种方式来实现，使得允许所述估算的温度作为稳定值达到所述第一可允许温度，并允许所述估算的温度只达到所述第二可允许温度一个预定的持续时间段。
20.如权利要求9-19中任何一个所述的方法，其中按照所述模型的转子沿着电机的轴向被分成区，并且其中为每个区估算温度。
21.如权利要求9-20中任何一个所述的方法，其中按照所述模型的转子沿着电机的径向被分成区，并且其中为每个区估算温度。
22.如权利要求9-21中任何一个所述的方法，其中按照所述模型的定子沿着电机的轴向被分成区，并且其中为每个区估算温度。
23.如权利要求9-22中任何一个所述的方法，其中按照所述模型的定子沿着电机的径向被分成区，并且其中为每个区估算温度。
24.如权利要求9-23中任何一个所述的方法，其中，母线管道(IPB)、发电机断路器(GCB)以及发电机升压变压器(GSU)中的至少一个的温度被测量，并被用于控制所述发电机的输出。
25.如权利要求9-24中任何一个所述的方法，其中，母线管道(IPB)、发电机断路器(GCB)以及发电机升压变压器(GSU)中的至少一个的温度被测量，并被用于控制用于所述母线管道(IPB)、发电机断路器(GCB)以及发电机升压变压器(GSU)中的至少一个的冷却能力。
26.一种用于控制旋转同步电机的控制设备，其特征在于，至少包括定子电流和定子电压信号输入端，并且所述控制设备被设置用于发送控制信号，以便根据所述信号输入端的信号并利用电机的模型，控制所述电机中的至少一个变量，所述模型用于估算在电机中的至少两个位置的温度。
27.一种用于监视旋转同步电机的设备，其特征在于，至少包括定子电流和定子电压信号输入端，并且控制设备适用于根据所述信号输入端的信号并利用电机的模型估算在电机中的至少两个位置的温度。
28.如权利要求27所述的设备，其中还包括存储装置，所述估算的温度被存储在所述存储装置中。
29.如权利要求27所述的设备，其中还包括显示装置，在其上显示估算的温度。
30.一种用于发电的发电厂，包括涡轮机和与所述涡轮机相连接的发电机，以及如权利要求26所述的控制设备。
31.一种用于同步补偿的同步补偿器，其由权利要求26所述的控制设备控制。
32.一种如权利要求1-25中任何一个所述的方法在用于发电的发电厂中的用途，所述发电厂包括涡轮机和与所述涡轮机相连接的发电机。
33.一种如权利要求9-25中任何一个所述的方法的用途，用于控制同步电动机。
34.一种存储介质，其上存储有用于控制旋转同步电机的计算机程序，所述旋转同步电机包括具有定子绕组的定子和具有转子绕组的转子，其特征在于，当所述计算机程序被在计算机上执行时，使计算机：
接收包括定子绕组电流数据的输入信号，
接收包括定子绕组电压数据的输入信号，以及
利用电机的理论模型估算电机内至少两个位置的温度。
35.如权利要求34所述的存储介质，其还适用于发送输出信号以便根据估算的温度控制所述电机。
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