CN1996728A - 低温激励器 - Google Patents

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Abstract

本发明所公开的技术是一种低温静态激励器(10)。低温静态激励器(10)连接到具有场绕组(12)的同步电机(11)。同步电机(11)通过制冷机或者比如液态氮的冷冻剂而被冷却。静态激励器(10)与场绕组(12)相联系，并且在环境温度下操作。静态激励器(10)从制冷机或冷冻源对该静态激励器(10)的所选择的区域接受冷却，所述制冷机或冷冻源也可以为该同步电机服务，并且所述冷却选择性地降低该静态激励器(10)的所选择的区域的操作温度。

Description

低温激励器
参考政府合同
在由能源部授予的合同号DE-FC36-02GO011100之下，美国政府可能对本发明具有某些权利。
背景技术
传统上，用于同步机的激励器被安装在该同步机的定子附近，其电连接到通常位于转子上的场绕组。激励器的功能是给场绕组提供电流，从而产生机器操作所需的磁场。这些场激励器可以被认为是直流(DC)控制的放大器，其具有相对高的额定电流和带宽，并且其任务是控制机器输出电压。除了其他功率电子装置外，这些放大器可以使用可控硅(thyristor)桥，所述可控硅桥直接从连接到电网的三相变压器馈电或者直接从机器端子馈电，以便产生DC电压，该DC电压向机器的激励器绕组馈电。当使用所述场激励器给用于发电的机器供电时，所述场激励器通常在尺寸和重量上很大，这部分地是由于其磁性组件的重量造成的。例如，具有大功率需求的飞机直接受到发电机及其伴随的场激励器的尺寸、输出功率和重量的影响。如果飞机持续具有大功率需求，则同步发电机的尺寸和重量将成为一个日益突出的问题。
过去，解决同步机的尺寸和重量问题的尝试已经在某些方面获得了成功，而在另一些方面却失败了。一个相对较近的想法是，低温冷却同步机的包括场激励器的部件，并且各部分可以被制成超导的。通常接受低温冷却是在100K(开氏温标)附近以及更低。在低温下，许多半导体设备的电流控制能力和开关速度提高了，并且线圈和导体的电阻被减小，超导体在DC下获得零电阻；因此，这些组件的尺寸和重量被减小。尽管这种方法减小了组件的尺寸和重量并且改善了性能，但是可以证明其并不经济，因为冷却可能在减小某些组件的尺寸和重量方面作用很小，或者所述冷却太昂贵。
发明内容
所公开的技术是低温静态激励器。该低温静态激励器连接到同步电机的场绕组。所述同步电机也可以通过冷冻剂或制冷作用而被低温冷却。所述静态激励器电连接到场绕组，并且它的一些部分可以在环境温度下操作。所述静态激励器的所选择的区域从制冷机或冷冻源接受冷却，该制冷机或冷冻源也可以为低温同步机服务，并且所述冷却选择性地降低该静态激励器的操作温度。
上述特征和其他特征将通过下面的附图和详细描述来举例说明。
附图说明
现在参考附图，其中类似的元件被给予类似的标号：
图1举例说明了静态低温激励器的一个示例性实施例的顶层框图；
图2举例说明了用于同步机的场激励器的示意图；
图3举例说明了图2的一个替换实旋例的示意图；
图4举例说明了图2的第二替换实施例的示意图。
具体实施方式
所公开的技术是一种用于同步电机11的被冷却的静态激励器10，见图1。如果希望的话，电机11可以具有绕组场或者同极转子；也就是说，场绕组12可以被安装在电机11的转子或定子上。如果希望的话，电机11可以是低温的，其中各部分可以被冷却到100K(开氏温标)或更低。这样做的一个例子是，通过把场绕组包含在液态冷冻剂中，把电机11冷却到77K。液态冷冻剂的一个例子是液态氮。如果希望的话，电机11的定子绕组和场绕组可以用铜、铝或超导材料制造。
在图1中，静态激励器10被放置得紧邻电机11。静态激励器10是直流(DC)控制的放大器，其具有相对高的额定电流。该放大器可以使用可控硅桥，所述可控硅桥直接从连接到电网的三相变压器馈电，以便产生给电机11的场绕组馈电的DC电压。当电机11被用来发电时，由于其电磁组件和结构组件的重量，它们通常在尺寸和重量上很大。为了减小电机11的尺寸和重量，其可以通过冷冻源13被低温冷却。
在图1中，经冷却的电机11也可以为静态激励器10提供冷却，或者静态激励器10可以直接从冷冻源13和/或制冷源63接受冷却。静态激励器10选择性地把所述冷却13和/或63导向静态激励器10的电子电路。对于所述冷却13和/或63的选择性应用使得静态激励器10能够以节俭而经济的方式减小所述激励器的尺寸和重量。冷却静态激励器10的一些区域可能比冷却其他区域更经济。要被冷却的区域可以包括半导体、电导体、滤波器、电容器、电感器或电力变压器。
半导体设备：众所周知，当操作在低温下时，对于诸如功率MOSFET和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的半导体开关可以实现由于导通电阻而造成的损耗的显著降低。主要的收获可以在电阻性损耗的降低中看出，该电阻性损耗是从场激励所需的相对高的电流产生的。冷却时，所述设备还能够以更高的速度开关，从而允许通过开关损耗的降低而获得更高的速度和更紧凑的电路。
电导体：静态激励器10所需的布线必须载送大量电流，其对系统总功率损耗和重量的影响很显著。用高温超导材料制作所述布线可以降低所述布线的损耗和尺寸/重量。然而，如果使用高温超导材料是不切实际的，那么冷却传统的铜或铝布线也将提高其导电率和性能。
滤波器：大电流及其控制将需要使用高频开关的半导体。为了减少由电缆、变压器和其他组件发出的电磁干扰量，这些设备的输出将必须不仅被屏蔽，而且还必须使用电感器对其进行滤波，由此减小其损耗、重量和尺寸，其中所述电感器可以用高温超导绕组或者经冷却的传统导体制成。此外，电磁干扰屏蔽材料可以用高温超导或者经冷却的导体制成，以便进一步减小尺寸并且提高导电率，从而进一步提高屏蔽能力。还可以使用滤波器来帮助平滑激励器的DC输出。滤波器通常包括电容器和二极管，它们也可以从冷却中获益。
电力变压器：场绕组15的高电感值连同电机11的紧密电压调节所需的控制带宽要求使用具有高电压输出(高达～1kV)的电流放大器。在一些应用中(比如飞行器)，该电压电平可以被限制到较低的值(最大270V)，这是由于在高海拔时可能出现的电晕效应。这些电压需要使用电力变压器，所述电力变压器可以从使用高温超导或经冷却的传统绕组中获益，以便减小尺寸、重量和功率损耗。
一个例子是图2的静态激励器14。静态激励器14控制流入电机(即电动机或发电机)的场绕组线圈15的电流。静态激励器14包括作为冷却的候选的所选数量的上述组件。对于所选择的组件，静态激励器14的冷却是从它的操作环境温度约340K冷却到对应于冷冻剂冷却的100K以下以及对应于制冷作用冷却的100K以上。静态激励器14包括升压转换器16和降压转换器17。升压转换器16被配置成将低DC电压转换到高DC电压。该低电压DC功率被提供在低电压DC总线18上，而该高电压DC功率被输出在高电压DC总线61上。
在图2中，升压转换器16包括电感器19和IGBT开关20。IGBT开关20被耦合成跨越DC总线并且可以被开关，如下所述，其例如可以以脉宽调制方式被开关，以便把来自低电压总线18的电功率转换到被施加到高电压DC总线61的更高电压。电容器21与IGBT开关20并联电耦合，并且储存该更高的电压。二极管22防止电流从高电压DC总线61流回到升压转换器16。
在图2中，降压转换器17包括第一降压转换器IGBT开关23、第二降压转换器IGBT开关24和一对反驰二极管25、26，所述反驰二极管25、26耦合在IGBT开关23、24的周围。根据第一和第二降压转换器IGBT开关23、24的开关，线圈被充电或放电。正如本领域技术人员将会理解的那样，在举例说明的该实施例中，所述降压转换器是一个两象限转换器，这意味着第一和第二降压转换器开关以非电流反向而是极性反向的方式被开关。
在正常操作期间，在图2中，升压转换器16耦合到DC电源27。在图中DC电源27被示为电池，但是其也可以是任何低压电源。如图所示，控制器28被电连接来提供控制信号给升压转换器16的IGBT开关20以及降压转换器17的IGBT开关23和24的栅极，以便提供激励场绕组线圈15所需的电压。特别地，控制器28对升压IGBT开关20的脉宽调制(PWM)在电容器21中建立所期望的高电压以用于高电压DC总线61。当给场绕组线圈15充电时，电容器21放电以便给降压转换器17提供电压。
在图2中，如果希望的话，升压转换器16和降压转换器17可以整体被冷却。电容器21也可以被冷却，但是只能获得有限的益处。可能需要考虑冷却升压转换器16和降压转换器17的经济价值。取决于冷却的成本，可以只冷却所选数量的组件而不是整个升压转换器16和降压转换器17。例如，只冷却升压转换器16和降压转换器17的IGBT开关20、23、24和26而非全部组件。当从350K冷却到77K时，IGBT开关20、23、24和26的电流操作性能提高超过一倍。IGBT开关20、23、24和26通过冷却使静态激励器14的任何非线圈组件获益最多。
另一个例子是图3的多级静态激励器29，其使用DC/DC转换器30把低电压转换到高电压。DC/DC转换器30耦合在低电压总线31和高电压总线32之间。叠层式桥是降压转换器，即高电压总线转换器33和低电压总线转换器34，其分别具有一对IGBT开关35、36和44、37。这些开关的栅极连接到控制器60。为了清楚起见，去除了把控制器60连接到各栅极的线路。如前所述，这些开关由控制器60进行PWM开关，以便给场绕组线圈15提供必需的电压。例如，为了从高电压总线给场绕组线圈15提供完全高电压，控制器60把所有的IGBT开关置于导通状态。为了使电容器38放电，控制器60把第一高电压总线IGBT开关36和第二高电压总线IGBT开关35置于非导通状态，同时将第一低电压总线IGBT开关44和第二低电压IGBT开关37置于导通状态。从场绕组线圈15流出的电流通过两个低电压总线转换器开关、低电压总线反驰二极管43以及第一高电压总线反驰二极管39流到DC链接电容器38。
这种结构提供许多与前述电路相同的优势。例如，如果DC/DC转换器30是双向的，则它可以被用来重写系统总线。此外，可以从低压电源/总线获得高电压，并且同时可以根据需要给线圈提供一个电压范围。
如果希望的话，图3的降压转换器33、34可以整个被冷却。电容器38和二极管39、41、42和43也可以被冷却，但是通过冷却只能获得有限的益处。如上面讨论的那样，冷却降压转换器33和34是可能的，但是冷却多级静态激励器29的所选择的区域可能是更经济的做法。例如，DC/DC转换器30是一个直接从冷却获益的电力变压器。如果DC/DC转换器30的温度从350K降低到77K(即降低到五分之一)，则该DC/DC转换器的电阻也被减小到大约五分之一。
另一个例子是图4的静态激励器45。静态激励器45具有电力变压器46，其给连接到电容器48的三相二极管整流器桥62馈电。这部分电路把AC转换到DC电压，然后馈电给DC/DC转换器49，并且由低通滤波器50滤波。滤波器50连接到电机(即电动机或发电机)的场绕组线圈15。在各电路组件之间的连接是通过用于高电流传输的汇流线。作为冷却这种类型的静态激励器时的主要受益者的组件是滤波器50的线圈、电力变压器46以及它们之间的汇流线连接。如上面讨论的那样，所述电力变压器，滤波器线圈和汇流线从冷却直接受益。如果上述组件的温度从350K降低到77K(即降低到五分之一)，则上述组件的电阻也减小到五分之一。这些组件占静态激励器45的尺寸和重量的最大百分比。因此，通过冷却而在尺寸和重量减小方面受益最大的是所述电力变压器、滤波器线圈和汇流线。
在图4中，有静态激励器45的其他组件从冷却获益。它们是二极管47、转换器49中的半导体开关和二极管以及电容器48，但是其经济效益可能受到限制，也就是说其经济效益可能不像电力变压器、线圈和汇流线那样显著。冷却到100K以上可能使冷却所选组件的经济效益最大化。所述经济问题是优化冷却到特定温度的效益以及该冷却的成本。如果希望的话，冷却到100K以上可以通过制冷源63实现，更低温度的冷却也可以这样实现。例如，当通过制冷源63把二极管47和电容器48冷却到170K的温度时，经济效益最大化，并且没有招致进一步冷却的附加费用。如果希望的话，可以在同一个静态激励器上使用各冷却温度的组合。例如，静态激励器45可以具有应用于电力变压器、线圈、汇流线的更低温度的冷却，以及应用于二极管、开关和电容器的更高温度的冷却。
已经参考示例性实施例描述了本发明，本领域技术人员将理解，在不脱离所公开的技术范围的情况下，可以进行各种变化以及用等价物来代替其元件。另外，在不脱离所公开的技术的实质范围的情况下，可以根据所公开技术的教导为适应特定情况或材料而进行许多修改。因此，所公开的技术不限于作为实施本发明的最佳预期方式而公开的特定实施例，本发明将包括落在所附权利要求书的范围内的所有实施例。
部件列表：      39反驰二极管
10静态激励器    41二极管
11同步电机      42二极管
12场绕组        43二极管
13冷冻源        35 44IGBT开关
14静态激励器    45静态激励器
15场绕组        46电力变压器
16升压转换器    47二极管
17降压转换器    48电容器
18DC总线        40 49转换器
19电感器        50低通滤波器
20IGBT开关      60控制器
21电容器        61高电压DC总线
22二极管        62二极管整流器桥
23 IGBT开关     45 63制冷源
24IGBT开关
25反驰二极管
26反驰二极管
27电源
28控制器
29静态激励器
30DC/DC转换器
31低电压总线
32高电压总线
33高电压总线转换器
34低电压总线转换器
35IGBT开关
36IGBT开关
37IGBT开关
38电容器

Claims (7)

1.一种用于低温静态激励器(10)的设备，包括：
具有场绕组(12)的同步电机(11)；
与所述场绕组(12)联系的静态激励器(10)；
所述静态激励器(10)在环境温度下操作；
所述静态激励器(10)对所选择的区域接受冷却；以及
所述冷却降低所述静态激励器(10)选择性地冷却的区域的所述操作温度。
2.如权利要求1所述的用于低温静态激励器(10)的设备，其中，所述场绕组(12)是静态的。
3.如权利要求1所述的用于低温静态激励器(10)的设备，其中，所述场绕组(12)是旋转的。
4.如权利要求1所述的用于低温静态激励器(10)的设备，其中，所述冷却是通过液态冷冻剂。
5.如权利要求1所述的用于低温静态激励器(10)的设备，其中，所述冷却是通过制冷作用。
6.如权利要求1所述的用于低温静态激励器(10)的设备，其中，所述激励器的操作温度对于所选择的组件是大约340K。
7.如权利要求1所述的用于低温静态激励器(10)的设备，其中，所述同步电机(11)是经过冷却的。
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