专利名称：带有电压和电流调节的电势源激磁系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动发电机，特别涉及具有以直流电源激磁的场转子的电动发电机。
例如，大型发电机采用由直流电源激磁的转子以产生一个在静止的电枢内旋转的磁场。电枢含有绕组，当转子的磁场旋转通过时，电枢绕组产生交流电。
转子需要一直流激磁器电源以产生足够大的磁场来驱动发电机在额定负载下满负荷输出。通常有四种技术用来提供直流激励器电源。
在第一种技术中，来自外部电源的交流功率通过一变压器将其电压调节到适合于后面功能的值。在多数情况下，变压器降低交流电压。整流控制组件产生直流激励器功率，通过滑环接到场转子。有些情况下，外部的交流功率可以是发电机本身的输出功率。
在第二种技术中，一直流发电机被接到发电机轴上产生所需的直流功率。此直流电通过滑环接到场转子上。这种技术有一个缺点，那就是整个发电机的长度增加了。因此，安装发电动的建筑物就必须相应地扩大。这样，用直流发电机就大大增加了工厂的费用。
在第三种技术中，静止的直流电源对随转子旋转的交流激磁绕组励磁。组装于转子中的整流器产生所需的直流激磁功率。这项技术的缺点是，整流器组件的重量和复杂性。此外，在转子中的高加速环境据信会使可靠性很低。
第四种技术公开于美国专利号4，477，767，该技术在此引为参考，电枢中相互隔开120度的三个槽，用来安装激磁器或P导体(电势导体)。磁场旋转时，在常规的电枢绕组中产生输出功率，P导体上也就产生了交流激磁功率。此激磁电源通过一变压器调节电压，然后接到整流控制组件产生直流激磁功率。产生的直流激磁功率通过滑环接到场转子上。
这四种技术，以商标“GererrexPPx”由GE公司销售，在现场得到了广泛的承认。但是，对变压器的需要增加了费用，如果可能的话，这正是希望避免的。
如上所述，变压器把P导体的输出电压调节到符合场绕组需要的数值。同时，把电流调节到适合场转子的要求并且适合商售整流器件容量的数值。迄今认为由P导体产生的电压和电流在整流之前必须靠变压器调节。
′767专利中，由变压器的三角形-星形连接提供的隔离以及变压器所具的串联电感的功能被认为是为避免因激磁电势绕组、转子上的场绕组或其它部分的故障导致损坏所必须。
本发明的一个目的是提供一种能克服在先技术的缺点的激磁电源。
本发明的第二个目的是提供一种P导体激磁电源，此激磁电源包括使P导体建立一定数值的交流输出以与激励器下游元件以及场转子相适应的装置。
本发明的第三个目的还在于提供一种省略变压器的P导体激磁电源。本发明的第四个目的是提供一种P导体激磁系统，在此系统中，每相P导体对的输出以向量相加来调节P导体的输出电压和电流。同一相的两个P导体在电枢上彼此间隔一定的角度放置，从而输出电压可以按要求减小或提高。
本发明的第五个目的是提供可以籍调整电枢中串联匝数来调节P导体输出电压的P导体激磁系统。
简言之，本发明提供一种P导体激磁系统，其中，发电机含有调整P导体的输出电压和电流的装置。在许多设备中，P导体的输出可以直接连到整流器和控制电路上以形成直流激磁源。这就允许消除通常的激磁变压器。利用每相的成对P导体调整电压和电流，其中，每对P导体串联连接并在电枢的内园周上互相间隔一定的角度放置以获得产生希望的每相电压的电压矢量和。在另一实施例中，调整电枢匝数来获得所希望的P导体电压和电流。
依据本发明的一个实施例，提供的发电机和激磁系统包括发电机，在所述的发电机中的电枢，在所述的发电机中的场转子，所述的场转子能在所述的电枢内旋转，在所述的电枢中容纳电枢绕组的多个槽，多个容纳P导体的所述槽，把所述的P导体的电功率输出连接到所述的场转子上用作激磁的装置。所述的连接装置包括把交流激磁电功率转换为直流激磁电功率，从而使所述的场转子磁化的装置。对接到所述的转换设备上的交流激磁源的至少一个电压值进行调节的装置，所述的调节装置至少部分地包含在所述的电枢中。
上述内容，以及本发明的其它目的、性质及优点从下面结合附图的阐述中将看得很明显。在附图中，同样的参考号标明同样的元件。
图1是依据在先技术的发电机和激磁器的框图。
图2是依据上述专利文献的发电机和P导体激磁器的框图。
图3是图2发电机的电枢截面图。
图4是依据本发明的一个实施例的发电机和P导体激磁系统的框图。
图5是图4发电机的电枢截面图，表示一种调节P导体电压和电流的技术。
图6是依据本发明的进一步实施例的发电机和P导体激磁系统的框图。
参考图1，概括地以10表示依据先有技术的发电机和激磁器系统。加到发电机12的轴14上的转距来自外部动力源(未示出)，它带动场转子(未示出)在园柱形电枢内(也未示出)旋转。发电机12假设是最普通的，它里面的进一步的细节适当地在此省略。
交流母线16将原始的激磁器的交流电供给激磁变压器18。在激磁变压器18中电压调节(通常需要电压降低)之后，交流功率接到整流器和控制组件20的输入端。整流器和控制组件20进一步例如用可控硅式器件等调节交流波形中的平均功率，并整流此结果。整流器和控制组件20的直流输出通过电刷22加到滑环24上，滑环24随着轴26旋转。发电机12的功率输出端经电力母线连到外部负载。
图1的装置依赖于外部交流电源对场转子激磁。如果由于某种原因这样的外部功率源得不到的话，在这得不到的时间内激励必定失效。而且，从外部电源到激励变压器18的连接也需要额外的费用。
现在参考图2，概括地以30示出依据′767专利文献的发电机和激磁系统。如在那里所述的，′767专利使用具有一组三个导体(未示出)的发电机31，这些导体称为P导体，配置在定子的槽中。P导体在电枢的内园周间隔120度的角度。每一P导体的一端接到另一P导体的一端并接地。P导体的不接地端通过交流激磁母线32把三相激磁功率馈给激磁变压器34，此变压器以专利文献所公开的方式调节电压并提供直流隔离的串联电感。激磁变压器34的交流输出以图1所示系统的先有技术相同的方式在整流器和控制组件20中整流和控制。正如在先的实施例一样，整流所得的直流激磁功率通过电刷22和滑环24送到发电机31中的场转子(未示出)上。
激磁变压器34总是用于P导体激磁系统，技术人员确信需要调节发电机31内P导体上得到的电压和电流，因为使用合适和可靠原件的保护系统是有效的，并且还需要提供相应于图1先有技术系统中一般具有的隔离和串连电感。我们已发现，有可能调节由P导体产生的电压和电流。用下文中所叙述的方式可以向上或向下调节电压，可以简化变压器的设计。
我们还发现，在有些应用中，调节由P导体产生的电压甚至可以提供这样数值的交流电压和电流，允许把交流激磁功率直接连到整流器和控制组件上，因此，允许完全取消变压器。在这样的应用中，通常由激磁变压器提供的隔离功能和串联电感功能可以不需要或可以以简单低廉的方式获得。改进系统用两个导体串联，而不是在先技术的一个导体，这样来增大串联电感。另外，希望故障检测和保护电路的现代设计能够省略由变压器提供的直流隔离功能，而不至增加在故障发生时的危险。在需要串联电感的应用中，我们已发现，小的电感，例如，由铁心或空心电抗器提供的小电感可用来与交流激磁器母线32的三条引线串联。其成本要比用变压器低得多。
现在公开的其他部分的基本情况，我们参看图3，其中，示出了发电机12的电枢36，不必要的细节省略了，电枢36含有一由许多扇形叠片组成的空心园柱结构38(没有分别示出)空心园柱结构38的内表面40包括大量容纳导体条的轴向电枢槽(避免杂乱，图上省略)，这些导体条的端匝连在一起形成所需的发电机绕组。如在参考专利中所公开的，三个P导体42、44和46分别配置在三个选定的电枢槽48、50和52中。已经发现，在已经插入到电枢槽中的电枢导体条(未示出)的顶部装配P导体是实用的。把P导体固定在隔开位置的技术是人所共知的，而这样的技术在文献和先前的专利中已全部公开了，不需做进一步的阐述，技术熟练的人会认可所示的三个电枢槽仅仅是紧紧放置在内表面40的大量电枢槽中的一组选择，其它的电枢槽与本公开发明无关，因此为清楚描绘起见，从附图中略去了。
现参看图4，总体由54表示依据本发明的实施例的一个发电机和激磁系统，发电机56含有在那里产生激磁功率的P导体(未示出)，除P导体外，发电机56含有调节激磁器电压和电流的装置58，细节在下文解释。取自发电机56的激磁器交流电通过激磁变压器34加到整流器和控制装置20，如在前面的实施例一样。
我们已经发现，通过调节电压和电流适合于激磁变压器34，而不直接接收来自P导体的电压和电流，在激磁变压器方面能大大节约。在大多数情况下，是利用调节激磁电压和电流的装置58降低电压，这样，较小型的激磁变压器34就能满足。在有些情况下，会希望使加于激磁变压器34上的电压提高到不用调节激磁电压和电流的装置58而从发电机56上获得的电压值以上。
现在参见图5，发电机56包括一电枢60，电枢60有三个P导体42′、44′和46′，它们按120度角隔开分别放置在选定的电枢槽48′、50′和52′中。另外，一组三个辅助P导体62、64和66按120度角隔开分别放置在电枢槽68、70和72中。注意，这组三个电枢槽68、70和72与另一组三个P导体42′、44′和46′角度偏移。因此，对应的两组导体感应的电压和电流尽管幅值相同，但依据它们之间角度间隔而相位不同。
所示的构造既可用来提高也可用来降低送到激磁变压器34的电压。假如P导体42′和辅助P导体62串联相接，则其中产生的电压矢量相加。这样的矢量和产生其峰值比任一个单独电压的峰值都低的正弦电压。由这样的矢量和所减小的输出电压的量取决于P导体42′和辅助P导体62之间的角度。利用适当的角度选择，在所希望的有级调节范围内能把矢量和调节到任意值。同样，P导体44′可与辅助P导体64配对，P导体46′可与辅助P导体66配对。
假若希望的话，可以以类似的方式提高激磁电压。如果P导体42′与辅助P导体64串联相接，电压矢量和比其中任一个电压都大，选择角度可以使电压大到两倍于单个电压。类似地，P导体44′能与辅助P导体66配对，P导体46′能与辅助P导体62配对。
再参考图3，可利用进一步的技术调节从P导体42、44和46获得的电压。对于给定的磁通量，由一个P导体产生的电压正比于空芯园柱结构38中电枢绕组串联(除P导体外)匝数的倒数。在限度之内，增加或减少电枢绕组的匝数是可行的，从而，可以分别降低或提高从P导体获得的电压。
这样，我们已公开两种不同的调节发电机P导体上所获激磁电压的技术，既可向上又可向下调节。
现参考图6，74表示依据本发明进一步实施例的发电机和激磁器系统的总体。在一些设备中，我们已发现可以利用上面讨论的技术调节的电压和电流正在发电机56所要求的相同范围内。在大型发电机中，如果没有调节激磁器电压和电流的装置58，直接从P导体获得的电压大约是1200到1800伏(线对线)。这大大超过一般桥式整流器的容量820伏。但当使用调节激磁器电压和电流的装置58时，刚好能在器件容量范围之内，产生的激磁电压很接近820伏。当然为了提供所要求的激磁功率，电压降低会引起电流的增加。在整流器和控制组件20中的整流器的价格部分地依赖于他们必须负荷的电流量。这种价格是阶梯函数，因为一旦整流器的电流负荷能力必须增加，它一般要增加很大的量。因此，假如激磁电源电压的调节能够使激磁电流保持在普通的整流器容量范围内，那么，则不必负担额外的整流器的费用。
一些发电机和激磁器系统利用能够负荷约2500安培的整流器功率转换模块。如果这个电流值被超过，电流容量按2500安培的增量增加。每步增加都大大提高整流器、机壳和有关成本。看来，容量在约300到约450MVA范围内的一些发电机能够利用P导体的直接输出，而不用激磁变压器。在这个功率范围内，小于约820伏的激磁器电压及低于约2500安培的激磁电流允许直接使用，而不需要额外增加整流器容量。对于较大的系统，增加的容量要求额外增加整流器的容量。但是，与消除激磁变压器进行权衡，以及有如下所述的操作上的好处，这样做还是有经济上的吸引力的。
直接激磁有几个有吸引力的优点，第一、不用激磁变压器大大地降低了成本。另外发现，激磁变压器的大电感减小了激磁系统的每单位储备。这增加了激磁系统为响应它的场转子的提高的要求所需的时间。消除激磁变压器使每单位储备增加例如三倍以上。因此，改善了发电机和动力系统的瞬态响应。
在系统短路的情况下，限制通过P导体的故障电流是所希望的。为此，小的便宜的空心电抗器可以与各个P导体电流串联放置。
本公开发明省略了大量的常规电路例如接地故障检测及断路开关的特点的说明。我们认为，因为这些特性是普通的，本公开发明省略它们将不妨碍技术人员制造和使用本发明。
参考附图已经阐述了本发明的优选实施例，应当了解本发明不限于那些精确的实施例，技术人员可实现各种变化和修改而不违反本发明在所附权利要求中所规定的范围和精神。
权利要求
1.一个发电机和激磁系统包括-发电机；-所述发电机中的电枢；-所述发电机中的场转子；所述场转子可在所述电枢中旋转；在所述电枢中的多个槽以容纳电枢绕组；所述多个槽中至少三个每个容纳一个P导体；把所述P导体的电功率输出接到所述的场转子上用作激磁的装置；所述的连接装置包括把交流激磁功率转变成直流激磁电力的装置，从而使所述的场转子磁化；对于连到所述转换装置上的所述交流激磁电力的至少一个电压值进行调节的装置；以及所述的调节装置至少部分地包含在所述的电枢中。
2.依据权利要求1的发电机和激磁系统，其中所述的调节装置全部包含在所述的电枢中。
3.依据权利要求1的发电机和激磁系统，其中所述的调节装置包括所述电枢的内部一个部分;和介于所述电枢和所述的转换装置中间的变压器。
4.依据权利要求1的发电机和激磁系统，包括所述P导体组成一个三相交流激磁电源;所述三相电源的每一相都包含一P导体和一辅助P导体;每相的所述P导体和所述辅助P导体连接起来，以使在那里感应的电势分量矢量相加;以及每相的所述P导体和每相的所述辅助P导体在所述电枢内间隔角度配置，以至少调节所述相的所述电压。
5.依据权利要求4的发电机和激磁系统，其中，每相的所述P导体和辅助P导体之间的角度间隔应使所述相的电压减小。
6.依据权利要求4的发电机和激磁系统，其中，每相的所述P导体和辅助P导体之间的角度间隔应使所述相的电压增加。
7.依据权利要求1的发电机和激磁系统，其中所述的调节装置包括对所述P导体产生的所述至少一个电压实现调节有效的所述电枢绕组中的许多电枢导体匝。
全文摘要
一个P导体激磁系统使用具有调节从P导体获得电压和电流的装置的发电机。在有些设备中，P导体的直接输出能够直接接到整流器和控制电路上以产生直流激磁功率。这允许取消常规的激磁变压器并从总体上简化了激磁系统，利用每相成对的P导体调节电压和电流，其中，每对P导体串联相接并且沿电枢的内圆周互相成角度配置以获得电压矢量和产生所希望的每相电压。在另一实施例中，调节发电机磁通或等效地调节电枢匝数以获得所希望的P导体的电压和电流。
文档编号H02K19/28GK1042631SQ8910483
公开日1990年5月30日 申请日期1989年7月15日 优先权日1988年11月7日
发明者托马斯·埃德温·范赛克, 乔治·迈克尔·科特扎斯 申请人:通用电气公司