发电机的非正弦电流波形激励的系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及发电机，并且更特别地涉及用于激励具有分数槽集中绕组和转子场绕组的发电机的控制方案。
【背景技术】
[0002]电机在各种工业中的使用延续而在许多工业、商业和运输工业中随时间变得更盛行。在这样的电机的功率电子学和控制技术的领域中已经有极大的进步和巨大的成就，导致增加的能量节省和控制灵活性。这样的成就的提供是产生于数字技术的计算机技术中的连续进步。数字技术引起计算机的大小和成本中的非常显著的减小，允许它们成功地代替旧的、庞大的并且相对昂贵的机械系统。
[0003]尽管数字增强控制系统和计算机的能力已经进步，与这样的控制系统一起使用的电机的结构对于绝大部分仍然未变。例如，例如在发电站中使用的那些定速发电机的大多数使用在定子上的分布正弦绕组和在转子上的DC场或永磁体来设计。如在图1中示出的，现有技术发电机2可配备有整数槽分布定子绕组4和在转子8上的永磁体6。作为示例，图1图示定子绕组4的24槽重叠分布设置。在操作中，发电机2的永磁体6在转子8和定子绕组4之间的空隙中形成磁场，其旋转转子8并且在定子绕组4中产生电能。
[0004]然而，根据在图1中图示的发电机2的结构的发电机的构造(其实现分布正弦绕组4)遭受与其关联的性能和成本中的缺点。例如，实现分布正弦绕组的发电机苦于由于端部绕组中的电损耗引起的降低的效率。端部绕组长度贡献于增加的电阻，由此导致降低发电机的效率的更高的欧姆损耗。端部绕组长度也需要实现复杂冷却系统(例如，液体氢冷却系统)，其引起发电机中增加的冷却成本。此外，永磁体限制发电机的功率密度、能量效率、操作温度、寿命周期和可靠性。
[0005]除增加的操作成本外，实现分布正弦绕组和永磁体的例如在图1中示出的发电机构造起来也是更大代价的。例如，这样的发电机常常包括昂贵的薄定子叠片，其构造起来是昂贵的。此外，用于形成空隙磁场的转子上的永磁体与包含电磁体或场绕组的发电机相比是昂贵的。
[0006]因此，设计可以采用非正弦定子绕组的发电机以便减小与其的生产和操作关联的成本将是可取的。提供用于控制采用非正弦定子绕组的发电机的控制方案是进一步期望的，其抑制典型地与非正弦绕组关联的另外谐波分量的影响，以便最小化谐波并且维持发电机中的高功率密度和高效率。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例通过提供用于以瞬时非正弦电流的方式激励具有分数槽集中绕组和转子场绕组的发电机的系统和方法克服前面提到的缺点。
[0008]根据本发明的一个方面，发电机包括:具有多个分数槽集中绕组的定子；转子，其安置在该定子内以相对该定子旋转并且具有与其电耦合的场绕组，其配置成响应于施加于场绕组的电流而在该定子和转子之间的空隙中产生旋转磁场；以及具有可连接到电源的输入和可连接到该场绕组的输出的驱动器。该驱动器进一步包括配置成控制到该场绕组的电流流量的电路和连接到该电路并且编程为输入初始DC场电流需求到该电路以使该电路输出初始DC场电流的控制器，其中该初始DC场电流需求代表会使具有正弦定子绕组的发电机输出期望的AC电力的DC场电流需求。该控制器进一步编程为接收关于由该初始DC场电流产生的旋转磁场的反馈，基于该反馈确定并且隔离该旋转磁场的理想基波分量，基于该理想基波分量产生修改的DC场电流需求，并且将该修改的DC场电流需求输入到该电路，由此使该电路输出瞬时非正弦电流到该场绕组以产生正弦旋转空隙磁场。
[0009]根据本发明的另一个方面，提供用于在具有定子和转子的发电机中产生AC电力的方法，该定子具有多个分数槽集中绕组，该转子具有多个场绕组，所述方法包括输入代表会使具有正弦定子绕组的发电机输出期望的AC电力的DC场电流需求的测试DC场电流需求到逆变器并且响应于该测试DC场电流需求在该逆变器中产生初始DC场电流，其中该初始DC场电流输出到该转子上的多个场绕组以在该转子和定子之间产生测试旋转磁场。该方法还包括:确定该旋转磁场的基波分量和谐波分量、从该测试DC场电流需求和该基波分量确定该旋转磁场的理想基波分量，以及基于该理想基波分量确定期望的电流波形。该方法进一步包括基于该期望的电流波形产生修改的DC场电流需求并且将该修改的DC场电流需求输入到该逆变器，由此使该逆变器输出非正弦AC电流波形到在该转子上的该多个场绕组以产生正弦旋转磁场，由此在该发电机中产生AC电力。
[0010]根据本发明的再另一个方面，发电机包括:具有多个非正弦集中绕组的定子；转子，该转子安置在该定子内以相对该定子旋转并且具有场绕组，其配置成响应于施加于场绕组的电流而在该定子和转子之间的空隙中产生旋转磁场；以及控制从电源到该场绕组的电流流量的驱动器。该驱动器配置成基于代表会使具有正弦定子绕组的发电机输出期望的AC电力的DC场电流需求的第一电流需求来提供初始输入电流到该转子并且接收关于由该初始输入电流产生的旋转磁场的反馈。该驱动器进一步配置成基于该反馈产生第二电流需求并且基于该第二电流需求提供瞬时修改的输入电流到该场绕组以便在空隙中产生正弦旋转磁场并且在该发电机中产生AC电力，其中该瞬时修改的输入电流包括非正弦电流波形。
[0011 ] 将从下列详细描述和图使各种其他特征和优势明显。
【附图说明】
[0012]附图图示目前设想用于执行本发明的优选实施例。
[0013]在图中:
[0014]图1是发电机的现有技术定子绕组配置的示意图。
[0015]图2是根据本发明的实施例的AC驱动器的简图。
[0016]图3是根据本发明的实施例的发电机的定子绕组配置和场绕组设置的示意图。
[0017]图4是根据本发明的实施例的用于控制AC驱动器的控制器实现的技术的流程图。
[0018]图5是根据本发明的实施例的包含驱动器和发电机的用于产生牵引力的设备的框示意图。
【具体实施方式】
[0019]本发明的实施例针对具有非正弦集中定子绕组的发电机和用于提供电流给在转子上的场绕组以在转子和定子之间产生正弦空隙磁场的控制方案。该控制方案处理施加于逆变器/电子处理电路的初始DC场电流需求以便产生瞬时非正弦电流需求，该瞬时非正弦电流需求当施加到场绕组时将产生仅具有基波分量的旋转空隙磁场并且消除所有场谐波，从而导致从转子到定子的最佳能量转换，即以高效率的高输出功率。
[0020]本发明的实施例针对包括变速和定速发电机的发电机并且针对用于操作该发电机的控制方案。AC驱动器10的一般结构在图2中根据本发明的一个实施例示出。该驱动器10可例如配置为可调速驱动器(ASD)，其设计成接收三相AC电力输入、将该AC输入整流并且进行该整流部分到供应给例如发电机等电机的具有可变频率和幅度的三相交变电压的DC/AC转换。根据备选实施例，认识到驱动器10可设计成接收DC电力输入并且进行该DC电力至供应给电机的具有可变频率和幅度的多相交变电压的DC/AC转换。在优选实施例中，该ASD根据示范性伏特每赫兹特性操作。在这点上，驱动器提供在具有小于3%的总谐波失真、输出频率方面为±0.1Hz以及在全负载范围上的快速动态阶跃负载响应的处于稳态的±1%的电压调整。
[0021]根据一个实施例，三相AC输入12a_12c馈入三相整流器电桥14。该输入线路阻抗在所有三相中是相等的。该整流器电桥14将AC电力输入转换成DC电力使得在该整流器电桥14和开关阵列16之间存在DC总线电压。该总线电压由DC总线电容器组18平滑。该开关阵列16由共同形成逆变器或斩波电路24的一系列IGBT开关20和反并联二极管22构成。该逆变器24根据由驱动器控制器28产生的电流需求合成AC电压波形以用于输送到例如发电机26等电机，如将在下文更详细地说明。该控制器28凭借电流需求信号和DC总线电压与极点电流的感测(通过例如电压传感器34)联接到逆变器24使得可以感测到DC总线电压中的变化。这些电压变化可以解释为瞬时负载状况并且在对逆变器24产生/输入瞬时电流需求中使用，使得维持近稳态负