专利名称：一种匹配一集流器以替换涡轮发电机驱动系中无刷式励磁机的系统和方法
背景技术：
本发明涉及用于工业涡轮发电机组件的发电机场直流(DC)励磁机，尤其涉及用静态直流激励系统来替换无刷式励磁机(BE)的技术。
许多大型工业涡轮发电机系统如那些产生多于100兆瓦(＞100MW)的系统使用一台无刷式励磁机作为发电机电磁场绕组所需的直流电源。该直流电源通常称为发电机激励系统或简单地称为“励磁机”。
发电机的场绕组通常安装在一个被定子围绕的转子上。该励磁机电连接在转子上的场绕组上。从转子场绕组中的励磁机来的直流电流形成一个围绕该转子的磁场。一台涡轮机转动地驱动该转子。当从该转子场绕组来的磁场通过该定子而转动时，在定子绕组中诱生电压。定子中的电流由发电机作为电力而输出。
无刷式励磁机已有不可预测的故障和修理昂贵的历史。使用长久以后，无刷式励磁机往往更经常地出故障，而其故障更严重。当电力需求增多时，对用户互联电网的需求正在要求具有更快的动力学特性和更高功率的发电机激励系统。为了解决其问题，电力生产商常常选择用静态激励系统替换其无刷式激励系统。
静态激励系统是众所周知的用于向较大的发电机涡轮组件中的发电机转子的场绕组提供直流电流的已证明有效的技术。一个静态激励系统通常包括一个直流电源和一个连接到发电机转子上的机械组件(常称为“集流器”)。已经知道如何用一个静态激励系统来替换一个无刷式激励系统。
为了替换一台无刷式励磁机，该静态激励系统的集流器必须匹配于涡轮发电机转子系统。将该集流器匹配于涡轮发电机转子系统包括这样设计该集流器，使其在联接到发电机转子时具有像该无刷式励磁机一样的机械动力学特性和振动特性。通常，设计该集流器的工程师具有有关该涡轮发电机转子系统的结构、机械动力学特性和振动特性的广泛的信息。
当设计该集流器的工程师不具有有关该涡轮发电机转子系统的广泛信息时，情况就会发生。如果不能利用有关涡轮发电机转子系统的结构和设计的详细信息，那么匹配该无刷式励磁机的机械动力学特性和振动特性就会成为问题。为了测定该较小的集流器转子对原先有一无刷式励磁机的涡轮发电机转子系统的转子动力学特性具有的影响，对于通常仅用于初始设备制造(OEM)的系统需要详细的设计信息。存在各种测定系统的转子动力学特性的方法，但这些方法很费钱。例如，许多有关涡轮发电机转子系统的所需机械信息可以通过拆卸、检查和测量涡轮发电机转子系统的部件来获得。拆卸涡轮发电机转子系统要求让发电机涡轮组件离线和停工。
让涡轮发电机系统离线来测量和收集涡轮发电机转子系统的数据通常是不经济的。长期感觉需要一种设计一台集流器来替代一台无刷式励磁机而无需描述该涡轮发电机转子系统的详细的现有数据而同时该无刷式励磁机及其相关的涡轮发电机能继续操作和发电的系统和方法。
发明概述本发明可以实施为一种用一静态激励系统来替换发电机的无刷式励磁机的方法，该方法包括测量该无刷式励磁机的多个尺寸；测定该激励系统设计的一转动部分的质量惯性矩；形成一个具有基本上像该无刷式励磁机一样的质量惯性矩的转动的静态激励系统；从发电机移去该无刷式励磁机；以及将该静态激励系统附接到发电机上。
此外，本发明可以实施为一种用一静态激励系统来替换发电机的无刷式励磁机的方法，该方法包括测量该无刷式励磁机的多个尺寸；测定该无刷式励磁机的重量和体积；从该无刷式励磁机的重量和体积来测定该无刷式励磁机的转动质量惯性矩；根据测量的尺寸来测定该无刷式励磁机的重心并测定重量；根据该重心和重量来测定该无刷式励磁机的力矩；测定该无刷式励磁机的质量惯性矩；将该质量惯性矩匹配到一静态激励系统设计的质量惯性矩上；按照带有匹配的质量惯性矩的静态激励系统设计来制造该集流器；以及用制成的集流器来替换该无刷式励磁机。
本发明也可以实施为一种用于发电机的静态激励系统的集流器，包括一个转子轴；一个适合于连接到一发电机上并向该发电机的场绕组提供直流电流的联轴器，以及一个与该转子轴同轴并具有一质量惯性矩的转子块，其构型做成使得该集流器的质量惯性矩基本上与原先联接到该发电机上的无刷式励磁机的质量惯性矩相等。
附图简述
图1是一种无刷式励磁机和转子组件的侧视透视图；图2和图3分别是一种标准的集流器的侧视图和端视图；图4和图5是用一集流器来替换该无刷式励磁机的方法步骤的流程图；图6和图7分别是一种带一匹配的转子块的集流器的侧视图和端视图。
发明详述图1表示一种传统的无刷式励磁机10。无刷式励磁机10向发电机转子12的电场绕组提供直流(DC)电力。无刷式励磁机10的主要部件是一个副励磁机、一个交流(AC)励磁机和一个整流轮。一个无刷式励磁机激励系统10总的由两个主要部件即直流电源14和机械封装件19(附接于该涡轮发电机系统)组成。电源14提供直流电流和对该无刷式励磁机的相关控制。机械封装件19包括一个转动组件18和围绕该转动组件18的至少一部分的静止组件(未示出)。
转动组件18通常包括一个或多个下列部件转子轴20、二极管整流系统16、电枢绕组和组芯17、轴承22、通风扇和永磁发电机。静止组件16可以设置在一个围绕该无刷式励磁机的转动组件18的外壳中。静止组件16通常包括一个或多个下列部件(未示出)底座组件、电场绕组和组芯、轴承组件、直接冷却空气的挡板、热交换器(如果是闭合环路冷却系统)与一个复盖其它静止部件和转动组件18的保护箱(用虚线表示)。
无刷式励磁机转子组件18通常为8英尺长或更长，重量超过6000磅。相反，静态集流器较小较轻，如2000磅。由于尺寸和重量的这些差别，无刷式励磁机转子组件18具有不同的转子动力学特性，比起静态集流器来，以不同的方式影响总的涡轮发电机转子系统的动力学特性。尤其是，当一根较短较轻的集流器轴联接在一台原先具有无刷式励磁机的涡轮发电机的发电机转子驱动器上时，该系统的转子动力学特性和振动特性可以由于用集流器替代无刷式励磁机而显著变化。取决于该系统，激励转子的这种变化可以对整个发电机-涡轮机系统的操作具有负面影响。
图2和图3是一种传统的静态激励系统30如集流器的侧视图和前视图。该系统由两个主要部件组成，一个直流电源(未示出)和一个附接在涡轮发电机系统的发电机转子上的机械封装件，后者在工业中通常称作“集流器”。该电源提供直流电流和集流器30用的相关控制器。该集流器的机械封装件由转子组件32和静止组件(未示出)组成。转子组件32通常包括一个或多个下列部件一根转子轴34、两个滑环36、一个通风扇38和轴承40。转动联轴器41将发电机转子连接在该集流器上。该静止组件为该转动组件提供一外壳和支承。该静止组件包括与滑环接触而将直流电力从该静止电源向集流环的转动组件输送的电连接器。
集电器转子组件30通常长度小于8英尺而重量小于6000磅。该静止组件通常包括一个或多个下列部件一个底座组件、一个电刷装配组件、一个轴承组件、用于引导冷却空气的挡板和一个保护的包体(覆盖静止组件和转动组件)。
图4和图5是一幅流程图，用于当涡轮发电机系统的细部不知道而该组件为了分析目的将作为“黑箱”而被处理。在步骤42中，测量一种现有的无刷式励磁机的尺寸。通过测量励磁器的磁场可以获得无刷式励磁器转子的尺寸和形状。当该无刷式励磁机连接在发电机转子或从该转子上折下时可以进行磁场测量。
如图6和图7中所示，集流器转子包括通常在其上面找到的传统部件如转子轴、轴承、风扇和联轴器。这些传统部件的标号与图2和图3中所示的传统的集流器所用的标号相同。该集流器也包括在集流器转子轴上定位置和定尺寸的转子块60，使得在发电机界面联轴器上的新集流器转子的合成特性与无刷式励磁机等效。
根据励磁器测量，就可以在步骤43中测定励磁器转子的体积和重量。知道了励磁机测量、体积及其重量，就可以在步骤44中计算相对于轴的轴向中心线的转动质量惯性矩(WR2)。同样，在步骤46中也测定励磁机的每个区段相对于转子联接面的重心。知道了每个区段的重心和重量，在步骤48中对励磁机的每个区段测定惯性矩。该惯性矩是相对于发电机转子联轴器的无刷式励磁机的转子联接垂直面进行测定的。
在步骤50中，累加每个转子区段的重量、转动质量和惯性矩来测定待替换的无刷式励磁机的总惯性矩(WR2)。在步骤54中，对电流和将来用途列举了总惯性矩52、相对于联轴器测定的力矩(见步骤48)和相对于无刷式励磁机测定的其它参数。例如，一旦已经举出一种特定的无刷式励磁机型号的测量、质量和力矩，那么当替换同一型号的另一台无刷式励磁机时，就应当不必重新测量。所列举的信息可以用于设计一种对联接到发电机转子像待替换的无刷式励磁机那样显示同样的相对的WR2和力矩的集流器转子。
在步骤56中，设计集充器转子58(图6)来替换在步骤40中测量的无刷式励磁机。除了设计一个匹配WR2的转子块60外，集流器转子58以传统的方式设计。将转子块60加到该集流器转子上，使其综合的惯性矩WR2匹配待替换的无刷式励磁机的惯性矩。
根据集流器转子的设计和在该转子块加到集流器转子设计之前，在步骤62中对合适的集流器操作测定最小的集流器转子轴构型。对于测定该最小的集流器轴重心(MCR)构型的考虑包括确定用于发电机场电流和机械要求的集流器标准部件(滑环，风扇，联轴器等)的尺寸。这确定用于与发电机系统合适地操作的集流器的最小构型。知道了集流器部件的重心(MCR)，在步骤64中测定最小的集流器转子轴惯性矩WR2与集流器转子的其它部件如轴承、风扇、滑环、联轴器的惯性矩。
对等待替换的无刷式励磁机的质量和惯量(步骤68)比较用于最小集流器需要的总质量和总惯性矩WR2(步骤66)，以测定被通过匹配的转子质量加入的所需补充的质量和力矩(WR2)(步骤70)。根据补充的质量和所需惯性，设计匹配的转子块60而提供所需的补充质量和惯性。在步骤72中，匹配的转子块的惯性矩和质量及该集流器的其余部件与该无刷式励磁器的质量和惯性相比较。如果没有匹配，那么进一步调整转子块60的设计并重复计算(步骤70)和比较(步骤72)，直到集流器的质量和力矩(WR2)加上匹配质量与无刷式励磁器存在匹配。
一旦带有转子块的集流器的质量与惯性矩WR2已与无刷式励磁器的计算质量和惯性矩匹配，那么就可以完成集流器的设计。带有转子块的集流器的设计和制造可以完成，而无刷式励磁器及其有关的发电机涡轮组件继续操作和发电。当集流器的部件已经制造和输送到发电机涡轮组件的场地时，该发电机涡轮组件被取下离线而移去无刷式励磁器。该集流器以传统方式装配和安装在发电机涡轮组件上。
在拆下无刷式励磁机转子后，通过测量无刷式励磁机的部件，可以确证现有的无刷式励磁机转子的计算重量和重心(步骤42、44、46和48)。这一信息可以与新匹配的WR2集流器转子相比较，从而补充和确证这些计算。
虽然已经联系目前认为最实用的优选实施例来描述了本发明，但可以理解，本发明不限于已公开的实施例，相反，本发明期望覆盖包括在所附权利要求书的范围和精神内的各种修改和等同的配置。
部件清单10 刷式励磁机12 发电机转子14 磁场绕组30 传统的静态激励系统32 转子组件34 转子轴36 滑环38 轴承40 轴承42 测量现有的无刷式励磁机41 转动的联轴器43 测定励磁器转子的体积和重量44 转动质量的惯性矩46 励磁机的每个区段的重心48 对每个励磁机区段测定惯性矩50 累加每个转子区段的重量、转动质量和惯性矩52 总惯性矩54 惯性矩的数据测定和其它计算56 设计集流器转子58 集流器转子62 最小轴直径64 最小的集流器转子轴惯性矩66 比较集流器的总惯性矩WR268 该无刷式励磁机的惯性矩WR270 匹配的转子块60所需的待加上的补充质量和力矩(WR2)72 将该集流器的匹配的转子块的惯性矩和质量及其它参数与该无刷式励磁机的质量和惯性进行比较
权利要求
1.一种用静态激励系统(58)替换发电机用的无刷式励磁机(10)的方法，包括a.测量该无刷式励磁机的多个尺寸(42)；b.测定该无刷式励磁机的转动部分的质量惯性矩(52)；c.形成具有像步骤(b)中测定的基本上像无刷式励磁机(10)一样的质量惯性矩的静态激励系统(58)(56)；d.从发电机上移去无刷式励磁机(10)；以及e.将静态激励系统(58)附接到该发电机上。
2.权利要求1的方法，其特征在于，静态激励系统(58)还包括一个集流器。
3.权利要求1的方法，其特征在于，完成步骤(a)的同时将无刷式励磁机(10)联接在涡轮发电机组件的发电机上。
4.权利要求1的方法，其特征在于，将静态激励系统(58)附接在该发电机的转子组件上。
5.权利要求1的方法，其特征在于，测定质量惯性矩的步骤还包括根据该无刷式励磁机的重量和体积测定该无刷式励磁机的转动质量惯性矩(44)；根据被测量的尺寸来测定该无刷式励磁机的重心(46)并测定重量；根据重心和重量测定该无刷式励磁机的力矩(48)；测定该无刷式励磁机的质量惯性矩(52)；以及形成一个被包括在该集流器上的转子块(56)，其中该具有转子块的集流器有一匹配该无刷式励磁机的被测定的质量惯性矩的组合的质量惯性矩。
6.权利要求1的方法，其特征在于，形成具有基本上相同的质量惯性矩的静态激励系统的步骤还包括形成一个同轴地处在该静态激励系统的转子上的转子块。
7.权利要求1的方法，其特征在于，形成静态激励系统(58)的步骤还包括测定该静态激励系统的质量惯性矩与被测定的无刷式励磁机的质量惯性矩之间的差别(66)，形成一个具有基本上等于该差别的质量惯性矩的转子块(56)，做成被同轴地安装在该静态激励系统的转动部分上的转子块，以及将带有转子块的静态激励系统的组合质量惯性矩与被测定的无刷式励磁机的质量惯性矩进行比较(72)。
8.权利要求5的方法，其特征在于，形成静态激励系统(58)的步骤还包括测定该静态激励系统的质量惯性矩与被测定的无刷式励磁机的质量惯性矩之间的差别(66)，形成具有基本上等于该差别的质量惯性矩的转子块(56)，以及将该带有转子块的静态激励系统的组合的质量惯性矩与被测定的无刷式励磁机的质量惯性矩进行比较(72)。
9.权利要求1的方法，其特征在于，该发电机是一种能够产生超过100兆瓦电力的涡轮发电机组件。
10.一种用发电机的以静态激励系统(58)替换无刷式励磁机(10)的方法，包括a.测量该无刷式励磁机的多个尺寸(40)；b.测定该无刷式励磁机的重量和体积(42)；c.根据该无刷式励磁机的重量和体积测定该无刷式励磁机的转动质量惯性矩(44)；d.根据被测量的尺寸来测定该无刷式励磁机的重心(46)并测定重量；e.根据该重心和重量来测定该无刷式励磁机的力矩(48)；f.测定该无刷式励磁机的质量惯性矩(52)；g.将该质量惯性矩匹配到一个静态激励系统设计的质量惯性矩上；h.按照带有匹配的质量惯性矩的该静态激励系统的设计来制造该集流器(56)；以及i.用制造的集流器来替换该无刷式励磁机。
全文摘要
一种用一个静态激励系统(58)来替换发电机的无刷式励磁机(10)的方法，包括下列步骤测量该无刷式励磁机的多个尺寸(42)；测定该激励系统设计的转动部分的质量惯性矩(52)；形成一个具有基本上与该无刷式励磁机相同的质量惯性矩的转动的静态激励系统(56)；从该发电机移去无刷式励磁机(10)；以及将该静态激励系统(58)附接到该发电机上。
文档编号H02K19/38GK1722581SQ200510084688
公开日2006年1月18日 申请日期2005年7月18日 优先权日2004年7月16日
发明者D·N·多尔西, K·W·索默拉特 申请人:通用电气公司