专利名称：含绕线转子同步交流发电机和变流器可变机制运行的组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及单相或多相(例如，三相)AC(交流)电流的产生，更具体地涉及将例如依靠风力涡轮机获得的机械能转换成电能。因此，本发明涉及包括交流发电机(尤其是高功率交流发电机，通常高于或等于1MW)和变流器的机电组件，该交流发电机包括例如由风力涡轮机旋转驱动的转子，更具体地涉及绕线转子同步交流发电机。还可以借助于潮汐驱动发电机、水力发电机或洋流驱动发电机来进行驱动。
背景技术：
交流发电机本身以公知的方式包括通常位于转子处的励磁绕组，以在通常位于定子处的电枢绕组中产生AC电压，该励磁绕组或者由开口环和电刷、或者由励磁器供应DC (直流)电流。已知将笼型异步电机用作交流发电机，该笼型异步电机呈现简单性和健壮性的优点。然而，其以几乎固定速度运行可能在由于叶片取向的反复修改而导致的噪声源的滑动(slippage)之内，并且这会引起轴上的机械扭矩的变化。这样的扭矩变化可导致对网络的扰动，因为引出的电流会经历巨大的变化。另外，对于高风速，无法采用理论电力的最大值。在使用经由电力电子接口连接到网络的笼型异步电机的情况下，借助于可变速度驱动器可以进行可变速度操作。整流器的存在使得可以以单位功率因数传送DC电压，而逆变器使得可以以单位功率因数传送与网络的频率对应的固定频率的AC电压。于是，交流发电机的额定功率确定可以由风力涡轮机提供的最大功率。然而，针对交流发电机与网络之间交换的功率的整体来设定所使用的变流器的额定值。所以，它们呈现巨大的成本，具有不可忽略的损耗，以及会增加对传送的能量的效率和质量有害的扰动。使用这样的变流器例如会引起多达额定功率的3%的损耗，其中，针对发电机的额定功率的整体，需要使这样的变流器超过额定值。所使用的整流器可以是在脉冲宽度调制(PWM)控制下的整流器。在这种情况下，无功功率的传输可以是可控的，但是有功功率的传输保持与当使用包括二极管桥的简单整流器时相同。在使用双馈异步电机的情况下，定子直接链接到网络，而电力电子接口插入在转子与网络之间，从而允许滑动的变化范围，所以允许30%量级的旋转速度的变化范围。然而，这是下述电机，该电机具有更复杂的结构，因此比笼型异步电机更昂贵并且可靠性更差。电机的定子直接接线到网络，所以其还会在网络扰动期间经历大的电流变化。还已知的是使用同步电机，尤其是包括永久磁铁的同步电机。特别地，对于风能转换来说已知的是使用继之以电力电子接口的永久磁铁交流发电机，其可以包括继之以逆变器的整流器。旋转速度的变化范围通常是从额定旋转速度的30%至120%。然而，这样的交流发电机展现巨大的成本的缺点，尤其是由于永久磁铁的存在、以及在故障的情况下(例如在短路或超速的情况下)不可能将电机去励磁。
还已知的是使用由经由电力电子接口从网络引出的转子处的绕组励磁的同步电机，其中，该电力电子接口可包括继之以逆变器的整流器。变化范围具有与磁铁型电机的数量级相同的数量级。EP专利申请1187307A2描述了一种具有将电力供应给变流器的爪极转子(claw-pole rotor)的电机。该爪极转子被配置用于小功率和低功率电机。US专利5083039A涉及一种具有鼠笼转子(squirrel-cage rotor)的异步电机,其中扭矩和张力由id和iq参数来调节。US专利6239996B1描述了一种用作电池充电器的电机。
US专利6437996B1旨在对电压进行整流，以减少无功功率，从而减少能量在若干千米上的传输期间的损耗。因此，对采用具有减小的体积和减少的制造成本的风能转换组件存在需求。还对受益于下述组件存在需求，该组件使得可以最优化所获得的效率。本发明旨在满足上述需求的全部或部分。
发明内容
因此，根据本发明的方面之一，本发明的目标是以可变机制，尤其是以可变速度、功率或功率因数运行的机电组件，包括-具有绕线转子的同步交流发电机，其尤其是借助于励磁器、或者借助于开口环和换向器的直接励磁通过电压Vf被供应DC电流，以及传送输出电压Us，-变流器，其包括用于对交流发电机的输出电压Us进行整流的整流器，该整流器可以是基于脉冲宽度调制的或者基于二极管的，以及可选地继之以DC/DC变流器，供应电压Vf为绕线转子供应电力，其中供应电压Vf从动于交流发电机的输出电压us。组件可包括调节器，该调节器被配置成作用于电压Vf，以将交流发电机的输出电压Us保持于预设值Us eff ref0可确定为绕线转子供应电力的供应电压Vf，以最小化交流发电机的输出电压Us与参考电压Us eff ref之间的差。可选择参考电压Us eff ref,以修改、尤其是最大化机电组件的效率。优选地计算参考电压Us eff ref,以最小化下面列表中的损耗的至少之一包括涡流损耗和磁滞损耗的铁损，转子处的焦耳效应损耗，定子处的焦耳效应损耗，变流器的传导损耗，变流器的开关损耗。电压Us根据频率的演进对于以恒定U/f进行的调节来说是直线。在本发明中，根据频率的输出电压Us演进可不同于直线，其中，U/f尤其在从最小旋转速度(例如高于500rpm)到额定速度(例如高于1500rpm)的旋转速度的范围内是非恒定的，其中交流发电机功率趋向于大量增加。在该速度范围内(例如500-1500rpm)，表示根据频率的交流发电机输出电压的曲线方面可为连续的直线段，所述连续的直线段具有在旋转速度增加的同时从一段到另一段逐渐增加的斜率。图示输出电压Us以及因而根据频率的基于电压的控制信号的曲线可具有两部分，一个部分对应于由大量的不连续性(例如尖峰)链接的具有恒定电压的较高频率。传统的调节也具有U恒定的平坦部分，但是不具有所述不连续性，在传统的调节中，U/f恒定直至到达U最大为止。
根据本发明，调节使得Us能够低于在U/f恒定情况下进行的调节中的典型电压，直至电压最大的某个旋转速度为止。根据本发明的机电组件使得可以提供与具有永久磁铁的交流发电机相同的效率方面的优点，而没有与这些永久磁铁的存在有关的缺点。根据本发明的组件实际上使得可以改进该组件的成本和维护的容易度。另外，与永久磁铁交流发电机相比，根据本发明的组件可以容易地被去励磁。本发明使得可以通过修改绕线转子的端子上的电压来最优化以可变机制运行的绕线转子交流发电机及相关联的变流器的效率。因此，可通过转子的励磁来控制该电压。根据本发明的组件制造更便宜。另外，在故障的情况下，例如在网络故障的情况下，可以作用于励磁电压，而这对于永久磁铁交流发电机来说是不可能的。因此，根据本发明的组件能够使得可以补救电カ网络的缺陷，而这可以使得可以满足某些调节需求。以可变机制运行使得可以最优化风カ涡轮机捕获的能量。优选地，系统性地试图以最佳机制运行，即对于给定的运行机制，即给定的风速，期望提供最大功率。根据本发明的交流发电机使得可以以可变频率提供电能，该可变频率必须被适配到网络的频率，这经由功率变流器来实现，该功率变流器包括通过DC总线连接的逆变器以及整流器。在非常大的风速，风カ涡轮机的旋转速度被限制于最大值以保护其完整性。与以恒定电压运行的绕线转子同步电机或永久磁铁同步电机的全局效率相比，改进了所获得的变流器/电机组件的全局效率。參考电压Us eff 可取决于组件的运行机制。參考电压Us eff μ可取决于以下至少之一速度、功率、功率因数、电机的热态，其中，电机的热态例如可借助于测温探针而获知。表述“功率因数”被理解成表示电接收器的特性，对于在时变电流机制(正弦或其它)下被供以电カ的电偶极子，“功率因数”等于该偶极子消耗的有功功率除以电流和电压的有效值之积(视在功率)。其总是位于O与I之间。特别地，如果电流和电压是时间的正弦函数，则功率因数等于电流与电压之间的相移的余弦。于是，功率因数通常被称为“cos φ” ο对于给定的运行机制，即以给定的速度和以给定的功率，机械损耗是固定的。对于给定的运行机制，如果电压过高，由于过大的励磁而引起的铁损和转子处的焦耳效应损耗变得巨大。相反，定子处的焦耳效应损耗保持为低。实际上，对于给定的功率，如果电压高，则电流低。相反，过低的电压导致定子处的巨大的焦耳效应损耗，以及导致定子处的铁损和转子处的低焦耳效应损耗。变流器的损耗与定子电流、电机电压和经整流的电压有关。应当理解，在两个运行机制之间存在最佳电压，其使得可以最小化损耗并且最大化组件的效率。该最佳电压被优选地选择为參考电压，并且可针对每个应用被计算。它可在组件的运行之前被计算，或者可实时地被计算。它可在组件的运行期间实时地被计算，或者根据应用作为变量被预计算。例如，可以根据应用和/或运行机制，尤其是转子的旋转速度，从若干预记录的值当中选择參考电压的值Us eff ref0例如，组件可以包括若干參考电压Us eff ref的预计算值的预记录表，各个參考电压Us eff ref适合于给定的运行机制。以自动的方式从ー个运行机制切换到另一个运行机制涉及改变參考电压。
在交流发电机包括励磁器的情况下，使得可以在励磁器中产生需要的励磁的电压Vr可从动于由交流发电机提供的有效输出电压Us rff。作为变量，通过开ロ环和换向器，交流发电机的绕线转子的励磁可以是直接的。在通过开ロ环和电刷系统向转子供应电カ的情况下，直接根据预设的參考电压Us eff ref来控制电压Vf。组件可包括调节器，该调节器控制整流器的电子开关。整流器的控制可从动于相、电机的功率因数、直流Id的強度、和 正交电流Iq的強度，其全部都可以用来控制整流器的电子开关。整流器的输出电流可为DC总线供应电力。可控制整流器，以便保持恒定的总线电压。为了该目的，组件例如可包括调节器，该调节器使得可以根据DC总线端子上测量的电压Udc 、和參考电压Udc ref使控制整流器的开关的调节器的电流參考从动。该电流參考可为正交电流和/或直流电流的強度的參考值。另外，本发明的目标是发电机，尤其是风カ涡轮机，其包括诸如上述的组件。风カ涡轮机可以包括倍増器，该倍增器使得可以提高被风カ涡轮机的叶片(例如，三个叶片)旋转驱动的组件的机械轴的速度。另外，本发明的目标是ー种用于尤其是借助于诸如上述的组件将机械能、尤其是来源于风的机械能转换成电能的方法，其中，以从动于交流发电机的输出电压Us的电压Vf将DC电流供应给具有绕线转子的同步交流发电机的转子。尤其试图最小化交流发电机的输出电压Us与预设參考电压Us eff ref之间的差。有利的是，可以以这种方法对具有脉冲宽度调制类型的整流器的交流发电机的输出电压进行整流。
当阅读按照本发明的示例实施例的详细说明以及研究附图时，可以更好地理解本发明，在附图中-图I以示意方式表示根据本发明实施的风カ涡轮机，-图2以示意方式图示图I的风カ涡轮机的同步交流发电机的配置，-图3以示意方式表示交流发电机及其相关联的变流器的操作，-图4是励磁器的控制链的示意图，-图4a是图示调节器18的操作的方框图，-图5表示与其它已知组件相比的根据本发明的组件的效率，-图6至图15以示意方式表示可以如何对根据本发明的调节或多个调节进行建摸，-图16图示风力涡轮机的负载曲线以及表示根据速度的交流发电机输出电压的曲线，-图17更详细地图示表示根据速度的输出电压的曲线，以及-图18图示交流发电机的转子速度的效率函数。
具体实施例方式图I所示的是根据本发明的风カ涡轮机1，其包括机舱(nacelle)，其中，g在被风旋转驱动的叶片2，例如三个叶片固定到该机舱。机舱固定在未示出的桅杆的顶部。倍增器5使得可以提高风カ涡轮机的机械轴6的速度。机舱容纳同步交流发电机10以及变流器20，用于将机械轴6接收到的风能转换成电能以及用于向网络9供电。为了该目的，交流发电机传送输出电压Usrff，例如三相电压，其中，三相传统地用U、V和W来表示。在描述的示例中，交流发电机包括励磁器11，该励磁器11在定子12处具有被供以DC电流的励磁器励磁绕组，从而在励磁器转子13的励磁器电枢绕组中产生AC电流，随后该AC电流被整流器桥14整流，以便将经整流的电流IF供应给交流发电机的绕线转子15的主励磁绕组，以及在交流发电机的定子16处的主电枢中产生电流。主电枢的各相可包括ー个或更多个绕组。图I和图2图示的示例性实施例使用组成转枢式同步发电机(invertedalternator)的同步励磁器11，其中，励磁电路放置在定子12上并且经由电压调节器18被供以电压Vr的DC电流，从而产生固定的磁场。励磁器11的转子13包括三相绕组系统，该三相绕组系统的电流被ニ极管桥整流器14整流，其中，该ニ极管桥整流器14旋转以便为主电感器供电。励磁器安装在机械轴6上，并且以与主转子15相同的速度被驱动。在图示的示例性实施例中，以及考虑到高功率交流发电机的功率，该功率可以具有若干MW的量级，有益的是使用轴6上可获得的机械能来提供励磁电流。因此使用安装在与交流发电机的转子相同的轴上的励磁系统。其可以是别样的，作为变型。可以使用包括大量电极对、因此具有大直径的低速高扭矩同步交流发电机。有利地，这样的交流发电机使得可以避免必须使用速度倍増器。这会是有利的，因为速度倍増器是会引起损耗和故障的复杂的机械产品。现在将參考图3更详细地描述变流器20和绕线转子的供电电压的调节，还有励磁器11的供电电压的调节。变流器20包括脉冲宽度调制(PWM)型整流器21，该整流器21使得可以将交流发电机传送的AC电压Us eff和AC电流Is变换成DC电压和DC电流。通过包括电容器C的DC总线22将整流器21链接到逆变器23，该逆变器23恢复该DC电压和该DC电流。调节对逆变器的控制，以便在逆变器的输出处调节和获得幅度和频率适合于网络9的幅度和频率的信号。在本发明中，脉冲宽度调制型整流器21和逆变器23通过DC总线22彼此去耦合。经过DC总线22的通路允许逆变器23调节幅度和频率。所使用的整流器21可以是功率上双向的。可以通过以适当的控制抑制高频谐波来获得正弦电流。为此目的，通过控制整流器21的开关以便控制交流发电机的定子16的电压与电流之间的相移Φ，利用去耦合算法29，根据直流电流Itoef和正交电流Ittof的參考强度，在28处调节电流，这可以允许功率因数COS φ的修改。在24处的相移调节使得可以根据參考相移(Pref和测量的正交強度Iq_sura!来減少焦耳效应的定子损耗，其中，对于功率因数I，变流器的定子和传导焦耳损耗(conduction Joule loss)为最小值。因此，可满足组件的全局效率。 在变型实施例中以及如所描述的，在25处可以根据整流器21的端子上测量的电压Udc ffleasured和參考电压Udc ref来调节整流器21的输出功率，从而允许更好的对功率的局部控制。作为调节器的示例，可以使用市场上的标准调节器，其中可举出利莱森玛(LeroySomer)模型，例如 D600、R449 ；巴斯勒戴克斯(BASLERDECS) 100,200 模型；ABB Unitrol1000模型等。为了实施调节组件24、25和28，可以使用功率转换模块(电压和/或COS φ’调节)，例如ABB ACS800型的功率转换模块。将借助于图6至图15以更展开的方式来描述根据本发明的调节的示例。在展开的示例中，整流器21为PWM型，并且其可被建模为图6所表示的。在展开的示例中，整流器21在功率上是双向的。对整流器的适当控制可以使得可以在交流发电机中获得正弦电流，同时抑制高频谐波。可以执行对交流发电机的定子的电压与电流之间的相移Φ的控制，从而允许电机的功率因数cos φ的修改。因此，可以获得使铁损最小化的正弦电流。对相移φ的控制还可使得可以作用于焦耳效应损耗，其中，对于COS φ=1，后者是最小值。不过，这样的控制无法使得可以将传导损耗和变流器的开关损耗减少到满意值，其中，后者保持有额定功率的I. 5%的量级。整流器21可在25处參与对DC总线22的电压Udc的调节，该调节能够使得可以避免使逆变器23超过额定值。在本发明的这里展开的示例性实现中，整流器21的部件100被认为是具有下面布尔特性的理想开关-O :开路-I:闭合图7表示整流器21的基本结构。开关100被认为是理想的并且在电流上是双向的。表示整流器21的配置的矩阵被定义如下[MC ]=
_ 4 丄 5 1 6 _其中，如图7所示，Τ1、Τ2和Τ3为分别具有作为互补的开关Τ4、Τ5和Τ6的三个开关。该矩阵MC根据控制规律(control law)实时地演进。通过假设DC总线22的端子上的电压Udc是稳定的并且通过使用逆变器转换，相对于点m(电压Ud。的接地)的各相的參考电势A、B、C为
I am~~Vbm = [Mc、 ].:
_な」交流发电机被耦合为星形并且连接到整流器21的输入，可以计算定子处的主电枢绕组16的各相的端子上的电势。因此，用“η”定义交流发电机的星形耦合点，并且考虑各相的相同阻抗和平衡电压。在上述条件下，可以建立下述等式集合vm+vbn+vcn = O Van = - (vbn+vcn)
权利要求
1.一种以可变机制，尤其是以可变速度、功率或功率因数运行的机电组件，包括 -具有高于或等于IMW的功率、具有绕线转子(15)的同步交流发电机(10)，其尤其是借助于励磁器(11)或者借助于开口环和换向器的直接励磁通过电压(Vf)被供以直流电流，以及传送输出电压(Us)， -变流器(20)，其包括用于对所述交流发电机的所述输出电压(Us)进行整流的整流器(21)，所述整流器可能是基于脉冲宽度调制的或者基于二极管的、以及可选地继之以DC/DC变流器， 所述供应电压(Vf)为所述绕线转子供应电力，所述供应电压(Vf)从动于所述交流发电机的所述输出电压(Us)。
2.根据权利要求I所述的组件，包括调节器(18)，所述调节器(18)被配置成作用于所述电压(Vf)，以将所述交流发电机的所述输出电压(Us)保持于预设值(UsrffMf)。
3.根据前述权利要求I所述的组件，计算所述参考电压(Useff ref)，以最小化下面列表中的损耗的至少一个铁损、涡流损耗、磁滞损耗、转子处的焦耳效应损耗、定子处的焦耳效应损耗、变流器处的传导损耗、变流器处的开关损耗。
4.根据权利要求2所述的组件，其中，所述参考电压(Useff ref)取决于以下至少之一速度、功率、功率因数、电机的热态。
5.根据权利要求2所述的组件，其中，在所述组件的运行期间实时地计算所述参考电压(U s eff ref) °
6.根据权利要求2所述的组件，其中，在所述组件的运行之前根据应用预计算所述参考电压(Us eff ref)。
7.根据权利要求6所述的组件，所述交流发电机包括励磁器(11)，使得可以在所述励磁器(11)中产生所需要的励磁的电压(VJ从动于由所述交流发电机(10)提供的有效输出电压(Us eff)。
8.根据权利要求I所述的组件，至少包括用于为所述绕线转子(15)供应电力的一个开口环和一个换向器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的组件，其中，所述整流器的输出电流为DC总线(22)供应电力。
10.根据权利要求I所述的组件，包括调节器(25)，所述调节器(25)用于控制所述整流器以保持恒定的总线电压。
11.根据前述权利要求中任一项所述的组件，表示根据旋转速度(以rpm表示)的所述交流发电机输出电压(Us)的曲线在旋转速度到达额定速度时具有不连续性。
12.根据前述权利要求中任一项所述的组件，对于低于所述额定速度的旋转速度，表示根据旋转速度(以rpm表示)的所述交流发电机输出电压(Us)的曲线不同于直线。
13.根据前述权利要求中任一项所述的组件，对于低于所述额定速度的旋转速度，所述输出电压(Us)低于根据沿直至所述额定速度的速度的整个范围以恒定U/f进行的调节的调节电压。
14.一种发电机，尤其是风力涡轮机，包括如权利要求I中所述的组件。
15.一种用于借助于根据权利要求I所述的组件将机械能、尤其是基于风的机械能转换成电能的方法，其中，以从动于所述交流发电机的输出电压(Us)的电压(Vf)将DC电流供应给具有绕线转子(15)的同步交流发电机(10)的所述转子。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，采用脉冲宽度调制型的整流器对所述交流发电机的所述输出电压(Us)进行整流。
全文摘要
本发明提供一种含绕线转子同步交流发电机和变流器可变机制运行的组件。以可变机制，尤其是以可变速度、功率或功率因数运行的机电组件，包括具有绕线转子(15)的同步交流发电机(10)，其尤其是借助于励磁器(11)、或者借助于开口环和换向器的直接励磁通过电压(Vf)被供以直流DC电流，以及传送输出电压(Us)；变流器(20)，其包括用于对交流发电机的输出电压(Us)进行整流的整流器(21)，整流器可能是基于脉冲宽度调制的或者基于二极管的、以及可选地继之以DC/DC变流器。供应电压(Vf)为绕线转子供应电力，其中供应电压(Vf)从动于交流发电机的输出电压(Us)。
文档编号H02P9/30GK102647139SQ20121003564
公开日2012年8月22日 申请日期2012年2月16日 优先权日2011年2月16日
发明者吕克·莫罗, 托马斯·韦谢尔, 皮埃尔·里戈 申请人:利莱森玛电机公司