用励磁电流对同步电机供电的制作方法

本发明涉及一种励磁系统，所述励磁系统用于给同步电机的转子的至少一个励磁绕组用励磁电流供电，所述同步电机尤其是涡轮发电机。

此外，本发明涉及一种无刷励磁系统，所述无刷励磁系统用于给同步电机的转子的至少一个励磁绕组用励磁电流供电，所述同步电机尤其是涡轮发电机。

此外，本发明涉及一种用于给同步电机的转子的至少一个励磁绕组用励磁电流供电的方法，所述同步电机尤其是涡轮发电机。

背景技术：

呈涡轮发电机形式的同步电机在发电厂中用于产生电能。对此，涡轮发电机机械地与至少一个燃气轮机和/或蒸汽轮机耦联，其中涡轮发电机连同燃气轮机或蒸汽轮机形成涡轮机组。替选地，同步电机在未相应地耦联到涡轮机上的情况下可以以移相器运行方式运行。

在涡轮发电机中，产生发电机电压所需要的磁性直流激励场通过涡轮发电机的转子中的励磁绕组产生。

为了对涡轮发电机的转子的励磁绕组供电，可以使用静态励磁系统。在静态励磁系统中，经由固定的变流器、固定的碳刷和设置在涡轮发电机的转子轴上的滑环，将励磁功率传递至涡轮发电机的转子的励磁绕组。所述静态励磁可以非常快地对负载变化做出反应，这相对于无刷励磁系统带来调节技术上的速度优点。调节技术的速度优点现今变得非常重要，因为在全球的能源转型的过程中，大型发电厂的用于将电能馈送到供电网中的馈送单元向更小的分布式再生能量生成器转变，并进而在供电网中生成更多动态性。然而，静态励磁系统由于需要规律地更换碳刷而视作为是维护密集的。此外，静态励磁系统的供电电压主要从发电机端子得到，使得在电网故障期间在最不利的情况下不能够将最高电压提供给涡轮发电机的励磁绕组。

替选地，为了对涡轮发电机的励磁绕组供电，可以使用无刷励磁系统。在无刷励磁系统中，涡轮发电机的转子的励磁绕组经由随转子一起旋转的二极管整流器与构成为外极发电机的主励磁机的转子的交流绕组连接。主励磁机的外极绕组经由电压调节器由永磁体励磁的辅助励磁机馈电。可以完全放弃电刷的维护密集的使用，由此无刷励磁系统视作为几乎是免维护的。此外，无刷励磁与静态励磁相比能够在供电网中有电网故障的情况下还将完整的功率提供给涡轮发电机的转子的励磁绕组。与静态励磁相比，在所连接的供电网中负载变化快时对为涡轮发电机的转子的励磁绕组供电的励磁电流的跟踪由于无刷励磁系统的大的励磁时间常数而缓慢得多地进行。具有无刷励磁的涡轮发电机越来越不能满足电网运营商对全部馈送单元在动态性方面持续增大的最小要求，所述动态性是在负载变化时、在供电网中维持电压时以及在有短时干扰时的动态性，最小要求取决于供应电网中的再生的能量生成器的大幅增长。由励磁机产生的励磁功率通常为涡轮发电机的额定视在功率的大约0.5％至大约5％。

在WO 2013/079761 A1中示出旋转电机和用于磁化无刷旋转电机的转子的方法，其中该方法包括：构成静态磁场，使励磁机的转子在静态磁场中旋转以产生交变电流，借助于设置在转子上的可控制的电桥对交变电流整流，在转子中无线地接收控制信息，借助于可控制的电桥基于控制信息来控制电流强度，并且将电流馈送到旋转电机的磁化绕组中。

在DE 23 66 003 A1中示出一种用于涡轮发电机中的旋转的半导体励磁的装置，其中设有至少一个变流轮(Stromrichterrad)，所述变流轮的承载盘构成为与轴抗扭地连接的轮毂，所述轮毂具有轴向延伸的空心柱形的延伸部。在延伸部的内直径中设置有半导体构件，所述半导体构件具有冷却体和保护电路。此外，作为半导体阀设有受控的晶闸管，并且变流轮的承载盘具有另一个与所述的空心柱形的延伸部相对置的空心柱形的延伸部，在该延伸部的内直径上绝缘地设置有用于晶闸管的控制单元。在承载盘的外壳面上安置有无接触和无碰触的信号传输装置的旋转部分，所述信号传输装置的固定部分固定在机器壳体中。

DE 10 2010 060 998 A1示出无刷同步发电机，所述同步发电机具有：定子，所述定子具有至少一个主绕组和至少一个辅助绕组，以产生励磁磁场；和转子，所述转子具有凸极几何形状的主励磁绕组。同步发电机的特征在于，转子还具有隐极几何形状的辅助励磁绕组，所述辅助励磁绕组与主励磁绕组施加到共同的电枢上并且与所述主励磁绕组经由设置在转子上的整流桥连接。在具有这种无刷同步发电机的发电机装置中，设有至少一个电容器，所述电容器连同定子的辅助绕组形成振荡回路。

EP 2 262 101 A1示出具有发电机以及蒸汽轮机的装置和励磁装置，其中励磁装置构成为，使得在额定运行期间，辅助励磁机构成为永磁体励磁的同步电机，并且在盘车运行期间，辅助励磁机构成为同步马达或盘车马达。

在EP 0 254 129 A1中示出无刷同步发电机，所述同步发电机与恒定励磁的励磁机耦联，所述励磁机的电压借助于整流器整流并且输送给同步发电机的励磁绕组。由负载引起的电压改变能够简单地通过下述方式修正：在同步发电机的气隙中设置有霍尔传感器，所述霍尔传感器的霍尔电压用于控制同步发电机的励磁电流。

US 2012/153904 A1示出具有励磁线圈的发电机，所述励磁线圈产生磁场，所述磁场在线圈装置中感生出电。励磁线圈励磁系统具有发电机，发电机具有输出线圈装置，用于产生交变电压。整流器在两个节点上将交变电压转换成直流电压。节点之间的电容器构成谐振电路，由此电压和电流以预设的相移振荡。开关和励磁线圈在节点之间串联连接。控制单元将开关在预设的时间段中切换成导通。开关通过在该时间段结束之后最小电流的第一次出现变成不导通。预设的相移能够实现，检测最小电流。

技术实现要素：

本发明的目的是，将静态励磁的优点与无刷励磁的优点结合。

根据本发明的用于无刷励磁系统的调节装置，所述无刷励磁系统用于给同步电机尤其涡轮发电机的转子的至少一个励磁绕组用励磁电流供电，该调节装置包括：

-至少一个检测装置，所述检测装置构建成用于检测在主励磁机的转子和定子之间产生的磁通量的强度或至少一个与所述磁通量关联的参数；

-至少一个可连接在辅助励磁机和主励磁机之间的调节单元，所述调节单元构建成用于通过对由辅助励磁机产生的辅助励磁三相电流进行整流来产生可输送给主励磁机的辅助励磁直流电流，并且所述调节单元构建成，对辅助励磁直流电流的电流强度进行调节，使得在主励磁机的转子和定子之间产生的磁通量与可输送给同步电机的转子的励磁绕组的励磁电流的电流强度无关地保持恒定；和

-至少一个抗扭地与同步电机的转子轴连接的调控单元(Stelleinheit)，所述调控单元可连接在主励磁机的转子和同步电机的转子的励磁绕组之间，所述调控单元构建成用于通过对由主励磁机产生的励磁三相电压进行整流来产生励磁电流，并且用于对可输送给同步电机的转子的励磁电流的电流强度进行调节。

由于有调控单元或由此引起的对可输送给同步电机的转子的励磁电流的电流强度的间接的调节，设有根据本发明的调节装置的无刷励磁系统能够对应于静态励磁系统非常快地对负载变化做出反应，这与调节技术上的速度优点关联。对此，必须在转子轴上实现有源的整流。尤其，借助于调控单元可以产生正的和负的励磁电压，其中借助于负的励磁电压可以对同步电机的转子的励磁绕组进行快速去励磁。由此，无刷励磁的构思得以明显扩宽并且改进。因此，借助根据本发明的调节装置，可以改进同步电机的调节特性和稳定性，以便满足电网运营商对与供应电网连接的馈送单元的普遍提高的最小要求，由此可以支持全球的能源转型。

对馈送单元的最小要求例如是关于在同步电机空载运行中在低温下对于无刷励磁系统而言在通常描述的800ms之内从1pu到0.9pu的参考电压突变的要求。在未对同步电机或其转子的励磁绕组主动去励磁的情况下(在传统的无刷励磁系统中情况如此)，对于空气冷却的大型同步电机的这种要求几乎是不可实现的。而借助于根据本发明的调节装置，可以对同步电机进行适合的去励磁。此外，在供电网中的突然的负载下降的情况下，需要的是，尽可能快地修正出现的过压，这借助于根据本发明的调节装置的调控单元是可行的。此外，必要的是，为了在供电网中有电网故障期间维持同步电机的稳定性，根据电网运行商对馈送单元的相应的最小要求在电网电压恢复的时刻，同步电机在200ms至250ms中在最大过激励下运行，这同样借助于根据本发明的调节装置或其调控单元是可能的。为了尽可能快地到达最大过激励的所述状态，需要尽可能小的励磁时间常数，所述励磁时间常数可以通过使用根据本发明的调节装置实现。

通过根据本发明地使用调控单元或其功能——替代常规使用：无源的或不可控的整流器单元与直接经由对主励磁机通电进行的对同步电机的转子的励磁绕组的励磁结合——对于可输送给同步电机的转子的励磁电流的电流强度的调节有利的是，由主励磁机产生的励磁三相电压具有恒定的大小。这能够借助于根据本发明的调节装置的调节单元实现，借助所述调节单元，对此将可输送给主励磁机的辅助励磁直流电流的电流强度调节成，使得在主励磁机的转子和定子之间产生的磁通量与可输送给同步电机的转子的励磁绕组的励磁电流的电流强度无关地保持恒定。通过磁通量保持恒定，将由主励磁机产生的励磁三相电压的大小保持恒定。

因此，借助于根据本发明的调节装置，能够将无刷励磁的常规的优点与静态励磁的优点、尤其是其调节优点结合。

检测装置可以直接测量在主励磁机的转子和定子之间的磁通量的强度。替选地，借助于检测装置，可以检测至少一个与所述磁通量关联的参数，所述参数允许推断出在主励磁机的转子和定子之间的磁通量的相应的强度。也可以存在两个或更多个相应的检测装置。

为了调节可输送给同步电机的转子的励磁电流的电流强度，调控单元可以通信地与调节电子装置连接，所述调节电子装置将由同步电机产生的三相电流的实际电流强度与预设的期望电流强度相比较，以便执行对可输送给同步电机的转子的励磁电流的电流强度的调节。替选地，调控单元本身可以包括相应的调节电子装置。

优选地，调控单元具有至少一个可控的整流器单元。借助于这种可控的整流器单元，不仅可以对由主励磁机产生的励磁三相电压进行整流而且可以对可输送给同步电机的转子的励磁电流的电流强度进行调节。对此，可控制的整流器单元可以具有可控的整流器。

根据本发明的无刷励磁系统，所述无刷励磁系统用于给同步电机的转子的至少一个励磁绕组用励磁电流供电，所述同步电机尤其是涡轮发电机，所述无刷励磁系统具有：

-至少一个主励磁机，所述主励磁机构成为旋转的外部极子电机，所述主励磁机具有：抗扭地与所述同步电机的转子轴连接的转子，所述转子具有转子绕组；和带有外部极子绕组的定子，其中所述转子绕组能够导电地与所述同步电机的转子的励磁绕组连接；

-至少一个辅助励磁机，所述辅助励磁机构成为永磁体励磁的内部极子电机，所述辅助励磁机具有：抗扭地与所述同步电机的所述转子轴连接的转子，所述转子具有永磁体；和带有定子绕组的定子，其中所述定子绕组能够导电地与所述主励磁机的外部极子绕组连接；和

-至少一个根据上述设计方案中任一个或其任意组合所述的调节装置。借助无刷励磁系统，在上文中参照调节装置提到的优点和实施例相应地结合。主励磁机的转子绕组经由抗扭地与同步电机的转子轴连接的调控单元、尤其一起旋转的整流器能够导电地与同步电机的转子的励磁绕组连接。辅助励磁机的定子绕组可以经由执行元件导电地与主励磁机的外部极子绕组连接。

根据本发明的用于给同步电机的转子的至少一个励磁绕组用励磁电流供电的方法，所述同步电机尤其是涡轮发电机，所述方法具有下述步骤：

-借助于主励磁机产生恒定的励磁三相电压，所述主励磁机的转子抗扭地与所述同步电机的转子连接；

-借助于调控单元通过对恒定的所述励磁三相电压进行整流来产生励磁电流，所述调控单元抗扭地与所述同步电机的转子连接；和

-借助于所述调控单元调节所述励磁电流的电流强度。

利用该方法，在上文中参考调节装置提到的优点相应地结合。尤其，调节装置可以构建成用于执行该方法。

作为调控单元优选使用至少一个可控的整流器单元。借助于这种可控的整流器单元，不仅可以执行对由主励磁机产生的励磁三相电压的整流，而且也可以执行对可输送给同步电机的转子的励磁电流的电流强度的调节。对此，可控的整流器单元可以具有可控的整流器。

优选地，恒定的励磁三相电压通过对用由辅助励磁机产生的经整流的辅助励磁三相电流给主励磁机供电进行调节来产生。这暗示在主励磁机的转子和定子之间的恒定的磁通量。

附图说明

下面根据所附的示意图阐述根据本发明的无刷励磁系统的优选的实施方式。附图示出：

图1示出与涡轮发电机组合的传统的无刷励磁系统的示意图；

图2示出与同步电机组合的根据本发明的无刷励磁系统的一个实施例的示意图；和

图3示出根据本发明的无刷励磁系统的一个实施例的主励磁机的示意的和立体的视图。

在附图中，功能相同的构件设有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出与涡轮发电机1组合的常规无刷励磁系统2的示意图，所述无刷励磁系统用于给涡轮发电机1的转子3的至少一个未示出的励磁绕组用励磁电流供电。涡轮发电机1与涡轮机4组合成涡轮机组。

励磁系统2具有构成为旋转的外部极子电机的主励磁机5、抗扭地与涡轮发电机1的转子轴6连接的具有未示出的转子绕组的转子7和具有未示出的外部极子绕组的定子8，其中转子绕组与涡轮发电机1的转子3的励磁绕组可导电地连接。

此外，励磁系统2包括构成为永磁体励磁的内部极子电机的辅助励磁机9，所述辅助励磁机具有：抗扭地与涡轮发电机1的转子轴6连接的转子10，所述转子具有未示出的永磁体；和定子11，所述定子具有未示出的定子绕组，其中定子绕组可以导电地与主励磁机5的定子8的外部极子绕组连接。

此外，励磁系统2包括抗扭地与转子轴6连接的整流器单元12，该整流器单元连接在主励磁机5的转子7的转子绕组和涡轮发电机1的转子3的励磁绕组之间，所述整流器单元构建成用于对由主励磁机5产生的三相电压进行不可控的或无源的整流。整流器单元12对此具有呈彼此连接的二极管的形式的不可控的未示出的整流器。

辅助励磁机9产生辅助励磁三相电流，所述辅助励磁三相电流的电流强度借助于调节器13进行调节和整流，以便为主励磁机5或其外部极子绕组输送辅助励磁直流电流。调节器13调节要输送给主励磁机5的辅助励磁直流电流的电流强度并进而根据要由涡轮发电机1产生的三相电流来调节要输送给涡轮发电机1的转子3的励磁绕组的励磁电流的电流强度，这要通过图1中的虚线14示出。

图2示出根据本发明的无刷励磁系统15的一个实施例的示意图，所述无刷励磁系统给同步电机17的转子16的至少一个未示出的励磁绕组用励磁电流供电。同步电机17与涡轮机4组合成涡轮机组。

无刷励磁系统15包括：构成为旋转的外部极子电机的主励磁机5、抗扭地与同步电机17的转子轴6连接的具有未示出的转子绕组的转子7和具有未示出的外部极子绕组的定子8。转子绕组可导电地与同步电机17的转子16的励磁绕组连接。在图3中示出主励磁机5的一个示例性的实施方式。

此外，无刷励磁系统15包括构成为永磁体励磁的内部极子电机的辅助励磁机9，所述辅助励磁机具有抗扭地与同步电机17的转子轴6连接的具有未示出的永磁体的转子10和具有未示出的定子绕组的定子11。定子绕组可以抗扭地与主励磁机5的外部极子绕组导电地连接。

此外，无刷励磁系统15包括调节装置25。

调节装置25包括检测装置26，所述检测装置构建成用于检测在主励磁机5的转子7和定子8之间产生的磁通量的强度或与所述磁通量关联的参数。

此外，调节装置25包括在辅助励磁机9和主励磁机5之间连接的调节单元27，所述调节单元构建成用于通过对由辅助励磁机9产生的辅助励磁三相电流进行整流来产生可输送给主励磁机5的辅助励磁直流电流，并且所述调节单元构建成，对辅助励磁直流电流的电流强度进行调节，使得将在主励磁机5的转子7和定子8之间产生的磁通量与可输送给同步电机17的转子16的励磁绕组的励磁电流的电流强度无关地保持恒定。

此外，调节装置25包括抗扭地与同步电机17的转子轴6连接的调控单元18，所述调控单元连接在主励磁机5的转子7和同步电机17的转子16的励磁绕组之间，所述调控单元构建成用于通过对由主励磁机5产生的励磁三相电压进行整流来产生励磁电流并且用于对可输送给同步电机17的转子16的励磁电流的电流强度进行调节。对此，调控单元18通信地与调节电子装置19连接。调控单元18包括至少一个未示出的可控的整流器单元。

辅助励磁机9产生辅助励磁三相电流，所述辅助励磁三相电流借助于调节单元27来调节和整流，以便为主励磁机5或其外部极子绕组输送直流电流。调节单元27根据由检测装置26检测到的在主励磁机5的转子7和定子8之间的磁通量的强度来调节可输送给主励磁机5的辅助励磁直流电流的电流强度，这要通过虚线28表示。调节电子装置19根据要由同步电机17产生的三相电流的电流强度来控制调控单元18，这要通过图2中的虚线29表示。

图3示出根据本发明的无刷励磁系统15的一个实施例的主励磁机5的示意的和立体的视图。主励磁机5的定子8包括八个外部极子绕组20，所述外部极子绕组经由共同的、圆环形地构成的铁芯21连接，对此在铁芯21上构成径向向内伸展的突出部22，所述突出部穿过外部极子绕组20。此外，主励磁机5具有转子7，所述转子具有三个通过其电感表示的转子绕组23。在励磁系统15运行时，在主励磁机5中在外部极子绕组20和转子绕组23之间产生磁场，所述磁场通过箭头24表示。借助根据本发明的励磁系统15，可以与要输送给同步电机17的转子16的励磁绕组的励磁电流的电流强度无关地将与所述磁场关联的磁通量保持恒定。

虽然本发明在细节上通过优选的实施例详细地说明和描述，本发明并不限于公开的示例，并且其他变型形式能够由本领域技术人员从中导出，而不脱离本发明的保护范围。