專(zhuān)利名稱：同步發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及慢速旋轉(zhuǎn)電機(jī)，例如環(huán)形發(fā)電機(jī)，如用在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中的Enercon公司的E-33、E-40、E-12和E-66型，需要很大的勵(lì)磁功率。需要的勵(lì)磁功率隨極數(shù)、氣隙的增大以及無(wú)功功率的規(guī)模而增大。
以上說(shuō)明的這種環(huán)形發(fā)電機(jī)具有例如72或84極。在風(fēng)力發(fā)電站場(chǎng)合使用的直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)盡可能一天運(yùn)行24小時(shí)，因此它們的效率應(yīng)該盡可能高。
用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的慢速運(yùn)行環(huán)形發(fā)電機(jī)，如Enercon公司的E-66型環(huán)形發(fā)電機(jī)，運(yùn)行在10和22rpm(轉(zhuǎn)每分)之間的轉(zhuǎn)速范圍。這種環(huán)形發(fā)電機(jī)被制造為具有72個(gè)極(36對(duì)極)，并且因此產(chǎn)生6和13.2Hz之間的頻率。
這種環(huán)形發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子和包圍轉(zhuǎn)子的定子，通過(guò)轉(zhuǎn)子繞組建立勵(lì)磁功率。如上所述，由于頻率很低，用電容進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償或者對(duì)定子進(jìn)行過(guò)補(bǔ)償非常昂貴。
通常按照以下公式計(jì)算電容電流ic=C·dudt]]>因此，對(duì)于正弦電壓(按照已知發(fā)電機(jī)的情況)，電容電流為ic＝U·2·π·f·C因此，由電壓、電容的容量和所加的頻率確定電容電流。
因此，與50或60Hz的常規(guī)頻率相比，由于例如在6和13.2Hz之間的發(fā)電機(jī)頻率，不幸只有很小的電容電流。公認(rèn)正弦的電容電流包含相對(duì)于有功電流90°的相位移，但是在每種情況下，它流動(dòng)的范圍超過(guò)180°，并且在這種情況下，引起定子繞組銅耗增加。
DE 42 18 298披露了永磁發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，其中，同步發(fā)電機(jī)具有旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，利用電壓檢測(cè)器和比較器使旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)規(guī)則，電壓檢測(cè)器用于檢測(cè)永磁同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓，比較器用于將利用電壓檢測(cè)器檢測(cè)的電壓與利用電壓設(shè)置器件設(shè)置的參考電壓進(jìn)行比較。
US-A-5 773 964披露了用于汽車(chē)發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的是提高上述類(lèi)型的直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的效率并且避免上述缺點(diǎn)。
按照本發(fā)明，為了達(dá)到所述目的，提出了具有如權(quán)利要求1所述特性的慢速旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)。在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明了有利的完善。
本發(fā)明根據(jù)這樣的技術(shù)途徑，不是如以往僅由轉(zhuǎn)子(或其繞組)，而且由發(fā)電機(jī)或其三相電流繞組施加發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁機(jī)功率。
最好，在這種情況下，定子用電容電流勵(lì)磁。
在這種情況下，在定子中感應(yīng)的電壓不是正弦形，而類(lèi)似梯形(見(jiàn)圖3)。然而，對(duì)于梯形電壓來(lái)說(shuō)，按照公式ic=C·dudt]]>容性的電容電流只在電壓的正或負(fù)邊緣期間流過(guò)。
在這種情況下出現(xiàn)的電流脈沖的頻率大約在100和180Hz之間，最好是130Hz。因此，提供一個(gè)比正弦電壓時(shí)高大約10倍的電流幅值。
按照本發(fā)明的發(fā)電機(jī)的另一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是容性電流在半個(gè)振蕩的開(kāi)始時(shí)流過(guò)。這表示容性電流100％對(duì)應(yīng)于勵(lì)磁電流，因此可以根據(jù)轉(zhuǎn)子減小勵(lì)磁電流。此外，只有當(dāng)還沒(méi)有大負(fù)載電流加在繞組上時(shí)，該電流加在定子繞組上(圖4)。最好將發(fā)電機(jī)定子繞組設(shè)計(jì)為(至少)具有兩個(gè)三相電流繞組，其中，每個(gè)三相電流繞組包括一個(gè)三相繞組。在這種設(shè)計(jì)中，將三相電流繞組布置為相差30°相位角(圖5)。
按照這樣的設(shè)計(jì)，每過(guò)30°之后，隨著一個(gè)新的振蕩，下一相開(kāi)始。圖6示出了360°范圍的關(guān)系。
圖7示出了在兩套三相電流系統(tǒng)的定子中，容性勵(lì)磁電流相對(duì)于時(shí)間軸的關(guān)系?？梢钥吹剑窟^(guò)30°電角度，電容產(chǎn)生一個(gè)新的電流脈沖(見(jiàn)圖5)。這樣設(shè)計(jì)這個(gè)濾波器，使它除了提供整流器需要的尖峰(諧波)電流以外，還給發(fā)電機(jī)定子提供容性電流尖峰。
通過(guò)與以往的發(fā)電機(jī)比較也可以說(shuō)明按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，其中以往的發(fā)電機(jī)單獨(dú)由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生勵(lì)磁功率。在以前的包含單獨(dú)由轉(zhuǎn)子產(chǎn)生勵(lì)磁功率的結(jié)構(gòu)中，有接近20％的感應(yīng)損耗。這表示根據(jù)公式P＝i2·R(100％+20％＝1.2)有1.22的損耗。按照以前的發(fā)電機(jī)原理，由于極靴之間的距離不能無(wú)限遠(yuǎn)，通過(guò)磁極之間的氣隙，漏磁從一個(gè)極靴直接進(jìn)入另一個(gè)極靴，因此不可能避免損耗部分并且由相鄰的極靴產(chǎn)生20％的損耗。
現(xiàn)在如果定子也產(chǎn)生勵(lì)磁功率，則在產(chǎn)生的這部分勵(lì)磁功率中不再發(fā)生這種損失。這還表示定子產(chǎn)生的勵(lì)磁功率的部分100％貢獻(xiàn)給功率。因此，可以總體減少一些轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁功率，由于避免了其損耗，使由于定子勵(lì)磁功率的損耗部分已經(jīng)下降。由于減少了轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁功率，漏電感也減小，以往出現(xiàn)的損耗部分再次減小20％。
圖8示出了具有同步電機(jī)和連接在后面的逆變器的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的電路框圖。
圖9示出了按照本發(fā)明的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的電路框圖，其中，將星形電路的電容網(wǎng)絡(luò)連接到簡(jiǎn)單三相電流系統(tǒng)的繞組。
在

圖14中也可以看出按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。圖14示出了發(fā)出不同的發(fā)電機(jī)功率與需要的勵(lì)磁電流之間的關(guān)系。上面的曲線示出了沒(méi)有濾波器需要的能量。下面的，勵(lì)磁電流大約減小20％的曲線示出了按照本發(fā)明的結(jié)構(gòu)的運(yùn)行情況。
勵(lì)磁電流減小20％可以使在磁極輪(pole wheel)或轉(zhuǎn)子中的勵(lì)磁功率減小36％。這表示大大減小了轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁功率損耗。以這種方式可以增加發(fā)電機(jī)的功率。對(duì)于，在發(fā)電機(jī)具有大約20rmp的額定轉(zhuǎn)速的情況下，它是主要轉(zhuǎn)速并且因此dΦ/dt或氣隙中的感應(yīng)B確定結(jié)構(gòu)尺寸。以這種方式，可以將以前發(fā)電機(jī)，如Enercon公司的E-66型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備(額定功率1.5MW)，的額定功率增加到1800kW。
圖1示出了具有連接了整流器的三相電流系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)(同步電機(jī)SM)。在三相導(dǎo)體系統(tǒng)中連接的是包括在三角形電路中的三個(gè)電容的電容網(wǎng)絡(luò)。將電壓UG加在三相繞組的各個(gè)導(dǎo)體上。如圖2所示，隨著正弦的導(dǎo)體電壓產(chǎn)生移相的正弦電流ic。
圖3示出了隨著梯形電壓的電容電流。圖4示出了在電流-時(shí)間圖上電容電流ic和負(fù)載電流iL的情況。
圖5示出了包括至少兩個(gè)三相電流系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)(環(huán)形發(fā)電機(jī))的結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)三相電流系統(tǒng)具有三個(gè)三相電流繞組。這兩個(gè)三相電流系統(tǒng)位置相互錯(cuò)開(kāi)大約30°。這也被參照?qǐng)D10和11示出。圖10是按照本發(fā)明的慢速旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)的部分?jǐn)嗝鎴D。此時(shí)轉(zhuǎn)子子定子中旋轉(zhuǎn)。
此外，還見(jiàn)圖11，在定子中有兩個(gè)獨(dú)立的三相電流繞組U1，V1，W1和U2，V2，W2。將發(fā)電機(jī)的功率分散到兩個(gè)三相電流繞組(三相電流系統(tǒng))中，因此，每個(gè)三相電流系統(tǒng)只必須承擔(dān)50％的額定功率。兩個(gè)三相電流系統(tǒng)之間位置相差30°電角度，因此，在電氣上和機(jī)械上(空間上)是彼此絕緣的。這表示電抗XD也近似加倍，并且因此使短路電流減半。這有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，即在三相電流系統(tǒng)可能短路的情況下，只能產(chǎn)生一半的短路功率。這使得在最大短路時(shí)刻(兩相短路，例如U1和V1之間)，根據(jù)技術(shù)狀態(tài)，相對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小50％。
圖11為在定子較大的范圍內(nèi)，不同的三相電流系統(tǒng)的各相排列的簡(jiǎn)單概括。
圖12示出了在按照本發(fā)明的發(fā)電機(jī)中的磁通(轉(zhuǎn)子-＞定子)。在這樣的設(shè)計(jì)中，磁通直接從轉(zhuǎn)子的極靴均勻地在槽之間進(jìn)入定子。
圖13示出了具有按照本發(fā)明的同步發(fā)電機(jī)的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備外殼的斷面圖。在這種情況下，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用法蘭裝配(flange-mounted)在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)子上，風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子支撐在耳軸(trunnion)上。因此，不用傳動(dòng)和軸，將風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的轉(zhuǎn)子直接與同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子連接。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位于發(fā)電機(jī)的定子中間，發(fā)電機(jī)定子直接安裝在耳軸上。除了發(fā)電機(jī)以外，像安裝在全驅(qū)動(dòng)列車(chē)上一樣，耳軸由機(jī)械支撐固定。
由于這樣設(shè)計(jì)布置發(fā)電機(jī)的兩個(gè)三相電流繞組，這意味著總將在定子繞組短路情況下出現(xiàn)的最大短路轉(zhuǎn)矩限制為四倍額定轉(zhuǎn)矩，最好是兩倍額定轉(zhuǎn)矩。短路轉(zhuǎn)率也可以總小于兩倍額定轉(zhuǎn)矩。也可以將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)為沒(méi)有阻尼籠或阻尼繞組。
可見(jiàn)，也可以將按照本發(fā)明的設(shè)計(jì)應(yīng)用于永磁發(fā)電機(jī)。
權(quán)利要求
1.一種用于風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的慢速旋轉(zhuǎn)同步發(fā)電機(jī)(環(huán)形發(fā)電機(jī))，其中發(fā)電機(jī)具有轉(zhuǎn)子(轉(zhuǎn)子部件)和包圍轉(zhuǎn)子的定子，并且，定子有至少一個(gè)三相電流繞組，由定子給該三相電流繞組施加容性電流，并且/或者由定子產(chǎn)生一部分發(fā)電機(jī)勵(lì)磁功率。
2.如權(quán)利要求1所述的同步發(fā)電機(jī)，其特征在于，該同步發(fā)電機(jī)是一種多相發(fā)電機(jī)，并且，在定子繞組的各相導(dǎo)體之間提供用于減小勵(lì)磁電流的裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的同步發(fā)電機(jī)，其特征在于，由電容和/或用于提供定子電流的濾波器電路提供用于減小勵(lì)磁電流的裝置。
4.如前面任意一個(gè)權(quán)利要求所述的同步發(fā)電機(jī)，其特征在于，在電壓-時(shí)間圖中，在定子中感應(yīng)的電壓近似為梯形形狀。
5.如前面任意一個(gè)權(quán)利要求所述的同步發(fā)電機(jī)，其特征在于，定子繞組至少包括兩個(gè)位置相互錯(cuò)開(kāi)30°的三相電流系統(tǒng)(三相繞組)。
6.一種補(bǔ)償元件，該單元包括電容、電感和阻尼電阻，將該單元連接到發(fā)電機(jī)的接線端并且給定子提供相當(dāng)于勵(lì)磁電流的電流脈沖，給連接在發(fā)電機(jī)后面的濾波器提供諧波功率。
7.如權(quán)利要求6所述的補(bǔ)償單元，其特征在于，該補(bǔ)償單元給定子提供六次電流諧波。
8.如前面任意一個(gè)權(quán)利要求所述的同步發(fā)電機(jī)，其特征在于，發(fā)電機(jī)是永磁發(fā)電機(jī)。
全文摘要
如由Enercon公司生產(chǎn)的E－33、E－40、E－12和E－66型，用在風(fēng)力發(fā)電廠中的慢速旋轉(zhuǎn)電機(jī)，例如環(huán)形發(fā)電機(jī)，需要很高的勵(lì)磁功率。需要的勵(lì)磁功率隨極數(shù)、氣隙增大以及無(wú)功功率的規(guī)模而增大。如上所述，本發(fā)明的目的是提高直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的效率并且避免上述缺點(diǎn)。用于風(fēng)力發(fā)電廠的慢速旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)(環(huán)形發(fā)電機(jī))的發(fā)電機(jī)包括轉(zhuǎn)子和包圍轉(zhuǎn)子的定子，實(shí)現(xiàn)了所述目的。定子至少具有一個(gè)注入容性電流的三相繞組并且/或者由定子產(chǎn)生一部分勵(lì)磁功率。
文檔編號(hào)H02P9/14GK1452807SQ00819435
公開(kāi)日2003年10月29日 申請(qǐng)日期2000年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月11日
發(fā)明者阿洛伊斯·沃本 申請(qǐng)人:阿洛伊斯·沃本