專利名稱：帶有電壓和電流調(diào)節(jié)的電勢源激磁系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電動發(fā)電機，特別涉及具有以直流電源激磁的場轉子的電動發(fā)電機。
例如，大型發(fā)電機采用由直流電源激磁的轉子以產(chǎn)生一個在靜止的電樞內(nèi)旋轉的磁場。電樞含有繞組，當轉子的磁場旋轉通過時，電樞繞組產(chǎn)生交流電。
轉子需要一直流激磁器電源以產(chǎn)生足夠大的磁場來驅動發(fā)電機在額定負載下滿負荷輸出。通常有四種技術用來提供直流激勵器電源。
在第一種技術中，來自外部電源的交流功率通過一變壓器將其電壓調(diào)節(jié)到適合于后面功能的值。在多數(shù)情況下，變壓器降低交流電壓。整流控制組件產(chǎn)生直流激勵器功率，通過滑環(huán)接到場轉子。有些情況下，外部的交流功率可以是發(fā)電機本身的輸出功率。
在第二種技術中，一直流發(fā)電機被接到發(fā)電機軸上產(chǎn)生所需的直流功率。此直流電通過滑環(huán)接到場轉子上。這種技術有一個缺點，那就是整個發(fā)電機的長度增加了。因此，安裝發(fā)電動的建筑物就必須相應地擴大。這樣，用直流發(fā)電機就大大增加了工廠的費用。
在第三種技術中，靜止的直流電源對隨轉子旋轉的交流激磁繞組勵磁。組裝于轉子中的整流器產(chǎn)生所需的直流激磁功率。這項技術的缺點是，整流器組件的重量和復雜性。此外，在轉子中的高加速環(huán)境據(jù)信會使可靠性很低。
第四種技術公開于美國專利號4，477，767，該技術在此引為參考，電樞中相互隔開120度的三個槽，用來安裝激磁器或P導體(電勢導體)。磁場旋轉時，在常規(guī)的電樞繞組中產(chǎn)生輸出功率，P導體上也就產(chǎn)生了交流激磁功率。此激磁電源通過一變壓器調(diào)節(jié)電壓，然后接到整流控制組件產(chǎn)生直流激磁功率。產(chǎn)生的直流激磁功率通過滑環(huán)接到場轉子上。
這四種技術，以商標“GererrexPPx”由GE公司銷售，在現(xiàn)場得到了廣泛的承認。但是，對變壓器的需要增加了費用，如果可能的話，這正是希望避免的。
如上所述，變壓器把P導體的輸出電壓調(diào)節(jié)到符合場繞組需要的數(shù)值。同時，把電流調(diào)節(jié)到適合場轉子的要求并且適合商售整流器件容量的數(shù)值。迄今認為由P導體產(chǎn)生的電壓和電流在整流之前必須靠變壓器調(diào)節(jié)。
′767專利中，由變壓器的三角形-星形連接提供的隔離以及變壓器所具的串聯(lián)電感的功能被認為是為避免因激磁電勢繞組、轉子上的場繞組或其它部分的故障導致?lián)p壞所必須。
本發(fā)明的一個目的是提供一種能克服在先技術的缺點的激磁電源。
本發(fā)明的第二個目的是提供一種P導體激磁電源，此激磁電源包括使P導體建立一定數(shù)值的交流輸出以與激勵器下游元件以及場轉子相適應的裝置。
本發(fā)明的第三個目的還在于提供一種省略變壓器的P導體激磁電源。本發(fā)明的第四個目的是提供一種P導體激磁系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，每相P導體對的輸出以向量相加來調(diào)節(jié)P導體的輸出電壓和電流。同一相的兩個P導體在電樞上彼此間隔一定的角度放置，從而輸出電壓可以按要求減小或提高。
本發(fā)明的第五個目的是提供可以籍調(diào)整電樞中串聯(lián)匝數(shù)來調(diào)節(jié)P導體輸出電壓的P導體激磁系統(tǒng)。
簡言之，本發(fā)明提供一種P導體激磁系統(tǒng)，其中，發(fā)電機含有調(diào)整P導體的輸出電壓和電流的裝置。在許多設備中，P導體的輸出可以直接連到整流器和控制電路上以形成直流激磁源。這就允許消除通常的激磁變壓器。利用每相的成對P導體調(diào)整電壓和電流，其中，每對P導體串聯(lián)連接并在電樞的內(nèi)園周上互相間隔一定的角度放置以獲得產(chǎn)生希望的每相電壓的電壓矢量和。在另一實施例中，調(diào)整電樞匝數(shù)來獲得所希望的P導體電壓和電流。
依據(jù)本發(fā)明的一個實施例，提供的發(fā)電機和激磁系統(tǒng)包括發(fā)電機，在所述的發(fā)電機中的電樞，在所述的發(fā)電機中的場轉子，所述的場轉子能在所述的電樞內(nèi)旋轉，在所述的電樞中容納電樞繞組的多個槽，多個容納P導體的所述槽，把所述的P導體的電功率輸出連接到所述的場轉子上用作激磁的裝置。所述的連接裝置包括把交流激磁電功率轉換為直流激磁電功率，從而使所述的場轉子磁化的裝置。對接到所述的轉換設備上的交流激磁源的至少一個電壓值進行調(diào)節(jié)的裝置，所述的調(diào)節(jié)裝置至少部分地包含在所述的電樞中。
上述內(nèi)容，以及本發(fā)明的其它目的、性質及優(yōu)點從下面結合附圖的闡述中將看得很明顯。在附圖中，同樣的參考號標明同樣的元件。


圖1是依據(jù)在先技術的發(fā)電機和激磁器的框圖。
圖2是依據(jù)上述專利文獻的發(fā)電機和P導體激磁器的框圖。
圖3是圖2發(fā)電機的電樞截面圖。
圖4是依據(jù)本發(fā)明的一個實施例的發(fā)電機和P導體激磁系統(tǒng)的框圖。
圖5是圖4發(fā)電機的電樞截面圖，表示一種調(diào)節(jié)P導體電壓和電流的技術。
圖6是依據(jù)本發(fā)明的進一步實施例的發(fā)電機和P導體激磁系統(tǒng)的框圖。
參考圖1，概括地以10表示依據(jù)先有技術的發(fā)電機和激磁器系統(tǒng)。加到發(fā)電機12的軸14上的轉距來自外部動力源(未示出)，它帶動場轉子(未示出)在園柱形電樞內(nèi)(也未示出)旋轉。發(fā)電機12假設是最普通的，它里面的進一步的細節(jié)適當?shù)卦诖耸÷浴?br> 交流母線16將原始的激磁器的交流電供給激磁變壓器18。在激磁變壓器18中電壓調(diào)節(jié)(通常需要電壓降低)之后，交流功率接到整流器和控制組件20的輸入端。整流器和控制組件20進一步例如用可控硅式器件等調(diào)節(jié)交流波形中的平均功率，并整流此結果。整流器和控制組件20的直流輸出通過電刷22加到滑環(huán)24上，滑環(huán)24隨著軸26旋轉。發(fā)電機12的功率輸出端經(jīng)電力母線連到外部負載。
圖1的裝置依賴于外部交流電源對場轉子激磁。如果由于某種原因這樣的外部功率源得不到的話，在這得不到的時間內(nèi)激勵必定失效。而且，從外部電源到激勵變壓器18的連接也需要額外的費用。
現(xiàn)在參考圖2，概括地以30示出依據(jù)′767專利文獻的發(fā)電機和激磁系統(tǒng)。如在那里所述的，′767專利使用具有一組三個導體(未示出)的發(fā)電機31，這些導體稱為P導體，配置在定子的槽中。P導體在電樞的內(nèi)園周間隔120度的角度。每一P導體的一端接到另一P導體的一端并接地。P導體的不接地端通過交流激磁母線32把三相激磁功率饋給激磁變壓器34，此變壓器以專利文獻所公開的方式調(diào)節(jié)電壓并提供直流隔離的串聯(lián)電感。激磁變壓器34的交流輸出以圖1所示系統(tǒng)的先有技術相同的方式在整流器和控制組件20中整流和控制。正如在先的實施例一樣，整流所得的直流激磁功率通過電刷22和滑環(huán)24送到發(fā)電機31中的場轉子(未示出)上。
激磁變壓器34總是用于P導體激磁系統(tǒng)，技術人員確信需要調(diào)節(jié)發(fā)電機31內(nèi)P導體上得到的電壓和電流，因為使用合適和可靠原件的保護系統(tǒng)是有效的，并且還需要提供相應于圖1先有技術系統(tǒng)中一般具有的隔離和串連電感。我們已發(fā)現(xiàn)，有可能調(diào)節(jié)由P導體產(chǎn)生的電壓和電流。用下文中所敘述的方式可以向上或向下調(diào)節(jié)電壓，可以簡化變壓器的設計。
我們還發(fā)現(xiàn)，在有些應用中，調(diào)節(jié)由P導體產(chǎn)生的電壓甚至可以提供這樣數(shù)值的交流電壓和電流，允許把交流激磁功率直接連到整流器和控制組件上，因此，允許完全取消變壓器。在這樣的應用中，通常由激磁變壓器提供的隔離功能和串聯(lián)電感功能可以不需要或可以以簡單低廉的方式獲得。改進系統(tǒng)用兩個導體串聯(lián)，而不是在先技術的一個導體，這樣來增大串聯(lián)電感。另外，希望故障檢測和保護電路的現(xiàn)代設計能夠省略由變壓器提供的直流隔離功能，而不至增加在故障發(fā)生時的危險。在需要串聯(lián)電感的應用中，我們已發(fā)現(xiàn)，小的電感，例如，由鐵心或空心電抗器提供的小電感可用來與交流激磁器母線32的三條引線串聯(lián)。其成本要比用變壓器低得多。
現(xiàn)在公開的其他部分的基本情況，我們參看圖3，其中，示出了發(fā)電機12的電樞36，不必要的細節(jié)省略了，電樞36含有一由許多扇形疊片組成的空心園柱結構38(沒有分別示出)空心園柱結構38的內(nèi)表面40包括大量容納導體條的軸向電樞槽(避免雜亂，圖上省略)，這些導體條的端匝連在一起形成所需的發(fā)電機繞組。如在參考專利中所公開的，三個P導體42、44和46分別配置在三個選定的電樞槽48、50和52中。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在已經(jīng)插入到電樞槽中的電樞導體條(未示出)的頂部裝配P導體是實用的。把P導體固定在隔開位置的技術是人所共知的，而這樣的技術在文獻和先前的專利中已全部公開了，不需做進一步的闡述，技術熟練的人會認可所示的三個電樞槽僅僅是緊緊放置在內(nèi)表面40的大量電樞槽中的一組選擇，其它的電樞槽與本公開發(fā)明無關，因此為清楚描繪起見，從附圖中略去了。
現(xiàn)參看圖4，總體由54表示依據(jù)本發(fā)明的實施例的一個發(fā)電機和激磁系統(tǒng)，發(fā)電機56含有在那里產(chǎn)生激磁功率的P導體(未示出)，除P導體外，發(fā)電機56含有調(diào)節(jié)激磁器電壓和電流的裝置58，細節(jié)在下文解釋。取自發(fā)電機56的激磁器交流電通過激磁變壓器34加到整流器和控制裝置20，如在前面的實施例一樣。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)電壓和電流適合于激磁變壓器34，而不直接接收來自P導體的電壓和電流，在激磁變壓器方面能大大節(jié)約。在大多數(shù)情況下，是利用調(diào)節(jié)激磁電壓和電流的裝置58降低電壓，這樣，較小型的激磁變壓器34就能滿足。在有些情況下，會希望使加于激磁變壓器34上的電壓提高到不用調(diào)節(jié)激磁電壓和電流的裝置58而從發(fā)電機56上獲得的電壓值以上。
現(xiàn)在參見圖5，發(fā)電機56包括一電樞60，電樞60有三個P導體42′、44′和46′，它們按120度角隔開分別放置在選定的電樞槽48′、50′和52′中。另外，一組三個輔助P導體62、64和66按120度角隔開分別放置在電樞槽68、70和72中。注意，這組三個電樞槽68、70和72與另一組三個P導體42′、44′和46′角度偏移。因此，對應的兩組導體感應的電壓和電流盡管幅值相同，但依據(jù)它們之間角度間隔而相位不同。
所示的構造既可用來提高也可用來降低送到激磁變壓器34的電壓。假如P導體42′和輔助P導體62串聯(lián)相接，則其中產(chǎn)生的電壓矢量相加。這樣的矢量和產(chǎn)生其峰值比任一個單獨電壓的峰值都低的正弦電壓。由這樣的矢量和所減小的輸出電壓的量取決于P導體42′和輔助P導體62之間的角度。利用適當?shù)慕嵌冗x擇，在所希望的有級調(diào)節(jié)范圍內(nèi)能把矢量和調(diào)節(jié)到任意值。同樣，P導體44′可與輔助P導體64配對，P導體46′可與輔助P導體66配對。
假若希望的話，可以以類似的方式提高激磁電壓。如果P導體42′與輔助P導體64串聯(lián)相接，電壓矢量和比其中任一個電壓都大，選擇角度可以使電壓大到兩倍于單個電壓。類似地，P導體44′能與輔助P導體66配對，P導體46′能與輔助P導體62配對。
再參考圖3，可利用進一步的技術調(diào)節(jié)從P導體42、44和46獲得的電壓。對于給定的磁通量，由一個P導體產(chǎn)生的電壓正比于空芯園柱結構38中電樞繞組串聯(lián)(除P導體外)匝數(shù)的倒數(shù)。在限度之內(nèi)，增加或減少電樞繞組的匝數(shù)是可行的，從而，可以分別降低或提高從P導體獲得的電壓。
這樣，我們已公開兩種不同的調(diào)節(jié)發(fā)電機P導體上所獲激磁電壓的技術，既可向上又可向下調(diào)節(jié)。
現(xiàn)參考圖6，74表示依據(jù)本發(fā)明進一步實施例的發(fā)電機和激磁器系統(tǒng)的總體。在一些設備中，我們已發(fā)現(xiàn)可以利用上面討論的技術調(diào)節(jié)的電壓和電流正在發(fā)電機56所要求的相同范圍內(nèi)。在大型發(fā)電機中，如果沒有調(diào)節(jié)激磁器電壓和電流的裝置58，直接從P導體獲得的電壓大約是1200到1800伏(線對線)。這大大超過一般橋式整流器的容量820伏。但當使用調(diào)節(jié)激磁器電壓和電流的裝置58時，剛好能在器件容量范圍之內(nèi)，產(chǎn)生的激磁電壓很接近820伏。當然為了提供所要求的激磁功率，電壓降低會引起電流的增加。在整流器和控制組件20中的整流器的價格部分地依賴于他們必須負荷的電流量。這種價格是階梯函數(shù)，因為一旦整流器的電流負荷能力必須增加，它一般要增加很大的量。因此，假如激磁電源電壓的調(diào)節(jié)能夠使激磁電流保持在普通的整流器容量范圍內(nèi)，那么，則不必負擔額外的整流器的費用。
一些發(fā)電機和激磁器系統(tǒng)利用能夠負荷約2500安培的整流器功率轉換模塊。如果這個電流值被超過，電流容量按2500安培的增量增加。每步增加都大大提高整流器、機殼和有關成本?？磥?，容量在約300到約450MVA范圍內(nèi)的一些發(fā)電機能夠利用P導體的直接輸出，而不用激磁變壓器。在這個功率范圍內(nèi)，小于約820伏的激磁器電壓及低于約2500安培的激磁電流允許直接使用，而不需要額外增加整流器容量。對于較大的系統(tǒng)，增加的容量要求額外增加整流器的容量。但是，與消除激磁變壓器進行權衡，以及有如下所述的操作上的好處，這樣做還是有經(jīng)濟上的吸引力的。
直接激磁有幾個有吸引力的優(yōu)點，第一、不用激磁變壓器大大地降低了成本。另外發(fā)現(xiàn)，激磁變壓器的大電感減小了激磁系統(tǒng)的每單位儲備。這增加了激磁系統(tǒng)為響應它的場轉子的提高的要求所需的時間。消除激磁變壓器使每單位儲備增加例如三倍以上。因此，改善了發(fā)電機和動力系統(tǒng)的瞬態(tài)響應。
在系統(tǒng)短路的情況下，限制通過P導體的故障電流是所希望的。為此，小的便宜的空心電抗器可以與各個P導體電流串聯(lián)放置。
本公開發(fā)明省略了大量的常規(guī)電路例如接地故障檢測及斷路開關的特點的說明。我們認為，因為這些特性是普通的，本公開發(fā)明省略它們將不妨礙技術人員制造和使用本發(fā)明。
參考附圖已經(jīng)闡述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應當了解本發(fā)明不限于那些精確的實施例，技術人員可實現(xiàn)各種變化和修改而不違反本發(fā)明在所附權利要求中所規(guī)定的范圍和精神。
權利要求
1.一個發(fā)電機和激磁系統(tǒng)包括-發(fā)電機；-所述發(fā)電機中的電樞；-所述發(fā)電機中的場轉子；所述場轉子可在所述電樞中旋轉；在所述電樞中的多個槽以容納電樞繞組；所述多個槽中至少三個每個容納一個P導體；把所述P導體的電功率輸出接到所述的場轉子上用作激磁的裝置；所述的連接裝置包括把交流激磁功率轉變成直流激磁電力的裝置，從而使所述的場轉子磁化；對于連到所述轉換裝置上的所述交流激磁電力的至少一個電壓值進行調(diào)節(jié)的裝置；以及所述的調(diào)節(jié)裝置至少部分地包含在所述的電樞中。
2.依據(jù)權利要求1的發(fā)電機和激磁系統(tǒng)，其中所述的調(diào)節(jié)裝置全部包含在所述的電樞中。
3.依據(jù)權利要求1的發(fā)電機和激磁系統(tǒng)，其中所述的調(diào)節(jié)裝置包括所述電樞的內(nèi)部一個部分;和介于所述電樞和所述的轉換裝置中間的變壓器。
4.依據(jù)權利要求1的發(fā)電機和激磁系統(tǒng)，包括所述P導體組成一個三相交流激磁電源;所述三相電源的每一相都包含一P導體和一輔助P導體;每相的所述P導體和所述輔助P導體連接起來，以使在那里感應的電勢分量矢量相加;以及每相的所述P導體和每相的所述輔助P導體在所述電樞內(nèi)間隔角度配置，以至少調(diào)節(jié)所述相的所述電壓。
5.依據(jù)權利要求4的發(fā)電機和激磁系統(tǒng)，其中，每相的所述P導體和輔助P導體之間的角度間隔應使所述相的電壓減小。
6.依據(jù)權利要求4的發(fā)電機和激磁系統(tǒng)，其中，每相的所述P導體和輔助P導體之間的角度間隔應使所述相的電壓增加。
7.依據(jù)權利要求1的發(fā)電機和激磁系統(tǒng)，其中所述的調(diào)節(jié)裝置包括對所述P導體產(chǎn)生的所述至少一個電壓實現(xiàn)調(diào)節(jié)有效的所述電樞繞組中的許多電樞導體匝。
全文摘要
一個P導體激磁系統(tǒng)使用具有調(diào)節(jié)從P導體獲得電壓和電流的裝置的發(fā)電機。在有些設備中，P導體的直接輸出能夠直接接到整流器和控制電路上以產(chǎn)生直流激磁功率。這允許取消常規(guī)的激磁變壓器并從總體上簡化了激磁系統(tǒng)，利用每相成對的P導體調(diào)節(jié)電壓和電流，其中，每對P導體串聯(lián)相接并且沿電樞的內(nèi)圓周互相成角度配置以獲得電壓矢量和產(chǎn)生所希望的每相電壓。在另一實施例中，調(diào)節(jié)發(fā)電機磁通或等效地調(diào)節(jié)電樞匝數(shù)以獲得所希望的P導體的電壓和電流。
文檔編號H02K19/28GK1042631SQ8910483
公開日1990年5月30日 申請日期1989年7月15日 優(yōu)先權日1988年11月7日
發(fā)明者托馬斯·埃德溫·范賽克, 喬治·邁克爾·科特扎斯 申請人:通用電氣公司