專利名稱：同步電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種在同步電機中控制功率與/或電壓的方法，并涉及用于功率與/或電壓控制的同步電機。
在下文中“同步電機”指的是同步發(fā)電機。同步發(fā)電機首先用于電網(wǎng)中以“小時級”供應有功和無功功率。有功功率也可以按照“秒-分級”被控制(頻率控制)，無功功率也是如此(電壓控制)。同步電機還對故障電流提供“毫秒級的”貢獻，使得在電網(wǎng)中的故障狀態(tài)可以用選擇的方式很快地得以解決。
同步電機在電網(wǎng)中是一個重要的無功功率來源。當系統(tǒng)中無功功率需要增加時，這傾向于降低同步電機的端電壓。為了保持電壓恒定，一般通過同步電機的電壓調節(jié)器增加磁場電流。這樣，同步電機則的產生所需的無功功率，以便在所需的端電壓下達到無功功率平衡。
只要功率的產生相應于同步電機的容量曲線中允許區(qū)域中的一點，就發(fā)生上述過程，容量曲線即關于無功和有功功率的限制曲線，見

圖1，其表示在過激操作時的關系。在過激操作時，即，在同步電機的產生無功功率時，允許的工作區(qū)域被基于發(fā)熱的轉子和定子電流極限所限制。目前的同步電機一般被這樣定額，使得轉子和定子電流極限在相應于額定功率因數(shù)下的額定功率的容量曲線中的一點彼此相交，見圖1。同步發(fā)電機的額定功率因數(shù)一般為0.8-0.95。在功率因數(shù)大于額定功率因數(shù)的過激操作時，對于同步電機的容量曲線限制包括定子電流限制，在功率因數(shù)小于額定功率因數(shù)的過激操作時，對于同步電機的容量曲線限制包括轉子電流限制。
在常規(guī)技術中，如果定子或轉子電流限制被超過，則電流限制器，如果被安裝并被使用的話，將進行工作。這些限制器通過減少激磁來降低電流。因為在達到破壞溫度之前需要一段時間，所以在電流被降低之前定子或轉子的電流限制器介入被延遲幾秒。延遲一般取決于電流的大小，但是通常小于1分鐘，例如見1995年9月的IEEE Transaction on Energy Conversion，第10卷第3期，VERIFICATION OF LIMITER PERFORMANCE IN MODERNEXCITATION CONTROL SYSTEMS。通過減少磁場電流實現(xiàn)電流減少將引起發(fā)電機的無功功率的產生和端電壓的減少。對于在電機附近的系統(tǒng)部分的結果是局部無功功率的產生減少，并且當電壓下降時，從系統(tǒng)的相鄰部分更難于輸入功率。
如果輸電網(wǎng)不能在通常的電壓下傳輸所需的功率，則有使電力系統(tǒng)遭受電壓癱瘓的危險。為避免發(fā)生這種事故，在靠近負載處進行本地發(fā)電是有利的。如果不能這樣，即功率必須從系統(tǒng)的其它部分供給，則在盡可能高的電壓下輸電是有利的。當電壓下降時，輸電線的無功功率的產生(分路電容)減少。為了保持負載電壓的恒定，因而也保持負載的功率恒定，使用變壓器抽頭變換器。如果負載的功率消耗是恒定的，并且輸電電壓低于正常值，則輸電線中的電流較高，輸電線的無功功率消耗較大(串聯(lián)電感)，見Cigrebrochure 101，1995年10月。
在許多電力系統(tǒng)中，如果電流限制器為上述的某種同步電機而工作，則無功功率的產生被限制，這可能導致系統(tǒng)的電壓癱瘓。
在電力系統(tǒng)正常工作時，利用基本上是整體的電網(wǎng)，如果需要，通過安裝附加的無功功率的產生源，例如機械轉換的分流電容器與/或可控硅控制的靜態(tài)無功補償器(SVC)，一般可以避免這些情況。不過，因為大范圍的電壓癱瘓通常具有嚴重的后果，所以需要考慮異常的操作條件。如果電網(wǎng)是弱的，由于故障或電網(wǎng)的重要元件的維護，安裝的無功功率的產生源可能不再足夠，從而引起上述可以導致癱瘓的情況。安裝附加的能夠處理這些異常操作狀態(tài)的可控無功功率的產生源，例如SVC裝置的成本，是可觀的。因而需要一種廉價的可控的無功功率的產生備用源，這些備用源應當能夠提供無功功率，使得至少在10到20分鐘內電壓能夠保持在規(guī)定的值上，從而給系統(tǒng)操作員一個采取保護行動的機會，例如啟動汽輪機或卸掉負載。
在當今已有的電力系統(tǒng)或電廠中，通常使用升壓變壓器進行兩級能量轉換。旋轉同步電機和變壓器都具有磁路。已知這種設備的制造者在限制裝置的設置值的推薦的技術標準方面是謹慎和保守的，見Cigre brochure 101，1995年10月，4.5.4節(jié)，第60頁。協(xié)調是需要的，并且在對發(fā)電機和變壓器進行定額和保護方面存在沖突的危險。升壓變壓器沒有空氣隙，因而對于由高電壓或地磁電流引起的飽和很敏感。在正常和異常操作狀態(tài)下，變壓器也消耗發(fā)電機的無功功率的一部分。有功損耗的大部分存在于電樞電路和升壓變壓器的導體中，而在兩種裝置中的鐵芯損耗是相當小的。這里的一個復雜問題是，損耗一般在中壓和高壓下發(fā)生，因此和如果在地電位發(fā)生相比，更加難于冷卻。
本發(fā)明的目的在于提供一種用于功率與/電壓控制的同步電機，并提供一種用于功率與/電壓控制的方法，以便避免在電力系統(tǒng)中發(fā)生電壓癱瘓。
本發(fā)明的目的是通過在引言中所述的那種同步電機和方法實現(xiàn)的，其具有如下技術特征一種具有功率與/或電壓控制的同步電機，包括具有定子繞組的定子和具有磁場繞組的轉子，其特征在于，定子繞組包括具有固態(tài)絕緣的高壓電纜，轉子具有基于發(fā)熱的轉子電流限制，其在容量曲線中，在大大低于額定功率因數(shù)的功率因數(shù)下，和基于發(fā)熱的定子電流限制曲線相交，或者具有在容量曲線中在基于發(fā)熱的定子電流限制的上面的基于發(fā)熱的轉子電流限制，以及用于限制電流以便避免熱破壞的裝置。
一種同步電機的功率與/或電壓控制方法，其特征在于，所述電機工作時的定子電流在小于最大允許的時間極限的某個時間間隔內可以超過基于發(fā)熱的定子電流極限，此后，可以通過減少有功功率或者減少磁場電流，或者通過兩者的組合，來減少過載。
一種在包括具有定子繞組的定子和具有磁場繞組的轉子的同步電機中實行功率與/或電壓控制的方法，其特征在于，定子繞組由具有固態(tài)高壓絕緣的電纜繞制，并且電機的轉子被這樣構成，使得在大大低于額定功率因數(shù)的功率因數(shù)下，在容量曲線中，基于發(fā)熱的轉子電流限制曲線和基于發(fā)熱的定子電流限制曲線彼此相交，以及如果定子電流增加到引起熱破壞的危險時，減少有功功率。
按照本發(fā)明，同步電機被這樣設計，使得基于發(fā)熱的轉子電流限制相對于基于發(fā)熱的定子電流限制被升高，使得在容量曲線中和基于發(fā)熱的定子電流限制的交點在比額定功率因數(shù)值相當?shù)偷墓β室驍?shù)值上，或者把轉子電流限制升高到定子電流限制之上，使得兩個限制不再相交。如果轉子和定子電流限制在容量曲線中在0功率因數(shù)下相交，如圖2所示，或者如果轉子電流限制被提高到定子電流限制之上，則對于所有的過激操作定子電流限制將是限制的。
在下面“電纜”應當指高壓的絕緣電導體，其包括具有由導電材料例如銅制成的許多線股部分的纜芯，圍繞纜芯的內部半導體層，圍繞內部半導體層的高壓絕緣層，和圍繞絕緣層的外部半導體層。具有包括這種類型的電纜制成的定子繞組的同步電機可以被設計成和比常規(guī)電機較高的電壓的電網(wǎng)直接相連，從而取消升壓變壓器。在無功功率的產生的情況下，使用為直接和輸電電壓等級相連而設計的電機是有利的，因為這樣在常規(guī)電廠中升壓變壓器所消耗的無功功率利用按照本發(fā)明的電機可以被提供給電網(wǎng)。
在利用上述類型的電纜繞制的電機中本發(fā)明的優(yōu)點是特別顯著的，特別是電纜的直徑范圍為20-200mm，導電面積的范圍為80-3000mm2的情況下。因而本發(fā)明的這種應用構成其優(yōu)選實施例。
對于同步電機，提高轉子電流限制具有許多優(yōu)點，例如，這使得能夠直接測量限制的定子溫度。如果限制的溫度位于轉子上或者位于和旋轉的物體有關的物體上則是相當困難的，因為其難于測量。此外，減少有功功率使得能夠產生更多的無功功率。這利用常規(guī)的轉子限制(rotor dimensioning)也是可能的，但是在這種情況下每減少一MW會得到更多的MVAr，如圖1和圖2中的曲線所示。
通過提高轉子電流限制也獲得了許多其它的優(yōu)點，特別是對于這種類型的電機。對定子進行加熱(與冷卻)的時間常數(shù)比常規(guī)電機的大。這意味著，具有常規(guī)的定子電流限制器的這種電機比常規(guī)電機可以在過載狀態(tài)下運行較長的時間而不會達到破壞溫度。模擬表明，在一些情況下定子可以安全過載80％15分鐘。這個延長的時間間隔可以被利用用于采取行動，或者減少系統(tǒng)的無功需求，或者增加無功功率的產生。也容易實現(xiàn)電機定子的強迫冷卻。這種類型的電機和常規(guī)電機相比具有相當?shù)男?，即其定子損耗大約相等。雖然常規(guī)電機主要具有導體損耗，但是這種類型的電機具有較小的導體損耗和較多的鐵芯損耗。因為鐵芯損耗在地電位產生，所以它們容易冷卻?？梢允褂美鋮s的電機，例如，在高的鐵芯溫度下采用強迫冷卻。
利用常規(guī)的電流限制器，由發(fā)熱時間常數(shù)決定的時間間隔可被用于減少有功功率，因而能夠增加與/或延長無功功率的產生。因而，不太需要減少磁場，在最好的情況下，完全不需要減少磁場。
利用直接的溫度測量或溫度估計(或其組合)，我們可以使用術語“定子電流限制”討論定子溫度限制。因為限制的是定子溫度(在臨界點)而不是定子電流，所以這具有許多優(yōu)點。一般保守地設置電流限制器的趨勢因而被減輕了，因為主要的量是已知的而不是導出的。利用常規(guī)的電流限制器，不能考慮當超過電流限制時電機的溫度，即，不能考慮這樣的事實，例如，在超過電流限制之前電機被短時間啟動，或者在以前負載被短時間地降低。而通過使用定子溫度限制使得這些可以被避免。電機的冷卻被這樣定額，使得定子在連續(xù)額定操作狀態(tài)下不超過某個溫度-我們稱為額定溫度。這個溫度被保守地謹慎地設置，使得定子(絕緣)在一個長的時間間隔內可以經(jīng)得起較高的溫度。如果已知臨界點的溫度，則電機可以在相當長的時間間隔運行在額定操作狀態(tài)之上。
利用這樣的事實有助于對按照本發(fā)明的同步電機中具有凸極的轉子(水電發(fā)電機)進行定額，即，定子的內直徑可以作得比常規(guī)電機的大，因為定子繞組由電纜構成，其中絕緣占據(jù)更多的空間。因而對于這種類型的電機，可以按照常規(guī)的定額步驟設計定子，而只改變轉子的設計，使得轉子電流限制以所需的方式被提高。
這對于具有凸極的包括空氣冷卻的轉子的同步電機可以實現(xiàn)，例如，通過利用額外的空間繞制磁場繞組的額外的匝數(shù)，以便增加磁極電壓。這樣，在磁場繞組中的一定數(shù)量的匝數(shù)包括冷卻匝數(shù)，因而增加了磁場繞組的被冷卻的表面。如果額外匝數(shù)具有和其它匝數(shù)相同的冷卻匝數(shù)比，則磁場繞組中的溫度增加可以被保持和使用常規(guī)的定額步驟相同的水平，盡管磁極電壓被提高了。
對于具有圓柱形轉子(汽輪機轉子)的同步電機，例如可以通過使電機作得較長來增加轉子電流限制。
下面參照附圖更加詳細地說明本發(fā)明，其中圖1和圖2分別表示具有常規(guī)定額的和按照本發(fā)明的過激的同步電機的容量曲線；圖3表示在按照本發(fā)明的同步電機中的定子繞組使用的電纜的截面圖；圖4和圖5表示在按照本發(fā)明的同步電機中溫度估值器的兩個實施例；圖6表示用于產生用于進一步控制的輸出信號的溫度監(jiān)視電路的一個例子；以及圖7-9表示用于控制按照本發(fā)明的同步電機的各種電路。
圖3表示在本發(fā)明中使用的電纜的截面圖。這種電纜包括許多例如由銅制成的并具有圓形截面的線股部分2的導體。這些導體被設置在電纜1的中部。第一半導體層3圍繞著導體。絕緣層，例如XLPE絕緣層圍繞第一半導體層3，第二半導體層圍繞絕緣層，并一般被接地。
在按照本發(fā)明的電機中，繞組最好用具有固態(tài)的擠壓絕緣的電纜制成，這類電纜現(xiàn)在用于配電中，例如XLPE電纜或具有EPR絕緣的電纜。這種電纜是可彎曲的，這在本發(fā)明中是一個重要性能，因為用于按照本發(fā)明的電機的技術主要基于繞組系統(tǒng)，其中繞組由在裝配期間被彎曲的電纜制成。XLPE電纜的柔性一般相當于對于直徑為30mm的電纜，其曲率半徑大約為20cm，對于80mm直徑的電纜，其曲率半徑大約為65cm。在本申請中，術語“可彎曲的”用于指繞組可向下彎曲到4倍于電纜直徑的數(shù)量級的曲率半徑，最好是8倍到12倍電纜直徑。
在本發(fā)明中的繞組被這樣構成，使得即使它們被彎曲時以及在操作期間受到熱應力時，也保持其性能不變。極其重要的是，在這種情況下，絕緣層相互之間保持其黏附作用不變。其中絕緣層的材料性能是至關重要的，特別是其彈性和相對熱膨脹系數(shù)。例如，在XLPE電纜中，絕緣層由交聯(lián)的低密度聚乙烯制成，半導體層由其中混合有碳黑和金屬顆粒的聚乙烯構成。由于溫度波動而引起的體積變化由于電纜的半徑的變化而完全被吸收，并且，由于在這些層中，相對于這些材料的彈性，其熱膨脹系數(shù)之間的差別是很小的，所以可以發(fā)生半徑的膨脹而不損害層之間的黏附作用。
上述的材料組合應當認為只是例子而已。其它的滿足規(guī)定條件的同時也是半導體的材料，即，其電阻率范圍為10-1-106ohm-cm，例如1-500ohm-cm，或10-200ohm-cm，當然也落在本發(fā)明的范圍內。
例如，絕緣層可以由固態(tài)熱塑材料制成，例如低密度的聚乙烯(LDPE)，高密度聚乙烯(HDPE)，聚丙烯(PP)，聚丁烯(PB)，聚甲基戊烯(PMP)，交聯(lián)材料，例如交聯(lián)聚乙烯(XLPE)，或橡膠，例如乙烯丙烯橡膠(EPR)或硅橡膠。
內外半導體層可以由同一種基本材料但其中混合有導電材料顆粒例如碳黑或金屬粉末的材料制成。
這些材料的機械性能，特別是熱膨脹系數(shù)，受是否加入碳黑或金屬粉末的影響相當小，這些材料至少按照所需的比例加入，以便實現(xiàn)按照本發(fā)明所需的導電性。因而，絕緣層和半導體層具有基本相同的熱膨脹系數(shù)。
乙烯-乙烯基-乙酸鹽共聚物/腈橡膠，丁基接枝聚乙烯，乙烯-丁基-丙烯酸鹽-共聚物以及乙烯-乙基-丙烯酸鹽共聚物也可以構成用于半導體層的合適的聚合物。
甚至當使用不同類型的材料作為各個層中的基底時，也需要其熱膨脹系數(shù)基本相同。上面列出的材料的組合便屬于這種情況。
上面列出的材料具有相當好的彈性，其彈性模量E＜500MPa，最好＜200MPa。彈性足以沿徑向吸收層中材料的熱膨脹系數(shù)之間的任何微小差別，使得不出現(xiàn)裂痕或其它的破壞。層中的材料是有彈性的，并且層之間的黏附作用至少和最弱的材料相同。
兩個半導體層的導電性足以基本使每層上的電位相等。外半導體層的導電性足夠大，以便包括電纜中的電場，而又足夠小，使得不致由于在層的縱向感應的電流而產生大的損耗。
這樣，兩個半導體層的每層基本上構成一個等位面，并且這些層基本上包封它們內部的電場。
當然，在絕緣層中可以設置一個或幾個附加的半導體層。
如上所述，在本發(fā)明中的定子電流限制受到熱方面的限制。首先絕緣層4確定這種限制。如果使用具有XLPE絕緣的電纜，在導體和絕緣之間的層的溫度不應超過90℃，這是在額定操作狀態(tài)下在正常的安裝位置時的最大溫度，即絕緣可以承受這一溫度幾小時，并且可以短期地超過一些。在定子中的芯鐵和絕緣之間的表面層的溫度不應超過一般為55℃的溫度極限，即，在絕緣上的溫差差至少應為35℃。
按照本發(fā)明的同步電機在額定操作狀態(tài)下可以規(guī)定導體中的溫度為70-80℃，鐵芯的溫度為40-50℃。這些溫度極大地依賴于冷卻劑的溫度。可以使用冷卻的電機降低這一溫度，雖然在正常操作狀態(tài)下對于效率具有不利影響。在另一方面，在緊急情況下，這種電機的連接被證明是正確的，雖然必須考慮其啟動必須需要相當長的時間。
為了最大地利用在按照本發(fā)明的同步電機中的定子的熱慣性，需要在發(fā)熱最嚴重的絕緣部分中確定外層導體和鐵芯的溫度。這可以利用測量裝置直接測量或者利用圖4所示的那種溫度估值器來實現(xiàn)。也可以按照圖5使溫度測量和溫度估計相結合。
在圖4中，由定子電流引起的，因而和和電機的負載有關，在導體中的損耗用電流源PLE表示，由磁通(電壓)引起的鐵芯損耗，其大約是和負載無關的常數(shù)，由電流源PFE表示。冷卻劑的溫度由電壓源TKY表示。RR+S代表冷卻管道和硅填充劑的熱阻，RISO代表絕緣的熱阻，CLE，CISO，CFE分別代表導體、絕緣和鐵芯的熱容。在點54的TLE代表導體中的溫度，在點52的TISO代表絕緣的平均溫度。圖4所示的模型可以通過比較TFE和直接測量的芯鐵溫度進行校正。直接測量溫度TLE是相當困難和昂貴的，因為導體通常處于高電位。
圖4所示的模型也可以通過把導體和芯鐵之間的熱阻劃分成串聯(lián)的熱阻被重新確定，這將相應于不同的絕緣半徑。通過從每個連續(xù)的熱阻和參考溫度0℃之間的一點放置一個熱容，可以更精確地模擬絕緣的熱容與溫度的相關。因為在絕緣中存在溫度梯度，這種劃分將得到有些改進的結果。
在圖4中，溫度TLE，TISO和TFE被認為是狀態(tài)，而TKY，PLE，PFE被認為是輸入信號。為了啟動溫度估值器，需要初始狀態(tài)值，并且估值器一般和電機，即冷的電機同時啟動。
當然接點的數(shù)量可以增加，但是結合圖4以及下面結合圖5所述的實施例是優(yōu)選的。
圖5表示圖4的溫度估值器的一種改型，其中芯鐵溫度TFE是直接測量的。在這個簡化的圖中，芯鐵溫度將由電壓源TFE表示，并和PLE一起作為輸入信號。溫度TISO和TLE構成狀態(tài)，并以和圖4相同的方式在點52和54獲得。
銅損和定子電流有關，因而和電機的負載大小有關。芯鐵損耗和磁通有關，在端電壓下其基本上是恒定的，取決于負載。在另一方面，對于溫度增加和芯路的冷卻的時間常數(shù)在這種電機中是極其大的，因而這種電機如果剛剛被啟動，則具有較大的過載能力。
如果磁場減少，則芯鐵損耗和銅損也將減少。
和常規(guī)電機相比，按照本發(fā)明的同步電機的優(yōu)點在于，和電樞電路中的導體中的電流相比，電損失更和鐵芯中的磁通有關。在地電位產生鐵芯損耗，這有助于正常冷卻，甚至有利于冷卻機的強迫冷卻。電樞電路的導體具有相當?shù)偷碾娏髅芏?，因而在高壓電位下的損耗是相當小的。
芯路的發(fā)熱時間常數(shù)-因而冷卻時間常數(shù)-是非常大的。計算表明，絕熱溫度增加的速率為百分之幾°K/s的數(shù)量級。由于繞組電纜的固態(tài)絕緣的大的熱阻，電樞電路(armature circuit)中的溫度也有些增加。在相關的電流密度下，絕熱溫度以1/30-1/100°K/s的速率增加，而常規(guī)電機絕熱溫度增加的速率為1/10°K/s的數(shù)量級。
導體中的溫度TLE和鐵芯中的溫度TFE必須被監(jiān)視，圖6說明用于發(fā)出用于進一步控制的輸出信號的監(jiān)視電路的一個例子。該電路包括按照圖4的溫度估值器2，對其施加輸入幅值I(定子電流)，U(端電壓)和TKY。由估值器2獲得輸出信號TLE和TFE，它們在4和6分別和預先設置的極限值TL，LE，以及TL，F(xiàn)E比較，如上所述，并把比較的結果輸入端門8(最低值門)。該門在其輸出端發(fā)出構成溫度和溫度極限之間的差的控制信號，其絕對值最大。
如果TFE被直接測量，則只有TLE需要借助于溫度估值器根據(jù)I和TFE確定。如果TFE和TLE被直接測量，則不需要溫度估值器，而使測量的溫度直接和極限值比較。
圖7以方塊圖的形式表示當定子電流超過最大允許極限值時用于減少有功功率的控制電路的一個例子。
同步發(fā)電機G通過斷路器10和電網(wǎng)相連。發(fā)電機G通過可控硅整流器12勵磁。電壓U通過電壓互感器PTS被送到測量值轉換器14、一個用于確定實際的定子電流極限IL的單元IL“Prod”和一個單元ΔP“Prod”，用于產生信號“ΔP order”，用于當定子電流超過定子電流極限時，減少有功功率。用相同方式，電流I～通過電流互感器CTS被送到單元IL“Prod”和ΔP“Prod”。在單元IL“Prod”中，在確定定子電流極限時，考慮無功功率的方向、電壓降和為減少磁場所允許的初始時間延遲。定子電流極限的根據(jù)是在額定操作條件下的定子溫度(TLE＝70-80℃，TFE＝40-50℃，XLPE絕緣)。有功功率的減少速率和最大的減少范圍也在單元ΔP“Prod”中確定，此外，還具有一個功能，用于當系統(tǒng)的無功功率需求再減少時，使同步電機恢復在定子電流被超過之前其發(fā)出的有功功率。
在所述實施例中同步電機在穩(wěn)態(tài)操作時可以產生的最大無功功率等于100％的額定功率，并在有功功率被減少到0時獲得。不過，有理由引入一個用于減少有功功率的大于0的較低的限制，因為有功功率的進一步減少將使得的產生無功功率的能力增加得不多，見圖2。如果在穩(wěn)態(tài)操作下需要更多的無功功率，這必須在一個合適的時間延遲之后，通過減少磁場來滿足。
來自網(wǎng)絡轉換器14的輸出信號U在16和預定的參考值UREF比較，并把比較的結果提供給放大器和信號處理單元18，然后被提供給門20。
定子電流I在22和在單元IL“Prod”中產生的定子電流極限IL比較，并把比較結果送到放大器和信號處理單元24，然后被送到具有非線性特性的下一個方塊26。所述非線性特性是這樣的對于正的輸入信號，獲得大的輸出信號，而對于負的輸入信號，則獲得和輸入信號成比例的輸出信號。來自方塊26的輸出信號也被提供給門20，其是一個最低值門，即獲得最低的信號作為輸出信號。
來自門20的輸出信號被提供給具有積分作用的信號處理單元28，其和勵磁機的整流器12的觸發(fā)電路30相連。
圖7的控制電路基本上包括三個主要部分自動電壓調節(jié)器，定子電流限制器，和用于減少有功功率以便在所需的電壓等級下增加同步電機的能力，從而滿足電力系統(tǒng)的無功需求的系統(tǒng)。
按照本發(fā)明，可以用幾種方式實現(xiàn)磁場電流的減少?？梢允褂脗鹘y(tǒng)的限制器，其工作原理是，如果定子電流在最大的可允許期間內超過定子電流極限，磁場電流便被降低，直到定子電流等于定子電流極限。
實際的控制可以以幾種方式實現(xiàn)。在這些情況下，至少初始時間延遲必須足夠長，以便確保超過系統(tǒng)中的故障狀態(tài)的短暫的大電流不會因為電流限制已被超過而引起磁場的減少?？梢杂袝r間延遲的各種方法，例如，不管電流超過極限值的數(shù)量多大而恒定的時間延遲，或反時限特性，即電流超過得越多，時間延遲越短。如果定子電流極限已被超過，必須允許一定時間間隔用于冷卻。在討論中的這種類型的同步電機具有大的關于定子發(fā)熱和冷卻的時間常數(shù)，因而和常規(guī)電機相比，可以具有大的時間延遲。這是因為需要允許有一段時間用于減少系統(tǒng)的無功功率的需求，或者用于增加電機產生無功功率的能力。
電機的定額，連同有功功率的減少，增加了電機產生無功功率的能力。
按照本發(fā)明，磁場電流的減少可以從最大臨界點的溫度開始。在定子中導體的溫度和在最大臨界點的定子中的鐵芯的溫度可以通過直接測量確定，這在導體溫度的情況下可能是困難的，或者借助于溫度估值器利用銅損(定子電流)、鐵損(電壓)和冷卻劑作為輸出信號，如上所述。因而，兩種模式可用于控制，即1)如果溫度低于其最大允許溫度極限，則磁場電流被這樣控制，使得端電壓等于所需的操作電壓，以及2)如果端電壓小于所需的操作電壓，則磁場電流被這樣控制，使得導體溫度或鐵芯溫度等于最大允許溫度極限，并且其它溫度低于其極限。
定子溫度等于最大允許定子溫度和端電壓等于所需的操作電壓的轉變點可以利用最小值門來實現(xiàn)，如結合附圖所述的。
上述的方式1相應于正常的電壓控制，而方式2則保護電機免遭高溫破壞，因為當磁場電流減少時，端電壓和定子溫度減少。
圖8表示用于實現(xiàn)上述類型控制的控制電路。
除去電流I～和U～之外，單元ΔT“Prod”還被輸入冷卻劑的溫度TKY。來自單元ΔT“Prod”的輸出信號被提供給放大器和信號處理單元40以及具有非線性特性的方塊26，如上所述，以便連同由比較電壓U和所需的工作電壓Uref所得的處理和放大的輸出信號提供給門20。根據(jù)來自門20的輸出信號，以相應于按照圖7的實施例所述的方式進行電機控制。
如果限制溫度(TLE或TFE)接近于其最大溫度極限(例如，TL， LE，＝90℃，TL，F(xiàn)E＝55℃，XLPE絕緣)，而時間導數(shù)大于0，則上述控制可以引起溫度的“過沖”。如果超溫是短暫的，只要其數(shù)量不大，就不構成對絕緣的嚴重威脅。不過，由于控制電路試圖通過減少磁場來克服過溫，它可以引起短暫的破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性的電壓下降。
為避免這種情況，控制電路可以附加溫度預測電路，例如根據(jù)溫度時間的導數(shù)進行預測，使得甚至在達到最大溫度之前，電壓也能緩慢地開始下降。這樣，溫度過沖將是輕微的，或者被完全消除。
這樣電壓將較早地開始下降，但是下降速度不是很快。
按照圖7的傳統(tǒng)的電流限制器和按照圖8的定子溫度限制器之間的比較表明，后者的優(yōu)點在于，在一個長的時間內，幾個小時的數(shù)量級允許過載，而傳統(tǒng)的電流限制器只允許短時間的過載，幾秒至幾分的數(shù)量級。
不過，如果電機配備有定子溫度限制器，則只要超過額定操作的溫度，就應當向控制中心發(fā)出警告信號，因為這表明過載狀態(tài)存在，并應當補救。
圖9表示圖7的控制電路的另一個實施例。其中基于溫度的約束控制和有功功率與無功功率的控制相結合，前者旨在通過最大限度地利用定子的熱容量在盡可能長的時間內維持端電壓為一個可接受的值。
這樣，在單元ΔT“Prod”中，以和按照圖8的電路相同的方式產生輸出信號。該信號被提供給放大器和信號處理單元40、方塊26和門20，以便實現(xiàn)和圖8相同的限制控制。來自單元ΔT“Prod”的輸出信號連同電壓U～一道也被提供給單元ΔP“Prod”，作為單元ΔP“Prod”的輸出信號獲得控制信號ΔP指令，以便把有功功率減少到U＝ref，即，端電壓等于所需的操作電壓，或者直到有功功率達到預定的最小功率限制，如上所述。有功功率的減少最好從鐵芯或導體的溫度超過電機規(guī)定的溫度時開始。
還有一種可能的控制是基于啟動一個冷卻機，以便當達到電流和溫度極限時降低鐵芯和銅的溫度。這使得電機能夠被進一步加載。
權利要求
1一種具有功率與/或電壓控制的同步電機，包括具有定子繞組的定子和具有磁場繞組的轉子，其特征在于，定子繞組包括具有固態(tài)絕緣的高壓電纜，轉子具有基于發(fā)熱的轉子電流限制，其在容量曲線中，在大大低于額定功率因數(shù)的功率因數(shù)下，和基于發(fā)熱的定子電流限制曲線相交，或者具有在容量曲線中在基于發(fā)熱的定子電流限制的上面的基于發(fā)熱的轉子電流限制，以及用于限制電流以便避免熱破壞的裝置。
2如權利要求1所述的同步電機，其特征在于，所述用于限制電流的裝置包括溫度確定部件，用于確定至少在對于發(fā)熱是臨界的一點的定子的溫度，與/或電流測量裝置和電壓測量裝置，用于測量定子電流和電壓，還包括控制電路，其和溫度確定部件與/或電流測量和電壓測量裝置相連，用于當溫度與/或定子電流或定子電壓超過預定極限值時減少有功功率或磁場電流。
3如權利要求2所述的同步電機，其特征在于，溫度確定部件包括至少一個測量裝置，其設置在定子中的易于發(fā)熱的一點，以便測量其上的溫度。
4如權利要求3所述的同步電機，其特征在于，所述測量裝置被設置在定子內的繞組槽內的槽壁上。
5如權利要求2所述的同步電機，其特征在于，溫度確定部件包括溫度估值器，其被設置用于根據(jù)鐵芯損耗和導體中的損耗確定定子疊片的溫度以及在臨界加熱點冷卻劑的溫度，以便當確定的溫度超過預定極限值時，使控制電路減少磁場電流。
6如權利要求2-5任何一個所述的同步電機，其特征在于，溫度確定部件包括溫度估值器，其被設置用于根據(jù)導體中的損耗確定導體中和電纜絕緣的主要部分中的溫度。
7如權利要求2-6任何一個所述的同步電機，其特征在于，設置控制電路，用于在最大允許的定子溫度以下，當定子溫度增加時，開始減少磁場電流。
8如權利要求1-7任何一個所述的同步電機，其特征在于，設置控制電路，用于在溫度達到額定操作溫度，即電機在額定操作狀態(tài)下規(guī)定具有的溫度，以上之后，而低于最大允許定子溫度時，在一個預定的時間間隔，開始減少磁場電流。
9如權利要求1-8任何一個所述的同步電機，其特征在于，如果定子電流超過定子電流極限，設置控制電路用于這樣控制磁場電流，當定子電流超過定子電流極限的時間小于最大允許時間時，使得電機的端電壓等于所需的操作電壓，并且當最大允許時間表示超過時，設置控制電路用于減少磁場電流，直到定子電流等于定子電流極限。
10如權利要求9所述的同步電機，其特征在于，控制電路被設置，用于當定子電流極限被超過之后，利用某個時間延遲，開始減少磁場電流。
11如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，設計磁場繞組使其具有額外的匝數(shù)，以便增加磁極電壓。
12如權利要求11所述的同步電機，其特征在于，一定比例的額定匝數(shù)形成繞組的冷卻匝數(shù)。
13如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，使磁場繞組具有增加的導電面積，以便獲得繞組中的相當?shù)偷碾娏髅芏取?br> 14如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，其特征在于，設置用于磁場繞組的特殊的冷卻裝置。
15如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，設置冷卻機，以便當定子電流超過或者預測要超過定子電流極限與/或測量的溫度超過預定的限制值時被接通，以便實現(xiàn)強迫冷卻。
16如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，所述電纜是高壓電纜，并且是這樣一種類型的電纜，其包括具有許多線股部分的纜芯，圍繞纜芯的內部半導體層，圍繞內部半導體層的絕緣層，和圍繞絕緣層的外部半導體層。
17如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，所述高壓電纜的直徑范圍為20-200mm，導電面積的范圍為80-3000mm2。
18如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，所述繞組是可彎曲的，并且所述層相互接觸。
19如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，所述層由具有這樣的彈性的材料構成，并在材料的熱脹系數(shù)之間具有這樣的關系，使得在操作期間與溫度波動引起的層的體積的改變由材料的彈性所吸收，從而使這些層保持其間的黏附作用不變。
20如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，在所述層中的材料具有大的彈性，最好其彈性模量小于500MPa，最好小于200MPa。
21如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，用于所述層中的材料的熱脹系數(shù)的值基本相同。
22如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，在所述層之間的黏附作用至少具有和材料的最弱的強度相同的大小。
23如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，每個半導體層基本上構成一個等位面。
24如前面任何一個權利要求所述的同步電機，其特征在于，所述轉子是凸極型的。
25如權利要求1-23任何一個所述的同步電機，其特征在于，所述轉子是圓柱形的。
26一種按照前面任何一個權利要求所述的同步電機的功率與/或電壓控制方法，其特征在于，所述電機工作時的定子電流在小于最大允許的時間極限的某個時間間隔內可以超過基于發(fā)熱的定子電流極限，此后，可以通過減少有功功率或者減少磁場電流，或者通過兩者的組合，來減少過載。
27如權利要求26所述的方法，其特征在于，所述電機能夠在這樣的定子電流下操作，所述定子電流超過基于發(fā)熱的定子電流極限至少30％至少3分鐘，而沒有熱破壞的危險，只要電機在過載狀態(tài)之前具有額定的溫度。
28如權利要求26或27所述的方法，其特征在于，所述電機能夠在這樣的定子電流下操作，所述定子電流超過基于發(fā)熱的定子電流極限至少30％至少5分鐘，而沒有熱破壞的危險，只要電機在過載狀態(tài)之前具有額定的溫度。
29如權利要求26-28任何一個所述的方法，其特征在于，所述電機能夠在這樣的定子電流下操作，所述定子電流超過基于發(fā)熱的定子電流極限至少50％至少5分鐘，最好至少80％至少15分鐘而沒有熱破壞的危險，只要電機在過載狀態(tài)之前具有額定的溫度。
30一種在包括具有定子繞組的定子和具有磁場繞組的轉子的同步電機中實行功率與/或電壓控制的方法，其特征在于，定子繞組由具有固態(tài)高壓絕緣的電纜繞制，并且電機的轉子被這樣構成，使得在大大低于額定功率因數(shù)的功率因數(shù)下，在容量曲線中，基于發(fā)熱的轉子電流限制曲線和基于發(fā)熱的定子電流限制曲線彼此相交，以及如果定子電流增加到引起熱破壞的危險時，減少有功功率。
31如權利要求30所述的方法，其中定子電流可以允許超過定子電流極限一個預定的最大時間，其特征在于，如果定子電流在定子電流極限之上，有功功率便被減少，直到定子電流等于定子電流極限，只要定子電流超過定子電流極限的時間小于所述最大允許時間。
32如權利要求31所述的方法，其特征在于，如果定子電流超過定子電流極限一個最大允許時間，則有功功率和磁場電流被減少，直到定子電流等于定子電流極限。
33如權利要求30-32任何一個所述的方法，其特征在于，有功功率按照斜坡函數(shù)被減少。
34如權利要求30-32任何一個所述的方法，其特征在于，如果定子電流超過定子電流極限但是低于大于定子電流極限的預定的第二限制值，有功功率則按照斜坡函數(shù)被減少，如果定子電流超過所述第二限制值，有功功率則盡快地被減少。
35如權利要求33或34所述的方法，其特征在于，對斜坡函數(shù)選擇一個這樣的導數(shù)，使得避免在電網(wǎng)上發(fā)生功率振蕩，并阻止對于汽輪機和包括同步電機的電廠中其它部件的破壞。
36如權利要求33或34所述的方法，其特征在于，選擇斜坡函數(shù)的導數(shù)，其和使定子發(fā)熱的時間常數(shù)有關。
37如權利要求33-36任何一個所述的方法，其特征在于，有功功率被減少這樣一個數(shù)量，使得在電機上維持可接受的端電壓。
38如權利要求30-37任何一個所述的方法，其特征在于，功率因數(shù)的極限值是0。
全文摘要
一種用于功率與/或電壓控制的同步電機,包括具有定子繞組的定子和具有磁場繞組的轉子。定子繞組包括具有固態(tài)絕緣的高壓電纜,轉子具有基于發(fā)熱的轉子電流限制曲線,其在容量曲線中,在大大低于額定功率因數(shù)的功率因數(shù)下,和基于發(fā)熱的定子電流限制曲線相交,或者在容量曲線中,具有在容量曲線中在基于發(fā)熱的定子電流限制曲線的上面的基于發(fā)熱的轉子電流限制曲線,并提供一個用于限制電流以便避免熱破壞的裝置。在這種同步電機的功率與/或電壓控制方法中,所述電機工作時的定子電流在小于最大允許的時間極限的某個時間間隔內可以超過基于發(fā)熱的定子電流極限,此后,可以通過減少有功功率或者減少磁場電流,或者通過兩者的組合,來減少過載。
文檔編號H02H7/06GK1246969SQ9880227
公開日2000年3月8日 申請日期1998年2月2日 優(yōu)先權日1997年2月3日
發(fā)明者波迪爾·伯格倫, 拉斯·格特馬爾, 詹-安德斯·尼格倫, 托爾·皮特森, 馬茨·雷永 申請人:Abb阿西亞布朗·勃法瑞公司