[发明专利]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

说明书

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V_f被供应DC电流，以及传送输出电压U_s，

-变流器，其包括用于对交流发电机的输出电压U_s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，