專(zhuān)利名稱：起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)的方法和實(shí)施該方法的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及發(fā)電機(jī)，尤其涉及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)和其起動(dòng)方法。
背景技術(shù)：
燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)廣泛由電功率公司用來(lái)發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)包括發(fā)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)該發(fā)電機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)。發(fā)電機(jī)包括由定子包圍的轉(zhuǎn)子，當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)便發(fā)電。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)連接于轉(zhuǎn)子的軸驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)。該軸通過(guò)高溫氣體在燃?xì)廨啓C(jī)中的膨脹進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)?？諝馔ㄟ^(guò)入口進(jìn)入，并由空氣壓縮機(jī)壓縮，然后輸送到其中燃燒燃料(例如天然氣)的燃燒器，產(chǎn)生高溫氣體，該高溫氣體進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)，在燃?xì)廨啓C(jī)中，氣體膨脹，驅(qū)動(dòng)該軸，從而轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子。
發(fā)電機(jī)需要受激勵(lì)，以便產(chǎn)生發(fā)電所需的磁通量。勵(lì)磁機(jī)例如無(wú)電刷DC場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)可以提供必需的激勵(lì)電功率。勵(lì)磁機(jī)通常包括連接于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)電樞和包圍該電樞的電場(chǎng)。當(dāng)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)該軸時(shí)，該軸使電樞在包圍的磁電場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)，由此向轉(zhuǎn)子提供電流。
常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)通常缺乏自起動(dòng)能力。因此起動(dòng)需要馬達(dá)或者其它外部裝置，以增加軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，一直將轉(zhuǎn)速增加到燃?xì)廨啓C(jī)可以接管和驅(qū)動(dòng)該轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。
可以應(yīng)用靜態(tài)起動(dòng)系統(tǒng)靜態(tài)起動(dòng)常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，這種方法采用靜態(tài)變頻器FSC向發(fā)電機(jī)定子提供頻率和振幅變化的三相交流電，而激勵(lì)系統(tǒng)同時(shí)向電場(chǎng)提供直流激勵(lì)。同步發(fā)電機(jī)操作為同步馬達(dá)。當(dāng)定子頻率增加時(shí)，軸加速轉(zhuǎn)動(dòng)，保持同步，直至達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng)的點(diǎn)火速度?，F(xiàn)在的靜態(tài)起動(dòng)系統(tǒng)采用靜態(tài)激勵(lì)系統(tǒng)，應(yīng)用滑環(huán)和碳刷來(lái)提供直流激勵(lì)電功率。在共同發(fā)明人自己專(zhuān)利中一個(gè)，美國(guó)專(zhuān)利No.6285089B1中公開(kāi)另一種起動(dòng)系統(tǒng)，該專(zhuān)利與本發(fā)明為同一受讓人。該專(zhuān)利公開(kāi)一種交流感應(yīng)勵(lì)磁機(jī)，該勵(lì)磁機(jī)可以對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行激勵(lì)，而不管軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度如何，而且不應(yīng)用滑環(huán)或者電刷。然而常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)不裝備交流感應(yīng)勵(lì)磁機(jī)。
一般認(rèn)為，采用無(wú)電刷直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)的發(fā)電機(jī)不可能靜態(tài)起動(dòng)，除非在起動(dòng)期間應(yīng)用單獨(dú)一組滑環(huán)和碳刷向轉(zhuǎn)子提供激勵(lì)。安裝和維修滑環(huán)和電刷成本仍然很高。而且維持單獨(dú)的起動(dòng)源也是很費(fèi)錢(qián)的。另外，應(yīng)用起動(dòng)靜態(tài)激勵(lì)系統(tǒng)造成振動(dòng)和操作的機(jī)械問(wèn)題。
發(fā)明概要考慮到上述背景，本發(fā)明的目的是應(yīng)用直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)提供一種起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的方法，不用滑環(huán)或者電刷。
利用一種起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的方法可以達(dá)到本本發(fā)明的這一目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，以及其它的目的，特征和優(yōu)點(diǎn)，該方法通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電機(jī)的軸，使軸驅(qū)動(dòng)的直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)向發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電場(chǎng)提供所有激勵(lì)電功率，以及通過(guò)用例如靜態(tài)變頻器向發(fā)電機(jī)定子輸送電功率，由此起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)。結(jié)果造成在轉(zhuǎn)軸上受到電矩的作用，該電矩增加了軸的轉(zhuǎn)速。該轉(zhuǎn)矩加速軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，由此增加了由無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)提供的場(chǎng)電流。因而增加送到轉(zhuǎn)子的功率，增加的功率引起不斷加速，直到燃?xì)廨啓C(jī)以點(diǎn)火速度轉(zhuǎn)動(dòng)。
具體是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)包括軸和驅(qū)動(dòng)該軸的燃?xì)廨啓C(jī)。在該轉(zhuǎn)軸不由燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)該軸，從而可以有效消除軸的變形。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)通常還包括連接于該軸的轉(zhuǎn)子和包圍該轉(zhuǎn)子的定子。直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)也是燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的一部分，該直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)包括連接于該軸的電樞和包圍該電樞的電場(chǎng)。
本方法包括按特殊形式裝配燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，使得轉(zhuǎn)子連接成可以接收起動(dòng)所需的所有直流電功率。因此燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的這種特殊裝配包括使轉(zhuǎn)子不用電刷或者滑環(huán)，或者如果轉(zhuǎn)子已經(jīng)包含電刷和滑環(huán)，則只需要簡(jiǎn)單的不用這些電刷和滑環(huán)。
燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置具有標(biāo)稱轉(zhuǎn)動(dòng)速度和高轉(zhuǎn)動(dòng)速度。因此起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的方法包括增加轉(zhuǎn)軸的速度，從標(biāo)稱轉(zhuǎn)速增加到高轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)動(dòng)裝置可以轉(zhuǎn)動(dòng)該軸，由此轉(zhuǎn)動(dòng)無(wú)電刷的直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)，使該裝置在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生直流電流，而在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙中產(chǎn)生相應(yīng)的磁通。當(dāng)速度增加時(shí)，電場(chǎng)電流也增加，因而磁通也增加。
當(dāng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電功率輸送到定子。結(jié)果是產(chǎn)生定子電流，該電流也產(chǎn)生相應(yīng)磁通。轉(zhuǎn)子中的磁通和定子中的磁通相互作用，形成作用在該軸上的轉(zhuǎn)矩，從而增加其速度。
一當(dāng)轉(zhuǎn)軸達(dá)到高轉(zhuǎn)速時(shí)，電場(chǎng)電壓便加到直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)上。然后轉(zhuǎn)動(dòng)裝置脫開(kāi)。當(dāng)該軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到高的轉(zhuǎn)速時(shí)，便可向定子輸送電功率。
燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)具有最長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間。因此可以向定子輸送電功率，使得在最長(zhǎng)的起動(dòng)時(shí)間之前達(dá)到起動(dòng)轉(zhuǎn)速。流過(guò)定子的電流可以產(chǎn)生內(nèi)部定子電壓。因此電功率還可以加在定子上，以避免定子的“過(guò)激勵(lì)”或者“過(guò)磁通”(即過(guò)大的伏/赫)狀態(tài)，同時(shí)仍能提供足夠大的轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子加速，或者在適當(dāng)時(shí)，使轉(zhuǎn)子保持在一定的速度。
本發(fā)明的另一方面涉及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)按特殊形式裝配成可以實(shí)施上述起動(dòng)方法。該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)包括軸、驅(qū)動(dòng)該軸的燃?xì)廨啓C(jī)、連接于該軸的轉(zhuǎn)子、包圍該轉(zhuǎn)子的定子以及直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)，該勵(lì)磁機(jī)包括連接于該軸的電樞和包圍該電樞的直流電場(chǎng)。可以采用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)該軸。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)還可以包括在起動(dòng)期間將電功率輸送到定子的定子電源。
起動(dòng)控制器連接于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和定子電源。該起動(dòng)控制器可以控制轉(zhuǎn)動(dòng)該軸的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，使得直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)向轉(zhuǎn)子提供所有的直流電功率。該起動(dòng)控制器還控制定子電源，使得在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)向定子輸送電功率。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明

圖1是示意方塊圖，示出本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)。
圖2是流程圖，示出起動(dòng)圖1所示燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的方法。
圖3是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速在實(shí)際起動(dòng)試驗(yàn)期間對(duì)時(shí)間的函數(shù)曲線，該時(shí)間代表本發(fā)明所用的值。
圖4是起動(dòng)試驗(yàn)期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸實(shí)際轉(zhuǎn)速對(duì)時(shí)間的函數(shù)曲線和計(jì)算轉(zhuǎn)速對(duì)代表發(fā)明所用值的時(shí)間函數(shù)曲線。
圖5是一組曲線，示出用靜態(tài)勵(lì)磁機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)時(shí)間和無(wú)電刷激勵(lì)的起動(dòng)時(shí)間，后者代表本發(fā)明所用值的無(wú)電刷激勵(lì)起動(dòng)。
圖6是更詳細(xì)的示意圖，示出圖1所示燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的控制器。
優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明下面參考附圖，更詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，在這些附圖中示出本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。然而本發(fā)明可以很多不同的方式實(shí)施，因此不應(yīng)當(dāng)解釋為受到本文所述實(shí)施例的限制。相反，示出這些實(shí)施例是為了徹底而詳細(xì)地理解本發(fā)明，并將發(fā)明的范圍傳給了技術(shù)人員。相同的編號(hào)表示圖中相同的部件。
首先參考圖1和圖2，說(shuō)明本發(fā)明的起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10的方法。該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10例示性包括軸12和在操作期間驅(qū)動(dòng)該軸的燃?xì)廨啓C(jī)14。該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10還包括由該軸驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)子16和包圍該轉(zhuǎn)子的定子18。直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)20由該軸12驅(qū)動(dòng)，由此可以向轉(zhuǎn)子提供直流功率。該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10還包括在發(fā)電機(jī)停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)該軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22。該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10還包括嚙合轉(zhuǎn)動(dòng)軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的離合器24。
通常在不用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10提供電功率時(shí)，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22被嚙合，以便轉(zhuǎn)動(dòng)該軸，從而減小軸的形變，這種轉(zhuǎn)動(dòng)通常在標(biāo)稱轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)。
如上所述，直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)20由軸12驅(qū)動(dòng)。該直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)20包括裝在軸12上的轉(zhuǎn)動(dòng)電樞以及包圍該轉(zhuǎn)動(dòng)電樞的靜態(tài)直流電場(chǎng)。該直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)20是技術(shù)人員容易理解的無(wú)電刷直流勵(lì)磁機(jī)。在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22轉(zhuǎn)動(dòng)軸12時(shí)，該轉(zhuǎn)動(dòng)電樞30在靜態(tài)電場(chǎng)32中轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生交流電。該交流電可以采用例如未示出的裝在軸12上的二極管輪振流器轉(zhuǎn)換成直流。將該直流輸送到轉(zhuǎn)子16，激勵(lì)發(fā)電機(jī)，這一點(diǎn)技術(shù)人員很容易理解。當(dāng)發(fā)電機(jī)10停機(jī)，而轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22在標(biāo)稱轉(zhuǎn)動(dòng)速度下轉(zhuǎn)動(dòng)軸12時(shí)，由勵(lì)磁機(jī)20產(chǎn)生的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流也相應(yīng)低。
如流程34所示，起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10的方法包括在起動(dòng)(方塊36)后，發(fā)電機(jī)特別形式的裝配使得轉(zhuǎn)子16在起動(dòng)期間連接成可以從直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)20(方塊38)接收起動(dòng)期間所需的所有直流功率。這種裝配包括按特殊形式裝配轉(zhuǎn)子16，使其沒(méi)有起動(dòng)電刷和滑環(huán)。然而在隨后說(shuō)明的以下步驟同樣適用于起動(dòng)已經(jīng)如此裝配的燃?xì)廨啓C(jī)。在另一實(shí)施例中，本發(fā)明提出一種起動(dòng)如此特別裝配的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的方法，使得轉(zhuǎn)子16連接成可以接收直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)20電樞30的所有直流功率，包括例如沒(méi)有起動(dòng)電刷和滑環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)。
由于燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10如此裝配，使得轉(zhuǎn)子16可以接收直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)20的所有直流功率，所以可以利用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22轉(zhuǎn)動(dòng)軸12，使直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)可以向轉(zhuǎn)子提供所有的直流電功率。該轉(zhuǎn)軸12具有比標(biāo)稱轉(zhuǎn)速大的高轉(zhuǎn)速。因此在方塊40中，通過(guò)增加轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速，可以增加軸12的轉(zhuǎn)速。
如業(yè)內(nèi)人士容易理解的，由勵(lì)磁機(jī)20提供給轉(zhuǎn)子16的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流可以隨軸12轉(zhuǎn)速的增加而增加。因此，利用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22增加軸12的轉(zhuǎn)速時(shí)，可以增加發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，在方塊42中，用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22將軸12的轉(zhuǎn)速增加到高轉(zhuǎn)速，由此產(chǎn)生增加的電流和相應(yīng)的磁通量。
在方塊44中，在軸正轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，基本上與電功率加在定子18上的同時(shí)，電場(chǎng)電壓加在直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)20上。如圖所示當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22達(dá)到高轉(zhuǎn)速時(shí)，便加上該電場(chǎng)電壓，在不同的操作條件下，如技術(shù)人員容易看出的，該高轉(zhuǎn)速不一定是限定的轉(zhuǎn)速，可以根據(jù)操作條件改變。
一當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22達(dá)到高轉(zhuǎn)速(方塊46)時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22脫開(kāi)。該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22與離合器24脫開(kāi)。在方塊48中由定子電源向定子18輸送電功率，該定子電源圖上表示為由連接于定子的靜態(tài)變頻器26形成。電功率通過(guò)輸送靜態(tài)變頻器26的電流而輸送到定子18，由此在定子中產(chǎn)生定子電流。如技術(shù)人員容易看出的，還可以采和其它的電源裝置。定子電流也產(chǎn)生相應(yīng)的磁通，這種磁通與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流產(chǎn)生的磁相互作用，使得發(fā)電機(jī)起馬達(dá)的作用。
當(dāng)軸12的轉(zhuǎn)速增加時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流也增加。這種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的增加也增加了磁通強(qiáng)度，結(jié)果是更加增加軸12的轉(zhuǎn)速，直到軸12的轉(zhuǎn)速最后達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)14的起動(dòng)轉(zhuǎn)速。一旦軸12達(dá)到起動(dòng)轉(zhuǎn)速，燃?xì)廨啓C(jī)14便接管該軸，并驅(qū)動(dòng)該軸。隨后定子電源26脫開(kāi)，而發(fā)電機(jī)開(kāi)始供電。
燃?xì)廨啓C(jī)具有最長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間。因此將功率輸送到定子(方塊48)，使得軸在最長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間之前達(dá)到要求的起動(dòng)轉(zhuǎn)速(方塊50)。如果如此，則在方塊57起動(dòng)燃?xì)廨?4。如果因?yàn)槟撤N原因，在最長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間中沒(méi)有達(dá)到起動(dòng)，則起動(dòng)過(guò)程出故障(方塊56)。還提供功率，以避免在定子18中出現(xiàn)過(guò)激勵(lì)或者過(guò)磁通(即過(guò)大的伏/赫)狀態(tài)。如果發(fā)生這種狀態(tài)，如方塊52確定的，起動(dòng)過(guò)程也出故障，或者可以通過(guò)實(shí)施“場(chǎng)弱化”方法，簡(jiǎn)單地降低電場(chǎng)電壓，如業(yè)內(nèi)人士周知的。
下面提供例示性的計(jì)算方法，以證明可以對(duì)不用滑環(huán)的同步發(fā)電機(jī)采用表態(tài)起動(dòng)，只要發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子可以在充分高的速度下轉(zhuǎn)動(dòng)，以確?？梢援a(chǎn)生足夠大的激勵(lì)電壓，從而為超過(guò)發(fā)電機(jī)阻尼轉(zhuǎn)矩的起始起矩提供足夠大的轉(zhuǎn)子磁通。這種轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)子速度成正比地增加，如果保持恒定的發(fā)電機(jī)激勵(lì)。雖然說(shuō)明的系統(tǒng)不能正好使同等系統(tǒng)的容量與靜態(tài)激勵(lì)相匹配(這種系統(tǒng)具有在表態(tài)施加很大的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子激勵(lì)，因此在低速時(shí)，具有較高的可用轉(zhuǎn)矩)，但是通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)，可以使系統(tǒng)的容量與靜態(tài)激勵(lì)相匹配。最重要的是該系統(tǒng)在北美洲看來(lái)應(yīng)當(dāng)滿足商用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的性能要求。
例示性的計(jì)算用于正常燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的計(jì)算，這種發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量超過(guò)200MW，發(fā)電機(jī)端子電壓Vt為16kV線間電壓，具有無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)和100r/m的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置?？梢圆捎迷摲椒▉?lái)模擬應(yīng)用靜態(tài)變頻器和靜態(tài)激勵(lì)的起動(dòng)系統(tǒng)的性能。然后考慮到無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)的運(yùn)用，修改這種模擬模型。
圖3所示的曲線35表示在實(shí)際起動(dòng)測(cè)試期間，作為速度的發(fā)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的增加。對(duì)于這種燃?xì)廨啓C(jī)，點(diǎn)火速度從100r/m的起始轉(zhuǎn)速開(kāi)始，發(fā)生在大約850r/m。隨后模擬起動(dòng)過(guò)程，方法是，寫(xiě)出軸系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程，然后用測(cè)試結(jié)果確定適當(dāng)?shù)南禂?shù)，該運(yùn)動(dòng)方程是Telec＝Jdω/dt+Dω2其中Telec＝由定子中表態(tài)變頻器(SFC)電流產(chǎn)生的磁通和轉(zhuǎn)子中激勵(lì)電流產(chǎn)生的磁通相互作用形成的電矩；J＝轉(zhuǎn)子軸慣量(燃?xì)廨啓C(jī)、發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁機(jī)慣量之和，如果采用的話，還加上收集器、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置聯(lián)軸節(jié)、傳動(dòng)箱等的慣量；ω＝轉(zhuǎn)動(dòng)速度(弧度/s或者r/m)；D＝轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)(涉及燃?xì)廨啓C(jī)壓縮機(jī)風(fēng)阻、發(fā)電機(jī)風(fēng)阻、支承件阻力等)。
雖然這是一種簡(jiǎn)化的模型，忽略了某些次級(jí)效應(yīng)，例如發(fā)電機(jī)的繞組損耗和轉(zhuǎn)子表面的渦流損耗，但是已經(jīng)證實(shí)，為了計(jì)算尺寸目的，可以達(dá)到充分的準(zhǔn)確度。
可以采用在起動(dòng)期間輸入到發(fā)電機(jī)定子中的功率計(jì)算電矩TelecTelec＝{Pelec/ω＝K×31/2×lsfc×Ei/ω，其中Isfc＝由SFC提供的每相定子電流；Ei＝由激勵(lì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)提供的內(nèi)部電動(dòng)力(對(duì)于3600r/m同步發(fā)電機(jī)，(Ei＝Irotor/IFNL×ω/377×Vt，其中Irotor是送到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電場(chǎng)電流)；K＝比例常數(shù)，該比例常數(shù)是組合裝置、Ei和Isfc之間相角差和其它經(jīng)驗(yàn)確定參數(shù)的函數(shù)。
用測(cè)試結(jié)果可以得到適當(dāng)?shù)膮?shù)，然后采用如此說(shuō)明的參數(shù)進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果和原來(lái)試驗(yàn)結(jié)果示于圖4。圖4中計(jì)算的速度-時(shí)間曲線37似乎很準(zhǔn)確地重合實(shí)際測(cè)試的曲線35，主要差別可能是由于上述已經(jīng)忽略的次級(jí)效應(yīng)產(chǎn)生的。
然后對(duì)裝有無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)的空冷發(fā)電機(jī)的應(yīng)用以及用無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)代替靜態(tài)激勵(lì)系統(tǒng)，調(diào)整這種模擬。激勵(lì)器替代這樣進(jìn)行，即將Ei方程中的量Irotor變成轉(zhuǎn)子速度的函數(shù)。這種勵(lì)磁機(jī)的特征在于，在勵(lì)磁機(jī)激勵(lì)最大時(shí)，該勵(lì)磁機(jī)在100r/m時(shí)，輸送1/3的發(fā)電機(jī)無(wú)載場(chǎng)電流(IFNL)，而在300r/m時(shí)，增加到100％的IFNL。在這種尺寸發(fā)電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)場(chǎng)電流習(xí)慣上限于100％-120％的IFNL，以避免不良低速通風(fēng)區(qū)域中轉(zhuǎn)子電場(chǎng)的過(guò)熱。發(fā)電機(jī)替換需要調(diào)整端子電壓和調(diào)整轉(zhuǎn)子軸的慣量。由SFC輸送的電流(對(duì)于這種情況是30％額定FSC電流)，對(duì)兩種情況保持恒定，而對(duì)于第三種模擬允許增加到50％。
圖5示出三種模擬的比較。如圖所示，模擬用靜態(tài)勵(lì)磁機(jī)起動(dòng)系統(tǒng)(SES)的起動(dòng)(曲線39)并和分別采和50％SFC電流(曲線41)和30％SFC(曲線43)的模擬無(wú)電刷激勵(lì)的起動(dòng)進(jìn)行了比較。雖然應(yīng)用無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)使得從100r/m到300r/m所需的時(shí)間約增加一倍(其中轉(zhuǎn)子電流是相同的)，但是采用無(wú)電刷和靜態(tài)激勵(lì)系統(tǒng)的性能幾乎是相同的，均高于此水平。起動(dòng)時(shí)間僅增加約25秒，而且應(yīng)用稍微高的SFC電流(到額定值的50％)將使起動(dòng)時(shí)間降低到低于用靜態(tài)激勵(lì)系統(tǒng)的同樣起動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)時(shí)間。因?yàn)檫B續(xù)SFC電流通常基于要求起動(dòng)系統(tǒng)高速度運(yùn)行(點(diǎn)火后)，而不要求低速加速(受機(jī)械原因的影響)，所以可以使無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)的起動(dòng)系統(tǒng)性完全比得上采用靜態(tài)激勵(lì)系統(tǒng)的起動(dòng)系統(tǒng)的性能。
這些模擬證明，可以應(yīng)用說(shuō)明的技術(shù)，以發(fā)電機(jī)作起動(dòng)馬達(dá)，用輸送發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流的靜態(tài)變頻器和輸送發(fā)電機(jī)場(chǎng)電流的無(wú)無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)，起動(dòng)具有無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)。雖然這種方案稍慢于采用具有同樣FSC電流的靜態(tài)激勵(lì)方案，但是，通過(guò)優(yōu)化設(shè)備參數(shù)和其使用，可以接近用靜態(tài)激勵(lì)方法靜態(tài)起動(dòng)的速度。對(duì)于采用無(wú)電刷激勵(lì)作為其常規(guī)激勵(lì)方法的發(fā)電機(jī)，無(wú)電刷激勵(lì)方案應(yīng)當(dāng)遠(yuǎn)比靜態(tài)起動(dòng)的其它起動(dòng)替代方案經(jīng)濟(jì)。
下面另外參照?qǐng)D6，說(shuō)明按特殊形式裝配成可以實(shí)施上述方法的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10。除已經(jīng)說(shuō)明的部件軸12、燃?xì)廨啓C(jī)14、轉(zhuǎn)子16、定子18、勵(lì)磁機(jī)20、轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22和定子電源26以外，該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10還例示性示出包括起動(dòng)控制器28。該起動(dòng)控制器28連接于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22和定子電源26。
該起動(dòng)控制器28例示性包括處理器58和連接于該處理器的存貯器60，該控制器28連接于輸入/輸出裝置，利用這種裝置，通過(guò)鍵盤(pán)可以鍵入指令，同時(shí)通過(guò)顯示屏64將數(shù)據(jù)顯示給使用人。
該起控制器28還例示性包括連接于處理器58的轉(zhuǎn)軸傳感器66，該傳感器用于顯示軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。檢測(cè)軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)還可以檢測(cè)到轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。該起動(dòng)控制器28除軸傳感器66而外，還包括轉(zhuǎn)動(dòng)裝置傳感器，這種傳感器或者可代替該軸傳感器66。
另外，起動(dòng)控制28還例示性包括連接在處理器58和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22之間的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置界面68。處理器53通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置介面68控制轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。如上所述，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22通常具有在燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10不操作時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)該軸的標(biāo)稱速度和高轉(zhuǎn)速，軸在該轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，使直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)20的電樞30轉(zhuǎn)動(dòng)，從而向定18輸送直流功率。因此在起動(dòng)期間，軸傳感器66將檢測(cè)軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并且處理器58將通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置介面68使轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22將軸12的轉(zhuǎn)動(dòng)速度增加到高轉(zhuǎn)動(dòng)速度。
起動(dòng)控制器28還使定子電源26在軸12轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子16達(dá)到高轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)向定子18輸送電功率。因此，起動(dòng)控制器28例示性包括連接在處理器58和定子電源26之間的定子電界面70。處理器58通過(guò)該定子電源界面70使定子電源26向定子18輸送電流。
起動(dòng)控制器28還例示性包含連接在處理器和轉(zhuǎn)動(dòng)裝置離合器裝置24之間的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置離合器控制器72，以便在定子電源向定子18提供電功率之后，使轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22與軸12脫離。另外，起動(dòng)控制器28還例示性包括連接于處理器58的計(jì)時(shí)器74，以便使起動(dòng)控制器終止起動(dòng)，除非軸12在最長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間之前達(dá)到起動(dòng)轉(zhuǎn)速。另外，起動(dòng)控制器28還例示性包括連接于處理器58的過(guò)電壓檢測(cè)器76和檢測(cè)定子18電壓的傳感器78。如果需要降低定子18可能出現(xiàn)的過(guò)電壓狀態(tài)，可以降低處理器控制的從定子電源26輸送到定子18的輸送功率。
閱讀了上文中和相關(guān)附圖中說(shuō)明，業(yè)內(nèi)人士可以想出本發(fā)明的很多變型和其它實(shí)施例，因此應(yīng)當(dāng)明白，本發(fā)明不限于所說(shuō)明的特定實(shí)施例，而且其它變型和其它實(shí)施例應(yīng)當(dāng)包含在所附權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的方法，該燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)包括一根軸；用于在操作時(shí)驅(qū)動(dòng)該軸和具有起動(dòng)轉(zhuǎn)速的一燃?xì)廨啓C(jī)；一根連接于該軸的轉(zhuǎn)子；一個(gè)包圍該轉(zhuǎn)子的定子；一個(gè)包含一電樞和連接于該軸的旋轉(zhuǎn)整流器的直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)；包圍該電樞的直流電場(chǎng)以及轉(zhuǎn)動(dòng)該軸的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置；該方法包括構(gòu)制燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，將該轉(zhuǎn)子連接成接收來(lái)自該直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)的旋轉(zhuǎn)整流器的所有直流電功率；用該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)該軸，使直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)向該發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供直流電場(chǎng)功率；隨著該軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，向該定子提供可變頻率和可變電壓的電功率，使得該定子與轉(zhuǎn)子配合，作為一馬達(dá)來(lái)工作，由此將該軸的轉(zhuǎn)速提高到該燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該構(gòu)制步驟包括將該轉(zhuǎn)子構(gòu)制成沒(méi)有電刷或者滑環(huán)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置具有一標(biāo)稱旋轉(zhuǎn)速度和一高旋轉(zhuǎn)速度；其中用該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)該軸的步驟包括將軸的轉(zhuǎn)速?gòu)脑摌?biāo)稱轉(zhuǎn)速提高到該高轉(zhuǎn)速。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置達(dá)到高轉(zhuǎn)速時(shí)，完成向該定子輸送電功率。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，基本上在與開(kāi)始向該定子輸送電功率的同時(shí)，還包括脫開(kāi)該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該燃?xì)廨啓C(jī)具有最長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間；其中向該定子輸送電功率的步驟包括這樣輸送電功率，使得在該最長(zhǎng)起始時(shí)間之前，該軸達(dá)到該起動(dòng)轉(zhuǎn)速。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，該直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)包括無(wú)刷直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括向該直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)的電場(chǎng)輸送電功率。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，向該定子輸送電功率的步驟包括從一靜態(tài)變頻器輸送電功率。
10.一種起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)的方法，該發(fā)電機(jī)包括一根軸；用于在操作時(shí)驅(qū)動(dòng)該軸和具有起動(dòng)轉(zhuǎn)速的一燃?xì)廨啓C(jī)；一根連接于該軸的轉(zhuǎn)子；一個(gè)包圍該轉(zhuǎn)子的定子；一個(gè)包括連接于該軸的一電樞和圍繞該電樞的一電場(chǎng)，將該轉(zhuǎn)子連接成接收來(lái)自該直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)的電樞的所有直流功率的直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)；以及在標(biāo)稱旋轉(zhuǎn)速度和高旋轉(zhuǎn)速度之間用以轉(zhuǎn)動(dòng)該軸的一轉(zhuǎn)動(dòng)裝置；該方法包括用該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)該軸達(dá)到其高旋轉(zhuǎn)速度，由此使該直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)向該轉(zhuǎn)子提供所有直流電功率；在達(dá)到該高轉(zhuǎn)速時(shí)，隨著該軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，向該定子輸送電功率，使得該定子與該轉(zhuǎn)子配合，作為一馬達(dá)工作，從而將該軸的轉(zhuǎn)速提高到該燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括在向該定子輸送電功率之后斷開(kāi)該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，該燃?xì)廨啓C(jī)具有最長(zhǎng)起動(dòng)時(shí)間；其中向該定子輸送電功率的步驟包括這樣輸送電功率，使得該軸在該最長(zhǎng)時(shí)間之前達(dá)到該起動(dòng)轉(zhuǎn)速。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，該直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)包含無(wú)刷的直流場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)。
14.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括向該直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)的電場(chǎng)輸送電功率。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，向定子輸送電功力的步驟包括輸送電功率力，以避免該定子的過(guò)電壓狀態(tài)。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，向該定子輸送電功率的步驟包括從靜態(tài)變頻器輸送電功率。
17.一種燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，包括一根軸；一個(gè)用于在操作時(shí)驅(qū)動(dòng)上述軸并具有起動(dòng)轉(zhuǎn)速的燃?xì)廨啓C(jī)；一個(gè)連接于上述軸的轉(zhuǎn)子；一個(gè)包圍上述轉(zhuǎn)子的定子；一個(gè)直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)，包括連接于上述軸的一個(gè)電樞和包圍上述電樞的向該旋轉(zhuǎn)整流器供電的一個(gè)電場(chǎng)，上述整流器連接于上述轉(zhuǎn)子，從而向該轉(zhuǎn)子提供所有的直流電功率；用于轉(zhuǎn)動(dòng)上述軸的一轉(zhuǎn)動(dòng)裝置；定子電源，用于向上述定子提供頻率和振幅可變的電功率；起動(dòng)控制器，該控制器連接于上述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置和上述定子電源，以便控制轉(zhuǎn)動(dòng)上述軸的上述轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，使得上述直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)向上述轉(zhuǎn)子提供所有的直流電功率；控制上述定子電源，以便隨著上述軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，向上述定子輸送電功率，使得上述定子與上述轉(zhuǎn)子配合，作為一馬達(dá)工作，從而將上述軸的轉(zhuǎn)速提高到上述燃?xì)廨啓C(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)速。
18.如權(quán)利要求17所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，其特征在于，該轉(zhuǎn)子沒(méi)有電刷或滑環(huán)。
19.如權(quán)利要求18所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，其特征在于，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置具有標(biāo)稱轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)速；其中上述起動(dòng)控制器使該軸與該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置一起轉(zhuǎn)動(dòng)，而該軸的轉(zhuǎn)速?gòu)脑摌?biāo)稱轉(zhuǎn)速提高到該高轉(zhuǎn)速。
20.如權(quán)利要求19所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，其特征在于，該定子電源在該軸達(dá)到該高轉(zhuǎn)速時(shí)，向該定子輸送電功率。
21.如權(quán)利要求20所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，其特征在于，基本上在該定子電源開(kāi)始向該定子輸送電功率的同時(shí)，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置與該軸脫開(kāi)。
22.如權(quán)利要求17所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，其特征在于，該燃?xì)廨啓C(jī)具有最長(zhǎng)的起動(dòng)時(shí)間；其中上述起動(dòng)控制器使該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)該軸，并且該定子電源向該定子輸送電功率，使得該軸在該最長(zhǎng)動(dòng)時(shí)間之前達(dá)到該起動(dòng)轉(zhuǎn)速。
23.如權(quán)利要求17所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，其特征在于，該直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)包括一無(wú)電刷的直流電場(chǎng)勵(lì)磁機(jī)。
24.如權(quán)利要求17所述的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)，其特征在于，該定子電源是一靜態(tài)變頻器。
全文摘要
起動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)10的方法包括按一定形式裝配發(fā)電機(jī)，使得發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子16連接成可以從直流電場(chǎng)無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)20的電樞30接收旋轉(zhuǎn)整流器整流后的所有直流電功率。該方法還包括使直流電場(chǎng)無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)20向轉(zhuǎn)子16提供所有直流電功率，提供方法是用轉(zhuǎn)動(dòng)裝置22轉(zhuǎn)動(dòng)軸12，使其驅(qū)動(dòng)直流電場(chǎng)無(wú)電刷勵(lì)磁機(jī)20和轉(zhuǎn)子16。方法還包括在轉(zhuǎn)子12轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，向發(fā)電機(jī)的定子18輸送電功率，使得定子18提供加速轉(zhuǎn)矩而操作為同步馬達(dá)，將軸12的轉(zhuǎn)速提高到起動(dòng)轉(zhuǎn)速。燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)包括起動(dòng)控制器28，用于控制軸12的轉(zhuǎn)速和向定子18輸送的電功率。
文檔編號(hào)F02C7/268GK1653262SQ03810592
公開(kāi)日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2003年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月10日
發(fā)明者R·J·納爾遜 申請(qǐng)人:西門(mén)子西屋電力公司