用于运行双馈异步电机的方法

摘要

本发明涉及一种用于运行双馈异步电机(1)的方法，其具有如下步骤：-由激励单元(4)激励异步电机(1)的转子(3)的励磁绕组(30)，-通过调节用于激励的至少一个电变量来控制激励单元(4)，其中，-在控制期间与异步电机(1)的定子(2)的绕组装置(20)的定子参量无关地调节至少一个电变量，其中，-转子(4)的电流量的或电压的幅值和/或频率作为用于激励的至少一个电变量被调节，从而在定子(2)中实现预设的相位和预设的幅值，其中，-在异步电机(1)的起动过程期间，当转子(3)的转速(46)提高时，将电压的和/或电流量的幅值调节为小于预设的起动极限值，并且将电压的和/或电流量的频率调节至电网(6)的电网频率，定子(2)的绕组装置(20)能够与电网连接，其中，-在将绕组装置(20)与电网(6)连接之后，将电压的和/或电流量的幅值调节至预设的运行值，该运行值比起动极限值至少大一个预设的量。

权利要求

1.一种用于运行双馈异步电机(1)的方法，具有如下步骤：

-由激励单元(4)激励所述异步电机(1)的转子(3)的励磁绕组(30)，

-通过调节用于所述激励的至少一个电变量来控制所述激励单元(4)，其中，-在所述控制期间，与所述异步电机(1)的定子(2)的绕组装置(20)的定子参量无关地调节所述至少一个电变量，其中，-所述转子(4)的电流量的或电压的幅值和/或频率作为用于所述激励的所述至少一个电变量被调节，从而在所述定子(2)中实现预设的相位和预设的幅值，其特征在于，-在所述异步电机(1)的起动过程期间，当所述转子(3)的转速(46)提高时，将所述电压的和/或所述电流量的幅值调节为小于预设的起动极限值，并且将所述电压的和/或所述电流量的频率调节至电网(6)的电网频率，所述定子(2)的所述绕组装置(20)能够与所述电网连接，其中，-在将所述绕组装置(20)与所述电网(6)连接之后，将所述电压的和/或所述电流量的幅值调节至预设的运行值，所述预设的运行值比所述起动极限值至少大一个预设的量。

说明书

用于运行双馈异步电机的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于运行双馈异步电机的方法。

背景技术

[0002] 双馈异步电机具有定子和转子。定子包括绕组装置，该绕组装置在异步电机运行时优选与电网(例如50Hz联合电网)连接。转子具有励磁绕组，该励磁绕组与变流器、尤其逆变器连接。经由该变流器，能够将励磁绕组与电网间接地连接。经由该变流器，能够根据异步电机的运行模式将电能从电网馈入转子中或者从转子馈入电网中。在此，转子的转速能够低于同步转速(次同步运行)或者高于同步转速(超同步运行)。

[0003] 经由励磁绕组对异步电机进行激励。在此，经由对异步电机或转子的激励来调整由定子吸收或输出的电功率(有功功率和无功功率)。为了激励转子或异步电机，将电压经由变流器施加在励磁绕组处和/或将电流馈入到励磁绕组中。为此，变流器具有控制单元，该控制单元经由旋转编码器测量转子的转速和角度并且经由电测量变换器测量绕组装置中的电压的和/或电流的幅值和相位。换言之，根据转子的转速和角度以及根据绕组装置中的电压的和/或电流的幅值和相位来调整对转子的激励。

[0004] 此外，已知无旋转编码器的调节方法，其中经由定子和转子中的电流的和电压的幅值和相位来确定转子的角度。总之，该方法总是涉及用于调节转子电流的转子电压的、闭合的调节回路。

[0005] EP 2 001 120 A2涉及用于双馈异步电机的控制设备。该控制设备具有带有多个级的逆变器电路，该逆变器电路能够通过故障状态控制双馈异步发电机并且识别有故障的孤岛状态。在电网侧为该逆变器电路供应电能。

[0006] EP 2 200 169 A2描述了异步电机在其与供电电网断开时的起动。在达到例如每分钟350转的转速时，该异步电机被消磁，并且然后切断转子电流。由此确保短路开关能够在几乎没有电流的情况下被断开。然后，异步电机再被磁化并且与供电电网同步。异步电机从现在起能够在其正常运行状态下运行。在将短路开关实施为功率开关或负载分离开关的情况下，不需要事先消磁。

[0007] 现有技术的缺点是，必须专门为异步电机设计变流器、特别是逆变器。

发明内容

[0008] 本发明的目的是，实现对异步电机的激励的改进控制。

[0009] 不属于发明的要求保护的部分的是一种双馈异步电机，其具有：

[0010] -具有励磁绕组的转子，

[0011] -包括绕组装置的定子，

[0012] -用于经由励磁绕组激励异步电机的电激励单元，和

[0013] -通过调节用于激励的至少一个电变量来控制激励单元的控制单元。

[0014] 为了实现对异步电机的激励的更容易的控制而提出：控制单元不具有超出控制单元的纯能量供应范围的、到定子的信号连接或电连接，从而能够与绕组装置的电的定子变量无关地由控制单元调节至少一个电变量。

[0015] 激励单元例如是电流源或电压源。定子的绕组装置尤其设计成三相的。在异步电机运行时，三相电流因此作为定子电流流过绕组装置。定子电流表示流过绕组装置的总电流。施加在绕组装置处的电压表示定子电压。在此，定子电压尤其是三相交流电压。定子变量的实例是定子电压、定子电流及其相位(例如相对于彼此和/或相对于电网的相位)。

[0016] 励磁绕组尤其设计成三相的。激励单元因此能够设计用于，将电流量(转子电流)馈入励磁绕组中，和/或将电压(转子电压)施加在励磁绕组处。由此能够实现对异步电机的激励。激励单元能够设置用于，根据异步电机的工作点将电功率馈入励磁绕组中或者从励磁绕组中提取。控制单元能够设计用于，通过调节至少一个电变量影响或控制该电流量和/或该电压。换言之，控制单元能够设计用于，通过预设电变量来控制对异步电机的激励，其中又借助于电变量影响或控制转子电流和/或转子电压。至少一个电变量例如涉及转子电流的和/或转子电压的幅值和/或频率。

[0017] 能够由控制单元调节励磁绕组中的电流量或电压，从而在绕组装置中获得在幅值和/或相位方面预设的定子电流。换言之，控制单元能够设置用于控制激励，从而为定子电流获得预设的幅值和/或相位。因为控制单元不具有到定子的信号连接或电连接，所以在此不存在反馈。能够由控制单元通过调节至少一个电变量与定子无关地或与定子无交互作用地调节与转子相关的变量(例如转子电压和/或转子电流)。例如，控制单元设计用于，对于至少一个电变量调节预设的值。通过对异步电机的激励的这种控制，对激励单元以及对测量单元的要求特别低。

[0018] 控制单元和激励单元能够与电网、特别是50Hz联合电网连接。在该情况下，激励单元能够设计用于，在馈入转子电流时或在将转子电压施加到励磁绕组处时，将电能从励磁绕组馈入电网中或者将电能从电网馈入励磁绕组中。转子或绕组装置能够与电网直接连接。

[0019] 一个设计方案提出：控制单元和激励单元仅为了供应电能而能够与电网连接，并且绕组装置同样能够与电网连接，其中，控制单元和激励单元能够仅以该方式与定子进行信号连接或电连接。换言之，当异步电机在电网处运行时，激励单元和控制单元仅经由电网与定子或绕组装置连接。代替于此，控制单元能够设置用于至少部分地基于电网的频率预设电变量或者转子电流和/或转子电压。

[0020] 特别地，激励单元设计用于将励磁绕组与电网连接。在此，能够由激励单元切换励磁绕组与电网之间的连接。例如，激励单元具有用于将电网电压从电网接通至励磁绕组的至少一个开关元件。至少一个这种开关元件能够由控制单元控制或开关。通过适当开关至少一个这种开关元件，能够在励磁绕组中控制转子电流或转子电压。

[0021] 控制单元尤其设置用于根据开环控制回路控制激励单元。换言之，由于缺乏控制单元到定子的连接，不存在根据定子变量的反馈。特别地，控制单元不设置用于将定子变量与额定值比较。相反，控制单元优选设置用于在无定子变量的情况下调节或控制电变量或转子电流和/或转子电压。

[0022] 一个改进方案提出：控制单元包括存储单元，在存储单元中能够存储用于调节至少一个电变量的特性曲线族，并且控制单元同样设计用于根据特性曲线族控制激励单元。例如，通过特性曲线族固定地预设用于异步电机的一个或多个工作点的至少一个电变量。
控制单元在该情况下能够设置用于，通过将至少一个电变量调节到至少一个预设的特性曲线族值来调节激励单元，该特性曲线族值从特性曲线族读出。经由特性曲线族，能够为异步电机的多个工作点预设匹配的激励。特别地，通过特性曲线族，可以全面地控制激励，而不必使用反馈。例如能够在异步电机测试运行时确定或记录特性曲线族。

[0023] 一个改进方案提出：将旋转角度传感器或转速传感器安装在异步电机的轴上。该轴能够与转子机械连接。特别地，该轴设置在转子处并且相对于转子均匀地旋转。控制单元能够设计用于使用其一个或多个信号，以便从转子的转动角度和/或转动方向和转速以及转子交变场的角度和/或转动方向和频率得出定子交变场的角度和/或转动方向和频率。由此，例如能够确定并且监控为定子馈电的电网的频率，而不直接测量定子变量。

[0024] 如果从另外的源头已知为定子馈电的电网的频率，例如在50Hz联合电网处运行时或通过电网的与在此描述的设备无关的控制或调节已知，则还可行的是，将电网的频率与转子交变场的频率和转速的差比较，并因此监控使得定子交变场和转子交变场同步运行(同步性)并且异步电机不翻倒。特别地，控制单元在该情况下能够预设电网的已知频率。控制单元能够设计用于，执行上述比较和/或监控。在该情况下也不需要由控制单元测量定子电流或定子电压。

[0025] 一个改进方案提出：激励单元设计为变流器。特别地，激励单元能够设计为逆变器。变流器能够设置用于，相对于电网电压调整转子电流的和/或转子电压的相位、频率和/或幅值。换言之，变流器能够整流电网电压，使得转子电流的和/或转子电压的相、频率和/或幅值对应于由控制单元调节的至少一个电变量。该变流器是经由电网可控地激励转子的简单且有效的可行方案。

[0026] 一个改进方案提出：激励单元普遍与异步电机无关地设置用于提供或转换电能。换言之，激励单元优选不专门设计用于异步电机激励的目的，而是可普遍使用，例如作为变流器或逆变器。特别地，通过将可普遍使用的变流器用作为激励单元的可行方案，获得异步电机的特别简单的构造。

[0027] 异步电机能够与负载或驱动器连接。例如，异步电机的作为转子一部分的轴具有用于将轴与负载或驱动器耦联的耦联元件。负载例如是机械负载，比如能由异步电机驱动的机械机器，或者是电机、所谓的负载机。特别地，负载能够由异步电机在异步电机的电动机运行模式下运行。异步电机能够设置用于，在电动机运行模式下将转矩传输到负载上。驱动器例如是电机、涡轮机(例如发电厂中的涡轮机)或风力设备的风力涡轮。异步电机能够设置用于从驱动器接收转矩。能够由驱动器使异步电机旋转。特别地，异步电机在异步电机的发电机运行模式下能够由驱动器驱动。

[0028] 能够将扭转缓冲器设置在异步电机的轴处。扭转缓冲器能够占据转子的转动惯量的预设份额。例如，扭转缓冲器具有转子的转动惯量的10％的份额。扭转缓冲器尤其是弹性地设置在轴处的附加转动惯量。通过弹簧元件的缓冲能够将轴的振动最小化。

[0029] 可替换地或附加地，例如能通过将风扇叶轮装在轴上的方式实现缓冲。

[0030] 扭转缓冲器、风扇叶轮和负载(特别是负载机)是如何能在运行中减小异步电机的振动的实例。通过将异步电机与负载连接能够减小或补偿振动，该振动能够由激励单元和控制单元的所描述的结构产生。同样能够通过使用扭转缓冲器来减小或补偿该振动。在常规的异步电机中不需要这种措施，常规的异步电机的激励能够通过闭环控制回路中的反馈来调节。

[0031] 作为本申请范围中的发明，提出保护一种用于运行双馈异步电机的方法。该方法基于如下步骤：

[0032] -由激励单元激励异步电机的转子的励磁绕组，并且

[0033] -通过调节用于激励的至少一个电变量来控制激励单元。

[0034] 在此提出：在控制期间，与异步电机的定子的绕组装置的定子变量无关地调节至少一个电变量。换言之，能够无反馈地调节电变量。在此，例如仅根据与转子相关的变量来调节电变量。

[0035] 根据本发明的方法适合运行在此描述的类型的双馈异步电机。根据本发明的方法和异步电机因此彼此相关。出于该理由，根据本发明的方法的特征也用于改进该异步电机，并且反之亦然。因此，在此不重新描述已经在异步电机的说明中描述的特征。

[0036] 在根据本发明的方法中提出：根据开环控制回路调节用于激励的电变量。换言之，根据开环控制回路控制对异步电机或转子的激励。这表示，放弃基于定子变量的反馈。特别地，根据特性曲线族来预设电变量。

[0037] 此外提出：电压(转子电压)的或电流量(转子电流)的幅值和/或频率作为用于激励的至少一个电变量被调节，从而在定子中实现预设的相位和预设的幅值。特别地，由此在定子的绕组装置中实现定子电流的或定子电压的预设的相位和预设的幅值。在此，例如计算定子电流的相位和/或幅值，因为弃用定子变量(例如定子电流或定子电压)的反馈。例如，在特性曲线族中存储转子电流的或转子电压的频率和/或幅值的值，对于该值得出定子电流的或定子电压的预设的幅值和预设的相位。该方式能够特别简单地控制对转子的激励。

[0038] 还提出：在异步电机的起动过程期间，将电压(转子电压)的和/或电流量(转子电流)的幅值选择为小于预设的起动极限值，并且将电压(转子电压)的和/或电流量(转子电流)的频率调节至电网的电网频率，定子的绕组装置能够与该电网连接。在起动过程期间和/或在异步电机运行中，尤其将定子或绕组装置与电网连接。此外，励磁绕组优选直接经由激励单元与电网连接。激励单元优选是变流器、尤其逆变器。因此，例如能够测量在转子处或激励单元处的、电网的电网频率。能够固定地预设起动极限值，例如通过特性曲线族预设。随后，作为起动过程的一部分，能够将定子的绕组装置与电网连接或接通。在此，能够自动地调节转子和定子相对彼此的相位。在将绕组装置接通到电网上时，补偿电流能够流通。此外，能够产生作用于转子上的转矩，通过该转矩能够由转子的定向调节转子和定子相对彼此的相位。通过将转子电压的和/或转子电流的幅值选择为小于起动极限值，能够将补偿电流保持为小于预设的极限值。因此，这是特别必要的，因为由于缺乏反馈或由于开放的控制(根据开环控制回路)不预设或不能调节转子和定子的单独的相位。然而，通过所描述的起动过程，将相位自动地调节至连续的值。

[0039] 还提出：在将绕组装置连接或接通到电网处/电网上之后，将电压的和/或电流量的幅值调节至预设的运行值。在此，预设的运行值尤其比起动极限值至少大一个预设的量。在此，运行值能够匹配于异步电机的转矩或额定功率。由此，能够将预设的起动极限值预设为减小一个预设的量的值。

[0040] 当异步电机已经旋转时，也能够实施该起动过程。例如，当异步电机作为发电机运行并且由驱动机器置于特定转速时就是这种情况。为了使补偿电流和转矩在平衡过程期间尽可能小，能够预设转子交变场的频率和方向，以使转子交变场的旋转频率连同转子的转速一起大致得出定子交变场的旋转频率。在此，转子交变场能够沿着转子的转动方向以及反向于转子的转动方向运动。

附图说明

[0041] 根据附图的以下描述，能够得出另外的特征和优点。在附图中，相同的附图标记表示相同的特征和功能。实施例仅用于阐述本发明并且不应限制本发明。

[0042] 附图示出：

[0043] 图1示出与电网连接的双馈异步电机的方框图；

[0044] 图2示出与转子和定子相关的电变量在异步电机的起动过程期间的变化曲线；

[0045] 图3示出与转子和定子相关的另外的电变量在异步电机的起动过程期间的变化曲线；

[0046] 图4示出异步电机的可行的布置的方框图；以及

[0047] 图5示出异步电机的可行的布置的另外的方框图。

具体实施方式

[0048] 图1示出双馈异步电机1的方框图，其包括定子2、转子3、激励单元4以及控制单元5。转子3的励磁绕组30经由激励单元4能够与电网6连接。(在附图中仅非常示意性地示出的)绕组装置20能够经由开关单元21与电网6连接。在此，绕组装置20尤其设计成三相的，因此连接22具有三相支路。开关单元21能够是异步电机1的一部分。借助于开关单元21，能够切换定子2与电网6之间的电连接22。特别地，能够通过开关单元21断开电连接22。

[0049] 能够经由转子3的励磁绕组30激励转子3或异步电机1。在此，经由激励单元4进行激励。由控制单元5控制激励，该控制单元预设用于激励的至少一个电变量。控制单元5能够包括存储单元50，在该存储单元中能够存储用于调节至少一个电变量的预设的标准。例如，在存储单元50中存储用于至少一个电变量的特性曲线族。

[0050] 调节用于激励的至少一个电变量尤其涉及励磁绕组30中的电流量(转子电流)的或电压(转子电压)的幅值和频率。换言之，优选调节用于激励的至少两个电变量。通过调节至少一个电变量，能够控制对异步电机1或转子3的激励。

[0051] 激励单元4在此设计为变流器，尤其设计为逆变器。经由激励单元4控制或调节励磁绕组30的转子电流和/或转子电压，以使转子电流或转子电压对应于由控制单元5调节的至少一个电变量。例如，激励单元4具有一个或多个由控制单元5控制的开关元件。开关元件尤其是晶体管，优选是场效应晶体管或者IGBT(绝缘栅双极晶体管)。

[0052] 通过激励单元4，能够根据异步电机1的运行状态将电功率从励磁绕组30馈入电网6中或从电网6馈入励磁绕组30中。

[0053] 由控制单元5与定子2的电的定子变量完全无关地控制对异步电机1或转子3的激励。定子变量的实例例如是定子电流或定子电压。定子电流和定子电压例如是绕组装置20的各个相的各个相电流、以及从其中得出的总电流或者从其中得出的总电压。定子变量的其他实例是转子3相对于定子2的转速以及转子3相对于定子2的角度。在此，其是如下变量，该变量根据现有技术例如由定子的旋转编码器测定。

[0054] 在此，基于开环控制回路控制对转子3的激励或至少一个电变量。因此，能够弃用定子2与激励单元4以及控制单元5之间的交互。在特性曲线族中，对于异步电机1的多个工作点或工作状态能够预设用于至少一个物理变量的不同的值。因此，独立于与定子相关的变量地进行对转子电压或转子电流的控制。

[0055] 由于与定子2缺乏交互作用，激励单元4能够被设计为可通用的变流器。特别地，不必将激励单元4特别匹配于异步电机1。在此仅由控制单元5进行对异步电机1的激励的匹配。

[0056] 特别地，定子2或绕组装置20在异步电机1正常运行时直接地、也就是不受调节地与电网6连接。这表示，开关单元21建立相支路与电网6的直接电连接22。如果电网6是常规的50Hz联合电网，则电网6的电网电压被固定地预设并且不能由作为电动机或发电机的异步电机1的运行改变。因此，电网6在该情况下是电压源。对于该情况证明有利的是，以引导电流的方式控制对转子3的激励。换言之，预设用于转子电流的至少一个电变量。激励单元4在该情况下是电流源。

[0057] 通常可行的是，将绕组装置20和励磁绕组30分别连接至电流源或电压源。然而证明有利的是，将绕组装置20连接至电流源并且励磁绕组30连接至电压源，或者相反将绕组装置20连接至电压源并且励磁绕组30连接至电流源。因为定子2优选固定地与通常为电压源的电网6连接，因此证明有利的是将激励单元4设计为电流源。

[0058] 有利地，转子3或者作为转子3的部件或与转子3连接的轴具有扭转缓冲器。扭转缓冲器具有转动惯量，该转动惯量例如为转子3的10％。扭转缓冲器的转动惯量能够弹性地设置在轴处。特别地，扭转缓冲器的转动惯量弹性地并且缓冲地与轴连接。可替换地或附加地，能够将风扇叶轮设置在轴处。

[0059] 图2示出在时间t(以秒为单位)的尺度上的多个与定子和转子相关的电变量。图2示出转子电流10、转子电压11、定子电流12和定子电压13。在此示出分别以伏特(V)为单位的四个变量。在此，异步电机在时间t为0秒(s)时处于静止状态。因此，图2示出异步电机1的起动过程。异步电机1的起动过程在控制激励的当前方法中尤其重要，因为定子2和转子3的场通常首先不对准。这表示，定子2与转子3之间的相位首先不被限定。首先需要将转子3和定子2的场相对彼此定向。

[0060] 为此，根据图2，转子3首先借助转子电流10运行，该转子电流的幅值小于预设的起动值。该起动值比预设的运行值小一个预设的量，在异步电机1的正常运行中、例如在额定功率中将转子电流10的幅值调节至该预设的运行值。通过将转子电流10馈入励磁绕组30中，获得在励磁绕组30处的转子电压11。转子电流10的频率被确定为电网6的电网频率。定子2或绕组装置20首先还与电网6分开。

[0061] 定子2或绕组装置20与电网6连接。这例如通过闭合控制单元21的相应的开关实现。

[0062] 由此得到补偿过程，其中电流在绕组装置20中流动并且产生作用于转子3的转矩，使得转子3在定子2的场中定向。由此，匹配地调节定子2与转子3之间的相位。特别地，预设的起动极限值选择得足够小，使得补偿电流不超过一个预设的量。

[0063] 在异步电机1中可以选择转速。换言之，异步电机1提供调节转速的可能性。这尤其通过连续改变定子2的或转子3的频率实现。特别地，连续改变定子电流的和/或定子电压的频率或者转子电流的和/或转子电压的频率，以便改变转速。通过连续改变频率，不会失去定子2与转子3之间的同步。除了转子电流的和/或转子电压的频率(旋转频率)之外，还能改变转子交变场的旋转方向，从而能实现转子的任意转速。可替换地或附加地，能改变转子电流的或转子电压的幅值，以便控制异步电机1的有功功率或无功功率。例如，通过预设用于转子电流的或转子电压的幅值的、预设的值，将异步电机1的有功功率和/或无功功率调节至另外的预设值。

[0064] 图3示出异步电机1的相同的起动过程，其中在相同的时间t(以秒为单位)的轴上表现另外的变量：转子40的无功电功率(以kVA为单位)，定子41的无功电功率(以kVA为单位)，转子42的有功电功率(以kW为单位)，定子43的有功电功率(以kW为单位)，异步电机44的机械功率(以kW为单位)，以及转子的转速46(以每分钟转数rpm为单位)。

[0065] 图4和图5分别示出具有异步电机1的布置。其在此能是用于异步电机1的试验台。例如能在该试验台上建立用于异步电机1的特性曲线族。

[0066] 图4示出测试环境中或试验台上的异步电机1。在此，异步电机1处于发电机运行模式中。当前，经由两个负载机64机械驱动异步电机1。将电能从异步电机1的转子3馈入电网6中。此外，将电能从异步电机1的定子2馈入异步电机60中。这两个负载机64由相应的逆变器63控制。又经由以电压调节的逆变器61、62为逆变器63供应电压。激励单元4在该实例中被设计为以电流调节的逆变器。由图4得出电的和机械的能量流。

[0067] 图5示出异步电机1的另外的测试构造。在此，激励单元4也被设计为以电流调节的逆变器。在此，将来自异步电机1的定子2的电功率直接输送给以电压调节的逆变器61。在图5的实例中，该测试构造仅具有一个经由逆变器63控制的负载机64。