TW201338355A - 無齒輪風力發電裝置之發電機 - Google Patents
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Abstract
本發明係關於一種包括一定子(4)及一轉子部件(2)之一無齒輪風力發電裝置(100)之發電機(1),該發電機包含:定子繞組(8),其用於產生複數個交流電,特定而言至少三個相互位移相之交流電;整流構件(10),其用於整流該等交流電;及至少兩個直流電匯流條(12、14),其用於收集該等經整流交流電。
Description
本發明係關於一種一無齒輪風力發電裝置之發電機以及一種整流器及一風力發電裝置。
風力發電裝置眾所周知。其將能量自風轉換成電能。在彼情形中,風驅動一氣動轉子,此繼而驅動一發電機。在彼情形中,可劃清尤其在兩種一般類型之風力發電裝置(即其中在氣動轉子與發電機之間存在一齒輪傳動之風力發電裝置及以無齒輪方式操作之風力發電裝置)之間的一區別。
無齒輪風力發電裝置由其使用一緩慢旋轉之多極發電機(特定而言一環式發電機)而辨別,其由於所涉及之原理而因此亦係一大直徑,特定而言,具有一大氣隙直徑。現今,現代無齒輪風力發電裝置可涉及多達10 m之一氣隙直徑。現今,至少約4.5m之氣隙直徑係完全常見的。本發明特定而言亦係關於此等發電機。
在操作中,此等發電機通常涉及至少一個三相交流電系統,通常使用兩個三相系統。若每一相之線圈或繞組部分分別串聯連接,則每一相之繞組必須攜載彼相之全部電流。因此,意欲提供極厚導體或導體線股以能夠攜載彼電流。為避免此情形,可將每一相之繞組劃分成以相互並聯關係連接之繞組部分。彼具有以下優點:可使用預製線圈,藉此(特定而言)可增加填充因數。此等繞組部分因此分佈於發電機之整個周邊上方且並聯電路可以針對每一相的一周邊延伸匯流條之方式而實施。彼周邊延伸匯流條然後收集該相之電流。此一匯流條之
電流然後實質上對應於其中一相之所有繞組部分串聯連接之變體之繞組線中出現之電流。彼等電流可然後基本上以相同方式用於兩個變體中供用於進一步處理(即饋送至一電網路中),只要其藉助一整流器而整流且因此準備用於一換流器供用於饋送至該網路中即可。
複數個繞組部分之並聯電路公認地准許剖面比在串聯連接之情形中小之各別繞組線,但匯流條之使用亦可產生問題。特定而言,兩個三相系統需要六個匯流條。彼等匯流條可組合成其間具有適合絕緣之六個圓形環之形式以給出一大約圓柱形匯流條主體,而該主體可採取產生關於所需空間之問題之外側尺寸。特定而言,其可妨礙固定發電機(即發電機之定子)或導致固定發電機(即發電機之定子)有困難。
德國專利及商標局在關於本申請案之先前申請案中搜尋隨後目前最佳技術:DE 197 29 034 A1、DE 20 52 808 A、US 6 894 411 B2、US 2009/0212568 A1、US 2010/0072834 A1、EP 2 472 714 A1及WO 2006/100420 A1。
因此,本發明之目標係解決上文所提及之問題中之一者且特定而言係關於所產生電流之電流分佈而改良一無齒輪風力發電裝置之一發電機,且特定而言亦係提出涉及最小可能空間需求之一解決方案。至少本發明力圖找到一種替代解決方案。
因此,根據本發明提出一種如技術方案1之發電機。根據其,該發電機具有一定子及一轉子部件。該定子攜載用於產生複數個交流電(特定而言至少三個相互位移相之交流電)之定子繞組。本發明亦提供用於整流該等交流電之整流構件。該等整流構件因此係該發電機之部分。在該定子上或緊毗鄰於該定子提供用於收集經整流以給出直流電之該等交流電之直流電收集線,特定而言,直流電匯流條。該等直流電匯流條亦因此係該發電機之部分且該等整流構件安置於該等定子繞組與該等匯流條之間(特定而言,與其互連)且亦局部地配置於彼處。
該等直流電匯流條因此接收所有所產生及經整流電流。特定而言,當僅存在兩個直流電匯流條(即一個針對正電位且一個針對負電位)時,全部經整流電流以每一直流電匯流條之方式流動。出於彼原因,該等直流電收集線期望呈直流電匯流條之形式。該定子上之一固定局部配置亦期望藉助一條來實施,在此情形中,一不同種類之直流電收集線並非毫無可能。
因此,該解決方案提供,該等所產生交流電已在該發電機處(即在該定子處)經整流,且僅經添加以給出一對應大直流電之該等經整流電流自其產生之位置被傳遞。此處,特定而言,基本概念係一無齒輪風力發電裝置之該等發電機係一大局部範圍。在5 m之一直徑之一發電機之情形中,此給出超過15 m之一周邊,該等電流之一部分必須藉助該等對應線沿著該周邊傳遞。甚至在一個三相電流之情形中,至少三個線亦將必須出於彼目的而提供。在一個六相系統之情形中,意欲提供甚至六個線,此取決於電流值亦可以匯流條之形式提供。現場整流意指仍必須提供僅兩個直流電匯流條。
另外,若整流定向於發電機處而實現,則可節省一單獨整流器。發電機之該等整流構件可由至少一對二極體或至少一對閘流體分別形成,在此情形中,一各別二極體或閘流體配置於該等定子繞組之一交流電端子與一直流電匯流條之間且另一個二極體或另一閘流體配置於彼交流電端子與該第二直流電匯流條之間。基本上以已知方式、使用已知整流構件實現整流,在彼方面,該等整流構件(特定而言)在尺寸上適於彼發電機之特定結構。
在一實施例中,發電機呈一同步發電機(特定而言,一單獨激發之同步發電機)之形式,且在彼方面較佳地呈一外部轉子部件之形式。在一同步發電機之情形中,一轉子部件藉助一固定磁場而旋轉,在該單獨激發之同步發電機之情形中該固定磁場藉由若干對應直流電
或一對應直流電作為激發器電流而產生,且由於該旋轉運動,該轉子部件在該定子中及因此在該等定子繞組中產生一對應旋轉場及藉此複數個交流電。在呈一外部轉子部件之形式之組態中,該定子相對於該轉子部件向內安置,藉此沿一向內方向為該定子之組態保留大量空間。因此,存在用於配置該等整流構件及該等直流電匯流條之空間以及用於提供亦可用於冷卻該等整流構件之一冷卻系統之空間。
在一實施例中,提出,該等匯流條係一環形組態且大約沿著該定子及/或該等整流構件延伸,及/或該等直流電連接線(特定而言,直流電匯流條)固定至該發電機(特定而言,該定子)(特定而言,以使得其與該發電機一起冷卻之一方式)。在彼情形中,該等直流電匯流條以使得提供用於該發電機之冷卻亦針對該等直流電匯流條及/或該等整流構件起作用之一方式相對於或在該定子或者該定子或該發電機之一冷卻器件及/或一冷卻體處安置。特定而言,該配置經如此選擇使得用於冷卻該發電機之一氣流亦為該等直流電匯流條及/或該等整流構件提供冷卻作用。以彼方式,該定子可(特定而言)針對該等整流構件執行冷卻。
在一實施例中,提出,該等交流電形成具有至少三個相之一系統,亦即,一個三相系統,特定而言,一個六相系統。在彼方面,一個六相系統特定而言係包括兩個三相系統之一系統。一個三相系統之相相對於彼此位移120°且兩個三相系統相對於彼此位移約30°以使得然後存在六個相,其中兩個毗鄰相分別位移30°。該等定子繞組針對每一相各自具有一各別相繞組。
較佳地將該等相繞組細分成相繞組部分。因此,對於六個相之實例而言,基本上存在一組定子繞組,即定子之所有繞組之全部,六個相繞組且總體針對全部定子至少12個相繞組部分,即對於該特定實例而言,針對每一相存在至少兩個相繞組部分。
每一相繞組部分以整流構件中之一者之方式連接至至少兩個匯流條。因此,針對每一相繞組部分實施整流且將相繞組部分之各別交流電以經整流形式作為一直流電饋送至兩個匯流條上。因此,在上文實例中,將提供至少12個整流構件且因此將直流電傳遞至分佈於發電機上方之12個位置處之匯流條中。
特定而言,以一共同中性點(star point)之方式分別連接三個相。在具有六個相以及六個相繞組及12個相繞組部分之前述實例中,六個相繞組部分將分別具有一共同中性點。因此,存在兩個共同中性點,即針對兩個三相系統中之每一者存在一個共同中性點。
因此,可提供可藉助全部發電機之兩個直流電匯流條而解決問題的相繞組部分之一並聯連接。由於中性點處之基本上常見之互連,關於整流需要考量每各別相繞組部分僅一個連接點。
若提供沿發電機上方之周邊方向分佈之至少六個整流構件,較佳至少12個、至少24個或至少48個整流構件,則上述情形係期望的。在彼方面,期望使用相數之倍數作為整流構件之數目以使得針對每一相分別提供複數個整流構件,更具體而言(特定而言)亦存在對應數目個相繞組部分。提供可隨後各自證明係對應小大小之極多整流構件係基本上有利的。因此,一方面,將一熱源劃分成諸多小熱源以使得該熱源按空間分佈。另一方面,與若半導體組件係一尤其大之組態相比,如二極體或閘流體之較小半導體組件基本上更適合形成一大量生產物項且因此可廉價地且以試驗及測試方式使用。另外,最後可避免整流構件之一特定外殼。更具體而言,此變體使得可避免整流發電機之全部電流之一精巧整流器。此一單獨整流器可證明係極大的,且需要設計用於對應高電流之半導體組件及對應高電流需要之冷卻。替代地,提出,直接在交流電產生處對其進行整流,且因此其在被添加在一起以給出一高交流電之前予以整流。
較佳地,發電機具有至少500 kW,至少1 MW,特定而言至少2 MW之一標稱功率。彼強調,使用一大的現代發電機,其中上文所提及之問題可發揮一大作用。特定而言,就對所產生電流之進一步處理而言,彼種類之一大發電機亦需要表示一特定及因此昂貴且產生熱之器件之一對應大整流器。因此,甚至在一風力發電裝置之罩艙中可為整流器節省一對應切換櫃。
在另一實施例中,提出,發電機呈一緩慢旋轉之發電機及/或具有至少48個,至少72個,至少96個,特定而言至少192個定子極之一多極發電機之形式及/或呈一個三相或六相發電機之形式。尤其在此等多極發電機之情況下,所提出解決方案可由於此處諸多整流構件可分佈於發電機上方以便分別整流所產生電力之電流之一小部分而得以高效地使用。原則上,亦可使用藉由提供整流構件及直流電匯流條而得以改進之一已知三相或六相發電機。
另外,根據本發明,亦提出一種用於整流由一發電機產生之複數個交流電之環式整流器。此一環式整流器包含用於整流該等所產生交流電中之一各別者之至少三個整流構件,且其包含配置成一環形式且在其大小上適於該發電機以用於接收該等經整流交流電之至少兩個直流電收集線(特定而言,直流電匯流條)。特定而言,該環式整流器係如前文中所闡述之兩個匯流條與該等整流構件一起之一組態,其中該等整流構件經調適為分別連接至一相繞組或相繞組部分以便在彼處接收及整流該所產生之交流電。該環式整流器特定而言經調適以經如此連接至一發電機使得該環式整流器與該發電機一起形成一新發電機,即如前述實施例中之至少一項中所闡述。
較佳地,該環式整流器之特徵在於該等整流構件受控且連接至用於控制該等整流構件之控制線。此一組態特定而言係關於由必須予以致動之閘流體及/或IGBT形成之整流構件。此外,此等控制線亦可
經提供用於所闡述之發電機以便致動彼處之該等經整流構件。有時,(舉例而言)關於在該等對應半導體組件處之損耗,可藉由完全或部分控制之整流構件而改良整流。另外,就藉由整流器(亦即,此處藉由整流構件)控制發電機以作用於自發電機獲取之電流上及因此作用於發電機上以便可部分地控制發電機而言有時可係有利的。
進一步意欲提供一種具有如前述實施例中之至少一者中所闡述之一發電機之風力發電裝置。其較佳具有如上文所闡述之一環式整流器。
後文中參考附圖以實例方式藉助於實施例更加詳細地闡述本發明。
1‧‧‧發電機
2‧‧‧轉子/轉子部件
4‧‧‧定子
6‧‧‧極/定子極
8‧‧‧定子繞組/相繞組部分
10‧‧‧整流構件
12‧‧‧直流電匯流條/正直流電匯流條/匯流條
14‧‧‧直流電匯流條/負直流電匯流條/匯流條
16‧‧‧閘流體
16'‧‧‧閘流體
18‧‧‧直流電輸出/直流電連接
20‧‧‧繞組架頭
22‧‧‧交流電連接
24‧‧‧控制線/致動線
26‧‧‧環式整流器
100‧‧‧無齒輪風力發電裝置/風力發電裝置
102‧‧‧塔柱
104‧‧‧罩艙
106‧‧‧轉子
108‧‧‧轉子葉片
110‧‧‧旋轉體
601‧‧‧發電機
602‧‧‧轉子部分
604‧‧‧定子
L1至L6‧‧‧交流電條/交流電匯流條
P1至P6‧‧‧相
圖1展示一風力發電裝置之一透視圖,圖2圖解性地展示具有轉子、定子、直流電匯流條及整流構件之一發電機,圖3圖解性地展示具有直流電匯流條及整流構件之一環式發電機之一部分之一剖面圖,圖4展示具有圖3之整流構件之直流電匯流條之一放大圖,圖5展示來自兩個直流電匯流條之一部分之一透視圖,且圖6圖解性地展示根據具有六個交流電匯流條之目前最佳技術之一發電機之一部分。
下文中,完全相同之參考符號可用於相似但可不完全相同之元件或由於圖解視圖並未完全相同地圖解說明之元件。針對完全相同或類似之元件可採用不同比例尺。
圖1展示具有一塔柱102及一罩艙104之一風力發電裝置100。具有三個轉子葉片108及一旋轉體110之一轉子106配置於罩艙104上。在操作中,轉子106由風致使旋轉且藉此驅動罩艙104中之一發電機。
圖2圖解性地展示具有以高度簡化形式展示之一轉子或轉子部件2及一定子4之一發電機1。在正常操作中,轉子部件2相對於定子4旋轉,在正常操作中,定子4至少相對於轉子部件之旋轉運動靜止。圖解性地圖解說明之定子4具有24個極6。具有24個極之視圖僅係出於圖解說明目的而選擇。而本發明較佳既定針對實質上更多個極。此處比在一相當的實際系統中實質上大的極6之間的間距並非一重要考量且僅係圖解視圖之一結果。而是,圖2意欲用以圖解說明發電機之周邊上方之互連及其局部分佈。
參考圖2,每一極6具有一相繞組部分8。在圖2視圖中,每一相繞組部分8與一極6相關聯。然而,彼僅係一說明性實例。同樣,一相繞組部分8可係複數個定子極之繞組之串聯連接。
在圖2之說明性實例中,在任何情況下存在總共24個相繞組部分8,更具體而言,針對每一相存在四個各別相繞組部分。在圖2中該等相由P1至P6表示。兩個毗鄰相分別相對於彼此位移30°。因此,存在兩個三相系統,即具有相P1、P3及P5之一第一個三相系統及具有相P2、P4及P6之一第二個三相系統。在此情形中,一個三相系統之相(亦即,一方面為P1、P3及P5以及另一方面為P2、P4及P6)以一共同中性點之方式分別互連,然而,在圖2中未展示該共同中性點。
每一相繞組部分8以一整流構件10之方式連接至兩個直流電匯流條12、14,即正直流電匯流條12及負直流電匯流條14。每一整流構件10出於整流目的而具有兩個二極體。此處,二極體出於圖解說明目的而用作習用整流元件。替代二極體,亦可(舉例而言)使用閘流體或IGBT。
因此,在本實例中,24個整流構件10分佈於發電機1之周邊上方,特定而言,定子4之周邊上方。在此實例中,每一相劃分成四個各別相繞組部分8且因此整流亦針對四個不同位置處(更具體而言,大
約以90°間距分佈於發電機上方)之每一相而實現。在所圖解說明之實例中,因此24個交流電由24個整流構件10整流且最後將所得直流電部分以在兩個直流電匯流條12及14中出現之一直流電或一正直流電及一負直流電之形式添加。兩個直流電匯流條12及14因此攜載由發電機1產生之所有電力且以一直流電輸出18為其提供一對應直流電電壓UDC。在所圖解說明之實例中僅須分別整流最終由直流電匯流條12及14攜載之第1/24之電力之整流構件10可係對應小本質。因此,亦可設想廉價且經試驗及測試之相當標準組件之使用。
圖2展示具有相對於彼此之一不同直徑且相對於定子4之一較大直徑之直流電匯流條12及14。然而,在圖2中之視圖僅係一圖解說明且較佳定子4、正直流電匯流條12及負直流電匯流條14相對於彼此軸向地而非徑向地間隔。
圖3展示來自發電機1之一部分的處於發電機之周邊方向中之一視圖。在此情形中,發電機1具有一轉子部件2及具有繞組架頭20之一定子4。一正直流電匯流條12及一負直流電匯流條14展示於圖3中之左手側處之定子4上且因此處於軸向方向中。整流構件10配置於彼兩個直流電匯流條12、14之間且以一交流電連接22之方式連接至(然而)在圖3中並未更加詳細地展示之一對應繞組,特點而言,一相繞組部分。
因此,所圖解說明之發電機1以使得轉子或轉子部件2相對於定子4旋轉之一方式操作,在此情形中,在定子4中產生複數個交流電,該複數個交流電以整流構件10之方式分別經整流且施加至兩個直流電匯流條12、14上。因此,提供一轉子2或轉子部件2及一定子4,亦存在一正直流電匯流條12及一負直流電匯流條14但存在極多整流構件10(在圖3中僅展示其中一者)。
在彼方面,圖2圖解性地展示此等整流構件10在發電機1之周邊
上方之分佈。另外,可將正直流電匯流條12與負直流電匯流條14及該複數個整流構件10以及最後直流電連接18視為一環式整流器。可將交流電連接22部分地視為此一環式整流器之一元件。因此,可與發電機1之其餘部分分離地製備此一環式整流器且在與發電機1之其餘部分組裝後僅需在其交流電連接22處將其電連接至各別相繞組部分8。
在此情形中,直流電匯流條12、14之提供亦可提供總體上機械穩定之一結構。
圖4展示來自圖3之一部分,即正直流電匯流條12、負直流電匯流條14、整流構件10(由於所圖解說明之視圖,圖4中之視圖僅展示其中之一者)及若干交流電連接22(圖4亦僅展示其中之一者)。整流構件10可具有兩個閘流體16'作為各別整流組件。交流電連接22配置於兩個閘流體16'之間。閘流體16'可以控制線24之方式致動。當使用IGBT時,其亦將必須被致動,且彼可藉由致動線24或經適合調適之致動線而達成。
來自圖3之部分(亦即圖4中所展示)因此圖解說明一環式整流器26。當如圖3中所展示該環式整流器連接至發電機1(特定而言,定子4)時,彼環式整流器26係發電機1之部分。另外,圖4中亦圖解性地指示直流電連接18。
圖5展示一環式整流器26之一部分之一透視圖。圖5展示正直流電匯流條12相對於在圖5中安置於其後之負直流電匯流條14之配置。具有交流電連接22之整流構件10出於圖解說明目的而展示於彼兩個直流電匯流條12、14之間。在整流構件10中,該圖展示呈一基本上圓形組件之形式之一閘流體16'。自然地,在圖5中之前部處之正直流電匯流條12將實際上隱藏此處僅出於圖解說明目的而展示之彼閘流體16'。
基於圖3中所採用之視角,圖6展示具有一轉子部件602及一定子
604之一發電機601。此配置亦具有以逐相關係連接至一個別交流電條L1至L6以提供並聯電路之複數個相繞組部分。交流電條L1至L6配置於左側且因此處於自所圖解說明視圖中之定子604之軸向方向中。應看出,此處存在一相當大之空間需要,但其中甚至不含有半導體組件。然而,在所圖解說明之已知解決方案中,意欲針對每一相提供一單獨交流電匯流條,且彼匯流條與其他組件電絕緣。所有六個交流電匯流條L1至L6亦必須經充分地機械固定,此可由於所圖解說明之空間組態而導致問題。
因此圖6表明,在一大環式發電機中互連預製線圈需要匯流條。因此,具有複數個相之發電機需要對應數目個此等匯流條環,即每相一個。因此,提出,構造一環式發電機以避免問題及因此(特定而言)減小環之數目且在彼方面亦較佳地使用可用容積。該解決方案提供藉助兩個直流電匯流條12及14(亦即藉助兩個環)解決問題之可能性。針對所提出解決方案,該等相繞組部分亦可藉助於預製線圈而實施。此等預製線圈適合地配合於對應定子極(如(舉例而言)圖2中之極6)上方之定子中。
所圖解說明之解決方案需要較多部件及(特定而言)較多整流構件。然而,如此之整流構件在結構上較小。較小單元將因此各自傳輸較少能量。因此,本發明提供在定子中以並聯關係連接預製線圈之一有利可能的方式。
因此,在其中定子繞組以並聯關係連接之一發電機中,提議係藉由使用一環式整流器解決由於匯流條產生之容積問題。該環式整流器可如此設計使得繞組配備包括二極體、閘流體或IGBR之小整流器且以條之方式一起連接至正及負。若所有繞組以一環之方式連接至一中性點,則可藉此將此等匯流條之環的數目最小化至少至兩個,可能三個。若此一整流器安裝於發電機上,則其可藉助發電機冷卻系統予
以冷卻。取決於所涉及各別設計組態,不需要提供額外外殼或額外冷卻系統。因此,所提出解決方案提供整流器與發電機之整合之可能性。使得發電機冷卻系統之使用成為可能且在彼方面該解決方案節省空間。
1‧‧‧發電機
2‧‧‧轉子/轉子部件
4‧‧‧定子
6‧‧‧極/定子極
8‧‧‧定子繞組/相繞組部分
10‧‧‧整流構件
12‧‧‧直流電匯流條/正直流電匯流條/匯流條
16‧‧‧閘流體
18‧‧‧直流電輸出/直流電連接
22‧‧‧交流電連接
P1至P6‧‧‧相
Claims (10)
- 一種包括一定子(4)及一轉子部件(2)之一無齒輪風力發電裝置(100)之發電機(1),其包含:定子繞組(8),其用於產生複數個交流電,特定而言至少三個相互位移相之交流電,整流構件(10),其用於整流該等交流電,及至少兩個直流電匯流條(12、14),其用於收集該等經整流交流電。
- 如請求項1之發電機(1),其中該發電機(1)呈一同步發電機,特定而言一單獨激發之同步發電機,之形式,及/或呈一外部轉子部件之形式。
- 如請求項1或2之發電機(1),其中該等匯流條(12、14)係一環形組態且大約沿著該定子(4)及/或該等整流構件(10)延伸,及/或該等直流電匯流條(12、14)固定至該定子(4),特定而言,以使得該等直流電匯流條(12、14)熱連接至該發電機(1)之一冷卻構件之一方式。
- 如前述請求項中任一項之發電機(1),其中該等整流構件(10)沿著該定子(4)及/或沿著該等匯流條(12、14)沿該發電機(1)之周邊方向而分佈。
- 如前述請求項中任一項之發電機(1),其中提供沿該發電機(1)上方之該周邊方向分佈之六個整流構件(10),且特定而言提供多達匯流條(12、14)的至少六倍之整流構件(10)。
- 如前述請求項中任一項之發電機(1),其中一標稱功率為至少1 MW,特定而言,至少2 MW。
- 如前述請求項中任一項之發電機(1),其中該發電機(1)呈具有至 少48個,至少72個,至少96個,特定而言至少192個定子極(6)之一緩慢旋轉之發電機(1)及/或一多極發電機(1)之形式,及/或呈一6相發電機(1)之形式。
- 一種環式整流器(26),其用於整流由一發電機(1)產生之複數個交流電,該環式整流器包含:至少三個整流構件(10),其用於整流該等所產生交流電中之一各別者,及至少兩個直流電匯流條(12、14),其配置成一環形式且其在其大小上適於該發電機(1)以用於接收該等經整流交流電。
- 如請求項8之環式整流器(26),其中該等整流構件(10)受控且連接至用於控制該等整流構件(10)之控制線(24)。
- 一種風力發電裝置(100),其包括如請求項1至7中任一項之一發電機(1)及/或如請求項8或請求項9之一環式整流器(26)。
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