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TW201310891A - 控制一風力發電設施之方法 - Google Patents

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TW201310891A
TW201310891A TW101120806A TW101120806A TW201310891A TW 201310891 A TW201310891 A TW 201310891A TW 101120806 A TW101120806 A TW 101120806A TW 101120806 A TW101120806 A TW 101120806A TW 201310891 A TW201310891 A TW 201310891A
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Volker Diedrichs
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Wobben Aloys
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Abstract

本發明係關於一種控制具有一發電機(1)之一風力發電設施之方法，該發電機(1)具有：一定子(2)；一具有至少兩轉子極(6)之極輪(4)，其中一各別極繞組(32、42)用於產生在該各別轉子極(6)中導引之一磁場；及一在該定子(2)與該極輪(4)之間的氣隙(8)，該方法包括以下步驟：控制經由每一極繞組(32、42)之一各別激磁機電流；相對於該等激磁機電流中之至少一另一者變化該等激磁機電流中之至少一者；及/或視該極輪(4)相對於該定子(2)之位置而定來變化該等激磁機電流中之至少一者。

Description

控制一風力發電設施之方法
本發明係關於一種控制一風力發電設施之方法。本發明進一步係關於一種風力發電設施。
風力發電設施為吾人大體已知，且圖1展示風力發電設施之大體結構。按需要，藉由風力使空氣動力轉子旋轉，且藉此驅動發電機之機電轉子。在彼態樣中，本發明係關於一種使用同步發電機之風力發電設施。因此，同步發電機之極輪或馬達轉子相對於同步發電機之定子而旋轉。藉由極輪相對於定子之相對旋轉移動在定子中產生電流，使得將風之動能轉換成電能。
在極輪與定子之間存在氣隙，氣隙表示在極輪與定子之間的磁路中之並非微不足道的磁阻。彼磁阻視(詳言之)氣隙之厚度而定，且因此儘可能小地選擇氣隙之厚度。本發明詳言之係關於無齒輪風力發電設施，其中因此在無插入之傳輸件的情況下極輪連接至空氣動力轉子，且按與空氣動力轉子相同的旋轉速度旋轉。對於具有大於1 MW之標稱功率輸出的相對大的風力發電設施，普通旋轉速度此處在每分鐘約5轉與15轉之間的範圍中。此等發電機在氣隙之區域中的直徑(亦稱作氣隙直徑)通常至少為若干公尺(亦即，至少2 m或3 m)，且在目前已知之設施之情況下，可高達10 m。在此等大發電機中，氣隙之量值亦微小，且通常僅數毫米。
定子與極輪之任何偏心率導致氣隙之不同厚度。該等組件且(因此，結果，詳言之)極輪及可能亦有定子之彈性亦可導致氣隙在周邊方向上之不同厚度，更特定地詳言之，在質量、重力及磁力之影響下。
由於在給定區域中的氣隙量值之減小，該區域中之磁阻減小，同時磁通量密度增大。彼情形又導致增大之徑向力密度，且可導致氣隙厚度之額外減小，此亦視分別相關彈性而定。彼情形因此提供升壓效應。
在任何情況下，將避免極輪與定子之間的接觸。因此，將按以下方式使其機械地變硬：由生產及組裝容差且由材料彈性不可避免地引起之磁力可由托架結構吸收。隨著發電機之直徑增大，引起之材料使用藉此大大地增加了且相當大地增大了發電機之質量。彼情形造成發電機本身及亦有承載發電機之組件(詳言之，機架組及亦必須支撐包括發電機之機架組的方位軸承(azimuth bearing))之高材料成本以准許風力追蹤。
作為一般的目前先進技術，將關注DE 10 2006 056 893 A1，且關注C Patsios、A Chaniotis、E Tsampouris及A Kladas之「Particular Electromagnetic Field Computation for Permanent Magnet Generator Wind Turbine Analysis」(Magnetics,IEEE Transactions on，第46卷，第8期，第2751-2754頁，2010年8月)。
因此，本發明之目的為克服以上指示之問題或至少減少 以上指示之問題。詳言之，本發明設法提供減小發電機之重量及/或提供發電機之重量與標稱功率輸出之間的改良比率之可能方式。詳言之，本發明設法達成重量節省。本發明設法至少提出一種替代解決方案。
根據本發明，提供一種如技術方案1之方法。根據此控制具有一同步發電機之風力發電設施，該同步發電機具有一定子及一具有至少兩個轉子極之極輪，其中一各別極繞組用於產生在該各別轉子極中導引之一磁場。一氣隙形成於該定子與該極輪之間。經由每一極繞組控制一各別激磁機電流。相對於該等激磁機電流中之至少一另一者變化該等激磁機電流中之至少一者。因此，極繞組接收不同激磁機電流。彼變化可為永久的，或可僅間歇性地實行。在間歇變化之情況下，可循環地及/或視其他參數或量測值而定來實行間歇變化。額外地或替代地，可視極輪相對於定子之位置來實行激磁機電流中之至少一者的變化。因此，提出激磁機電流之個別控制。彼個別激磁機電流控制意欲考量(詳言之)不同氣隙厚度。
詳言之，若關於一極的氣隙之厚度大於平均氣隙厚度，則存在彼轉子極之激磁機電流相對於平均激磁機電流之增大。相反地，提出關於一極之較低激磁機電流，關於該極，氣隙厚度小於平均氣隙厚度。
在較小氣隙厚度之情況下，彼情形給出在轉子極與定子之間的較高吸引力作用。彼情形藉由如所描述的激磁機電流之減小來抵消。視可導致氣隙厚度增大的各別外部情況 而定。在厚度減小的此氣隙之區域中的至少增加之負載由激磁機電流之減小來抵消。
控制各別激磁機電流之特定方式亦視不同氣隙厚度之出現的原因而定。
較佳地，按旋轉循環方式變化激磁機電流中之至少一者。舉例而言，彼激磁機電流將始終假定其最大值在極輪之給定位置處，亦即在所討論的極之給定位置處。舉例而言，若僅存在極輪之與重量相關的彈性變形，在此方面，假定風力發電設施為水平軸線設施且發電機之軸線亦實質上水平，則氣隙將在發電機之下部區域中(亦即，在所謂的6點鐘位置之區域中)處於其最小值，且在發電機之上部區域中(亦即，在所謂的12點鐘位置處)處於其最大值。彼情形係針對內部轉子部件，且對於外部轉子部件將正好相反。彼情形僅為理想情形之藉由實例的解釋，換言之，發電機及(詳言之)轉子(亦即，極輪)具有最佳組態。此描述亦假定存在轉子之彈性變形。在彼情況下，因此所討論的極之激磁機電流將在其6點鐘位置中具有最小值，且在其12點鐘位置中具有最大值。在此實例中，所提出之電流變化將為連續的。視轉子之各別特定結構而定，對於其他及可能所有轉子極，彼實例可在相同的程度上至少性質上適用。在彼情況下，每一激磁機電流將按旋轉循環關係變化，且將在所討論的極之各別6點鐘位置中具有其最小值，且在12點鐘位置中具有其最大值。
額外地或替代地，相對於激磁機電流中之至少一者非同 步地控制激磁機電流中之另一者。所描述之旋轉循環變化可表示非同步控制之一實例(若其適用於複數個或所有轉子極)。如所描述，在該實例中，正好在6點鐘位置的轉子極之激磁機電流具有其最小值，且在彼時處於12點鐘位置的轉子極之激磁機電流具有其最大值，且因此彼等激磁機電流將相對於彼此非同步地加以控制。然而，亦考慮可出於不同原因不同地控制不同轉子極之激磁機電流，至少在其量上。在定子之恆定變形之情況下，亦可提供旋轉循環變化。
額外地或替代地，激磁機電流中之至少一者可更改恆定補償分量，亦即，減小或增大。一方面，此減小或增大應被理解為相對於關於所有轉子極之平均激磁機電流之量的增大，而與實施之性質無關。然而，額外地或替代地，減小或增大亦關於就結構、控制技術及/或電路技術而言的實施之可能性，此係在結構、控制或電路分別提供平均或標稱激磁機電流且此外添加各別減小或增大激磁機電流分量之範圍內。因此，結構上，在轉子極上可存在額外圈數以補充激磁機電流，從而增大總激磁機電流或導致減小(若正負號相反)。舉例而言，就控制技術而言，減小或增大可藉由參考值之合適改變來實行，且可由控制技術對應地偵測。就電路技術而言，可提供一電路元件用於補充或移除電流分量，或用於加強或弱化激磁機電流。此等僅為亦可加以組合之實例。
舉例而言，若極輪在所討論的轉子極之區域中具有變 形，及/或極輪在彼轉子極之區域中具有相對於平均半徑增大或減小之半徑，且因此在彼轉子極之區域中的氣隙之厚度減小或增大，則恆定補償分量係有利的。在彼情況下，減小或增大之氣隙厚度與轉子極一起旋轉。因此，在相對於彼轉子極的減小之氣隙厚度之情況下，在彼轉子極之區域中將始終存在極輪與定子之間的增大之力作用，其可由恆定補償分量抵消。此變形亦具有對在該區域中的磁感應之影響，且此處亦可存在依據所描述之恆定補償分量之永久調節干預。
恆定補償分量之提供可與如旋轉循環變化之動態可變補償分量組合。
較佳地，視至少一轉子極相對於定子之瞬時間距而定，詳言之，視在所討論的轉子極之區域中的瞬時氣隙厚度而定，控制所討論的轉子極之激磁機電流。以上論述之考慮亦係基於激磁機電流之控制及/或變化，其解決了不同氣隙厚度之問題。然而，需要直接考慮相對於各別轉子極之彼各別瞬時氣隙厚度。可藉由量測(詳言之，連續量測)來實行按彼方式考慮。術語連續量測在此方面用以表示在極輪之繞轉期間的至少多個量測。然而，氣隙厚度亦可由一或多個初步量測來確定，且可接著藉由計算技術來考量。換言之，一方面，其可經外插或內插，且另一方面，可分別視極輪位置而定(亦即，視所討論的轉子極之各別位置而定)，基於先前偵測之關係來計算。亦可考慮用於控制激磁機電流之氣隙厚度量測的直接實施，例如，基於類 比。舉例而言，在一個、複數個或每一各別轉子極之情況下，與氣隙厚度相關之電壓可控制電晶體，以用於控制或影響各別轉子極之激磁機電流。
在再一實施例中，提出：視在至少一轉子極之區域中之瞬時磁場而定，詳言之，視在所討論的轉子極之區域中的氣隙中之磁場而定，可控制所討論的轉子極之激磁機電流。此處例如亦可提供量測，其致動一對應的控制構件。舉例而言，霍爾(Hall)感測器之輸出電壓控制電晶體之輸入電壓。同等地，可藉由計算技術轉換磁場之此值。同等地，亦可或另外可藉由計算偵測磁場之瞬時值。為此，舉例而言，可考慮一狀態觀測器，以給出僅一個實例。亦可組合各別激磁機電流的與氣隙厚度相關之控制及與磁場相關之控制。較佳地，在轉子極之激磁機電流的變化後，考慮一或多個鄰近轉子極之轉子電流的控制及/或變化。彼情形係基於以下概念：特定言之，在具有大量轉子極(例如，72個轉子極)的極輪之情況下，此等鄰近轉子極之激磁機電流的變化亦可影響該等鄰近其他轉子極之氣隙厚度。聯合考慮程序因此為較佳的變體。聯合考慮可(例如)藉由多值調節(亦即，藉由複數個輸入值及複數個輸出值之調節，該等值在調節程序中發現共同的考慮)而實行。
在再一組態中，該方法特徵在於：視定子、極輪及/或氣隙的先前偵測之不對稱性而定來控制激磁機電流中之至少一者。不對稱性可先前藉由同步發電機之量測(諸如，幾何量測)而發生。詳言之，先前量測可藉由試運作或在 試運作中實行，例如，藉由與轉子之均一激勵一起旋轉發電機，及藉由在彼情況下量測發電機，藉由量測在定子繞組中產生之電流，且藉由使定子中的轉子之相對位置相關聯，及/或其中偵測是否存在關於轉子位置之關係。若不對稱性預先已知，則詳言之，可按上述方式對其補償，其中在操作中可省略不對稱性或其效應之連續量測。然而，較佳地，按相關關係預先判定激磁機電流，此係因為按不對稱(亦按在操作期間之相關關係不斷地監視不對稱)之形式來控制不對稱性。因此，較佳地提出一組合之操作模式。
在再一組態中，該方法特徵在於：至少一激磁機電流經控制，使得氣隙厚度之旋轉循環變化及/或氣隙厚度在周邊方向上之變化至少部分抵消。
氣隙厚度之旋轉循環變化為在轉子之旋轉後循環發生之變化。詳言之，藉由轉子之不對稱性來引起此旋轉循環變化。若轉子在一位置比在其他位置具有大的直徑，則此處，氣隙基本上較小。
氣隙厚度在周邊方向上之變化為係關於氣隙之絕對位置的變化。詳言之，此變化由不對稱定子引起。因此提出至少一激磁機電流經控制，使得抵消氣隙厚度之彼等變化中之至少一者。在彼方面，至少一激磁機電流之恆定補償電流分量可適合於為了補償目的之旋轉循環變化。在於周邊方向上之不對稱的情況下，可能適合為了補償目的而按旋轉循環方式控制轉子中之一個、複數個或所有激磁機電 流。
較佳地，提出量測在至少一轉子極之區域中的氣隙厚度及/或在至少一轉子極之區域中的磁通量密度，且視至少一量測之氣隙厚度而定及/或視至少一量測之磁通量密度而定來控制激磁機電流中之至少一者。以彼方式，視即刻情形而定，各別激磁機電流可經當前調整及調適至當前量測之情形。在彼方面，值可經線上量測，及藉由電腦系統或微控制器來評估，且合適的激磁機電流或其至少一者可按協調之相關方式加以控制。較佳地，量測值直接作用於待控制之至少一激磁機電流。詳言之，為此可提供一類比程序，其中(例如)視量測之氣隙厚度而定及/或視量測之磁通量密度而定，設定量測電流，量測電流直接控制一對應的激磁機電流或複數個對應的激磁機電流。此控制可(例如)藉由電晶體實行。
較佳地，當在至少一轉子極之區域中的氣隙厚度增大時，該轉子極之激磁機電流增大，及/或當在該轉子極之區域中的氣隙厚度減小時，該轉子極之激磁機電流減小。此考量增大之氣隙厚度可導致衰減之實現，衰減將至少部分藉由所討論的激磁機電流之增大來補償。此外，在所討論的區域中的激磁機電流之增大引起在轉子與定子之間的磁吸引力之增大，且彼情形可能會導致氣隙厚度之減小。在偵測到氣隙厚度之減小之情況下，對應地提出相對應之量測，亦即，所討論的至少一激磁機電流之減小。
另外，較佳地，提出一種方法，其中至少一激磁機電流 之變化僅在所討論的極繞組之一部分中實行，及/或至少一激磁機電流之變化經實行而使得電接通或切斷各別極繞組之一部分。因此，彼情形係基於具有至少兩個區域(亦即，至少兩個子繞組)之極繞組，兩個區域中之至少一者係針對基本激磁機電流而提供，並不針對氣隙或類似者之不對稱性的任何補償來更改基本激磁機電流。為了補償目的，針對一激磁機電流部分提供至少一其他子繞組。在最簡單情況下，此處，為了補償目的而接通或切斷激磁機電流分量。較佳地，根據涉及之各別要求來變化彼補償激磁機電流分量之量值。為此，可提供一種僅有效地連接至彼繞組部分之對應電路。
此外，根據本發明，提出一種如技術方案10之風力發電設施。此風力發電設施包括一同步發電機、一定子、一極輪及一在定子與極輪之間的氣隙。極輪(為了簡單起見，其亦可被稱作轉子)具有至少兩轉子極，其中一各別極繞組用於產生在該各別轉子極中導引之一磁場。此外，存在用於控制經由極繞組中之每一者的各別激磁機電流之控制件。彼控制件經調適以相對於激磁機電流中之至少一者變化激磁機電流中之至少另一者，及/或視極輪相對於定子之位置而定來變化激磁機電流中之至少一者。
在同步發電機之操作中，同步發電機之極輪在極輪中產生磁場，在極輪之旋轉後，磁場即刻導致電壓(且因此其電流)之感應。若磁場並非藉由恆定磁體產生，則其通常由流經轉子極之極繞組且藉此產生所討論的磁場之直流而 提供。視操作所討論的同步發電機之風力發電設施之各別操作條件而定，可存在極輪之磁場的變化且因此激磁機電流的變化。然而，此變化通常涉及整個極輪，且在已知風力發電設施中，為了提供該或該等激磁機電流之差別化控制，就結構工程設計而言，亦完全不想要同步發電機。
相比之下，現在提出轉子極之至少一激磁機電流相對於同一極輪的再一轉子極之再一激磁機電流變化。此因此涉及差別化之變化且因此在極輪內的激磁機電流之差別化控制。彼控制件可考量在極輪內之不對稱性或極輪之不對稱性，且就控制技術而言，可按特定目標化之方式來干預。額外地或替代地，控制件經調適以視極輪之位置而定來變化激磁機電流中之至少一者，詳言之，可藉此達成旋轉循環變化。視風力發電設施之操作條件而定(詳言之，視盛行風速而定)，此最多與整個激磁機電流之先前已知調整根本上不同。視極輪之位置而定之此控制必須實質上較快地實行，且此外(額外地或替代地)考量其他輸入參數(至少一個其他輸入參數)。
詳言之，該控制件經調適成按如上文關於控制風力發電設施之方法描述的方式來控制同步發電機。
較佳地，關於複數個極繞組(詳言之，每一極繞組)，提供用於變化(詳言之，節流)所討論的激磁機電流之至少一個別控制構件。按彼方式，可關於複數個(且詳言之，每一)極繞組個別地分開來控制激磁機電流。彼情形使得總體上可能提供激磁機電流之合適的差別化控制且因此極輪 或同步發電機之磁場的差別化控制。此個別控制構件可為開關，詳言之，半導體開關，如電晶體或閘流體。
在一實施例中，該風力發電設施包括用於量測在各別轉子極之區域中的氣隙厚度之至少一間距量測構件，及/或用於量測在各別轉子極之區域中的氣隙中之磁通量密度之至少一通量密度量測構件，其中該間距量測構件或該通量密度量測構件連接至控制件，使得可視量測之氣隙厚度而定及/或視量測之磁通量密度而定來實行至少一激磁機電流之控制。因此提出用於量測氣隙厚度及/或氣隙中的磁通量密度之量測構件鏈接至控制件，使得氣隙厚度或磁通量密度在激磁機電流方面進行干預。詳言之，按以下方式實行控制：在較大氣隙厚度(例如，與平均氣隙厚度相比)之情況下，增大激磁機電流。同樣地，在較弱磁通量密度(例如，與平均磁通量密度相比)之情況下，亦可增大所討論的激磁機電流。彼情形使得可能容易地實施干預補償關係之激磁機電流控制。
較佳地，同步發電機呈環式發電機之形式。環式發電機為定子及轉子之磁性操作元件大致具有環形組態(亦即，沿著氣隙)之發電機。實質上在彼環之區域中，亦即，在氣隙之區域中，提供該或該等磁場(視考慮該情形之各別方式而定)，且磁場線因此並不實質上延伸穿過發電機之旋轉中心。詳言之，較佳實施例係關於具有至少20個、至少30個、詳言之至少40個轉子極之多極轉子。此環式發電機具有相當大的直徑，且為了其穩定，通常需要對應大的 且因此重的結構。本發明藉由就控制技術而言特定目標化之干預來提供至少部分補償任何不對稱性及/或操作誘發之變形現象的可能性。因此，用於使轉子或極輪穩定之結構可能較不重，其准許節省材料。此外，當使用多極發電機時，另外存在用於激磁機電流控制之許多不同干預選項，諸如，關於極輪之每一極。
根據本發明，亦提出一種同步發電機，其具有關於風力發電設施描述之發電機特徵(包括所使用的控制系統之特徵)，且較佳地經調適以執行所描述方法中之一者。在風力發電設施之情況下，其標稱功率輸出之量值亦被看作風力發電設施之同步發電機的特徵。較佳地，此同步發電機具有至少100 kW、進一步較佳地至少250 kW且詳言之至少500 kW、進一步較佳地至少1 MW之標稱功率輸出。較佳地，提供一種具有2 MW之標稱功率輸出或大於2 MW之功率的同步發電機。可提供此同步發電機，用於在現代風力發電設施中使用。
根據本發明之方法及/或根據本發明之風力發電設施及/或根據本發明之同步發電機較佳地供具有以下氣隙直徑之同步發電機使用或用作具有以下氣隙直徑之同步發電機：大於2公尺、詳言之大於3公尺，且特定言之，較佳地大於5公尺，例如，亦如7公尺或10公尺之直徑。在需要對應的大轉子直徑的此大氣隙直徑之情況下，關於習知同步發電機之材料負載特別地大，且本發明因此提供針對節省之對應可能性。此外，在此等大直徑之情況下，亦有必要期望 歸因於激磁機電流之控制的對當前盛行幾何形狀之對應地強烈影響。
詳言之，本發明係關於藉由一激磁機電流或複數個激磁機電流在極輪中產生磁場之同步發電機。同樣地，可額外地關於具有具恆定磁體之極輪的同步發電機而使用本發明。
下文藉由參看隨附圖式之實施例藉由實例更詳細地描述本發明。
下文藉由一些圖解視圖來描述本發明。許多類似元件在不同視圖中部分不同地展示。然而，為了增強清晰性，將相同的參考用於相同但可能並不完全相同之元件，詳言之，用於在功能上相同之元件。
呈環式發電機之形式的圖1中所展示之同步發電機1具有定子2及轉子4。轉子4承載大量轉子極6，僅以實例展示其中之一些。厚度δ可變化之氣隙8處於轉子4(其外周邊由轉子極6判定)與定子2之間。圖1以說明及實例展示定子中心點12及轉子中心點14。理想地，彼等兩個中心點12及14應呈相互疊加之關係。然而，若其未相互疊加，則可自其產生不同氣隙厚度δ，如圖1中所示。中心點之位移可被稱作偏心率△。為了能夠考量彼偏心率△之不同方向，圖1以實例展示在第一方向上之偏心率△x及在與第一方向垂直之第二方向上之偏心率△y。轉子4亦可被稱作極輪4。
圖2說明氣隙厚度δ歸因於同步發電機之組件(詳言之， 轉子)之彈性的變化。為了說明目的，圖2基本上僅展示氣隙8，亦即，轉子4之外邊界及定子2之內邊界。圖2中之實例展示在主方向(即，在視圖中，實質上向上及向下)上之彈性。彼情形導致氣隙8之變化，其導致在一區域中之小氣隙厚度δ1及在另一區域中之大氣隙厚度δ2。可將圖1中展示之偏心率添加至歸因於彈性之變化。可藉由如質量力、重力及磁力的力之影響來引起或增大由於彈性之變形。
圖3展示在兩個主方向上針對由於彈性而發生之變形的不同氣隙厚度δ1及δ2之另一實例。因此，藉由放大比例之視圖所說明，轉子4具有朝向正方形之形狀的變形。
藉由在極輪之極繞組中之電流流動(其充分相同)，在氣隙中產生磁通量密度，該等通量密度亦被稱作磁感應，且視氣隙之局部厚度δ而定。在非恆定氣隙厚度之情況下，氣隙之厚度的彼局部相依性之直接結果為在組件之表面上的不同徑向力密度Fmr/A。在彼方面，以圖形術語言之，Fmr描述指定為A之表面部分的徑向力。因此，在較小氣隙厚度處存在較高力密度。
圖4說明在按圖解高度簡化之形式展示的同步發電機1中之磁力Fmr。在圖4中之視圖中，轉子4使其轉子中心點14相對於定子中心點12位移，藉此導致不同氣隙厚度δ之氣隙8。在彼方面，氣隙8按放大之比例展示，以基於其原理清晰地說明不同氣隙厚度δ。圖4係基於經由極繞組的電流之均一流動，使得藉由幾何對稱性，亦將產生力密度之均一分佈。然而，由於不同氣隙厚度，彼情形導致不同的高 徑向力且因此不同的高徑向力密度Fmr/A。在圖4中，該等力藉由力箭頭16之對應長度來展示。沿著力箭頭16之箭尖的虛線意欲展示不對稱地形成於轉子4周圍之力場。依據放大之視圖，圖4展示磁力愈大，則氣隙厚度δ愈小。
在較小氣隙厚度的情況下出現較高徑向力密度之效應引起氣隙8中的厚度δ差異(參看圖1至圖3來對其描述，亦即，歸因於偏心率及歸因於彈性之差異)之增大。在彼方面，該效應導致在定子及極輪或轉子上的非補償之磁力。根據以下公式，歸因於徑向磁力密度Fmr/A在整個表面上之積分，在圖4中藉由力箭頭16說明之徑向磁力密度Fmr/A導致非補償之磁力Fmr：
圖5中展示同步發電機1之一部分以給出用於風力發電設施的同步發電機之尺寸之概念。圖5中之視圖展示一定子托架18，其具有許多定子托架臂20，且因此看起來稍微似星形組態且亦可被稱作星形托架，或使用常用的表達「星狀物托架」。圖5亦展示具有一外部安置之定子2及一內部安置之轉子4(亦即，所謂的內部轉子)的同步發電機1。在圖5中確實不能看到氣隙8，但其大致位置亦藉由參考8在彼處說明。為了說明同步發電機1之大小，圖5展示從事風力發電設施之構造的人員22。大致地，定子中心點12及亦轉子中心點14安置於工作籠之區域中。在氣隙處，所說明之同步發電機1大約具有10 m之直徑(此亦被稱作氣隙直 徑)，且，然而，氣隙厚度δ僅為數毫米。
因此將顯而易見，氣隙之變化確實不會發生至如將自在圖1至圖4中之放大視圖中之量值看出的程度，但然而，在10 m之氣隙直徑之情況下，可能發生(例如)一毫米的氣隙之厚度變化，視有關部分之各別變硬而定，氣隙之厚度的1 mm之變化將對應於關於此實例量測的氣隙之直徑的萬分之一，亦即，僅0.01%的直徑之變形。
為了避免極輪與定子之間的接觸，應按以下方式使彼等兩個組件機械地變硬：不可避免地由生產及組裝容差且由材料彈性引起之未補償磁力可由托架結構吸收。此托架結構由圖5中之定子托架18(其亦可被稱作定子之發電機星狀物)形成。在彼方面，圖5展示來自Enercon GmbH的風力發電設施E112之定子之發電機星狀物。
隨著環式發電機之直徑增大，引起的材料之使用藉此大大地增加了且相當大地增大了發電機質量。本發明旨在減少環式發電機之彼等劣勢，及詳言之，因此儘可能地減少材料而不降低同步發電機及因此風力發電設施總體之安全性及可靠性的可能性。
為了抵消不對稱性及自其產生之結果及危險，視關於磁感應B之差異儘可能小的各別局部氣隙厚度δ而定，如此控制所有或一些極繞組之電流I。圖6中以實例展示在第一轉子極30及第二轉子極40上之彼電流。彼等轉子極30及40僅以實例展示，且代表其他極(未圖示)，詳言之，在圖6之視圖中，亦將其他轉子極安置於第一轉子極30與第二轉子極 40之間。詳言之，本發明及亦在圖6中之視圖係關於具有一多極轉子4之同步發電機1。形成於兩個轉子極30與40中之每一者之間的為氣隙8，其具有不同厚度，亦即，關於第一轉子極30之氣隙厚度δ1及關於第二轉子極40之氣隙厚度δ2。因此，存在分別具有磁感應B1及B2之第一磁場及第二磁場。轉子極30及40中之每一者具有分別包圍各別核心34及44之各別極繞組32及42，從而分別導引在所討論的轉子極30及40中之磁場。磁場由分別流經極繞組32及極繞組42之各別激磁機電流11及12產生。
磁感應B1及B2視氣隙厚度δ1及δ2而定，且亦可分別受到對應的激磁機電流I1及I2之合適控制影響。根據本發明，彼情形意欲分別影響磁感應B1及B2及藉此亦影響氣隙厚度δ1及δ2。舉例而言，若第一轉子極30之氣隙厚度δ1小於第二轉子極40之氣隙厚度δ2，則建議將激磁機電流I1設定為小於激磁機電流I2。較佳地，按以下方式實行設定：兩個轉子極30及40之磁感應相等，使得儘可能多得滿足等式B1=B2。
圖7中圖解展示技術實施之一可能形式。因此，配置於某一且較佳地每一轉子極上的為厚度感測器及/或磁場感測器(其亦可被稱作「B」感測器)。舉例而言，可將霍爾(Hall)探針視為磁場感測器。圖7藉由用於第一轉子極30之實例展示量測在彼第一轉子極30之區域中的磁場(亦即，氣隙8中之磁感應)之磁場感測器50。將結果傳達至控制單元52(其亦可被稱作「控制器」)。彼控制單元評估磁場感 測器50之結果，且將控制信號傳達至控制部件54，控制部件54可呈電晶體之形式或其可具有至少一電晶體作為用於執行電流控制之必要組件。控制信號可提供一脈衝任務因數TV，其指定用於電流控制之脈衝空間比，亦即，脈衝持續時間對週期之總持續時間(亦即，脈衝與空間之總和)之比率。控制部件54接著視磁場感測器50之量測結果而定來控制流經第一轉子極30之極繞組32的場電流I1。為此，可藉由直流端子56對控制部件54供應直流。控制單元52可在轉子4正圍繞其轉子中心點14旋轉時額外地自旋轉角度感測器58接收關於轉子4之當前主要旋轉角度的資訊。彼情形使得可能評估先前記錄之且視轉子4及因此以實例展示之第一轉子極30的絕對位置而定之額外資訊項。亦可自旋轉角度感測器得出轉子4之旋轉速度，且可對應地設定控制器中之控制件。
舉例而言，在控制單元52中實施的調節器之動力學(亦即，調節速度)可視旋轉速度而定。此外，藉由分別偵測到之旋轉角度及磁場感測器50或厚度感測器之結果，可記錄與旋轉角度相關之值(詳言之，與旋轉角度相關之不對稱性)以便改良控制件，詳言之，藉由由轉子4執行的增加之轉數來將其改良。
圖8展示另一實施例，其中第一轉子極30'具有被再分成第一繞組部分60及第二繞組部分62之極繞組32'。恆定電流分量IC流經第一繞組部分60，且可變電流分量IV流經第二繞組部分62。兩個電流一起形成總激磁機電流I1。因此， 在此實施例中，僅可變電流IV由控制部件54'控制。按彼方式，控制部件54可具有比在整個電流I1將必須流經彼控制部件54'之情況下小的尺寸。同時，恆定分量IC防止激磁機電流I1中之過大變化(詳言之，因誤差而過大之變化)。在此情況下，亦可視藉由磁場感測器50'進行的磁感應之量測而定及藉由亦可呈微處理器之形式且可被稱作控制器的控制單元52'之進一步利用來實行控制。控制單元52'對應地將控制信號傳達至控制部件54'。圖8中之控制單元52'亦可處理其他資訊項，如旋轉角度感測器之量測結果及/或先前判定之量測值或在操作過程中偵測之其他量測值。
因此，提供用於針對個別轉子極或針對轉子極之群組而提供個性化之激磁機電流控制的各種變體。考慮極輪之每一極的完整繞組或極輪之每一極的部分繞組之連接。為了控制目的，可能使用(例如)可形成圖7中之控制部件54或圖8中之控制部件54'的降壓或升壓轉換器。可針對個別極或針對極群組提供此降壓及升壓轉換器。較佳地，建議使用計算單元或使用厚度及/或感應感測器。此外，較佳地，提供旋轉角度感測器。
圖9展示風力發電設施之透視圖。彼風力發電設施具有一吊艙，該吊艙具有一具三個轉子葉片之轉子，該吊艙可變地配置於其在塔架上之位置中。根據本發明之同步發電機及對應的用於該同步發電機的根據本發明之控制件安置於吊艙中大致在輪轂或整流罩之區域中，輪轂或整流罩基本上表示風力發電設施之無轉子葉片的旋轉部分。
1‧‧‧同步發電機
2‧‧‧定子
4‧‧‧轉子/極輪
6‧‧‧轉子極
8‧‧‧氣隙
12‧‧‧定子中心點
14‧‧‧轉子中心點
16‧‧‧力箭頭
18‧‧‧定子托架
20‧‧‧定子托架臂
22‧‧‧人員
30‧‧‧第一轉子極
30'‧‧‧第一轉子極
32‧‧‧極繞組
32'‧‧‧極繞組
34‧‧‧核心
40‧‧‧第二轉子極
44‧‧‧核心
50‧‧‧磁場感測器
50'‧‧‧磁場感測器
52‧‧‧控制單元
52'‧‧‧控制單元
54‧‧‧控制部件
54'‧‧‧控制部件
56‧‧‧直流端子
58‧‧‧旋轉角度感測器
60‧‧‧第一繞組部分
62‧‧‧第二繞組部分
圖1展示發電機之定子與極輪之中心點的偏心率之一實例之圖解剖視圖，圖2展示歸因轉子之彈性的可能不對稱性之圖解軸向圖，圖3展示歸因於同步發電機之轉子之彈性的不對稱性之另一實例之圖解軸向圖，圖4展示視各別氣隙厚度而定在同步發電機中的磁力密度之間的關係之圖解軸向圖，圖5展示風力發電設施之環式發電機之一部分之透視圖，圖6以同步發電機之圖解部分視圖圖解展示在不同極繞組中的激磁機電流之控制之效應及關係，圖7參照使用極輪之各別極之整個繞組的解決方案之實例圖解展示個別轉子電流控制之一裝置實施，圖8圖解展示當針對所討論的激磁機電流之變化使用極輪之每一極繞組之僅一部分時的轉子電流控制之實施，及圖9展示風力發電設施之圖解透視圖。
2‧‧‧定子
4‧‧‧轉子
8‧‧‧氣隙
14‧‧‧轉子中心點
30‧‧‧第一轉子極
32‧‧‧極繞組
34‧‧‧核心
50‧‧‧磁場感測器
52‧‧‧控制單元
54‧‧‧控制部件
56‧‧‧直流端子
58‧‧‧旋轉角度感測器

Claims (15)

  1. 一種控制一具有一發電機(1)之風力發電設施之方法，該發電機(1)具有：一定子(2)；一具有至少兩個轉子極(6)之極輪(4)，其中一各別極繞組(32、42)用於產生在該各別轉子極(6)中導引之一磁場；及一在該定子(2)與該極輪(4)之間的氣隙(8)，包括以下步驟：控制經過每一極繞組(32、42)之一各別激磁機電流，相對於該等激磁機電流中之至少一另一者變化該等激磁機電流中之至少一者，及/或視該極輪(4)相對於該定子(2)之位置而定來變化該等激磁機電流中之至少一者。
  2. 如請求項1之方法，其中該等激磁機電流中之至少一者經旋轉循環變化及/或經相對於一另外激磁機電流非同步控制及/或按一恆定補償分量減小或增大。
  3. 如請求項1或2之方法，其中視至少一轉子極(6)相對於該定子(2)之一瞬時間距而定，詳言之，視在所討論的該轉子極(6)之區域中的瞬時氣隙厚度而定，控制所討論的該轉子極(6)之該激磁機電流。
  4. 如前述請求項中任一項之方法，其中視在至少一轉子極(6)之該區域中、詳言之在所討論的該轉子極(6)與該定子(2)之間的該區域中之該氣隙中的瞬時磁場而定，控制所討論的該轉子極(6)之該激磁機電流。
  5. 如前述請求項中任一項之方法，其中視該定子(2)、該極輪(4)及/或該氣隙的先前偵測到之不對稱性而定來控制 該等激磁機電流中之至少一者。
  6. 如前述請求項中任一項之方法，其中至少一激磁機電流經控制，使得該氣隙厚度之旋轉循環變化及/或在周邊方向上的該氣隙厚度之變化至少部分抵消。
  7. 如前述請求項中任一項之方法，其中量測在至少一轉子極(6)之該區域中的該氣隙厚度，及/或在至少一轉子極(6)之該區域中的該氣隙中之磁通量密度，及視該至少一量測之氣隙厚度而定，視該至少一量測之磁通量密度而定，及/或控制該等激磁機電流中之至少一者。
  8. 如前述請求項中任一項之方法，其中當在至少一轉子極(6)之該區域中的該氣隙厚度增大時，該轉子極(6)之該激磁機電流增大，及/或當在該轉子極(6)之該區域中的該氣隙厚度減小時，該轉子極(6)之該激磁機電流減小。
  9. 如前述請求項中任一項之方法，其中該至少一激磁機電流之該變化僅在所討論的該極繞組(32、42)之一部分中實行，及/或該至少一激磁機電流之該變化經實行使得電接通或切斷該各別極繞組(32、42)之一部分。
  10. 一種風力發電設施，其包含一發電機，其具有一定子(2)，一具有至少兩轉子極(6)之極輪(4)，該至少兩轉子極(6)具有一各別極繞組(32、42)用於產生在該各別轉 子極(6)中導引之一磁場，及一在定子(2)與極輪(4)之間的氣隙，一控制件，其用於控制經由該等極繞組(32、42)中之每一者之一各別激磁機電流，該控制件經調適以：相對於該等激磁機電流中之至少一另一者變化該等激磁機電流中之至少一者，及/或視該極輪(4)相對於該定子(2)之位置而定來變化該等激磁機電流中之至少一者。
  11. 如請求項10之風力發電設施，其中關於複數個該等極繞組(32、42)、較佳地每一極繞組(32、42)，提供一個別控制構件用於變化所討論的該激磁機電流，詳言之使所討論的該激磁機電流節流。
  12. 如請求項10或11之風力發電設施，其包括用於量測在一各別轉子極(6)之區域中的氣隙厚度之至少一間距量測構件，及/或用於量測在一各別轉子極(6)之該區域中的該氣隙中之磁通量密度之至少一通量密度量測構件，其中該間距量測構件或該通量密度量測構件連接至該控制件，使得至少一激磁機電流可視一量測之氣隙厚度而定及/或視一量測之磁通量密度而定來控制。
  13. 如請求項10至12中任一項之風力發電設施，其中該發電機(1)呈一環式發電機之形式。
  14. 如請求項10至13中任一項之風力發電設施，其中該風力發電設施經調適以進行如請求項1至9中任一項之一方 法。
  15. 一種用於在一風力發電設施、詳言之如請求項10至14中任一項之一風力發電設施中使用之同步發電機，其用於將由風引起之一旋轉移動轉換成電能，包括一定子(2)，一具有至少兩轉子極(6)之極輪(4)，該至少兩轉子極(6)具有一各別極繞組(32、42)用於產生在該各別轉子極(6)中導引之一磁場，及一在定子(2)與極輪(4)之間的氣隙，一控制件，其用於控制經由該等極繞組(32、42)中之每一者之一各別激磁機電流，該控制件經調適以：相對於該等激磁機電流中之至少一另一者變化該等激磁機電流中之至少一者，及/或視該極輪(4)相對於該定子(2)之位置而定來變化該等激磁機電流中之至少一者。
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