[發明專利]可變線圈配置系統、裝置以及方法

有效

• 申請號: 201080039251.0
• 申請日: 2010-09-02
• 公開（公告）號: CN102484448A
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發明（設計）人: 喬納森·加萊·里奇;米切爾·哥頓·伯頓;瑞安·比法德
• 申請（專利權）人: EXRO技術公司
• 主分類號: H02P27/02
• 分類號: H02P27/02;H02M7/04;H02K7/18
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 余剛;吳孟秋

相關申請的交叉引用

本申請根據35USC?119(e)要求2009年9月3日提交的美國臨時申請號61/239,769的權益。

技術領域

本發明總體涉及帶有多個線圈或繞組的電動機器(例如，發電機、電動機)，并且更具體地涉及對多級電動機器的線圈或繞組進行配置的系統、裝置以及方法。

背景技術

對于常規的流體流動發電渦輪系統，例如風機系統，其中，能量來源是可變的(即，流體速度和/或流體的流動率是隨時間變化的)，從能量源中所獲取的能量的量值可能僅是全部可獲取能量的一部分。例如，在典型的風電場中，這一部分可以是全部可獲取能量的一半或者更少。

通過一個可變速度的常規渦輪機/發電機/變壓器系統的功率流由于發電機、功率轉換器(如果存在)和/或輸出變壓器的極限而被限制在能夠被輸出的功率范圍內，即從最小輸出功率至額定輸出功率。這種限制的產生是因為常規的電磁發電機在較低的功率級別下具有降低了的效率，就如同功率轉換器(如果存在)以及尤其是將功率連接至電負載的變壓器所做的那樣。其結果是，對于常規可變速度的渦輪機/發電機/變壓器系統，通常作出了一種工程設計決定來對發電機(以及任何相關聯的功率轉換器、功率調節器或者功率濾波器，如果存在)以及相關聯的輸出變壓器的功率額定值進行限制，從而在功率的一個受限的范圍內優化效率。因此，在正常運行流體速度的這些極值下，即，在低的流體速度并且尤其是在高的流體速度下，與在其他情況下可能從流體能量源獲取的功率相比較，連接進入渦輪機的功率更少。對于具有渦輪機直徑以及可能的軸向長度的一個給定的設計而言，這轉化為隨時間獲取的能量少于渦輪機能夠傳遞到發電機的能量。

在能量源具有驅動渦輪機的可變流體速度并且在渦輪機可以具有可變轉速的情況下，為了增加能量的獲取，可以在渦輪機系統中使用一種多級發電機。多級發電機是作為電力發電機來運行的一種電動機器，這種電力發電機從原動機(prime?mover)取得機械能并且通常以交流(AC)電的形式產生電能。在美國專利號7081696以及美國專利申請公開號2008088200中披露了這樣的一種多級發電機。多級發電機與常規發電機相比的一個優點是多級發電機能夠根據渦輪機的功率輸出而動態地確定大小。在一個有限的流體速度范圍上，常規發電機在從能量源獲取能量時是有效的，而多級發電機由于分級的功率特性能夠在能量源的一個擴展的流體速度范圍上獲取能量。

從多級發電機產生的電功率在本質上是可變的，意味著所產生的這些輸出功率波形可以例如在以下方面隨著時間變化：電壓幅值；電流幅值；相位；和/或頻率。另外，多級發電機可以包括多個感應元件，這些感應元件分別產生其本身的功率波形，而這種功率波形會在電壓幅值、電流幅值、相位、和/或頻率方面不同于發電機內其他感應元件所產生的功率波形。電負載(例如電業電網)可能不能直接耗用由多級發電機產生的這種電功率，因為所產生的這種功率可能還不是處于像這種電負載可能要求的一種適合的形式(例如相對于作為時間函數的波形形狀、電壓幅值、電流幅值、相位、和/或頻率)。電負載(例如公用電網)典型地期望從一個渦輪機發電系統得到一種單相、或者分相、或者三相的電壓或者電流波形，而這種波形通常是正弦的并且是相對穩定的。然而，多級發電機典型地產生變化的波形。

過去對于維持來自這樣的發電機的一種一致的輸出電壓范圍的多種嘗試已經要求了將多個發電機(每個發電機被優化而針對一個具體的輸入范圍)連接到一起，或者要求了復雜的切換網絡。這些解決方案既昂貴又復雜，這進而使得它們較不可靠并且限制了可供使用的切換范圍。

美國專利號3,984,750致力于一種交流發電機整流單元，其中，獨立的三相繞組被連接到用于進行串并聯切換而配置的多個單獨的整流器上以便改進電流-電壓特性。值得注意的是，這樣就會在整流器的直流(DC)側來實施切換。這樣的電路是與相對高的損耗相關聯的，從而會經歷四個二極管電壓降。而這樣并沒有超出單一線圈配置的切換。

美國專利申請號2007/0182273描述了用于將發電機線圈配置成不同的串聯/并聯組合的電路。該公開具有使用14個開關來配置的4個線圈。每個開關承載多重線圈負載，直至在并聯情況下達到全截面電流。對于串聯情況，該系統在電路中使用了12個開關，并且在并聯的情況下在電路中使用了最多達10個開關。