[发明专利]控制超导旋转电机的控制系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及控制包括至少一个超导绕组的超导旋转电机的控制系统和方法。

背景技术

超导旋转电机成为许多不同技术领域和工业中的进一步发展的越来越重要的部分。可以从超导旋转电机可以提供的功率密度和增加的效率的改进而大大地受益的领域的实例为例如船舶推进器、风力涡轮机、大型涡轮发电机、电动飞机和汽车等领域，或可以使用带有高功率密度或高效率的电机的一般任意种类的领域。

作为实例，大尺寸风力涡轮机的盛行使得能量成本降低，并且有动机继续该盛行。

但是，常规机器不能随时传递对于风涡轮尺寸的连续地扩大尺寸而必要的功率密度。超导旋转电机可以典型地具有高达常规机器(例如，基于永磁铁、感应、开关磁阻和其它类型的机器)的两倍的功率密度，这使得这种超导旋转电机对于具有在例如10兆瓦特(MW)以上的额定功率的未来风力涡轮而言是非常好的。

超导旋转电机典型地包括冷却至特定超导旋转电机的操作温度的至少一个超导线圈。超导线圈的负载取决于操作温度、磁场的强度，并且在所谓的高温超导体(High temperature superconductor，HTS)的情况下，还取决于磁场关于超导体线圈的方向。

所有类型的旋转电机(包括超导体旋转电机)的操作基础是两个或多个磁场的相互作用，一般一个磁场由一个或多个固定绕组(例如，在同步电机背景中典型地称为电枢绕组的多相绕组)引起，并且另一个磁场由一个或多个旋转绕组(在同步电机背景中典型地称为磁场绕组)引起。

超导材料(例如，MgB₂，BiSCCO，YBCO，NbTi，NbSn₃)具有或大或小的程度上取决于在超导线圈处的磁场的密度和方向的传输电流特征。因此，当至少一个绕组为超导时，来自其它绕组的磁场的存在会通过改变磁场条件而影响超导绕组。

在超导线圈处的另外的磁场的存在会减少电流容量并且可以引起温度的增加，这些如果没有被正确地处理的话会非常严重。在最坏的情况下，温度增长会潜在地引起热失控。

因为包括超导旋转电机的旋转电机器基本上是以至少两个磁场之间的相互作用为基础的，所以当将超导技术应用在电机例如像发电机或电动机中时，设计者必须识别期待超导旋转电机被暴露于的最大磁场并且相应地设置超导绕组的操作条件。

因此，为了避免例如由温度增加太多而造成的该超导旋转电机的潜在灾难性的故障(例如超导体绕组的热失控，其通常称为失超)，操作条件典型地保持在被设计为容纳超导旋转电机的满负载或甚至错误负载的情况或状态的安全或甚至非常安全侧。因此，最大操作温度、来自超导和非超导绕组的磁场和超导绕组的电流会限定在所有情况下超导绕组可以承担的最大电流容量。但是，以这种方式选择的超导绕组的电流会导致带有不变或更低场(激励)的超导旋转电机，这继而引起在部分负载上的更低效率。

因此，有对于在超导旋转电机中的部分负载上改进效率的简单和有效方法的需要，并且有以安全的方式这么做的需要。

专利说明书US8,076,894公开一种超导旋转电机驱动系统，其中，执行控制操作，使得应用至同步旋转电机的超导场绕组的场电流满足根据在同步旋转电机和功率单元之间交换的电功率的变化的场电流方程。

发明内容

目的是提供一种在部分负载上允许或具有改进的效率的用于超导旋转电机的控制系统和用于控制或操作超导旋转电机的方法。

另外，目的是使得一个或多个超导绕组的最大利用成为可能。

还有一个目的是使得超导旋转电机的性能的更好的灵活性且更准确的控制成为可能。

还有一个目的是以安全的方式提供这个。

根据一个方案，通过包括至少一个超导绕组的超导旋转电机的控制系统来实现一个或多个这些目标到至少一定程度，其中，控制系统被适配为：控制在使用期间将功率提供给至少一个超导绕组或者在使用期间从至少一个超导绕组接收功率的电源或功率单元(前面仅指示为功率单元)，其中，控制系统还被适配为：针对至少一个超导绕组动态地接收给定超导绕组的一个或多个参数的一个或多个实际值的一个或多个表示，每个参数表示给定超导绕组的物理条件；并且还被适配为：动态地得出要由功率单元在给定超导绕组中保持的一个或多个电流值，其中，通过考虑所接收的一个或多个实际值而得出一个或多个电流值。

然后，功率单元可以将得出的一个或多个电流值应用在给定超导绕组中。

这样，因为使得通过考虑超导绕组的实际或当前状态而控制成为可能，所以获得超导旋转电机的性能的更好的灵活性和更准确的控制。