(57)【要約】  本発明は、2つの磁極を有する二極ロータを備える、三相交流電圧を発生させるための設備のための三相発電機であって、磁極は、ロータのロータ回転軸に関して外周上に互いに不規則にかつオフセットされて配置される、三相発電機に関する。
2019521631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相AC電圧を発生させるためのシステム(13)であって、
ロータ(2)のロータ回転軸(7)に関して、互いに関して不均一に円周方向にオフセットされるように配置される2つの磁極(3、4)を有する二極ロータ(2)を有する少なくとも1つの三相発電機(1)と、
前記三相発電機(1)を通じて発生される三相AC電圧の相電圧をフィルタリングするために使用することができる少なくとも1つのフィルタユニット(16)とによって特徴付けられる、システム(13)。
【請求項２】
前記ロータ(2)の回転方向における前記磁極(3、4)間の極角度間隔(8)は、210°である、請求項1に記載のシステム(13)。
【請求項３】
少なくとも1つの分数ピッチステータ巻線(6)を有するステータ(5)を有する、請求項1または2に記載のシステム(13)。
【請求項４】
前記ステータ(5)は、60Hzステータであり、前記ロータ(2)は、50Hzロータである、請求項3に記載のシステム(13)。
【請求項５】
前記フィルタユニット(16)は、前記三相発電機(1)を通じて発生される前記三相AC電圧の1相につき1つの直列共振回路(17)を有する、請求項1から4のいずれか一項に記載のシステム(13)。
【請求項６】
請求項1から5のいずれか一項に記載のシステム(13)の少なくとも1つによって特徴付けられる、少なくとも1つのタービン(12)を有する、三相AC電圧を発生させるためのプラント(11)であって、
前記タービン(12)のタービンロータは、回転可能に固定されるように前記三相発電機(1)の前記ロータ(2)に接続され、前記タービンロータの動作周波数は、前記フィルタユニット(16)を通じてフィルタリングされる前記三相AC電圧の周波数よりも低い、プラント(11)。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
三相AC電圧を発生させるためのシステムおよびプラント
本発明は、三相AC電圧を発生させるためのシステムおよびプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
三相AC電圧を発生させ、三相AC電圧をパワーグリッドに供給するためのプラントは、よく知られており、パワープラントにおいて使用されている。この種のプラントは、少なくとも1つのタービンおよび少なくとも1つの三相発電機、特にタービンを通じて駆動されるタービン発電機を有することができる。タービンは、例えば、複合サイクルガスタービン(CCGT)プラントもしくはガスタービンプラントのガスタービンまたは蒸気タービンパワープラントの蒸気タービンのこともある。
【０００３】
タービンのタービンロータは通常、強固に、または回転可能に固定されるように三相発電機のロータに接続される。タービンロータの回転を通じて50Hzまたは60Hzの従来のグリッド周波数の三相AC電圧を発生させるために三相発電機を使用し、前記三相AC電圧をパワーグリッドに送り込むことができるために、タービンロータは通常、50Hzまたは60Hzの動作周波数で回転しなければならない。
【０００４】
50Hzの動作周波数におけるガスタービン(50Hzガスタービン)の出力および効率は、対応する60Hzガスタービンの場合よりも大きいので、60Hzのグリッド周波数のパワーグリッド(60Hzパワーグリッド)に電力を供給するために50Hzガスタービンをまた使用することにも関心がある。
【０００５】
出版物「Cogging Torque in Cost-Effective Surface-Mounted Permanent-Magnet Machines」、Young Pang他、IEEE Transactions on Magnetics、IEEE Service Center、New York、NY、US、Vol. 47、No. 9、2011年9月1日、2269〜2276頁は、コギングトルクがそれを通じて低減可能である、二極ロータを有する回転電気機械の構成を開示する。
【０００６】
出版物「Design Techniques for Reducing the Cogging Torque in Surface-Mounted PM Motors」、Nicola Bianchi他、IEEE Transactions on Industry Applications、IEEE Service Center、Piscataway、NJ、US、Vol. 38、No. 5、2002年9月1日は、コギングトルクがそれを通じて低減可能である、回転電気機械の構成を開示する。機械のロータの永久磁石は、この目的のために互いに関してオフセットされるように配置することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Young Pang他、「Cogging Torque in Cost-Effective Surface-Mounted Permanent-Magnet Machines」、IEEE Transactions on Magnetics、IEEE Service Center、New York、NY、US、Vol. 47、No. 9、2011年9月1日、2269〜2276頁
【非特許文献２】Nicola Bianchi他、「Design Techniques for Reducing the Cogging Torque in Surface-Mounted PM Motors」、IEEE Transactions on Industry Applications、IEEE Service Center、Piscataway、NJ、US、Vol. 38、No. 5、2002年9月1日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電気エネルギーをパワーグリッドに供給するために、その動作周波数が、パワーグリッドのグリッド周波数よりも低い、タービンの有用性を可能にすることが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
三相AC電圧を発生させるための本発明によるシステムは、互いに関して不均一に円周方向にオフセットされるようにロータのロータ回転軸に関して配置される2つの磁極を有する二極ロータを有する少なくとも1つの三相発電機と、三相発電機を通じて発生される三相AC電圧の相電圧をフィルタリングするために使用することができる、少なくとも1つのフィルタユニットとを備える。
【００１０】
本発明による三相発電機のロータの2つの磁極の不均一な円周方向のオフセットのおかげで、ロータの磁極は、ロータのロータ回転軸に垂直に延びる共通の軸上に位置しない、すなわち互いに関して180°の通常の極間隔にない。その代わりに、鈍角または鋭角が、片方の磁極をロータ回転軸に接続する軸ともう一方の磁極をロータ回転軸に接続する軸との間に配置される。これは、180°と比較して増加または減少する極間隔においてロータの回転方向に片方の磁極がもう一方の磁極に追随することにつながる。これは、通常の近似的に正弦波の振動と比較して、三相発電機のステータのステータ巻線に比較的大きくひずんだ振動を誘起する。前記振動は、第1の半波が、第2の半波よりも速くまたは遅く進むことを特徴とする。前記誘起電圧のフーリエ分解は、様々な周波数範囲内の様々な振動成分を含有する。三相AC電圧が給電されることを目的とするそれぞれのパワーグリッドのグリッド周波数に応じて、この給電に必要とされないそれらの振動成分、特にその周波数がグリッド周波数に対応する振動以外には振動成分のすべては、適切なフィルタ回路によって誘起電圧からフィルタリングして除去することができる。フィルタユニットは、三相発電機を通じて発生される三相AC電圧およびそれを供給すべきパワーグリッドのグリッド周波数に適合されるフィルタ回路を有してもよい。
【００１１】
ロータを形成するために、特定のロータが、作製されてもよい。代替案として、従来のロータに頼ってもよいが、しかしそのロータ巻線は、ロータの磁極の不均一な円周方向のオフセットを達成するために変更される。この種の従来のロータは、適切な手段によって、例えば置換体で満たされているロータのおそらく現在の巻線のない溝のおかげで機械的に平衡を保つことができる。
【００１２】
本発明による三相発電機は、タービンを通じて発生されるタービンロータの動作周波数または駆動回転速度が、三相AC電圧が給電されることを目的とするパワーグリッドのグリッド周波数を任意に下回ってもよい、三相AC電圧を発生させるためのプラントにおいて使用することができる。この場合、ロータの磁極間の極間隔だけは、タービンロータの動作周波数とパワーグリッドのグリッド周波数との間のそれぞれの差に適合されなければならない。
【００１３】
本発明による三相発電機を使用するとき、例えば、60Hz三相AC電圧は、三相発電機のロータを駆動する50Hzガスタービンを使用して発生させることができる。結果として、50Hzガスタービンはそれ故に、60Hzパワーグリッドに電力を供給するために使用することができる。代替案として、50Hz蒸気タービンもまた、60Hzパワーグリッドに電力を供給するためにそれに応じて使用することができる。
【００１４】
本発明による三相発電機を設けられているプラントの出力および効率は、従来の60Hzガスタービンユニットと比較してより高い。50Hzガスタービンの最大出力は、対応する60Hzガスタービンの最大出力よりも44%大きいので、例えば、より大きい60Hzパワープラントは、より少ないブロックを用いて設計することができる。例えば、今まで4つの60HzガスタービンCCGTセクションを用いて実施されているパワープラントは、本発明による三相発電機を使用するとき、今では3つの50HzガスタービンCCGTセクションを用いて実施することができる。結果として、ガスタービン、発電機、スイッチングカップリング、タンク、蒸気タービンおよびプロセス制御技術から成るセクション全体は、省略され、それは、非常に大きなコスト節約につながる。
【００１５】
ロータの回転方向における磁極間の極角度間隔は、好ましくは210°である。結果として、ステータ巻線に誘起される電圧振動の第1の半波は、電圧振動の第2の半波よりも速く進む。この場合、ロータの磁気的S極は、例えば、ロータ回転軸に垂直に延びる軸に関して30°だけ角度が付いて配置することができ、ロータの磁気的N極は、その軸上に位置する。これは、150°の極間隔におけるのと同程度に早くロータの回転の反対方向に磁気的S極が磁気的N極に追随することにつながる。ステータ巻線に誘起される電圧振動の第1の半波はその時、例えば近似的に60Hz半波に対応することができ、一方電圧振動の第2の半波は、例えば40Hz半波に対応することができる。前記誘起電圧のフーリエ分解は、他の振動成分に加えて、40Hz、50Hzおよび60Hz振動を含有する。ロータのこの構成は、通常の近似的に正弦波の50Hz振動と比較して、比較的大きくひずんだ振動をステータ巻線に誘起する。前記振動は、振動の第1の半波が、第2の半波よりも速く進むことを特徴とする。三相AC電圧を60Hzパワーグリッドに供給することができるために、必要とされない振動成分のすべて、すなわち60Hz振動以外には振動成分のすべては、適切なフィルタ回路を通じて誘起電圧からフィルタリングして除去することができる。
【００１６】
三相発電機は好ましくは、少なくとも1つの分数ピッチステータ巻線を有するステータを備える。ステータ巻線の分数ピッチの適切な構成を通じて、三相発電機のロータとステータと間の空隙内で回転する回転磁界は、フィルタリングすることができる。代替案としてまたは加えて、前記フィルタリングはまた、ステータ巻線の適切な他の、特に幾何学的な構成によっても達成することができる。前記フィルタリングは、三相発電機を通じて発生される三相AC電圧における望ましくない振動成分を低減することができる。
【００１７】
ステータは好ましくは、60Hzステータであり、ロータは好ましくは、50Hzロータである。これは、ステータが、その動作周波数が60Hzである三相発電機のステータであることおよびロータが、その動作周波数が50Hzである三相発電機のロータであることを意味する。50Hzロータは、50Hzタービンを通じて駆動される。
【００１８】
フィルタユニットは好ましくは、三相発電機を通じて発生される三相AC電圧の1相につき1つの直列共振回路を備える。各直列共振回路は、キャパシタンスおよびインダクタンスを備え、それらは、その周波数がパワーグリッドのグリッド周波数に対応する三相AC電圧をそれぞれのパワーグリッドに給電することができるために、それぞれのフィルタリングと協調する。
【００１９】
三相AC電圧を発生させるための本発明によるプラントは、少なくとも1つのタービンおよび上述の構成または構成の任意の組み合わせの1つによる少なくとも1つのシステムを備え、ガスタービンのタービンロータは、回転可能に固定されるように三相発電機のロータに接続され、タービンロータの動作周波数は、フィルタユニットを通じてフィルタリングされる三相AC電圧の周波数よりも低い。
【００２０】
本システムに関して上で述べられた利点は、それに応じてプラントと関連がある。タービンは、ガスタービンまたは蒸気タービンであってもよい。特に、タービンは、50Hzタービンであってもよい。三相発電機およびフィルタユニットは、60Hz三相AC電圧が、50Hzで回転する三相発電機のロータを用いて発生させることができるような方法で構成されてもよい。
【００２１】
本発明は、好ましい実施形態に基づいて添付の図面を参照して以下で例を通じて説明され、以下に示される特徴は、単独でも互いとの異なる組み合わせにおいても取り込まれる本発明の態様を構成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明による三相発電機の例示的実施形態の概略図を示す図である。
【図２】本発明によるプラントの例示的実施形態の概略図を示す図である。
【図３】本発明による例示的実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図1は、三相AC電圧を発生させるためのプラント(図示されず)についての本発明による三相発電機1の例示的実施形態の概略横断面図を示す。
【００２４】
三相発電機1は、2つの磁極3および4を有する二極ロータ2を備え、磁極3は、磁気的N極であり、磁極4は、磁気的S極である。三相発電機1はまた、ステータ5も備え、それは、1つの、特に分数ピッチのステータ巻線6を有し、その中で電圧が、そのロータ回転軸7の周りでのロータ2の回転のおかげで誘起される。ステータ5は、60Hzステータであり、ロータ2は、50Hzロータである。
【００２５】
磁極3および4は、ロータ2のロータ回転軸7に関して、互いに関して不均一に円周方向にオフセットされるように配置される。特に磁極3および4は、ロータ2のロータ回転軸7に関して、ロータ2の回転方向(矢印9によって示される)における磁極3と4との間の極角度間隔8が、180°よりも大きいような方法で、互いに関して不均一に円周方向にオフセットされるように配置される。特に、図示される例示的実施形態でのロータ2の回転方向における極角度間隔8は、210°である。ロータ2の磁極4はそれ故に、ロータ回転軸7に垂直に延びる軸10に関して30°だけ角度が付いて配置され、ロータ2の磁極3は、その軸上に位置する。従って、磁極4は、150°の極間隔におけるのと同程度に早くロータ2の回転の反対方向において磁極3に追随する。ステータ巻線6に誘起される電圧振動の第1の半波は、60Hz半波に近似的に対応し、一方電圧振動の第2の半波は、40Hz半波に近似的に対応する。振動の第1の半波は、第2の半波よりも速く進む。前記誘起電圧のフーリエ分解は、他の振動成分に加えて、40Hz、50Hzおよび60Hz振動を含有する。ロータ2のこの構成は、通常の近似的に正弦波の50Hz振動と比較して、比較的大きくひずんだ振動をステータ巻線に誘起する。60Hz三相AC電圧を60Hzパワーグリッドに供給することができるために、必要とされない振動成分のすべて、すなわち60Hz振動以外には振動成分のすべては、フィルタ回路(図示されず)を通じて誘起電圧からフィルタリングして除去される。
【００２６】
図2は、三相AC電圧を発生させるための本発明によるプラント11の例示的実施形態の概略図を示す。
【００２７】
プラント11は、50Hzガスタービンの形のタービン12を備える。プラント11はさらに、三相AC電圧を発生させるためのシステム13を備える。システム13は、60Hz三相AC電圧が給電されることを目的とする60Hzパワーグリッド14に接続される。
【００２８】
システム13は、三相発電機1を備え、それは、図1の通りに構成されてもよい。三相発電機1からは、ステータ巻線を表す3つの巻線抵抗器15を有するステータ回路図だけが、図2に示される。タービン12のタービンロータ(図示されず)は、回転可能に固定されるように三相発電機1のロータ(図示されず)に接続される。
【００２９】
プラントはさらに、フィルタユニット16を備え、それは、三相発電機1を通じて発生される相電圧をフィルタリングするために使用することができる。フィルタユニット16は、三相発電機1を通じて発生される三相AC電圧の1相につき1つの直列共振回路17を備える。各直列共振回路17は、インダクタンス18およびキャパシタンス19を備える。タービンロータの動作周波数は、フィルタユニット16を通じてフィルタリングされる三相AC電圧の周波数よりも低い。
【００３０】
本発明は、好ましい例示的実施形態を通じてより詳細に述べられ、例示されたけれども、本発明は、開示される例によって制限されず、他の変形が、本発明の保護範囲から逸脱することなく当業者によってこれから導かれてもよい。
【符号の説明】
【００３１】
1  三相発電機
2  ロータ
3  磁極
4  磁極
5  ステータ
6  ステータ巻線
7  ロータ回転軸
8  極角度間隔
9  ロータの回転方向を示す矢印
10  ロータ回転軸に垂直に延びる軸
11  プラント
12  タービン
13  システム
14  パワーグリッド
15  巻線抵抗器
16  フィルタユニット
17  直列共振回路
18  インダクタンス
19  キャパシタンス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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