專利名稱：永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機及其穩(wěn)壓方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電機，尤其涉及一種由變速風輪驅(qū)動的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機及其穩(wěn)壓方法。
背景技術：
并網(wǎng)型風力發(fā)電機是將風輪捕獲的機械能轉(zhuǎn)化為電能并輸送到恒壓、恒頻電網(wǎng)中去。在大功率電力電子技術不夠成熟時，改變發(fā)電機發(fā)出風電的頻率、電壓是非常困難的。為了能把風電直接輸送到電網(wǎng)中，只有選用與電網(wǎng)同頻率的交流異步發(fā)電機或交流同步發(fā)電機。異步發(fā)電機只能運行在同步轉(zhuǎn)速以上1％～4％左右轉(zhuǎn)速差范圍內(nèi)，同步發(fā)電機只能運行在同步轉(zhuǎn)速。為了使發(fā)電機頻率適合電網(wǎng)，必須用大變速比的齒輪箱與恒速風輪連接，使風輪與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速、風電與電網(wǎng)的頻率都相匹配。這兩種電機的優(yōu)點是不經(jīng)逆變而直接并網(wǎng)，但存在諸多不足1、電機的功率—轉(zhuǎn)速特性較硬，不易與風輪的輸出特性曲線很好地匹配，也很難提高捕獲風能效率以最大限度地吸收風能；2、在并網(wǎng)時易對機組及電網(wǎng)造成沖擊；3、由于風速的不穩(wěn)定性，易對齒輪箱產(chǎn)生沖擊而使齒輪箱損壞，維護成本高；4、發(fā)電機要經(jīng)常處于停機、低速發(fā)電、高速發(fā)電的頻繁投入、切出狀態(tài)，控制復雜，易出故障；5、發(fā)電機在低負載時空載損耗較大，難以提高輕載時效率，高效率區(qū)不大，而且只能由平均捕捉風能效率較低的恒速風輪驅(qū)動。對于同步發(fā)電機而言，還需有一套勵磁電源及其控制系統(tǒng)。因此這種發(fā)電方案既效率不夠高，極不經(jīng)濟；又結(jié)構復雜，增加了生產(chǎn)成本。
為了提高風輪捕捉風能的效率，從空氣動力學角度考慮，通過優(yōu)化，可以設計出幾乎在所有的風況下都具有較高能量轉(zhuǎn)換效率的變速風輪。試驗表明，在平均風速6.7m/s時，變速風輪要比恒速風輪多捕捉15％的風能。隨著電力電子技術的發(fā)展，大功率交流變頻技術已得到推廣應用，大功率風電的穩(wěn)壓和變頻并網(wǎng)已可以實現(xiàn)，因此風輪轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速變化與電網(wǎng)的頻率沒有必然的直接關系。為此，世界上各生產(chǎn)廠家又開發(fā)出新型的由變速風輪驅(qū)動的風力發(fā)電機，如Vestas公司生產(chǎn)的V66風力機及Enercon公司生產(chǎn)的E-30及E-66/1.8風力發(fā)電機等。V66風力機可以按照風況控制漿距角使其始終處于最佳狀態(tài)，從而提高了發(fā)電量，系統(tǒng)噪聲也得到控制。風輪功率通過齒輪箱和聯(lián)軸節(jié)傳遞到雙饋異步發(fā)電機。該機組采用了稱為VCS(Vestas Converter System)的最佳轉(zhuǎn)速控制技術，能保證機組輸出穩(wěn)定的電功率。VCS是由具有繞組轉(zhuǎn)子和滑環(huán)的異步發(fā)電機，由一個采用IGBT(絕緣柵極晶體管)開關的功率逆變器、接觸器和保護裝置組成。VCS可以使運行轉(zhuǎn)速變化范圍達到額定轉(zhuǎn)速的60％。以VCS技術為代表的雙饋異步發(fā)電機能夠把變速風輪捕捉的風能盡可能多地轉(zhuǎn)化為電能，增加發(fā)電量，保持低噪音運行，降低齒輪箱載荷，但其不足之處在于轉(zhuǎn)子有滑環(huán)，結(jié)構復雜，很難省去齒輪箱直驅(qū)運行。
Enercon公司生產(chǎn)的E-30及E-66/1.8等風力發(fā)電機均采用直驅(qū)變速電勵磁同步發(fā)電機，這種發(fā)電機靠調(diào)整勵磁電流來達到變速穩(wěn)壓輸出的目的，靠大功率整流器、逆變器實現(xiàn)AC—DC—AC的整流、逆變并網(wǎng)，雖然發(fā)揮了變速風輪的優(yōu)點，但其必須有滑環(huán)及勵磁系統(tǒng)，結(jié)構復雜，生產(chǎn)及運行成本高。
此外，國家知識產(chǎn)權局2005年8月3日公開的CN1649239號發(fā)明專利申請，公開了一種“MW級直接驅(qū)動永磁外轉(zhuǎn)子同步風力發(fā)電機”，所述發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)為永磁體，且直接驅(qū)動外轉(zhuǎn)子，省去了電勵磁同步發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)和滑環(huán)等結(jié)構。但該專利沒有公開變速永磁發(fā)電機電能并網(wǎng)前的穩(wěn)壓方式。
為實現(xiàn)永磁發(fā)電機的穩(wěn)壓輸出，現(xiàn)有技術中已提出一些解決辦法。如國家知識產(chǎn)權局1996年10月30日公開的95111026.8號發(fā)明專利申請，公開了一種穩(wěn)壓永磁發(fā)電機及其穩(wěn)壓方法。所述發(fā)電機包括定子、轉(zhuǎn)子、蝸輪蝸桿機構、執(zhí)行電機和取樣控制電路，轉(zhuǎn)子與發(fā)動機的輸出軸相連接，取樣控制電路與發(fā)電機電壓輸出端相連接，執(zhí)行電機與取樣控制電路相連接，執(zhí)行電機通過蝸輪蝸桿機構驅(qū)動一根絲杠作軸向運動，該絲杠的一端與定子相固定。其穩(wěn)壓方法是通過控制電路和調(diào)壓執(zhí)行機構根據(jù)負載變化來調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)子、定子的相對位置，從而改變定、轉(zhuǎn)子間的磁場耦合狀態(tài)，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這種方法的缺點是1、由于需增設取樣控制電路和調(diào)壓執(zhí)行機構、執(zhí)行電機等諸多設備，控制系統(tǒng)和機械結(jié)構都較為復雜，大大提高了生產(chǎn)成本；2、由于其具有復雜的調(diào)壓執(zhí)行機構，很難在大型發(fā)電機(例如MW級風力發(fā)電機)上應用(因為如果大型發(fā)電機采用這種方法調(diào)壓，調(diào)壓執(zhí)行機構將非常龐大、結(jié)構異常笨重，難于實現(xiàn))。此外，1999年9月11日授權公告95239710.2實用新型專利也公開了一種穩(wěn)壓永磁發(fā)電機，所述發(fā)電機具有與前述專利類似的結(jié)構，采用同樣的方法實現(xiàn)穩(wěn)壓；2000年8月9日公開的CN1262547號發(fā)明專利申請，公開了一種永磁發(fā)電機輸出電壓穩(wěn)定方法及穩(wěn)壓永磁發(fā)電機，其通過設置在同一軸線上的復位彈簧、平衡彈簧及彈簧調(diào)節(jié)螺母的共同作用，來調(diào)節(jié)定子與轉(zhuǎn)子之間的相對位移量從而實現(xiàn)穩(wěn)壓，其穩(wěn)壓方法的本質(zhì)與前述專利相同。因此這些專利所公開的穩(wěn)壓方法皆存在上述諸多不足。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題之一是，提供一種簡單、經(jīng)濟、有效、可靠的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的穩(wěn)壓方法。
本發(fā)明要解決的另一技術問題是，根據(jù)給定條件，提供一種只需對發(fā)電機進行優(yōu)化電磁設計，確定特定的電樞繞組漏電感值，無需增加任何附加設備或控制電路即能由電機自然特性實現(xiàn)恒壓輸出的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機。
按照本發(fā)明提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的穩(wěn)壓方法，該發(fā)電機由變速風輪驅(qū)動，發(fā)出的恒壓直流電經(jīng)逆變器變頻后輸向電網(wǎng)，該發(fā)電機在最大工作轉(zhuǎn)速時電樞繞組漏電抗標幺值X*等于發(fā)電機最大、最小工作轉(zhuǎn)速之差與最小工作轉(zhuǎn)速之比，其值范圍為0.1至1.7，該方法是通過對發(fā)電機本身進行優(yōu)化電磁設計，來增大該發(fā)電機的電樞繞組的漏電感值，從而增大發(fā)電機工作時的電樞繞組的漏感電抗，使得當該發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在其工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時，發(fā)電機的電勢E與電樞繞組的漏電抗壓降X·I等量、同步變化，從而實現(xiàn)恒壓輸出。
作為上述方法的一種具體實施方案，設計該發(fā)電機的所述電樞鐵芯時使其用于容置繞組的容置槽的深度與寬度之比大于6∶1。
作為上述方法的一種優(yōu)選實施方案，設計該發(fā)電機的所述電樞鐵芯時使所述容置槽的深度與寬度之比大于8∶1。一種更優(yōu)選的方案是，設計該發(fā)電機的所述電樞鐵芯時使所述容置槽的深度與寬度之比為10∶1至16∶1。
作為上述方法的更進一步措施，選用導磁體作為封閉所述電樞繞組的槽楔，以進一步增加所述電樞繞組的漏電感值，，從而獲得所需的漏感電抗。
按照本發(fā)明提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，由變速風輪驅(qū)動，發(fā)出的恒壓直流電經(jīng)逆變器變頻后輸向電網(wǎng)，所述發(fā)電機包括一定子，包括電樞鐵芯、安裝于所述電樞鐵芯內(nèi)的繞組及用于安裝所述電樞鐵芯的鐵芯安裝架一轉(zhuǎn)子，可轉(zhuǎn)動地安裝于所述定子上，由所述變速風輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，其包括永磁磁極和用于安裝所述永磁磁極的磁極固定架；一多相全波整流器，接所述繞組的輸出端，其將電流整流后再輸出至所述逆變器；所述電樞鐵心上成形有多道容置槽，所述繞組安裝于所述容置槽內(nèi)，所述容置槽的深度與寬度之比大于6∶1。
按照本發(fā)明提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機還具有如下附屬技術特征在本發(fā)明給出的一種優(yōu)選實施方案中，所述容置槽的深度與寬度之比大于8∶1；一種更優(yōu)選的方案是，所述容置槽的深度與寬度之比為10∶1至16∶1。
所述容置槽內(nèi)安裝的槽楔為導磁體，其將所述繞組封閉于所述容置槽內(nèi)。
作為上述優(yōu)選實施方案的一種實施例方式，所述發(fā)電機為外轉(zhuǎn)式發(fā)電機，所述定子還包括一固定軸，所述鐵芯安裝架固定于所述固定軸上；所述磁極固定架由機殼和安裝于機殼兩端的端蓋組成，所述永磁磁極固定于所述機殼的內(nèi)側(cè)，所述兩端蓋借助兩滾動軸承安裝于所述固定軸上。所述兩端蓋的中部成形有兩向內(nèi)延伸的環(huán)形凸緣，所述滾動軸承設于所述環(huán)形凸緣和所述固定軸之間。所述永磁磁極借助膠粘劑粘固于所述機殼的內(nèi)表面。
作為上述優(yōu)選實施方案的另一種實施例方式，所述發(fā)電機為內(nèi)轉(zhuǎn)式發(fā)電機，所述轉(zhuǎn)子還包括一旋轉(zhuǎn)軸，所述磁極固定架固定于所述旋轉(zhuǎn)軸上；所述鐵芯安裝架由機殼和安裝于所述機殼兩端的端蓋組成，所述電樞鐵芯固定于所述機殼的內(nèi)側(cè)；所述兩端蓋借助兩滾動軸承安裝于所述旋轉(zhuǎn)軸上。所述兩端蓋的中部成形有兩向內(nèi)延伸的環(huán)形凸緣，所述滾動軸承設于所述環(huán)形凸緣與所述旋轉(zhuǎn)軸之間。所述永磁磁極借助膠粘劑粘固于所述磁極固定架的外周。
按照本發(fā)明提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機及其穩(wěn)壓方法，由于僅通過增大電樞鐵心上繞組容置槽的深、寬比來增加繞組的漏感電抗，并合理利用了電樞反應的去磁特性，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓，且保證了其穩(wěn)壓效果。與現(xiàn)有技術相比，一方面，這種完全靠優(yōu)化電磁設計確定的電機參數(shù)來實現(xiàn)穩(wěn)壓的發(fā)電機，不需要增加任何檢測、控制環(huán)節(jié)及執(zhí)行機構等，不僅結(jié)構大為簡化，成本大大降低，效率和可靠性大大提高，而且非常適用于類似于風力發(fā)電機的這種大型發(fā)電機上；另一方面，克服了現(xiàn)有技術中的技術偏見?，F(xiàn)有技術中，設計發(fā)電機時，為了提高發(fā)電機的效率和功率因數(shù)，提高發(fā)電機在負載變化時輸出電壓的穩(wěn)定性，一般都要努力減小繞組的漏感電抗。而本發(fā)明的發(fā)明思路剛好與其相反——通過增大漏感電抗來實現(xiàn)永磁變速恒壓發(fā)電機的恒壓輸出。因此不僅在大功率永磁直流無刷發(fā)電機變速恒壓輸出方面實現(xiàn)了飛躍性的技術突破，用電機自然輸出特性達到了永磁變速恒壓輸出的目的；而且這種新穎獨特的設計思想也給本領域的普通技術人員對永磁發(fā)電機的穩(wěn)壓研發(fā)提供了更廣闊的思路。
按照本發(fā)明提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，可與變速風輪的輸出特性實現(xiàn)直接耦合匹配，運行轉(zhuǎn)速變化范圍寬，最大、最小工作轉(zhuǎn)速的變化范圍可達到最大工作轉(zhuǎn)速的70％。既保持了永磁發(fā)電機的高效率、輕便、結(jié)構簡單等優(yōu)點，又能在變速變負載情況下自動實現(xiàn)穩(wěn)壓，其發(fā)出的恒壓直流電只需經(jīng)逆變即可并網(wǎng)。系統(tǒng)中減少了大量的機電檢測及調(diào)控設備，不僅結(jié)構簡單，降低造價，也提高了運行可靠性。
按照本發(fā)明提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，在變速風輪和逆變器之間能實現(xiàn)自身的輸入輸出特性分別與變速風輪輸出特性及逆變器的輸入特性自動優(yōu)化匹配，靠其自然輸出特性自動選取最優(yōu)工作點，消除了系統(tǒng)中的機械沖擊和電氣沖擊過程，延長了發(fā)電機的運行壽命，節(jié)省了運行成本。
按照本發(fā)明提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，由于是由其自然輸出特性自動實現(xiàn)變速恒壓輸出的，不需要斬波調(diào)壓，所以諧波分量小，僅存在整流諧波，逆變前無斬波諧波。如果風電場內(nèi)若干臺風力發(fā)電機組直流電能匯集后再逆變輸往電網(wǎng)，不僅直流電源匯集方便，而且整流諧波互補后可以消除大部分諧波，減小對電網(wǎng)的諧波污染。
下面結(jié)合附圖給出的優(yōu)選實施例對本發(fā)明進行詳細說明，其中圖1為按照本發(fā)明提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的應用原理示意圖；圖2為按照本發(fā)明提供的外轉(zhuǎn)式永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的半剖示意圖；圖3為圖2所示外轉(zhuǎn)式永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的電樞沖片的平面示意圖；圖4為按照本發(fā)明提供的內(nèi)轉(zhuǎn)式永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的半剖示意圖；圖5為圖4所示內(nèi)轉(zhuǎn)式永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的電樞沖片的平面示意圖。
具體實施例方式按照本發(fā)明提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的穩(wěn)壓方法，該發(fā)電機由變速風輪驅(qū)動，發(fā)出的恒壓直流電經(jīng)逆變器變頻后輸向電網(wǎng)，該方法是通過對發(fā)電機本身進行優(yōu)化電磁設計，來增大該發(fā)電機的電樞繞組的漏電感值，從而增大發(fā)電機工作時的電樞繞組的漏感電抗，使得當該發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在其工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時，發(fā)電機的電勢E與電樞繞組的漏電抗壓降X·I等量、同步變化，從而實現(xiàn)恒壓輸出。該方法能適用于最大工作轉(zhuǎn)速時電樞繞組漏電抗的標幺值X*為0.1至1.7的發(fā)電機(發(fā)電機在最高轉(zhuǎn)速時電樞繞組漏電抗標幺值X*等于發(fā)電機最大、最小工作轉(zhuǎn)速之差與最小工作轉(zhuǎn)速之比)。
根據(jù)電機學理論，永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，在忽略電樞內(nèi)阻的情況下，可以等效成一個正比于轉(zhuǎn)速n變化的電勢E與一個等效電抗壓降X·I組成的電源，其表達式為U＝f(n)≈E-X·I，其中U為發(fā)電機輸出電壓，X為電樞等效漏電抗，I為等效電流，等效漏電抗X＝2πfL，L為等效漏電感。本發(fā)明的方法是根據(jù)上述表達式，通過對發(fā)電機進行電磁設計，確定合適的電抗X，靠電抗壓降XI與發(fā)電機電勢E的同步變化來實現(xiàn)變速下輸出電壓U的恒定，具體措施為通過增大所述電樞鐵芯內(nèi)用于容置繞組的容置槽的深、寬比或采用適當厚度的磁性槽楔來獲得電樞繞組合適的漏電感L值，使電樞繞組漏電抗X(X＝2πfL)能夠滿足漏抗壓降X·I與電勢E等量、同步變化，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓。
作為上述方法的一種具體實施方案，設計該發(fā)電機的所述電樞鐵芯時使其用于容置繞組的容置槽的深度與寬度之比大于6∶1。
作為上述方法的一種優(yōu)選實施方案，設計該發(fā)電機的所述電樞鐵芯時使所述容置槽的深度與寬度之比大于8∶1。一種更優(yōu)選的方案是，設計該發(fā)電機的所述電樞鐵芯時使所述容置槽的深度與寬度之比為10∶1至16∶1。作為上述方法的更進一步措施，同時選用導磁體作為封閉所述電樞繞組的槽楔，以進一步增加所述電樞繞組的漏電感值。
用于實施上述穩(wěn)壓方法的發(fā)電機的結(jié)構詳見下述。
參見圖1，按照本發(fā)明提供的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機10，其由變速風輪驅(qū)動，發(fā)出的恒壓直流電經(jīng)逆變器20變頻后輸向電網(wǎng)30。變速風輪和逆變器的具體結(jié)構及其與發(fā)電機10的連接、安裝方式及結(jié)構等皆為公知技術，此處不再贅述。
參見圖2，所述發(fā)電機10包括
一定子1，包括電樞鐵芯11、安裝于所述電樞鐵芯11內(nèi)的繞組12及用于安裝所述電樞鐵芯11的鐵芯安裝架13；一轉(zhuǎn)子2，可轉(zhuǎn)動地安裝于所述定子1上，由所述變速風輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，其包括永磁磁極21和用于安裝所述永磁磁極21的磁極固定架22；一多相全波整流器3，接所述繞組12的輸出端，其將電流整流后再輸出至所述逆變器20；所述電樞鐵芯11由多片電樞沖片疊壓而成，參見圖3，圖中示出了每片電樞沖片的平面示意圖，所述電樞鐵心11上成形有多道容置槽111，所述繞組12安裝于所述容置槽111內(nèi)，本發(fā)明的特征在于，所述容置槽111的深度與寬度之比大于6∶1，本發(fā)明電樞繞組12的漏感電抗大大增加，并利用該原理(詳見下述)實現(xiàn)穩(wěn)壓。
參見圖3，作為對上述結(jié)構的更進一步的改進，所述容置槽111內(nèi)安裝的槽楔14為導磁體，其將所述繞組12封閉于所述容置槽111內(nèi)。選擇導磁體作為槽楔能進一步增大繞組12的漏電感值。從而更好地實現(xiàn)穩(wěn)壓。
在本發(fā)明給出的一種優(yōu)選實施方案中，所述容置槽111的深度與寬度之比大于8∶1，容置槽的深寬比位于該范圍內(nèi)的電樞鐵芯的發(fā)電機能更好地實現(xiàn)穩(wěn)壓；作為本發(fā)明的再一種優(yōu)選實施方案，所述容置槽111的深度與寬度之比為10∶1至16∶1。容置槽的深寬比位于該范圍內(nèi)的電樞鐵芯更適用于變速范圍較大的風力發(fā)電機。
參見圖2和3，在本發(fā)明的一種具體實施方案中，所述發(fā)電機10為外轉(zhuǎn)式發(fā)電機，所述定子1還包括一固定軸15，所述鐵芯安裝架13固定于所述固定軸15上；所述磁極固定架22由機殼221和安裝于機殼221兩端的端蓋222組成，所述永磁磁極21固定于所述機殼221的內(nèi)側(cè)，所述兩端蓋222借助兩滾動軸承4安裝于所述固定軸15上。所述兩端蓋222的中部成形有兩向內(nèi)延伸的環(huán)形凸緣223，所述滾動軸承4設于所述環(huán)形凸緣223和所述固定軸15之間。所述環(huán)形凸緣223的結(jié)構能大大方便所述滾動軸承4的安裝。所述永磁磁極21借助膠粘劑粘固于所述機殼221的內(nèi)表面，因此安裝方便，降低了生產(chǎn)成本。這種結(jié)構的發(fā)電機，變速風輪(圖中未示)直接或借助另一固定件安裝于所述機殼221上，從而驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動。
參見圖4和5，在本發(fā)明的另一種具體實施方案中，所述發(fā)電機10為內(nèi)轉(zhuǎn)式發(fā)電機，所述轉(zhuǎn)子2還包括一旋轉(zhuǎn)軸23，所述磁極固定架22固定于所述旋轉(zhuǎn)軸23上；所述鐵芯安裝架13由機殼131和安裝于所述機殼131兩端的端蓋132組成，所述電樞鐵芯11固定于所述機殼131的內(nèi)側(cè)；所述兩端蓋132借助兩滾動軸承4安裝于所述旋轉(zhuǎn)軸23上。所述兩端蓋132的中部成形有兩向內(nèi)延伸的環(huán)形凸緣133，所述滾動軸承4設于所述環(huán)形凸緣133與所述旋轉(zhuǎn)軸23之間。所述環(huán)形凸緣133的結(jié)構能大大方便所述滾動軸承4的安裝。所述永磁磁極21借助膠粘劑粘固于所述磁極固定架22的外周，因此安裝方便，降低了生產(chǎn)成本。這種結(jié)構的發(fā)電機，變速風輪(圖中未示)直接或借助另一固定件安裝于所述旋轉(zhuǎn)軸23上，從而驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子2轉(zhuǎn)動。
本發(fā)明具體的設計思路及實現(xiàn)原理如下設永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機由轉(zhuǎn)速變化范圍為最小工作轉(zhuǎn)速n0至最大工作轉(zhuǎn)速ne的變速風輪驅(qū)動，發(fā)出電壓為Ue的直流電經(jīng)逆變器變頻輸向電網(wǎng)。當輸入轉(zhuǎn)速n在n0-ne之間變化時，電勢E＝ke·n、電樞繞組漏電抗X＝f(n)都正比于n變化，輸出電流也會隨著n的增加而增加；當電樞電阻R足夠小(在計算內(nèi)阻壓降時可以略去電阻值)，如果能使電樞繞組漏電抗壓降X·I與電勢E＝ke·n等量、同步變化，即可利用電抗壓降穩(wěn)壓，實現(xiàn)恒壓輸出。
為實現(xiàn)上述目標，由最小工作轉(zhuǎn)速n0、最大工作轉(zhuǎn)速ne、額定電壓Ue、額定電流Ie等給定條件確定電勢系數(shù)ke=Uen0,X=nne·ne-n0n0·UeIe,]]>電磁設計時使電樞電阻標幺值R*＝0.02～0.04，電樞電勢E=Uen0·n,]]>輸出電流I=E-UeX,]]>即I=n-n0ne-n0·nen·Ie,]]>則發(fā)電機輸出電壓U＝f(n)＝E-X·I，代入相關參數(shù)后即得U＝f(n)＝Ue，實現(xiàn)了利用電抗壓降穩(wěn)壓，達到恒壓輸出之目的。由此可見，利用電抗壓降達到了自動穩(wěn)壓目的，實現(xiàn)了恒壓輸出。例如按照本發(fā)明提供的一永磁直流發(fā)電機，其額定功率為1500kW，額定電壓1000V，最小工作轉(zhuǎn)速n0＝8.8rpm，最大工作轉(zhuǎn)速ne＝22rpm。電樞繞組為六相交流繞組，整流器為六相全波整流器，機殼外徑為4.8m，定子電樞鐵芯的外徑為4.5m，電機極數(shù)為2p＝96極，鐵芯長度l＝750mm，電樞容置槽的深、寬之比為h∶b＝11.7∶1，電勢系數(shù)ke＝13.64v/rpm，在最大工作轉(zhuǎn)速時繞組漏抗標幺值X*＝1.5。該發(fā)電機能很好地實現(xiàn)恒壓輸出。
上述優(yōu)選實施例僅供說明本發(fā)明之用，而并非對本發(fā)明的限制。本領域的普通技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)指引下，還可做出各種變形和變換，因此所有等同技術方案皆屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的穩(wěn)壓方法，該發(fā)電機由變速風輪驅(qū)動，發(fā)出的恒壓直流電經(jīng)逆變器變頻后輸向電網(wǎng)，該發(fā)電機在最大工作轉(zhuǎn)速時電樞繞組漏電抗標幺值X*等于發(fā)電機最大、最小工作轉(zhuǎn)速之差與最小工作轉(zhuǎn)速之比，其值范圍為0.1至1.7，其特征在于該方法是通過對發(fā)電機本身進行優(yōu)化電磁設計，來增大該發(fā)電機的電樞繞組的漏電感值，從而增大發(fā)電機工作時的電樞繞組的漏感電抗，使得當該發(fā)電機的轉(zhuǎn)速在其工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)變化時，發(fā)電機的電勢E與電樞繞組的漏電抗壓降X·I等量、同步變化，從而實現(xiàn)恒壓輸出。
2.根據(jù)權利要求1所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的穩(wěn)壓方法，其特征在于設計該發(fā)電機的所述電樞鐵芯時使其用于容置繞組的容置槽的深度與寬度之比大于6∶1。
3.根據(jù)權利要求2所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的穩(wěn)壓方法，其特征在于設計該發(fā)電機的所述電樞鐵芯時使所述容置槽的深度與寬度之比大于8∶1。
4.根據(jù)權利要求3所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的穩(wěn)壓方法，其特征在于設計該發(fā)電機的所述電樞鐵芯時使所述容置槽的深度與寬度之比為10∶1至16∶1。
5.根據(jù)權利要求1所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機的穩(wěn)壓方法，其特征在于選用導磁體作為封閉所述電樞繞組的槽楔，以進一步增加所述電樞繞組的漏電感值，從而獲得所需的漏感電抗。
6.一種永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，該發(fā)電機(10)由變速風輪驅(qū)動，發(fā)出的恒壓直流電經(jīng)逆變器(20)變頻后輸向電網(wǎng)(30)，所述發(fā)電機(10)包括一定子(1)，包括電樞鐵芯(11)、安裝于所述電樞鐵芯(11)內(nèi)的繞組(12)及用于安裝所述電樞鐵芯(11)的鐵芯安裝架(13)；一轉(zhuǎn)子(2)，可轉(zhuǎn)動地安裝于所述定子(1)上，由所述變速風輪驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，其包括永磁磁極(21)和用于安裝所述永磁磁極(21)的磁極固定架(22)；一多相全波整流器(3)，接所述繞組(12)的輸出端，其將電流整流后再輸出至所述逆變器(20)；其特征在于所述電樞鐵心(11)上成形有多道容置槽(111)，所述繞組(12)安裝于所述容置槽(111)內(nèi)，所述容置槽(111)的深度與寬度的之比大于6∶1。
7.根據(jù)權利要求6所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，其特征在于所述容置槽(111)內(nèi)安裝的槽楔(14)為導磁體，其將所述繞組(12)封閉于所述容置槽(111)內(nèi)。
8.根據(jù)權利要求6所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，其特征在于所述容置槽(111)的深度與寬度之比大于8∶1。
9.根據(jù)權利要求8所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，其特征在于所述容置槽(111)的深度與寬度之比為10∶1至16∶1。
10.根據(jù)權利要求6或7所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，其特征在于該發(fā)電機為外轉(zhuǎn)式發(fā)電機，所述定子(1)還包括一固定軸(15)，所述鐵芯安裝架(13)固定于所述固定軸(15)上；所述磁極固定架(22)由機殼(221)和安裝于機殼(221)兩端的端蓋(222)組成，所述永磁磁極(21)固定于所述機殼(221)的內(nèi)側(cè)，所述兩端蓋(222)借助兩滾動軸承(4)安裝于所述固定軸(15)上。
11.根據(jù)權利要求10所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，其特征在于所述兩端蓋(222)的中部成形有兩向內(nèi)延伸的環(huán)形凸緣(223)，所述滾動軸承(4)設于所述環(huán)形凸緣(223)和所述固定軸(15)之間；所述永磁磁極(21)借助膠粘劑粘固于所述機殼(221)的內(nèi)表面。
12.根據(jù)權利要求6或7所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，其特征在于所述發(fā)電機(10)為內(nèi)轉(zhuǎn)式發(fā)電機，所述轉(zhuǎn)子(2)還包括一旋轉(zhuǎn)軸(23)，所述磁極固定架(22)固定于所述旋轉(zhuǎn)軸(23)上；所述鐵芯安裝架(13)由機殼(131)和安裝于所述機殼(131)兩端的端蓋(132)組成，所述電樞鐵芯(11)固定于所述機殼(131)的內(nèi)側(cè)；所述兩端蓋(132)借助兩滾動軸承(4)安裝于所述旋轉(zhuǎn)軸(23)上。
13.根據(jù)權利要求10所述的永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機，其特征在于所述兩端蓋(132)的中部成形有兩向內(nèi)延伸的環(huán)形凸緣(133)，所述滾動軸承(4)設于所述環(huán)形凸緣(133)與所述旋轉(zhuǎn)軸(23)之間；所述永磁磁極(21)借助膠粘劑粘固于所述磁極固定架(22)的外周。
全文摘要
一種永磁直流無刷變速恒壓風力發(fā)電機及其穩(wěn)壓方法，該發(fā)電機由變速風輪驅(qū)動，發(fā)出的恒壓直流電經(jīng)逆變器變頻后輸向電網(wǎng)，該發(fā)電機在最大工作轉(zhuǎn)速時電樞繞組漏電抗標幺值X
文檔編號H02K1/27GK1841916SQ20061006655
公開日2006年10月4日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權日2006年1月25日
發(fā)明者劉長安, 張繼鵬, 劉慧博 申請人:包頭長安永磁電機研發(fā)有限公司