CN103401388A - 一种无刷变速恒频两级双馈发电机 - Google Patents

Abstract

一种无刷变速恒频两级双馈发电机，是一种能够实现变速恒频发电的新型无刷发电机。它具有前级（交流励磁级）和后级（主发电级）两套定、转子***，前级定子经可逆变流器接电网，后级定子直接接电网，两级转子同轴且三相绕组直接相连。当原动机拖动转子旋转时，前级定子励磁，转子发电且发出的电能直接作为后级转子的励磁电能，从而后级定子发电。根据双馈原理，当发电机的转速发生变化时，发电机输出的电流频率可通过维持前级定子励磁频率不变来保持不变。这样，该发电机能在不使用集电环电刷的前提下实现变速恒频发电。

Description

一种无刷变速恒频两级双馈发电机

技术领域

本发明是一种适用于变速恒频场合的无刷交流发电机，这种发电机避免了集电环和电刷，适用于航空发电、航天发电、风力发电、水力发电等领域。

背景技术

变速恒频发电机多见于风力发电，双馈式变速恒频风力发电机是目前国内外风力发电机组的主流机型。双馈发电机具有定、转子两个绕组，定子绕组用于发电，它直接连接至电网，转子绕组由接到电网的可逆变流器进行交流励磁。双馈发电机一般状态下是异步运行的，异步发电机中定、转子电流产生的旋转磁场始终相对静止，当发电机转速变化时，可以通过调节转子电流频率来维持定子电流频率不变，以保证与电网频率相同，实现变速恒频控制。由于转子引入交流励磁，不可避免的使转子结构带有集电环和电刷，集电环和电刷存在磨损大、温升高、寿命短等致命缺陷。这些缺陷导致了双馈发电机可靠性差，需要经常维护。而在一些可靠性需求高且维护不便的领域，例如发电厂、航空、航天等领域，双馈发电机的应用就受到了限制。

发明内容

为了克服现有双馈发电机转子集电环和电刷所带来的可靠性差、寿命短等上述问题，本发明设计了一种无刷变速恒频两级双馈发电机。该发电机不使用集电环和电刷，可靠性高，而且不用根据转子转速调节转子交流励磁电源的频率，控制简单，方便地实现了变速恒频发电。

本发明所采用的技术方案是：

一种无刷变速恒频两级双馈发电机，采用两台定、转子绕组均为绕线型的双馈发电机串联结构，并以输入励磁电压的频率输出三相电压，发电机一个机壳内串联安装了前级-交流励磁级双馈发电机和后级-主发电级双馈发电机两套定、转子；前级定子绕组经电网调压后接入，形成励磁电路，后级定子绕组直接引出接电网，两级转子同轴且绕组直接连接，在转子转速小于或大于同步转速时，产生与前级发电机输入电压频率相同的输出电压；前端盖、卧式机壳、后端盖组成两级双馈发电机的外壳；前轴承和后轴承分别置于前端盖和后端盖上，用于支承转子转轴；交流励磁级定子和主发电级定子串联固定在机壳内，交流励磁级转子和主发电级转子串联在转子转轴上，交流励磁级定子和交流励磁级转子组成交流励磁级，位于转子转轴的轴向左侧，主发电级定子和主发电级转子组成主发电级，位于转子转轴的轴向右侧。

当发电机转速发生变化时，后级定子发出电压频率与前级定子电压频率相同，即在发电机运行过程中，发电机具有自调节性能，只需要保持前级定子电压频率恒定不变，后级定子发出的电压频率就是恒定不变的。

所述发电机的交流励磁级和主发电级的定子磁路相互隔离，电路分开；两级转子串联在同一根轴上，以同样的速度旋转，在电能的传递过程中，不需要使用集电环和滑环。

所述发电机的交流励磁级的定子绕组和转子绕组之间为Y——Y结构，主发电级的定子绕组和转子绕组之间为Y——Y结构，两级转子绕组之间为Y——Y直接连接。

所述发电机的两级定、转子绕组结构，交流励磁级双馈发电机为Y——Δ结构，主发电级双馈发电机为Y——Y结构，两级转子绕组为Δ——Y直接连接。

所述发电机的两级定、转子绕组结构，交流励磁级双馈发电机为Y——Δ结构，主发电级双馈发电机为Y——Δ结构，两级转子绕组为Δ——Δ直接连接。

所述发电机的两级定、转子绕组结构，交流励磁级双馈发电机为Y——Y结构，主发电级双馈发电机为Y——Δ结构，两级转子绕组为Y——Δ直接连接。

所述发电机的主发电级定子绕组结构为Δ型结构。

本发明所采用的技术方案的原理是：发电机具有两套定、转子绕组，分别称其为交流励磁级（前级）和主发电级（后级），均使用绝缘导线嵌于铁心槽内，连接成星形联结的三相对称绕组。前、后级转子同轴。从三相电网经可逆变流器，电能接入前级定子绕组，形成励磁电路，后级定子绕组三相引出并入三相电网，前、后级转子按照星形对星形三相直接连接。当原动机拖动转子旋转时，前级定子励磁，转子发电，发出的电能直接作为后级转子的励磁电能，从而后级定子发电。发电机异步运行，定、转子电流产生的旋转磁场始终是相对静止的，则发电机转子转速和定、转子电流的频率关系可以表示为：

$f_1=\frac{p}{60}n+f_2---\left(1\right)$

$f_3=\frac{p}{60}n+f_2---\left(2\right)$

式中：f₁——前级定子电流的频率，单位为Hz;

p——发电机的极对数；

n——转子的转速，单位为r/min；前、后级转子同轴连接，则两转子转速相等；

f₂——转子电流的频率，单位为Hz，前、后级转子绕组相互连接，其电流频率相等；

f₃——后级定子电流的频率，单位为Hz，f₃＝pn₃/60，n₃为后级同步转速。

由式（1）、（2）可知：f₁＝f₃，即当发电机的转速n变化时，可通过控制f₁不变来维持f₃不变，以保证发电机输出与电网频率相同，实现变速恒频控制。

根据转子转速的不同，该发电机可以有三种运行状态：

1、亚同步运行状态。此时n＜n₃，前、后级转子电流频率为f₂，转子电流产生的旋转磁场的转速与转子同步转速同方向，功率流为：后级定子发电，后级转子通过前级定、转子和可逆变流器从电网吸收一定量的电能。

2、超同步运行状态。此时n＞n₃，转子中的电流相序发生了改变，频率为f₂的转子电流产生的旋转磁场的转速与转子转速相反，功率流为：后级定、转子同时发电，后级转子发出的电能通过前级定、转子和可逆变流器馈入电网。

3、同步运行状态。此时n＝n₃，转子绕组不产生切割感应电势，感应电流为零，发电机不能发电。所以此发电机不能工作在同步运行状态。

本发明的有益效果是：发电机不使用集电环和电刷，可靠性高，寿命长；且发电机输出电压频率与可逆变流器励磁频率相同，只需要进行恒压控制，控制简单。

附图说明

图1是发电机剖面构造图。图中1.轴承，2.前端盖，3.交流励磁级转子，4.交流励磁级定子，5.卧式机壳，6.主发电级转子，7.主发电级定子，8.后端盖，9.轴承，10.转子转轴；

图2是发电机连接方式；

图3是发电机转子绕组连接图，其中图3a为交流励磁级-主发电级绕组为Y——Y连接方式图，图3b为交流励磁级-主发电级绕组为Δ——Y连接方式图，图3c为交流励磁级-主发电级绕组为Δ——Δ连接方式图，图3d为交流励磁级-主发电级绕组为Y——Δ连接方式图；

图4是发电机主发电级定子绕组结构图，其中图4a为Y型结构，图4b为Δ型结构。

具体实施方式

结合附图进一步对本发明进行说明。

在图1中，发电机采用卧式机壳5，交流励磁级定子4和主发电级定子7串联固定在卧式机壳5内，两级定子电流产生的磁场在各自的定子铁芯和定、转子气隙中构成闭合回路，并不经过卧式机壳5，因此两级发电机磁路相互隔离，电路分开。交流励磁级转子3和主发电级转子6串联在转子转轴10上，以同样的速度旋转。交流励磁级定子4和交流励磁级转子3构成交流励磁级，置于转子转轴10轴向左侧上，主发电级定子7和主发电级转子6构成主发电级，置于转子转轴10轴向右侧上。前端盖2在交流励磁级左侧，后端盖8在主发电级右侧。前轴承1和后轴承9分别置于前端盖2和后端盖8上，转子转轴10由前轴承1和后轴承9支撑。

在图2中，交流励磁级定子4三相绕组引出线经可逆变流器接入电网侧，形成励磁电路，交流励磁级转子3绕组引出线直接接入主发电级转子6的绕组，主发电级定子7绕组引出线直接接入电网侧，转子转轴10由原动机拖动。发电机运行时，转子转轴10由原动机拖动旋转，电网电能通过变流器输送给发电机交流励磁级定子4供交流励磁级励磁，交流励磁级转子3发电。该电能输送给主发电级转子6供主发电级励磁，主发电级定子7发电。这个过程中，交流励磁级转子3、主发电级转子6和它们之间的引出线都随转子转轴10转动，这样就避免了集电环和电刷的使用。

在图3中，交流励磁级转子3和主发电级转子6有四种连接方式：图3a为Y——Y连接，图3b为Δ——Y连接，图3c为Δ——Δ连接，图3d为Y——Δ连接。其中，Y型结构相电压低、无环流，有利于绕组绝缘；Δ型结构相电压高、电磁转矩大。图3a、图3b所示连接方式适用于小功率场合，图3c、图3d所示连接方式使用于大功率场合。

在图4中，主发电级定子7绕组有两种结构：图4a为Y型结构，适用于小功率场合；图4b为Δ型结构，适用于大功率场合。

Claims (8)

1.一种无刷变速恒频两级双馈发电机，采用两台定、转子绕组均为绕线型的双馈发电机串联结构，并以输入励磁电压的频率输出三相电压，其特征是：发电机一个机壳内串联安装了前级-交流励磁级双馈发电机和后级-主发电级双馈发电机两套定、转子；前级定子绕组经电网调压后接入，形成励磁电路，后级定子绕组直接引出接电网，两级转子同轴且绕组直接连接，在转子转速小于或大于同步转速时，产生与前级发电机输入电压频率相同的输出电压；前端盖（2）、卧式机壳（5）、后端盖（8）组成两级双馈发电机的外壳；前轴承（1）和后轴承（9）分别置于前端盖（2）和后端盖（8）上，用于支承转子转轴（10）；交流励磁级定子（4）和主发电级定子（7）串联固定在机壳（5）内，交流励磁级转子（3）和主发电级转子（6）串联在转子转轴（10）上，交流励磁级定子（4）和交流励磁级转子（3）组成交流励磁级，位于转子转轴（10）的轴向左侧，主发电级定子（7）和主发电级转子（6）组成主发电级，位于转子转轴（10）的轴向右侧。

2.根据权利要求1所述的无刷变速恒频两级双馈发电机，其特征是：当发电机转速发生变化时，后级定子发出电压频率与前级定子电压频率相同，即在发电机运行过程中，发电机具有自调节性能，只需要保持前级定子电压频率恒定不变，后级定子发出的电压频率就是恒定不变的。

3.根据权利要求1所述的无刷变速恒频两级双馈发电机，其特征是：所述发电机的交流励磁级和主发电级的定子磁路相互隔离，电路分开；两级转子串联在同一根轴上，以同样的速度旋转，在电能的传递过程中，不需要使用集电环和滑环。

4.根据权利要求1或2所述的无刷变速恒频两级双馈发电机，其特征是：所述发电机的交流励磁级的定子绕组和转子绕组之间为Y——Y结构，主发电级的定子绕组和转子绕组之间为Y——Y结构，两级转子绕组之间为Y——Y直接连接。

5.根据权利要求1或2所述的无刷变速恒频两级双馈发电机，其特征是：所述发电机的两级定、转子绕组结构，交流励磁级双馈发电机为Y——Δ结构，主发电级双馈发电机为Y——Y结构，两级转子绕组为Δ——Y直接连接。

6.根据权利要求1或2所述的无刷变速恒频两级双馈发电机，其特征是：所述发电机的两级定、转子绕组结构，交流励磁级双馈发电机为Y——Δ结构，主发电级双馈发电机为Y——Δ结构，两级转子绕组为Δ——Δ直接连接。

7.根据权利要求1或2所述的无刷变速恒频两级双馈发电机，其特征是：所述发电机的两级定、转子绕组结构，交流励磁级双馈发电机为Y——Y结构，主发电级双馈发电机为Y——Δ结构，两级转子绕组为Y——Δ直接连接。

8.根据权利要求1或2所述的无刷变速恒频两级双馈发电机，其特征是：所述发电机的主发电级定子绕组结构为Δ型结构。

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