CN2874907Y - 自调压多相永磁风力发电机 - Google Patents

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王辉
罗德荣
欧阳红林
高剑
肖慧慧
李军浩
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Abstract

本实用新型公开了一种自调压多相永磁风力发电机，它包括多相永磁发电机和调压控制***，该多相永磁发电机包括转轴、端盖、机壳，电枢绕组，所述转轴上装有主励磁用永磁体转子和调压用辅助电励磁转子，所述稀土永磁体转子和辅助电励磁转子共用电枢绕组，产生的磁势在磁路中并联合成。本实用新型是一种能够自动调节输出电压，使之满足***所要求，并实现无刷励磁，可靠性和稳定性好，能够用于风力发电的自调压多相永磁风力发电机。

Description

自调压多相永磁风力发电机
技术领域
本实用新型主要涉及到风力发电机领域，特指一种自调压多相永磁风力发电机。
背景技术
风能作为一种清洁无污染的可再生能源，是目前最具有大规模开发利用前景的能源，也是一种最具有竞争力的非常规能源。风力发电是风能利用的最重要而又最普遍的方式，它首先将风能转换为机械能，然后再将机械能转换为电能。在风力发电技术中，变速恒频发电***(参见图1所示)因有其独特的优势而得到推广应用，其具体有下列优点：①最大限度的捕捉风能；②较宽的转速运行范围；③采用一定的控制策略(如矢量PWM控制)可灵活调节***的有功和无功功率，对电网而言这种***可起到功率补偿的作用；④采用先进的PWM控制技术，可抑制谐波，减小开关损耗，提高效率，降低成本。但是现有的风力发电机需要在风力机与发电机之间增设机械传动设备，因此结构复杂、体积庞大，而且由于风力大小并不恒定，风速变化时，发电机产生的电流难以达到***所要求的稳定电压，电压过低或过高就会造成的发电机***故障，使其不能再次并入电网的现象，由此可知其对风力大小的适应能力差，可靠性和稳定性不好。
实用新型内容
本实用新型所要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本实用新型提供一种能够自动调节输出电压，使之满足***所要求，并实现无刷励磁，可靠性和稳定性好，能够用于风力发电的自调压多相永磁风力发电机。
为了解决上述技术问题，本实用新型提出的解决方案为：一种自调压多相永磁风力发电机，其特征在于：它包括多相永磁发电机和调压控制***，所述多相永磁发电机包括转轴、端盖、机壳，电枢绕组，所述转轴上装有主励磁用永磁体转子和调压用辅助电励磁转子，所述稀土永磁体转子和辅助电励磁转子共用电枢绕组，产生的磁势在磁路中并联合成。
所述调压控制***包括励磁调节电路、励磁用不可控整流电路、逆变用不可控整流电路、逆变器、电压与电流检测器、微控制器和驱动电路；微控制器通过驱动电路与逆变器相连，逆变器用不可控整流电路的输入端与多相永磁发电机的定子绕组6相引出线相连，其输出端与逆变器的输入端相连；励磁用不可控整流电路的输入端接到多相永磁发电机定子小绕组上，输出端与辅助电励磁调节电路及其驱动电路相连；辅助电励磁调节电路及其驱动电路的输入端与微控制器相连，其输出端与多相永磁发电机的辅助电励磁绕组相连；电压与电流检测器的输入端与逆变用不可控整流电路的输入端相连，电压与电流检测器的输出端与微控制器相连。
所述辅助电励磁转子为爪极式结构，它包括爪数相等且爪数为极数的一半的前爪和后爪以及夹在前爪和后爪之间的电磁线圈，两爪之间通过非导磁材料连接，爪相互错开，沿圆形均匀分布。
所述辅助电励磁转子通过导磁托架固定于端盖上。
与现有技术相比，本实用新型的优点就在于：
1、本实用新型的自调压多相永磁风力发电机采用多相永磁电动机，这种结构的转子为永磁式结构，无需外部提供励磁电源，节约能量，提高了效率，省去了滑环和电刷元件，***运行稳定性提高；这种永磁发电机可做到风力机与发电机直接耦合，省去齿轮箱，即为直接驱动式结构，这样可大大减小***运行噪声，提高可靠性；
2、本实用新型的自调压多相永磁风力发电机采用多相永磁电动机和调压控制***结合的方式，较好的解决了稀土永磁同步发电机的调压难题；辅助电励磁线圈和励磁调节器相连，可通过改变励磁电流大小和极性来改变辅助电励磁磁场的大小和极性，从而调节输出电压(增加或减小)，从而避免了由于风速变化时，使发电机输出的电压经过AC/DC/AC变流器逆变后有时难以达到***所要求的稳定电压，由于电压过低或过高造成的发电机***故障，使其不能再次并入电网的现象。
综上所述，本实用新型是一种能够自动调节输出电压，使之满足***所要求，并实现无刷励磁，可靠性和稳定性好，能够用于风力发电的自调压多相永磁风力发电机。
附图说明
图1是现有技术中变速恒频风力发电***的示意图；
图2是本实用新型自调压多相永磁风力发电机的结构框架示意图；
图3是本实用新型中多相永磁发电机的结构示意图；
图4是本实用新型中辅助电励磁转子的结构示意图；
图5是本实用新型中微控制器的示意图；
图6是本实用新型中PWM三相逆变器的示意图；
图7是本实用新型中逆变器驱动电路的示意图；
图8是本实用新型中逆变用不可控整流电路示意图；
图9是本实用新型中辅助励磁调节回路及其驱动电路示意图；
图10是本实用新型中励磁用PWM输出及逻辑互锁电路示意图；
图11是本实用新型中励磁用不可控整流电路示意图。
图例说明
1、转轴                2、端盖
3、导磁托架            4、前爪
5、电磁线圈            6、后爪
7、隔磁板              8、电枢绕组
9、永磁体              10、转子铁心
11、机壳
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。
如图2和图3所示，本实用新型的自调压多相永磁风力发电机，它包括多相永磁电动机和调压控制***，该复合励磁稀土永磁同步电动机包括转轴1、端盖2、机壳9，电枢绕组8，该转轴1上装有主励磁用永磁体转子和调压用辅助电励磁转子，稀土永磁体转子和辅助电励磁转子共用电枢绕组8，产生的磁势在磁路中并联合成，稀土永磁体7的转子铁心10两侧底部设有隔磁板7。参见图3所示，本实用新型的辅助电励磁转子为爪极式结构，它由爪数相等且爪数为极数的一半的前爪4和后爪6以及夹在前爪4和后爪6之间的电磁线圈5组成，两爪之间通过非导磁材料连接，爪相互错开，沿圆形均匀分布。辅助电励磁转子通过导磁托架3固定于端盖2上。
参见图4所示，本实用新型的调压控制***包括励磁调节电路、励磁用不可控整流电路、逆变用不可控整流电路、逆变器、电压与电流检测器、微控制器和驱动电路；微控制器通过驱动电路与逆变器相连，逆变器用不可控整流电路的输入端与多相永磁发电机的定子绕组6相引出线相连，其输出端与逆变器的输入端相连；励磁用不可控整流电路的输入端接到多相永磁发电机定子绕组上，输出端与辅助电励磁调节电路及其驱动电路相连；辅助电励磁调节电路及其驱动电路的输入端通过图10中的PWM输出及逻辑互锁电路与微控制器相连，其输出端与多相永磁发电机的辅助电励磁绕组相连；电压与电流检测器的输入端与逆变用不可控整流电路的输入端相连，电压与电流检测器的输出端与微控制器相连。
如图5所示，本实用新型具体实施例中的微控制器采用的是TI公司生产的低功耗DSP芯片TMS320LF2812，该芯片共有176个引脚，图中给出的PWM1～PWM12为12路PWM波形高速输出端口；ADINA0～ADINA7为8路模拟信号输入端口。
如图6所示，本实用新型具体实施例中的PWM三相逆变器，该逆变器中T1～T6是开关速度快、工作频率高的N-MOS管，可实现高精度的调制，VD1～VD6为二极管，起续流作用。逆变器的输入端与逆变用不可控整流电路的输出端相连，使直流电逆变为符合电网要求的交流电，桥臂的三相引出线与电网母线相连。
如图7所示，本实用新型具体实施例中逆变器的驱动电路，图中SN74LVC4245A为双向驱动芯片，其输入端口PWM1接到DSP芯片的PWM1输出端口，其输出PD1通过74HC08和74HC06组成的互锁电路连到光电隔离芯片TLP559上，该芯片的输出端口PW1连到N-MOS管上，对它进行驱动。其中逆变器有6个N-MOS管，所以需要6路这样的驱动，其输入端口为PWM1～PWM6分别与DSP的PWM1～PWM6输出端口相连，输出端口PW1～PW6输出六路PWM调制波形，分别与逆变器的T1～T6相连。
如图8所示，本实用新型具体实施例中的逆变用不可控整流电路，该电路是由12只二极管构成的6相桥式不可控整流电路，其输入端与发电机的定子绕组6相引出线相连，将发电机输出的6相交流电变为直流电，其输出端与逆变器的输入端相连。
如图9所示，本实用新型具体实施例中的辅助励磁调节电路及其驱动电路，该调节电路是由N-MOS管构成的H桥MOS的驱动芯片采用输入输出同相的IR2110，该芯片内部有一定的互锁功能，还具有短路电流控制端(SD)，当励磁主回路中的电流过大时，在该输入端加高电平信号可以使其两个输出端同时输出低电平，也即关断功率管，确保整个***的稳定性和可靠性。图中T1和T3作为斩波臂器件，其控制信号来自通过图10中的PWM输出及逻辑互锁电路传递过来的PWM7；T2和T4是换向臂器件，分别对应通过图10传递过来的方向信号PWM9和PWM8。当T1和T4导通时，认为等效励磁绕组上通过正的电流，起助磁作用；反之，起去磁作用。
如图10所示，本实用新型具体实施例中的PWM输出及逻辑互锁电路，微控制器DSP的输出端口PWM7、PWM8、PWM9接到PWM输出及逻辑互锁电路中相应输入端口。三路输入信号通过7408和CU5组成的互锁电路输入到起光电隔离作用的TLP521-4，TLP521-4的四个输出端口分别接到辅助励磁调节电路及其驱动电路的相应输入端。该逻辑互锁电路主要是在硬件上防止主电路中同一桥臂上、下两管的同时导通；在有PWM8或PWM9有效(最多只有一路输出高电平)时，对应那路PWM7允许通过，去控制桥中的斩波臂。
如图11所示，本实用新型具体实施例中的励磁用不可控整流电路，该电路的输入端接到发电机定子小绕组上，将交流电整流为直流电供励磁调节用。
在本实施例中，本实用新型中的电压与电流检测器采用精度高、响应快、过载能力强的霍尔电压与电流传感器，其中电压检测信号由ADINA0端口输入到DSP芯片中去，电流检测信号由ADIN1端口输入DSP芯片中去。
工作原理：本实用新型采用了复合励磁的技术方案，气隙磁势由永磁体产生的永磁磁势FM和电励磁绕组产生的励磁磁势Fe合成，两部分磁势在电枢绕组中分别感应出感应电势 和
Figure Y20062004988700072
为永磁磁势与电枢绕组交链所产生的电势， 为电励磁磁势与电枢绕组交链所产生的电势。定子绕组的感应电势E＝Em+Ee。辅助电励磁线圈和励磁调节电路相连，为了保证发电机端电压的恒定，可以在转子转速变化时，调节辅助电励磁部分的磁场，改变辅助电励磁部分定子绕组的感应电势，使定子绕组总感应电势不变，进而达到稳定发电机端电压的目的。
当风速较低，电机输出的电压过低以致不能并网时，调节PWM7～PWM9的波形输出使T2与T3关断、T1与T4导通，辅助电励磁起增磁作用，可以通过增大励磁电流来增加电励磁磁势使电励磁磁势与电枢绕组交链所产生的电势 增大，由公式E＝Em+Ee知，此时可以获得稳定的定子绕组感应电势，使输出电压稳定。当风速升高时，可以通过减小励磁电流，来减小
Figure Y20062004988700075
仍然使输出电压保持稳定。当风速为发电机的额定转速时，此时励磁电流为零。当风速再次升高以致使电机的输出电压过高给***造成故障时，T1与T4关断，T2与T3导通，电励磁磁势Fe与永磁体磁势FM的方向相反，此时辅助电励磁起去磁作用。此时
Figure Y20062004988700076
为负值，亦由公式E＝Em+Ee可知E减小，仍然回到稳定值。随着风速的逐渐减弱，励磁电流也逐渐减小。本实用新型的发电***中风力机与发电机之间的偶合方式可以为直接驱动式的，也可以为半直接驱动式的。直接驱动式时，风力机可以直接和发电机相连，不需要增速齿轮箱；当为半直接驱动式时，风力机要通过一级增速齿轮箱和发电机相连。

Claims (4)

1、一种自调压多相永磁风力发电机，其特征在于：它包括多相永磁发电机和调压控制***，所述多相永磁发电机包括转轴(1)、端盖(2)、机壳(11)，电枢绕组(8)，所述转轴(1)上装有主励磁用永磁体转子和调压用辅助电励磁转子，所述稀土永磁体转子和辅助电励磁转子共用电枢绕组(8)，产生的磁势在磁路中并联合成。
2、根据权利要求1所述的自调压多相永磁风力发电机，其特征在于：所述调压控制***包括励磁调节电路、励磁用不可控整流电路、逆变用不可控整流电路、逆变器、电压与电流检测器、微控制器和驱动电路；微控制器通过驱动电路与逆变器相连，逆变器用不可控整流电路的输入端与多相永磁发电机的定子绕组6相引出线相连，其输出端与逆变器的输入端相连；励磁用不可控整流电路的输入端接到多相永磁发电机定子绕组上，其输出端与励磁调节电路相连；励磁调节电路的输入端与微控制器相连，其输出端与多相永磁发电机的辅助电励磁绕组相连；电压与电流检测器的输入端与逆变用不可控整流电路的输入端相连，电压与电流检测器的输出端与微控制器相连。
3、根据权利要求1或2所述的自调压多相永磁风力发电机，其特征在于：所述辅助电励磁转子为爪极式结构，它包括爪数相等且爪数为极数的一半的前爪(4)和后爪(6)以及夹在前爪(4)和后爪(6)之间的电磁线圈(5)，两爪之间通过非导磁材料连接，爪相互错开，沿圆形均匀分布。
4、根据权利要求3所述的自调压多相永磁风力发电机，其特征在于：所述辅助电励磁转子通过导磁托架(3)固定于端盖(2)上。
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