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Abstract

本发明公开了一种风力发电差动永磁电机装置，包括风力机转子(1)、逆变器(5)、与逆变器5电信号连接的控制器(6)，其中风力机转子(1)与增速齿轮箱(2)的输入转轴相连；增速齿轮箱(2)的输出转轴与差动永磁电机(3)的输入轴(10)相连；差动永磁电机(3)的输出轴(23)与控制电机(4)的转轴相连；控制电机(4)由电力馈线与逆变器(5)的输入端(33)电连接；差动永磁电机(3)的定子绕组(11)由电力馈线(7)与电网(9)电连接；逆变器(5)的输出端(8)与电力馈线(7)并联电连接。本发明通过差动永磁电机(3)中的两自由度混合变速机构(30)实现风电系统的变速恒频，其在显著提高发电机效率的基础上，可大大降低流变系统昂贵的造价。

Description

一种风力发电差动永磁电机装置
技术领域
本发明涉及一种发电机装置，特别涉及一种风力发电的差动永磁电机装置。
背景技术
在风力发电中，为了最大限度地捕获风能，要求输入发电机的转轴的速度要随风速进行变化，即变速；当风力发电机与电网并联运行时，又要求发电机发出的电能的频率与电网的频率一致，即恒频。目前在风力发电大型分布式发电机系统中常见的核心发电装置主要有：笼型异步发电机构、交流励磁双馈发电机构、无刷双馈发电机构和永磁发电机构等。在这些发电机系统中，由于采用传统整流和逆变原理的变速恒频装置而造成的功率损耗很高，大多均在15％-20％，且变流设备价格昂贵，特别是兆瓦级永磁发电机组及其变流装置的造价更高，所以整个发电机系统存在结构复杂、体积庞大且发电效率低的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有控制电机的两自由度混合驱动的风力发电差动永磁电机装置，从而有效地解决现有风力发电机系统所存在的缺陷，降低设备造价，提高发电效率。
为达到上述目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：一种风力发电差动永磁电机装置，包括风力机转子、逆变器、与逆变器电信号连接的控制器，所述的风力机转子与增速齿轮箱的输入转轴相连；所述的增速齿轮箱的输出转轴与差动永磁电机的输入轴相连；所述的差动永磁电机的输出轴与控制电机的转轴相连；所述的控制电机由电力馈线与逆变器的输入端电连接；所述的差动永磁电机的定子绕组由电力馈线与电网电连接；所述的逆变器的输出端与电力馈线并联电连接。
上述技术方案中，所述的差动永磁电机包括转子、输入轴和输出轴，所述的转子沿径向设置有差速机构。该差速机构包括侧板、与输入轴固联的行星架、设置在行星架上的行星齿轮、与转子及侧板固联的内齿圈、设置在输出轴上的中心齿轮，所述的行星齿轮与内齿圈和中心齿轮齿合。
逆变器由电机侧逆变器与电网侧逆变器组成，电机侧逆变器与电网侧逆变器背靠背设置；电机侧逆变器、电网侧逆变器各自的控制输入端分别与控制器的两个控制输出端信号连接。逆变器的输入端、输出端各设有一个采样传感器组，该两个采样传感器组分别与控制器的两个输入端信号连接。
本发明的优点在于：通过两自由度的混合变速驱动结构实现风电系统的变速恒频。本发明采用差动永磁电机的一个输入轴和一个输出轴分别连接增速齿轮箱的输出转轴和控制电机的转轴，通过差动永磁电机的差速机构实现绝大多份额电能的直接恒频输出；与此同时，通过控制器与逆变器对控制电机的转速控制，实现风力机的变速输入和发电机的恒速恒频(50HZ)输出。由此，80％至90％的电能通过发电机可直接并入电网，而只有10％至20％的电能通过控制电机发出交流电后通过AC-DC-AC变流后(50Hz)并入电网。与传统的兆瓦级风力发电机变速恒频系统相比，本发明通过流变系统的功率只有10％至20％，因此在显著提高发电机效率的基础上，还可大大降低流变系统昂贵的造价，从而降低风力发电系统的整体造价。
附图说明
图1为本发明的连接结构示意图。
图2为图1中的差动永磁电机结构图。
图3为图2中A-A向的剖视图。
图4是本发明的控制器部分的连接框图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述：
如图1所示，一种风力发电差动永磁电机装置，包括风力机转子1、逆变器5、与逆变器5电信号连接的控制器6；风力机转子1与增速齿轮箱2的输入转轴相连，增速齿轮箱2的输出转轴由联轴器与差动永磁电机3的输入轴10相连：差动永磁电机3的输出轴23与控制电机4的转轴通过联轴器相连：控制电机4由电力馈线与逆变器5的输入端33电连接：差动永磁电机3的定子绕组11由电力馈线7与电网9电连接：逆变器5的输出端8与电力馈线7并联电连接。增速齿轮箱2可以是两级或一级行星增速器，其安装为单自由度2K-H负号机构串联形式；差动永磁电机3与增速齿轮箱2可以由积木组合的型式做成一个整体，本实施例中是分体形式。
如图2、图3所示，差动永磁电机3包括机箱29、设置在机箱29内轴向两侧且分别与输入轴10、输出轴23相连的滚动轴承24、设置在机箱29内环壁27上的定子铁芯12及其定子绕组11、相对于定子铁芯12位置设有转子铁芯环13并镶嵌有永磁体14的转子15，转子15沿径向设置有差速机构30。
差速机构30包括侧板21、与转子的永磁体14固定在一起的内齿圈16、带有轴承18并与内齿圈16、设置在输出轴23上的中心齿轮25齿合的行星齿轮17，内齿圈16由螺钉26与侧板21固联；行星齿轮17由齿轮轴20设置在行星架19上；行星架19与输入轴10固联；侧板21与行星架19由轴承22滚动连接。
设有行星齿轮17的差速机构30为双自由度2K-H负号机构。其结构在满足可靠性和预期寿命的前提下，尽可能保证结构简单、以减轻重量。箱体29采用整体铸造构成；输入轴10及输出轴23、行星齿轮17采用合金钢；中心齿轮25可选用20CrMnMo、15CrNi6、17Cr2Ni2A、20CrNi2MoA、17CrNiMo6、17Cr2Ni2MoA等材料，内齿圈16和轴承18、22、24可采用42CrMoA、34Cr2Ni2MoA等材料。
为了在尽可能小的转子15直径内放置尽可能大的永磁体14，以提高气隙磁密，同时考虑到稀土永磁的矫顽力高，永磁体磁化方向长度小，本实施例的永磁体14采用径向瓦片形，永磁体14固定在铁芯环13上，并与非磁性材料31交替组合，用电子束焊接而成。
如图4所示，控制电机4的电力馈线与电机侧逆变器34直接相联，电网侧逆变器35与电机侧逆变器34背靠背安装，逆变器5可以四象限运行。
控制器6包括对称设置的信号采集电路44和41、分别与信号采集电路44、41采集输出信号连接的前级处理电路48和45、由信号线53、51分别与前级处理电路48和45输出连接的DSP数字处理芯片47和46、分别与DSP数字处理芯片47和46输出信号连接的外围扩展控制电路43和42、为各电路模块供电的电源模块49，DSP数字处理芯片47和46之间由串行信号线51和并网通讯接口电路50信号连接；信号采集电路44、41的分别与电机侧采样传感器组32、电网侧采样传感器组40信号连接；外围扩展控制电路43和42的控制输出信号分别连接至电机侧逆变器34和电网侧逆变器35。电机侧采样传感器32可以采集控制电机4的转速、电流及电压等；电网侧采样传感器40可以采集电网侧逆变器35交流侧电网电压与电流、直流侧电压与电流等。
本发明装置的工作原理是，Pw是风力机转子1的输入功率，其流向经过增速齿轮箱2输入差动永磁电机3后可以有两个方向流动情况：一种情况如图1中①所示，风能输入功率大于差动永磁电机3的额定功率时，控制电机4处于发电状态，此时控制电机4的功率流Ps流出差动永磁电机系统，差动永磁电机3的输入轴10上的功率流Pw通过行星齿轮17、中心齿轮25后，进行功率分流，一路功率流Pg通过行星齿轮17进入差动永磁电机3定子绕组11直接发电，并经过馈线7到电网9；另一路功率流Ps通过与差速机构30中心齿轮25啮合，进入控制电机4转化为交流电，然后通过逆变器5的输入端33进行电流变换，将电能转换为与电网同频率的交流电，由逆变器5的输出端8并入馈线7至电网9中。另一种情况如图1中②所示，风能输入功率小于差动永磁电机3的额定功率时，控制电机4处于电动状态，此时控制电机4的功率流Ps流入差动永磁电机系统，差动永磁电机3的输入轴10上的功率流Pw通过行星齿轮17、中心齿轮25、与控制电机4传入的功率流Ps进行功率合流后，通过内齿圈16带动转子15旋转，从而形成差动永磁电机3输出功率流Pg，带动差动永磁电机3发电，经由馈线7到电网9。从图2的结构可知，差动永磁电机3的输入轴10的功率输入是恒定的，由内齿圈16及永磁体14、定子绕组11等组成的差动永磁电机3的功率输出也是恒定的。控制电机4上的功率流Ps可以是流入或流出的，其双向变化是依据风力机转子1转速的大小由控制器6和逆变器5进行调整。

Claims (5)

1.一种风力发电差动永磁电机装置，包括风力机转子(1)、逆变器(5)、与逆变器(5)电信号连接的控制器(6)，其特征是，所述的风力机转子(1)与增速齿轮箱(2)的输入转轴相连，所述的增速齿轮箱(2)的输出转轴与差动永磁电机(3)的输入轴(10)相连，所述的差动永磁电机(3)的输出轴(23)与控制电机(4)的转轴相连，所述的控制电机(4)由电力馈线与逆变器(5)的输入端(33)电连接，所述的差动永磁电机(3)的定子绕组(11)由电力馈线(7)与电网(9)电连接，所述的逆变器(5)的输出端(8)与电力馈线(7)并联电连接，所述的差动永磁电机(3)包括转子(15)，该转子(15)沿径向设置有差速机构(30)。
2.根据权利要求1所述的风力发电差动永磁电机装置，其特征是，所述的差速机构(30)包括侧板(21)、与输入轴(10)固联的行星架(19)、设置在行星架(19)上的行星齿轮(17)、与转子(15)及侧板(21)固联的内齿圈(16)、设置在输出轴(23)上的中心齿轮(25)，所述的行星齿轮(17)与内齿圈(16)和中心齿轮(25)齿合。
3.根据权利要求1所述的风力发电差动永磁电机装置，其特征是，所述的逆变器(5)由电机侧逆变器(34)与电网侧逆变器(35)组成，电机侧逆变器(34)与电网侧逆变器(35)背靠背设置。
4.根据权利要求1所述的风力发电差动永磁电机装置，其特征是，所述的逆变器(5)的输入端(33)、输出端(8)分别设有采样传感器组(32、40)，所述的采样传感器组(32、40)分别与控制器(6)的输入端(p1、p2)信号连接。
5.根据权利要求3所述的风力发电差动永磁电机装置，其特征是，所述的电机侧逆变器(34)、电网侧逆变器(35)的控制输入端(p3、p4)分别与控制器(6)的控制输出端(o1、o2)信号连接。
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