CN100454725C - 多相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机，其中m＝3、6、9、12、15……。该发电机采用带有环形窄沟的实心铁心式鼠笼绕组的复合转子，或带环形沟的全实心转子，或带护环或绑扎带的叠片式鼠笼转子；发电机定子槽内嵌放两套绕组，一套依次移π/m电角度的m/3个Y接法三相绕组组成的功率绕组，并接电容器，经整流装置输出；整流装置中m/3个三相整流桥直流侧有并联、串联和串并联混合接法三种方式；另一套三相辅助励磁绕组，外接双向变流装置，其功率单元直流侧接有电容，不设置电源；该装置采用定向控制技术，跟随定子绕组电压的频率、相位，调节辅助励磁绕组的电流，维持变流装置功率单元直流侧电容电压和m相整流输出电压为设定值。

Description

多相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机

技术领域

本发明涉及一种m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机，其中m＝3、6、9、12、15......。

背景技术

在船舶、飞机、车辆、石油钻井平台等独立系统中，电能的需求越来越多，其供电系统体积、重量随着容量的增加亦越来越大，所以，必须提高发供电系统的功率密度和效率，降低其体积、重量。

提高发供电系统功率密度的一个有效途径是提高发电机的转速。传统的直流发电机换向火花问题限制了转速和容量的增大；普通同步发电机的额定频率多为50Hz，其转速最高为3000转/分。如本申请人发明的三相交流与多相整流同时供电的同步发电机(专利号：ZL94107628.8)，转速就受到了交流供电频率的限制；带电力电子变流装置的无刷交流同步发电机，如本申请人专利：带有转子交轴稳定绕组的同步发电机(专利号：ZL94206766.5)虽不受频率限制，可提高转速，增加功率密度，但由于其励磁发电机及旋转整流器等部件，使得转子结构复杂，也受到了机械强度的限制，转速难于大幅度提高。感应发电机(也叫异步发电机)转子结构简单，机械强度高，可在高速下运行，功率密度比同容量的同步发电机和直流发电机都大得多。但传统的感应发电机与大电网并联时，可以不需励磁调节装置，由于其功率因数很低，因而效率也低；独立系统中的感应发电机只能采用并联电容器来实现负载变化时的励磁调节稳压功能，其励磁系统体积大且控制复杂，由于电容器不能连续调节，稳压控制效果差。随着电力电子技术的发展，在制约独立系统中感应发电机励磁控制这一瓶颈问题上，可以采用电力电子技术来解决：

(1)在发电机输出端并接无源LC装置，加以适当的控制使其等效为一可变电容，从而根据负载变化提供可变的超前无功电流，产生励磁磁势以补偿负载电流引起的电压变化，保持输出端电压恒定，但控制系统所需电感的体积和重量过于庞大，限制了感应发电机的容量；

(2)在发电机输出端并接具有逆变装置提供可变的无功功率来补偿负载变化所需的励磁功率，可以达到稳定端电压的作用，但由于一般感应发电机功率因数低，所需逆变装置容量较大，决定了仅适用于中小功率的感应发电机。

发明内容

本发明的目的是提供一种m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机的设计方式，其中m＝3、6、9、12、15......。该发电机转子与轴采用高强度合金钢整体锻造实心转子，并嵌放鼠笼导条构成复合转子，定子具有两套绕组，一套m相功率绕组并接m相自励电容器，经m相整流装置给直流负载供电，另一套三相辅助绕组外接静止逆变励磁调节器，用来调节因负载和转速变化时的励磁磁势，保持整流输出电压不变。两套绕组相互绝缘，没有电路连接，仅有磁场耦合。该感应发电机具有如下优点：

(1)可以直接与高速原动机配套，显著提高发电机转速，降低其体积、重量；

(2)功率密度高、机械强度好、结构简单、经济性好；

(3)带整流负载时功率因素高，电磁兼容性好，克服了普通感应发电机功率因素低，效率不高的缺陷；

(4)解决了传统感应发电机励磁控制复杂的难题，实现了发电机输出电压稳定和连续调节。

本申请所述的感应发电机供电系统的主要特点是：

a发电机转子采用整体高强度合金钢锻造成实心结构，转子铁心表面沿圆周方向均匀开槽，嵌放导条，与两端板焊接后，形成复合式转子，转子铁心表面沿轴向均匀开有环形窄沟，以减小铁心表面涡流损耗，该发电机转子具有较高的机械强度，适合高速运行；

b定子同一组槽内，嵌有一套对称三相辅助励磁绕组和一套由m/3个对称的三相绕组构成的不对称m相整流绕组，m/3个星形连接的三相绕组依次位移180°/m电角度，其中m＝3、6、9、12、15......；

c三相辅助励磁绕组的轴线与m相整流绕组的轴线相位移为α电角度，0≤α≤180°/m，三相辅助励磁绕组也采用星形连接；

d根据两套绕组耦合强弱的不同要求，m相整流绕组可以采用和三相辅助励磁绕组相同或者不同的绕组结构形式，使绕组短距和分布系数一致或者不一致；

em相整流绕组每个Y绕组并联三相Y接法或△接法起励电容，连接到对应三相整流桥输入端；

f根据不同的直流负载电压、电流，m/3个三相整流桥在直流侧可以并联输出，也可以串联输出，在m/6＝整数且大于1时，还可以串并联混合接法输出；

gm/3个三相整流桥直流侧并联或串并联混合接法输出时，每两个三相整流桥直流侧可以接有相间均衡电抗器IPR，以改善交流电流波形，提高功率因数；

h该发电机三相辅助励磁绕组外接励磁调节器，励磁调节器由逆变/整流双向变流装置构成，采用数字定向控制技术，自动跟随定子绕组电压频率、相位来调节其辅助励磁绕组电流，能保持变流器直流侧电容电压不变，维持m相整流输出电压恒定不变；

i变流装置直流输入侧仅采用电容器，无外接直流电源。

上述技术实现了m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机的高功率密度、高效率和优良的供电品质。

本发明的目的是以如下方式来实现的：本发明的m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机，其中m＝3、6、9、12、15......。转子铁心与轴采用高强度合金钢整体锻造，转子表面沿圆周方向均匀加工有Z₂个槽，内部嵌放导条，铁心两端套有与转子铁心截面相同的铜板，梯形导条与端部铜板焊接后，形成鼠笼式转子绕组，与导电且导磁的整体合金钢转子共同构成复合式转子，转子铁心表面沿轴向均匀开有环形窄沟，以减少转子涡流损耗。该感应发电机转子具有很高的机械强度，可以适应高速运转的要求，从而显著提高发电机的功率密度。转子也可以采用带环形窄沟的全实心转子或者外表加有绑扎带或高强度材料护环加固的叠片式鼠笼转子；在发电机转速不是很高时，转子可以直接采用普通硅钢片叠片铁心和鼠笼绕组结构。

该发电机定子槽内嵌放两套相互绝缘的定子绕组，一套m相功率绕组，采用m/3个Y互移π/m电角度接法，与m/3个Y接法或者△接法的三相电容器组成的m相自励电容并联后，经m/3个三相整流桥组成的m相整流装置向直流负载供电。m/3个三相整流桥可以在直流侧并联接法或者串联接法输出，在m/6＝2、3、4......时，还可以串并联混合接法输出，以得到不同的整流输出电压，而各种连接方式都具有2m次脉波整流输出波形。m/3个三相整流桥直流侧并联或串并联混合接法输出时，每两个并联接法的三相整流桥直流侧可以直接并联，还可以接有均衡电抗器IPR，以改善交流电流波形，提高功率因数。另一套为三相辅助励磁控制绕组，与m相整流绕组具有同样的磁极对数，外接三相静止励磁调节器。励磁调节器由逆变/整流双向变流装置构成，采用数字定向控制技术，自动跟随定子绕组电压频率、相位来调节其辅助励磁绕组电流，能保持变流器直流侧电容电压不变，维持m相整流输出电压恒定不变。

当原动机拖动感应发电机转子到达额定转速空载运行时，转子剩磁在m相功率绕组产生剩磁电势，该电势作用在m相自励电容上，产生超前电势90°电角度的容性电流，该电流流经m相绕组，产生与剩磁同方向的电枢反应磁势，从而增强气隙磁场，使m相绕组电势进一步增大，直至建立稳定电压。当m相绕组整流输出直流功率时，该绕组电流去磁电枢反应及换向电抗压降和内阻抗压降等会使整流输出电压下降。励磁调节器采用m相整流输出电压反馈，利用数字定向控制技术，调节变流器输出的辅助励磁绕组电流，从而稳定m相整流输出电压不变。该发电机与一般感应发电机相似，在发电机状态运行，转子转速n＝(1-s)n₁(s＜0)高于同步转速n₁＝60f₁/p。在转速发生波动时，励磁系统能自动跟踪改变三相辅助励磁绕组电流大小及频率，保持发电机m相整流输出电压不变。

附图说明

图1是m相整流/三相励磁高速感应发电机原理图

图2是十二相整流/三相辅助励磁高速感应发电机原理图

图3.a是四个三相整流桥及均衡电抗器的并联接法

图3.b是四个三相整流桥及均衡电抗器的串并联混合接法

图3.c是四个三相整流桥的串联接法

图4是级联方式三电平双向脉宽调制辅助励磁装置主电路原理图

图5是辅助励磁装置控制策略示意图

图6.a是转子铁心侧面剖视图

图6.b是转子铁心轴向截面图

图7是定子十二相绕组展开图

图8是定子辅助励磁控制绕组展开图

图中Y₁、Y₂、......Y_m/3为m相功率绕组中的m/3个依次位移π/m电角度的三相对称绕组，1为Y接法的三相辅助励磁控制绕组，2为复合转子等效绕组，3为三相辅助励磁调节装置主电路，C为m相自励电容，C₁为三相励磁变流装置主电路直流侧电容，BG₁、BG₂、BG₃、BG₄为三相整流装置，4为均衡电抗器组电路，5、6、7、8、9、10为级联式双向脉宽调制变流主电路功率单元，11为转轴，12为转子铁心，转轴与转子铁心为整体锻造，13为转子导条，14为转子表面轴向环形沟，15为转子端环。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的叙述。

图2是十二相整流/三相辅助励磁高速感应发电机系统原理图，电机工作在发电机状态，转速n＝(1-s)n₁＞n₁＝60f₁/p，转差率s＜0，n₁为同步转速。其中十二相功率绕组中，Y₁、Y₂、Y₃、Y₄各三相绕组互移15°电角，每个三相绕组并联一个三相Y接法或者△接法自励电容器C，接到三相不可控或者可控整流桥。十二相整流装置中4个三相整流桥BG₁、BG₂、BG₃、BG₄直流侧可以采用直接并联接法，即图2和图3.a中将均衡电抗器IPR直接用导线短接的接法；也可以如图2和图3.a所示，每两个三相整流桥经过一个IPR并联后再并联，以改变整流元件电流的换相过程，改善十二相交流电流的波形，提高感应发电机的功率因数。均衡电抗器IPR的接法以互移30°电角的Y₁、Y₃两个整流桥接一个IPR，Y₂、Y₄两个整流桥接一个IPR为最佳。4个三相整流桥可以通过均衡电抗器串并联混合接法，如图3.b所示；也可以不要均衡电抗器直接将两个三相整流桥直流侧并联。串并联接法与并联接法相比，输出电压提高了一倍，输出电流减小为后者的二分之一。4个三相整流桥的串联接法如图3.c所示，其整流输出电压为图3.a的四倍，输出电流为图3.a的四分之一。

当感应发电机转速达到工作转速时，由转子剩磁产生的十二相绕组感应电势，作用在电容器C上，产生超前电势90°电角的电流，该电流在十二相绕组产生电枢强磁磁势，形成自励，建立空载电压。电容C除建立电压的作用外，还可改变整流元件电流换相过程，改善十二相交流电流波形，提高功率因数和效率。三相辅助励磁控制绕组接到一个双向变流器的三相交流侧，变流装置直流侧并接一定容量的可充放电的储能元件电容C₁，不设置直流供电电源。变流器采用十二相整流电压信号反馈，利用DSP技术实现定子Y绕组电压的定向控制，自动跟踪定子辅助励磁绕组电压频率和相位，保持变流装置直流侧电容C₁电压不变，同时向Y绕组输出所需的电流，维持十二相整流输出电压基本不变，也可以调节多机并联供电系统中发电机十二相整流输出功率。励磁用变流装置原理电路与一般变流装置不同，理论上交流输出为纯无功电流，考虑到功率器件损耗及励磁绕组损耗的影响，变流装置适时地处于整流工作状态，提供必要的有功功率，以维持电容器C₁电压基本不变。

本申请实施例中辅助励磁装置采用级联方式双向脉宽调制PWM变流电路。附图4为辅助励磁装置主电路原理图，这种方式降低了单个功率器件耐压等级，以较低的开关频率实现等效较高开关频率的多电平输出，降低了发电机辅助励磁电流谐波分量，减少了谐波损耗。

本申请在所建立的m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机动态模型的基础上，提出了附图5所示的励磁装置控制策略。其控制策略叙述如下：以定子辅助励磁绕组电压定向为核心，采集该三相绕组电压U_sabc，经过DSP运算产生基波单位正、余弦信号，从而保持其励磁电流频率与十二相整流绕组电压的频率一致；采用十二相整流输出电压反馈信号u_dc与基准电压u^* _dc比较后，再经PI调节器A运算，得到无功电流指令幅值；采用各功率单元直流侧电容电压反馈信号u_c1与基准电压u^* _c1比较后，再经PI调节器B运算，得到电容充放电有功电流指令幅值；有功电流及无功电流指令幅值分别与单位正弦、余弦信号相乘运算，然后再叠加合成并经调节器C运算得到三相电流基准信号i^* _sabc，与变流装置输出电流信号i_sabc比较后，控制PWM主电路输出的有功电流及无功电流指令瞬时信号。其中有功电流用于功率单元直流侧电容u_c1的充放电，补偿主电路损耗及谐波、不对称等引起的电容电压波动，维持u_c1恒定；无功电流信号控制变流装置输出的附加励磁绕组电流的幅值，补偿转速变化或负载电流变化引起的输出电压的变化，保持输出电压不变。上述控制策略对多绕组感应发电机的参数没有直接依赖性，可以在转速和负载变化的条件下，维持感应发电机整流输出电压不变；也可以调节该发电机输出电压，或者在多机并联供电系统中，调节单台感应发电机的输出功率。

图6.a为铁心轴向截面图，图6.b为转子铁心侧面剖视图。转子轴与铁心采用高强度合金钢整体锻造，转子圆周方向均匀开有Z₂个槽，槽内嵌放与槽形相同的铜导条，不需另加槽楔，导条与铁心两侧金属环焊接，构成鼠笼绕组，与导磁且导电的实心转子形成复合转子，转子铁心表面沿轴向等间隔开有环形窄沟，以减少转子表面铁心内涡流损耗；环形沟深度和宽度根据转子表面主要次谐波电流透入深度确定。

附图7为定子十二相绕组展开图，4个Y绕组对应空间相互移电角度为15°，经十二相整流桥输出24次脉波的整流电压，其脉动系数可达1％以内。附图8为定子辅助励磁控制绕组展开图，辅助励磁绕组与十二相整流绕组嵌放在同一组定子槽内，可以将十二相绕组放在槽的下部，励磁绕组放在槽上部，也可反过来放置。感应发电机整流绕组采用4Y互移15°绕组，其电枢基波电流磁场谐波最低为24±1次，因此，大大减小了感应发电机转子表面的谐波损耗。

本实施例的描述主要针对的是十二相整流/三相辅助励磁高速感应发电机，但是由于m＝3、6、9、12、15......等m相整流/三相辅助励磁感应发电机原理与十二相整流/三相辅助励磁高速感应发电机基本相同，因而m＝3、6、9、12、15......等m相整流/三相辅助励磁感应发电机尽在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1一种m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机，其中m＝3、6、9、12、15......，其特征是：

a.转子铁心与轴采用高强度合金钢整体锻造，转子表面沿圆周方向均匀加工有嵌放导条的槽，导条与端部金属板焊接后构成鼠笼绕组，转子表面沿轴向等距离加工有环形窄沟，以减少转子铁心表面的涡流损耗，鼠笼绕组与实心转子组成高强度复合转子；

b.定子同一组槽内，嵌放两套磁极对数相同、相互绝缘的定子绕组，一套是由m/3个依次互移π/m电角度的对称三相Y接法绕组构成的不对称m相绕组，另一套是Y接法的三相辅助励磁控制绕组；

c.m相绕组中每个Y接法的三相绕组都并联一个建立空载电压用的三相Y接法或者Δ接法的电容器，经m相不可控整流装置向直流负载供电；

d.三相辅助励磁绕组外接一套工作在逆变/整流两种模式的三相电力电子变流装置，该变流装置按照在感应发电机动态模型基础上建立的励磁控制策略，采用数字控制技术，自动跟踪定子辅助励磁控制绕组电压的频率、相位，调节该绕组的电流，维持m相整流输出电压不变。

2如权利要求1所述的m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机，其特征是：

辅助励磁装置采用三相整流/逆变双向变流装置供电，该变流装置直流侧并接有可以充放电的电容，不设置直流电源；按照在该类多绕组感应发电机动态模型基础上制定的励磁控制策略，采用数字定向控制技术，自动跟随定子绕组电压的频率、相位，调节辅助励磁绕组的电流，保持变流装置直流侧并接电容器的电压不变，维持m相整流输出电压稳定不变，或者在多机并联供电系统中调节整流输出电压，改变单台发电机的输出功率。

3如权利要求1或2所述的m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机，其特征是：m相不可控整流装置中，根据不同的负载电压、电流，m/3个三相整流桥直流侧可以并联或者串联；在m/6为整数且大于或者等于2时，还可以串并联混合接法，m/3个三相整流桥直流侧并联或串并联混合接法输出时，每两个互相位移30°电角的三相绕组所接三相整流桥直流侧接有相间均衡电抗器IPR，以改善交流电流波形，提高功率因数。

4如权利要求1或2所述的m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机，其特征是：

为减小辅助励磁控制绕组谐波电流、电压，三相整流/逆变双向变流装置采用级联式多电平脉宽调制PWM变流主电路，该变流装置各功率单元直流侧并接有可以充放电的电容，不设置直流电源；按照在该类多绕组感应发电机动态模型基础上制定的励磁控制策略，采用数字定向控制技术，自动跟随定子绕组电压的频率、相位，调节辅助励磁绕组的电流，保持各功率单元直流侧并接电容器的电压不变，维持m相整流输出电压稳定不变，或者在多机并联供电系统中调节整流输出电压，改变单台发电机的输出功率。

5如权利要求1或2所述的m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机，其特征是：不可控整流装置由m相可控整流装置代替，从而可以通过改变整流元件的导通角，大幅度地改变整流输出电压整定值。

6如权利要求1或2所述的m相整流/三相辅助励磁控制的高速感应发电机，其特征是：转子采用带环形窄沟的全实心转子或者外表加有绑扎带或高强度材料护环加固的普通叠片式鼠笼转子，代替带环形窄沟的转子铁心和鼠笼绕组构成的复合转子。

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