CN100463328C - 旋转电磁型能量变换装置 - Google Patents

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Abstract

旋转电磁型能量变换装置，本发明涉及一种电磁能量变换装置，它克服了现有的无功功率和谐波补偿装置因采用功率半导体器件而出现的成本高、可靠性低和过载能力低的缺陷，同时克服采用变压器变压会产生谐波电流、降低电网功率因数和不能隔离一次侧和二次侧谐波的缺陷。它包括绕线型转子感应电机、功率变换器、离合器和原动机，绕线型转子感应电机包括一号定子绕组、二号定子绕组和转子绕组，绕线型转子感应电机的转子通过离合器与原动机同轴连接，二号定子绕组输出端的三相端子或一号定子绕组输入端的三相端子分别连接功率变换器功率输入端的三相端子，功率变换器功率输出端的三相端子分别连接转子绕组输入端的三相端子。

Description

旋转电磁型能量变换装置
技术领域
本发明涉及一种电磁能量变换装置，属于电机和电力电子技术领域。
背景技术
随着电力电子装置的应用日益广泛，电网中的谐波污染也日益严重。另外，许多电力电子装置的功率因数很低，也给电网带来额外负担并影响供电质量。因此消除谐波污染并提高功率因数，已成为电力电子技术中的一个重大课题。
用于补偿无功功率的典型装置有静止无功补偿器SVC。SVC装置为补偿0～100％容量变化的无功功率，几乎需要100％容量的电容器和超过100％容量的晶闸管控制电抗器，铜和铁的消耗很大。从技术发展来说，这种类型的静补装置已不能说是先进的。近年来的发展趋势是采用GTO构成的自换向变流器，通常称为静止无功发生器(SVG)，也有人称为高级静止无功补偿器(ASVC)，或静止调相机(STATCON)，它既可提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。
用于补偿谐波的典型装置为电力有源滤波器。但是由于静止无功补偿器、静止无功发生器及电力有源滤波器都采用功率半导体器件，这一方面会提高装置的成本，另一方面也会降低装置的可靠性，而且装置的过载能力低。
传统的交流电压变换通常采用变压器，但是变压器一方面会产生谐波电流，另一方面还会降低电网的功率因数，同时变压器还不能隔离一次侧和二次侧的谐波。
发明内容
本发明的目的是提供一种旋转电磁型能量变换装置，以克服现有的静止无功补偿器、静止无功发生器及电力有源滤波器因采用功率半导体器件而出现的装置成本高、装置的可靠性低和装置的过载能力低的缺陷，同时克服采用变压器变换交流电压会产生谐波电流、降低电网的功率因数和变压器不能隔离一次侧和二次侧的谐波的缺陷。它包括绕线型转子感应电机1、功率变换器2、离合器3和原动机4，绕线型转子感应电机1包括一号定子绕组1-1、二号定子绕组1-2和转子绕组1-3，绕线型转子感应电机1的转子通过离合器3与原动机4同轴连接，一号定子绕组1-1、二号定子绕组1-2和转子绕组1-3均为三相对称绕组，二号定子绕组1-2输出端的三相端子或一号定子绕组1-1输入端的三相端子分别连接功率变换器2功率输入端的三相端子，功率变换器2功率输出端的三相端子分别连接转子绕组1-3输入端的三相端子。
本发明的装置工作时，一号定子绕组1-1作为输入绕组与电网7相连；二号定子绕组1-2为输出绕组与负载8相连，一号定子绕组1-1与二号定子绕组1-2之间形成了一种新型的变压器；转子绕组1-3通过滑环、电刷与功率变换器2的输出端相连，功率变换器2的输入端与二号定子绕组1-2或一号定子绕组1-1相连；功率变换器2根据反馈信息和运行指令改变输出状态，使本发明的装置运行在不同的状态。本发明主要利用绕线型转子感应电机1作为换能装置，避免了使用功率半导体器件而出现的装置成本高、装置的可靠性低和装置的过载能力低的缺陷，也克服了采用变压器变换交流电压会产生谐波电流、降低电网的功率因数和变压器不能隔离一次侧和二次侧的谐波的缺陷。本发明的能量变换装置能够实现交流电压的变压和输入、输出端的隔离，能够补偿供电电网和负载的有功功率、无功功率，还能抑制和隔离电网侧和负载侧的谐波，补偿电压闪变与瞬间跌落，作为备用电源发电或利用风能或水能补充能量，以及作为UPS(不间断电源)使用，具有成本低、可靠性高、过载能力强以及有功与无功功率连续可调等特点，因此在电力系统以及电网终端用户具有良好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施方式一的结构示意图，图2是本发明实施方式二的结构示意图，图3是本发明实施方式三的结构示意图，图4是本发明实施方式四的结构示意图，图5是本发明实施方式五的结构示意图，图6是本发明实施方式六的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由绕线型转子感应电机1、功率变换器2、离合器3和原动机4组成，绕线型转子感应电机1包括一号定子绕组1-1、二号定子绕组1-2和转子绕组1-3，绕线型转子感应电机1的转子通过离合器3与原动机4同轴连接，一号定子绕组1-1、二号定子绕组1-2和转子绕组1-3均为三相对称绕组，二号定子绕组1-2输出端的三相端子分别连接功率变换器2功率输入端的三相端子，功率变换器2功率输出端的三相端子分别连接转子绕组1-3输入端的三相端子。功率变换器2工作在如下三种工作状态的一种状态中：
状态一、离合器3处于断开状态，根据电网7和负载8的无功状态，功率变换器2实时调节输出电流中直流分量的大小，来控制一号定子绕组1-1和二号定子绕组1-2输出的无功功率，以实现无功功率补偿；功率变换器2实时调节输出电流中频率为6kf(k为自然数；f为电网频率)交流分量的大小，来调节感应电机1的一号定子绕组1-1和二号定子绕组1-2中频率为(6k±1)f的谐波电流的大小，进而抵消电网7及负载8产生的频率为(6k±1)f的谐波电流。本状态中，转子绕组1-3的励磁方式为直流励磁与6kf高频励磁的结合；
状态二、离合器3处于断开状态，适用于当电网的有功功率过剩或不足时，装置运行在有功功率补偿模式，实时调节功率变换器2输出电流的频率，来控制绕线型转子感应电机1转子速度的大小，把电网过剩的电能转换为转子的旋转动能，或把转子的旋转动能转化为电网频率的交流电能，供给电网或负载。本状态中，转子绕组1-3的励磁方式为交流励磁，调整输入到转子绕组1-3中电流的频率、相序和/或幅值，就能实现转子旋转动能的改变。
状态三、离合器3处于结合状态，适用于当电网和负载需要连续补偿有功功率时，本发明装置运行在发电机模式，可以利用原动机4驱动绕线型转子感应电机1的转子，使绕线型转子感应电机1处于发电状态。利用转速传感器测量原动机4输出的转速，从而能够通过控制功率变换器2输出电流的大小和频率跟随原动机1转速的变化。即使原动机1的速度发生变动，也能够向电网和负载输出频率恒定的有功功率，实现不间断供电，或者利用风能、水能等能源补充供电。
一号定子绕组1-1与二号定子绕组1-2的匝数可以根据供电电网电压与负载电压的大小来确定；原动机4可以为燃气发动机、风动机或水轮机等动力装置。功率变换器2采用计算机程序控制的功率开关管实现。
具体实施方式二：下面结合图2具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：绕线型转子感应电机1的转子上还有谐波注入绕组1-5，谐波注入绕组1-5的输入端的三相端子连接功率变换器2另一个输出端的三相端子。本实施方式中绕线型转子感应电机1的转子有两套绕组，一套为交流励磁绕组，另一套为谐波注入绕组，两套绕组分别通过滑环、电刷与功率变换器2的输出端相连。这样可以实现励磁电流与谐波抑制电流的分别控制。
具体实施方式三：下面结合图3具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：它还包括励磁机5，功率变换器2的功率输出端的三相端子分别连接励磁机5的三相定子励磁绕组5-3，绕线型转子感应电机1的转子与励磁机5的转子同轴连接，绕线型转子感应电机1的转子绕组1-3与励磁机5的转子绕组5-1反连接以实现绕线型转子感应电机1与励磁机5的级联。本实施方式绕线型转子感应电机1的转子绕组不是通过滑环、电刷与功率变换器2的输出端相连，而是通过励磁机5与功率变换器2的输出端相连，实现无刷励磁方式。
具体实施方式四：下面结合图4具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式三的不同点是：励磁机5的定子上还有三相谐波注入绕组5-2，谐波注入绕组5-2的输入端的三相端子连接功率变换器2又一个输出端的三相端子。本实施方式的励磁机5的定子上有两套绕组，一套为励磁绕组，与功率变换器2的输出端相连；另一套为谐波注入绕组，也与功率变换器2的输出端相连，可以实现励磁电流与谐波抑制电流的分别控制。
具体实施方式五：下面结合图5具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：绕线型转子感应电机1还包括三号定子绕组1-4，三号定子绕组1-4为三相对称绕组。此实施方式可以在三号定子绕组1-4的输出端子上连接其它的负载9，相当于有多个电能输出端。同理可知，绕线型转子感应电机1还可以包括多套输出绕组，以满足需求，输出绕组的套数可以根据负载的电压等级和数量来确定。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同点是：绕线型转子感应电机1的转子上设置惯性轮以提高其转动惯量。通过把惯性轮与绕线型转子感应电机的转子轴相连，来增加系统的惯量，提高系统的有功功率调节能力。
具体实施方式七；下面结合图6具体说明本实施方式。本实施方式与实施方式一的不同点是：二号定子绕组1-2输出端的三相端子不与功率变换器2功率输入端的三相端子相连接，而一号定子绕组1-1输入端的三相端子分别连接功率变换器2功率输入端的三相端子。实施方式一适用于一号定子绕组1-1与二号定子绕组1-2之间作为降压变压器使用时的接法。而本实施方式适用于一号定子绕组1-1与二号定子绕组1-2之间作为升压变压器使用时的接法。

Claims (8)

1.旋转电磁型能量变换装置，其特征在于它包括绕线型转子感应电机(1)、功率变换器(2)、离合器(3)和原动机(4)，绕线型转子感应电机(1)包括一号定子绕组(1-1)、二号定子绕组(1-2)和转子绕组(1-3)，绕线型转子感应电机(1)的转子通过离合器(3)与原动机(4)同轴连接，一号定子绕组(1-1)、二号定子绕组(1-2)和转子绕组(1-3)均为三相对称绕组，二号定子绕组(1-2)输出端的三相端子或一号定子绕组(1-1)输入端的三相端子分别连接功率变换器(2)功率输入端的三相端子，功率变换器(2)功率输出端的三相端子分别连接转子绕组(1-3)输入端的三相端子。
2.根据权利要求1所述的旋转电磁型能量变换装置，其特征在于功率变换器(2)工作在如下三种工作状态的一种状态中：
状态一、离合器(3)处于断开状态，功率变换器(2)实时调节输出电流中直流分量的大小，来控制一号定子绕组(1-1)和二号定子绕组(1-2)输出的无功功率，以实现无功功率补偿；功率变换器(2)实时调节输出电流中频率为6kf交流分量的大小，来调节感应电机(1)的一号定子绕组(1-1)和二号定子绕组(1-2)中频率为(6k±1)f的谐波电流的大小，其中k为自然数，f为电网频率；
状态二、离合器(3)处于断开状态，功率变换器(2)实时调节输出电流的频率，来控制绕线型转子感应电机(1)转子速度的大小，把电网过剩的电能转换为转子的旋转动能，或把转子的旋转动能转化为电网频率的交流电能；
状态三、离合器(3)处于结合状态，利用原动机(4)驱动绕线型转子感应电机(1)的转子，使绕线型转子感应电机(1)处于发电状态；测量原动机(4)输出的转速，从而能够通过控制功率变换器(2)输出电流的大小和频率跟随原动机(1)转速的变化。
3.根据权利要求1所述的旋转电磁型能量变换装置，其特征在于原动机(4)为燃气发动机、风动机或水轮机。
4.根据权利要求1所述的旋转电磁型能量变换装置，其特征在于绕线型转子感应电机(1)的转子上还有谐波注入绕组(1-5)，谐波注入绕组(1-5)的输入端的三相端子连接功率变换器(2)另一个输出端的三相端子。
5.根据权利要求1所述的旋转电磁型能量变换装置，其特征在于它还包括励磁机(5)，功率变换器(2)的功率输出端的三相端子分别连接励磁机(5)的三相定子励磁绕组(5-3)，绕线型转子感应电机(1)的转子与励磁机(5)的转子同轴连接，绕线型转子感应电机(1)的转子绕组(1-3)与励磁机(5)的转子绕组(5-1)反连接以实现绕线型转子感应电机(1)与励磁机(5)的级联。
6.根据权利要求5所述的旋转电磁型能量变换装置，其特征在于励磁机(5)的定子上还有三相谐波注入绕组(5-2)，谐波注入绕组(5-2)的输入端的三相端子连接功率变换器(2)又一个输出端的三相端子。
7.根据权利要求1所述的旋转电磁型能量变换装置，其特征在于绕线型转子感应电机(1)还包括三号定子绕组(1-4)，三号定子绕组(1-4)为三相对称绕组。
8.根据权利要求1所述的旋转电磁型能量变换装置，其特征在于绕线型转子感应电机(1)的转子上设置惯性轮以提高其转动惯量。
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Denomination of invention: Rotating electromagnetic energy transformation device

Granted publication date: 20090218

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Open date: 20070801

Record date: 20100803

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Granted publication date: 20090218

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