CN101183847B - 多体式电励磁双凸极风力发电机 - Google Patents

Abstract

一种多体式电励磁双凸极风力发电机，属风力发电机。该风力发电机是将各台单体电励磁双凸极风力发电机的电枢绕组相互串连或者相互并联，通过单相整流桥输出电压，当风速为低速时，将各台单体式风力发电机的电枢绕组反相串联；当风速为高速时，将各台单体式风力发电机的电枢绕组反相并联。各台发电机之间错开10°轴向机械角连接成体式电励磁双凸极风力发电机。单体电励磁双凸极风力发电机包括定子、转子、电枢绕组、励磁绕组，转子为外转子或内转子，定子上的电枢绕组是将定子上相对齿的电枢绕组串联成一相绕组，构成A、B两相绕组的电励磁双凸极风力发电机。本发电机具有功率大、转速范围宽、效率高的优点，能满足大功率风力发电机的要求。

Description

多体式电励磁双凸极风力发电机

技术领域

本发明涉及新型电励磁双凸极风力发电机结构技术，具体涉及一种多体式结构的具有低转速、高效率、宽转速范围和负载适应性的新型电励磁双凸极风力机。

背景技术

目前大型直驱式风力发电机中由于风轮机转速较低，风力发电机大都采用多极式特殊结构的永磁电机、异步电机，由于多极式结构需要极组在发电机的圆周展开使得发电机直径增大，尤其在大功率场合，多极式风力发电机使其截面积增大，影响风轮机的风道。另外大功率直驱式风力发电机由于受随机性很大的风速以及负载的影响，要求发电机具有较宽的转速范围，并能够适应不同的负载要求。现有的大功率风力发电机在风速较低、负载较小的情况下由于输出功率较低，使得发电机效率较低，严重影响风能的利用率。为此在大功率直驱式风力发电机的研究中，提出新型电机结构改善其径向尺寸的同时，还必须提高风力发电机在不同工作点的运行效率。

永磁电机由于永磁体的存在，电机功率密度、效率较高，成为风力发电机中较为广泛的选择，为适应直驱型风力发电机需求，改用外转子结构有效地提高了发电机的极数，改善了其低速性能。但是永磁体的高额成本，大功率电机设计、生产成本使得风力发电机系统的成本居高不下，导致风电成本较高，限制了风电的规模化推广。并且永磁发电机磁场强度是基本恒定的，调压比较困难，为此人们常常通过漏磁的设计达到其较宽的工作范围，然而这种方式使得发电机的体积、重量大幅度升高，材料利用率低、损耗加大，造成各种材料及能源的浪费。并且仍然无法提高大型发电机在不同转速、负载的下的运行效率。

电励磁双凸极电机作为一种新型电机，类似于开关磁阻电机的定转子结构使其具有开关磁阻电机优良的电气特性，应用于风力发电机，与永磁电机、异步电机比较具有输出电压控制简单、可靠性高、无需可控功率变换器等优点，并且转速适应范围宽、结构简单、成本低、适合于大功率应用场合。作为直驱式风力发电机的低转速场合应用，可采用外转子结构改善其低速性能。但是同样为解决在不同转速、负载下的运行效率以及电机径向尺寸问题还必须对其双凸极发电机结构作进一步的改进。

发明内容

本发明的目的即在提供一种大功率应用场合直驱式电励磁双凸极风力发电机，使其满足直驱式风力发电机的大功率、宽转速范围、高效率等特性要求。为解决电机径向尺寸过大的问题，在省去了齿轮箱的风轮机舱内，最有效的途径是增加电机轴向尺寸以削减径向尺寸，并维持电机的额定功率，同时为保证电机在各个负载状态的效率，提出分布式电机结构的概念，即采用多体式结构，在风轮机的轴上通过机械串联一台以上的发电机，根据负载与风速的要求，每台电机可以独立工作，也可以互相串并联工作，以使每台电机都能够工作在最大负载点，提高单体电机的运行效率，则整机运行效率也能够有效地获得提高。并且本发明多体式风力发电机单体发电机采用两相电励磁双凸极发电机，并结合多体式连接方式有效地减小发电机的径向尺寸。该多体式风力发电机可通过单体电机绕组之间的连接方式改变整个电机的相数，根据风速与负载的变化，采用电子电气装置控制各台电机的绕组串并联方式，低速时多台电机绕组串联，有效地提高发电机输出电压，风速高时，将多台电机并联可以有效地提高发电机输出功率，以实现低转速、宽转速范围输出有效电压的目的，以能够保证每台发电机工作在最大负载点，并且双凸极发电机通过励磁电流的调节可以直接控制输出电压，省去了后级变换器，整个系统的运行效率较高。本发明多体式电励磁双凸极风力发电机将多台单体式励磁双凸极风力发电机的电枢绕组相互串联或者相互并联，通过单相整流桥输出电压，当风速为低速时，为提高输出电压，通过切换开关将各台单体电励磁双凸极风力发电机的电枢绕组反相串联；当风速为高速时，为提高输出功率，通过切换开关将各台单体式电励磁双凸极风力发电机的电枢绕组反相并联。该单体式电励磁双凸极风力发电机，包括定子、转子、电枢绕组、励磁绕组，其中电枢绕组和励磁绕组均绕制在定子上，其特征在于所述转子为外转子或内转子，外转子采用“4/6”系列结构，内转子采用“6/4”系列结构。定子上的电枢绕组是将定子上相对齿的电枢绕组串联成一相绕组，构成A、B两相绕组的电励磁双凸极风力发电机。多体式电励磁双凸极风力发电机，其特征在于，是将三台单体电励磁双凸极风力发电机相互之间错开10°轴向机械角连接成具有多相的多体式电励磁双凸极风力发电机。

本发明提出了一种大功率直驱式宽转速范围的电励磁双凸极发电机，针对风能的随机性和风速的多变性，采用轴向多体式连接方式，有效地扩大了发电机的转速范围，提高系统的运行效率。

附图说明

图1本发明单体两相电励磁双凸极发电机

图2本发明单体两相电励磁双凸极发电机A相电势与B相反相电势

图3本发明多体式双凸极发电机轴向连接方式

图4本发明多体式双凸极发电机系统结构图

具体实施方式

本发明单体两相电励磁双凸极发电机有外转子(采用“4/6”系列结构)、内转子(采用“6/4”系列结构)两种，如图1中的(a)、(b)、(c)、(d)图所示。两相电励磁双凸极发电机主要由定子、转子及绕制在定子上的电枢绕组和励磁绕组组成。以8/12外转子电励磁双凸极发电机为例，其中定子上电枢绕组A1、A2、A3、A4串联成A相，B1、B2、B3、B4串联成另外B相。给励磁绕组L通入直流电流后，随着转子的旋转，两相绕组的反电势均类似方波形式并相差180°，并且B相反电势反相后与A相基本重合，如图2所示。当风机转速较低时，为保证输出电压，通过切换开关将A、B两相绕组反相串联，通过单相整流，调节励磁电流即可获得较高的输出电压；当风机转速较高时，为提高发电机输出能力，将A、B两相绕组反相并联，通过单相整流桥，并调节励磁电流即可获得所要求的输出。通过多体式连接方式实现的本发明电励磁双凸极发电机，以三体式为例，如图3所示，轴向将三台单体8/12极双凸极电机错开10°轴向连接构成具有6相的多体式发电机，其结构如图4所示，单体电机1等效为绕组W11、W12；单体电机2等效为绕组W21、W22；单体电机3等效为绕组W31、W32。应用于非并网风力发电系统中，根据风速与后级负载的需要，通过切换开关S11、S12、S13、S14、S21、S22、S23、S24、S31、S32、S33、S34实现多态调节：

(1)在风速较低、负载较小的情况下，可由一台电机如generator1内部两相绕组串联成一相通过单相整流桥输出，即S12、S13闭合，S11、S14断开，W11、W12串联成一相，并切断另外两台电机generator2、generator3的励磁电流，由单体电机工作于最大负载工作点，提高单体发电机的运行效率。

(2)在风速较低、负载较大的情况下，将每台电机内部绕组单独串联成一相，generator1中，S12、S13合上，S11、S14断开；generator2中，S22、S23合上，S21、S24断开；generator3中，S32、S33合上，S31、S34断开，构成三相发电机，通过三个单相整流桥输出，以满足负载需要。

(3)在风速较高、负载较小的情况下，可根据负载需要由一台电机如generator1内部一相绕组通过一个单相整流桥输出，即S11闭合，S12、S13、S14断开；或者两相绕组反相并联，即S11、S12、S14闭合，S13断开，通过单相整流桥输出，并切断另外两台电机generator2、generator3的励磁电流，由generator1电机单独工作，提高发电机的输出效率。

(4)在风速较高、负载较大的情况下，将单体电机的两套绕组并联，构成三相绕组发电机通过三个单相整流桥输出，即S11、S12、S14、S21、S22、S24、S31、S32、S34闭合，S13、S23、S33断开，以满足负载的需要。

在整个宽转速范围内，通过多体式电机绕组内部的连接方式满足转速和负载的需要，并且励磁电流直接可以调节输出电压。有效的改善了大功率风力发电机的径向尺寸，并提高了各个运行状态下电机的效率。并且采用结构简单的双凸极发电机有效的降低了系统成本，在大规模、大功率风力发电机应用场合推广具有广泛的应用前景。

Claims (2)

1.一种多体式电励磁双凸极风力发电机，其特征在于该多体式电励磁双凸极风力发电机是将三台单体式发电机相互之间错开10°轴向机械角连接而成，各单体发电机均为两相电励磁双凸极发电机，并且转子共轴相连，该单体发电机相位相差180°的两相绕组串联或者并联，通过单相整流桥输出电压，绕组间串、并联切换通过切换开关来实现，当风速为低速时，为提高输出电压，通过切换开关将单体发电机的两相绕组反相串联；当风速为高速时，为稳定输出电压，通过切换开关将单体发电机的两相绕组反相并联，通过调节励磁电流直接控制输出电压，以满足风速的变化要求，应用于非并网风力发电系统中，根据风速与后级负载的需要，风速较低、负载较小时，由一台单体发电机的内部两相绕组串联成一相通过单相整流桥输出，另外两台单体发电机不工作；风速较低、负载较大时，每台单体发电机内部绕组单独串联成一相，三台单体发电机构成三相发电机，通过三个单相整流桥输出，以满足负载需要；风速较高、负载较小时，一台单体发电机的一相绕组通过一个单相整流桥输出或者两相绕组反相并联通过单相整流桥输出，另外两台单体发电机不工作；风速较高、负载较大时，每台单体发电机的两套绕组并联，构成三相绕组发电机通过三个单相整流桥输出。

2.根据权利要求1所述的多体式电励磁双凸极风力发电机，所述的单体发电机包括定子、转子、电枢绕组和励磁绕组，其中电枢绕组和励磁绕组均绕制在定子上，其特征在于所述转子为外转子或内转子，外转子采用“4/6”系列结构，定子数为4的倍数，转子数为6的倍数；内转子采用“6/4”系列结构，定子数为6的倍数，转子数为4的倍数，所述的定子上的电枢绕组是将定子上相对齿的电枢绕组串联成一相绕组，从而分别构成所述两相电励磁双凸极发电机的A、B两相绕组。

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