CN102223037A - 新颖变速凸极同步电机及巨型旋转频率变换器 - Google Patents

Abstract

发明名称新颖变速凸极同步电机及巨型旋转频率变换器新型变速凸极同步电机属于电机原理、特性及结构范畴，巨型旋转频率变换器属于新型柔性交流输电技术，涉及可变频变压器(VFT)。本发明要解决的问题是实现凸极同步电机变速恒频和同步电机异步化运行，旋转频率变换。新型变速凸极同步电机，其定子与普通交流电机定子相同，转子为m相(一般m＝3)p对凸极磁极，m为大于1的正整数。转子磁极绕组，空间上，为相差360°/m电角度分布；时间上，为相差360°/m电角度的交流励磁变频电源励磁。磁路上，转子p对凸极磁极，可以采用并联或串联磁路方式，优先采用并联方式。它是巨型可变频变压器和新颖大型可变速水轮发电机组、风力发电机组及系统的核心，为基础性的原始创新发明。

Description

新颖变速凸极同步电机及巨型旋转频率变换器

技术领域

本发明属于新型变速凸极同步电机(Electric Machines)原理、特性及结构范畴和新型柔性交流输电技术FACTS(Flexible Alternating Current Transmission System)，特别涉及新型变速恒频凸极同步电机(Novel Variable Speed Salient Pole Synchronous Machines)以及可变频变压器-VFT(Variable Frequency Transformer)，属于基础性的原始创新发明。

背景技术

1992年国际大电网会议上，第11(旋转电机)学术委员会全体会议，新型变速同步电机作为第一优先主题“电机的新发展和经验”，前苏联，日本等国学者作了专题报告。交流励磁电机的研制与发展，引起了世人注目。日本日立公司于1987年制造容量为22MVA的成出(Narude)电站1#机投入运行。东芝公司制造容量为85MVA的八木泽(Yagisawa)电站2#机，于1990年12月投入运行，成为世界首台可变速抽水蓄能机组。1994年，日本日立公司制造容量为400MW大河内电站可变速抽水蓄能机组投入运行。前苏联第一台200MW(ASTG-200)异步化汽轮发电机于1985年制造并投入运行，1991年完成第二台。自九十年代以来，国内外对于变速同步电机的研究，首先是双馈交流励磁电机DFIM(/DFIG)(Double-Fed Induction Machine/Generator)，即以日本日立公司大河内电站为代表的交流励磁大型水轮发电机组，已在日本、欧洲建立了数十座大型可变速恒频抽水蓄能电站。

应当指出，双馈交流励磁电机，从本质和结构上讲，它实质上是绕线式异步电机，依靠滑差功率进行调速，它均属异步电机范畴。双馈交流电机，其定子与一般交流电机定子相同，转子为绕线式异步电机转子。定子与普通三相电源联结，由电网馈电，转子经滑环与交流变频电源相联结，通过滑环输入滑差频率电源馈电。从而构成双馈交流励磁感应电机DFIM(Double-Fed Induction  Machine/Generator)。对于大型立式水轮发电机，特别是在大型抽水蓄能电站中，由于这种电机转子直径很大，达十几米，转速高，离心力大，致使转子绕组的端部固定十分困难。为此，在转子结构上，必须采取措施，日本学者提出了一系列的发明专利技术。从大河内电站机组的分析指出，机组变频装置、控制系统极其庞大复杂，变频装置容量大，设备昂贵，为此厂房要多增加一层高度，机组成本增加30-40％。它给机组的设计、制造、安装、运输、维护、运行等带来了一系列的困难和问题。绕线式异步电机转子结构是问题的症结[1，2]。

随着国民经济的发展，电网规模的扩大和技术进步，新型柔性交流输电技术FACTS(Flexible Alternating Current Transmission System)应运而生。它自诞生以来，已为世人所瞩目，并得到广泛应用。2003年世界上第一台100MW可变频变压器-VFT(Variable Frequency Transformer)，在加拿大魁北克langlois变电站成功投入运行，将加拿大电网与美国纽约电网实现二国异步联网。可变频变压器(VFT)，它是实现面对面的异步联网新技术，成为第四代FACTS新型柔性交流输电技术的关键设备。FTACS新技术是提高大型复杂电网运行功能和经济效益的强大工具，使FTACS成为大型电力系统中的新型控制技术[3，4]。

近年来，北美、欧洲等一些发达国家连续发生的几起重大停电事故，引起人们的严重关注。事故分析加深了人们对电力系统的动态行为和电力设备特性的新认识，如对电力系统中异步联网的新观念，包括高压直流输电(HVDC)设备的功能和效益的新认识，引起世人瞩目。

当今背靠背的高压直流输电技术(HVDC)，它是基于电力电子技术，结构复杂，价格昂贵，投资大，占地多、引发事故也较多。新近由美国GE公司研发的面对面的可变频变压器(VFT)，可实现异步联网新技术。它是旋转型机电装置，具有结构简单、安全可靠、运行性能优良、占地少、投资小等一系列优点。面对面的异步联网(VFT)与背靠背的高压直流输电技术(HVDC)相比，具有一系 列的优越性和巨大的经济效益。

可变频变压器(VFT)，在结构上，它主要是由大型三相绕线式异步电机、直流驱动电机及集电环导流装置等三大部分组成。本质上，它是可运行于任意相角连续变化的旋转型机电移相变压器。大型三相绕线式异步电机，其定转子绕组分别与受送端二侧的电网联接，定子绕组与其一端电网相连接，转子绕组与另一端电网相连接，定转子绕组二侧的电压、频率可相同或不同。直流电机与三相绕线异步电机同轴连接，通过直流电机的驱动，连续地改变定转子绕组之间的相位角，从而实现异步联网的功率传递。

可变频变压器(VFT)的核心是大型三相绕线式异步电机，在结构上，它是隐极转子，其转子采用整园叠片铁芯，转子绕组在转子铁心中的固定及端部绑扎都是十分困难的。在特性上，它具有变速恒频的特性，使之能实现异步联网。目前，可变频变压器(VFT)的研制的最大容量为100MW，从大电网系统的需求而言，要求可变频变压器机组(VFT)容量更大，要求研制200MW，乃至更大容量的巨型可变频变压器(VFT)，以适应其电网需求。目前，由于大型三相绕线式异步电机的结构和性能限制，100MW可变频变压器(VFT)转子直径已超过4M，叠片转子的铁芯和转子绕组的固定成为关键瓶颈。如果再要求继续增大可变频变压器(VFT)的容量，即加大三相绕线式异步电机电枢直径，转子直径必将超过4M以上。一旦机组大型转子构件超过4M以上，势必将要求分辨。在结构上，一旦转子铁芯分辨，转子绕组的固定和绑扎将会产生许多新的难题，将会在设计、制造、安装、运输、运行、维修等方面成为不可逾越的困难。因此，要求增大可变频变压器(VFT)的容量，必须谋求新的思路，有所突破，发展新型可变频变压器(VFT)，成为新颖巨型可变频变压器(VFT)的必由之路。

参考文献：

[1]Kita Eetc.A 400MW Adjustable speed pumped-storage system Water Power & Dam Construction  1991No.11

[2]Taikao Kuwabara，et al.Design and Dynamic Response Chracteristic of 400MW Adjustable Speed Pumped Storage Unit for OHKAWACHI Power Station IEEETrans.on Energy Conversion，1996，11(2)

[3]A.Merkhouf，P.Doyon，S.Upadhyay Variable Frequency Transformer-Concept and Electromagnetic Design Evaluation IEEE on Eenergy Conversion Vol.23No.4december，2008pp.989-996

[4]Denis Nadeau A 100-MWVariable Frequency Transformer(VFT)on the Hrdro-Quebec TransEnergie Network-The Behaavior during Disturbance Power Engineering Society General Meeting 2007.IEEE 24-28June 2007.

发明内容

本发明提出新型变速凸极同步电机、可变频变压器(VFT)及新颖大型水轮发电机、风力发电机及其具有变速恒频特性的新型发电机组三项发明。

首先，它是新型变速凸极同步电机；其次它是新颖巨型可变频变压器(VFT)和新颖可变速大型水轮发电机、风力发电机及变速恒频机组。新型变速凸极同步电机是新颖巨型可变频变压器(VFT)集成的核心。同时，它是在新能源水电、风电中，研发大型可变速水电、风电等新型变速恒频凸极同步发电机组的主机。

本发明提出的新型变速凸极同步电机。它所要解决的关键是实现凸极同步电机变速恒频特性，同步电机异步化运行，特别是它在大型水轮发电机组、风力发电及其可变频变压器(VFT)的应用，使之成为具有结构简单、性能优异、安全可靠的新型机组，它为实现凸极同步电机变速恒频，以及在新型柔性交流输电技术(FACTS)中实现异步联网奠定基础。

1、新型变速凸极同步电机

首先，本发明的变速凸极同步电机，包括定子和转子，定子与普通交流电机定子结构相同，具有m相P对极，由电枢铁芯和定子绕组构成，它由对称三相工频交流电源馈电。转子由凸极磁极、磁极绕组、磁轭及转轴等组成。转子为凸极结构，转子磁极装有励磁绕组。其特征在于：

(1)在空间上，所述转子磁极绕组由具有m相p对凸极磁极组成，m相励磁绕组在空间上相差360°/m电角度分布，m＝2，3，4，……为正整数。实际上，一般取m＝3；(2)在时间上，所述m相转子磁极绕组，分别由相差360°/m电角度的交流励磁电源励磁，从而产生圆形的旋转磁场。一般三相转子励磁绕组为凸极磁极集中绕组，在时间上和空间上彼此相差120°。

(3)在磁路上，对于普通凸极同步电机，在极对数为p＝1的电机中，具有2个磁极。p对磁极，即2p个磁极，采用串联方式，N-S-N-S相连，由直流励磁馈电。对于三相p对磁极，在极对数为p＝1的电机中，对于串联磁路，每相磁极的磁路N-S-N-S相连，m相的磁极数为2p＝2*m＝6。对于并联磁路，每相磁极的磁路N-S-S-N相连，相当于反串。磁极数可合并减少一半，m相的磁极数为2p＝2*m/2＝3。因此，在单元电机中，一对极距空间上，若采用串联方式，即磁极数为6个磁极。若采用并联方式，即磁极数仅只为3个磁极。对于新型变速凸极同步电机，p对凸极磁极，可以采用并联或串联磁路方式，优先采用并联。

对于新型变速凸极同步电机，p对极电机，若磁极采用并联方式，即1对磁极，磁极数似乎仅只有1个磁极。这是一种新型凸极同步电机转子磁极结构特征，是本发明的创新点。转子磁极结构，p对磁极的串联、并联方式均可采用，视结构参数而定。为了优化电机设计、制造，优化转子，优先采用并联方式。

(4)转子绕组的出线与集电环相连接，集电环的个数为m+1个，m相每个绕组的进线分别与m个集电环相连接，m相每个绕组的出线与另1个集电环连接在一起。当m＝3，则集电环数为4。

新型变速凸极同步电机结构，转子m相p对磁极单元电机(m＝3，p＝1)，串联磁路方式结构，如图1所示。转子m相p对磁极单元电机(m＝3，p＝1)，并联磁路方式结构，如图2所示。

2、新颖旋转频率变换器(VFT)

其次，本发明提出新颖可变频变压器(VFT)，如图3所示。它由本发明提出的新型变速凸极同步电机(1、2)、驱动系统(3)及集电环导流系统集成。它所要解决的问题是在新型柔性交流输电技术FACTS中实现异步联网以及巨型化，实现超大容量化。

在新颖可变频变压器(VFT)集成中，新型变速凸极同步电机是新颖可变频变压器(VFT)的主体和核心，其驱动系统是为新型变速凸极同步电机提供能源，即有功和无功功率。驱动电机(3)与新型变速凸极同步电机(2)直轴相连，新型变速凸极同步电机的定子绕组(1)，经变压器(10)与受送端的一端电网(9)相联接，新型变速凸极同步电机的转子绕组(2)，经由集电环导流，经变压器(4)与受送端的另一端电网(5)相联接，即为新型电机转子交流励磁电源，它的频率取决于被联接的二端电网(9，5)的频率，接近于工频。新型变速凸极同步电机的定转子绕组分别与异步联网的受送二端电网相联接。从而使可变频变压器(VFT)能实现新型柔性交流输电技术(FACTS)异步联网。

根据异步联网的电压、频率以及可变频变压器(VFT)功率，确定系统控制，其系统包括频率控制(8)、有功功率及无功功率控制(6)及机组控制系统(7)。由频率控制(8)确定驱动电机(3)的转速，由有功功率及无功功率控制(6)确定可变频变压器(VFT)输送功率，由系统控制(7)实现新型柔性交流输电技术(FACTS)异步联网及可靠运行。

新颖可变频变压器，其其特征在于：

(1)新颖可变频变压器(VFT)，其核心是新型变速凸极同步电机，是该发明的核心和创新点。即它与美国GE公司开发研制的可变频变压器(VFT)不同之处。美国GE公司研发的可变频变压器(VFT)，其核心是三相绕线式异步电机，而本 专利提出的是新型变速凸极同步电机。新型变速凸极同步电机，它不但具有变速恒频的特性，同时又具有凸极同步电机的结构和特性，为此可解决机组巨型化和转子结构特性问题。因此，它可解决美国GE公司开发研制大容量可变频变压器(VFT)存在的瓶颈问题，为发展新颖巨型可变频变压器开拓了新路。

(2)新颖可变频变压器集成系统

其新型变速凸极同步电机与驱动系统，可以有三种不同系统集成组成：

●新型变速凸极同步电机-新型变速凸极同步电机

●新型变速凸极同步电机-变频调速同步电机

●新型变速凸极同步电机-直流电机

新颖可变频变压器(VFT)系统，如图3所示。

3、新颖大型水轮发电机组、风力发电机组及其具有变速恒频的新型机组

在新能源水电、风电开发中，通过涡轮机的变速，提高水电、风电机组的综合效率。众所周知，电网要求是恒频恒压，一般同步电机，同步转速是固定的，电机是不能变速的。因此，必须要求新型发电机组具有变速恒频特性，使同步电机能异步化运行，其核心要求新型变速同步电机。本发明专利提出的新型变速凸极同步电机，特别是对于m相(m＝3)，以一对磁极(p＝1)的单元电机为例，采用磁极数为3，磁路采用并联方式的三磁极交流励磁凸极同步电机。电机为凸极转子结构，不仅在原理上，而且在结构上成功地解决了转子绕组的固定和安装等问题。大型水轮机、风轮机作为原动机，与新型变速凸极同步电机直接同轴相联接，构成新型水电、风电机组。为提高机组整机效率，当控制原动机-涡轮机的转速变化时，由于新型电机具有变速恒频特性，能满足电力系统恒频恒压的要求，从而提高机组的综合效率和改进运行性能。新型电机的优异特性为大型水电机组、风电机组的开发和利用，奠定了基础和创造了有利条件。

3.1新颖可变速大型水轮发电机组、风力发电机组及其系统

新颖大型水轮发电机组、风力发电机组及其系统，它是以新型变速凸极同 步电机为发电机组主机，如图4所示。可变速凸极同步电机定子(1)，经由变压器(3)与交流电网(4)相连接，可变频交流电源(6)，即PWM脉宽调制可变频电源(6)，经由变压器(5)与交流电网(4)相连接。PWM脉宽调制可变频电源(6)，对可变速凸极同步电机转子绕组(2)供电，使转子绕组的频率可调。可变频交流电源(6)，一般可采用PWM脉宽调制技术，应用交-直-交变频器(AC-DC-AC)或交-交变频器(AC-AC)。根据电网系统的要求和原动机-涡轮机的工况，由涡轮机(10)的特性和参数，通过最优转速、最优功率设置及控制器(11)确定原动机(10)的最优转速、最优功率。由原动机的最优转速，通过转速(频率)控制器(9)确定机组的转速、控制可变频交流励磁电源的频率，即PWM脉宽调制的频率，控制可变速凸极同步电机转子绕组的频率。由原动机的最优功率设置，通过最优功率设置及控制(11)，经由有功功率、无功功率控制系统(7)，控制可变频交流电源的电压、电流的幅值及相位，控制可变速凸极同步电机的有功功率和无功功率，从而确定发电机组的功率。通过控制系统(8)，实现机组的机组的功率控制和转速调节，机组系统的机电保护系统。新颖大型可变速水轮发电机组、风力发电机组及其系统，如图4所示。

3.2新颖可变速大型水轮发电机组、风力发电机组及其系统

对于双馈交流励磁电机(DFIG)，当前交流励磁电源均采用电力电子变频装置，PWM控制技术。对于大型机组，控制技术复杂、设备昂贵，可靠性低、机组成本大为增加30-40％。但是，当巨型机组容量增大时，电力电子变频装置容量相应地不断增大，可靠性、经济性成为技术难题。本发明提出以旋转机械可变频机组，取代复杂、昂贵的电力电子变频装置，提出新型机组。

本专利提出新颖可变速大型水力发电机组、风力发电机组，它采用新型变速凸极同步电机-新型变速凸极同步电机同轴相连，其中一台为新型变速凸极同步电机，为发电机的主机，为大容量机组，主发电机定子(1)和转子(2)。另一台新型变速凸极同步电机，容量较小，为发电机的辅机，作为主机的可变频 交流励磁机，交流励磁辅机转子(3)和定子(4)。同时，二者再与原动机-涡轮机(11)同轴相连，涡轮机为水轮机、风轮机，组成新型大型水轮发电机组、风力发电机组，如图5所示。

主发电机定子(1)，经由变压器(12)与交流电网(9)相连接。交流励磁辅机的定子(4)，经由变压器(5)与交流电网(9)相连接，为主机提供变频交流励磁电源，辅机的转子(3)与主机的转子(2)直轴相连。根据电网系统的要求和原动机-涡轮机的工况，由涡轮机(11)的特性和参数，通过最优转速、最优功率设置及控制器(10)确定原动机(11)的最优转速、最优功率。通过机组控制系统(8)，控制交流励磁辅机转速控制和功率控制(7)，通过控制辅机定子(4)的电压、电流，以控制辅机转子的电压、电流的幅值，相位及频率。由涡轮机最优转速设置，控制确定辅机转子的频率，从而确定发电机组的辅机、主机及涡轮机的转速。由涡轮机最优功率设置，控制辅机定转子的电压、电流的幅值和相位，从而控制主机的有功功率和无功功率。通过控制系统(8)，确定主机及辅机的转速控制、功率控制控制、机组机电保护系统，实现大型水电机组、风电机组的可变速、高效、安全、可靠运行。

新颖大型水电机组、风电机组，采用旋转机械装置作为可变频交流励磁电源，相较电力电子变频技术，可大大地降低成本，可提高运行性能和可靠性，实现机组巨型化。

新颖大型可变速水轮发电机组、风力发电机组及其系统，如图5所示。

应当指出，新型变速凸极同步电机，在可变频变压器与大型水电、风电中，均为机组的核心主体，但由于工况不同，其结构、特性等均不同，将会产生较大差异。在可变频变压器(VFT)中，其定子绕组与异步联网的一端电网相连接，转子绕组与异步联网的另一端电网连接，转子绕组交流励磁的频率取决于与相 连接的异步联接的另一端电网的频率，其值近似于工频。在大型水电、风电机组中，作为发电机主机，其定子绕组与恒频恒压的大电网相连接，其转子绕组与交流励磁电源相连接，其转子绕组的频率取决于涡轮机的转速变化，其值为低频交流电。因此，新型变速凸极同步电机，虽同为机组，但在可变频变压器(VFT)和在大型水电、风电机组中，转子绕组的联接、频率、特性和运行是不同的，以至新型变速凸极同步电机的特性和运行工况也是不同的。由于转子交流励磁的频率不同，如转子材料和结构也会相应的不同。在可变频变压器中，转子磁极可采用矽钢片制成。在水电、风电机组中，转子磁极采用高强度薄钢板制成，结构、材料、工艺、制造等均不同，其控制系统则相差更大。

4、本发明技术方案的基本原理

众所周知，在同步电机中，定子绕组为m相(一般m＝3)对称绕组，定子绕组频率为f_s，转子绕组为直流绕组，转子绕组频率为f_r＝0，转子绕组产生直流恒定磁场，在空间上是固定不变的，其旋转磁场角频率为ω_r＝0。当电机频率和极数确定时，定子绕组产生的旋转磁场角频率为 

电机转子机械转速为电机的同步速度 

转子机械转速的角频率为ω_m＝ω_s，转子绕组在气隙中产生旋转磁场，它的频率等于转子的机械转速的角频率ω_m与转子直流磁场的旋转角频率ω_r之和，即它相对于气隙的旋转速度为ω_r+ω_m＝ω_s。根据电机定转子气隙磁场相对静止的原理，同步电机定转子绕组产生的气隙合成磁场将以同步速度旋转，ω_s＝ω_r±ω_m，能够进行能量交换。因此，一般同步电机，机械转速为同步速度，固定不变，同步电机不能变速。

4.1、新型变速凸极同步电机原理

本文提出的新型变速同步电机，在转子m相绕组中，通以m相对称交流电流，转子绕组在气隙中产生以ω_r旋转速度的气隙磁场，它相对气隙的转速等于气隙磁场相对转子的转速ω_r与转子本身的机械旋转速度ω_m之和，即为 ω_r+ω_m＝ω_s。根据电机定转子气隙磁场相对静止的原理，当改变交流励磁电源频率ω_r时，转子旋转速度ω_m必将发生相应的变化；或者当转子机械转速度ω_m发生变化时，相应地必须改变转子绕组交流励磁变频电源频率f_r，即转子绕组产生的相对转子运动的圆形旋转磁场速度ω_r＝2πf_r，从而改变凸极同步电机的旋转速度，实现凸极同步电机变速。从而构成双馈变速恒频凸极同步电机。

本发明提出新型电机的原理、结构，突破了传统概念，关键在于凸极转子产生变化的旋转磁场，以特殊的转子结构和交流励磁实现转子变速恒频，它属于同步电机范畴，这是理论上和结构上的创新。

为了分析研究方便，对于定子坐标系，设定子U相绕组的轴线作为坐标原点，定子空间沿圆周分布的坐标轴为θ，对于转子坐标系，设转子第一对磁极N的轴线作为坐标原点，转子空间沿圆周分布的坐标轴为x，转子坐标系以ω_m的速度在空间旋转，转子磁极绕组通以ω_r频率的电流，γ为转子旋转坐标系相对于定子坐标系的相对位置。由定转子坐标系的关系，可以得到表达式， 

γ₀为转子第一对磁极N轴线在t＝0时的电角度，即在t＝0时的转子初始位置角，一般可以假定认为γ₀＝0。当转子以均匀速度ω_m旋转时，γ＝ω_mt，θ＝x+γ＝x+ω_mt。

本文提出的新型变速同步电机，当电机定子m相p对极绕组(一般m＝3)通过m相对称交流电流i_s时，其幅值为 

其频率为ω_S，即 

对于定子绕组，根据付里叶级数分析，可以得到定子三相绕组合成磁势的表达式：

F_s(θ，t)＝∑F_vsin(ω_st-vθ)

$F_v=\frac{m\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\frac{\mathrm{NI}}{\mathrm{vp}}{K}_{\mathrm{wv}}=1.35\frac{\mathrm{NI}}{\mathrm{vp}}{k}_{\mathrm{wv}}$

v＝6k±1 k＝1，2，3…

其中m为相数，N为定子绕组每相每条支路串联绕组匝数，I为定子电流的有效值。p为电机的极对数，v为谐波的级次，k_wv为电机v次谐波的绕组系数，F_v为电机磁势v次谐波的幅值。

对于转子励磁绕组，它由m相p对凸极磁极组成。当转子绕组通过m相对称交流电流i_r， 

其幅值为 其频率为ω_r＝2πf_r，α为定转子电流的相位差。p对凸极磁极可以采用并联或串联方式。磁极绕组为集中绕组，相应的磁极励磁绕组的匝数为N_r，k_yv为转子绕组v次谐波的绕组系数。转子p对磁极产生的磁势F_r(x，t)，在空间上彼此相差360°/p，在时间上彼此相差360°/m，对称分布。转子m相p对极绕组产生的的合成磁势为F_r(x，t)

$F_r(x,t)=\mathrm{\Σ}{F}_{\mathrm{rv}}\sin \left({\mathrm{\ω}}_{r}t\stackrel{-}{+}\mathrm{vx}\right)$

$F_{\mathrm{rv}}=\frac{m\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\frac{N_r{I}_r}{\mathrm{vp}}{k}_{\mathrm{yv}},v=\mathrm{1,3,5}\·\·\·$

根据定转子坐标系二者的关系，x＝θ-ω_mt，将其代入转子m相绕组的合成磁势，得到关系式，

F_r(θ，t)＝∑F_rv sin((ω_s±vω_r)t-vθ)

$F_{\mathrm{rv}}=\frac{m\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\frac{N_r{I}_r}{\mathrm{vp}}{k}_{\mathrm{yv}},v=\mathrm{1,3,5}\·\·\·$

根据机电能量转换的基本原理和定转子气隙磁场相对静止的概念，对于气隙磁场基波而言，即v＝1时，瞬时功率P_m及电磁转矩T_em为

$P_m=T_{\mathrm{em}}\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}=T_{\mathrm{em}}{\mathrm{\ω}}_m$

ω_s＝ω_r±ω_m

由此，可以导出本发明新型变速凸极同步电机，它具有变速恒频的特性和凸极转子的结构的特点，具备同步电机的特征和性能。

对于一般同步电机，定子为m相，极对数2p＝2的电机中，转子磁极磁路为串联方式，转子为直流，即m＝1，磁极数为2p＝2。本发明中，转子磁极为m相(m＝3)，转子磁极磁路可采用串联和并联方式。当磁极采用串联磁路时，磁极数为2p＝6，即相当于每极每相磁极为1，与一般同步电机类同。当磁极采用并联磁路时，磁极数为2p＝3，相当于每极每相磁极数为0.5，即半个磁极。根据 磁通连续性原理，三相磁路磁通是连续的，∑φ＝0。对于三相对称系统而言，三相电流之和为零，即∑(i_a+i_b+i_c)＝0。采用半个磁极数的磁路电机，三磁极式同步电机原理正确和成立，这是本发明的创新和特色。

4.2、可变频变压器(VFT)原理

在可变频变压器中，对于新型变速同步电机，其定子绕组与受送端电网的一端相联接，其频率为f₁＝f_s，其转子绕组与受送端电网的另一端相联接，其频率为f₂＝f_r。电网二端的电压和频率可以相等，也可以不相等，即f₁＝f₂或f₁≠f。当受送二端电网的频率相等时，f₁＝f₂，电机转子的机械旋转速等于零，即ω_m＝0。当异步联网二端电网的频率不相等时，f₁≠f₂，电机转子的机械旋转速等于二者之差，即ω_m＝|ω_s-ω_r|。在可变频变压器中，其新型变速同步电机转速应满足电机定转子磁场相对静止的原则，ω_s＝ω_r±ω_m，即驱动电机的转速应遵循的准则。由于新型变速凸极同步电机具有变速恒频的特性，当控制驱动电机的转速，控制驱动系统的功率，即可实现异步联网及功率传递。

在可变频变压器中，与新型变速同步电机的定转子绕组相联接的二端电网，均可视为无限大容量电网，其电网的电压、频率是不可变的。在异步联网中，定转子绕组产生的旋转磁场之间的相位角，它是机组中唯一可调节的变量。因此，通过驱动系统控制转速，连续地调节定转子绕组产生的旋转磁场之间的相位角，即可实现异步联网和功率转送。它是可变频变压器的基本控制原理，

4.3、大型水轮发电机组、风力发电机组及其要求变速恒频的凸极同步电机原理

根据电机定转子磁场相对静止的原理，ω_s＝ω_r±ω_m。对于新型变速同步电机，其定子绕组与大电网相联接，即ω_s＝ω₁，其电网的电压、频率是不变的。当原动机的转速变化时，改变转子交流励磁绕组频率，使之满足ω_s＝ω_r±ω_m，即可实现变速恒频。通过控制交流励磁电源的电压、频率及相位角，改变转子 绕组产生的旋转磁场的幅值、频率及相位。通过控制转子交流励磁的频率，控制机组转速，实现机组的变速恒频。通过控制转子交流励磁电源的幅值、相位角，控制新型电机的有功功率和无功功率传递，实现机组的功率输送。通过控制电机转子的交流励磁，控制转子绕组电压的幅值、频率及相位角，是实现新型电机在变速恒频系统中转速和功率转递的基本控制原理。

附图说明：

图1为本发明新型变速凸极同步电机，磁极为串联磁路单元电机示意图。其中：1为定子(m＝3，p＝1)，2为转子磁极，3为磁极绕组。N_ar、S_ar、N_br、S_br、N_cr、S_cr分别为转子三相磁极绕组的正向假定。

图2为本发明新型变速凸极同步电机，磁极为并联磁路单元电机示意图。其中：1为定子(m＝3，p＝1)，2为转子磁极，3为磁极绕组。N_ar、S_ar、N_br、S_br、N_cr、S_cr分别为转子三相磁极绕组的正向假定。

图3为本发明新颖可变频变压器(VFT)示意图

其中：1为新型变速凸极同步电机定子绕组，2为新型变速凸极同步电机转子绕组，3为驱动电机，4为变压器，5为交流电网2，6为功率控制器，7为控制系统，8为频率控制器，9为交流电网1，10为变压器。

图4为本发明新颖大型可变速水轮发电机组、风力发电机组及其系统示意图其中：1为新型变速凸极同步电机定子绕组，2为新型变速凸极同步电机转子绕组，3为变压器，4为交流电网，5为变压器，6为PWM脉宽调制可变频电源，7为有功功率控制、无功功率控制，8为控制系统，9为转速(频率)控制，10为原动机(水轮机，风轮机)，11为最优转速、最优功率设置及控制。

图5为本发明新颖大型可变速水轮发电机组、风力发电机组及其系统示意图其中：1为新型变速凸极同步发电机(主发电机)定子绕组，2为新型变速凸极同步发电机(主发电机)转子绕组，3为新型变速凸极同步电机(交流励磁辅机)转子绕组，4为新型变速凸极同步电机(交流励磁辅机)定子绕组，5为变压器， 6为主发电机转速控制及功率控制，7为交流励磁辅机转速控制及功率控制，8为控制系统，9为交流电网，10为最优转速、最优功率设置及控制，11为原动机(水轮机，风轮机)，12为变压器。

图6为本发明新型变速凸极同步电机，三相四极并联磁路式电机具体实施方式示意图

其中：1为1为定子(m＝3，p＝2)，2为转子磁极，3为磁极绕组。

详见其后具体实施方式所述。

具体实施方式

以图6所示的新颖变速凸极同步电机为例，进行实施说明。电机的极对数为P＝2，定子具有槽数为Z＝48，定子为三相对称绕组，并联支路数为a。转子磁极对数为2P＝4，其中N_ar、S_ar、N_br、S_br、N_cr、S_cr分别为转子三相磁极绕组的正向假定，三相磁极绕组在空间上相差120°度电角度，在时间上相差120°度电角度。定子由对称三相交流电源供电，转子三相磁极绕组，由低频交流变频电源馈电。

定子绕组：UVW三相绕组分别为

U相绕组正相带槽号为：1-2-3-4，25-26-27-28；

U相绕组负相带槽号为：-13--14--15--16，-37--38--39--40；

V相绕组正相带槽号为：9-10-11-12，33-34-35-36；

V相绕组负相带槽号为：-21--22--23--24，-45--46--47--48；

W相绕组正相带槽号为：17-18-19-20，41-42-43-44；

W相绕组负相带槽号为：-5--6--7--8，-29--30--31--32；

并联支路数可以为a＝1，2，4；

转子磁极对数为2P＝4：

N_a1、S_a1、N_b1、S_b1、N_c1、S_c1分别为转子第1对磁极三相磁极绕组的正向假定。

N_a2、S_a2、N_b2、S_b2、N_c2、S_c2分别为转子第2对磁极三相磁极绕组的正向假定。

Claims (9)

1.新型可变速凸极同步电机，包括定子和转子。定子与普通交流电机定子结构相同，具有m相p对极，由电枢铁芯和定子绕组构成。转子为凸极磁极结构，由磁极、磁极绕组、磁轭及转轴等组成。转子磁极绕组由具有m相p对磁极组成，m为大于1的正整数。在空间上，为相差360°/m电角度分布；在时间上，为相差360°/m电角度的交流励磁电源励磁，从而产生圆形的旋转磁场。实际上，一般取m＝3。对于一般三相转子绕组，为凸极磁极集中绕组，在时间上和空间上彼此相差120°。

2.如权利要求1所述的新型可变速凸极同步电机，在磁路上，转子p对凸极磁极，可以采用并联或串联磁路方式，优先采用并联方式。对于三相p对磁极，在极对数为p＝1的电机中，对于串联磁路，m相的磁极数为2p＝2*m＝6。对于并联磁路，m相的磁极数为2p＝2*m/2＝3。

3.如权利要求1、2所述的新型可变速凸极同步电机，转子绕组的出线与集电环相连接，集电环的个数为m+1个，m相每个绕组的进线分别与m个集电环相连接，m相每个绕组的出线与另1个集电环连接在一起。当m＝3，则集电环数为4。

4.在新颖可变频变压器(VFT)中，如权利要求1、2、3所述的新型变速凸极同步电机是新颖可变频变压器(VFT)的主体和核心，其驱动电机与新型变速凸极同步电机直轴相连，为新型变速凸极同步电机提供有功和无功功率。新型变速凸极同步电机的定子绕组(1)，经变压器(10)与受送端的一端电网(9)相联接，新型变速凸极同步电机的转子绕组(2)，经由集电环导流，经变压器(4)与受送端的另一端电网(5)相联接。新型变速凸极同步电机的定转子绕组分别与异步联网的受送二端电网相联接。从而使可变频变压器(VFT)实现新型柔性交流输电技术(FACTS)异步联网。

5.如权利要求4所述的新颖可变频变压器集成系统中，其新型变速凸极同步电机与驱动系统，可以有三种不同系统集成组成：

●新型变速凸极同步电机-新型变速凸极同步电机

●新型变速凸极同步电机-变频调速同步电机

●新型变速凸极同步电机-直流电机

6.新颖可变速大型水轮发电机组、风力发电机组及其系统，它是以如权利要求1、2、3所述的新型变速凸极同步电机为发电机组的主机。可变速凸极同步电机定子(1)，经由变压器(3)与交流电网(4)相连接。可变速凸极同步电机转子绕组(2)，由可变频交流电源(6)，即PWM脉宽调制可变频电源(6)馈电，即转子绕组的频率可调。PWM脉宽调制可变频电源(6)，经由变压器(5)与交流电网(4)相连接。可变频交流电源(6)，一般可采用PWM脉宽调制技术，应用交-直-交变频器(AC-DC-AC)或交-交变频器(AC-AC)。

7.如权利要求6所述的新颖可变速大型水轮发电机组、风力发电机组及其系统，根据电网系统的要求和原动机-涡轮机的工况，由涡轮机(10)的特性和参数，通过最优转速、最优功率设置及控制器(11)确定原动机(10)的最优转速、最优功率。由原动机的最优转速，通过转速(频率)控制器(9)确定机组的转速及可变频交流励磁电源的频率，即PWM脉宽调制的频率，控制可变速凸极同步电机转子绕组的频率。由原动机的最优功率设置，控制最优功率设置及控制(9)，经由有功功率、无功功率控制系统(7)，控制可变频交流电源的电压、电流的幅值及相位，控制可变速凸极同步电机的有功功率和无功功率，从而确定发电机组的功率。通过控制系统(8)，实现机组的机组的功率控制和转速调节，机组及统的机电保护和安全可靠运行。

8.新颖可变速大型水力发电机组、风力发电机组，它是采用如权利要求1、2、3所述的新型变速凸极同步电机，采用新型变速凸极同步电机-新型变速凸极同步电机同轴相连，其中一台新型变速凸极同步电机，为发电机的主机，为大容量，主发电机机定子(1)和转子(2)。另一台新型变速凸极同步电机，容量较小，为发电机的辅机，作为主机的可变频交流励磁机，交流励磁辅机转子(3)和定子(4)。同时，二者再与原动机-涡轮机(11)同轴相连，涡轮机为水轮机、风轮机，组成新型大型水轮发电机组、风力发电机组。主发电机定子(1)，经由变压器(12)与交流电网(9)相连接。交流励磁辅机的的定子(4)，经由变压器(5)与交流电网(9)相连接，辅机的转子绕组(3)与主机的转子绕组(2)相连，为主机提供交流励磁电源。

9.如权利要求8所述的新颖可变速大型水力发电机组、风力发电机组，根据电网系统的要求和原动机-涡轮机的工况，由涡轮机(11)的特性和参数，通过最优转速、最优功率设置及控制器(10)确定原动机(11)的最优转速、最优功率。通过机组控制系统(8)，控制交流励磁辅机转速控制和功率控制(7)，通过控制辅机定子(4)的电压、电流，控制辅机转子的电压、电流的幅值，相位及频率。由涡轮机最优转速设置，控制确定辅机转子的频率，从而确定发电机组的辅机、主机及涡轮机的转速。由涡轮机最优功率设置，控制辅机定转子的电压、电流的幅值和相位，从而控制主机的有功功率和无功功率。通过控制系统，确定主机及辅机的转速控制、功率控制控制、机组及系统机电保护系统，实现大型水电机组、风电机组的可变速、高效、安全、可靠运行。

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