CN102570746A - 节能型多相发电机整流器电源系统 - Google Patents

Abstract

节能型多相发电机整流器电源系统,本发明揭示了长期来始终为大众所不知的，现有三相电制中线电压白白损失的原因，并针对产生该能源浪费的根源，提出了一条新的改进路线，即采用三相以上的多相同步发电机组成的电源系统，能挽回该损失，将能量输出比现有三相系统增加最多为15.8％的解决方案。多相交流发电机电源系统的提出，更丰富了发明者在之前提出的直流电增能技术，是对节能节电事业和可再生能源开发的重要技术突破，在节能和新能源产业的国际竞争中，具有重大经济利益。

Description

节能型多相发电机整流器电源系统

技术领域

本发明属于电技术中的交流同步发电机、整流器和变频器领域，具体涉及由交流发电机发电，而后通过AC/DA变换，最后获得直流电或交流电输出的电源系统装置。

背景技术

在现有应用直流电源中，基本上不再使用直流发电机，而大都采用同步型交流发电机，然后通过整流器变换为直流电的模式。不管是大型、中型或小型机组，通常采用交流三相同步发电机的星形接法和线电压输出接入三相桥式整流器，先整流为直流获得应用，然后还有可能通过电子变频，获得固定或变化频率的交流电的应用方式。殊不知这样一种应用会产生相当大的电压损失和功率损失，不能完全利用交流发电机的潜力，相应地降低了发电机组的输出能力和效率，造成设备和能源的浪费。

发明内容

本发明的目的是发现三相同步机组中为何会产生这种浪费的原因，然后针对该原因，构建消除这一损失的系统装置，以达到增加机组额定功率和功率输出，实现系统节能增效的目的，从而降低系统的发电成本，产生可观经济利益。

本发明是这样实现的，由交流发电机(1)、整流器(2)等组成的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构，结合与发电机的相数匹配的整流器(2)组成的，能减小或消除三相电制系统中线电压损失的节能型电源装置。

本发明的技术效果是，多相同步发电机所发电压可以降低甚至消除现有三相机系统中15.8％的线电压损失，所以本发明装置整流后的直流电压普遍高于现有三相交流发电加上整流器的传统机组，系统输出功率、效率都有不小的升幅，因此机组具有高效节能的优点，而提高机组相数后不论是发电机、整流器等，所增加的成本比例远小于功率增幅，且还能从所节约的电能中得到多倍补偿，所以在经济上是特别有利的。

附图说明

图1、三相同步发电机向量和发电整流系统接线图。

图2、三相交流电整流后的直流电压波形图。

图3、五相同步发电机和七相同步发电机向量图。

图4、四相和六相同步发电机向量图。

图5、四相同步发电机和整流器接线图。

图6、多相同步发电、整流、变频电源框图。

具体实施方式

当今我们采用的从机械能转变为直流电的装置，不再使用价格昂贵的直流发电机，而广泛采用交流同步发电经硅二极管整流成直流的技术路线。所用的三相发电机和三相供电电网体制中的大型发电机是一致的。实践表明，这样一种三相电制式结构，是人类社会从交流电机中发展出来，经过长期实践，不管是对发电机还是对电动机来说，都是比较适合的一种成熟技术制式。

但是，三相电制从直流电的角度衡量，却并不是最理想的制式。

图1a所示为三相同步发电机的电压向量图。从图中可以发现，发电机明明发了三组交流电压，即相电压U_A、U_B、U_C，假如如通常所说的单相电压220V，也就是说发电机发了三组220V的电压，但是我们为获得大功率直流电而使用三相电的时候，通常将发电机的三根相线接到电动机或整流器的输入端，这时却只有区区的380V的电压，而不是440V或甚至660V。

当然，要得到660V，也不用变压器的话，那是很难的。但是，能不能求其次，直接得到440V呢？

在图1a中，绿箭线代表相电压，红线代表线电压。线电压是二个相电压相加的结果，如果绿线长度为220V时，红线长度就是380V。正是因为相位不同，由二个相电压加在一起所形成的线电压，这个加法就成了折线相加而不是直线相加。而我们所乐意经常使用的偏偏就是三相线电压。假如我们能按理想状况，即实现直线相加，就应该可以得到440V的电压，但现实却只能得到380V，所损失的线电压为：

440V-380V＝60V        (式1)

可见，采用三相电制电源系统线电压损失率约为：

60V/380V＝15.8％      (式2)

电压损失相当于势能损失，同样意味着功率的损失，通过整流后所得到的直流电压约损失85V。也就是说，由于三相体制中存在的线电压损失，导致了直流输出电压损失，降低了三相系统输出功率和相应增加了机组成本，这是一种普遍却至今不为人知的浪费。

图1b所示为发电机与整流器连接后产生直流的电源装置，发电机(1)为如图1a星形接法的三相同步机，D1-D6为六个整流二极管所组成三相桥式整流器(2)，C为滤波电容器，用于减少直流电中的交流脉动纹波。E为储能用蓄电池，可将发电机发出的交流并经过整流后的直流电能加以储存，为负载提供稳定的电能。图1b所示的骨干电路也是现有电源中绝大部分直流装置的传统线路结构。

图2所示是三相交流电整流后未接滤波电容器C和蓄电池的直流电压Udc波形图。当然加了C和E后，Udc的高低电压差就小得多，特别是当C和E容量足够大，交流电路内阻足够小，负载也足够轻的时候，Udc就可以接近其最高直流输出电压Udcmax：

$\mathrm{Udc}\max =\sqrt{2}\×380V$ (式3)

可以计算得，当相电压为220V时，Udcmax约为537V。

如果能够消除三相系统中的线电压损失，即理想地获得440V的线电压，那么，就可以期望得到约为622V的最高直流输出电压Udcmax。

$\mathrm{Udc}\max =\sqrt{2}\×440V$ (式4)

下面需要分析探讨的，是本发明如何减小线电压损失的系统。

如果采用比三相为高的相数，系统的相电压和直流输出电压会有什么变化。图3a为五相同步发电机的电压向量图，图3b为七相同步发电机的电压向量图。与图1a对比，仍沿用相同长度的绿箭线代表相电压，用红线代表线电压。可以发现，虽然相电压相同，但代表线电压的红线会随着系统相数的增加而增长，也就是说，如果三相电制供电的系统线电压损失60V，线电压损失率约为15.8％的话，则五相电制供电的机组线电压损失22V，线电压损失率约为5.3％。而七相电制供电的机组线电压损失仅11V，线电压损失率更降低到约为2.6％的低水平。可以明显看出，在奇数相数的多相发电机电源系统中，随着相数的增加，交流线电压损失率迅速下降，从图解中不难发现，继续增加发电机相数，例如九相、十一相，交流线电压损失率还将不断降低，直至接近于零，但降低的幅度越来越小。由于整流器直流电压输出与交流线电压成正比，线电压损失同样意味着直流输出电压的损失。所以，本发明的多相系统是避免现有三相体制的缺陷，使新的电源系统增加功率输出、降低机组成本和提高系统效率的装置，其特征为，交流发电机(1)为五相或七相交流发电机(1)为五相或七相等奇数相的同步电机结构，同时整流器(2)也是与该发电机的相数匹配的多相整流器结构所组成的节能型电源装置。

下面进一步分析偶数相的同步发电机整流器系统结构的电压情况。图4a为四相同步发电机的电压向量图，图4b为六相同步发电机的电压向量图。在图4中，依然用相同长度的绿箭线代表相电压，红线代表线电压。应该明确的是，与三相电制不同，在三相以上的多相发电机体系中，虽然相电压都只有一个数值，但线电压却有几个数值，如四相体系中，就有两种长度的线电压U_AB和U_AC，U_AB用红色虚线表示而U_AC用红色实线表示，可见U_AC大于U_AB，由于整流器输出电压总是与整流器的交流输入电压数值有关，而对交流电的相位不敏感，整流管只让最高的电压导通，所以整流后的输出直流电压数值，仅与最大线电压Umax，也就是U_AC有关。从四相发电机和四相整流器机组中可以发现，线电压U_AC可以看作两个相电压的直线相加，从而不再存在奇数相电制系统中折线相加的现象，所以就没有线电压损失。六相电制系统也与四相系统有同样的效果，正如图4b中所描绘的，其最大线电压为U_AD，也没有线电压损失。推而广之，可见所有偶数相电制的交流发电机组，在整流变换过程中都不存在线电压损失。所以，本发明的使现有电源系统增加功率输出和提高效率的装置有以下特征，其特征为，交流发电机(1)为四相或六相等偶数相的同步电机结构；同时整流器(2)也是与该发电机的相数匹配的整流器结构所组成的节能型电源系统；其最大线电压为相电压的二倍。

图5为四相同步发电机和四相整流器接线图，图中的整流器由D1至D8八个二极管组成四相桥式整流，C为滤波电容器，用于减少直流电中的交流脉动纹波。E为储能用蓄电池。

可以按图5所示的基本结构组成本发明的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构，同时整流器(2)也是与该发电机的相数匹配的多相整流器结构，整流器(2)后并联有一组由蓄电池和/或超级电容所组成的节能型直流电源装置。该装置可以用作风电路灯等应用设备的电源系统。

其它多相数的发电机和整流器的接线类同于图5，不在此一一列举。

根据理论分析，可以得出不同相数交流发电机的相关电压数值，见表1。

经过整流器所输出的最高直流电压数值Udcmax应为Umax乘以根号2的积。

表1不同相电制下的线电压比较

表1是从三相开始的多相交流同步发电机电压和直流电压大小的比较表，其中相电压都是相同的220V，而最高线电压和最高直流电压却呈现明显差异，从表中可以得出下述结论：

1、在所有自三相起的奇数相电制系统中，随着相数的增加，线电压损失逐步减小，三相电制式线电压损失60V，电压损失率最大，约为15.8％；五相电制式最大线电压损失22V，电压损失率约为5.3％；七相电制式最大线电压损失11V，电压损失率约为2.6％，随着相数的增加，线电压损失越来越小，且逐渐趋向于零。经现有传统整流器整流后直流电压损失与相电压损失比例相同。

2、在利用线电压整流的所有交流发电、直流输出的电源系统中，自四相起的偶数相电制系统的最高线电压均等于二倍相电压，无最大线电压损失和直流电压损失，系统的输出功率最大、效率最高、节能效果最好。

3、在所有自三相起的多相电制系统中，线电压损失的原因均来自于线电压是由二个相电压的折线相加造成的。由于偶数相电制系统相电压可通过直线相加，所以其最大线电压均无电压损失。在所有多相电制系统中，三相制式的线电压损失和电压损失率远大于四至七相系统，造成设备和能源的相当可观的浪费，是节电节能领域必须加以改进的，而采用大于三的多相电制是这一改进的重要方向之一。

如果三相发电机采用三角形接法，是否能防止星形接法中的线电压损失呢？的确，在三角形接法中，相电压等于线电压，不存在线电压损失的问题。但是，在三角形接法中，其输出线电流是由二个相的相电流折线相加而得到的，所以，原来星形接法中的线电压损失转化为三角形接法中的线电流损失，二者是等价的。在三相系统中，发电机不论是接成星形或者三角形，其输出的有功功率和无功功率大小不会因接法的不同而不同，这已是一项经过长期实践验证的常识。

有一个基本观念需要明确，那就是本系统和原由三相系统中的电能，都是由驱动发电机的机械能转化提供的。消除了原有三相系统中的线电压损失，使本发明系统的输出功率有最多为15.8％的提高，所增加的功率仍必须由机械能提供，并不来自于系统本身，因为能量不会贸然生出来，能量来源必须符合能量守恒定律，所增加的能量还是必须由驱动发电机的机械能提供。而本发明的优势是原来机组最多只能提供比如100％的额定功率，但经过本发明改进后的机组能提供最多达115.8％的超额功率，此时发电机组的损耗却相当于原来三相系统100％额定功率时的损耗，也就是说，如果本发明的系统也输出100％功率时，机组的损耗会小于三相系统时输出100％功率时的损耗，节省设备成本和减少相对损耗是本发明的特点。

由于通常发电机的额定功率大小，主要由电机直径、电机定子和转子间的圆柱曲面面积二个因数所决定，与电机相数关系不大，所以由原来的三相电机结构改为四相至七相的电机后功率不变，将原绕三相绕组的位置改绕更多相的绕组，要保持电压不变，线径必须减小，每相输出电流减少，但相数增多后，使总电流增加后刚好与原有总电流一样大，输出电流保持不变。改制的技术难度也不大，改制成本不高。而增加电机相数，仅仅增加连接线、接线端子数量，所增加的成本有限。对整流管的数量而言，桥式整流器中整流管个数是相数的二倍，三相需6个管，四至七相分别需8管至14管，成本会有所增加，但原有6管承担的电流之和分担在更多的二极管中，所以在四至七相系统中每个管的额定电流容量可以按比例减小，费用增加并不随个数同比例增加，惟本发明系统中二极管耐压应该比三相系统高15.8％，整流管成本可能略有增加。增加相数后，整流后的直流电压中的交流纹波频率随相数的增高而按正比例升高，这对滤波有利，所以电容器C的容量可以降低，耐压略升，总成本仍会随之下降。总的说来，增加系统电制相数后，系统的总成本提高幅度有限，成本增加远比新系统所提高的额定功率的比例低，且所增加的效率，会产生很大的节能效益，所以本发明的经济价值非常高。

本发明的发电机有许多种类可以应用，其特征为，发电机(1)为三相以上的多相节能型交流同步发电机，包括：永磁同步机、励磁同步机、永磁励磁复合型同步机、无刷交流同步发电机、带齿轮箱的高速同步发电机、低速直驱型同步机、中速半直驱同步机、或具有双定子双转子的PCT同步发电机(又称同步/异步二次发电机)。

为了提高系统的功率因数，降低系统中的电流谐波，提高系统电性能，可对系统中的整流器作改进，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构；整流器(2)是与发电机的相数匹配的可控型整流桥，可以是半控型或全控型的线路，控制形式为半控型中的相位控制或者全控型中的PWM脉冲宽度控制；也可以是全控型或半控型的器件，其中的整流管可采用半控型器件中的可控硅，也可以是全控型器件中的GTO、IGBT、VMOS管，或者晶体管、达林顿管等器件。

在本发明的电源系统中，还包括能输出交流电的电源装置，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构；整流器(2)也是与发电机的相数匹配的可控整流或不可控整流结构；同时在整流器(2)后面，还接一个变流器(3)，将直流电逆变为交流电向负载供电、或者独立成网，或者与其它发电装置构成互补供电电网，或者将电能送入大电网。

图6所示为本发明中用于交流输出的电源系统的多相同步发电、整流、变频电源框图。图中的同步发电机应该是本发明所述的节能型多相发电机，也可以是采用本发明系统中的多相无刷同步发电机或具有双定子双转子的多相PCT同步发电机(又称多相同步/异步二次发电机)等其它机种。

本发明所说的变流器(3)，是一种实现DC/AC转换的装置，通常也可称为变频器或逆变器。

本发明是在研究离网型风电设备过程中，就如何提高微风发电电压而发现的、现有三相体制电压浪费的缺陷。在小型风电技术领域，几乎百分之百采用三相同步发电机，其中，中小型风力发电机大都采用永磁同步发电机，如能采用本发明的多相电制体系，可以凭15.8％的直流电压增幅，很方便地在微风状态以比现有装置为高的电压提前向蓄电池充电，从微风中获得更多能量。由于可以通过本发明持续地达到增加直流输出电压的能力，所以，在中风速直到额定风速的整个过程中，风电机组均有提高电压出力的良好效果，只要风轮机能够满足提高了的机械能的要求，机组就能获得更多的风能量。本发明的发电电源系统，靠最大提高15.8％的直流电压增幅，意味着在发电机相较于原有100％功率输出时的发电机铜损、铁损，应该与本发明系统115.8％功率时的损耗相同。假设原有装置的电效率为80％，则采用本发明系统的相对效率也可能有约10％的提高，也就是说，可能把效率提高到88％的水平，本发明的增能节能效果是很明显的。

在大型风电技术领域，都采用并网型大规模上网发电的模式，目前在技术上比较倾向于无齿轮直驱的技术路线，也就是采用励磁型同步发电机或永磁型同步发电机，所发交流电经可控整流或不可控整流变为直流电，然后再增加一个直流/交流变流器，将直流电能逆变成与电网同频率的交流电，将从风中获得的能量送入电网。但是，现有的大型风电设备均采用三相电制，线电压损失不可避免，如采用本发明的多相制式电源系统，对发电机重新设计，就可以增加风电设备的额定功率和效率，从风中得到更多的能量。例如某制造厂生产的6MW风电机组，原发电机采用双三相绕组，如改用本发明，将原有三相发电机改为本发明的节能型六相同步机配合12个整流管组成的六相桥整流器后，可以升级为接近7MW的机组，其成本比按现有三相制式生产的7MW机，机组成本至少下降10个百分点。

大功率的同步风力发电机可以是直驱结构，也可以是半直驱结构的机组，甚至是带齿轮箱的高速同步发电机。或者是无刷同步发电机或具有双定子双转子的PCT同步发电机(又称同步/异步二次发电机)，当然他们首先必须是三相以上的多相同步机。

Claims (7)

1.节能型多相发电机整流器电源系统，由交流发电机(1)、整流器(2)等组成，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构，结合与发电机的相数匹配的整流器(2)组成的，能减小或消除三相电制系统中线电压损失的节能型电源装置。

2.权利要求1所述的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为五相或七相等奇数相的同步电机结构，同时整流器(2)也是与该发电机的相数匹配的多相整流器结构所组成的节能型电源装置。

3.权利要求1所述的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为四相或六相等偶数相的同步电机结构；同时整流器(2)也是与该发电机的相数匹配的整流器结构所组成的节能型电源系统；其最大线电压为相电压的二倍。

4.权利要求1所述的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构，同时整流器(2)也是与该发电机的相数匹配的多相整流器结构，整流器(2)后并联有一组由蓄电池和/或超级电容所组成的节能型直流电源装置。

5.权利要求1所述的电源系统，其特征为，其特征为，发电机(1)为三相以上的多相节能型交流同步发电机，包括：永磁同步机、励磁同步机、永磁励磁复合型同步机、无刷交流同步发电机、带齿轮箱的高速同步发电机、低速直驱型同步机、中速半直驱同步机、或具有双定子双转子的PCT同步发电机(又称同步/异步二次发电机)。

6.权利要求1所述的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构；整流器(2)是与发电机的相数匹配的可控型整流桥，可以是半控型或全控型的线路，控制形式为半控型中的相位控制或者全控型中的PWM脉冲宽度控制；也可以是全控型或半控型的器件，其中的整流管可采用半控型器件中的可控硅，也可以是全控型器件中的GTO、IGB T、VMOS管，或者晶体管、达林顿管等器件。

7.权利要求1所述的电源系统，其特征为交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构；整流器(2)也是与发电机的相数匹配的可控整流或不可控整流结构；同时在整流器(2)后面，还接一个变流器(3)，将直流电逆变为交流电向负载供电、或者独立成网或与其它发电装置构成互补供电电网，或者将电能送入大电网。

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