CN102931677A

CN102931677A - 微功耗异步风力发电机

Info

Publication number: CN102931677A
Application number: CN2012103769632A
Authority: CN
Inventors: 郁百超
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-08
Filing date: 2012-10-08
Publication date: 2013-02-13

Abstract

微功耗异步风力发电机由叶片、叶片转轴和异步电机组成，异步电机的转子采用调频调幅正弦波励磁，输出电压与电网同频、同相、同幅，直接并入电网。该异步风力发电机组中的叶片转轴直接驱动异步电机，免除了双馈感应发电机中的增速齿轮箱；微功耗异步风力发电机组安装好就能发电，颠覆了切入风速和切出风速概念；风再小，只要叶片在动，就能发电，风再大，只要风机括不倒，就能发电，整机机械能损耗和电能损耗都接近零。

Description

微功耗异步风力发电机

技术领域

本发明涉及一种微功耗异步风力发电机。

背景技术

全换相风力发电机系统，其变换器将频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能，采用普通异步发电机通过变换器并网，但由于发电机转速较高，叶片转轴与发电机之间需要通过齿轮相啮合，如图1所示。

图1中的电路略去了异步发电机转子的励磁电路。

发明内容

微功耗异步风力发电机整机由叶片、叶片转轴、异步电机、励磁正弦发生器组成，叶片转轴与异步电机转轴刚性联接，励磁正弦波发生器产生调频调幅正弦波电流，对异步电机的转子励磁；叶片受风转动，叶片转轴与叶片联动，驱动同步电机发电。

图2是微功耗异步风力发电机(略去了异步发电机转子的励磁电路)，异步电机的定子采用调频调幅正弦波励磁，输出电压与电网同频、同相、同幅，可直接并入电网。该异步风力发电机组中的叶片转轴直接驱动异步电机，免除了增速齿轮箱；微功耗异步风力发电机组安装好就能发电，颠覆了切入风速和切出风速概念；风再小，只要叶片在动，就能发电，风再大，只要风机括不倒，就能发电，整机机械能损耗和电能损耗都接近零。

图2是微功耗异步风力发电机原理框图，叶片转轴直接驱动异步发电机，无齿轮箱的机械传动损耗；转子励磁电流采用微功耗功率变换获得，其功率损耗接近零。

附图说明

图1是传统风力发电机原理图；

图2是微功耗异步风力发电机原理图；

具体实施方式

1、输出电压与电网同频

异步发电机输出电压的频率由下式决定：

f＝n×p/60+f1(Hz)； (1)

f：输出电压频率；

f1：转子励磁电流频率；

n：发电机转轴转速；

p：发电机转子极对数。

设电机转子极对数为2，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为：

N＝50×60/2＝1500(转)； (2)

即当异步发电机的极对数为2时，风叶转轴转速应为1500转。异步发电机的极对数是固定不变的，风力发电机的风叶在自然风的驱动下，其转速一般为12-22转，为了满足异步发电机转速的要求，双馈感应发电机必须要有增速齿轮箱，把12-22转增加到1500转。

从(2)式可以看到，发电机的转达速n和发电机的极对数p是不可改变的，为了稳定输出电压频率f，只有改变励磁电流的频率f1。当去掉增速齿轮箱以后，为了保证输出电压频率为50Hz，根据式(1)可以计算出励磁电流的频率：

f1a＝f-n×p/60＝50-12×2/60＝50-0.40＝49.60(Hz)

f1b＝f-n×p/60＝50-22×2/60＝50-0.73＝49.27(Hz)

当风叶转轴在12-22之间变化时，励磁电流的频率应在49.60-49.27之间变化，这就保证了输出电压的恒频。

2、输出电压与电网同幅

由于感应电动势的幅值由下式决定：

Ey＝4.44fNyФ1 (3)

其中Ey为感应电动势，

f为励磁电流频率，

Ny为励磁线圈匝数，

Ф1为气隙磁通，

由(3)式可知，感应电动势Ny与气隙磁通Ф1成正比，而Ф1与磁场强度B1成正比，而B1与励磁电流I1成正比，只要控制励磁电流I1就可以控制感应电动势Ey，这就保证了输出电压的恒压。

由于异步发电机转子的励磁电流直接取自电网，这也就保证其输出电压与电网完全同相。

3、转子调频正弦波励磁电流的产生

转子励磁电流应该随风力大小，其频率和幅值可调，以保证恒频、恒压、同相三要素，可采用“无高频变换通用变频器”(专利号：201020145045.5)所描述的方法，产生频率和幅值可可调的电流，对异步发电机的定子励磁。

4、全风速发电

按照蒲福风级表，从最低零级到最高17级，风速从0，2m/s到61.2m/s，微功耗异步风力发电机都能发电。由于免除了增速齿轮箱，风叶转轴直接驱动异步发电机的转子，只要风叶在动，发电机的转子就动，发电机转子一动，定子就有电流输出。另外，当叶片转速为12转/s，根据公式(1)可计算出齿轮箱的变比为250，当叶片转速为1转/s，根据公式(1)可计算出齿轮箱的变比为3000，此式说明只要存在增速齿轮箱，就不可能低转速(12转以下)发电。

当风力大到足以使叶片转速达到22转/m以上时，增速齿轮箱必须停机保护，风力太大，无法承受如此大的机械应力。当免除了增速齿轮箱后，叶片转轴直接驱动异步发电机，而异步发电机的正常转速为3000转/m，风再大，叶片转轴的转速也不可能达到3000转/m，所以微功耗异步风力发电机可以从最小风力到最大风力，全风速发电。

5、异步电动机的调速

电动机和发电机之间存在可逆关系，当采用调频正弦波对异步发电机的转子励磁，可免除发电机的增速齿轮箱，则当采用调频正弦波对异步电动机的转子励磁，同样可以并免除电动机的减速齿轮箱，达到电动机调速的目的。

6、特点

微功耗异步风力发电机正是采用异步发电机发电，免除了增速齿轮箱，免除了全功率变换器，显示了异步发电机作为发电机的优势，大大降低风力发电机的机械能损耗和电能损耗，具有以下优点：

1)免除机械传动齿轮箱，减少机械能损耗，同时提高发电系统可靠性；

2)免除双馈感应发电机中转子励磁双向逆变器，或全功率变换器，减少功率变换过程中的电能损耗；

3)由于采用微功耗功率变换技术获得转子的励磁电流，进一步减小电能损耗；

4)全风速发电，1级软风启动，17级飓风发电，只要叶片动就能发电，只要风机不倒就能发电，向自然界索取更多能量；

5)由于微功耗异步风力发电机整机效率高，对电网索取的功率极少，对电网依赖的程度极小，因而低电压穿越功能极佳。

Claims

1.一种微功耗异步风力发电机，其特征是：整机由叶片、叶片转轴、异步电机、励磁正弦发生器组成，叶片转轴与异步电机转轴刚性联接，励磁正弦波发生器产生调频调幅正弦波电流，对异步电机的转子励磁；叶片受风转动，叶片转轴与叶片联动，驱动同步电机发电。