CN102931796A - Dc/ac自耦逆变发电机 - Google Patents

Abstract

太阳能DC/AC自耦逆变发电机，是直流电动机和转枢式交流发电机的巧妙集成，机组转子上有统一电枢绕组，定子上有共同磁场，换向器电刷和滑环电刷与换向器和滑环对应配置并固定在电机壳体。特殊的励磁结构全面解决了直流电枢反应和交流电枢反应共同作用下的复杂影响，而自耦结构使机组效率接近电子逆变器，本发电机的成本远低于电子逆变器，能有效降低光伏发电的建设费用，本发电机也可以用在其他直流逆变交流的大功率场所，如风力发电、超导和磁流体发电等系统中。

Description

DC/AC自耦逆变发电机

技术领域

本发明属于电技术中的电机领域，具体地说是提出一种将直流电动机与转枢式交流发电机合并以代替电子逆变器，所构成的直流/交流逆变发电机。

背景技术

太阳能PV发电是新能源发电中的重大替代能源技术，是一种能源效益和环境效益俱佳的新型能源，但太阳能PV只能产生直流电，这些电能只有逆变成交流工频标准电压后，才能大量输送到电网中，供大多数电器使用。因此，太阳能发电系统必须配置价格高昂的电子逆变器，由于电子逆变器技术复杂、价格昂贵，给光伏发电应用增添很大成本负担。此外，电子逆变器的波形差、谐波大、滤波器设计复杂，电子元器件耐受电压电流冲击能力弱，易损难修。

发明内容

本发明的目的是采用一种新结构的电机变频装置来代替电子逆变器，以有效降低整个太阳能PV发电系统的成本。而采用传统的DC/AC电机变频发电方案，即用一台直流电动机拖动一台交流发电机发电的落后方案，也因机组重量大、铜铁材料消耗多，且效率低下等多种原因而不为业界所乐意采用。

本发明是采用类似自耦变压器的原理构建的一种交流发电机，其特征为，将转枢式交流发电机与直流电动机相集成，构成的一种由统一电枢(1)和公共定子磁场(4)构造的发电机；转子上除了电枢和换向器(2)外，在电枢的若干均分绕组端，引出交流电压线接滑环(6)，通过滑环，将交流电输出发电机；定子磁场(4)由D轴磁轭(41)和Q轴磁轭(42)构成，每个磁轭上有二组磁场绕组；发电机的壳体上则有换向器电刷(3)和滑环电刷(5)，分别安装在与转子换向器和滑环对应位置，实现转子电枢与外界的电流连接；在发电机外还附有一组励磁控制器(7)用以控制磁场绕组，以克服电枢反应对发电机正常运行的影响。

众所周知，自耦变压器与普通双绕组变压器相比，通过初级和次级共有绕组，非但能节省铜铁等电工材料，同时还能减少损耗提高机组效率。本发明采用自耦变压器相同的结构思路，通过直流电动机和交流发电机共用一个电枢和磁路结构，既能节省相关的大量部件和材料，还减小了机组体积、重量和制造成本，而且附带的许多机、电、磁能量损耗也能同时减小，使机组效率远超传统的电动发电机组，而与电子逆变系统的效率相当，机组的性价比高，独特设计的定子磁场及其励磁控制器则能有效克服复杂的交直流电枢反应，保证发电机的正常工作。

附图说明

图1、本发明的DC/AC自耦逆变发电机简要结构示意图。

图2、现有的直流电动机简要结构示意图。

图3、现有的转枢式交流同步发电机简要结构示意图。

图4、DC/AC自耦逆变发电机磁场结构示意图。

图5、DC/AC自耦逆变发电机组外接线图。

图6、DC/AC自耦逆变发电机组的励磁补偿控制原理图。

具体实施方式

本发明是将一台直流电动机和一台转枢式交流发电机组合在同一个电机壳体内，共用转子电枢绕组和定子磁场。由于在这两种看来完全不同的电机机种中，电枢及其磁路却非常地相似，而且这些近似的结构，占有电机最大的成本。所以，如能将两者合二而一，就能产生突出的技术优势和经济效果。

图1为本发明的DC/AC自耦逆变发电机简要结构示意图。可以将本发明的逆变发电机看作一台增加了滑环和电刷的直流电动机，也可以看作一台增加了换向器和电刷的转枢式交流同步发电机。本发明的发电机包括了二种现有机型所有部件：转子统一电枢(1)、换向器(2)、换向器电刷(3)，滑环电刷(5)、滑环(6)。发电机定子上有共用的定子磁场(4)，图1为二极电机，所以定子磁场(4)分别有二个D轴磁轭(41)和二个Q轴磁轭(42)，每个磁轭上有二组励磁绕组，他们是(411、412、421和422)，同种磁轭上的同种绕组可以采用串联或并联连接。

当然，作为电机，除定子、转子上述主体结构外，还应包括转轴、壳体、端盖、轴承、风扇、电刷架、接线盒等附件，在本发明中不作详细阐述。

本发明的发电机无需外驱动力机械，所以转轴无须外伸，可隐藏在电机中。

对于直流电动机而言，只要在D轴磁轭的411绕组通电建立一定强度的主磁场，然后再通过换向器向电枢输入直流电，电动机就能转动输出动力。在直流电动机转动过程中，电机电枢绕组切割磁力线产生交流电，所以经由滑环和滑环电刷所输出的即为正弦波的交流电压。如果将统一电枢均分成三组，在绕组的三端引线接三个滑环，那么机组输出的就是三相正弦电压，如图1所示。

如果将统一电枢均分成M组，M为3以上的整数，在绕组的M端引线接M个滑环，那么机组输出的就是M相电压。当然也可以增加滑环对数，从机组中引出二组多相交流电压甚至多组多相交流电压，例如可以很容易得到一组三相电压和一组12相电压。

按图1中结构，调节D轴磁轭的411绕组中的励磁电流，使机组达到每分钟3000(3600)转的转速，可以产生50(60)Hz频率的交流电。

在Q轴磁轭的421绕组中加入与机组直流输入电流成比例的励磁电流，可以消除直流电动机的电枢反应，保持直流电机的正常换向。

调节机组的输入电压，就可以调节交流电的输出电压，例如需要输出三相380V交流电，则直流输入电压大约为622V。

改变直流电压极性，交流输出的相序也同时逆转。

根据需要，发电机可以设计成四极机或其他偶数极机，同时转速成倍数降低，低转速有利于电机换向，也能降低换向器的磨损和保养工作量，但多极机设计制造较复杂，且发电机成本会相应提高。

当机组输出交流电流时，也同样会产生电枢反应，但是不同交流电流所产生的电枢反应的效应是不同的，这不但会影响交流电压，对直流电动机的工作影响更大，为此，必须根据交流电流的性质作励磁补偿，其补偿原则是，首先将交流电流分成有功分量和无功分量二个部分。

将交流电有功分量电流折算成相应的励磁电流输入Q轴磁轭(42)上的422绕组，励磁电流方向与421励磁电流的方向相反。

将交流电无功分量电流折算成相应的励磁电流输入D轴磁轭(41)上的412绕组，其电流方向为：如果交流电流是感性，则励磁电流方向与411绕组中的励磁电流方向相同；如果交流电流是容性，则励磁电流方向与411绕组中的励磁电流方向相反。

为了更好地分析本发明的自耦逆变发电机结构，可将现有直流电动机和现有交流转枢式发电机与图1发电机的结构作比较，来加以分析与本发明发电机结构的异同。

图2为现有的直流电动机简要结构示意图。图中直流电动机的主磁极和绕组，与本发明的(41)相当，与磁场绕组(411)相同，换向极和绕组，与本发明的(42)相当，与磁场换向绕组(421)相同，但直流电动机的换向绕组用大截面导线绕制，直接串联在电枢主回路中，而本发明的(421)绕组也可以用大截面导线如法炮制，直接串联在主回路中，但更适合用小截面导线绕制，改由励磁控制器间接小电流的励磁驱动模式。现有的直流电动机转子上也有电枢绕组(1)和换向器(2)，换向器电刷(3)则固定在惦记壳体上与换向器对应位置，这些均与本发明机组中的部件相同。直流电流经过换向器电刷(3)、换向器(2)和电枢绕组(1)完成回路，驱动电机转动，也与本发明机组中的电动机相同。

图3为现有的转枢式交流同步发电机简要结构示意图。现有交流同步发电机的磁极与本发明的(41)相当，均为主磁极，其磁场绕组与本发明的磁场绕组(411)也相一致，电枢绕组(1)为三角形接法，在均匀分布的三个绕组端连接到三个滑环(6)，安装在机壳上的三个滑环电刷(5)分别与三个滑环接触，将发电机所产生的交流电流引出，均与本发明的发电机结构部分相同。本发明的发电机部分与现有的转枢式交流同步发电机的区别仅在于，现有机只用一个励磁绕组来克服电枢反应，但是按此方法克服交流机电枢反应的同时会影响直流机的工作，因此本发明必须将交流机电枢反应分别按直轴和交轴二个方向进行补偿，这在结构上有着本质区别。

那么，将图2结构和图3结构集成，保留差异，就成为图1的结构，形成了本发明的DC/AC自耦逆变发电机。

图4为DC/AC自耦逆变发电机磁场结构示意图。在图中可以发现二组磁场都在定子上，D轴磁轭(41)上有二组励磁绕组411和412(图中仅画成一组)；Q轴磁轭(42)上也有二组磁场绕组421和422(图中仅画成一组，且421绕组只按直接串联的大截面结构表示，以表徵绕线方向，小截面421绕组可从图5和图6反映，图4从略)。

图5为DC/AC自耦逆变发电机的外接线图。机组输入用直流电的正负端标注，由太阳能PV组件处引入的直流电能进入逆变发电机组；输出端为交流电的ABC三根相线，由于必须采用三角形接法，所以本机组不能提供零线。4个励磁绕组共有8根线，接线时必须注意电流的正负方向，才能使主磁场获得正确的补偿而不致因电流的电枢反应影响破坏机组的正常运行。

图6为DC/AC自耦逆变发电机组的励磁补偿控制原理图。图6中，强电部分相对较简单，其实质就是利用直流电动机中的换向器对流经电枢绕组的直流电进行换流，在电枢绕组中产生三相交流电压，将该电压通过与绕组相对位置固定的滑环电刷，就能输出正弦波交流电流，从而实现从直流到交流的逆变。

系统控制的基本思路是：首先调节光伏电池PV的输出电压，使机组交流输出电压稳定在额定值，然后控制411绕组中的励磁电流，调节机组转速N，使输出交流电频率稳定在工频额定值，由于交流输出尚未合闸，直流输入电流很小，电枢反应也很小，主磁通稳定；当电压和频率符合并网条件，达到同步要求时，机组合闸，原来的无载平衡被打破，直流电流随着交流电流的增加而同步增加，两种电枢反应同时产生；首先，直流电流信号通过421励磁绕组在Q轴磁轭(42)上产生磁流，抵消直流电流的电枢反应，主磁通不变，不影响直流电动机的换向区；其次，针对克服电枢反应的措施，交流电流的大小和相位，会在励磁控制器(7)中标注有“Φ”的部件中产生调节信号，能对机组输出的交流电流的相位和大小作测定，并根据测定结果输出相关的励磁电流，将与有功电流相关的励磁电流输入422励磁绕组，电流方向与421励磁电流的方向相反；将与无功电流相关的励磁电流输入412励磁绕组，且励磁电流的方向应符合以下要求：当机组输出感性无功电流时，励磁电流的方向应与411励磁绕组的电流方向相同，当机组输出容性无功电流时，励磁电流的方向应与411励磁绕组的电流方向相反。

励磁控制器(7)的供电可以由PV提供，如图7所示，但也可由交流端经整流后提供，或者二者双路供电。

采用图6的励磁控制器，不但能像原有直流电机一样，完全消除直流电流产生的电枢反应。同时交流电流产生的电枢反应，也比现有交流电机补偿的彻底，因为现有发电机交流电流的电枢反应补偿机制仅能补偿D轴磁通，仅仅保持电压值的稳定，不能补偿Q轴磁通，所以很可能使主磁通位置改变而使直流电动机换向区偏移，影响直流电动机运行，采用本发明的系统拓朴对交流电枢反应进行全方位补偿，交流电流的电枢反应影响将得到全面补偿，影响直流电机无法正常工作的原始因素被消除。

机组输出可以直接并网，也可借助升压变压器并网，或者独立组网，在独立组网应用中，可以借助变压器次级的星形接法获得零线。

本发明的DC/AC逆变发电机可以在所有从直流逆变为交流的系统中得到应用，例如，作为新能源发电机组的一部分，用以替代太阳能电子逆变器、同步风力发电机电子变流器、电池储能系统的逆变器、超导储能系统的逆变器或磁流体发电系统的变频器。此外其他一切需要将直流电逆变为交流电的场合都在本发明的应用范围内。

采用本发明的机组，可大大降低太阳能光伏发电逆变器的成本，且电机系统耐受电压电流冲击的能力远强于电子系统，损坏后的检查修理较容易，修理成本低而性价比高。通常的电机系统效率略低于电子系统，但本发电机采用自耦原理且不存在机电能量转换损失，还具有波形好、谐波少等优点，所以总的效率与电子逆变器相当。虽然由于运动部件的存在会增加机组维护保养的工作量，但维护保养属于低难度简易劳动，简单易行，不能与电子系统的高技术难度维保相提并论。

Claims (8)

1.一种DC/AC自耦逆变发电机，其特征为，将转枢式交流发电机与直流电动机相集成，构成的由统一电枢(1)和公共定子磁场(4)构成的发电机；转子上除了电枢和换向器(2)外，在电枢的若干均分绕组端，引出交流电压线接滑环(6)，通过滑环，将交流电输出发电机；定子磁场(4)由D轴磁轭(41)和Q轴磁轭(42)构成，每个磁轭上有二组磁场绕组；发电机的壳体上则有换向器电刷(3)和滑环电刷(5)，分别安装在与转子换向器和滑环对应位置，实现转子电枢与外界的电流连接；在发电机外还有一组励磁控制器(7)用以控制磁场绕组，以克服电枢反应对发电机正常运行的影响。

2.权利要求1所述的DC/AC自耦逆变发电机，其特征为，统一电枢(1)均分成M组，M为3或3以上的整数，在绕组的M端引线接M个滑环，那么机组输出的就是M相电压。

3.权利要求1和权利要求2所述的DC/AC自耦逆变发电机，其特征为，发电机有多组滑环和电刷，以从发电机组中引出二组多相交流电压或多组多相交流电压。

4.权利要求1所述DC/AC自耦逆变发电机，其特征为，定子磁场分为D轴磁场和Q轴磁场二个部分，每个磁场上有二套绕组，分别针对直流电流引起的电枢反应和交流电流引起的电枢反应进行补偿调节，以克服电枢反应对发电机正常工作的影响。

5.权利要求1所述光伏DC/AC自耦逆变发电机，其特征为，发电机为四极机或其他偶数极机。

6.权利要求1和权利要求4所述的DC/AC自耦逆变发电机，其特征为，励磁控制器(7)中还有一个标注有“Φ”的部件，能对机组输出的交流电流的相位和数量作测定，并根据测定结果输出相关的励磁电流，将与有功电流相关的励磁电流输入422励磁绕组，励磁电流方向与421励磁电流的方向相反；将与无功电流相关的励磁电流输入412励磁绕组，且励磁电流的方向应符合以下要求：当机组输出感性无功电流时，励磁电流的方向应与411励磁绕组的电流方向相同，当机组输出容性无功电流时，励磁电流的方向应与411励磁绕组的电流方向相反。

7.权利要求1所述DC/AC自耦逆变发电机，其特征为，励磁控制器(7)的供电可以由PV提供，也可由交流端经整流后提供，或者二者双路供电。

8.权利要求1和权利要求7所述的DC/AC自耦逆变发电机，其特征为，发电机作为系统的一部分，用于太阳能电子逆变器、同步风力发电机电子变流器、电池储能系统的逆变器、超导储能系统的逆变器或磁流体发电系统的变频器。

Images