CN102996350A

CN102996350A - 微功耗同步风力发电机

Info

Publication number: CN102996350A
Application number: CN2012103985059A
Authority: CN
Inventors: 郁百超
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-09
Filing date: 2012-10-09
Publication date: 2013-03-27

Abstract

微功耗同步风力发电机由叶片、叶片转轴和同步电机组成，同步电机的转子采用调频调幅方波励磁，输出电压与电网同频、同相、同幅，可以直接并入电网。该同步风力发电机中的叶片转轴直接驱动同步电机，免除了双馈感应发电机中的增速齿轮箱；微功耗同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

微功耗同步风力发电机

技术领域

本发明涉及一种微功耗同步风力发电机。

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，采用普通同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中的电路略去了同步发电机转子的励磁电路。

发明内容

微功耗同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，对同步电机的转子励磁；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是微功耗同步风力发电机(略去了同步发电机转子的励磁电路)，同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，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；微功耗同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是微功耗同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是传统全换相风力发电机原理图；

图2是微功耗同步风力发电机原理图；

图3是极性反转电源；

图4是极性反转电源输出电压的仿真波形；

具体实施方式

1、输出电压与电网同频

同步发电机输出电压的频率由下式决定：

f＝n×p/60(Hz)； (1)

f：输出电压频率；

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)

即当同步发电机的极对数为2时，风叶转轴转速应为1500转。

设电机转子极对数为20，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为：

N＝50×60/20＝150(转)； (3)

即当同步发电机转子的极对数为20时，风叶转轴转速应为150-300转。

设电机转子的极对数为200，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为：

N＝50×60/200＝15(转)； (4)

即当同步发电机转子的极对数为200时，风叶转轴转速应为15转，正好落入风叶典型转速之内。比较式(2)、(3)、(4)可知，要获得相同的输出频率，增加同步发电机的极对数，可减少风叶转轴的转速，即风叶转轴的转速n和电机的极对数p成反比。风叶转轴的转速一般为12-22之间，在免除增速齿轮箱的前提下，为了获得50Hz的输出频率，必须增加发电机转子上的极对数，但工艺上不可能无限增加发电机的极对数，在一个发电机的转子制作200个极对，显然不切实际。

电机转子上的极对数，直接对应着定子感应电动势的频率，即转子每多一对极对数，定子上的感应电动势每分钟就会多一个正弦波周期；同步电机转子上的励磁电流是直流，当励磁直流电流的极性改变一次时，气隙磁场也跟着改变了一次极性，于是定子上的感觉生电动势变会多出一个正弦波周期，其效果相当于转子上多了一个极对数，即励磁直流电流改变极性所产生的效果，想当于在转子上多一个极对数。

根据以上分析可知，如果引入方波对同步发电机转子励磁后，发电机旋转磁场的同步转速不再等于同步发电机转子转速，以极短的时间进行观察，转子仍以直流电流励磁，保持着同步发电机的一切特点。在叶片转轴或发电机转子旋转一周内，只要使转子励磁方波电流极性改变的次数Nt，等于发电机转子应该具备的极对数Np，就可以保持输出电压的频率为50Hz，此乃同步发电机转子采用调频方波励磁，可免除增速齿轮箱的真谛。

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＝4.44fNyΦ1 (5)

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，

Φ1为气隙磁通，

由(5)式可知，感应电动势Ny与气隙磁通Φ1成正比，而Φ1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的幅值，就可以控制感应电动势Ey的幅值，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、转子调频调幅对称方波励磁电流的产生

图3是极性反转电源，功能是把电压的极性取反，从一个正电压Vi获得一个等幅的负电压Vb。MOS管Q1、Q12的共同源极分别接电阻R2和C1、D4的串联支路，D4的阴极接地，输入电压Vi是正电压，其幅值与与励磁所需要的幅值相等，驱动信号V1、V2的频率，和转子励磁方波所需要的方波频率相等。前10ms期间，Q1导通，Vi在电阻R2上形成10ms正方波电压Va，同时通过D4向电容C1充电，极性上正下负；第二个10ms到来的时候，Q1截止，Q2导通，把C1的正电压端接地，二极管D3输出负电压，于是在电阻R1上得到10ms的负方波电压Vb，图4的仿真波形是正负脉冲电压Va、Vb，正负两电压的中心点接地。采用闭环控制方法，只要使输入电压Vi的幅值等于转子励磁所需要的幅值即可，而驱动信号V1、V2的频率，采用闭环控制方法，使得驱动信号V1、V2的频率与转子励磁方波所需要的频率相等即可，此乃现有技术，此处不再重复。

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，微功耗同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，所以微功耗同步风力发电机可以从最小风力到最大风力，全风速发电。

5、同步电动机的调速

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

微功耗同步风力发电机正是采用同步电机发电，免除了增速齿轮箱，免除了全功率变换器，显示了同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)免除全换相风力发电机的机械传动齿轮箱，减少机械能损耗，同时提高发电系统可靠性；

2)免除全换相风力发电机的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)由于微功耗同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

1.一种微功耗同步风力发电机，其特征是：整机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成，叶片转轴与同步电机转轴刚性联接，励磁方波发生器产生调频调幅对称方波电流，对同步电机的转子励磁；叶片受风转动，叶片转轴与叶片联动，驱动同步电机发电。