CN1045143C - 三相交流和多相整流同时供电的同步发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种三相交流和多相整流同时供电的同步发电机，该同步发电机定子上嵌放两套绕组，一套为星形连接(或三角形连接)的对称三相绕组，直接给交流负载供电；另一套为4个星形(4个星形依次位移15°电角度)连接的不对称十二相绕组(见附图)，经整流后给直流负载供电，两套绕组轴线相位移为α电角度，0≤α≤15°，或者另一套为m/3个(m＝6，9，12，15，18，…)星形(其中相邻两个星形之间位移电角度为180°/m)连接的不对称m相(六相、九相、十五相等多相)绕组，经整流后给直流负载供电，两套绕组轴线相位移为α(0≤α≤180°/m)电角度。
Description
本发明涉及一种给三相交流负载和m相(六相、九相、十二相、十五相等多相)整流负载同时供电的同步发电机。该同步发电机具有两套定子绕组，其中一套三相绕组给交流负载供电，另一套m相绕组经整流后给直流负载供电。
在舰船、飞机、移动通讯站等独立系统中，经常同时需要交流电源和直流电源。传统的方法是采用交流发电机和直流发电机分别供电。这在体积和重量都有严格限制的舰船、飞机和移动通讯站中，是十分困难的。随着大功率电子元器件的发展，在许多民用领域，直流负载常直接用三相交流电网经整流装置得到的直流电源供电。在这种供电系统中存在如下两个主要问题：(1)由于整流电流的换相过程，导致交流电网电压波形严重畸变，一方面引起电网谐波损耗加大，发电机效率降低，许多电气设备运行恶化；另一方面产生严重的电磁干扰(特别是传导干扰)，使电网上许多弱电设备(如计算机等)不能正常工作；(2)一般三相整流输出电压脉动系数较大(5.73％左右)，由此造成输出电流脉动(特别是带蓄电池、直流电动机等反电势负载时)过大，并产生严重的电磁传导干扰和辐射干扰，使周围的计算机、通讯设备难于正常工作。为了克服上述两个问题，可以在交流电网上加一系列不同频率的滤波器，在直流侧加平波电抗器，或者在整流装置前接入用以增加相数的变压器。但是这些方法仅适用于整流功率较小和体积重量限制不严的场合，对于大功率整流输出，在重量和空间有限的场合，因滤波器、平波电抗器和变压器的体积重量都很可观而不能采用。所以，直接在交流电网上经整流装置给直流负载供电的方式，在对交直流电压波形和电磁兼容性要求较高，又有体积重量限制的舰船、飞机等系统中是不宜采用的。
为了减弱整流负载对交流电网的影响和降低供电系统设备的重量体积，美国密苏里州哥伦比亚大学的Paul W.Franklin研究了一种双星形连接的两套定子绕组的电机(见P.W.Franklin,“ATheoretical Study of the Three Phase Salient Pole Type Generator withSimultaneous AC and Bridge Rectified DC Output,PartⅠandⅡ”，美国IEEE PES1972年夏季会议论文集。PP.543-557)。该发电机有两套星形连接、互移相位30°电角度的三相绕组，一套给交流电网供电，一套经三相整流桥给直流负载供电。该发电机的缺点在于，三相整流输出电压电流脉动过大；对另一套绕组的三相交流输出电压波形仍然有较大影响，所以交流电网和直流电网的相互影响及其产生的电磁兼容问题仍然没能得到满意的解决。
本发明的目的，是提供一种具有一套三相绕组和一套m相(m=6,9,12,15,18……)绕组的同步发电机定子绕组的设计方式。这种发电机的两套绕组，一套三相绕组给交流电网供电，另一套m相(m=6,9,12,15,18……)绕组整流后给直流电网供电，两套绕组相互绝缘，没有电路联接，以达到：(1)减小整流输出电压、电流的脉动；(2)减小整流电流换相引起的交流电网电压波形畸变；(3)大大地减小电磁传导干扰和辐射干扰；(4)用一台发电机组代替传统的交直流两台发电机组，从而使供电系统的体积重量大大减小，又能使交直流电网都能较好地满足供电品质和电磁兼容性的要求，以适应舰船、飞机、移动通讯站等独立系统供电的需要。
本申请所述的同步发电机主要特点是：a、定子同一组槽内，嵌放一套对称三相绕组和一套m/3(m=6,9,12,15,18……)个对称三相绕组构成的不对称m相绕组，m/3个三相绕组依次位移π/m电角度；b、三相绕组的轴线与m相绕组轴线相位移为α电角度，其中0≤α≤π/m。所述的定子绕组结构，三相绕组可采用星形连接，亦可采用三角形连接；m相绕组采用m/3个星形连接，其中相邻两个星形绕组相位移为π/m电角度。
本发明的附图叙述如下：
附图1由图1-a和图1-b组成，分别对应m=12和m=6的情况。其中图1-a中1为转子绕组，2为定子三相绕组，3为定子十二相绕组。图1-b中1为转子绕组，2为定子三相绕组，
3为定子六相绕组。附图2为定子三相绕组展开图。附图3为定子十二相绕组展开图，两套绕组宜采用相同节距的双层短距绕组。
本发明的目的是以如下方式来实现的：本发明的同步发电机的定子槽内安放互相绝缘的两套绕组，定子绕组接线图如附图1-a或附图1-b所示。其中对称的三相绕组可作星形(Y)连接，亦可作三形(Δ)连接；不对称的十二相绕组由4个星形联接的对称三相绕组构成，其中相邻的两个对称三相绕组相位移电角度为15°，对称三相绕组轴线与不对称十二相绕组轴线之间相位移为α电角度(0≤α≤15°)；不对称六相(九相、十五相等多相)绕组由2个(3个、5个等)星形联接的对称三相绕组构成，其中相邻的两个三相绕组相位移电角度为30°(20°、12°等)，对称的三相绕组轴线与不对称的六相(九相、十五相等多相)绕组轴线之间相位移为α电角度(0≤α≤π/m)。两套绕组均可采用双层或者单层绕组，每套绕组都均匀地嵌入在定子槽内，三相绕组可放在槽的下层(十二相或六相、九相、十五相等多相绕组放在槽的上层)；三相绕组亦可放在槽的上层(十二相或六相、九相、十五相等多相绕组放在槽的下层)。绕组在每槽中形成四层(两套绕组都为双层绕组)、三层(一套绕组为双层绕组，另一套为单层绕组)或两层(两套绕组都为单层绕组)。对于只带整流负载(没有交流负载)的多相(三相、六相、九相、十二相、十五相等)同步发电机，其定子绕组通常采用集中整距绕组，使其产生的电势波形接近方波，(参见《现代同步发电机整流器励磁系统》第六章pp128，李基成，水利电力出版社，1987年12月)。本发明的同步发电机中由于三相绕组要给交流负载供电，需要较好的正弦波电压波形，所以，以双层短距分布绕组为最佳。附图2所示为该发电机定子三相绕组展开图，附图3为该同步发电机定子十二相绕组展开图，附图2和附图3中定子槽编号一致。本发明的同步发电机中，转子励磁绕组和主磁极铁芯结构与一般同步发电机相同，即定子两套绕组共用一个转子励磁磁场，通常利用自动励磁调节器来保证同步发电机三相交流输出电压具有所要求的调压率(例如±1％)。而十二相(六相、九相、十五相等多相)整流输出的直流电压是浮动的。如果对直流侧的调压率要求不高，则十二相(六相、九相、十五相等多相)绕组的结构(双层或单层、短距或整距)可灵活选择；如果对直流侧的调压率有较高的要求，则十二相(六相、九相、十五相等多相)绕组必须采用和三相绕组一样的双层短距绕组，使二者的绕组系数尽可能接近，而不宜采用通常方波发电机的绕组结构。
以下结合附图对本发明作进一步的叙述。附图1-a和附图2、附图3是本发明的一个实施例。附图1-a是定转子绕组连接图，其中定子对称三相绕组采用星形连接，给交流电网供电；定子不对称十二相绕组采用4个星形连接的对称三相绕组，经十二相整流装置给直流电网供电。附图2是本实施例中定子三相绕组展开图，附图3是本实施例中定子十二相绕组展开图。本实施例中，同步发电机磁极数2P=4，定子槽数Za=48，三相绕组采用60°相带双层短距分布绕组，每极每相槽数q3=4，绕组节距y=(5/6)τ(τ为极距)=10(槽)；十二相绕组也采用双层短距绕组，每极每相槽数q12=1，绕组节距y=(5/6)τ=10(槽)。两套绕组互相绝缘，三相绕组和十二相绕组嵌在同一定子槽内，一套放在槽的下层，另一套放在槽的上层。两套绕组轴线相位移α=0°。
Claims (3)
1、一种三相交流和多相整流同时供电的同步发电机，其特征在于：
a、定子同一组槽内，嵌有一套对称三相绕组和一套由m/3个(m=6,9,12,15,18…)对称的三相绕组构成的不对称m相(m=6,9,12,15…)绕组，m/3个三相绕组依次位移180°/m电角度；
b、三相绕组的轴线与m相(m=6,9,12,15…)绕组的轴线相位移为α电角度，0≤α180°/m。
2、根据权利要求1所述的三相交流和多相整流同时供电的同步发电机，其特征在于：所述的定子绕组结构中，三相绕组可采用星形连接，亦可采用三角形连接，m相绕组采用m/3(m/3=2,3,4,5…)个星形连接，其中相邻两个星形绕组相位移电角度为180°/m,180°/m=30°、20°、15°、12°...。
3、根据权利要求1、2所述的三相交流和多相整流同时供电的同步发电机，其特征在于：所述的定子三相和m相(m=6,9,12,15…)绕组的结构为双层或单层、短距或整距。
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