CN104836403A - 一种无轴双馈励磁机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无轴双馈励磁机，励磁机转子、励磁机定子、发电机转子和发电机定子采用传统结构，励磁机转子通过励磁机转子固定桩固定；励磁机定子与发电机转子连接在一起设置在励磁机转子外部和发电机定子内部，构成励磁机定子与发电机转子同步旋转，励磁机转子连接控制器，控制器连接变压模块，变压模块连接电网，发电机定子连接电网；控制器根据电网负荷变化情况调节励磁机转子。本发明具有同步电机和异步电机的共同优点，能调节频率、相位、励磁电流，能避免误差造成的稳定性差问题。能测量发电机转子的温度参数自动调节冷却系统或调节负荷的功能。并网速度快，体积小，与主轴发电机能绝对同步，励磁机极数任意设置，效率高。

Description

一种无轴双馈励磁机及其工作方法

技术领域

本发明属于励磁机领域，尤其是发电设备上的无轴双馈励磁机。

背景技术

同步发电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，其性能决定了发电机乃至电力系统的运行特性，保证发电机以及电力系统的稳定与安全。

励磁系统的作用有如下几个方面：

1.根据发电机负荷的变化相应的调节励磁电流，以维持发电机端电压的稳定；在电力系统正常运行情况之下，励磁系统必须维持发电机端电压在给定范围之内。当系统负荷发生变化的时候，发电机的端电压必然会受到影响，励磁系统此时产生作用，自动的增减发电机的励磁电流，使发电机的电压维持在正常范围之内。

2.控制并列运行各发电机间无功功率的合理分配

现代电力系统大多是多台发电机的并列运行，系统中发电机的有功功率是由输入功率决定的，分配无功的时候，通常都是由容量大的发电机多发出无功功率，而小容量的发电机则相应的少输出无功功率。又由于发电机输出的无功功率是和励磁电流大小有关，并列运行的发电机的无功功率大小由发电机的调差系数决定的，励磁调节器可以对调差系数进行调节，因此，励磁系统还担负着无功功率调节的重任。

3.提高电力系统的稳定性和发电机并列运行的稳定性；

电力系统在运行过程中，必然遭受到各种干扰，在扰动过后，如果系统能够恢复到原来的工作状态，或者过渡到另一种稳定状态，这个系统就是稳定的。电力系统的稳定分为静态稳定和暂态稳定两种稳定状态，良好的励磁系统能够明显提高电力系统的静态稳定，增加电力发电机功角特性上的稳定运行区域。当系统遭受到例如短路等大扰动之后，由于端电压的下降，将导致电磁功率的下降，发电机转子将产生很大的摇摆。如果此时没有励磁系统将端电压提高的话，发电机将加速失调。如果此时发电机拥有者良好的励磁调节器，强行将电压提高，相应的增加了电磁功率，将最终和机械功率平衡作用，达到新的稳定点。但是，提高电力系统的暂态稳定性，需要加快故障的快速切除和有着高励磁电压响应比的励磁系统。

4.改善电力系统的运行条件

当电力系统短路时，会导致系统电压的降低，系统中大型电动机会处于制动状态。

在故障切除之后，电动机会吸收大量的无功功率自启动，导致系统电压恢复变缓。强行励磁会迅速提高发电机的端电压，改善电动机的运行条件。发电机在失磁之后，电力系统如果可以提供足够的无功功率的话。发电机能够维持电压稳定同时保证失磁的发电机能够一定时间以内异步运行。在发电机内部出现故障时，进行灭磁，以减小故障损失程度；根据运行要求对发电机实行最大励磁限制及最小励磁限制。

总之，随着电力系统用电量迅速提高，发电机大都处于并列运行状态。为了保证电力系统的安全与稳定，必须提高发电机励磁调节器的性能。

无刷励磁系统有着本身不可被代替的优点，在危险工况下能稳定的运行，是现代中小型电机和大型无刷励磁系统的首选励磁方式。由于交流励磁机是和主发电机同轴的，通过不可控的旋转整流器向发电机提供励磁电流。

但对于大型水轮发电机需要计算各种参数，以及通过调节频率来调节励磁机的励磁强度，而调节频率需要借助发电机的各种参数，如下列论文所研究的大型水轮发电机定子线棒换位与环流损耗分析计算 哈尔滨理工大学 杨立超；不同工况下大型水轮发电机电磁参数的计算 华北电力大学 宋宏志；1000MW水轮发电机同步电抗计算及影响因素分析 哈尔滨理工大学 梁艳萍；水轮发电机端部电磁场分析及电抗参数计算哈尔滨理工大学 梁艳萍；基于电磁场与温度场计算的贯流式水轮发电机阻尼系统损耗发热研究  重庆大学  范镇南；水轮发电机阻尼绕组的电流、损耗、电磁力和温度进行了大量的计算与对比分析；无刷同步发电机交流励磁机电磁设计软件开发  湖南大学 何东霞；无刷励磁同步发电机励磁控制系统的研究  华南理工大学 侯亚敏；无刷励磁机的优化设计计算研究  山东大学 薛守栋；无刷励磁交流发电机的交流励磁机计算 上海交通大学 陈刚。

以上现有技术无不经过复杂而精密的计算，要实现非常困难，制造成本非常大，即便是经过如此大的计算，但现实工作环境中，各参数变化复杂，误差不可避免，发电机出现故障时无法快速达到稳定运行。

交流励磁发电机，因其励磁绕组采用交流电励磁而得名，其本体的结构与绕线式异步电机相同，定子具有三相对称绕组，转子上采用三相（或两相）对称分布的励磁绕组，且励磁电压的频率、大小、相位、相序都可以控制。

传统的同步发电机采用集中的励磁绕组，其励磁电流为直流，因而只能控制励磁电压幅值的大小，来控制励磁电流，且转子磁场相对转子本体的位置是固定不变的，当进行有功、无功调节时必然伴随有转子的机过度过程。而交流励磁发电机则不同，由于其转子励磁绕组为多相对称绕组，且励磁电压为相位、幅值、频率可变的对称交流电，可通过调节励磁电压幅值、频率、相位来控制发电机励磁磁场大小、相对转子本体的位置和电机的转速，由于交流励磁发电机励磁控制自由度的增加，使得该类电机具有超越传统同步发电机性能的可能。

现有励磁机转子在定子里面旋转，励磁机转子与发电机转子同轴旋转，需要计算频率和电磁才能使发电机稳定运行，如上述频率和电磁的计算总是存在一定误差，造成不能绝对同步，运行不稳定，需调高励磁机频率来解决绝对同步；不能快速调整励磁电流来稳定系统；励磁机和发电机不能同极数；如果要制造出绝对同步同极数的发电机和励磁机，则励磁机的体积巨大，发电机转子结构复杂，造成制造成本高，体积庞大，不便于运输、安装和维护。

因发电机转子被发电机定子包住，无法实时检测发电机转子温度，或检测到的温度数据存在很大误差，导致发电机运行稳定性变差，容易造成发电机短路等故障。

现有双馈电机也存在上述问题，其控制参数的获取存在误差，调整频率、相位、幅值需要获取大量的参数值和计算，但这些参数都在发电机里面包着，很难获取到准确的数据；另控制器需要滑环或者电刷与转子进行连接，造成电机维护困难，电网负荷一旦变化，其稳定性难以保障。

发明内容

为解决背景技术中的电机，因负荷变化造成的调节困难，计算参数存在误差，采用调频方式发电机转子结构复杂，很难达到同步，稳定性不好；同步发电机是因为它所产生的电频率与发电机的机械旋转速度之间有锁定或者同步关系，同步发电机的转子上有由直流电流供电的电磁极，转子磁场跟随着转子转向旋转，电机中旋转磁场的转速与定子电频率之间由f=n*P/120相联系，式中：f为电频率，单位为Hz；n为磁场的机械转速（等于同步电机的转子转速）；单位为r/min；P为极数。

本发明提供一种相对于现有同步发电机同级数同功率情况下重量轻，制造成本极低，体积极小，能使励磁机和发电机同极数，发电机输出频率稳定，能与发电机绝对同步的无轴双馈励磁机结构，发电机转子采用传统转子结构即可。

本发明提供的技术方案是：一种无轴双馈励磁机，其特征是：励磁机转子、励磁机定子、发电机转子和发电机定子采用传统结构，励磁机转子通过励磁机转子固定桩固定；励磁机定子与发电机转子连接在一起设置在励磁机转子外部和发电机定子内部，构成励磁机定子与发电机转子同步旋转，励磁机转子连接控制器，控制器连接变压模块，变压模块连接电网，发电机定子连接电网；控制器根据电网负荷变化情况调节励磁机转子。

进一步，所述励磁机定子与发电机转子一体设置在励磁机转子外部和发电机定子内部，构成励磁机定子与发电机转子同步旋转。

进一步，所述励磁机定子与发电机转子串接在一起设置在励磁机转子外部和发电机定子内部，构成励磁机定子与发电机转子同步旋转。

进一步，所述控制器能调节励磁机转子励磁电流的幅值。

进一步，所述控制器能调节励磁机转子励磁电流的频率。

进一步，所述控制器能调节励磁机转子励磁电流的相位。

进一步，所述控制器包括数字信号处理器单元连接电压调节单元、频率调节单元、相位调节单元和电源单元。

进一步，所述控制器还包括无线收发模块和远程APP模块，控制器实时数据通过无线收发模块传递给远程APP模块显示，远程APP模块通过无线收发模块能实时调整控制器功能参数，实现优化控制参数的目的。

进一步，所述控制器还包括测温模块，测温模块连接控制器，通过测量励磁机定子温度及时调节发电机运行参数和散热器功率。

当发电机吸收电网的无功功率时，往往功率角变大，使发电机的稳定性下降，双馈励磁发电机能通过调节励磁电流的相位，减小机组的功率角，使机组运行的稳定性提高，从而可多吸收无功功率，克服由于晚间负荷下降，电网电压过高的困难，与之相比，异步发电机却因需从电网吸收无功的励磁电流，与电网并列运行后，造成电网的功率因数变坏。

控制器通过调节转子励磁电流的幅值和相位，可达到调节有功功率和无功功率的目的，而同步电机的可调量只有一个，即励磁电流的幅值，所以调节同步电机的励磁一般只能对无功功率进行补偿。

控制器通过改变励磁频率调节转速，利用转子的动能释放和吸收负荷，减小对电网的扰动。

进一步，所述励磁机定子上设有励磁机定子绕组，励磁机定子外部设有整流器，励磁机定子通过主轴连接发电机转子，励磁机定子绕组上的感应电流通过整流器整流后连接设于发电机转子上的发电机转子绕组，给发电机转子绕组提供磁场，发电机转子绕组外部设有发电机定子，发电机定子上设有发电机定子绕组，由发电机定子绕组输出三相电压，发电机转子固定在主轴上，主轴连接动力轮；发电机定子外部设有变压模块和控制器。

进一步，所述动力轮是水轮机、汽轮机或风力轮。

进一步，在所述励磁机定子上设置散热器给发电机转子散热。

进一步，所述无轴双馈励磁机的工作方法是：励磁机定子与发电机转子同轴，励磁机定子在励磁机转子外部旋转，励磁机定子绕组上的感应电流通过整流器整流后给发电机转子上的发电机转子绕组提供励磁电流，发电机转子的转速变化时，无轴双馈励磁机的励磁电流通过控制器自行调整达到稳定状态；励磁机和发电机能取同样的参数，采用同样的电磁计算公式，在测量发电机定子温度的同时，能保证励磁机定子温度和发电机转子温度相同，从而能根据测量到的励磁机定子温度自动调节冷却系统或调节负荷的功能；控制器通过变压模块获取电网参数来控制励磁机转子绕组达到控制发电子转子的目的。

 本发明的优点在于：交流励磁机提供励磁电流给发电机转子绕组，省去了电刷和滑环，不会产生换向火花，适合在危险的工作环境中运行。励磁电流均取自发电机的轴系，励磁电流的稳定度得到可靠保证，本发明的励磁机结构能使发电机转子绕组与励磁机定子绕组是1:1对应关系，且励磁机定子与发电机转子同轴，能制造出同极数绝对同步的无刷交流发电机，能通过电网的反馈调节频率、相位、励磁电流和励磁强度，不需要繁重计算，能避免误差问题；具有同步电机和异步电机共同的优点。

现有大功率发电机均不能测量发电机转子内部温度，因发电机转子转动且被定子包住，不能测量发电机转子温度，导致不能准确了解发电机内部工作温度，稳定性无法控制，本发明励磁机和发电机能取同样的参数，采用同样的电磁计算公式，在测量定子温度的同时，能保证励磁机定子温度和发电机转子温度相同，从而能根据测量到的励磁机定子温度自动调节冷却系统或调节负荷的功能。

因发电机转子和励磁机定子同轴，故在励磁机定子上设置散热器，如散热片，能低成本解决发电机转子散热。

发电机检测数据能直接获得，没有通过其他元件，并网速度快，外网短路后直接灭磁空转，本发明具有体积小，与主轴发电机能绝对同步，励磁机极数任意设置，效率高。

附图说明

图1是本发明结构图；

图2是本发明励磁机与发电机原理图；

图中1是励磁机转子、2是励磁机转子固定桩、3是励磁机定子、4是励磁机定子绕组、5是轴承、6是主轴、7是发电机定子、8是发电机定子绕组、9是发电机转子、10是动力轮、11是励磁机转子绕组、12是发电机转子绕组、13是整流器、14是变压模块、15是控制器。

具体实施方式

参照附图，更详细说明本发明的实现方式。

实施例1

如上所述无轴双馈励磁机，所述励磁机定子3与发电机转子9一体设置在励磁机转子1外部和发电机定子7内部，构成励磁机定子3与发电机转子9同步旋转。适用于体积和重量适合加工的机组，一体成形减少故障率，发电机转子9的温度和励磁机定子3温度一样，散热效果极好。

实施例2

如上所述无轴双馈励磁机，所述励磁机定子3与发电机转子9串接在一起设置在励磁机转子1外部和发电机定子7内部，构成励磁机定子3与发电机转子9同步旋转。适用于体积和重量不适合加工的机组，励磁机定子3与发电机转子9先各自加工好，在进行组合，便于运输和组装，减少故障率，发电机转子的温度和励磁机定子温度一样，散热效果极好。

实施例3

如上所述无轴双馈励磁机，所述励磁机定子3上设有励磁机定子绕组4，励磁机定子3上设有整流盘13，励磁机定子3通过主轴6连接发电机转子9，励磁机定子绕组4上的感应电流通过整流盘13整流后连接设于发电机转子9上的发电机转子绕组12，由发电机转子绕组12提供磁场，发电机转子绕组12外部设有发电机定子7，发电机定子4上设有发电机定子绕组8，由发电机定子绕组8感应输出三相电压，发电机转子9的主轴6通过轴承5固定，主轴6连接动力轮10。

实施例4

如上所述无轴双馈励磁机还包括电网电压测量装置和比较装置，该比较装置用来比较该电网电压的测量值与限定值，与该同步发电机的电网导线串联地布置有电流互感器的至少一个初级绕组；以及电流互感器的次级绕组与调节电路连接，该调节电路被布置成当电网电压降到低于限定值时，用来产生所需的励磁功率，当同步发电机的电网电压下降到低于预定的限定值时对该同步发电机进行励磁的装置，励磁是通过调节电流互感器的次级电压控制。

实施例5

如上实施例1-5无轴双馈励磁机的工作方法是：励磁机定子3与发电机转子9同轴，励磁机定子3在励磁机转子1外部旋转，励磁机定子绕组4上的感应电流通过整流盘13整流后给发电机转子9上的发电机转子绕组12提供励磁电流，发电机转子9的转速变化时，双馈励磁机的励磁电流自行调整达到稳定状态；励磁机和发电机能取同样的参数，采用同样的电磁计算公式，在测量发电机定子温度的同时，能保证励磁机定子温度和发电机转子温度相同，从而能根据测量到的励磁机定子温度自动调节冷却系统或调节负荷的功能。

在励磁机定子上增加散热器，散热器是风冷式散热片或水冷式散热片或增加热能回收装置。

实施例6

上述无轴双馈励磁机，控制器可以设计成如CN201420429255.5中的控制方式，因本申请励磁机和发电机结构形式，使本申请的技术方案具备了同步电机和异步电机的共同优点。

Claims (10)

1.一种无轴双馈励磁机，其特征是：励磁机转子、励磁机定子、发电机转子和发电机定子采用传统结构，励磁机转子通过励磁机转子固定桩固定；励磁机定子与发电机转子连接在一起设置在励磁机转子外部和发电机定子内部，构成励磁机定子与发电机转子同步旋转，励磁机转子连接控制器，控制器连接变压模块，变压模块连接电网，发电机定子连接电网；控制器根据电网负荷变化情况调节励磁机转子。

2.根据权利要求1所述无轴双馈励磁机，其特征是，所述励磁机定子与发电机转子一体设置在励磁机转子外部和发电机定子内部，构成励磁机定子与发电机转子同步旋转。

3.根据权利要求1所述无轴双馈励磁机，其特征是，所述励磁机定子与发电机转子串接在一起设置在励磁机转子外部和发电机定子内部，构成励磁机定子与发电机转子同步旋转。

4.根据权利要求1或2或3所述无轴双馈励磁机，其特征是：所述控制器能调节励磁机转子励磁电流的幅值或能调节励磁机转子励磁电流的频率或能调节励磁机转子励磁电流的相位。

5.根据权利要求4所述无轴双馈励磁机，其特征是：所述控制器包括数字信号处理器单元连接电压调节单元、频率调节单元、相位调节单元和电源单元。

6.根据权利要求5所述无轴双馈励磁机，其特征是：所述控制器还包括无线收发模块和远程APP模块，控制器实时数据通过无线收发模块传递给远程APP模块显示，远程APP模块通过无线收发模块能实时调整控制器功能参数，实现优化控制参数的目的。

7.根据权利要求4所述无轴双馈励磁机，其特征是：在所述励磁机定子上设置散热器给发电机转子散热；所述散热器是风冷式散热片或水冷式散热片或热能回收装置。

8.根据权利要求4所述无轴双馈励磁机，其特征是：所述所述励磁机定子上设有励磁机定子绕组，励磁机定子外部设有整流器，励磁机定子通过主轴连接发电机转子，励磁机定子绕组上的感应电流通过整流器整流后连接设于发电机转子上的发电机转子绕组，给发电机转子绕组提供磁场，发电机转子绕组外部设有发电机定子，发电机定子上设有发电机定子绕组，由发电机定子绕组输出三相电压，发电机转子固定在主轴上，主轴连接动力轮；发电机定子外部设有变压模块和控制器；发电机定子绕组输出的三相电压连接变压模块，变压模块连接控制器。

9.根据权利要求4所述无轴双馈励磁机，其特征是：所述控制器还包括测温模块，测温模块连接控制器，通过测量励磁机定子温度及时调节发电机运行参数和散热器功率。

10.根据权利要求1-9任一项无轴双馈励磁机的工作方法是：励磁机定子与发电机转子同轴，励磁机定子在励磁机转子外部旋转，励磁机定子绕组上的感应电流通过整流器整流后给发电机转子上的发电机转子绕组提供励磁电流，发电机转子的转速变化时，无轴双馈励磁机的励磁电流通过控制器自行调整达到稳定状态；励磁机和发电机能取同样的参数，采用同样的电磁计算公式，在测量发电机定子温度的同时，能保证励磁机定子温度和发电机转子温度相同，从而能根据测量到的励磁机定子温度自动调节冷却系统或调节负荷的功能；控制器通过变压模块获取电网参数来控制励磁机转子绕组达到控制发电子转子的目的。