CN106505814B - 一种场调制双转子无刷双馈风力发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，包括定子(1)、外转子(2)、内转子(3)和转轴(4)，定子、外转子和内转子依次由外向内设置。定子设置了两套极对数不同的独立绕组，p对极的功率绕组(11)与电网相连，q对极的控制绕组(12)经交直交功率变换器与电网相连。外转子为装有径向充磁永磁体(21)的p对极永磁转子，内转子为(p+q)对极凸极转子。外转子为功率绕组提供p对极的励磁磁场，该磁场经过内转子后，调制出q对极的谐波磁场为控制绕组提供励磁。本发明的永磁转子结构，永磁体利用率高，极对数转化效率高，且运用凸极转子，结构简单坚固，降低了制造成本，减小维护量。

Description

一种场调制双转子无刷双馈风力发电机
技术领域
本发明涉及风力发电设备领域，尤其涉及一种能够实现变速横频的场调制双转子无刷双馈风力发电机。
背景技术
风能是一种洁净的可再生能源。大力发展包括风力发电在内的可再生能源发电技术是解决全球能源和资源紧张的最佳选择。风力发电机组一般采用同步或感应发电机，并网型的风力发电机组要求发电机的输出频率与电网频率一致，由于传统的同步或感应发电机不能实现变速恒频运行，风能的利用率比较低。因而能克服上述缺点的变速恒频风力发电机近年来发展迅速，目前主要有双馈异步风力发电机和直驱型永磁同步风力发电机。其中双馈异步发电机工作在一个有限的转速范围内，转子侧功率变换器只需提供转差功率，约为发电机额定功率的20％～30％，降低了成本。但这种发电机的缺点也相当明显：由于存在主绕组和励磁绕组，同容量电机的体积较大，效率也较低；发电机的极对数受体积限制不能过多，风机与发电机之间必须要用增速齿轮箱，增加了机组的机械损耗，噪音污染以及维护工作量；转子上存在励磁绕组，需要滑环和电刷，降低了可靠性，增加了维护工作量。直驱型永磁同步发电机取消了增速齿轮箱，转子无绕组，无需滑环和电刷，提高了可靠性，减少了维修工作量，效率高，但是直驱型永磁同步发电机本身体积和重量庞大，需要全功率的功率变换器，成本高。
近年来，为了取消双馈感应电机的电刷和滑环，无刷双馈风力发电机成为了国内外学者研究的重点。由于无刷双馈电机取消了电刷和滑环，因此有效地提高了风力发电系统的可靠性，并且保留了传统有刷双馈发电系统的采用部分功率变换器、成本较低的优点。但无刷双馈电机的转子结构复杂，制造困难。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提出一种变速恒频的场调制双转子无刷双馈风力发电机。本发明是一种能够使用部分容量功率变换器的永磁化同步发电机。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，包括定子(1)、外转子(2)、内转子(3)和转轴(4)，所述定子(1)、外转子(2)和内转子(3)依次由外向内设置；所述定子(1)与转轴(4)转动连接，且所述外转子(2)与转轴(4)转动连接，所述内转子(3)固定在转轴(4)上；
所述定子(1)上设置了两套极对数不同的独立绕组，这两套极对数不同的独立绕组分别为p对极的功率绕组(11)、q对极的控制绕组(12)；其中，p对极的功率绕组(11)直接与电网连接，q对极的控制绕组(12)经交直交功率变换器(7)与电网相连；所述p和q分别为正整数，且p和q不相等；
所述外转子(2)为装有永磁体(21)的永磁式转子，所述内转子(3)为凸极转子，转子的极数为p+q。
进一步的，所述凸极转子的凸极的极弧系数为0.4～0.6，与齿根部的极弧系数相通。
进一步的，所述外转子(2)包括导磁支架(22)，所述永磁体(21)嵌入在导磁支架(22)上。
进一步的，所述永磁体(21)排布方式为单层排布，包括单层表贴式排布和单层内置式排布；或者所述永磁体(21)的排布方式为双层排布，且上下两层处于相同角度位置的永磁体(21)充磁方向相同。
进一步的，所述永磁体(21)沿圆周均匀排布，永磁体(21)充磁方向均为径向充磁，且所述永磁体(21)的弧度≥π/(p+q)；
所述永磁体(21)单个层上的个数为p个，且所述永磁体(21)充磁方向均相同，均为径向向外或径向向内；
或者所述永磁体(21)单个层上的个数为2p个，相邻永磁体(21)均径向充磁但充磁方向相反。
进一步的，所述外转子(2)两端设有转子端盖(23)，所述转子端盖(23)通过轴承一(51)与转轴(4)转动连接。
进一步的，所述定子(1)的绕组间安装有霍尔元件(13)。
进一步的，所述霍尔元件(13)为三个，且三个霍尔元件(13)沿圆周120°均匀分布。
进一步的，所述内转子(3)的转速由控制绕组(12)的供电频率决定，通过改变控制绕组(12)的供电频率，可实现风力机的最大功率点跟踪。
进一步的，所述交直交功率变换器(7)的容量为发电机容量的一部分并与发电机变速运行范围有关，该功率为下列两个功率中的较大值：交直交功率变换器功率＝发电机容量×(额定速度－最低运行速度)÷额定速度；交直交功率变换器功率＝发电机容量×(最高运行速度－额定速度)÷额定速度。
本发明的有益效果为：
1.外转子为永磁转子，内转子为凸极转子，凸极转子的极数为功率绕组与控制绕组极对数之和，所以本发明降低了转速，且去除了电刷、滑环和转子绕组，提高了可靠性。
2.永磁转子同时为功率绕组和控制绕组提供励磁磁场，提高了永磁体的利用率，且提高了功率密度。
3.场调制双转子无刷双馈风力发电机功率绕组与电网直接连接，交直交功率变换器连接至控制绕组以提供控制电流，可使永磁体为功率绕组提供的励磁磁场保持在同步转速，实现恒频运行。交直交功率变换器的容量根据发电机的调速范围而定，一般只有发电机额定容量的20％～30％，相对于永磁同步发电机、磁齿轮外转子永磁无刷风力发电机，本发电机无需使用等同于发电系统额定容量的功率变换器，有利于降低成本。
4.本发明无需电刷、滑环和转子绕组，提高了效率和可靠性。利用永磁转子的主磁场为功率绕组励磁，利用永磁转子经凸极转子的磁场调制作用产生的谐波磁场，为控制绕组励磁，提高了无刷双馈电机的功率密度和效率。利用本发明的永磁转子结构，提高了永磁体的利用率和极对数转换效果，使用部分功率的功率变化器，降低了成本，使发电机在较大范围内变速恒频运行。
附图说明
图1是本发明场调制双转子无刷双馈风力发电机的横向截面图；
图2是本发明场调制双转子无刷双馈风力发电机的纵向剖视图；
图3是本发明场调制双转子无刷双馈风力发电机的永磁转子结构图；
图4是本发明场调制双转子无刷双馈风力发电机的霍尔元件安装图；
图5是本发明场调制双转子无刷双馈风力发电机的并网示意图；
图6是本发明场调制双转子无刷双馈风力发电机的功率传递示意图。
附图标记说明
1-定子、2-外转子、3-内转子、4-转轴、5-轴承二、6-风力机、7-交直交功率变换器、11-功率绕组、12-控制绕组、13-霍尔元件、21-永磁体、22-导磁支架、23-转子端盖、51-轴承一。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
如图1、图2和图3所示，一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，包括定子1、外转子2、内转子3和转轴4，定子1、外转子2和内转子3依次由外向内设置。定子1与转轴4转动连接，且外转子2与转轴4转动连接，内转子3固定在转轴4上。外转子2两端设有转子端盖23，转子端盖23通过轴承一51与转轴4转动连接。
定子1上设置了两套独立的绕组为功率绕组11和控制绕组12，分别用于发电与转速控制。其中p对极的功率绕组11直接与电网连接，q对极的控制绕组12经交直交功率变换器7与电网相连。p和q分别为正整数，且p和q不相等，故没有直接耦合；且本发明分别采用永磁外转子主磁场和经由内转子3调制后的谐波磁场作为励磁磁场，两者不存在间接耦合；该场调制双转子无刷双馈风力发电机可看做是一台磁齿轮无级变速器与一台永磁同步发电机的级联，且只存在机械连接，不存在电与磁的耦合。
外转子2为装有永磁体21的p对极永磁式转子，外转子2包含导磁支架22，永磁体21嵌入在导磁支架22上。永磁体21排布方式为单层排布，包括单层表贴式排布和单层内置式排布；或者永磁体21的排布方式为双层排布，且上下两层处于相同角度位置的永磁体充磁方向相同。
永磁体21沿圆周均匀排布，永磁体21充磁方向均为径向充磁，且永磁体21的弧度≥π/(p+q)；永磁体21单个层上的个数为p个，且永磁体21充磁方向均相同，均为径向向外或径向向内；或者永磁体21单个层上的个数为2p个，相邻永磁体21均径向充磁但充磁方向相反。
相对于其他永磁体布置方式，单层内置式排布的永磁转子的单永磁体利用率高，极对数转换的效率高。且外转子2直接为功率绕组11提供p对极的励磁磁场，外转子2转速由功率绕组11并网拖入同步。
内转子3为凸极转子，具有磁场调制作用，且转子的凸极齿数为(p+q)。为了达到更好的调制效果，凸极齿的极弧系数为0.5，包括齿根部的极弧系数同样为0.5。内转子3主要起技术转换器作用，产生控制绕组12所需的励磁磁场。
外转子2的p对极磁场经过内转子3之后，调制出q对极的谐波磁场，为控制绕组12提供励磁。内转子3与风力机6通过转轴4相连，转速由外转子2的转速与控制绕组12的供电频率共同决定，通过改变控制绕组12的供电频率，可实现风力机6的最大功率点跟踪。
交直交功率变换器的容量为发电机容量的一部分并与发电机变速运行范围有关，该功率为下列两个功率中的较大值：交直交功率变换器功率＝发电机容量×(额定速度－最低运行速度)÷额定速度；交直交功率变换器功率＝发电机容量×(最高运行速度－额定速度)÷额定速度。
如图4所示，外转子2位于定子1和内转子3之间，自由旋转，没有其它轴与外部连接，无法用编码器或旋转变压器测量其转速和位置，故在定子1的绕组间安装霍尔元件13，共有三个霍尔元件13，三个霍尔元件13沿圆周120°均匀分布。而外转子2为永磁转子，外转子2旋转时，霍尔元件13有脉冲信号输出，可用于测量外转子2的转速和位置。
如图5所示，转轴4与风力机6相连，内转子3固定在转轴4上，用于传递来自风力机的功率和能量。外转子2装有永磁体21，为功率绕组11和控制绕组12提供励磁磁场。通过内转子3的极数与外转子2上永磁体数量的合理匹配，实现定子1上两套绕组磁场的解耦。
如图6所示，本发明场调制双转子无刷双馈风力发电机内转子3的转速nL与功率绕组11和控制绕组12中电流的频率fp和fc满足关系：nL＝60(fp±fc)/(p+q)。由于电网频率fp固定，调节控制绕组12中电流的频率，就可实现该发电机的变速恒压恒频发电。而且通过控制交直交功率变换器改变控制绕组12中电流的频率、大小和相位，还可以实现有功和无功功率的灵活调节。
图6中的Tp为功率绕组11磁场对外转子2的制动转矩，Tc为控制绕组12磁场对内转子(3)的制动转矩，Tpm为外转子2与内转子3的作用转矩，TL为风力机6传递到内转子3的输入转矩。ωL为内转子3的旋转角速度，即风力机6的旋转角速度；ωp为功率绕组11产生磁场的旋转角速度；ωc为控制绕组12产生磁场的旋转角速度；ωpm为永磁转子的旋转角速度，稳定时，ωpm＝ωp。风力机6经由转轴4传递给内转子3的机械功率为PL＝TLωL，功率绕组11输送到电网的功率为PP＝Tpωp，控制绕组12输送到电网的功率为Pc＝Tcωc。
本发明的场调制双转子无刷双馈风力发电机可以等效为一台p对极永磁同步发电机，发电机经由q对极定子绕组的无极调速磁齿轮与风力机6相连。磁齿轮与永磁同步电机通过永磁转子机械连接，Tp＝Tpm，且Tpm/Tc＝p/q，控制绕组12的磁场不对外转子2的转速产生直接的影响。
结合同轴磁齿轮的工作原理，该发电机的工作原理如下：风力机6把风能转换成机械能，通过转轴4传递给内转子3，使得内转子3旋转角速度为ωL，只需通过交直交功率变换器调整控制绕组12电流频率，使得控制磁场旋转角速度ωc满足：(ωp-ωL)/(ωc-ωL)＝-q/p，则永磁转子的转速与功率绕组11的同步转速相等，并入电网后发电机即可实现变速恒频发电。
本发明的场调制双转子双馈风力发电机定义控制绕组通直流电(fc＝0)时的内转子3的转速为同步转速ωL0，当风速较快，ωL>ωL0时，控制绕组12的相序与功率绕组11相同，此时控制绕组12输出功率；当风速较慢，ωL<ωL0时，控制绕组12的相序与功率绕组11相反，此时控制绕组12输入功率；当ωL＝ωL0时，fc＝0，此时控制绕组12通入直流电，控制绕组12提供的能量仅用于铜耗和铁耗。
本发明的场调制双转子双馈风力发电机定义转差率为：s＝(ωL-ωL0)/ωL0＝fc/fp，控制绕组12输送到电网的功率与功率绕组11输送到电网的功率的关系为：Pc＝sPP。则超同步运行时，s为正，风力机6的机械功率大部分通过功率绕组11输送到电网，小部分通过控制绕组12经功率变换器送往电网；亚同步运行时，s为负，控制绕组12通过功率变换器从电网吸收电能，吸收的电功率与风力机6的机械功率一起传递到功率绕组12，输送给电网。永磁励磁双馈风力发电机的效率为η，风力机6输入的机械能与电网之间的能量传递关系为PL＝η(PP+Pc)＝η(1+s)PP。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：包括定子(1)、外转子(2)、内转子(3)和转轴(4)，所述定子(1)、外转子(2)和内转子(3)依次由外向内设置；所述定子(1)与转轴(4)转动连接，且所述外转子(2)与转轴(4)转动连接，所述内转子(3)固定在转轴(4)上；
所述定子(1)上设置了两套极对数不同的独立绕组，这两套极对数不同的独立绕组分别为p对极的功率绕组(11)、q对极的控制绕组(12)；其中，p对极的功率绕组(11)直接与电网连接，q对极的控制绕组(12)经交直交功率变换器(7)与电网相连；所述p和q分别为正整数，且p和q不相等；
所述外转子(2)为装有永磁体(21)的永磁式转子，所述内转子(3)为凸极转子，转子的极数为p+q；
所述永磁体(21)排布方式为单层排布，包括单层表贴式排布和单层内置式排布；或者所述永磁体(21)的排布方式为双层排布，且上下两层处于相同角度位置的永磁体(21)充磁方向相同；
所述永磁体(21)沿圆周均匀排布，永磁体(21)充磁方向均为径向充磁，且所述永磁体(21)的弧度≥π/(p+q)；
所述永磁体(21)单个层上的个数为p个，且所述永磁体(21)充磁方向均相同，均为径向向外或径向向内；
或者所述永磁体(21)单个层上的个数为2p个，相邻永磁体(21)均为径向充磁但充磁方向相反。
2.如权利要求1所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述凸极转子的凸极的极弧系数为0.4～0.6，与齿根部的极弧系数相同。
3.如权利要求1所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述外转子(2)包括导磁支架(22)，所述永磁体(21)嵌入在导磁支架(22)上。
4.如权利要求1所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述外转子(2)两端设有转子端盖(23)，所述转子端盖(23)通过轴承一(51)与转轴(4)转动连接。
5.如权利要求1所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述定子(1)的绕组间安装有霍尔元件(13)。
6.如权利要求5所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述霍尔元件(13)为三个，且三个霍尔元件(13)沿圆周120°均匀分布。
7.如权利要求2所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述内转子(3)的转速由控制绕组(12)的供电频率决定，通过改变控制绕组(12)的供电频率，可实现风力机的最大功率点跟踪。
8.如权利要求1所述的一种场调制双转子无刷双馈风力发电机，其特征在于：所述交直交功率变换器(7)的容量为发电机容量的一部分并与发电机变速运行范围有关，该功率为下列两个功率中的较大值：交直交功率变换器功率＝发电机容量×(额定速度－最低运行速度)÷额定速度；交直交功率变换器功率＝发电机容量×(最高运行速度－额定速度)÷额定速度。
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