CN108105127A - 一种双动力风机装置及双动力风机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双动力风机装置及双动力风机装置的控制方法，其特征在于，包括热动力发电机组和风机装置；所述热动力发电机组包括发动机和发电机；所述风机装置包括电动机、传动轴和风机；发电机和电动机的两端均具有向外伸出的传动轴，发电机的传动轴和电动机的传动轴通过连轴装置相连。该双动力风机装置及控制方法能采用电力和燃料，实现电力和燃料的优势互补，而且有多种运行模式，能源利用效率高，具备显著的经济效益和社会效益。

Description

一种双动力风机装置及双动力风机控制方法

技术领域

本发明涉及通风领域，尤其涉及一种双动力风机装置及双动力风机装置控制方法。

背景技术

大型送风系统中的风机一般都是采用电机全电力驱动，但随着天然气在的广泛使用，通过燃气发动机驱动风机成为可能，但是目前技术中没有将电机与发动机形成很好的动力结合。

因此，有必要设计一种双动力风机及双动力风机控制方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种双动力风机装置及双动力风机控制方法，该双动力风机装置及双动力风机控制方法灵活性好，占地面积小，易于实施，可让燃气和电力完美地实现优势互补，同时双能源体系更具战略安全性。

发明的技术解决方案如下：

一种双动力风机装置，包括热动力发电机组和风机装置；所述热动力发电机组包括发动机和发电机；所述发动机采用燃料内燃机、燃气轮机或蒸汽轮机，或燃气轮机和蒸汽轮机组合形式，其中燃料可采用天然气或汽柴油等。所述风机装置包括电动机和风机，风机一般为离心风机或轴流风机。

所述发电机和电动机均包括定子、转子和轴承，其中定子包括定子铁芯和定子绕组，所述定子绕组由多个绕组组成，每个绕组由导线反复缠绕在同一定子铁芯部位而形成；

所述发电机和电动机的两端均具有向外伸出的传动轴；其中发电机传动轴一端与发动机传动轴连接，发电机传动轴另一端通过连轴装置与电动机的传动轴相连，而电动机的传动轴另一端与风机连接。让发动机、发电机、电动机和风机的四轴串联直驱，效率更高，结构更简单，更于维护。

进一步，当所述发电机或电动机定子、转子和传动轴处于水平布置时，位于所述发电机或电动机转子上方的定子绕组中包含一个或多个反重力励磁绕组；或发电机和电动机转子上方同时包含一个或多个反重力绕组；所述反重力励磁绕组通过在发电机或电动机定子绕组之间增加引出导线而获得，所述反重力励磁绕组通过引出导线可与其他定子绕组电气分离，形成可独立通电工作的回路，也可接入到定子绕组回路中。

发电机和电动机转子内主要材料为铁芯，当所述反重力励磁绕组通入电流时，能对发电机或电动机转子内的铁芯产生向上反重力方向的电磁吸力，该电磁吸力能让发电机或电动机传动轴的水平支撑轴承，或连同发动机和风机传动轴的水平支撑轴承，所受的竖直向下压力减小或为零， 此时工况为发动机驱动风机，发电机或电动机不发电或不驱动。

由于发动机、发电机、电动机和风机均为水平安装，而且在四者中的运动部件，发电机和电动机转子和传动轴的重量相对其他部件要重的多，传动轴转动时轴承产生的摩擦力只与轴承承受的竖直向下径向压力有关，而与风机负荷和传动轴的转矩大小无关，一旦该压力减小甚至为零，将大大降低轴承转动时的摩擦阻力，同时可降低震动和噪音。这种普通轴承加转子和反重力励磁绕组的结构方式，与磁悬浮轴承结构类似，能使轴承径向方向承受的重力减小甚至到零，相当于处于失重环境下，获得近似于磁悬浮轴承的效果。

由于采用发电机和电动机与发动机和风机直接串联结构，此时整个发电机或电动机不仅成了连接发动机与风机的传动轴和飞轮，还成为能支撑发动机和风机自身传动轴的反重力轴承。而且反重力励磁绕组结构，不需要在发电机或电动机本体上额外增加部件，而是结合发电机或电动机已有轴承、转子和定子，通过优化定子绕组，产生出独特反重力励磁绕组结构，使已有发电机或电动机成为一个庞大的反重力轴承，和一个性能更加优质的反重力惯性飞轮。

所述电动机还可以作为热动力发电机组启动的动力： 在热动力发电机组启动前，让电动机接通电动机模块，通过电动机带动发动机转动；当发动机启动完成之后，电动机与电动机模块断开。

进一步，连轴装置为连轴器或离合器。

连轴装置安装在发电机与电动机传动轴之间，传递传动轴之间的力矩，；连轴器是指用法兰盘和螺栓将两根传动轴连接起来，采用连轴器连接是一种固定的连接方式，采用离合器连接是一种灵活的连接方式。

连轴装置采用电控离合器或机械可控离合器，如手动控制的机械离合器。离合器包括主动盘和从动盘，分别嵌套固定在所对应的传动轴上，当传动控制模块控制离合器吸合时，主动盘和从动盘同步转动，使得两个传动轴同步转动；离合器分离时，两个传动轴之间不传递转矩。

另一种连轴装置为法兰盘连轴器，包括主动盘、中间连接段和从动盘，其中中间连接段的两侧还可设有柔性连接片，主动盘和从动盘分别嵌套固定在所对应的传动轴上；当主动盘、柔性连接片、中间连接段和从动盘之间用螺栓螺帽连接固定后，主动盘和从动盘同步转动，并带动两个传动轴同步转动，反之拆除螺栓螺帽，两个传动轴分离；主动盘和从动盘结构完全一样可以互换。

进一步，所述连轴装置上还设置有用于转速或转向变换的变速装置，当发动机的转速或转向与风机的转速不一致时，通过变速装置使二者转速或转向达到一致，一般采用齿轮变速箱或皮带轮结构。

进一步，所述的双动力风机装置还包括电控系统，包括发动机控制模块、发电机控制模块和电动机控制模块；

（1）发动机控制模块用于控制发动机的运行；

（2）发电机控制模块包括发电机模块和发电机反重力控制模块中的至少一种；

所述发电机模块与发动机模块和发电机连接，用于控制发电机的励磁，并通过发动机模块控制发动机的转速，向外部输出电源；；

所述发电机反重力控制模块输出端与反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为发电机定子的反重力励磁绕组提供电源，此时发电机工作在反重力轴承模式；当发电机控制模块需要发电机工作时，通过反重力控制模块中的切换单元，切除反重力励磁绕组，或将反重力励磁绕组恢复到发电机的定子绕组中；

（3）电动机控制模块包括电动机模块和电动机反重力控制模块中的至少一种。

所述电动机模块用于控制外部电源为电动机供电，其输出端连接电动机，电动机模块的输入端连接外部电源，用于从外部电源获取电能为电动机中的电动机供电；电动机模块还可采用频率可调电源，能根据风机负荷自动调整电动机转速。所述发电模块的输入端与电动机连接，发电模块的输出端与外部用电负荷连接；用于将发电动机产生的电能输出到外部负载，外部负载如照明单元等。

所述电动机反重力控制模块输出端与反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为电动机定子的反重力励磁绕组提供电源，此时电动机工作在反重力轴承模式；当电动机控制模块需要电动机工作时，通过反重力控制模块中的切换单元，切除反重力励磁绕组，或将反重力励磁绕组恢复到电动机的定子绕组中

电动机模块和发电模块也可集成合为一个电机控制模块。

（4）当连轴装置采用电控离合器时，电控系统还包括用于控制离合器连接和分离的传动控制模块。传动控制模块连轴装置连接，控制其连接和分离。

电控系统可与外部通信单元相连；外部通信单元用于在现场或远程控制控制电控系统。如通过现场的现场总线控制电控系统，或通过远程无线（3G、4G或4G等）或有线（因特网）控制电控系统。

进一步，反重力励磁绕组为发电机或电动机定子中独立设置的绕组。

一种双动力风机控制方法，采用前述的双动力风机装置；控制双动力风机工作在以下任一工作模式中：

（1）模式1、发动机单独驱动风机；

接通发电机与电动机的连轴装置，将发电机与外部电路断开，可选的将发电机与发电机反重力控制模块接通；将电动机与外部电路断开，可选的将电动机与电动机反重力控制模块接通；运行发动机，发动机的传动轴同步驱动发电机转子、电动机转子和风机，发电机和电动机转子处于被动空转状态；

（2）模式2、电力单独驱动风机

断开发电机与电动机的连轴装置，发动机不工作；电动机接入电控系统中的电动机源模块，通过电动机驱动风机；

（3）模式3、发动机与电力联合驱动风机

接通发电机与电动机的连轴装置，将发电机与外部电路断开，可选的将发电机与发电机反重力控制模块接通；运行发动机，电动机接入电动机模块，并与外部电源接通，发动机与电动机联合驱动风机；发电机转子处于被动空转状态；

（4）模式4、发动机驱动风机并驱动发电机发电

接通发电机与电动机的连轴装置；将电动机与外部电路断开，可选的将电动机与电动机反重力控制模块接通；运行发动机，同步驱动发电机和电动机转子和风机；发电机接入发电模块，向外部用电负荷输送电能；电动机转子处于被动空转状态；

（5）模式5单发电输出

断开发电机与电动机的连轴装置，电动机不工作，发电机接入发电模块；运行发动机，驱动发电机，通过发电模块，向外部用电负荷输送电能。

有益效果：

本发明主要创新点如下：

1. 本发明创新之一：转子当传动飞轮，系统简化。

本发明中将热动力机、发电机、电动机和风机的传动轴直接串联，当单独采用燃料驱动风机时，热动力机必须先驱动发电机和电动机，再驱动风机，此时电动机虽不产生动力，发电机也不发电，转子被动空转，但却在热动力机与风机之间充当具有缓冲、稳定的惯性飞轮。

相对于其他采用发动机与电机并联的系统，当由发动机驱动风机时将电机分离，虽然可减少电机空转的摩擦，但是结构复杂，实用性差。而采用机械串联的布局结构实现热动力机直驱风机，传动效率高，不仅便于电机单独驱动风机，也便于热动力机独立发电，使整个装置结构简单可靠，同时可方便嫁接现有且十分成熟的燃料发电机和风机技术，使本发明具有很好的实用性。

2.本发明创新之二：发电机、电动机转变成反重力轴承，系统高效。

当电机仅作传动轴和惯性飞轮时，由于转子重量较重，会产生一定的摩擦能耗，而由于在电机中采用反重力励磁绕组的结构，不仅不会增加摩擦力，反而还会减少整个系统的摩擦阻力。通过在发电机或电动机定子中增加引出导线，在定子绕组上部中分离出一组或多组绕组，作为反重力励磁绕组，并对其单独通电，利用定子铁芯和转子铁芯，形成一个能将转子往上吸引的电磁铁结构，通过控制电流，使电磁吸引力大小能让发电机或电动机传动轴的水平支撑轴承或连同发动机和风机传动轴的水平支撑轴承所受的竖直向下压力减小或为零。由于发动机、发电机、电动机和风机均为卧式安装，而且在四者中的运动部件，发电机和电动机转子和传动轴的重量相对其他部件要重的多，传动轴转动时轴承产生的摩擦力只与轴承承受的竖直向下径向压力有关，而与风机负荷和传动轴的转矩大小无关，一旦该压力减小甚至为零，将大大降低轴承转动时的摩擦阻力，同时可降低震动和噪音。

这种普通轴承加转子和反重力励磁绕组的结构方式，与磁悬浮轴承结构类似，能使轴承径向方向承受的重力减小甚至到零，相当于处于失重环境下，获得近似于磁悬浮轴承的效果。由于采用发动机、发电机、电动机和风机直接串联结构，此时整个发电机和电动机不仅成了连接发动机与风机的传动轴和飞轮，当连轴装置采用刚性连接时，还成为能支撑发动机和风机自身传动轴的反重力轴承，因而将这种产生反重力效果的整体命名为反重力轴承。

发电机或电动机变轴承，反重力励磁绕组结构看似很复杂，但其实并不需要在发电机和电动机本体上再额外增加部件，轴承、转子和定子都是发电机和电动机本身已有的，只是通过优化定子绕组，增加引出导线，产生出独特反重力励磁绕组结构，使已有发电机和电动机成为一个庞大的反重力轴承，和一个更优质的零重力惯性飞轮，而成本却只有磁悬浮轴承的千分之几，这正是本发明巧妙之处。

当发电机或电动机需要恢复发电和驱动功能时，通过反重力控制模块中的切换单元，对反重力励磁绕组的引线进行切换，将反重力励磁绕组立即恢复到发电机或电动机的定子绕组中。

更进一步，本发明还具有多种运行工况，因此，灵活性极强。

综上所述，本发明的双动力风机及双动力风机控制方法易于实施，结构简单。操作灵活，能源利用率高，适合推广应用。

附图说明

图1为双动力风机装置的总体结构示意图；

图2为连轴装置接通示意图；

图3为连轴装置分离的示意图；

图4为电控系统示意图；

图5为发电机定子处于发电机模式的示意图；

图6为电动机定子处于电动机模式的示意图；

图7为发电机定子处于反重力模块控制的示意图；

图8为电动机定子处于反重力模块控制的示意图；

图9为发电机与电动机结构示意图；

图10为法兰连轴器接通示意图；

图11为法兰连轴器分离的示意图；

图12为连轴装置带有变速装置设置时的状态图；

图13为发动机驱动风机模式示意图；

图14为电动机驱动风机模式示意图；

图15为发动机和电动机联合驱动风机模式示意图；

图16为发动机发电同步驱动风机示意图；

图17为发动机驱动发电模式示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

首先所述发动机可采用燃气或燃油的内燃机、燃气轮机、蒸汽轮机，或燃气轮机和蒸汽轮机组合形式，其中燃气最佳采用天然气。

实施例1：如图1，双动力风机装置中，包括热动力发电机组、风机装置和电控系统，其中热动力发电机组包括发动机1、发电机2，其中发电机2带有动力输出的传动轴201；其中风机装置包括电动机3、传动轴301和风机40。其中电动机3采用双轴伸结构，一端传动轴与风机连接，另一端传动轴301通过连轴装置5与发电机2的传动轴201连接。

参照图2和图3分别为连轴装置5接通和分离的示意图。

参照图4，电控系统包括发动机控制模块、风机装置控制模块、电动机模块、发电模块、反重力控制模块、传动控制模块。其中发动机控制模块与发动机1连接，控制其启动及运行。其中电动机模块的输出端连接电动机3，电动机模块的输入端连接外部电源。发电模块的输入端与发电机2连接，发电模块的输出端与外部用电负荷连接。

参照图5、图7、图9，发电机包括传动轴201、转子20、定子绕组21，其中发电机反重力模块包括励磁单元和切换单元，其输出端连接到位于发电机定子绕组顶部的反重力励磁绕组211，其输入端连接外部电源。

参照图6、图8、图9，电动机包括传动轴301、转子30、定子绕组31，其中电动机反重力模块包括励磁单元和切换单元，其输出端连接到位于电动机定子绕组顶部的反重力励磁绕组311，其输入端连接外部电源。其中传动控制模块与连轴装置5连接，控制其连接和分离。本实施例中连轴装置5均采用电控离合器，包括主动盘和从动盘，分别嵌套固定在所对应的传动轴上，当传动控制模块控制离合器吸合时，主动盘和从动盘同步转动，并带动两个传动轴同步转动，反之亦然。主动盘和从动盘结构完全一致，可以互换。

电动机3可以作为发动机1启动的动力： 在发动机1启动前，让电动机2接通电动机模块，通过电动机3带动发动机1转动；当发动机1启动完成之后，电动机3与电动机模块断开。

实施例2

与实施例1的区别在于，电动机模块采用频率可调的电源，可以根据风机40负荷自动调整电动机3的转速。

实施例3

参照图10和图11，与实施例1的区别在于，连轴装置5采用无传动控制模块的法兰盘连轴器，包括主动盘501、两套柔性连接片502、中间连接段503、从动盘504、连接螺栓505和螺帽506。主动盘501、柔性连接片502、中间连接段503和从动盘504上均开有若干通孔，可通过螺栓。其中一套柔性连接片502上通过螺栓505螺帽506交替与主动盘501和中间连接段503固定；另一套柔性连接片502上通过螺栓505螺帽506交替与从动盘504和中间连接段503固定。当主动盘501、柔性连接片502、中间连接段503和从动盘504之间用螺栓505螺帽506连接固定后，主动盘501和从动盘504同步转动，并带动两个传动轴同步转动；反之拆除螺栓505螺帽506，两个传动轴分离；主动盘501和从动盘504结构完全一样可以互换。

实施例4

与实施例1和实施例3的区别在于，采用无传动控制模块的法兰盘连轴器，但没有柔性连接片502。

实施例5

参照图12，与实施例1的区别在于，连轴装置5上还设置有用于转速或转向变换的变速装置6，变速装置6位于连轴装置5的电动机3一侧，也可位于发电机2一侧。

实施例6

与实施例1的区别在于，电动机模块、发电模块和其对应反重力控制模块集成为一个电机控制模块。

根据上述实施例，本装置由发动机1、发电机2、电动机3、连轴装置5和电控系统组成，可夏季制冷、冬季制热和发电，其操作方法如下：

模式1、发动机驱动风机

参照图13，接通连轴装置5，将发电机2的反重力励磁绕组211与反重力控制模块接通，电动机3的反重力励磁绕组311与反重力控制模块接通。

运行发动机1，发动机1的传动轴同步驱动发电机转子30、电动机转子20和风机40，发电机和电动机均处于转子被动空转状态，两个个转子作为飞轮运行。发电机转子20和传动轴受到上方反重力励磁绕组211的电磁吸引力，使传动轴上的轴承22 所受的径向压力减小或为零，减少轴承22摩擦阻力和噪音；同时电动机转子30和传动轴受到上方反重力励磁绕组311的电磁吸引力，使传动轴上的轴承32 所受的径向压力减小或为零，减少轴承32摩擦阻力和噪音。

模式2、电力驱动风机

参照图14，让连轴装置5分离，电动机3接入电动机模块，外部电源输电通过电动机3驱动风机40运行。

模式3、发动机与电力联合驱动风机

参照图15，接通连轴装置5，将发电机2的反重力励磁绕组211与反重力控制模块接通，电动机3接入电动机模块，并与外部电源接通，运行发动机1，与电动机3联合驱动风机40运行，发电机转子处于被动空转状态。

模式4、发动机驱动风机同步发电

参照图16，接通连轴装置5，电动机3的反重力励磁绕组311与电动机反重力控制模块接通。发电机2接入发电模块，通过发电模块向外部用电负荷输送电能。

运行发动机1，驱动压缩式40运行，电动机均处于转子被动空转状态。当风机40的负荷较低时，发动机1也处于低负荷运行，低负荷效率很低，通过增加发电输出，提高发动机的负荷，保持其始终处于高效率运行。

模式5、单发电输出

参照图17，让连轴装置5分离，发电机2接入发电模块，风机不工作；

运行发动机1，驱动发电机2发电，通过发电模块向外部用电负荷输送电能。

以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动、变型而不脱离本发明的精神和范围。倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双动力风机装置，其特征在于，包括热动力发电机组和风机装置；所述热动力发电机组包括发动机和发电机；所述风机装置包括电动机和风机；所述发电机和电动机的两端均具有向外伸出的传动轴，均包括定子、转子和轴承，其中定子包括定子铁芯和定子绕组；所述发动机、发电机、电动机和风机依次串联连接；

所述发电机和电动机的两端均具有向外伸出的传动轴；其中发电机传动轴一端与发动机传动轴连接，发电机传动轴另一端通过连轴装置与电动机的传动轴相连，而电动机的传动轴另一端与风机连接。

2.根据权利要求1所述的双动力风机装置，其特征在于，当所述发电机或电动机定子、转子和传动轴处于水平布置时，位于所述发电机或电动机转子上方的定子绕组中包含一个或多个反重力励磁绕组；或发电机和电动机转子上方同时包含一个或多个反重力绕组；当所述反重力励磁绕组通入电流时，能对发电机或电动机转子内的铁芯产生向上反重力方向的电磁吸力，该电磁吸力能让发电机或电动机传动轴的水平支撑轴承或连同发动机和风机传动轴的水平支撑轴承所受的竖直向下压力减小或为零。

3.根据权利要求1所述的双动力风机装置，其特征在于，所述连轴装置为连轴器或离合器。

4.根据权利要求1所述的双动力风机装置，其特征在于，所述连轴装置上还设置有用于转速或转向变换的变速装置。

5.根据权利要求1所述的双动力风机装置，其特征在于，还包括电控系统， 电控系统包括发动机控制模块、发电机控制模块和电动机控制模块；

（1）发动机控制模块用于控制发动机的运行；

（2）发电机控制模块包括发电机模块和发电机反重力控制模块中的至少一种；

所述发电机模块与发动机模块和发电机连接，用于控制发电机的励磁，并通过发动机模块控制发动机的转速，向外部输出电源；

所述发电机反重力控制模块输出端与发电机反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为发电机定子的反重力励磁绕组提供电源，此时发电机工作在反重力轴承模式；当发电机控制模块需要发电机工作时，通过发电机反重力控制模块中的切换单元，切除反重力励磁绕组，或将反重力励磁绕组恢复到发电机的定子绕组中；

（3）电动机控制模块包括电动机模块和电动机反重力控制模块中的至少一种；

所述电动机模块用于控制外部电源为电动机供电；

所述电动机反重力控制模块输出端与电动机反重力励磁绕组的引线连接，输入端连接外部电源，包括励磁单元和切换单元；其中切换单元控制反重力励磁绕组与其他定子绕组的连接与分离；励磁单元用于控制外部电源为电动机定子的反重力励磁绕组提供电源，此时电动机工作在反重力轴承模式；当电动机控制模块需要电动机工作时，通过电动机反重力控制模块中的切换单元，切除反重力励磁绕组，或将反重力励磁绕组恢复到电动机的定子绕组中；

（4）当连轴装置采用电控离合器时，电控系统还包括用于控制离合器连接和分离的传动控制模块。

6.根据权利要求2所述的双动力风机装置，其特征在于，反重力励磁绕组为发电机或电动机定子中独立设置的绕组。

7.一种双动力风机控制方法，其特征在于，采用权利要求1-6任一项所述的双动力风机装置；控制多模式冷水工作在以下任一工作模式中：

（1）模式1、发动机单独驱动风机；

接通发电机与电动机的连轴装置，将发电机与外部电路断开，可选的将发电机与发电机反重力控制模块接通；将电动机与外部电路断开，可选的将电动机与电动机反重力控制模块接通；运行发动机，发动机的传动轴同步驱动发电机转子、电动机转子和风机，发电机和电动机转子处于被动空转状态；

（2）模式2、电力单独驱动风机

断开发电机与电动机的连轴装置，发动机不工作；电动机接入电控系统中的电动机源模块，通过电动机驱动风机；

（3）模式3、发动机与电力联合驱动风机

接通发电机与电动机的连轴装置，将发电机与外部电路断开，可选的将发电机与发电机反重力控制模块接通；运行发动机，电动机接入电动机模块，并与外部电源接通，发动机与电动机联合驱动风机；发电机转子处于被动空转状态；

（4）模式4、发动机驱动风机并驱动发电机发电

接通发电机与电动机的连轴装置；将电动机与外部电路断开，可选的将电动机与电动机反重力控制模块接通；运行发动机，同步驱动发电机和电动机转子和风机；发电机接入发电模块，向外部用电负荷输送电能；电动机转子处于被动空转状态；

（5）模式5、单发电输出

断开发电机与电动机的连轴装置，电动机不工作，发电机接入发电模块；运行发动机，驱动发电机，通过发电模块，向外部用电负荷输送电能。