CN1086640A - 用作发电的适合由原动机驱动的旋转感应发电机 - Google Patents

Abstract

一种旋转感应发电机，带有三相绕组的定子、转 子和接于次级绕组的电阻-电抗装置，以增加发电机 效率并在宽速度范围内将功率输出限制在发电机的 容量内；以及一种用该发电机负载限制电力产生的方 法，使在原动机宽速度范围内当保持接于发电机的电 源频率时，发电机能以不同速度运行，由此用一电路 限制过量的功率输出，该电路包括Y或△接法的每 个腿串联的电阻、电感和电容的三支路，每支路又与 单独的电阻支路并联，以控制最大的输出点。

Description

本发明一般说涉及线绕式旋转感应发电机，更具体地说涉及用作发电的线绕转子感应发电机。

在线绕转子感应发电机中，次级绕组（通常在转子上）中的电流完全由感应所产生。该电流是由初级绕组上所加的电源电压在初级绕组上形成的旋转磁场在次级绕组上感应的电压所引起。转子绕组一般是与滑环相连接。当以高于同步速度驱动转子时，或将转子短接。或者在转子上连有适当的设备就象连接到滑环的负载的情况一样，此电机在很宽的范围中起作发电机的作用。

通常鼠笼感应发电机当过载时有“闭门”（“clostd    door”）效应。在过载时，当速度起超过同步速度其数值略大于电动机的滑速时，就出现上述效应，发电机停止供电并对原动机产生小阻力。这出现在转速十分接近正常运行时。当卸除负载时，原动机和感应发电机猛转直至一起毁坏。

过去三十多年，当用不同型式的原动机驱动同步发电机或鼠笼型感应发电机时，由于采用机械方法来控制原动机的速度，发电机的速度被保持近于常数。这些机械方法当卸除负载时常常不能限制原动机的速度。

对于风力驱动的发电机，采用扰流器（Spoilers），叶片节距控制和机械制动器来限制速度。这些方法有很短的寿命，并且要化费昂贵的维护费用。

在发电机的线绕次级绕组中的频率在基速以上与rpm（每分钟转数）成正比。于是，在900rpm，8极，60赫芝的电机中，在次级绕组中900rpm的频率是零。对于基速以上每900rpm，频率的增加是60赫芝。因此，在该电机的次级绕组中，在1350rpm（900+450＝1350）时频率为30赫芝（周），在1800rpm时为60赫芝。这是很重要的。这意味着发电机被驱的方向与其作为电动机运行的方向相同。这样，在发电机用作电动机以便借助任何可变速度原电机或者能源，包括风和波浪能，帮助发电机达到基速时，没有必要改变任何连接。

本发明的目的在于提供一种线绕转子感应发电机，当工作在它的额定速度时，该发电机仍然输出电力，并且连续将接受的负载交给原电机，从而消除了对可变速度原动机的不确定的机械速度控制的要求。

本发明的另一目的在于提供一种适于用在风和波浪能应用中的旋转感应发电机。

本发明的再一目的在于提供一种能有地运行在转子速度的宽范围内以恒定的频率输出的旋转感应发电机。

发电的任务是获得最大的电力输出。本发明的发电机与公知的发电机相比能在更为宽的范围内和更大的容量上输出电力。该发电机在宽的速度范围（rpm，每分钟转数）内维持它的负载，所述速度范围包括鼠笼型感应发电机通常停止发电的速度，并且在其时传统的感应发电机对原动机产生小的阻力，常使原动机和发电机一起加速到破坏。

本发明的上述和其余目的可以由感应发电机来实现，该感应发电机包括：在所述定子中为旋转而安装的、绕有三个转子绕组、定义为三相转子的转子;与电源相连、用来与在所述次级绕组中感生电流的所述磁场相耦合的初级绕组的所述三相定子绕组;与所述次级绕组相连、以增加所述发电机的效率并限制较高速下功率输出的电抗器和串联电阻器;以及与所述绕组串联连接、以在次级绕组中提供电流并产生供发电的必要的磁场的电阻器。

根据以下的详细说明，当结合附图时，将会更清楚的理解本发明的所有目的。

所述附图是：

图1是按照本发明的能量转换系统的原理图;

图2是用于本发明的能量转换系统中的线绕转子感应发电机的原理图;和

图3是按照本发明的另一线绕转子感应发电机的原理图。

以下是优选实施例的详细说明。

参见图1、那里画出了与线绕转子感应发电机12相连接的旋转驱动装置11。该旋转驱动装置11可以由风轮机或由波浪能变换装置驱动。换句话说，驱动装置可以是任何其他原动机，诸如汽油或柴油机之类。无论那一样，驱动发电机的旋转速度（rpm）将直接地取决于原动机的速度（rpm）。如上所述，在惯用的系统中，装有机械装置以供相关的原动机维持最佳转速。一般这样的发电机是以实质上恒定转子速度驱动的鼠笼型感应发电机。在过大的速度时，发电机停止发电，减少了原动机上的负载，常常使得它运转到破坏。速度控制往常不能足够快的响应以变化原动机速度，导致对原动机和发电机的破坏。

已经发现采用附加与次级绕组串联的电阻-电抗负载和另一也与次级绕组串联的并联电阻电路的方法，在没有对发电机绕组破坏的情况下能够限制最大功率，并且能够消除过速运行所造成的输出损失。

参见图2，那里画出了三相丫形连接的发电机其定子绕组21与三相电源相连。该电源用作产生旋转式的磁场，该旋转式的磁场在通常绕在转子上的次级绕组22中激励出电流。次级绕组22与滑环（未画出）相连，从而允许在次级绕组电路中连接诸如电阻，电容或电感的元件。如以上所提及，转子旋转到超过同步速度以前，发电机起电动机的作用，在同步速度时，它起发电机的作用向电源提供电力。

在图2中，电阻23和电感24与每个绕组22串联地被连接到电容26的△电路上，该△电路实质上与电阻23和电感24串联地放置电容。此外，电阻27与每个绕组串联地连接，并被连接成丫（星）形点。

电阻27起次级绕组上负载的作用，借此增加次级绕组中的电流。此电流引起必要的磁性，以允许连接到次级绕组上的其他元件起作用。应用连接到次级绕组上的电阻-电抗元件23，24，26有两个目的：（1）改进发电机的效率;和（2）限制在较高速度时的输出功率千瓦。

标准的鼠笼转子的感应发电机当过载时有“闭门”效应。在特定的过载下，发电机停止输出电力并使原动机卸除负载。不幸，出现此情况的rpm是十分接近标准发电机使用的rpm。无载条件常常使得驱动发电机的原动机和发电机猛转至破坏。

带有适当的次级绕组元件23，24、26的线绕转子感应发电机在速度增加时连续提供输出功率。所以带有适当元件的线绕转子发电机总是处在电气控制之下。当带负载运行时，将永不能看到突然的无载条件。如以上所提及，当速度达到太高值时，次级绕组元件对输出功率千瓦进行限制。因此，该设备是自保护的。此千瓦限制效应是自动的，无需触点或继电器。限制效应对发电机和原动机有利。

图3实质上画出了相同的电路，只有电容被接成丫形配置。为了达到本发明的目的，当然，显而易见的是线绕转子电动机/发电机的初级或次级绕组可以连接成△或丫形接法。此外，如果各绕组是适合所加的原边电压，转子或定子二者之一可以是次级绕组的初级。（次级绕组的元件总是能与次级绕组相匹配的。）

所以在目前的发明中，提供了一种在带有线绕转子电机的感应式的电力发电机中负载限制的方法。此发电机能以不同的速度被驱动并保持其上连接的电源的恒定频率。速度能在同步（基）速以上的宽范围内变化。超量的千瓦功率输出受使用了由电阻，电感和电容相串联的三支路的第一电路的电路所控制。所述第一电路的每一支路与次级绕组相连接，并且三支路的所有末端连接在一起形丫（星）形点。

其次，每一支路并联连接到带有电阻的单独支路的每一支路上，该电阻的单独支路也与次级绕组相连，并连接在一起得到丫（星）形点。当达到千瓦的预置输出极限时，次级绕组元件（在两个电路中的电阻，电感和电容）帮助确定在什么速度下这将出现输出的千瓦的最大点或数值。与电容串联的电感最被起作很低欧姆电阻的普通电阻的作用，从而使电容能得到所产生的任何电压。当发电机的速度增加时，因此次级绕组输出的频率也增加，导致在电抗中的高抵抗，和在电容中的相反效果，即，电容电抗被减小了。

将公知的数代值入以下公式，可算出任何三组电机的同步或基速：

同步或基rpm＝ (120f)/(极数)

上式中f是用赫芝（周波）表示的频率。

在特定频率的感抗由下式决定

X_L（欧姆）＝2πfL;其中X_L是感抗，单位是欧姆;f是频率，单位是（赫芝，周波），和L是电感，单位是享;

容抗由下式说明：

X_C（欧姆）＝ (10⁶)/(2πfC_NF)

其中X_c是容抗，单位是欧姆，f是频率，单位是（赫芝，周波），和c是电容，单位是微法。

计算串联的电阻（R），电容（C）和电感（L）的结果是阻抗，乙，欧姆：

$\mathrm{Z=}\sqrt{R^2{\mathrm{+(\; X}}_L\mathrm{-X}{}_C){}^2}$

确定发电机的千瓦功率输出的极限有四个作用。

1、次级绕组电阻和与绕组相连的次级电阻器。

2、与电抗器和电容器串联连接并与次级绕组相接的电阻器。

3、与电阻器和电容器串联连接并与次级绕组相接的电抗器。

4、与电阻器和电抗器串联连接并与次级绕组相接的电容器。

每项能调整，以影响输出rpm，输出千瓦，和输出效率。

如果千瓦极限被超过，以上各项还影响发电机将限制其输出的千瓦以及发电机将达到的用千瓦表示的点。R△电阻器23起作将极 限千瓦和在极限之后形成的千瓦更靠近在一起。最后项是很重要的，并且不是容易被实现的。极限千瓦和极限被定位的降小之间的跳动，由于起作游标控制作用的R△电阻器23，变化相当多。

例如，在3千瓦的电机中（1138rpm），可以将上负载极限定在3.5千瓦（或更高些）。一达到此数量（本例在1171rpm处），输出千瓦就将降到从3千瓦到1.5千瓦的任何地方。通常安培随着千瓦的下降而降小。（10KVA非稳压发电机，在本实验中用作三相功率源，由于减轻负载而立刻猛转至更高速度（1287）。由于接到初级绕组上的发电站线路这是不可能的。）

必须将转子速度减低，使其返回到发电机将开动的点，以再次增加其千瓦输出。在本特定情况下，它好象是1129rpm左右。

在风或波浪能运行下，发电机的极限容量将接受阵风和大的波浪，不会对发电机有损害，并且为此付出的代价是接受阵和大的波浪，产生额外功率脉冲而不排除这些较大的千瓦负载。

发电机在速度远超过其最小极限时开始发电，例如，在上面提到的从3.5千瓦（在约1171rpm）下降过程中，发电机降到3.0千瓦。在低千瓦输出下它猛转超过1200rpm，这里，发电机被驱动到较高速度，没有增加其千输出（但是它的输入安培将增加）。发电机将在它的较低极限上，在它离开的1129rpm之上稍微高些，开始发动，减少了它的千瓦输出。

根据知道的转子的相电阻和每相的外电阻的电阻，就能计算出极限点。应用电感器和电容器的除抗（彼此反相）的公式以取近似，那么R△23可以被用作如希望那样的微小变化。

将会看到，本发明提供用作发电的适合电原动机驱动的线绕转子感应发电机，其中所述适合将导致对发电机的负载限制，以便发电机能以不同速度运行，并保持与其连接的由源线的恒定频率，而且其他人在没有省去完全构成本发明的一般或特殊方面的重要性能的特征和元件的情况下，可以容易地修改本发明作其它不同的应用，因此，这样的修改应该被定为包含在以下权利要求的等效的意义和范围之中。

Claims (9)

1、旋转感应发电机，其特征在于它包括：定子，在其上绕有定子绕组，定义为三相定子；

转子，可旋转地安装在所述定子中，并且在其上绕有转子绕组，定义为三相转子；

所述三相定子绕组适合与电源连接，并作为初级绕组，由此所加电源在所述三相绕组中产生电流流动并提供旋转磁场；

所述另一作为次级绕组的三相绕组与所述磁场相耦合，由此在所述次级绕组中感应出电流；

电阻-电抗装置1与所述次级绕组连接，以增加发电机效率并在宽速度范围内将功能输出限制于发电机的容量；和

与所述次级绕组串联连接的电阻装置，以在次级绕组中提供磁化电流。

2、如权利要求1所述旋转感应发电机，其特征在于所述定子绕组被接至电源，转子被接至原动机。

3、如权利要求2所述旋转感应发电机，其特征在于所述原动机是风力。

4、如权利要求2所述旋转感应发电机，其特征在于所述原动机是波浪力。

5、如权利要求1所述旋转感应发电机，其特征在于电阻-电抗装置由与电阻装置相串联的电感和电容装置组成，并且比串联支路与连接成实质上丫形接结的电阻的单独支路相并联。

6、如中权利要求1所述旋转感应发电机，其特征在于电阻-电抗装置由与电阻装置相串联的电感和电容装置组成，并且比串联支路与连接成实质上△形接法的电阻的单独支路相并联。

7、产生电力的方法，其特征在于包含以下步骤：

旋转感应发电机，有带定子绕组的定子，在那里限定了三相定子，和在所述定子中可旋转地安装的转子，并在其上绕有三转子绕组，限定子三相转子;

所述三相定子绕组适合接至电源，并用作初级绕组，由此所加的电源在所述三相绕组中产生电流流动，并提供旋转磁场;

所述另-三相绕组用作次级绕组，与所述磁场耦合，由此在所述次级绕组中感应产生电流;

与所述次级绕组相连的电阻-电抗装置，以便增加所述发电机的效率，并在宽的速度范围内将功率输出限制于发电机的容量;和

与所述次级绕组串联连接的电阻装置，以便在次级绕组中提供磁力电流。

8、在旋转感应发电机的电力产生中负载限制的方法，其特征在于在原动机速度的宽范围内当保持接于发电机的电源的频率，发电机能在不同速度下运行，由此过量的千瓦功率输出用一电路来限制，该电路应用了电丫或△接法的每一个腿串联连接的电阻，电感和电容的三支路的第一电路，并且其中所述支路的每一支路并联地与单独的电阻支路相连接，以在那里完成电路并帮助控制最大的千瓦点。

9、利用感应发电机在宽的转子速度范围内并在大容量下产生最大电力发生输出的方法，其特征在于该方法包括：在定子中可旋转地安装有转子，其上绕有三转子绕组，限定了三相转子;适合接至电源的三相定子绕组和原动机，所述转子绕组用作与磁场耦合的次级绕组，由此在所述次级绕组中感应出电流，电抗装置和串联电阻装置被接至所述次级绕组，以便在次级绕组中提供电流并为功率产生建立必要的磁场。

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