CN111463815A - 基于双馈电机的旋转变频变压装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双馈电机的旋转变频变压装置，解决了传统电动‑发电机组的频率转换设备存在的设备体积庞大、造价高和转换效率低的问题。绕线式双馈异步发电机在50Hz供电时气隙中的磁场转速，与在60Hz供电时气隙中的磁场转差，即n=n_s2‑n_s1；作为异步电动机的额定转速；将异步电动机（2）与绕线式双馈异步发电机（1）同轴联接在一起；将绕线式双馈异步发电机上的三相转子绕组通过集电环与50Hz的电网连接，将绕线式双馈异步发电机上的三相定子绕组与60Hz的电网连接；本发明在绕线式双馈异步发电机中实现了由异步电动机提供的转速与50Hz电网所提供的气隙旋转磁场的叠加，实现了两种电制的转换。

Description

基于双馈电机的旋转变频变压装置

技术领域

本发明涉及一种基于双馈电机的电压频率转换装置，特别涉及采用该装置对不同工频电制进行转换的装置及方法。

背景技术

随着对环境保护力度的加大，许多国家出台了更加严苛的环保政策，例如：在航运方面，许多国家的交通管理部门和环保部门要求船舶在港口码头停泊期间，必须使用岸电，不允许开启船上的柴油发电机组，以达到保护港口码头的生态环境的目的；但由于不同的国家使用不同的工频电制，有的使用50Hz的工频电制，有的使用60Hz的工频电制，不同国家的船舶使用的电制也不尽相同，码头岸电也存在着两种不同的电制；当港口码头停靠的船舶使用的电制频率与所停泊的码头岸电的电制频率不同时，存在船舶无法直接入岸电的问题；因此，需要码头岸电要装备两种不同频率的岸电电源，或在船上装备一种两种频率电源可相互转换的设备；目前，采用在船上装备一种两频率电源可相互转换的设备的方案比较普遍，现有的转换设备是采用电动-发电机组，来进行两种频率转换的，即用一个50Hz的10极同步电机与一个60Hz的12极同步电机，转速均为600rpm，二者组成一套电动-发电机组，可以进行50Hz-60Hz电制相互转换；但这种方案存在的主要问题是：设备体积庞大、造价较高、效率低，运行噪声大；随着电力电子技术的发展，电动-发电机组的频率转换设备逐步被静止的电力电子变频器所取代，这种基于电力电子技术的变频器虽然克服了电动-发电机组方案的体积大、效率低、噪声大的缺点，但存在价格昂贵的问题，并且可靠性、电磁兼容性和供电品质不及传统的电动-发电机组的频率转换设备。

发明内容

本发明提供了一种基于双馈电机的旋转变频变压装置，即解决了电力电子变频器价格昂贵、电磁兼容性和供电品质低的问题，也解决了传统电动-发电机组的频率转换设备所存在的设备体积庞大、造价较高和转换效率低的问题。

本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：

本发明的总体构思是：先取一台绕线式双馈异步发电机，该电机在50Hz供电时，气隙中的磁场转速，即同步转速为n_S1，该电机在60Hz供电时，气隙中的磁场转速，即同步转速为n_S2，得到该电机在两种频率电制下的转速差n，即n=n_s2-n_s1；再取一台异步电机，该电机在接入50Hz三相交流电时的额定转速，等于双馈异步发电机在上述两种频率电制下的转速差n，因此称该电机为“转差电机”，即其转速为：n=n_s2-n_s1；将双馈异步发电机与异步电动机同轴联接在一起；最后，将绕线式双馈异步发电机上的三相转子绕组通过集电环与50Hz的电网连接在一起，将绕线式双馈异步发电机上的三相定子绕组与60Hz的电网连接在一起；本发明在绕线式双馈异步发电机中实现了由转差电机提供的转速与50Hz电网所提供的气隙旋转磁场的叠加，实现了50Hz电制与60Hz电制的转换。

一种基于双馈电机的旋转变频变压装置，包括绕线式双馈异步发电机、转差电机、50Hz电网接入端和60Hz电网接入端，绕线式双馈异步发电机的转子中心轴与转差电机的转子中心轴是通过联轴器同轴联接在一起的，50Hz电网接入端通过第一闸刀开关分别与转差电机的定子三相绕组和绕线式双馈异步发电机的转子集电环上的电刷电连接在一起，绕线式双馈异步发电机的定子三相绕组通过第二闸刀开关与60Hz电网接入端连接在一起；转差电机的转速n等于以下两转速的差值，即，绕线式双馈异步发电机在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，用公式表示为：n=n_s2-n_s1。

转差电机为交流异步电机，或为永磁同步电机，或为异步起动的永磁同步电机，或为无刷直流电机，或为直流电机，或为磁阻电机。

转差电机与绕线式双馈异步发电机是集成在一起的一台电机；或为分立的两台电机组成的机组。

当在50Hz电网接入端上连接的工频电制为50Hz电网时，在60Hz电网接入端上所连接的工频电制为60Hz电网；当在50Hz电网接入端上连接的工频电制为60Hz电网时，在60Hz电网接入端上所连接的工频电制为50Hz电网；也就是说两电网接入端所分别接入的50Hz工频电制和50Hz工频电制是可以互换接入的，在互换的条件下，仍需满足转差电机的转速等于绕线式双馈异步发电机在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值。

一种基于双馈电机的旋转变频变压装置，包括绕线式双馈异步发电机、转差电机、50Hz电网接入端和60Hz电网接入端，绕线式双馈异步发电机的转子中心轴与转差电机的转子中心轴是通过联轴器同轴联接在一起的，50Hz电网接入端通过第一闸刀开关分别与转差电机的定子三相绕组和绕线式双馈异步发电机的定子三相绕组电连接在一起，绕线式双馈异步发电机的转子集电环上的电刷通过第二闸刀开关与60Hz电网接入端连接在一起；转差电机的转速n等于以下两转速的差值，即，绕线式双馈异步发电机在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，用公式表示为：n=n_s2-n_s1；也就是说上述技术方案中的50Hz电网接入端可以连接绕线式双馈异步发电机的定子绕组，而60Hz电网接入端可以连接绕线式双馈异步发电机的转子绕组，这时，只需要将转差电机的相关相序反接即可。

一种基于双馈电机的旋转变频变压方法，其特征在于以下步骤：

将50Hz工频电制转换为60Hz工频电制的方法如下：

合上第一闸刀开关，将绕线式双馈异步发电机的转子绕组和转差电机，同时接入到50Hz电网接入端上；同轴联接在一起的机组转轴，在转差电机的驱动下启动并达到额定的转速n，即，绕线式双馈异步发电机在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，这时在绕线式双馈异步发电机的定转子气隙中就形成一个：绕线式双馈异步发电机在50Hz电网供电时的同步转速n_S1与转差电机的额定的转速n的叠加后的旋转磁场，该旋转磁场转速为n_S2时，用公式表示为： n_s2=n_s1+n；合上第二闸刀开关，绕线式双馈异步发电机的定子的三相绕组向60Hz电网接入端输出60Hz工频电制电压，实现了将50Hz工频电制转换为60Hz工频电制；

将60Hz工频电制转换为50Hz工频电制的方法如下：

合上第二闸刀开关，在绕线式双馈异步发电机的转子线圈中，感应出了在60Hz交流电网供电下的转差电机的启动电压，转差电机开始启动，当转差电机的转速达到额定转速n，即，绕线式双馈异步发电机在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，用公式表示为：n=n_s2-n_s1时，合上第一闸刀开关，绕线式双馈异步发电机的转子的三相绕组向50Hz电网接入端输出50Hz工频电制电压，实现了将60Hz工频电制转换为50Hz工频电制。

本发明的技术方案中，也可将50Hz电网接于双馈异步发电机的定子上，此时应将转差电机的相序反接，使其转向与双馈异步发电机中的气隙磁场旋转方向相反即可，具体方案如下：一种基于双馈电机的旋转变频变压方法，其特征在于以下步骤：

将50Hz工频电制转换为60Hz工频电制的方法如下：

合上第一闸刀开关，将绕线式双馈异步发电机的定子绕组和转差电机，同时接入到50Hz电网接入端上；同轴联接在一起的机组转轴，在转差电机的驱动下启动并达到额定的转速n，即，绕线式双馈异步发电机在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，这时在绕线式双馈异步发电机的定转子气隙中就形成一个：绕线式双馈异步发电机在50Hz电网供电时的同步转速n_S1与转差电机的额定的转速n的叠加后的旋转磁场，该旋转磁场转速为n_S2时，用公式表示为： n_s2=n_s1+n；合上第二闸刀开关，绕线式双馈异步发电机的转子的三相绕组向60Hz电网接入端输出60Hz工频电制电压，实现了将50Hz工频电制转换为60Hz工频电制；

将60Hz工频电制转换为50Hz工频电制的方法如下：

合上第二闸刀开关，在绕线式双馈异步发电机的定子线圈中，感应出了在60Hz交流电网供电下的转差电机的启动电压，转差电机开始启动，当转差电机的转速达到额定转速n，即，绕线式双馈异步发电机在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，用公式表示为：n=n_s2-n_s1时，合上第一闸刀开关，绕线式双馈异步发电机的转子的三相绕组向50Hz电网接入端输出50Hz工频电制电压，实现了将60Hz工频电制转换为50Hz工频电制。

本发明的技术方案不使用任何电力电子器件，既保留了电动-发电机组的可靠性高和供电品质优的特点，又达到了与电力电子变频器同样的高效率，同时价格更加低廉，体积重量均小；运行操作、维护非常简便易行；既可用于岸电，也可用于船载及所有需要两种频率电制转换的场合。

附图说明

图1是本发明的50Hz电网接到绕线式双馈异步发电机（1）的转子绕组上的结构示意图；

图2是本发明的50Hz电网接到绕线式双馈异步发电机（1）的定子绕组上的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种基于双馈电机的旋转变频变压装置，包括绕线式双馈异步发电机1、转差电机2、50Hz电网接入端7和60Hz电网接入端8，绕线式双馈异步发电机1的转子中心轴与转差电机2的转子中心轴是通过联轴器3同轴联接在一起的，50Hz电网接入端7通过第一闸刀开关5分别与转差电机2的定子三相绕组和绕线式双馈异步发电机1的转子集电环4上的电刷电连接在一起，绕线式双馈异步发电机1的定子三相绕组通过第二闸刀开关6与60Hz电网接入端8连接在一起；转差电机2的转速n等于以下两转速的差值，即，绕线式双馈异步发电机1在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机1在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，用公式表示为：n=n_s2-n_s1。

转差电机2为交流异步电机，或为永磁同步电机，或为异步起动的永磁同步电机，或为无刷直流电机，或为直流电机，或为磁阻电机。

转差电机2与绕线式双馈异步发电机1是集成在一起的一台电机；或为分立的两台电机组成的机组。

一种旋转双馈电机变频器对不同工频电制的转换方法，将50Hz工频电制转换为60Hz工频电制的方法如下：

合上第一闸刀开关5，将绕线式双馈异步发电机1的转子绕组和转差电机2，同时接入到50Hz电网接入端7上；同轴联接在一起的机组转轴，在转差电机2的驱动下启动并达到额定的转速n，即，绕线式双馈异步发电机1在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机1在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，这时在绕线式双馈异步发电机1的定转子气隙中就形成一个：绕线式双馈异步发电机1在50Hz电网供电时的同步转速n_S1与转差电机2的额定的转速n的叠加后的旋转磁场，该旋转磁场转速为n_S2时，用公式表示为： n_s2=n_s1+n；合上第二闸刀开关6，绕线式双馈异步发电机1的定子的三相绕组向60Hz电网接入端8输出60Hz工频电制电压，实现了将50Hz工频电制转换为60Hz工频电制；此时系统的功率流向为从50Hz电网取得电功率P₁，分别通过转差电机2和绕线式双馈异步发电机1的滑环输入到绕线式双馈异步发电机1的转子上，通过绕线式双馈异步发电机1气隙的机电能量转换，将功率传递到绕线式双馈异步发电机1的定子上，转差电机2作电动机运行，通过转差电机2输入的功率P_M1与通过绕线式双馈异步发电机1的滑环输入的功率P_M2之和为P₁，P₁=P_M1+P_M2，二者之比P_M1/P_M2=n/n_s1，忽略各种损耗的情况下，绕线式双馈异步发电机1的定子上输出的60Hz电功率P₂等于P₁。

将60Hz工频电制转换为50Hz工频电制的方法如下：

合上第二闸刀开关6，在绕线式双馈异步发电机1的转子线圈中，感应出了在60Hz交流电网供电下的转差电机2的启动电压，转差电机2开始启动，当转差电机2的转速达到额定转速n，即，绕线式双馈异步发电机1在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机1在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，用公式表示为：n=n_s2-n_s1时，合上第一闸刀开关5，绕线式双馈异步发电机1的转子的三相绕组向50Hz电网接入端7输出50Hz工频电制电压，实现了将60Hz工频电制转换为50Hz工频电制，此时绕线式双馈异步发电机1作为发电机运行。

本发明的工作原理是将双馈电机用作一个旋转的变压器，5/6的功率是通过绕线式双馈异步发电机1转换的，仅有1/6的转差功率是通过转差电机2来传递和转换的；由于转差电机2承担的转换功率仅占总转换功率的约1/6，因此，转差电机2额定功率很小，从而大大减低了整个机组的造价，又由于绝大部分功率是靠变压器的原理的绕线式双馈异步发电机1直接进行电能转换，转换效率很高，从而实现了整个机组装置的高效。

本发明中的转差电机也可以用60Hz电网供电，只要其在60Hz电网下的转速为50Hz与60Hz两种工频下的同步转速之差即可，即满足n=n_s2-n_s1即可。

本发明的技术方案中，也可将50Hz电网接于双馈异步发电机1的定子上，此时应将转差电机2的相序反接，使其转向与双馈异步发电机1中的气隙磁场旋转方向相反即可，具体方案如下：一种基于双馈电机的旋转变频变压方法，其特征在于以下步骤：

将50Hz工频电制转换为60Hz工频电制的方法如下：

合上第一闸刀开关5，将绕线式双馈异步发电机1的定子绕组和转差电机2，同时接入到50Hz电网接入端7上；同轴联接在一起的机组转轴，在转差电机2的驱动下启动并达到额定的转速n，即，绕线式双馈异步发电机1在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机1在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，这时在绕线式双馈异步发电机1的定转子气隙中就形成一个：绕线式双馈异步发电机1在50Hz电网供电时的同步转速n_S1与转差电机2的额定的转速n的叠加后的旋转磁场，该旋转磁场转速为n_S2时，用公式表示为： n_s2=n_s1+n；合上第二闸刀开关6，绕线式双馈异步发电机1的转子的三相绕组向60Hz电网接入端8输出60Hz工频电制电压，实现了将50Hz工频电制转换为60Hz工频电制；

将60Hz工频电制转换为50Hz工频电制的方法如下：

合上第二闸刀开关6，在绕线式双馈异步发电机1的定子线圈中，感应出了在60Hz交流电网供电下的转差电机2的启动电压，转差电机2开始启动，当转差电机2的转速达到额定转速n，即，绕线式双馈异步发电机1在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机1在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，用公式表示为：n=n_s2-n_s1时，合上第一闸刀开关5，绕线式双馈异步发电机1的转子的三相绕组向50Hz电网接入端7输出50Hz工频电制电压，实现了将60Hz工频电制转换为50Hz工频电制。

Claims (5)

1.一种基于双馈电机的旋转变频变压装置，包括绕线式双馈异步发电机（1）、转差电机（2）、50Hz电网接入端（7）和60Hz电网接入端（8），绕线式双馈异步发电机（1）的转子中心轴与转差电机（2）的转子中心轴是通过联轴器（3）同轴联接在一起的，其特征在于，50Hz电网接入端（7）通过第一闸刀开关（5）分别与转差电机（2）的定子三相绕组和绕线式双馈异步发电机（1）的转子集电环（4）上的电刷电连接在一起，绕线式双馈异步发电机（1）的定子三相绕组通过第二闸刀开关（6）与60Hz电网接入端（8）连接在一起；转差电机（2）的转速n等于以下两转速的差值，即，绕线式双馈异步发电机（1）在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机（1）在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，用公式表示为：n=n_s2-n_s1。

2.根据权利要求1所述的一种基于双馈电机的旋转变频变压装置，其特征在于，转差电机（2）为交流异步电机，或为永磁同步电机，或为异步起动的永磁同步电机，或为无刷直流电机，或为直流电机，或为磁阻电机。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于双馈电机的旋转变频变压装置，其特征在于，转差电机（2）与绕线式双馈异步发电机（1）是集成在一起的一台电机。

4.根据权利要求1所述的一种基于双馈电机的旋转变频变压装置，其特征在于，当在50Hz电网接入端（7）上连接的工频电制为50Hz电网时，在60Hz电网接入端（8）上所连接的工频电制为60Hz电网；当在50Hz电网接入端（7）上连接的工频电制为60Hz电网时，在60Hz电网接入端（8）上所连接的工频电制为50Hz电网。

5.一种基于双馈电机的旋转变频变压装置，包括绕线式双馈异步发电机（1）、转差电机（2）、50Hz电网接入端（7）和60Hz电网接入端（8），绕线式双馈异步发电机（1）的转子中心轴与转差电机（2）的转子中心轴是通过联轴器（3）同轴联接在一起的，其特征在于，50Hz电网接入端（7）通过第一闸刀开关（5）分别与转差电机（2）的定子三相绕组和绕线式双馈异步发电机（1）的定子三相绕组电连接在一起，绕线式双馈异步发电机（1）的转子集电环（4）上的电刷通过第二闸刀开关（6）与60Hz电网接入端（8）连接在一起；转差电机（2）的转速n等于以下两转速的差值，即，绕线式双馈异步发电机（1）在60Hz电网供电时的同步转速n_S2与绕线式双馈异步发电机（1）在50Hz电网供电时的同步转速n_S1的差值，用公式表示为：n=n_s2-n_s1。

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