CN115788742B - 一种电机带转式发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力发电技术领域，具体涉及一种电机带转式发电系统。包括：轴系；水涡轮，设置于轴系的一端，并能够作为一个动力源向轴系传递扭矩；半超导节能电机，能够作为另一个动力源将扭矩传递至轴系上；发电机本体，能够接收轴系传递的扭矩；升压调压变压器，其高压侧通过真空开关与高压电网相连；所述半超导节能电机的额定输出功率低于发电机本体的额定输出功率，并能够在所述升压调压变压器空载状态时，带转所述发电机本体，以使发电机本体维持发电状态并避免启停。本方案中采用半超导节能电机来对发电机本体进行带转，从而减少发电系统的启停作业及其带来的设备损耗和人力损耗。

Description

一种电机带转式发电系统

技术领域

本发明属于电力发电技术领域，具体涉及一种电机带转式发电系统。

背景技术

在我国的电力系统中，电力来源主要包括水电、潮汐能发电、风电、太阳能发电、地热发电等方式，其中，其中，风力发电的原理是利用风力带动风车叶片旋转，再通过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。太阳能发电主要是利用硅光电池，将太阳能直接转换成电能。

目前电网中的发电电量在不同时间段的消耗量、发电量均有所不同，因此，在耗电用户方面，我国提倡错峰用电，从而避开用电高峰；而在发电厂商方面，往往则是将多余的电量转化为其他形式进行储存，比如在一些大型的风电场或太阳能电场中，一般是利用电解水氢的技术将电能转化为氢气能源进行储存，之后可以通过燃烧的方式将氢气能源再转化为电能，从而补偿用电高峰期电量的不足；而在一些小微型发电站中，由于成本等方面的因素，往往难以建立相应的电解水氢的系统，此时所采用的技术往往就是：在耗电低谷时期，将水流抽取到高处进行蓄积，然后在耗电高峰时期，再利用水流进行发电，这种方式的成本较低，也更加适合于小微型发电站的使用。

但是，由于小微型发电站所搭建的蓄水系统往往规模较小，因此，在发电期间，发电机所接收到的水涡轮的扭矩容易随着蓄水系统的水位变化而变化，甚至在水流量过低时，无法再进行发电作业。在这种情况下，目前小微型发电站中的常规操作往往是将发电机进行停机，并在达到再次发电的条件时，再次发电；然而，发电机发电系统的启停往往会对各个环节的设备都存在一定的损耗，同时在发电机所生产的电能并网过程中，还需要对升压调压变压器进行反复的调整，从而使得电量的相位角、频率以及电压等参数符合高压电网的并网要求，如此也将会浪费大量的人力和物力。

因此，有必要设计一种能够在水涡轮不足以发电时对发电系统的空载运转进行维持的系统，来减少发电系统启停所带来的设备损耗问题以及人力消耗问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本方案提供了一种电机带转式发电系统。

本发明所采用的技术方案为：

一种电机带转式发电系统，包括：

轴系，为一个单轴结构，或者，是由多个单轴同轴线连接而成的组合结构；所述轴系用于接收动力源传递而来的扭矩，并将扭矩传递至发电机本体上；

水涡轮，设置于轴系的一端，并能够作为一个动力源向轴系传递扭矩；

半超导节能电机，其输出轴通过减速器与轴系传动连接，并能够作为另一个动力源将扭矩传递至轴系上；

发电机本体，设置于轴系的另一端，该发电机本体的主轴与轴系传动连接，并能够接收轴系传递的扭矩；

升压调压变压器，该升压调压变压器的低压侧通过变流器电连接于发电机本体的接电端子上，该升压调压变压器的高压侧通过真空开关与高压电网相连；

所述半超导节能电机的额定输出功率低于发电机本体的额定输出功率，并能够在所述升压调压变压器空载状态时，带转所述发电机本体，以使发电机本体维持发电状态并避免启停。

作为上述电机带转式发电系统的备选结构或补充设计：所述减速器包括行星减速机构和齿轮减速器；所述齿轮减速器连接于半超导节能电机的转轴上，所述行星减速机构套设在轴系上并通过皮带与齿轮减速器的输出轴传动连接。

作为上述电机带转式发电系统的备选结构或补充设计：所述行星减速机构包括行星齿轮架、中心齿轮、行星内齿盘、行星齿轮本体和皮带座环；所述中心齿轮套设并固定于轴系上，行星内齿盘可转动的连接于中心齿轮外，所述行星内齿盘的一侧设置有传动腔，在传动腔的内侧壁上设置有若干齿纹；在传动腔内环形分布有三个以上的行星齿轮本体，每个所述的行星齿轮本体均与中心齿轮和行星内齿盘啮合；所述行星齿轮架的一侧连接有行星齿轮轴，行星齿轮轴与行星齿轮本体同轴连接，且行星齿轮本体能够绕行星齿轮轴转动；皮带座环呈圆环状并在其外周侧设置有环槽，行星减速机构和齿轮减速器之间的皮带能够卡入到该环槽内。

作为上述电机带转式发电系统的备选结构或补充设计：行星齿轮架可转动的连接在中心齿轮上，所述行星齿轮本体所述轴系下方的地面上设置有调速电机，所述行星齿轮架的一侧固定设置有调速副轮，所述调速副轮与调速电机的转动轴通过一皮带进行传动连接。

作为上述电机带转式发电系统的备选结构或补充设计：所述半超导节能电机的额定输出功率为55千瓦，所述发电机本体的额定输出功率为100千瓦以上。

作为上述电机带转式发电系统的备选结构或补充设计：所述水涡轮具有进水口，该进水口通过导水斜管连通到蓄水池，所述蓄水池的地势高度大于水涡轮安装位置的地势高度，蓄水池中的水在通过导水斜管流动至水涡轮处时，能够推动水涡轮的涡轮叶片转动。

作为上述电机带转式发电系统的备选结构或补充设计：所述轴系上连接有惯性盘，该惯性盘与轴系同轴连接，且重量不低于80公斤。

作为上述电机带转式发电系统的备选结构或补充设计：所述惯性盘包括有弧心铁块、防应力孔、外保护环套和中心铁盘；所述中心铁盘的中心设置有用于轴系穿过的中心孔，在中心孔的四周环形分布有多个防应力孔；在中心铁盘的外周上可拆卸的连接有若干弧心铁块；所述外保护环套采用可伸缩的材料制成并包覆于弧心铁块和中心铁盘外。

作为上述电机带转式发电系统的备选结构或补充设计：所述水涡轮的进水口处设置有流量计，所述轴系上设置转速测量仪，所述流量计和转速测量仪的数据均电连接有电力控制系统，所述电力控制系统将流量计和转速测量仪的测量数据与真空开关进行关联，使得所述真空开关在水涡轮的进水口的水流量和轴系的转速未达到设定阈值时无法进行闭合操作。

作为上述电机带转式发电系统的备选结构或补充设计：多个所述发电机本体向同一个升压调压变压器供电，每个发电机本体均连接有一个轴系；每个轴系均配置有半超导节能电机和水涡轮。

本发明的有益效果为：

1.本方案中可以采用半超导节能电机(例如：型号为GNYNHN的常温半超导节能电机)来对发电机本体进行带转，不仅能够在水涡轮的转速发生波动时对发电机发电的电能进行稳定，还能够在水涡轮不足以提供发电电量时，对发电机本体进行空载带转，从而有效的减少发电系统的启停作业，同时也有效的减少了发电系统启停所带来的设备损耗和人力损耗的问题；

2.本方案中通过半超导节能电机的带转，使得发电系统空载时的持续运转，其变流器能够使得升压调压变压器的高压侧电压将会维持为与并网时相同的频率、电压、相位角等参数，若需要重新进行高压电网的并网操作时，只需要进行微调甚至无需调整，即可满足并网条件，从而有效的降低了发电系统的并网难度；

3.本方案中的半超导节能电机在维持轴系转动过程中，也会带转水涡轮的叶片，使得水涡轮叶片将会有一个初始速度，能够有效降低高速水流冲击静态叶片带来的伤害和损耗，实现了水涡轮的有效保护；

4.本方案中所采用的行星减速机构，其行星齿轮架能够在调速电机的驱动下进行转动，而通过行星齿轮架的转动，能够有效的对行星减速机构的减速速度进行控制，比如：当行星齿轮架处于静止不同的状态时，该行星内齿盘通过与行星齿轮本体的啮合关系对中心齿轮进行驱动，此时行星内齿盘与中心齿轮之间存在的一定的减速关系；而当行星齿轮架的转速与中心齿轮的转速一致时，此时，行星内齿盘、行星齿轮本体、中心齿轮三者将会处于相对锁死的状态，此时行星内齿盘与中心齿轮的减速比将会等于一。

附图说明

为了更清楚地说明本方案实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1是本方案中电机带转式发电系统的结构示意图；

图2是行星内齿盘、行星齿轮本体、中心齿轮三者的配合结构图；

图3是行星减速机构的爆炸结构图；

图4是惯性盘各个部件的配合结构图。

图中：1-导水斜管；2-水涡轮；201-进水口；3-轴系；301-凸键；4-轴座；5-惯性盘；501-弧心铁块；502-防应力孔；503-外保护环套；504-中心铁盘；6-行星减速机构；601-调速电机；602-皮带座环；603-行星内齿盘；604-行星齿轮本体；605-中心齿轮；606-轴承；607-行星齿轮架；608-行星齿轮轴；609-调速副轮；7-半超导节能电机；8-齿轮减速器；9-发电机本体；10-升压调压变压器；11-变流器；12-真空开关；13-高压电网。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而非是全部，基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本方案的保护范围。

实施例1

如图1所示，本实施例设计了一种电机带转式发电系统，包括轴系3、水涡轮2、半超导节能电机7、发电机本体9、升压调压变压器10、真空开关12等部件。

其中，轴系3为一个单轴结构，或者，是由多个单轴同轴线连接而成的组合结构；所述轴系3用于接收动力源传递而来的扭矩，并将扭矩传递至发电机本体9上。

水涡轮2设置于轴系3的一端，并能够作为一个动力源向轴系3传递扭矩；所述水涡轮2具有进水口201，该进水口201通过导水斜管1连通到蓄水池，所述蓄水池的地势高度大于水涡轮2安装位置的地势高度，蓄水池中的水在通过导水斜管1流动至水涡轮2处时，能够推动水涡轮2的涡轮叶片转动。

半超导节能电机7的输出轴通过减速器与轴系3传动连接，并能够作为另一个动力源将扭矩传递至轴系3上；减速器可以采用现有市购的产品，若采用市购产品，此处则不再详述，按照相应的使用说明进行操作即可。可以采用型号为GNYNHN的常温半超导节能电机7来对发电机本体9进行带转，该半超导节能电机7属于节能电机的一种，可以应用在高耗能的场景下，节能率较高，能够达到30％-80％，并且在不同转速时都具有较好的效率曲线。

发电机本体9设置于轴系3的另一端，该发电机本体9的主轴与轴系3传动连接，并能够接收轴系3传递的扭矩。所述半超导节能电机7的额定输出功率为55千瓦，所述发电机本体9的额定输出功率为100千瓦以上。

升压调压变压器10，该升压调压变压器的低压侧通过变流器11电连接于发电机本体9的接电端子上，该升压调压变压器10的高压侧通过真空开关12与高压电网13相连；需要说明的是：可以由多个所述发电机本体9向同一个升压调压变压器10供电，每个发电机本体9均连接有一个轴系3；每个轴系3均配置有半超导节能电机7和水涡轮2。发电机本体9的具体搭配数量视发电站的需要而定。变流器11采用现有设备即可，此处不再赘述。

所述半超导节能电机7的额定输出功率低于发电机本体9的额定输出功率，并能够在所述升压调压变压器10空载状态时，带转所述发电机本体9，以使发电机本体9维持发电状态并避免启停。

所述水涡轮2的进水口201处设置有流量计，所述轴系3上设置转速测量仪，所述流量计和转速测量仪的数据均电连接有电力控制系统，所述电力控制系统将流量计和转速测量仪的测量数据与真空开关12进行关联，使得所述真空开关12在水涡轮2的进水口201的水流量和轴系3的转速未达到设定阈值时无法进行闭合操作。

本实施例的结构中，半超导节能电机7不仅能够在水涡轮2的转速发生波动时对发电机发电的电能进行稳定，还能够在水涡轮2不足以提供发电电量时，对发电机本体9进行空载带转，从而有效的减少发电系统的启停作业，同时也有效的减少了发电系统启停所带来的设备损耗和人力损耗的问题；并且当发电系统空载时的持续运转，变流器能够维持频率、电压、相位角等参数，使得升压调压变压器10的高压侧电压的频率、电压、相位角等参数符合并网要求，若需要重新进行高压电网13的并网操作时，只需要进行微调甚至无需调整，发电系统的并网难度将会降低。

实施例2

如图2至图3所示，在实施例1的结构基础上，半超导节能电机7与轴系3之间的减速器可以包括行星减速机构6和齿轮减速器8。

其中，所述齿轮减速器8连接于半超导节能电机7的转轴上，并且可以直接采用型号为ZDY315-2.14的现有产品。

而所述行星减速机构6套设在轴系3上并通过皮带与齿轮减速器8的输出轴传动连接。该行星减速机构6包括行星齿轮架607、中心齿轮605、行星内齿盘603、行星齿轮本体604和皮带座环602；所述中心齿轮605套设并固定于轴系3上，行星内齿盘603可转动的连接于中心齿轮605外，所述行星内齿盘603的一侧设置有传动腔，在传动腔的内侧壁上设置有若干齿纹；在传动腔内环形分布有三个以上的行星齿轮本体604，每个所述的行星齿轮本体604均与中心齿轮605和行星内齿盘603啮合；所述行星齿轮架607的一侧连接有行星齿轮轴608，行星齿轮轴608与行星齿轮本体604同轴连接，且行星齿轮本体604能够绕行星齿轮轴608转动；皮带座环602呈圆环状并在其外周侧设置有环槽，行星减速机构6和齿轮减速器8之间的皮带能够卡入到该环槽内。

行星齿轮架607可转动的连接在中心齿轮605上，所述行星齿轮本体604所述轴系3下方的地面上设置有调速电机601，所述行星齿轮架607的一侧固定设置有调速副轮609，所述调速副轮609与调速电机601的转动轴通过一皮带进行传动连接。

本实施例中的行星齿轮架607能够在调速电机601的驱动下进行转动，而通过行星齿轮架607的转动，能够有效的对行星减速机构6的减速速度进行控制，比如：当行星齿轮架607处于静止不同的状态时，该行星内齿盘603通过与行星齿轮本体604的啮合关系对中心齿轮605进行驱动，此时行星内齿盘603与中心齿轮605之间存在的一定的减速关系；而当行星齿轮架607的转速与中心齿轮605的转速一致时，此时，行星内齿盘603、行星齿轮本体604、中心齿轮605三者将会处于相对锁死的状态，此时行星内齿盘603与中心齿轮605的减速比将会等于一。

实施例3

如图4所示，在实施例1的结构基础上，所述轴系3上连接有惯性盘5，该惯性盘5与轴系3同轴连接，且重量不低于80公斤。该惯性盘5的作用是维持轴系3的旋转速度，减少轴系3转速变化对发电机处电能频率、电压等参数的影响。

所述惯性盘5包括有弧心铁块501、防应力孔502、外保护环套503和中心铁盘504；所述中心铁盘504的中心设置有用于轴系3穿过的中心孔，在中心孔的四周环形分布有多个防应力孔502；在中心铁盘504的外周上可拆卸的连接有若干弧心铁块501；所述外保护环套503采用可伸缩的材料制成并包覆于弧心铁块501和中心铁盘504外。

上述实施例仅仅是为了清楚地说明所做的举例，而并非对实施方式的限定；这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本技术的保护范围内。

Claims (7)

1.一种电机带转式发电系统，其特征在于：包括：

轴系（3），为一个单轴结构，或者，是由多个单轴同轴线连接而成的组合结构；所述轴系（3）用于接收动力源传递而来的扭矩，并将扭矩传递至发电机本体（9）上；

水涡轮（2），设置于轴系（3）的一端，并能够作为一个动力源向轴系（3）传递扭矩；

半超导节能电机（7），其输出轴通过减速器与轴系（3）传动连接，并能够作为另一个动力源将扭矩传递至轴系（3）上；

发电机本体（9），设置于轴系（3）的另一端，该发电机本体（9）的主轴与轴系（3）传动连接，并能够接收轴系（3）传递的扭矩；

升压调压变压器（10），升压调压变压器（10）的低压侧通过变流器（11）电连接于发电机本体（9）的接电端子上，该升压调压变压器（10）的高压侧通过真空开关（12）与高压电网（13）相连；

所述半超导节能电机（7）的额定输出功率低于发电机本体（9）的额定输出功率，并能够在所述升压调压变压器（10）空载状态时，带转所述发电机本体（9），以使发电机本体（9）维持发电状态并避免启停；

所述减速器包括行星减速机构（6）和齿轮减速器（8）；所述齿轮减速器（8）连接于半超导节能电机（7）的转轴上，所述行星减速机构（6）套设在轴系（3）上并通过皮带与齿轮减速器（8）的输出轴传动连接；

所述行星减速机构（6）包括行星齿轮架（607）、中心齿轮（605）、行星内齿盘（603）、行星齿轮本体（604）和皮带座环（602）；所述中心齿轮（605）套设并固定于轴系（3）上，行星内齿盘（603）可转动的连接于中心齿轮（605）外，所述行星内齿盘（603）的一侧设置有传动腔，在传动腔的内侧壁上设置有若干齿纹；在传动腔内环形分布有三个以上的行星齿轮本体（604），每个所述的行星齿轮本体（604）均与中心齿轮（605）和行星内齿盘（603）啮合；所述行星齿轮架（607）的一侧连接有行星齿轮轴（608），行星齿轮轴（608）与行星齿轮本体（604）同轴连接，且行星齿轮本体（604）能够绕行星齿轮轴（608）转动；皮带座环（602）呈圆环状并在其外周侧设置有环槽，行星减速机构（6）和齿轮减速器（8）之间的皮带能够卡入到该环槽内；

行星齿轮架（607）可转动的连接在中心齿轮（605）上，所述行星齿轮本体（604）所述轴系（3）下方的地面上设置有调速电机（601），所述行星齿轮架（607）的一侧固定设置有调速副轮（609），所述调速副轮（609）与调速电机（601）的转动轴通过一皮带进行传动连接。

2.根据权利要求1所述的电机带转式发电系统，其特征在于：所述半超导节能电机（7）的额定输出功率为55千瓦，所述发电机本体（9）的额定输出功率为100千瓦以上。

3.根据权利要求1所述的电机带转式发电系统，其特征在于：所述水涡轮（2）具有进水口（201），该进水口（201）通过导水斜管（1）连通到蓄水池，所述蓄水池的地势高度大于水涡轮（2）安装位置的地势高度，蓄水池中的水在通过导水斜管（1）流动至水涡轮（2）处时，能够推动水涡轮（2）的涡轮叶片转动。

4.根据权利要求1所述的电机带转式发电系统，其特征在于：所述轴系（3）上连接有惯性盘（5），该惯性盘（5）与轴系（3）同轴连接，且重量不低于80公斤。

5.根据权利要求4所述的电机带转式发电系统，其特征在于：所述惯性盘（5）包括有弧心铁块（501）、防应力孔（502）、外保护环套（503）和中心铁盘（504）；所述中心铁盘（504）的中心设置有用于轴系（3）穿过的中心孔，在中心孔的四周环形分布有多个防应力孔（502）；在中心铁盘（504）的外周上可拆卸的连接有若干弧心铁块（501）；所述外保护环套（503）采用可伸缩的材料制成并包覆于弧心铁块（501）和中心铁盘（504）外。

6.根据权利要求1所述的电机带转式发电系统，其特征在于：所述水涡轮（2）的进水口（201）处设置有流量计，所述轴系（3）上设置转速测量仪，所述流量计和转速测量仪的数据均电连接有电力控制系统，所述电力控制系统将流量计和转速测量仪的测量数据与真空开关（12）进行关联，使得所述真空开关（12）在水涡轮（2）的进水口（201）的水流量和轴系（3）的转速未达到设定阈值时无法进行闭合操作。

7.根据权利要求1所述的电机带转式发电系统，其特征在于：多个所述发电机本体（9）向同一个升压调压变压器（10）供电，每个发电机本体（9）均连接有一个轴系（3）；每个轴系（3）均配置有半超导节能电机（7）和水涡轮（2）。