CN117458740A - 一种变速恒频交流发电机 - Google Patents

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王永波
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Abstract

本发明涉及一种变速恒频交流发电机，包括：励磁机、主发电机以及励磁变频器；励磁机的输出端与励磁变频器的输入端连接，励磁变频器的输出端与主发电机的输出端连接；其中，励磁变频器的占空比为固定的满占空比，且频率可调的三相交流变频器，用于为主发电机的转子绕组提供频率与原动机转速变化相适应的三相交流电。本发明在保证发电机输出恒频电流的同时，减小变速恒频交流发电机的体积。

Description

一种变速恒频交流发电机
技术领域
本发明涉及交流发电机技术领域，具体涉及一种变速恒频交流发电机。
背景技术
在为了实现交流发电机的并网运行，以提高供电可靠性，交流发电机必须具有相同的电压频率，但现实中并非所有驱动交流发电机的原动机具有恒定的转速，如驱动航空三级式发电机的涡扇发动机输出转速就是变化的，这就使得交流发电机的电压频率随着转速的变化而变化，从而使得发电机无法直接并网，为了得到恒定频率的电压。
目前采用的一种方法是交流发电机在原动机的驱动下随着转速的变化产生变频交流电，再通过电力电子变换装置变换将变频交流电转换为恒频交流电；另一种方法是通过变速传动装置，将原动机变化的转速变换为恒定转速后驱动交流发电机，使得交流发电机输出恒频交流电。
然而现有技术方法中：用于对发电机输出的三相交流电需配置与发电机容量相当的电力电子变换装置，导致系统体积、重量增加。
因此，需要提供一种变速恒频交流发电机以解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种变速恒频交流发电机，通过设置满占空比的励磁变频器，从而为主发电机提供更小的励磁频率，并在保证主发电机输出电压频率恒定的前提下，减小变速恒频交流发电机的体积，以解决现有的对发电机输出的三相交流电需配置与发电机容量相当的电力电子变换装置，电力电子变换装置的配备会导致系统体积、重量增加的问题。
本发明的一种变速恒频交流发电机采用如下技术方案：包括：
励磁机、主发电机以及励磁变频器；
励磁机的输出端与励磁变频器的输入端连接，励磁变频器的输出端与主发电机的励磁绕组连接；
其中，励磁变频器的占空比固定为满占空比，且频率可调的三相交流变频器，用于为主发电机的转子绕组提供频率与原动机转速变化相适应的三相交流电。
优选的，励磁机为旋转电枢式电励磁同步发电机；
励磁机的定子为磁极，定子绕组为跨距为个极距的励磁绕组，励磁绕组用于接入调压控制器，使得调压控制器用于为励磁机提供对应的励磁电流，以使得主发电机输出的电压值的大小恒定；
励磁机的转子为电枢，电枢绕组为三相对称绕组。
优选的，主发电机的定子绕组和转子绕组均为三相对称绕组。
优选的，励磁变频器包括驱动电路和主功率电路，驱动电路用于为主功率电路输入驱动指令信号，主功率电路用于检测励磁机的电枢绕组线的电压频率，并根据电枢绕组线的电压频率以获取原动机的实时转速。
优选的，主发电机的磁极对数满足的条件为：
式中，p表示主发电机的磁极对数；
fN表示主发电机的额定电压频率；
nmax表示原动机的最高转速。
优选的，当原动机的实时转速低于原动机的最高转速时，主发电机的定子绕组感应出的电压频率满足：
式中，f表示主发电机的定子绕组感应出的电压频率恒等于主发电机的额定电压频率；
p表示主发电机的磁极对数；
nmax表示原动机的最大转速。
优选的，励磁变频器为主发转子绕组提供的交流电的频率满足：
式中，f2表示励磁变频器为主发转子绕组提供的交流电的频率；
p表示主发电机的磁极对数；
nmax表示原动机的最大转速；
nr表示原动机的实时转速。
本发明的有益效果是：
由于本发明采用的励磁变频器为恒定满占空比的输出，因此，无需对输出电压及电流进行控制，仅需对励磁变频器的输出频率进行控制，使得输出频率相比较现有技术的输出频率更低，从而使得所需的励磁变频器的体积更小，故，本发明在保证发电机输出恒频电流的同时，减小变速恒频交流发电机的体积。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种变速恒频交流发电机的结构示意图；
图2为本发明的一种变速恒频交流发电机的工作原理图；
图中：1、励磁机；2、主发电机；3、励磁变频器；2-1、定子绕组；2-2、转子绕组；3-1、驱动电路；3-2主功率电路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种变速恒频交流发电机的实施例，如图1所示，包括：励磁机1、主发电机2以及励磁变频器3；励磁机1的输出端与励磁变频器3的输入端连接，励磁变频器3的输出端与主发电机2的励磁绕组连接；其中，励磁变频器3的占空比固定为满占空比，且频率可调的三相交流变频器，用于为主发电机2的转子绕组2-2提供频率与原动机转速变化相适应的三相交流电，其中，需要说明的是，原动机的输出端与主发电机2的输入端连接，原动机将机械能传递到主发电机2，由主发电机2将机械能转化为电能。
具体的，励磁机1为旋转电枢式电励磁同步发电机；励磁机1的定子为磁极，定子绕组为跨距为1个极距的励磁绕组1-1，励磁绕组1-1用于接入调压控制器，使得调压控制器用于为励磁机1提供对应的励磁电流，以使得主发电机2输出的电压值的大小恒定；励磁机1的转子为电枢，电枢绕组1-2为三相对称绕组。
具体的，主发电机2的定子绕组2-1和转子绕组2-2均为三相对称绕组。
具体的，励磁变频器3包括驱动电路3-1和主功率电路3-2，驱动电路3-1用于为主功率电路输入驱动指令信号，主功率电路3-2用于检测励磁机1的电枢绕组线的电压频率，并根据电枢绕组线的电压频率以获取原动机的实时转速。
具体的，主发电机2的磁极对数满足的条件为：
式中，p表示主发电机2的磁极对数；
fN表示主发电机2的额定电压频率；
nmax表示原动机的最高转速。
具体的，当原动机的实时转速低于原动机的最高转速时，主发电机2的定子绕组2-1感应出的电压频率满足：
式中，f表示主发电机2的定子绕组2-1感应出的电压频率恒等于主发电机2的额定
电压频率；
p表示主发电机2的磁极对数；
nmax表示原动机的最大转速。
具体的，励磁变频器3为主发转子绕组提供的交流电的频率满足：
式中，f2表示励磁变频器3为主发转子绕组提供的交流电的频率；
p表示主发电机2的磁极对数；
nmax表示原动机的最大转速；
nr表示原动机的实时转速。
具体的，本实施例如图1所示，主要由励磁机1、主发电机2以及励磁变频器3组成。励磁机1为旋转电枢式电励磁同步发电机，其定子为磁极，定子绕组为跨距为1个极距的励磁绕组1-1，励磁绕组1-1用于接入调压控制器，使得调压控制器在不同工况下为其注入不同大小的励磁电流，以保持主发电机2输出的电压值的大小恒定，其转子为电枢，其中电枢绕组1-2为三相对称绕组；主发电机2与绕线式异步电机类似，其定子绕组2-1，转子绕组2-2均为三相对称绕组，定转子绕组按一定的规律绕制，最终形成的磁极对数p相同，且当交流电机的电压频率要求为fN，原动机的最高转速为nmax(r/min)时，其磁极对数p满足也即/>定子绕组2-1与转子绕组2-2相序相同，即在发电机规定的转向下A相绕组超前B相绕组120°电角度，B相绕组超前C相绕组120°电角度，当其转子上通入频率为f2的交流电时，产生与转子旋转方向相同的旋转磁场，该旋转磁场相对转子的转速为/>(r/min)。
本实施例的励磁变频器3采用占空比固定为满占空比，频率可调的三相交流变频器，励磁变频器3用于为主发电机2的转子绕组2-2提供频率与原动机转速变化相适应的三相交流电，具体的，本实施例中励磁变频器3的输入输出均为三个端子，励磁变频器3的输入端与励磁机1的三相电枢绕组相连，励磁变频器3的输出端与主发电机2的三相转子绕组2-2相连，励磁变频器3具有检测励磁机电枢绕组线电压频率的功能，通过检测励磁机电枢绕组线电压频率计算出原动机转速：励磁机磁极对数为p1，励磁机电枢绕组线电压频率为f1时，原动机转速
需要说明的是，当原动机的转速nr低于其最高转速nmax时，当采用现有的直流励磁技术方案时，其转子磁场由直流电产生，转子磁场转速始终与转子转速相同，主发电机电压频率为因nr<nmax，f<fN也即发电机工作在欠频模式下；而在本发明提供的技术方案下，当原动机的转速nr低于其最高转速nmax时，可通过为励磁变频器3设置算法，使得励磁变频器3根据原动机转速nr的变化为主发转子绕组提供频率为/>的交流电，主发转子绕组通入频率为/>的交流电时，其产生的旋转磁场相对转子转速为nmax-nr，相对定子绕组2-2转速为nmax-nr+nr≡nmax，这样主发电机定子绕组2-1感应出的电压频率为/>也即实现了交流电机在变化的转速范围内恒频输出。
由于，本实施例的励磁变频器3为恒定满占空比输出，因此，无需对输出电压及电流进行控制，仅需对励磁变频器3的输出频率进行控制，从而使得输出频率为输出频率相比较现有技术较低，控制方法简单，所需的励磁变频器3的励磁频率较低，即对应的励磁变频器3的体积更小，励磁功率仅为主发电机容量的(1～2)％，因此，本发明与已有技术方案中通过对主发电机输出功率进行变换相比，所需的励磁变频器3的容量小，体积小重量轻。
以某变速恒频三级式发电机为例，该发电机的转速范围为[6000,8000rpm]，其最高转速nmax＝8000rpm，主发电机2的定子绕组与转子绕组形成的磁极对数励磁机磁极对数p1＝5,当原动机的转速等于8000rpm时，原动机转速nr＝nmax＝8000，则变频器为主发电机提供的励磁频率为0Hz，也即为直流电。当原动机转速为6000rpm时，nr＝6000rpm，励磁变频器3为主发转子绕组提供励磁频率为的交流电。也即在[6000,8000rpm]范围内，励磁机为主发电机提供的励磁电流频率为(0～100)Hz。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种变速恒频交流发电机，其特征在于，包括：
励磁机(1)、主发电机(2)以及励磁变频器(3)；
所述励磁机(1)的输出端与励磁变频器(3)的输入端连接，励磁变频器(3)的输出端与主发电机(2)的励磁绕组连接；
其中，励磁变频器(3)的占空比固定为满占空比，且频率可调的三相交流变频器，用于为主发电机(2)的转子绕组(2-2)提供频率与原动机转速变化相适应的三相交流电。
2.根据权利要求1所述的一种变速恒频交流发电机，其特征在于，所述励磁机(1)为旋转电枢式电励磁同步发电机；
励磁机(1)的定子为磁极，定子绕组为跨距为1个极距的励磁绕组(1-1)，励磁绕组(1-1)用于接入调压控制器，使得调压控制器用于为励磁机(1)提供对应的励磁电流，以使得主发电机(2)输出的电压值的大小恒定；
励磁机(1)的转子为电枢，电枢绕组(1-2)为三相对称绕组。
3.根据权利要求1所述的一种变速恒频交流发电机，其特征在于，所述主发电机(2)的定子绕组(2-1)和转子绕组(2-2)均为三相对称绕组。
4.根据权利要求1所述的一种变速恒频交流发电机，其特征在于，励磁变频器(3)包括驱动电路和主功率电路，驱动电路用于为主功率电路输入驱动指令信号，主功率电路用于检测励磁机(1)的电枢绕组线的电压频率，并根据电枢绕组线的电压频率以获取原动机的实时转速。
5.根据权利要求1所述的一种变速恒频交流发电机，其特征在于，主发电机(2)的磁极对数满足的条件为：
式中，p表示主发电机(2)的磁极对数；
fN表示主发电机(2)的额定电压频率；
nmax表示原动机的最高转速。
6.根据权利要求1所述的一种变速恒频交流发电机，其特征在于，
当原动机的实时转速低于原动机的最高转速时，主发电机(2)的定子绕组(2-1)感应出的电压频率满足：
式中，f表示主发电机(2)的定子绕组(2-1)感应出的电压频率恒等于主发电机(2)的额定电压频率；
p表示主发电机(2)的磁极对数；
nmax表示原动机的最大转速。
7.根据权利要求1所述的一种变速恒频交流发电机，其特征在于，励磁变频器(3)为主发转子绕组提供的交流电的频率满足：
式中，f2表示励磁变频器(3)为主发转子绕组提供的交流电的频率；
p表示主发电机(2)的磁极对数；
nmax表示原动机的最大转速；
nr表示原动机的实时转速。
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