CN1523733A - 适应转速大范围变化的分点全压发电技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适应转速大范围变化的分点全压发电技术，目的是为解决现有发电机的输出电压有效区间窄和电压利用率低的问题。该技术是将构成发电机定子绕组中的线圈元件或者是将构成线圈元件的子元件分离成为偶数个电气结构相同的部分，每部分引出独立的接线端子组，在每相邻两部分的接线端子之间，接有可使两部分实现串联或者并联连接、且同名端电流方向一致的电控开关阵列。采用本发明，可使发电机输出电压在一定的波动范围内，对应着一个很大的转速有效区间。由此提高了发电机的电压利用率，满足了用户在转速大范围波动时的使用需要。

Description

适应转速大范围变化的分点全压发电技术

所属领域

本发明涉及一种发电机制造技术，具体地说是一种适应转速大范围变化的分点全压发电技术。

技术背景

利用现有技术制造的发电机，其定子绕组是由绝缘导线在定子铁芯内绕制成的多个线圈元件所组成，而每个线圈元件(以下简称为“元件”)一般是由单股绝缘导线在相同定子线槽内圈绕若干匝后制成，当然还有采用多股导线并绕技术制成的元件。在现有发电机中，各元件之间按照不同发电机的使用要求或者是某一固定规律进行接线并产生一组接线端子。在理想条件下，如果负载恒定时，在接线端子处测量得到的输出电压与发电机的转子转速符合线性关系。也就是说转速的任何波动，都会直接造成输出电压的波动。因此，在需要电压恒定的工作场合，往往需要进行动力源转速的稳定，或是对发电机输出电压通过稳压器进行稳压，也可经由DC/DC变换器进行动态调整。在没有任何稳压措施的条件下，如果转子转速降低一半，则发电机的输出电压值也会降低一半。而转速如果再行降低的话，则对于现有的各种发电机或是已知的各种稳压技术来说，就已经不能够再向用电系统提供保证正常工作的电压了。因为如此大范围的电压变化，已经远远超出了目前现有的各种调压技术的适用范围了。而在风力发电或是电动汽车的刹车能量回馈系统等场合，这种转子转速的大范围变化，是随时都可能发生的。因此，如何成倍地扩大发电机转速的有效范围，提高发电机的电压利用率，是电机行业长期未能得到解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是提供一种适应转速大范围变化的分点全压发电技术，以使发电机在大转速变化情况下，仍可提供有效的工作电压。

本发明的目的是这样实现的：该技术是将构成发电机定子绕组中的线圈元件或者是将构成线圈元件的子元件分离成为2N个(N≥1)电气结构相同的部分，每部分引出独立的接线端子组，在每相邻两部分的接线端子之间，接有可使两部分实现串联或者并联连接、且同名端电流方向一致的电控开关阵列。

本发明的基本思想是：当一台发电机的最高转速确定之后，一个线圈元件(或是一相定子绕组)的最高空载输出电压也就随之确定了(有负载的情况类同)。此时可以将该线圈元件产生的最高电压称之为“全压”。那么，当转速降至一半时，如前所述，在一个元件上就只能产生相对于全压一半的电压，这里称之为“半压”。那么，从全压到半压的转速区间，就可以认为是该发电机的电压有效区间。而此时如果能将两个产生半压的线圈元件串联起来使用，则在该两元件串联后所等效的线圈元件上就又可以产生一个新的“全压”了。也就是说，通过动态改变线圈元件之间的串并联关系，形成新的等效线圈元件，发电机在新的(低)转速点上就仍有可能输出一个新的“全压”。

基于这种思想，本发明提出了一种全新的线圈元件绕制与连接方式。这就是将发电机定子绕组中的每个线圈元件分解成为偶数个分立的子元件，每个子元件具有完全相同的物理和电气结构，但在电路上是相互独立的，并且可以按照一定的规律进行动态串、并联，以形成可以产生一个新的“全压”的等效线圈元件。在线圈元件的串、并联转化过程中，各个子元件同名端的电流方向应保证一致，并且子元件的这种串、并联的动态变化，是设定在所产生电压降至半压(或某个设定比例值)的时刻点。这样，在该半压所对应的转速点上，就又可重新获得一个全压。待转速及电压再下降至下一个新半压点时，再进行一次子元件的串、并联改变，使等效的线圈元件上再产生一个新的全压……由此就将转子的转速分成了若干个转速段，在每个转速段内都会有一个段内的“全压点”，并使发电机直接输出的电压变化范围，局限在全压与半压之间。具体来说就是当发电机全速运行时，各线圈元件中的所有子元件并联连接，此时的输出电压为全压；当转速降至相当于全压转速的一半或某个设定的比例值时，及时改变子元件的串、并联方式，即可实现“电压倍增”，使其在新的转速点上又有一个全压输出。从而使发电机在这些较低的转速段内，仍可发出相对较高的电压，直至转速降到下一个切换点。当转速降至最低转速段时，各线圈元件中的子元件全部串联连接，以得到可能输出的最高电压。

采用本发明技术之后，可以使得整个发电机系统处在一个很宽的转速有效区间内，其直接发电的电压范围仅在全压与半压(或设定比例值)之间波动。由此提高了发电机的电压利用率，使发电机在额定的最高转速以下的大范围变化波动中，均可输出电压基本均衡的电力，从而满足了用户的使用需要。

对于由数个线圈元件串联连接组成定子绕组的发电机，将绕组对应于前述的“线圈元件”，而将线圈元件对应于前述的“子元件”，并采用前述的“子元件动态串、并联”的方式，也可发电机实现相同的分点全压的发电方式。

附图说明

图1是一个绕组采用四元件连接结构的发电机，在理想状态下的电势、转速波动图。

图2是一个线圈元件采用六个子元件结构的基本连接方式的电原理图。

图3是六个子元件的四种串并联连接方式的等效电路图。

图4是一个线圈元件采用六个子元件结构的发电机电势、转速波动图。

具体实施方式

实施例1：将发电机中每相定子绕组中的线圈元件分成在物理结构和电气结构上完全相同的四个部分，每部分引出一组独立的接线端子。在每相邻两部分的接线端子之间接有电控开关阵列，通过开关阵列中各开关不同的通、断变化，可使四部分的线圈元件之间实现不同的串、并联连接，并且使同名端的电流方向保持一致。

当发电机全速运行时，每相定子绕组中的四部分线圈元件是以并联方式连接，此时输出为全压。当转速降低一半时，这四部分线圈元件通过电控开关阵列的通断变化控制，以两两串联后再并联的方式连接，此时发电机又可重新输出全压。当转速降至原全速的1/4速(即新转速段内的半速)时，这四部分线圈元件又通过电控开关阵列的通断变化控制，以全部串联的方式连接，则此时的发电机又再次重新输出全压。在每次连接关系发生变化时，各部分同名端的电流方向均保持一致。

在假设发电机最低有效电压为全压的一半的条件下，由图1可见，发电机共有I、II、III三个有效区段。其中I区为全速的有效区段，II区为半速的有效区段，III区为1/4速的有效区段。此时发电机的电压有效区间就从传统方式中的1/2，扩大到了1/2+1/4+1/8＝7/8。因此，发电机的电压利用率大大提高。

在这种发电机中，可以得到三种基本的电压输出形式：一是在低转速下，采用元件全并联方式，可以得到低电压、较大电流的输出；二是在低转速下，采用元件全串联方式，可以得到高电压、较小电流的输出；三是在高转速下，采用元件全并联方式，可以得到高电压、大电流的输出。

虽然理论上在高转速下采用元件全串联方式，可以得到更高的电压输出，但考虑到相关器件的耐受性和元件本身的绝缘能力等因素，其实际应用意义不大，这里不再述及。

实施例2：将发电机定子绕组中的每个线圈元件分成六个分立的子元件部分。每个元件中的子元件位于相同的定子线槽，具有相同的电气结构和独立的接线端子组。在每相邻的两个子元件的接线端子之间接有电控开关阵列。电控开关阵列为由计算机程序控制的五个开关，各开关分别位于“工”字连接线上的两个节点之间以及每个节点与线端之间。如图2所示，Y₁-Y₆为一个线圈元件中的六个分立的子元件，占用相同的定子线槽，有独立的接线端子组，电气结构完全相同。在子元件Y₁与Y₂之间接有由计算机程序控制的五个开关1-5，组成了一个电控开关阵列。同理，开关6-10是子元件Y₂与Y₃之间的电控开关阵列；其余类推，至开关21-25为子元件Y₅与Y₆之间的电控开关阵列。开关1-25的通断状态全部由预先设定的程序决定，各子元件之间不同的串并联方式则完全取决于相应开关的通断状态。这里可分为单组6串联、2并3串联、3并2串联和单组6并联这四种连接方式。实现这四种连接方式的各开关通断关系如下表所示：

注：表中“√”所对应的开关为导通状态。

根据上表和图2所示的电原理图，即可导出上述四种元件连接方式的等效电路，即图3中的a为单组6串联，b为2并3串联，c为3并2串联，d为单组6并联。无论连接方式如何变化，均保证了六个子元件的同名端电流方向一致。

由图4可见，使用本发明所形成的整个全压—半压的四个有效区间非常宽阔，所对应的转子转速，从1/12速直至全速。

Claims (2)

1、一种适应转速大范围变化的分点全压发电技术，其特征在于该技术是将构成发电机定子绕组中的线圈元件或者是将构成线圈元件的子元件分离成为2N个(N≥1)电气结构相同的部分，每部分引出独立的接线端子组，在每相邻两部分的接线端子之间接有可使两部分实现串联或者并联连接、且同名端电流方向一致的电控开关阵列。

2、根据权利要求1所述的适应转速大范围变化的分点全压发电技术，其特征在于所述的电控开关阵列为由计算机程序控制的五个开关，各开关分别位于“工”字形连接线上的两个节点之间以及每个节点与线端之间。

Images