CN202488288U - 独立集电器的内馈发电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种独立集电器的内馈发电机，以解决双馈发电机存在的以下问题：滑环以悬臂梁形式固定在转子轴上易抖动而打火；滑环线速度高导致滑环和电刷可靠性差；转差功率无谓循环使发电效率低；输出电压低引起损耗大。本实用新型提供的独立集电器的内馈发电机包括：发电机本体、集电器和双向变流器，其中发电机本体的定子包括：连接电网的第一定子绕组、连接双向变流器的第一网端的第二定子绕组；集电器设置于双向变流器第二网端与转子绕组之间；双向变流器，与第二定子绕组和集电器连接。根据本实用新型的技术方案，减小滑环直径降低了线速度提高了可靠性，简支梁结构解决了滑环抖动产生的打火问题，通过第二定子绕组提高了发电效率。

Description

独立集电器的内馈发电机

技术领域

本实用新型涉及电机领域，特别地，涉及一种独立集电器的内馈发电机。

背景技术

目前，风力发电机普遍采用双馈风力发电机，主要由绕线转子的异步发电机和双向变流器组成。发电机的定子绕组直接与电网连接并向其发电，转子绕组则要通过由滑环和电刷构成的集电器再经过双向变流器与附加电源相连，转子除了输入风力的机械功率之外，还根据转速变化的情况，和附加电源进行一定的功率交换。由于上述的双馈风力发电机的结构和原理，实际运行中暴露出一下问题和不足：

1、集电器的滑环固定在发电机的转子轴之上，而且呈悬臂梁结构，因此受发电机谐波转矩以及其它不平衡转矩的作用，使滑环随转子轴一起抖动，并和电刷产生打火形成火花，从而造成滑环的烧蚀和电刷的磨损加剧；另外，滑环的直径受发电机转子轴直径的限制而较大，滑环旋转的线速度相应增高，由此导致电刷的磨损严重，缩短电刷使用寿命。以上的集电器缺陷将导致发电机运行的可靠性降低，维护成本加大，特别在风力发电的特殊环境下，问题显得尤为突出。

2、为了避免附加变压器，而将定子发电电源和转子的附加电源合一，为此只得降低发电机的发电电压，例如目前双馈风力发电普遍采用690V，从而导致发电机的定、转子电流增大，输电线路损耗增大，发电效率降低。为实现高压发电，就需要在半导体变流控制装置和电源之间设置变压器，造成成本提高。

3、当发电机处于亚同步发电状态时，转子须从外电源中吸收一定的附加电功率，最终通过定子线圈回馈电源，由此造成附加功率的无谓循环和损耗，加重了定子绕组的功率负荷和发热，而且降低了发电效率。

4、变流装置直接和附加电源相连，由于变流装置的非线性，致使转子绕组和外接电源的电流产生较大畸变，引起电网的谐波污染。

上述的技术不足和缺陷目前都尚未有公开的解决方案。

特别是针对现有技术中风力发电机滑环的直径受发电机转子轴直径的限制缺陷，目前没有提出有效的解决方案。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种独立集电器的内馈发电机，以解决上述现有双馈风力发电机滑环的直径受发电机转子轴直径的限制的问题。

另外通过对技术方案的优化，解决了上述现有双馈风力发电机各项技术不足和缺陷。

首先说明集电器问题的解决方案。为了克服集电器的滑环抖动所引起的打火缺陷，本实用新型采用了独立集电器，即集电器不再固定在发电机的转子轴之上，而是成为一个结构独立的个体，然后，通过机械联轴器和电缆的联接，将独立集电器和发电机本体联系成一体。该集电器包括：联轴器，与发电机本体的转子轴机械连接；滑环轴，与联轴器连接，随发电机本体的转子轴同步旋转，当发电机本体旋转运行时，独立集电器和发电机同步旋转，其中的滑环和转子绕组电缆相对静止，因此两者能够固定联接；滑环，设置在滑环轴上，与转子绕组的出线连接；电刷，与滑环紧密接触的静止导电器件，安装在固定的集电板上，转子绕组最终由电刷的集电板引出。

独立集电器的联轴器带有减震缓冲器，以吸收转子轴的抖动。滑环轴采用双轴承的简支梁结构，以提高抑制抖动的能力。滑环轴仅仅承载滑环的载荷，与发电机载荷无关，因此滑环轴的直径较比发电机转子轴减小，降低了滑环的线速度。以上的技术措施，有效地克服了现行集电器的缺陷，延长了滑环、电刷的使用寿命，也提高了发电机的运行可靠性。基于这一优点，本发电机适于制造为二极的高转速发电机。

进一步地，联轴器为带有减震缓冲的法兰联轴器。

进一步地，滑环轴为双轴承简支梁结构。

进一步地，集电器每相设置多个并联滑环，以满足转子中通过大电流的需要。

进一步地，滑环轴的轴直径小于发电机本体的转轴的直径。

然后说明发电机的內馈技术方案。內馈发电机本体的定子铁心上含有第一定子绕组和第二定子绕组，两个定子绕组同槽篏放，并相互绝缘，二者之间为电磁感应的关系。第一定子绕组和电网相连，将发电机的电能馈入电网。第二定子绕组的感应电势根据转子电势和调速范围设计，并通过变流装置与转子相连。第二定子绕组和转子之间进行一定的功率交换，当风力发电机处于亚同步运行状态时，第二定子绕组通过变流装置向转子输出一定的电功率；而当风力发电机处于超同步运行状态时，第二定子绕组则通过变流装置吸收转子的部分电功率。第二定子绕组的功率缘于第一定子绕组，最终，第一定子绕组的发电功率等于转子和第二定子的功率之和，结果即为扣除损耗的输入机械功率，其中不含无谓的附加功率。

进一步地，第一定子绕组和第二定子绕组在定子铁芯上同槽布置，第二定子绕组位于第一定子绕组的顶部。

进一步地，第一定子绕组的额定输出电压为6kV或10kV。

进一步地，第二定子绕组还接有补偿滤波器，该补偿器包括：串联电感，串联在补偿电容和第二定子绕组之间；补偿电容，使用三角形接线方式，与串联电感连接。目的是改善发电机的功率因数和抑制第二定子绕组的电流谐波。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种独立集电器的内馈发电机，该内馈发电机包括：发电机本体，包括定子和转子，其中，定子包括：第一定子绕组，连接电网；第二定子绕组，连接双向变流器的第一网端；转子包括：转子绕组，与集电器的滑环电连接，集电器，设置于双向变流器的第二网端与转子绕组之间，该集电器包括：联轴器，与发电机本体的转轴机械连接；滑环轴，与联轴器连接，随发电机本体的转轴同步旋转；滑环，设置在滑环轴上，与转子绕组的出线连接；电刷，与滑环匹配设置，连接双向变流器的第二网端，双向变流器，与第二定子绕组和集电器连接。

进一步地，第一定子绕组和第二定子绕组在定子铁芯上同槽布置，第二定子绕组位于第一定子绕组的顶部。

进一步地，第一定子绕组的额定输出电压为6kV或10kV。

进一步地，第一定子绕组的绕线方式为二极电机的绕线方式。

进一步地，联轴器为带有减震缓冲的法兰联轴器。

进一步地，滑环轴为双轴承简支梁结构。

进一步地，集电器每相设置多个滑环，多个滑环并联运行。

进一步地，滑环轴的轴直径小于发电机本体的转轴的直径。

进一步地，上述内馈风力发电机还包括补偿器，与第二定子绕组连接，在工频下为容性，补偿器包括：串联电感，串联在补偿电容和第二定子绕组之间；补偿电容，使用三角形接线方式，与串联电感连接。

根据本实用新型的技术方案，在转子绕组和双向变流器之间独立设置集电器，其滑环的直径便不再受风力发电机主轴尺寸的限制，使结构更趋合理，可以通过减小滑环的直径降低了线速度，从而克服了滑环和电刷磨损严重，提高了运行可靠性，第一定子绕组向电网输出电能，转子绕组与电网之间没有直接的连接和功率交换，从而避免了转差功率的无谓循环和损耗，提高了发电效率。

附图说明

说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的独立集电器的内馈发电机的示意图；

图2是根据本实用新型实施例的独立集电器的内馈发电机中绕组连接示意图；

图3是根据本实用新型实施例的独立集电器的内馈发电机中集电器的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

本实用新型的实施例提供的独立集电器的内馈发电机是设置有独立集电器的内馈风力发电机，为了克服集电器的滑环抖动所引起的打火缺陷，设置了独立集电器，即集电器不再固定在发电机的转子轴之上，而是独立设置，然后，通过机械联轴器和引线的连接，将独立集电器和发电机本体联系成一体。该集电器包括：联轴器，与发电机本体的转子轴机械连接；滑环轴，与联轴器连接，随发电机本体的转子轴同步旋转，当发电机本体旋转运行时，独立集电器和发电机同步旋转，其中的滑环和转子绕组引线相对静止，因此两者能够固定联接；滑环，设置在滑环轴上，与转子绕组的出线连接；电刷，与滑环紧密接触的静止导电器件，安装在固定的集电板上，转子绕组最终由电刷的集电板引出。

独立集电器的联轴器带有减震缓冲器，以吸收转子轴的抖动。滑环轴采用双轴承的简支梁结构，以提高抑制抖动的能力。滑环轴仅仅承载滑环的载荷，与发电机载荷无关，因此滑环轴的直径较比发电机转子轴减小，降低了滑环的线速度。以上的技术措施，有效地克服了现行集电器的缺陷，延长了滑环、电刷的使用寿命，也提高了发电机的运行可靠性。基于这一优点，本发电机适于制造为二极的高转速发电机。其中，联轴器可以为带有减震缓冲的法兰联轴器；滑环轴可以为双轴承简支梁结构；集电器每相可以设置多个并联滑环，以满足转子大电流的需要。滑环轴的轴直径小于发电机本体的转轴的直径，以减少滑环的线速度。

为了实现发电机的內馈技术方案。本实用新型实施例的內馈发电机本体的定子铁心上含有第一定子绕组和第二定子绕组，两个定子绕组通槽篏放，并相互绝缘，二者之间为电磁感应的关系。第一定子绕组和电网相连，将发电机的电能馈入电网。第二定子绕组的感应电势根据转子电势和调速范围设计，并通过变流装置与转子相连。第二定子绕组和转子之间进行一定的功率交换，当风力发电机处于亚同步运行状态时，第二定子绕组通过变流装置向转子输出一定的电功率；而当风力发电机处于超同步运行状态时，第二定子绕组则通过变流装置吸收转子的部分电功率。第二定子绕组的功率缘于第一定子绕组，最终，第一定子绕组的发电功率等于转子和第二定子的功率之和，结果即为扣除损耗的输入机械功率，其中不含无谓的附加功率。其中，第一定子绕组和第二定子绕组在定子铁芯上同槽布置，第二定子绕组位于第一定子绕组的顶部；第一定子绕组的额定输出电压为6kV或10kV，通过提高电压，减小电流，减低发电机和线路的功率损耗；第二定子绕组还可以接有补偿滤波器，该补偿器包括：串联电感，串联在补偿电容和第二定子绕组之间，补偿电容使用三角形接线方式，与串联电感连接。目的是改善发电机的功率因数和抑制第二定子绕组的电流谐波。

图1是根据本实用新型实施例的独立集电器的内馈发电机的示意图，如图1所示，该独立集电器的内馈发电机主要包括：发电机本体1，包括定子和转子，其中，定子包括第一定子绕组W1和第二定子绕组W3，其中，第一定子绕组W1与电网连接，用于向电网输出电能，第二定子绕组W3连接双向变流器3的第一网端，转子包括转子绕组W2，通过集电器的滑环和电刷连接至双向变流器3的第二网端，转子绕组W2和第二定子绕组W3在双向变流器3的控制下，保证第一定子绕组W1恒频输出电能；双向变流器3，该双向变流器3的两侧分别与第二定子绕组W3和转子绕组W2连接，用于转换第二定子绕组W3和转子绕组W2之间的电能。

发电机本体1的转子绕组W2经由双向变流器3与第二定子绕组W3连接，第二定子绕组W3和转子绕组W2产生转差电能交换，当发电机转轴的转速低于同步转速，也就是风力发电机处于亚同步工作状态时，第二定子绕组W3向转子绕组W2提供转差功率。当发电机转速高于同步转速，也就是风力发电机处于超同步工作状态时，第二定子绕组W3从转子绕组W2吸收转差功率，从而保证电机始终运行于发电状态。发电机本体1的转子绕组W2和电网之间没有直接的电连接和功率交换。由第一定子绕组W1单独向电网输出电能。在忽略定子绕组损耗和激磁损耗的理论情况下，本实用新型实施例的独立集电器的内馈发电机的发电电功率即为风力机械输入功率，改进了双馈发电机从电网侧吸收或输出转差功率的问题，从而避免了转差功率的无谓循环和损耗。在控制有功的转差功率的同时，第二定子绕组W3还向转子绕组W2提供一定的感性激磁电流，以改善风力发电机的功率因数。

图2是根据本实用新型实施例的独立集电器的内馈发电机中绕组连接示意图，如图所示，第一定子绕组W1和第二定子绕组W3的关系与变压器的电磁感应关系大致相同，第一定子绕组W1相当于变压器的原边绕组，第二定子绕组W3则相当于变压器的副边绕组。第二定子绕组W3的感应电压根据转子额定电压和调速范围灵活进行设计，可以选择三角形接法或者星形接法。第二定子绕组W3和第一定子绕组W1的极数和相数相同，在定子铁芯上同槽布置，第二定子绕组W3位于所述第一定子绕组W1的顶部，两者相互绝缘。

本实用新型实施例提供独立集电器的内馈发电机的集电器2设置于所述转子绕组W2和双向变流器3之间，图3是根据本实用新型实施例的独立集电器的内馈发电机中集电器的示意图，如图3所示，该集电器2包括：联轴器5，与发电机本体1的转轴机械连接；滑环轴，与联轴器5连接，随发电机本体1的转轴同步旋转，轴直径小于所述发电机本体1的转轴的直径；滑环6，设置在滑环轴上，与转子绕组W2的出线电连接；电刷7，与双向变流器3电连接，与滑环6匹配设置。该集电器2独立设置于发电机本体1之外，从而保证滑环6的直径不受发电机本体转轴尺寸影响，从而可以按照最优运行效果设计集电器2的结构参数，使风力发电机结构更趋合理。另外由于集电器2外置，便于日常的维护，节省了运行成本。

联轴器5为带有减震缓冲的法兰联轴器，以保证转子绕组W2和设置在滑环轴上的滑环6同步旋转。转子绕组W2和集电器2的滑环6直接电气连接。集电器2的滑环轴为双轴承的简支梁结构，既可以起减震缓冲的作用，也不会因为滑环与电刷接触不良而打火。集电器2的滑环轴和滑环6一体安装，然后整体加工成型，从而具有高精度的同轴度，以减小电刷和滑环的磨损。为了降低滑环与电刷接触面的线速度，减小机械磨损，集电器2采用直径较小的滑环6，当单一滑环6的负荷电流不能满足发电机转子绕组W2额定电流需求时，集电器2每相可以设置多个滑环6，多个与之配合的电刷并联运行提高额定载流量。发电机本体1的定子绕组极数优选为2极。这种情况下，在额定功率相同的条件下，发电机的体积、重量以及材料成本降低。

本实用新型实施例提供独立集电器的内馈发电机的第一定子绕组W1的额定电压可以根据电网的额定电压设置，根据需要可以绕制为高压绕组，额定输出电压取6kV或10kV，也可以绕制为额定输出电压为690V的低压绕组，由于电网也不需要向转子绕组W2提供附加电源，从而风力发电机可以利用高压绕组直接向高压电网输出电能，从而减小了发电电流以及由此引起的损耗。

本实用新型实施例提供独立集电器的内馈发电机的补偿器4，在工频情况下为容性负载，由低压补偿电容器和串联电感构成，补偿器的串联电感串联在第二定子绕组W3和低压补偿电容器之间，当发电机工作时，第二定子绕组W3有容性无功电流通过补偿器4，使第二定子绕组W3产生容性无功补偿功率，从而提高发电机的功率因数。同时，补偿器4还可以为第二定子绕组W3中的高次谐波电流提供了低电抗的旁路，起到滤波器的作用。低压补偿电容器的连接方式可以使用三角接线方式。

异步发电机发电运行，必须满足两个基本条件：1、机械转速n高于理想转速n₀，2、电磁转矩T和机械转速反向。为此，使本实用新型的实施例的内馈风力发电机正常运行，必须要通过调速控制以满足n＞n₀，并控制转子绕组有功电流的方向，以使其与转子开路电势的方向相反。本实施例的独立集电器的内馈发电机是通过第二定子绕组W3进行反馈和变流控制来实现以上条件的。双向变流器3由两个整流逆变可逆的三相变流器组成，这两个三相变流器按照连接关系可以分为第二定子绕组侧变流器和转子绕组侧变流器，其中，第二定子绕组侧变流器通过双向变流器3的第一网端连接第二定子绕组W3的引出端，转子绕组侧变流器通过双向变流器3的第二网端连接转子绕组W2的引出端。

本实用新型实施例提供独立集电器的内馈发电机的基本工作原理为：当风力发电机亚同步发电运行时，第二定子绕组W3向转子绕组W2提供转差功率。当风力发电机超同步发电时，转子绕组W2向第二定子绕组W3输出转差功率。另外，双向变流器3还通过转子绕组电流超前于转子电势的控制使转子产生激磁电流分量，以提高异步发电的功率因数。当发电机本体1的第一定子绕组W1接通电源时，第一定子绕组W1内交流电流产生的旋转磁场使第二定子绕组W3感应出工频电势E3，并且通过电磁感应与第二定子绕组W3形成功率交换。发电机本体1的机械输入功率PM由风力原动机提供，当发电机处于亚同步发电状态时，第二定子绕组W3通过双向变流器3的电压和频率进行控制，向转子绕组W2供出转差功率P_es。第二定子绕组W3处于从转子绕组W2吸收能量状态，而转子绕组W2处于输出能量状态。转子发电的电磁功率-P_em(以电动功率为参考正方向)为机械功率-P_M与第二定子绕组W3提供的转差功率-P_es之和，即-P_em＝-(P_M+P_es)。第一定子绕组W1一方面向第二定子绕组W3供电，另一方面又从转子绕组W2得到发电的电磁功率，所以定子的功率P₁为转子发电功率与第二定子绕组W3电动功率之和，即P₁＝-P_em+P_es＝-P_M，那么在忽略损耗的情况下，输出和吸收的转差功率在定子中抵消，也就是第二电子绕组W3提供了发电机运行中的附加电源，从而，第一定子绕组W1的发电功率仅为机械输入功率，而不像如双馈发电机含有转差功率P_es，于是避免了转差功率的无谓循环，以及由此引起的功率损耗。

当本实施例提供的独立集电器的内馈发电机处于超同步发电时，转子绕组W2需要将机械功率中的转差功率P_es通过变流控制器3馈入第二定子绕组W3，余下的转子电磁功率经电磁感应传输给第一定子绕组W1，转子绕组W2的发电电磁功率为机械功率P_M与转差功率P_es之差，即-P_em＝-(P_M-P_es)，定子功率为转子绕组W2与第二定子绕组W3的发电功率之和，即P₁＝-(P_em+P_es)＝-P_M，发电机的发电功率仍为机械输入功率而不含转差功率。

由此可见，本实施例提供的独立集电器的内馈发电机的发电功率只由第一定子绕组W1输出，转子绕组W2不对外发电。另外，第一定子绕组W1的发电有功功率为风力输入的机械功率，其中不含调速控制的转差功率，从而避免了转差功率在电网-转子-定子-电网的无谓循环及其引起的损耗，发电效率得以提高。

根据本实用新型的技术方案，在转子绕组和双向变流器之间独立设置集电器2，其滑环6的直径便不再受发电机本体主轴尺寸的限制，使结构更趋合理，可以通过减小滑环6的直径降低了线速度，从而克服了滑环和电刷磨损严重，提高了运行可靠性，第一定子绕组W1向电网输出电能，转子绕组W2与电网之间没有直接的连接和功率交换，从而避免了转差功率的无谓循环和损耗，提高了发电效率。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种独立集电器的内馈发电机，其特征在于，包括：

发电机本体，包括定子和转子，其中，

所述定子包括：第一定子绕组，连接电网；第二定子绕组，连接双向变流器的第一网端；

所述转子包括：转子绕组，与集电器的滑环电连接，

所述集电器，设置于所述双向变流器的第二网端与所述转子绕组之间，包括：

联轴器，与所述发电机本体的转轴机械连接；

滑环轴，与所述联轴器连接，随所述发电机本体的转轴同步旋转；

滑环，设置在所述滑环轴上，与所述转子绕组的出线连接；

电刷，与所述滑环匹配设置，连接所述双向变流器的第二网端，

所述双向变流器，与所述第二定子绕组和所述集电器连接。

2.根据权利要求1所述的内馈发电机，其特征在于，所述第一定子绕组和第二定子绕组在定子铁芯上同槽布置，所述第二定子绕组位于所述第一定子绕组的顶部。

3.根据权利要求1所述的内馈发电机，其特征在于，所述第一定子绕组的额定输出电压为6kV或10kV。

4.根据权利要求1所述的内馈发电机，其特征在于，所述第一定子绕组的绕线方式为二极电机的绕线方式。

5.根据权利要求1所述的内馈发电机，其特征在于，所述联轴器为带有减震缓冲的法兰联轴器。

6.根据权利要求1所述的内馈发电机，其特征在于，所述滑环轴为双轴承简支梁结构。

7.根据权利要求1所述的内馈发电机，其特征在于，所述集电器每相设置多个所述滑环，所述多个所述滑环并联运行。

8.根据权利要求1中所述的内馈发电机，其特征在于，所述滑环轴的轴直径小于所述发电机本体的转轴的直径。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的内馈风力发电机，其特征在于，还包括补偿器，与所述第二定子绕组连接，在工频下为容性，所述补偿器包括：

串联电感，串联在补偿电容和所述第二定子绕组之间；

补偿电容，使用三角形接线方式，与所述串联电感连接。

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