CN203014578U - 组合型可拆卸同步发电机组飞轮 - Google Patents

Abstract

组合型可拆卸同步发电机组飞轮，将同步发电机组的原动机转轴延长，延长的转轴末端将轴的横截面加工成正六边形，用来安装飞轮片，飞轮片的中间设有孔，孔为正六边形并套在转轴上安装，飞轮片固定部件是由转轴的轴套并焊接垂直环构成，飞轮片与垂直环上设有螺孔，飞轮片通过螺栓与垂直环固定。只需要进行简单的飞轮片拆装，就可以匹配轴系所需要的转动惯量，机组通用性更强；本实用新型改造成本和技术难度都比较低，可靠性高。

Description

组合型可拆卸同步发电机组飞轮

技术领域：

本实用新型涉及一种提高小容量同步发电机组带非线性负荷能力的方法，主要应用于独立非线性小容量供电系统，可以针对不同种类的非线性负荷，有效提高发电机组为非线性负荷供电时的稳定性。

技术背景：

独立小容量供电系统发电容量较小，一般布置在用户附近，供电方式灵活、方便，广泛存在于船舶、工矿企业、石油钻井平台等装备供电场所，同时也作为一些重要用户的备用或应急供电系统，如智能楼宇、医院、发电厂、通信站等。随着电力电子技术的发展，大量整流型、脉冲型负荷出现在小容量供电系统中，导致负荷的非线性成分增加，对小容量同步发电机组造成了严重影响。同步发电机组作为一种典型的线性电源，在为非线性负荷供电时，会产生转速波动大、机组振动严重、输出电压畸变等现象，供电质量和供电可靠性大大降低。在实际的工程设计中，我国仍然沿用上世纪60年代的标准规范，采取发电机组容量满足负荷功率简单叠加的方法，并根据发电效率和环境因素对容量进行修正，并未考虑非线性负荷的影响。这造成了新型小容量供电系统中线性电源和非线性负荷极度不匹配的现象。同步发电机组也未根据非线性负荷的特点进行针对性设计，这导致按照常规方法设计的同步发电机组为非线性负荷供电时，出力达不到设计要求，使装备电源的选择存在较高的盲目性和不确定性。

实用新型内容：

本实用新型的目的是，提出一种组合型可拆卸同步发电机组飞轮，提高同步发电机组为不同非线性负荷供电的能力。通过在发电机组轴系加易于安装和拆卸的飞轮，增大电源的惯性，提高供电系统的稳定性和供电质量。主要是通过稳定机组轴系转速，达到稳定频率的效果。该实用新型改造成本低，产生效益高，且作用原理有严格的理论推导，具备可行性。考虑到不同的非线性负荷对同步发电机组的惯性大小要求不同（非线性成分高的负荷要求电源惯性相应增大），该实用新型将飞轮设计为多片组合形式，可以根据负荷的非线性程度配置相应数量的飞轮。

组合型可拆卸同步发电机组飞轮，组合型可拆卸同步发电机组飞轮，同步发电机组的原动机转轴延长，延长的转轴末端将轴的横截面加工成正六边形，用来安装飞轮，飞轮片2的中间设有孔，亦为正六边形，套在转轴上，飞轮片固定部件是由转轴的轴套并焊接垂直环构成，飞轮片与垂直环上设有螺孔，飞轮片通过螺栓与垂直环固定。如果用电设备多数为线性设备，则不需要很多的飞轮片即可保证机组运行的稳定性。当用电设备中的非线性负荷或脉冲型负荷增加时，只需进行简单改装，加适当的飞轮片，就可以使机组适应负荷的用电需求。

可以设有1-8片飞轮片在原动机转轴上。

在转轴的柱状部位设有螺孔，转轴的轴套亦设有螺孔，通过螺钉将转轴的轴套固定在转轴的柱状部位的螺孔；当转轴的轴套与飞轮片固定时，可防止飞轮片沿轴向移动，也防止飞轮片沿轴向移动。在飞轮片质量一定的情况下，其转动惯量和其质量分布有关系，在不妨碍机组安装和使用的前提下，应该将飞轮片的面积做大。

用飞轮储能的方法来保证同步发电机组为非线性负荷供电的稳定性方法简单易行，相对于在系统中加有源滤波器或无源滤波器的做法，成本低廉，

本实用新型的作用原理加以说明。同步发电机为线性负载供电时，电机的输出端输出标准正弦波电流，该电流在电机定子绕组产生的旋转磁场对转子产生与柴油机输出转矩电磁转矩，在负荷一定时，该转矩与柴油机的输出转矩时时相等，机组运行比较稳定。但是若负荷中含有非线性成分，电机输出电流含有谐波成分，该电流在转子上产生的电磁转矩就不再为恒定值，而是一个随时间周期性变化的量。由于原动机的输出转矩为恒定值，所以机组轴系的受力处于时时不平衡状态，导致机组转速变化、震动增大、稳定裕量减小。同步发电机的输出电流为非正弦波时转子电磁转矩的计算有多种方法，下面以能量法为例，对该方法的原理进行证明。

计算假设：（1）不考虑电机磁饱和；（2）忽略电机气隙偏心，认为定子和转子之间的气隙是均匀的；（3）不考虑谐波电流对励磁系统的影响，认为励磁系统可以稳定输出电压；（4）电机极对数为1。

发电机带线性负载运行时，其气隙磁动势可以看作两个行波方程的合成，即

$f(\mathrm{\α},t)=F_s\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t-\mathrm{\α})+F_r\cos ({\mathrm{\ω}}_{0}t-\mathrm{\α}+\mathrm{\ψ}+\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(1\right)$

F_s——定子绕组合成磁动势基波分量幅值

F_r——转子绕组磁动势基波分量幅值

ω₀——电角频率

α——定子机械角度

ψ——其中θ为功率角，

为功率因数角电机气隙磁场能量为：

$W=\frac{{\mathrm{RL\Λ}}_0}{2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{[F_s(\mathrm{\α},t)+F_r(\mathrm{\α},t)]}^2\mathrm{d\α}---\left(2\right)$

R——定子内圆半径

L——电机轴向有效长度

Λ₀——均匀气隙磁导

定子和转子电流不变时，转子作虚位移Δψ，可得电磁转矩为：

$T_e=\frac{\∂W}{\∂\mathrm{\ψ}}=\mathrm{\πRL}{F}_r{F}_s\cos \mathrm{\ψ}---\left(3\right)$

当电枢电流中含有谐波时：

$W^{\′}=\frac{{\mathrm{RL\Λ}}_0}{2}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{[F_s(\mathrm{\α},t)+F_r(\mathrm{\α},t)+\underset{n=2}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}{F}_n(\mathrm{\α},t)]}^2\mathrm{d\α}---\left(4\right)$

其中，F_n(α，t)＝F_ncos(nω₀t±α+θ_n)（当n＝6k+1时取负号，n＝6k-1时取正号），可得：

$T_e^{\′}=\frac{\∂W^{\′}}{\∂\mathrm{\ψ}}=\mathrm{\πRL}{\mathrm{\Λ}}_0{F}_r{F}_s\cos \mathrm{\ψ}+\underset{n=2}{\overset{+\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\πRL}{\mathrm{\Λ}}_0{F}_r{F}_n\cos [(\stackrel{\‾}{+}n-1){\mathrm{\ω}}_{0}t-\mathrm{\ψ}\stackrel{\‾}{+}{\mathrm{\θ}}_n]---\left(5\right)$

当n=6k+1时取正号，n=6k-1时取负号。其中，前半部分是转矩的恒定分量，后半部分是转矩的脉动分量。假设原动机的输出转矩在轴系的平衡作用下是没有脉动的。在一段较短的时间内，认为输出转矩为恒定值。而同步发电机的电磁转矩在谐波电流的影响下含有脉动分量。

在MATLAB中建立三相电源带不控整流电路的仿真模型，根据仿真结果得到发电机组输出电流的波形及其频谱。由式（5）得到同步发电机电磁转矩的解析式，并绘制其变化曲线，如图2所示：

图2中，M表示柴油机的最大输出转矩，T_e表示同步发电机的电磁阻力矩。从0时刻开始到t₁之间，T_e＜M，转轴加速转动，在t₁到t₂之间，T_e＞M，转轴减速转动。这时，转轴的频率不再为恒定的50Hz，而是上下摆动，并由此产生机械振动，使设备疲劳，轴承磨损，机械寿命降低。在假设条件下，转轴角速度的变化满足下式：

$\mathrm{\Δ\ω}\left(t\right)=\frac{1}{2H}{\∫}_0^t(T_M-T_e)\mathrm{dt}-K_d\mathrm{\Δ\ω}\left(t\right)---\left(6\right)$

ω(t)＝Δω(t)+ω₀                                (7)

其中，T_M＝M，T_e同式（5）中的T_e＇，Δω为轴系转速变化量，H为轴系的转动惯量。T_e脉动越大，频率越不稳定，引起的震动就越大，但是当负荷一定时，T_e是一个无法控制的量，要保证机组的稳定，尽量减小Δω的值，只能增大轴系的转动惯量H。

本实用新型的有益效果是，当需要匹配的轴系转动惯量H越大。因此该实用新型将飞轮设计为可以任意组合、拆卸的结构。同步发电机组（或柴油机、汽油机厂家）厂家不需要针对不同的非线性负荷设计不同质量的飞轮，便于统一生产规格；当用电负荷的非线性含量改变时，只需要进行简单的飞轮片拆装，就可以匹配轴系所需要的转动惯量，机组通用性更强；改造成本和技术难度都比较低，可靠性高。

附图说明：

图1为本实用新型的装配示意图;

图2为本实用新型的原理图，涉及同步发电机原动机输出转矩与电磁阻力矩比较图。电磁转矩的解析式（变化曲线）。

具体实施方式

下面结合附图，对该实用新型的一种实施例进行说明。

原动机（柴油发动机）7上（如康明斯120KW柴油发动机）制成引出轴6，引出轴采用横截面为六角形的轴，飞轮的轴孔为六角形孔，套进匹配的引出轴6上，设有飞轮固定件，固定件为带法兰的固定套3，固定套的内孔为六角形孔，将固定套套在引出轴6上，固定套设有固定螺钉5将固定套固定在引出轴上，法兰上设有螺孔，飞轮上亦设有螺孔，从而通过螺栓4套在法兰和飞轮上螺孔，设有与螺栓4匹配的螺母1将飞轮固定在引出轴6上。原动机原有转轴，该转轴需要在原来的基础上加长，在后端延伸出足够的长度，并在末端将轴加工成正六面体，用来安装飞轮。固定套设有固定螺钉5为四个螺孔螺钉，每个间隔90°。固定套3用于固定飞轮，防止飞轮沿轴向移动，固定套与法兰应该采用强度较高的钢材，用螺钉5（另外3个未画出）固定于转轴之上。飞轮2为片式飞轮，采用高密度、高强度金属或复合材料，中间打正六边形孔，可套在转轴上，用螺丝4（共3个，有一个未画出）固定在固定套3上，防止飞轮片沿轴向移动。在飞轮质量一定的情况下，其转动惯量和其质量分布有关系，在不妨碍机组安装和使用的前提下，应该将飞轮片的面积做大。如果用电设备多数为线性设备，则不需要很多的飞轮片即可保证机组运行的稳定性。当用电设备中的非线性负荷或脉冲型负荷增加时，只需进行简单改装，加适当的飞轮片，就可以使机组适应负荷的用电需求。

用飞轮储能的方法来保证同步发电机组为非线性负荷供电的稳定性方法简单易行，相对于在系统中加有源滤波器或无源滤波器的做法，该方法成本低廉，不需要额外投入。同时，将飞轮设计为多个可拆装的飞轮片，能够使机组适应不同的非线性负荷，通用性强，改造难度低。该实用新型具有较好的实用性和经济性。

以上说明和实施例并不构成对本申请的限定，基于本申请的简单和非创造性改进并没有超出本申请权利要求保护的范围。

Claims (3)

1.组合型可拆卸同步发电机组飞轮，其特征是将同步发电机组的原动机转轴延长，延长的转轴末端将轴的横截面加工成正六边形，用来安装飞轮片，飞轮片的中间设有孔，孔为正六边形并套在转轴上安装，飞轮片固定部件是由转轴的轴套并焊接垂直环构成，飞轮片与垂直环上设有螺孔，飞轮片通过螺栓与垂直环固定。

2.根据权利要求1所述的组合型可拆卸同步发电机组飞轮，其特征是设有1-8片飞轮片安装在所述转轴上。

3.根据权利要求1所述的组合型可拆卸同步发电机组飞轮，其特征是转轴的柱状部位设有螺孔，转轴的轴套亦设有螺孔，通过螺钉将转轴的轴套固定在转轴的柱状部位的螺孔。

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