專利名稱：轉子多三相交流勵磁異步水輪發(fā)電機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種采用逆變器給轉子繞組供電的轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機。
背景技術：
對于水力發(fā)電系統(tǒng)而言，汛期和非汛期水庫的水頭和流量差別很大，在洪水期間由于水頭很高和流量比較大，定速水輪發(fā)電機無法利用這些能量，往往產(chǎn)生大量的棄水；在非汛期，由于水頭比較低，水輪機和發(fā)電機由于定速運行的限制，往往工作在較低的效率區(qū)間內(nèi)。常規(guī)水輪發(fā)電機組只能在額定同步轉速下運行，機組轉速固定不變。因此，水輪發(fā)電機的運行工況單值地決定于水頭和負荷，無調(diào)節(jié)余地、水輪機設計成在加權平均水頭下達到最優(yōu)單位轉速。然而當水頭變化時，水輪機單位轉速也隨之變化，而偏離了最優(yōu)單位轉速，這時水輪機效率低，氣蝕系數(shù)大。磨蝕和振動增加，機組運行工況惡化。若水輪發(fā)電機采用交流勵磁，那么，通過改變勵磁電流的頻率，可使發(fā)電機組運行于最優(yōu)轉速。交流勵磁調(diào)速水輪發(fā)電機組，是國內(nèi)外正在開發(fā)的一種新型水力發(fā)電設備，這種機組在水頭變化時，可以相應地調(diào)節(jié)轉速，兼顧出力要求，使機組始終運行于水輪機的最優(yōu)單位轉速附近，實現(xiàn)機組負荷的優(yōu)化調(diào)節(jié)。我國屬于季風氣候區(qū)，汛期與枯水期時機組的運行水頭變化很大.若根據(jù)水輪機的效率峰頂曲線、最高效率曲線、最高出力曲線及優(yōu)化導葉曲線，對水輪發(fā)電機進行負荷優(yōu)化調(diào)節(jié)，不僅可減少磨蝕，而且可提高效率。如果采用電機側與水輪機側協(xié)調(diào)控制，可使水輪發(fā)電機組運行于優(yōu)化負荷工況。
但是，目前世界各國的變水頭水輪發(fā)電機系統(tǒng)都采用三相常規(guī)交流勵磁調(diào)速系統(tǒng)又稱為三相靜止謝爾必斯系統(tǒng)或雙饋調(diào)速系統(tǒng)，交流勵磁發(fā)電機又稱為雙饋電機或異步化同步電機。該交流勵磁發(fā)電電動機實際上是一種轉子上嵌有三相交流繞組的繞線式感應電機，其定子和轉子分別通以頻率不同的三相交流電。特別是轉子側繞組，由于采用了三相系統(tǒng)，并且要求進行功率輸出，因此，其轉子側繞組通過的功率要比采用直流勵磁的同步電機工作方式大得多。采用常規(guī)三相系統(tǒng)后，其交流勵磁逆變器的功率高達幾十兆瓦甚至上百兆瓦，這樣使得逆變器的結構復雜、成本提高、制造困難，同時采用單一的三相系統(tǒng)，當電機的某一相繞組或逆變器的某一相橋臂發(fā)生故障時，系統(tǒng)將停止工作。對于功率很大的單一逆變器系統(tǒng)，一般采用交-交逆變器系統(tǒng)，在某些工作區(qū)域該系統(tǒng)的功率因數(shù)較低，對電網(wǎng)諧波污染問題需要附加裝置解決。因此，常規(guī)的三相交流勵磁水輪發(fā)電機系統(tǒng)的可靠性還需要進一步提高，常規(guī)三相其功率因數(shù)問題和諧波污染問題也需要進一步完善解決。大功率的交流勵磁發(fā)電/電動機系統(tǒng)采用多相系統(tǒng)或多三相系統(tǒng)是解決單一三相轉子繞組和逆變器可靠性以及提高電網(wǎng)品質(zhì)的有效途徑之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種采用逆變器給轉子繞組供電的轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機，該發(fā)電機的定子繞組為三相，直接連接在工頻電網(wǎng)上，而其轉子繞組具有多組在電路上獨立的三相對稱繞組，這些對稱三相繞組的組與組之間僅有磁路的互相耦合關系，沒有電路上的直接聯(lián)系，對于每一組采用星形連接的三相繞組，都具有各自的獨立中性點，并且這些中性點在電路上互相隔離。轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機轉子繞組總的相數(shù)具有3的倍數(shù)特征，即該發(fā)電機繞線轉子的總相數(shù)為2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相(n＝2，3，4...，n為大于2的正整數(shù))。對于多三相發(fā)電機的繞線轉子上有n個獨立三相繞組，其相鄰兩個三相繞組在空間的位移電角度可以采用位移360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。其結構含義是當β＝0時，轉子多三相繞組的獨立三相繞組之間沒有相位差，轉子多三相繞組的獨立三相之間的偏移角度可以采用非均勻分布角度結構，即根據(jù)繞組的排列，可以將轉子多三相繞組分為若干個組合，同組合的獨立三相之間的偏移角度為零，這樣在一定條件下可以將多三相繞組等效為三相繞組或六相繞組，避免某些分數(shù)槽排列所產(chǎn)生的次諧波或偶次諧波。
對于具有獨立中點的轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的示意圖參見說明書附圖1。在附圖中，電流的方向遵循發(fā)電機法則。
轉子采用多個星形繞組連接的多相逆變器供電的轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機需要采用多個星形三相繞組的協(xié)同控制和存在互感耦合的解耦控制問題。因此轉子采用多個星形繞組連接的轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的控制十分復雜。但是，采用多相逆變器供電的轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機由于轉子有多個星形繞組連接，其繞組的連接方法更加靈活，可以采用多個星形中點，其多個星形中點在電路上是互相獨立的。采用了多三相繞組結構，可以有效的降低每一相的電壓和電流的額定值，對于功率半導體器件的物理參數(shù)極限的要求可以降低，同時克服了傳統(tǒng)多相電機星形接法所有的繞組都必須連接到一個中點上，中點的電流很大，發(fā)熱和局部電流不平衡的問題較為嚴重的問題。轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的控制算法標準化程度高，其基本的被控制單元是轉子每一個獨立的三相繞組，轉子所有的獨立的三相繞組的控制算法都相同。從電機旋轉磁場產(chǎn)生的角度而言，無論是三相繞組、多相繞組、多三相繞組都可以產(chǎn)生旋轉磁場。
首先分析一種轉子具有多三相繞組的交流勵磁發(fā)電機。轉子多三相繞組異步電機顧名思義，就是轉子具有多個獨立三相的繞線異步發(fā)電機，其幾何的特征是異步電機繞線轉子的繞組的內(nèi)部具有多個獨立中性點的Y接三相繞組，其每一個獨立三相繞組內(nèi)部，幾何關系與常規(guī)三相繞組完全相同，每相之間的相位差均為對稱120°，相鄰的三相繞組之間，其對應相的相位差是π/(n×3)、或者0≤β＜π/(n×3)。其多三相的每一組獨立三相的相鄰繞組對應的相位差的選取原則主要是①消除特定次諧波；②便于繞組在電機轉子內(nèi)的空間排布。如果對于以消除空間高次諧波作為繞組相位差主要確定因素時，相位差等于π/(n×3)時，消除空間高次諧波的范圍比較寬。為了便于分析起見，本發(fā)明中，分別討論多個獨立的星形接法三相繞組所組成的具有轉子多三相繞組系統(tǒng)。
本發(fā)明的優(yōu)點①采用本發(fā)明后可以有效地提高從水輪發(fā)電機轉子側輸出和輸入的功率，傳統(tǒng)的三相交流勵磁水輪發(fā)電機由于轉子側只有一組三相逆變器，其單個逆變器通過的功率受到限制，同時傳統(tǒng)的交一交逆變器系統(tǒng)在電機工作在大范圍超同步發(fā)電或者較低的次同步抽水狀態(tài)時，逆變器的工作頻率比較高，交一交逆變器此時的工作特性變差，諧波電流增大，對電機和電網(wǎng)負面影響很大。而多三相交流勵磁水輪發(fā)電機采用多組獨立三相繞組和多組獨立三相的交一直一交逆變器系統(tǒng)，該逆變器可以工作在高頻狀態(tài)。因此，從逆變器理論而言，多三相轉子交流勵磁系統(tǒng)，從轉子側輸出的功率可以達到甚至超過定子的額定功率。②采用本發(fā)明后，交流勵磁水輪發(fā)電機系統(tǒng)的可靠性可以得到有效的提高。由于采用多組獨立三相系統(tǒng)運行方式，當某一相繞組發(fā)生故障時，可以退出運行，而其他獨立三相系統(tǒng)仍然可以保持正常運行狀態(tài)。這樣，系統(tǒng)的運行的可靠性得到了有效的提高。③采用本系統(tǒng)后，滑環(huán)和電刷系統(tǒng)功率得到了分散，其接觸點的發(fā)熱問題可以得到有效的解決。④采用本發(fā)明后電機的空間繞組諧波可以得到有效的削弱，可以有效的改善電機的電勢波形。
轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機合成磁勢我們首先對于多三相繞線轉子異步電機的轉子基波合成磁勢的性質(zhì)進行理論分析。
假定該原型電機轉子有m＝n×3相繞組，對于標準3相、6相雙Y，9相3Y，12相4Y，....，n＝1，2，3，4，...；在每一個三相繞組內(nèi)部有電的聯(lián)接，而獨立三相繞組之間沒有電氣連接只有磁場的聯(lián)系。
首先分析，多三相電機的轉子旋轉磁勢建立過程，假定轉子側某一個獨立三相的激勵電源的基波電流具有以下的數(shù)學表達式
iak=2Icos(ωt-kπm)ibk=2Icos(ωt-kπm-2π3)ick=2Icos(ωt-kπm+3π3)---(1)]]>某一個轉子獨立三相繞組的磁勢幅值是Fφ，交流電的角頻率是ω，在氣隙表面的某一點其坐標為x，則交流電流在該轉子獨立三相的內(nèi)部各相產(chǎn)生的脈振磁勢的表達式為fak(x,t)=Fφ1cos(x-kπm)cos(ωt-kπm);k=0,1,2,....n-1---(2)]]>fbk(x,t)=Fφ1cos(x-kπm-2π3)cos(ωt-kπm-2π3);---(3)]]>fck(x,t)=Fφ1cos(x-kπm+2π3)cos(ωt-kπm+2π3);---(4)]]>注意公式中的Fφ1的定義與公式(2)中的定義相同。
則多三相繞組的轉子基波總合成磁勢為每一個轉子獨立三相的總磁勢疊加，即把公式(2)、(3)、(4)相加，然后再將每一個轉子獨立三相的磁勢進行總的求和運算，具有下列的表達方式f(x,t)=Σ0n-1[fak(x,t)+fbk(x,t)+fck(x,t)]---(5)]]>可以從數(shù)學上證明公式(5)可以進一步簡化為f(x,t)=3·n2Fφ1cos(x-ωt)=m2Fφcos(x-ωt)---(6)]]>顯然在依靠合適的激勵電源后，新型多三相電機的合成磁勢與傳統(tǒng)多相電動機的基波合成磁勢在形式上完全相同，均為幅值為 旋轉角速度為ω的旋轉磁勢波。
可以證明，多三相繞線異步電機的轉子空間諧波合成磁勢與傳統(tǒng)多相電機的轉子空間諧波合成磁勢有相同的變化規(guī)律。其證明步驟如下，仍然假定某一個獨立三相的激勵電源的基波電流具有公式(1)的數(shù)學表達式。
某一個轉子獨立三相繞組的v次諧波的脈振磁勢幅值是Fv，交流電的角頻率是ω，在氣隙表面的某一點其坐標為x，則交流電流在該轉子獨立三相的內(nèi)部各相產(chǎn)生的v次空間諧波的脈振磁勢的表達式為fvak(x,t)=Fφvcos[v(x-kπm)]cos(ωt-kπm);k=0,1,2,....n-1---(7)]]>fvbk(x,t)=Fφvcos[v(x-kπm-2π3)]cos(ωt-kπm-2π3);---(8)]]>fvck(x,t)=Fφvcos[v(x-kπm+2π3)]cos(ωt-kπm+2π3);---(9)]]>其中，F(xiàn)φv=22πIwvpkwv]]>則多三相繞組的v次諧波總合成磁勢為每一個獨立三相的v次諧波合成磁勢疊加，即把公式(7)、(8)、(9)相加，然后再將每一個獨立三相的v次諧波合成磁勢進行總的求和運算，具有下列的表達方式fv(x,t)=Σ0n-1[fvak(x,t)+fvbk(x,t)+fvck(x,t)]---(10)]]>可以從數(shù)學上證明公式(14)的諧波次數(shù)也可以同樣表示為v＝2k(3×n)±1＝2km±1，假定n＝4；m＝3×n＝12，則除了基波之外，其最低次數(shù)的諧波為-23次反轉諧波和+25次正轉諧波，即諧波次數(shù)低于23次的諧波幅值也為零。
因此，新型轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的合成磁勢與傳統(tǒng)多相同步電機的基波合成磁勢在形式上完全相同，在相同的相電流的有效值激勵下，其磁勢的均為幅值為 旋轉角速度為ω的旋轉磁勢波。同時，其削弱高次空間諧波的能力也與傳統(tǒng)多相發(fā)電/電動機相同。因此，采用轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機比三相交流勵磁發(fā)電機具有更低的繞組諧波影響。轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機定子合成磁勢的同步速度與電機轉子多三相合成磁勢的轉速以及電機的機械轉速具有以下關系ωstator＝ωslip+ωm(11)其中ωstator是定子合成磁場的同步角速度；ωslip是轉子的轉差角速度，在這里ωslip＝ω，也是逆變器電源的頻率；ωm是轉子的機械角速度因此，從公式(11)可以看出，當定子側電源的頻率和電機極對數(shù)保持不變時，即ωstator是定子合成磁場的同步角速度不變時，改變轉子側逆變器交流勵磁電源的角速度ωslip即可調(diào)節(jié)電機的機械角速度ωm。從公式(11)還可以看出，當ω為負值時，電機的機械角速度ωm高于同步角速度ωstator；當ω為正值時，電機機械角轉速ωm低于同步角轉速ωstator。因此根據(jù)上面的分析，在發(fā)電狀況下，當電機的機械轉速超過電機旋轉磁場的同步轉速時。在電機的定子三相繞組向電網(wǎng)直接發(fā)電的同時，轉子的每一組獨立三相繞組通過相對應連接的逆變器獨立三相單元以交-直-交工作方式也向電網(wǎng)發(fā)電。該電機的轉子控制方式可以采用比較小的轉子頻率調(diào)節(jié)值得到比較寬的轉速調(diào)節(jié)范圍，如f＝±5Hz時，則發(fā)電機的調(diào)速范圍可達10％。同時，根據(jù)電機理論，改變交流勵磁電流的幅值、相位和相序，還可以調(diào)節(jié)電機的轉矩和功率角，即可調(diào)節(jié)定子側的無功功率，從而改變功率因數(shù)的大小。
轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的逆變器電源特點由于轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的繞組的特殊結構，其逆變器電源也必須具有特定的結構并按照一定的規(guī)律運行。首先逆變器包括的獨立三相激勵電源的數(shù)目必須與轉子獨立三相繞組的個數(shù)相同，即獨立三相電源的數(shù)目也必須等于n。其次當逆變器采用正弦激勵時，其每一個獨立三相的基波電流表達式應當符合式(5)，逆變器每一組獨立電源的三相之間相位差是120電角度，相鄰的獨立電源之間的相位差是π/(3×n)或者與繞組的空間實際分布角度相同，其每一相電流的幅值應當相等。當采用逆變器供電時，每一組獨立三相電源是一個三相橋式逆變器。逆變器電源的拓撲示意圖可以參見說明書附圖3。激勵電流的標么值和其波形的相位差參見說明書附圖4。采用與轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機同軸聯(lián)接有旋轉編碼器或者該電機采用其他能夠反映同步電機轉子位置和速度的傳感器來實時測量轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機轉子的旋轉角度和速度，其轉子旋轉角度是做為同步信號給多三相逆變器的控制系統(tǒng)，做為逆變器電源的電壓、電流同步基準信號。該逆變器采用一種適合于轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的控制算法，使得轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機每一組獨立三相繞組都可以作為一個單獨的對象進行控制。該方法實質(zhì)上是一種根據(jù)轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機定子磁場位置進行定向的矢量控制方法。其根據(jù)電機的每一組獨立三相繞組在空間的實際位置，進行電壓控制脈沖的角度分配。根據(jù)旋轉角度和實際的速度、電流測量值、功率因數(shù)與對應的給定值進行運算，從而得出控制轉子電壓模值和轉子勵磁電流模值的大小。該方法采用一種解耦控制方法使得電機的電機繞組之間的互感所引起的耦合電壓，由于電感乘積比例因子的引入，通過一系列的乘加運算，可以對轉子獨立三相繞組之間由于磁路耦合所產(chǎn)生的互感電壓進行有效的解耦運算，使得轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機轉子每一組獨立三相繞組得到的等效d軸、q軸輸出電壓給定值僅與各自的轉子宏電流相關，而轉子宏電流在形式上是獨立的和解耦的。這樣使得轉子多三相系統(tǒng)可以等效為若干個獨立的三相系統(tǒng)進行分析。
在轉子軸的一端裝設多組獨立的多三相滑環(huán)和電刷裝置引出轉子電壓和電流與多三相逆變器相連接，采用多組軸向或徑向式組合滑環(huán)和電刷結構，多三相滑環(huán)和電刷裝置采用獨立強迫風冷卻結構。對于傳統(tǒng)三相交流勵磁發(fā)電機的每一相的轉子電流達到幾千安培甚至超過一萬安培以上，其單個滑環(huán)和電刷組的電流密度和發(fā)熱情況比較嚴重，因此，在水輪發(fā)電機系統(tǒng)中，廣泛采用的是多滑環(huán)電刷裝置即滑環(huán)和電刷的組數(shù)要等于和多于電機轉子繞組的相數(shù)，以減少每組滑環(huán)和電刷所通過的電流，以達到分散每組滑環(huán)和電刷通過的功率。而多三相系統(tǒng)由于電機的相數(shù)是三相的倍數(shù)，因此，滑環(huán)和電刷裝置本身已經(jīng)分散了功率，每組滑環(huán)和電刷所通過的電流比常規(guī)三相系統(tǒng)要小得多，當某組滑環(huán)和電刷出現(xiàn)故障時，對于系統(tǒng)的影響也比較小。但是，滑環(huán)和電刷數(shù)量的增加也不可避免的帶來結構的復雜和該部分體積的增大。因此，根據(jù)水輪異步發(fā)電機容量的大小可以采用不同類型的多三相滑環(huán)和電刷結構。對于中小容量的或電站廠房有足夠凈空高度的轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機可以采用常規(guī)的軸向式多三相滑環(huán)和電刷結構，即每一組獨立三相滑環(huán)和電刷采用軸向方式向上排列，其結構圖參見圖。當轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機容量很大或者電站廠房凈空高度比較緊張時，也可以采用徑向盤式滑環(huán)和電刷系統(tǒng)。采用多三相滑環(huán)和電刷由于滑環(huán)和電刷的組數(shù)比較多，其摩擦產(chǎn)生的石墨和金屬粉末比較多，需要采用獨立的強迫風冷卻結構和除塵裝置，其轉子滑環(huán)結構參見圖4。
多三相滑環(huán)和電刷裝置中，裝設有多三相電刷舉刷短接裝置，當逆變器系統(tǒng)發(fā)生故障時，該裝置可將轉子多三相繞組短接。成為定子單邊勵磁的異步電機工作模式，當發(fā)電/電動機工作在水輪發(fā)電機狀態(tài)時，該電機成為電網(wǎng)直接勵磁的異步發(fā)電機；當該電機工作在抽水電動機狀態(tài)時，電機此時成為電網(wǎng)直接驅(qū)動的異步電動機。
轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機由于其轉子繞組采用多三相繞組，該電機的相數(shù)比較多，同時，電機的速度不高，極對數(shù)比較多，根據(jù)情況可以采用整數(shù)槽或分數(shù)槽繞組，分數(shù)槽由于具有消除電機磁勢中齒諧波的功能，在多三相的發(fā)電機中應用更加普遍，可以采用分數(shù)槽的疊繞組或波繞組。但是，采用多三相分相結構的分數(shù)槽雙層波繞組有其特殊的繞組排列結構，由于電機的相數(shù)很多，每相的繞組一般劃分為正負相帶，同時，多三相內(nèi)部必須保持120°的對稱繞組，同時，每相鄰的獨立三相繞組之間的位置的差別角度為360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。因此，對于多三相電機的每極每相槽數(shù)q往往有q≤1。因此，在這種情況下保證分數(shù)槽繞組的對稱性是非常重要的，這里采用了一種特殊的多三相繞組的分數(shù)槽結構，可以保證電機的繞組在每極每相槽數(shù)q比較小的情況下，電機的繞組可以對稱分布。由于采用了一種新的分數(shù)槽或整數(shù)槽分相方法，即在不同的極對數(shù)下，通過交替首尾對偶改變輪換數(shù)的繞組結構，從而獲得對稱分數(shù)槽或整數(shù)槽的一種新排列結構。該結構對于q≤1和分數(shù)槽繞組的輪換數(shù)d小于電機的相數(shù)m情況，可以更加容易獲得多三相對稱的繞組結構。
轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機多三相滑環(huán)和多三相電刷裝置安裝在電機的上部主軸承端的外端，由于采用多組獨立的三相滑環(huán)和三相電刷裝置，該電機在軸向的長度比較長。因此，其滑環(huán)和電刷組必須安裝在電機的上部主軸承端的外端，以保證滑環(huán)和電刷組的安裝空間。
轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的電機非水輪機端同軸聯(lián)接有旋轉編碼器或者該電機采用其他能夠反映電機繞線轉子位置和速度的傳感器來實時測量繞線轉子的旋轉角度和速度。


圖1轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機。在圖1中，電流的方向遵循發(fā)電機法則。該發(fā)電機的定子繞組為三相，直接連接在工頻電網(wǎng)上，其定子電流為iA1，iB1，iC1。而其轉子繞組具有多組在電路上獨立的三相對稱繞組，在這些繞組中的轉子的電流是ia1，ib1，ic1，ia1，ib1，ic1，....，iak，ibk，ick，...，ian，ibn，icn這些對稱三相繞組的組與組之間僅有磁路的互相耦合關系，沒有電路上的直接聯(lián)系，對于每一組采用星形連接的三相繞組，都具有各自的獨立中性點，并且這些中性點在電路上互相隔離。
圖2轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機繞組連接示意圖。在圖2中電機繞組的幾何的特征是異步電機繞線轉子的繞組的內(nèi)部具有多個獨立中性點的Y接三相繞組，其每一個獨立三相繞組內(nèi)部，幾何關系與常規(guī)三相繞組完全相同，每相之間的相位差均為對稱120°電角度，相鄰的三相繞組之間，其對應相的相位差是π/(n×3)。其多三相的每一組獨立三相的相鄰繞組對應的相位差的選取原則主要是①消除特定次諧波；②便于繞組在電機轉子內(nèi)的空間排布。如果對于以消除空間高次諧波作為繞組相位差主要確定因素時，相位差等于π/(n×3)時，消除空間高次諧波的范圍比較寬。在圖2中ω是電機的合成磁場的同步角速度。
圖3交流勵磁水輪發(fā)電機轉子逆變器勵磁示意圖。其他n×3相的勵磁結構與該圖類似，其區(qū)別在在于獨立三相逆變器的組數(shù)不同。首先逆變器包括的獨立三相激勵電源的數(shù)目必須與轉子獨立三相繞組的個數(shù)相同，即獨立三相電源的數(shù)目也必須等于n。其次當逆變器采用正弦激勵時，其每一個獨立三相的基波電流表達式應當符合式(1)。逆變器每一組獨立電源的三相之間相位差是120°電角度，相鄰的獨立電源之間的相位差是π/(3×n)或者與繞組的空間實際分布角度相同，其每一相電流的幅值應當相等，當采用逆變器供電時，每一組獨立三相電源是一個三相橋式逆變器。
圖4轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機轉子交流勵磁電流波形圖。其電流的數(shù)值采用的是標么值，在額定點，電流值為1。
圖5轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機轉子立軸與滑環(huán)位置圖。廣泛采用的是多滑環(huán)電刷裝置即滑環(huán)和電刷的組數(shù)要等于和多于電機轉子繞組的相數(shù)，以減少每組滑環(huán)和電刷所通過的電流，以達到分散每組滑環(huán)和電刷通過的功率。
圖6轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機第一組獨立三相轉子波繞組連接圖；圖7轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機第二組獨立三相轉子波繞組連接圖；圖8轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機第三組獨立三相轉子波繞組連接圖；圖9轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機第四組獨立三相轉子波繞組連接圖。
圖6-圖9繞組采用了4組獨立星形接法。
具體實施例方式說明書附圖6-9是多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的一個實施例。該電機的功率為170MW、電壓13.8KV、電機的額定轉速為54.6rpm。該發(fā)電機的定子繞組為三相，直接連接在工頻電網(wǎng)上，而其轉子繞組具有多組在電路上獨立的三相對稱繞組。其電機轉子波繞組結構見圖5。在轉子多三相系統(tǒng)中，采用了4×3相轉子繞組的繞組連接圖，繞組采用整數(shù)槽。從繞組連接圖上可以看出，4×3相系統(tǒng)中包括了4組三相對稱繞組，本實施例中，轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的定子槽數(shù)Z＝1320，磁極數(shù)2p＝110，每極每相槽數(shù)q＝1，極距τ＝12，由于多相電機功率一般較大采用雙層繞組比較普遍。繞組節(jié)距可以采用整距繞組y1＝τ，也可以采用短距繞組y1=56τ=10]]>(槽)，合成節(jié)距為y＝24(槽)。相鄰槽間的電角度為α＝15°，相鄰獨立三相繞組之間的空間電角度是180°/(4×3)＝15°。轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的轉子相繞組的首端分別標記為A1、A2、A3、A4，B1、B2、B3、B4，C1、C2、C3、C4；末端標記為X1、X2、X3、X4，Y1、Y2、Y3、Y4，Z1、Z2、Z3、Z4。與標準三相發(fā)電機類似，轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的繞組可以串聯(lián)連接，也可以并聯(lián)連接，串并聯(lián)的規(guī)則與標準三相電動機相同。轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機可以連接成為4個星形接法，當連接為星形接法時，有4個獨立中點，可以采用內(nèi)部連接方式，以減少外部接線。顯然，轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機由于采用分散中點或無中點方式，在繞組可靠性方面要優(yōu)于傳統(tǒng)的三相交流勵磁發(fā)電機。
根據(jù)圖5～圖9，可以分析出轉子整數(shù)槽或分數(shù)槽繞組采用波繞組的空間電角度的幾何關系，首先假定有邊框為虛線的槽號是處于極性為N的磁極下，無虛線的槽號是處于極性為S的磁極下。從圖中可以看出，波繞組的連接方法是首先將同極性的所有線圈都串聯(lián)起來。因此，同極性對應繞組相差36槽，即360°電角度；同一相的波繞組是將S極性下的線圈組與N磁極下的線圈根據(jù)電流的實際方向可以采用“頭接尾、尾接頭”或者“頭接尾、尾接頭”的方式順序或逆序串聯(lián)。每一個獨立三相內(nèi)部的A；B；C相差8個槽120°電角度；獨立三相繞組之間其對應相相差的槽數(shù)，其中有兩個對應相繞組的相差是1槽，其電角度是15°；該電機的線圈排列是對稱的每相繞組共有110個線圈，其中有個55線圈處于正相帶，另外55個處于負相帶；轉子線圈采用星形連接方式。考慮到轉子繞組的機械平衡問題，所有的轉子出線采用機械對稱的出線方式，其出線的槽號見表1表1轉子的對稱出線端

圖5～圖9中的連接圖可以認為是循環(huán)排列的，其中的頭部是表1中所列寫的出線端的槽號?？梢圆捎梅謹?shù)槽，也可以采用整數(shù)槽。
權利要求
1.一種交流勵磁水輪發(fā)電機，其特征在于a、轉子繞組具有多組在電路上獨立的三相對稱繞組，這些對稱三相繞組的組與組之間僅有磁路的互相耦合關系，沒有電路上的直接聯(lián)系，對于每一組采用星形連接的三相繞組，都具有各自的獨立中性點，并且這些中性點在電路上互相隔離，多三相繞線轉子異步發(fā)電機轉子繞組總的相數(shù)具有3的倍數(shù)特征，即該發(fā)電機繞線轉子的總相數(shù)為2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相(n＝2，3，4…，n為大于2的正整數(shù))，在發(fā)電狀況下，當電機的機械轉速超過電機旋轉磁場的同步轉速時。在電機的定子三相繞組向電網(wǎng)直接發(fā)電的同時，轉子的每一組獨立三相繞組通過相對應連接的逆變器獨立三相單元以交—直—交工作方式也向電網(wǎng)發(fā)電；b、對于轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機的繞線轉子上有n個獨立三相繞組，其相鄰兩個三相繞組在空間的位移電角度可以采用位移360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)，其結構含義是當β＝0時，轉子多三相繞組的獨立三相繞組之間沒有相位差，轉子多三相繞組的獨立三相之間的偏移角度可以采用非均勻分布角度結構，即根據(jù)繞組的排列，可以將轉子多三相繞組分為若干個組合，同組合的獨立三相之間的偏移角度為零，這樣在一定條件下可以將多三相繞組等效為三相繞組或六相繞組，避免某些分數(shù)槽排列所產(chǎn)生的次諧波或偶次諧波；c、其轉子繞組采用多三相繞組分相結構的分數(shù)槽或整數(shù)槽雙層波繞組；d、在轉子軸的一端裝設多組獨立的多三相滑環(huán)和電刷裝置引出轉子電壓和電流與多三相逆變器相連接，采用多組軸向或徑向式組合滑環(huán)和電刷結構，多三相滑環(huán)和電刷裝置采用獨立強迫風冷卻結構，多三相滑環(huán)和電刷裝置中，裝設有多三相電刷舉刷短接裝置，當逆變器系統(tǒng)發(fā)生故障時，該裝置可將轉子多三相繞組短接。成為定子單邊勵磁的異步電機工作模式，當發(fā)電機工作在水輪發(fā)電機狀態(tài)時，該電機成為電網(wǎng)直接勵磁的異步發(fā)電機。
2.根據(jù)權利要求1所述的逆變器供電的多三相水輪發(fā)電機，其特征在于該電機是由多三相逆變器勵磁的，所謂多三相逆變器是指逆變器的總相數(shù)也具有3的倍數(shù)特征，并且多三相繞線轉子異步發(fā)電機轉子總相數(shù)與多三相逆變器的總相數(shù)相等。
3.根據(jù)權利要求1所述的逆變器供電的多三相繞線轉子異步發(fā)電機，其特征在于所述的轉子軸的多三相滑環(huán)和多組獨立三相電刷裝置安裝在電機的上部。
4.根據(jù)權利要求1所述的逆變器供電的多三相繞線轉子異步發(fā)電機，其特征在于電機同軸聯(lián)接有旋轉編碼器或者該電機采用其他能夠反映電機繞線轉子位置和速度的傳感器來實時測量繞線轉子的旋轉角度和速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用逆變器給轉子繞組供電的轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機，該發(fā)電機的定子繞組為三相，直接連接在工頻電網(wǎng)上，而其轉子繞組具有多組在電路上獨立的三相對稱繞組，這些對稱三相繞組的組與組之間僅有磁路的互相耦合關系，沒有電路上的直接聯(lián)系，對于每一組采用星形連接的三相繞組，都具有各自的獨立中性點。轉子多三相交流勵磁水輪發(fā)電機轉子繞組總的相數(shù)具有3的倍數(shù)特征，即該發(fā)電機繞線轉子的總相數(shù)為2×3相、3×3相、4×3相、5×3相、6×3相、7×3相、8×3相…n×3相。對于轉子多三相水輪發(fā)電機的繞線轉子上有n個獨立三相繞組，其相鄰兩個三相繞組在空間的位移電角度可以采用位移360°/(n×3)、180°/(n×3)、或者0≤β＜180°/(n×3)。
文檔編號H02K17/42GK1705206SQ20041001030
公開日2005年12月7日 申請日期2004年5月31日 優(yōu)先權日2004年5月31日
發(fā)明者王曉雷 申請人:中原工學院