專利名稱：套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機及其控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及風(fēng)力發(fā)電機，特別是變速恒頻套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機 及其控制裝置。
背景技術(shù)：
習(xí)知技術(shù)雙饋感應(yīng)發(fā)電機作為變速恒頻型機組，在水電站、抽水蓄能電 站，特別是在大型風(fēng)力發(fā)電機組中得到廣泛應(yīng)用，因其機組可以變速恒頻運行的特點，使發(fā)電機組的能量轉(zhuǎn)換效率大大提高；又因其通過轉(zhuǎn)子側(cè)的小功 率變流裝置調(diào)控發(fā)電機組的有功和無功，機組的控制特性和控制成本令人非 常滿意。由于大型匿級風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)速很低， 一般在15-35rpm，如此低的 轉(zhuǎn)速將會使電機極對數(shù)增加、電機幾何尺寸和重量都大大增加。目前的辦法 是通過增速齒輪箱升速，齒輪箱效率可達到97%、雖然故障率較高，但此辦法 可選用高速雙饋感應(yīng)發(fā)電機， 一般為4/6極電機，從而減輕電機制造和成本 上的麻蛐。隨著海上風(fēng)電場機組容量的增大如3-5MW機組、甚至10匿容量的 機組已在研發(fā)中。此型機組的可靠性，主要是由滑環(huán)和齒輪箱故障導(dǎo)致的停 機，已成為突出問題，出于對風(fēng)電機組可靠性、系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率和機組綜合成 本的考慮，永磁直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機組便應(yīng)運而生。中國專利 CN200410003089. 3公開了一種MW級直接驅(qū)動永磁外轉(zhuǎn)子同步風(fēng)力發(fā)電機，它 采用多極外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。該發(fā)電機包括固定軸、轉(zhuǎn)動軸、線倒繞組、永>^磁鋼、 鐵芯、定子和外轉(zhuǎn)子，其中轉(zhuǎn)動軸通過軸承安裝于固定軸上，定子通過定子 支架安裝于固定軸上，外轉(zhuǎn)子通過轉(zhuǎn)子支架安裝于轉(zhuǎn)動軸上，在繞組線圏和 定子支架之間可以設(shè)有軸向的冷卻通風(fēng)道；在外轉(zhuǎn)子和定子之間的迎風(fēng)面設(shè)有保護罩。該機組去掉損失系統(tǒng)效率、故障頻繁的增速齒輪箱，沒有傳輸大 電流的滑環(huán)電刷，采用永磁材料勵磁，勵磁損耗降低，發(fā)電機發(fā)出頻率變化 的低頻交流電，通過全功率變頻器并網(wǎng)，從而實現(xiàn)風(fēng)電機組的變速恒頻發(fā)電。
永磁直驅(qū)型同步風(fēng)力發(fā)電機組由于其良好的可靠性，很高的系統(tǒng)效率，雖機 組費用高于前者、但其維護成本低等諸多優(yōu)勢。此機型存在電機直徑尺寸龐 大，安裝運輸不便，發(fā)電機與全功率變流器成本高，不便進行發(fā)電機運行無 功調(diào)節(jié)等技術(shù)缺陷。發(fā)明內(nèi)容本實用新型所要解決的問題在于，克服襲用技術(shù)存在的上述缺陷，而提 供一種套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機及其控制裝置。本實用新型目的之一是提供一種套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機； 本案目的之二是提供一種套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置。 本案解決套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機技術(shù)問題是依以下技術(shù)方案來實現(xiàn) 依據(jù)本實用新型提供的一種套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，包括發(fā)電機主體、 定子、轉(zhuǎn)子、風(fēng)機葉片、輪轂，風(fēng)機葉片安裝在輪轂上，在發(fā)電機主體內(nèi)， 轉(zhuǎn)子相對定子旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造設(shè)置，風(fēng)機葉片帶動輪轂驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其中，主 體內(nèi)設(shè)置套疊轉(zhuǎn)子式發(fā)電機和勵磁機，發(fā)電機和勵磁機轉(zhuǎn)子同軸安裝，發(fā)電 機和勵磁機軸向并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)置；發(fā)電機和勵磁機各自獨立磁路，發(fā)電機轉(zhuǎn)子 繞組極對數(shù)與發(fā)電機定子繞組極對數(shù)相同，勵磁機轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù)與勵磁機 定子繞組極對數(shù)相同。本案解決上述技術(shù)問題還可依以下技術(shù)措施進一步實現(xiàn) 前述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，其中，發(fā)電機由發(fā)電機定子鐵芯、裝 在此鐵芯槽中的發(fā)電機定子繞組、發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯、裝在此鐵芯槽中的發(fā)電 機轉(zhuǎn)子繞組組成，發(fā)電機轉(zhuǎn)子相對發(fā)電機定子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機定子鐵芯和發(fā)電 機轉(zhuǎn)子鐵芯之間設(shè)有發(fā)電機氣隙，發(fā)電機定子繞組并聯(lián)連接發(fā)電機助磁裝置； 發(fā)電機助磁裝置安裝于圓筒形空間內(nèi)。前述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，其中，勵磁機由勵磁機定子鐵芯、裝 在此鐵芯槽中的勵磁機定子繞組、勵磁機轉(zhuǎn)子鐵芯、裝在此鐵芯槽中的勵磁 機轉(zhuǎn)子繞組組成，勵磁機轉(zhuǎn)子相對勵磁機定子旋轉(zhuǎn)，勵磁機定子鐵芯與勵磁
機轉(zhuǎn)子鐵芯之間設(shè)有勵磁機氣隙，勵磁機定子繞組相連有勵磁裝置；勵磁裝 置安裝于圓筒形空間內(nèi)；勵磁機定子鐵芯安裝在勵磁機定子外殼外側(cè)，發(fā)電機定子鐵芯安裝在電 機外殼內(nèi)側(cè)，勵磁機定子外殼與電機左軸端支撐板、電機中部支撐板和勵磁 機端部支撐板連接成一個整體，并與機搶后蓋和電機外殼連接；勵磁機轉(zhuǎn)子鐵芯與發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯安裝在同 一個圓筒形電機輸出軸的內(nèi) 外兩側(cè)，電機輸出軸分別與電機左端蓋和電機右端蓋連接，并由于其連接的 電機右軸端支撐板徑向支撐，兩端蓋通過電機左軸承和電機右軸承支撐兩轉(zhuǎn) 子同軸旋轉(zhuǎn)。前述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，其中，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組和勵磁機轉(zhuǎn)子 繞組為繞線式波繞組結(jié)構(gòu)、星形接線方式，勵磁機轉(zhuǎn)子繞組通過轉(zhuǎn)子繞組連 接線與發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組反相序連接。前述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，其中，安裝風(fēng)機葉片的輪轂設(shè)有通用 的變槳距機構(gòu)，變槳距機構(gòu)在機組集中控制裝置的控制下，通過改變?nèi)~片的 槳距角，實現(xiàn)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，輪轂安裝板用以將輪轂與電機輸出軸連接。前述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，其中，發(fā)電機設(shè)有電機傾斜安裝機構(gòu)， 電機外殼底部與電機支撐板連接，使電機傾斜5-10度，以防止葉片工作時與 塔筒刮蹭，電機底座處與塔筒頂部之間裝設(shè)偏航機構(gòu)。本實用新型解決套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置技術(shù)問題是采取以 下技術(shù)方案來實現(xiàn)依據(jù)本實用新型提供的一種套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置，包括 機組集控裝置，集控裝置連接信號傳感器，設(shè)有控制信號輸出端口，其中， 控制裝置設(shè)有機組集控制裝置、勵磁機交流勵磁裝置、發(fā)電機助磁裝置、風(fēng) 速風(fēng)向測量裝置、發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器和風(fēng)機制動控制器；機組集控裝置設(shè)有風(fēng)速傳感器測量的信號輸入端口 、風(fēng)向傳感器測量的 信號輸入端口，設(shè)有與上位機遠程通信的輸出信號端口；機組集控裝置與發(fā)
電機機端電壓互感器連接，以測得發(fā)電機機端電壓數(shù)值，與發(fā)電機輸出電流互感器連接，以測得發(fā)電機輸出電流數(shù)值；機組集控裝置與勵磁電壓互感器 連接，以測得勵磁機勵磁電壓數(shù)值，與勵磁電流互感器連接，以測得勵磁機 勵磁電流數(shù)值；機組集控裝置連接發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器和風(fēng)機制動控制器；勵磁機交流勵磁裝置主回路輸入側(cè)通過投勵開關(guān)與發(fā)電機定子輸出端并 網(wǎng)開關(guān)內(nèi)側(cè)連接，交流勵磁裝置接受機組集控裝置的控制指令，其輸出側(cè)主 回路與勵-茲機定子繞組連接；發(fā)電機助磁裝置主回路與發(fā)電機輸出端連接，并接受機組集控裝置的控 制指令，發(fā)電機輸出端通過并網(wǎng)開關(guān)、升壓變壓器與電網(wǎng)連接。本案解決套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置技術(shù)問題還可依以下技術(shù) 措施進一步實現(xiàn)前述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置，其中，機組集控裝置連接 控制偏航機構(gòu)，使風(fēng)輪上風(fēng)向旋轉(zhuǎn)，機組集控裝置通過閉環(huán)控制變槳距機構(gòu)， 保持風(fēng)輪額定風(fēng)速以下以最佳風(fēng)能利用率運行、額定風(fēng)速以上以發(fā)電機額定 輸出功率運行；變槳距機構(gòu)連接轉(zhuǎn)速測量器、槳距角測量器、變槳伺服機構(gòu)、 伺服電機、變槳距控制裝置。前述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置，其中，勵磁裝置主回路由 兩組雙向整流-逆變單元組成；發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速以下運行時，勵磁裝置向勵 磁機定子提供勵磁電流和部分有功能量，發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速以上運行時，勵 磁裝置向勵磁機定子提供勵磁電流的同時，有部分有功能量饋向電網(wǎng)；勵磁 裝置通過控制回路實現(xiàn)與機組集控裝置的通信聯(lián)系。前述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置，其中，機組集控裝置，設(shè) 有電機溫升監(jiān)測端口，設(shè)有風(fēng)輪制動信號輸出端口；發(fā)電機助磁裝置設(shè)有電 容器，電容器通過可控硅控制其投入數(shù)量，可控硅的導(dǎo)通控制由機組集控裝 置完成。本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點和有益效果。由以上技術(shù)方 案可知，本實用新型在優(yōu)異的結(jié)構(gòu)配置下，至少有如下的優(yōu)點本實用新型采用繞線型套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電技術(shù)方案，在大型風(fēng)力發(fā) 電領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了機組的變速恒頻運行，具有無刷化、直驅(qū)、無齒輪箱、以約1/3 發(fā)電機額定容量的變流勵磁裝置，可方便調(diào)節(jié)無功等技術(shù)優(yōu)點。本實用新型 有效簡化了機組構(gòu)造，縮小了發(fā)電機直徑，減少了機組重量，便于設(shè)備運輸； 降低了控制系統(tǒng)成本，提高了機組的安全性、可靠性和運行效率。本實用新 型對比現(xiàn)有技術(shù)有顯著的貢獻和進步，確實是具有新穎性、創(chuàng)造性、實用型 的好技術(shù)。本實用新型的具體實施方式
由以下實施例及其附圖詳細給出。


圖l是本實用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本實用新型工作原理結(jié)構(gòu)示意框圖； 圖3是本實用新型機組集控裝置硬件結(jié)構(gòu)示意框圖。
具體實施方式

以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本實用新型提供的具體實施方式
、 結(jié)構(gòu)、特征及其功效，詳細說明如后。如圖l-3所示。 一種套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，包括發(fā)電機主體、定子、 轉(zhuǎn)子、風(fēng)機葉片2、輪轂l，風(fēng)機葉片2安裝在輪轂1上，在發(fā)電機主體內(nèi)， 轉(zhuǎn)子相對定子旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造設(shè)置，風(fēng)機葉片2帶動輪轂1驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，其主 體內(nèi)設(shè)置套疊轉(zhuǎn)子式發(fā)電機和勵磁機，發(fā)電機和勵磁機轉(zhuǎn)子同軸安裝，發(fā)電 機和勵磁機軸向并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)置；發(fā)電機和勵磁機各自獨立磁路，發(fā)電機轉(zhuǎn)子 繞組15極對數(shù)與發(fā)電機定子繞組14極對數(shù)相同，勵磁^4爭子繞組16極對數(shù) 與勵磁機定子繞組7極對數(shù)相同。繞線型套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機(WBDFG)結(jié)構(gòu)WBDFG由兩個多對極繞線轉(zhuǎn)子電機復(fù)合而成，尸p對極電機為發(fā)電機，尸c對 極電機為勵磁機，其兩電Wl對數(shù)關(guān)系滿足/V>PC。發(fā)電機和勵磁機各自
獨立鐵芯磁路，安裝在一個外殼內(nèi)。兩電機轉(zhuǎn)子同軸安裝、且繞組為繞線式 波繞組結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線為銅或鋁材質(zhì)，轉(zhuǎn)子為多相最佳為三相，轉(zhuǎn)子繞組極對數(shù) 與各自定子繞組極對數(shù)相同，兩轉(zhuǎn)子繞組均為星型接線，兩轉(zhuǎn)子繞組出線端 反相序連接。套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機套疊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為了利用電機圓筒形結(jié)構(gòu)的內(nèi)部空間、縮短WBDFG的軸向長度，采用套 疊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。如圖風(fēng)機葉片2安裝在輪轂1上，輪轂l內(nèi)設(shè)有通用的變槳 距機構(gòu)29,變槳距機構(gòu)29在機組集控裝置24的控制下，通過改變?nèi)~片2的 槳距角，實現(xiàn)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。輪轂安裝板3用以將輪轂1與電機輸出軸6 連接。套疊轉(zhuǎn)子式WBDFG由勵磁機和發(fā)電機軸向并聯(lián)結(jié)構(gòu)組成。兼作發(fā)電的勵 磁機由勵磁機定子鐵芯9、裝在此鐵芯槽中的勵磁機定子繞組7、勵磁機轉(zhuǎn)子 鐵芯8、裝在此鐵芯槽中的勵磁機轉(zhuǎn)子繞組16組成，勵磁機轉(zhuǎn)子在勵磁機定 子外側(cè)閨繞勵磁機定子旋轉(zhuǎn)，勵磁機定子鐵芯9與勵磁機轉(zhuǎn)子鐵芯8之間設(shè) 有勵磁機氣隙12，勵磁機定子繞組7與勵磁裝置23相連，勵磁機轉(zhuǎn)子繞組 16通過轉(zhuǎn)子繞組連接線13與發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組15反相序連接。發(fā)電機由發(fā)電 機定子鐵芯ll、裝在此鐵芯槽中的發(fā)電機定子繞組14、發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯IO、 裝在此鐵芯槽中的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組15組成，發(fā)電機轉(zhuǎn)子在發(fā)電機定子內(nèi)側(cè)旋 轉(zhuǎn)，發(fā)電機定子鐵芯11和發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯IO之間設(shè)有發(fā)電機氣隙17，發(fā)電 機定子繞組14與發(fā)電機助磁裝置22并聯(lián)。勵磁機定子鐵芯9安裝在勵磁機定子外殼32外側(cè)，發(fā)電機定子鐵芯11 安裝在電機外殼28內(nèi)側(cè)，勵磁機定子外殼32與電機左軸端支撐板21、電機 中部支撐板31和勵磁機端部支撐板33連接成一個整體，并與機餘后蓋20和 電機外殼28連接。勵磁機轉(zhuǎn)子鐵芯8與發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯10安裝在同一個圃筒形電機輸出軸 6的內(nèi)外兩側(cè)，電機輸出軸6分別與電機左端蓋18和電機右端蓋5連接，并 由于其連接的電機右軸端支撐板30徑向支撐，兩端蓋通過電機左軸承19和 電機右軸承4支撐兩轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)。電機外殼28底部與電機支撐板27連接，使電機傾斜5-IO度，以防止葉 片工作時與塔筒26刮蹭，電機底座處與塔筒頂部之間裝設(shè)偏航機構(gòu)25。發(fā)電機助磁裝置22裝于內(nèi)定子輸出軸圓筒形空間內(nèi)，與發(fā)電機定子繞組 14并接，勵磁裝置23裝于內(nèi)定子輸出軸圓筒形空間內(nèi)，與勵>^機定子繞組7 連接，機組集控裝置24裝于內(nèi)定子輸出軸圓筒形空間內(nèi)，與機組內(nèi)外相關(guān)部 件連接。一種套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置，包括機組集控裝置，集控裝 置連接信號傳感器，設(shè)有控制信號輸出端口，其中，控制裝置設(shè)有機組集控 制裝置24、勵磁機交流勵磁裝置23、發(fā)電機助磁裝置22、風(fēng)速風(fēng)向測量裝置、 發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器和風(fēng)機制動控制器；機組集控裝置24設(shè)有風(fēng)速傳感器測量的信號輸入端口 Dl、風(fēng)向傳感器測 量的信號輸入端口D2，設(shè)有與上位機遠程通信的輸出信號端口 D3;機組集控 裝置24與發(fā)電初4幾端電壓互感器T2連接，以測得發(fā)電機機端電壓數(shù)值，與 發(fā)電機輸出電流互感器T3連接，以測得發(fā)電機輸出電流數(shù)值；機組集控裝置 24與勵磁電壓互感器T5連接，以測得勵磁機勵磁電壓數(shù)值，與勵磁電流互感 器T4連接，以測得勵磁機勵磁電流數(shù)值；機組集控裝置24連接發(fā)電機轉(zhuǎn)速 傳感器和風(fēng)機制動控制器；勵磁機交流勵磁裝置23主回路輸入側(cè)通過投勵開關(guān)K2與發(fā)電機定子輸 出端并網(wǎng)開關(guān)內(nèi)側(cè)連接，交流勵磁裝置23接受機組集控裝置24的控制指令， 其輸出側(cè)主回路與勵磁機定子繞組連接；發(fā)電機助磁裝置22主回路與發(fā)電機輸出端連接，并接受機組集控裝置24 的控制指令，發(fā)電機輸出端通過并網(wǎng)開關(guān)K1、升壓變壓器T1與電網(wǎng)連接。繞線型疊套轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機WBDFG控制裝置結(jié)構(gòu)WBDFG控制裝置包括機組集控裝置、勵磁機交流勵磁裝置、發(fā)電機助磁裝 置、偏航控制器、變槳控制器、風(fēng)速風(fēng)向測量裝置、發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器、風(fēng) 機制動控制器等。機組集控裝置24設(shè)有控制單元24-1、觸摸屏24-2、上位遠端中控計算 機24-3、自動同期裝置24-4、發(fā)電機側(cè)適配單元24-5、勵磁機側(cè)適配單元 24-6、保護控制單元24-7?？刂茊卧?4-l設(shè)有風(fēng)速、風(fēng)向、轉(zhuǎn)速、電機溫升 信號輸入端口，開關(guān)K1、開關(guān)K2、偏航控制、變槳調(diào)節(jié)、解纜輸出、風(fēng)輪制 動開關(guān)等信號輸出端口。機組集控裝置24設(shè)有風(fēng)速傳感器測量的信號輸入端口 Dl，風(fēng)向傳感器測 量的信號輸入端口D2，設(shè)有與上位機遠程通信的輸出信號端口 D3，設(shè)有電機 溫升監(jiān)測端口 ，設(shè)有風(fēng)輪制動信號輸出端口 。機組集控裝置24與電壓互感器T2連接，以測得發(fā)電;^端電壓數(shù)值， 與電流互感器T3連接，以測得發(fā)電機輸出電流數(shù)值。機組集控裝置24與電壓互感器T5連接，以測得勵磁機勵磁電壓數(shù)值， 與電流互感器T4連接，以測得勵磁機勵磁電流數(shù)值。交流勵磁裝置23主回 路輸入側(cè)通過投勵開關(guān)K2與發(fā)電機定子輸出端并網(wǎng)開關(guān)內(nèi)側(cè)連接，交流勵磁 裝置23接受機組集控裝置24的控制指令，其輸出側(cè)主回路與WBDFG勵磁機 定子繞組連接，勵磁裝置23主回路由兩組雙向PWM整流一逆變單元Ql、 Q2 組成。WBDFG在同步轉(zhuǎn)速以下運行時，Q1PWM整流、Q2PWM逆變，勵磁裝置23 向勵磁機定子提供勵磁電流和部分有功能量，WBDFG在同步轉(zhuǎn)速以上運行時， Q1PWM逆變、Q2PWM整流，勵磁裝置23向勵磁機定子提供勵磁電流的同時， 有部分有功能量饋向電網(wǎng)。勵磁裝置23通過控制回路實現(xiàn)與機組集控裝置24 的通信聯(lián)系。發(fā)電機助磁裝置22主回路與發(fā)電機輸出端連接，并接受機組集控裝置24 的控制指令。發(fā)電機助磁裝置22由n+l個電容器組成，并通過可控硅控制其 投入數(shù)量，可控硅的導(dǎo)通控制由機組集控裝置24完成，發(fā)電機輸出端通過并 網(wǎng)開關(guān)1Q、升壓變壓器690/110000V TI與電網(wǎng)連接。
機組集控裝置24通過偏航機構(gòu)25控制WBDFG使風(fēng)輪上風(fēng)向旋轉(zhuǎn)，機組 集控裝置24通過閉環(huán)控制變槳距機構(gòu)29，保持風(fēng)輪額定風(fēng)速以下以最佳風(fēng)能 利用率運行、額定風(fēng)速以上以發(fā)電機額定輸出功率運行。變槳距機構(gòu)29包括 轉(zhuǎn)速測量機構(gòu)G1、槳距角測量機構(gòu)G2、變槳伺服4幾構(gòu)G3、伺服電機M1、變 槳距控制裝置G4組成。繞線型無刷雙饋電機WBDFG電氣控制方法如下WBDFG的勵磁系統(tǒng)由交流勵磁裝置23與發(fā)電機助磁裝置22組合而成，在 機組集控裝置24的控制下，完成發(fā)電機的起勵升壓、并網(wǎng)發(fā)電和無功調(diào)節(jié)。起勵控制風(fēng)力機在額定轉(zhuǎn)速以下，以一定速度驅(qū)動WBDFG旋轉(zhuǎn)，發(fā)電 機處于與電網(wǎng)解裂狀態(tài)，勵磁機準備投勵，發(fā)電機助磁裝置22在機組集控裝 置24的調(diào)節(jié)下，使發(fā)電機逐漸建立電壓，由機組集控裝置24通過T2測得發(fā) 電機輸出電壓，當發(fā)電機空栽輸出電壓達到額定輸出電壓30%-60%時，機組集 控裝置24令K2閉合，勵磁機交流勵磁裝置23投勵，機組集控裝置24調(diào)節(jié) 交流勵磁裝置23，使發(fā)電機電壓達到額定輸出值、^J^電機頻率達到并網(wǎng)要 求，準備并網(wǎng)。并網(wǎng)控制機組集控裝置24通過T2、 T6對K1兩側(cè)電壓、相序、頻率及 通過G對風(fēng)力機轉(zhuǎn)速的測量，在發(fā)電機輸出端與電網(wǎng)接線相序一致的條件下、 機組集控裝置24調(diào)節(jié)交流勵磁裝置23電壓的幅值和頻率，跟蹤對電網(wǎng)側(cè)和 風(fēng)力機轉(zhuǎn)速測量的數(shù)據(jù)，當發(fā)電機輸出端和電網(wǎng)側(cè)的電壓幅值、相序及頻率 達到并網(wǎng)技術(shù)要求的一致性后，由機組集控裝置24內(nèi)置的同期裝置發(fā)出信號， 令發(fā)電機并網(wǎng)開關(guān)K1自動閉合，完成并網(wǎng)。變速恒頻特性控制目前國標規(guī)定風(fēng)力發(fā)電機輸出電壓頻率范圍為 47. 5Hz-51Hz。不管發(fā)電機轉(zhuǎn)速如何變化，其定子電壓頻率滿足此國標規(guī)定的 頻率范圍、且與電網(wǎng)頻率相同，風(fēng)電機組就實現(xiàn)了變速恒頻運行。具體控制 過程如下隨著風(fēng)速的變化，機組集控裝置24通過控制變槳距機構(gòu)29以熟知的方
式調(diào)節(jié)風(fēng)力機葉片2的槳距角，即可調(diào)節(jié)發(fā)電機Wfe轉(zhuǎn)速^。交流勵磁裝置 23通過勵磁機定子繞組7饋入的交流勵磁電流頻率為/c ，該頻率旋轉(zhuǎn)磁場在 勵磁機轉(zhuǎn)子繞組16產(chǎn)生感應(yīng)電流其頻率為^/e ,該轉(zhuǎn)子電流通過與勵磁機轉(zhuǎn) 子繞組16反相序連接的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組15，形成發(fā)電機定子繞組14的勵磁磁場，該勵磁磁場相對發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械旋轉(zhuǎn)速度為^-^^,發(fā)電機 定子電壓頻率即電網(wǎng)頻率乂，該頻率磁場的旋轉(zhuǎn)速度為^-^^。同步工作尸尸者的和或差，始終與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)的角速度同步，三者關(guān)系以下式表示。<formula>formula see original document page 14</formula>±fi> 或者<formula>formula see original document page 14</formula>式中發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于WBDFG的同步速時，取"+"號 發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于WBDFG的同步速時，取"-"號由此以發(fā)電機定子輸出電壓頻率/,為目標，調(diào)節(jié)風(fēng)力機轉(zhuǎn)速即發(fā)電機轉(zhuǎn) 速^和勵磁機定子勵磁電流頻率/c形成閉環(huán)控制，就可實現(xiàn)WBDFG的變速恒 頻特性控制。有功控制WBDFG的轉(zhuǎn)速也可表示為一般表示<formula>formula see original document page 14</formula>同步轉(zhuǎn)速<formula>formula see original document page 14</formula>其中JV:風(fēng)力機轉(zhuǎn)速即發(fā)電機轉(zhuǎn)速 /c:勵磁機定子勵磁電流頻率 在此關(guān)系式中，當A^iV。時，交流勵磁裝置23向勵磁機定子繞組7提供 勵磁電流的同時，還饋入滑差容量的有功功率，其饋入勵磁電流相序使勵磁 機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與發(fā)電機轉(zhuǎn)向相反，上i^4達式取"-"號，當A^W。時，交流勵 磁裝置23向勵磁機定子繞組7提供勵磁電流的同時，還向電網(wǎng)錆入滑差容量 的有功功率，其饋入勵磁電流相序使勵磁機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向與發(fā)電機轉(zhuǎn)向相同，上
述表達式取"+"號。在前述變速恒頻特性控制方法中，分階段按不同規(guī)律調(diào)節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)機組的有功控制。WBDFG并網(wǎng)運行后，風(fēng)力機在低于額定 風(fēng)速以下運行時，機組集控裝置24通過控制變槳距機構(gòu)29以熟知的方式調(diào) 節(jié)風(fēng)力機葉片2的槳距角使其轉(zhuǎn)速以風(fēng)能利用系數(shù)最大模式運行，此階段為 風(fēng)能利用率最大化階段。在此階段，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速即取"-"號 區(qū)間，此轉(zhuǎn)速區(qū)間勵磁機提供勵磁的同時還需從電網(wǎng)吸收容量等于發(fā)電機滑 差功率的有功功率，此部分有功功率經(jīng)勵磁^L定子繞組7、勵磁;^L轉(zhuǎn)子繞組 16、發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組15到發(fā)電機定子繞組14輸出，此部分有功功率對電網(wǎng) 沒有貢獻、且有一定的內(nèi)部損耗，此區(qū)間WBDFG發(fā)電機效率最低。當發(fā)電機 以同步轉(zhuǎn)速工作時刻，即/c-0狀態(tài)，勵磁機只有勵磁功率輸入，發(fā)電機單獨 輸出有功功率，此刻WBDFG發(fā)電機效率較高。當發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速即 取"+"號區(qū)間，此區(qū)間勵磁機提供勵磁的同時，還有與發(fā)電機滑差功率相同 的有功功率從發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組15、勵磁機轉(zhuǎn)子繞組16、經(jīng)勵磁機定子繞組7 饋入電網(wǎng)，此區(qū)間發(fā)電機、勵磁機雙側(cè)同時向電網(wǎng)貢獻有功，即所謂雙饋發(fā) 電，此區(qū)間WBDFG發(fā)電機效率很高。當風(fēng)力機在額定及以上風(fēng)速運行時，機 組集控裝置24通過控制變槳距機構(gòu)29以熟知的方式調(diào)節(jié)風(fēng)力機葉片2的槳 距角使其轉(zhuǎn)速基本恒定，WBDFG以額定功率輸出模式運行，此階段為恒功率輸 出階段。恒功率輸出階段WBDFG為雙饋發(fā)電，發(fā)電機的效率最高。電壓和無功控制WBDFG在不同轉(zhuǎn)速下均可并網(wǎng)，并網(wǎng)前當頻率、相序滿 足要求后，發(fā)電機助磁裝置22在機組集控裝置24的調(diào)節(jié)下，使發(fā)電機逐漸 建立電壓，由機組集控裝置24通過T2測得發(fā)電機輸出電壓，當發(fā)電機空栽 輸出電壓達到額定輸出電壓30%-60%時，機組集控裝置24通過調(diào)節(jié)勵磁裝置 23交流勵磁電流的大小，從而調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出電壓的高低。發(fā)電機并網(wǎng)運行 后，機組集控裝置24通過調(diào)節(jié)勵磁裝置23和發(fā)電機助磁裝置22,使WBDFG 向電網(wǎng)饋電的功率因數(shù)滿足國標要求，cos伊-:t0.975 。本實用新型利用勵磁機 側(cè)的交流勵磁裝置與發(fā)電機倒的輔助勵磁裝置有機結(jié)合，在機組集控裝置的
調(diào)節(jié)下根據(jù)風(fēng)電場運行要求完成滿足國標要求的無功控制。以上所述，僅是本實用新型的較佳實施例而已，并非對本實用新型作任 何形式上的限制，凡是依據(jù)本實用新型的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何 簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實用新型技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求1. 一種套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，包括發(fā)電機主體、定子、轉(zhuǎn)子、風(fēng)機葉片(2 )、輪轂(1)，風(fēng)機葉片(2 )安裝在輪轂(1)上，在發(fā)電機主體 內(nèi)，轉(zhuǎn)子相對定子旋轉(zhuǎn)的構(gòu)造設(shè)置，風(fēng)機葉片(2)帶動輪轂(1)驅(qū)動轉(zhuǎn)子 旋轉(zhuǎn)，其特征在于主體內(nèi)設(shè)置套疊轉(zhuǎn)子式發(fā)電機和勵磁機，發(fā)電機和勵磁 機轉(zhuǎn)子同軸安裝，發(fā)電機和勵磁機軸向并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)置；發(fā)電機和勵磁機各自 獨立磁路，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組(15)極對數(shù)與發(fā)電機定子繞組(14)極對數(shù)相同， 勵磁機轉(zhuǎn)子繞組(16)極對數(shù)與勵磁機定子繞組(7)極對數(shù)相同。
2. 如權(quán)利要求1所述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，其特征在于發(fā)電機 由發(fā)電機定子鐵芯(11)、裝在此鐵芯槽中的發(fā)電機定子繞組(14)、發(fā)電機 轉(zhuǎn)子鐵芯(10)、裝在此鐵芯槽中的發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組(15)組成，發(fā)電機轉(zhuǎn)子 相對發(fā)電機定子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機定子鐵芯(11)和發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯(10)之間 設(shè)有發(fā)電機氣隙(17 )，發(fā)電機定子繞組(14 )并聯(lián)連接發(fā)電機助磁裝置(22 ); 發(fā)電機助磁裝置(22)安裝于圓筒形空間內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，其特征在于勵 磁機由勵磁機定子鐵芯(9)、裝在此鐵芯槽中的勵磁機定子繞組(7)、勵磁 機轉(zhuǎn)子鐵芯(8)、裝在此鐵芯槽中的勵磁機轉(zhuǎn)子繞組(16)組成，勵磁機轉(zhuǎn) 子相對勵磁機定子旋轉(zhuǎn)，勵磁機定子鐵芯(9)與勵磁機轉(zhuǎn)子鐵芯(8)之間 設(shè)有勵磁機氣隙(12)，勵磁機定子繞組(7)相連有勵磁裝置(23);勵磁裝 置(23)安裝于圓筒形空間內(nèi)；勵磁機定子鐵芯(9)安裝在勵磁機定子外殼(32)外側(cè)，發(fā)電機定子鐵 芯(11)安裝在電機外殼(28)內(nèi)側(cè)，勵磁機定子外殼(32)與電機支撐板 (21、 31)和勵磁機支撐板(33)連接成一個整體，并與機艙后蓋(20)和電機外殼(28)連接；勵磁機轉(zhuǎn)子鐵芯(8)與發(fā)電機轉(zhuǎn)子鐵芯(10)安裝在同一個圃筒形電機 輸出軸(6)的內(nèi)外兩側(cè)，電機輸出軸(6)分別與電機左端蓋(18)和電機右端蓋(5)連接，并由于其連接的電機右軸端支撐板徑向支撐，兩端蓋通過 電機左軸承(19)和電機右軸承(4)支撐兩轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)。
4. 如權(quán)利要求3所述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，其特征在于發(fā)電機 轉(zhuǎn)子繞組(15)和勵磁機轉(zhuǎn)子繞組(16)為繞線式波繞組結(jié)構(gòu)、星形接線方 式，勵磁機轉(zhuǎn)子繞組(16 )通過轉(zhuǎn)子繞組連接線(13 )與發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組(15 ) 反相序連接。
5. 如權(quán)利要求4所述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，其特征在于安裝風(fēng) 機葉片(2 )的輪轂(1)設(shè)有通用的變槳距機構(gòu)(29 )，變槳距機構(gòu)(29 )在 機組集控裝置(24)的控制下，通過改變?nèi)~片(2)的槳距角，實現(xiàn)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速 的調(diào)節(jié)，輪轂安裝板(3)用以將輪轂(1)與電機輸出軸(6)連接。
6. 如權(quán)利要求5所述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機，其特征在于發(fā)電機 設(shè)有電機傾斜安裝機構(gòu)，電機外殼(28)底部與電機支撐板(27)連接，使 電機傾斜5-10度，電機底座處與塔筒頂部之間裝設(shè)偏航機構(gòu)(25 )。
7. —種套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置，包括機組集控裝置，集控 裝置連接信號傳感器，設(shè)有控制信號輸出端口，其特征在于控制裝置設(shè)有 機組集控裝置(24)、勵磁機交流勵磁裝置(23)、發(fā)電機助磁裝置(22)、發(fā) 電機轉(zhuǎn)速傳感器和風(fēng)機制動控制器；機組集控裝置(24)設(shè)有風(fēng)速傳感器測量的信號輸入端口 (Dl)、風(fēng)向傳 感器測量的信號輸入端口 ( D2 ),設(shè)有與上位機遠程通信的輸出信號端口 ( D3); 機組集控裝置(24)與發(fā)電機機端電壓互感器(T2)。連接，以測得發(fā)電機機 端電壓數(shù)值，與發(fā)電機輸出電流互感器(T3)連接，以測得發(fā)電機輸出電流 數(shù)值；機組集控裝置(24)與勵磁電壓互感器(T5)連接，以測得勵磁機勵 磁電壓數(shù)值，與勵磁電流互感器(T4)連接，以測得勵磁機勵磁電流數(shù)值； 機組集控裝置(24)連接發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器和風(fēng)機制動控制器；勵磁機交流勵磁裝置(23)主回路輸入側(cè)通過投勵開關(guān)U2)與發(fā)電機 定子輸出端并網(wǎng)開關(guān)內(nèi)側(cè)連接，交^J^磁裝置(23)接受機組集控裝置(24)的控制指令，其輸出側(cè)主回路與勵磁機定子繞組連接；發(fā)電機助磁裝置(22)主回路與發(fā)電機輸出端連接，并接受機組集控裝 置(24)的控制指令，發(fā)電機輸出端通過并網(wǎng)開關(guān)(Kl)、升壓變壓器(Tl) 與電網(wǎng)連接。
8. 如權(quán)利要求7所述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置，其特征在 于機組集控裝置(24)連接控制偏航機構(gòu)(25)，使風(fēng)輪上風(fēng)向旋轉(zhuǎn)，機組 集控裝置(24)通過閉環(huán)控制變槳距機構(gòu)(29)，保持風(fēng)輪額定風(fēng)速以下以最 佳風(fēng)能利用率運行、額定風(fēng)速以上以發(fā)電機額定輸出功率運行；變槳距機構(gòu)(29)連接轉(zhuǎn)速測量器(Gl)、槳距角測量器(G2)、變槳祠服機構(gòu)(G3)、伺 服電機(Ml)、變槳距控制裝置(G4)。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置，其特 征在于勵磁裝置(23)主回路由兩組雙向整流-逆變單元組成；發(fā)電機在同 步轉(zhuǎn)速以下運行時，勵磁裝置(23)向勵磁機定子提供勵磁電流和部分有功 能量，發(fā)電機在同步轉(zhuǎn)速以上運行時，勵磁裝置(23)向勵磁機定子提供勵 磁電流的同時，有部分有功能量饋向電網(wǎng)；勵磁裝置(23)通過控制回路實 現(xiàn)與機組集控裝置(24)的通信聯(lián)系。
10. 如權(quán)利要求9所述的套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機的控制裝置，其特征 在于機組集控裝置(24),設(shè)有電機溫升監(jiān)測端口，設(shè)有風(fēng)輪制動信號輸出 端口；發(fā)電機助磁裝置(22)設(shè)有電容器，電容器通過可控硅控制其投入數(shù) 量，可控硅的導(dǎo)通控制由機組集控裝置(24)完成。
專利摘要一種套疊轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機及其控制裝置涉及風(fēng)力發(fā)電機。本實用新型包括發(fā)電機主體、定子、轉(zhuǎn)子、風(fēng)機葉片、輪轂，主體內(nèi)設(shè)置套疊轉(zhuǎn)子式發(fā)電機和勵磁機，發(fā)電機和勵磁機轉(zhuǎn)子同軸安裝，發(fā)電機和勵磁機軸向并聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)置，各自獨立磁路；控制裝置設(shè)有機組集控裝置、勵磁機交流勵磁裝置、發(fā)電機助磁裝置、發(fā)電機轉(zhuǎn)速傳感器和風(fēng)機制動控制器；機組集控裝置設(shè)有傳感器測量的信號輸入端口；勵磁機交流勵磁裝置主回路輸入側(cè)與發(fā)電機定子輸出端連接，輸出側(cè)主回路與勵磁機定子繞組連接；發(fā)電機助磁裝置主回路與發(fā)電機輸出端連接，發(fā)電機輸出端與電網(wǎng)連接。本實用新型具有無刷化，直驅(qū)，無齒輪箱，無功調(diào)節(jié)方便，安全性、可靠性和運行效率高等優(yōu)點。
文檔編號H02K17/42GK201038959SQ20072009601
公開日2008年3月19日 申請日期2007年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月15日
發(fā)明者商建鋒, 楊彥杰, 王華君 申請人:天津市新源電氣科技有限公司