專(zhuān)利名稱(chēng)：永磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其工作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種電機(jī)，尤其涉及一種永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)及其工作方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，普通雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子均采用三相繞組，定子三相繞組對(duì)外輸出電能，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子三相繞組通過(guò)電刷-滑環(huán)獲得電壓大小、相位和頻率可調(diào)的三相對(duì)稱(chēng)電壓進(jìn)行勵(lì)磁以建立磁場(chǎng)，通過(guò)改變勵(lì)磁電壓的頻率、大小和相位實(shí)現(xiàn)恒頻恒壓運(yùn)行和調(diào)節(jié)，在風(fēng)カ發(fā)電中得到了廣泛應(yīng)用。但普通雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)也存在突出的問(wèn)題，如低電壓穿越能力弱、勵(lì)磁容量較大，控制策略復(fù)雜等。由于風(fēng)カ發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)連接，所以，風(fēng)カ發(fā)電機(jī)必須具有在電網(wǎng)電壓擾動(dòng)情況下不間斷運(yùn)行的能力，其中在各種電網(wǎng)故障引起的電壓瞬間跌落情況下，風(fēng)カ發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行能力還有待進(jìn)ー步提高。雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行低 壓穿越問(wèn)題是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)，但是目前的研究主要集中在勵(lì)磁變頻器控制策略上，對(duì)電機(jī)本體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)研究還很少。提出的各種控制算法相對(duì)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中難于實(shí)現(xiàn)。雙饋發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁變頻器容量問(wèn)題是雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行和控制的又一個(gè)至關(guān)重要的因素。雙饋發(fā)電機(jī)取自電網(wǎng)的勵(lì)磁電流決定了變頻器的勵(lì)磁容量，從減小勵(lì)磁電流方面考慮，不僅可以減小勵(lì)磁變頻器的容量，而且可以提高雙饋發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行性能。因此有必要在雙饋電機(jī)結(jié)構(gòu)上作進(jìn)ー步改進(jìn)。中國(guó)專(zhuān)利CN 201621003U公開(kāi)了ー種永磁發(fā)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)包括機(jī)座、連接機(jī)座兩端的ー對(duì)機(jī)座端蓋、碳刷和電能引出線，轉(zhuǎn)子包括繞線轉(zhuǎn)子組件、永磁轉(zhuǎn)子組件和ー對(duì)具有相反偏轉(zhuǎn)角的風(fēng)葉，永磁轉(zhuǎn)子組件同軸心地嵌套在所述繞線轉(zhuǎn)子組件內(nèi)，繞線轉(zhuǎn)子組件通過(guò)所述一對(duì)機(jī)座端蓋支撐同軸心地嵌套在所述機(jī)座內(nèi)，ー對(duì)具有相反偏轉(zhuǎn)角的風(fēng)葉分別與繞線轉(zhuǎn)子組件和永磁轉(zhuǎn)子組件固定連接。雖然使繞線轉(zhuǎn)子能相對(duì)于永磁轉(zhuǎn)子以同樣速度相向轉(zhuǎn)動(dòng)，降低了啟動(dòng)風(fēng)速，但是，該發(fā)電機(jī)具有兩個(gè)轉(zhuǎn)子，分別由兩個(gè)風(fēng)葉驅(qū)動(dòng)，兩個(gè)轉(zhuǎn)子的速度控制較為困難，對(duì)于恒頻恒壓并網(wǎng)要求難于實(shí)現(xiàn)，該風(fēng)カ發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，系統(tǒng)故障狀態(tài)下難于控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述問(wèn)題，提供一種永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)及其工作方法，它具有提高雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)的低電壓穿越能力、降低勵(lì)磁容量?jī)?yōu)點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)，包括機(jī)座、連接機(jī)座兩端的一對(duì)機(jī)座端蓋、電刷滑環(huán)和電能引出線、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、定子、轉(zhuǎn)子，所述定子與機(jī)座固定起支撐電機(jī)的作用，所述定子的結(jié)構(gòu)與普通雙饋發(fā)電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)相同，包括定子鐵心和定子三相繞組；所述定子鐵心的內(nèi)壁嵌有分布式対稱(chēng)的定子三相繞組，所述ー對(duì)機(jī)座端蓋支撐電機(jī)轉(zhuǎn)軸，所述電刷滑環(huán)與所述繞線轉(zhuǎn)子接觸并固定連接在所述電能引出線上；所述轉(zhuǎn)子包括繞線轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和一個(gè)風(fēng)輪；所述轉(zhuǎn)子安裝在電機(jī)軸上，轉(zhuǎn)子安裝在定子內(nèi)部；所述永磁轉(zhuǎn)子安裝在繞線轉(zhuǎn)子內(nèi)部；所述永磁轉(zhuǎn)子與繞線轉(zhuǎn)子分別通過(guò)相互獨(dú)立的軸承安裝在電機(jī)軸上。所述繞線轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵 心和轉(zhuǎn)子三相繞組組成，所述轉(zhuǎn)子鉄心外壁嵌有轉(zhuǎn)子三相繞組；所述繞線轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸剛性連接，所述轉(zhuǎn)子三相繞組通過(guò)電刷-滑環(huán)結(jié)構(gòu)提供勵(lì)磁電壓；所述永磁轉(zhuǎn)子采用表面式結(jié)構(gòu)，安裝在繞線轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔，與繞線轉(zhuǎn)子之間存在徑向間隙；徑向間隙產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)。所述永磁轉(zhuǎn)子通過(guò)軸承固定在電機(jī)軸上，繞電機(jī)軸自由旋轉(zhuǎn)；永磁轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子三相繞組、轉(zhuǎn)子三相繞組的極數(shù)相同。所述轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)磁勢(shì)源，分別為永磁轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子三相繞組，所述永磁轉(zhuǎn)子提供永磁磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子三相繞組提供可變磁場(chǎng)，通過(guò)改變繞線轉(zhuǎn)子中電流的大小、相位和方向，對(duì)氣隙磁場(chǎng)起到助磁或弱磁的作用。 所述定子三相繞組和繞線轉(zhuǎn)子均為三相對(duì)稱(chēng)交流繞組。上述永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)所采用的工作方法永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)定子三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將永磁轉(zhuǎn)子牽入同步，永磁轉(zhuǎn)子在發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)始終同步速運(yùn)行；而繞線轉(zhuǎn)子與定子三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不同歩。當(dāng)被風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的繞線轉(zhuǎn)子超過(guò)同步速運(yùn)行時(shí)，該發(fā)電機(jī)通過(guò)繞線轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋入電能，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)被風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的繞線轉(zhuǎn)子低于同步速運(yùn)行時(shí)，繞線轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收電能，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)被風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的繞線轉(zhuǎn)子等于同步速運(yùn)行時(shí)，繞線轉(zhuǎn)子與電網(wǎng)間無(wú)能量交換，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)相當(dāng)于同步電機(jī)運(yùn)行。定子三相繞組、轉(zhuǎn)子三相繞組和永磁轉(zhuǎn)子共同建立勵(lì)磁磁場(chǎng)；根據(jù)永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行的要求，靈活改變勵(lì)磁繞組電流的大小和方向，來(lái)調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，由于永磁磁場(chǎng)的存在，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)減小了來(lái)自電網(wǎng)的勵(lì)磁電流；特別是電網(wǎng)故障時(shí)，勵(lì)磁電流的減小有助于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)，這樣更有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本發(fā)明的有益效果是與普通雙饋發(fā)電機(jī)相比，本發(fā)明的永磁轉(zhuǎn)子與繞線轉(zhuǎn)子分別通過(guò)相互獨(dú)立的軸承安裝在電機(jī)軸上，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)繞線轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在自由旋轉(zhuǎn)的永磁轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)，減小了勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)子勵(lì)磁容量；在電網(wǎng)電壓驟降時(shí)，永磁磁場(chǎng)可以產(chǎn)生較高的電壓，為電網(wǎng)提供有力的支持。因此，既實(shí)現(xiàn)恒頻恒壓運(yùn)行，又減小勵(lì)磁容量、提高了低電壓穿越能力。本發(fā)明僅僅采用一個(gè)風(fēng)輪就可以實(shí)現(xiàn)繞線轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)，永磁轉(zhuǎn)子的驅(qū)動(dòng)是通過(guò)永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)定子三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將永磁轉(zhuǎn)子牽入同歩。本發(fā)明的工作方法實(shí)現(xiàn)了當(dāng)被風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的繞線轉(zhuǎn)子超過(guò)同步速運(yùn)行時(shí)，該發(fā)電機(jī)通過(guò)繞線轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋入電能，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)被風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的繞線轉(zhuǎn)子低于同步速運(yùn)行時(shí)，繞線轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收電能，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；即實(shí)現(xiàn)了永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)的雙饋功能。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特，采用永磁磁場(chǎng)勵(lì)磁，可以靈活地調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，降低了勵(lì)磁容量，提高了電機(jī)的效率。永磁磁場(chǎng)的存在，提高了電機(jī)的低電壓穿越能力，對(duì)故障狀態(tài)下的電網(wǎng)提供有力支持，并網(wǎng)控制策略相對(duì)簡(jiǎn)單，控制效果較好。


圖I為本發(fā)明的永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)和普通雙饋發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)定向控制方式轉(zhuǎn)子d軸電流波形示意圖；I、定子鐵心，2、定子三相繞組，3、轉(zhuǎn)子鐵心，4、轉(zhuǎn)子三相繞組，5、外氣隙，6、永磁轉(zhuǎn)子，7、徑向間隙,8、永磁體,9、導(dǎo)磁材料,IO、轉(zhuǎn)子軸承。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步說(shuō)明。圖I中，它包括定子鐵心1，其內(nèi)安裝三相対稱(chēng)的定子三相繞組2，繞線轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鉄心3和轉(zhuǎn)子三相繞組4組成；繞線轉(zhuǎn)子和定子之間是外氣隙5，在繞線轉(zhuǎn)子內(nèi)腔安裝永磁轉(zhuǎn)子6，二者之間存在徑向間隙7。圖2中，永磁轉(zhuǎn)子6由永磁體8和導(dǎo)磁材料9組成，永磁體8固定在導(dǎo)磁材料9上，永磁轉(zhuǎn)子6通過(guò)轉(zhuǎn)子軸承10和轉(zhuǎn)軸相連接,可以繞轉(zhuǎn)軸自由旋轉(zhuǎn)。所述定子三相繞組2和轉(zhuǎn)子三相繞組4均為三相交流繞組。所述永磁體8為徑向充磁。繞線轉(zhuǎn)子電勵(lì)磁磁場(chǎng)調(diào)節(jié)容易，通過(guò)改變轉(zhuǎn)子三相繞組4電流的大小和方向，來(lái)調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)。采用Matlab/simulink軟件仿真分析了永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)和普通雙饋發(fā)電機(jī)定子磁場(chǎng)定向控制方式轉(zhuǎn)子d軸電流波形(如圖3所示)，由轉(zhuǎn)子d軸電流仿真波形可知，在相同的仿真條件下，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子d軸電流顯著小于普通雙饋電機(jī)，轉(zhuǎn)子電流減小了 16. 7%，這是由于永磁雙饋發(fā)電機(jī)永磁內(nèi)轉(zhuǎn)子的存在，減小了電機(jī)的勵(lì)磁電流，其電流小于普通雙饋電機(jī)。因此，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。
權(quán)利要求
1.一種永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)，包括機(jī)座、連接機(jī)座兩端的一對(duì)機(jī)座端蓋、電刷滑環(huán)和電能引出線、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、定子、轉(zhuǎn)子，所述定子與機(jī)座固定起支撐電機(jī)的作用，所述定子的結(jié)構(gòu)與普通雙饋發(fā)電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)相同，包括定子鐵心和定子三相繞組；所述定子鐵心的內(nèi)壁嵌有分布式対稱(chēng)的定子三相繞組，所述ー對(duì)機(jī)座端蓋支撐電機(jī)轉(zhuǎn)軸，所述電刷滑環(huán)與所述繞線轉(zhuǎn)子接觸并固定連接在所述電能引出線上；所述轉(zhuǎn)子安裝在電機(jī)軸上，轉(zhuǎn)子安裝在定子內(nèi)部；其特征是，所述轉(zhuǎn)子包括繞線轉(zhuǎn)子、永磁轉(zhuǎn)子和一個(gè)風(fēng)輪；所述永磁轉(zhuǎn)子安裝在繞線轉(zhuǎn)子內(nèi)部；所述永磁轉(zhuǎn)子與繞線轉(zhuǎn)子分別通過(guò)相互獨(dú)立的軸承安裝在電機(jī)軸上。
2.如權(quán)利要求I所述的ー種永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)，其特征是，所述繞線轉(zhuǎn)子由轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子三相繞組組成，所述轉(zhuǎn)子鉄心外壁嵌有轉(zhuǎn)子三相繞組；所述繞線轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸剛性連接，所述轉(zhuǎn)子三相繞組通過(guò)電刷-滑環(huán)結(jié)構(gòu)提供勵(lì)磁電壓。
3.如權(quán)利要求I所述的ー種永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)，其特征是，所述永磁轉(zhuǎn)子采用表面式結(jié)構(gòu)，安裝在繞線轉(zhuǎn)子的內(nèi)腔，與繞線轉(zhuǎn)子之間存在徑向間隙；徑向間隙產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)；所述永磁轉(zhuǎn)子通過(guò)軸承固定在電機(jī)軸上，繞電機(jī)軸自由旋轉(zhuǎn)；永磁轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子三相繞組、轉(zhuǎn)子三相繞組的極數(shù)相同。
4.如權(quán)利要求I所述的ー種永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)，其特征是，所述轉(zhuǎn)子上有兩個(gè)磁勢(shì)源，分別為永磁轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子三相繞組，所述永磁轉(zhuǎn)子提供永磁磁場(chǎng)；轉(zhuǎn)子三相繞組提供可變磁場(chǎng)，通過(guò)改變繞線轉(zhuǎn)子中電流的大小、相位和方向，對(duì)氣隙磁場(chǎng)起到助磁或弱磁的作用；所述定子三相繞組和繞線轉(zhuǎn)子均為三相對(duì)稱(chēng)交流繞組；定子三相繞組、轉(zhuǎn)子三相繞組和永磁轉(zhuǎn)子共同建立勵(lì)磁磁場(chǎng)。
5.如權(quán)利要求I所述的ー種永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)所采用的工作方法，其特征是，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定子三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)將永磁轉(zhuǎn)子牽入同步，永磁轉(zhuǎn)子在發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)始終同步速運(yùn)行；而繞線轉(zhuǎn)子與定子三相繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)不同歩，當(dāng)被風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的繞線轉(zhuǎn)子超過(guò)同步速運(yùn)行時(shí)，該發(fā)電機(jī)通過(guò)繞線轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋入電能，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)處于發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)被風(fēng)輪驅(qū)動(dòng)的繞線轉(zhuǎn)子低于同步速運(yùn)行時(shí)，繞線轉(zhuǎn)子從電網(wǎng)吸收電能，永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)處于電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的ー種永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)的工作方法，其特征是，根據(jù)永磁雙饋風(fēng)カ發(fā)電機(jī)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行的要求，靈活改變勵(lì)磁繞組電流的大小和方向，來(lái)調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，由于永磁磁場(chǎng)的存在，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)減小了來(lái)自電網(wǎng)的勵(lì)磁電流；特別是電網(wǎng)故障吋，勵(lì)磁電流的減小有助于電網(wǎng)電壓的恢復(fù)和電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種永磁雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)及其工作方法，它包括機(jī)座，其內(nèi)安裝轉(zhuǎn)軸，在機(jī)座內(nèi)還安裝定子和轉(zhuǎn)子，所述定子與普通雙饋發(fā)電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)相同，由定子鐵心和定子三相繞組組成；所述轉(zhuǎn)子采用雙轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，包括永磁轉(zhuǎn)子和繞線轉(zhuǎn)子；所述永磁轉(zhuǎn)子的極數(shù)和定子三相繞組、轉(zhuǎn)子三相繞組的極數(shù)相同；定子三相繞組、繞線轉(zhuǎn)子繞組和永磁轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)是同步的，共同建立勵(lì)磁磁場(chǎng)；通過(guò)改變繞線轉(zhuǎn)子中電流的大小、相位和方向，對(duì)氣隙磁場(chǎng)起到助磁或弱磁的作用；電機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)雙饋電機(jī)運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行的要求，靈活改變勵(lì)磁繞組電流的大小和方向，來(lái)調(diào)節(jié)氣隙磁場(chǎng)，由于永磁磁場(chǎng)的存在，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)減小了來(lái)自電網(wǎng)的勵(lì)磁電流。
文檔編號(hào)H02K16/02GK102868269SQ20121040707
公開(kāi)日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者王秀和, 刁統(tǒng)山 申請(qǐng)人:山東大學(xué)