一種調速同步電機機組的製作方法
2023-06-06 00:29:16
專利名稱：一種調速同步電機機組的製作方法
技術領域：
本發明涉及調速電機技術，尤其是同步電機及其調速技術。
背景技術：
風能可再生、清潔環保並且儲量巨大，風力發電是新能源的主要發展方向之一。為了適應風速的不穩定性，傳統的風力發電機採用異步電機，機頭還設有升速齒輪箱，將低速旋轉的葉片升速到異步電機的轉速。異步發電機需要從電網吸收無功功率，這將增加網損並可能產生電網穩定性問題；升速齒輪箱造價高、效率低，加大了機頭重量，限制了塔身高度；而且適風範圍較窄，發電風速為5 25m/s，在網風速為3 30m/s。傳統同步電機定子側的交直交變頻調速成本高、損耗大。異步電機分變頻調速和雙饋調速，變頻調速與同步電機的定子側調速一樣，成本高、損耗大，不適於大型電機應用；雙饋調速的電機工作在異步狀態，受異步轉矩M-滑差s 特性的約束，調速範圍有限，仍然不能革除風力發電機組的升速齒輪箱。中國專利申請ZL200810054781.7(發明名稱一種單饋同步風力發電機組)，公開了一種風力發電機組的調速方案，該發明的同步發電機的轉子繞組與定子繞組結構相同， 定子繞組是三相的、轉子繞組也是三相的，定子繞組是P對極，轉子繞組也是P對極，結構複雜，不宜製造；轉子繞組較多，從而逆變器輸出迴路也較多。該專利申請的方案中將雙饋調速的控制器用於調速同步機的勵磁控制，然而雙饋控制器只能使得Of ω3-ωω，不能保證Cof= ω3-ωω，所以，該專利申請的方案在實踐中是難於實施的。針對上述技術和應用問題，本發明旨在提出一種新型的調速電機機組，不從電網吸收無功，調速範圍寬，用作風力發電機時結構簡化，革除升速齒輪箱，提高效率，降低機頭重量，拓寬適風面和適風範圍，提高風能利用率。
發明內容
為實現上述技術目的，本發明給出一種調速同步電機機組，包括同步機和控制器， 同步電機包括轉子和定子，定子線圈連接電網以向電網發送有功功率、無功功率或從電網輸入有功功率，控制器輸出勵磁電壓連接轉子線圈形成勵磁電流，勵磁電流用於產生磁場， 控制器的電源輸入接電網；其特徵在於所述同步電機為雙勵磁繞組電機，包括兩個轉子線圈，所述的兩個轉子線圈在空間上呈α電角度布置；所述控制器輸出兩路交流勵磁電壓分別連接兩個轉子線圈中的一個，形成兩個交流勵磁電流；所述控制器的一個反饋輸入接電機的機械轉速Ωω，另一個反饋輸入連接電網接收電網電壓信號用於測量電網角頻率
，第三個反饋輸入為所述同步電機的機端電壓，所述控制器的一路輸出控制所述兩個交流勵磁電壓的角頻率《f達到cof= ω3-ρ ·Ωω和電流相位差等於(π-α)，另一路輸出控制所述兩個交流勵磁電壓的有效值使得機端電壓趨於給定機端電壓。其中，ρ為電機的極對數，ρ = 1,2,3,... 0電角度等於機械角度的ρ倍，電角速度等於機械轉速的P倍，即《 =p-Qm=p- — -N，其中，N為轉子機械旋轉的轉速，單位是轉
oU
/分鐘。勵磁電壓在轉子繞組中形成勵磁電流，勵磁電流形成勵磁磁場，本發明的控制器有兩個作用，一個作用與普通同步機的勵磁控制器作用一樣，調整勵磁電壓的有效值使得機端電壓與給定機端電壓一致；另一個作用是調整勵磁電壓的頻率《f，以保證交流勵磁電流的相位差是(η - α )，從而，所形成的勵磁磁場只有正向旋轉分量，還保證= ω3-ρ · Ω,Π在不同的轉速，正向旋轉磁場相對於定子的轉速cof+p · Ωω仍然保持與電網頻率同步運行。正是後一個作用，才能夠允許本發明的同步電機以不同的轉速運行。所述的兩個轉子線圈的匝數WD、Wq和所述控制器的兩個輸出交流電流有效值IfD、 Ifg之積相等，即Wd · Iffl = = Fq = Wq · IfQ，特別地，Wd = Wq和Iffl = IfQ，以保證正向旋轉磁勢的幅值恆定。Wd和Wq在製造電機時確定，滿足Wd · IfD = Wq · Ife的辦法很多，如兩個轉子線圈的參數一樣，即Wd = Wq、兩個轉子迴路的電阻、電抗相等，於是，控制兩個勵磁電壓有效值相等則兩個勵磁電流有效值相等；如果兩個轉子線圈的參數不同，依照下述方法，也不難控制『和『滿足上述等式。所述的定子鐵芯和轉子鐵芯360°全向均勻，以保證幅值恆定的旋轉磁勢產生的旋轉勵磁磁通恆定。作為本發明的一個實用化改進，所述α為90°，即兩個轉子線圈空間上呈90°電角度布置，所述的兩相交流電流的相位差也是90°。所述控制器是多入多出MIMO結構，控制器輸出控制交流勵磁電壓的頻率和有效值，而頻率的改變將引起轉子迴路阻抗的變化，導致勵磁電流的變化；電壓有效值的改變直接改變勵磁電流有效值的變化；可見，控制是不解偶的，即多個單入單出SISO結構難於實現。題儘管電網角頻率基本恆定，通過本發明的實施，調整轉子交流勵磁電流的角頻率能夠調整同步電機的轉速ωω，並且，保持電機勵磁磁場與電網同步。cof可以在O到
之間變化，甚至超過，調速範圍非常寬；輸出功率與轉速無關，當用於電動機調速時， 啟動力矩巨大，能夠克服傳統異步電機調速的啟動力矩小的問題。與同步機定子側交直交調速相比，功率元件上的消耗降低，成本降低。所以，能夠廣泛用於大型電機的調速，尤其是替代交直交調速的同步電機。與異步風力發電機相比，不僅不從電網中吸收無功，還可以根據要求向電網發送無功，有助於電網減少網損和提高電網穩定性；大範圍調速，一方面革除升速齒輪箱，降低成本、提高效率，減輕機頭重量，方便安裝，允許加高搭架以提高風力利用；另一方面，還能夠拓寬適風速度。
圖1為本發明的調速同步電機組的電路結構示意圖。圖2是本發明控制器的原理示意圖
圖3為本發明的調速同步電機組的一種由半導體器件構成的控制器實施方案。圖4為本發明的調速同步電機組的一種由半導體器件構成的控制器另一實施方案。圖5為本發明的調速同步電機組的控制器的一種實施方案。圖6為本發明的調速同步電機組的一種帶積分的控制器方案。圖7為本發明的調速同步電機組的一種帶功角反饋的控制器實施方案。圖8為控制信號到逆變器受控輸入的展開圖。
具體實施例圖1給出本發明的調速同步電機機組，包括同步電機1和控制器2，同步電機1包括轉子11和定子12，轉子11有鐵芯和轉子線圈，定子12也有鐵芯和定子線圈，三相定子線圈經電線3連接電網4從電網4輸入有功功率或向電網4發送功率(包括有功和無功功率) 』轉子11接受或輸出機械轉矩，其特徵在於所述同步電機1包括兩個轉子線圈111和 112，該兩個轉子線圈111和112在空間上呈α電角度布置，經滑環(未示出)引出後分別連接控制器2的兩個交流勵磁電壓輸出6，兩個交流勵磁電壓在兩個轉子線圈中形成兩個交流勵磁電流，其角頻率都是《f ；控制器2的電源輸入5接電網4 ；一個反饋輸入接收同步電機1的機械轉速Ω m 7，另一個反饋輸入電網4的電壓用於測量電網角頻率ω s，第三個反饋輸入接所述同步電機1的機端電壓，控制器的輸出控制交流勵磁電壓的角頻率《f滿足 ω,= ω3-ρ·Ωω、兩個交流勵磁電流的相位差等於(π-α)，勵磁線圈的匝數與勵磁電流的有效值之積相等且鐵芯均勻，於是，勵磁電流產生的勵磁磁通只有正向旋轉分量，相對於定子的轉速是《f+p · Ωω與電網頻率相同，且大小恆定；所述控制器輸出還控制交流勵磁電壓的有效值使得機端電壓趨於機端給定電壓。其中，P為電機的極對數。圖2是本發明圖1中控制器2的原理示意圖。控制器2的兩個交流勵磁電壓輸出
6(即{^和{^)由分別由兩個交流信號源產生，交流信號源的有效值、頻率和相位可調。電
網頻率《3減去交流勵磁電壓頻率cof、電機轉速ωω後的誤差信號作為MIMO控制器的一個輸入，給定機端電壓減去機端電壓&後的誤差信號作為MIMO控制器的另一個輸入，給定相位差βο(= η-α)減去交流勵磁電流、和『的相位差β後的誤差信號作為第三個輸入；MIMO控制器的輸出控制兩個交流信號源的頻率cof，以滿足Of = cos-p · Ωω ；輸出控制其中的一個交流信號源中的相位(也可以通過微調該信號源的頻率達到調整相位的目的) 使得電流相位差β等於β。輸出控制兩個交流信號源的有效值使得機端電壓化趨於給定機端電壓Ug0o圖3給出了一種由半導體器件構成的控制器2實施方案。整流器2隊的電源輸入以常規方式接電網4、輸出經濾波器27後接逆變器28k的電源輸入。逆變器28k的輸出勵磁電壓^和^作為控制器2的輸出6。整流器26A將電網交流電壓變成直流且直流電壓可控，濾波器27將直流電壓中的高頻交流分量濾除，逆變器28A將直流變成交流，交流的頻率和相位可控。控制器25的一個輸入接電機的機械轉速Ωm 7，另一個輸入接收以常規方式測量的電網電壓頻率ω s，還有兩個輸入接所述控制器2的輸出電流IfD或IfQ並測量它們的角差β，最後一個輸入接圖1電機1的機端電壓8，控制器25的一路輸出接逆變器^A的受控輸入，控制輸出的交流勵磁電壓角頻率《f使得Cof= ω3-ρ ·Ωω和交流勵磁電流的角差β = (π-α)；控制器25的另一路輸出接整流器26Α的受控輸入，機端電壓偏離給定電壓將引起整流器26Α輸出的直流電壓改變、交流勵磁電壓有效值改變、交流勵磁電流有效值改變、從而將引起機端電壓改變與給定機端電壓趨於一致。圖4給出了一種由半導體器件構成的控制器2另一實施方案。圖中，整流器^B 採用二極體不可控整流；逆變器28Β採用現代半導體技術，如VMOS、IGBT等；控制器25改為控制器四，機端電壓8的改變將引起控制器四輸出的脈衝寬度的變化，脈衝寬度即現代半導體的導通寬度，導通寬度的改變將引起逆變器28Β輸出的交流電壓有效值的改變，從而改變機端電壓；其它連接和作用同圖3。圖5給出了控制器2的一種實施方案。普通兩相交流發電機22由調速異步電動機21拖動，異步電動機21由變頻器23供電，變頻器23的電源以常規方式接電網4 ；兩相交流發電機22的勵磁繞組由副勵磁控制器對供電，副勵磁控制器M的電源以常規方式接電網4。兩相交流發電機22的定子有2個相同的、角度差(π-α)的繞組；交流發電機22 輸出兩相交流勵磁電壓^和^作為控制器2的輸出6，變頻器23用於異步電動機21的調速，即改變^和^的頻率，副勵磁控制器M輸出直流電用於交流發電機22的勵磁；變頻器23的受控輸入接控制器20的輸出，比例積分控制器20的一個輸入以常規方式接電網4 並測量電網電壓的頻率，另一個輸入接圖1中電機1的機械轉速Ωω 7，第三個輸入接交流勵磁電壓^或^並測量其角頻率(相當於異步電動機21的轉速)，控制輸出兩相交流勵磁電壓的角頻率《f使得cof = ω3-ρ · Ωω ；副勵磁控制器M的受控輸入接收圖1電機1的機端電壓8的信號，並以勵磁電壓的角頻率作為前饋控制，控制輸出使得機端電壓8與給定機端電壓趨於一致。圖5中的副勵磁控制器M和控制器20是兩個單入單出(SISO)結構，是因為勵磁控制器M採用了帶頻率前饋的控制，比一個MIMO結構較簡單，所以，圖3的控制器25和圖 4的控制器四也可以簡化成一個迴路控制頻率、另一個迴路帶前饋控制機端電壓；帶前饋控制機端電壓的迴路與勵磁控制器M —樣可以採用普通的比例控制或比例微分控制，而控制頻率的迴路與控制器20 —樣需要採用比例積分控制。圖6給出了一種積分控制的實施方案。圖6給出了帶積分的控制器一種方案。求和器201的輸入接ω3、(^和cof，獲得誤差e = COs-COm-COf,求和器201的輸出分別接積分器202、微分器204和放大器206的輸入；求和器207的一個輸入經放大器203接積分器202的輸出、一個輸入經放大器205接微分器204的輸出、一個輸入接放大器206的輸出，獲得誤差e的比例微分和積分控制信號； 求和器207的輸出作為控制器的輸出，其中，放大器203的放大倍數不為0，以保證cof = ω「ρ· Ωω，否則，如果沒有積分控制，只有比例微分控制，則cof ω「ρ· Ωω，將不能同步運行。圖7給出了一種用功角反饋以替代圖6中積分部分的帶功角反饋的控制器實施方案。測量的功角δ具有積分效果且比積分器準確，求和器208的輸入接給定功角δ ^與功角δ的差、輸出接放大器203的輸入，其它同圖6。由《同步電機學》可知，功角δ可以通過測量機端電壓扎、定子電流I和功率因數角9，由公式計算獲得，
權利要求
1.一種調速同步電機機組，包括同步電機和控制器，同步電機包括轉子和定子，定子線圈連接電網以向電網發送有功功率、無功功率或從電網輸入有功功率，所述控制器輸出勵磁電壓連接轉子線圈形成勵磁電流，勵磁電流用於產生磁場，控制器的電源輸入接電網；其特徵在於所述同步電機為雙繞組勵磁電機，包括兩個在空間上呈α電角度布置的轉子線圈；所述控制器輸出的兩路交流勵磁電壓分別接兩個轉子線圈中的一個，形成兩個勵磁交流勵磁電流；所述控制器的一個反饋輸入接電機的機械轉速Ωω，另一個反饋輸入連接電網電壓並測量電網角頻率《s，第三個反饋輸入為所述同步電機的機端電壓，所述控制器一路輸出控制兩個交流勵磁電壓的角頻率達到cof = cos-p · Ωω和電流相位差等於(π - α )， 另一路輸出控制所述勵磁電壓的有效值使得機端電壓趨於給定機端電壓。其中，P為電機的極對數，P = 1,2,3, ... ο
2.根據權利要求1的同步電機組，其特徵在於，所述的兩個轉子線圈的匝數WD、WQ和所述控制器的兩個輸出交流電流有效值IfD、IfQ之積相等Wd · IfD = Wq · Ife ；所述轉子和定子的鐵芯360°均勻。
3.根據權利要求1的同步電機組，其特徵在於，所述α為90°。
4.根據權利要求1的同步電機組，其特徵在於，所述控制器⑵包括控制器(25)、整流器06Α)、濾波器(XT)和逆變器08A)；所述整流器Q6A)的電源輸入連接電網、輸出經所述濾波器07)後接所述逆變器08A)的電源輸入；所述逆變器08A)輸出勵磁電壓( 和作為所述控制器的交流勵磁電壓輸出；所述控制器0 的一個輸入接電網並測量電網的頻率，另一個輸入接電機(1)的機械轉速Ωω，還有兩個輸入分別接所述控制器的電流輸出『或『並測量它們的角差β，最後一個輸入接所述電機(1)的機端電壓，所述控制器0 的一路輸出接逆變器08A)的受控輸入控制輸出頻率ωρ使得Cof = ω3-ρ · β = ( π-α)，另一路輸出接所述整流器Q6A)的受控輸入控制輸出使得機端電壓與給定機端電壓趨於一致。
5.根據權利要求1的同步電機組，其特徵在於，所述控制器⑵包括控制器( )、不可控整流器06B)、濾波器、2 )和逆變器Q8B)；所述不可控整流器06Β)的電源輸入連接電網、輸出經所述濾波器07)後接所述逆變器08Β)的電源輸入；所述逆變器08Β)輸出勵磁電壓(^和^)作為所述控制器的交流勵磁電壓輸出；所述控制器09)的一個輸入接電網並測量電網的頻率，另一個輸入接電機(1)的機械轉速Ωω，還有兩個輸入分別接所述控制器的電流輸出Iffl或IfQ並測量它們的角差β，最後一個輸入接所述電機⑴ 的機端電壓，所述控制器四的輸出控制頻率《f使得cof= ω3-ρ .β = (π-α), 且控制輸出脈衝寬度使得機端電壓與給定機端電壓趨於一致。
6.根據權利要求4或5的同步電機組，其特徵在於，控制器0 或控制器09)是多入多出(MIMO)結構。
7.根據權利要求1的同步電機組，其特徵在於，所述控制器( 包括調速異步電動機 (21)、兩相交流發電機(22)、變頻器(23)、副勵磁控制器04)和比例積分控制器00)；所述兩相交流發電機0 由所述調速異步電動機拖動，所述異步電動機由所述變頻器供電，所述變頻器的電源連接電網；所述兩相交流發電機0 的勵磁繞組由所述副勵磁控制器04)供電，所述副勵磁控制器04)的電源連接電網；所述兩相交流發電機02)的定子有2個相同的、電角度差(π-α)的繞組輸出 ^和&作為控制器⑵的交流勵磁電壓輸出；所述變頻器的受控輸入接所述比例積分控制器OO)的輸出，所述控制器OO)的一個輸入接電網電壓並測量電網的頻率ω s，另一個輸入接所述電機的機械轉速Ωm，第三個輸入接或、的測量頻率cof，控制輸出Cof使得cof = ω3-ρ. Ωω;所述副勵磁控制器04)的受控輸入接所述交流發電機0 的機端電壓，並輸入頻率作為前饋控制，控制輸出使得機端電壓與給定機端電壓趨於一致。
8.根據權利要求7的同步電機組，其特徵在於，所述副勵磁控制器04)採用帶交流勵磁頻率前饋控制的比例控制或比例微分控制器。
9.根據權利要求6的同步電機組，其特徵在於，所述控制器0 或控制器09)能夠分解成一路帶前饋的比例控制或比例微分控制器控制機端電壓與給定機端電壓趨於一致；一路為比例積分控制器控制頻率COf使得COf = ω3-ρ . 相位差β = (π-α)。
10.根據權利要求7或9的同步電機組，其特徵在於，所述比例積分控制器包括求和器 (201)、積分器(202)、放大器(203)、微分器(204)、放大器(205)、放大器(206)和求和器 207 ；所述求和器001)的輸入接、和(^和cof，其輸出e = ωs-ωm-ωf分別接所述積分器002)、微分器(204)和放大器206的輸入；所述求和器(207)的一個輸入經所述放大器(20 接所述積分器(20 的輸出、另一個輸入經所述放大器(20 接所述微分器(204) 的輸出、第三個輸入接所述放大器(206)的輸出；所述求和器(207)的輸出作為所述控制器 (2)的輸出，其中，放大器O03)的放大倍數不為O。
11.根據權利要求7或9的同步電機組，其特徵在於，所述比例積分控制器採用功角反饋方式，包括求和器(201)、求和器(208)、放大器(203)、微分器(204)、放大器(205)、放大器(206)和求和器O07)；所述求和器O01)的輸入接收《3和com，其輸出e = GJs-COm-COf 分別接所述微分器(204)和放大器206的輸入；所述求和器Q07)的一個輸入經所述放大器(20 接所述求和器(208)的輸出、另一個輸入經所述放大器(20 接所述微分器(204) 的輸出、第三個輸入接所述放大器O06)的輸出；所述求和器Q08)的輸入接給定功角δ。 與功角δ的差；所述求和器Q07)的輸出作為所述控制器O)的輸出，其中，放大器(203) 的放大倍數不為O。
12.根據權利要求11的同步電機機組，其特徵在於，測量電機(1)的轉子相對於定子的夾角Q1、測量機端電壓的相位角θ2和交流勵磁電流的相位角θ3，所述功角δ = θ ^ θ 3- θ 2-90°。
全文摘要
一種調速同步電機機組，包括同步電機和控制器，該同步電機包括轉子和定子，定子線圈連接到外部電網用於輸出或接收電能，轉子線圈經常規方式引出後連接到控制器，所述控制器的輸入接電網；其特徵在於所述轉子具有兩個勵磁線圈，兩個轉子線圈在空間上相差α電角度布置；所述控制器輸出兩個交流勵磁電壓分別連接所述兩個轉子線圈形成兩個交流勵磁電流，兩個交流勵磁電流的相位差為(π-α)且角頻率都是ωf＝ωs-ωm(ωs為電網角頻率、ωm為轉子的電角速度)；兩個交流勵磁電流形成一個旋轉磁場，旋轉磁場相對於定子的轉速是同步速ωs。本發明的調速同步電機組的調速範圍寬，用作風力發電機可拓寬適風範圍，革除升速齒輪箱，提高風能利用率。
文檔編號H02P9/14GK102299676SQ201110105848
公開日2011年12月28日 申請日期2011年4月26日 優先權日2011年4月26日
發明者郝楠 申請人:郝玉山