一種場調製雙定子無刷雙饋風力發電機的製作方法

2023-04-29 15:01:36 2

本發明涉及風力發電設備領域，尤其涉及一種能夠實現變速恆頻運行的場調製雙定子無刷雙饋風力發電機。

背景技術：

風力發電作為解決能源危機和環境汙染問題的有效途徑，在世界範圍內得到快速發展，我國的風力發電也正在進入一個快速發展時期。風力發電機組一般採用同步或感應發電機，併網型的風力發電機組要求發電機的輸出頻率與電網頻率一致，由於傳統的同步或感應發電機不能實現變速恆頻運行，風能的利用率比較低。因而能克服上述缺點的變速恆頻風力發電機近年來發展迅速，目前主要有雙饋異步風力發電機和直驅型永磁同步風力發電機。其中雙饋異步發電機工作在一個有限的轉速範圍內，轉子側功率變換器只需提供轉差功率，約為發電機額定功率的20％～30％，極大的降低了成本，是目前應用最廣的風力發電機。但這種發電機的缺點也相當明顯：由於存在主繞組和勵磁繞組，同容量電機的體積較大，效率也較低；發電機的極對數受體積限制不能過多，風機與發電機之間必須要用增速齒輪箱，增加了機組的機械損耗，噪音汙染以及維護工作量；轉子上存在勵磁繞組，需要滑環和電刷，降低了可靠性，增加了維護工作量。直驅型永磁同步發電機取消了增速齒輪箱，轉子無繞組，無需滑環和電刷，提高了可靠性，減少了維修工作量，效率高，但是直驅型永磁同步發電機本身體積和重量龐大，需要全功率的功率變換器，成本高。

為了取消雙饋感應電機的電刷和滑環，無刷雙饋風力發電機成為了國內外學者研究的重點。由於無刷雙饋電機取消了電刷和滑環，因此有效地提高了風力發電系統的可靠性，並且保留了傳統有刷雙饋發電系統的採用部分功率變換器、成本較低的優點。但無刷雙饋電機的轉子結構複雜，製造困難。

近年來，磁齒輪技術發展迅速，出現了一種磁齒輪外轉子永磁無刷風力發電機，可以大大降低永磁同步電機的極對數，減小發電機的體積，但也增加了發電機的結構複雜度，且同樣需要全功率變換器，成本很高。磁齒輪的永磁體利用率低，永磁材料的用量大，進一步增加了成本。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服現有技術存在的上述缺陷，提出一種變速恆頻的場調製雙定子無刷雙饋電機。

本發明解決其技術問題是通過以下技術方案實現的：

一種場調製雙定子無刷雙饋風力發電機，包括機座(1)、外定子(2)、轉子(3)、內定子(4)、轉軸(5)、磁障(33)和內定子支座(41)，所述內定子支座(41)安裝在機座(1)的端蓋(11)上，所述內定子(4)、轉子(3)和外定子(2)依次由內向外設置，所述內定子(4)固定在內定子支座(41)上，所述轉子(3)與轉軸(5)轉動連接，所述外定子(2)安裝在所述機座(1)上；

所述外定子(2)上安裝有功率繞組(21)，所述內定子(4)上安裝有控制繞組(42)，所述功率繞組(21)的極對數為p極，所述控制繞組(42)的極對數為q極；其中，p對極的功率繞組(21)直接與電網相連，q對極的控制繞組(42)經交直交功率變換器(8)與電網相連，所述p和q分別為正整數，且p和q不相等；

所述轉子(3)由環形矽鋼片疊壓形成，且所述轉子(3)為內置磁障環形轉子，所述磁障(33)為環形矽鋼片上開設的扇環形孔，磁障(33)在環形矽鋼片上沿圓周向均勻設置。

進一步的，所述轉子(3)一端設有轉子端蓋一(31)，且所述轉子(3)另一端設有轉子端蓋二(32)，所述轉子端蓋一(31)與所述轉軸(5)固定連接，所述轉子端蓋二(32)通過軸承一(61)與內定子支座(41)轉動連接。

進一步的，所述轉軸(5)一端與轉子端蓋一(31)固定連接，轉軸(5)另一端伸出所述機座(1)外，且所述轉軸(5)通過軸承二(6)與機座(1)轉動連接。

進一步的，所述內定子支座(41)為中空管狀結構，所述內定子支座(41)上開設有走線孔(43)。

進一步的，所述磁障(33)的數量為p+q，且磁障(33)扇環的圓弧寬度為π/(p+q)弧度。

進一步的，所述轉子(3)的轉速由控制繞組(42)的供電頻率決定，通過改變控制繞組(42)的供電頻率，可實現風力機(7)的最大功率點跟蹤控制和變速橫頻運行。

進一步的，所述交直交功率變換器(8)的容量為發電機容量的一部分並與發電機變速運行範圍有關，該功率為下列兩個功率中的較大值：交直交功率變換器功率＝發電機容量×(額定速度－最低運行速度)÷額定速度；交直交功率變換器功率＝發電機容量×(最高運行速度－額定速度)÷額定速度。

本發明的有益效果為：

1.在環形轉子上開孔，使其形成磁障並具有磁場調製作用，使得不同極對數的功率繞組(p對極)和控制繞組(q對極)僅能夠通過轉子耦合作用，實現無刷雙饋，且去除了電刷和滑環，提高了可靠性，減小了維護工作量。

2.場調製雙定子無刷雙饋風力發電機功率繞組與電網直接連接，交直交功率變換器連接至控制繞組以提供控制電流，根據轉子轉速的改變，調整控制繞組的頻率，為功率繞組提供恆定轉速的勵磁磁場，實現變速恆頻運行。交直交功率變換器的容量根據發電機的調速範圍而定，一般只有發電機額定容量的20％～30％，本發電機無需使用等同於發電系統額定容量的功率變換器，有利於降低成本。

3.本發明無需電刷和滑環，提高了可靠性和減少了維護工作量。且轉子結構簡單，便於加工製造，同時使用部分功率的功率變化器，降低了成本，使發電機在較大範圍內變速恆頻運行。

附圖說明

圖1是本發明場調製雙定子無刷雙饋風力發電機的橫向截面圖；

圖2是本發明場調製雙定子無刷雙饋風力發電機的縱向剖視圖；

圖3是本發明場調製雙定子無刷雙饋風力發電機的併網示意圖；

圖4是本發明場調製雙定子無刷雙饋風力發電機的功率傳遞示意圖。

附圖標記說明

1-機座、2-外定子、3-轉子、4-內定子、5-轉軸、6-軸承二、7-風力機、8-交直交功率變換器、11-端蓋、21-功率繞組、31-轉子端蓋一、32-轉子端蓋二、33-磁障、41-內定子支座、42-控制繞組、43-走線孔、61-軸承一。

具體實施方式

下面通過具體實施例對本發明作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本發明的保護範圍。

如圖1和圖2所示，一種場調製雙定子無刷雙饋風力發電機，包括機座1、外定子2、轉子3、內定子4、轉軸5、磁障33和內定子支座41，內定子支座41安裝在機座1的端蓋11上，為內定子4的固定提供支撐。內定子支座41為中空管狀結構，並在內定子支座41上開有導線孔43，以便控制繞組42能夠連接到機座1外。內定子4、轉子3和外定子2依次由內向外設置，內定子4固定在內定子支座41上，轉子3與轉軸5轉動連接，外定子2安裝在機座1上。

外定子2上安裝有功率繞組21，用於發電。內定子4上安裝有控制繞組42，用於最大功率點跟蹤控制。功率繞組21的極對數為p極，控制繞組42的極對數為q極。其中，p對極的功率繞組21直接與電網相連，q對極的控制繞組42經交直交功率變換器8與電網相連。p和q分別為正整數，且p和q不相等，功率繞組(21)和控制繞組(42)的磁場不存在直接耦合；控制繞組42產生的磁場不能直接用於功率繞組21勵磁，通過轉子3的極數轉換作用，調製出功率繞組21需要的勵磁磁場，實現間接耦合。

轉子3由環形矽鋼片疊壓形成，轉子3為開有扇環形孔的內置磁障環形轉子，起「極對數轉換器」的場調製作用，實現功率繞組21與控制繞組42的間接耦合，並與風力機通過轉軸相連。扇環形孔為磁障33，且磁障33在環形矽鋼片上沿圓周向均勻設置，用以改變磁路的磁障，實現極對數的轉換，以產生功率繞組21與控制繞組42需要的勵磁磁場。扇環形孔的圓弧寬度為π/(p+q)弧度，為提高轉子3的機械強度，也可在扇環孔中填充不導電不導磁的材料。扇環形孔數量等於功率繞組21與控制繞組42極對數之和，為p+q。轉子3與風力機7相連，通過控制轉子3的轉速，實現風力機7的最大功率點跟蹤。

轉子3一端設有轉子端蓋一31，另一端設有轉子端蓋二32。轉子端蓋一31與轉軸5固定連接，可與轉軸5一起旋轉。轉子端蓋二32通過軸承一61與內定子支座41轉動連接，為轉子3提供支撐，以提高可靠性。轉軸5一端與轉子端蓋一31固定連接，轉軸5另一端伸出機座1外，且轉軸5通過軸承二6與機座1轉動連接。

轉子3的轉速，即風力機7的轉速由控制繞組42的供電頻率決定，且與功率繞組21和控制繞組42的極對數有關。通過改變控制繞組42的供電頻率，可實現風力機7的最大功率點跟蹤控制和變速橫頻運行。

控制繞組42通過交直交功率變換器與電網相連，交直交功率變換器8的容量為發電機容量的一部分並與發電機變速運行範圍有關，該功率為下列兩個功率中的較大值：交直交功率變換器功率＝發電機容量×(額定速度－最低運行速度)÷額定速度；交直交功率變換器功率＝發電機容量×(最高運行速度－額定速度)÷額定速度。

如圖3所示，轉軸5與風力機7連接，轉子3固定在轉軸5上，用於傳遞來自風力機7的功率和能量。通過轉子3上磁障33數量與尺寸的合理設計，改變磁路，實現功率繞組21與控制繞組42磁場的間接耦合，為轉子3提供穩定的電磁轉矩。

本發明場調製雙定子無刷雙饋風力發電機轉子3的轉速nL與功率繞組21和控制繞組42中電流的頻率fp和fc滿足關係：nL＝60(fp±fc)/(p+q)。由於電網頻率fp固定，調節控制繞組42中電流的頻率，就可實現該發電機的變速恆壓恆頻發電。而且通過控制交直交功率變換器改變控制繞組42中電流的頻率、大小和相位，還可以實現有功和無功功率的靈活調節。

如圖4所示，圖中的TL為風力機7傳遞到轉子3的輸入轉矩；Tp為功率繞組21磁場對轉子3的制動轉矩；Tc為控制繞組磁場對轉子3的制動轉矩；ωL為轉子3的旋轉角速度，即風力機7的旋轉角速度；ωp為功率繞組21產生磁場的旋轉角速度；ωc為控制繞組42產生磁場的旋轉角速度；ωpc為功率繞組21經轉子3調製作用後產生的q對極磁場的旋轉角速度；ωcp為控制繞組42經轉子3調製作用後產生的p對極磁場的的旋轉角速度。風力機8經由轉軸5傳遞給轉子3的機械功率為PL＝TLωL，功率繞組21輸送到電網的功率為PP＝Tpωp，控制繞組42輸送到電網的功率為Pc＝Tcωc。

本發明的場調製雙定子無刷雙饋風力發電機借鑑了同軸磁齒輪的場調製原理，以簡化傳統無刷雙饋風力發電機的轉子結構，降低製造難度。結合同軸磁齒輪的工作原理，該發電機的工作原理如下：風力機7把風能轉換成機械能，通過轉軸5傳遞給轉子3，使得轉子3旋轉角速度為ωL，只需通過交直交功率變換器8調整控制繞組電流頻率，使得控制磁場旋轉角速度ωc滿足：(ωp-ωL)/(ωc-ωL)＝-q/p，則控制繞組42經轉子3調製後產生的p對極磁場在功率繞組21上感應出與電網頻率相等的反電勢，即ωcp＝ωp，則併入電網後發電機即可實現變速恆頻發電，此時ωpc＝ωc。

本發明的場調製雙定子無刷雙饋風力發電機定義控制繞組42通直流電(fc＝0)時的轉子3的轉速為同步轉速ωL0，當風速較快，ωL>ωL0時，控制繞組42的相序與功率繞組相同，此時控制繞組42輸出功率，做發電運行；當風速較慢，ωL<ωL0時，控制繞組42的相序與功率繞組21相反，此時控制繞組42輸入功率，做電動運行；當ωL＝ωL0時，fc＝0，此時控制繞組42通入直流電，控制繞組42提供的能量僅用於銅耗和鐵耗。

本發明的場調製雙定子無刷雙饋風力發電機定義轉差率為：s＝(ωL-ωL0)/ωL0＝fc/fp，控制繞組42輸送到電網的功率與功率繞組21輸送到電網的功率的關係為：Pc＝sPP。則超同步運行時，s為正，風力機7的機械功率大部分通過功率繞組21輸送到電網，小部分通過控制繞組42經功率變換器送往電網；亞同步運行時，s為負，控制繞組42通過功率變換器從電網吸收電能，吸收的電功率與風力機7的機械功率一起傳遞到功率繞組21，輸送給電網。場調製雙定子無刷雙饋風力發電機的效率為η，風力機7輸入的機械能與電網之間的能量傳遞關係為PL＝(PP+Pc)/η＝(1+s)PP/η。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。