同步——异步变速恒频发电机

摘要

“同步——异步变速恒频发电机”，是一种发电装置。该机为由电枢和磁极都旋转的双转子同步电机和线绕转子异步电机构成的组合发电机。该机在取消原动机的调速装置的情况下，在转速变化时，能保证发出恒定频率的电能，并能获得对能源的高利用系数。

说明书

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本发明属于发电装置。

对于利用流体能源的原动机，如风动机和水轮机等，如果不用调速装置保持转速恒定不变，则当流速变化时，会引起原动机转速发生变化。如果用它来拖动一般同步发电机发电，则发电的频率是变化的，这不符合用电要求。如果能创制一种变速恒频发电机，则可取消常规风力（水力）发电机组中所必须的调速装置，简化了机组，降低了成本。此外，按风机的特性，当风速与风轮的周边速处于某一比值时，风能的利用系数最高。如要保持这一最佳比值不变，则风轮的转速必须与风速成正比变化。这时，风机的输出转矩是与风轮转速平方成正比的。因此，所创制的发电机必须在50赫下也具有这样的转矩转速特性。

目前，一种可以应用的技术是“异步机串级调速。”但，由于它需要一套比较复杂的电子装置来变换频率和控制转矩转速特性，致使价格昂贵，可靠性差，运行维护要求高。这对于象风力发电那样，工作环境恶劣，机组容量又不大的场合，是一种缺点。不久以前，《中小型电机情报》上介绍了一种由电磁滑差离合器与同步电机组合而成的变速恒频发电机组。这种机组是利用电磁滑差离合器来维持同步电机的转速恒定不变，而发出恒定频率电功率的。因此，它需要一套滑差离合器的励磁调节装置;这种机组当流速提高时，要求减小滑差离合器的励磁电流，因而，发电机组的过载能力将随之而降低;这种机组的功率是串联传递的，机组效率等于离合器效率与同步电机效率的乘积，因而效率较低;当风速提高时，离合器是通过本身损耗增加来维持同步电机转速恒定的，因而在高风速时效率更低;由于滑差离合器较为昂贵，整机的成本较高。

鉴于以上现有技术存在的问题，本发明的任务是设计一种适于在日晒雨淋恶劣环境下运行的简单可靠，维护简单，价格低廉，变速范围较大而效率较高的变速恒频发电机，以达到取消原动机调速装置，并提高对流体能源利用系数的目的。

本发明是采用由一台电枢和磁极都旋转的双转子同步电机，一台线绕式异步电机，以及同步电机的励磁装置和异步电机副边外接阻抗在机和电方面的特殊联接而构成的一种发电机。同步电机由原动机拖动，原动机可以驱动同步电机的外转子，也可驱动它的内转子。当驱动外转子时，其内转子与异步电机转子同轴联接并旋转;当原动机驱动内转子时，其外转子与异步电机的转子同轴联接旋转。同步电机的外转子可以作为电枢，也可作为磁极，当外转子为电枢时，则内转子为磁极;反之，当内转子为电枢时，则外转子为磁极。异步电机的转子可以作为副边，也可以作为原边。当转子为副边时，则定子为原边;反之，当转子为原边时，则定子为副边。异步电机的原边三相绕组与同步电机的电枢三相绕组按所需的相序相联接。异步电机的副边三相绕组与外接阻抗相联接，该阻抗是由电阻和电容并联而成的。根据结构上的需要，异步电机的转子可以设计为内转子或者设计为外转子。

本发明实质上是通过以下三点实现变速恒频发电的：

（1）由于采用了电枢和磁极都旋转的双转子同步电机，这就提供了在转速变化时保持内外转子间相对速度不变化的可能性，一旦达到这一结果，同步电机便能发出恒定频率的交流电。

（2）由于同步电机的一个转子（电枢或磁极）由原动机拖动，而另一个转子（磁极或电枢）和异步电机同轴，所以它们都能在转矩上互相制约，而形成稳定运转状态，这就使得机组能够实现功率传递与机电能量变换。

（3）由于异步电机副边绕组外接了由电阻和电容相并联的阻抗，在等值电路的副边回路中提供了随转差率S作特殊变化的二个参数r_e和X_e，致使在恒定频率下的转矩转速曲线M（n）能较好地接近于二次抛物线关系，能比较好的和流体原动机的M（n）曲线相吻合。这样，就达到了变速恒频发电的目的。

按照上述机和电方面的联接原则，本发明有多种联接方案。

图1示出了其中的一种联接方案。图中双转子同步电机S的外转子sr1为电枢，内转子sr2为磁极;异步电机A的定子AS为原边，转子Ar为副边。同步电机外转子由原动机驱动，内转子与异步电机的副边在机械上同轴联接。异步电机的原边三相绕组与同步电机的电枢三相绕组相联，由同步电机励磁装置SF自励建立的电压馈电，它的副边三相绕组与外接阻抗AZ相联。当原动机DV驱动同步电机外转子sr1旋转时，同步电机即自励建压，并按照输出功率的大小，在其内外二个转子上产生大小相等方向相反的转矩。此时，异步电机也同时得到供电，它也将起动起来，并运转于某一转速某一运行状态（电动机、制动器或发电机）下，并产生某一方向某一大小的转矩，当此转矩与同步电机产生在内转子上的转矩相平衡时，则机组处于稳定运行状态。

异步电机可稳定运行于电动机、制动器和发电机三种状态。电动机运行状态是外转子的低速区，制动器运行状态是外转子的中速区，发电机运行状态是外转子的高速区。

若要使机组在低、中、高三区连接运行，则应在中速区（制动器态）S≥2时，将异步电动机原边相序改换，使异步电机从制动器运行状态转入发电机运行状态。这样做，不但可使机组的变速范围扩大，而且还可提高机组的最低效率。

本发明异步电机副边的外接阻抗AZ是由电阻R和容抗X_c并联而成的。它在原边等值电路上相当于串联地接入一个电阻r_e和一个容抗X_e，其表式为：

式中：

R′为R折算到原边绕组匝数时的阻值。

X^′_c为X_c折算到原边匝数时的容抗数值。

由于R_e和X_e与S间的上述关系，我们可以选择R与X_c的数值来控制发电机组转矩转速特性M（n）的形状。

对目前市场上的异步电机而言，R和X_c如在下列范围中选取和核算：

R^＊＝0.5～4

X^＊_c＝20～300

则发电机能发出50赫芝的电能，其误差不超过±1赫。

上二式中R^＊和X^＊_c表示电阻R和容抗X_c以异步电机的阻抗基值Z_N＝U_N/I_N为基值时的标么值。该机运行范围为S不大于2.5，不小于-3。

如果为了提高变速范围和提高效率，而将电动机、制动器运行区与发电机运行区连接使用，则在S≥2处除要改接异步机相序外，还要改变外接阻抗AZ中的R与X_c，其值仍可在上述范围中选取和核算。

由于该发电机频率偏差不大，本发明可以单机运行，也可以并网运行。

异步电机极数的选择与机组的效率和运行转速有关，其关系如下：

当异步电机作电动机和制动器运行时：

转速为：n＝〔1-（1-S） (P_S)/(P_A)>s

理论效率为：

当异步电机作发电机运行时：

转速为：n＝〔1+（1-S） (P_S)/(P_A)>s

理论效率为：

同步发电机容量P_SN和异步电机容量P_AN比与极数比有下列关系：

P_AN/P_SN＝P_s/P_A

式中 P_s为同步电机极数，

P_A为异步电机极数，

n_s为同步电机同步速。

本发明的同步电机和异步电机可以制成各自独立的结构，也可以将他们合并而成一个整体，安置于同一个机座之内。图2示出了其中的一种联接方案的整体式结构示意图。图中同步电机的外转子sr1为磁极，内转子sr2为电枢;异步电机的定子AS为副边，固定在机座上，转子Ar为原边，与同步机电枢同轴旋转。由于同步电机的电枢与异步电机的原边在电路上是相连接的，因而这种结构减少了滑环的数目，使电机结构更加紧凑。

本发明同步电机的励磁方式可以采用自励，也可以采用他励或永磁。

“同步-异步变速恒频发电机”能够在取消原动机调速装置的情况下，保证发出50赫芝恒定频率的电能，其误差不超过±1赫，并能提高原动机对风能和水能源的利用系数。由于它不需要电子变频装置，也不需要自动调节机械特性装置，所以它的价格低廉，运行简单可靠，维护方便，并且在恶劣的环境下，如海岛、高山也能正常运行。它具有较宽的调速范围，较高的运行效率。

该发电机可以独立运行发电，也可以并网发电，而且可以选择发电频率。

本发明有如下附图。

图1为原理性系统图。

图2为整体结构示意图。

图3为实施例的输入机械特性M＝f（n）曲线，输入功率P＝f（n）曲线和频率特性f＝F（n）曲线。

下面是为风力发电机所作的一个实施例。

同步电机，功率3KW，极数4极。

异步电机，功率2KW，极数8极。

外接阻抗，R＝70Ω，C＝1μf（并联）。

同步电机的外转子作为电枢，内转子作为磁极，异步电机的定子作为原边，转子作为副边。同步电机的外转子由原动机驱动，内转子与异步电机的转子同轴旋转。异步电机的定子三相绕组与同步电机的电枢三相绕组相联接，由同步电机励磁装置自励建立的电压馈电，其转子三相绕组与外接阻抗相联接。

该发电机的输入机械特性M＝f（n）曲线与频率特性f＝F（n）如图3所示，其中基值功率P_b＝3KW，基值转速n_b＝4700转/分，基值转矩M_b＝6.1牛·米，由图可知，M与n的二次方成正比，符合风力原动机的特性，频率f的偏差不大于1赫，基本达到恒频发电的要求。