双馈变速凸极同步电机

摘要

双馈变速凸极同步电机,属于电机原理及结构的改进,特别涉及凸极同步电机。本发明所要解决的问题是实现凸极同步电机特别是大型水轮发电机组变速,以适应国民经济发展需求。本发明电机定子与普通交流电机定子结构相同,具有P对极,它由对称三相工频电源馈电。转子结构具有mP对分裂凸极磁极,其励磁绕组由m相各P对极励磁绕组组成,m相励磁绕组在空间上相差360°/m电角度分布,它分别由时间上相差360°/m电角度的低频交流变频电流源馈电,m=2～6。构成双馈变速凸极同步电机。本发明能适合大型水轮发电机组在蓄能电站、二期开发以及水轮机的最优工况运行等方面要求,能满足电力系统对于变速同步电机的要求,具备异步化同步发电机功能。

说明书

技术领域

本发明属于电机原理及结构的改进，特别涉及凸极同步电机。

背景技术

我国是一个蕴藏水力资源极其丰富的国家，开发水力资源是国家长期发展的一项基本国策当前西部大开发中，要开发建设一大批大型水电建设项目，特别是抽水蓄能电站。在抽水蓄能电站中，蓄能机组当作电动机—水泵运行时，其转速往往要求以略高于发电机转速为宜，要求同步电机具有变速功能，转速可调。若采用变速同步电机，在发电机运行时，它能使水轮机能始终处在最佳工况下，且在轻载下也能稳定运行，而不致产生震动。在水泵运行时，实现输入功率调整，控制抽水工况负荷，从而控制电网的频率波动。

在大型水电站高坝建设中，往往希望二期开发，即在低坝低水头和高坝高水头时均可发电。由于水头变化大，水轮机很难适应其要求。若采用变速同步电机，可适应水轮机转速比很大变化，边建设边发电，改善运行工况。

当前我国水力资源，由于环境和生态的破坏，河流多泥沙，水头变化大。长期以来，水轮机行业苦于无法解决汛期泥沙多，水轮机转轮选型困难的矛盾。变速同步电机可使水轮机无论汛期或非汛期始终处于最佳工况，大大减少水轮机叶片气蚀与泥沙磨损，既提高机组效率，又延长机组寿命。通过改变水轮机转速，解决叶片气蚀与泥沙磨损，选择最优转轮工况运行，其经济效益十分明显。

基于上述水电机组在蓄能电站、二期开发以及水轮机的最优工况运行等方面的要求，此外，在风力发电、潮汐电站以及舰船、航空发电机等领域，也要求一种具有变速功能的同步电机面世，这是国民经济发展的需要。

由于电力工业的发展，特别是对电网频率自动控制能力(AFC)的要求。当系统处于低负荷时，要进行无功补偿。对有功调节、电机功角稳定运行及其动态响应能力，将要求更高。在西部大开发中，西电东送、水电机组、长输电线路、无功调节和补偿等都是重大的问题。若同步电机能异步化运行，能进行无功调节，必将提高电网质量。这是当前我国电力工业所必将面临的问题，为此也要求同步电机能变速，即异步化同步发电机。

1992年国际大电网会议上，第11(旋转电机)学术委员会全体会议，新型变速同步电机作为第一优先主题“电机的新发展和经验”，前苏联，日本等国学者作了专题报告。交流励磁电机的研制与发展，引起了世人注目。日本日立公司于1987制造容量为22MVA的成出(Narude)电站1#机投入运行。东芝公司制造容量为85MVA的八木泽(Yagisawa)电站2#机，于1990年12月投入运行，成为世界首台变速抽水蓄能机组。1994年，日本日立公司制造容量为400MW大河内电站变速抽水蓄能机组投入运行。前苏联第一台200MW(ASTG-200)异步化汽轮发电机于1985年制造并投入运行，1991年完成第二台。目前，正在从事300MW异步化汽轮发电机组的研制。九十年代以来，国内外对于变速同步电机的研究，主要分为二种典型电机。首先是双馈交流励磁电机DFIM(Double-FedInduction Machine)，即以日本日立公司大河内电站为代表的交流励磁电机，参见文献：Kita E etc.A 400MW Adjustable speed pumped-storagesystem Water power&Dam construction 1991 No.11；其次是双馈无刷电机BDFM(Brushless Double-Fed Machines)，以英国学者Hunt L.J和Broadway A.R等为代表，参见文献：S.Willianmson Generalised theory ofthe brushless doubly-fed machine Part 1：Analysis；Part2 model verificationand pertormance，Proc.IEE Electr.Power Appl.Vol.144 No2 march 1997p111-129。它们在蓄能电站、风力发电等领域作为变速同步发电机得到应用。近年来，在国内引起有关研究所、高校及制造厂的关注。

应当指出，无论是双馈交流励磁电机，还是双馈无刷电机，从本质和结构上讲，它们均属异步电机范畴。双馈交流励磁电机，它实质上是绕线式异步电机，依靠滑差功率进行调速。它的定子，即电枢，与交流电机定子相同，转子结构为绕线式异步电机转子。定子与普通三相电源联结馈电，转子由交流变频电源通过滑环相联结馈电，输入滑差频率电源。从而构成双馈交流励磁电机DFIM(Double-Fed Induction Machine)。对于大型立式水轮发电机，特别是在大型蓄能机组中，由于这种电机转子直径很大，达十几米，转速高，离心力大，致使转子绕组的端部固定十分困难。为此，日本学者提出了一系列的发明专利技术，在转子结构上采取措施。从大河内电站的考察分析，机组变频装置、控制系统设备极其庞大复杂，变频装置容量大，设备昂贵，为此厂房要多增加一层高度，机组成本增加30-40％。从国内的开发研究耒看，机组谐波含量大，机组转速变化时过渡过程时间长，机组的动态稳定性欠佳。

双馈无刷电机，它实质上是特殊结构的鼠笼电机，转子采用鼠笼套(‘nest’loop)结构。对于双馈无刷磁阻电机(Brushless Doubly FedReluctance Machine)。其定子与交流电机定子相同，定子上具有p、q对不同的极数二套绕组，其中p对极的绕组与普通三相电源联结馈电，形成主绕组，另外，q对极的绕组与交流变频电源联结馈电，形成调速付绕组。在转子上，安放鼠笼套(‘nest’loop)结构。它相当于在同一转子上，分别感应不同p、q对极的频率的电机，利用转子鼠笼套(‘nest’loop)的特殊结构，使定转子气隙磁场同步旋转，以达到机电能量转换，从而形成双馈无刷电机。这种电机，由于转子为特殊的鼠笼套(‘nest’loop)结构，同时，它利用d、q轴磁导的不同，要使它在大型水电机组上实施，转子直径要达十几米，产生几十万千瓦的功率，在结构上也无法实现。同时，对于双馈交流励磁电机和双馈无刷电机，它们对无功调节及系统的稳定性存在诸多问题，要满足大型水电机组对于变速同步的要求，尚有相当的困难。

发明内容

本发明提出一种双馈变速凸极同步电机，它所要解决的问题是实现凸极同步电机变速，特别是在大型水轮发电机组上实现凸极同步电机调速，以满足电力系统适应国民经济发展的需求，即该种新型变速同步电机，具有异步化同步发电机功能。

本发明的双馈变速凸极同步电机，包括定子和转子，定子与普通交流电机定子结构相同，由电枢铁芯和定子绕组构成，具有P对极，它由对称三相工频交流电源馈电。转子为凸极结构，转子磁极上装有励磁绕组和阻尼绕组，阻尼绕组与传统凸极同步电机纵横轴阻尼绕组相同，其特征在于所述转子具有mP对分裂凸极磁极，mP对分裂凸极磁极的励磁绕组由m相各P对励磁绕组组成，m相励磁绕组在空间上相差360°/m电角度分布，为正整数，m＝2～6。

所述的双馈变速凸极同步电机，其进一步特征在于所述定子绕组由对称三相工频交流电源馈电，所述m相转子励磁绕组分别由时间上相差360°/m电角度的低频交流变频电流源馈电，从而产生圆形的旋转磁场。

所述的双馈变速凸极同步电机，所述转子可以具有2P对分裂凸极磁极，2P对凸磁极的励磁绕组由2相各P对励磁绕组组成，2相相当于半4相，故2相励磁绕组在空间上相差90°电角度分布，2相转子励磁绕组分别由时间上相差90°电角度的低频交流变频电流源馈电。

所述的双馈变速凸极同步电机，所述转子磁极可以为弧形凸极，其磁极形状可由电机电磁场的基本原理和有限元分析的方法确定，以保证气隙磁场波形按正弦规律分布。

众所周知，在同步电机中，当电机频率和极数确定时，气隙磁场以同步速度旋转，即转子速度固定不变。为了达到转子变速，在双馈交流励磁电机和双馈无刷电机中，它是利用转差功率的概念，实现转子变速，属于异步电机的范畴。本文提出的新型变速同步电机，关键在于将气隙磁场同步旋转速度与转子旋转速度分离。在转子m相绕组中，通以交流变频电流，产生可变速的圆形旋转磁场。在气隙中，转子绕组产生的气隙磁场旋转速度为转子旋转速度与转子绕组产生的相对转子运动的圆形旋转磁场速度之和。根据定转子气隙磁场相对静止的原理，当改变交流变频电源频率时，转子旋转速度将发生相应的变化；或者当转子旋转速度发生变化时，相应的改变转子绕组的交流变频电源频率，即转子绕组产生的相对转子运动的圆形旋转磁场速度，从而改变凸极同步电机的旋转速度，实现凸极同步电机变速。从而构成双馈正交分裂凸极变速凸极同步电机。

以下进一步说明本发明技术方案的基本原理：

为了分析研究电机方便，对于定子坐标系，设定子U相绕组的轴线作为坐标原点，定子空间沿圆周分布的坐标轴为θ，对于转子坐标系，设转子第一对磁极Nd的轴线作为坐标原点，转子空间沿圆周分布的坐标轴为x，转子以ω_r的速度在空间旋转，转子磁极绕组通以ω_f频率的电流，γ为转子旋转坐标系相对于定子坐标系的相对位置，其坐标系如图2所示。

由定转子坐标系的关系，可以得到表达式，θ＝x＋γ， $>>\gamma >=>>\int >0>t>>>\omega >r>>dt>+>>\gamma >0>>>s>。\gamma$₀为转子第一对磁极Nd轴线在t＝0时的电角度，即在t＝0时的转子初始位置角，一般可以假定认为γ₀＝0。当转子以均匀速度旋转时，γ＝ω_rt，θ＝x+γ＝x+ω_rt。

当电机定子三相绕组通过的电流为i，其幅值相等为其频率为ω_s，即 $>>i>=>>2>>I>sin>>\omega >s>>i>>s>。对于定子三相绕组合成磁势，根据付里叶级数分析，可以得到定子三相绕组合成磁势的表达式：$ >>>F>s>>>(>\theta >,>t>)>>=>\Sigma >>F>v>>sin>>(>>\omega >s>>t>->v\theta >)>>>s>$ >>>F>v>>=>>>m>>2>>>\pi >>>NI>vp>>>K>nv>>=>1.35>>NI>vp>>>k>nv>>>s>v＝6k\pm 1 k＝1，2，3\dots $$$

其中N为定子绕组每相每条支路串联绕组匝数，I为定子电流的有效值。p为电机的极对数，v为谐波的级次，k_nv为电机v次谐波的绕组系数，F_v为电机磁势v次谐波的幅值。

对于转子励磁绕组的磁场分析，它由d相的磁极Nd，Sd及q相的磁极Nq，Sq绕组成，磁极励磁绕组为集中绕组，相应的磁极励磁绕组的匝数为N_fd，N_fq，并且d、q二相绕组的匝数均相等为N_f，即N_fd＝N_fq＝N_f，相应的通过二相绕组的电流为i_fd，i_fq，它们是低频交流电流，其有效值相等为I_f，其频率为ω_f，其相位差为 $>>\alpha >=>\pm >\pi >/>2>>s>。即$ >>>i>fd>>=>>2>>>I>fd>>sin>>\omega >f>>t>=>>2>>>I>f>>sin>>\omega >f>>t>>s>$ >>>i>fq>>=>>2>>>I>fq>>sin>>(>>\omega >f>>t>->\alpha >)>>=>>2>>>I>f>>sin>>(>>\omega >f>>t>->\alpha >)>>>s>$ >>\alpha >=>\pm >\pi >/>2>>s>$$$$

对于转子绕组的磁势，d相绕组的磁势为 $>>>F>fd>>=>>N>fd>>>i>fd>>=>>N>f>>>2>>>I>f>>sin>>\omega >f>>t>>s>。对于q相绕组的磁势为$ >>>F>fq>>=>>N>fq>>>i>fq>>=>>N>f>>>2>>>I>f>>sin>>(>>\omega >f>>t>->\alpha >)>>>s>转子d，q二相绕组磁势的基波磁势分布图形如图3所示。$ >>>F>fd>>>(>x>,>t>)>>=>\Sigma >>F>fdv>>cos>vx>sin>>\omega >f>>t>>s>$ >>>F>fdv>>=>>4>\pi >>>>>N>f>>>I>f>>>vp>>sin>v>>(>>>\alpha >p>>2>>\pi >)>>>s>$$$$

v＝1，3，5…

对于q相绕组的磁势为 $>>>F>fq>>>(>x>,>t>)>>=>\Sigma >>F>fqv>>cos>v>>(>x>->>\pi >2>>)>>sin>>(>>\omega >f>>t>->\alpha >)>>>s>$ >>>F>fqv>>=>>4>\pi >>>>>N>f>>>I>f>>>vp>>sin>v>>(>>>\alpha >p>>2>>\pi >)>>>s>$$

v＝1，3，5，…

转子d、q二相绕组的合成磁势为 $>>>F>f>>>(>x>,>t>)>>=>\Sigma >>F>fv>>sin>>(>>\omega >f>>tver>>+>->>vx>)>>>s>$ >>>F>fv>>=>>4>\pi >>>>>N>f>>>I>f>>>vp>>sin>v>>(>>>\alpha >p>>2>>\pi >)>>>s>$$

v＝1，3，5…

根据定转子坐标系二者的关系，x＝θ-ω_rf，将其代入转子d、q二相绕组的合成磁势，得到关系式，

F_f(θ，f)＝∑F_fvsin((ω_f±vω_r)t-vθ) $>>>F>fv>>=>>4>\pi >>>>>N>f>>>I>f>>>vp>>sin>v>>(>>>\alpha >p>>2>>\pi >)>>>s>$

v＝1，3，5…

根据机电能量转换的基本原理和定转子气隙磁场相对静止的概念，对于气隙磁场基波而言，即v＝1时，瞬时功率P_m及电磁转矩T_em为 $>>>P>m>>=>>T>em>>>dx>dt>>=>>T>em>>>\omega >r>>>s>$

ω_s＝ω_r±ω_f

当 $>>\alpha >=>\pi >/>2>>s>时，\omega$_s＝ω_r＋ω_f，即为正号。当 $>>\alpha >=>->>\pi >2>>>s>时，\omega$_s＝ω_r-ω_f，即为负号。当电力系统频率恒定不变时，即ω_s＝const。因此，当改变ω_f或ω_r时，其ω_r或ω_f也相应的变化。即为ω_r＝ω_s-ω_f或ω_f＝ω_s-ω_r。当改变α时，即可实现改变转子绕组产生的气隙旋转磁场ω_f的转向，即可实现转子转速能够在定子绕组产生的旋转磁场旋转速度ω_s的上下变化。从而实现凸极同步电机的调速，达到机电能量转换和功率传递。

当ω_f＝0时，即对转子绕组馈入直流电源时，与传统同步电机类似，ω_r＝ω_s，电机转子转速为同步转速。同样它也可实现凸极同步电机的机电能量转换和功率传递。即当转子交流变频装置的逆变桥出故障，而整流桥尚可工作时，或转子暂时仅有励磁整流装置时，电机尚可运行，但不能调速。

本发明提出的结构，突破了传统概念，定转子绕组产生的气隙磁场，仍然保持相对静止，但将气隙磁场同步旋转速度与转子旋转速度分离，以实现转子变速。它属于同步电机范畴。因此，它有别于传统的方法，这是理论上和结构上的创新。

该双馈变速凸极同步电机与传统的凸极同步电机相比，定子部分基本相同，转子部分磁极数目似乎增加一倍，但是，每一个磁极的体积约小一半。因此，磁极的总量变化不大，或者说电机的有效材料的消耗量基本相同。但是，它与传统的凸极同步电机在本质上和性能上有根本的区别，由于转子具有二相2P对极绕组，二相转子绕组通以交流变频电流，转子形成二相正交绕组，产生圆形旋转磁场，将气隙磁场同步旋转速度与转子旋转速度分离，以实现转子变速。转子励磁绕组的电源和传统凸极同步电机有重要区别，传统的凸极同步电机，转子励磁绕组的电源是直流电源，现代多采用整流桥供电。本发明提出的双馈正交分裂凸极变速凸极同步电机，转子励磁绕组采用的是由交流变频电源供电，而且是以低频变频电流源为宜。二者相比主要是增加逆变桥，控制部份略有变化。从经济上分析，制造上，电机总成本略有增加。但从运行上分析，无论是满足水电机组在蓄能电站、二期开发以及水轮机的最优工况运行等三方面的要求，还是在在风力发电上满足变速恒频的要求，其经济价值无法估量，受益无穷。该发明还能克服前述双馈交流励磁电机和双馈无刷电机的一些问题，如避免双馈交流励磁电机转子绕组端部固定的困难及结构的复杂性、双馈无刷电机转子采用的特殊鼠笼套的复杂结构以及双馈无刷磁阻电机为使转子d、q轴磁导的差异性，采用的复杂结构。该发明能适合大型水电机组、特别是抽水蓄能电站的特点和要求，能满足电力系统对于变速同步电机的要求，使水电机组具备异步化同步发电机功能，必将给国民经济和社会发展带来巨大的效益和影响。

附图说明：

图1为本发明双馈变速凸极同步电机馈电示意图。

其中：1为定子(P＝1)，2为转子，Nd，Sd为转子d相绕组的磁极，Nq，Sq为转子q相绕组的磁极。

图2为本发明变速凸极同步电机定转子坐标系示意图，1为定子，A为定子U相绕组的轴线，θ为定子空间沿圆周分布的坐标轴，2为转子，d为转子磁极轴线，γ为转子旋转坐标系相对于定子坐标系的相对位置，ω_r为转子在空间的旋转速度，x为转子空间沿圆周分布的坐标轴。

图3为本发明双馈变速凸极同步电机转子磁势波形示意图，

F_d(x，t)为由Nd，Sd磁极构成的转子d相绕组产生的磁场波形，F_q(x，t)为由转子Nq，Sq磁极构成的转子q相绕组产生的磁场波形。

图4为本发明双馈凸极变速凸极同步电机结构示意图，

1-定子(P＝2)，2-转子(2P＝4)，Nd，Sd为转子d相绕组的磁极，Nq，Sq为转子q相绕组的磁极

具体实施方式

以图4所示的双馈变速凸极同步电机为例，进行实施说明。电机的极对数为P＝2，定子具有槽数为Z＝48，定子为三相对称绕组，并联支路数为a。转子具有d，q二相绕组，磁极对数为2P＝4，其中d相绕组的磁极分别为Nd及Sd，其中q相绕组的磁极分别为Nq及Sq，d、q二相励磁绕组在空间上相差90°度电角度，在时间上相差90°度电角度，d、q二相励磁绕组构成正交绕组，同时在磁极上相应的安装有阻尼绕组。定子由对称三相交流电源供电，转子d、q二相励磁绕组，分别由低频交流变频电流源馈电，其阻尼绕组与传统凸极同步电机相同。

定子绕组：UVW三相绕组分别为U相绕组正相带槽号为：1-2-3-4，25-26-27-28；U相绕组负相带槽号为：-13--14--15--16，-37--38--39--40；V相绕组正相带槽号为：9-10-11-12，33-34-35-36；V相绕组负相带槽号为：-21--22--23--24，-45--46--47--48；W相绕组正相带槽号为：17-18-19-20，41-42-43-44；W相绕组负相带槽号为：-5--6--7--8，-29--30--31--32；并联支路数可以为a＝1，2，4；转子磁极对数为2P＝4.d，q二相绕组为d相绕组磁极数为：Nd＝1，5；Sd＝3，7；q相绕组磁极数为：Nq＝2，6；Sq＝4，8；阻尼绕组可类似于普通凸极同步电机纵横轴阻尼绕组。

当电机转子具有相数m＝3时，即转子磁极数为定子的三倍时，其定子绕组可如上例，电机的极对数为P＝2，Z＝48，则转子磁极对数分裂为3P＝6，即转子具有12个磁极。它们在空间均匀分布，磁极之间相差120°电角度，时间上相差120°电角度，构成双馈对称绕组，产生圆形旋转磁场。