[发明专利]独立集电器的内馈发电机

说明书

技术领域

本发明涉及电机领域，特别地，涉及一种独立集电器的内馈发电机。

背景技术

目前，风力发电机普遍采用双馈风力发电机，主要由绕线转子的异步发电机和双向变流器组成。发电机的定子绕组直接与电网连接并向其发电，转子绕组则要通过由滑环和电刷构成的集电器再经过双向变流器与附加电源相连，转子除了输入风力的机械功率之外，还根据转速变化的情况，和附加电源进行一定的功率交换。由于上述的双馈风力发电机的结构和原理，实际运行中暴露出一下问题和不足：

1、集电器的滑环固定在发电机的转子轴之上，而且呈悬臂梁结构，因此受发电机谐波转矩以及其它不平衡转矩的作用，使滑环随转子轴一起抖动，并和电刷产生打火形成火花，从而造成滑环的烧蚀和电刷的磨损加剧；另外，滑环的直径受发电机转子轴直径的限制而较大，滑环旋转的线速度相应增高，由此导致电刷的磨损严重，缩短电刷使用寿命。以上的集电器缺陷将导致发电机运行的可靠性降低，维护成本加大，特别在风力发电的特殊环境下，问题显得尤为突出。

2、为了避免附加变压器，而将定子发电电源和转子的附加电源合一，为此只得降低发电机的发电电压，例如目前双馈风力发电普遍采用690V，从而导致发电机的定、转子电流增大，输电线路损耗增大，发电效率降低。为实现高压发电，就需要在半导体变流控制装置和电源之间设置变压器，造成成本提高。

3、当发电机处于亚同步发电状态时，转子须从外电源中吸收一定的附加电功率，最终通过定子线圈回馈电源，由此造成附加功率的无谓循环和损耗，加重了定子绕组的功率负荷和发热，而且降低了发电效率。

4、变流装置直接和附加电源相连，由于变流装置的非线性，致使转子绕组和外接电源的电流产生较大畸变，引起电网的谐波污染。

上述的技术不足和缺陷目前都尚未有公开的解决方案。

特别是针对现有技术中风力发电机滑环的直径受发电机转子轴直径的限制缺陷，目前没有提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种独立集电器的内馈发电机，以解决上述现有双馈风力发电机滑环的直径受发电机转子轴直径的限制的问题。

另外通过对技术方案的优化，解决了上述现有双馈风力发电机各项技术不足和缺陷。

首先说明集电器问题的解决方案。为了克服集电器的滑环抖动所引起的打火缺陷，本发明采用了独立集电器，即集电器不再固定在发电机的转子轴之上，而是成为一个结构独立的个体，然后，通过机械联轴器和电缆的联接，将独立集电器和发电机本体联系成一体。该集电器包括：联轴器，与发电机本体的转子轴机械连接；滑环轴，与联轴器连接，随发电机本体的转子轴同步旋转，当发电机本体旋转运行时，独立集电器和发电机同步旋转，其中的滑环和转子绕组电缆相对静止，因此两者能够固定联接；滑环，设置在滑环轴上，与转子绕组的出线连接；电刷，与滑环紧密接触的静止导电器件，安装在固定的集电板上，转子绕组最终由电刷的集电板引出。

独立集电器的联轴器带有减震缓冲器，以吸收转子轴的抖动。滑环轴采用双轴承的简支梁结构，以提高抑制抖动的能力。滑环轴仅仅承载滑环的载荷，与发电机载荷无关，因此滑环轴的直径较比发电机转子轴减小，降低了滑环的线速度。以上的技术措施，有效地克服了现行集电器的缺陷，延长了滑环、电刷的使用寿命，也提高了发电机的运行可靠性。基于这一优点，本发电机适于制造为二极的高转速发电机。

进一步地，联轴器为带有减震缓冲的法兰联轴器。

进一步地，滑环轴为双轴承简支梁结构。

进一步地，集电器每相设置多个并联滑环，以满足转子中通过大电流的需要。

进一步地，滑环轴的轴直径小于发电机本体的转轴的直径。

然后说明发电机的内馈技术方案。内馈发电机本体的定子铁心上含有第一定子绕组和第二定子绕组，两个定子绕组同槽篏放，并相互绝缘，二者之间为电磁感应的关系。第一定子绕组和电网相连，将发电机的电能馈入电网。第二定子绕组的感应电势根据转子电势和调速范围设计，并通过变流装置与转子相连。第二定子绕组和转子之间进行一定的功率交换，当风力发电机处于亚同步运行状态时，第二定子绕组通过变流装置向转子输出一定的电功率；而当风力发电机处于超同步运行状态时，第二定子绕组则通过变流装置吸收转子的部分电功率。第二定子绕组的功率缘于第一定子绕组，最终，第一定子绕组的发电功率等于转子和第二定子的功率之和，结果即为扣除损耗的输入机械功率，其中不含无谓的附加功率。