[实用新型]微功耗同步风力发电机

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种微功耗同步风力发电机。

背景技术

全换相风力发电机系统，其变换器将频率变化的电能转换为与电网频率相同的恒频电能，采用普通同步发电机通过变换器并网，但由于发电机转速较高，叶片转轴与发电机之间需要通过齿轮相啮合，如图1所示。

图1中的电路略去了同步发电机转子的励磁电路。

发明内容

微功耗同步风力发电机整机由叶片、叶片转轴、异步电机、励磁正弦发生器组成，叶片转轴与异步电机转轴刚性联接，励磁正弦波发生器产生调频调幅正弦波电流，对同步电机的转子励磁；叶片受风转动，叶片转轴与叶片联动，驱动同步电机发电。

图2是微功耗同步风力发电机(略去了同步发电机转子的励磁电路)，同步电机的转子采用调频调幅正弦波励磁，输出电压与电网同频、同相、同幅，可直接并入电网。该异步风力发电机组中的叶片转轴直接驱动异步电机，免除了增速齿轮箱；微功耗同步风力发电机组安装好就能发电，颠覆了切入风速和切出风速概念；风再小，只要叶片在动，就能发电，风再大，只要风机括不倒，就能发电，整机机械能损耗和电能损耗都接近零。

图2是微功耗同步风力发电机原理框图，叶片转轴直接驱动异步发电机，无齿轮箱的机械传动损耗；转子励磁电流采用微功耗功率变换获得，其功率损耗接近零。

附图说明

图1是传统全换相风力发电机原理图；

图2是微功耗同步风力发电机原理图；

图3是极性反转电源；

图4是极性反转电源输出电压的仿真波形；

具体实施方式

1、输出电压与电网同频

同步发电机输出电压的频率由下式决定：

f＝n×p/60(Hz)；(1)

f：输出电压频率；

n：发电机转轴转速；

p：发电机转子极对数。

设电机转子极对数为2，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为：

N＝50×60/2＝1500(转)；(2)

即当同步发电机的极对数为2时，风叶转轴转速应为1500转。

设电机转子极对数为20，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为：

N＝50×60/20＝150(转)；(3)

即当同步发电机转子的极对数为20时，风叶转轴转速应为150-300转。

设电机转子的极对数为200，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为：

N＝50×60/200＝15(转)；(4)

即当同步发电机转子的极对数为200时，风叶转轴转速应为15转，正好落入风叶典型转速之内。比较式(2)、(3)、(4)可知，要获得相同的输出频率，增加同步发电机的极对数，可减少风叶转轴的转速，即风叶转轴的转速n和电机的极对数p成反比。风叶转轴的转速一般为12-22之间，在免除增速齿轮箱的前提下，为了获得50Hz的输出频率，必须增加发电机转子上的极对数，但工艺上不可能无限增加发电机的极对数，在一个发电机的转子制作200个极对，显然不切实际。

电机转子上的极对数，直接对应着定子感应电动势的频率，即转子每多一对极对数，定子上的感应电动势每分钟就会多一个正弦波周期；同步电机转子上的励磁电流是直流，当励磁直流电流的极性改变一次时，气隙磁场也跟着改变了一次极性，于是定子上的感觉生电动势变会多出一个正弦波周期，其效果相当于转子上多了一个极对数，即励磁直流电流改变极性所产生的效果，想当于在转子上多一个极对数。

根据以上分析可知，如果引入方波对同步发电机转子励磁后，发电机旋转磁场的同步转速不再等于同步发电机转子转速，以极短的时间进行观察，转子仍以直流电流励磁，保持着同步发电机的一切特点。在叶片转轴或发电机转子旋转一周内，只要使转子励磁方波电流极性改变的次数Nt，等于发电机转子应该具备的极对数Np，就可以保持输出电压的频率为50Hz，此乃同步发电机转子采用调频方波励磁，可免除增速齿轮箱的真谛。

2、输出电压与电网同幅

由于感应电动势的幅值由下式决定：

Ey＝4.44fNyΦ1(5)

其中Ey为感应电动势，

f为励磁电流频率，

Ny为励磁线圈匝数，

Φ1为气隙磁通，