微功耗风力发电机制造技术

微功耗风力发电机由叶片和同步电机组成，同步电机的定子采用调频调幅方波励磁，输出功率恒频恒压，可直接并入电网。该同步发电机组中的风叶转轴直接驱动同步电机，免除了双馈感应发电机中的增速齿轮箱；采用同步发电机转子励磁，免除了双馈感应发电机中的励磁双向逆变器或全功率变换器；由于免除了增速齿轮箱，微功耗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，只要叶片可以动，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。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种微功耗风力发电机。
技术介绍
图I是双馈感应发电机工作原理框图，通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量)，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。根据变速恒频变桨矩风机的特点，国内目前装机的电机一般分为二类I、异步型I)笼型异步发电机；功率为600/125kW、750kW、800kW、1250kW，定子向电网输送不同功率的50Hz交流电。2)绕线式双馈异步发电机；功率为1500kW定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。2、同步型I)永磁同步发电机；功率为750kW 1200kff 1500kW由永磁体产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。2)电励磁同步发电机；由外接到转子上的直流电流产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。同步发电机的电压变化率约为20 40%，一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变，为此，随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。高速同步发电机因大多数发电机与原动机同轴联动，火电厂都用高速汽轮机作原动机，所以汽轮发电机通常用高转速的2极电机，其转速达3000转/分(在电网频率为60赫时，为3600转/分)。核电站多用4极电机，转速为1500转/分(当电网频率为60赫时，为1800转/分)。为适应高速、高功率要求，高速同步发电机在结构上，一是采用隐极式转子，二是设置专门的冷却系统。上述同步、异步风力发电机有以下缺点I)必须增速齿轮箱，方能达到电机的同步转速，机械能损耗大；2)必须双向逆变器或全功率变换器，电能损耗大；3)切入风速时开始发电、切出风速时锁定电机，即风小不能发电，风大不能发电，很难伺候不说，浪费太多风能；4)直接采用市电励磁，低电压穿越性能极差。
技术实现思路
图2是微功耗风力发电机原理框图，叶片转轴直接驱动同步发电机，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。微功耗风力发电机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成，叶片转轴与同步电机转轴刚性联接，励磁方波发生器产生调频调幅对称方波电流，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。同步发电机输出电压的频率由下式决定f = nXp/60 (Hz) ；(I)f:输出电压频率；η:发电机转轴转速；ρ: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(I)式可计算得风叶转轴转速为N = 50X60/2 = 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(I)式可计算得风叶转轴转速为N = 50X60/20 = 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(I)式可计算得风叶转轴转速为N = 50X60/200 = 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η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。微功耗风力发电机组，由叶片和同步电机组成，同步电机的定子采用调频调幅方波励磁，输出功率恒频恒压，可直接并入电网。该同步发电机组中的风叶转轴直接驱动同步电机，免除了双馈感应发电机中的增速齿轮箱；采用同步发电机转子励磁，免除了双馈感应发电机中的励磁双向逆变器或全功率变换器；由于免除了增速齿轮箱，微功耗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，只要叶片可以动，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。附图说明图I是传统风力发电机原理图；图2是微功耗风力发电机原理图；图3机械角度和电角度对比图；图4是极对数等于I时定子旋转一周时定子所产生的360电角度；图5是极对数等于2时定子旋转一周时定子所产生的720电角度；图6是极对数等于3时定子旋转一周时定子所产生的1080电角度；图7是励磁电流极性变换I次时时定子所产生的360电角度；图8是励磁电流极性变换2次时时定子所产生的720电角度；图9是励磁电流极性变换3次时时定子所产生的1080电角度；图10是定子励磁电流的仿真波形；图11是定子励磁方波发生器。具体实施方式I、输出电压与电网同频图3表示机械角度和电角度的关系，从几何上说，沿电机定子内园或转子外园旋转一周就是转了 360°，这样划分的角度称为机械角度，用符号θπ表示。但从磁场角度来看，一对磁极对应着一个交变的周期，也是360°，如果是P对磁极，则对应的交变周期就是ΡΧ360。，这样划分的角度称为电角度，用符号Θ表示。如果将电机沿气隙展开，一个园周长可以用360°机械角度表示，而不论电机极对的多少，一个磁极对应180°电角度，一对磁极对应360°电角度，一个园周长应该对应P X 360°的电角度，可见电角度和机械角度的关系是Θ =PX θ,,,ο如发电机的转子由直流电流励磁，发电机的转子在叶片转轴的驱动下旋转，当极对数为I时(2个磁极)，转子旋转I周，定子上的感生电动势产生I个正弦波周期，同步旋转磁场旋转I周(请参考图4);当极对数为2时(4个磁极)，转子旋转I周，定子上的感生电动势产生2个正弦波周期，同步旋转磁场旋转2周(请参考图5);当极对数为3时(6个磁极)，转子旋转I周，定子上的感生电动势产生3个正弦波周期，同步旋转磁场旋转3周(请参考图6)。由此可见，同步旋转磁场的转速Nf和叶片转轴转速Np相等。如发电机的转子由方波电流励磁，而电机的极对数均为1，发电机的转子在叶片转轴的驱动下旋转。当转子旋转I周、励磁电流的极性改变I次时，定子上的感生电动势产生I个正弦波周期，即同步旋转磁场旋转I周(请参考图7);当转子旋转I周、励磁电流的极性改变2次时，定子上的感生电动势产生2个正弦波周期，即同步旋转磁场旋转2周(请参考图8);当转子旋转I周、励磁电流的极性改变3次时，定子上的感生电动势产生3个正弦波周期，即同步旋转磁场旋转3周(请参考图9)。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微功耗风力发电机，其特征是：整机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成，叶片转轴与同步电机转轴刚性联接，励磁方波发生器产生调频调幅对称方波电流，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。

【技术特征摘要】
1. 一种微功耗风力发电机，其特征是整机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成，叶片转轴与同步电机转轴刚性联...

【专利技术属性】
技术研发人员：郁百超，
申请(专利权)人：郁百超，
类型：实用新型
国别省市：