直驱式电励磁双凸极容错风力发电机

摘要

一种直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，属风力发电机。该风力发电机包括多极电励磁双凸极电机和功率器件两部分组成，其单元电机分成C组(C≥3)，每组单元电机数相同，各组单元电机的三相绕组分别经整流电路整流后经全桥逆变器逆变成120°阶梯波交流电，各组单元电机逆变器输出的阶梯波交流电之间相移90/C度电角度，各组单元电机逆变器的输出串联后负载提供交流电，电机发生故障后仍然能够正常工作，满足风力发电机的高可靠性要求，同时还具有逆变器的功率管开关频率低，电压和电流应力小，供电电压失真度小，输出滤波器的体积重量小的优点。

权利要求

1、一种直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，包括多极电励磁双凸极电机和功 率器件两部分，多极电励磁双凸极电机的定子极数与转子极数的配合为 6·k/(4·N·k)，其中6/(4·N)为单元电机，N为除3和3的倍数以外的自然数，k 为电励磁双凸极电机的极数，其特征在于，电励磁双凸极电机的极数k大于等于 3，其单元电机分成C组，每组单元电机数相同，同组单元电机的励磁绕组串联， 由励磁变换器励磁，同组单元电机的同相绕组串联，构成三相绕组，同组单元电 机的三相绕组经整流电路整流后经全桥逆变器逆变成120°阶梯波交流电，其中整 流电路是全桥整流或半波整流，不同组单元电机的逆变器输出阶梯波交流电之间 依次相移θC度电角度，其中θC等于90/C度电角度，不同组单元电机的逆变器输 出串联后向负载提供交流电，所述的C≥3，所述C组单元电机，当中的任意G 组单元电机发生故障时，则使故障组单元电机的励磁绕组电流降为零，使故障组 单元电机的逆变器输出为零，调整C-G的剩余个非故障组单元电机的逆变器输 出阶梯波相移角θC-G，使θC-G等于90/(C-G)度电角度，同时提高C-G的剩余 个非故障组单元电机的励磁电流，使输出电压达到额定值，实现系统再次正常工 作。

说明书

一、技术领域

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机属风力发电机。

二、技术背景

风电是干净的能源，可以减小传统化石能源的消耗和环境污染，积极地开 发利用风电对改善能源结构，保护生态环境具有重要意义。目前，风力发电技术 正在向高效率，高可靠，低成本的方向发展。直驱风力发电机省去齿轮箱，具有 投资少，传动链损失少，维护费用低和可靠性高等优点，受到国内外广泛关注。

已报道的直驱风力发电机主要有永磁交流发电机，无刷双馈交流发电机和 开关磁阻发电机三种。电励磁双凸机电机(Doubly Salient Electro magnetic Generator，简称DSEM)是在开关磁阻发电机的基础上发展起来的新型电机，其 定、转子均为双凸极叠片结构，保留了开关磁阻发电机结构简单可靠，价格便宜 的优点。定子或转子比开关磁阻电机多一套励磁绕组，调节励磁绕组电流即可调 节输出电压，且发电工作时无需位置传感器和有源功率变换器，在直驱风电场合 具有应用潜力。

大容量直驱风力发电机的转速较低，具有直径大和极数多的特点。国外报 道的11.1KW永磁直驱电机，极对数为94，10MW永磁直驱电机，其极对数达160。 三相电励磁双凸机电机的基本结构型式为6/4结构，即定子极数为6，转子极数为 4，其中基本结构型式也称为单元电机。与常规电机不同，多极电励磁双凸极电 机的定子极数ps和转子极数pr为单元电机定、转子极数的整数倍，即 ps/pr＝6·k/4·k，k＝1、2、3……正整数，当k＝1时，电机即为单元电机(6/4 结构)，当k＝2时，电机的定子极数为12，转子极数为8，即为12/8结构。已有文 献仅对6/4结构(k＝1)和12/8结构(k＝2)双凸极电机进行了研究。三相6k/(4(N+1)k) 结构双凸极电机(专利申请号：200710191018.4)的单元电机为6/(4(N+1))结构。 其定子槽宽度大于定子极弧宽，转子铁心极数大于定子铁心极数，允许加大每极 电枢绕组尺寸，扩大励磁绕组放置空间，减小定子极间漏磁，提高电机工作效率， 改善电机性能以适用于不同应用场合需要。

电励磁双凸极发电机的相绕组电势谐波丰富，且接近120度方波，若作为交 流发电机使用，电压失真度高。已有技术采用同相电枢绕组串联并经二极管整流 向负载提供直流电，此时电励磁双凸极发电机为直流发电机。为能够向交流负载 供电或与交流配电中心并网，电励磁直驱双凸极风力发电机必须输出交流电。因 此，针对直驱风力发电场合，并结合多极双凸极电机的结构特点，寻求高可靠且 输出交流电压的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机的合理结构，成为本发明的 初衷。

三、发明内容

本发明的目的是：克服现有技术的不足，提出高可靠且输出交流电压的直驱 式电励磁双凸极容错风力发电机。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，包括多极电励磁双凸极电机 和功率器件两部分组成，电励磁双凸极电机的定子极数与转子极数的配合为 6·k/4·N·k，其中6/4·N为单元电机，N为除3和3的倍数以外的自然数。k为 单元电机的重复次数，也称为电励磁双凸极电机的极数，当k＝1时，电励磁双 凸极为6/4·N结构，即定子极数为6，转子极数为4·N，即为单元电机；当k＝2 时，电励磁双凸极为12/8·N结构，电机由两个单元电机构成，即定子极数为12， 转子极数为8·N；当k＝3时，电励磁双凸极为18/12·N结构，电机由三个单元电 机构成，即定子极数为18，转子极数为12·N；当k＝4时，电励磁双凸极为24/16·N 结构，电机由四个单元电机构成，即定子极数为24，16·N；当k≥3时电励磁双 凸极电机为多极结构。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，电机的定转子结构型式可 以是外转子内定子结构，也可以是外定子内转子结构，也可以是双定子结构和双 转子结构。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，由k个单元电机构成 (k≥3)，其k个单元电机分成C组(C≥3)，每组单元电机数相同。同组单元 电机的励磁绕组串联，由励磁变换器励磁，同组单元电机的同相绕组串联，构成 三相电枢绕组，同组单元电机的三相绕组经整流电路整流后经全桥逆变器逆变成 120°阶梯波交流电，整流电路可以是全桥整流和半波整流。不同组单元电机的 逆变器输出阶梯波交流电之间依次相移θC度电角度，其中θC等于90/C度电角 度。不同组单元电机的逆变器输出串联后负载提供交流电，电机极数越多，向负 载提高交流电的谐波失真度越低。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，共分成C组单元电机，其中 任意G组单元电机发生故障，则使故障组单元电机的励磁绕组电流降为零，使故 障组逆变器的输出为零。然后调整剩余(C-G)个非故障组逆变器输出阶梯波的 相移角θC-G，使θC-G等于90/(C-G)度电角度。同时提高(C-G)个非故障组中的 单元电机的励磁电流，使输出电压达到额定值，实现系统再次正常工作。由于电 励磁双凸极电机励磁磁路的特殊性，故障组单元电机的励磁绕组电流降为零时， 不会影响到非故障组单元电机的励磁绕组的励磁磁场。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，与现有技术相比，可实现电 励磁双凸极电机交流电输出，且电机发生故障后仍然能够正常工作，满足风力发 电机的高可靠性要求，同时还具有逆变器的功率管开关频率低，电压和电流应力 小，供电电压失真度小，输出滤波器的体积重量小的优点。

四、附图说明

图1是直驱式电励磁双凸极容错风力发电机的结构示意图(图中箭头方向代 表励磁绕组产生的励磁磁场方向)。

图2是直驱式电励磁双凸极容错风力发电机的绕组连接图。

图3是直驱式电励磁双凸极容错风力发电机的主要波形图。

图4是直驱式电励磁双凸极容错风力发电机的一相绕组发生故障后励磁磁 场磁极示意图(图中箭头方向代表励磁绕组产生的励磁磁场方向)。

图5是直驱式电励磁双凸极容错风力发电机的一相绕组发生故障后主要波 形图。

上述图中标号名称：

Ai、Xi(i＝1、2、3、4)-第i单元电机的A相定子极，其中Ai定子极上的 电枢绕组电势与Xi定子极上的电枢绕组电势相差180度；

Bi、Yi(i＝1、2、3、4)-第i个单元电机的B相定子极，其中Bi定子极上 的电枢绕组电势与Yi定子极上的电枢绕组电势相差180度；

Ci、Zi(i＝1、2、3、4)-第i单元电机的C相定子极，其中Ci定子极上的 电枢绕组电势与Zi定子极上的电枢绕组电势相差180度；

Wfj(j＝1、2、3、4)-第j组单元电机的励磁绕组；

Dj1，Dj2，Dj3(j＝1、2、3、4)-为第j组单元电机的三相整流二极管；

Qj1，Qj2，Qj3，Qj4(j＝1、2、3、4)-为第j组单元电机的逆变器开关管；

Dfj(j＝1、2、3、4)-为第j组单元电机的励磁绕组续流二极管；

Qfj(j＝1、2、3、4)-为第j组单元电机的励磁绕组开关管；

Ucj(j＝1、2、3、4)-为第j组单元电机的逆变器输出电压；

Uo1-为各组逆变器串联输出电压；

Uo-对Uo1滤波后电压；

L-为输出电压滤波电感；

Uo-为输出电压滤波电容。

五、具体实施方式

由于电机极数k大于等于3的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机与电机极 数k等于4的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机结构相似，下面以24/16结构 (k＝4，N＝1)直驱式电励磁双凸极容错风力发电机来说明具体的实施方式。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，包括多极电励磁双凸极电机 和功率器件两部分组成。多极电励磁双凸极电机为24/16结构(k＝4，N＝1)，即 定子极数为24，转子极数为16，由4个6/4结构单元电机构成，如图1所示， 图中箭头方向代表励磁绕组产生的励磁磁场方向。将24/16结构多极电励磁双凸 极电机的4(C＝4)个6/4结构单元电机分成4组，每组1个单元电机。第1组 单元电机的定子极为A1、B1、C1、X1、Y1、Z1六个定子极，电枢绕组套装在定 子极上，其中A1，X1属A相定子极，A相定子极上的电枢绕组属A相绕组， A1定子极上的电枢绕组电势与X1定子极上的电枢绕组电势相差180度(即相位 相反)；B1，Y1属B相定子极，B相定子极上的电枢绕组属B相绕组，B1定子 极电枢绕组电势与Y1定子极电枢绕组电势相差180度；C1，Z1属C相定子极， C相定子极上的电枢绕组属C相绕组，C1定子极电枢绕组电势与Z1定子极电枢 绕组电势相差180度。第1组单元电机的同相电枢绕组按电势增加的原则串联后 先经整流二极管D11，D12，D13构成的半波整流电路整流成直流电，后经开关管Q11， Q12，Q13，Q14构成的第1组单元电机全桥逆变器逆变成120度阶梯波交流电Uc1， Wf1为第1组单元电机的励磁绕组，调节励磁绕组Wf1的励磁电流即可调节第1 组单元电机全桥逆变器逆变成120度阶梯波交流电Uc1的幅值。同理，第2组单 元电机的同相电枢绕组按电势增加的原则串联后先经整流二极管D21，D22，D23构 成的半波整流电路整流成直流电，后经开关管Q21，Q22，Q23，Q24构成的第2组单 元电机全桥逆变器逆变成120度阶梯波交流电Uc2；第3组单元电机的同相电枢 绕组按电势增加的原则串联后先经整流二极管D31，D32，D33构成的半波整流电路 整流成直流电，后经开关管Q31，Q32，Q33，Q34构成的第3组单元电机全桥逆变器 逆变成120度阶梯波交流电Uc23，第4组单元电机的同相电枢绕组按电势增加的 原则串联后先经整流二极管D41，D42，D43构成的半波整流电路整流成直流电，后 经开关管Q41，Q42，Q43，Q44构成的第4组单元电机全桥逆变器逆变成120度阶梯 波交流电Uc4，如图2所示。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，其4组单元电机的逆变器为 全桥逆变器，其中开关管Qj1，Qj3(j＝1、2、3、4)构成第j组单元电机全桥逆变器 的超前桥臂，开关管Qj2，Qj4(j＝1、2、3、4)构成第j组单元电机全桥逆变器的 滞后桥臂，不同组单元电机逆变器按超前桥臂接滞后桥臂的规律进行串联，串联 输出的电压记为Uo1，如图2所示。上述的交流电Uc1、Uc2、Uc3和Uc4依次 相移90/4＝22.5度电角度，即θC＝22.5°电角度，输出电压Uo1为含有高次谐波 的交流电，如图3所示，电压Uo1经过滤波后为正弦交流电Uo，向负载供电。 直驱式电励磁双凸极容错风力发电机应用在直驱风电场合，电机的极数多，随电 机极数的增加，电压Uo1的谐波失真度越低，所需要的滤波感L和滤波容C也越 小，甚至可以省去。

本发明的直驱式电励磁双凸极容错风力发电机，若干组中的单元电机发生故 障的实施方式与其中1组发生故障的实施方式相同，下面以第1组单元电机发生 故障为例进行说明。当第1组单元电机单元电机发生故障时，使第1组单元电机 的励磁绕组Wf1的电流降为零，此时第1组单元电机的六个定子极没有励磁磁场， 如图4所示，图中箭头方向代表励磁绕组产生的励磁磁场方向，绕组感应的电势 也为零，则第1组单元电机的三相绕组整流输出的直流电压和逆变器输出电压为 零。剩余3个非故障组逆变器输出阶梯波的相移角θC-G＝90/(4-1)＝30度电角 度，电压Uo1由非故障组逆变器输出电压Uc2、Uc3和Uc4合成，仍然为一含有 高次谐波的交流电，如图5所示。同时提高剩余3个非故障组中的单元电机励磁 绕组的励磁电流，使输出电压Uo达到额定值，实现系统再次正常工作。