專利名稱：機(jī)電混合式無級變速風(fēng)力發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于風(fēng)力發(fā)電的裝置，屬于風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造的技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景隨著全社會對能源和環(huán)境問題的持續(xù)關(guān)注，可再生能源的開發(fā)利用正呈現(xiàn)出 加速發(fā)展的趨勢，風(fēng)能在地球上廣泛存在并是目前為人們所掌握的最為成熟的可 再生能源之一。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置，是 將原動力與輸出電能相連接的工具,它不僅直接影響到輸出電能的質(zhì)量和效率， 也影響到整個風(fēng)電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。由于風(fēng)能是能量密度較低的一 種能源，由風(fēng)能驅(qū)動的風(fēng)力機(jī)工作在較低的轉(zhuǎn)速(幾十轉(zhuǎn)/分)。縱觀目前國內(nèi)外 已投入運(yùn)行和正在研發(fā)的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，基本可歸為兩大類。第一類風(fēng)力發(fā)電系 統(tǒng)是在風(fēng)力機(jī)和發(fā)電機(jī)之間采用機(jī)械增速齒輪，但多級增速齒輪不僅體積大而笨 重，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)，是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)；第二類是直接 驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機(jī)，取消了增速齒輪，因此具有效率高、動態(tài)響應(yīng)快、維護(hù)費(fèi)用低 等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于直接驅(qū)動發(fā)電機(jī)在每分鐘幾十轉(zhuǎn)的低速下工作，為保證其輸 出電壓在正常頻率的范圍內(nèi)(30—80Hz)，發(fā)電機(jī)需要采納較大的定轉(zhuǎn)子直徑和 較多的極對數(shù)，給發(fā)電機(jī)的設(shè)計和制造增加了難度。另一方面，風(fēng)能具有隨機(jī)性， 忽大忽小，目前的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)風(fēng)速小于額定風(fēng)速時，風(fēng)輪可最大限度地吸 收風(fēng)能，而當(dāng)風(fēng)速高于某一限值時，為了保持發(fā)電機(jī)輸出頻率基本恒定，采用調(diào) 節(jié)風(fēng)葉槳距使風(fēng)輪失速，至使風(fēng)能不能被充分利用。為了解決上述問題，2007 年提出了一種以電氣無級變速器作為中間環(huán)節(jié)的新型風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)一電氣無級 變速雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，并申請了發(fā)明和實(shí)用新型專利。該系統(tǒng)既取消了多 級增速齒輪，又可采用常規(guī)電勵磁發(fā)電機(jī)，并使發(fā)電機(jī)恒速工作，實(shí)現(xiàn)真正的變 速恒頻運(yùn)行。但當(dāng)風(fēng)速較低，變速比較大的時候，電氣變速器的效率明顯降低， 導(dǎo)致整個風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的利用效率降低。因此，研制開發(fā)適合于風(fēng)能高效轉(zhuǎn)換、 運(yùn)行可靠、效率高、控制方便且供電性能良好的新型發(fā)電系統(tǒng)， 一直是該領(lǐng)域技術(shù)人員長期的追求。 發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明的目的是在電氣無級變速雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出一種基于機(jī)電混合式無級變速的風(fēng)力發(fā)電裝置，實(shí)現(xiàn)真正的變速恒頻運(yùn)行，可顯著提高系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)行效率和風(fēng)能的利用效率，可顯著提高電氣變速器的工作點(diǎn)、運(yùn)行效率及整個系統(tǒng)的效率。技術(shù)方案本發(fā)明的機(jī)電混合式無級變速風(fēng)力發(fā)電裝置包括風(fēng)力機(jī)、機(jī)械增速器，電氣變速器，發(fā)電機(jī)，第一功率變換器、第二功率變換器；其中機(jī)械增速器和電氣變速器構(gòu)成了機(jī)電混合式無級變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)速部分；電氣變速器包含定子、外轉(zhuǎn)子、內(nèi)轉(zhuǎn)子、以及滑環(huán)，內(nèi)轉(zhuǎn)子上設(shè)置多相繞組，經(jīng)滑環(huán)和電刷連接到第一功率變換器;定子上也設(shè)置多相繞組，并與第二功率變換器相連；電氣變速器有二個軸， 一側(cè)軸為輸入軸，聯(lián)接機(jī)械增速器和電氣變速器外轉(zhuǎn)子；另一側(cè)軸為輸出軸，聯(lián)接變速器內(nèi)轉(zhuǎn)子和發(fā)電機(jī)；第一功率變換器、第二功率變換器接到同一個直流電源。外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用電機(jī)類型的不同，是籠型轉(zhuǎn)子，或是永磁轉(zhuǎn)子或其他型式。直流電源是蓄電池、或電容構(gòu)成。工作時，風(fēng)力機(jī)驅(qū)動機(jī)械增速器低速端以角速度《 旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過一級機(jī)械增速器升速后驅(qū)動電氣變速器外轉(zhuǎn)子以角速度^。旋轉(zhuǎn)。當(dāng)內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組和定子繞組 中通入電流時，通過電磁耦合作用，內(nèi)轉(zhuǎn)子上將產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動內(nèi)轉(zhuǎn)子以角 速度^旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)發(fā)電。由風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)換而來的機(jī)械功率，將被分為二部分， 一部分以機(jī)械功率的形式，以電磁場為媒介由外轉(zhuǎn)子直接傳遞 到內(nèi)轉(zhuǎn)子，稱為機(jī)械功率流；另一部分以電功率的形式，由定子繞組、功率變換 器6、功率變換器5，滑環(huán)和電刷、傳遞到內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組，稱為電功率流。兩種功 率流的比例，由內(nèi)外轉(zhuǎn)子的速度比決定。如忽略各種損耗不計，則變速器的輸入 功率(風(fēng)力機(jī)功率)應(yīng)與輸出功率(即發(fā)電機(jī)輸入功率)相等。如果直流電源由儲能單元(蓄電池、電容器等)組成，則可以將部分輸入功 率以電能的形式儲存起來，也可以將儲能單元中的能量釋放到輸出軸。當(dāng)風(fēng)力機(jī) 功率大于發(fā)電機(jī)的功率時，可將多余的能量轉(zhuǎn)換為電能儲存起來；反之，當(dāng)風(fēng)力 機(jī)功率小于發(fā)電機(jī)功率時，則可將儲能單元中的能量釋放出來補(bǔ)充輸入功率的不足。通過控制加到電氣變速器定子繞組和內(nèi)轉(zhuǎn)子繞組上的電流大小、頻率，可以 無級調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不隨風(fēng)速的變化而改變，實(shí)現(xiàn)變風(fēng)速恒 頻輸出。有益效果本發(fā)明是在電氣無級變速雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出 一種基于機(jī)電混合式無級變速的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，采用一級機(jī)械增速進(jìn)行升速，電 氣變速器進(jìn)行調(diào)速，既增加了系統(tǒng)的可靠性，提高了電氣變速器的工作點(diǎn)，又保 留了電氣無級變速雙功率流風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)真正的變速恒頻運(yùn)行，可 顯著提高系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)行效率和風(fēng)能的利用效率。由于經(jīng)過一級機(jī)械增速， 電氣變速器的增速比不必太大，可顯著提高電氣變速器的工作點(diǎn)、運(yùn)行效率及整 個系統(tǒng)的效率。具體如下1、 通過采用一級機(jī)械增速器增速，增加了電氣變速器的輸入速度，降低了 電氣變速器的內(nèi)外轉(zhuǎn)子變速比，提高了電氣變速器的工作點(diǎn)和運(yùn)行效率。2、 由于機(jī)械增速器的存在，對風(fēng)能進(jìn)行緩沖，保護(hù)了電氣變速器，提高了 系統(tǒng)的可靠性，同時一級機(jī)械增速器比多級機(jī)械強(qiáng)度高，可靠性好，效率高。3、 無論風(fēng)速如何變化，通過機(jī)電混合式變速系統(tǒng)，可使發(fā)電機(jī)工作在額定 轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)變速恒頻運(yùn)行。4、 電能可由常規(guī)電勵磁發(fā)電機(jī)產(chǎn)生，不經(jīng)過電力電子裝置，無諧波，電能 質(zhì)量好。5、 具有機(jī)械功率和電功率雙功率流，可將多余風(fēng)能儲存，必要時再釋放出 來驅(qū)動發(fā)電機(jī)，風(fēng)能利用效率高。6、 機(jī)電混合式變速系統(tǒng)可以用作起動電動機(jī)，也可對風(fēng)輪進(jìn)行制動。
圖l為該發(fā)電系統(tǒng)的組成原理圖，其中有風(fēng)力機(jī)l，機(jī)械增速器2，電氣 變速器3、定子3.1，外轉(zhuǎn)子3.2,內(nèi)轉(zhuǎn)子3.3，滑環(huán)3.4，主發(fā)電機(jī)4，第一功率 變換器5、第二功率變換器6、第三功率變換器7。圖2為一臺基于機(jī)械增速器和永磁式電氣變速器所構(gòu)成的機(jī)電混合式風(fēng)力 發(fā)電系統(tǒng)具體實(shí)施方案。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的機(jī)電混合式無級變速風(fēng)力發(fā)電裝置包括風(fēng)力機(jī)1、機(jī)械增速器2，電氣變速器3，發(fā)電機(jī)4，第一功率變換器5、第二功率變換器6;其中機(jī)械增 速器2和電氣變速器3構(gòu)成了機(jī)電混合式無級變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)速部分；電氣變速器3包含定子3.1、外轉(zhuǎn)子3.2、內(nèi)轉(zhuǎn)子3.3、以及滑環(huán)3.4，內(nèi)轉(zhuǎn)子3.3 上設(shè)置多相繞組，經(jīng)滑環(huán)3.4和電刷連接到第一功率變換器5;定子3. l上也設(shè) 置多相繞組，并與第二功率變換器6相連；電氣變速器3有二個軸， 一側(cè)軸為輸 入軸，聯(lián)接機(jī)械增速器2和電氣變速器外轉(zhuǎn)子3.2;另一側(cè)軸為輸出軸，聯(lián)接變 速器內(nèi)轉(zhuǎn)子3. 3和發(fā)電機(jī)4;第一功率變換器5、第二功率變換器6接到同一個直 流電源E。外轉(zhuǎn)子3.2結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用電機(jī)類型的不同，是籠型轉(zhuǎn)子，或是永磁 轉(zhuǎn)子或其他型式。直流電源E是蓄電池、或電容構(gòu)成。以一臺基于機(jī)械增速器和永磁式電氣變速器所構(gòu)成的機(jī)電混合式風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)為例，如圖2所示。風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速通過一級機(jī)械增速器進(jìn)行增速，電氣變速 器的外轉(zhuǎn)子與機(jī)械增速器相連。外轉(zhuǎn)子安裝在一個空心骨架上，空心骨架經(jīng)軸承 安裝在輸入軸上。外轉(zhuǎn)子內(nèi)、外表面分別嵌放永磁體，定子上嵌放三相對稱繞組， 并與功率變換器1相聯(lián)，內(nèi)轉(zhuǎn)子安裝在輸出軸上，其表面嵌放三相對稱繞組，通 過滑環(huán)和電刷與功率變換器2相聯(lián)，輸出軸與發(fā)電機(jī)軸直接相連，主發(fā)電機(jī)采用 常規(guī)三相同步電勵磁發(fā)電機(jī)，由直流斬波電路供應(yīng)勵磁電流。本發(fā)明的特征是采用機(jī)械增速器和電氣變速器共同配合調(diào)速。第一、采用一 級機(jī)械增速器增速，對風(fēng)能進(jìn)行緩沖，保護(hù)電氣無級變速器，提高系統(tǒng)的可靠性 和電氣變速器的工作效率；第二、利用電氣變速器實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，使發(fā)電機(jī)恒速 運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)真正的變速恒頻運(yùn)行；第三、由于電氣變速器有二條功率流，可以將 多余的風(fēng)能儲存到電容或蓄電池等儲能元件里，在必要時再釋放出補(bǔ)充風(fēng)能的不 足，因而可明顯提高風(fēng)能的利用效率。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)電混合式無級變速風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于該裝置包括風(fēng)力機(jī)(1)、機(jī)械增速器(2)，電氣變速器(3)，發(fā)電機(jī)(4)，第一功率變換器(5)、第二功率變換器(6)、第三功率變換器(7)；其中機(jī)械增速器(2)和電氣變速器(3)構(gòu)成了機(jī)電混合式無級變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)速部分；電氣變速器(3)包含定子(3.1)、外轉(zhuǎn)子(3.2)、內(nèi)轉(zhuǎn)子(3.3)、以及滑環(huán)(3.4)，內(nèi)轉(zhuǎn)子(3.3)上設(shè)置多相繞組，經(jīng)滑環(huán)(3.4)和電刷連接到第一功率變換器(5)；定子(3.1)上也設(shè)置多相繞組，并與第二功率變換器(6)相連；電氣變速器(3)有二個軸，一側(cè)軸為輸入軸，聯(lián)接機(jī)械增速器(2)和電氣變速器外轉(zhuǎn)子(3.2)；另一側(cè)軸為輸出軸，聯(lián)接變速器內(nèi)轉(zhuǎn)子(3.3)和發(fā)電機(jī)(4)；第一功率變換器(5)、第二功率變換器(6)接到同一個直流電源(E)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電混合式無級變速風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于 外轉(zhuǎn)子(3.2)結(jié)構(gòu)根據(jù)所采用電機(jī)類型的不同，是籠型轉(zhuǎn)子，或是永磁轉(zhuǎn)子或 其他型式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的機(jī)電混合式無級變速風(fēng)力發(fā)電裝置，其特征在于 直流電源(E)是蓄電池、或電容構(gòu)成。
全文摘要
機(jī)電混合式無級變速的風(fēng)力發(fā)電裝置能實(shí)現(xiàn)真正的變速恒頻運(yùn)行，可顯著提高系統(tǒng)的可靠性、運(yùn)行效率和風(fēng)能的利用效率，可顯著提高電氣變速器的工作點(diǎn)、運(yùn)行效率及整個系統(tǒng)的效率。該裝置包括風(fēng)力機(jī)(1)、機(jī)械增速器(2)，電氣變速器(3)，發(fā)電機(jī)(4)，第一功率變換器(5)、第二功率變換器(6)、第三功率變換器(7)；如果直流電源由儲能單元(蓄電池、電容器等)組成，則可以將部分輸入功率以電能的形式儲存起來，也可以將儲能單元中的能量釋放到輸出軸。當(dāng)風(fēng)力機(jī)功率大于發(fā)電機(jī)的功率時，可將多余的能量轉(zhuǎn)換為電能儲存起來；反之，當(dāng)風(fēng)力機(jī)功率小于發(fā)電機(jī)功率時，則可將儲能單元中的能量釋放出來補(bǔ)充輸入功率的不足。
文檔編號H02K51/00GK101272084SQ20081010074
公開日2008年9月24日 申請日期2008年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月16日
發(fā)明者孫西凱, 明 程 申請人:東南大學(xué)