專利名稱：節(jié)能型多相發(fā)電機(jī)整流器電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電技術(shù)中的交流同步發(fā)電機(jī)、整流器和變頻器領(lǐng)域，具體涉及由交流發(fā)電機(jī)發(fā)電，而后通過AC/DA變換，最后獲得直流電或交流電輸出的電源系統(tǒng)裝置。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有應(yīng)用直流電源中，基本上不再使用直流發(fā)電機(jī)，而大都采用同步型交流發(fā)電機(jī)，然后通過整流器變換為直流電的模式。不管是大型、中型或小型機(jī)組，通常采用交流三相同步發(fā)電機(jī)的星形接法和線電壓輸出接入三相橋式整流器，先整流為直流獲得應(yīng)用，然后還有可能通過電子變頻，獲得固定或變化頻率的交流電的應(yīng)用方式。殊不知這樣一種應(yīng)用會產(chǎn)生相當(dāng)大的電壓損失和功率損失，不能完全利用交流發(fā)電機(jī)的潛力，相應(yīng)地降低了發(fā)電機(jī)組的輸出能力和效率，造成設(shè)備和能源的浪費(fèi)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是發(fā)現(xiàn)三相同步機(jī)組中為何會產(chǎn)生這種浪費(fèi)的原因，然后針對該原因，構(gòu)建消除這一損失的系統(tǒng)裝置，以達(dá)到增加機(jī)組額定功率和功率輸出，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能增效的目的，從而降低系統(tǒng)的發(fā)電成本，產(chǎn)生可觀經(jīng)濟(jì)利益。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，由交流發(fā)電機(jī)(1)、整流器( 等組成的電源系統(tǒng)，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(1)為三相以上的多相同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，結(jié)合與發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的整流器(2)組成的，能減小或消除三相電制系統(tǒng)中線電壓損失的節(jié)能型電源裝置。本發(fā)明的技術(shù)效果是，多相同步發(fā)電機(jī)所發(fā)電壓可以降低甚至消除現(xiàn)有三相機(jī)系統(tǒng)中15. 8%的線電壓損失，所以本發(fā)明裝置整流后的直流電壓普遍高于現(xiàn)有三相交流發(fā)電加上整流器的傳統(tǒng)機(jī)組，系統(tǒng)輸出功率、效率都有不小的升幅，因此機(jī)組具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，而提高機(jī)組相數(shù)后不論是發(fā)電機(jī)、整流器等，所增加的成本比例遠(yuǎn)小于功率增幅，且還能從所節(jié)約的電能中得到多倍補(bǔ)償，所以在經(jīng)濟(jì)上是特別有利的。
圖1、三相同步發(fā)電機(jī)向量和發(fā)電整流系統(tǒng)接線圖。圖2、三相交流電整流后的直流電壓波形圖。圖3、五相同步發(fā)電機(jī)和七相同步發(fā)電機(jī)向量圖。圖4、四相和六相同步發(fā)電機(jī)向量圖。圖5、四相同步發(fā)電機(jī)和整流器接線圖。圖6、多相同步發(fā)電、整流、變頻電源框圖。
具體實(shí)施例方式當(dāng)今我們采用的從機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷难b置，不再使用價格昂貴的直流發(fā)電機(jī)，而廣泛采用交流同步發(fā)電經(jīng)硅二極管整流成直流的技術(shù)路線。所用的三相發(fā)電機(jī)和三相供電電網(wǎng)體制中的大型發(fā)電機(jī)是一致的。實(shí)踐表明，這樣一種三相電制式結(jié)構(gòu)，是人類社會從交流電機(jī)中發(fā)展出來，經(jīng)過長期實(shí)踐，不管是對發(fā)電機(jī)還是對電動機(jī)來說，都是比較適合的一種成熟技術(shù)制式。但是，三相電制從直流電的角度衡量，卻并不是最理想的制式。圖Ia所示為三相同步發(fā)電機(jī)的電壓向量圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)電機(jī)明明發(fā)了三組交流電壓，即相電壓UA、UB、U。，假如如通常所說的單相電壓220V，也就是說發(fā)電機(jī)發(fā)了三組220V的電壓，但是我們?yōu)楂@得大功率直流電而使用三相電的時候，通常將發(fā)電機(jī)的三根相線接到電動機(jī)或整流器的輸入端，這時卻只有區(qū)區(qū)的380V的電壓，而不是440V或甚至660V。當(dāng)然，要得到660V，也不用變壓器的話，那是很難的。但是，能不能求其次，直接得到440V呢？在圖Ia中，綠箭線代表相電壓，紅線代表線電壓。線電壓是二個相電壓相加的結(jié)果，如果綠線長度為220V時，紅線長度就是380V。正是因?yàn)橄辔徊煌?，由二個相電壓加在一起所形成的線電壓，這個加法就成了折線相加而不是直線相加。而我們所樂意經(jīng)常使用的偏偏就是三相線電壓。假如我們能按理想狀況，即實(shí)現(xiàn)直線相加，就應(yīng)該可以得到440V的電壓，但現(xiàn)實(shí)卻只能得到380V，所損失的線電壓為440V-380V = 60V(式 1)可見，采用三相電制電源系統(tǒng)線電壓損失率約為60V/380V = 15. 8%(式 2)電壓損失相當(dāng)于勢能損失，同樣意味著功率的損失，通過整流后所得到的直流電壓約損失85V。也就是說，由于三相體制中存在的線電壓損失，導(dǎo)致了直流輸出電壓損失，降低了三相系統(tǒng)輸出功率和相應(yīng)增加了機(jī)組成本，這是一種普遍卻至今不為人知的浪費(fèi)。圖Ib所示為發(fā)電機(jī)與整流器連接后產(chǎn)生直流的電源裝置，發(fā)電機(jī)(1)為如圖Ia星形接法的三相同步機(jī)，D1-D6為六個整流二極管所組成三相橋式整流器0)，C為濾波電容器，用于減少直流電中的交流脈動紋波。E為儲能用蓄電池，可將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流并經(jīng)過整流后的直流電能加以儲存，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。圖Ib所示的骨干電路也是現(xiàn)有電源中絕大部分直流裝置的傳統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)。圖2所示是三相交流電整流后未接濾波電容器C和蓄電池的直流電壓Udc波形圖。當(dāng)然加了 C和E后，Udc的高低電壓差就小得多，特別是當(dāng)C和E容量足夠大，交流電路內(nèi)阻足夠小，負(fù)載也足夠輕的時候，Udc就可以接近其最高直流輸出電壓Udcmax Udcmax = 4"2 X 380V (式 3)可以計(jì)算得，當(dāng)相電壓為220V時，Udcmax約為537V。如果能夠消除三相系統(tǒng)中的線電壓損失，即理想地獲得440V的線電壓，那么，就可以期望得到約為622V的最高直流輸出電壓Udcmax。Udcmax = ^ X 440V (式 4)下面需要分析探討的，是本發(fā)明如何減小線電壓損失的系統(tǒng)。如果采用比三相為高的相數(shù)，系統(tǒng)的相電壓和直流輸出電壓會有什么變化。圖3a為五相同步發(fā)電機(jī)的電壓向量圖，圖北為七相同步發(fā)電機(jī)的電壓向量圖。與圖Ia對比，仍沿用相同長度的綠箭線代表相電壓，用紅線代表線電壓?？梢园l(fā)現(xiàn)，雖然相電壓相同，但代表線電壓的紅線會隨著系統(tǒng)相數(shù)的增加而增長，也就是說，如果三相電制供電的系統(tǒng)線電壓損失60V，線電壓損失率約為15. 8%的話，則五相電制供電的機(jī)組線電壓損失22V，線電壓損失率約為5. 3%。而七相電制供電的機(jī)組線電壓損失僅11V，線電壓損失率更降低到約為2. 6%的低水平?？梢悦黠@看出，在奇數(shù)相數(shù)的多相發(fā)電機(jī)電源系統(tǒng)中，隨著相數(shù)的增加，交流線電壓損失率迅速下降，從圖解中不難發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)增加發(fā)電機(jī)相數(shù)，例如九相、十一相，交流線電壓損失率還將不斷降低，直至接近于零，但降低的幅度越來越小。由于整流器直流電壓輸出與交流線電壓成正比，線電壓損失同樣意味著直流輸出電壓的損失。所以，本發(fā)明的多相系統(tǒng)是避免現(xiàn)有三相體制的缺陷，使新的電源系統(tǒng)增加功率輸出、降低機(jī)組成本和提高系統(tǒng)效率的裝置，其特征為，交流發(fā)電機(jī)⑴為五相或七相交流發(fā)電機(jī)⑴為五相或七相等奇數(shù)相的同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，同時整流器O)也是與該發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的多相整流器結(jié)構(gòu)所組成的節(jié)能型電源裝置。下面進(jìn)一步分析偶數(shù)相的同步發(fā)電機(jī)整流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的電壓情況。圖如為四相同步發(fā)電機(jī)的電壓向量圖，圖4b為六相同步發(fā)電機(jī)的電壓向量圖。在圖4中，依然用相同長度的綠箭線代表相電壓，紅線代表線電壓。應(yīng)該明確的是，與三相電制不同，在三相以上的多相發(fā)電機(jī)體系中，雖然相電壓都只有一個數(shù)值，但線電壓卻有幾個數(shù)值，如四相體系中，就有兩種長度的線電壓Uab和UAC, Uab用紅色虛線表示而Uac用紅色實(shí)線表示，可見Uac大于Uab,由于整流器輸出電壓總是與整流器的交流輸入電壓數(shù)值有關(guān)，而對交流電的相位不敏感，整流管只讓最高的電壓導(dǎo)通，所以整流后的輸出直流電壓數(shù)值，僅與最大線電壓Umax，也就是^有關(guān)。從四相發(fā)電機(jī)和四相整流器機(jī)組中可以發(fā)現(xiàn)，線電壓^可以看作兩個相電壓的直線相加，從而不再存在奇數(shù)相電制系統(tǒng)中折線相加的現(xiàn)象，所以就沒有線電壓損失。六相電制系統(tǒng)也與四相系統(tǒng)有同樣的效果，正如圖4b中所描繪的，其最大線電壓為Uad，也沒有線電壓損失。推而廣之，可見所有偶數(shù)相電制的交流發(fā)電機(jī)組，在整流變換過程中都不存在線電壓損失。所以，本發(fā)明的使現(xiàn)有電源系統(tǒng)增加功率輸出和提高效率的裝置有以下特征，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(1)為四相或六相等偶數(shù)相的同步電機(jī)結(jié)構(gòu)；同時整流器(2)也是與該發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的整流器結(jié)構(gòu)所組成的節(jié)能型電源系統(tǒng)；其最大線電壓為相電壓的二倍。圖5為四相同步發(fā)電機(jī)和四相整流器接線圖，圖中的整流器由Dl至D8八個二極管組成四相橋式整流，C為濾波電容器，用于減少直流電中的交流脈動紋波。E為儲能用蓄電池?？梢园磮D5所示的基本結(jié)構(gòu)組成本發(fā)明的電源系統(tǒng)，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(1)為三相以上的多相同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，同時整流器⑵也是與該發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的多相整流器結(jié)構(gòu)，整流器( 后并聯(lián)有一組由蓄電池和/或超級電容所組成的節(jié)能型直流電源裝置。該裝置可以用作風(fēng)電路燈等應(yīng)用設(shè)備的電源系統(tǒng)。其它多相數(shù)的發(fā)電機(jī)和整流器的接線類同于圖5，不在此一一列舉。根據(jù)理論分析，可以得出不同相數(shù)交流發(fā)電機(jī)的相關(guān)電壓數(shù)值，見表1。經(jīng)過整流器所輸出的最高直流電壓數(shù)值Udcmax應(yīng)為Umax乘以根號2的積。表1不同相電制下的線電壓比較
權(quán)利要求
1.節(jié)能型多相發(fā)電機(jī)整流器電源系統(tǒng)，由交流發(fā)電機(jī)(1)、整流器( 等組成，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(1)為三相以上的多相同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，結(jié)合與發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的整流器(2)組成的，能減小或消除三相電制系統(tǒng)中線電壓損失的節(jié)能型電源裝置。
2.權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(1)為五相或七相等奇數(shù)相的同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，同時整流器O)也是與該發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的多相整流器結(jié)構(gòu)所組成的節(jié)能型電源裝置。
3.權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(1)為四相或六相等偶數(shù)相的同步電機(jī)結(jié)構(gòu)；同時整流器(2)也是與該發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的整流器結(jié)構(gòu)所組成的節(jié)能型電源系統(tǒng)；其最大線電壓為相電壓的二倍。
4.權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(1)為三相以上的多相同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，同時整流器(2)也是與該發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的多相整流器結(jié)構(gòu)，整流器(2)后并聯(lián)有一組由蓄電池和/或超級電容所組成的節(jié)能型直流電源裝置。
5.權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征為，其特征為，發(fā)電機(jī)(1)為三相以上的多相節(jié)能型交流同步發(fā)電機(jī)，包括永磁同步機(jī)、勵磁同步機(jī)、永磁勵磁復(fù)合型同步機(jī)、無刷交流同步發(fā)電機(jī)、帶齒輪箱的高速同步發(fā)電機(jī)、低速直驅(qū)型同步機(jī)、中速半直驅(qū)同步機(jī)、或具有雙定子雙轉(zhuǎn)子的PCT同步發(fā)電機(jī)(又稱同步/異步二次發(fā)電機(jī))。
6.權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(1)為三相以上的多相同步電機(jī)結(jié)構(gòu)；整流器( 是與發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的可控型整流橋，可以是半控型或全控型的線路，控制形式為半控型中的相位控制或者全控型中的PWM脈沖寬度控制；也可以是全控型或半控型的器件，其中的整流管可采用半控型器件中的可控硅，也可以是全控型器件中的GT0、IGB T、VMOS管，或者晶體管、達(dá)林頓管等器件。
7.權(quán)利要求1所述的電源系統(tǒng)，其特征為交流發(fā)電機(jī)(1)為三相以上的多相同步電機(jī)結(jié)構(gòu)；整流器O)也是與發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的可控整流或不可控整流結(jié)構(gòu)；同時在整流器(2)后面，還接一個變流器(3)，將直流電逆變?yōu)榻涣麟娤蜇?fù)載供電、或者獨(dú)立成網(wǎng)或與其它發(fā)電裝置構(gòu)成互補(bǔ)供電電網(wǎng)，或者將電能送入大電網(wǎng)。
全文摘要
節(jié)能型多相發(fā)電機(jī)整流器電源系統(tǒng),本發(fā)明揭示了長期來始終為大眾所不知的，現(xiàn)有三相電制中線電壓白白損失的原因，并針對產(chǎn)生該能源浪費(fèi)的根源，提出了一條新的改進(jìn)路線，即采用三相以上的多相同步發(fā)電機(jī)組成的電源系統(tǒng)，能挽回該損失，將能量輸出比現(xiàn)有三相系統(tǒng)增加最多為15.8％的解決方案。多相交流發(fā)電機(jī)電源系統(tǒng)的提出，更豐富了發(fā)明者在之前提出的直流電增能技術(shù)，是對節(jié)能節(jié)電事業(yè)和可再生能源開發(fā)的重要技術(shù)突破，在節(jié)能和新能源產(chǎn)業(yè)的國際競爭中，具有重大經(jīng)濟(jì)利益。
文檔編號H02K19/36GK102570746SQ20121000634
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者於岳亮, 於菲 申請人:上海穩(wěn)得新能源科技有限公司