高頻電的效率及應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明所涉及的是現(xiàn)代電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)、變壓器、電動(dòng)機(jī)關(guān)于提高頻率和效率及 容量方面的技術(shù)領(lǐng)域，是一種改進(jìn)的技術(shù)方案，本發(fā)明所指的高頻是針對(duì)電力系統(tǒng)中的50 赫茲交流電能夠提高數(shù)倍以上的一種頻率，如300赫茲。
【背景技術(shù)】：
[0002] 電廠發(fā)電機(jī)的頻率為什么都是50赫茲呢？在我國(guó)乃至世界許多國(guó)家中都采用這 種周期，原因是采用較高的頻率就有了較高的阻抗，影響發(fā)電機(jī)的輸出功率，并且由于功率 因素較低需要較高的激磁電壓等不利因素，這些問(wèn)題通過(guò)給發(fā)電機(jī)三相輸出線路串加大容 量電容就能夠克服。在火力發(fā)電的絕大多數(shù)發(fā)電設(shè)備中，發(fā)電機(jī)的極數(shù)是2極3000轉(zhuǎn)/分， 頻率為50赫茲，其它內(nèi)燃機(jī)或水力發(fā)電的極數(shù)是4極、6極，但因極數(shù)的增多而使它們的轉(zhuǎn) 速控制在4極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速1500轉(zhuǎn)/分左右，6極發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分左右，它們的 共同點(diǎn)是輸出的頻率都是50赫茲，因?yàn)轭l率f =極數(shù)/2X轉(zhuǎn)速，而且都是三相，它們的不 同點(diǎn)是隨著極數(shù)的增加，轉(zhuǎn)速依次降低，容量（與同體積的2極發(fā)電機(jī)相比）依次減小。2 極發(fā)電機(jī)較同體積的多極發(fā)電機(jī)節(jié)距較大，用銅量較多，溫升高，銅阻耗RI 2較大，乃至輸送 電力的變壓器用銅量體積都較大，相應(yīng)2極電動(dòng)機(jī)的用銅量及銅損都大。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0003] 提高電力發(fā)電廠的頻率，也就是增加發(fā)電機(jī)的極數(shù)、縮小節(jié)距、減少銅阻耗和附加 損耗，從而達(dá)到提高整體電力變壓器、電動(dòng)機(jī)的容量和效率。
【附圖說(shuō)明】：
[0004] 圖1是12極發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0005] 圖2是12極發(fā)電機(jī)定子繞組三相72槽線路展開(kāi)圖。
[0006] 圖3是電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)定子線路的電壓、反電勢(shì)、合電壓、合電流的電氣相位坐標(biāo) 示意圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0007] 提高發(fā)電機(jī)的頻率就是把現(xiàn)有的二極發(fā)電機(jī)改繞成12極，保持較高的轉(zhuǎn)速50轉(zhuǎn) /秒，并且給發(fā)電機(jī)的三相輸出分別串加大容量電容，進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)的輸出功率。
[0008] 對(duì)于具體的三相交流發(fā)電機(jī)，如果極數(shù)是12極，不管大小定子槽數(shù)不得少于36 槽，也就是每極每相各占一槽；轉(zhuǎn)子磁極必須是12極，即6個(gè)N極和6個(gè)S極相互間隔組成。 小型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子可由永磁鐵組成，大型的需用電磁式轉(zhuǎn)子，如附圖（1)所示。如果定子槽 數(shù)是72槽，那么12極三相，每極每相各占2槽。不管多少槽，12極必須除以12,不管是單 相，還是三相或二相，每極的槽數(shù)必須除以相數(shù)，這些都是機(jī)電設(shè)計(jì)方面的基本常識(shí)。附圖 (2)是12極三相72槽線路展開(kāi)圖，因圖形較長(zhǎng)，只給出其中的6極，a-X，b-Y，c-Z，分別是 三相線路的相序，改極以后磁極增多，線圈均勻分布在整個(gè)鐵芯內(nèi)部，包括轉(zhuǎn)子磁極，它的 電磁效應(yīng)提高，用銅量減少，溫升耗降低，效率提高，阻抗雖然增加，但可通過(guò)發(fā)電機(jī)的三相 輸出串加電容的方法克服（傳統(tǒng)的認(rèn)識(shí)觀點(diǎn)以為阻抗是一個(gè)不利因素，加以克服。但阻抗 表現(xiàn)為電感的存在，表現(xiàn)自感電勢(shì)的優(yōu)越性，高頻電的效率就體現(xiàn)在線圈有較大的自感電 勢(shì)），高頻發(fā)電機(jī)的空載電壓輸出可以套用現(xiàn)有的感應(yīng)電勢(shì)公式：E = 4. 44fW(i> X 10 8。
[0009] 關(guān)于高頻電在變壓器、電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用，本次申請(qǐng)不作詳細(xì)論述，可參考2002年 以后的再先申請(qǐng)修改文本。
[0010] 如果現(xiàn)有50赫茲的變壓器要使用300赫茲的交流電，頻率提高了 6倍，而承載電 壓至少可以達(dá)到5倍，但輸出功率可以達(dá)到6倍以上。
[0011] 從以往的小型實(shí)驗(yàn)顯示，就同一變壓器分別輸入50赫和265赫的交流電，以單相 為例實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下。負(fù)載是純電阻，功率因素等于1。
[0018] 50赫損耗率：P50=[(輸入-輸出）+輸入]X 100%
[0019] = [1. 96^-4. 4] X 100% = 44. 5%
[0020] 265赫損耗率：P265=[(輸入-輸出）+輸入]X 100%
[0021] = [ (28. 165-27. 104) ^-28. 165] X 100% = 3. 767%
[0022] 可以看出高頻的損耗率不足低頻的1/10,就是說(shuō)提高頻率的倍數(shù)在變壓器的應(yīng)用 中，容量倍增，效率顯著提高，同時(shí)證明附圖（3)的理論，消耗較少的有功功率，做較大的功 率，功率因素和效率成反比關(guān)系。
[0023] 在電力系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)占有重要的比例，那么，為什么要提高頻率，采用多極電機(jī)， 它在三相感應(yīng)電機(jī)中有何重要的優(yōu)點(diǎn)呢？下面結(jié)合附圖（3)詳細(xì)說(shuō)明電動(dòng)機(jī)的特性，功率 因素和效率的關(guān)系。
[0024] 從事過(guò)電機(jī)修理的人都知道，對(duì)于同體積的2極電機(jī)和6極電機(jī)相比較，2極電機(jī) 轉(zhuǎn)速高、功率較大、用銅多、價(jià)格也貴，但發(fā)熱量較大，而6極電機(jī)轉(zhuǎn)速較低、功率小、用銅量 少、價(jià)格也便宜、發(fā)熱量也少，這些都是事實(shí)，但卻是表面現(xiàn)象。對(duì)于用電磁場(chǎng)做功的電機(jī) 來(lái)說(shuō)，電磁效應(yīng)越好的電機(jī)它的效率越高，電磁效應(yīng)就是安匝電流產(chǎn)生的磁通總量，在電機(jī) 中節(jié)距較小的多極電機(jī)用銅少，磁效應(yīng)反而好，因?yàn)槎鄻O電機(jī)的轉(zhuǎn)矩較大，即磁通總量較大 (同體積電機(jī)比較），這些情況足以證明多極電機(jī)優(yōu)勝于2極電機(jī)。多極電機(jī)如果提高頻率 有2極電機(jī)的轉(zhuǎn)速，那么它的容量和效率將大大超過(guò)現(xiàn)有的二極電機(jī)，300赫茲的電力系統(tǒng) 將淘汰現(xiàn)代的2極電機(jī)和4極電機(jī)，6極電機(jī)也不太適用，轉(zhuǎn)速可達(dá)5900轉(zhuǎn)/分以上。
[0025] 附圖（3)展示了感應(yīng)電機(jī)的運(yùn)行條件和功率因素的變化規(guī)律，以單項(xiàng)為例：
[0026] OA是電動(dòng)機(jī)外施電壓，oe為電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)，OB是OA和oe的合電壓，OP是滯后 于合電壓OB的合電流，它的相位角Z BOP =Z a+ Z β =COS Θ，OF是當(dāng)電機(jī)空載轉(zhuǎn)動(dòng)oe 和OA的合電壓OB接近原電壓OA時(shí)，滯后電壓OA的角差電流值，也是電機(jī)空載時(shí)的功率因 素 COS Θ，當(dāng)負(fù)荷為最大時(shí)，反電勢(shì)oe和合電流OP也最大。
[0027] 從附圖（3)可以看出電機(jī)中的電流相位是伴隨負(fù)荷的大小變化而變化，反電勢(shì) oe也隨著變化，始終和電流OP的相位相反，否則就不可能平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，那么電機(jī)所耗的有 功電功就是OA.OPcosP，所做的功就是oe，0P，cosl80°，那么電機(jī)的效率就是= (oe ·0Ρ .coslSO。）+ (0A .OPcos β ) ; η = (oe ·0Ρ) + (0A .OPcos β ) = oe+ (0A .cos β ); 可以看出效率和功率因素成反比關(guān)系。
[0028] 由此得出結(jié)論，高頻電用于發(fā)電機(jī)、變壓器，電動(dòng)機(jī)減少銅阻耗，降低功率因素，增 加反電勢(shì)和合電壓（反電勢(shì)等于感抗）是提高電力系統(tǒng)容量和效率的根本。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 本發(fā)明提供了提高發(fā)電機(jī)頻率的一種方法以及提高整個(gè)電力系統(tǒng)容量和效率的根 本，根據(jù)電機(jī)的實(shí)用轉(zhuǎn)速，用300赫茲替代50赫茲，具體提高發(fā)電機(jī)的頻率，增加極數(shù)為12 極，保持發(fā)電機(jī)的較高轉(zhuǎn)速，給發(fā)電機(jī)的三相輸出分別串加一組電容，進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)的 輸出功率。2. 本發(fā)明創(chuàng)造性的提出功率因素和效率的反比關(guān)系： n =e + Vc〇S0 ;電源電壓和反電勢(shì)以及合電壓、合電流之間的相位坐標(biāo)理論K如附圖 (3)3。
【專利摘要】本發(fā)明根據(jù)電機(jī)的實(shí)用轉(zhuǎn)速，提出了以300赫茲為依據(jù)的高頻電力系統(tǒng)，可以節(jié)省能源，降低熱損耗和附加損耗，其特征在于多極性、短節(jié)距、短磁路、銅阻小、轉(zhuǎn)速高的大容量高效率，包括所有交流電動(dòng)機(jī)和變壓器的高頻應(yīng)用。推論了功率因素和效率的關(guān)系式η＝e÷Vcosθ；以及電壓、反電勢(shì)、合電壓和合電流的電氣相位坐標(biāo)圖〖如附圖(3)〗。
【IPC分類(lèi)】H02K3/00, H02J3/18
【公開(kāi)號(hào)】CN105048678
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510300850
【發(fā)明人】李成亮
【申請(qǐng)人】李成亮
【公開(kāi)日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年5月29日