专利名称：直接并网变速恒频发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种发电机，尤其是一种直接并网变速恒频发电机。
背景技术：
风力发电机等变速运行的发电机为了达到并网发电的要求，需要在不同转速的情况下输出的电压频率保持与电网频率一致，现在直驱型发电机、双馈发电机等主要采用整流一逆变的方式进行电子调整输出频率，由于逆变器结构复杂、故障率高，成本高，已成为风力等变速发电机并网发电的一大障碍。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、可直接并网且无需逆变装置的直接并网变速恒频发电机，能够自动调整输出电流的频率达到并入电网发电的要求，且能够调整无功输出电流大小，能够调整有功功率的最大限制。为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案
本发明所述的直接并网变速恒频发电机，包括主轴、固定安装在主轴上的发电机转子， 以及环绕设置在发电机转子周围的发电机定子，发电机转子上安装有发电机交流励磁线圈，发电机定子上安装有发电机电枢线圈，发电机定子通过轴承安装在主轴上，发电机转子固定安装在主轴上，发电机定子与发电机转子成气隙配合，其特征在于 在主轴上还安装有发电机励磁机构，
所述的发电机励磁机构包括固定安装在主轴上的励磁机电枢壳、固定安装在副轴上的励磁机转子，励磁机电枢壳上固定安装有励磁机电枢，励磁机转子上固定安装有励磁机转子直流励磁线圈，励磁机电枢与励磁机转子成气隙配合，副轴与主轴同轴设置；所述副轴上还固定安装有副发电机转子和滑环，副轴上通过轴承安装有副发电机定子，副发电机转子上固定安装有副发电机转子直流励磁线圈，副发电机定子上固定安装有副发电机定子线圈，副发电机定子与副发电机转子成气隙配合；副发电机转子直流励磁线圈、励磁机转子直流励磁线圈和发电机交流励磁线圈的磁极对数相等；
所述励磁机转子直流励磁线圈和副发电机转子直流励磁线圈分别通过导线连接到滑环上，所述发电机交流励磁线圈与励磁机电枢的各相分别通过导线对应电连接，所述发电机电枢线圈和副发电机定子线圈的各相线上有连接电网的接线头。所述主轴和副轴均为空心轴，主轴和副轴上设置有穿线孔，主轴和副轴的内腔以及穿线孔中设置有导线。所述发电机定子固定安装在右壳体的内壁，副发电机定子固定安装在左壳体的内壁，所述右壳体和左壳体分别固定连接在过桥壳体的两侧，另有发电机端盖固定连接在右壳体的内端，副发电机端盖固定连接在左壳体的内端，主轴通过轴承插装在发电机端盖上， 副轴通过轴承插装在副发电机端盖上；励磁机电枢壳和励磁机转子位于过桥壳体的内腔中，励磁机电枢壳与过桥壳体气隙配合；副发电机端盖的内端固定连接有励磁机轴承支座，所述励磁机轴承支座与副轴同心，励磁机轴承支座上通过轴承安装有励磁机端盖，励磁机端盖固定连接在励磁机电枢壳上。采用上述技术方案以后，本发明具有如下优点
1、发电机在转速变化时，能保持输出电压频率始终与电网频率相同。2、当用于风力发电时，能省去整流一逆变装置，可靠性大大提高，成本却大幅下降。3、能够调整无功输出电流大小，调整有功功率的最大限制。4、用于风力发电并网运行时，能满足低电压穿越的技术要求。
图1是本发明一个实施例的结构示意图。图2是本发明一个实施例的电原理图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明所述的直接并网变速恒频发电机包括主轴1、固定安装在主轴1上的发电机转子2，以及环绕设置在发电机转子2周围的发电机定子3，发电机转子2上安装有发电机交流励磁线圈21，发电机定子3上安装有发电机电枢线圈31，发电机定子3通过轴承安装在主轴1上，发电机转子2固定安装在主轴1上，发电机定子3与发电机转子2成气隙配合。工作时，发电机交流励磁线圈21接收一个交流励磁电流，产生旋转磁场，主轴1在动力装置的带动下旋转，带动发电机转子2做机械旋转，交流励磁电流产生的旋转磁场和发电机转子2机械旋转合成一个发电机旋转磁场，发电机电枢线圈31切割磁力线，产生电流。发电机电枢线圈31切割磁力线产生的电流频率取决于两个因素一是主轴1的转速；二是发电机交流励磁线圈21接收的励磁电流的频率。在主轴1上还安装有发电机励磁机构，所述的发电机励磁机构包括固定安装在主轴1上的励磁机电枢壳4、固定安装在副轴6上的励磁机转子5，励磁机电枢壳4上固定安装有励磁机电枢41，励磁机转子5上固定安装有励磁机转子直流励磁线圈51，励磁机电枢 41与励磁机转子5成气隙配合，副轴6与主轴1同轴设置；所述副轴6上还固定安装有副发电机转子7和滑环9，副轴6上通过轴承安装有副发电机定子8，副发电机转子7上固定安装有副发电机转子直流励磁线圈71，副发电机定子8上固定安装有副发电机定子线圈81， 副发电机定子8与副发电机转子7成气隙配合；副发电机转子直流励磁线圈71、励磁机转子直流励磁线圈51和发电机交流励磁线圈21的磁极对数相等；如图2所示，所述励磁机转子直流励磁线圈51和副发电机转子直流励磁线圈71分别通过导线连接到滑环9上，所述发电机交流励磁线圈21与励磁机电枢41的各相分别通过导线对应电连接，所述发电机电枢线圈31和副发电机定子线圈81的各相线上留有连接电网的接线头。所述主轴1和副轴均为空心轴，主轴1和副轴6上设置有穿线孔，主轴1和副轴6 的内腔以及穿线孔中设置有导线。这些导线分别与对应的线圈连接。所述发电机定子3固定安装在右壳体35的内壁，副发电机定子8固定安装在左壳体75的内壁，所述右壳体和左壳体分别固定连接在过桥壳体10的两侧，另有发电机端盖32 固定连接在右壳体的内端，副发电机端盖72固定连接在左壳体的内端，主轴1通过轴承插装在发电机端盖32上，副轴6通过轴承插装在副发电机端盖72上；励磁机电枢壳4和励磁机转子5位于过桥壳体10的内腔中，励磁机电枢壳4与过桥壳体10气隙配合；副发电机端盖72的内端固定连接有励磁机轴承支座73，所述励磁机轴承支座73与副轴6同心，励磁机轴承支座73上通过轴承安装有励磁机端盖74，励磁机端盖74固定连接在励磁机电枢壳4 上。直接并网变速恒频发电机工作时，主轴1在外部动力作用下以高于副轴6的速度旋转，副发电机定子线圈81通过副并网开关Kl与频率为fl的电网连接，滑环9通过电刷与两个直流励磁电源连接。通过滑环9，励磁机转子直流励磁线圈51和副发电机转子直流励磁线圈71分别得到各自的可调直流励磁电流。励磁机转子直流励磁线圈51产生的磁场与励磁机电枢41因相对运动，使励磁机电枢41切割磁力线而产生频率为f3的电动势，并产生电流13，这个电流就是发电机交流励磁线圈21的交流励磁电流。同时这个电流和做机械旋转的励磁机电枢壳4共同作用下，对励磁机转子5产生拖动作用，形成副发电机的发电动力，使副发电机发电。由于副发电机是同步发电机，且并入电网运行，其转子的转速由电网频率决定并保持相对恒定。这样，励磁机电枢41与励磁机转子5之间产生一个转差， 这个转差使励磁机电枢41产生一个频率为f3的交流电动势，这个电动势的频率由主轴1 的转速决定，频率为f3的交流励磁电流13加到发电机交流励磁线圈21上，产生与发电机转子2机械旋转方向相反的旋转磁场，这个合成的磁场切割发电机电枢线圈31产生频率为 f2的电动势。由于副发电机转子直流励磁线圈71、励磁机转子直流励磁线圈51和发电机交流励磁线圈21的极对数相同，主轴1与副轴6的转差等于发电机旋转磁场的转速，f2保持恒频，并与Π同频。这样，主轴1在高于副轴6的任何转速下发电机均可直接通过并网开关K2并网发电。从而实现变速恒频发电。f2频率推导如下
其中fl是电网频率；f2是发电机电动势频率；f3是励磁机电枢产生的交流励磁电流频率。Pl是副发电机转子极对数；P2是发电机转子极对数；p3是励磁机转子极对数。nl 是副轴转速；n2是主轴转速；n3是主轴与副轴的转差；nc是发电机转子交流旋转磁场的转速，方向与主轴1的旋转方向相反。根据同步电机恒等式，n=60f/p推导如下 nl=60fl/pl,
n3=n2_nl nc= f3氺60/p2 f3= (n2-nl)p3/60 f2= (n2-nc) p2/60
=(n2- f3*60/p2) p2/60 =(n2- (n2-nl)p3/60*60/p2)p2/60 =(n2- (n2-nl)p3/p2)p2/60 又因为p2= p3
所以 f2= (n2- n2+nl)p2/60
=nl氺 p2/60 =60fl/pl* p2/60=(p2/ pi)* fl 又因为Pl= p2 所以f2= Π。 即当pl=p2= ρ3时，f2= fl为恒等式。所以当副发电机转子直流励磁线圈71、励磁机转子直流励磁线圈51和发电机交流励磁线圈21的极对数相同时，发电机发出的电流的频率恒等于副发电机并入的电网的频率，从而实现变速恒频发电。
权利要求
1.直接并网变速恒频发电机，包括主轴(1)、固定安装在主轴(1)上的发电机转子(2)， 以及环绕设置在发电机转子(2 )周围的发电机定子(3 )，发电机转子(2 )上安装有发电机交流励磁线圈(21)，发电机定子(3 )上安装有发电机电枢线圈(31)，发电机定子(3 )通过轴承安装在主轴(1)上，发电机转子(2)固定安装在主轴(1)上，发电机定子(3)与发电机转子 (2)成气隙配合，其特征在于在主轴(1)上还安装有发电机励磁机构，所述的发电机励磁机构包括固定安装在主轴(1)上的励磁机电枢壳(4)、固定安装在副轴(6)上的励磁机转子(5)，励磁机电枢壳(4)上固定安装有励磁机电枢(41)，励磁机转子(5)上固定安装有励磁机转子直流励磁线圈(51)，励磁机电枢(41)与励磁机转子(5)成气隙配合，副轴(6)与主轴(1)同轴设置；所述副轴(6)上还固定安装有副发电机转子(7)和滑环(9)，副轴(6)上通过轴承安装有副发电机定子(8)，副发电机转子(7)上固定安装有副发电机转子直流励磁线圈(71)，副发电机定子(8)上固定安装有副发电机定子线圈(81)， 副发电机定子(8)与副发电机转子(7)成气隙配合；副发电机转子直流励磁线圈(71)、励磁机转子直流励磁线圈(51)和发电机交流励磁线圈(21)的磁极对数相等；所述励磁机转子直流励磁线圈(51)和副发电机转子直流励磁线圈(71)分别通过导线连接到滑环(9)上，所述发电机交流励磁线圈(21)与励磁机电枢(41)的各相分别通过导线对应电连接，所述发电机电枢线圈(31)和副发电机定子线圈(81)的各相线上有连接电网的接线头。
2.根据权利要求1所述的直接并网变速恒频发电机，其特征在于所述主轴(1)和副轴(6)均为空心轴，主轴(1)和副轴(6)上设置有穿线孔，主轴(1)和副轴(6)的内腔以及穿线孔中设置有导线。
3.根据权利要求1或2所述的直接并网变速恒频发电机，其特征在于所述发电机定子(3)固定安装在右壳体(35)的内壁，副发电机定子(8)固定安装在左壳体(75)的内壁，所述右壳体和左壳体分别固定连接在过桥壳体(10)的两侧，另有发电机端盖(32)固定连接在右壳体的内端，副发电机端盖(72)固定连接在左壳体的内端，主轴(1)通过轴承插装在发电机端盖(32)上，副轴(6)通过轴承插装在副发电机端盖(72)上；励磁机电枢壳(4)和励磁机转子(5)位于过桥壳体(10)的内腔中，励磁机电枢壳(4)与过桥壳体(10)气隙配合； 副发电机端盖(72)的内端固定连接有励磁机轴承支座(73)，所述励磁机轴承支座(73)与副轴(6)同心，励磁机轴承支座(73)上通过轴承安装有励磁机端盖(74)，励磁机端盖(74) 固定连接在励磁机电枢壳(4 )上。
全文摘要
本发明涉及一种发电机，尤其是一种直接并网变速恒频发电机。包括主轴、固定安装在主轴上的发电机转子，以及环绕设置在发电机转子周围的发电机定子，发电机转子上安装有发电机交流励磁线圈，发电机定子上安装有发电机电枢线圈，发电机定子通过轴承安装在主轴上，发电机转子固定安装在主轴上，在主轴上还安装有励磁机构，所述的励磁机构包括固定安装在主轴上的励磁机电枢壳、固定安装在副轴上的励磁机转子，励磁机电枢壳上固定安装有励磁机电枢，励磁机转子上固定安装有励磁机转子直流励磁线圈，副轴与主轴同轴设置；所述副轴上还固定安装有副发电机转子和滑环，副轴上通过轴承安装有副发电机定子，副发电机转子上固定安装有副发电机转子直流励磁线圈，副发电机定子上固定安装有副发电机定子线圈。该发电机在转速变化时，能保持输出电压频率始终与电网频率相同。
文档编号H02K23/12GK102437699SQ20111033738
公开日2012年5月2日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者王光顺 申请人:王光顺