一种提高同步发电机效率的方法
【专利摘要】本发明所提供的一种提高同步发电机效率的方法，是利用“同步发电机工作时励磁磁场的大小与发电机的输入功率的关系很小；同步发电机发电机的输出电压与定子线圈的匝数和励磁磁场的强度成正比”的性质来实现的；设计时将转子励磁磁场强度尽可能的大，且在发电机工作时无论是负载大小都使转子励磁磁场强度处于或接近最大值；减少三相定子线圈每一相的匝数；将发电机的定子线圈设计成可调节匝数的多级不同电压值电源的结构形式，在发电机工作时先根据负载的大小选择相近的定子线圈匝数的电压值电源连接、再微调转子励磁电流使输出电压达到额定值；该本发明用于永磁同步发电机，能够使永磁发电机具有可调节电压性能且节能效果更为有效。
【专利说明】一种提高同步发电机效率的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种提高同步发电机效率的方法，属于交流发电领域。
【背景技术】
[0002]电磁感应现象及电磁感应基本定律是设计制造变压器和同步发电机的理论依据。变压器是将某一电压值的交流电变换为同频率的另一电压值的电气设备，同步发电机的发电原理来源于电磁感应现象,各种电磁感应现象都应遵循电磁感应定律,其中法拉第电磁感应定律是人们从事同步发电机的研究、设计和应用的主要理论根据之一，该定律指出的“不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感生电动势与磁通量对时间的变化率成正比”，其表达式为ε i = _κ (ΙΦ/dt，式中的负号表明了感应电动势的方向，是楞次定律的数学表示；K表示比例系数，其值决定于式中各量所用的单位。同步交流发电装置发电效率的高低与同步发电机的结构形式及各参数大小的选取有着密切关联。在电磁感应中，圆形电流在圆环内产生磁感应磁场的强度B = uNI/2R(B表示通过圆环圆心的磁感应磁场的强度)与圆环的匝数N和电流强度I成正比(式中u圆环所包围面积介质的磁导率)；同样螺线管内的磁感应强度也与螺线管的匝数和电流成正比。
[0003]在设计同步发电机时,线负荷A = mNIN/ n Dil和磁负荷Bs是设计制造转子励磁线圈和电枢线圈的理论依据(N表示每相串联导体数)，也是调节同步发电机的输出电压和功率的依据之一。传统的(单机运行)同步发电机调节输出电压一般采用两种方法，且通过相互配合来实现，第一种方法是改变磁负荷Bs的大小，即根据负载的情况调节励磁磁场的强弱。第二是调节发电机的输入功率确保输出电压和频率为额定数值。在传统的某一台发电机来说，每相电枢线圈的匝数N则是一个不可调的固定数值。同步发电机效率检测常用的方法有3种，即对拖法、量热法和间接测定法。其中对拖法较为常用，所谓的对拖法就是把两台相同的电机机械耦合，一台作电动机运行，另一台作发电机运行。正常运行时测量电动机和发电机各相参数的数值，从而计算出同步发电机的效率。
[0004]永磁同步电机主要用电动机使用，其小功率及航空领域也作为发电机使用，特别是稀土永磁同步发电机。永磁同步发电机具有体积小、重量轻、效率高、结构简单等优点，但是由于电压调整率的问题而没有在发电领域内得到普遍使用。
【发明内容】
[0005]本发明涉及一种提高同步发电效率的方法，其目的是在目前传统的各种同步发电机的基础上通过增加励磁磁场强度或者说使励磁磁场处于最强点位和减少定子线圈匝数的方式，从而达到提高同步电机效率和节约能源消耗的目的；同时通过改变定子电枢线圈的匝数实现对同步发电机的输出电压的调整。下面就通过实验例子来分析说明。
[0006]实验一，参照附图1，图1中的I表示同步发电机的三相定子线圈的剖面示意图，2表示在定子I内装有铁心且在铁心外侧绕有三相定子线圈的剖面示意图。其中铁心2的外圆一侧加工有用来绕三相线圈的口槽、其口槽的数量和大小与定子I内侧设置的口槽相同；定子I内侧的口槽和铁心2外侧的口槽分别绕有磁极对数和线规相同、匝数相等的两组三相绕组；定子I绕组和铁心2绕组在空间相对静止。
[0007]实验时，如果给绕在铁心2上的三相绕组接通三相交流电源，那么在铁心2的外圆周便产生旋转磁场，其中旋转磁场的磁通用Φο表示；该旋转磁场穿过定子I三相绕组且产生三相感生电动势ε i ;此时绕在铁心2的三相绕组内的三相电流Itl较小，可称之为空载电流。当定子I三相绕组接有三相对称负载(阻值为Z1)时，在感生电动势ε !的作用下通过三相对称负载Z1的三相电流均I 根据楞次定律此时三相电流I @产生的旋转磁场(其磁通Φ g表示)阻碍铁心2三相绕组产生的旋转磁场的旋转，因为两组三相绕组的磁极对数相等，所以此时定子I三相绕组的旋转磁场和铁心2三相绕组产生的旋转磁场为同步旋转磁场；铁心2三相绕组的旋转磁场的强弱也就是输入电流随定子I三相绕组的负载电流的变化而变化。在这期间铁心2上的三相绕组内的三相电流I。便增加至Itt，其磁通量由Φ。增加到Φ?。不难看出上述的电磁感应现象与三相变压器的工作原理非常相似，所以可引入解析变压器工作原理时的概念-磁动势，用磁动势理论来分析上述实验中各参数的变化规律。在上述的实验中定子I线圈负载时，铁心2绕组的磁动势为Ntt Itt，其中Ntt表示绕在铁心2 口槽内三相绕组中的其中一相线圈的匝数，定子I绕组的磁动势为Nse I Jg，其中Ng表示绕在定子I 口槽内三相绕组中的其中一相线圈的匝数。在三相变压器工作时，由于功率损耗很小所以三相变压器原边线圈的磁动势近似等于副边线圈的磁动势，在上述的实验中两组三相线圈的相互感应与变压器原边三相线圈和副边三相线圈的相互感应都具有能量传递和变换电压的作用，但其原理有所不同，变压器是靠原线圈电流产生的磁场变化来实现的，而上述的实验中两组三相线圈的能量传递及变压作用是靠三相线圈电流产生的旋转磁场来实现的。但两者都是靠电磁场相互作用来实现的，所以在上述的实验中两组线圈的磁动势也近似看作相等Ntt I NseI Jg或这说在同一负载的情况下两组线圈磁动势的相对值是一个常数。从能量角度看，定子I三相线圈输出的能量和铁心2三相线圈输入的能量是一个传递的过程。另外因为三相电力变压器的能量传递效率很高一般都在95%以上，所以上述实验中的输出功率与输入功率Pf5入之比(效率)与变压器相比稍低但也处在较高的传递效率上，效率稍低是因为线圈的缠绕方式的原因使铜损和铁损较变压器的损耗大一些。
[0008]在上述的实验中假如两组三相绕组的匝数不等，那么两组线圈两端的电压也不相等，也就是说附图1所示的装置具有变换电压值和电能传递的功能。在负载时和传统变压器一样都符合两边线圈的磁动势近似相等的规律；其输出功率与输入功率之比都基本在较高的比例上运行。从原理上讲，附图1所示的实例，定子I三相绕组内的电能是由铁心2上的三相线圈内的电能直接通过铁心2和定子I之间的气隙磁场直接传递的。
[0009]实验二，参照附图2，选取两台型号相同、功率相等的同步电机，其中一台同步电机作为发电机3使用，另一台同步电机作为拖动电机4使用。发电机3和拖动电机4用联轴器采用机械方法连接在一起。当发电机3空载、拖动电机4接通三相电源(三相电源电压V为额定380伏)拖动发电机3旋转且达到额定转速时，通过拖动电机4的三相线圈的电流为空载电流Is ;当发电机3接有三相对称负载(三相负载的阻值均为Z2)时，此时调节发电机3的转子励磁电流使其电压达到额定值(通常为380伏)，发电机3的三相定子线圈内便有三相对称电流I 通过，根据楞次定律在这期间三相对称电流I 产生的旋转磁场阻碍发电机3转子(磁场)的旋转。由于发电机3的转子和拖动电机4的转子连在一起同步旋转，所以三相对称输出电流产生的旋转磁场从效果上是阻碍拖动电机4定子三相绕组产生的磁场的旋转，从而使拖动电机4的三相输入电流Is5a增大。附图2所示的原理与附图1所示的电磁转换原理相似，只是附图2的实验增加了转子旋转磁场环节，拖动电机4的定子线圈绕在定子铁心的内侧口槽内而附图1的铁心2的三相线圈绕在外侧。拖动电机4的转子磁场从作用上看是将定子线圈内交流电的能量先传递给发电机3的转子旋转磁场；再由发电机3的转子旋转磁场通过电磁感应将能量传递给发电机3的定子线圈。如果发电机3的转子磁场是由其它励磁机提供或是永磁磁铁，那么发电机3的转子旋转磁场的强弱与输入拖动电机4的电能无关；可见拖动电机4的输入电流1-入的大小随发电机3的三相定子线圈内三相对称电流的变化而变化。另外由于拖动电机4和发电机3的定子线圈的线规、匝数都相等，所以如果不考虑中间环节，也就是不考虑拖动电机4和发电机3的励磁电流的损耗、机械损耗、铜损、铁损以及其他损耗的情况下，那么应该拖动电机4定子线圈的磁动势等于发电机3定子线圈的磁动势；输入电流近似等于输出电流，即I.= I;从功率的角度来看，拖动电机4的输入功率Pfi5A应该近似等于发电机3的输出功率Pfi5当考到各种损耗时，由于拖动电机4和发电机3的定子线圈匝数相等，所以输入电流应该大于输出电流Ι?5Λ> IfM ;输入功率大于输出功率即Ρ?5Λ> PfM ;如果拖动电机4和发电机3的转子励磁的方式采用它励且励磁电流所消耗的能量占整个拖动电机4的能量消耗的比例很小，所以可以看做是励磁磁场的大小与输入功率无关；另外空载时拖动电机4和发电机3的的机械损耗一定，故综合考量附图2所示的电能传递装置，其负载时输出功率与输入功率的比值较大。附图2所示的装置是测试同步发电机效率的方法之一。
[0010]将附图2所示的实验与附图1所示的实验相比较，不同点在于附图2中的实验增加了拖动电机4和发电机3的转子励磁磁场旋转这个中间环节。但其工作原理相同，都是将电能从一个线圈传递到另一个线圈的装置，和传统的变压器相同都具有较高的传递效率。能量转化方式不是将一种形式的能量转换成另一种能量形式的转换装置。
[0011]实验三，在附图2所示的装置中，拖动电机4和发电机3定子线圈的线规和匝数都相等，下面就拖动电机4和发电机3的定子线圈的线规和匝数不相等的情况下进一步进行试验。以测试拖动电机4和发电机3的输入输出电流和输出功率及输入功率的大小及相互关系。
[0012]分析附图2所示的同步发电机3，定子三相线圈的匝数、转子励磁电流和励磁磁场三个参数的大小都是可变的，其中励磁磁场的强弱随励磁电流的变化而变化。如附图2所示，拖动同步电机4和同步发电机3的定子三相线圈的线规、匝数均相等，如果换一种方法，就是拖动同步电机4三相线圈的线规、匝数不变，同步发电机3的定子三相线圈的线规、匝数改变，也就是把同步发电机3的定子三相线圈的直径变大、匝数变少；同步发电机3转子励磁电流处于最大位置，且在这种情况下要使同步发电机3所带负荷的两端的电压刚好是额定值时，再来测试拖动同步电机4和同步发电机3的输出输入电流和输出输入功率的情况。
[0013]在上述的实验中如果同步发电机3的三相定子线圈的匝数减少到3/4匝，电磁线的直经作相应增加。当拖动同步电机4接通三相电源(额定电压为380伏)拖动同步发电机3旋转至额定转速，增大励磁电流使接通负载且负载两端电压刚好是额定值380伏时。此时在不考虑各种损耗的情况下，该装置的输出电流大于输入电流If5入，即接近If5入/Ifi5a= 3/4。这是因为由于同步发电机3的定子三相绕组的每一相的匝数是拖动同步电机4的定子三相绕组的每一相的匝数3/4倍，即Zs/Za= 3/4 (2#表示同步发电机3每一相线圈的匝数，2_表示同步电动机4每一相线圈的匝数)；由于同步发电机3的定子三相绕组的磁动势近似等于拖动同步电机4的定子三相绕组的磁动势，从而使输入电流与输出电流出现不同。另外由于输入电压和输出电压都是额定电压而输出大于输入If5入，根据计算三相交流电路负载功率的公式P = SV1I1 coS%得，输出功率Pfi^大于输入功率Pfi5A，即3/4Pf^= Pf5入。即便是考虑到各种损耗的情况下，由于拖动电机4和发电机3的励磁电流的损耗、机械损耗、铜损、铁损以及其他损耗所占的比例较小，其最后的结果仍然是Ρ?Μ> P
输入0
[0014]下面再根据楞次定律和力学原理来进一步分析，实验中，发电机3的三相线圈电流产生的旋转磁场转矩与对应转子旋转磁场产生转矩相平衡；同步电机4的定子三相线圈电流产生的旋转磁场转矩与对应转子旋转磁场产生转矩相平衡，而同步电机4的转子和发电机3的转子连接在一起，所以实质上是发电机3的三相线圈产生的磁场转矩与拖动同步电机4的定子三相线圈产生的磁场转矩相平衡。根据电磁感应现象的环形电流和螺线管内磁场大小的知识知，上述所说的发电机3和拖动同步电机4内定子线圈产生的磁场转矩与通过线圈的电流和线圈的匝数有关，电流越强线圈的匝数越多产生的旋转转矩就越大。同步发电机3的三相定子线圈的匝数减少到3/4匝；那么要达到两者产生的旋转转矩平衡，必定发电机3的定子三相线圈的电流要大于同步电机4的定子三相线圈内电流。然而三相电路的功率则是只与电路电压和电流有关，在上述实验中与同步电机4和发电机3的定子线圈的匝数无关；又因在上述的实验中输入电压和输出电压相等都是380伏；发电机3的输出电流大于同步电机4的输入电流I @入，所以输出功率—定大于功率P?入。
[0015]出现上述现象的原因可从附图1和附图2所示的实验求得，在附图1中绕在铁心2上的三相线圈电流产生的旋转磁场将电能直接通过气隙传递给绕在绕在定子I上的三相线圈；而在附图2所示的实验中则是拖动同步电机4的定子三相线圈内电流产生的旋转磁场首先传递给同步电机4的转子，再由发电机3的转子励磁旋转磁场传递给发电机3的定子三相绕组，关键是在这期间发电机3的转子励磁旋转磁场远大于同步电机4的定子三相绕组产生的旋转磁场。这就是出现在附图2所示的装置中输出功率大于输入功率的原因。
[0016]实验四,取两台22千瓦8极稀土永磁同步电机且采用对拖法连接在一起,其中一台作为电动机使用，另一台作为发电机使用。该电机的定子槽数为54，每一相为18，每槽的导体数为32，电磁线的线规为2-Φ 1.5。
[0017]第一步，将电动机接通三相电源，测量发电机空载时的输出三相线电压为672伏，相电压为384伏；电动机的输入电压三相均为380伏，电流为A相3.8安、B相3.95安、C相
3.76安。第二步，取下发电机且拆下三相定子线圈重新绕置，电磁线的线规变为3-Φ 1.3，每槽的总导体数变为24，然后在每相导体数的24、22、20匝处分别抽出9个接头，共组成三个不同电压值级别的三个三相四线电源，最后装配成一台8极稀土永磁实验同步发电机。第三步，将稀土永磁实验同步发电机和22千瓦8极稀土永磁同步电机对拖连接在一起。
[0018]实验时给22千瓦8极稀土永磁同步电机接通二相正弦交流电源等电动机旋转至额定转速时，测得稀土永磁实验同步发电机的三个电源电压分别为500伏、460伏和420伏。然后将11千瓦的感性负载，接在420伏的三相电源上，此时用交流电压表测得三相负载两端的电压分别为381伏、379.5伏、380伏，三相电流分别为22.4安、22.2安、22.3安；测得稀土永磁同步电机的输入的三相电压均为380伏、线电流分别为17.95安、17.68安、17.7安。可见稀土永磁实验同步发电机的输出电流大于永磁同步电机的输入电流、输出功率大于输入功率，其结果与前文所述的结论相符。
[0019]综上所述，本发明所提供的一种提高同步发电机效率的方法，是利用“同步发电机工作时励磁磁场的大小与发电机的输入功率的关系很小；同步发电机发电机的输出电压与定子线圈的匝数(定子铁心槽口的导体数)和励磁磁场的强度成正比”的性质来实现的；设计时将转子励磁磁场强度尽可能的大，且在发电机工作时无论是负载大小都使转子励磁磁场强度处于或接近最大值，减少三相定子线圈每一相的匝数，也就是采用取最大的磁负荷1和较小的线负荷A ;将发电机的定子线圈设计成可调节匝数的多级不同电压值电源的结构形式，在发电机工作时先根据负载的大小选择相近的定子线圈匝数的电压电源连接、再微调转子励磁电流使输出电压达到额定值；另外该发明用于永磁同步发电机，能够使永磁发电机具有可调节电压性能且节能效果更为有效。所述的将转子励磁磁场强度尽可能的大，且在发电机工作时无论是负载大小都使转子励磁磁场强度处于最大值点，是指根据转子磁极铁心的材质，调节转子励磁电流使转子磁极的磁通密度接近或达到磁饱和状态。所述的减少三相定子线圈的每一相的匝数是指采用本发明设计的同步发电机的定子三相线圈的匝数比目前同型号、相关手册或书籍所述的同步发电机的定子三相线圈的匝数少。所述的用于永磁同步发电机，能够使永磁发电机具有可调节电压性能且节能更为有效，是指永磁同步发电机只需对定子线圈减少且改为具有可调性，从而实现永磁同步发电机的电压具有可调性且调整率接近实际要求的范围。总之与传统同步发电机相比，本发明所述的一种提高同步发电机效率的方法是靠减少定子三相绕组的匝数、增大励磁电流和调节定子三相绕组的匝数来实现的。调节定子三相绕组的匝数是指当发电机接通相应的负载时，选择相应的定子线圈匝数使输出电压接近额定值。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]附图1表不一种靠旋转磁场实现的电磁感应不意图。
[0021]附图2表示对拖法连接在一起的同步电机，一台用作电动机一台作为发电机用的示意图。
【具体实施方式】
[0022]本发明涉及的一种提高同步发电机发电效率的方法，主要是在设计时，取较大的磁负荷Bs和较小的线负荷A ;在发电机工作时转子励磁磁场始终处于最高点；定子电枢线圈绕成具有可调性。对于永磁同步发电机的设计时，励磁磁场是由永久磁铁提供的，但永久磁铁的磁场的强度直接影响发电机的性能，目前采用磁场强度较高的稀土永久磁铁较佳；只需要将发电机的定子电枢线圈绕绕成具有可调性即可。
[0023]所述的取较大的磁负荷Bs，就是使励磁磁场强度尽可能强。在现有基础上要进一步提高转子励磁磁场的强度必须提高转子磁极铁心的磁饱和度，要实现这个目的主要是选用磁饱和度高的材料制作转子铁心。所述的取较小的线负荷A，主要是减小每相电枢线圈在额定输出功率时的匝数，但必须在额定负载时发电机的输出电压达到额定电压的情况下进行，这就要进行相关理论计及必要的实验后确定。
[0024]对于永磁同步发电机来讲，首先应将该永磁同步电机空载运转且达到额定转速时发出的电压数值，再根据该压值确定该永磁发电机定子线圈的最大线圈数。然后将定子电枢线圈制作成可调匝数的线圈，至于将定子线圈加工成几个级别的电源，可根据实际需要而定，几个级别的三相电源也可分别接到几个三相电源开关上，在实际运用时，根据负载的大小接到相应的三相电源上即可。
【权利要求】
1.本发明所提供的一种提高同步发电机效率的方法，是利用“同步发电机工作时励磁磁场的大小与发电机的输入功率的关系很小；同步发电机发电机的输出电压与定子线圈的匝数(定子铁心槽口的导体数)和励磁磁场的强度成正比”的性质来实现的；设计时将转子励磁磁场强度尽可能的大，且在发电机工作时无论是负载大小都使转子励磁磁场强度处于或接近最大值，减少三相定子线圈每一相的匝数，也就是采用取最大的磁负荷Bs和较小的线负荷A ;将发电机的定子线圈设计成可调节匝数的多级不同电压值电源的结构形式，在发电机工作时先根据负载的大小选择相近的定子线圈匝数的电压电源连接、再微调转子励磁电流使输出电压达到额定值；另外该实用新型用于水磁间步发电机，能够使水磁发电机具有可调节电压性能且节能更为有效。
2.如权利要求书I所述的将转子励磁磁场强度尽可能的大，且在发电机工作时无论是负载大小都使转子励磁磁场强度处于或接近最大值点，是指根据转子磁极铁心的材质，调节转子励磁电流使转子磁极的磁通密度接近或达到磁饱和状态。
3.如权利要求书I所述的减少三相定子线圈的每一相的匝数是指采用本发明设计的同步发电机的定子三相线圈的匝数比目前同型号、相关手册或书籍所述的同步发电机的定子三相线圈的匝数少。
4.如权利要求书I所述的用于永磁同步发电机，能够使永磁发电机具有可调节电压性能且节能效果更为有效，是指永磁同步发电机只需对定子线圈减少且改为具有可调性，从而实现永磁同步发电机的电压具有可调性且调整率接近实际要求的范围。
【文档编号】H02P9/14GK103580571SQ201210261618
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年7月20日 优先权日:2012年7月20日
【发明者】丁士来, 丁世东, 丁颖颖, 郭君珊, 郭国勤, 李振中, 丁磊 申请人:丁士来