專利名稱：：新穎變速凸極同步電機及巨型旋轉(zhuǎn)頻率變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于新型變速凸極同步電機(ElectricMachines)原理、特性及結(jié)構(gòu)范疇和新型柔性交流輸電技術(shù)FACTS(FlexibleAlternatingCurrentTransmissionSystem),特別涉及新型變速恒頻凸極同步電機(NovelVariableSpeedSalientPoleSynchronousMachines)以及可變頻變壓器-VFT(VariableFrequencyTransformer)，屬于基礎(chǔ)性的原始創(chuàng)新發(fā)明。
背景技術(shù)：
：1992年國際大電網(wǎng)會議上，第11(旋轉(zhuǎn)電機)學術(shù)委員會全體會議，新型變速同步電機作為第一優(yōu)先主題“電機的新發(fā)展和經(jīng)驗”，前蘇聯(lián)，日本等國學者作了專題報告。交流勵磁電機的研制與發(fā)展，引起了世人注目。日本日立公司于1987年制造容量為22MVA的成出(Narude)電站1#機投入運行。東芝公司制造容量為85MVA的八木澤(Yagisawa)電站2#機，于1990年12月投入運行，成為世界首臺可變速抽水蓄能機組。1994年，日本日立公司制造容量為400MW大河內(nèi)電站可變速抽水蓄能機組投入運行。前蘇聯(lián)第一臺20(MW(ASTG-200)異步化汽輪發(fā)電機于1985年制造并投入運行，1991年完成第二臺。自九十年代以來，國內(nèi)外對于變速同步電機的研究，首先是雙饋交流勵磁電機DFIM(/DFIG)(Double-FedInductionMachine/Generator)，即以日本日立公司大河內(nèi)電站為代表的交流勵磁大型水輪發(fā)電機組，已在日本、歐洲建立了數(shù)十座大型可變速恒頻抽水蓄能電站。應(yīng)當指出，雙饋交流勵磁電機，從本質(zhì)和結(jié)構(gòu)上講，它實質(zhì)上是繞線式異步電機，依靠滑差功率進行調(diào)速，它均屬異步電機范疇。雙饋交流電機，其定子與一般交流電機定子相同，轉(zhuǎn)子為繞線式異步電機轉(zhuǎn)子。定子與普通三相電源聯(lián)結(jié)，由電網(wǎng)饋電，轉(zhuǎn)子經(jīng)滑環(huán)與交流變頻電源相聯(lián)結(jié)，通過滑環(huán)輸入滑差頻率電源饋電。從而構(gòu)成雙饋交流勵磁感應(yīng)電機DFIM(Double-FedInductionMachine/Generator)。對于大型立式水輪發(fā)電機，特別是在大型抽水蓄能電站中，由于這種電機轉(zhuǎn)子直徑很大，達十幾米，轉(zhuǎn)速高，離心力大，致使轉(zhuǎn)子繞組的端部固定十分困難。為此，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)上，必須采取措施，日本學者提出了一系列的發(fā)明專利技術(shù)。從大河內(nèi)電站機組的分析指出，機組變頻裝置、控制系統(tǒng)極其龐大復(fù)雜，變頻裝置容量大，設(shè)備昂貴，為此廠房要多增加一層高度，機組成本增加30-40%。它給機組的設(shè)計、制造、安裝、運輸、維護、運行等帶來了一系列的困難和問題。繞線式異步電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)是問題的癥結(jié)[1，2]。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模的擴大和技術(shù)進步，新型柔性交流輸電技術(shù)FACTS(FlexibleAlternatingCurrentTransmissionSystem)應(yīng)運而生。它自誕生以來，已為世人所矚目，并得到廣泛應(yīng)用。2003年世界上第一臺100麗可變頻變壓器-VFT(VariableFrequencyTransformer)，在加拿大魁北克Ianglois變電站成功投入運行，將加拿大電網(wǎng)與美國紐約電網(wǎng)實現(xiàn)二國異步聯(lián)網(wǎng)?？勺冾l變壓器(VFT)，它是實現(xiàn)面對面的異步聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)，成為第四代FACTS新型柔性交流輸電技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備。FTACS新技術(shù)是提高大型復(fù)雜電網(wǎng)運行功能和經(jīng)濟效益的強大工具，使FTACS成為大型電力系統(tǒng)中的新型控制技術(shù)[3，4]。近年來，北美、歐洲等一些發(fā)達國家連續(xù)發(fā)生的幾起重大停電事故，引起人們的嚴重關(guān)注。事故分析加深了人們對電力系統(tǒng)的動態(tài)行為和電力設(shè)備特性的新認識，如對電力系統(tǒng)中異步聯(lián)網(wǎng)的新觀念，包括高壓直流輸電(HVDC)設(shè)備的功能和效益的新認識，引起世人矚目。當今背靠背的高壓直流輸電技術(shù)(HVDC)，它是基于電力電子技術(shù)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，投資大，占地多、引發(fā)事故也較多。新近由美國GE公司研發(fā)的面對面的可變頻變壓器(VFT)，可實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)。它是旋轉(zhuǎn)型機電裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠、運行性能優(yōu)良、占地少、投資小等一系列優(yōu)點。面對面的異步聯(lián)網(wǎng)(VFT)與背靠背的高壓直流輸電技術(shù)(HVDC)相比，具有一系列的優(yōu)越性和巨大的經(jīng)濟效益?？勺冾l變壓器(VFT)，在結(jié)構(gòu)上，它主要是由大型三相繞線式異步電機、直流驅(qū)動電機及集電環(huán)導(dǎo)流裝置等三大部分組成。本質(zhì)上，它是可運行于任意相角連續(xù)變化的旋轉(zhuǎn)型機電移相變壓器。大型三相繞線式異步電機，其定轉(zhuǎn)子繞組分別與受送端二側(cè)的電網(wǎng)聯(lián)接，定子繞組與其一端電網(wǎng)相連接，轉(zhuǎn)子繞組與另一端電網(wǎng)相連接，定轉(zhuǎn)子繞組二側(cè)的電壓、頻率可相同或不同。直流電機與三相繞線異步電機同軸連接，通過直流電機的驅(qū)動，連續(xù)地改變定轉(zhuǎn)子繞組之間的相位角，從而實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)的功率傳遞?？勺冾l變壓器(VFT)的核心是大型三相繞線式異步電機，在結(jié)構(gòu)上，它是隱極轉(zhuǎn)子，其轉(zhuǎn)子采用整園疊片鐵芯，轉(zhuǎn)子繞組在轉(zhuǎn)子鐵心中的固定及端部綁扎都是十分困難的。在特性上，它具有變速恒頻的特性，使之能實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)。目前，可變頻變壓器(VFT)的研制的最大容量為100麗，從大電網(wǎng)系統(tǒng)的需求而言，要求可變頻變壓器機組(VFT)容量更大，要求研制200MW，乃至更大容量的巨型可變頻變壓器(VFT)，以適應(yīng)其電網(wǎng)需求。目前，由于大型三相繞線式異步電機的結(jié)構(gòu)和性能限制，100MW可變頻變壓器(VFT)轉(zhuǎn)子直徑已超過4M，疊片轉(zhuǎn)子的鐵芯和轉(zhuǎn)子繞組的固定成為關(guān)鍵瓶頸。如果再要求繼續(xù)增大可變頻變壓器(VFT)的容量，即加大三相繞線式異步電機電樞直徑，轉(zhuǎn)子直徑必將超過4M以上。一旦機組大型轉(zhuǎn)子構(gòu)件超過4M以上，勢必將要求分辨。在結(jié)構(gòu)上，一旦轉(zhuǎn)子鐵芯分辨，轉(zhuǎn)子繞組的固定和綁扎將會產(chǎn)生許多新的難題，將會在設(shè)計、制造、安裝、運輸、運行、維修等方面成為不可逾越的困難。因此，要求增大可變頻變壓器(VFT)的容量，必須謀求新的思路，有所突破，發(fā)展新型可變頻變壓器(VFT)，成為新穎巨型可變頻變壓器(VFT)的必由之路。參考文獻[l]KitaEetc.A40OMWAdjustablespeedpumped-storagesystemWaterPower&DamConstruction1991No.11[2]TaikaoKuwabara,etal.DesignandDynamicResponseChracteristicof400MWAdjustableSpeedPumpedStorageUnitforOHKAffACHIPowerStationIEEETrans.onEnergyConversion,1996,11(2)[3]A.Merkhouf,P.Dοyοη,S.UpadhyayVariableFrequencyTransformer-ConceptandElectromagneticDesignEvaluationIEEEonEenergyConversionVol.23No.4december,2008pp.989-996[4]DenisNadeauAIOO-MffVariableFrequencyTransformer(VFT)ontheHrdro-QuebecTransEnergieNetwork—TheBehaaviorduringDisturbancePowerEngineeringSocietyGeneralMeeting2007.IEEE24_28June2007.
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出新型變速凸極同步電機、可變頻變壓器(VFT)及新穎大型水輪發(fā)電機、風力發(fā)電機及其具有變速恒頻特性的新型發(fā)電機組三項發(fā)明。首先，它是新型變速凸極同步電機；其次它是新穎巨型可變頻變壓器(VFT)和新穎可變速大型水輪發(fā)電機、風力發(fā)電機及變速恒頻機組。新型變速凸極同步電機是新穎巨型可變頻變壓器(VFT)集成的核心。同時，它是在新能源水電、風電中，研發(fā)大型可變速水電、風電等新型變速恒頻凸極同步發(fā)電機組的主機。本發(fā)明提出的新型變速凸極同步電機。它所要解決的關(guān)鍵是實現(xiàn)凸極同步電機變速恒頻特性，同步電機異步化運行，特別是它在大型水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電及其可變頻變壓器(VFT)的應(yīng)用，使之成為具有結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)異、安全可靠的新型機組，它為實現(xiàn)凸極同步電機變速恒頻，以及在新型柔性交流輸電技術(shù)(FACTQ中實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)奠定基礎(chǔ)。1、新型變速凸極同步電機首先，本發(fā)明的變速凸極同步電機，包括定子和轉(zhuǎn)子，定子與普通交流電機定子結(jié)構(gòu)相同，具有m相P對極，由電樞鐵芯和定子繞組構(gòu)成，它由對稱三相工頻交流電源饋電。轉(zhuǎn)子由凸極磁極、磁極繞組、磁軛及轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子為凸極結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子磁極裝有勵磁繞組。其特征在于(1)在空間上，所述轉(zhuǎn)子磁極繞組由具有m相ρ對凸極磁極組成，m相勵磁繞組在空間上相差360°/m電角度分布，m=2，3，4，……為正整數(shù)。實際上，一般取m=3；(2)在時間上，所述m相轉(zhuǎn)子磁極繞組，分別由相差360°/m電角度的交流勵磁電源勵磁，從而產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。一般三相轉(zhuǎn)子勵磁繞組為凸極磁極集中繞組，在時間上和空間上彼此相差120°。(3)在磁路上，對于普通凸極同步電機，在極對數(shù)為ρ=1的電機中，具有2個磁極。P對磁極，即2p個磁極，采用串聯(lián)方式，N-S-N-S相連，由直流勵磁饋電。對于三相P對磁極，在極對數(shù)為P=1的電機中，對于串聯(lián)磁路，每相磁極的磁路N-S-N-S相連，m相的磁極數(shù)為2p=2*m=6。對于并聯(lián)磁路，每相磁極的磁路N-S-S-N相連，相當于反串。磁極數(shù)可合并減少一半，m相的磁極數(shù)為2p=2*m/2=3。因此，在單元電機中，一對極距空間上，若采用串聯(lián)方式，即磁極數(shù)為6個磁極。若采用并聯(lián)方式，即磁極數(shù)僅只為3個磁極。對于新型變速凸極同步電機，P對凸極磁極，可以采用并聯(lián)或串聯(lián)磁路方式，優(yōu)先采用并聯(lián)。對于新型變速凸極同步電機，ρ對極電機，若磁極采用并聯(lián)方式，即1對磁極，磁極數(shù)似乎僅只有1個磁極。這是一種新型凸極同步電機轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)特征，是本發(fā)明的創(chuàng)新點。轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)，P對磁極的串聯(lián)、并聯(lián)方式均可采用，視結(jié)構(gòu)參數(shù)而定。為了優(yōu)化電機設(shè)計、制造，優(yōu)化轉(zhuǎn)子，優(yōu)先采用并聯(lián)方式。(4)轉(zhuǎn)子繞組的出線與集電環(huán)相連接，集電環(huán)的個數(shù)為m+1個，m相每個繞組的進線分別與m個集電環(huán)相連接，m相每個繞組的出線與另1個集電環(huán)連接在一起。當m=3，則集電環(huán)數(shù)為4。新型變速凸極同步電機結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子m相ρ對磁極單元電機(m=3，p=1)，串聯(lián)磁路方式結(jié)構(gòu)，如圖1所示。轉(zhuǎn)子m相ρ對磁極單元電機(m=3，p=1)，并聯(lián)磁路方式結(jié)構(gòu)，6如圖2所示。2、新穎旋轉(zhuǎn)頻率變換器(VFT)其次，本發(fā)明提出新穎可變頻變壓器(VFT)，如圖3所示。它由本發(fā)明提出的新型變速凸極同步電機(1、2)、驅(qū)動系統(tǒng)(3)及集電環(huán)導(dǎo)流系統(tǒng)集成。它所要解決的問題是在新型柔性交流輸電技術(shù)FACTS中實現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)以及巨型化，實現(xiàn)超大容量化。在新穎可變頻變壓器(VFT)集成中，新型變速凸極同步電機是新穎可變頻變壓器(VFT)的主體和核心，其驅(qū)動系統(tǒng)是為新型變速凸極同步電機提供能源，即有功和無功功率。驅(qū)動電機(3)與新型變速凸極同步電機(直軸相連，新型變速凸極同步電機的定子繞組(1)，經(jīng)變壓器(10)與受送端的一端電網(wǎng)(9)相聯(lián)接，新型變速凸極同步電機的轉(zhuǎn)子繞組O)，經(jīng)由集電環(huán)導(dǎo)流，經(jīng)變壓器(4)與受送端的另一端電網(wǎng)(相聯(lián)接，即為新型電機轉(zhuǎn)子交流勵磁電源，它的頻率取決于被聯(lián)接的二端電網(wǎng)(9，5)的頻率，接近于工頻。新型變速凸極同步電機的定轉(zhuǎn)子繞組分別與異步聯(lián)網(wǎng)的受送二端電網(wǎng)相聯(lián)接。從而使可變頻變壓器(VFT)能實現(xiàn)新型柔性交流輸電技術(shù)(FACTQ異步聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)異步聯(lián)網(wǎng)的電壓、頻率以及可變頻變壓器(VFT)功率，確定系統(tǒng)控制，其系統(tǒng)包括頻率控制(8)、有功功率及無功功率控制(6)及機組控制系統(tǒng)(7)。由頻率控制(8)確定驅(qū)動電機(3)的轉(zhuǎn)速，由有功功率及無功功率控制(6)確定可變頻變壓器(VFT)輸送功率，由系統(tǒng)控制(7)實現(xiàn)新型柔性交流輸電技術(shù)(FACTQ異步聯(lián)網(wǎng)及可靠運行。新穎可變頻變壓器，其其特征在于(1)新穎可變頻變壓器(VFT)，其核心是新型變速凸極同步電機，是該發(fā)明的核心和創(chuàng)新點。即它與美國GE公司開發(fā)研制的可變頻變壓器(VFT)不同之處。美國GE公司研發(fā)的可變頻變壓器(VFT)，其核心是三相繞線式異步電機，而本專利提出的是新型變速凸極同步電機。新型變速凸極同步電機，它不但具有變速恒頻的特性，同時又具有凸極同步電機的結(jié)構(gòu)和特性，為此可解決機組巨型化和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)特性問題。因此，它可解決美國GE公司開發(fā)研制大容量可變頻變壓器(VFT)存在的瓶頸問題，為發(fā)展新穎巨型可變頻變壓器開拓了新路。(2)新穎可變頻變壓器集成系統(tǒng)其新型變速凸極同步電機與驅(qū)動系統(tǒng)，可以有三種不同系統(tǒng)集成組成新型變速凸極同步電機-新型變速凸極同步電機新型變速凸極同步電機-變頻調(diào)速同步電機新型變速凸極同步電機-直流電機新穎可變頻變壓器(VFT)系統(tǒng)，如圖3所示。3、新穎大型水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組及其具有變速恒頻的新型機組在新能源水電、風電開發(fā)中，通過渦輪機的變速，提高水電、風電機組的綜合效率。眾所周知，電網(wǎng)要求是恒頻恒壓，一般同步電機，同步轉(zhuǎn)速是固定的，電機是不能變速的。因此，必須要求新型發(fā)電機組具有變速恒頻特性，使同步電機能異步化運行，其核心要求新型變速同步電機。本發(fā)明專利提出的新型變速凸極同步電機，特別是對于m相(m=3)，以一對磁極(P=1)的單元電機為例，采用磁極數(shù)為3，磁路采用并聯(lián)方式的三磁極交流勵磁凸極同步電機。電機為凸極轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，不僅在原理上，而且在結(jié)構(gòu)上成功地解決了轉(zhuǎn)子繞組的固定和安裝等問題。大型水輪機、風輪機作為原動機，與新型變速凸極同步電機直接同軸相聯(lián)接，構(gòu)成新型水電、風電機組。為提高機組整機效率，當控制原動機-渦輪機的轉(zhuǎn)速變化時，由于新型電機具有變速恒頻特性，能滿足電力系統(tǒng)恒頻恒壓的要求，從而提高機組的綜合效率和改進運行性能。新型電機的優(yōu)異特性為大型水電機組、風電機組的開發(fā)和利用，奠定了基礎(chǔ)和創(chuàng)造了有利條件。3.1新穎可變速大型水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組及其系統(tǒng)新穎大型水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組及其系統(tǒng)，它是以新型變速凸極同步電機為發(fā)電機組主機，如圖4所示?？勺兯偻箻O同步電機定子(1)，經(jīng)由變壓器(3)與交流電網(wǎng)⑷相連接，可變頻交流電源(6)，即PWM脈寬調(diào)制可變頻電源(6)，經(jīng)由變壓器(5)與交流電網(wǎng)(4)相連接。PWM脈寬調(diào)制可變頻電源(6)，對可變速凸極同步電機轉(zhuǎn)子繞組(2)供電，使轉(zhuǎn)子繞組的頻率可調(diào)。可變頻交流電源(6)，一般可采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，應(yīng)用交-直-交變頻器(AC-DC-AC)或交-交變頻器(AC-AC)。根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)的要求和原動機-渦輪機的工況，由渦輪機(10)的特性和參數(shù)，通過最優(yōu)轉(zhuǎn)速、最優(yōu)功率設(shè)置及控制器(11)確定原動機(10)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速、最優(yōu)功率。由原動機的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速(頻率)控制器(9)確定機組的轉(zhuǎn)速、控制可變頻交流勵磁電源的頻率，即PWM脈寬調(diào)制的頻率，控制可變速凸極同步電機轉(zhuǎn)子繞組的頻率。由原動機的最優(yōu)功率設(shè)置，通過最優(yōu)功率設(shè)置及控制(11)，經(jīng)由有功功率、無功功率控制系統(tǒng)(7)，控制可變頻交流電源的電壓、電流的幅值及相位，控制可變速凸極同步電機的有功功率和無功功率，從而確定發(fā)電機組的功率。通過控制系統(tǒng)(8)，實現(xiàn)機組的機組的功率控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，機組系統(tǒng)的機電保護系統(tǒng)。新穎大型可變速水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組及其系統(tǒng)，如圖4所示。3.2新穎可變速大型水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組及其系統(tǒng)對于雙饋交流勵磁電機(DFIG)，當前交流勵磁電源均采用電力電子變頻裝置，PWM控制技術(shù)。對于大型機組，控制技術(shù)復(fù)雜、設(shè)備昂貴，可靠性低、機組成本大為增加30-40%。但是，當巨型機組容量增大時，電力電子變頻裝置容量相應(yīng)地不斷增大，可靠性、經(jīng)濟性成為技術(shù)難題。本發(fā)明提出以旋轉(zhuǎn)機械可變頻機組，取代復(fù)雜、昂貴的電力電子變頻裝置，提出新型機組。本專利提出新穎可變速大型水力發(fā)電機組、風力發(fā)電機組，它采用新型變速凸極同步電機-新型變速凸極同步電機同軸相連，其中一臺為新型變速凸極同步電機，為發(fā)電機的主機，為大容量機組，主發(fā)電機定子(1)和轉(zhuǎn)子O)。另一臺新型變速凸極同步電機，容量較小，為發(fā)電機的輔機，作為主機的可變頻交流勵磁機，交流勵磁輔機轉(zhuǎn)子C3)和定子(4).同時，二者再與原動機-渦輪機(11)同軸相連，渦輪機為水輪機、風輪機，組成新型大型水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組，如圖5所示。主發(fā)電機定子(1)，經(jīng)由變壓器(12)與交流電網(wǎng)(9)相連接。交流勵磁輔機的定子G)，經(jīng)由變壓器(與交流電網(wǎng)(9)相連接，為主機提供變頻交流勵磁電源，輔機的轉(zhuǎn)子(3)與主機的轉(zhuǎn)子(2)直軸相連。根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)的要求和原動機-渦輪機的工況，由渦輪機(11)的特性和參數(shù)，通過最優(yōu)轉(zhuǎn)速、最優(yōu)功率設(shè)置及控制器(10)確定原動機(11)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速、最優(yōu)功率。通過機組控制系統(tǒng)(8)，控制交流勵磁輔機轉(zhuǎn)速控制和功率控制(7)，通過控制輔機定子⑷的電壓、電流，以控制輔機轉(zhuǎn)子的電壓、電流的幅值，相位及頻率。由渦輪機最優(yōu)轉(zhuǎn)速設(shè)置，控制確定輔機轉(zhuǎn)子的頻率，從而確定發(fā)電機組的輔機、主機及渦輪機的轉(zhuǎn)速。由渦輪機最優(yōu)功率設(shè)置，控制輔機定轉(zhuǎn)子的電壓、電流的幅值和相位，從而控制主機的有功功率和無功功率。通過控制系統(tǒng)(8)，確定主機及輔機的轉(zhuǎn)速控制、功率控制控制、機組機電保護系統(tǒng)，實現(xiàn)大型水電機組、風電機組的可變速、高效、安全、可靠運行。新穎大型水電機組、風電機組，采用旋轉(zhuǎn)機械裝置作為可變頻交流勵磁電源，相較電力電子變頻技術(shù)，可大大地降低成本，可提高運行性能和可靠性，實現(xiàn)機組巨型化。新穎大型可變速水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組及其系統(tǒng)，如圖5所示。應(yīng)當指出，新型變速凸極同步電機，在可變頻變壓器與大型水電、風電中，均為機組的核心主體，但由于工況不同，其結(jié)構(gòu)、特性等均不同，將會產(chǎn)生較大差異。在可變頻變壓器(VFT)中，其定子繞組與異步聯(lián)網(wǎng)的一端電網(wǎng)相連接，轉(zhuǎn)子繞組與異步聯(lián)網(wǎng)的另一端電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子繞組交流勵磁的頻率取決于與相連接的異步聯(lián)接的另一端電網(wǎng)的頻率，其值近似于工頻。在大型水電、風電機組中，作為發(fā)電機主機，其定子繞組與恒頻恒壓的大電網(wǎng)相連接，其轉(zhuǎn)子繞組與交流勵磁電源相連接，其轉(zhuǎn)子繞組的頻率取決于渦輪機的轉(zhuǎn)速變化，其值為低頻交流電。因此，新型變速凸極同步電機，雖同為機組，但在可變頻變壓器(VFT)和在大型水電、風電機組中，轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接、頻率、特性和運行是不同的，以至新型變速凸極同步電機的特性和運行工況也是不同的。由于轉(zhuǎn)子交流勵磁的頻率不同，如轉(zhuǎn)子材料和結(jié)構(gòu)也會相應(yīng)的不同。在可變頻變壓器中，轉(zhuǎn)子磁極可采用矽鋼片制成。在水電、風電機組中，轉(zhuǎn)子磁極采用高強度薄鋼板制成，結(jié)構(gòu)、材料、工藝、制造等均不同，其控制系統(tǒng)則相差更大。4、本發(fā)明技術(shù)方案的基本原理眾所周知，在同步電機中，定子繞組為m相(一般m=3)對稱繞組，定子繞組頻率為fs，轉(zhuǎn)子繞組為直流繞組，轉(zhuǎn)子繞組頻率為f；=0，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生直流恒定磁場，在空間上是固定不變的，其旋轉(zhuǎn)磁場角頻率為=0。當電機頻率和極數(shù)確定時，定子繞組產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場角頻率為％=2<=2;τ^^，電機轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速為電機的同步速度nm=墜，權(quán)利要求1.新型可變速凸極同步電機，包括定子和轉(zhuǎn)子。定子與普通交流電機定子結(jié)構(gòu)相同，具有m相ρ對極，由電樞鐵芯和定子繞組構(gòu)成。轉(zhuǎn)子為凸極磁極結(jié)構(gòu)，由磁極、磁極繞組、磁軛及轉(zhuǎn)軸等組成。轉(zhuǎn)子磁極繞組由具有m相ρ對磁極組成，m為大于1的正整數(shù)。在空間上，為相差360°/m電角度分布；在時間上，為相差360°/m電角度的交流勵磁電源勵磁，從而產(chǎn)生圓形的旋轉(zhuǎn)磁場。實際上，一般取m=3。對于一般三相轉(zhuǎn)子繞組，為凸極磁極集中繞組，在時間上和空間上彼此相差120°。2.如權(quán)利要求1所述的新型可變速凸極同步電機，在磁路上，轉(zhuǎn)子ρ對凸極磁極，可以采用并聯(lián)或串聯(lián)磁路方式，優(yōu)先采用并聯(lián)方式。對于三相P對磁極，在極對數(shù)為P=1的電機中，對于串聯(lián)磁路，m相的磁極數(shù)為2p=2*m=6。對于并聯(lián)磁路，m相的磁極數(shù)為2p=2*m/2=3。3.如權(quán)利要求1、2所述的新型可變速凸極同步電機，轉(zhuǎn)子繞組的出線與集電環(huán)相連接，集電環(huán)的個數(shù)為m+1個，m相每個繞組的進線分別與m個集電環(huán)相連接，m相每個繞組的出線與另1個集電環(huán)連接在一起。當m=3，則集電環(huán)數(shù)為4。4.在新穎可變頻變壓器(VFT)中，如權(quán)利要求1、2、3所述的新型變速凸極同步電機是新穎可變頻變壓器(VFT)的主體和核心，其驅(qū)動電機與新型變速凸極同步電機直軸相連，為新型變速凸極同步電機提供有功和無功功率。新型變速凸極同步電機的定子繞組(1)，經(jīng)變壓器(10)與受送端的一端電網(wǎng)(9)相聯(lián)接，新型變速凸極同步電機的轉(zhuǎn)子繞組O)，經(jīng)由集電環(huán)導(dǎo)流，經(jīng)變壓器(4)與受送端的另一端電網(wǎng)(相聯(lián)接。新型變速凸極同步電機的定轉(zhuǎn)子繞組分別與異步聯(lián)網(wǎng)的受送二端電網(wǎng)相聯(lián)接。從而使可變頻變壓器(VFT)實現(xiàn)新型柔性交流輸電技術(shù)(FACTQ異步聯(lián)網(wǎng)。5.如權(quán)利要求4所述的新穎可變頻變壓器集成系統(tǒng)中，其新型變速凸極同步電機與驅(qū)動系統(tǒng)，可以有三種不同系統(tǒng)集成組成新型變速凸極同步電機-新型變速凸極同步電機新型變速凸極同步電機-變頻調(diào)速同步電機新型變速凸極同步電機-直流電機6.新穎可變速大型水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組及其系統(tǒng)，它是以如權(quán)利要求1、2、3所述的新型變速凸極同步電機為發(fā)電機組的主機。可變速凸極同步電機定子(1)，經(jīng)由變壓器(3)與交流電網(wǎng)(4)相連接?？勺兯偻箻O同步電機轉(zhuǎn)子繞組0)，由可變頻交流電源(6)，即PWM脈寬調(diào)制可變頻電源(6)饋電，即轉(zhuǎn)子繞組的頻率可調(diào)。PWM脈寬調(diào)制可變頻電源(6)，經(jīng)由變壓器(5)與交流電網(wǎng)⑷相連接?？勺冾l交流電源(6)，一般可采用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)，應(yīng)用交-直-交變頻器(AC-DC-AC)或交-交變頻器(AC-AC)。7.如權(quán)利要求6所述的新穎可變速大型水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組及其系統(tǒng)，根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)的要求和原動機-渦輪機的工況，由渦輪機(10)的特性和參數(shù)，通過最優(yōu)轉(zhuǎn)速、最優(yōu)功率設(shè)置及控制器(11)確定原動機(10)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速、最優(yōu)功率。由原動機的最優(yōu)轉(zhuǎn)速，通過轉(zhuǎn)速(頻率)控制器(9)確定機組的轉(zhuǎn)速及可變頻交流勵磁電源的頻率，即PWM脈寬調(diào)制的頻率，控制可變速凸極同步電機轉(zhuǎn)子繞組的頻率。由原動機的最優(yōu)功率設(shè)置，控制最優(yōu)功率設(shè)置及控制(9)，經(jīng)由有功功率、無功功率控制系統(tǒng)(7)，控制可變頻交流電源的電壓、電流的幅值及相位，控制可變速凸極同步電機的有功功率和無功功率，從而確定發(fā)電機組的功率。通過控制系統(tǒng)(8)，實現(xiàn)機組的機組的功率控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，機組及統(tǒng)的機電保護和安全可靠運行。8.新穎可變速大型水力發(fā)電機組、風力發(fā)電機組，它是采用如權(quán)利要求1、2、3所述的新型變速凸極同步電機，采用新型變速凸極同步電機-新型變速凸極同步電機同軸相連，其中一臺新型變速凸極同步電機，為發(fā)電機的主機，為大容量，主發(fā)電機機定子(1)和轉(zhuǎn)子O)。另一臺新型變速凸極同步電機，容量較小，為發(fā)電機的輔機，作為主機的可變頻交流勵磁機，交流勵磁輔機轉(zhuǎn)子C3)和定子G)。同時，二者再與原動機-渦輪機(11)同軸相連，渦輪機為水輪機、風輪機，組成新型大型水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組。主發(fā)電機定子(1)，經(jīng)由變壓器(12)與交流電網(wǎng)(9)相連接。交流勵磁輔機的的定子G)，經(jīng)由變壓器(5)與交流電網(wǎng)(9)相連接，輔機的轉(zhuǎn)子繞組C3)與主機的轉(zhuǎn)子繞組(相連，為主機提供交流勵磁電源。9.如權(quán)利要求8所述的新穎可變速大型水力發(fā)電機組、風力發(fā)電機組，根據(jù)電網(wǎng)系統(tǒng)的要求和原動機-渦輪機的工況，由渦輪機(11)的特性和參數(shù)，通過最優(yōu)轉(zhuǎn)速、最優(yōu)功率設(shè)置及控制器(10)確定原動機(11)的最優(yōu)轉(zhuǎn)速、最優(yōu)功率。通過機組控制系統(tǒng)(8)，控制交流勵磁輔機轉(zhuǎn)速控制和功率控制(7)，通過控制輔機定子(4)的電壓、電流，控制輔機轉(zhuǎn)子的電壓、電流的幅值，相位及頻率。由渦輪機最優(yōu)轉(zhuǎn)速設(shè)置，控制確定輔機轉(zhuǎn)子的頻率，從而確定發(fā)電機組的輔機、主機及渦輪機的轉(zhuǎn)速。由渦輪機最優(yōu)功率設(shè)置，控制輔機定轉(zhuǎn)子的電壓、電流的幅值和相位，從而控制主機的有功功率和無功功率。通過控制系統(tǒng)，確定主機及輔機的轉(zhuǎn)速控制、功率控制控制、機組及系統(tǒng)機電保護系統(tǒng)，實現(xiàn)大型水電機組、風電機組的可變速、高效、安全、可靠運行。全文摘要發(fā)明名稱新穎變速凸極同步電機及巨型旋轉(zhuǎn)頻率變換器新型變速凸極同步電機屬于電機原理、特性及結(jié)構(gòu)范疇，巨型旋轉(zhuǎn)頻率變換器屬于新型柔性交流輸電技術(shù)，涉及可變頻變壓器(VFT)。本發(fā)明要解決的問題是實現(xiàn)凸極同步電機變速恒頻和同步電機異步化運行，旋轉(zhuǎn)頻率變換。新型變速凸極同步電機，其定子與普通交流電機定子相同，轉(zhuǎn)子為m相(一般m＝3)p對凸極磁極，m為大于1的正整數(shù)。轉(zhuǎn)子磁極繞組，空間上，為相差360°/m電角度分布；時間上，為相差360°/m電角度的交流勵磁變頻電源勵磁。磁路上，轉(zhuǎn)子p對凸極磁極，可以采用并聯(lián)或串聯(lián)磁路方式，優(yōu)先采用并聯(lián)方式。它是巨型可變頻變壓器和新穎大型可變速水輪發(fā)電機組、風力發(fā)電機組及系統(tǒng)的核心，為基礎(chǔ)性的原始創(chuàng)新發(fā)明。文檔編號H02J3/38GK102223037SQ20111012795公開日2011年10月19日申請日期2011年5月17日優(yōu)先權(quán)日2011年5月17日發(fā)明者寧玉泉申請人:寧玉泉