[发明专利]微功耗风力发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种微功耗风力发电机。 

背景技术

图1是双馈感应发电机工作原理框图，通过叶轮将风能转变为机械转距(风轮转动惯量)，通过主轴传动链，经过齿轮箱增速到异步发电机的转速后，通过励磁变流器励磁而将发电机的定子电能并入电网。如果超过发电机同步转速，转子也处于发电状态，通过变流器向电网馈电。 

最简单的风力发电机可由叶轮和发电机两部分构成，立在一定高度的塔干上，这是小型离网风机。最初的风力发电机发出的电能随风变化时有时无，电压和频率不稳定，没有实际应用价值。为了解决这些问题，现代风机增加了齿轮箱、偏航系统、液压系统、刹车系统和控制系统等。 

齿轮箱可以将很低的风轮转速(1500千瓦的风机通常为12-22转/分)变为很高的发电机转速(发电机同步转速通常为1500转/分)。同时也使得发电机易于控制，实现稳定的频率和电压输出。偏航系统可以使风轮扫掠面积总是垂直于主风向。 

根据变速恒频变桨矩风机的特点，国内目前装机的电机一般分为二类： 

1、异步型： 

1)笼型异步发电机；功率为600/125kW、750kW、800kW、1250kW，定子向电网输送不同功率的50Hz交流电。 

2)绕线式双馈异步发电机；功率为1500kW定子向电网输送50Hz交流电，转子由变频器控制，向电网间接输送有功或无功功率。 

2、同步型： 

1)永磁同步发电机；功率为750kW 1200kW 1500kW由永磁体产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。 

2)电励磁同步发电机；由外接到转子上的直流电流产生磁场，定子输出经全功率整流逆变后向电网输送50Hz交流电。 

同步发电机的电压变化率约为20～40％，一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变，为此，随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。高速同步发电机因大多数发电机与原动机同轴联动，火电厂都用高速汽轮机作原动机，所以汽轮发电机通常用高转速的2极电机，其转速达3000转/分(在电网频率为60赫时，为3600转/分)。核电站多用4极电机，转速为1500转/分(当电网频率为60赫时，为1800转/分)。为适应高速、高功率要求，高速同步发电机在结构上，一是采用隐极式转子，二是设置专门的冷却系统。 

上述同步、异步风力发电机有以下缺点： 

1)必须增速齿轮箱，方能达到电机的同步转速，机械能损耗大； 

2)必须双向逆变器或全功率变换器，电能损耗大； 

3)切入风速时开始发电、切出风速时锁定电机，即风小不能发电，风大不能发电，很难伺候不说，浪费太多风能； 

4)直接采用市电励磁，低电压穿越性能极差。 

发明内容

图2是微功耗风力发电机原理框图，叶片转轴直接驱动同步发电机，无齿轮箱的机械传动损耗；转子励磁电流采用微功耗功率变换获得，其功率损耗接近零。微功耗风力发电机由叶片、叶片转轴、同步电机、励磁方波发生器组成，叶片转轴与同步电机转轴刚性联接，励磁方波发生器产生调频调幅对称方波电流，对同步电机的转子励磁；叶片受风转动，叶片转轴与叶片联动，驱动同步电机发电。 

同步发电机输出电压的频率由下式决定： 

f＝n×p/60(Hz)；                    (1) 

f：输出电压频率； 

n：发电机转轴转速； 

p：发电机转子极对数。 

设电机转子极对数为2，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为： 

N＝50×60/2＝1500(转)；        (2) 

即当同步发电机的极对数为2时，风叶转轴转速应为1500转。 

设电机转子极对数为20，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为： 

N＝50×60/20＝150(转)；        (3) 

即当同步发电机转子的极对数为20时，风叶转轴转速应为150-300转。 

设电机转子的极对数为200，输出电压频率为50Hz，则由(1)式可计算得风叶转轴转速为： 

N＝50×60/200＝15(转)；        (4)