[发明专利]无刷双馈电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种改进的无刷双馈电机(BDFM)，在此其包括无刷双馈感应发电机(BDFIG)。更具体而言，本发明涉及适于这种机器的改进的转子设计。

背景技术

通过风力来发电是以没有二氧化碳排放的方式获取能量的经证实的有效方法。风力涡轮机的范围从具有几兆瓦峰值输出的大型机器到设计成在国内使用的小型机器。最常用的发电机(至少在较大的风力涡轮机中)采用具有双馈的绕线转子感应电机。机器的转子绕有三相绕组且通过滑环将其进行连接。在大型风力涡轮机中，齿轮箱通常用于增加叶片处的轴转速，也就是说所述轴转速在50rpm下，通常为1000至1500rpm以允许可以使用4极或6极发电机。这些都是相对紧凑的机器，但电刷装置需要维修是一个较大的缺陷，尤其是在离岸的情况下。

因此，近年来无刷双馈电机(BDFM)已经越来越多地受到关注，其原因在于如其名称所暗示的那样它们没有电刷。没有电刷和滑环使得BDFM可特别有利地作为风力涡轮发电机，因为在广泛使用的双馈感应发电机(DFIG)中电刷与滑环的问题已被确定为风力涡轮机中的这些发电机的一种主要故障模式。研究表明无刷双馈电机和双阶齿轮箱的组合将具有优异的可靠性且保持较低成本。在这些机器中，存在两个定子绕组，其中一个直接连接到固定频率电源，而另一个被供以来自功率转换器的可变频率和电压。机器以两个定子频率和轴转速之间的固定关系以同步模式运行。通过改变应用到第二定子上的频率来实现速度变化。无刷双馈电机(BDFM)也可有利地作为变速驱动器或发电机，因为与其它双馈布置相同，只需要输出功率的一小部分来通过转换器。

BDFM，特别是单框BDFM，具有带有不同极数的两个定子绕组；可替代地，可使用双定子结构。在单框BDFM的情况下，极数选择成使得在它们之间没有直接的耦联，转子与两个定子磁场耦联。定子绕组之一即功率绕组(其具有2p₁磁极，即成对的p₁磁极)以固定的电压和频率连接到所述电网，以及另一定子绕组即控制绕组(其具有2p₂磁极，即成对的p₂磁极)由频率转换器供以可变电压和可变频率。驱动控制绕组的频率取决于转子速度且进行调节使得功率绕组输出与电网的频率相匹配，从而实现同步操作。

存在三种主要类型的无刷双馈电机，即无刷双馈感应发电机(BDFIG)、无刷双馈磁阻发电机(BDFRG)(其具有磁阻式转子)、以及无刷双馈双定子感应发电机(BDFTSIG)。典型地在BDFG中，通过流过转子条的电流来进行操作(这不是适于BDFRG的情况，其中在BDFRG的情况下转子具有凸极)。在BDFIG和BDFRG的情况下，两个定子绕组通常位于单框内，通常是位于同一槽内，而BDFTSIG具有双框以及位于公共轴上的两个转子。为了对双馈电机进行详细分类和对比，可以参考下述：在2001年8月的由B.Hopfensperger和D.J.Atkinson发表的European Conf.Power Elec tronics and Applica tions的第九Proc.中的“Doubly-fed a.c.machines：classificat ion and comparison(双馈交流电机：分类和比较)”，以及其中的具体定义通过引用并入本文。以后描述的技术对于无刷双馈感应发电机(BDFIG)是特别有用的。

在我们的在先专利申请WO2009/150464以及其中的参考中可找到关于无刷双馈电机的进一步的背景信息。

BDFM起源于单框自级联感应电机，其中不同极数的两个主要气隙场共享相同的磁路。当代BDFM通常具有两个独立的定子绕组，其极数选择成使得在它们之间没有直接的耦联；即只经由转子耦联。单独的定子绕组促进双馈，即一个绕组直接连接到电网，而另一个绕组经由部分额定电子转换器连接到电网，而在绕组利用率上没有任何损失。