專利名稱：微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
直驅(qū)式全換相風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)中，永磁同步發(fā)電機(jī)定子輸出的電壓，是頻率變化的電能，與定子相聯(lián)的變換器將此電能轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)頻率相同的恒頻電能，省去葉片轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)之間的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本，并增加了系統(tǒng)的可靠性。但傳統(tǒng)功率變換器成本、體積、重量、功耗太大，把全換相發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)幾乎全部抵消。圖1是直驅(qū)式全換相永磁同步發(fā)電機(jī)實(shí)際電路，發(fā)電機(jī)定子出來的三相電壓要經(jīng)過整流電路、Boost升壓電路、三電平逆變電路，這才到達(dá)電網(wǎng)。其間經(jīng)過三次功率變換，產(chǎn)生三次功率損耗，就算每次功率變換的效率都在90%以上，三次變換功率總損耗也可達(dá)30%以上。由于采用的是PWM脈寬調(diào)制，所有功率器件都工作在高頻，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的EMI干擾，對(duì)電網(wǎng)造成污染。
發(fā)明內(nèi)容
微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)從定子產(chǎn)生的三相電壓，不經(jīng)整流，不必Boost電路升壓，也不采用逆變電路，直接進(jìn)入全換相器，全換相器用微功耗功率變換的方法，在其輸出端輸出可以直接并網(wǎng)的三相電壓。圖2是微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理框圖，微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)由葉片、葉片轉(zhuǎn)軸、永磁同步電機(jī)、全換相器組成，葉片轉(zhuǎn)軸與永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸鋼性聯(lián)接，永磁同步電機(jī)輸出的三相電壓分別接全換相器中的三個(gè)基本換相器，全換相器把此三相電壓變換成與電網(wǎng)同頻、同相、同幅的三相電壓并網(wǎng)；全換相器采用器微功耗功率變換，主器件工作在工頻，不采用PWM脈寬調(diào)制，無EMI干擾，其成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)功率變換器的十分之一。微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)由葉片、葉片轉(zhuǎn)軸、永磁同步電機(jī)組成，葉片轉(zhuǎn)軸與永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)軸剛性連接，永磁同步電機(jī)的定子輸出的三相電壓接全換相器，全換相器把定子輸出的三相電壓變換成與電網(wǎng)同頻、同相、同幅的交流電壓，直接并入電網(wǎng)，全換相器由三個(gè)電路拓樸相同的基本換相器組成，分別接永磁同步電機(jī)的定子輸出的三相電壓。圖3是基本換相器的實(shí)際電路，基本換相器由十個(gè)MOS管和一個(gè)磁芯變壓器組成，第五MOS管(Q5)是PNP型，第六MOS管(Q6)是NPN型，第五MOS管的漏極通過變壓器TXl的原邊繞組Pl接定子的輸出電壓V1(A相)的火線，Vl的零線接地，第六MOS管(Q6)的漏極接第五MOS管(Q5)的源極，其源極通過第三電阻(R3)接地，電容Cl和二極管Dl串聯(lián)，電容Cl的負(fù)極接變壓器TXl付邊的同名端，二極管Dl的正極接變壓器TXl付邊的異名端，第一電阻(Rl)與電容Cl并聯(lián)。MOS 管 Ql、Q2、Q7、Q8 是 PNP 型，MOS 管 Q3、Q4、Q9、QlO 是 NPN 型，MOS 管 Ql、Q3、Q7、Q9和MOS管Q2、Q4、Q8、Q10分兩組依次順序串聯(lián)，漏極在上，源極在下，其中MOS管Ql、Q2都接電容Cl的負(fù)極，MOS管Q7的漏極接MOS管Q6的源極。電阻R2—端接二極管Dl的陰極，一端接MOS管Q9、Q10的源極，驅(qū)動(dòng)信號(hào)V1、V2、V4、V5分別順序接在MOS管Q4、Q3、Q9、QlO的柵極和源極之間，驅(qū)動(dòng)信號(hào)V1、V2、V4、V5正極向下，MOS管Ql、Q3、MOS管Q2、Q4、MOS管Q7、Q9、MOS管Q8、QlO的柵極分別兩兩接在一起；M0S管Q5、Q6的柵極其分別接驅(qū)動(dòng)信號(hào)Gna、Gpa0
圖1是直驅(qū)式全換相永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)；
圖2是微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)原理圖；圖3是全換向器原理電路；圖4是基本換相器原理電路；圖5是基本換相器輸出電壓仿真波形；圖6是基本換相器原理電路(引入動(dòng)態(tài)整流)；圖7是基本換相器(引入動(dòng)態(tài)整流)輸出電壓的仿真波形；圖8是基本換相器原理電路(引入電壓補(bǔ)償)；圖9是基本換相器(引入電壓補(bǔ)償)輸出電壓Va的仿真波形；圖10是基本換相器(引入電壓補(bǔ)償)輸出電壓Va的仿真波形Is ；圖11是基本換相器(引入電壓補(bǔ)償)輸出電壓Va的仿真波形O. 3s ；圖12是基本換相器(引入電壓補(bǔ)償)輸出電壓Va的仿真波形O. 2s ；圖13是電壓切割電路原理圖；圖14是電壓切割電路輸出電壓Na、Vc仿真波形；圖15是電壓切割電路輸出電壓Va仿真波形；；圖16是電壓切割電路輸出電壓Vc仿真波形；圖17是全換相器實(shí)際電路圖；圖18是電壓切割仿真波形A ；圖19是電壓切割仿真波形B ；圖20是電壓切割仿真波形C ；
具體實(shí)施例方式圖4是基本換相器的原理電路，用來說明換相器的工作原理。當(dāng)最低風(fēng)速時(shí)，葉片轉(zhuǎn)軸即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速η = 1，發(fā)電機(jī)定子的極對(duì)數(shù)P = 60，定子輸出電壓的頻率為f = ηΧρ + 60 = 1X60 + 60 =1. OHz (I)當(dāng)最高風(fēng)速時(shí)轉(zhuǎn)軸即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速η = 40,發(fā)電機(jī)定子的極對(duì)數(shù)P = 60,定子輸出電壓頻率的頻率為f = ηΧρ + 60 = 40X60 + 60 = 40Hz (2)比較式(I)、⑵兩式可知，在最小風(fēng)力和最大風(fēng)力的情況下，微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子輸出的感生電壓的頻率在1. 0Ηζ-40Ηζ之間變化，現(xiàn)在設(shè)發(fā)電機(jī)在最小風(fēng)速下運(yùn)行，設(shè)輸出電壓V4的頻率和幅值分別為IHz和310V。永磁發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生的電壓V4(頻率1Hz，周期Is)接在MOS管Q3的漏極和地之間，MOS管Q4的漏極接Q3的源極，其源極通過電阻R4接地，Q3、Q4的柵極分別接驅(qū)動(dòng)信號(hào)Gn、Gp, Gp是市電經(jīng)全波整流后的正向饅頭波電壓，Gn是市電經(jīng)全波整流后的負(fù)向饅頭波電壓，Gp, Gn都是頻率50Hz、周期O. Ols的、幅值為3IOV的饅頭波信號(hào)。在V4的正半周期間，Q4導(dǎo)通，V4的正向電壓通過Q3的體內(nèi)二極管、Q4的漏源極在電阻R4上形成時(shí)長ls、50個(gè)正向饅頭波電壓波形，這是因?yàn)樵礃O電壓跟蹤柵極電位，而柵極電位正是正向饅頭波Gp ;在V4的負(fù)半周期間，Q3導(dǎo)通，V4的負(fù)向電壓通過Q4的體內(nèi)二極管、Q3的漏源極在電阻R4上形成時(shí)第ls、50個(gè)負(fù)向饅頭波電壓波形，這是因?yàn)樵礃O電壓跟蹤柵極電位，而柵極電位正是負(fù)向饅頭波Gn。圖5是電阻R5輸出電壓Voa的仿真波形，在V4的正半周內(nèi)，形成了 50個(gè)饅頭波正向電壓波形，在V4的負(fù)半周內(nèi)，形成了 50個(gè)饅頭波負(fù)向電壓波形，這些正弦饅頭波電壓Voa，被加在Q3漏極的、頻率1Hz、周期Is的電壓V4削波，因此Voa的包絡(luò)是V4的電壓波形。圖6的基本換相器引入了動(dòng)態(tài)整流電路，其作用是把形如圖5所示電壓波形轉(zhuǎn)換成正弦波電壓波形，方法是對(duì)于正向饅頭波，把這些頻率為IOOHz的饅頭波相間翻到橫軸的下方，于是形成了頻率為50Hz的完整正弦波電壓，對(duì)于負(fù)向饅頭波，把這些頻率為IOOHz的饅頭波相間翻到橫軸的上方，于是形成了頻率為50Hz的完整正弦波電壓。動(dòng)態(tài)整流電路實(shí)際上是一個(gè)雙向橋式整流電路，眾所周知，整流電路會(huì)把脈寬IOms的負(fù)方向正弦波形翻到橫軸的上面來,形成頻率為100Hz、周期IOms的慢頭波,這就是所謂的正向橋式整流電路，如圖6中的Gp ;負(fù)向橋式整流電路中的四個(gè)整流二極管相反聯(lián)接，如圖6中的Gn，其作用正好與正向橋式整流電路相反，可以把脈寬IOms的正方向正弦波形翻到橫軸的下面去，也會(huì)形成頻率為100Hz、周期IOms的慢頭波。對(duì)于圖5所不的系列慢頭波，必須要有正負(fù)方向橋式整流電路各一個(gè),對(duì)于第一個(gè)饅頭波，要有一個(gè)正向橋式整流電路，使得負(fù)方向的饅頭波翻到上面來，或者保持正方向的饅頭波不變；對(duì)于第二個(gè)饅頭波，需要一個(gè)負(fù)向橋式整流電路，把正方向的饅頭波翻到橫軸的下面去，或者保持負(fù)方向的饅頭波不變，接下來重復(fù)上述過程，直到最后，于是圖5所示系列饅頭波就變換成系列完整正弦波。對(duì)于時(shí)長500ms的正向慢頭波，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)慢頭波到來的時(shí)候，動(dòng)態(tài)整流電路中的四個(gè)PNP型MOS管都導(dǎo)通，四個(gè)NPN型MOS管都截止，于是四個(gè)NPN型MOS管體內(nèi)二極管形成了一個(gè)正向橋式整流電路，使得第一個(gè)饅頭波不變；當(dāng)?shù)诙€(gè)饅頭波到來的時(shí)候，動(dòng)態(tài)整流電路中的四個(gè)PNP型MOS管都截止，四個(gè)NPN型MOS管都導(dǎo)通，于是四個(gè)PNP型MOS管體內(nèi)二極管形成了一個(gè)負(fù)向橋式整流電路，使得第二個(gè)饅頭波翻到橫軸的下面去；連續(xù)觀察第一個(gè)和第二個(gè)饅波，就看到了一個(gè)完整的正弦波；此過程連續(xù)進(jìn)行，直到正向饅頭波轉(zhuǎn)換完成;對(duì)于時(shí)長500ms的負(fù)向饅頭波，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)饅頭波到來的時(shí)候，動(dòng)態(tài)整流電路中的四個(gè)PNP型MOS管都導(dǎo)通，四個(gè)NPN型MOS管都截止，于是四個(gè)NPN型MOS管體內(nèi)二極管形成了一個(gè)正向橋式整流電路，使得第一個(gè)饅頭波翻到橫軸的上面來；當(dāng)?shù)诙€(gè)饅頭波到來的時(shí)候，動(dòng)態(tài)整流電路中的四個(gè)PNP型MOS管都截止，四個(gè)NPN型MOS管都導(dǎo)通，于是四個(gè)PNP型MOS管體內(nèi)二極管形成了一個(gè)負(fù)向橋式整流電路，使得第二個(gè)饅頭波不變；連續(xù)觀察第一個(gè)和第二個(gè)饅波，就看到了一個(gè)完整的正弦波；此過程連續(xù)進(jìn)行，直到負(fù)向饅頭波轉(zhuǎn)換完成。實(shí)際上，兩個(gè)正負(fù)方向的整流電路在進(jìn)行上述變換的時(shí)候，饅頭波正向的還負(fù)向的，完全沒有區(qū)別的，操作過程也完全相同，關(guān)鍵是如何獲得兩個(gè)方向的整流電路以及兩個(gè)方向整流電路更替的頻率，在本電路中，這個(gè)更替的頻率是10ms。圖7是經(jīng)過上述變換后的電壓仿真波形，圖5所示“包絡(luò)為頻率1Hz、周期Is正弦波”的頻率100H、周期IOms饅頭波電壓波形，經(jīng)過上述變換后，產(chǎn)生了如果圖7所示“包絡(luò)為頻率1Hz、周期Is正弦波”的頻率50H、周期20ms的雙邊帶正弦波電壓波形。圖8引入了電壓補(bǔ)償電路，目的是把圖7所示雙邊帶電壓變換成等幅的正弦波電壓。圖中V8是補(bǔ)償電壓Vc，其電壓幅值等于額定輸出電壓No和動(dòng)態(tài)整流電路輸出的電壓Voa之差，即Vc = Vo-Voa。圖9是補(bǔ)償后的輸出電壓仿真波形，可以看到，中間正弦波點(diǎn)劃線的里面是圖7所示的雙邊帶電壓波形Voa，外面是補(bǔ)償電壓Vc的電壓波形，兩者疊加就是圖10所示的輸出電壓Vo的電壓波形。圖11是時(shí)長300ms的仿真波形，圖12是時(shí)長200ms 的仿真波形，細(xì)節(jié)可以看得比較清楚。圖13就是圖3的電路，柵極的正弦饅頭波驅(qū)動(dòng)信號(hào)Gp、Gn，換成了由Ql、Q2產(chǎn)生的包絡(luò)是正弦波的雙邊帶方波信號(hào)，Q3的漏極通過變壓器TXl的原邊接發(fā)電機(jī)輸出電壓Vl (頻率1Hz、周期Is)，此電壓在Q4的源極輸出了 50個(gè)正弦波電壓Voa(頻率50Hz、周期20ms)以后，所剩余的那部份電壓，降在Q3、Q4的漏源極發(fā)熱消耗掉；當(dāng)增加了變壓器TXl以后，這部份電壓降將按照變壓器和Q3、Q4的阻抗比例進(jìn)行分配，由于變壓器原邊阻抗遠(yuǎn)大于Q3、Q4漏源的飽和阻抗，這一部份電壓幾乎全部降落在TXl的原邊，經(jīng)過功率變換后，變換成圖8中的補(bǔ)償電壓V8。Ql是PNP型MOS管，Q2是NPN型MOS管，Ql的漏極通過電壓V3接地，Q2的漏極接Ql的源極，其源極通過電阻R2接地，同時(shí)接Q4的柵極。驅(qū)動(dòng)信號(hào)V2的正極同時(shí)接Ql、Q2的柵極，其負(fù)極接Q2的源極。V2是高頻方波信號(hào)，電壓V3是幅值為311V的正弦波信號(hào)，于是在Q2的源極產(chǎn)生包絡(luò)為正弦波的高頻信號(hào)，此信號(hào)驅(qū)動(dòng)Q3、Q4。產(chǎn)生包絡(luò)為正弦波的高頻信號(hào)的過程，已于前述。圖14是輸出電壓Voa的仿真波形，可以看到，兩種輸出電壓的周期相同，其中幅值較小的是Vob，這部份電壓本來要在Q3、Q4的漏源極發(fā)熱消耗掉；圖15是源極輸出的電壓Voa，在漏極輸入電壓Vl的一個(gè)周期之內(nèi)(I秒)，產(chǎn)生了正負(fù)各25個(gè)半波削波正弦波；圖16是變壓器TXl付邊輸出的電壓仿真波形，其電壓幅值決定于TXl的變比。從變壓器TXl的原邊繞組Pl進(jìn)入，從變壓器付邊產(chǎn)生的包絡(luò)為正弦波的雙邊帶方波電壓經(jīng)過動(dòng)態(tài)整流后，成為正弦波電壓Vb，與電阻R3上的交流電壓Voa疊加，輸出與市電同頻、同相、同幅的并網(wǎng)電壓。同頻的控制由圖13中正弦波信號(hào)電壓V3保證，同幅的控制由補(bǔ)償電路保證，同相的控制則由電網(wǎng)本身相位決定。如圖19所示的電壓波形，是在半個(gè)周期O. 5s的正弦波V4內(nèi)部，切下50個(gè)周期20ms的正負(fù)饅頭波Voa，是在半個(gè)周期0.1s的正弦波V4內(nèi)部，切下5個(gè)周期20ms的正負(fù)饅頭波Voa，這都是V4和Voa兩者的頻率為整數(shù)倍的情況，可以證明，圖19電路中的V4內(nèi)部被Voa切去五個(gè)削波饅頭波后所剩下的部份，和要把這五個(gè)削波饅頭波補(bǔ)償成完整正弦波要增加的部份，兩者面積相等，即有S = A1+A2+A3+A4+A5 = B1+B2+B3+B4+B5(3)
如圖20所示的電壓波形，是在半個(gè)周期O. 125s的正弦波V4內(nèi)部，切下6，25個(gè)周期20ms的正負(fù)饅頭波Voa，是在半個(gè)周期O. 0625s的正弦波V4內(nèi)部，切下6. 25個(gè)周期20ms的正負(fù)饅頭波Voa，這都是V4和Voa兩者的頻率I為整數(shù)倍的情況，同樣可以證明，圖19電路中的V4內(nèi)部被Voa切去削波饅頭波后所剩下的部份，和要把這6. 25個(gè)削波饅頭波補(bǔ)償成完整正弦波要增加的部份，面積完全相等，如式(3)。以上分析可知,微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)的全換相器是一個(gè)自我完備的系統(tǒng)，即需要補(bǔ)償?shù)哪芰浚妥陨硪延械哪芰肯嗟?，不必借助外界補(bǔ)充能量。當(dāng)然補(bǔ)償電壓要經(jīng)過功率變換，變換的效率不可能100%，系統(tǒng)內(nèi)部仍然要消耗能量，但消耗的能量只是極小部份補(bǔ)償電壓在進(jìn)行功率變換過程中的能量損耗，折算到整個(gè)全換相器來說，能量損耗的比例更小。因此微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，實(shí)至名歸。
權(quán)利要求
1.一種微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，整機(jī)由葉片、葉片轉(zhuǎn)軸、永磁同步電機(jī)組成，葉片轉(zhuǎn)軸與永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)軸剛性連接，其特征是永磁同步電機(jī)的定子輸出的三相電壓接全換相器，全換相器把定子輸出的三相電壓變換成與電網(wǎng)同頻、同相、同幅的交流電壓，直接并入電網(wǎng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是全換相器由三個(gè)電路拓樸相同的基本換相器組成，分別接永磁同步電機(jī)的定子輸出的三相電壓；
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其特征是基本換相器由十個(gè)MOS管和一個(gè)磁芯變壓器組成，1)第五MOS管(Q5)是PNP型，第六MOS管(Q6)是NPN型，第五MOS管的漏極通過變壓器TXl的原邊繞組Pl接定子的輸出電壓Vl (A相)的火線，Vl的零線接地，第六MOS管(Q6)的漏極接第五MOS管(Q5)的源極，其源極通過第三電阻(R3)接地，電容Cl和二極管Dl串聯(lián)，電容Cl的負(fù)極接變壓器TXl付邊的同名端，二極管Dl的正極接變壓器TXl付邊的異名端，第一電阻(Rl)與電容Cl并聯(lián)；2)第一、二、七、八MOS 管(QU Q2、Q7、Q8)是 PNP 型，第三、四、九、十 MOS 管(Q3、Q4、Q9、Q10)是 NPN 型，第一、三、七、九 MOS 管(QU Q3、Q7、Q9)和第二、四、八、十 MOS 管(Q2、Q4、Q8、Q10)分兩組依次順序串聯(lián)，漏極在上，源極在下，其中第一、第二 MOS管(Q1、Q2)都接電容Cl的負(fù)極，第七M(jìn)OS管(Q7)的漏極接第六MOS管(Q6)的源極；3)第二電阻(R2)—端接二極管Dl的陰極，一端接第九、十MOS管(Q9、Q10)的源極，第一、二、四、五驅(qū)動(dòng)信號(hào)(V1、V2、V4、V5)分別順序接在第四、三、、九、十MOS管(Q4、Q3、Q9、Q10)的柵極和源極之間,第一、二、四、五驅(qū)動(dòng)信號(hào)(V1、V2、V4、V5)正格向下,第一、三MOS管(Q1、Q3)、第二、四 MOS 管(Q2、Q4)、第七、九 MOS 管(Q7、Q9)、第八、十 MOS 管(Q8、Q10)的柵極分別兩兩接在一起；第五、六MOS管(Q5、Q6)的柵極其分別接驅(qū)動(dòng)信號(hào)Gna、Gpa。
全文摘要
微功耗永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)由葉片、葉片轉(zhuǎn)軸、永磁同步電機(jī)、全換相器組成，葉片轉(zhuǎn)軸與永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸鋼性聯(lián)接，永磁同步電機(jī)輸出的三相電壓分別接全換相器中的三個(gè)基本換相器，全換相器把此三相電壓變換成與電網(wǎng)同頻、同相、同幅的三相電壓并網(wǎng)；全換相器采用器微功耗功率變換，主器件工作在工頻，不采用PWM脈寬調(diào)制，無EMI干擾，其成本、體積、重量、功耗都是傳統(tǒng)功率變換器的十分之一。
文檔編號(hào)H02M5/45GK103001257SQ20121037696
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2012年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月8日
發(fā)明者郁百超 申請(qǐng)人:郁百超