专利名称：微功耗永磁风力发电机的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及一种微功耗永磁风力发电机。
背景技术：
直驱式全换相风力发电机系统中，永磁同步发电机定子输出的电压，是频率变化的电能，与定子相联的变换器将此电能转换为与电网频率相同的恒频电能，省去叶片转轴与发电机之间的机械传动机构，降低了系统成本，并增加了系统的可靠性。但传统功率变换器成本、体积、重量、功耗太大，把全换相发电机系统的优点几乎全部抵消。图1是直驱式全换相永磁同步发电机实际电路，发电机定子出来的三相电压要经过整流电路、Boost升压电路、三电平逆变电路，这才到达电网。其间经过三次功率变换，产生三次功率损耗，就算每次功率变换的效率都在90%以上，三次变换功率总损耗也可达30%以上。由于采用的是PWM脉宽调制，所有功率器件都工作在高频，会产生强烈的EMI干扰，对电网造成污染。
发明内容
微功耗永磁风力发电机从定子产生的三相电压，不经整流，不必Boost电路升压，也不采用逆变电路，直接进入全换相器，全换相器用微功耗功率变换的方法，在其输出端输出可以直接并网的三相电压。图2是微功耗永磁风力发电机原理框图，微功耗永磁风力发电机由叶片、叶片转轴、永磁同步电机、全换相器组成，叶片转轴与永磁同步发电机的转轴钢性联接，永磁同步电机输出的三相电压分别接全换相器中的三个基本换相器，全换相器把此三相电压变换成与电网同频、同相、同幅的三相电压并网；全换相器采用器微功耗功率变换，主器件工作在工频，不采用PWM脉宽调制，无EMI干扰，其成本、体积、重量、功耗都是传统功率变换器的十分之一。微功耗永磁风力发电机整机由叶片、叶片转轴、永磁同步电机组成，叶片转轴与永磁同步电机的转轴刚性连接，永磁同步电机的定子输出的三相电压接全换相器，全换相器把定子输出的三相电压变换成与电网同频、同相、同幅的交流电压，直接并入电网，全换相器由三个电路拓朴相同的基本换相器组成，分别接永磁同步电机的定子输出的三相电压。图3是基本换相器的实际电路，基本换相器由十个MOS管和一个磁芯变压器组成，第五MOS管(Q5)是PNP型，第六MOS管(Q6)是NPN型，第五MOS管的漏极通过变压器TXl的原边绕组Pl接定子的输出电压V1(A相)的火线，Vl的零线接地，第六MOS管(Q6)的漏极接第五MOS管(Q5)的源极，其源极通过第三电阻(R3)接地，电容Cl和二极管Dl串联，电容Cl的负极接变压器TXl付边的同名端，二极管Dl的正极接变压器TXl付边的异名端，第一电阻(Rl)与电容Cl并联。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分两组依次顺序串联，漏极在上，源极在下，其中MOS管Ql、Q2都接电容Cl的负极，MOS管Q7的漏极接MOS管Q6的源极。电阻R2—端接二极管Dl的阴极，一端接MOS管Q9、Q10的源极，驱动信号V1、V2、V4、V5分别顺序接在MOS管Q4、Q3、Q9、QlO的栅极和源极之间，驱动信号V1、V2、V4、V5正极向下，MOS管Ql、Q3、MOS管Q2、Q4、MOS管Q7、Q9、MOS管Q8、QlO的栅极分别两两接在一起；M0S管Q5、Q6的栅极其分别接驱动信号Gna、Gpa0
图1是直驱式全换相永磁风力发电机系统；
图2是微功耗永磁风力发电机原理图；图3是全换向器原理电路；图4是基本换相器原理电路；图5是基本换相器输出电压仿真波形；图6是基本换相器原理电路(引入动态整流)；图7是基本换相器(引入动态整流)输出电压的仿真波形；图8是基本换相器原理电路(引入电压补偿)；图9是基本换相器(引入电压补偿)输出电压Va的仿真波形；图10是基本换相器(引入电压补偿)输出电压Va的仿真波形Is ；图11是基本换相器(引入电压补偿)输出电压Va的仿真波形O. 3s ；图12是基本换相器(引入电压补偿)输出电压Va的仿真波形O. 2s ；图13是电压切割电路原理图；图14是电压切割电路输出电压Na、Vc仿真波形；图15是电压切割电路输出电压Va仿真波形；；图16是电压切割电路输出电压Vc仿真波形；图17是全换相器实际电路图；图18是电压切割仿真波形A ；图19是电压切割仿真波形B ；图20是电压切割仿真波形C ；
具体实施例方式图4是基本换相器的原理电路，用来说明换相器的工作原理。当最低风速时，叶片转轴即发电机转速η = 1，发电机定子的极对数P = 60，定子输出电压的频率为f = ηΧρ + 60 = 1X60 + 60 =1. OHz (I)当最高风速时转轴即发电机转速η = 40,发电机定子的极对数P = 60,定子输出电压频率的频率为f = ηΧρ + 60 = 40X60 + 60 = 40Hz (2)比较式(I)、⑵两式可知，在最小风力和最大风力的情况下，微功耗永磁风力发电机定子输出的感生电压的频率在1. 0Ηζ-40Ηζ之间变化，现在设发电机在最小风速下运行，设输出电压V4的频率和幅值分别为IHz和310V。永磁发电机定子产生的电压V4(频率1Hz，周期Is)接在MOS管Q3的漏极和地之间，MOS管Q4的漏极接Q3的源极，其源极通过电阻R4接地，Q3、Q4的栅极分别接驱动信号Gn、Gp, Gp是市电经全波整流后的正向馒头波电压，Gn是市电经全波整流后的负向馒头波电压，Gp, Gn都是频率50Hz、周期O. Ols的、幅值为3IOV的馒头波信号。在V4的正半周期间，Q4导通，V4的正向电压通过Q3的体内二极管、Q4的漏源极在电阻R4上形成时长ls、50个正向馒头波电压波形，这是因为源极电压跟踪栅极电位，而栅极电位正是正向馒头波Gp ;在V4的负半周期间，Q3导通，V4的负向电压通过Q4的体内二极管、Q3的漏源极在电阻R4上形成时第ls、50个负向馒头波电压波形，这是因为源极电压跟踪栅极电位，而栅极电位正是负向馒头波Gn。图5是电阻R5输出电压Voa的仿真波形，在V4的正半周内，形成了 50个馒头波正向电压波形，在V4的负半周内，形成了 50个馒头波负向电压波形，这些正弦馒头波电压Voa，被加在Q3漏极的、频率1Hz、周期Is的电压V4削波，因此Voa的包络是V4的电压波形。图6的基本换相器引入了动态整流电路，其作用是把形如图5所示电压波形转换成正弦波电压波形，方法是对于正向馒头波，把这些频率为IOOHz的馒头波相间翻到横轴的下方，于是形成了频率为50Hz的完整正弦波电压，对于负向馒头波，把这些频率为IOOHz的馒头波相间翻到横轴的上方，于是形成了频率为50Hz的完整正弦波电压。动态整流电路实际上是一个双向桥式整流电路，众所周知，整流电路会把脉宽IOms的负方向正弦波形翻到横轴的上面来,形成频率为100Hz、周期IOms的慢头波,这就是所谓的正向桥式整流电路，如图6中的Gp ;负向桥式整流电路中的四个整流二极管相反联接，如图6中的Gn，其作用正好与正向桥式整流电路相反，可以把脉宽IOms的正方向正弦波形翻到横轴的下面去，也会形成频率为100Hz、周期IOms的慢头波。对于图5所不的系列慢头波，必须要有正负方向桥式整流电路各一个,对于第一个馒头波，要有一个正向桥式整流电路，使得负方向的馒头波翻到上面来，或者保持正方向的馒头波不变；对于第二个馒头波，需要一个负向桥式整流电路，把正方向的馒头波翻到横轴的下面去，或者保持负方向的馒头波不变，接下来重复上述过程，直到最后，于是图5所示系列馒头波就变换成系列完整正弦波。对于时长500ms的正向慢头波，当第一个慢头波到来的时候，动态整流电路中的四个PNP型MOS管都导通，四个NPN型MOS管都截止，于是四个NPN型MOS管体内二极管形成了一个正向桥式整流电路，使得第一个馒头波不变；当第二个馒头波到来的时候，动态整流电路中的四个PNP型MOS管都截止，四个NPN型MOS管都导通，于是四个PNP型MOS管体内二极管形成了一个负向桥式整流电路，使得第二个馒头波翻到横轴的下面去；连续观察第一个和第二个馒波，就看到了一个完整的正弦波；此过程连续进行，直到正向馒头波转换完成;对于时长500ms的负向馒头波，当第一个馒头波到来的时候，动态整流电路中的四个PNP型MOS管都导通，四个NPN型MOS管都截止，于是四个NPN型MOS管体内二极管形成了一个正向桥式整流电路，使得第一个馒头波翻到横轴的上面来；当第二个馒头波到来的时候，动态整流电路中的四个PNP型MOS管都截止，四个NPN型MOS管都导通，于是四个PNP型MOS管体内二极管形成了一个负向桥式整流电路，使得第二个馒头波不变；连续观察第一个和第二个馒波，就看到了一个完整的正弦波；此过程连续进行，直到负向馒头波转换完成。实际上，两个正负方向的整流电路在进行上述变换的时候，馒头波正向的还负向的，完全没有区别的，操作过程也完全相同，关键是如何获得两个方向的整流电路以及两个方向整流电路更替的频率，在本电路中，这个更替的频率是10ms。图7是经过上述变换后的电压仿真波形，图5所示“包络为频率1Hz、周期Is正弦波”的频率100H、周期IOms馒头波电压波形，经过上述变换后，产生了如果图7所示“包络为频率1Hz、周期Is正弦波”的频率50H、周期20ms的双边带正弦波电压波形。图8引入了电压补偿电路，目的是把图7所示双边带电压变换成等幅的正弦波电压。图中V8是补偿电压Vc，其电压幅值等于额定输出电压No和动态整流电路输出的电压Voa之差，即Vc = Vo-Voa。图9是补偿后的输出电压仿真波形，可以看到，中间正弦波点划线的里面是图7所示的双边带电压波形Voa，外面是补偿电压Vc的电压波形，两者叠加就是图10所示的输出电压Vo的电压波形。图11是时长300ms的仿真波形，图12是时长200ms 的仿真波形，细节可以看得比较清楚。图13就是图3的电路，栅极的正弦馒头波驱动信号Gp、Gn，换成了由Ql、Q2产生的包络是正弦波的双边带方波信号，Q3的漏极通过变压器TXl的原边接发电机输出电压Vl (频率1Hz、周期Is)，此电压在Q4的源极输出了 50个正弦波电压Voa(频率50Hz、周期20ms)以后，所剩余的那部份电压，降在Q3、Q4的漏源极发热消耗掉；当增加了变压器TXl以后，这部份电压降将按照变压器和Q3、Q4的阻抗比例进行分配，由于变压器原边阻抗远大于Q3、Q4漏源的饱和阻抗，这一部份电压几乎全部降落在TXl的原边，经过功率变换后，变换成图8中的补偿电压V8。Ql是PNP型MOS管，Q2是NPN型MOS管，Ql的漏极通过电压V3接地，Q2的漏极接Ql的源极，其源极通过电阻R2接地，同时接Q4的栅极。驱动信号V2的正极同时接Ql、Q2的栅极，其负极接Q2的源极。V2是高频方波信号，电压V3是幅值为311V的正弦波信号，于是在Q2的源极产生包络为正弦波的高频信号，此信号驱动Q3、Q4。产生包络为正弦波的高频信号的过程，已于前述。图14是输出电压Voa的仿真波形，可以看到，两种输出电压的周期相同，其中幅值较小的是Vob，这部份电压本来要在Q3、Q4的漏源极发热消耗掉；图15是源极输出的电压Voa，在漏极输入电压Vl的一个周期之内(I秒)，产生了正负各25个半波削波正弦波；图16是变压器TXl付边输出的电压仿真波形，其电压幅值决定于TXl的变比。从变压器TXl的原边绕组Pl进入，从变压器付边产生的包络为正弦波的双边带方波电压经过动态整流后，成为正弦波电压Vb，与电阻R3上的交流电压Voa叠加，输出与市电同频、同相、同幅的并网电压。同频的控制由图13中正弦波信号电压V3保证，同幅的控制由补偿电路保证，同相的控制则由电网本身相位决定。如图19所示的电压波形，是在半个周期O. 5s的正弦波V4内部，切下50个周期20ms的正负馒头波Voa，是在半个周期0.1s的正弦波V4内部，切下5个周期20ms的正负馒头波Voa，这都是V4和Voa两者的频率为整数倍的情况，可以证明，图19电路中的V4内部被Voa切去五个削波馒头波后所剩下的部份，和要把这五个削波馒头波补偿成完整正弦波要增加的部份，两者面积相等，即有S = A1+A2+A3+A4+A5 = B1+B2+B3+B4+B5(3)
如图20所示的电压波形，是在半个周期O. 125s的正弦波V4内部，切下6，25个周期20ms的正负馒头波Voa，是在半个周期O. 0625s的正弦波V4内部，切下6. 25个周期20ms的正负馒头波Voa，这都是V4和Voa两者的频率I为整数倍的情况，同样可以证明，图19电路中的V4内部被Voa切去削波馒头波后所剩下的部份，和要把这6. 25个削波馒头波补偿成完整正弦波要增加的部份，面积完全相等，如式(3)。以上分析可知,微功耗永磁风力发电机的全换相器是一个自我完备的系统，即需要补偿的能量，和自身已有的能量相等，不必借助外界补充能量。当然补偿电压要经过功率变换，变换的效率不可能100%，系统内部仍然要消耗能量，但消耗的能量只是极小部份补偿电压在进行功率变换过程中的能量损耗，折算到整个全换相器来说，能量损耗的比例更小。因此微功耗永磁风力发电机，实至名归。
权利要求
1.一种微功耗永磁风力发电机，整机由叶片、叶片转轴、永磁同步电机组成，叶片转轴与永磁同步电机的转轴刚性连接，其特征是永磁同步电机的定子输出的三相电压接全换相器，全换相器把定子输出的三相电压变换成与电网同频、同相、同幅的交流电压，直接并入电网。
2.根据权利要求1所述的微功耗永磁风力发电机，其特征是全换相器由三个电路拓朴相同的基本换相器组成，分别接永磁同步电机的定子输出的三相电压；
3.根据权利要求2所述的微功耗永磁风力发电机，其特征是基本换相器由十个MOS管和一个磁芯变压器组成，1)第五MOS管(Q5)是PNP型，第六MOS管(Q6)是NPN型，第五MOS管的漏极通过变压器TXl的原边绕组Pl接定子的输出电压Vl (A相)的火线，Vl的零线接地，第六MOS管(Q6)的漏极接第五MOS管(Q5)的源极，其源极通过第三电阻(R3)接地，电容Cl和二极管Dl串联，电容Cl的负极接变压器TXl付边的同名端，二极管Dl的正极接变压器TXl付边的异名端，第一电阻(Rl)与电容Cl并联；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)分两组依次顺序串联，漏极在上，源极在下，其中第一、第二 MOS管(Q1、Q2)都接电容Cl的负极，第七MOS管(Q7)的漏极接第六MOS管(Q6)的源极；3)第二电阻(R2)—端接二极管Dl的阴极，一端接第九、十MOS管(Q9、Q10)的源极，第一、二、四、五驱动信号(V1、V2、V4、V5)分别顺序接在第四、三、、九、十MOS管(Q4、Q3、Q9、Q10)的栅极和源极之间,第一、二、四、五驱动信号(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)的栅极分别两两接在一起；第五、六MOS管(Q5、Q6)的栅极其分别接驱动信号Gna、Gpa。
全文摘要
微功耗永磁风力发电机由叶片、叶片转轴、永磁同步电机、全换相器组成，叶片转轴与永磁同步发电机的转轴钢性联接，永磁同步电机输出的三相电压分别接全换相器中的三个基本换相器，全换相器把此三相电压变换成与电网同频、同相、同幅的三相电压并网；全换相器采用器微功耗功率变换，主器件工作在工频，不采用PWM脉宽调制，无EMI干扰，其成本、体积、重量、功耗都是传统功率变换器的十分之一。
文档编号H02M5/45GK103001257SQ20121037696
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月8日 优先权日2012年10月8日
发明者郁百超 申请人:郁百超