一种调节同步发电机输出功率的方法

一种调节同步发电机输出功率的方法
【专利摘要】本发明涉及一种调节同步发电机输出功率的方法，是利用“同步发电机工作时励磁磁场的大小与发电机的输入功率无关，输入功率的大小与感应线圈上接有负载的大小、电流的强弱以及感应线圈的匝数成正比关系，当同步发电机的转子转速不变的情况下，励磁磁场的大小与输出电压大小成正比、与电枢线圈的匝数成正比”的性质来实现的；设计时将转子励磁磁通设计时尽可能的大，且在发电机工作时处于最大值点不变；再就是将定子线圈设计成可调节匝数的结构形式；发电机工作时根据负载的情况靠调节或选用对应定子线圈的匝数的多少及输入功率的大小来保证发电机的输出电压和频率为额定值；另外本发明用于永磁同步发电机节能效果更明显。
【专利说明】一种调节同步发电机输出功率的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种调节同步发电机输出功率的方法，属于交流发电领域。
【背景技术】
[0002]在电磁学中，电磁感应定律是通过大量的实验总结出来的，附图1表示一种电磁转换实例的示意图。在图中，当接通直流电的电磁铁I的N极向感应线圈2移动时，穿过感应线圈2所包围面积的磁通量逐渐增加，根据电磁感应定律，感应线圈2的两端线之间便产生感应电动势，当电磁铁I移动速度一定的情况下，感应线圈2两端电压的高低与电磁铁I的磁场强度及感应线圈2的匝数有关。电磁铁I的磁场强度越强，其穿过线圈2的磁通量越多、感应线圈2两端的电压越高；感应线圈2的匝数越多，感应线圈2两端的电压越高。根据楞次定律，感应电流所产生的磁感应磁场的方向应当与电磁铁I的磁场方向相反，以反抗感应线圈2内磁通量的增加。另外在电磁感应中，圆形电流在圆环内产生磁感应磁场的强度B = uNI/2R(B表示通过圆环圆心的磁感应磁场的强度)与圆环的阻数N和电流强度I成正比(式中u圆环所包围面积介质的磁导率)；同样螺线管内的磁感应强度也与螺线管的匝数和电流成正比；而交流发电机的发电原理来源于电磁感应现象，各种电磁感应现象都应遵循电磁感应定律，其中法拉第电磁感应定律是人们从事同步发电机的研究、设计和应用的主要理论根据之一，该定律指出的“不论任何原因使通过回路面积的磁通量发生变化时，回路中产生的感生电动势与磁通量对时间的变化率成正比”，其表达式为e工=-K dOVdt，式中的负号表明了感应电动势的方向，是楞次定律的数学表示；K表示比例系数，其值决定于式中各量所用的单位。
[0003]在设计同步发电机时,线负荷A = mNIN/ n Dil和磁负荷Bs是设计制造转子励磁线圈和电枢线圈的理论依据(N表示每相串联导体数)，也是调节同步发电机的输出电压和功率的依据之一。传统的(单机运行)同步发电机调节输出功率一般采用两种方法，且通过相互配合来实现，第一种方法是改变磁负荷Bs的大小，即根据负载的情况调节励磁磁场的强弱、第二是调节发电机的输入功率确保输出电压和频率为额定数值。对于某一台发电机来说，每相电枢线圈的匝数N则是一个不可调的固定数值。
[0004]另外，永磁同步电机主要用电动机使用，其小功率及航空领域也作为发电机使用，特别是稀土永磁同步发电机。永磁同步发电机具有体积小、重量轻、效率高、结构简单等优点，但是由于电压调整率的问题而没有在发电领域内得到普遍使用。

【发明内容】

[0005]本发明涉及一种调节同步发电机输出功率的方法，其目的在于改变或者说寻找新的同步发电机调节输出电压和功率的方式，同时达到节约能源消耗的目的。下面就通过实验例子来分析说明。
[0006]实验一，参照附图1，图中的右图表示通有直流电流线圈的电磁铁1，也可称之为励磁磁铁。其中3表示直流电源，4a表示控制开关，5a表示可变电阻，6a表示直流电流表，8表示电磁铁I移动的方向,9表示电磁铁I的磁场方向。左图表示感应线圈2并且其中的一个端线能够左右移动使线圈的匝数发生变化，左图中的感应线圈、电流表、控制开关和负载组成串联线路，其中2表示感应线圈，4b表示串联在感应线圈线路上的控制开关，5b表示串联在感应线圈线路上的可变电阻，6b表不串联在感应线圈线路上的交流电流表，7表不并联在线路负载两端的电压表，10表示感应线圈2产生的磁场方向。根据附图1所示的磁电转换原理，下面分两种做法进行实验说明。
[0007]做法一，实验时使线圈2的匝数固定不变(线圈2所包围的面积为非铁磁质介质)、在外力的作用下使电磁铁I向左移动。当断开控制开关4b，也就是当感应线圈2没有接通负载；调节可变电阻5a的阻值发生变化，也就是改变励磁磁场的强度时，作用在电磁铁I上作用力则没有变化。可见空载时作用在电磁铁I上的作用力与励磁磁场的大小无关。如果闭合控制开关4b、可变电阻5b的阻值固定在某一位置不变、调节可变电阻5a使阻值由最大逐渐减小时，则电压表7和电流表6b上显示的数字均逐渐增大，此时作用在电磁铁I上作用力也要逐渐加大；在这期间如果调节可变电阻5a使阻值由最小逐渐增大时，其结果刚好相反。可见当可变电阻5b的阻值固定、通过感应线圈2线路的电流变化时，作用在电磁铁I上的作用力也随之变化，且成正比关系。从实验中发现，感应线圈2负载时作用在电磁铁I上的作用力的变化，从现象上看是由于改变电磁铁I的电流而产生的，但是从本质上是由于改变电磁铁I的电流使电磁铁I的磁场强度发生了改变、从而使感应线圈2产生的感应磁场发生变化，正是感应磁场的变化通过与电磁铁I的磁场相互作用使作用在电磁铁I作用力发生变化的。所以作用在电磁铁I上作用力的变化是由于感应磁场发生变化而直接引起的。可以说感应磁场发生变化是导致作用在电磁铁I上作用力变化的直接原因；改变电磁铁I电流的大小是间接原因。
[0008]上述的实验符合电磁感应第定律，实验中感应线圈2的电磁感应现象与【背景技术】中所述的圆形电流产生的磁感应磁场的强度和螺线管内的磁感应强度的结论相同，不同之处在于圆环形电流和螺线管内的电流是由其它电源提供的电能，而附图1所示的感应线圈2的电流是由自身感应产生的。再由【背景技术】所述的楞次定律，在上述的实验中，作用在电磁铁I上作用力的大小与感应线圈2内电流感应出磁场的强弱有关，因为电磁铁I的磁场方向和感应线圈2感应产生的磁场方向相反；楞次根据感应电流的磁现象将感应电流的方向以及判断感应电流方向的方法以定律的形式加以确定，但是遇到具体的关于电磁感应的应用时，应从电磁学和力学的视角去综合的进行分析感生电流产生的磁场与那些相关参数有关联、与这些参数在量值上的关系以及感生电流产生的磁场的大小与引起感应磁场的原因之间的关系。在附图1所示的实验中，从力学的角度看，可以认为感应磁场对电磁铁I的励磁磁场的反抗力看作是作用力，作用在电磁铁I上的外力看作是反作用力，反作用力在量值上等于作用力；作用力与反作用力同时产生同时消失；反作用力(外力)的大小随作用力(感应磁场反抗励磁磁场的变化)的变化而变化。通常人们把感应磁场产生的对励磁磁场的反抗作用看作是阻力，同样从力学的角度看作用力与阻力的关系为:作用力的大小随阻力的变化而变化，以上两种观点并不矛盾。在上述的实验中，作用在电磁铁I上的外作用力的大小取决于感应线圈2内电流感应产生的感应磁场的强弱，感应磁场强产生的阻碍电磁铁I的阻力就大，感应磁场越弱产生的阻力就小。可见在一定的条件下要减小作用在电磁铁I上的外作用力，就应该在产生“阻力”的原因方面入手。在上述的实验中，感应磁场的强弱与感应线圈2的匝数和通过电流的大小成正比关系，当感应线圈2电流强度一定时感应线圈2的阻数越多在感应线圈2所包围面积上产生的磁通越大，电磁铁I上受到的阻力就越大；当感应线圈2的匝数一定通过该线圈的电流越强在感应线圈2所包围面积上产生的磁通越大，电磁铁I上受到的阻力就越大。反之，电磁铁I上受到的阻力就越小。可见感应线圈的匝数和通过感应线圈的电流强度是产生阻力的原因。
[0009]做法二，当调节可变电阻5a的阻值也固定在某一位置不变、使作用在电阻5b两端的电压为一定的数值，也就是使感应线圈2所带负荷显示的功率一定时。可采用两种方法实现感应线圈2所带负荷发挥相同的功率，也就是使作用在负荷两端的电压相同、通过负荷的电流强度相等。第一种方法是采用磁场强度较低的电磁铁I励磁，较多的磁感应线圈2匝数；第二是采用磁场强度较高的电磁铁I励磁，较少的磁感应线圈2匝数。实验结果证明，采用第一种方法作用在电磁铁I的作用力较大，也就是输入功率较大；采用第二种方法作用在电磁铁I的作用力较小，也就是输入功率较低。可见当感应线圈2的输出功率一定的情况下，励磁磁场的强弱和感应线圈匝数的多少这两个变量均与发生电磁感应时输入的功率有关，其中采用较强的励磁磁场和采用较少的感应线圈的匝数对减小感应线圈电流磁场产生的阻力有利。另外，由【背景技术】所述的圆形电流感应产生的磁场解析式B = UNI/2R可以看出，感应磁场B与圆环的匝数N和电流强度I成正比；同理可得，在实验一中当感应线圈2感应产生的磁场强度不变、电流强度I不变的情况下，感应磁场的强度与感应线圈2的匝数成正比关系；而作用在电磁铁I上的作用力与感应线圈2感应产生的磁场强度也成正比关系，以此类推作用在电磁铁I上的作用力与感应线圈2的匝数也成正比关系。上述的实验中也证实了这一点，即采用第二种方法作用在电磁铁I的作用力较小。
[0010]总结以上实验得:a.电磁铁I的磁场强度的大小，也就是调节励磁电流大小、变化感应线圈2匝数的多少都会使感应线圈2两端的电压发生变化。b.电磁铁I上励磁线圈电流的大小与作用在电磁铁I上作用力的大小没有直接关联；c.感应线圈2的感应磁场的强弱与作用在电磁铁I上的作用力大小有直接关联。d.当通过感应线圈2的电流强度一定时，感应线圈2匝数的多少与作用在电磁铁I上的作用力大小成正比关系。
[0011]实验二，由同步电机的构造原理可知，其三相定子线圈与三相对称负载各自组成串联电路，也就是说三相对称负载上的相电流与三相定子线圈上的相电流对应相等(通常三相定子线圈是对称的)。实验时，取两台相同型号相同功率的三相同步电机，一台作为电动机使用，另一台作为发电机使用且在不改变定子线圈总匝数的情况下将三相线圈制作成类似自耦变压器线圈的结构形式，即感应线圈的匝数具有可调性。下面分四种情况进行实验:a.当同步电动机接三相电源带动同步发电机空载运转且达到额定转速时,此时调节同步发电机的励磁电流的大小，结果发现同步电动机的输入电流几乎没有变化，也就是说当发电机空载时发电机的输入功率不变；发电机的输出电压则随之变化。b.当同步发电机接有小于额定负载时，同步电动机的输入电流随之增加；负载两端的电压随之下降。C.当同步发电机接有额定负载时，由于发电机的输出电压产生压降，所以需要调大发电机转子励磁电流，使其达到额定电压值，此时同步电动机的输入电流也随之增加。d.当发电机接有小于额定负载时，可用两种方法实现作用在负载上的电压达到或保持在额定值:第一种方法是，发电机的三相电枢线圈处于匝数最多时的位置，调节转子励磁电流的大小使负载两端为额定电压；第二种方法是，调节转子励磁电流到最大位置固定不动，降低三相电枢线圈的匝数使负载两端为保持在额定电压值。实验结果证明，用这两种方法时同步电动机的输入电流不同，用第一种方法电动机输入电流大，也就是发电机的输入功率较高；用第二种方法时电动机输入电流小，也就是发电机的输入功率较小。由以上实验可总结出以下结论:当发电机所带负荷小于额定值时，同步发电机工作时励磁磁场00(00表示转子磁场的通量)的大小和定子线圈匝数的多少与发电机的输出电压成正比；与发电机输入功率的大小有关。所以如何调节和搭配励磁电流的大小和定子线圈的匝数这两个变量与发电机输入功率的大小有关，即采用较强的励磁电流和较少的定子线圈匝数发电机的输入功率较小，具有减小能源消耗的效果。
[0011]实验二与实验一相比较，所不同的是两个电磁感应的结构形式不同，但其原理相同。在实验二的结论中，所述的同步发电机空载时励磁磁场的大小与发电机的输入功率的大小无关，其原因在于此时同步三相发电机内只有转子励磁磁场而没有定子电流，也就没有定子磁场，同时也就产生不了阻碍转子旋转的阻转矩；相同的实验可得，当发电机负载运行时励磁磁场的大小与发电机的输入功率也没有直接的关系。所述的同步发电机输入功率的大小与同步发电机接有负载的大小和定子线圈的匝数有关联。其原因在于同步发电机的三相电源线圈接有负载，那么电源线圈内就有与通过负载相等的电流，该电流流过电源线圈时便产生阻碍转子旋转的阻转矩，从而使发电机输入功率加大以维持其输出的电压和频率保持在额定值；根据圆形电流和螺线管电流产生感应磁场强度的原理，当通过感应线圈的电流强度一定的情况下，线圈的匝数与感应线圈电流产生的相对转子磁场的阻转矩成正比个关系，所以当电流强度一定感应线圈匝数越多发电机输入功率就越大。另外定子线圈电流在转子磁场中同时也产生安培力，也对转子也产生阻转矩，同样安培力与感应线圈的阻数也成正比关系。所述的励磁磁场的大小与发电机的输出电压成正比，发电机的输出电压与电枢线圈的匝数成正比，其原理如【背景技术】所述、与磁通量穿过线圈所包围面积的多少有关，该结论是遵循电磁感应定律产生的结果。
[0012]通过实验二得到与实验一原理相同的结论:a.调节同步发电机转子励磁电流的大小、变化定子感应线圈匝数的多少，都会使感应线圈两端的电压发生变化；b.同步发电机的转子励磁电流的大小与作用在转子上的作用力，也就是与发电机的输入功率的大小无直接关联；c.发电机所带负载的大小、输出电流的高低与发电机的输入功率的大小有直接关联。d.当同步发电机的输出功率一定、提高转子励磁磁场的强度减少定子感应线圈匝数，能够降低发电机的输入功率。
[0013]人们利用电磁感应现象及相关定律制造发电机，其主要目的在于利用电能造福于社会，而电能是由其它能量转化而来的。例如同步发电机就是将其它形式的能量输入发电机经发电机的转子励磁磁场及定子线圈的电枢反应转化成电能的。所以当发电机所带负荷不同时，特别是单机工作的同步发电机选用何种方法来调节发电机的输出电压，是衡量该发电机能量转化率高低的关键。从实验一的电磁感应实验发现，调节感应线圈2匝数的多少可使感应线圈2的输出电压发生变化、能影响作用在电磁铁I上作用力的大小；当负载和作用在负载上的电压一定时，采用较强的励磁磁场和较少匝数的感应线圈是减小输入功率的一个途径，是节约能源的一种方法。
[0014]另外，由于同步发电机接有的负载必然使电源线路产生压降，且负载越大压降也越大，即负载与压降成正比关系。所述的当发电机接有负载时，调节发电机的励磁电流或调节电枢线圈的匝数使其达到额定电压，是指补偿因负载产生的压降部分。
[0015]从上述的实验发现，设计同步发电机所需要的参数中，转子转速、转子励磁磁场的大小和定子电枢线圈的匝数是同步发电机的三个重要参数，是影响同步发电机输入输出功率的主要因素。所以合理确定这三个参数的大小及怎样调节、或者说主要调节哪些参数，对衡量一台同步发电机性能的优劣、是否做到合理的利用能源至关重要。
[0016]目前调节同步发电机的输出功率有两个途径，一个是根据负载的情况调节励磁磁场的大小以确保发电机的输出电压为额定数值；第二是根据负载的情况调接发电机的输入功率使其转子磁场保持在额定转速下运行，确保输出电压的频率为额定数值；这两种方法且相互协调匹配。从上述的实验中发现，三相同步发电机定子电枢线圈的匝数也是一个可调节的参数，只是目前在发电机设计中定子电枢线圈的匝数设计成不具有可调性，所以在调节发电机的输出功率时没有涉及该参数变化会对发电机的影响。下面就将定子电枢线圈的匝数设计成具有可调性时，讨论对同步发电机的影响。
[0017]附图2表示利用本发明设计的两极同步发电机中电枢线圈在定子铁心上的结构原理不意图。图中11表不定子铁心；12表不键嵌在定子槽口内二相电枢线圈，每一相共有n匝；13表示用于当每相n匝电枢线圈均接通三相对称额定负载时的三相四线电源，并设电源电压用V表不;14表不每相电枢线圈有4/5n 0L用于连接小于额定负载的三相四线电源，电源电压用V1表示；15表示每相电枢线圈有3/4n匝，用于连接更小于额定负载电压的三相四线电源，电源电压用V2表示。
[0018]由上述实验总结的结论:同步发电机工作时励磁磁场的大小与发电机的输入功率无关；同步发电机的输入功率的大小与感应线圈匝数的多少、负载的大小有关。再根据电磁感应定律，当要求通过负载的电流(相电流)一定的情况下，那么感应线圈电流产生的通过线圈所包围面积的磁通量与组成线圈的匝数成正比。这样就可以通过增强励磁磁场和减小电枢线圈的匝数来保证发电机的输出的电压为额定值，从而实现减小发电机的输入功率节约能源的目的。另外由于三相同步发电机工作时，无论并网发电的大型发电机还是单机运行的中小型发电机，不可能所带负荷都是额定载荷，所以可通过在发电机的每一相电枢线圈上选择在不同匝数点处引出多条端线的方法来实现，如附图2所示。附图中电源端线有三组，分别表示不同电压值的三相电源，分别用A1B1Cp A2B2C2和A3B3C3表示。端线A1B1C1表示发电机在接额定负载时的三相电源，其电压值最高；端线A2B2C2表示发电机在接通比额定负载小时的三相电源，其电压值次之；端线A3B3C3表示发电机在接更小的负载时的三相电源，其电压值最低。发电机工作时使发电机的转子励磁磁场始终处于最大状态，而调节定子电枢线圈的匝数可实现发电机调节电压的目的，其电压调节率可同等于调节励磁磁场的大小。在附图2中可根据负载的大小选用不同电压值的三相电源。另外，考虑到当三相同步发电机负载运行时三相电枢线圈的输出电压都会出现压降，但压降的程度不同，负载越大压降越大。所以，图中所示的三个电源电压均高于接有相应负载时的额定电压，当接有相应的负载时电压才降至额定值。在附图中，当发电机空载时V > V1 > V2并且都高于额定电压；当三个不同压值的电源不同时段接有对应的负载时V = V1 = V2且等于额定电压。
[0019]以上是从电磁感应原理上对本发明涉及的一种调节同步发电机输出功率的方法通过实验进行的说明。本发明主要有两个方面，一是将转子励磁磁场强度设计时尽可能为最大值，第二是将发电机的定子线圈设计成具有可调节匝数的形式。当发电机工作时根据负载的大小靠调节定子线圈的匝数及输入功率保证发电机的输出电压及频率为额定值。在有益效果方面，本发明能够在接有同样的负载、电压和电流强度的情况下靠减少定子线圈的匝数、达到减小定子线圈电流对转子产生的阻转矩，从而实现节约能源的目的。而传统的同步发装置则是采用定子线圈的匝数固定不变，发电机发电时，根据负载的情况靠调节转子励磁电流的大小及调节输入功率来实现发电机的输出的电压和频率为额定值的。
[0020]在传统的同步发电机的设计时，参数电磁负荷々和Bs是确定转子磁场强度及定子线圈匝数的依据，设计时其线负荷A和磁负荷1的选取对发电机的性能有关。如果采用较大的线负荷A = mNIN/Dil (式中m表示相数、N表示每相串联的导体数、In表示额定相电流、Dil表示定子铁心内径)，电枢绕组的铜损耗较大，会产生较大的负载损耗，因为空载损耗与负载损耗无关；如果采用较高的磁负荷Bs会产生较大的励磁绕组的铜损耗和铁损耗，较大的励磁绕组的铜损耗，因为铁损耗与负载损耗无关，即产生较大的空载损耗。A和Bs确定了效率与负载的相关变化关系，它决定了一定运行状态下的最佳匹配。然而综合分析其减少电枢绕组的匝数提高励磁磁场Otl所带来的效果与空载损耗相比要大的多，更何况减少电枢绕组的匝数又可使线负荷A降低，从而降低了负载损耗，所以采用本发明利远大于弊。本发明的不足方面在于，由于受材料材质的制约要提高转子铁心的磁饱和度受限；调节定子线圈的匝数比调节转子励磁电流难度较大；再就本发明所述的同步发电机的调压装置是一种有级电压调节，所说的有级的级数是有限的，而发电机所带负载是一个无级别、不确定的数值，所以所说的根据负载的大小选择不同压值的电源只能是相对接近值。当接上负载时其两端的电压只能是接近额定值。而传统同步发电机的励磁磁场的调压装置是一种无级调节，接上负载时两端的电压能够实现渐进式调节，可以使负载两端的电压趋近于或等于额定值。
[0021 ] 另外，从永磁同步电机的结构看，采用本发明更为有效，假如永久磁铁的磁场强度足够强且其它性能达到要求，永磁同步发电机将会得到普遍应用。在现有的永磁电机中，因为永磁同步电机的转子励磁磁场是固定不变的，本身不具可调性、没有转子电流励磁机构，所以永磁同步发电机只需将定子线圈改为可调性，其电压调整率同样可达到实际要求的范围。同时永磁同步发电机去掉了直流电流励磁结构部分，使永磁发电机变的结构简单、效率高、节能效果好、体积小、重量轻、环境适应能力强及故障率低等优点。永磁同步发电机适合运用到中小型发电机领域，如风力发电机、移动式小型发电机、火车用发电机、船舶用发电机及航空用发电机。所述的节能效果好，从理论上讲减少定子线圈匝数占总匝数的百分数，就是永磁发电机节约能源的数值；与直流励磁的同步发电机相比较，这个百分数还应加上因励磁装置所消耗的能量。
[0022]综上所述，本发明所提供的一种调节同步发电机输出功率的方法，是利用“同步发电机工作时励磁磁场的大小与发电机的输入功率无关，输入功率的大小与感应线圈上接有负载的大小、电流的强弱以及感应线圈的匝数成正比关系，当同步发电机的转子转速不变的情况下，励磁磁场的大小与输出电压大小成正比、与电枢线圈的匝数成正比”的性质来实现的；设计时将转子励磁磁场强度尽可能的大，且在发电机工作时无论是负载大小都使转子励磁磁场强度处于最大值点不变，也就是采用取最大的磁负荷Bs和较小的线负荷A ;将发电机的定子线圈设计成可调节匝数的结构形式，在发电机工作时根据负载的大小靠调节定子线圈的匝数的多少、调节输入功率的大小来保证发电机的输出电压和频率为额定值；另外该发明用于永磁同步发电机更为有效。所述的同步发电机工作时励磁磁场的大小与发电机的输入功率无关，是指励磁磁场的大小是由励磁电流的变化产生的，励磁磁场的变化通过发电机的转子与定子之间的气隙导致定子线圈内感应电流的变化，感应电流产生的感应磁场阻碍转子的转动，所以准确地说励磁磁场的大小与发电机的输入功率无直接关系。所述的将发电机的定子线圈设计成可调节匝数的结构形式，有两种方法:一种是将每一相定子线圈在不同匝数时的节点引出多条端线，组成多个不同电压值的电源点作为发电机的输出电源；另一种则是将定子线圈设计成类似自耦变压器绕组调压的结构形式，即将接点与绕组的引出端线裸露表面自由滑动或转动的电刷触头，变动电刷位置从而改变绕组的匝数。所述的将转子励磁磁通设计时尽可能为最大值且在发电机工作时固定不变，其最大值是指根据转子磁极铁心的材质，使转子磁极的磁通密度接近或达到磁饱和；固定不变是指发电机的转子励磁电流既可以制作成可调也可制作成固定不变，但是在发电机工作时使转子励磁电流处于最大的位置。所述的该发明用于永磁同步发电机更为有效，是指永磁同步发电机只需对定子线圈改为可调性，从而实现永磁同步发电机的电压调整率达到实际要求的范围；总之传统同步发电机是靠调节转子励磁电流使发电机的输出电压逐渐变化至额定值；而本发明的一种调节同步发电机输出功率的方法，是当发电机接上相应的负载时，靠调节定子线圈的匝数是使输出电压由高于额定电压再逐渐降低至额定电压值的。
【专利附图】

【附图说明】
[0023]附图1表示一种电磁感应的实验示意图。
[0024]附图2表示用本发明设计的两极三级同步发电机电枢线圈在定子铁心上的接线形式的示意图。所说的三级是指该发电机有三个不同压值的三相电源接口。
【具体实施方式】
[0025]本发明涉及的一种调节同步发电机输出功率的方法，主要是在设计直流励磁装置时，取较大的磁负荷Bs和较小的线负荷A ;在发电机工作时转子励磁磁场始终处于最高点；定子电枢线圈绕成具有可调性。对于永磁同步发电机的设计时，励磁磁场是由永久磁铁提供的，但永久磁铁的磁场的强度直接影响发电机的性能，目前采用磁场强度较高的稀土永久磁铁较佳；只需要将发电机的定子电枢线圈绕绕成具有可调性即可。
[0026]所述的取较大的磁负荷Bs，就是使励磁磁场强度尽可能强。在现有基础上要进一步提高转子励磁磁场的强度必须提高转子磁极铁心的磁饱和度，要实现这个目的主要是选用磁饱和度高的材料制作转子铁心。所述的取较小的线负荷A，主要是减小每相电枢线圈在额定输出功率时的匝数，但必须在额定负载时发电机的输出电压达到额定电压的情况下进行，这就要进行相关理论计及必要的实验后确定。调节电枢线圈的匝数方式既可采用附图2所示的多点有级固定电压输出式，也可采用类似“自偶变压器”的自由滑动或转动的有级调压方式，即将线圈绕到一定圈数时，分别引出多条端线接在调压装置上，调压装置上组成多组三相端线点；然后将三相输出电刷触头任意滑动或转动与其中的一组端线接触，即可达到调压的目的。
[0027]对于永磁同步发电机来讲，只要将定子电枢线圈制作成可调匝数的线圈就可以了，至于将定子线圈加工成几个级别的电源，可根据实际需要而定，几个级别的三相电源也可分别接到几个三相电源开关上，在实际运用时，根据负载的大小接到相应的三相电源上即可。
【权利要求】
1.本发明所提供的一种调节同步发电机输出功率的方法，是利用“同步发电机工作时励磁磁场的大小与发电机的输入功率无关，输入功率的大小与感应线圈上接有负载的大小、电流的强弱以及感应线圈的匝数成正比关系，当同步发电机的转子转速不变的情况下，励磁磁场的大小与输出电压大小成正比、与电枢线圈的匝数成正比”的性质来实现的；设计时将转子励磁磁场强度尽可能的大，且在发电机工作时无论是负载大小都使转子励磁磁场强度处于最大值点不变，也就是采用取最大的磁负荷B S和较小的线负荷A ;将发电机的定子线圈设计成可调节匝数的结构形式，在发电机工作时根据负载的大小靠调节定子线圈的匝数的多少、调节输入功率的大小来保证发电机的输出电压和频率为额定值；另外该发明用于永磁同步发电机更为有效。
2.如权利要求书I所述的同步发电机工作时励磁磁场的大小与发电机的输入功率无关，是指励磁磁场的大小是由励磁电流的变化产生的，励磁磁场的变化通过发电机的转子与定子之间的气隙导致定子线圈内感应电流的变化，感应电流产生的感应磁场阻碍转子的转动，所以准确地说励磁磁场的大小与发电机的输入功率无直接关系。
3.如权利要求书I所述的将发电机的定子线圈设计成可调节匝数的结构形式，有两种方法；一种是将每一相定子线圈在不同匝数时的节点引出多条端线，组成多个不同电压值的电源点作为发电机的输出电源；另一种则是将定子线圈设计成类似自耦变压器绕组调压的结构形式，即将接点与绕组的引出端线裸露表面自由滑动或转动的电刷触头，变动电刷位置从而改变绕组的匝数。
4.如权利要求书I所述的将转子励磁磁通设计时尽可能为最大值且在发电机工作时固定不变，其最大值是指根据转子磁极铁心的材质，使转子磁极的磁通密度接近或达到磁饱和；固定不变是指发电机的转子励磁电流既可以制作成可调也可制作成固定不变，但是在发电机工作时使转子励磁电流处于最大的位置。
5.如权利要求书I所述的该发明用于永磁同步发电机更为有效，是指永磁同步发电机只需对定子线圈改为可调性，从而实现永磁同步发电机的电压调整率达到实际要求的范围。
【文档编号】H02P9/14GK103516273SQ201210207978
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2012年6月16日 优先权日:2012年6月16日
【发明者】丁士来, 丁颖颖, 李晓利, 郭国勤, 丁世东, 顾康, 李振中 申请人:丁士来