专利名称：节能型多相发电机整流器电源系统的制作方法
技术领域：
本发明属于电技术中的交流同步发电机、整流器和变频器领域，具体涉及由交流发电机发电，而后通过AC/DA变换，最后获得直流电或交流电输出的电源系统装置。
背景技术：
在现有应用直流电源中，基本上不再使用直流发电机，而大都采用同步型交流发电机，然后通过整流器变换为直流电的模式。不管是大型、中型或小型机组，通常采用交流三相同步发电机的星形接法和线电压输出接入三相桥式整流器，先整流为直流获得应用，然后还有可能通过电子变频，获得固定或变化频率的交流电的应用方式。殊不知这样一种应用会产生相当大的电压损失和功率损失，不能完全利用交流发电机的潜力，相应地降低了发电机组的输出能力和效率，造成设备和能源的浪费。
发明内容
本发明的目的是发现三相同步机组中为何会产生这种浪费的原因，然后针对该原因，构建消除这一损失的系统装置，以达到增加机组额定功率和功率输出，实现系统节能增效的目的，从而降低系统的发电成本，产生可观经济利益。本发明是这样实现的，由交流发电机(1)、整流器( 等组成的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构，结合与发电机的相数匹配的整流器(2)组成的，能减小或消除三相电制系统中线电压损失的节能型电源装置。本发明的技术效果是，多相同步发电机所发电压可以降低甚至消除现有三相机系统中15. 8%的线电压损失，所以本发明装置整流后的直流电压普遍高于现有三相交流发电加上整流器的传统机组，系统输出功率、效率都有不小的升幅，因此机组具有高效节能的优点，而提高机组相数后不论是发电机、整流器等，所增加的成本比例远小于功率增幅，且还能从所节约的电能中得到多倍补偿，所以在经济上是特别有利的。
图1、三相同步发电机向量和发电整流系统接线图。图2、三相交流电整流后的直流电压波形图。图3、五相同步发电机和七相同步发电机向量图。图4、四相和六相同步发电机向量图。图5、四相同步发电机和整流器接线图。图6、多相同步发电、整流、变频电源框图。
具体实施例方式当今我们采用的从机械能转变为直流电的装置，不再使用价格昂贵的直流发电机，而广泛采用交流同步发电经硅二极管整流成直流的技术路线。所用的三相发电机和三相供电电网体制中的大型发电机是一致的。实践表明，这样一种三相电制式结构，是人类社会从交流电机中发展出来，经过长期实践，不管是对发电机还是对电动机来说，都是比较适合的一种成熟技术制式。但是，三相电制从直流电的角度衡量，却并不是最理想的制式。图Ia所示为三相同步发电机的电压向量图。从图中可以发现，发电机明明发了三组交流电压，即相电压UA、UB、U。，假如如通常所说的单相电压220V，也就是说发电机发了三组220V的电压，但是我们为获得大功率直流电而使用三相电的时候，通常将发电机的三根相线接到电动机或整流器的输入端，这时却只有区区的380V的电压，而不是440V或甚至660V。当然，要得到660V，也不用变压器的话，那是很难的。但是，能不能求其次，直接得到440V呢？在图Ia中，绿箭线代表相电压，红线代表线电压。线电压是二个相电压相加的结果，如果绿线长度为220V时，红线长度就是380V。正是因为相位不同，由二个相电压加在一起所形成的线电压，这个加法就成了折线相加而不是直线相加。而我们所乐意经常使用的偏偏就是三相线电压。假如我们能按理想状况，即实现直线相加，就应该可以得到440V的电压，但现实却只能得到380V，所损失的线电压为440V-380V = 60V(式 1)可见，采用三相电制电源系统线电压损失率约为60V/380V = 15. 8%(式 2)电压损失相当于势能损失，同样意味着功率的损失，通过整流后所得到的直流电压约损失85V。也就是说，由于三相体制中存在的线电压损失，导致了直流输出电压损失，降低了三相系统输出功率和相应增加了机组成本，这是一种普遍却至今不为人知的浪费。图Ib所示为发电机与整流器连接后产生直流的电源装置，发电机(1)为如图Ia星形接法的三相同步机，D1-D6为六个整流二极管所组成三相桥式整流器0)，C为滤波电容器，用于减少直流电中的交流脉动纹波。E为储能用蓄电池，可将发电机发出的交流并经过整流后的直流电能加以储存，为负载提供稳定的电能。图Ib所示的骨干电路也是现有电源中绝大部分直流装置的传统线路结构。图2所示是三相交流电整流后未接滤波电容器C和蓄电池的直流电压Udc波形图。当然加了 C和E后，Udc的高低电压差就小得多，特别是当C和E容量足够大，交流电路内阻足够小，负载也足够轻的时候，Udc就可以接近其最高直流输出电压Udcmax Udcmax = 4"2 X 380V (式 3)可以计算得，当相电压为220V时，Udcmax约为537V。如果能够消除三相系统中的线电压损失，即理想地获得440V的线电压，那么，就可以期望得到约为622V的最高直流输出电压Udcmax。Udcmax = ^ X 440V (式 4)下面需要分析探讨的，是本发明如何减小线电压损失的系统。如果采用比三相为高的相数，系统的相电压和直流输出电压会有什么变化。图3a为五相同步发电机的电压向量图，图北为七相同步发电机的电压向量图。与图Ia对比，仍沿用相同长度的绿箭线代表相电压，用红线代表线电压。可以发现，虽然相电压相同，但代表线电压的红线会随着系统相数的增加而增长，也就是说，如果三相电制供电的系统线电压损失60V，线电压损失率约为15. 8%的话，则五相电制供电的机组线电压损失22V，线电压损失率约为5. 3%。而七相电制供电的机组线电压损失仅11V，线电压损失率更降低到约为2. 6%的低水平。可以明显看出，在奇数相数的多相发电机电源系统中，随着相数的增加，交流线电压损失率迅速下降，从图解中不难发现，继续增加发电机相数，例如九相、十一相，交流线电压损失率还将不断降低，直至接近于零，但降低的幅度越来越小。由于整流器直流电压输出与交流线电压成正比，线电压损失同样意味着直流输出电压的损失。所以，本发明的多相系统是避免现有三相体制的缺陷，使新的电源系统增加功率输出、降低机组成本和提高系统效率的装置，其特征为，交流发电机⑴为五相或七相交流发电机⑴为五相或七相等奇数相的同步电机结构，同时整流器O)也是与该发电机的相数匹配的多相整流器结构所组成的节能型电源装置。下面进一步分析偶数相的同步发电机整流器系统结构的电压情况。图如为四相同步发电机的电压向量图，图4b为六相同步发电机的电压向量图。在图4中，依然用相同长度的绿箭线代表相电压，红线代表线电压。应该明确的是，与三相电制不同，在三相以上的多相发电机体系中，虽然相电压都只有一个数值，但线电压却有几个数值，如四相体系中，就有两种长度的线电压Uab和UAC, Uab用红色虚线表示而Uac用红色实线表示，可见Uac大于Uab,由于整流器输出电压总是与整流器的交流输入电压数值有关，而对交流电的相位不敏感，整流管只让最高的电压导通，所以整流后的输出直流电压数值，仅与最大线电压Umax，也就是^有关。从四相发电机和四相整流器机组中可以发现，线电压^可以看作两个相电压的直线相加，从而不再存在奇数相电制系统中折线相加的现象，所以就没有线电压损失。六相电制系统也与四相系统有同样的效果，正如图4b中所描绘的，其最大线电压为Uad，也没有线电压损失。推而广之，可见所有偶数相电制的交流发电机组，在整流变换过程中都不存在线电压损失。所以，本发明的使现有电源系统增加功率输出和提高效率的装置有以下特征，其特征为，交流发电机(1)为四相或六相等偶数相的同步电机结构；同时整流器(2)也是与该发电机的相数匹配的整流器结构所组成的节能型电源系统；其最大线电压为相电压的二倍。图5为四相同步发电机和四相整流器接线图，图中的整流器由Dl至D8八个二极管组成四相桥式整流，C为滤波电容器，用于减少直流电中的交流脉动纹波。E为储能用蓄电池。可以按图5所示的基本结构组成本发明的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构，同时整流器⑵也是与该发电机的相数匹配的多相整流器结构，整流器( 后并联有一组由蓄电池和/或超级电容所组成的节能型直流电源装置。该装置可以用作风电路灯等应用设备的电源系统。其它多相数的发电机和整流器的接线类同于图5，不在此一一列举。根据理论分析，可以得出不同相数交流发电机的相关电压数值，见表1。经过整流器所输出的最高直流电压数值Udcmax应为Umax乘以根号2的积。表1不同相电制下的线电压比较
权利要求
1.节能型多相发电机整流器电源系统，由交流发电机(1)、整流器( 等组成，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构，结合与发电机的相数匹配的整流器(2)组成的，能减小或消除三相电制系统中线电压损失的节能型电源装置。
2.权利要求1所述的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为五相或七相等奇数相的同步电机结构，同时整流器O)也是与该发电机的相数匹配的多相整流器结构所组成的节能型电源装置。
3.权利要求1所述的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为四相或六相等偶数相的同步电机结构；同时整流器(2)也是与该发电机的相数匹配的整流器结构所组成的节能型电源系统；其最大线电压为相电压的二倍。
4.权利要求1所述的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构，同时整流器(2)也是与该发电机的相数匹配的多相整流器结构，整流器(2)后并联有一组由蓄电池和/或超级电容所组成的节能型直流电源装置。
5.权利要求1所述的电源系统，其特征为，其特征为，发电机(1)为三相以上的多相节能型交流同步发电机，包括永磁同步机、励磁同步机、永磁励磁复合型同步机、无刷交流同步发电机、带齿轮箱的高速同步发电机、低速直驱型同步机、中速半直驱同步机、或具有双定子双转子的PCT同步发电机(又称同步/异步二次发电机)。
6.权利要求1所述的电源系统，其特征为，交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构；整流器( 是与发电机的相数匹配的可控型整流桥，可以是半控型或全控型的线路，控制形式为半控型中的相位控制或者全控型中的PWM脉冲宽度控制；也可以是全控型或半控型的器件，其中的整流管可采用半控型器件中的可控硅，也可以是全控型器件中的GT0、IGB T、VMOS管，或者晶体管、达林顿管等器件。
7.权利要求1所述的电源系统，其特征为交流发电机(1)为三相以上的多相同步电机结构；整流器O)也是与发电机的相数匹配的可控整流或不可控整流结构；同时在整流器(2)后面，还接一个变流器(3)，将直流电逆变为交流电向负载供电、或者独立成网或与其它发电装置构成互补供电电网，或者将电能送入大电网。
全文摘要
节能型多相发电机整流器电源系统,本发明揭示了长期来始终为大众所不知的，现有三相电制中线电压白白损失的原因，并针对产生该能源浪费的根源，提出了一条新的改进路线，即采用三相以上的多相同步发电机组成的电源系统，能挽回该损失，将能量输出比现有三相系统增加最多为15.8％的解决方案。多相交流发电机电源系统的提出，更丰富了发明者在之前提出的直流电增能技术，是对节能节电事业和可再生能源开发的重要技术突破，在节能和新能源产业的国际竞争中，具有重大经济利益。
文档编号H02K19/36GK102570746SQ20121000634
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月9日 优先权日2012年1月9日
发明者於岳亮, 於菲 申请人:上海稳得新能源科技有限公司