直流電增能的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種直流電增能的方法，采用如下步驟：在傳統(tǒng)的由三相交流同步發(fā)電機(jī)、和/或三相變壓器、三相整流器組成的直流電源系統(tǒng)中，采用由三相以上的交流同步發(fā)電機(jī)、與交流同步發(fā)電機(jī)匹配的同相數(shù)的整流器進(jìn)行替代組成節(jié)能型直流電源系統(tǒng)。采用本發(fā)明的方法，理論上可以降低甚至消除現(xiàn)有三相電系統(tǒng)中最高為15.8％的線電壓損失，所以采用本發(fā)明方法的裝置整流后的直流電壓普遍高于現(xiàn)有三相交流發(fā)電加上整流器的傳統(tǒng)機(jī)組。系統(tǒng)輸出功率也有相同的升幅，整流器輸出的直流功率至少比傳統(tǒng)整流器高10％以上；同步發(fā)電機(jī)或變壓器的電損耗降低值不低于5％。因此機(jī)組具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)組所增加的成本比例小于功率和效率增幅，取得了顯著的技術(shù)進(jìn)步和好的經(jīng)濟(jì)效益。
【專(zhuān)利說(shuō)明】直流電增能的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】:
[0001]本發(fā)明方法屬于發(fā)電、輸電、變電領(lǐng)域，涉及發(fā)電機(jī)、變壓器和整流器，具體來(lái)說(shuō)涉及一種由同步發(fā)電機(jī)發(fā)電、或再加入變壓器變壓，而后通過(guò)整流器獲得直流電增能的方法。
【背景技術(shù)】:
[0002]當(dāng)今應(yīng)用中的直流電源，基本上不再使用直流發(fā)電機(jī)，而改為采用同步型交流發(fā)電機(jī)，然后通過(guò)整流器變換為直流電的模式，從電網(wǎng)取電實(shí)際上也等同于從大型交流發(fā)電機(jī)取電。不管是大型、中型或小型機(jī)組，通常采用交流三相同步發(fā)電機(jī)的星形接法和線電壓輸出接入三相橋式整流器，將交流電整流為直流電加以應(yīng)用。殊不知這樣一種應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的電壓損失和功率損失，不能完全利用交流發(fā)電機(jī)的能力，相應(yīng)地降低了發(fā)電機(jī)組的輸出潛力和效率，造成設(shè)備和能源的浪費(fèi)。
[0003]也就是說(shuō)，目前的三相同步發(fā)電機(jī)和三相電網(wǎng)體系在涉及直流電應(yīng)用過(guò)程中，存在著一個(gè)先天性體制缺陷一線電壓損失。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004]本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足之處而提供一種能消除線電壓損失、達(dá)到增加機(jī)組功率輸出和效率的直流電增能的方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下措施來(lái)實(shí)現(xiàn):一種直流電增能的方法，其特征在于:采用如下步驟:
[0006]在傳統(tǒng)的由三相交流同步發(fā)電機(jī)、和/或三相變壓器、三相整流器組成的直流電源系統(tǒng)中，采用由三相以上的交流同步發(fā)電機(jī)、與交流同步發(fā)電機(jī)匹配的同相數(shù)的整流器進(jìn)行替代組成節(jié)能型直流電源系統(tǒng)。
[0007]所述三相以上可以是奇數(shù)相或偶數(shù)相，選擇偶數(shù)相能得到較大的增能。
[0008]所述交流同步發(fā)電機(jī)是下述中的任一種:永磁同步機(jī)、勵(lì)磁同步機(jī)、永磁勵(lì)磁復(fù)合型同步機(jī)、無(wú)刷交流同步發(fā)電機(jī)、風(fēng)電機(jī)組中帶齒輪箱的高速同步發(fā)電機(jī)、低速直驅(qū)型同步機(jī)、中速半直驅(qū)同步機(jī)、有雙定子雙轉(zhuǎn)子的PCT同步發(fā)電機(jī)。
[0009]所述同相數(shù)的整流器結(jié)構(gòu)為半控型或全控型的線路，控制形式為半控型中的相位控制或者全控型中的PWM脈沖寬度控制；或是全控型或半控型的器件，同相整流器中的整流管可采用半控型器件中的可控硅，也可以是GT0、IGBT、VMOS管，或者晶體管、達(dá)林頓管等全控型器件。
[0010]所述整流器后或并聯(lián)有一組蓄電池、或并聯(lián)濾波電容，或前述兩者的接合。
[0011]本發(fā)明還可以采取如下方法:
[0012]一種直流電增能的方法，其特征在于:采用如下步驟:
[0013]在傳統(tǒng)的由三相交流同步發(fā)電機(jī)、和/或變壓器、整流器組成的直流電源系統(tǒng)中，所述整流器采用六相電或準(zhǔn)六相電的整流器結(jié)構(gòu)，同時(shí)變壓器作出相應(yīng)改變以配合六相或準(zhǔn)六相整流器結(jié)構(gòu)。[0014]所述六相電為三相變壓器通過(guò)反相得到，變壓器的三個(gè)初級(jí)繞組接三相電源，中心抽頭彼此連接的三個(gè)次級(jí)繞組輸出U、V、W，和-U、-V、-W構(gòu)成六相輸出，變壓器的次級(jí)繞組采用星形連接，初級(jí)繞組采用星形接法或三角形接法。
[0015]所述六相電為通過(guò)自耦變壓器得到，自耦變壓器三個(gè)繞組的一端接交流電源A、B、C，其中心抽頭互聯(lián)作為零線，自耦變壓器三個(gè)繞組的另一端輸出-K、-B、-C，三個(gè)正倒相繞組的六個(gè)端部構(gòu)成六相輸出。
[0016]所述準(zhǔn)六相電為將原有的三相電在整流器中虛擬取反，再將取反后的三相電與原有的三相電相疊加構(gòu)成。
[0017]所述原有的三相電為以零線為負(fù)端的三相半波整流，三相電源的三個(gè)相線分別接到三個(gè)整流二極管D1-D3的正端，D1-D3的負(fù)端為直流輸出的正極，零線作直流輸出的負(fù)極，濾波電容器Cl并聯(lián)于其直流輸出正極與零線之間，所述原有的三相電在整流器中取反為原有的三相電為以零線為正端的三相半波整流，三相電源的三個(gè)相線分別接到三個(gè)二極管D4-D6的負(fù)端，D4-D6的正端為直流輸出的負(fù)極，零線作直流輸出的正極，濾波電容器C2并聯(lián)于直流輸出負(fù)端與零線之間。
[0018]三相電源為帶輸出零線的三相發(fā)電機(jī)、或三相四線制的變壓器、或三相四線制的電網(wǎng)。
[0019]所述直流輸出的正極與直流輸出的負(fù)極之間并接有電容C3。
[0020]所述整流器中的整流管為下列半控型或全控型電子器件:可控硅整流管、絕緣柵雙極型晶體管IGBT、開(kāi)關(guān)管、金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、大功率開(kāi)關(guān)晶體管、達(dá)林頓管或由上述單元器件構(gòu)成的模塊。
[0021 ] 三相電源的零線與串接的濾波電容Cl、C2的連接點(diǎn)之間設(shè)有開(kāi)關(guān)S，所述開(kāi)關(guān)S為下列半控型或全控型電子器件構(gòu)成的雙向電子器件:可控硅整流管、絕緣柵雙極型晶體開(kāi)關(guān)管、金屬氧化物MOSFET或VMOS場(chǎng)效應(yīng)管、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GT0、大功率開(kāi)關(guān)晶體管、達(dá)林頓管或由上述單元器件構(gòu)成的模塊，開(kāi)關(guān)S可以采用模擬控制，或開(kāi)關(guān)控制。
[0022]本發(fā)明還可以采取如下方法:一種直流電增能的方法，其特征在于:采用如下步驟:
[0023]在傳統(tǒng)的由三相交流同步發(fā)電機(jī)、和/或變壓器、整流器組成的直流電源系統(tǒng)中，所述變壓器采用不同繞組間的向量疊加形成以3的整數(shù)倍相數(shù)的多相輸出，配接相應(yīng)相數(shù)的整流器，構(gòu)成一部或多部虛擬六相整流器，而組成的節(jié)能型直流電源系統(tǒng)。
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提出的直流電增能的方法，具有如下優(yōu)點(diǎn):本發(fā)明的方法，理論上可以降低甚至消除現(xiàn)有三相電系統(tǒng)中最高為15.8%的線電壓損失，所以采用本發(fā)明方法的裝置整流后的直流電壓普遍高于現(xiàn)有三相交流發(fā)電加上整流器的傳統(tǒng)機(jī)組。系統(tǒng)輸出功率也有相同的升幅，整流器輸出的直流功率至少比傳統(tǒng)整流器高10%以上；同時(shí)，同步發(fā)電機(jī)或變壓器的電損耗降低值不低于5%。因此機(jī)組具有高效節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，而提高系統(tǒng)輸出功率后，機(jī)組(發(fā)電機(jī)、變壓器、整流器等)所增加的成本比例小于功率和效率增幅，且今后還能從所節(jié)約的電能中得到多倍經(jīng)濟(jì)收益，所以在經(jīng)濟(jì)上特別有利。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0025]圖la、lb為三相同步發(fā)電機(jī)向量和發(fā)電整流系統(tǒng)接線圖。[0026]圖2為三相交流電整流后的直流電壓波形圖。
[0027]圖3a、3b為五相同步發(fā)電機(jī)和七相同步發(fā)電機(jī)向量圖。
[0028]圖4a、4b為四相和六相同步發(fā)電機(jī)向量圖。
[0029]圖5為N相同步發(fā)電機(jī)和整流器接線圖。
[0030]圖6為三相電通過(guò)反相變壓器變六相的系統(tǒng)接線圖。
[0031]圖7為采用自耦變壓器的三相變六相的整流系統(tǒng)接線圖。
[0032]圖8為以零線為負(fù)端的三相半波整流器線路圖。
[0033]圖9為以零線為正端的三相半波整流器線路圖。
[0034]圖10為虛擬六相整流器線路圖。
[0035]圖11為虛擬六相整流器向量圖。
[0036]圖12為虛擬六相整流器與三相橋式整流器直流輸出電壓比較圖。
[0037]圖13為增加濾波電容器C3的虛擬六相整流器線路圖。
[0038]圖14為以半控或全控型電力電子器件作整流管的可控整流器線路圖。
[0039]圖15為以單個(gè)交流開(kāi)關(guān)管S調(diào)壓的窄幅可控整流器線路圖。
[0040]圖16為采用單臺(tái)變壓器的多相(多倍脈波)整流器示意圖。
[0041]圖17為一種高壓直流輸電電源的整流端原理示意圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0042]下面結(jié)合附圖對(duì)【具體實(shí)施方式】作詳細(xì)說(shuō)明:
[0043]一種直流電增能的方法，其特征在于:采用如下步驟:
[0044]在傳統(tǒng)的由三相交流同步發(fā)電機(jī)、和/或三相變壓器、三相整流器組成的直流電源系統(tǒng)中，采用由三相以上的交流同步發(fā)電機(jī)、與交流同步發(fā)電機(jī)匹配的同相數(shù)的整流器進(jìn)行替代組成節(jié)能型直流電源系統(tǒng)。
[0045]說(shuō)明如下:當(dāng)今我們采用的從機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷难b置，廣泛采用交流同步發(fā)電經(jīng)硅二極管整流成直流的技術(shù)路線，不再使用價(jià)高效低的直流發(fā)電機(jī)。所用的三相發(fā)電機(jī)和三相供電電網(wǎng)體制中的大型發(fā)電機(jī)是一致的。實(shí)踐表明，這樣一種三相電制式結(jié)構(gòu)，是人類(lèi)社會(huì)從交流電機(jī)中發(fā)展出來(lái)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐，不管是對(duì)發(fā)電機(jī)還是對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，是一種行之有效的技術(shù)制式。
[0046]但是，三相電制從直流電的角度衡量，卻并不是最理想的制式，因?yàn)槠渲写嬖谥嗑€電壓損失的問(wèn)題。試從廣泛采用的三相星形接法開(kāi)始分析這一問(wèn)題。
[0047]線電壓損失的定義是，在三相和三相以上的多相發(fā)電機(jī)星形接法中，由于線電壓為二個(gè)相的相電壓之向量和，會(huì)出現(xiàn)線電壓低于二倍相電壓的現(xiàn)象，稱(chēng)為該相電制下的線電壓損失。
[0048]本說(shuō)明書(shū)中，多相電制(發(fā)電機(jī))，指三相以上的多相電制(發(fā)電機(jī))。
[0049]圖1a所示為三相同步發(fā)電機(jī)的電壓向量圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，星形接法的發(fā)電機(jī)應(yīng)該發(fā)了三組互為120〇電角的單相交流電壓，即相電壓UA、UB、UC，假如如通常所說(shuō)的單相電壓220V，也就是說(shuō)發(fā)電機(jī)發(fā)了三組220V的電壓，但是為獲得大功率直流電而使用三相電的時(shí)候，如按通常接法將發(fā)電機(jī)的三根相線接到整流器的輸入端，這時(shí)卻只有380V的交流電壓。[0050]當(dāng)然，希望線電壓能達(dá)到二倍相電壓，直接得到440V。
[0051]在圖1a中，綠箭線代表相電壓，紅線代表線電壓。線電壓是二個(gè)相電壓相加的結(jié)果，如果綠線長(zhǎng)度為220V時(shí)，紅線長(zhǎng)度就是380V。原因正是因?yàn)橄辔徊煌啥€(gè)相電壓加在一起所形成的線電壓，這個(gè)加法是幾何法相加，或者說(shuō)向量相加，是一種折線相加而不是直線相加，相加的結(jié)果不是二倍相電壓440V。而通常所樂(lè)意經(jīng)常使用的偏偏就是三相線電壓。假如能按理想狀況，即實(shí)現(xiàn)直線相加，就應(yīng)該可以得到440V的電壓，但現(xiàn)實(shí)卻只能得到380V，所損失的線電壓為:
[0052]440V-380V = 60V(式 I)
[0053]可見(jiàn)，采用三相電制電源系統(tǒng)線電壓損失率約為:
[0054]60V/380V = 15.8%(式 2)
[0055]電壓損失相當(dāng)于勢(shì)能損失，同樣意味著功率的損失。在220V相電壓的三相體系中，因線電壓損失而經(jīng)整流后所得到的直流電壓約損失85V。也就是說(shuō)，由于三相體制中存在的線電壓損失，導(dǎo)致了經(jīng)整流后直流輸出電壓損失，降低了直流系統(tǒng)輸出功率，相應(yīng)于增加了機(jī)組成本，這是一種普遍卻至今不為人知的巨大浪費(fèi)。
[0056]圖1b所示為發(fā)電機(jī)與整流器連接后產(chǎn)生直流電的電源裝置，發(fā)電機(jī)(I)為如圖1a星形接法的三相同步機(jī)，D1-D6為六個(gè)整流二極管所組成三相橋式整流器(3)，C為濾波電容器，用于減少直流電中的交流脈動(dòng)紋波。E為儲(chǔ)能用蓄電池，可將發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流并經(jīng)過(guò)整流后的直流電加以?xún)?chǔ)存，為負(fù)載提供穩(wěn)定的電能。圖1b所示的基干電路也是現(xiàn)有電源中絕大部分直流裝置的傳統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)。
[0057]圖2所示是三相交流電整流后未接濾波電容器C和蓄電池的直流電壓Udc波形圖。當(dāng)然加了 C和E后，由于濾波使得波形平滑，Udc的高低電壓差就縮小許多，特別是當(dāng)C和E容量足夠大，交流電路內(nèi)阻足夠小，負(fù)載也足夠輕的時(shí)候，忽略整流二極管正向壓降，Udc就可以接近其最高直流輸出電壓Udcmax:
[0058]Udcmax380V ~ 537V (式 3)
[0059]可以計(jì)算得，當(dāng)相電壓為220V時(shí)，Udcmax約為537V。
[0060]如果能夠消除三相系統(tǒng)中的線電壓損失，即理想地獲得440V的線電壓，那么，就可以得到更高直流輸出電壓Udcmax，約為622V。
[0061]Udcmax X44OV 622V (式 4)
[0062]上面闡述的是現(xiàn)有三相電體制中的一個(gè)不足點(diǎn)，交流電損失了 60V，直流電損失更高達(dá)85V，那就是三相制中的線電壓損失。
[0063]下面需要分析說(shuō)明的，是本發(fā)明如何減小線電壓損失的具體方法。
[0064]第一個(gè)方法首先想到采用比三相為高的相數(shù)，如果采用高相數(shù)的交流電系統(tǒng)，又假定系統(tǒng)的相電壓和三相系統(tǒng)相同，其直流輸出電壓會(huì)有什么變化。
[0065]圖3a為五相同步發(fā)電機(jī)的電壓向量圖，圖3b為七相同步發(fā)電機(jī)的電壓向量圖。與圖1a對(duì)比，仍沿用相同長(zhǎng)度的綠箭線代表相電壓，用紅線代表線電壓。
[0066]需要說(shuō)明的是，與三相電制不同，在三相以上的多相發(fā)電機(jī)體系中，雖然相電壓都是同一個(gè)數(shù)值，但線電壓卻有幾個(gè)數(shù)值，如在五相體系中，就有兩種長(zhǎng)度的線電壓UAB和UAC,顯然可見(jiàn)UAC大于UAB，由于整流器輸出電壓總是與輸入整流管間的具體輸入電壓高低值有關(guān)，而對(duì)交流電的相位不敏感，整流管只讓最高的電壓導(dǎo)通，所以整流后的輸出直流電壓數(shù)值，僅與最大線電壓Umax，也就是UAC有關(guān)。
[0067]比較圖3的a)和b)還可以發(fā)現(xiàn)，雖然相電壓相同，但代表線電壓的紅線會(huì)隨著發(fā)電機(jī)相數(shù)的增加而增長(zhǎng)，也就是說(shuō)，如果三相電制供電的系統(tǒng)線電壓損失為60V，線電壓損失率約為15.8%的話(huà)，則五相電制供電的機(jī)組線電壓損失22V，線電壓損失率約為5.3%。而七相電制供電的機(jī)組線電壓損失僅11V，線電壓損失率更降低到約為2.6%的低水平。可以明顯看出，在采用奇數(shù)相數(shù)的多相發(fā)電機(jī)的直流電源系統(tǒng)中，隨著相數(shù)的增加，交流線電壓損失率迅速下降，從圖解中不難發(fā)現(xiàn)，繼續(xù)增加發(fā)電機(jī)相數(shù)，例如九相、十一相，交流線電壓損失率還將進(jìn)一步降低，直至接近于零，但隨著相數(shù)增加，線電壓損失降低的幅度越來(lái)越小。由于經(jīng)整流后的直流電壓輸出與交流線電壓成正相關(guān)性，線電壓損失同樣意味著直流輸出電壓的損失。所以，本發(fā)明的采用多相系統(tǒng)的方法是改善現(xiàn)有三相體制的線電壓損失缺陷，使直流電源系統(tǒng)增加功率輸出、降低機(jī)組成本和提高系統(tǒng)效率的方法，本發(fā)明方法的特征為，交流發(fā)電機(jī)(I)為五相或七相交流同步發(fā)電機(jī)等奇數(shù)相的同步電機(jī)結(jié)構(gòu)；同時(shí)整流器⑶也是與該發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的多相整流器結(jié)構(gòu)；使發(fā)電機(jī)的線電壓損失比三相系統(tǒng)降低10%以上。
[0068]下面進(jìn)一步說(shuō)明，偶數(shù)相的同步發(fā)電機(jī)整流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的直流電源中電壓情況。圖4a為四相同步發(fā)電機(jī)的電壓向量圖，圖4b為六相同步發(fā)電機(jī)的電壓向量圖。在圖4中，依然用相同長(zhǎng)度的綠箭線代表相電壓，紅線代表線電壓。從四相發(fā)電機(jī)和四相整流器機(jī)組中可以發(fā)現(xiàn)，線電壓UAC可以看作兩個(gè)相電壓的直線相加，從而不再存在奇數(shù)相電制系統(tǒng)中折線相加的現(xiàn)象，所以就沒(méi)有線電壓損失，這就符合了本發(fā)明假設(shè)的條件，線電壓等于二倍相電壓，相當(dāng)于將二個(gè)相電壓直線串聯(lián)相加，對(duì)于整流器來(lái)說(shuō)，等于把(三相制中的線電壓)380V升高到了 440V。六相電制系統(tǒng)也與四相系統(tǒng)有同樣的效果，正如圖4b中所描繪的，其最大線電壓為UAD，也沒(méi)有線電壓損失。推而廣之，可見(jiàn)所有偶數(shù)相電制的交流發(fā)電機(jī)組，在整流變換過(guò)程中都不存在線電壓損失。所以，本發(fā)明的使現(xiàn)有電源系統(tǒng)增加功率輸出和提高效率的方法有以下特征，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(I)為四相或六相等偶數(shù)相的同步電機(jī)結(jié)構(gòu)；同時(shí)整流器(3)也是與該發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的整流器結(jié)構(gòu)所組成的節(jié)能型電源系統(tǒng)；其最大線電壓為相電壓的二倍，沒(méi)有線電壓損失。
[0069]圖5為N相同步發(fā)電機(jī)和N相整流器接線圖，圖中的整流器由Dl至D2N個(gè)二極管組成N相橋式整流，C為濾波電容器，用于減少直流電中的交流脈動(dòng)紋波。
[0070]可以按圖5所示的基本結(jié)構(gòu)，組成本發(fā)明的多相交流電輸入直流電輸出的電源系統(tǒng)，方法是用多相發(fā)電機(jī)代替三相發(fā)電機(jī)，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(I)為三相以上的多相同步電機(jī)結(jié)構(gòu)，同時(shí)整流器(3)也是與該發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的多相整流器結(jié)構(gòu)，整流器(3)后并聯(lián)有一組由蓄電池和/或超級(jí)電容器所組成的節(jié)能型直流電源裝置。該裝置可以用作風(fēng)電路燈等應(yīng)用設(shè)備的電源系統(tǒng)。
[0071]需要說(shuō)明的是，如果三相發(fā)電機(jī)采用三角形接法，是否能防止星形接法中的線電壓損失呢？的確，在三角形接法中，相電壓等于線電壓，不存在線電壓損失的問(wèn)題。但是，在三角形接法中，其輸出線電流是由二個(gè)相的相電流折線相加而得到的，所以，原來(lái)星形接法中的線電壓損失轉(zhuǎn)化為三角形接法中的線電流損失，二者是等價(jià)的。在三相系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)不論是接成星形或者三角形，其輸出的有功功率和無(wú)功功率大小不會(huì)因接法的不同而不同，這已是一項(xiàng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐驗(yàn)證的常識(shí)。[0072]有一個(gè)基本觀念需要明確，那就是本系統(tǒng)和原有三相系統(tǒng)中的電能，都是由驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化而來(lái)。消除了原有三相系統(tǒng)中的線電壓損失，使本發(fā)明方法的系統(tǒng)輸出功率有最多為15.8%提高，所增加的功率仍必須由機(jī)械能提供，并不來(lái)自于系統(tǒng)本身，因?yàn)槟芰坎粫?huì)貿(mào)然生出來(lái)，能量來(lái)源必須符合能量守恒定律，所增加的能量還是必須由驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)的機(jī)械能提供。本發(fā)明方法的優(yōu)點(diǎn)在于原來(lái)機(jī)組最多只能提供比如100%的額定功率，但經(jīng)過(guò)本發(fā)明方法改進(jìn)后的機(jī)組能提供最多達(dá)115.8%的超額定功率，此時(shí)發(fā)電機(jī)組的損耗卻仍相當(dāng)于原來(lái)三相系統(tǒng)100%額定功率時(shí)的損耗，也就是說(shuō)，如果本發(fā)明的系統(tǒng)也輸出100%功率時(shí)，機(jī)組的損耗會(huì)小于三相系統(tǒng)時(shí)輸出100%功率時(shí)的損耗，節(jié)省設(shè)備成本和減少相對(duì)損耗是本發(fā)明方法的特點(diǎn)。
[0073]采用本發(fā)明方法后，損耗減小的比例為:
[0074]P 損/Po = 15.8%/(1+15.8% )~13.6%(式 5)
[0075]關(guān)于本發(fā)明方法與原有三相系統(tǒng)的成本比較可由發(fā)電機(jī)部分、整流器部分和濾波器部分分別說(shuō)明如下:
[0076]由于發(fā)電機(jī)的額定功率大小，通常主要由電機(jī)定子內(nèi)徑和鐵芯疊片長(zhǎng)度所決定，因?yàn)殡姍C(jī)定子和轉(zhuǎn)子間的圓柱曲面面積正是電磁交鏈、電磁感應(yīng)發(fā)生的區(qū)間，在該區(qū)間，三相發(fā)電機(jī)的三個(gè)相繞組組分別占據(jù)1/3面積，三個(gè)相繞組組共占據(jù)100%的面積。而對(duì)于N相的多相發(fā)電機(jī)，應(yīng)該有N個(gè)相繞組組，每個(gè)相繞組組分別占據(jù)1/N面積，N個(gè)相繞組組也同樣占據(jù)100%的面積。所以說(shuō)多相發(fā)電機(jī)的成本因素與三相發(fā)電機(jī)基本一致，也就是說(shuō)，在N不是太大的多相發(fā)電機(jī)中，發(fā)電機(jī)成本與電機(jī)相數(shù)相關(guān)性不大。
[0077]如果要將原有的三相同步發(fā)電機(jī)改為多相發(fā)電機(jī)，只要電機(jī)定轉(zhuǎn)子槽結(jié)構(gòu)合適，由原來(lái)的三相電機(jī)結(jié)構(gòu)改為多相電機(jī)后的功率不變，將原繞三相繞組的位置改繞更多相的繞組，要保持電壓不變，繞組匝數(shù)與三相時(shí)相同，線徑必須減小，每相輸出電流減少，但相數(shù)增多后，發(fā)電相數(shù)增多，使總電流(功率)增加后剛好與原有總電流(功率)一樣大，輸出直流電流保持不變。改制的技術(shù)難度也不大，改制成本不高。而增加電機(jī)相數(shù)，僅僅增加連接線、接線端子數(shù)量，所增加的成本有限。
[0078]對(duì)整流管的成本而言，全波橋式整流器中所需整流管個(gè)數(shù)是相數(shù)的二倍，三相需6個(gè)管，四至七相分別需8管至14管，成本會(huì)有所增加，但原有6管承擔(dān)的電流之和分擔(dān)在更多的二極管中，所以在N相多相系統(tǒng)中，每個(gè)二極管的額定電流容量可以按比例減小，雖然二極管個(gè)數(shù)的增加可能加大整流器成本，但可采用小電流二極管卻又可降低成本，所以增減整流管的費(fèi)用并不隨個(gè)數(shù)增減同比例增加。在例如電解工業(yè)中使用的低壓大電流整流器中，可能需要二個(gè)或多個(gè)整流管并聯(lián)應(yīng)用，在這種場(chǎng)合，可以省去均流器件，多相整流器的成本有可能反而比三相低。
[0079]惟本發(fā)明系統(tǒng)方法中二極管耐壓應(yīng)該比三相系統(tǒng)高15.8%，整流管成本可能略有增加。[0080]增加相數(shù)后，整流后的直流電壓中的交流紋波頻率隨相數(shù)的增高而按正比例升高，這對(duì)濾波有利，所以電容器C的容量可以降低，耐壓略升，總成本仍會(huì)隨之下降。總的說(shuō)來(lái)，增加系統(tǒng)電制相數(shù)后，系統(tǒng)的總成本增加或減少都有可能，即使成本增加，增加的幅度有限，遠(yuǎn)比新系統(tǒng)所提高的額定功率的比例低，且所增加的效率，會(huì)產(chǎn)生很大的節(jié)能效益，所以本發(fā)明的經(jīng)濟(jì)價(jià)值很高。[0081]本發(fā)明方法中的發(fā)電機(jī)有許多種類(lèi)，其特征為，發(fā)電機(jī)(I)為三相以上的多相節(jié)能型交流同步發(fā)電機(jī)，包括:永磁同步機(jī)、勵(lì)磁同步機(jī)、永磁勵(lì)磁復(fù)合型同步機(jī)、無(wú)刷交流同步發(fā)電機(jī)、風(fēng)電機(jī)組中帶齒輪箱的高速同步發(fā)電機(jī)、低速直驅(qū)型同步機(jī)、中速半直驅(qū)同步機(jī)、或具有雙定子雙轉(zhuǎn)子的PCT同步發(fā)電機(jī)(又稱(chēng)同步/異步二次發(fā)電機(jī))。
[0082]為了提聞系統(tǒng)的功率因數(shù)，降低系統(tǒng)中的電流諧波，提聞系統(tǒng)電性能，可對(duì)系統(tǒng)中的整流器作改進(jìn)，其特征為，交流發(fā)電機(jī)(I)為三相以上的多相同步電機(jī)結(jié)構(gòu)；整流器(3)是與發(fā)電機(jī)的相數(shù)匹配的可控型整流橋，可以是半控型或全控型的線路，控制形式為半控型中的相位控制或者全控型中的PWM脈沖寬度控制；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GTO、IGBT.VM0S管，或者晶體管、達(dá)林頓管等全控型器件。
[0083]其它多相數(shù)的發(fā)電機(jī)和整流器的接線類(lèi)同于圖5，不在此一一列舉。
[0084]根據(jù)理論分析，可以得出不同相數(shù)交流發(fā)電機(jī)的相關(guān)電壓數(shù)值，見(jiàn)表1。
[0085]經(jīng)過(guò)整流器所輸出的最高直流電壓數(shù)值Udcmax應(yīng)為V 2Umax。
[0086]表1不同相電制下的交直流電壓比較
[0087]
【權(quán)利要求】
1.一種直流電增能的方法，其特征在于:采用如下步驟: 在傳統(tǒng)的由三相交流同步發(fā)電機(jī)、和/或三相變壓器、三相整流器組成的直流電源系統(tǒng)中，采用由三相以上的交流同步發(fā)電機(jī)、與交流同步發(fā)電機(jī)匹配的同相數(shù)的變壓器、整流器進(jìn)行替代組成節(jié)能型直流電源系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述直流電增能的方法，其特征在于，所述三相以上可以是奇數(shù)相或偶數(shù)相，選擇偶數(shù)相能得到較大的增能。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述直流電增能的方法，其特征在于，所述交流同步發(fā)電機(jī)是下述中的任一種:永磁同步機(jī)、勵(lì)磁同步機(jī)、永磁勵(lì)磁復(fù)合型同步機(jī)、無(wú)刷交流同步發(fā)電機(jī)、風(fēng)電機(jī)組中帶齒輪箱的高速同步發(fā)電機(jī)、低速直驅(qū)型同步機(jī)、中速半直驅(qū)同步機(jī)、有雙定子雙轉(zhuǎn)子的PCT同步發(fā)電機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述直流電增能的方法，其特征在于，所述同相數(shù)的整流器結(jié)構(gòu)為半控型或全控型的線路，控制形式為半控型中的相位控制或者全控型中的PWM脈沖寬度控制；或是全控型或半控型的器件，同相整流器中的整流管可采用半控型器件中的可控硅，也可以是GTO、IGBT、VMOS管，或者晶體管、達(dá)林頓管等全控型器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述直流電增能的方法，其特征在于，所述整流器后或并聯(lián)有一組蓄電池、或并聯(lián)濾波電容，或前述兩者的結(jié)合。
6.一種直流電增能的方法，其特征在于:采用如下步驟: 在傳統(tǒng)的由三相交流同步發(fā)電機(jī)、和/或變壓器、整流器組成的直流電源系統(tǒng)中，所述整流器采用六相電或準(zhǔn)六相電的整流器結(jié)構(gòu)，同時(shí)變壓器作出相應(yīng)改變以配合六相或準(zhǔn)六相整流器結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述直流電增能的方法，其特征在于，所述六相電為三相變壓器通過(guò)反相得到，變壓器的三個(gè)初級(jí)繞組接三相電源，中心抽頭彼此連接的三個(gè)次級(jí)繞組輸出u、v、w，和-u、-v、-w構(gòu)成六相輸出，變壓器的次級(jí)繞組采用星形連接，初級(jí)繞組采用星形接法或二角形接法。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述直流電增能的方法，其特征在于，所述六相電為通過(guò)自耦變壓器得到，自耦變壓器三個(gè)繞組的一端接交流電源A、B、C，其中心抽頭互聯(lián)作為零線，自耦變壓器三個(gè)繞組的另一端輸出-A、-B、-C，三個(gè)正倒相繞組的六個(gè)端部構(gòu)成六相輸出。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述直流電增能的方法，其特征在于，所述準(zhǔn)六相電為將原有的三相電在整流器中虛擬取反，再將取反后的三相電與原有的三相電相疊加構(gòu)成。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述直流電增能的方法，其特征在于，所述原有的三相電為以零線為負(fù)端的三相半波整流，三相電源的三個(gè)相線分別接到三個(gè)整流二極管D1-D3的正端，D1-D3的負(fù)端為直流輸出的正極，零線作直流輸出的負(fù)極，濾波電容器Cl并聯(lián)于其直流輸出正極與零線之間，所述原有的三相電在整流器中取反為原有的三相電為以零線為正端的三相半波整流，三相電源的三個(gè)相線分別接到三個(gè)二極管D4-D6的負(fù)端，D4-D6的正端為直流輸出的負(fù)極，零線作直流輸出的正極，濾波電容器C2并聯(lián)于直流輸出負(fù)端與零線之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述直流電增能的方法，其特征在于，三相電源為帶輸出零線的三相發(fā)電機(jī)、或三相四線制的變壓器、或三相四線制的電網(wǎng)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述直流電增能的方法，其特征在于，所述直流輸出的正極與直流輸出的負(fù)極之間并接有電容C3。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述直流電增能的方法，其特征在于，所述整流器中的整流管為下列半控型或全控型電子器件:可控硅整流管、絕緣柵雙極型晶體管IGBT、開(kāi)關(guān)管、金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)管、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管、大功率開(kāi)關(guān)晶體管、達(dá)林頓管或由上述單元器件構(gòu)成的模塊。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述直流電增能的方法，其特征在于，三相電源的零線與串接的濾波電容Cl、C2的連接點(diǎn)之間設(shè)有開(kāi)關(guān)S，所述開(kāi)關(guān)S為下列半控型或全控型電子器件構(gòu)成的雙向電子器件:可控硅整流管、絕緣柵雙極型晶體開(kāi)關(guān)管、金屬氧化物MOSFET或VMOS場(chǎng)效應(yīng)管、門(mén)極可關(guān)斷晶閘管GT0、大功率開(kāi)關(guān)晶體管、達(dá)林頓管或由上述單元器件構(gòu)成的模塊，開(kāi)關(guān)S可以采用模擬控制，或開(kāi)關(guān)控制。
15.一種直流電增能的方法，其特征在于:采用如下步驟: 在傳統(tǒng)的由三相交流同步發(fā)電機(jī)、和/或變壓器、整流器組成的直流電源系統(tǒng)中，所述變壓器采用不同繞組間的向量疊加形成以3的整數(shù)倍相數(shù)的多相輸出，配接相應(yīng)相數(shù)的整流器，構(gòu)成一部或多部 虛擬六相整流器，而組成的節(jié)能型直流電源系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】H02M7/219GK103595273SQ201210234129
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2012年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月15日
【發(fā)明者】於岳亮, 於菲 申請(qǐng)人:上海穩(wěn)得新能源科技有限公司