CN101068093A

CN101068093A - 特种发电机

Info

Publication number: CN101068093A
Application number: CN 200610111367
Authority: CN
Inventors: 马俊杰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-08-25
Filing date: 2006-08-25
Publication date: 2007-11-07

Abstract

特种发电机是自励发电机和中频电动机联合联动装置。高速旋转的中频电动机带动减速器，使减速器具有一定值力矩比，从而使中频电动机使用少于发电机输出能力几倍电能而拖动发电机共同转动。与此同时，同步发电机发出的电能经过增频器来提高频率，供应给中频电动机，使频率高于中频电动机转子转速，并且旋转磁场方向与中频电动机转动方向一致，产生驱动性质的转矩，此转矩抵消了同步发电机产生的制动性质的转矩，最后拖动同步发电机维持恒定的转速，不断地发出电能来。

Description

特种发电机

一、技术领域：

发电机是自励同步发电机和中频电动机联合联动机电装置。所涉及技术领域包括：电机学、电子技术、机械制造和机械传动四个方面。

二、背景技术：

具有一定质量的圆柱刚体，自身GD²越大，旋转速度足够高的情况下，自身储存的动能就越多。转动速度越高，要维持这种转速所消耗的能量就越少。既驱动转矩与转速成反比。在这种情况下采用恰当的机械、电磁组合方式，使高速旋转的动能平稳地释放出来，转变成电能供给外负载利用。所以发电机在材料、制造工艺允许的条件下，要尽可能的提高旋转体转速。因为速度越高，机械强度也越高，储存在旋转体的动能就越大，同时输出的功率也会越大，这是发电机能够输出能量所必需具备的基本条件。

电机是能够将机械能、电能相互转换的机电装置。在电机领域中，旋转电机的定、转子之间存在着电磁转矩的相互作用。在发电机里面电磁转矩与转子转动方向相反，是一个制动性质的转矩。传统的发电机必须由原动机(如：柴油机、汽轮机、水轮机)拖动来克服制动性质的电磁转矩，从而由机械能转变为电能，发出电来。在电动机里面，电磁转矩的方向与转子转动方向相同，是一个驱动性质的转矩。这样，电动机吸收电功率，由电能转变为机械能。若要连续地进行机电能量转换，在一个周期内转换功率的平均值应不等于零，转动体的机械角速度不能为零，即机电能量间的转换必定在旋转过程中进行，另外，运动电动势和电磁转矩亦不能为零，只有这样，转换功率才不等于零。

在电机领域中，同步电机、异步电机既可作为电动机运行，亦可以作为发电机运行。它们这两种运行状态，就是电机的可逆性。

当电机作为电动机运行时，它的转子转速n总是低于气隙旋转磁场的转速n_s，既n＜n_s，并且转差异率1＞s＞0，为正值。

当电机作为发电机运行时，转子转速n将高于气隙旋转磁场的转速n_s，亦既转差率s＜0，变为负值。

对于发电机来讲，一定的转速将输出一定的电压频率，就是说电压频率与发电机转速有着密不可分的关系，频率与转速成正比变化。同样在电动机里面，转子转速与电压频率也成正比变化。

从以上得出结论：频率(也可称作：旋转磁场转速)相对于转子转速的快慢，将决定着电机是否处于电动机状态或发电机状态。既电压频率小于电机转子转速，那么此时电机肯定处于发电机状态；电压频率大于电机转子转速，那么此时电机肯定处于电动机状态。这一点也是发电机的理论依据。

在电子领域中，采用可控硅变频装置，可任意大范围改变电源频率的大小，这种变频装置叫做变频器。它能够使发电机里面发出的固定频率通过变频器可随意调节频率的大小。在电机里面，频率的大小，也是电机转动快慢的一种直接内在特征。

在机械传动技术中，减速器一种由齿轮组成的减速机构；设减速器速比i＝5，减速器由电动机带动而旋转，电动机轴同减速器输入轴相连接。设电动机转速n＝3000r/min，那么在减速器输出轴端转速为3000÷5＝600r/min。这是一台已制造好的减速器内部齿轮所固有的传动比造成的结果。一定数量的传动比，也就有一定数量的力矩比。假如在减速器的输出端有10N·m的转矩作用给它，那么在输入端仅需10÷5＝2N·m相反的转矩即可与之平衡。

三、发明内容：

发电机是发电机与电动机联合联动机电装置。是一种不消耗任何常规能源的发电设备。其能量循环方式是：发电机在高速转动过程中，转动体的动能转变为电能，其中有一小部分供应给电动机，电动机又经减速器使动能平稳地传递给发电机，这是发电机能量循环的基本方式，这种能量循环方式除一部分供给发电机自身运转需求外，还能输出足够的电能供给其它负载和各种用电设备使用。这是发电机核心技术方法，也是主要特点。

构成发电机主要部件(图1所示)

1、自励同步发电机

自励同步发电机是电能输出设备，发出三相交流电能。采用自励式静止交流整流励磁系统。这种励磁系统又称为晶闸管自励恒压励磁系统，其原理如图4所示。当发电机空载时，单独由半控整流桥供给励磁；当发电机负载时，复励变流器经整流桥又给发电机提供复励电流，可在一定程度上对发电机随负而变化的电压进行自动调节。在图4中还简要地示出了自动电压调整器的控制线路。

2.减速器

是一种单级行星齿轮减速机构(也可使用直轴圆柱齿轮机构)。它的作用是能够使高速旋转的中频电动机产生的强大动能传递给同步发电机，是发电机得到克服制动性质转矩一定倍数的驱动转矩。

3.中频电动机

是一种高速异步电动机，是产生动能和驱动转矩的设备。它在运行中及时吸收发电机发出的一少部分电功率，维持转速，是整个设备的动力源。

4.增频器

增频器也可称为变频器。(基本构成见图3)是一种常用的交——直——交变频器，它先把发电机发出的交流电压通过整流器变成直流电压，然后通过逆变器把直流电压变换成频率可变的交流输出电压。整流器是由可调电压的晶闸管或不可控的二极管构成的三相桥式整流电路，结构形式是由六只半导体主开关元件组成三相桥式逆变电路。增频器的作用是输出高于中频电动机转子转速的电源频率。致使旋转磁场转速n_s＞转子转速n。转差率0＜s＜1，为正值。从而使中频电机产生驱动性质的转矩。

发电机机械、电磁联接方法：(见图2)

1、机械联接方法：

减速器是自励同步发电机和中频电动机的中间连接机械。中频电动机轴连接减速器输入端。同步发电机轴连接减速器输出端

2、电磁联接方法：

增频器(变频器)是自励同步发电机和中频电动机之间的电子连接元件。

自励同步发电机电能输出端子用导线连接增频器输入端子，中频电动机电源输入端子用导线连接增频器输出端子。

技术方案：

增频器是发电机不可缺少的电子元件。增频器用来增加自励同步发电机的电压频率，不作大范围调频使用，增频器的作用是输出高于中频电动机转子转速的电压频率，使正在高速旋转的中频电动机不会处于发电机状态，而是处于电动机状态，使中频电动机产生驱动性质的转矩，此转矩用来抵消自励同步发电机产生的制动性质的转矩。

用外力启动(电瓶启动，或汽油机等其它原动机启动)发电机，那么连接在减速器两端的自励同步发电机和中频电动机将以不同的转速转动。此时通过增频器来增加自励同步发电机输出的电压频率，使这个频率大于中频电动机转子转速，既让旋转磁场转速n_s大于转子转速n(n_s＞n)。转差率1＞s＞0，为正值。那么此时和自励同步发电机一起高速转动的中频电动机将吸收电功率，产生驱动性质的转矩，这样将拖动自动同步发电机，使整个发电机不停地运行下去。

发电机除了启动时需要外力来启动，一旦启动开始运转，就不再使用外力，也不使用常规能源，包括风能，太阳能，核能；且能自主发电的新型发电设备。无污染，洁净，无噪音，安全，将成为人类今后最理想的发电设备，为社会能源事业做出贡献。

四、附图说明：

图1所示：构成发电机的四大部件

1、自动同步发电机(包括电能输出端子)。

2、减速器

3、中频电动机(包括电能输入端子)

4、增频器(包括电能输入、输出端子)

图2所示：由自励同步发电机、减速器、中频电动机、增频器四大元件，直接组合在一起的直接型发电机。

图2中自励同步发电机与减速器输出端(低速端)连接在一起。中频电动机与减速器输入端(高速端)连接在一起。

图3所示：增频器的基本构成(从中国电力出版社《电机学》摘录)

图4所示：自励式静止交流整流励磁系统(从中国电力出版社《电机学》摘录)

五、具体实施方式(A)

1、任意选择一台自励同步发电机

额定功率P＝11千瓦

额定转速n＝3000转/分钟

磁极对数P＝1

输出频率f＝50HZ

2、选择一台中频电动机

额定功率P＝2.2千瓦

额定转速n＝15000转/分钟

额定输入频率f＝250HZ±10％

3、选择一台减速器

输入端转速n₁＝15000转/分钟(与中频电动机配合)

输出端转速n₂＝3000转/分钟(与同步发电机配合)

速比i＝5

传递功率10千瓦

4、选择一台增频器<变频器>

功率P＝3～4千瓦

输入频率f₁＝50HZ±5％

输出频率f₂＝250HZ±10％

A：按照图2的方法，把自励同步发电机，中频电动机分别跟减速器输出端、输入端连接固定在一起。

B：用外部变频电源平滑启动中频电动机，使其达到额定转速15000转/分钟。

C：使自励同步发电机建立电压。

D：调节自励同步发电机部分功率，使这个功率与增频器额定功率相适应(不可大于增频器额定功率，以防将其烧坏)

E：用开关或闸刀连接增频器和自励同步发电机。

F：设定增频器输出频率f≥250HZ

G：切断中频电动机的外部电源，同时迅速连接增频器的输出端。(在连接之前，要先确定增频器输出的三相交流电频率的转动方向与中频电动机转向相同，以免发生事故)

H：调节增频器频率，使发电机在额定的转速内运转。既自励同步发电机转速n＝3000转/分钟。或者中频电动机转速n＝15000转/分钟

具本实施方式(B)

此具体实施方式设计功率小，转速低，主要原因是价格便宜，便于安装。

1、选择一台自励同步发电机

额定功率P＝4千瓦

额定转速n＝3000转/分钟

磁极对数P＝1

输出频率f＝50HZ

2、选择一台中频电动机

额定功率P＝1.1千瓦

额定转速n＝9000转/分钟

输入频率f＝150HZ

3、选择一台减速器

输入转速n₁＝9000转/分钟

输出转速n₂＝3000转/分钟

速比i＝3

传递功率P≈4千瓦

4、选择一部增频器

额定功率P＝2～3千瓦

输入频率f₁＝50HZ±5％

输出频率f₂＝150HZ±10％

B：用外部变频电源平滑启动中频电动机，使其达到额定转速9000转/分钟。

C：使自励同步发电机建立电压

D：调节自励同步发电机部分功率，使这个功率与增频器功率相适应(不可大于增频器额定功率，以防将其烧坏)。

E：用开关或闸刀连接增频器和自励同步发电机。

F：设定增频器输出频率f≥150HZ

H：调节增频器频率，使发电机在额定的转速内运转。既自励同步发电机转速n＝3000转/分钟。或者中频电动机转速n＝9000转/分钟

自励同步发电机与中频电动机电磁力矩数据显示

自励同步发电机产生的电磁转矩T＝P/Ω＝(N·m)

在具体实施方式(A)中，根据公式可求出功率为11千瓦的自励同步发电机产生电磁转矩为：

T＝P/Ω＝11000/2π×3000÷60＝11000/314.16＝35N·m

上式求出额定功率为11千瓦的自励同步发电机产生的电磁转矩为35N·m，此转矩作用给减速器的输出轴，跟减速器和自励同步发电机转子转向相反，是制动性质的转矩，它阻碍自励同步发电机运转，所以此时要保持发电机正常运转，就必需有一个外力，方向相反，大小相等，才能维持发电机正常运转。

另外，减速器速比i＝5，根据力矩平衡关系可知减速器输入端与输出端力矩之比也是5。这样，35N·m的转矩作用给减速器输出端，那么在输入端仅需35÷5＝7N·m的转矩，并且方向与之相反，即可抵消35N·m的制动转矩，从而维持发电机运动状态不变。

上面求出自励同步发电机将产生35N·m的制动转矩，得出在减速器输入端仅需7N·m的驱动转矩，既可维持动态平衡。查有关电动机技术参数可知：2.2千瓦电动机可产生14N·m电磁转矩，本设计使用2.2千瓦中频电动机完全能够满足需要。

从整个发电机功率比看得出，中频电动机使用小于自励同步发电机近5倍的电磁功率而不停地转动，既：

中频电动机驱动转矩+机械转动惯量＞＞发电机制动转矩。那么此时自励同步发电机还有近4/5的剩余功率可供应给外负载使用；例如供给电灯、热元件、电动机等各种用电设备。也可做为各种交通工具的动力装置。一台已制造好的发电机，终生不消耗其它能源，就能源源不断地供应电能。在能源紧张的今天，从根本上解决了人类能源问题。

图中标记

图1中：1自励同步发电机、2减速器、3中频电动机、4增频器(变频器)、5减速器输出轴(端)、6减速器输入轴(端)、7增频器输入端子、8增频器输出端子、9电能输出端、10电能输入端子。

图2中：1自励同步发电机、2减速器、3中频电动机、4增频器(变频器)、5(连接)导线。

Claims

发电机一旦启动至额定转速，就会不停地运行下去，并且不消耗任何常规能源。主要因为下列两种技术方法相互配合才得以完成。

第一种技术方法：

减速器作为自励同步发电机与中频电动机直接联接机械，是发电机和电动机在不同的转速下互相联动。能充分利用中频电动机高速旋转的动能，和减速器一定值的力矩比，既中频电动机使用小于同步发电机几倍的力矩，来拖动其运转。最后达到发电机恒定不变的转速。

第二种技术方法：

同步发电机发出的三相交流电能经过增频器(变频器)来提高三相交流电频率，是频率稍大于中频电动机转子旋转的速度，既同步转速n_s大于转子转速n大于0(n_s＞n＞0)，转差率0＜S＜1，为正值。从而使正在高速旋转的中频电动机不会处于发电机状态，而是处于电动机状态，产生驱动性质的转矩，此转矩抵消了同步发电机产生的制动转矩，最后拖动发电机继续不断地运转下去。