一种双馈型风力发电机用电磁齿轮箱及其控制方法
阅读说明：本技术 一种双馈型风力发电机用电磁齿轮箱及其控制方法 (Electromagnetic gear box for double-fed wind driven generator and control method thereof ) 是由 蔡彬 张健 秦清海 褚晓广 汲柏良 于 2021-03-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种双馈型风力发电机用电磁齿轮箱及其控制方法,属于风电领域。该电磁齿轮箱包括第一级行星电磁齿轮、第二级同轴磁齿轮、第三级同轴磁齿轮；第一级行星电磁齿轮包括电磁齿圈、行星磁齿轮、行星架、太阳磁齿轮等；电磁齿圈由铁芯和绕组组成。控制方法是：控制电磁齿圈绕组的极性,使启动时电磁齿圈的极对数为其额定极对数的一半,启动后电磁齿圈的极对数为其额定极对数；当风速大于额定风速,调节电磁齿圈的绕组电流,以调节第一级行星电磁齿轮的输出转矩,实现恒功率控制；当风速大于切出风速时,切除电磁齿圈的绕组电源,实现风轮与发电机解耦,降低发电机的制动力。本发明可降低运维成本；增速比能实时调节,可提升系统运行灵活性。(The invention relates to an electromagnetic gear box for a double-fed wind driven generator and a control method thereof, belonging to the field of wind power. The electromagnetic gear box comprises a first-stage planetary electromagnetic gear, a second-stage coaxial magnetic gear and a third-stage coaxial magnetic gear; the first-stage planetary electromagnetic gear comprises an electromagnetic gear ring, a planetary magnetic gear, a planet carrier, a sun magnetic gear and the like; the electromagnetic gear ring is composed of an iron core and a winding. The control method comprises the following steps: controlling the polarity of the electromagnetic gear ring winding to make the number of pole pairs of the electromagnetic gear ring be half of the rated number of pole pairs of the electromagnetic gear ring during starting, and the number of pole pairs of the electromagnetic gear ring after starting be the rated number of pole pairs of the electromagnetic gear ring; when the wind speed is higher than the rated wind speed, the winding current of the electromagnetic gear ring is adjusted to adjust the output torque of the first-stage planetary electromagnetic gear, so that constant power control is realized; when the wind speed is higher than the cut-out wind speed, the winding power supply of the electromagnetic gear ring is cut off, decoupling of the wind wheel and the generator is achieved, and braking force of the generator is reduced. The invention can reduce the operation and maintenance cost; the speed increasing ratio can be adjusted in real time, and the operation flexibility of the system can be improved.)
技术领域
本发明涉及一种齿轮箱及其控制方法，尤其是一种双馈型风力发电机用电磁齿轮箱及其控制方法，属于风力发电技术领域。
背景技术
双馈型风力发电系统主要由风轮、齿轮箱、双馈型风力发电机(DFIG)、变流器系统等构成。DFIG是一个高速、体积小的发电机，由于风轮低转速运行，因此通常采用高增速比的齿轮箱把较低的风轮转速提升到高速的发电机转子转速。但现有齿轮箱采用机械齿轮啮合，需要复杂的注油润滑系统，体积大、笨重、成本高、噪声大、故障率高，需要定期维护。此外，双馈型风力发电系统的主要损耗来源于齿轮箱和变流器系统，其中大约有65％左右的系统损耗来源于齿轮箱。因此，有必要研究采用新型齿轮箱，以期降低系统的成本、损耗，提高系统运行的可靠性。
磁齿轮具有物理隔离的特性，无机械接触，因而具有无磨损、免维护、无噪声、无需润滑、能够过载保护等优势，近年来得到越来越多的重视和应用。但现有磁齿轮不能实时改变变速比，影响其在风力发电系统中的应用推广。
发明内容
本发明的主要目的在于：针对现有技术的不足和空白，提出一种电磁齿轮箱，无机械接触，无需润滑，体积小、重量轻、能耗低，变速比可实时调控，从而可大大降低双馈型风力发电机组的运行维护成本，提高系统可靠性和灵活性。
为了达到以上目的，本发明一种双馈型风力发电机用电磁齿轮箱，包括：第一级行星电磁齿轮、第二级同轴磁齿轮、第三级同轴磁齿轮、主控系统。
所述第一级行星电磁齿轮包括：电磁齿圈、行星磁齿轮、行星架、太阳磁齿轮、第一级主动轴、第一级从动轴；所述电磁齿圈由齿圈铁芯和绕组组成；所述第一级主动轴与所述行星架做成一体，行星磁齿轮安装在行星架上，同时与电磁齿圈和太阳磁齿轮通过电磁力进行转矩传输；所述太阳磁齿轮的轴通过花键带动所述第一级从动轴转动。
所述第二级同轴磁齿轮包括：第二级主动轴、第二级从动轴和第二同轴磁齿轮；所述第二同轴磁齿轮由外转子磁齿轮、内转子磁齿轮和调磁环组成；所述外转子磁齿轮由外转子铁芯及粘贴在所述外转子铁芯上的Halbach永磁阵列组成；所述内转子磁齿轮由内转子铁芯及粘贴在所述内转子铁芯上的Halbach永磁阵列组成；所述调磁环包括调磁铁块和非导磁材料，固定安装在所述外转子磁齿轮和所述内转子磁齿轮之间。
所述第三级同轴磁齿轮包括：第三级主动轴、第三级从动轴和第三同轴磁齿轮，其结构与所述第二级同轴磁齿轮的结构相同。
所述第一级行星电磁齿轮的第一级主动轴与风轮主轴用收缩套连接；所述第一级行星电磁齿轮的第一级从动轴与所述第二级同轴磁齿轮的第二级主动轴相连；所述第二级同轴磁齿轮的第二级从动轴与所述第三级同轴磁齿轮的第三级主动轴相连，所述第三级同轴磁齿轮的第三级从动轴与联轴器固定；所述联轴器的另一端与双馈型风力发电机的转轴固定。
所述第一级行星电磁齿轮的电磁齿圈的绕组按下列方式接线：每两个相邻绕组的两端分别接母线L1、母线L2，与此相邻的另两个绕组的两端分别接母线L3、母线L4；以此类推，所有绕组均分别与所述母线L1、L2、L3、L4相接。
上述一种双馈型风力发电机用电磁齿轮箱，其控制方法包括如下步骤：
步骤1，当风速达到切入风速时，接通控制电源，使所述母线L1、L2分别与控制电源的正极、负极相连；同时使所述母线L3、L4分别与所述控制电源的负极、正极相连；则此时所述电磁齿圈的极对数为其额定极对数的一半，从而使所述第一级行星磁齿轮的增速比下降，使等效转动惯量降低，则风电机组起动力矩变小，可实现低风速启动。
步骤2，启动后，使所述母线L1、L2仍然保持分别与控制电源的正极、负极相连；同时使所述母线L3、L4分别与所述控制电源的正极、负极相连；则此时所述电磁齿圈的极对数等于其额定极对数，实现正常运行。
步骤3，当风速大于等于额定风速时，调节所述电磁齿圈的绕组电流，使所述电磁齿圈产生的磁通密度下降，从而调节所述第一级行星电磁齿轮的输出转矩，实现恒功率控制。
步骤4，当风速大于等于切出风速时，切除所述控制电源，则所述电磁齿圈的绕组失电，不产生电磁力，使得所述第一级行星电磁齿轮没有功率输出，实现风轮与发电机解耦，从而大大降低发电机的制动力。
本发明的有益效果是：
1)无机械接触，实现机械隔离，风轮的机械振动不会传输到后级，可有效解决共振问题；
2)无需润滑，省却复杂的注油润滑系统，体积小、重量轻、能耗低，从而可大大降低双馈型风力发电机组运维成本；
3)变速比可实时调控，一方面可以使等效转动惯量降低，实现低风速启动；另一方面，可辅助恒功率控制，也可实现风轮与发电机解耦，从而大大降低发电机的制动力，提高系统可靠性和灵活性。
附图说明
图1为本发明采用的双馈型风力发电系统拓扑结构示意图。
图2为本发明第一级行星电磁齿轮结构示意图。
图3为本发明第一级行星电磁齿轮中的行星磁齿轮示意图。
图4为本发明第二同轴磁齿轮示意图。
图5为本发明第二级同轴磁齿轮与第三级同轴磁齿轮连接示意图。
图6为本发明第一级行星电磁齿轮中的电磁齿圈绕组接线方式一示意图。
图7为本发明第一级行星电磁齿轮中的电磁齿圈绕组极性控制电路图。
图8为本发明第一级行星电磁齿轮中的电磁齿圈绕组接线方式二示意图。
图9为本发明第一级行星电磁齿轮中的电磁齿圈绕组接线方式三示意图。
图10为本发明第一级行星电磁齿轮中的电磁齿圈绕组接线方式四示意图。
其中，1-第一级行星电磁齿轮；2-第二级同轴磁齿轮；3-第三级同轴磁齿轮；4-第一级主动轴；5-第三级从动轴；6-风轮，61-风轮主轴；7-联轴器；8-双馈型风力发电机；11-电磁齿圈；12-太阳磁齿轮；13-行星磁齿轮；14-行星架；21-第二同轴磁齿轮的外转子磁齿轮；22-第二同轴磁齿轮的调磁环；23-第二同轴磁齿轮的内转子磁齿轮；111-电磁齿圈的铁芯，112-电磁齿圈的绕组；131-行星磁齿轮的永磁体；132-行星磁齿轮的铁芯；211-第二同轴磁齿轮外转子的Halbach永磁阵列；231-第二同轴磁齿轮内转子的Halbach永磁阵列。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明采用的双馈型风力发电系统包括风轮6及其主轴61、本发明电磁齿轮箱、联轴器7和双馈型风力发电机8；本发明电磁齿轮箱，包括：第一级行星电磁齿轮1、第二级同轴磁齿轮2、第三级同轴磁齿轮3、主控系统。
如图1、图2所示，第一级行星电磁齿轮1包括：电磁齿圈11、行星磁齿轮13、行星架14、太阳磁齿轮12、第一级主动轴4、第一级从动轴；电磁齿圈11由齿圈铁芯111和直流绕组112组成；第一级主动轴4与行星架14做成一体，行星磁齿轮13安装在行星架14上，同时与电磁齿圈11和太阳磁齿轮12通过电磁力进行转矩传输。太阳磁齿轮12的轴通过花键带动第一级从动轴转动。行星磁齿轮13的数量为3个及以上，其具体数量由所需传输转矩决定。
行星磁齿轮13包括永磁体131、铁芯132，相邻永磁体131之间可以采用直槽，也可以如图3所示，采用斜槽，从而可有效降低齿槽转矩。
如图4、图5所示，第二级同轴磁齿轮2包括：第二级主动轴、第二级从动轴和第二同轴磁齿轮；第二同轴磁齿轮由外转子磁齿轮21、调磁环22和内转子磁齿轮23组成，外转子磁齿轮21由外转子铁芯及粘贴在外转子铁芯上的Halbach永磁阵列211组成，外转子磁齿轮21的极对数为Po，每极由一块径向磁化的永磁体和一块切向磁化的永磁体组成；内转子磁齿轮23由内转子铁芯及粘贴在内转子铁芯上的Halbach永磁阵列组成，内转子磁齿轮23的极对数为Pi，每极由一块径向磁化的永磁体和分布在此径向磁化永磁体两边的两块磁化角度分别为α和-α的永磁体组成；调磁环22包括Ns个调磁铁块和非导磁材料，固定安装在外转子磁齿轮21和内转子磁齿轮23之间。Ns满足下列公式：Ns＝Po+Pi。
第三级同轴磁齿轮3包括：第三级主动轴、第三级从动轴和第三同轴磁齿轮，其结构同第二级同轴磁齿轮2的结构。
如图1、图5所示，第一级行星电磁齿轮1的主动轴4与风轮主轴61用收缩套连接；第一级行星电磁齿轮1的从动轴与第二级同轴磁齿轮2的主动轴相连；第二级同轴磁齿轮2的从动轴与第三级同轴磁齿轮3的主动轴相连，第三级同轴磁齿轮3的从动轴5与联轴器7固定；联轴器7的另一端与双馈型风力发电机8的转轴固定。
如图6所示，第一级行星电磁齿轮的电磁齿圈11的绕组111接线方式如下：两个相邻绕组的两端分别接母线L1、L2，与此相邻的另两个绕组的两端分别接母线L3、L4。以此类推，所有绕组均分别与母线L1、L2、L3、L4相接。端子X1、X2、X3、X4分别与母线L1、L2、L3、L4相连。
如图7所示，端子X1、X2分别与控制电源的正极(+)、负极(-)相连；接触器K1的引脚K1:1、K1:2分别接控制电源的正极(+)、负极(-)，接触器K1的引脚K1:3、K1:4分别与端子X3、X4相连；接触器K2的引脚K2:1、K2:2分别接控制电源的负极(-)、正极(+)，接触器K2的引脚K2:3、K2:4分别与端子X3、X4相连。
上述一种双馈型风力发电机用电磁齿轮箱，其控制方法包括如下步骤：
步骤1，当风速达到切入风速时，接通控制电源，如图7、图8所示，则端子X1、X2分别为正极(+)、负极(-)，母线L1、L2也分别为正极、负极，从而与母线L1相连的所有电磁齿圈绕组使其磁极呈N极，与母线L2相连的所有电磁齿圈绕组使其磁极呈S极。同时，如图7所示，主控系统使接触器K1保持断开，控制接触器K2闭合，则端子X3、X4分别与控制电源的负极(-)、正极(+)相连，母线L3、L4也分别为负极、正极，从而与母线L3相连的所有电磁齿圈绕组使其磁极呈S极，与母线L4相连的所有电磁齿圈绕组使其磁极呈N极，因而此时电磁齿圈11的极对数Pb为其额定极对数PbN的一半(即：Pb＝0.5PbN)，从而使第一级行星电磁齿轮1的增速比下降，使折算到低速轴(即第一级行星电磁齿轮1的第一级主动轴4)的等效转动惯量降低，则风电机组起动力矩变小，可实现低风速启动。
本发明电磁齿轮箱的总增速比i为：
式中，Pb为电磁齿圈11的极对数，Pa太阳磁齿轮13的极对数，Po为第二同轴磁齿轮外转子21的极对数，Pi为第二同轴磁齿轮内转子23的极对数，Po2为第三同轴磁齿轮外转子的极对数，Pi2为第三同轴磁齿轮内转子的极对数。
从式(1)可以看出，电磁齿圈11的极对数Pb变小，则总增速比i也随之降低。而等效转动惯量与各级增速比的平方有关，因而第一级行星电磁齿轮1的增速比降低，将使等效转动惯量降低，有利于风电机组实现低风速启动。
步骤2，启动后，如图7、图9所示，端子X1、X2仍然分别与控制电源的正极(+)、负极(-)相连，与母线L1相连的所有电磁齿圈绕组仍使其磁极呈N极，与母线L2相连的所有电磁齿圈绕组仍使其磁极呈S极。同时，如图7所示，主控系统控制接触器K2断开，使接触器K1闭合，则端子X3、X4分别与控制电源的正极(+)、负极(-)相连，母线L3、L4也分别为正极、负极，从而与母线L3相连的所有电磁齿圈绕组使其磁极呈N极，与母线L4相连的所有电磁齿圈绕组使其磁极呈S极，则此时电磁齿圈11的极对数Pb等于其额定极对数PbN(即：Pb＝PbN)，实现正常运行。
步骤3，当风速大于等于额定风速时，调节电磁齿圈绕组111的电流，使磁通密度下降，从而调节第一级行星电磁齿轮1的输出转矩，实现恒功率控制。进一步地，如果风速进一步增大，如图7、图10所示，主控系统使接触器K1、接触器K2均断开，则端子X3、X4均失电，母线L3、L4也均失电，从而与母线L3、母线L4相连的所有电磁齿圈绕组均失电，其磁极不呈极性，此时电磁齿圈11的极对数为额定极对数的一半，使总增速比i下降，同时传输的转矩也下降，从而可降低第一级行星电磁齿轮1的输出功率，实现恒功率控制。
步骤4，当风速大于等于切出风速时，如图6所示，主控系统切除控制电源，则电磁齿圈11的所有绕组111均失电，电磁齿圈11与行星磁齿轮13之间没有电磁力作用，因而也就没有转矩传输，使得第一级行星电磁齿轮1没有功率输出，实现风轮与发电机解耦，从而大大降低发电机的制动力。
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