Энергоагрегат

 

Использование: в энергомашиностроении при проектировании микроГЭС и ветроэлектростанций. Сущность изобретения: гидроагрегат снабжен электромагнитным тормозом, кинематически связанным с валом гидроагрегата, и регулятором частоты, вход которого соединен с генератором переменного тока, а выход - с обмоткой возбуждения электромагнитного тормоза. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в микроГЭС и в ветроэлектростанциях.

МикроГЭС и ветроэлектростанции представляют собой энергоагрегаты, содержащие первичный двигатель гидротурбину или ветросиловую установку (ветротурбину), преобразователь механической энергии в электрическую, как правило, синхронный или асинхронный генератор, а также аппаратуру регулирования и управления. Важнейшими требованиями к такого рода энергоагрегатам является высокая надежность и предельная простота эксплуатации. Требования к качеству вырабатываемой электроэнергии, по существу, являются стандартными. Важное значение имеют также и стоимостные показатели. Главным направлением достижения указанного является стремление к всемерному упрощению конструкции. В таких агрегатах зачастую отсутствуют узлы конструкции, регулирующие поступление энергоносителя (вода, ветер), на первичный двигатель [1] Подобные упрощения имеют и оборотную сторону, в частности, отрицательно влияют на надежность энергоагрегата, т.к. не исключают возможность работы с угонными скоростями. Для поддержания номинальной частоты генерируемой электроэнергии прибегают к автоматическому подключению балластной нагрузки параллельно с потребителем [2] Другое направление достижения желаемых результатов основано на применении в составе энергоагрегата дополнительного синхронного генератора с балластной нагрузкой и регулятором тока [3] Это техническое решение наиболее близко к заявляемому и принято за прототип.

Поддержание частоты генерируемой микроГЭС [3] электроэнергии основано на принципе регулирования по возмущению за счет воздействия по току нагрузки потребителя. При чисто активной нагрузке этот подход позволяет рассчитывать на удовлетворительные результаты, если напор микроГЭС неизменен. Если же нагрузка носит комплексный характер, то применение регулирования по току положительного эффекта не дает.

При возмущениях со стороны турбины, например, из-за изменения напора, ситуация меняется кардинальным образом. Действительно, при чисто активной нагрузке регулирующее воздействие по току отсутствует, т.к. нагрузка потребителя не зависит от частоты. В этом случае никакого повышения качества поддержания частоты генерируемой электроэнергии регулятор тока не дает. Еще хуже дело будет обстоять при моторном характере нагрузки потребителя (холодильники, стиральные машины, вентиляторы и т.п.). В этих условиях регулятор тока только вредит. В самом деле, при уменьшении вращающего момента турбины, например, из-за понижения напора частота вращения падает. При этом снижается ток потребителя, и вспомогательный синхронный генератор нагружается балластной нагрузкой. В результате частота генерируемой электроэнергии проваливается в еще большей степени, чем без регулятора тока. Аналогичная картина будет наблюдаться и при повышении напора. По указанным причинам использование регулятора тока совершенно неприемлемо для поддержания частоты ветросиловых установок, где интенсивность поступления энергоносителя изменяется в значительно больших пределах, чем для микроГЭС.

Следует также отметить и большие материальные затраты при таком [3] решении задачи. Требуется дополнительный синхронный генератор и дорогостоящие балластные резисторы на номинальную мощность ГЭС. При этом для малых мощностей синхронного генератора его ротор, как правило, выполняется с кольцами. Все это существенно усложняет и удорожает конструкцию микроГЭС, снижает надежность и требует квалифицированного обслуживания.

Предлагаемое техническое решение позволяет существенно улучшить потребительские свойства микроГЭС и ветроэлектростанций за счет стабильного поддержания частоты генерируемой электроэнергии, повышения надежности энергоснабжения потребителя, снижения их стоимости и упрощения конструкции и эксплуатации.

Основа заявляемого технического решения связана с оснащением энергоагрегата микроГЭС или ветроэлектростанции электромагнитным тормозом, ротор которого кинематически соединяется с валом энергоагрегата и регулятором частоты.

Электромагнитный тормоз [4] представляет собой специализированную электрическую машину, предназначенную для создания тормозного момента. Конструктивно он состоит из статора (индуктора) с обмоткой возбуждения полюсной магнитной системы и массивного или короткозамкнутого ротора. При подаче постоянного тока в обмотку возбуждения тормоза в полюсной системе индуктора создается магнитный поток, который индуцирует вихревые токи при его (тормоза) вращении. Взаимодействие вихревых токов ротора с магнитным потоком индуктора создает тормозной момент. Путем регулирования тока возбуждения индуктора можно плавно изменять величину тормозного момента.

Дополнительно следует отметить, что применяемые в энергоагрегате электромагнитные тормоза могут иметь существенные конструктивные отличия (массивный или короткозамкнутый ротор, индуктор когтеобразный или с полюсами одинаковой полярности, воздушное или водяное охлаждение и т.п.), т.к. для указанного применения особенности конструкции электромагнитного тормоза не являются определяющими.

На чертеже приведена функциональная схема энергоагрегата.

На валу 1 энергоагрегата установлен первичный двигатель 2 (ветра или гидротурбина), генератор переменного тока 3 и электромагнитный тормоз 4. Потребитель электроэнергнии 5 подключен к генератору, к нему же подключен и вход регулятора частоты 6, выход которого соединен с обмоткой возбуждения 7 электромагнитного тормоза 4.

Регулятор частоты 6 измеряет частоту генератора переменного тока 3, сравнивает ее с уставкой (номинальным значением) и в случае превышения частоты над уставкой формирует управляющее воздействие на обмотку возбуждения 7 электромагнитного тормоза 4.

Первичный двигатель 2 приводит во вращение генератор 3 и электромагнитный тормоз 4. В установившемся режиме вращающий момент первичного двигателя 2 уравновешивается суммой моментов генератора 3, определяемого полезной нагрузкой потребителя 5, и тормозным моментом электромагнитного тормоза 4. Благодаря действию регулятора частоты 6 баланс моментов достигается при номинальном значении частоты генерируемой электроэнергии независимо от причины нарушения предшествующего стационарного режима: изменений нагрузки потребителя или флюктуаций поступления энергоносителя. И характер нагрузки потребителя (активная, моторная или емкостная) не сказывается на частоте генерации благодаря тому, что регулятор 6 контролирует непосредственно частоту вырабатываемой электроэнергии и формирует такое управляющее воздействие на электромагнитный тормоз 4, которое обеспечивает баланс моментов на частоте уставки. Алгоритм действия регулятора частоты 6 реализуется на основе ПИ-закона регулирования.

Использование заявляемого энергоагрегата благоприятно сказывается на качестве генерируемой электроэнергии благодаря высокой стабильности поддержания частоты и бесперебойности энергоснабжения потребителя. Применение электромагнитного тормоза существенно повышает надежность энергоагрегата в целом, т. к. его отказ менее вероятен, чем комбинации [3] синхронный генератор балластные резисторы. Действительно, в электромагнитном тормозе отсутствуют такие малонадежные узлы, как щеточный аппарат и балластные резисторы. Нет также генераторной обмотки, как у синхронного генератора. При этом упрощается эксплуатация заявляемого энергоагрегата. Улучшаются также и стоимостные показатели, т.к. электромагнитный тормоз существенно дешевле, чем синхронный генератор (нет генераторной обмотки на статоре, отсутствует щеточный аппарат, не используется магнитопровод из шихтованной электротехнической стали). Кроме того, как уже отмечалось, исчезает надобность в дорогостоящих и ненадежных балластных резисторах.

Формула изобретения

Энергоагрегат, содержащий установленную на валу ветро или гидротурбину, соединенную с генератором переменного тока, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен электромагнитным тормозом, имеющим обмотку возбуждения и кинематически связанным с валом энергоагрегата, и регулятором частоты, вход которого соединен с генератором переменного тока, а выход с обмоткой возбуждения электромагнитного тормоза.

РИСУНКИ

Рисунок 1