Автономная электроэнергосистема переменного тока стабильной частоты и способ получения стабильной частоты переменного тока

 

Использование: В ветроэлектроэнергоустановках, энергосистемах транспортных средств и др. Сущность. В автономной электроэнергосистеме стабильной частоты синхронный компенсатор снабжен дополнительным независимым устройством стабилизации частоты вращения, выходной вал которого состыкован с валом ротора синхронного компенсатора, изменяя частоту вращения ротора синхронного компенсатора, устраняют отклонение частоты переменного тока системы от заданного уровня. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к автономным электроэнергосистемам переменного тока стабильной частоты при переменной частоте вращения приводного двигателя (СЧПЧ), в частности к ветроэлектроэнергоустановкам, электроэнергосистемам транспортных средств с приводом электрогенераторов от основных маршевых двигателей и некоторым мобильным электроэнергоустановкам.

Автономные электроэнергосистемы СЧПЧ в настоящее время наиболее распространены на современных гражданских и военных самолетах, вертолетах и других летательных аппаратах. Выбранная, в качестве аналога, автономная электроэнергосистема СЧПЧ содержит синхронный генератор, ротор которого соединен с приводным маршевым двигателем, имеющим переменную частоту вращения через т.н. ППС "-привод постоянной скорости" (частоты вращения) пневматического или гидравлического типа с механическим, гидравлическим или гидромеханическим дифференциалом, частота вращения выходного вала которого в дифференциале складывается или вычитается с частотой вращения приводного двигателя так, что частота вращения ротора генератора, а значит и частота переменного тока, остается неизменной (1).

Основным недостатком известных устройств является наличие сложного, дорогого в производстве и эксплуатации и относительно малонадежного ППС, что делает эти системы СПЧП малоперспективными.

По совокупности выполняемой задачи и составу основных элементов наиболее близким аналогом предложенной автономной электроэнергосистемы СЧПЧ, и, в какой-то мере, способа получения СЧПЧ является электромашинный агрегат для получения постоянной частоты переменного тока (2). Агрегат содержит синхронный генератор, связанный с валом приводного двигателя через дифференциальный мультипликатор, регулируемую асинхронную машину, ротор которой связан с вторым выходным валом дифференциального мультипликатора, а обмотка через устройство переключения числа пар полюсов и регулятор напряжения на управляемых дросселях подключена параллельно обмотке синхронного генератора и ряд других устройств.

Асинхронная машина имеет два режима работы: на малой частоте вращения приводного двигателя она работает, как электромагнитный тормоз; на средней и высокой частоте, как асинхронный генератор, при этом на средней частоте вращения приводного двигателя с полным числом пар полюсов, на высокой с половинным.

Т. о. на малой частоте вращения приводного двигателя единственным источником активной и реактивной электроэнергии для потребителей является синхронный генератор агрегата, на средней и большой частоте вращения синхронный и асинхронный генераторы.

Получение СЧПЧ требует постоянства частоты вращения ротора синхронного генератора, которая обеспечивается дифференциальным мультипликатором и регулированием величины нагрузки асинхронной машины.

Недостатком известного устройства является необходимость дифференциального мультипликатора на полную мощность электроэнергосистемы. Это сложное, трудоемкое и дорогое в производстве, малоресурсное и относительно малонадежное в эксплуатации механическое устройство с существенно меньшим КПД, чем у простых редукторных передач. Механический привод синхронного генератора осложняет и организацию параллельной работы на общую нагрузку нескольких таких агрегатов.

Кроме того, агрегат имеет неоправданно широкий диапазон работы по изменению частоты вращения приводного двигателя, который потребовал весьма существенного усложнения устройства. Оправданный предложенной конструкцией рабочий диапазон изменения частоты вращения приводного двигателя в данном агрегате составляет на каждой паре полюсов 1:2 и в режиме тормоза еще 1:2 т.о. общий возможный диапазон составит: 1:2x2x2 1:8, в то время как реальный рабочий диапазон маршевых карбюраторных, дизельных и газотурбинных двигателей редко выходит за пределы 1:2, а полный эксплуатационный диапазон от холостого хода до максимальной частоты вращения наиболее широкодиапазонных двигателей редко превышает 1:4. Не требует такого широкого диапазона и ветроэлектроэнергетические установки. Хотя обычный рабочий диапазон скоростей ветра от минимальной 4 м/с до максимальной 24 м/с составляет 1:24/4 1:6, будет перекрыт, для нерегулируемых по частоте вращения ветроколес, таким же диапазоном частот вращения 1:6, но наличие дифференциального мультипликатора с его невысоким КПД не позволит воспользоваться скоростями ветра менее 6 м/с, т.е. ограничивает реальный диапазон до 1:24/6 1:4, а регулирование по частоте вращения, без которого трудно обойтись, сокращает этот диапазон до величины менее 1:2. Т.о. требуемый реальный рабочий диапазон изменения частоты вращения приводного двигателя, для которого должна сохраняться стабильная частота переменного тока, составляет 1:2, а для особо тяжелых условий, не более 1:(3 4), что в данном агрегате перекрывается либо двухскоростной асинхронной машиной и одним режимом ее работы только, как асинхронным генератором, либо, что более целесообразно, односкоростной асинхронной машиной тормозным и генераторным режимом ее работы.

Задача изобретения существенное упрощение способа получения СЧПЧ в автономных электроэнергосистемах, повышение качества электроэнергии, надежности и качества обеспечения электроэнергией потребителей, снижение стоимости производства и эксплуатации автономных электроэнергосистем СЧПЧ.

Поставленная задача достигается тем, что в качестве основного электрогенератора канала генерирования системы электроснабжения применяют асинхронный генератор, для возбуждения и регулирования напряжения которого, а также для стабилизации частоты переменного тока на заданном уровне, обеспечения потребителей реактивной мощностью используют синхронный компенсатор, для стабилизации режима работы которого по частоте вращения применяют дополнительное независимое устройство.

Существо предлагаемого способа получения СЧПЧ и использующих его автономных электроэнергосистем в следующем: Асинхронная электрическая машина при вращении ее ротора с частотой вращения больше т.н. "синхронной частоты" работает, как генератор электрической энергии, отдавая в сеть только активную мощность и потребляя из сети для своей работы генератором активную, при этом частота переменного тока определяется частотой сети и не зависит от частоты вращения ротора асинхронного генератора. Поэтому при работе асинхронного генератора для его возбуждения и поддержания напряжения на заданном уровне необходим регулируемый источник реактивной мощности и опорной частоты переменного тока. Таким требованиям асинхронного генератора в полной мере отвечают возможности синхронного компенсатора. С другой стороны, синхронный компенсатор для своей работы требует от сети только активную мощность, что в полной мере отвечают возможности асинхронного генератора (3).

Соединение в одну систему двух элементов асинхронного генератора и синхронного компенсатора, при котором требования к системе одного из них в полной мере и без какой-либо избыточности удовлетворяются возможностями другого, а совокупные возможности обеих этих элементов в полной мере, и также без какой-либо избыточности, удовлетворяют полным требованиям потребителей электрической энергии, говорит о совершенстве такого технического решения.

Один канал автономной электроэнергосистемы, использующий заявленный способ получения СЧПЧ, содержит асинхронный генератор, ротор которого сцеплен с валом приводного двигателя с переменной частоты вращения, нижний заданный предел которой еще обеспечивает генераторный режим работы и синхронный компенсатор, выход которого подключен параллельно асинхронному генератору. Регулятор напряжения включен на синхронный компенсатор и предназначен для поддержания напряжения переменного тока системы на заданном уровне и в заданных пределах не зависимо от величины и характера нагрузки электроэнергосистемы. Синхронный компенсатор снабжен устройством запуска, обеспечивающим выведение его ротора на заданный режим по частоте вращения и дополнительным независимым устройством стабилизации частоты вращения, выходной вал исполнительного устройства которого состыкован с ротором синхронного компенсатора.

Работа системы электроснабжения дается на примере автономной ветроэлектроэнергоустановки (ВЭУ).

На фиг. 1 приведена упрощенная блок-схема ВЭУ, на фиг.2 характеристики изменения основных параметров ВЭУ в зависимости от частоты вращения "n" приводного воздушного винта 1.

Ротор 2 асинхронного генератора сцеплен с выходным валом 3 мультипликатора 4, а ротор синхронного компенсатора 5 через муфту разъединения 6 с его выходным валом 7.

На частотах вращения ниже заданного нижнего предела по частоте переменного тока, синхронный компенсатор используется как самовозбуждающийся, работающий с регулятором напряжения 8 синхронный генератор. Муфта разъединения 6 в этом случае соединяет его ротор с валом 7 мультипликатора 4. Передаточные отношения в мультипликаторе обеспечивают ротору асинхронного генератора большую, чем ротору синхронного компенсатора частоту вращения, а значит, при одном и том же числе пар полюсов, генераторный режим работы. При работе в режиме перевозбуждения синхронный компенсатор отдает реактивную мощность асинхронному генератору, что обеспечивает его возбуждение. При увеличении частоты вращения до n=n↓ оба генератора выводятся регулятором напряжения на заданный уровень напряжения.

Отдавая в сеть реактивную мощность перевозбужденный синхронный компенсатор одновременно потребляет из сети активную, покрывающую все внутренние потери синхронного компенсатора и полностью обеспечивающую его работу, как источника реактивной мощности.

При n n₂, для которой частота переменного тока достигнет своего нижнего предела, может быть включена нагрузка 9. При n n₃, соответствующей номиналу частоты переменного тока, муфта разъединения 6 отсоединяет ротор синхронного компенсатора от вала 7 мультипликатора 4. Этот режим сохраняется для всех n ≥ n₃.

Хотя, как это уже отмечалось, при совместной работе на общую нагрузку асинхронный генератор и синхронный компенсатор полностью взаимно удовлетворяют друг-друга и не требуют какого-либо дополнительного вмешательства для сохранения режима постоянства частоты переменного тока, однако, в системе и не возникает никаких восстанавливающих процессов при случайном отклонении от режима постоянства частоты. Поэтому в переходных процессах изменения величины нагрузки или частоты вращения приводного двигателя без дополнительной посторонней стабилизации режима постоянства частоты вращения ротора синхронного компенсатора возможен уход частоты переменного тока в ту или иную сторону от номинала.

Если оценить с учетом приведенного выше замечания, необходимую величину мощности стабилизирующего устройства 10, как не более 0,1 активной мощности синхронного компенсатора, составляющей, примерно, 0,15 его электромагнитной мощности, а потребную величину электромагнитной мощности для возбуждения асинхронного генератора, как 0,2 его активной мощности, то, по отношению к мощности асинхронного генератора, мощность стабилизирующего устройства составит 0,1х0,15х0,2 0,003 0,3% Например, при активной мощности асинхронного генератора 48 кВт это составит всего 48х0,003 0,144 кВт 144 Вт.

При такой небольшой величине потребной мощности наиболее целесообразно применить в качестве исполнительного органа дополнительного устройства синхронно-асинхронный 2-х фазный электродвигатель 11, запитываемый от однофазного (с конденсатором) или двухфазного стабилизированного по частоте инвертора 12, допускающего обмен с первичным источником активной и реактивной энергией. При отсутствии отклонения частоты от заданного уровня, стабильность режима обеспечивается синхронным режимом работы, а при отклонении частоты - асинхронным режимом его работы. Если при этом напряжение на исполнительном органе будет изменяться пропорционально скольжению, то восстанавливающий момент будет изменяться пропорционально кубу величины скольжения (без учета насыщения магнитной системы), что будет обеспечивать очень быстрый возврат системы к заданному режиму по частоте переменного тока.

В автономных электроэнергосистемах стабильной частоты летательных аппаратов роторы бортовых синхронных компенсаторов должны допускать нормальный пуск и раскрутку от бортовой сети при запитывании ее от наземного источника питания, что может обеспечить непрерываемость питания потребителей переменного тока при переходе питания с наземного источника на бортовой.

Принципиальная легкость организации и обеспечения параллельной работы неограниченного числа каналов генерирования по предлагаемому способу получения СЧПЧ открывает очень большие возможности создания автономных бортовых систем нового уровня качества.

Возможность осуществления изобретения подтверждается использованием только хорошо известных свойств асинхронных и синхронных электрических машин что нашло отражение в описании изобретения.

Формула изобретения

1. Автономная электроэнергосистема переменного тока стабильной частоты, содержащая асинхронный генератор, связанный с валом приводного двигателя, синхронный компенсатор, выход которого подключен параллельно асинхронному генератору, регулятор напряжения, включенный на синхронный компенсатор, и устройство запуска синхронного компенсатора, механически связанное с ротором синхронного компенсатора, отличающаяся тем, что синхронный компенсатор снабжен дополнительным независимым устройством стабилизации частоты вращения, выходной вал которого состыкован с валом ротора синхронного компенсатора.

2. Способ получения стабильной частоты переменного тока в автономной электроэнергосистеме с асинхронным генератором и синхронным компенсатором, при котором вращают ротор асинхронного генератора, синхронный компенсатор запускают, перевозбуждают и выводят на заданный режим по напряжению и частоте вращения, отличающийся тем, что при отклонении частоты переменного тока от заданного уровня, изменяют частоту вращения ротора синхронного компенсатора в сторону уменьшения отклонения частоты переменного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2