Турбогенераторная установка

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при проектировании турбогенераторных установок. Технический результат - повышение КПД, улучшение масса-габаритных показателей и повышение качества выходного напряжения. Устройство содержит турбину, механически соединенную с электрической машиной, работающей при пуске турбины в режиме двигателя, а после запуска турбины - в режиме генератора. При запуске турбины первый трехфазный инвертор, подсоединенный к внешнему источнику питания, работает в режиме выпрямления, а второй трехфазный инвертор - преобразования частоты. После запуска турбины первый инвертор переходит в режим генерирования энергии заданной частоты, а второй инвертор - в режим выпрямления. Переключение работы инверторов с режима запуска на режим генерирования осуществляется технологическим контроллером. С помощью системы компенсации реактивной составляющей выходного напряжения электрической машины организована корректировка ее коэффициента мощности. За счет связи нулевого вывода нагрузки с общей точкой последовательно соединенных конденсаторов, присоединенных к цепям постоянного тока первого и второго инверторов, обеспечена возможность частотной и фазной синхронизации выходных напряжений источника внешнего сигнала и первого инвертора. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании источников электроэнергии, выполненных на базе турбин, работающих, например, на газе.

Известен источник напряжения переменного тока, выполненный в виде турбогенераторной установки с редуктором, запуск которой осуществляется от вспомогательного электрического двигателя (1).

Недостатком известного решения является сложность конструкции и, следовательно, низкая надежность.

Наиболее близким к данному изобретению устройством является источник напряжения переменного тока, содержащий турбину, механически соединенную с валом электрической машины. Запуск турбогенераторной установки осуществляется с помощью реверсивного статического преобразователя частоты, обеспечивающего питание электрической машины при ее работе в режиме двигателя. Преобразователь частоты выполнен в виде двух инверторов, предназначенных для запуска турбины и преобразования частоты напряжения и тока, отдаваемого генератором, в частоту промышленной сети (2). Регулирование выходного напряжения в данном устройстве осуществляется обмоткой возбуждения синхронного генератора, что влечет за собой потери мощности и, следовательно, снижение КПД. Кроме того при увеличении оборотов электрической машины снижается ее коэффициент мощности, что объясняется увеличением реактивных составляющих токов и напряжений в ее фазных обмотках.

Отсутствие мер по корректировке коэффициента мощности влечет за собой снижение КПД. Обеспечить достаточную надежность и высокий КПД можно за счет увеличения массы, что неизбежно приведет к ухудшению масса-габаритных показателей и энергосбережения всей установки.

Кроме того известное устройство не может обеспечить достаточное качество выходного напряжения при асимметрии нагрузок (из-за отсутствия возможности пофазного регулирования) и не может функционировать в автономном режиме без потребления энергии из сети.

Техническим результатом, которого можно достичь при использовании данного изобретения, является повышение КПД, улучшение масса-габаритных показателей устройства и повышение качества выходного напряжения.

Технический результат достигается тем, что в турбогенераторной установке, содержащей турбину, механически соединенную с электрической машиной, работающей при запуске турбины в функции двигателя, а в режиме генерирования электроэнергии - генератора, два регулируемых трехфазных инвертора, управляющие цепи которых связаны с выходами соответствующих блоков управления, формирующих основные сигналы управления, при этом выводы переменного тока первого инвертора подсоединены к фазным цепям нагрузки, в которые включены датчики параметров нагрузки, соединенные с входами блока управления первого инвертора, а выводы переменного тока второго инвертора соединены с фазными цепями электрической машины, внешний источник переменного напряжения, присоединенный к фазным цепям нагрузки, автоматическая система управления, выходом связанная с входами блоков управления соответствующих инверторов (2), цепи постоянного тока первого и второго инверторов соединены друг с другом и подключены к крайним выводам введенной цепи из двух последовательно соединенных конденсаторов, общая точка которых присоединена к нулевой фазе нагрузки, а указанная связь выхода автоматической системы управления с входами блоков управления инверторов осуществлена через введенный технологический контроллер, выполненный обеспечивающим блокировку прохождения основных сигналов управления на управляющие цепи первого инвертора - при запуске турбины и соответственно на управляющие цепи второго инвертора - в режиме генерирования. Кроме того в фазные цепи электрической машины введены датчики реактивных токов и напряжений, выходы которых соединены с дополнительными входами блока управления второго инвертора, выполненного обеспечивающим в режиме генерации формирование дополнительных сигналов управления, служащих для корректировки коэффициента мощности электрической машины.

В результате проведенных патентных исследованной, касающихся области построения турбогенераторных установок с повышенным КПД при оптимальных масса-габаритных показателях, технических решений, аналогичных заявленному, не обнаружено, что позволяет сделать вывод о соответствии данного изобретения критерию «изобретательский уровень».

На Фиг.1 представлена электрическая схема турбогенераторной установки.

На Фиг.2 изображен график изменения выходных напряжений внешнего источника питания и первого инвертора при фазном и частотном регулировании.

Устройство содержит турбину 1, механически соединенную с валом электрической машины 2 переменного тока, работающей при запуске турбины в функции электрического двигателя, а после запуска турбины (в режиме генерирования электроэнергии) - в функции генератора. Выводы переменного тока первого инвертора 3 связаны с фазными цепями нагрузки, а второго инвертора 4 - с фазными обмотками трехфазной электрической машины 2. Управляющие цепи первого и второго инверторов 3 и 4, выполненных регулируемыми трехфазными, соединены с соответствующими блоками управления 5, 6, формирующими основные сигналы управления. В фазные цепи нагрузки включены датчики параметров нагрузки 7, соединенные с входами блока управления 5 первого инвертора 3. В фазные цепи электрической машины 2 включены датчики реактивных токов и напряжений 8, выходы которых соединены с дополнительными входами второго блока управления 6, выполненного обеспечивающим в режиме генерации формирование и прохождение на управляющие цепи второго инвертора 4 дополнительных сигналов управления, служащих для корректировки коэффициента мощности электрической машины.

Цепи постоянного тока инверторов 3 и 4 соединены друг с другом и подключены к крайним выводам цепи 9, состоящей из двух последовательно соединенных конденсаторов, общая точка которых присоединена к нулевому выводу нагрузки. Между выводами переменного тока первого инвертора 3 и цепями нагрузки включен фильтр 10 подавления высокочастотной модуляции. Автоматическая система управления (АСУ) 11, задающая алгоритм управления всей турбогенераторной установкой, входом связана с измерительными датчиками турбины и электрической машины, выходом - через технологический контроллер 12 - с входами соответствующих блоков управления 5, 6. Технологический контроллер 12 может быть выполнен на базе программируемого процессора, получающего команды от АСУ либо от ручного пульта. Контроллер 12 предназначен для переключения режимов работы инверторов 3, 4, соответствующих этапам пуска и генерирования. Процесс переключения осуществляется путем блокировки прохождения основных сигналов управления на управляющие цепи первого инвертора - при запуске турбины и соответственно на управляющие цепи второго инвертора - в режиме генерирования. К фазным цепям нагрузки присоединен внешний источник переменного напряжения 13, каковым может являться промышленная сеть переменного тока или, например, дизельная электростанция. Источник 13 может быть подключен постоянно или только на время пуска турбогенераторной установки. Каждый из трехфазных инверторов 3, 4 содержит три стандартные стойки из управляемых ключей, зашунтированных обратными диодами.

Электрическая машина может быть выполнена в виде синхронной машины с возбуждением на постоянных магнитах или в виде асинхронной машины.

Устройство работает следующим образом.

При пуске установки источник переменного напряжения 13 подключается к цепям нагрузки, соединенным через фильтр 10 с выводами переменного тока первого инвертора 3. Технологический контроллер 12 блокирует прохождение основных сигналов управления на управляющие цепи ключей инвертора 3 и разрешает их прохождение на управляющие цепи инвертора 4. Инвертор 3 работает в режиме трехфазного мостового выпрямителя, формирующего постоянное напряжение на выводах постоянного тока обоих инверторов. На выводах переменного тока второго инвертора 4 формируется напряжение переменного тока, которое прикладывается к фазным обмоткам электрической машины, работающей в функции электрического двигателя, приводящего в движение турбину 1. Повышение напряжения на обмотках электрической машины приводит к увеличению оборотов ее ротора от минимального значения до оборотов поджига (20% от номинальных), при которых турбина 1 начинает работать на собственной тяге.

При достижении частоты вращения вала турбины 1 заданной величины, соответствующей ее выходу на рабочий режим, турбина принимает на себя вращение вала электрической машины 2, переводя ее в режим работы генератора, формирующего напряжение переменного тока на выводах инвертора 4. После завершения процесса пуска технологическому контроллеру 12 подается команда (от АСУ или от ручного пульта) на переход в режим генерирования, при котором основные сигналы регулирования поступают только на управляющие цепи ключей инвертора 3, при этом прохождение управляющих сигналов на управляющие цепи ключей инвертора 4 запрещено. В результате этого управляемые ключи инвертора 4 запираются и он переходит в режим работы трехфазного мостового выпрямителя. Турбина 1 продолжает увеличивать обороты, достигая номинальных, при этом напряжение на выходе электрической машины (генератора) возрастает. Силовые ключи в стойках инвертора 3 коммутируются с высокой частотой.

С помощью регулирования соотношения между величинами времен полуволн в каждой из фаз выходного напряжения инвертора 3 ( на Фиг.2) относительно средней точки конденсаторной цепи 9 можно изменять форму и величину его низкочастотной составляющей и таким образом синхронизировать частоту и фазу напряжений, генерируемых инвертором 3 с частотой и фазами напряжения источника 13 (U_AO). Искусственная организация нулевого фазного вывода нагрузки и нулевого вывода внешнего источника питания (от средней точки конденсаторной цепи) позволила реализовать возможность синхронизации напряжений внешнего источника 13 и инвертора 3 по фазе и частоте.

В режиме генерирования энергии работа устройства возможна при подключенном источнике переменного тока либо без него (установка работает как автономная электростанция).

В режиме генерирования при параллельной работе с сетью можно реализовать ограничение токов в фазах путем изменения соотношения высокочастотных полупериодов выходного напряжения инвертора 3.

Для корректировки коэффициента мощности электрической машины (в режиме генерирования) в фазные цепи электрической машины 2 включены датчики реактивных токов и напряжений 8, выходы которых соединены с дополнительными входами блока управления инвертора 4. На этом этапе блок управления 6 формирует на управляющих цепях ключей инвертора 4 дополнительные сигналы управления, служащие для компенсации индуктивной составляющей выходного напряжения электрической машины. При этом силовые ключи инвертора 4 коммутируют с частотой, не менее, чем на порядок превышающей частоту, генерируемую электрической машиной 2.

В режиме генерирования инвертор 3 может:

- генерировать активную мощность,

- работать в режиме активного фильтра, а при наличии нелинейной нагрузки компенсировать высшие гармоники в сети,

- выступать в роли стабилизатора сети, обеспечивая ее устойчивость,

- симметрировать нагрузку по фазам.

Устройство обладает высоким КПД при оптимальных масса-габаритных показателях и высоком качестве генерируемой энергии.

Данная установка может быть использована в качестве источника электроэнергии для любых потребительских нужд.

Источники информации

1. ЕР 0033847 А, 1981 г.

2. RU 2195763 С2, Н02Р 9/04, 1995 г.

1. Турбогенераторная установка, содержащая турбину, механически соединенную с электрической машиной, работающей при запуске турбины в функции двигателя, а в режиме генерирования электроэнергии - генератора, два регулируемых трехфазных инвертора, управляющие цепи которых связаны с выходами соответствующих блоков управления, формирующих основные сигналы управления, при этом выводы переменного тока первого инвертора подсоединены к фазным цепям нагрузки, в которые включены датчики параметров нагрузки, соединенные с входами блока управления первого инвертора, а выводы переменного тока второго инвертора соединены с фазными цепями электрической машины, внешний источник переменного напряжения, присоединенный к фазным цепям нагрузки, автоматическая система управления, выходом связанная с входами блоков управления соответствующих инверторов, отличающаяся тем, что цепи постоянного тока первого и второго инверторов соединены друг с другом и подключены к крайним выводам введенной цепи из двух последовательно соединенных конденсаторов, общая точка которых присоединена к нулевой фазе нагрузки, а указанная связь выхода автоматической системы управления с входами блоков управления инверторов осуществлена через введенный технологический контроллер, выполненный обеспечивающим блокировку прохождения основных сигналов управления на управляющие цепи первого инвертора при запуске турбины и соответственно на управляющие цепи второго инвертора в режиме генерирования.

2. Турбогенераторная установка по п.1, отличающаяся тем, что в фазные цепи электрической машины введены датчики реактивных токов и напряжений, выходы которых соединены с дополнительными входами блока управления второго инвертора, выполненного обеспечивающим в режиме генерации формирование дополнительных сигналов управления, служащих для корректировки коэффициента мощности электрической машины.