Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения



Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения
Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения
Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения
Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения

 


Владельцы патента RU 2521419:

Федеральное государственное унитарное предприятие Производственное объединение "Север" (RU)

Изобретение: в области электротехники. Технический результат - снижение массы синхронного генератора за счет повышения входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии. Система содержит синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме трехфазного мостового реверсивного выпрямителя (МРВ) с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра и запитанного от одной из трехфазных систем обмоток синхронного генератора, один из выходных выводов МРВ подключен к соответствующей фазе трехфазной нагрузки. Вводится еще одна фаза непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, собранная по схеме трехфазного мостового выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра, запитанного от трехфазного трансформатора, первичные обмотки которого соединены с любой из трех трехфазных систем обмоток синхронного генератора, к одному из выводов введенной фазы непосредственного преобразователя частоты подключаются вторые выводы трех МРВ, а второй вывод введенной фазы непосредственного преобразователя частоты соединяют с нулевым проводом нагрузок системы генерирования. 4 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения для летательных аппаратов, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии (СПЭЭ). Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах служит синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала. Функция обеспечения качественных показателей генерируемой электрической энергии возлагается на статический преобразователь и выходной силовой низкочастотный фильтр.

Для указанного применения систем генерирования важным показателем является масса всех элементов системы, при проектировании которых необходимо стремиться к ее уменьшению. Масса синхронного генератора при работе со статическим преобразователем электрической энергии в значительной степени определяется величиной входного коэффициента мощности статического преобразователя (χcn), поэтому возникает задача повышения величины данного коэффициента.

Известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока, состоящая из синхронного генератора и статического преобразователя электрической энергии [Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристики, применение. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 400 с.], содержащая шестифазный синхронный генератор с выводом нулевого провода и электромагнитным возбуждением, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме шестифазного реверсивного выпрямителя с двумя уравнительными реакторами, и трех низкочастотных LC-фильтров.

Данная система обладает рядом недостатков. Наличие электромагнитного возбуждения синхронного генератора требует введения вращающихся контактов или значительного усложнения конструкции генератора за счет увеличения числа ступеней преобразования электрической энергии, что приводит к уменьшению надежности системы, повышению эксплуатационных расходов и массы. К недостаткам следует отнести также и то, что в составе статического преобразователя имеется шесть уравнительных реакторов. Все они работают на относительно низкой частоте выходного напряжения системы генерирования, поэтому имеют достаточно высокую массу. Кроме этого, синхронный генератор выполняется с успокоительными обмотками с целью уменьшения его выходных реактансов, это требуется для обеспечения независимой коммутации тиристоров в разных выходных фазах статического преобразователя. В этом случае коммутация тиристоров получается «жесткой» с резким обрывом коммутируемого тока, поэтому возникает необходимость применения защитных RC цепей (снаберов напряжения) для снятия перенапряжений на тиристорах. При широком диапазоне изменения частоты и величины напряжения синхронного генератора масса их получается значительной. К недостаткам также относится относительно низкое значение входного коэффициента мощности данной схемы статического преобразователя, что приводит к увеличению массы синхронного генератора. При использовании данной схемы статического преобразователя в системе генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения появляется еще один недостаток, обусловленный тем, что повышение величины выходного напряжения приведет к необходимости увеличения класса тиристоров или к необходимости последовательного включения тиристоров. В первом случае, при увеличении класса тиристоров ухудшатся частотные свойства схемы и, как следствие, увеличатся масса и габариты LC-фильтров. Во втором случае, при последовательном включении тиристоров увеличатся масса и габариты статического преобразователя за счет увеличения числа тиристоров и необходимых для деления напряжения на тиристорах снаберов.

Кроме того, известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения [Грабовецкий Г.В., Куклин О.Г., Харитонов С.А. Непосредственные преобразователи частоты с естественной коммутацией для электромеханических систем. Учеб. пособие. - Новосибирск.: НГТУ, 2009. - 320 с.], которая является прототипом предлагаемого изобретения, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме трехфазного мостового реверсивного выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра и запитанного от одной из трехфазных систем обмоток синхронного генератора, один из выходных выводов мостового реверсивного выпрямителя подключен к соответствующей фазе трехфазной нагрузки, а вторые выводы - к нулевому проводу нагрузки.

Недостатком данной системы является низкое значение входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии и, как следствие, увеличенная масса синхронного генератора.

Задача изобретения - снижение массы синхронного генератора за счет повышения входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии.

Поставленная задача достигается тем, что в известной системе генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения, содержащей синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме трехфазного мостового реверсивного выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра и запитанного от одной из трехфазных систем обмоток синхронного генератора, один из выходных выводов мостового реверсивного выпрямителя подключен к соответствующей фазе трехфазной нагрузки, вводится еще одна фаза непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, собранная по схеме трехфазного мостового выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра, запитанного от трехфазного трансформатора, первичные обмотки которого соединены с любой из трех трехфазных систем обмоток синхронного генератора, к одному из выводов введенной фазы непосредственного преобразователя частоты подключаются вторые выводы трех мостовых реверсивных выпрямителей, а второй вывод данного непосредственного преобразователя частоты соединяют с нулевым проводом нагрузок системы генерирования.

Схема предлагаемой системы генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока приведена на фиг.1.

Система генерирования включает синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре (1), статический преобразователь электрической энергии (2) и трехфазный трансформатор (3).

Выводы трехфазных обмоток генератора (TO1, TO2, TO3) соединены с тремя соответствующими трехфазными входами (TB1, TB2, TB3) непосредственных преобразователей частоты (4, 5, 6). Любая из трехфазных обмоток генератора (TO1, ТO2, ТO3) соединена с первичными обмотками трехфазного трансформатора (3), выходная трехфазная обмотка которого соединена с трехфазным входом ТВ4 непосредственного преобразователя (7) Для определенности на фиг.1 к первичной обмотке трансформатора (3) подключены выводы трехфазной обмотки ТO3. Статический преобразователь содержит четыре одинаковых по топологии непосредственных преобразователей частоты (4, 5, 6, 7). Трехфазные входы преобразователей частоты соединены с одноименными трехфазными выводами трехфазных обмоток генератора (TO1, ТO2, ТO3). Каждый непосредственный преобразователь частоты содержит трехфазный мостовой реверсивный выпрямитель (8) и конденсатор низкочастотного фильтра (15).

Трехфазный мостовой реверсивный выпрямитель (8) выполнен по известной схеме [Завалишин Д.А. Ионный преобразователь частоты для регулирования скорости асинхронного двигателя // Электричество. - 1939. - №4], содержащей шесть пар встречно-параллельно включенных тиристоров (9, 10, 11, 12, 13, 14) или шесть симметричных тиристоров (симисторов). Параллельно выходу трехфазного мостового реверсивного выпрямителя (8) соединен конденсатор низкочастотного фильтра (15), вывод которого соединены с выходами 1 и 2 непосредственного преобразователя частоты (4). Вторые выходы непосредственных преобразователей частоты (4, 5, 6) соединены между собой и соединены с выходом 1 непосредственного преобразователя частоты (7), выход 2 которого соединен с нулевым проводом нагрузки (N). Первые выходы непосредственных преобразователей частоты (4, 5, 6) соединены с соответствующими входами трехфазной нагрузки системы генерирования.

Предлагаемая система функционирует следующим образом.

В соответствии с ГОСТ 19880-74 коэффициент мощности определяется как отношение активной мощности к полной мощности, пренебрегая активными потерями в статическом преобразователе электрической энергии и полагая, что нагрузка симметрична, выражение для входного коэффициента мощности СПЭЭ примет вид

χ c n = P н S с г = 3 Е н ( 1 ) I н ( 1 ) cos φ н ( 1 ) i = 1 6 E 1 i I 1 i ( 1 )

где: Eн(1), Iн(1) - действующее значение основных гармоник фазного напряжения и тока в нагрузке;

ϕн(1) - фазовый сдвиг между током и напряжением нагрузки;

E1i, I1i - действующие значения фазных напряжений и токов синхронного генератора.

Напряжения на нагрузке в соответствии с фиг.1 будут определяться с помощью следующих соотношений:

uнj=uнoj+uoo4, j=1, 2, 3,

где uнo1, uнo2, uнo3, uoo4 - выходные напряжения непосредственных преобразователей частоты НПЧ1, НПЧ2, НПЧ3 и НПЧ4.

Математически характер изменения углов управления для трех непосредственных преобразователей частоты НПЧ1, НПЧ2 и НПЧ3 обозначим следующим образом αmidl1,2,32t) и определим его в виде соотношения

α m i d l j ( ω 2 t ) = α sin j ( ω 2 t ) + Δ α m i d l ( ω 2 t ) 2 , j = 1,2,3 ( 2 )

где: α sin j ( ω 2 t ) = π 2 { 1 M sin [ ω 2 t ( j 1 ) 2 π 3 ] } - закон изменения углов управления непосредственных преобразователей частоты НПЧ1, НПЧ2 и НПЧ3 при синусоидальном законе управления;

Δαmidl2)=Midl{α12), α22), α32) - комбинированная добавка, характер изменения во времени иллюстрируется фиг.2;

M - глубина модуляции углов управления.

Характер изменения во времени углов управления αsinl2t) и αmidl12t) показан на фиг.3. Такой способ формирования углов управления αmidlj2t) позволяет расширить линейный диапазон изменения углов управления αsinj2t) в 2 3 = 1,155 раза [Берестов В.М., Харитонов С.А. Анализ синусоидальной ШИМ с натуральной выборкой (методический аспект). Технiчна електродинамiка. Тематический выпуск. Силова електронiка та енергоефективнiсть. Частина 2. Киiв, 2002. - с.31-37]. Однако, как следует из фиг.2, в комбинированной добавке Δ α m i d l ( ϑ 2 ) 2 присутствуют гармоники с частотами (6k-3)ω2, где k=1, 2, 3…, которые приведут к появлению аналогичных составляющих в выходных напряжениях непосредственных преобразователей частоты НПЧ1, НПЧ2 и НПЧ3. Учитывая, что эти гармоники образуют в выходных напряжениях нулевую последовательность, они могут быть компенсированы путем добавления непосредственного преобразователя частоты НПЧ4 в нулевой провод нагрузки, как это показано на фиг.1, который генерирует напряжение uoo4, при этом закон управления для этого комплекта выбирается в виде

α 0 = ( ω 2 t ) = Δ α m i d l ( ω 2 t ) 2 ( M ) ( 3 )

где ℑ(M) - функция, которая учитывает изменение коэффициента передачи непосредственных преобразователей частоты НПЧ1, НПЧ2 и НПЧ3 по гармонике с частотой (6k-3)ω2 в зависимости от глубины модуляции M. Так например, в случае линейной компенсации влияния глубины модуляции ℑ(M)=1-0.13528·M. При таком управлении гармоники порядка (6k-3)ω2 в нагрузке отсутствуют, но происходит увеличение основной гармоники напряжений на нагрузке по отношению к аналогичным напряжениям в системе прототипа, где изменение углов управления осуществляется в соответствии с соотношением αsinj2t).

Проведенный анализ показывает, что действующие значения основных гармоник напряжения на нагрузке можно оценить с помощью соотношений:

E н ( 1 ) S I N = 2.34 2 J 1 ( M π 2 ) E 1 - для СПЭЭ прототипа;

E н ( 1 ) M I D L = 2.34 2 { J 1 ( M π 2 ) 1 J 0 ( M 3 3 16 ) + [ J 2 ( M π 2 ) 1 J 4 ( M π 2 ) 1 ] J 1 ( M 3 3 16 ) } E 1 - для СПЭЭ предлагаемой системы.

На фиг.4 показано как изменяется отношение в функции глубины модуляции {М}, откуда следует, что в предложенной системе действующее значение основной гармоники напряжения на нагрузке увеличивается на 8.5÷14.5%. В соответствии с соотношением (1) настолько же процентов происходит увеличение входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии (χсг) и на 7.8÷12.7% уменьшается установленная мощность (Sсг) и масса синхронного генератора.

Снижение массы синхронного генератора является весьма важным фактором, т.к. СГ консольно подключен к маршевому авиационному двигателю. Введение дополнительного вентильного комплекта ВК4 незначительно увеличит массу системы генерирования, т.к. при симметричной нагрузке ток основной гармоники будет равен нулю, а высокочастотные токи будут значительно подавлены с помощью индуктивностей рассеяния трансформатора TP (3) или специально установленных дросселей в выходные фазы ТР.

Таким образом, предложенная система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока имеет меньшую массу синхронного генератора за счет повышения входного коэффициента мощности статического преобразователя электрической энергии.

Система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения, содержащая синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме трехфазного мостового реверсивного выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра и запитанного от одной из трехфазных систем обмоток синхронного генератора, один из выходных выводов мостового реверсивного выпрямителя подключен к соответствующей фазе трехфазной нагрузки, отличающаяся тем, что вводят еще одну фазу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, собранную по схеме трехфазного мостового выпрямителя с параллельно включенным его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра, запитанного от трехфазного трансформатора, первичные обмотки которого соединяют с любой из трех трехфазных систем обмоток синхронного генератора, к одному из выводов введенной фазы непосредственного преобразователя частоты подключают вторые выводы трех мостовых реверсивных выпрямителей, а второй вывод введенной фазы непосредственного преобразователя частоты соединяют с нулевым проводом нагрузок системы генерирования.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для получения энергии нетрадиционным способом. .

Изобретение относится к области судовых энергетических установок. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в самолетостроении. .

Изобретение относится к электроэнергетике и силовой электронике. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении ресурсосберегающих систем электроснабжения общепромышленных объектов. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании электромашинных систем генерирования электроэнергии, предназначенных для электрооборудования летательных аппаратов и других автономных объектов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления электрическими машинами двойного питания большой мощности - асинхронизированными электрическими машинами (АСМ).

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в составе оборудования для управления синхронными генераторами на предприятиях, вырабатывающих электрическую энергию.

Изобретение относится к судовым крановым установкам. .

Изобретение относится к системам электроснабжения на основе силовой преобразовательной техники, питающим удаленные потребители электрической энергии переменного тока.

Изобретение относится к электротехнике и электроэнергетике, а именно к устройствам подавления и компенсации высших гармоник в электрических сетях и коррекции коэффициента мощности.

Изобретение относится к системе генерирования, преобразования, распределения электроэнергии и запуска на борту самолета. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве преобразователя постоянного напряжения в переменное трехфазное симметричное напряжение.

Изобретение относится к области электроснабжения электрифицированных железных дорог однофазного переменного тока систем 25 кВ и 2×2,5 кВ и может быть использовано в контактных сетях с нейтральной вставкой.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для обслуживания объединенных центров потребления электроэнергии, например больших городских зон или географических областей.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при проектировании источников электропитания импульсных нагрузок с емкостными накопителями энергии.

Энергосберегающее электронное устройство, исключающее фактор поражения электрическим током людей и животных, относится к электротехнике, а точнее к электронным генераторам импульсного и переменного напряжения. Устройство включает в себя сетевой фильтр, фильтр высокочастотных помех, ограничитель переменного напряжения, выпрямитель напряжения постоянного тока, электронный распределитель напряжения, преобразователь высоковольтных импульсов, электронный адаптер, устройство сопряжения и дополнительно содержит устройство автономного накопления энергии и электронный распределитель напряжения. Применение заявляемого устройства позволяет получить технический результат - повысить экономическую эффективность работы подключаемых к нему электроприборов, уменьшает риски поражения людей электрическим током и уменьшает вероятность возникновения пожаров. 1 ил.
Наверх