Стартер-генераторная установка для автономной системы электроснабжения на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты и способ ее использования

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в стартер-генераторе низкоскоростного роторно-лопастного двигателя в составе автономной кооперационной системы энергоснабжения, ветроэнергетических и других установок на основе альтернативных источников энергии. Техническим результатом является обеспечение работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты с высокими показателями энергетической эффективности в трех режимах с использованием типовых вентильных преобразователей и общепромышленного вентильного двигателя и повышение эффективности системы управления. Вентильный преобразователь напряжения (3) выполнен на активных полупроводниковых элементах с двусторонней проводимостью. В систему добавлены аккумуляторная батарея (9) и вторичные источники питания (10). Управление потоком электрической энергии осуществляется с использованием обратной связи по напряжению или току звена постоянного напряжения с учетом скорости вращения синхронной машины (2) и изменения нагрузки переменного напряжения. Система управления мультипликатором (7) связана с главной системой управления (6) роторно-лопастного двигателя (1). 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области использования трехфазных синхронных машин, силовых преобразователей для выработки электроэнергии и может быть использовано для стартер-генератора низкоскоростного роторно-лопастного двигателя в составе автономной когенерационной системы энергоснабжения, ветроэнергетических и других установок на основе альтернативных источников энергии.

Известна система «синхронный генератор с постоянными магнитами - активный выпрямитель - инвертор напряжения» для ветроэнергетических установок [Харитонов С.А. «Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов», Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2011, схема с. 370].

С точки зрения применения данной системы к низкоскоростному роторно-лопастному двигателю с переменной частотой вращения вала, она обладает рядом недостатков. Отсутствие мультипликатора частоты вращения вала либо напряжения генератора, либо напряжения на звене постоянного тока делает невозможным применение низкоскоростного двигателя. Применение мультипликатора частоты вращения вала (редуктора) либо напряжения генератора (трансформатора) существенно повышает массогабаритные показатели энергетической установки. Проблематично использование синхронного генератора в режиме стартера для роторно-лопастного двигателя.

Наиболее близкой к предлагаемой является система для выработки электроэнергии, используемая в малых гидро- и ветроустановках с переменной частотой вращения вала электрической машины, представляющая собой структуру «неуправляемый выпрямитель - корректор коэффициента мощности (мультипликатор постоянного напряжения) - инвертор напряжения» [Т. Sobczyk, W. Mazgaj, Z. Shular, Т. Wegiel, L. Kopchak, B. Kopchak, R. Jacukowicz, M. Twerd. «Power electronic conversion system for small power plants based on renewable sources», журнал «Электротехнические и компьютерные системы» (Одесса), №3, 2011, с. 367-370], содержащая возбуждаемую постоянными магнитами синхронную машину, которая со стороны ротора механически связана с приводной турбиной, со стороны статора электрически связана с трехфазным вентильным преобразователем напряжения, выход которого соединен с входом вентильного мультипликатора постоянного напряжения, при этом выход мультипликатора соединен с входом инвертора, который со стороны переменного напряжения подключен к трехфазной нагрузке переменного напряжения или промышленной сети, причем управление инвертором осуществляется системой управления с обратной связью по напряжению и току трехфазной нагрузки, при этом система управления инвертором связана с системой управления турбиной, тогда как управление вентильным мультипликатором постоянного напряжения осуществляется системой управления с обратной связью по току или напряжению на выходе мультипликатора.

К недостаткам данной системы (автономной установки) относятся:

- система предназначена только для обеспечения генераторного режима работы. Ввиду того что данная система имеет в составе неуправляемый выпрямитель, для обеспечения пусковых режимов низкоскоростного роторно-лопастного двигателя необходимо подключение дополнительной системы пуска;

- система управления автономной установкой связана с системой управления электрической подсистемой через систему управления инвертором, которая не требуется.

В основе предлагаемого устройства лежит задача построения автономной стартер-генераторной установки (полупроводниковой преобразовательной системы) для работы с роторно-лопастным двигателем с внешним подводом теплоты (низкоскоростным двигателем с переменной частотой вращения) таким образом, чтобы обеспечивались необходимые режимы работы: режим выработки электроэнергии, режим запуска двигателя от аккумуляторной батареи и дополнительный режим запуска от сети при ее наличии, задача выработки электроэнергии с помощью такой установки, а также задача организации более эффективного управления установкой.

На фигуре 1 показана функциональная схема стартер-генераторной установки для системы электроснабжения на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты, обеспечивающей режимы выработки электроэнергии и запуска системы от трехфазной промышленной сети при ее наличии, а также с изменениями в системе управления.

Согласно фигуре 1 система состоит из следующих элементов.

Роторно-лопастной двигатель (1) механически связан с возбуждаемой постоянными магнитами синхронной машиной (2) со стороны ротора. Возбуждаемая постоянными магнитами синхронная машина (2) со стороны статора электрически связана с трехфазным вентильным преобразователем напряжения (3), выход которого соединен с входом вентильного мультипликатора постоянного напряжения (4), при этом выход мультипликатора соединен с входом инвертора (5), который со стороны переменного напряжения подключен к трехфазной нагрузке переменного напряжения или промышленной сети.

Роторно-лопастной двигатель (1) управляется главной системой управления (6), вентильный мультипликатор постоянного напряжения (4) управляется системой управления (7) с обратной связью по току или напряжению на выходе мультипликатора. Главная система управления роторно-лопастным двигателем (6) связана с системой управления мультипликатором постоянного напряжения (7).

На фигуре 2 изображена итоговая функциональная схема стартер-генераторной установки для автономной системы электроснабжения на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты с добавлением элементов, обеспечивающих режим запуска двигателя от аккумуляторной батареи. Остальные элементы идентичны фигуре 1.

Аккумуляторная батарея (8) соединена с вентильным преобразователем напряжения (3) со стороны постоянного напряжения и вторичными источниками питания (9), которые соединены с питанием системы управления (7), вентильного преобразователя напряжения (3) и инвертора (5).

Техническое решение поставленной задачи обеспечения необходимых режимов работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты достигается тем, что вентильный преобразователь напряжения (3) выполнен на активных полупроводниковых элементах с двусторонней проводимостью. Обеспечение режима запуска от сети достигается также тем, что в систему добавлены аккумуляторная батарея (8) и вторичные источники питания (9). Задача организации более эффективного управления установкой достигается тем, что управление потоком электрической энергии осуществляется с использованием обратной связи по напряжению или току звена постоянного напряжения с учетом скорости вращения синхронной машины (2) и изменения нагрузки переменного напряжения, при этом система управления мультипликатором (7) связана с главной системой управления (6) роторно-лопастного двигателя (1).

Обеспечение необходимых режимов работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты и организация эффективного управления установкой осуществляются следующим образом:

1. Режим выработки электроэнергии (в т.ч. параллельная работа с сетью (или аналогичными системами)).

Возбуждаемая постоянными магнитами синхронная машина (2) работает в генераторном режиме, приводится во вращение низкоскоростным роторно-лопастным двигателем с внешним подводом теплоты (1), работающим с переменной частотой вращения вала. В качестве синхронной машины с постоянными магнитами может быть использован любой общепромышленный вентильный двигатель с постоянными магнитами необходимой мощности. Трехфазный вентильный преобразователь (3) работает в режиме активного выпрямителя и выдает на выходе постоянное напряжение низкого уровня, подаваемое на вход повышающего преобразователя постоянного напряжения (4) (коэффициента корректора мощности).

Необходимое для работы постоянное напряжение высокого уровня подается на вход инвертора (5) (в случае применения трехфазного инвертора свыше 450 В), и тем самым обеспечивается выходное напряжение трехфазной сети 380 В/50 Гц.

Управление системой выработки электроэнергии и связь с главной системой управления (6) производится через систему управления вентильным мультипликатором постоянного напряжения (7). Управление через мультипликатор совмещает управление в зависимости от подключения нагрузки (не требуется система управления инвертором) и в зависимости от переменной скорости вращения роторно-лопастного двигателя. Таким образом, система управления инвертором с обратной связью по току и напряжению не требуется, а в качестве инвертора может быть использован любой типовой однофазный или трехфазный инвертор соответствующей мощности. Частота сети 50 Гц остается постоянной, а регулирование напряжения сети регулируется значением напряжения высокого уровня на выходе преобразователя постоянного напряжения (4).

2. Режим запуска двигателя от аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея (8) питает блок вторичных источников питания (9), который, в свою очередь, питает системы управления всей когенерационной установки и управляющие цепи вентильных преобразователей (3, 4, 5). В пусковом режиме питаемый от низкого постоянного напряжения вентильный преобразователь (3) работает в режиме инвертора и запускает синхронную машину с постоянными магнитами (2) и, соответственно, роторно-лопастной двигатель с внешним подводом теплоты (1) на малую частоту вращения.

3. Дополнительный режим запуска от сети при ее наличии.

Данный режим требует переключения в силовой части энергетической установки и осуществляется путем отключения преобразователя постоянного напряжения (4) и соединения по звену постоянного тока вентильных преобразователей (3) и (5). Вентильный преобразователь (3) подключается к трехфазной сети повышенного напряжения и работает в режиме активного выпрямителя, выдавая на выходе достаточное для инвертора (5) напряжение звена постоянного тока. Инвертор (5) питает синхронную машину с постоянными магнитами (2), осуществляя ее запуск (и, соответственно, облегченный режим запуска роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты (1)). Системы управления и управляющие цепи преобразователей запитываются от внешней сети.

Заявляемый способ предназначен для выработки электроэнергии с помощью вышеописанной стартер-генераторной установки с усовершенствованной организацией системы управления (фигура 1), с элементами для запуска установки (фигура 2) и без них (фигура 1).

Техническим результатом является обеспечение работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты с высокими показателями энергетической эффективности в трех режимах с использованием типовых вентильных преобразователей и общепромышленного вентильного двигателя, а также повышение эффективности системы управления такой установки.

1. Стартер-генераторная установка, содержащая возбуждаемую постоянными магнитами синхронную машину, которая со стороны ротора механически связана с роторно-лопастным двигателем, со стороны статора электрически связана с трехфазным вентильным преобразователем напряжения, выход которого соединен с входом вентильного мультипликатора постоянного напряжения, при этом выход мультипликатора соединен с входом инвертора, который со стороны переменного напряжения подключен к трехфазной нагрузке переменного напряжения или промышленной сети, причем управление вентильным мультипликатором постоянного напряжения осуществляется системой управления с обратной связью по току или напряжению на выходе мультипликатора, отличающаяся тем, что вентильный преобразователь напряжения выполнен на активных полупроводниковых элементах с двусторонней проводимостью, а также система управления вентильным мультипликатором постоянного напряжения связана с системой управления роторно-лопастным двигателем, в свою очередь, система управления инвертором с обратной связью по напряжению и току трехфазной нагрузки отсутствует.

2. Стартер-генераторная установка по п. 1, отличающаяся тем, что содержит аккумуляторную батарею, которая соединена с вентильным преобразователем напряжения со стороны постоянного напряжения и вторичными источниками питания, которые соединены с питанием системы управления вентильным мультипликатором постоянного напряжения, вентильного преобразователя напряжения и инвертора.

3. Способ выработки электрической энергии, отличающийся тем, что используется устройство по пп. 1, 2.



 

Похожие патенты:

В электромеханическом устройстве обеспечивается постоянство вращения вала электродвигателя при нестабильной нагрузке благодаря введению блока из двух автоматических расцепителей, привода и тороидального потенциометра, при этом первый, второй и третий входы и первый и второй выходы блока из двух автоматических расцепителей соответственно соединены с выходом трехфазного выпрямителя с сглаживающим фильтром, с выходом блока стабилизации, с выходом источника питания уменьшенной мощности, с входом привода и с входом тороидального потенциометра, жестко связанного с приводом и имеющего выход, соединенный с вторым входом автоматического расцепителя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в генераторах или двигателях постоянного или переменного тока с бесконтактной коммутацией.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе валогенератора. Технический результат - обеспечение динамического ограничения сетевого короткого замыкания.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии.

Изобретение относится к системе и способу для распределения мощности. Технический результат заключается в создании улучшении качества распределения мощности.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для регулирования возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для возбуждения и пуска синхронных бесконтактных электрических машин специального назначения, например в бортовых системах переменного тока постоянной частоты 400 Гц.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе. Технический результат - увеличение частоты вращения вала электродвигателя без увеличения потребления энергоресурсов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления генератором. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления генератором. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах электроснабжения автономных объектов. Техническим результатом является повышение надежности работы.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электростартерного запуска маршевых авиадвигателей. Технический результат - обеспечение высокой энергетики и обеспечение раскручивания авиадвигателя до оборотов, соответствующих или превышающих синхронную частоту стартер-генератора.

Изобретения относятся к электротехнике, а именно к средствам защиты ветроэнергетических установок при значительном увеличении скорости ветра. Технический результат заключается в обеспечении возможности полной остановки ветроколеса при его торможении.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления резервным электрическим генератором постоянной частоты с изменяемым числом оборотов.

Изобретение относится к области электротехники, обеспечивающей электроснабжение автономных объектов. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для самообеспечения электроэнергией газоперекачивающей станции, составленной из газотурбинного двигателя и связанного с ним компрессора, повышающего давление в газопроводе.

Изобретение относится к инверторному генератору, в частности к инверторному генератору, оснащенному блоком генератора с приводом двигателя внутреннего сгорания и выполненному с возможностью устранения из выходного значения переменного тока нелинейного гармонического искажения до предельно допустимой степени.

Изобретение относится к энергетике, к управлению торможением ветровой турбины. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электрозапуска и самообеспечения электроэнергией газоперекачивающих агрегатов турбокомпрессорных станций.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в источниках электроэнергии для самообеспечения промышленных объектов, например компрессорных станций перекачки газа.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способу и устройству управления генератором, приводимым двигателем внутреннего сгорания, установленным с возможностью работы в параллель. Способ включает в себя: обнаружение контроллером каждого генератора при каждом запуске двигателя внутреннего сгорания наличия выходного напряжения, при наличии - генератор становится ведомым и синхронизирует фазы выходного напряжения с фазой обнаруженного напряжения, как опорной фазы, при отсутствии напряжения - генератор действует как задающий генератор; определение соответствующей активной мощности и эффективных значений выходных токов; определение соответствующих амплитуд выходного напряжения в падающих характеристических кривых согласно эффективным значениям выходных токов, и определение внутренних углов коэффициента мощности согласно соответствующей активной мощности; управление каждым генератором для достижения соответствующих амплитуд выходного напряжения и внутренних углов коэффициента мощности. Технический результат состоит в реализации энергетического баланса между параллельно работающими генераторами. 4 н. и 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в стартер-генераторе низкоскоростного роторно-лопастного двигателя в составе автономной кооперационной системы энергоснабжения, ветроэнергетических и других установок на основе альтернативных источников энергии. Техническим результатом является обеспечение работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты с высокими показателями энергетической эффективности в трех режимах с использованием типовых вентильных преобразователей и общепромышленного вентильного двигателя и повышение эффективности системы управления. Вентильный преобразователь напряжения выполнен на активных полупроводниковых элементах с двусторонней проводимостью. В систему добавлены аккумуляторная батарея и вторичные источники питания. Управление потоком электрической энергии осуществляется с использованием обратной связи по напряжению или току звена постоянного напряжения с учетом скорости вращения синхронной машины и изменения нагрузки переменного напряжения. Система управления мультипликатором связана с главной системой управления роторно-лопастного двигателя. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх