СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОГЕНЕРАТОР С ВЫСОКОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
SHIPBOARD POWER GENERATOR WITH HIGH ROTATION FREQUENCY INTENDED MAINLY FOR SHIPBOARD POWER PLANTS

Изобретение относится к электротехнике, касается вопроса преобразования параметров электрической энергии - частоты и напряжения, и может быть использовано при разработке энергетических систем судов, а также других объектов, где применяются автономные малогабаритные турбогенераторные агрегаты.
Известен турбогенератор т. ТФЭ-10-2В(2×3)/6000 с частотой вращения 6096 об/мин, напряжением 3 кВ и частотой 101,6 Гц, выпускаемый ОАО "ГТ-ТЭЦЭнерго".
Однако от электрогенератора при высокой частоте вращения (n=6000 об/мин) невозможно получение электроэнергии с промышленной частотой 50 Гц без применения дополнительных преобразователей частоты. Это приводит к необходимости установки вращающихся (электромашинных) или статических преобразователей частоты 400 Гц в 50 Гц.
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату и предлагаемому устройству является автономный турбогенераторный агрегат с высокой частотой вращения, содержащий высокочастотный генератор, к выходу которого подключен преобразователь частоты с непосредственной связью (НПЧ), обеспечивающий пропуск реактивной мощности [Джюджи Л., Пелли Б. "Силовые полупроводниковые преобразователи частоты." / Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1983, стр.340].
u
Однако этот агрегат имеет недостаток, заключающийся в том, что форма напряжения на выходе тиристорного преобразователя частоты в значительной степени отличается от синусоидальной из-за большого количества высших гармонических составляющих. Коэффициент искажения напряжения без применения фильтров в лучшем случае составляет К=18-25%. Это приводит к ухудшению энергетических характеристик электрооборудования. Кроме того, данный агрегат, в случае выполнения генератора на частоту 400 Гц, не может быть использован одновременно и для питания радиоэлектронной аппаратуры, рассчитанной на питание от сети с частотой 400 Гц, из-за значительных искажений, вносимых в сеть преобразователем частоты с непосредственной связью. Поэтому использование такого агрегата не исключает применение вращающихся преобразователей частоты 50 Гц в 400 Гц, оказывающих значительное влияние на массогабаритные характеристики электрооборудования.
Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение получения формы напряжения на выходе тиристорного преобразователя частоты, близкой к синусоидальной, и уменьшения коэффициента искажения напряжения без применения фильтров, при одновременном использовании напряжения генератора для питания радиоэлектронной аппаратуры, рассчитанной на питание от сети с постоянной частотой 400 Гц, при одновременном улучшении массогабаритных характеристик оборудования.
Это достигается тем, что в судовой электрогенератор с высокой частотой вращения преимущественно для судовых электростанций, содержащий турбину, с валом которой соединен вал трехфазного р-полюсного синхронного генератора с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику постоянного тока, преобразователь частоты с непосредственной связью, обеспечивающий пропуск реактивной мощности, состоящий из 3-х групп вентильных комплектов, каждая из которых содержит два встречно включенных мостовых тиристорных выпрямителя, к выходу которого подключена трехфазная нагрузка, и систему управления, введены второй трехфазный синхронный генератор, с числом пар полюсов p±1, два трехфазных суммирующих трансформатора, три маломощных диодных мостовых выпрямителя, три формирователя импульсов, шесть формирователей импульсов управления и три триггера. Трехфазные обмотки обоих трехфазных синхронных генераторов соединены с соответствующими первичными обмотками трехфазных суммирующих трансформаторов, у которых вторичные обмотки включены последовательно. Причем концы вторичных обмоток фаз соответствующих ветвей первого трехфазного суммирующего трансформатора соединены, а концы вторичных обмоток фаз второго трехфазного суммирующего трансформатора соединены с началами вторичных обмоток фаз первого трехфазного суммирующего трансформатора, но таким образом, что в первой ветви фаза А первого трехфазного суммирующего трансформатора соединена с фазой А второго суммирующего трансформатора, фаза В с фазой В и С с С соответственно, при этом во второй параллельной ветви вторичных обмоток последовательное соединение осуществлено со смещением на одну фазу, то есть фаза А первого трехфазного суммирующего трансформатора соединена с фазой В второго трехфазного суммирующего трансформатора, фаза В с фазой С, фаза С с фазой А соответственно, а в третьей параллельной ветви смещение на две фазы, то есть фаза А первого трехфазного суммирующего трансформатора соединена с фазой С второго суммирующего трансформатора, фаза В с фазой А и фаза С с фазой В соответственно, а начала вторичных обмоток первого трехфазного суммирующего трансформатора подсоединены к трем маломощным диодным мостовым выпрямителям, а также к трем группам встречно включенных выпрямителей мостового тиристорного преобразователя частоты с непосредственной связью, причем управляющие электроды тиристоров каждого из двух встречно включенных мостовых тиристорных выпрямителей преобразователя частоты с непосредственной связью подключены через формирователь импульсов управления к выходу триггера, вход которого подключен через формирователь импульсов к выходу трехфазного маломощного диодного мостового выпрямителя.
Введение второго трехфазного синхронного генератора, с числом пар полюсов р±1, двух трехфазных суммирующих трансформаторов, соединенных по определенной схеме, трех маломощных диодных мостовых выпрямителей, трех формирователей импульсов, шести формирователей импульсов управления и трех триггеров позволяет изменить форму входного напряжения непосредственного преобразователя частоты таким образом, что форма выходного напряжения непосредственного преобразователя частоты будет иметь синусоидальную форму, а коэффициент искажения напряжения уменьшить.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на Фиг.1 изображена блок-схема предлагаемого судового электрогенератора с высокой частотой вращения, на Фиг.2 показана осциллограмма напряжения одной из фаз на входе мостовых тиристорных выпрямителей и маломощного диодного мостового выпрямителя, на Фиг.3 - напряжение на выходе неуправляемого трехфазного маломощного диодного мостового выпрямителя, на Фиг.4 и Фиг.5 представлены значения напряжений на выходе формирователя импульсов и триггера соответственно, на Фиг.6 - форма выходного напряжения, сформированного непосредственным преобразователем частоты.
Судовой электрогенератор содержит (см. Фиг.1) турбину 1, вал которой соединен с валами двух трехфазных синхронных генераторов 2, 3 с числами пар полюсов р+1 и р соответственно, обмотки возбуждения 4, 5, расположенные на роторах синхронных генераторов 2, 3, питающихся от источника постоянного тока 6. Первичные обмотки трехфазных суммирующих трансформаторов 7, 8 соединены в звезду и подключены к соответствующим обмоткам трехфазных синхронных генераторов 2, 3. Суммирование напряжений осуществляется последовательно включенными вторичными обмотками трехфазных суммирующих трансформаторов 7 и 8, соединенными в три трехфазные последовательные ветви, причем концы вторичных обмоток фаз соответствующих ветвей трехфазного суммирующего трансформатора 8 соединены, а концы вторичных обмоток фаз трехфазного суммирующего трансформатора 7 соединены с началами вторичных обмоток фаз трехфазного суммирующего трансформатора 8, но таким образом, что в первой ветви фаза А первого трехфазного суммирующего трансформатора 7 соединена с фазой А второго суммирующего трансформатора 8, фаза В с фазой В и С с С соответственно. Во второй параллельной ветви вторичных обмоток последовательное соединение идет со смещением на одну фазу, то есть фаза А первого трехфазного суммирующего трансформатора 7 соединена с фазой В второго трехфазного суммирующего трансформатора 8, фаза В с фазой С, фаза С с фазой А соответственно. В третьей параллельной ветви смещение на две фазы, то есть фаза А первого трехфазного суммирующего трансформатора 7 соединена с фазой С второго суммирующего трансформатора 8, фаза В с фазой А и фаза С с фазой В соответственно.
Начала вторичных обмоток первой ветви трехфазного суммирующего трансформатора 7 соединены со входами встречно включенных силовых мостовых трехфазных тиристорных выпрямителей 9, 10, а также с маломощным диодным мостовым выпрямителем 11, выход которого подключен ко входу формирователя импульсов 12, выход которого подключен к счетному входу триггера 13, выходные напряжения которого управляют формирователями импульсов управления 14 и 15 встречно включенных мостовых тиристорных выпрямителей 9, 10 первой группы преобразователя частоты с непосредственной связью 16. Выход первой группы преобразователя частоты с непосредственной связью 16 подключен к одной из фаз нагрузки 17.
Начала обмоток второй и третьей последовательных ветвей суммирующего трехфазного трансформатора 7 соединены соответственно со второй 18 и третьей 19 группами преобразователя частоты с непосредственной связью.
На Фиг.2-6 приведены временные диаграммы напряжений, поясняющие принцип получения выходного напряжения низкой частоты.
Устройство работает следующим образом.
Вал турбины 1 и соединенные с нею валы двух генераторов 2, 3 имеют неизменную частоту вращения n=6000 об/мин. В обмотки возбуждения 4, 5 генераторов 2, 3 подается напряжение от источника постоянного тока 6.
При вращении судового электрогенератора с частотой 6000 об/мин принципиально возможно выполнение генераторов на значение частоты выходного напряжения ƒ в зависимости от числа пар полюсов р, указанное в таблице.
p
1
2
3
4
5
6
ƒ, Гц
100
200
300
400
500
600
1
2
1
2
1
2
'
'
Разность между частотами выходных напряжений любой пары генераторов, с числами пар полюсов отличающихся на ±1, составляет 100 Гц. Вследствие того, что имеются потребители электроэнергии, рассчитанные на частоту питающего напряжения 400 Гц, выгодно использовать пару генераторов с числами пар полюсов р=5; р=4, при этом частоты выходного напряжения будут f=500 Гц, f=400 Гц (возможно также использовать генераторы с частотами выходных напряжений f =400 Гц, f =300 Гц). В цепи, состоящей из последовательно соединенных вторичных обмоток фаз, принадлежащих разным суммирующим трехфазным трансформаторам, возникает напряжение биения Us (см. Фиг.2). Если напряжения генераторов изменяются соответственно по закону:
,
1
где U - фазное напряжение генератора 2;
2
U -фазное напряжение генератора 3;
1
1
ω=2πf;
2
2
ω=2πf,
1
2
то при условии U=U=U
Амплитуда напряжения биений изменяется в пределах от 0 до 2U.
Огибающая кривая  представляет собой синусоиду с частотой
Частота заполнения определяется как:
Для нормальной работы мостовых трехфазных тиристорных выпрямителей 9, 10 необходимо сформировать систему из 3-х напряжений с частотами заполнения  начальные фазы которых сдвинуты относительно друг друга на  электрических градусов.
u
T
Ф
Для получения переменного трехфазного напряжения на нагрузке необходимо обеспечить сдвиг огибающих на входе каждой из трех групп вентильных комплексов также на  электрических градусов. Эти условия выполняются при соединении обмоток фаз параллельных ветвей в соответствии с приведенными на Фиг.1. На комплекты 9, 10 и 11 первой группы непосредственного преобразователя частоты 16 поступают три фазы напряжений биений Us. На выходе маломощного диодного мостового выпрямителя 11 появляется выпрямленное напряжение Uв (см. Фиг.3), из которого формирователь импульсов 12 в момент прихода напряжения Uв в ноль вырабатывает импульсы U, управляющие триггером 13 (см. Фиг.4). Положительные импульсы выходного напряжения триггера (см. кривая U Фиг.5) управляют включением формирователей импульсов управления 14, 15, которые в свою очередь управляют соответствующими трехфазными мостовыми тиристорными выпрямителями 9, 10, причем одну половину периода выходного напряжения формирует мостовой тиристорный выпрямитель 9, а другую - формирует встречно с ним включенный, мостовой тиристорный выпрямитель 10. В результате этого в нагрузке формируется однофазное синусоидальное напряжение U (см. Фиг.6) с частотой 50 Гц. Пропуск реактивной мощности осуществляет непосредственный преобразователь частоты обычным образом - путем перевода тиристоров одной из групп в инверторный режим после работы ее выпрямителем. В выпрямительном режиме тиристоры работают с углом запаздывания зажигания α=0 (естественная коммутация). Аналогично работе первой группы вентильных комплектов непосредственного преобразователя частоты работают II и III группы (18 и 19). К этим группам на стороне переменного тока подводятся напряжения биений, фазы огибающих которых сдвинуты соответственно на  и  электрических градусов относительно огибающей биений на входе вентильных комплектов первой группы непосредственного преобразователя частоты.
Огибающие биений носят синусоидальный характер, поэтому на выходе непосредственного преобразователя частоты, при описанной конструкции устройства, формируется близкое к синусоиде напряжение. Коэффициент искажений выходного напряжения без применения каких-либо фильтров лежит в пределах 5-6%.
Таким образом, на выходе судового электрогенератора, имеющего частоту вращения 6000 об/мин, формируется трехфазное напряжение частотой 50 Гц. В случае необходимости (например, для обеспечения электроэнергией радиоэлектронной аппаратуры, для которой необходимо напряжение частотой 400 Гц) имеется возможность отбора мощности непосредственно от генератора 400 Гц, на выходе которого отсутствуют искажения, характерные для случая использования преобразователя частоты с инвертором напряжения.
Предлагаемое изобретение позволит улучшить энергетические характеристики электрооборудования, получающего питание от судового электрогенератора за счет снижения коэффициента искажения и приближения формы тока и напряжения к синусоидальной, что его выгодно отличает от прототипа.
u
u
'
Малый коэффициент искажения кривой выходного напряжения K=5-6%, полученный на опытном образце, против K =18-25% у обычных непосредственных преобразователей частоты, дает возможность снизить массу и объем фильтров, устанавливаемых на выходе судового электрогенератора, а простота схемы управления повышает его надежность.