СТАРТЁР-ГЕНЕРАТОРНАЯ СИСТЕМА МНОГОДВИГАТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
STARTER-GENERATOR SYSTEM OF A MULTI-ENGINE POWER PLANT

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, в частности, к стартер-генераторным системам транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания и может быть использовано для запуска первичных тепловых двигателей и для выработки электроэнергии в системах электроснабжения, применяемых в летательных аппаратах, судах, других транспортных средствах и автономных объектах.
Известно устройство запуска газовой турбины от стартeр-генератора (патент US 2018/0045119 А1, МПК F02C 7/32, F02К 3/06, F02C 7/275, F02N 11/00) содержащее стартeр-генератор, который через много вальный конический редуктор может запускать газовую турбину при необходимости ее пуска в работу и осуществлять отбор энергии и выработку электроэнергии при ее работе.
Недостатком известного устройства является сложная конструкция используемого много вального конического редуктора, а также его большие габариты и вес. К недостаткам известного устройства так же следует отнести низкий коэффициент полезного действия данного редуктора, а также низкую надежность данного устройства и отсутствие согласующего электрического преобразователя для управления процесса запуска турбинной установки и стабилизации параметров электроэнергии при ее выработке стартeр-генератором.
Известно устройство электроэнергетической системы воздушного судна (патент US 2014/0333127 А1, МПК B60R 16/03) содержащее две главные турбины и две вспомогательные на каждой из которых установлена одна или две электрические машины, которые через согласующие электрические преобразователи образуют независимые электрические сети разных бортов электроэнергетической системы воздушного судна. Достоинством такой структуры является высокая надежность, так при отказе одной из двух электрических машин, установленных на одном валу с главной турбиной последняя всегда может быть запущена от второй электрической машины. Кроме того, в качестве достоинства такой структуры следует отметить реализацию двух независимых сетей разных бортов.
Недостаток устройства электроэнергетической системы воздушного судна заключается в ее громоздкости и большом количестве сложных и дорогих элементов и устройств такой структуры. К недостаткам известного устройства так же следует отнести наличие вспомогательных силовых установок, а также большого количества коммутационных элементов предназначенных для набора различных режимов работы электроэнергетической системы воздушного судна.
Наиболее близким по технической сущности является электроэнергетическая система вертолета (патент US 2015/0130186 А1, МПК F02N 11/0862, F02N 11/0848, F02N 11/04) содержащая две главные газовые турбины, одну вспомогательную турбину, три электрические машины, аккумулятор, согласующий преобразователь постоянного напряжения в постоянное, выпрямитель напряжения, два инвертора напряжения и девять контакторов. На одном валу с каждой из турбин сидит своя электрическая машина. Электрические машины и аккумулятор через контакторы и электрические преобразователи соединены между собой таким образом, что начальный запуск может осуществляться от аккумулятора через электрические преобразователи и электрическую машину, работающую в двигательном режиме вспомогательной газовой турбины, которая после запуска может осуществить пуски по отдельности каждой из главных турбин. Кроме всего при работе одной главной турбины электрическая машина, которая сидит с ней на одном валу может работать в генераторном режиме и посредствам коммутации контакторов и электрических преобразователей может запустить электрическую машину, которая сидит на одном валу с другой главной турбиной, тем самым запустив ее в работу. Достоинством такой структуры является расширение функциональных возможностей, а также использование простых элементов и устройств.
Недостаток устройства заключается в гальванической связи электрических преобразователей (выпрямителя напряжения и инверторов напряжения) между собой. Так в случае короткого замыкания в звене постоянного тока любого из электрических преобразователей (выпрямителя напряжения или инверторов напряжения) структура становится неработоспособной, а запуск газовых турбин становится невозможным. К недостаткам известного устройства так же следует отнести наличие вспомогательной газовой турбины, а также отсутствие возможности питания внешних потребителей электроэнергии с требуемыми параметрами электроэнергии. Кроме всего такая структура содержит большое количество хотя и простых, но габаритных узлов и элементов.
Предлагаемая стартeр-генераторная система многодвигательной энергетической установки позволяет еще более расширить функциональные возможности и существенно повысить надежность и живучесть автономной электроэнергетической системы. Так помимо возможности запуска первичных тепловых двигателей от накопителя электрической энергии предложенная структура позволяет реализовать два гальванически развязанных (электрически независимых) канала управления, как запуском первичных тепловых двигателей, так и независимой выработки электрической энергии с требуемыми параметрами электроэнергии по двум электрическим сетям. Причем каждый из этих электрических каналов может последовательно независимо осуществлять запуск газовых турбин. Кроме всего предложенная структура позволяет упростить конструкцию и сократить число контакторов и элементов структуры. Также следует отметить то, что контакторы в такой структуре осуществляют штатную коммутацию в режиме без тока, что положительно влияет на их ресурс и надежность.
Описанные преимущества достигаются тем, что в стартeр-генераторной системе многодвигательной энергетической установки добавлены два инвертора напряжения и новые связи, позволяющие реализовать два электрически независимых канала запуска первичных тепловых двигателей с последующей возможностью отбора от них энергии и выработки электроэнергии, а также ее преобразования к требуемым параметрами электроэнергии для питания электрических потребителей на автономном объекте.
Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков: стартeр-генераторная система многодвигательной энергетической установки содержит два первичных тепловых двигателя с исполнительными механизмами, две электрические машины переменного тока, два трехфазных инвертора напряжения, семь контакторов с контактами и катушками управления, накопитель электрической энергии, обратимый преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение и систему управления, причем каждый первичный тепловой двигатель механически связан со своим исполнительным механизмом и со своей электрической машиной, электрические обмотки первой электрической машины подключены к входу контактов первого контактора, электрические обмотки второй электрической машины подключены к входу контактов второго контактора, накопитель электрической энергии подключен к входу обратимого преобразователя постоянного напряжения, катушки управления контакторов и управляющие выводы силовых полупроводниковых приборов инверторов напряжения и обратимого преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение подключены к системе управления, в отличие от прототипа, содержит два дополнительных инвертора напряжения и две электрические сети, причем выход контактов первого контактора подключен к выводам переменного тока первого инвертора напряжения, выход контактов второго контактора подключен к выводам переменного тока второго инвертора напряжения, контакты третьего контактора включены между обмотками первой электрической машины и выводами переменного тока второго инвертора напряжения, контакты четвертого контактора включены между обмотками второй электрической машины и выводами переменного тока первого инвертора напряжения, первый дополнительный инвертор напряжения выводами постоянного тока подключен к одноименным выводам постоянного тока первого инвертора напряжения, второй дополнительный инвертор напряжения выводами постоянного тока подключен к одноименным выводам постоянного тока второго инвертора напряжения, выводы переменного тока первого дополнительного инвертора напряжения соединены с первой электрической сетью, выводы переменного тока второго дополнительного инвертора напряжения соединены со второй электрической сетью, через контакты пятого контактора соединяются между собой одноименные выводы постоянного тока первого и второго инверторов напряжения, через контакты шестого контактора соединяются между собой одноименные выводы постоянного тока выхода обратимого преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение и первого инвертора напряжения, через контакты седьмого контактора соединяются между собой одноименные выводы постоянного тока выхода обратимого преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение и второго инвертора напряжения, управляющие выводы силовых полупроводниковых приборов дополнительных инверторов напряжения подключены к системе управления.
Сущность изобретения заключается в возможности запуска каждого из первичных тепловых двигателей от накопителя электрической энергии либо от первой электрической сети, либо от второй электрической сети, либо от другого уже работающего первичного теплового двигателя. Кроме того, такая структура реализует возможность выработки электроэнергии как от одного, так и от двух первичных тепловых двигателей по двум независимым электрическим каналам с требуемыми выходными параметрами электроэнергии. Положительным эффектом изобретения является возможность использования любых типов электрических машин переменного тока.
Сопоставление предлагаемого изобретения и прототипа показало, что поставленные задачи - повышение надежности, а также расширение функциональных возможностей и реализация двух гальванически развязанных электрических сетей с возможностью, как стабилизации параметров электроэнергии, так и их программным изменением независимо по каждому из электрических каналов - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемых изобретений критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электротехники не выявил отличительных признаков заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о их соответствии критерию «изобретательский уровень».
Сущность изобретения поясняется чертежом, изображенным на Фиг. 1.
Стартер-генераторная система многодвигательной энергетической установки схема которой представлена на Фиг. 1, содержит два первичных тепловых двигателя 1-1, 1-2 с исполнительными механизмами 2-1, 2-2, две электрические машины 3-1, 3-2 переменного тока, два трехфазных инвертора напряжения 4-1, 4-2, семь контакторов с контактами 5-1÷5-7 и катушками управления 6-1÷6-7, накопитель электрической энергии 7, обратимый преобразователь постоянного напряжения в постоянное напряжение 8 и систему управления 9. Каждый первичный тепловой двигатель 1-1 (1-2) механически связан со своим исполнительным механизмом 2-1 (2-2) и со своей электрической машиной 3-1 (3-2). Электрические обмотки первой электрической машины 3-1 подключены к входу контактов 5-1 первого контактора. Электрические обмотки второй электрической машины 3-2 подключены к входу контактов 5-2 второго контактора. Накопитель электрической энергии 7 подключен к входу обратимого преобразователя постоянного напряжения 8. Катушки управления 6-1÷6-7 контакторов и управляющие выводы силовых полупроводниковых приборов инверторов напряжения 4-1, 4-2 и обратимого преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение 8 подключены к системе управления 9. Стартер-генераторная система многодвигательной энергетической установки содержит два дополнительных инвертора напряжения 10-1, 10-2 и две электрические сети 11-1, 11-2. Выход контактов 5-1 первого контактора подключен к выводам переменного тока первого инвертора напряжения 4-1. Выход контактов 5-2 второго контактора подключен к выводам переменного тока второго инвертора напряжения 4-2. Контакты 5-3 третьего контактора включены между обмотками первой электрической машины 3-1 и выводами переменного тока второго инвертора напряжения 4-2. Контакты 5-4 четвертого контактора включены между обмотками второй электрической машины 3-2 и выводами переменного тока первого инвертора напряжения 4-1. Первый дополнительный инвертор напряжения 10-1 выводами постоянного тока подключен к одноименным выводам постоянного тока первого инвертора напряжения 4-1. Второй дополнительный инвертор напряжения 10-2 выводами постоянного тока подключен к одноименным выводам постоянного тока второго инвертора напряжения 4-2. Выводы переменного тока первого дополнительного инвертора напряжения 10-1 соединены с первой электрической сетью 11-1. Выводы переменного тока второго дополнительного инвертора напряжения 10-2 соединены со второй электрической сетью 11-2. Через контакты 5-5 пятого контактора соединяются между собой одноименные выводы постоянного тока первого 4-1 и второго 4-2 инверторов напряжения. Через контакты 5-6 шестого контактора соединяются между собой одноименные выводы постоянного тока выхода обратимого преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение 8 и первого инвертора напряжения 4-1. Через контакты 5-7 седьмого контактора соединяются между собой одноименные выводы постоянного тока выхода обратимого преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение 8 и второго инвертора напряжения 4-2. Управляющие выводы силовых полупроводниковых приборов дополнительных инверторов напряжения 10-1, 10-2 подключены к системе управления 9.
Работа стартер-генераторной системы многодвигательной энергетической установки происходит следующим образом.
Стартер-генераторная система многодвигательной энергетической установки предназначена для работы в качестве стартеров при запуске первичных тепловых двигателей 1-1, 1-2 и в качестве источника электрической энергии с требуемыми параметрами электроэнергии для электропитания различных потребителей после пуска первичных тепловых двигателей 1-1, 1-2.
Устройство и работа электрических преобразователей (инверторов напряжения и обратимого преобразователя постоянного напряжения в постоянное) известны и не требуют дополнительных пояснений. Следует отметить, что инверторы напряжения уже содержат в своем составе конденсаторы звена постоянного тока и могут работать как в инверторном, так и выпрямительном режиме. Контакты 5-1÷5-7 управляются катушками управления 6-1÷6-7 от системы управления 9. В качестве электрических машин такой структуры согласно постулату обратимости (возможности работы электрических машин в качестве двигателя и генератора) могут быть использованы любые типы электрических машин переменного тока.
Таким образом, можно выделить два режима работы стартер-генераторной системы многодвигательной энергетической установки: запуска первичных тепловых двигателей 1-1, 1-2 и выработки электрической энергии для электрических сетей 11-1, 11-2. Более подробно рассмотрим каждый из этих режимов.
Режим запуска первичных тепловых двигателей 1-1, 1-2.
Запуск первичных тепловых двигателей 1-1, 1-2 в предложенной стартер-генераторной системы многодвигательной энергетической установки может происходить от следующих источников энергии: накопителя электрической энергии 7; наземных источников электрической энергии, подключенных к одной из либо обеим электрическим сетям 11-1, 11-2; от одного из работающих тепловых двигателей 1-1 (1-2) можно запускать второй 1-2 (1-1).
Запуск первичного теплового двигателя 1-1 (1-2) от накопителя электрической энергии 7 происходит по следующей схеме. Электрическая энергия от накопителя электрической энергии 7 через обратимый преобразователь постоянного напряжения в постоянное 8 который согласует параметры напряжения поступает на инвертор напряжения 4-1 (4-2) через контакты 5-6 (5-7) контактора. Инвертор напряжения 4-1 (4-2) работая в инверторном режиме синтезирует требуемое напряжение, которое через контакты 5-1 (5-2) поступает для запуска электрической машины 3-1 (3-2) которая производит запуск первичного теплового двигателя 1-1 (1-2).
Кроме всего запуск первичного теплового двигателя 1-1 (1-2) от накопителя электрической энергии 7 может происходить по альтернативной схеме - электроэнергия от накопителя электрической энергии 7 через обратимый преобразователь постоянного напряжения в постоянное 8 который согласует параметры напряжения поступает на инвертор напряжения 4-2 (4-1) через контакты 5-7 (5-6) контактора. Инвертор напряжения 4-2 (4-1) работая в инверторном режиме синтезирует требуемое напряжение, которое через контакты 5-3 (5-4) поступает для запуска электрической машины 3-1 (3-2) которая производит запуск первичного теплового двигателя 1-1 (1-2). Такой вариант пуска первичного теплового двигателя 1-1 (1-2) может быть использован в случае отказа инвертора напряжения 4-1 (4-2). Таким образом, предложенная структура позволяет осуществить последовательный запуск первичных тепловых двигателей 1-1, 1-2 всего лишь от одного из инверторов напряжения 4-1 или 4-2.
Следует отметить, что предложенная структура позволяет осуществлять одновременный запуск первичных тепловых двигателей 1-1, 1-2 от накопителя электрической энергии 7 по двум каналам сразу. От накопителя электрической энергии 7 через обратимый преобразователь постоянного напряжения в постоянное 8 через контакты 5-6, 5-7 контакторов, инверторы напряжения 4-1, 4-2 контакты 5-1, 5-2 (5-3, 5-4) контактора для запуска электрических машин 3-1, 3-2 (3-2, 3-1) которые производят запуск первичных тепловых двигателей 1-1, 1-2 (1-2, 1-1) соответственно.
Запуск первичного теплового двигателя 1-1 может быть выполнен от электрической сети 11-1 (через дополнительный инвертор напряжения 10-1, инвертор напряжения 4-1 контакты 5-1 контактора и на электрическую машину 3-1) или электрической сети 11-2 (через дополнительный инвертор напряжения 10-2, инвертор напряжения 4-2 контакты 5-3 и на электрическую машину 3-1 либо по схеме через дополнительный инвертор напряжения 10-2, контакты 5-5 контактора, инвертор напряжения 4-1 контакты 5-1 и на электрическую машину 3-1). Аналогично может быть осуществлен запуск первичного теплового двигателя 1-2. Кроме всего следует отметить что возможен одновременный запуск первичных тепловых двигателей 1-1, 1-2 от одной из электрических сетей 11-1 или 11-2 либо независимо от двух электрических сетей 11-1, 11-2. Следует отметить что в данном режиме работы дополнительные инверторы напряжения 10-1, 10-2 работают в выпрямительном режиме, а инверторы напряжения 4-1, 4-2 в инверторном режиме работы.
Запуск первичного теплового двигателя 1-1 (1-2) может быть выполнен от работающего первичного теплового двигателя 1-2 (1-1) по схеме электрическая машина 3-2 (3-1) работающая в генераторном режиме через контакты 5-2 контактора посредствам возбуждения от инвертора напряжения 4-2 (через контакты 5-1 контактора от инвертора напряжения 4-1) работающего в режиме выпрямителя контакты 5-5 контактора на инвертор напряжения 4-1 (4-2) работающего в инверторном режиме и через контакты 5-1 (5-2) контактора для запуска электрической машины 3-1 (3-2) которая в двигательном режиме производит запуск первичного теплового двигателя 1-1 (1-2). Кроме всего запуск первичного теплового двигателя 1-1 (1-2) может быть выполнен от работающего первичного теплового двигателя 1-2 (1-1) по альтернативной схеме электрическая машина 3-2 (3-1) работающая в генераторном режиме через контакты 5-4 контактора посредствам возбуждения от инвертора напряжения 4-1 (через контакты 5-3 контактора от инвертора напряжения 4-2) контакты 5-5 контактора на инвертор напряжения 4-2 (4-1) и через контакты 5-3 (5-4) контактора для запуска электрической машины 3-1 (3-2) которая в двигательном режиме производит запуск первичного теплового двигателя 1-1 (1-2).
Режим выработки электрической энергии для питания электрических потребителей от электрических сетей 11-1, 11-2.
Выработка электрической энергии для питания внешних потребителей от электрических сетей 11-1, 11-2 может осуществляться как от одной из электрических машин 3-1 (3-2) работающих в генераторном режиме так и от обоих электрических машин 3-1, 3-2 одновременно с независимым или согласованным управление.
При работе только первичного теплового двигателя 1-1 электрическая машина 3-1 работающая в генераторном режиме может через контакты 5-1 инвертор напряжения 4-1 дополнительный инвертор напряжения 10-1 обеспечивать электроэнергией электрическую сеть 11-1, а также через контакты 5-4, 5-2 либо контакты 5-3 инвертор напряжения 4-2 дополнительный инвертор напряжения 10-2 обеспечивать электроэнергией электрическую сеть 11-2, либо через контакты 5-1 контактора, инвертор напряжения 4-1, контакты 5-5 контактора дополнительный инвертор напряжения 10-2 обеспечивать электроэнергией электрическую сеть 11-2.
Аналогично рассмотренному может осуществляться выработка электроэнергии при работе только первичного теплового двигателя 1-2.
При одновременной работе первичных тепловых двигателей 1-1, 1-2 и отбора от них энергии выработка электроэнергии электрическими машинами 3-1, 3-2 может осуществляться по двум независимым электрическим каналам при этом электрическая машина 3-1 (3-2) работая в генераторном режиме работы может через контакты 5-1 (5-2) контактора инвертор напряжения 4-1 (4-2) дополнительный инвертор напряжения 10-1 (10-2) обеспечивать электроэнергией электрическую сеть 11-1 (11-2) либо через контакты 5-3 (5-4) контактора инвертор напряжения 4-2 (4-1) дополнительный инвертор напряжения 10-2 (10-1) обеспечивать электроэнергией электрическую сеть 11-2 (11-1). В таком режиме выработка электроэнергии для электрических сетей 11-1, 11-2 осуществляется независимо и параметры синтезируемого напряжения на выходе электрических сетей 11-1, 11-2 могут быть различными. Для получения одинаковых параметров, синтезируемых напряжении на выходе электрических сетей 11-1, 11-2 звенья постоянного тока обоих каналов могут быть объединены с помощью контактов 5-5 контактора.
Кроме всего в данном режиме может осуществляться подзарядка накопителя электрической энергии 7 от звена постоянного тока инверторов напряжения 4-1 и 10-1 (4-2 и 10-2) через контакты 5-6 (5-7) обратимый преобразователь постоянного напряжения в постоянное 8 и на подзарядки накопителя электрической энергии 7.
Таким образом, предлагаемая структура стартер-генераторной системы многодвигательной энергетической установки за счет многочисленных комбинации и сборки, средствами коммутационных элементов - контактов контакторов, структуры позволяет повысить надежность работы, расширить функциональные возможности и реализовать две гальванически развязанные электрические сети что позволит повысить надежность и живучесть объекта на котором используется стартeр-генераторная установка.
Изобретение было создано на кафедре «Электропривода и электрооборудования береговых установок» ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова» и апробировано на имитационной математической модели. Полученные результаты позволяют сделать вывод о соответствии изобретения критерию «промышленная применимость».