Автономная электростанция переменной частоты вращения
AUTONOMOUS VARIABLE-FREQUENCY POWER PLANT

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к автономным электростанциям переменного тока на базе двигателя и синхронного генератора, и предназначено для производства электрической энергии, стабилизированной по амплитуде и частоте выходного напряжения в условиях переменной частоты вращения вала двигателя.
Известна дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала (Хватов О.С., д-р техн. наук, Дарьенков А.Б., канд. техн. наук, Тарасов И.М. «Дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала, Вестник ИГЭУ» Вып. 2, 2010 г. Иваново, Изд. Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина), содержащая дизель, синхронный генератор, управляемый выпрямитель, конденсаторную батарею, инвертор напряжения, преобразователь частоты, датчик тока, повышающий трансформатор, выходные выводы, регулятор частоты вращения вала дизеля, датчик частоты вращения вала дизеля, сумматоры, блок формирования оптимальной частоты вращения вала дизеля, блок задания экономичной частоты вращения вала дизеля, блок возбуждения синхронного генератора, выводы подключения питания блока возбуждения синхронного генератора, блок стабилизации напряжения, задатчик напряжения, регулятор напряжения, датчик напряжения, блок вычисления мощности нагрузки, задатчик частоты выходного напряжения. Упомянутая электростанция обеспечивает экономию топлива по сравнению с ее аналогами, позволяет использовать преобразователи частоты разных топологий.
Известна автономная электростанция (см. патент РФ №122212; МПК H02J 7/32; опубл. 2012 г.), содержащая генератор электрической энергии, выпрямительно-зарядное устройство, вход которого соединен с выходом генератора электрической энергии, блок аккумуляторных батарей, вход которого соединен с выходом выпрямительно-зарядного устройства, а также контроллер управления, вход которого соединен с выходом блока аккумуляторных батарей, а первый вход-выход соединен с входом-выходом контроля и управления генератора электрической энергии, отличающаяся тем, что контроллер управления снабжен приемопередатчиком сигналов дистанционного управления и контроля, связанным с удаленным диспетчерским пунктом для приема команд управления и передачи данных состояния автономной электростанции, при этом электростанция снабжена блоком автоматической замены масла, вход-выход контроля и управления которого соединен со вторым входом-выходом контроллера управления, причем блок автоматической замены масла содержит емкость чистого масла, соединенную через кран чистого масла с заливным отверстием масла в картер двигателя генератора электрической энергии, а также емкость отработанного масла, которая через кран отработанного масла соединена с выводным отверстием масла из картера двигателя генератора электрической энергии. Устройство обеспечивает удаленное управление, удобство обслуживания, передачу данных о состоянии электростанции.
Известна автономная электростанция переменного тока (см. патент РФ №137701; МПК Н02Р 9/04, F02D 41/14, B60W 10/06; опубл. 2014 г.), содержащая последовательно соединенные двигатель с переменной частотой вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала двигателя, выполненным в виде блоков: задания экономичной частоты вращения вала двигателя, сумматора сигналов, датчика потребляемого топлива, датчика частоты вращения вала двигателя и регулятора частоты вращения вала двигателя, синхронный генератор, управляемый выпрямитель с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, конденсаторную батарею, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, повышающий трансформатор, между выходами синхронного генератора и выходами повышающего трансформатора включен контактор, соединенный с блоком системы управления контактором, которая также соединена с выходом блока вычисления мощности нагрузки и с входом блока задания экономичной частоты вращения вала двигателя, к выходу повышающего трансформатора подключены датчики тока и напряжения, выходы которых соединены с блоком вычисления мощности нагрузки.
Известна автономная электростанция переменного тока (см. патент РФ №168615; МПК Н02Р 9/48, H02K 19/34; опубл. 2017 г.), содержащая последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала двигателя, выполненным в виде блоков: задания экономичной частоты вращения вала двигателя, сумматора сигналов, датчика частоты вращения вала двигателя и регулятора частоты вращения вала двигателя, синхронный генератор, управляемый выпрямитель с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, конденсаторную батарею, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала двигателя, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, синхронный генератор выполнен многообмоточным, между обмотками статора синхронного генератора и управляемым выпрямителем включен коммутатор.
Недостатком указанного технического решения является необходимость использования многообмоточного синхронного генератора специальной конструкции вместо типового серийно производимого. Последнее обстоятельство увеличивает конечную стоимость устройства, снижает показатели унификации и ремонтопригодности.
Известна автономная электростанция переменного тока (см. патент РФ №2666903; МПК H02J 3/34, опубл. 2018 г.), содержащая последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, синхронный генератор, двухзвенный преобразователь частоты, выполненный в виде блоков: управляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала ДВС, повышающий трансформатор и выходные выводы, отличающаяся тем, что между повышающим трансформатором и выходными выводами установлен двухзвенный преобразователь частоты, выполненный в виде блоков: неуправляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения; двухзвенный преобразователь частоты, состоящий из управляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения, и двухзвенный преобразователь частоты, состоящий из неуправляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения, выполнены в виде непосредственных преобразователей частоты.
Недостатками указанного изобретения является снижение КПД автономной электростанции ввиду многоэтапного преобразования электрической энергии, а также снижение надежности и увеличение стоимости за счет использования двух выпрямителей переменного напряжения и двух инверторов постоянного напряжения, содержащих в совокупности значительное количество дорогостоящих силовых полупроводниковых устройств.
Общими недостатками указанных выше технических решений являются существенно ограниченный диапазон постоянного напряжения на входе инвертора, который в схемах с управляемым выпрямителем ограничен, с одной стороны, максимальным значением выпрямленного напряжения синхронного генератора при максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя, с другой - минимальным значением выпрямленного напряжения, определяемым ЭДС генератора при минимальной устойчивой частоте вращения коленчатого вала двигателя. Учитывая тот факт, что при снижении мощности нагрузки со стороны потребителей переменного тока, рабочая точка, определяемая значениями частоты вращения и крутящего момента двигателя внутреннего сгорания, должна быть смещена в область эффективной работы последнего в режиме сниженной мощности, выходное напряжение синхронного генератора будет изменяться непременно в сторону уменьшения частоты и амплитуды напряжения. С целью компенсации снижения амплитуды переменного напряжения генератора, а также снижения значения выпрямленного напряжения представленные выше технические решения содержат в составе силовой части электростанции повышающий трансформатор напряжения. Применение данного устройства снижает КПД системы в целом, в особенности, в режимах работы электростанции, отличных от номинальной. Помимо этого, работа трансформатора с недогрузкой ухудшает коэффициент мощности, оказывая негативный эффект на работу системы.
К другому недостатку следует отнести использование в описанных выше полезных моделях и изобретениях коммутаторов - контактных устройств, осуществляющих электрические переключения в силовой цепи, в том числе при наличии токовой нагрузки. Применение подобных устройств определяет необходимость периодического технического обслуживания, а также снижает срок службы и надежность системы в целом, ухудшает массогабаритные показатели последней.
Упомянутые выше устройства также обладают ограничениями по диапазону рабочих температур вследствие использования в их конструкции накопительных конденсаторов, конструкция их сложна, дорога и громоздка, а также исключает использование в своей работе местных более дешевых и экологически безопасных ресурсов.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является автономная электростанция переменного тока (см. патент РФ №2666782; МПК H02J 3/34, опубл. 2018 г.) (прототип) содержащая последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, состоящим из датчика потребляемого топлива, датчика частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, регулятора частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, сумматора сигналов и блока задания экономичной частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, выполненного в виде контроллера обучения, контроллера управления и блока ассоциативной памяти, синхронный генератор, управляемый выпрямитель с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, конденсаторную батарею, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, повышающий трансформатор, к контроллеру обучения подключены датчики давления, температуры и влажности окружающего воздуха.
Упомянутая автономная электростанция переменного тока автоматически определяет наиболее рациональную частоту вращения коленчатого вала двигателя входящего в состав генераторного агрегата с учетом давления, температуры и влажности атмосферного воздуха, при этом не требует знания характеристик двигателя внутреннего сгорания.
Однако, описываемая автономная электростанция переменного тока помимо указанных выше недостатков, связанных с ограничением диапазона постоянного напряжения на входе инвертора, а также необходимости применения повышающего трансформатора, сложна в производстве и эксплуатации ввиду использования в своем составе управляемого выпрямителя. Конструкция управляемого выпрямителя обуславливает использование более дорогих управляемых полупроводниковых устройств в сравнении с неуправляемыми, а также наличие устройств управления последними. Типовая схема управляемого выпрямителя содержит три и более управляемых полупроводниковых прибора, требующих эквивалентного количества драйверов управления, что в конечном счете определяет высокую удельную стоимость автономной электростанции.
Указанная автономная электростанция переменного тока не может быть использована в условиях низких температур без специальных мероприятий ввиду наличия накопительной конденсаторной батареи, не использует в своей работе местные более дешевые и экологически безопасные ресурсы, ее конструкция имеет неоптимизированные массогабаритные показатели, во время работы не способна адаптироваться к изменяющейся ситуации.
В качестве недостатка также следует отметить невозможность реализации в представленных решениях коррекции коэффициента мощности, улучшающей условия работы электрооборудования автономной электростанции, в том числе инвертора, и повышающей качество выходного напряжения.
Целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей автономной электростанции переменной частоты вращения при одновременном повышении КПД и надежности последней, улучшении массогабаритных показателей и экономической эффективности.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в автономную электростанцию переменной частоты вращения дополнительно введены бесконтактный повышающий преобразователь постоянного напряжения, блок согласования, возобновляемый источник питания, включающий источник энергии, блок управления возобновляемым источником питания, накопитель энергии, связанные между собой и первым выводом блока согласования, блок преобразования напряжения внешней сети, включенный между вторым выводом блока согласования и системой общего электроснабжения, при этом третий вывод блока согласования подключен к бесконтактному повышающему преобразователю постоянного напряжения, четвертый - к инвертору напряжения, а пятый - к блоку питания системы управления, диагностический блок, подключенный параллельно выпрямителю и бесконтактному повышающему преобразователю постоянного напряжения двумя своими выводами, а третьим и четвертым выводами - к системе регулирования частоты вращения коленчатого вала силовой установки и системе возбуждения системы управления.
Сущность изобретения поясняется чертежом фиг. 1, на котором представлена функциональная схема установки.
Автономная электростанция переменной частоты вращения (см. фиг. 1.) состоит из силовой установки 1, синхронного генератора 2, ротор которого соединен с коленчатым валом силовой установки 1, системы управления 3, включающей в себя систему пуска 4 силовой установки 1, систему регулирования частоты вращения коленчатого вала 5, при этом две последние подключены к силовой установке 1, систему возбуждения 6 синхронного генератора 2, подключенную к обмотке возбуждения упомянутого, блока питания 7 системы управления 3, подключенного к системе пуска 4, системе регулирования частоты вращения коленчатого вала 5, системе возбуждения 6, неуправляемого выпрямителя 8, подключенного к синхронному генератору 2, инвертора напряжения 9 с подключенной к нему нагрузкой 10, повышающего преобразователя постоянного напряжения 11, основанного на импульсном принципе работы полупроводникового ключа, блока согласования 12, возобновляемого источника питания 13, включающего источник энергии 14, блок управления 15 возобновляемым источником питания 13, накопитель энергии 16, связанные между собой и первым выводом блока согласования 12, блока преобразования напряжения внешней сети 17, включенного между вторым выводом блока согласования 12 и системой общего электроснабжения, при этом третий вывод блока согласования 12 подключен к бесконтактному повышающему преобразователю постоянного напряжения 11, четвертый - к инвертору напряжения 9, а пятый - к блоку питания 7 системы управления 3, диагностического блока 18, подключенного параллельно неуправляемому выпрямителю 8 и бесконтактному повышающему преобразователю постоянного напряжения 11 двумя своими выводами, а третьим и четвертым выводами - к системе регулирования частоты вращения коленчатого вала 5 силовой установки 1 и системе возбуждения 6 системы управления 3.
Автономная электростанция переменной частоты вращения работает следующим образом.
В случае, если мощность, отдаваемая возобновляемым источником питания 13 достаточна для питания потребителей, подключенных к выводам нагрузки 10 инвертора 9, то мощность, вырабатываемая источником энергии 14 в виде постоянного тока и напряжения, подается на блок управления 15 возобновляемого источника питания 13 который в свою очередь перераспределяет ее на блок согласования 12, а тот - на инвертор напряжения 9. Последний преобразует входное постоянное напряжение в переменное напряжение заданного значения и частоты и питает потребители электрической энергии. Одновременно блок управления 15 возобновляемого источника питания 13 сравнивает значение мощности, отдаваемой источником энергии 14 и мощностью нагрузки. В случае если последняя оказывается меньше, блок управления 15 перераспределяет часть мощности на накопитель энергии 16, который ее аккумулирует. В противном случае, недостающую мощность блок управления 15 забирает из накопителя энергии 16. При работе в описываемом режиме силовая установка 1 остается выключенной, а блок преобразования напряжения внешней сети 17 подает сигнал на блок согласования 12, свидетельствующий о наличии или отсутствии напряжения в системе общего электроснабжения. В случае, если мощности, отдаваемой возобновляемым источником питания 13 недостаточно для питания потребителей, а система общего электроснабжения функционирует штатно, блок согласования 12 подает сигнал на преобразователь напряжения внешней сети 17 и последний преобразует энергию, получаемую из системы общего электроснабжения в виде переменного тока и напряжения в постоянные и передает их на блок согласования 12, который суммирует энергию, получаемую от системы общего электроснабжения через преобразователь напряжения внешней сети 17 и энергию, получаемую от возобновляемого источника питания 13 и подает их на инвертор напряжения 9, и далее, как описано выше, к потребителям.
В случае, если напряжение в системе общего электроснабжения отсутствует, а мощности возобновляемого источника питания 13 для работы потребителей недостаточно, блок согласования 12 подает сигнал на блок питания 7 системы управления 3 и последний в свою очередь активизирует систему пуска 4, систему регулирования частоты вращения коленчатого вала 5, систему возбуждения 6 синхронного генератора 2. Система регулирования частоты вращения коленчатого вала 5 обеспечивает подачу топлива в цилиндры силовой установки 1, система пуска 4 - прокрутку коленчатого вала последней с пусковой частотой, а система возбуждения 6 синхронного генератора 2 - подачу тока на обмотку возбуждения упомянутого. Далее система регулирования частоты вращения коленчатого вала 5 обеспечивает наиболее рациональную частоту вращения коленчатого вала силовой установки 1, в качестве приоритета используя критерий наименьшего потребления топлива. Синхронный генератор 2 отдает мощность на неуправляемый выпрямитель 8 в виде переменного тока и напряжения. При этом частота напряжения зависит исключительно от частоты вращения ротора синхронного генератора 2 и может существенно меняться в зависимости от условий работы силовой установки, таких как фактическая мощность потребителей переменного тока, температура масла и охлаждающей жидкости в ней, качество топлива и т.п.Неуправляемый выпрямитель 8 преобразует выходное переменное напряжение синхронного генератора в постоянное. При этом величина выпрямленного напряжения, в зависимости от указанных выше условий работы силовой установки, изменяется пропорционально изменению выходного переменного напряжения синхронного генератора. Выпрямленное напряжение оказывается приложенным к бесконтактному повышающему преобразователю постоянного напряжения 11, который, в свою очередь, повышает значение постоянного напряжения до требуемого по условию обеспечения заданного выходного переменного напряжения инвертора и подает указанное постоянное напряжение на блок согласования 12. В процессе повышения постоянного напряжения может быть дополнительно реализована функция активной коррекции коэффициента мощности за счет коммутации полупроводникового ключа. Таким образом в звене постоянного тока блок согласования 12 суммирует энергию, вырабатываемую синхронным генератором 2 и возобновляемым источником питания 13 и подает дальше таким же образом, как было указано выше.
В случае возобновления напряжения в системе общего электроснабжения, блок преобразования напряжения сети 17 подает сигнал на блок согласования 12, который в свою очередь отключает сигнал от блока питания 7 системы управления 3, силовая установка 1 прекращает работу, соответственно синхронный генератор 2 энергию не вырабатывает, а электроснабжение потребителей осуществляется только суммарной энергией вырабатываемого источника питания 13 и получаемой от сети общего электроснабжения так, как было описано выше.
В процессе работы диагностический блок 18 снимает показания частоты вырабатываемого синхронным генератором 2 напряжения, его значения и сопоставляет их с показателями, получаемыми от системы управления 3 - количеством потребляемого топлива, значением тока возбуждения, частотой вращения ротора синхронного генератора 2, температурным режимом и, в случае их существенных отклонений от заданных значений, передает сигнал о необходимости проведения обслуживания либо ремонта.
При этом функционирование повышающего преобразователя постоянного напряжения 11 основано на импульсном принципе работы полупроводникового ключа.
Таким образом, предлагаемая автономная электростанция переменной частоты вращения способна использовать в своей работе местные более дешевые и экологически безопасные ресурсы, такие как энергию ветра, солнечную энергию, энергию движения воды и т.п., обеспечивать в совокупности высокий КПД, надежность, качество преобразования напряжения, а также стабилизацию частоты и величины выходного напряжения во всем диапазоне рабочих частот вращения коленчатого вала силовой установки благодаря отсутствию в ее составе повышающего трансформатора и управляемого выпрямителя, проще и дешевле в производстве и эксплуатации за счет сокращения количества управляемых полупроводниковых устройств (до одного полупроводникового ключа в составе повышающего преобразователя постоянного напряжения), дополнительно реализовывать функцию коррекции коэффициента мощности за счет применения повышающего преобразователя постоянного напряжения, способна функционировать в широком диапазоне температур ввиду отсутствия в ее конструкции энергоемких накопительных конденсаторных батарей, способна аккумулировать излишки электроэнергии, отдаваемой источником энергии из состава возобновляемого источника питания с применением различных устройств, таких как аккумуляторные батареи, гидравлические, механические и другие аккумуляторы энергии.