Бесконтактная бесперебойная генераторная установка на базе сдвоенной машины двойного питания
NON-CONTACT UNINTERRUPTIBLE GENERATOR SET BASED ON DUAL MACHINE, DUAL POWER SUPPLY

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах генерирования электроэнергии с полностью управляемыми параметрами, в том числе стабильной частоты, от источников механической энергии с широкими диапазонами изменения скорости вращения и мощности как для автономной нагрузки, так и для подключения к сетевым потребителям.
Известна бесконтактная автономная система электропитания (А.с. СССР 1283938, 11.04.1985 г., МПК H02P 9/42) [1], которая содержит установленные на одном валу и имеющие одинаковые числа полюсов основной генератор и вспомогательный генератор, выполненные в виде машины двойного питания, при том, что многофазная роторная обмотка основного генератора через установленный на том же валу непосредственный преобразователь частоты на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью подключена к многофазной роторной обмотке вспомогательного генератора, а управляющий вход непосредственного преобразователя частоты через распределитель импульсов подключен к генератору эталонной частоты. При этом многофазная статорная обмотка вспомогательного генератора подключена к многофазному источнику стабильной частоты. Кроме того, в известном изобретении предусмотрен выбор частоты напряжения генератора эталонной частоты. Известное решение характеризуется сложностью схемотехники из-за использования генераторов двух частот и высокой установленной мощности непосредственного преобразователя частоты, а также наличием большого числа гармоник и необходимость дополнительной фильтрации. Отметим также, что известная система электропитания не предусматривает работу с сетевыми потребителями, в том числе внешними потребителями постоянного тока и не позволяет подключать внешние источники электроэнергии.
Известно устройство для регулирования частоты тока в автономной системе электроснабжения (А.с. СССР 985920, 22.06.1981 г., МПК H02P 9/42) [2], которое включает сидящие на одном валу и имеющие одинаковые числа полюсов основной и вспомогательный генераторы, выполненные как машины двойного питания, статический преобразователь частоты, подключенный к статору вспомогательного генератора, и регулятор частоты выходного напряжения, при том, что обмотка ротора вспомогательного генератора подключена к выходу статического преобразователя частоты, а обмотка ротора основного генератора соединена с обмоткой статора вспомогательного генератора. Главный недостаток известного решения заключается в наличии щеточного узла контакта основного и вспомогательного генераторов, что существенно снижает надежность установки. Кроме того, в известной установке [2] остается нерешенной проблема управления амплитудой выходного напряжения.
Также известен бесщеточный ветрогенератор на основе сдвоенной машины двойного питания (патент CN 205489973, 30.12.2015 г, МПК H02K 7/20) [3], включающий главный генератор и возбуждающий генератор, при этом основной генератор соединен с вращающимися лопастями, обмотка статора главного генератора соединена с трехфазной сетью, обмотка ротора главного генератора соединена с обмоткой ротора возбуждающего генератора, при этом обмотка статора возбуждающего генератора соединена с регулятором напряжения, при том, что генератор возбуждения вращается с частотой основного генератора, а количество их полюсов одинаково. Работоспособность данного решения обеспечивается только при работе с распределительной сетью, при этом не представлены средства и алгоритмы для управления загрузкой основного генератора.
В приведенных решениях [1, 2] отсутствует возможность работы с сетевыми потребителями, подключенными к распределительной сети, решение [3], наоборот, функционирует только при работе с распределительной сетью. Во всех решениях не предусматривается подключение внешних дополнительных источников энергии. Кроме того, данные решения не обеспечивают бесперебойное электроснабжение потребителей в периоды дефицита или отсутствия механической энергии вращения вала.
Задача настоящего изобретения заключается в создании высоконадежной генераторной установки на базе сдвоенной машины двойного питания, обеспечивающей бесперебойное снабжение электроэнергией, характеризующейся простой и надежной системой управления, позволяющей работать как с автономной нагрузкой, так и с сетевыми потребителями электроэнергии, а также подключать дополнительные внешние источники электроэнергии, такие как  ветро- и гидрогенераторы, солнечные батареи и другие  - в том числе с нестабилизированными параметрами.
Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в обеспечении бесперебойного снабжения электроэнергией, расширении диапазона работы установки при частоте вращения вала от нуля до близкой к синхронной, а также при частоте свыше синхронной; а также в возможности использования установки в различных комбинированных режимах работы, включая подключение внешних источников электроэнергии и режим аккумуляторной станции, для питания как автономных, так и сетевых потребителей.
Для достижения технического результата заявлена бесконтактная бесперебойная генераторная установка на базе сдвоенной машины двойного питания, содержащая установленные на одном валу и имеющие одинаковые числа пар полюсов основной генератор и вспомогательный генератор, выполненные в виде машин двойного питания, а также статический многофазный инвертор напряжения (далее - инвертор напряжения) в качестве источника питания стабильной частоты вспомогательного генератора, отличающаяся тем, что установка содержит управляющий программируемый логический контроллер (далее - контроллер) с задатчиком эталонной частоты выходного напряжения установки, при этом указанный контроллер подключен основным управляющим выходом к указанному инвертору напряжения, выход которого подключен к статорной обмотке вспомогательного генератора; при этом установка содержит накопитель энергии, подающий питание постоянного тока на свой основной выход, к которому подключен инвертор напряжения, причем указанный накопитель энергии своим входом присоединен к выходу зарядного устройства, управляемого сигналом с одного из выходов контроллера, причем контрольный выход накопителя энергии присоединен к одному из входов контроллера; при этом установка содержит источник питания постоянного тока, вход которого подсоединен к статорным обмоткам основного генератора, а выход - к зарядному устройству; при этом ко входам контроллера подключены установленный в выходной цепи установки первый датчик тока, а также первый датчик напряжения, подключенный к выходной статорной обмотке основного генератора.
Установка может содержать первый выключатель, подключенный к статорной обмотке основного генератора и  управляемый сигналом с одного из выходов программируемого логического контроллера, а также переключатель режима работы установки, вспомогательный контакт которого соединен с одним из входов контроллера, при этом основная группа подвижных контактов переключателя присоединена к первому выключателю, одна из групп неподвижных контактов - к электрической распределительной сети, а другая группа неподвижных контактов - к автономной нагрузке, при этом установка содержит подключенный ко входам контроллера второй датчик напряжения, измерительный вход которого подключен к распределительной сети.
Установка может содержать источник питания постоянного тока, дополнительно запитанный от распределительной сети, при этом установка содержит второй выключатель, управляемый сигналом одного из выходов контроллера, подключающий к распределительной сети отдельный вход источника питания постоянного тока.
Установка может дополнительно содержать подключенные ко входам контроллера второй датчик тока, установленный в цепь между статорной обмоткой основного генератора и источником питания постоянного тока; а также третий датчик тока, установленный в цепь между выходом накопителя энергии и входом инвертора напряжения; а также четвертый датчик тока, установленный в цепь между вторым выключателем и источником питания постоянного тока; а также датчик частоты вращения вала, установленный на общем валу с основным и вспомогательным генераторами.
Установка может содержать источник питания постоянного тока, дополнительно запитанный от по меньшей мере одного внешнего источника электрической энергии переменного или постоянного тока.
Установка может содержать накопитель энергии со вспомогательным выходом для подключения внешних потребителей постоянного тока.
Установка может содержать задатчик эталонной частоты выходного напряжения установки, встроенный в контроллер и функционально выполненный в виде внутреннего генератора тактовой частоты с возможностью последующей программно-аппаратной обработки сигнала внутри контроллера.
Установка может содержать объединенные роторы основного и вспомогательных генераторов, выполненные с единым магнитопроводом и обмоткой.
Схема бесперебойной генераторной установки приведена на фиг., где
1 - основной генератор;
2 - вспомогательный генератор;
3 - статический многофазный инвертор напряжения;
4 - программируемый логический контроллер;
5 - накопитель энергии;
6 - зарядное устройство;
7 - источник питания постоянного тока;
8 - первый выключатель;
9 - первый датчик тока;
10 - первый датчик напряжения;
11 - переключатель режима работы установки;
12 - второй датчик тока;
13 - третий датчик тока;
14 - датчик частоты вращения вала;
15 - разъединитель;
16 - второй датчик напряжения;
17 - второй выключатель;
18 - четвертый датчик тока.
Также на фиг. изображены:
19 - приводной вал от двигательной установки;
20 - автономная нагрузка;
21 - распределительная сеть и сетевая нагрузка;
22 - разъем для подключения дополнительного внешнего источника электрической энергии;
23 - разъем для подключения внешних потребителей постоянного тока.
Согласно заявленному изобретению, на едином валу 19 расположены основной генератор 1 (далее - генератор 1)  и вспомогательный генератор 2 (далее - генератор 2), также датчик частоты вращения вала 14. Приводной вал 19 соединен с источником механической энергии вращения, например, двигательной установкой или турбиной. При этом генератор 1 - основная электрическая машина двойного питания, генерирующая энергию для питания потребителей, подключенных к ней напрямую (автономная нагрузка 20) или к распределительной сети 21 (сетевая нагрузка). Генератор 2 - вспомогательная электрическая машина двойного питания, генерирующая энергию для создания вращающегося магнитного поля частоты скольжения ротора генератора 1. Оба генератора 1 и 2 имеют одинаковое значение числа пар полюсов, в общем случае - многофазные, оптимальный вариант - трехфазные роторы и статоры. Обмотки роторов генераторов 1 и 2 соединены с соблюдением одинакового чередования фаз. В частном случае, роторы генераторов 1 и 2 могут быть объединены и выполнены с едиными магнитопроводом и обмоткой. Установка содержит статический многофазный инвертор напряжения 3, выход которого подключен к статорной обмотке генератора 2. При этом инвертор напряжения 3 запитан от основного выхода накопителя энергии 5 и подключен к управляющему выходу управляющего программируемого логического контроллера 4 с задатчиком эталонной частоты выходного напряжения установки. К выходам указанного контроллера 4 подключены первый датчик тока 9, установленный в выходной цепи установки между первым выключателем 8 и автономной нагрузкой 20 или сетевой нагрузкой 21, а также первый датчик напряжения 10, подключенный к выходной статорной обмотке генератора 1. При этом указанный выше накопитель энергии 5 своим входом присоединен к выходу зарядного устройства 6, соединенного с одним из выходов контроллера 4, при этом контрольный выход накопителя энергии 5 также присоединен к одному из входов контроллера 4. Установка содержит источник питания постоянного тока 7, вход которого подсоединен к статорным обмоткам генератора 1, а выход - к зарядному устройству 6. В выходную цепь между статором генератора 1 и автономной нагрузкой 20, установлен первый выключатель 8, управляемый сигналом одного из выходов контроллера 4. Генераторная установка также может содержать разъединитель 15 в цепи автономной нагрузки, управляемый сигналом одного из выходов контроллера 4.
В частном случае генераторная установка может также содержать переключатель режима работы установки 11 для переключения между автономной и сетевой нагрузкой, вспомогательный контакт которого соединен с одним из входов программируемого логического контроллера 4, при этом основная группа подвижных контактов переключателя 11 присоединена к первому выключателю 8, одна из групп неподвижных контактов - к электрической распределительной сети 21 (сетевой режим), а другая группа неподвижных контактов - к автономной нагрузке 20 (автономный режим), при этом установка содержит подключенный ко входам контроллера 4 второй датчик напряжения 16, измерительный вход которого подключен к распределительной сети 21.
В частном случае - при работе в режиме аккумуляторной станции (бустерное питание) -  генераторная установка может также содержать источник питания постоянного тока 7, дополнительно запитанный от распределительной сети 21, при этом установка содержит второй выключатель 17, управляемый сигналом одного из выходов контроллера 4. При этом данный выключатель 17 подключает к распределительной сети 21 отдельный вход источника питания постоянного тока 7.
В частном случае - при детализированном контроле за мощностными параметрами установки - генераторная установка может дополнительно содержать подключенные ко входам контроллера 4 второй датчик тока 12, установленный в цепь между статорной обмоткой генератора 1 и источником питания постоянного тока 7; а также третий датчик тока 13, установленный в цепь между выходом накопителя энергии 5 и входом инвертора напряжения 3; а также четвертый датчик тока 18, установленный в цепь между вторым выключателем 17 и источником питания постоянного тока 7; а также датчик частоты вращения вала 14, установленный на общем валу с основным 1 и вспомогательным 2 генераторами.
В частном случае установка содержит источник питания постоянного тока 7, дополнительно запитанный от по меньшей мере одного внешнего источника электрической энергии переменного или постоянного тока через разъем 22.
В частном случае установка содержит накопитель энергии 5, имеющий вспомогательный разъем для подключения внешних потребителей постоянного тока 23.
В частном случае установка содержит задатчик эталонной частоты выходного напряжения установки (не показан), встроенный в программируемый логический контроллер 4 и функционально выполненный в виде внутреннего генератора тактовой частоты с возможностью последующей программно-аппаратной обработки сигнала внутри контроллера 4.
В частном случае установка содержит объединенные роторы генераторов 1 и 2, выполненные с единым магнитопроводом и обмоткой.
Заявленная генераторная установка работает следующим образом.
Генератор 1, преобразуя механическую энергию вращения вала 19 и энергию вращающегося магнитного поля ротора, производит электрическую энергию для питания потребителей, подключенных к нему напрямую (автономная нагрузка 20) или посредством распределительной сети 21 (сетевая нагрузка). Генератор 2 производит энергию возбуждения для создания вращающегося магнитного поля частоты скольжения ротора о генератора 1. При этом мощность генератора 2 определяется максимальным скольжением  и величиной потерь в магнитной и электрических цепях, где  - это скольжение или удельное отклонение скорости вращения вала, которое определяется по формуле:,
где  - синхронная частота вращения вала (об/мин);
- текущая частота вращения вала (об/мин);
- число пар полюсов генераторов 1 и 2;
- эталонная частота (Гц).
В случае работы при  (вал не вращается) мощность генератора 2 превышает мощность генератора 1 на величину суммарных потерь, а установка фактически работает в режиме статического трансформатора.
Статический многофазный инвертор напряжения 3, служащий источником напряжения стабильной частоты и работающий, например, на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), преобразует напряжение постоянного тока от накопителя энергии 5 в используемое для питания статора генератора 2 напряжение переменного тока, управляемого по частоте, фазе и амплитуде. При этом управляющие ШИМ сигналы поступают от программируемого логического контроллера 4.
Таким образом, контроллер 4 генерирует управляющие импульсы, модулирующие с помощью инвертора 3 в статорной обмотке генератора 2 многофазные токи эталонной частоты . Помимо частоты и фазы, контроллер 4 и инвертор 3 определяют также необходимую для достижения номинального выходного напряжения генератора 1 амплитуду токов статора генератора 2. Многофазные токи статора генератора 2 создают вращающееся магнитное поле, направленное в ту же сторону, что и вращение вала. Ротор генератора 2 пронизывает основной магнитный поток и генерирует в его многофазных обмотках ЭДС с частотой, равной разнице .
ЭДС ротора генератора 2 с частотой скольжения  приведет к созданию токов в замкнутой цепи, состоящих из многофазных роторных обмоток обоих генераторов 1 и 2. Протекающие в роторе основного генератора 1 токи создадут основной магнитный поток генератора 1, вращающийся в том же направлении, что и вал установки, и с частотой вращения относительно вала, равной , где  - частота вращения ротора генератора 1 относительно вала (об/мин).
В результате статор генератора 1 будет пронизывать магнитный поток, генерировать в нем ЭДС с эталонной частотой . Соответственно, не только частота, но и фаза выходного напряжения статора генератора 1 на холостом ходу будут полностью повторять параметры задатчика эталонной частоты, т.к. существуют однозначные электромеханические связи между обмотками обеих машин (расположены на одном валу, соблюдено требуемое чередование фаз, у обоих генераторов 1 и 2 одинаковое количество полюсов), а влияние нестабильности вращения вала скомпенсировано протекающими в роторных обмотках токами частоты скольжения.
Итак, выходное напряжение статора генератора 1 будет иметь абсолютно идентичные задатчику частоты фазу и частоту. При этом величина (амплитуда) напряжения статора генератора 1 измеряется первым датчиком напряжения 10. Его показания, приходящие на вход контроллера 4  анализируются им на предмет расхождения с номинальным значением, сохраненным в памяти контроллера 4. Управление величиной напряжения на выходе генератора 1 осуществляет контроллер 4, например, через изменение общей скважности ШИМ сигналов управления, подаваемых для управления инвертором напряжения 3 на соответствующий выход контроллера 4.
При этом питание инвертора напряжения 3 и контроллера 4 осуществляется от обеспечивающего бесперебойное питание потребителей и установки накопителя энергии 5. Емкость накопителя энергии 5 должна быть достаточной для питания нагрузки 20 или 21 в периоды частичного дефицита или полного отсутствия первичной механической энергии вращения вала 19. Необходимый уровень заряда накопителя обеспечивают источник питания постоянного тока 7 и зарядное устройство 6 на основе встроенных аппаратных алгоритмов. К источнику питания 7 через разъем 22 могут быть также подключены другие источники электроэнергии, например, солнечные батареи. При этом контроллер 4, воздействуя на зарядное устройство, может уменьшить или остановить подзаряд накопителя энергии 5. Например, остановка заряда накопителя энергии 5 может быть осуществлена в случае дефицита механической энергии для генерации требуемой энергии для питания нагрузки 20 или 21 - в этом случае временная остановка заряда накопителя энергии 5 позволяет восполнить такой дефицит энергии. Анализ уровня заряда накопителя энергии 5 осуществляется через измерение напряжения на контрольном выходе накопителя энергии 5, но может также производиться с помощью специализированных контроллеров (не показаны). Кроме того, к накопителю энергии 5 через разъем 23 могут быть опционально подключены внешние потребители постоянного тока, например, телекоммуникационное, навигационное, осветительное оборудование, устройства управления, наблюдения, для подзарядки электрических транспортных средств.
Помимо приведенного выше, контроллер 4 может останавливать подачу энергии потребителям при дефиците механической энергии, отсутствии внешних источников энергии, приближении к минимально допустимым уровням заряда накопителя энергии 5, размыкая выключатель 8 управляющим сигналом на выходе. Кроме того, контроллер может останавливать работу инвертора напряжения 3 при отсутствии механической энергии, отсутствии внешних источников энергии 22, приближении к минимально допустимым уровням заряда накопителя энергии 5, блокируя сигналы управления инвертором напряжения 3, предотвращая тем самым полное исчерпание энергии накопителя энергии 5 и резервируя ресурсы для возобновления дальнейшей работы в более благоприятных условиях. Кроме того, контроллер 4 может отключать низкоприоритетную нагрузку с помощью разъединителя 15, подавая соответствующий сигнал на выход контроллера 4, продлевая тем самым работу установки для питания ответственных потребителей в ситуации с дефицитом механической энергии и уменьшая потребление резервной энергии накопителя энергии 5.
При этом контроллер 4 анализирует сигналы, поступающие от первого датчик тока 9, измеряющего амплитуду и вектор (фазу) тока, потребляемого нагрузкой 20. В частном случае, контроллер также анализирует сигналы от второго датчика напряжения 16, измеряющего амплитуду, частоту и вектор (фазу) напряжения в распределительной сети 21. В частном случае контроллер 4 также анализирует сигналы, поступающие от второго датчика тока 12, измеряющего амплитуду и вектор (фазу) тока, потребляемого источником питания постоянного тока 7; а также от третьего датчика тока 13, измеряющего амплитуду тока, потребляемого инвертором напряжения 3; а также от четвертого датчика тока, измеряющего амплитуду тока, потребляемого из распределительной сети 21 для подзарядки накопителя энергии 5; а также от датчика частоты вращения вала 14, измеряющего скорость вращения вала 19. При этом данные от датчика 14 используются для определения доли полезной мощности, вырабатываемой первичным источником механической энергии вращения. Итак, на основании входных данных от указанных датчиков, текущего состояния коммутационного оборудования (выключателей, переключателя, разъединителя) программируемый логический контроллер 4 осуществляет управление работой всей установки и ее отдельных элементов, формирую на своих выходах соответствующие сигналы.
Первый выключатель 8 необходим для отключения установки от внешней нагрузки при невозможности дальнейшей генерации электрической энергии - отсутствия механической энергии вращения и близком к полному исчерпании энергии накопителя энергии 5, а также для защиты установки от перегрузки и критических токов.
Второй выключатель 17 обеспечивает подключение в ночное время (или другое с низкой загрузкой распределительной сети и соответствующими экономичными тарифами источника питания 7 к общей распределительной сети 21 для подзарядки накопителя энергии 5 и последующего бустерного питания потребителей от накопителя энергии 5 во время пикового потребления электроэнергии.
Переключатель режима работы установки 11 определяет режим работы установки.
Так, автономный режим обеспечивается при изолированном (без соединения с распределительной сетью 21) подключении автономной нагрузки 20 к установке. В случае, если в автономной нагрузке 20 можно выделить подгруппу неответственных потребителей, то такую низкоприоритетную нагрузку следует подключить через управляемый с контроллера 4 разъединитель 15. При этом уровень потребляемой нагрузкой мощности контроллер 4 определяет на основе данных от первого датчика тока 9 и первого датчика напряжения 10. Указанные датчики измеряют не только амплитуду и среднее значение, но и фазу (вектор) сигнала. Следовательно, контроллер 4 может определять потребляемые полную, активную и реактивную мощности. Отметим, что без второго, третьего и четвертого датчиков тока 12, 13, 18, а также без датчика частоты вращения вала 14 заявленные технические результаты - достигаются, однако применение указанных датчиков расширяет возможность контроля работы установки, достижения максимально продолжительного периода бесперебойной работы, расчета и индикации мощностных параметров сгенерированной электроэнергии от различных источников.
Сетевой режим работы установки обеспечивается при подключении установки к распределительной сети большой/бесконечной мощности и сетевым потребителям соответственно. Управление загрузкой установки в сетевом режиме происходит по иному алгоритму, разъединитель 15 в этом режиме не задействован. В сетевом режиме в роли задатчика частоты выступает второй датчик напряжения 16, от которого на контроллер 4 поступают данные о частоте сети, векторе (фазе) напряжении сети. Аналогично изложенному выше алгоритму контроллер 4 генерирует управляющие импульсы, модулирующие с помощью инвертора напряжения 3 в статорной обмотке генератора 2 многофазные токи частоты напряжения распределительной сети  (Гц). Выключатель 8 до момента подключения к распределительной сети 21 находится в разомкнутом состоянии. Переключатель режима работы установки 11 - в сетевом режиме. Необходимые для синхронизации условия синфазности и равенства частот будут выполняться автоматически. Для достижения равенства напряжений установки и сети контроллер 4 сравнивает текущее значение напряжение сети, снимаемое со второго датчика напряжения 16, с напряжением на статоре генератора 2, получаемое от первого датчика напряжения 10. Контроллер 4 формирует сигнал на изменение общей скважности выходных ШИМ сигналов управления, подаваемых для управления инвертором напряжения 3. При достижении всех условий контроллер 4 замыкает цепь с помощью расцепителя 15. Дальнейшая загрузка установки обеспечивается путем углового или временнóго опережения начала цикла управляющих ШИМ-сигналов с частотой  на выходе контроллера 4 относительно фазы сигнала датчика напряжения 16.
Режим работы заявляемой установки в качестве аккумуляторной станции (бустерного питания) возможен при наличии внешнего питания как в сетевом, так и автономном режимах. С целью оптимизации потребления установка может генерировать электроэнергию по установленному временному графику от заранее накопленной энергии накопителя 5. Программируемый логический контроллер 4 в ночное время (или другое с низкой загрузкой сети и соответствующими экономичными тарифами), управляя выключателем 17, произведет полную зарядку накопителя энергии 5, если к моменту окончания ночного тарифа уровень заряда не был достаточным. К наступлению периода пикового потребления, время которого заранее определено и запрограммировано в контроллере 4, установка будет иметь возможность преобразовать часть энергии накопителя 5 для бустерного питания потребителей. В данном режиме работы заявленная установка содержит второй выключатель 17, управляемый сигналом одного из выходов контроллера 4, подключающий к распределительной сети 21 отдельный вход источника питания постоянного тока 7, необходимый для раздельного контроля за потребленной энергией и определения экономического эффекта при отдаче накопленной энергии в сеть.
Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает бесперебойное снабжение электроэнергией, при этом расширяется диапазон работы установки при частоте от нуля до близкой к синхронной частоте вращения вала и при частоте свыше синхронной, а также обеспечивается возможность использования установки в различных комбинированных режимах работы, включая подключение внешних источников электроэнергии и режим аккумуляторной станции, для питания как автономных, так и сетевых потребителей.