СИЛОВОЕ УСТРОЙСТВО, ИМЕЮЩЕЕ ДВОЙНУЮ СИНХРОНИЗАЦИЮ
POWER DEVICE WITH DOUBLE SYNCHRONISATION

Настоящее изобретение относится, в целом, к силовому устройству и, в частности, к силовому устройству, имеющему двойную синхронизацию.
Большинство силовых устройств имеют множественные генераторные установки для обеспечения электричеством силовых нагрузок. Для того чтобы поставлять электроэнергию, часто такие генераторные установки соединены параллельно с помощью общей шины. Вслед за одной генераторной установкой, соединенной с общей шиной, любые дополнительные генераторные установки, присоединенные к шине, должны производить электроэнергию, согласующуюся по напряжению, частоте и фазовому углу с электроэнергией, производимой первой генераторной установкой. Такое согласование также известно как электрическая синхронизация генераторных установок. Улучшенная синхронизация приводит к более плавному переходу и более низкому скачку на генераторе и нагрузке.
Когда множество генераторов расположены близко друг к другу, как в случае обычной электростанции или бортовой электростанции большого морского судна, вибрации от разных генераторных установок могут проходить через их опоры и/или гаситься или увеличиваться. Вибрации внутри обычной электростанции или бортовой электростанции большого морского судна могут быть чрезмерными, когда двигатели генераторных установок имеют нечетное число цилиндров. То есть двигатель, имеющий нечетное число цилиндров, механически несбалансирован. Например, в девятицилиндровом двигателе четыре поршня могут быть движущимися вверх, в то время как пять поршней перемещаются вниз. В результате несбалансированных масс и их движений в этом примере будет превосходящая результирующая сила по направлению вниз. Эта сила, зависящая от веса и скорости хода такого двигателя, размера поршней и типа опоры (жесткой или гибкой), может быть весьма значительной для того, чтобы передавать вибрации в монтажные опоры двигателя и окружающие опорные конструкции с достаточной амплитудой, при которой могут произойти конструктивные повреждения, и/или такой, что вибрации становятся неприятными для владельца/оператора двигателя. Также проблема, когда множественные двигатели, расположенные вблизи друг друга, работают синхронно друг с другом (т.е. когда восемь поршней движутся вверх, а десять движутся вниз, как было бы в случае с двумя близко работающими девятицилиндровыми двигателями).
Одно устройство, решающее вопрос синхронизации множественных генераторных установок, описано в документе US 6552454 (Kern и др. 22 апреля 2003). В указанном документе раскрыта генераторная конструкция, содержащая первую и вторую генераторные установки, расположенные внутри общего корпуса. Каждая генераторная установка содержит двигатель и генератор переменного тока, управляемый двигателем, для выработки электрической энергии. Первая генераторная установка вырабатывает электрическую энергию первой величины и частоты, вторая генераторная установка вырабатывает электрическую энергию второй величины и частоты. Генераторная конструкция также содержит блок управления, который контролирует величину и фазу электрической энергии, вырабатываемой первой и второй генераторными установками, и корректирует скорость хода двигателей с помощью электронного управляющего устройства такого рода, что электроэнергия, вырабатываемая первым и вторым генераторами сводится друг с другом согласованно, никакого фазового различия между присоединенными синусоидальными колебаниями не существует, и таким образом, синусоидальные колебания - той же частоты. Кроме того, устройство управления регулирует выходные напряжения генераторных установок так, что выходные напряжения вообще равны. Как только частоты выходных напряжений синхронизированы, устройство контроля замыкает переключатели для того, чтобы соединить электроэнергию от первой и второй генераторных установок с нагрузкой.
Хотя генераторная конструкция, описанная в US 6552454, разрешает согласование фазы, частоты и напряжения, однако она не учитывает вибрации, вызываемые несбалансированными двигателями. И так как генераторные установки близко расположены в общем корпусе, в зависимости от того, когда двигатели электрически синхронизированы, может быть возможной электрическая синхронизация двух генераторов, когда два соответствующих двигателя находятся в фазе друг с другом. И если двигатели достаточно в фазе и несбалансированны, вибрации могут быть вполне способными повредить общий корпус.
Силовое устройство согласно настоящему изобретению решает вышеупомянутые проблемы.
Один аспект настоящего изобретения относится к силовому устройству. Силовое устройство может содержать первую генераторную установку с первым двигателем, соединенным с приводом с первым генератором, и вторую генераторную установку со вторым двигателем, соединенным с приводом со вторым генератором. Силовое устройство может также содержать общую шину и блок управления во взаимодействии с первым и вторым генераторными установками. Блок управления может быть настроен так, чтобы направлять электроэнергию от первого генератора к общей шине и синхронизировать выработку электроэнергии от второго генератора с выработкой электроэнергии от первого генератора. Блок управления, кроме того, может быть настроен так, чтобы отсрочить направление электроэнергии от второго генератора к общей шине до тех пор, пока первый и второй двигатели механически не синхронизируются в значительной степени.
Другой аспект настоящего изобретения относится к способу снабжения электроэнергией. Согласно способу активируют первый источник электроэнергии для выработки электрической энергии и направляют электроэнергию от первого источника электроэнергии к общей шине. Кроме того, можно активировать второй источник электроэнергии для выработки электрической энергии и синхронизировать выработку электроэнергии от второго источника электроэнергии с выработкой электроэнергии от первого источника электроэнергии. Способ дополнительно может содержать отсрочку направления электроэнергии от второго источника электроэнергии к общей шине до тех пор, пока первый и второй источники электроэнергии механически не синхронизируются в значительной степени.
Настоящее изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - наглядная иллюстрация электростанции;
фиг.2 - силовое устройство, которое может быть использовано в электростанции по фиг.1, в разрезе;
фиг.3 - блок-схема, отображающая пример функционирования соответствующего силового устройства по фиг.2.
На фиг.1 показана электростанция 10, содержащая силовое устройство 12, предназначенное для подвода электричества к силовой нагрузке 14. Электростанция 10, хотя на фиг.1 она показана на большом морском судне, может также функционировать на суше. Электростанция 10 может содержать якорную платформу 16, такую как опорная рама, соединенную с корпусом электростанции 10, и на которой силовое устройство 12 может быть установлено. Следует учесть, что силовое устройство 12 может быть установлено на якорной платформе 16 жестко или подвижно.
В варианте выполнения, показанном на фиг.1, силовая нагрузка может содержать любое устройство или устройства, которые требуют бесперебойного электричества для выполнения одной или более задач, включая в качестве не ограничивающих примеров электрическое освещение и приводные электродвигатели, соответствующие изображенному морскому судну. В некоторых вариантах выполнения силовая нагрузка 14 может требовать электрической энергии в особой форме, такой как трехфазный переменный ток.
Как показано на фиг.2, силовое устройство 12 может содержать, по меньшей мере, два близко расположенных источника 18 электроэнергии, действующих для генерирования электричества, и сеть электропередач, такую как общая шина 19, для передачи электричества от источников 18 электроэнергии к силовой нагрузке 14 (см. фиг.1). В одном варианте осуществления каждый источник 18 электроэнергии может содержать двигатель 20, соединенный с приводом с генератором 22 для образования генераторной установки. Хотя генераторные установки показаны встык, альтернативно они могут быть расположены параллельно или в случайном порядке внутри общей агрегатной.
Каждый двигатель 20 может быть тепловым двигателем любого типа для выработки механической энергии, действующим посредством сжигания топлива, включая в качестве не ограничивающих примеров дизельный двигатель, двигатель на тяжелом топливе, бензиновый двигатель и двигатель на газовом горючем. В представленном варианте выполнения каждый двигатель 20 может быть несбалансированным. То есть каждый двигатель 20 может иметь нечетное число цилиндров 24, что проявляется в свободной массе или в моменте свободной массы. В конкретном варианте выполнения двигатель 20 может содержать девять цилиндров 24. В отношении девяти цилиндров, четыре поршня 26 могут быть соединенными с общим коленчатым валом 28 и двигаться вверх, в то время как пять поршней 26 также соединенных с коленчатым валом 28 перемещаются вниз. Таким образом, из-за несбалансированных масс и их моментов возникает превосходящая результирующая сила в направлении вниз. Эта превосходящая сила известна как свободная масса. Если ее не учитывать, свободная масса может вызывать значительные вибрации в якорной платформе 16. И когда множество двигателей 20 близко расположены и действуют в фазе друг с другом (т.е. коленчатые валы 28 каждого двигателя 20 ориентированы примерно под тем же углом и вращающиеся примерно с той же скоростью), величина амплитуды вибраций может быть чрезмерной.
Датчик 30 может быть связан с каждым двигателем 20 для определения мгновенного положения каждого коленчатого вала 28. В данном варианте выполнения датчик 30 может содержать, например, импульсный передатчик, настроенный на формирование импульса каждый раз, когда коленчатый вал 28 пересекает определенный угол. Например,, когда коленчатый вал 28 одного двигателя 20 поворачивает большую часть поршней 26 для прохождения положения верхней мертвой точки (ВМТ), соответствующий импульсный передатчик может сформировать первый электронный импульс. Аналогично, когда коленчатый вал 28 второго двигателя 20 поворачивает большую часть поршней 26 для прохождения положения нижней мертвой точки (НМТ), соответствующий импульсный передатчик может сформировать второй электронный импульс. Когда первый и второй электронные импульсы сформированы примерно в то же время, двигатели могут быть сдвинуты по фазе приблизительно на 180° и результирующие вибрации могут быть погашены в значительной степени или даже погашены друг другом полностью. Напротив, большее время между первым и вторым импульсами может соответствовать двигателям 20, которые в значительной степени в фазе друг с другом и результирующие вибрации могут быть сложены. Датчик 30 альтернативно может быть связан с генераторами 22, например, с роторами, которые непосредственно управляются двигателями 20, и/или с обмотками генераторов 22.
Каждый генератор 22 может быть устройством любого типа, вырабатывающим электроэнергию, механически связанным с двигателем 20 для получения энергии и превращения, по меньшей мере, части этой механической энергии в электрическую. Например, каждый генератор 22 может содержать АС асинхронный генератор, генератор с постоянным магнитом, АС синхронный генератор или переключаемый реактивный генератор. В одном варианте выполнения каждый генератор 22 может содержать семь скрученных парами одиночных проводов (не показано), расположенных по периметру статора (не показано) для создания переменного тока с частотой 60 Гц, причем каждая скрученная пара трехфазная.
Силовое устройство 12 также может содержать блок 32 управления синхронизацией и распределением нагрузки для регулирования работы силового устройства 12. Блок 32 управления может содержать обычно известные элементы, которые взаимодействуют для синхронизации электрического выхода множества источников 18 электроэнергии и соединяют выход в общий блок электроэнергии, направляемой к нагрузке 14 (см. фиг.1). Например, блок 32 управления может содержать, помимо других принадлежностей, один или более прерывателей (не показано), установленных между каждым генератором 22 и общей шиной 19, и/или между общей шиной 19 и силовой нагрузкой 14 для селекторного соединения электрического выхода одного или более генераторов 22 с общей шиной 19, и/или для того, чтобы селективно соединять общую шину 19 с силовой нагрузкой. Кроме того, блок 32 управления может быть во взаимодействии с каждым двигателем 20, каждым генератором 22 и датчиками 30 для контроля и/или управления одним или более аспектами работы генераторной установки. Блок 32 управления также может содержать один или более контролирующих устройств (не показано) для получения входных относительных характеристик электрических явлений, создаваемых каждым источником 18 электроэнергии, таких как ток, частота, фаза и/или напряжение. Кроме того, блок 32 управления может получать информацию относительно количества электроэнергии, требуемой силовой нагрузкой 14. Например, блок 32 управления может получать информацию, такую как напряжение и/или ток по одному или более участкам общей шины 19 и напряжение и/или ток по одному или более элементам силовой нагрузки 14.
Замыкая первый прерыватель, связанный с первым из генераторов, можно электрически соединить выход этого генератора 22 с общей шиной 19. Чтобы электрически соединить один дополнительный генератор 22 с общей шиной, может потребоваться, чтобы выход дополнительного генератора 22 имел напряжение, частоту и фазовый угол, в значительной степени согласованный с напряжением, частотой и фазовым углом первого генератора 22. Улучшенное согласование может приводить к более гладкому переходу и более низкому скачку на силовой нагрузке 14. Блок 32 управления может регулировать работу дополнительного источника 18 электроэнергии (т.е. двигателя 20 и/или генератора 22), чтобы варьировать электрические выходные характеристики вырабатываемой электроэнергии и согласовывать электрические выходные характеристики первого генератора 22. Как только все условия синхронизации (т.е. частота, фазовый угол и напряжение) удовлетворены, команда замкнуть прерыватель может быть отдана блоком 32 управления прерывателю, связанному со вторым генератором 22 и после короткой задержки запуска прерыватель может замкнуться.
Блок 32 управления дополнительно к синхронизации выработки электроэнергии множества генераторов 22 также может управлять механической синхронизацией двигателей 20, управляя теми же генераторами 22. В частности, после электрической синхронизации и перед тем как блок 32 управления отдаст команду замкнуть прерыватель в попытке вернуть дополнительные генераторы 22 в сеть, блок 32 управления может первой проверкой с помощью датчика 30 распознать, работают ли в фазе связанные первый и дополнительный двигатели 20 (т.е. перемещается ли к ВМТ большая часть поршней 26 первого двигателя 20 примерно в то же время, что и большая часть поршней 26 второго двигателя 20). Если двигатели 20 работают в значительной степени не в фазе, блок 32 управления может действовать и отдать команду замкнуть прерыватель. Однако, если двигатели 20 работают не в достаточной степени не в фазе, блок 32 управления, может отсрочить возвращение дополнительных генераторов 22 в сеть и прервать текущую попытку синхронизации. Блок 32 управления может инициировать другую попытку синхронизации и повторить тот же цикл синхронизации несколько раз. В одном варианте выполнения блок 32 управления может делать попытку двойной синхронизации (электрической и механической) до десяти раз, перед тем как инициировать стратегию резервирования. В течение стратегии резервирования блок 32 управления может отдать команду замкнуть прерыватель вне зависимости от механической синхронизации. Таким образом, нагрузка 14 может испытывать только незначительную задержку в подаче электроэнергии, если механическая синхронизация неуспешная.
На фиг.3 приведена блок-схема, отображающая пример работы силового устройства 12. Фиг.3 будет обсуждаться в следующей части дополнительного пояснения описанного устройства и его работы.
Силовое устройство может применяться повсюду, где желательно электрическое и механическое согласование, например, когда множественные источники электроэнергии, имеющие несбалансированные движущиеся массы, близко расположены. Во время работы раскрытого силового устройства электрическая и механическая синхронизация (т.е. двойная синхронизация) может быть выполнена для образования общего источника электрической энергии и одновременно гашения вибраций, связанных с источниками электроэнергии. Далее будет описана работа силового устройства 12.
Чтобы инициировать работу силового устройства 12, каждый источник 18 электроэнергии может быть приведен в действие и энергия от одного источника 18 может быть направлена на общую шину 19 (шаг 100). Для запуска каждого источника 18 электроэнергии в соответствующем двигателе 20 может быть увеличена скорость хода для управления генераторами 22. В некоторых ситуациях увеличение скорости хода двигателя 20 может включать запуск зажигания. В других случаях двигатель 20 может быть уже работающим, но только на резервном уровне. Как только на выходе первого из двигателей 20 поднялась скорость хода и генератор 22 производит электроэнергию на уровне, требуемом нагрузкой 14, блок 32 управления может отдать команду замкнуть прерыватель выхода, для того чтобы соединить электрически выход генератора 22 с общей шиной 19. Хотя дополнительные генераторы 22 также могут вырабатывать энергию на уровне, требуемом нагрузкой 14, они могут оставаться изолированными от общей шины 19 до тех пор, пока выработка электроэнергии от дополнительных генераторов 22 не согласуется в значительной степени с выработкой электроэнергии первого генератора 22.
Блок 32 управления может согласовывать выработку электроэнергии от дополнительных генераторов 22 с выработкой электроэнергии первого генератора 22, прежде чем дополнительные присоединения к общей шине 19 могут быть выполнены (шаг ПО). Блок 32 управления может регулировать рабочие характеристики дополнительных двигателей 20 и/или генераторов 22, для того чтобы варьировать и существенно согласовывать частоты, фазовые углы и напряжения. Как только блок 32 управления определит, что выработка электроэнергии любых дополнительных генераторов в значительной степени согласована с выработкой электроэнергии первого генератора 22 (шаг 120), блок 32 управления может остановить механическую синхронизацию между двигателями 20. То есть блок 32 управления может сравнивать механический фазовый угол двигателя 20, связанного с первым генератором 22, с механическим фазовым углом остальных двигателей 20 с помощью датчика 30 (шаг 130). Если блок 32 управления определяет, что механический фазовый угол остальных двигателей 20 синхронизирован в пределах области приемлемых значений двигателя 20, управляющего первым соединенным генератором (шаг 140), блок управления 32 может дать команды замкнуть дополнительный прерыватель для соединения остальных генераторов 22 с общей шиной 19 (шаг 150). В предпочтительном варианте выполнения область приемлемых значений составляет 170-190°.
Если блок 32 управления определяет, что механический фазовый угол остальных двигателей не синхронизирован в области приемлемых значений, блок 32 управления может прервать текущую попытку синхронизации и определить число попыток, сделанных к настоящему моменту в процессе (шаг 160). Если число попыток меньше, чем допустимое число, например десять попыток, процесс может быть перезапущен путем возврата управления на этап 110. Однако, если допустимое число попыток было сделано, блок 32 управления, наоборот, соединяет электрический выход от дополнительных генераторов 22 с общей шиной 19, не считаясь с механической синхронизацией (шаг 150). Таким образом, когда механическая синхронизация невозможна или была неудачной, время задержки подачи электроэнергии, связанное с излишним числом попыток, может быть минимизировано.
Специалистам ясно, что различные модификации и вариации могут быть выполнены в описанном силовом устройстве, не выходя за пределы существа и объема изобретения. Другие предпочтительные варианты выполнения силового устройства станут понятными специалистам из рассмотрения деталей и применения силового устройства и способов, раскрытых в этом документе. Например, хотя силовое устройство 12 первоначально было описано только для двух генераторных установок, следует учесть, что блок 32 управления может также управлять и электрической и механической синхронизацией более чем двух генераторных установок. Однако следует отметить, что если более чем две генераторные установки механически синхронизированы, несинфазный угол будет отличен от того, который описан выше (т.е. отличен от 180°), и при этом работа ряда двигателей требует механической синхронизации. Кроме того, хотя предполагаемая первично для несбалансированных двигателей (т.е. двигателей, имеющих нечетное число цилиндров, результирующих в свободной массе) двойная синхронизация, согласно настоящему изобретению, может быть применима точно так же легко к двигателю, имеющему четное число цилиндров, но все же при этом подверженного излишним вибрациям. В описанном варианте выполнения двигатель 20 может содержать девять цилиндров 24. Следует учесть, что примеры и описания рассмотрены только в качестве примера, истинный объем раскрытия обозначен следующими пунктами формулы изобретения и их эквивалентами.