Устройство для запуска и стабилизации частоты электроэнергетической установки
DEVICE FOR STARTING AND STABILIZING THE FREQUENCY OF AN ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для запуска и стабилизации частоты вращения первичного двигателя генератора (газотурбинного или двигателя внутреннего сгорания) в автономных энергосистемах при кратковременных скачкообразных изменениях мощности нагрузки, а также генерирования электрической энергии в системах автономного электроснабжения.
Известен регулятор частоты электроэнергетической установки (патент RU №2151460, публ. 20.06.2000, МПК Н02Р 9/44), содержащий асинхронный генератор с выходными зажимами А, В, С, к которым подключены конденсаторы возбуждения, устройство стабилизации напряжения и статор синхронного двигателя, вал которого соединен со входом центробежного регулятора оборотов, а его выход - с устройством подачи топлива приводного двигателя, соединенного с валом асинхронного генератора.
Недостатком данного технического решения является низкая точность регулирования, обусловленная погрешностью центробежного регулятора, а также малое быстродействие регулирования вследствие наличия технических ограничений скорости подачи топлива при кратковременных скачкообразных изменениях мощности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является стартер-генератор (патент RU на полезную модель №55041, публ. 27.07.2006, МПК F02C 7/26), содержащее аккумуляторную батарею, DC-DC преобразователь, состоящий из дросселя, двух транзисторов и двух диодов, накопительный конденсатор, трехфазный мостовой инвертор напряжения, синхронную машину с возбуждением от постоянных магнитов.
Недостатками настоящего технического решения являются сложность конструкции, связанная с применением полупроводниковых преобразователей, а также узкая область применения и малые функциональные возможности.
Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание требуемой частоты вращения первичного двигателя генератора при скачкообразных изменениях мощности нагрузки.
Технический результат заключается в упрощении конструкции и расширении области применения и функциональных возможностей устройства.
Это достигается тем, что известное устройство для запуска электроэнергетической установки, содержащее аккумуляторные батареи (АКБ) и электрическую машину, снабжено блокиратором перехода в двигательный режим и элементом жесткого соединения, а электрическая машина выполнена в виде машины постоянного тока (МПТ), при этом АКБ посредством блокиратора перехода в двигательный режим подключены силовыми контактами к щеточно-коллекторному узлу МПТ, элемент жесткого соединения установлен на МПТ и выполнен с возможностью подсоединения к первичному двигателю генератора переменного тока. Элемент жесткого соединения может быть выполнен в виде шестерни привода или соединительной муфты. Аккумуляторные батареи, блокиратор перехода в двигательный режим, МПТ и элемент жесткого соединения соединены между собой сборочными операциями и изготовлены в едином конструктивном исполнении.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема устройства для запуска и стабилизации частоты электроэнергетической установки.
Устройство для запуска и стабилизации частоты электроэнергетической установки содержит аккумуляторные батареи (АКБ) 1, которые посредством блокиратора перехода в двигательный режим 2 подключены силовыми контактами к щеточно-коллекторному узлу машины постоянного тока (МПТ) 3. На МПТ 3 установлен элемент жесткого соединения 4, выполненный с возможностью подсоединения к электроэнергетической установке, а именно, к первичному двигателю 5 генератора переменного тока 6, к которому подключена электрическая нагрузка 7.
Элемент жесткого соединения 4 может быть выполнен в виде шестерни привода или соединительной муфты.
Аккумуляторные батареи (АКБ) 1, блокиратор перехода в двигательный режим 2, МПТ 3 с элементом жесткого соединения 4 соединены между собой сборочными операциями и изготовлены в едином конструктивном исполнении.
Устройство для запуска и стабилизации частоты электроэнергетической установки работает следующим образом.
При запуске первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 предлагаемое устройство выполняет функции стартера.
В этом режиме машина постоянного тока 3 работает в режиме двигателя постоянного тока, получая питание от АКБ 1, и раскручивает первичный двигатель 5 генератора переменного тока 6, который благодаря жесткому соединению 4 приводится во вращение.
При выходе первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 на номинальные обороты, МПТ 3 переходит в генераторный режим, заряжая АКБ 1. Это обеспечивается благодаря соединению АКБ 1 силовыми контактами к щеточно-коллекторному узлу машины постоянного тока 3 посредством блокиратора перехода в двигательный режим 2.
При снижении оборотов первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 (что может быть вызвано кратковременным набросом электрической нагрузки 7 на генератор переменного тока 6), МПТ 3 переходит в двигательный режим, не допуская снижения оборотов ниже требуемых и предотвращая вынужденный останов первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6. Тем самым поддерживается требуемая частота вращения первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 при скачкообразных изменениях мощности нагрузки за счет потребления МПТ 3 в двигательном режиме аккумулированной энергии на АКБ 1 (которая накопилась за время работы при номинальной частоте вращения первичного двигателя 5). Переход МПТ 3 в двигательный режим осуществляется за счет того, что напряжение на АКБ 1 в момент скачкообразного наброса мощности превышает ЭДС МПТ 3 при сниженных оборотах первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6.
На кратковременные скачкообразные изменения мощности электрической нагрузки 7 могут оказывать влияние следующие известные процессы: пуск асинхронного электродвигателя большой мощности, ток намагничивания трансформаторов, аварийный останов одного из электрических агрегатов, подключение за один шаг мощных потребителей и прочее.
При сбросе мощности электрической нагрузки 7 обороты первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 увеличиваются. МПТ 3 переходит в генераторный режим, заряжая при этом АКБ 1 для последующего применения при кратковременных изменениях мощности электрической нагрузки 7, а также позволяя предотвратить резкое увеличение частоты первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 при сбросе мощности электрической нагрузки 7.
При останове первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 по инициативе оператора или систем автоматического управления функция поддержания требуемой частоты вращения первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 при скачкообразных изменениях мощности электрической нагрузки 7 блокируется с помощью блокиратора перехода в двигательный режим 2.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет обеспечивать требуемую частоту вращения первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 при скачкообразных изменениях мощности. В предлагаемом изобретении реализована возможность использования запасенной энергии в АКБ 1 для поддержания требуемой частоты вращения первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 при скачкообразных изменениях мощности электрической нагрузки 7 (а не только для запуска первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6, как в устройстве-прототипе).
Кроме этого, в предлагаемом устройстве преобразование электрической энергии в механическую происходит при помощи электрической машины постоянного тока 3, а не электрической машины переменного тока (по прототипу). Использование МПТ 3 позволяет отказаться от использования полупроводникового DC-DC преобразователя, накопительного конденсатора и трехфазного мостового инвертора напряжения, тем самым упрощается конструкция устройства, а также исключается необходимость использования сложной системы управления данными преобразователями.
Жесткое соединение валов МПТ 3 и первичного двигателя 5 генератора переменного тока 6 обеспечивает увеличение быстродействия предлагаемого устройства.
Использование изобретения позволяет расширить область применения и функциональные возможности устройства за счет обеспечения требуемой частоты вращения первичного двигателя генератора при скачкообразных изменениях мощности, а также упростить конструкцию за счет исключения полупроводникового DC-DC преобразователя, накопительного конденсатора и трехфазного мостового инвертора напряжения и изменения вида электрической машины на машину постоянного тока.