СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к системе для электропитания с низким уровнем потерь и большим запасом мощности, содержащей выпрямительный мост и инвертор, подающие ток в систему, содержащую по меньшей мере два потребителя электроэнергии, в частности к системе для электропитания, используемой в инженерных сооружениях, содержащих двигатели и генераторы мощности или блоки питания.
Для подачи питания к электродвигателям, например в электрических силовых установках или насосах в прибрежных инженерных сооружениях, обычно применяется выпрямительный мост, соединенный с трехфазным источником питания через трансформатор, причем этот трансформатор подводит два источника переменного тока ко входам выпрямительного моста. Такие системы известны, например, в международной патентной публикации №WО 2005/119892 раскрыта система для подавления гармонических напряжений в сети и снижения нагрузки на выпрямителе этой системы.
На больших инженерных сооружениях, таких как прибрежные инженерные сооружения или корабли, системы для электропитания используются локально для каждого двигателя или потребителя электроэнергии, что делает их подверженным сбоям при подаче электроэнергии и приводит к риску, например, потери тяги одного из двигателей. Поэтому должны быть обеспечены системы обеспечения безопасности и дополнительная мощность. Также хорошо известно, что когда требования к мощности достигают определенного уровня, требуется увеличение напряжения в системе для электропитания, таким образом, в целях предотвращения высоковольтного короткого замыкания себестоимость системы повышается.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение запаса мощности в системе для электропитания, что позволяет снизить риск полной потери мощности в одной из частей инженерного сооружения при одновременном уменьшении необходимого напряжения системы. Это достигается при использовании системы в соответствии с независимыми пунктами формулы изобретения.
Изобретение основано на использовании так называемых LLC-трансформаторных блоков, например описанных в вышеупомянутой патентной публикации WO 2005/119892, в которой трансформатор используется для устранения гармоник в системе для электропитания при помощи фазового сдвига в трансформаторе. В соответствии с предпочтительным вариантом реализации изобретения, трансформаторный блок устроен таким образом, чтобы обеспечить фазовый сдвиг в 30° с устранением 5 и 7 гармоник, и содержит дополнительную катушку для устранения или ослабления 11 и 13 гармоник.
Так как трансформаторный блок вносит в систему дополнительное сопротивление, это уменьшает ток короткого замыкания в системе, что в результате обеспечивает более высокую выходную мощность при более низком напряжении. Таким образом, стандартное оборудование на 690 В может быть использовано для получения большей мощности, чем в известных решениях.
Ниже на примерах описано изобретение со ссылкой на сопроводительные чертежи, иллюстрирующие изобретение.
На Фиг.1а, б изображена локальная система питания с LLC-трансформаторами.
На Фиг.2а, б изображена локальная система питания в соответствии с предлагаемым изобретением.
На Фиг.3а, б изображена система с симметричной и асимметричной выработкой энергии.
На Фиг.4а, изображена система, содержащая четыре системы для электропитания.
На Фиг.4б изображена альтернатива системе, изображенной на Фиг.4а.
Фиг.1а и 1б иллюстрируют два различных LLC-трансформатора, имеющих первую и вторую соединительные точки 1,2, которые на чертежах соединены с приводным блоком, и содержащих генератор энергии G на каждой стороне трансформаторного блока. LLC-трансформаторы выполнены с возможностью обеспечить фазовый сдвиг в диапазоне 30-х° между соединительными точками на рабочей частоте с ослаблением таким образом пятой и седьмой гармоник. Эти решения детально раскрыты в патентной публикации WO 2005/119892 и в норвежской патентной заявке №20085145, включенных в настоящую заявку посредством ссылки, и также обеспечивают ослабление одиннадцатой и тринадцатой гармоник.
Обычно система для электропитания силовых установок выполнена, как показано на Фиг.2a, где каждый генератор энергии G соединен с приводным блоком 3', имеющим двигатель, подключенный через трансформатор и выпрямительный мост. Системы могут быть соединены друг с другом посредством коммутационного устройства, на случай если один из источников энергии выйдет из строя. Недостатком такого решения является то, что здесь ограничение тока короткого замыкания требует повышения напряжения при превышении определенного уровня мощности.
В соответствии с изобретением, изображенным на Фиг.2б, два генератора энергии G и две силовые установки 3 соединены LLC-трансформатором, изображенным между ними, например с таким, как описан в патентной публикации №WO 2005/119892 и в норвежской патентной заявке №20085145, при этом в приводном блоке трансформатор отсутствует. Поскольку LLC-трансформатор обеспечивает системе дополнительное сопротивление, выходной ток может повыситься, не превышая ограничения тока короткого замыкания. Таким образом, большая мощность может быть обеспечена системой при низком напряжении. Таким образом, это обеспечивает системе преимущество, заключающееся в возможности использовать менее дорогие компоненты даже при большей выходной мощности. Другое преимущество состоит в том, что ток короткого замыкания снижен до уровня 80-85% от тока короткого замыкания обычной системы, таким образом, энергия, выделяющаяся при коротком замыкании, составляет 64-72% энергии, выделяющейся при коротком замыкании в обычной системе, что значительно снижает нагрузку при разряде.
При обычной работе система, изображенная на на Фиг.2б, подает мощность к силовой установке, и трансформатор обеспечивает фильтрацию, устраняя гармонические частоты, как это было описано в вышеупомянутых патентных заявках.
Если один из генераторов G выйдет из строя, ситуация изменится, но силовая установка будет получать мощность через оба входа, причем трансформатор будет функционировать с несиметричной нагрузкой.
Этот принцип показан на Фиг.3a, 3б, где на Фиг.3a изображена симметричная конфигурация, при которой две системы, изображенные на Фиг.2б, соединены друг с другом таким образом, что LLC-трансформаторы имеют одинаковый фазовый сдвиг, то есть относительный 30° фазовый сдвиг, при котором первые соединительные точки 1 и вторые соединительные точки 2 соединены. LLC-трансформаторные блоки таким образом соединены параллельно приводным блокам 3.
Как показано на Фиг.3б, используется только один источник на правой стороне системы, а электроэнергия подводится через LLC-трансформатор. Конфигурация на левой стороне может быть симметричной, но это не показано на чертеже. Таким образом, LLC-трансформатор передает половину электроэнергии двигателя, и приводные блоки 3 могут до определенной степени быть работоспособны. Эта силовая установка может получать половину мощности даже в случае, если один из генераторов остановится, что может быть достаточно, например, для работы судна или установки. Кроме того, если левая сторона системы соединена с правой стороной системы, то общая мощность, подаваемая к каждому приводному блоку, увеличивается, добавляя соответственно запас мощности системе.
Когда левая и правая стороны системы соединены, последствия отключения одного генератора G еще меньше. Кроме того, следует отметить, что приводной блок может содержать соединения с левой и правой сторонами изображенной системы, как это показано с приводным блоком в середине.
Как показано на Фиг.4a, б, этот принцип применяется, например, в буровой установке с четырьмя двигательными системами, отличающейся тем, что система, изображенная на Фиг.3a, б, расширена включением четырех LLC-трансформаторов и систем приводов с соответствующими генераторами. Так же как в системе, изображенной на Фиг.3, соединительные точки 1, 2 и трансформаторные блоки (LLC-трансформаторы) соединены с соответствующими фазовыми сдвигами таким образом, что первая и первая и вторая и вторая соединительные точки соединены друг с другом. Таким образом, относительный фазовый сдвиг в диапазоне+ и - 30-х° достигается при движении вдоль соединений между трансформаторными блоками, например в виде последовательности соединительных точек [1,2]_[2,1]_[1,2]_[2,1] и т.д. (где [] представляют подсистему, содержащую LLC-трансформатор и соединительные точки 1, 2), что позволяет избежать распостранения колебаний по всей системе.
Решение, проиллюстрированное на Фиг.4a и 4б, представляет собой по существу симметричные 12- и 6-импульсные системы соответственно, в которых две стороны могут быть разделены. Это связано с ограничениями в системах электропитания кораблей и прибрежных инженерных сооружений, и другие решения могут быть разработаны для других применений.
На Фиг.4a правая сторона представляет систему с большим запасом мощности, которая разделена на две разделяемые подсистемы PS, SB, каждая из которых содержит два генератора G, разделенных LLC-трансформаторным блоком, и в которой приводные системы 3 каждой подсистемы соединены с обеими сторонами 1, 2 LLC-трансформаторов. Если выходит из строя один из генераторов G, ток может проходить через LLC-трансформатор и приводные системы 3 будут работать при пониженной производительности.
Левая сторона PS на фиг.4a иллюстрирует систему, обеспечивающую еще больший запас мощности, так как приводные блоки 3 соединены с двумя подсистемами, соединенными, в свою очередь, с первой 1 соединительной точкой одного LLC-трансформаторного блока и второй соединительной точкой второго трансформаторного бока. Таким образом, даже если генераторы и LLC-трансформаторный блок выйдут из строя, например из-за пожара или других повреждений, приводные блоки все еще могут оставаться в рабочем состоянии при пониженной производительности, так как они могут забрать часть мощности из соседних подсистем.
Фиг.4б изображает систему, аналогичную изображенной на Фиг.4a, но здесь приводные блоки основаны на 6-импульсной приводной системе.
Число подсистем в кольце можно выбирать, но должно быть использовано четное количество подсистем, особенно в системах, основанных на LLC-трансформаторных блоках, имеющих фазовые сдвиги 30°.
Даже при вышеуказанном попеременно действующемм соединении трансформаторных блоков в системе могут циркулировать некоторые гармоники. В целях снижения циркуляции третьей гармоники могут потребоваться особые меры в отношении выбора нейтральной схемы заземления. Посредством применения специально сконструированных систем заземления с полным сопротивлением, содержащих фильтр нижних частот, третья гармоника будет подавлена настолько, чтобы обеспечить использование стандартных решений заземления с защитой от короткого замыкания.
Предлагаемая система может быть использована для различных применений, где запас мощности в системе для электропитания является преимуществом, например в компьютерных классах или больницах. В этих применениях объединение подсистем может давать дополнительные преимущества, так как запас мощности может быть распределен между левой и правой сторонами системы, изображенной на Фиг.4a, 4б.
Для прибрежных инженерных сооружений системы классифицируются на НН (низкое напряжение), СН (среднее напряжение) и ВН (высокое напряжение), в которых ограничения в соответствии со стандартом 1ЕС равны НН<1000В, 1000V<СН<17500В и ВН>17500В, и типичные системы НН могут быть использованы при 690В. В решении с наибольшим запасом мощности, изображенным на Фиг.4a, при поломке в одной из подсистем, например вследствие пожара, работа в этой подсистеме полностью не прекратится, так как питание на нее подается от соседней системы, поставляющей приводному блоку 50% мощности.
Так как ток короткого замыкания уменьшен, система может быть использована при высокой мощности без повышения напряжения. Это снижает необходимость в высоковольтных системах для электропитания, и установленная номинальная мощность трансформатора снижается с коэффициентом между 3:1 и 4:1 по сравнению с традиционными системами. Это также снижает сложность системы путем ограничения необходимости в кабельных делителях напряжения и кабельных концевых устройствах, а также в других вспомогательных системах, которые снижают необходимость в пространстве для системы. Так как использование пространства для прибрежных инженерных сооружений дорого, это является важным преимуществом данной системы.
Подводя итог, можно отметить, что изобретение относится к системе для электропитания, содержащей по меньшей мере два приводных блока 3, имеющих по два силовых входа, и по меньшей мере один генератор энергии G, обеспечивающий подачу электрической энергии с выбранными системной частотой и напряжением. Система также включает в себя LLC-трансформаторный блок, имеющий первую и вторую соединительные точки 1, 2, причем по меньшей мере одна из них соединена с генератором энергии G. Два входа каждого приводного блока 3 соединены с первой 1 и второй 2 соединительными точками LLC-трансформаторного блока. LLC-трансформаторный блок выполнен с возможностью обеспечения выбранного фазового сдвига между указанными соединительными точками 1, 2 при выбранных системной частоте и напряжении, что обеспечивает одновременное сокращение гармонические частоты и образование запаса мощности, так как оба приводных блока могут быть использованы лишь с одним работающим генератором G. Кроме того, как было упомянуто выше, полное сопротивление, вносимое трансформатором, уменьшает ток короткого замыкания.
С целью получения полного запаса мощности в системе на каждой стороне LLC-трансформаторного блока имеется по меньшей мере один генератор G, а для эффективной фильтрации пятой и седьмой гармоник фазовый сдвиг LLC-трансформатора должен быть приблизительно 30°.
В соответствии с одним из вариантов реализации изобретения, по меньшей мере два LLC-трансформаторных блока соединены параллельно относительно приводных блоков 3, причем трансформаторные блоки обеспечивают одинаковый фазовый сдвиг между соответственными первой и второй соединительными точками 1, 2, где первая и первая и вторая и вторая соединительные точки соответственно соединены и каждый приводной блок 3 соединен с первой и второй соединительными точками 1, 2. Таким образом, система с высоким запасом мощности может быть работоспособна и в случае выхода из строя одного или более генераторов и LLC-трансформаторов, пока один из них функционирует.
В соответствии с конкретным вариантом реализации изобретения, по меньшей мере один из указанных приводных блоков 3 соединен с первой соединительной точкой 1 указанного первого трансформаторного блока LLC1 и второй соединительной точкой 2 указанного второго трансформаторного блока LLC2, причем между трансформаторными блоками имеется переключатель, так что приводной блок таким образом соединен с обоими трансформаторными блоками, даже если переключатель разомкнут.
В более крупных системах может быть использован вариант реализации данного изобретения в виде трансформаторных блоков LLC1, LLC2, LLC3, LLC4, расположенных по кольцу. Важно иметь четное число трансформаторных блоков для обеспечения соответствующих относительных фазовых сдвигов, то есть одинакового фазового сдвига для соседних трансформаторных блоков, причем приводные блоки 3 имеют по одному входу на каждой стороне трансформаторных блоков LLC1, LLC2, LLC3, LLC4.
Трансформаторные блоки могут быть соединены по меньшей мере с одним генератором энергии G и по меньшей мере с одним приводным блоком 3, таким образом образуя подсистему, причем по меньшей мере один приводной блок в каждой подсистеме соединен с первой и второй соединительными точками соответствующего LLC-трансформаторного блока системы. В другом случае по меньшей мере один приводной блок в каждой подсистеме соединен с первой или второй соединительными точками 1(2) в соответствующем трансформаторном блоке системы и второй (или первой) соединительной точкой 2(1) в соседней подсистеме для повышения запаса мощности и обеспечения возможности функционирования всех приводных блоков, даже если генераторы и/или LLC-трансформаторные блоки в одной подсистеме выйдут из строя.