СИСТЕМА ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И СПОСОБ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
ELECTRIC POWER GENERATION SYSTEM AND OPERATING METHOD OF POWER GENERATION SYSTEM

Изобретение относится к системе генерации электроэнергии. Изобретение относится также к способу работы системы генерации электроэнергии. Изобретение относится также к компьютерному программному продукту.
В частности, для улучшения тяги в рельсовых транспортных средствах на электротяге необходима возможность свободной регулировки в широком диапазоне напряжения промежуточной электрической цепи в зависимости от различных параметров (например, преобразованной мощности, скорости движения, дополнительной рабочей мощности и т.д.).
При чисто дизельно-электрической тяге транспортного средства задачу решают, как правило, прямым соединением дизельного двигателя с генератором постоянного тока или с генератором переменного тока с последовательно подключенным диодным выпрямителем. При этом число оборотов дизельного двигателя определяет, например, т.н. “винтовая характеристика”.
Генераторы, как правило, работают с внешним возбуждением. Это обеспечивает без внешних воздействий напряжение промежуточной электрической цепи, примерно пропорциональное количеству оборотов дизельного двигателя, причем эта характеристика соответствует требованиям тяговых двигателей. При этом устройства возбуждения обеспечивают точную регулировку и выравнивание нагрузки.
Задача данного изобретения – предложить усовершенствованную систему генерации электроэнергии. Задачу решают согласно первому аспекту посредством системы генерации электроэнергии, содержащей дизельный двигатель, функционально соединенный с генератором трехфазного тока,
- причем генератор функционально соединен с промежуточной электрической цепью;
- промежуточная электрическая цепь функционально соединена с потребителем электроэнергии;
- в промежуточной цепи параллельно соединены пассивный выпрямитель и импульсный выпрямитель;
- напряжение промежуточной электрической цепи определенным образом обеспечивается пассивным выпрямителем и импульсным выпрямителем;
- на импульсный выпрямитель подается заданное значение напряжения промежуточной цепи;
- импульсный выпрямитель определенным образом обеспечивает определенную долю составляющую напряжения промежуточной цепи в определенном рабочем диапазоне.
Таким образом, предпочтительно, устраняется зависимость напряжения промежуточной цепи от числа оборотов дизельного двигателя. Это предпочтительно обеспечивает возможность эффективной эксплуатации дизельного двигателя, причем для генерирования напряжения промежуточной цепи используется определенная часть функции импульсного выпрямителя как повышающего преобразователя.
Предпочтительно, таким образом, обеспечивают эффективный расчет потребителей электроэнергии, питаемых напряжением промежуточной цепи, например, в виде преобразователей для вспомогательных режимов работы и бортовых устройств снабжения энергией. В идеале для указанных элементов необходимо максимально непрерывное напряжение промежуточной цепи, эффективно обеспечиваемое техническим решением по данному изобретению.
Согласно второму аспекту задачу решают посредством способа функционирования системы генерации электроэнергии, которая функционально соединена с электрической промежуточной цепью, причем электрическая промежуточная цепь функционально соединена с потребляющим электроэнергию устройством, способ включает этапы:
- подачу на импульсный выпрямитель заданного напряжения промежуточной цепи, необходимого для потребляющего устройства; и
- функционирование импульсного выпрямителя таким образом, чтобы он обеспечивал определенную долю заданного напряжения промежуточной цепи независимо от числа оборотов дизельного двигателя за счет того, что импульсный выпрямитель выполняет функцию повышающего преобразователя.
Предпочтительное усовершенствование система генерации электроэнергии характеризуется тем, что уровень напряжения промежуточной цепи, который выше заданного значения, зависит исключительно от числа оборотов дизельного двигателя. Это позволяет обеспечить наличие напряжения промежуточной цепи с более высоким уровнем.
Другое предпочтительное усовершенствование системы генерации электроэнергии характеризуется тем, что мощность импульсного выпрямителя рассчитана на определенную долю мощности, генерируемой дизельным двигателем и генератором. Предпочтительно, таким образом, обеспечена возможность экономичной и технически менее трудоемкой реализации импульсного выпрямителя и соответственно экономичный и технически менее трудоемкий расчет реализации последовательно подключенного устройства-потребителя электроэнергии.
Другое предпочтительное усовершенствование системы генерации электроэнергии характеризуется тем, что импульсный выпрямитель рассчитывают на диапазон, примерно менее 50% мощности, генерируемой дизельным двигателем и генератором. Это обеспечивает оптимальный компромисс между производительностью электроэнергии и экономичностью импульсного выпрямителя.
Другое предпочтительное усовершенствование системы генерации электроэнергии характеризуется тем, что элементы коммутации схемы импульсного выпрямителя функционально соединены с диодами пассивного выпрямителя в едином блоке. За счет этого диоды импульсного выпрямителя могут одновременно брать на себя функцию пассивного диодного выпрямителя.
Другое предпочтительное усовершенствование системы генерации электроэнергии характеризуется тем, что импульсный выпрямитель выполнен с возможностью включения таким образом, чтобы дизельный двигатель приводился в действие от генератора. Таким образом, за счет реверса энергии генератор предпочтительно является стартером дизельного двигателя.
Другое предпочтительное усовершенствование системы генерации электроэнергии характеризуется тем, что входное напряжение, требующееся для устройства-потребителя электроэнергии, используют в качестве управляющей величины для импульсного выпрямителя. Это обеспечивает уровень напряжения промежуточной цепи для питания всех отдельных элементов устройства-потребителя электроэнергии.
Указанные свойства, признаки и преимущества изобретения, а также вид и способ их достижения, приведенные выше, более ясно и подробно раскрыты в нижеследующем описании примеров осуществления на основе следующих фигур, на которых:
фиг. 1 - принципиальная блок-схема обычной системы генерации электроэнергии;
фиг. 2 - принципиальная блок-схема другой обычной системы генерации электроэнергии;
фиг. 3 - принципиальная блок-схема варианта осуществления предложенной системы генерации электроэнергии;
фиг. 4 - сигнальная диаграмма с характеристикой нормированного напряжения промежуточной цепи в зависимости от нормированного числа оборотов дизельного двигателя;
фиг. 5 - принципиальна схема последовательности действий в варианте способа функционирования системы генерации электроэнергии по данному изобретению.
При чисто дизельно-электрической тяге транспортного средства задачу решают, как правило, прямым соединением дизельного двигателя с генератором постоянного тока или соединением с генератором трехфазного тока и диодным выпрямителем, подключенным последовательно.
d
d
На фиг. 1 показана блок-схема устройства 10 генерирования напряжения с дизельным двигателем 1, функционально соединенного с генератором 2 с внешним возбуждением (генератор трехфазного тока). Число оборотов nгенератора 10 с внешним возбуждением обеспечивается дизельным двигателем 1, причем для обеспечения определенного числа оборотов nсоответственно дозируют, например, объем впрыска в дизельный двигатель 1.
ZK
Генератор 2 имеет внешнее возбуждение от устройства 3 возбуждения и является при этом синхронной машиной с внешним возбуждением. Например, напряжение батареи бортовой сети питания подают через регулятор на генератор 2, при этом напряжение формируется в зависимости от генерированного трехфазного напряжения. Трехфазное выходное напряжение генератора 2 подают на выпрямитель 20 в виде пассивного диодного выпрямителя. На выходе выпрямителя 20 в промежуточной цепи 30 с конденсатором промежуточной цепи присутствует выходное напряжение u постоянного тока (напряжение промежуточной цепи), к которому можно подключить электрическую нагрузку в виде по меньшей мере преобразователя энергии устройства-потребителя электроэнергии 40.
Преобразователи энергии устройства-потребителя электроэнергии 40 могут быть выполнены в виде тягового преобразователя энергии, преобразователя энергии для вспомогательного режима работы, бортовой системы электропитания и т.д., причем посредством преобразователей энергии для вспомогательных режимов работы получают энергию средства, обеспечивающие вспомогательные режимы работы дизель-электрического транспорта, например кондиционирование, отопление, управлением тормозами и т.д.
soll
ZK
min
Устройство-потребитель электроэнергии 40 подает на устройство 10 генерирования напряжения сигнал заданной мощности Pи сигнал u требующегося минимального напряжения промежуточной цепи. В зависимости от характеристики устройства-потребителя электроэнергии 40 и/или связанной с ним нагрузки промежуточной цепи 30 изменяется возбуждение для генератора 2. Для обеспечения мощности промежуточной цепи 30 устанавливают приблизительно число оборотов дизельного двигателя 1, причем точную регулировку осуществляют посредством устройства 3 возбуждения.
Таким образом, реализуется гибридное транспортное средство, в котором электрическая энергия генерируется с помощью дизельного двигателя 1 и генератора 2.
ZK
Начиная с промежуточной цепи 30, оборудование такого гибридного транспортного средства почти полностью идентично электролокомотиву. Из напряжения u промежуточной цепи посредством по меньшей мере одного инвертора генерируют переменное напряжение, необходимое для работы гибридного транспортного средства, например, для ходовых двигателей, вспомогательных режимов работы и т.д.
Выпрямитель 20 в этом случае обеспечивает полную мощность промежуточной цепи 30 по меньшей мере для одного преобразователя энергии.
Число оборотов дизельного двигателя 1 соответствует при этом т.н. “винтовой характеристике”:
с параметрами:
Diesel
n . . . число оборотов дизельного двигателя
aktuell
P . . . фактическая мощность дизельного двигателя
Diesel
PN. . . номинальная мощность дизельного двигателя
Nenn Diesel
n . . . номинальное число оборотов дизельного двигателя
aktuell
Diesel
ZK
По формуле (1) для достижения высокой мощности, как правило, необходимо высокое число оборотов дизельного двигателя 1, причем фактическая мощность P, например, пропорциональна в третьей степени числа оборотов n дизельного двигателя 1. Генераторы 2 с приводом от дизельных двигателей имеют, как правило, внешнее возбуждение. Это обеспечивает напряжение промежуточной цепи u, пропорциональное числу оборотов дизельного двигателя. Эта характеристика соответствует требованиям тяговых двигателей дизель-электрического транспортного средства. При этом устройство 3 возбуждения обеспечивает точную регулировку и выравнивание нагрузок генератора 2 трехфазного тока.
Мощность также растет с числом оборотов дизельного двигателя 1, но существует возможность того, что при наличии потребности в высоком напряжении промежуточной цепи отсутствует потребность в высокой мощности, например, при стоянке дизель-электрического транспорта. Однако при этом по формуле (1) всегда необходимо, как правило, высокое число оборотов дизельного двигателя 1 с соответствующим отрицательным влиянием на первичное потребление энергии и эмиссию дизельного двигателя 1.
В условиях вспомогательных режимов работы с бортовой системой электропитания (например, максимально постоянное напряжение во всем диапазоне оборотов дизельного двигателя 1) это связано со следующими недостатками:
ZK
ZK
- преобразователи и трансформаторы должны быть рассчитаны в режиме низкого напряжения u промежуточной цепи на высокие токи, в режиме высокого напряжения u промежуточной цепи на высокое напряжение промежуточной цепи.
В альтернативном варианте для внутренних вспомогательных режимов работы дизель-электрического транспорта предназначен отдельный небольшой инвертор, а бортовая система электропитания с относительно более высокой мощностью рассчитана только для ограниченного диапазона напряжения. Однако недостатком этого является необходимость работы дизельного двигателя 1 при подключении бортовой системы электропитания постоянно с повышенными или высокими оборотами.
В последних разработках по указанной проблематике вместо соединения генератора с промежуточной цепью 30 предложено применение импульсного выпрямителя или AFE (активного выпрямителя).
На фиг. 2 показана подобная обычная компоновка, причем в этом случае генератор 2 выполнен в виде асинхронной машины или машины постоянного возбуждения посредством постоянного магнита. Для обеспечения в таких машинах необходимого выходного напряжения необходимо наводить отсутствующее намагничивание посредством реактивного тока на выходе мощности, причем реактивный ток обеспечивают посредством импульсного преобразователя 21. Это обеспечивает возможность намагничивания или размагничивания генератора 2.
Это обеспечивает возможность использования принципиально простых по устройству типов машин – асинхронных генераторов и синхронных генераторов с постоянным возбуждением в качестве трехфазных генераторов.
Недостатком при этом является повышение сложности устройств, вероятности отказа и капиталовложений в преобразователь энергии.
Для решения этой проблемы предложено: к обычному решению – с генератором 2 и пассивным выпрямителем 20 – подключить параллельно импульсный выпрямитель 21, имеющий определенную более низкую мощность Р1.
ZK_min
ZK
На фиг. 3 показан принципиальный вариант осуществления подобной системы генерации электроэнергии. Показано, что сигнал запроса минимального напряжения u промежуточной цепи от устройства-потребителя электроэнергии 40 в этом случае поступает на блок 22 управления, который подает команду управления на импульсный выпрямитель 21 для генерирования определенной доли напряжения uпромежуточной цепи. При этом эта доля предпочтительно не зависит от числа оборотов дизельного двигателя 1. Этим предпочтительно развязывают функцию оборотов от функции напряжения промежуточной цепи, что обеспечивает эффективную и экономичную работу дизельного двигателя 1.
В альтернативном варианте (не показано) используют импульсный выпрямитель 21 с мощными диодами и с менее мощными электронными коммутационными элементами (например, транзисторами). Это обеспечивает возможность реализации функции пассивного выпрямителя 20 и импульсного выпрямителя 21 в едином модуле, причем диоды импульсного выпрямителя 21 в этом случае также выполняют функцию пассивного выпрямителя 20.
ZK_min
ZK_min
В диапазоне малых мощностей, т.е. P < P1 и малых оборотов дизельного двигателя импульсный выпрямитель 21 повышает напряжение промежуточной цепи до минимального напряжение u промежуточной цепи. При этом Р – это электрическая мощность, производимая дизельным двигателем 1 и генератором 2. Если запрашиваемая мощность Р1 превышает эту мощность, поток мощности при непульсирующем импульсном выпрямителе 21, как в обычном решении по фиг. 1, поступает исключительно через пассивный выпрямитель 20 в виде диодных мостов. Для этого мощность Р1 выбирают таким образом, чтобы собственная характеристика генератора 2 обеспечивала именно минимальное напряжение u промежуточной цепи. При этом при полной нагрузке предпочтительно используют высокую производительность пассивного выпрямителя 20.
ZK_min
По принципу “винтовой характеристики” импульсный выпрямитель 21, например, при выбранном u 0,77 рассчитывают примерно на половину мощности, генерируемой дизельным двигателем 1 и генератором 2.
Решение по данному изобретению согласно фиг. 3 обеспечивает возможность использовать без больших затрат почти все преимущества решения с генератором 2 в виде асинхронной машины/синхронной машины постоянного возбуждения и преимущества решения с исключительно импульсным выпрямителем 21.
ZK
Этим предпочтительно обеспечивается возможность повышения напряжения u промежуточной цепи в малом диапазоне низкого напряжения, что обеспечивает предпочтительно экономичный расчет инверторов для вспомогательных режимов работы.
ZK_min
soll
Заданную величину u напряжения промежуточной цепи подают на импульсный преобразователь 21, а заданную величину электрической мощности P- на устройство 10 формирования напряжения. Это обеспечивает возможность развязывания требований к таким параметрам, как напряжение промежуточной цепи и электрическая мощность, от числа оборотов дизельного двигателя 1. При этом обеспечение электрической мощности промежуточной цепи, как и раньше, происходит исключительно за счет числа оборотов дизельного двигателя 1.
В результате дизельный двигатель 1 может работать предпочтительно в оптимальном режиме, так как он в первую очередь обеспечивает электрическую мощность, при этом импульсный выпрямитель 21 выполняет требование в отношении величины напряжения промежуточной цепи.
Кроме этого по сравнению с обычным решением по фиг. 2 импульсный выпрямитель 21 выполнен явно более компактным.
Кроме этого, токи короткого замыкания генератора 2 трехфазного тока проходят через мощный мост пассивного выпрямителя 20 и влияют значительно на импульсный выпрямитель 21.
Запуск дизельного двигателя 1 осуществляют от промежуточной цепи 30 путем реверса энергии через импульсный выпрямитель 21 и генератор 2 трехфазного тока, так что генератор 2 трехфазного тока предпочтительно функционирует как стартер дизельного двигателя 1.
min
ZK_min
При отказе импульсного выпрямителя 21, кроме короткого замыкания, если отсутствует разделительный элемент для импульсного выпрямителя 21, обеспечена возможность аварийного режима. Для этого необходимо только, чтобы обороты дизельного двигателя 1 были постоянно выше оборотов n, необходимых для собственного напряжения u промежуточной цепи генератора 2 трехфазного тока.
ZK
ZK_nenn
nenn
ZK
ZKmin
ZKmin
На фиг. 4 показан принципиальный характер кривой номинального напряжения u/u промежуточной цепи в зависимости от номинального числа оборотов n/n дизельного двигателя 1. Показана обычная линейная зависимость напряжения u промежуточной цепи от оборотов дизельного двигателя 1. Напряжение uпромежуточной цепи представляет заданную величину параметра устройства-потребителя электроэнергии 40. При наличии нескольких потребителей в рамках устройства-потребителя электроэнергии 40 с разными требованиями к напряжению промежуточной цепи u является максимальной необходимой величиной напряжения промежуточной цепи.
ZK
ZK
Показанный график имеет типичную кривую зависимости напряжения u промежуточной цепи от оборотов, в диапазоне примерно 1:3. Это соответствует типичным значениям напряжения промежуточной цепи, например, 600 В при холостых оборотах, например 600 об/мин и, например, 1800 В при максимальных оборотах 1800 об/мин дизельного двигателя 1. Это обеспечивает очень большой диапазон входного напряжения для последовательно подключенного преобразователя устройства-потребителя электроэнергии 40, что может технически усложнить его конструкцию и увеличить стоимость. Это означает, что дизельный двигатель 1 должен работать, как правило, на довольно высоких оборотах, чтобы обеспечить необходимое напряжение uпромежуточной цепи. Повышение напряжения промежуточной цепи при низких оборотах дизельного двигателя 1 разгружает, таким образом, запитанный от промежуточной цепи 30 преобразователь и упрощает его техническое устройство и снижает стоимость.
ZK
Для этого в решении по данному изобретению обозначенную двойной стрелкой определенную долю напряжения u промежуточной цепи генерирует повышающая функция импульсного выпрямителя 21, так как ее обеспечивает импульсный выпрямитель 21, и только начиная с определенной точки К, - благодаря оборотам дизельного двигателя 1. На фиг. 4 эта величина составляет, например, 0,77 при номинальных оборотах дизельного двигателя 1.
ZK
Конечно, эту точку можно задать определенным образом, чтобы распределить определенным образом напряжение промежуточной цепи между импульсным выпрямителем 21 и пассивным выпрямителем 20. После критической точки К обеспечение напряжения uпромежуточной цепи снова осуществляется исключительно генератором 2 трехфазного тока с приводом от дизельного двигателя 1, напряжение которого выпрямляет пассивный выпрямитель 20. Двойная стрелка на фиг. 4 показывает, таким образом, долю напряжения промежуточной цепи, генерируемую импульсным выпрямителем 21 независимо от оборотов дизельного двигателя 1.
Начиная с оборотов дизельного двигателя 1 в точке К, импульсный выпрямитель не активен, причем с этого момента напряжение промежуточной цепи обеспечивается исключительно на основе оборотов дизельного двигателя 1 с функцией выпрямления от пассивного диодного выпрямителя 20.
3
ZK_min
Из фиг. 4 следует, что из-за зависимости мощности от оборотов в третьей степени импульсный выпрямитель 21 может быть задан с значительно меньшими размерными параметрами, чем на фиг. 2. На фиг. 4, где точка К представляет примерно 0,77 от номинального числа оборотов дизельного двигателя 1, мощность импульсного выпрямителя 21 устанавливают на 0,77, т.е. примерно 45% мощности дизельного двигателя 1. Если заданное значение u напряжения промежуточной цепи соответствует половине числа оборотов дизельного двигателя, то импульсный выпрямитель 21 устанавливают только на 12% мощности дизельного двигателя 1. Двойная стрелка на фиг. 4, таким образом, косвенно представляет также параметры мощности импульсного выпрямителя 21.
Таким образом, из фиг. 4 следует, что параметры импульсного выпрямителя 21 явно меньше номинальной мощности дизельного двигателя 1, причем фактические параметры зависят от требований по минимальному напряжению промежуточной цепи.
Таким образом, фиг. 4 визуализирует полученную степень свободы для обеспечения напряжения промежуточной цепи.
Предпочтительно управление способом по данному изобретению основано на программном обеспечении, установленном на блоке 22 управления. Такая установка предпочтительно обеспечивает возможность простого изменения или адаптации способа по данному изобретению.
На фиг. 5 показана принципиальная структурная схема варианта осуществления способа, по данному изобретению, функционирования системы генерации электроэнергии.
ZK_min
На этапе 100 осуществляют подачу на импульсный выпрямитель 21 напряжения u промежуточной цепи, необходимого для устройства-потребителя электроэнергии 40.
ZK_min
На этапе 110 импульсный выпрямитель 21 функционируем таким образом, чтобы обеспечивать получение напряжения u промежуточной цепи независимо от числа оборотов дизельного двигателя 1 за счет «повышающей» функции импульсного выпрямителя 21.
Несмотря на то, что изобретение подробно проиллюстрировано и описано посредством предпочтительных вариантов его осуществления, изобретение не ограничено раскрытыми примерами и для специалиста существует возможность его варьирования без нарушения границ правовой защиты изобретения.