СИСТЕМА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ТРЁХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
SYSTEM FOR GENERATING ELECTRIC ENERGY OF THREE-PHASE ALTERNATING CURRENT

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока в ветроэнергетике, авиации, в автономных источниках электропитания на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), гидроэнергетике, устройствах гарантированного электропитания.
При выработке электроэнергии в указанных областях техники основными предъявляемыми требованиями являются: надежность, экономичность, качественные показатели вырабатываемой электроэнергии, возможно меньшие массогабаритные показатели и стоимость.
В качестве генерирующих устройств используются и разрабатываются различные типы генераторов: синхронные, синхронные с постоянными магнитами, коллекторные генераторы с возбуждением от трехфазного переменного тока, асинхронизированные синхронные генераторы с электропитанием ротора переменным током с частотой скольжения, асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором. Стабилизацию параметров электроэнергии на выходе системы приводной двигатель (ветроколесо, ДВС, авиационная турбина, гидротурбина) - генератор переменного тока, работающей при изменяющейся частоте вращения приводного двигателя, обеспечивают статические преобразователи частоты.
Известна система для генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока по патенту RU 2507670 С2 (Н02М 5/27, 2014). Известная система включает синхронный генератор без вывода нулевого провода с возбуждением от постоянных магнитов и шестифазной обмоткой на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме шестифазного реверсивного выпрямителя, в котором последовательно с каждой парой встречно-параллельно соединенных тиристоров (управляемых электронных ключей) включен дроссель, при этом к выходу каждой выходной фазы подключен конденсатор низкочастотного фильтра, в статический преобразователь электрической энергии введена дополнительная фаза непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, выход данной фазы соединен с нулевым проводом нагрузок системы регулирования.
Однако известная система содержит большое количество управляемых ключей, что делает систему управления преобразователем частоты достаточно сложной и снижает надежность. Кроме того, существенно снижается коэффициент полезного действия системы вследствие включения последовательно с каждой парой управляемых ключей дросселей. Вместе с этим, использование в системе непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией исключает возможность получения на выходе системы трехфазного переменного тока с частотой большей, чем частота трехфазного переменного тока, вырабатываемого генератором.
Известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока повышенного напряжения по патенту 2521419 С2 (H02J 3/02, Н02Р 9/00, 2014). Известная система содержит синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов и тремя гальванически развязанными системами трехфазных обмоток на статоре, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного по выходу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией (циклоконвертора), каждая выходная фаза которого собрана по схеме трехфазного мостового реверсивного выпрямителя (МРВ) с параллельно включенным с его выходным зажимам конденсатором низкочастотного фильтра и запитанного от одной из трехфазных систем обмоток синхронного генератора. Трехфазный МРВ выполнен по схеме, содержащей шесть пар встречно-параллельно включенных тиристоров или шесть симметричных тиристоров (симисторов). Один из выходных выводов МРВ подключен к соответствующей фазе трехфазной нагрузки. Система содержит еще одну фазу непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией, собранную по схеме трехфазного мостового выпрямителя с параллельно включенным его зажимам конденсатором низкочастотного фильтра, запитанного от трехфазного трансформатора, первичные обмотки которого соединяют с любой из трех трехфазных систем обмоток синхронного генератора. К одному из выводов введенной фазы непосредственного преобразователя частоты подключаются вторые выводы трех МРВ. Второй вывод введенной фазы непосредственного преобразователя частоты соединяют с нулевым проводом нагрузок системы генерирования.
К недостаткам известной системы можно отнести достаточно большое количество силовых управляемых ключей, сложность системы управления и регулирования, что снижает надежность. Также к недостаткам можно отнести невозможность получения на выходе системы трехфазного переменного тока с частотой, равной или больше частоты переменного тока, вырабатываемого генератором.
Известна система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока с инвентором напряжения по патенту RU 2513113 С2 (H02J 3/26, 2014). Известная система генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока содержит трехфазный синхронный генератор, статический преобразователь электрической энергии на базе трехфазного мостового выпрямителя, входы которого подключены к выходам синхронного генератора, двух конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, соединенных последовательно и включенных параллельно выходным зажимам выпрямителя, и трехфазного мостового инвертора напряжения, входы которого подключены к выходам выпрямителя, а выходы - к входам трех низкочастотных LC фильтров, нулевой провод нагрузки системы генерирования соединен со средней точкой конденсаторов фильтра в звене постоянного тока, катушку индуктивности, которая одним выводом подключена к нулевому проводу нагрузки системы генерирования, а другим - к нулевому выводу статорной трехфазной обмотки синхронного генератора.
К недостаткам известной системы генерирования электрической энергии можно отнести низкий коэффициент полезного действия, что связано с необходимостью двойного преобразования электроэнергии и с использованием значительного количества фильтрующих элементов. Кроме того, в известной системе генерирования электрической энергии синхронный генератор обеспечивает преобразование механической энергии в электрическую с параметрами электроэнергии, соответствующими только скорости вращения приводного двигателя.
Наиболее близким по технической сущности с заявляемым изобретением является система для генерирования электроэнергии трехфазного переменного тока, приведенная в книге Джюджи Л., Пелли Б. Силовые полупроводниковые преобразователи частоты: Теория, характеристика, применение. Пер. с англ. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 340-342. Известная система представляет собой авиационную систему «переменная скорость - постоянная частота» с использованием трехфазного непосредственного преобразователя частоты с естественной коммутацией и включает генератор с шестью обмотками и коммутирующие элементы, которые выполнены в виде трех шестипульсных тиристорных цепей, каждая из которых состоит из четырех трехпульсных групп с двумя уравнительными реакторами. Обмотки статора генератора подключены к соответствующим обмоткам коммутирующим элементам. Средние точки уравнительных реакторов в трехпульсных группах соединены между собой и образуют трехфазный выход.
К недостаткам известной системы можно отнести сложность управления и невозможность получения на выходе системы более высокой частоты, чем частота вращения ротора генератора.
Задачей настоящего изобретения является создание системы для генерирования электроэнергии трехфазного переменного тока, в которой обмотки статора трехфазного генератора используются как в процессе производства трехфазного переменного тока, так и в процессе преобразования (модулирования) частоты и напряжения вырабатываемого трехфазного переменного тока, что обеспечивает повышение эффективности процесса преобразования механической энергии в электрическую, расширение функциональных возможностей и области использования.
Указанная задача решается благодаря тому, что предложена система (техническое устройство) для генерирования электроэнергии трехфазного переменного тока, содержащая коммутирующие элементы, трехфазный генератор, включающий ротор, окруженный статором, содержащим трехфазные обмотки, которые выполнены с возможностью обеспечения совместно с соответствующими им коммутирующими элементами модулирования параметров электроэнергии трехфазного переменного тока, и суммирующие трехфазные трансформаторы для подключения нагрузки. При этом одни выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим выводам А, В, С входных трехфазных обмоток суммирующих трехфазных трансформаторов, а другие выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим трехфазным обмоткам статора коммутирующим элементам. Одноименные фазные обмотки выходных трехфазных обмоток суммирующих трехфазных трансформаторов соединены последовательно в три ветви, которые объединены в схему звезда и образуют трехфазный выход.
В варианте выполнения статор имеет три одинаково выполненных части, которые расположены последовательно вдоль ротора. Каждая из упомянутых частей статора включает две трехфазные обмотки. При этом в каждой из частей статора начальные выводы фазных обмоток одной трехфазной обмотки и концы фазных обмоток другой трехфазной обмотки подключены к соответствующим выводам А, В и С. Фазные обмотки трехфазных обмоток одной из частей статора последовательно подключены соответственно к выводам А, В, С, а фазные обмотки трехфазных обмоток двух других частей статора последовательно подключены соответственно к выводам В, С, А и С, А, В.
В другом варианте выполнения статор имеет две одинаково выполненных части, которые расположены последовательно вдоль ротора, при этом каждая из частей включает три трехфазные обмотки, причем в одной из частей статора начальные выводы фазных обмоток одной трехфазной обмотки подключены последовательно соответственно к выводам А, В и С, а начальные выводы фазных обмоток двух других трехфазных обмоток подключены последовательно соответственно к выводам В, С, А и С, А, В, причем в другой из частей статора концы фазных обмоток одной трехфазной обмотки подключены последовательно соответственно к выводам А, В и С, а концы фазных обмоток двух других трехфазных обмоток подключены последовательно соответственно к выводам В, С, А и С, А, В.
Вместе с этим, в варианте выполнения трехфазный генератор выполнен синхронным.
В последнем приведенном варианте трехфазный генератор может быть выполнен с постоянными магнитами.
В другом варианте выполнения трехфазный генератор выполнен асинхронным с короткозамкнутым ротором.
Кроме того, коммутирующий элемент выполнен в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом в цепи постоянного тока.
В варианте выполнения система в качестве электронного ключа содержит транзистор.
В другом варианте выполнения система в качестве электронного ключа содержит тиристор.
Технический результат использования изобретения состоит в том, что оно обеспечивает возможность создания системы для генерирования электроэнергии трехфазного переменного тока, позволяющей повысить эффективность процесса преобразования механической энергии в электрическую, расширить функциональные возможности и область использования системы. Вместе с этим, благодаря реализации в процессе преобразования механической энергии в электрическую одновременно и модуляции частоты и напряжения генерируемого трехфазного переменного тока непосредственно в трехфазных обмотках самого генератора, обеспечивается возможность повышения коэффициента полезного действия системы генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока и повышение надежности.
A1
B1
C1
A
На фиг. 1 представлена общая схема заявляемой системы для генерирования электроэнергии трехфазного переменного тока (на схеме номера позиций для частей статора генератора условно показаны дважды); на фиг. 2 - силовая часть системы; на фиг. 3 - диаграммы формирования напряжения на статорных обмотках трехфазного генератора и на выходе системы при номинальной частоте (скорости) вращения ротора генератора; на фиг. 4 - диаграммы формирования напряжения на статорных обмотках трехфазного генератора и на выходе системы при частоте вращения ротора генератора, равной половине его номинальной частоты вращения; на фиг. 5 - диаграммы формирования напряжения на статорных обмотках трехфазного генератора и на выходе системы при частоте вращения ротора генератора, равной его удвоенной частоте вращения; на фиг. 6 - диаграммы формирования напряжения на обмотках трехфазного генератора и на выходе системы при регулировании напряжения на ее выходе. На диаграммах U - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 10, 11 части 23 статора трехфазного генератора; U - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 12, 13 части 24 статора трехфазного генератора; U - напряжение, формируемое на фазных обмотках трехфазных обмоток 14, 15 части 25 статора трехфазного генератора; U - суммарное фазное напряжение, формируемое в фазе А на выходе 22 выходных обмоток 19-21 суммирующих трансформаторов 16-18; ω - круговая частота; t - время; 29-34 - интервалы включения соответствующих электронных ключей.
В варианте осуществления изобретения система для генерирования трехфазного переменного тока содержит коммутирующие элементы 1-6, трехфазный генератор 7, включающий ротор 8, окруженный статором 9, содержащим трехфазные обмотки 10-15, которые выполнены с возможностью обеспечения совместно с коммутирующими элементами 1-6 модулирования параметров электроэнергии трехфазного переменного тока, суммирующие трехфазные трансформаторы 16-18. Одноименные фазные обмотки выходных трехфазных обмоток 19-21 суммирующих трехфазных трансформаторов 16-18 соединены последовательно в три ветви, которые объединены в схему звезда и образуют трехфазный выход 22 для подключения нагрузки.
В варианте выполнения статор 9 имеет три одинаково выполненные части 23-25, которые расположены последовательно вдоль ротора 8. Каждая из частей статора включает две трехфазные обмотки. При этом одни выводы фазных обмоток трехфазных обмоток 10-15 статора 9 подключены к соответствующим выводам А, В, С входных трехфазных обмоток 26-28 суммирующих трехфазных трансформаторов 16-18, а другие выводы фазных обмоток трехфазных обмоток 10-15 статора 9 подключены к соответствующим трехфазным обмоткам 10-15 коммутирующим элементам 1-6. На части 23 статора расположены трехфазные обмотки 10 и 11. На части 24 статора расположены трехфазные обмотки 12 и 13. На части 25 статора расположены трехфазные обмотки 14 и 15. Трехфазные обмотки 10-15 включают фазные обмотки. Начальные выводы фазных обмоток трехфазных обмоток 10, 12, 14, а также концы фазных обмоток трехфазных обмоток 11, 13, 15 подключены к соответствующим выводам А, В и С. Другие выводы фазных обмоток трехфазных обмоток 10-15 подключены к переменным входам соответствующих коммутирующих элементов 1-6, каждый из которых выполнен в виде трехфазного диодного моста с электронным ключом (29-34) в цепи постоянного тока. Коммутирующие элементы подключены к блоку 35 управления.
В другом варианте выполнения системы статор имеет две одинаково выполненных части, которые расположены последовательно вдоль ротора (не показано). При этом каждая из частей включает три трехфазных обмотки. В одной из частей статора начальные выводы фазных обмоток одной трехфазной обмотки подключены последовательно соответственно к выводам А, В и С входных трехфазных обмоток соответствующего суммирующего трехфазного трансформатора, а начальные выводы фазных обмоток двух других трехфазных обмоток подключены последовательно соответственно к выводам В, С, А и С, А, В. Причем в другой из частей статора концы фазных обмоток одной трехфазной обмотки подключены последовательно соответственно к выводам А, В и С входных трехфазных обмоток соответствующего суммирующего трехфазного трансформатора, а концы фазных обмоток двух других трехфазных обмоток подключены последовательно соответственно к выводам В, С, А и С, А, В. По сравнению с первым вариантом выполнения системы этот вариант конструктивно более простой.
В варианте выполнения система для генерирования трехфазного переменного тока в качестве электронных ключей содержит, например, транзисторы 29-34. В другом варианте выполнения система для генерирования трехфазного переменного тока в качестве электронных ключей может содержать тиристоры.
В варианте выполнения изобретения трехфазный генератор 7 выполнен, например, синхронным с постоянными магнитами. В другом варианте трехфазный генератор может быть выполнен асинхронным с короткозамкнутым ротором. Выбор конкретного типа генератора зависит от области использования системы и определяется требованиями, которые к ней предъявляются, например, по габаритам, массе, надежности, ресурсу, стоимости. Например, в авиационных системах преимущество имеют асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором как более надежные. Для автономных источников с использованием ДВС предпочтение отдается синхронным генераторам с постоянными магнитами
Система для генерирования электроэнергии трехфазного переменного тока работает следующим образом.
При вращении ротора 8 трехфазного генератора 7 создается вращающееся магнитное поле, частота вращения которого пропорциональна частоте вращения ротора. При этом в генераторе 7 создается электродвижущая сила и в фазных обмотках статора 9 формируется напряжение с частотой, пропорциональной частоте вращения ротора генератора. Это напряжение далее модулируется по принципу трехполосной модуляции (в варианте выполнения, когда статор трехфазного генератора имеет три части и две трехфазные обмотки на каждой из частей) или по принципу двухполосной модуляции (в варианте выполнения, когда статор трехфазного генератора имеет две части и три трехфазных обмотки на каждой из частей).
При трехполосной модуляции модулирование параметров (частоты и напряжения) трехфазного переменного тока в трехфазном генераторе 7 основано на принципе трехполосной пофазной модуляции. При этом модулирующая функция формирования выходной частоты и выходного напряжения в каждой фазе статора 9 реализуется путем циклических подключений трехфазных обмоток 10-15 трехфазного генератора 7 к суммирующим трехфазным трансформаторам 16-18 через равные интервалы времени одновременно по трем фазам по круговой диаграмме, а их (т.е. трехфазных обмоток 10-15) отключение осуществляется в пределах прямой и обратной полуволн фаз трехфазного напряжения, соответствующего фактической частоте вращения ротора 8 трехфазного генератора 7. Промодулированное в каждой части статора напряжение подается на входные трехфазные обмотки 26-28 суммирующих трехфазных трансформаторов 16-18 и далее суммируется в выходных обмотках 19-21 трех суммирующих трехфазных трансформаторов 16-18.
При двухполосной модуляции (в варианте выполнения, когда статор трехфазного генератора имеет две части и три трехфазных обмотки на каждой из частей) формирование частоты и напряжения на выходе трехфазного генератора осуществляется аналогичным образом с той лишь разницей, что размыкание нулевых точек трехфазных обмоток осуществляется в пределах следования отдельно только прямых фаз и в пределах следования только обратных фаз напряжения (по круговой диаграмме), соответствующего частоте вращения ротора. Промодулированное напряжение далее подается на входные обмотки двух суммирующих трансформаторов и суммируется в выходных обмотках этих трансформаторов.
При трехполосной модуляции коэффициент увеличения напряжения на выходе системы равен 2. Гармонический состав выходного напряжения при его регулировании сохраняется в пределах 2/3 полупериода. При этом наибольшая неполезная гармоническая составляющая одиннадцатая составляет не более 24%. Обеспечивается требуемое качество выходного напряжения при его глубоком регулировании. При двухполосной модуляции коэффициент увеличения напряжения на выходе генератора равен 1,5. Гармонический состав выходного напряжения при его регулировании сохраняется в пределах 1/3 полупериода. В сравнении с трехполосной модуляцией этот вариант конструктивно более простой, но уступает по качеству выходного напряжения при его регулировании. Форма напряжения та же, что и при трехполосной модуляции. Поэтому выбор схемно-конструктивного решения зависит от диапазона изменения нагрузки на генератор, т.е. - диапазона регулирования выходного напряжения.
Таким образом, в трехфазных обмотках статора каждой из частей статора генерируют трехфазное напряжение переменного тока с частотой, пропорциональной частоте вращения ротора, далее это напряжение модулируют по полосам соответственно по круговой диаграмме трехфазной системы в порядке следования прямых и обратных фаз путем циклических замыканий и размыканий нулевых точек трехфазных обмоток статора с частотой, равной сумме частоты вращения ротора трехфазного генератора и требуемой частоты трехфазного переменного напряжения на выходе системы, одновременно промодулированное напряжение суммируют пофазно.
Независимо от типа модуляции частота следования управляющих импульсов, поступающих от блока управления 35 на электронные ключи 29-34, определяется выражением:
у
вр
т,
f=f+f,
у
вр
т
где f - частота следования управляющих импульсов, поступающих на электронные ключи 29-34, f - частота вращения ротора трехфазного генератора 7, f - требуемая частота трехфазного переменного напряжения на выходе системы.
у
у
у
у
Таким образом, например, для генератора с синхронной скоростью 1500 об/мин и номинальной частотой 50 Гц, вращающегося со скоростью 750 об/мин (частота вращения ротора равна 25 Гц), частота f (для получения на выходе устройства напряжения с частотой 50 Гц) должна быть равна 75 Гц, а при скорости вращения 3000 об/мин частота f должна быть равна 150 Гц. Для генератора с выходной частотой 400 Гц и частотой вращения ротора генератора 1200 Гц, f составит 1600 Гц, а при частоте вращения ротора, равной 200 Гц, f - 600 Гц.
вр
т
т
Количество импульсов «n» в формируемом фазном напряжении статора генератора в течение периода для каждой частоты вращения определяется выражением: n=m(f+f)/f, где m - количество трехфазных обмоток статора генератора.
Плавное регулирование напряжения на выходе генератора осуществляется за счет изменения продолжительности включенного состояния электронных ключей 29-34 (транзисторов или тиристоров).
A
На фиг. 3 показана диаграмма формирования напряжения в фазе А (U) генератора при включенном состоянии ключей 29-34 в течение 90° (по круговой диаграмме). На фиг. 6 - то же при включенном состоянии ключей в течение 30° (по круговой диаграмме). Из диаграмм фиг. 3, 6 видно, что форма напряжения при его регулировании остается неизменной. Это утверждение справедливо для любой частоты вращения ротора генератора.
Простота управления, возможность стабилизации частоты трехфазного переменного тока, вырабатываемого системой, при любой частоте вращения ротора генератора (приводного двигателя генератора), возможность стабилизации напряжения на нагрузке (при ее изменении), возможность обмена энергией между нагрузкой и генератором обеспечивают заявляемой системе приспособляемость, придающую ей возможность использования в различных областях: в авиации, ветроэнергетике, автономных источниках электропитания на базе двигателей внутреннего сгорания, гидроэнергетике, устройствах гарантированного (бесперебойного) электропитания.
Таким образом благодаря особенности исполнения системы для генерирования электроэнергии трехфазного переменного тока изобретение обеспечивает возможность создания системы, позволяющей повысить эффективность процесса преобразования механической энергии в электрическую и обеспечивающей расширение ее функциональных возможностей и области использования, а также повышение коэффициента полезного действия и надежности.