СТАРТЕР-ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА БАЗЕ РОТОРНО-ЛОПАСТНОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВНЕШНИМ ПОДВОДОМ ТЕПЛОТЫ И СПОСОБ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
STARTER-GENERATOR SET FOR SELF-CONTAINED POWER SUPPLY BASED ON ROTARY-VANE ENGINE WITH EXTERNAL HEAT SUPPLY AND METHOD OF ITS USAGE

Изобретение относится к области использования трехфазных синхронных машин, силовых преобразователей для выработки электроэнергии и может быть использовано для стартер-генератора низкоскоростного роторно-лопастного двигателя в составе автономной когенерационной системы энергоснабжения, ветроэнергетических и других установок на основе альтернативных источников энергии.
Известна система «синхронный генератор с постоянными магнитами - активный выпрямитель - инвертор напряжения» для ветроэнергетических установок [Харитонов С.А. «Электромагнитные процессы в системах генерирования электрической энергии для автономных объектов», Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2011, схема с. 370].
С точки зрения применения данной системы к низкоскоростному роторно-лопастному двигателю с переменной частотой вращения вала, она обладает рядом недостатков. Отсутствие мультипликатора частоты вращения вала либо напряжения генератора, либо напряжения на звене постоянного тока делает невозможным применение низкоскоростного двигателя. Применение мультипликатора частоты вращения вала (редуктора) либо напряжения генератора (трансформатора) существенно повышает массогабаритные показатели энергетической установки. Проблематично использование синхронного генератора в режиме стартера для роторно-лопастного двигателя.
Наиболее близкой к предлагаемой является система для выработки электроэнергии, используемая в малых гидро- и ветроустановках с переменной частотой вращения вала электрической машины, представляющая собой структуру «неуправляемый выпрямитель - корректор коэффициента мощности (мультипликатор постоянного напряжения) - инвертор напряжения» [Т. Sobczyk, W. Mazgaj, Z. Shular, Т. Wegiel, L. Kopchak, B. Kopchak, R. Jacukowicz, M. Twerd. «Power electronic conversion system for small power plants based on renewable sources», журнал «Электротехнические и компьютерные системы» (Одесса), №3, 2011, с. 367-370], содержащая возбуждаемую постоянными магнитами синхронную машину, которая со стороны ротора механически связана с приводной турбиной, со стороны статора электрически связана с трехфазным вентильным преобразователем напряжения, выход которого соединен с входом вентильного мультипликатора постоянного напряжения, при этом выход мультипликатора соединен с входом инвертора, который со стороны переменного напряжения подключен к трехфазной нагрузке переменного напряжения или промышленной сети, причем управление инвертором осуществляется системой управления с обратной связью по напряжению и току трехфазной нагрузки, при этом система управления инвертором связана с системой управления турбиной, тогда как управление вентильным мультипликатором постоянного напряжения осуществляется системой управления с обратной связью по току или напряжению на выходе мультипликатора.
К недостаткам данной системы (автономной установки) относятся:
- система предназначена только для обеспечения генераторного режима работы. Ввиду того что данная система имеет в составе неуправляемый выпрямитель, для обеспечения пусковых режимов низкоскоростного роторно-лопастного двигателя необходимо подключение дополнительной системы пуска;
- система управления автономной установкой связана с системой управления электрической подсистемой через систему управления инвертором, которая не требуется.
В основе предлагаемого устройства лежит задача построения автономной стартер-генераторной установки (полупроводниковой преобразовательной системы) для работы с роторно-лопастным двигателем с внешним подводом теплоты (низкоскоростным двигателем с переменной частотой вращения) таким образом, чтобы обеспечивались необходимые режимы работы: режим выработки электроэнергии, режим запуска двигателя от аккумуляторной батареи и дополнительный режим запуска от сети при ее наличии, задача выработки электроэнергии с помощью такой установки, а также задача организации более эффективного управления установкой.
На фигуре 1 показана функциональная схема стартер-генераторной установки для системы электроснабжения на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты, обеспечивающей режимы выработки электроэнергии и запуска системы от трехфазной промышленной сети при ее наличии, а также с изменениями в системе управления.
Согласно фигуре 1 система состоит из следующих элементов.
Роторно-лопастной двигатель (1) механически связан с возбуждаемой постоянными магнитами синхронной машиной (2) со стороны ротора. Возбуждаемая постоянными магнитами синхронная машина (2) со стороны статора электрически связана с трехфазным вентильным преобразователем напряжения (3), выход которого соединен с входом вентильного мультипликатора постоянного напряжения (4), при этом выход мультипликатора соединен с входом инвертора (5), который со стороны переменного напряжения подключен к трехфазной нагрузке переменного напряжения или промышленной сети.
Роторно-лопастной двигатель (1) управляется главной системой управления (6), вентильный мультипликатор постоянного напряжения (4) управляется системой управления (7) с обратной связью по току или напряжению на выходе мультипликатора. Главная система управления роторно-лопастным двигателем (6) связана с системой управления мультипликатором постоянного напряжения (7).
На фигуре 2 изображена итоговая функциональная схема стартер-генераторной установки для автономной системы электроснабжения на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты с добавлением элементов, обеспечивающих режим запуска двигателя от аккумуляторной батареи. Остальные элементы идентичны фигуре 1.
Аккумуляторная батарея (8) соединена с вентильным преобразователем напряжения (3) со стороны постоянного напряжения и вторичными источниками питания (9), которые соединены с питанием системы управления (7), вентильного преобразователя напряжения (3) и инвертора (5).
Техническое решение поставленной задачи обеспечения необходимых режимов работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты достигается тем, что вентильный преобразователь напряжения (3) выполнен на активных полупроводниковых элементах с двусторонней проводимостью. Обеспечение режима запуска от сети достигается также тем, что в систему добавлены аккумуляторная батарея (8) и вторичные источники питания (9). Задача организации более эффективного управления установкой достигается тем, что управление потоком электрической энергии осуществляется с использованием обратной связи по напряжению или току звена постоянного напряжения с учетом скорости вращения синхронной машины (2) и изменения нагрузки переменного напряжения, при этом система управления мультипликатором (7) связана с главной системой управления (6) роторно-лопастного двигателя (1).
Обеспечение необходимых режимов работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты и организация эффективного управления установкой осуществляются следующим образом:
1. Режим выработки электроэнергии (в т.ч. параллельная работа с сетью (или аналогичными системами)).
Возбуждаемая постоянными магнитами синхронная машина (2) работает в генераторном режиме, приводится во вращение низкоскоростным роторно-лопастным двигателем с внешним подводом теплоты (1), работающим с переменной частотой вращения вала. В качестве синхронной машины с постоянными магнитами может быть использован любой общепромышленный вентильный двигатель с постоянными магнитами необходимой мощности. Трехфазный вентильный преобразователь (3) работает в режиме активного выпрямителя и выдает на выходе постоянное напряжение низкого уровня, подаваемое на вход повышающего преобразователя постоянного напряжения (4) (коэффициента корректора мощности).
Необходимое для работы постоянное напряжение высокого уровня подается на вход инвертора (5) (в случае применения трехфазного инвертора свыше 450 В), и тем самым обеспечивается выходное напряжение трехфазной сети 380 В/50 Гц.
Управление системой выработки электроэнергии и связь с главной системой управления (6) производится через систему управления вентильным мультипликатором постоянного напряжения (7). Управление через мультипликатор совмещает управление в зависимости от подключения нагрузки (не требуется система управления инвертором) и в зависимости от переменной скорости вращения роторно-лопастного двигателя. Таким образом, система управления инвертором с обратной связью по току и напряжению не требуется, а в качестве инвертора может быть использован любой типовой однофазный или трехфазный инвертор соответствующей мощности. Частота сети 50 Гц остается постоянной, а регулирование напряжения сети регулируется значением напряжения высокого уровня на выходе преобразователя постоянного напряжения (4).
2. Режим запуска двигателя от аккумуляторной батареи. Аккумуляторная батарея (8) питает блок вторичных источников питания (9), который, в свою очередь, питает системы управления всей когенерационной установки и управляющие цепи вентильных преобразователей (3, 4, 5). В пусковом режиме питаемый от низкого постоянного напряжения вентильный преобразователь (3) работает в режиме инвертора и запускает синхронную машину с постоянными магнитами (2) и, соответственно, роторно-лопастной двигатель с внешним подводом теплоты (1) на малую частоту вращения.
3. Дополнительный режим запуска от сети при ее наличии.
Данный режим требует переключения в силовой части энергетической установки и осуществляется путем отключения преобразователя постоянного напряжения (4) и соединения по звену постоянного тока вентильных преобразователей (3) и (5). Вентильный преобразователь (3) подключается к трехфазной сети повышенного напряжения и работает в режиме активного выпрямителя, выдавая на выходе достаточное для инвертора (5) напряжение звена постоянного тока. Инвертор (5) питает синхронную машину с постоянными магнитами (2), осуществляя ее запуск (и, соответственно, облегченный режим запуска роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты (1)). Системы управления и управляющие цепи преобразователей запитываются от внешней сети.
Заявляемый способ предназначен для выработки электроэнергии с помощью вышеописанной стартер-генераторной установки с усовершенствованной организацией системы управления (фигура 1), с элементами для запуска установки (фигура 2) и без них (фигура 1).
Техническим результатом является обеспечение работы установки на базе роторно-лопастного двигателя с внешним подводом теплоты с высокими показателями энергетической эффективности в трех режимах с использованием типовых вентильных преобразователей и общепромышленного вентильного двигателя, а также повышение эффективности системы управления такой установки.