УСТРОЙСТВО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2010 года по МПК H02K7/18 F03B15/06 

Изобретение относится к производству, преобразованию и распределению электрической энергии, в частности к гидромашиностроению, и может быть использовано в микро- и малых гидроэлектростанциях (ГЭС).

Эксплуатация микроГЭС, вырабатывающих электроэнергию на малых водотоках, сопряжена с решением проблемы регулирования частоты вращения гидроагрегата. Выработка качественной электроэнергии усложняется в наиболее распространенном режиме работы микроГЭС на локальную сеть.

Существует два способа регулирования гидроагрегата - воздействием на выходные электрические параметры гидрогенератора или на направляющий аппарат активной гидротурбины.

Известны технические решения, в которых система регулирования обеспечивается за счет следящей электрической системы регулирования выдаваемой в сеть электроэнергии на базе микропроцессорной техники [Ветроэлектростанция. Патент RU 70940, МПК F03D 9/00. Опубл. 20.02.2008].

Недостатком такой системы регулирования является необходимость преобразования выдаваемой в сеть электрической энергии.

Известно техническое решение, в котором направляющий аппарат активной гидротурбины содержит подводящее сопло с верхней и нижней стенками. С целью простоты регулирования частоты вращения гидроагрегата предложена конструкция направляющего аппарата активной гидротурбины, в которой в качестве регулирующего подачу воды органа внутри сопла установлена задвижка, отсекающая часть потока воды, поступающего на колесо гидротурбины [Направляющий аппарат активной турбины. Патент RU 465486, МПК F03В 1/02. Опубл. 10.07.1975].

Недостатком такой конструкции является малое быстродействие регулирующего органа. Этот недостаток устраняется в устройстве, описанном в патенте [Устройство регулирования скорости гидроэлектрических агрегатов. Патент RU 811416, МПК H02K 7/18. Опубл. 03.07.1981].

Устройство содержит генератор с корпусом, на валу которого посажена турбина, водонаправляющий аппарат. Торцовые части корпуса генератора выполнены в виде кольцевых втулок, каждая из которых размещена во внешней втулке, жестко соединенной с общим основанием. На одной из втулок корпуса генератора выполнен винтовой паз, в зацепление с которым входит палец. К торцовой части корпуса генератора прикреплена пружина. Устройство содержит также ограничительные упоры.

Недостатком известного устройства является сложность и ненадежность регулирования скорости гидроагрегатов микроГЭС в связи с наличием в схеме регулирования множества громоздких и ненадежных дополнительных управляющих и промежуточных элементов воздействия на турбину.

Задачей изобретения является упрощение регулирования частоты вращения гидроагрегата, повышение эксплуатационной надежности устройства регулирования скорости гидроагрегата и повышение качества выдаваемой в сеть электроэнергии. Использование изобретения обеспечивает получение технического результата, заключающегося в стабилизации напряжения и частоты.

Получение указанного технического результата обеспечивается тем, что в устройстве преобразования электрической энергии, содержащем гидротурбину и гидрогенератор, на одном валу с гидротурбиной и гидрогенератором установлен вспомогательный синхронный электродвигатель, обмотка статора которого подключена к выводам гидрогенератора, а обмотка возбуждения подключена к блоку управления.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

Устройство преобразования электрической энергии состоит из гидротурбины 1 гидрогенератора 2, блока управления 4 и вспомогательного синхронного электродвигателя 3, установленного на одном валу с гидротурбиной 1 и гидрогенератором 2.

Устройство преобразования электрической энергии работает следующим образом. При отсутствии нагрузки в сети начальный реактивный момент статора гидрогенератора 2, вызываемый током возбуждения, уравновешивается тормозным моментом, обусловленным механическими потерями, что соответствует использованию гидротурбиной 1 той части энергии водяной струи, которая необходима для вращения гидрогенератора 2 в режиме холостого хода.

При увеличении нагрузки сети вплоть до номинальной вспомогательный синхронный электродвигатель 3 работает в режиме холостого хода и выполняет роль синхронного компенсатора. В перевозбужденном вспомогательном синхронном двигателе 3 появляется реактивная (емкостная) составляющая тока, улучшающая качество электроэнергии в сети.

Скорость вращения вспомогательного синхронного электродвигателя 3 остается строго постоянной при всех режимах его работы. Однако для этого к его статорной обмотке необходимо подавать от блока управления 4 ток номинальной частоты.

Блок управления 4 содержит сегментные генераторы, обмотка возбуждения и статорные обмотки которого соединены с диодами схемы выпрямления, которые, в свою очередь, соединены с регулятором напряжения и аккумуляторной батареей, трансформатор, диод и конденсатор, причем первичные обмотки трансформатора соединены со статорными обмотками, а вторичная обмотка через диод соединена с конденсатором, обкладки которого соединены с регулятором и массой.

С уменьшением напора воды, поступающей на гидротурбину 1, либо с увеличением тока в сети вспомогательный синхронный электродвигатель 3 нагружается путем подъема тока возбуждения. Так как полезная мощность вспомогательного синхронного электродвигателя 3 на валу, общем с гидротурбиной 1 и гидрогенератором 2, изменяется точно пропорционально создаваемому моменту, процесс регулирования упрощается.

Установка на общем валу вспомогательного синхронного электродвигателя 3 повышает синхронизирующую мощность гидрогенератора 2, обеспечивая его работу без выпадения из синхронизма с сетью даже при значительных изменениях момента.

Предлагаемая конструкция устройства преобразования электрической энергии позволяет упростить регулирование частоты вращения гидроагрегата при колебаниях напора воды или нагрузки сети, что повышает надежность системы регулирования и качество выдаваемой в сеть электроэнергии.

Изобретение относится к области электротехники и гидромашиностроения и может быть использовано в микро- и малых гидроэлектростанциях. Эксплуатация микро-ГЭС, вырабатывающих электроэнергию на малых водотоках, сопряжена с решением проблемы регулирования частоты вращения гидроагрегата. Выработка качественной электроэнергии усложняется в наиболее распространенном режиме работы микро-ГЭС на локальную сеть. Известны технические решения, в которых система регулирования обеспечивается за счет следящей электрической системы регулирования выдаваемой в сеть электроэнергии либо путем воздействия на направляющий аппарат активной гидротурбины. Недостатками таких систем регулирования является необходимость преобразования подаваемой в сеть электрической энергии либо наличие в схеме регулирования множества громоздких и ненадежных дополнительных управляющих и промежуточных элементов воздействия на гидротурбину, которые отражаются на энергетических показателях гидроагрегата. Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в обеспечении стабилизации напряжения и частоты вращения гидроагрегата при колебаниях напора воды или нагрузки сети при одновременном достижении простоты регулирования частоты вращения устройства преобразования электроэнергии, повышения его эксплуатационной надежности и качества выдаваемой в сеть электроэнергии. Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве преобразования электрической энергии, содержащем гидротурбину и гидрогенератор, в качестве регулирующего органа используется установленный на одном валу с гидротурбиной и гидрогенератором вспомогательный синхронный электродвигатель малой относительно гидрогенератора мощности, питающийся от блока управления. 1 ил.

Устройство преобразования электрической энергии, содержащее гидротурбину, гидрогенератор, отличающееся тем, что на одном валу с гидротурбиной и гидрогенератором установлен вспомогательный синхронный электродвигатель, обмотка статора которого подключена к выводам гидрогенератора, а обмотка возбуждения подключена к блоку управления.