МАЛОГАБАРИТНЫЙ ВЫСОКООБОРОТНЫЙ СУДОВОЙ ГЕНЕРАТОРНЫЙ АГРЕГАТ Российский патент 2017 года по МПК H02P9/02 H02P9/38 H02P9/42 H02J3/46 B63H21/16 B63H23/00 

Изобретение относится к электротехнике, касается проблем преобразования параметров электрической энергии - частоты и напряжения - и может быть использовано при разработке энергетических систем судов, а также других автономных объектах, где применяются малогабаритные турбогенераторные агрегаты с высокой частотой вращения и напряжением, близким к синусоидальному, переменной или изменяемой частоты.

При высокой частоте вращения генератора (n>3000 об/мин) невозможно получение электроэнергии с промышленной частотой 50 Гц без применения дополнительных преобразователей частоты. Для этой цели в настоящее время чаще всего используют статические преобразователи напряжения генератора (например, частотой 100÷400 Гц) в напряжение частотой 50 Гц.

Известен турбогенератор т. ТФЭ-10-2 В(2×3)/6000 с частотой вращения 6096 об/мин, напряжением 3 кВ и частотой 101,6 Гц выпускаемый ОАО "ГТ-ТЭЦЭнерго". Он входит в состав турбогенераторного агрегата мощностью 9 МВт со статическим преобразователем (инвертор) выходное напряжение которого имеет частоту 50 Гц.

Однако этот агрегат имеет недостаток, заключающийся в том, что форма напряжения на выходе преобразователя частоты в значительной степени отличается от синусоидальной из-за большого количества высших гармонических составляющих. Коэффициент искажения напряжения без применения фильтров составляет K_u=18-25%. Это приводит к ухудшению энергетических виброшумовых характеристик и сбоям в работе электронного оборудования и обуславливает необходимость разрешения многофакторной проблемы электромагнитной совместимости.

Известен судовой электрогенератор с высокой частотой вращения преимущественно для судовых электростанций с хорошей формой выходного напряжения 50 Гц (прототип) по патенту РФ №(патент RU 2457603, МПК H02M 5/27, 21.10.2010) содержащий приводную турбину, два трехфазных синхронных генератора с разным числом пар полюсов, два суммирующих трансформатора, трехфазный преобразователь частоты и схемы управления.

Однако для формирования выходного напряжения, близкого к синусоидальному, в прототипе использованы две высокооборотные машины, валы которых соединены с валом приводной турбины, что является сложной задачей в техническом и компоновочном плане. Кроме того, частота вращения генераторов должна быть только 6000 об/мин, а выходное напряжение агрегата может быть только частотой 50 Гц.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение получения формы напряжения на выходе преобразователя частоты высокооборотного генераторного агрегата, близкой к синусоидальной, без применения фильтров, при использовании одного трехфазного синхронного генератора с частотой вращения, выбираемой в широком диапазоне, например от 3500 об/мин до 15000 об/мин, с возможностью получения, в случае необходимости, выходного напряжения с заданной частотой в диапазоне от 1 Гц до половины частоты напряжения синхронного генератора.

Это достигается тем, что в малогабаритный высокооборотный судовой генераторный агрегат, содержащий турбину, с валом которой соединен вал трехфазного синхронного генератора с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику постоянного тока, преобразователь частоты с непосредственной связью, обеспечивающий пропуск реактивной мощности, состоящий из 3-х групп вентильных комплектов, каждая из которых содержит два встречно включенных мостовых тиристорных выпрямителя, к выходу которого подключена трехфазная нагрузка, система управления, два трехфазных суммирующих трансформатора, три маломощных диодных мостовых выпрямителя, три формирователя импульсов, шесть формирователей импульсов управления и три триггера, вторичные обмотки трехфазных суммирующих трансформаторов включены последовательно, причем концы вторичных обмоток фаз соответствующих ветвей первого трехфазного суммирующего трансформатора соединены в звезду, а концы вторичных обмоток фаз второго трехфазного суммирующего трансформатора соединены с началами вторичных обмоток фаз первого трехфазного суммирующего трансформатора последовательно, но таким образом, что в первой ветви фаза А первого трехфазного суммирующего трансформатора соединена с фазой А второго трехфазного суммирующего трансформатора, фаза В с фазой В, и С с С, соответственно, при этом во второй параллельной ветви вторичных обмоток последовательное соединение осуществлено со смещением на одну фазу, то есть фаза А первого трехфазного суммирующего трансформатора соединена с фазой В второго трехфазного суммирующего трансформатора, фаза В с фазой С, фаза С с фазой А, соответственно, а в третьей параллельной ветви смещение на две фазы, то есть фаза А первого трехфазного суммирующего трансформатора соединена с фазой С второго трехфазного суммирующего трансформатора, фаза В с фазой А и фаза С с фазой В, соответственно, причем начала вторичных обмоток первого трехфазного суммирующего трансформатора подсоединены к трем маломощным диодным мостовым выпрямителям, а также к трем группам встречно включенных выпрямителей преобразователя частоты с непосредственной связью, причем управляющие электроды тиристоров каждого из двух встречно включенных мостовых тиристорных выпрямителей преобразователя частоты с непосредственной связью подключены через формирователь импульсов управления к выходу триггера, вход которого подключен через формирователь импульсов к выходу трехфазного маломощного диодного мостового выпрямителя, введены сдвоенный трехфазный вращающийся автотрансформатор, приводной электродвигатель с регулятором и задатчиком частоты вращения, причем валы сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора и приводного электродвигателя соединены между собой, обмотки роторов сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора подключены к выходу трехфазного синхронного генератора, а обмотки статоров сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора подключены к первичным обмоткам трехфазных суммирующих трансформаторов.

Введение сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора с вращением роторов от приводного электродвигателя, регулятора и задатчика частоты вращения позволяет при использовании только одного трехфазного синхронного генератора с высокой частотой вращения, выбираемой в широком диапазоне, получить выходное напряжение генераторного агрегата с формой кривой близкой к синусоидальной и с частотой, регулируемой приводным электродвигателем в широком диапазоне.

Сущность изобретения поясняется рисунками, где на Фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого высокооборотного турбогенераторного агрегата, на Фиг. 2 показана осциллограмма напряжения одной из фаз на входе мостовых тиристорных выпрямителей, на Фиг. 3 - форма выходного напряжения, сформированного одной из групп вентильных комплектов непосредственного преобразователя частоты.

Малогабаритный высокооборотный судовой генераторный агрегат содержит (см. Фиг. 1) турбину 1, вал которой соединен с валом трехфазного синхронного генератора 2, обмотка возбуждения которого 3 питается от источника постоянного тока 4. Выходное напряжение повышенной частоты трехфазного синхронного генератора 2 подключено к роторным обмоткам сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора 5, причем порядок чередования фаз обмотки первого ротора - прямой, а обмотки второго ротора - обратный. Такой сдвоенный трехфазный вращающийся автотрансформатор описан в [1]. Статорные обмотки сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора 5 подключены к первичным обмоткам трехфазных суммирующих трансформаторов 7, 8. Суммирование напряжений осуществляется последовательно включенными вторичными обмотками трехфазных суммирующих трансформаторов 7 и 8, соединенными в три трехфазные последовательные ветви. Каждая из трех трехфазных ветвей соединена в звезду и подключается к соответствующему входу групп вентильных комплектов 12, 13, 14 непосредственного преобразователя частоты 11. Трехфазный выход 15 непосредственного преобразователя частоты 11 подключается к нагрузке генераторного агрегата.

Устройство работает следующим образом.

Вал турбины 1 и соединенный с нею вал генератора 2 имеют частоту вращения n>3000 об/мин. В обмотку возбуждения 3 генератора 2 подается напряжение от источника постоянного тока 4.

При вращении трехфазного синхронного генератора с частотой n>3000 об/мин частота его выходного напряжения может лежать в диапазоне 100÷600 Гц.

Для получения выходного напряжения близкого к синусоидальной форме непосредственного преобразователя частоты по прототипу необходимо на три группы непосредственного преобразователя частоты 12, 13, 14 подать трехфазные напряжения биений, формируемые трехфазными суммирующими трансформаторами 7 и 8. Такие два трехфазных напряжения с частотами, отличающимися друг от друга, и подаваемых на первичные обмотки трехфазных суммирующих трансформаторов, формирует сдвоенный вращающийся автотрансформатор 5, вал которого соединен с валом приводного электродвигателя 6, имеющего регулятор частоты вращения 9 с задатчиком частоты вращения 10.

Описанный в [1] сдвоенный вращающийся автотрансформатор при вращении роторов с постоянной угловой скоростью ω₁ формирует в статорных обмотках трехфазное напряжение с частотой, отличной от частоты трехфазного напряжения питания его роторных обмоток. Причем в зависимости от направления вращения ротора частота выходного напряжения может быть больше или меньше чем частота питающего ротор напряжения. Такой режим работы вращающегося автотрансформатора описан в литературе как «асинхронный преобразователь частоты» [2].

При приведении во вращение ротора с постоянной угловой скоростью ω₁ результирующее вращающееся магнитное поле может иметь угловую скорость либо суммарную (ω₂+ω₁) либо разностную - (ω₂-ω₁) в зависимости от направления механического вращения ротора, что естественно приводит к сдвигу частоты статорного напряжения.

В предлагаемом изобретении используется сдвоенный вращающийся автотрансформатор [1] на выходе которого присутствуют две синусоидальных составляющих каждой фазы напряжения: суммарная (или разностная) и напряжения сети (в отличие от вращающегося трансформатора) эти два напряжения складываются с помощью трехфазных суммирующих трансформаторов и создают напряжение биений, частота огибающей которых равна выходной частоте непосредственного статического преобразователя.

Сдвоенный вращающийся автотрансформатор [1] всегда имеет разнонаправленное вращение магнитного поля в первой и во второй своей части. Это сделано специально для компенсации механического момента на валу приводного двигателя. Из-за этого, мощность, затрачиваемая на его вращение, практически равна нулю. Но из-за разнонаправленности вращения магнитного поля в обмотках первого и второго статоров частоты напряжений отклоняются в разные стороны. Причем отклонения от частоты напряжения обмоток ротора - равны, но имеют разные знаки.

Таким образом, появляется возможность регулировать выходную частоту напряжения непосредственного преобразователя частоты с помощью регулирования частоты вращения роторов сдвоенного вращающегося автотрансформатора.

Трехфазные напряжения разной частоты с помощью трехфазных суммирующих трансформаторов формируются в три трехфазных напряжения биений и подаются на входы трех групп непосредственного преобразователя частоты 12, 13, 14, как это необходимо по прототипу.

При разности между частотами выходных напряжений статоров сдвоенного вращающегося автотрансформатора составляющей 100 Гц выходное напряжение непосредственного преобразователя частоты будет иметь промышленную частоту 50 Гц.

Огибающие биений носят синусоидальный характер, поэтому на выходе непосредственного преобразователя частоты, как в прототипе, формируется близкое к синусоиде напряжение. Коэффициент искажений выходного напряжения без применения каких-либо фильтров лежит в пределах 5-6%.

В случае необходимости (например, для обеспечения электроэнергией гребного электродвигателя, для которого необходимо напряжение с частотой, меняющейся от 1 Гц до нескольких десятков герц) имеется возможность путем управления частотой вращения приводного электродвигателя (мощность которого, как уже упоминалось очень мала и составляет порядка 1-2% установленной мощности вращающегося автотрансформатора) осуществлять изменение частоты вращения электродвигателя мощностью в десятки мегаватт. Причем напряжение на выходе генераторного агрегата не будет содержать паразитных гармоник, характерных для случая использования преобразователя частоты с инвертором напряжения.

Предлагаемое изобретение позволит улучшить энергетические и виброшумовые характеристики электрооборудования получающего питание от судового электрогенератора за счет снижения коэффициента искажения и приближения формы тока и напряжения к синусоидальной.

Небольшие размеры и вес оборудования высокооборотного генераторного агрегата определяются как высокой частотой вращения, так и высокой частотой напряжения на всех участках силовой схемы агрегата. Огибающая биений низкой частоты, определяющая выходную частоту напряжения непосредственного преобразователя частоты формируется только из двух высокочастотных напряжений. Поэтому сдвоенный вращающийся автотрансформатор и трехфазные суммирующие трансформаторы рассчитаны на питание только высокочастотным напряжением, что предопределяет их небольшой вес и габариты.

Малый коэффициент искажения кривой выходного напряжения K_u=5-6%, полученный на опытном образце, против K_u'=18-25% обычных непосредственных преобразователей частоты дает возможность снизить массу и объем фильтров, устанавливаемых на выходе судового электрогенератора, а простота схемы управления повышает его надежность.

Литература

1. Л.М. Пиотровский. «Электрические машины», Государственное энергетическое издательство, Москва-Ленинград. 1963 г.

2. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов B.C. «Электрические машины» Часть 1, 1987 г.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при разработке энергетических систем судов, а также других автономных объектов, где применяются малогабаритные турбогенераторные агрегаты с высокой частотой вращения. Техническим результатом является обеспечение получения формы напряжения на выходе преобразователя частоты высокооборотного генераторного агрегата, близкой к синусоидальной, без применения фильтров, при использовании одного трехфазного синхронного генератора с частотой вращения, выбираемой в широком диапазоне, например от 3500 об/мин до 15000 об/мин, с возможностью получения, в случае необходимости, выходного напряжения с заданной частотой в диапазоне от 1 Гц до половины частоты напряжения синхронного генератора. В малогабаритный высокооборотный судовой генераторный агрегат, содержащий турбину, с валом которой соединен вал трехфазного синхронного генератора с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику постоянного тока, два трехфазных суммирующих трансформатора, преобразователь частоты с непосредственной связью, обеспечивающий пропуск реактивной мощности, состоящий из 3-х групп вентильных комплектов, к выходу которого подключается трехфазная нагрузка, введены сдвоенный трехфазный вращающийся автотрансформатор, приводной электродвигатель с регулятором и задатчиком частоты вращения. Валы сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора и приводного электродвигателя соединены между собой, обмотки роторов сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора подключены к выходу трехфазного синхронного генератора, а обмотки статоров сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора подключены к первичным обмоткам трехфазных суммирующих трансформаторов, у которых вторичные обмотки включены последовательно в три трехфазные последовательные ветви, каждая из которых соединена в звезду, и подключены к соответствующему входу трех групп вентильных комплектов непосредственного преобразователя частоты. 3 ил.

Малогабаритный высокооборотный судовой генераторный агрегат, содержащий турбину, с валом которой соединен вал трехфазного синхронного генератора с обмоткой возбуждения, подключенной к источнику постоянного тока, два трехфазных суммирующих трансформатора, преобразователь частоты с непосредственной связью, обеспечивающий пропуск реактивной мощности, состоящий из 3-х групп вентильных комплектов, к выходу которого подключается трехфазная нагрузка, отличающийся тем, что в него введен сдвоенный трехфазный вращающийся автотрансформатор, приводной электродвигатель с регулятором и задатчиком частоты вращения, причем валы сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора и приводного электродвигателя соединены между собой, обмотки роторов сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора подключены к выходу трехфазного синхронного генератора, а обмотки обоих статоров сдвоенного трехфазного вращающегося автотрансформатора соединены с соответствующими первичными обмотками трехфазных суммирующих трансформаторов, у которых вторичные обмотки включены последовательно в три трехфазные последовательные ветви, каждая из которых соединена в звезду и подключается к соответствующему входу трех групп вентильных комплектов непосредственного преобразователя частоты.