УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕВЕНТИВНОЙ ЗАЩИТЫ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ Российский патент 2025 года по МПК H02H3/08 H02H7/85 

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для предупредительного управления судовыми электроэнергетическими системами (СЭЭС).

Известен способ автоматической разгрузки электроэнергетической системы с параллельно работающими генераторными агрегатами (ГА) (пат. RU 2653361, опубл. 08.05.2018, Бюл. №13), в котором устройство, его реализующее, содержит по числу ГА: датчики активной нагрузки соответствующих ГА, блоки контроля работы соответствующих ГА, блоки определения работоспособности соответствующих ГА, а также блок сложения, блок вычисления величины суммарной допустимой активной нагрузки ЭЭС для случаев отключения неработоспособного или неработоспособных ГА и блок сравнения, при этом выходы датчиков активной нагрузки соответствующих ГА соединены с соответствующими входами блока сложения, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, выходы блоков контроля работы соответствующих ГА соединены с соответствующими первыми входами блока вычисления величины суммарной допустимой активной нагрузки ЭЭС для случаев отключения неработоспособного или неработоспособных ГА, блоки определения работоспособности соответствующих ГА соединены с соответствующими вторыми входами блока вычисления величины суммарной допустимой активной нагрузки ЭЭС для случаев отключения неработоспособного или неработоспособных ГА, выход которого соединен со вторым входом блока сравнения. Указанный способ и реализующее его устройство относятся к предупредительному управлению СЭЭС, так как позволяют разгрузить сеть до момента отключения неработоспособного, но продолжающего выполнять свои функции ГА и тем самым избежать перегрузки и отключения работоспособных агрегатов.

Недостаток устройства – невозможность эффективного применения в случае отказа системы управления (СУ) СЭЭС, при котором СУ сформировала постоянный сигнал на увеличение или уменьшение подачи топлива в первичный двигатель одного из ГА. В этом случае отключение выбранной группы потребителей приведет лишь к снижению загрузки разгружаемых ГА, более быстрому переходу их в двигательный режим и отключению защитой с последующим отключением ГА с максимальной подачей топлива по превышению частоты сети.

Наиболее близким и выбранным автором за прототип является устройство, реализующее способ защиты судовой электроэнергетической системы от перегрузки по патенту №2816507, опубл. 01.04.2024 в Бюл. №10, согласно которому определяют интервал времени, когда разность нагрузок генераторных агрегатов (ГА), входящих в состав СЭЭС и работающих параллельно, не превышает допустимого значения разности нагрузок ГА, то есть |Р₁-Р₂|≤ΔP_{расх.доп.}, где Р₁ - нагрузка, принимаемая первым ГА (ГА1), Р₂ - нагрузка, принимаемая вторым ГА (ГА2), а ΔР_{расх.доп.} - допустимая величина расхождения нагрузок ГА СЭЭС; определяют момент, когда нагрузка хотя бы одного из ГА превысит допустимую величину нагрузки этого ГА, то есть (Р₁ > Р_доп1)˅(Р₂ > Р_доп2), где Р_доп1 - допустимая величина нагрузки ГА1, Р_доп2 - допустимая величина нагрузки ГА2, при этом величины Р_доп1 и Р_доп2 выбирают такими, при которых соответствующий ГА уже перегружен, но может выполнять свои функции еще некоторое время без отказа, и в момент выполнения системы неравенств уменьшают величину допустимой величины расхождения нагрузок ГА СЭЭС посредством сокращения зоны нечувствительности трехпозиционного регулятора блока распределения нагрузок ГА. Устройство, реализующее данный способ и принятое автором за прототип, содержит: по числу ГА датчики нагрузки ГА, пороговые блоки, а также логический элемент «ИЛИ», блок контроля равенства нагрузок ГА, логический элемент «И» и блок распределения нагрузок ГА; причем выход каждого из датчиков нагрузки ГА соединен с входом соответствующего порогового блока и соответствующим входом блока контроля равенства нагрузок ГА, выход которого соединен со вторым входом логического элемента «И», выход каждого из пороговых блоков соединен с соответствующим входом логического элемента «ИЛИ», выход которого соединен с первым входом логического элемента «И», выход логического элемента «И» соединен с входом блока распределения нагрузок ГА.

Устройство, принятое за прототип, может выполнять защиту СЭЭС от перегрузки в случае, при котором увеличение нагрузки сети происходит не в результате отказа работающих ГА, а из-за подключения большого числа приемников электроэнергии. Однако оно содержит в своем составе блок распределения нагрузок, который представляет собой сложное устройство (Баранов А.П.). При этом современные устройства распределения нагрузок не предполагают возможности автоматического сокращения зоны нечувствительности трехпозиционных регуляторов и требуют доработки как показано в прототипе. Указанное обстоятельство существенно усложняет конструкцию устройства.

Целью изобретения является упрощение устройства за счет исключения блока распределения нагрузок, обеспечивающего возможность автоматического изменения зоны нечувствительности трехпозиционных регуляторов.

Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: устройство для превентивной защиты СЭЭС, имеющей в своем составе n ГА, работающих параллельно, от перегрузки, содержащее так же, как и прототип, по числу ГА: датчики нагрузки ГА, пороговые блоки и блок контроля равенства нагрузок, причем выход каждого из датчиков нагрузки соединен с входом соответствующего порогового блока и соответствующим входом блока контроля равенства нагрузок, в отличие от прототипа дополнительно содержит по числу ГА: первые логические элементы «И-НЕ», логические элементы «И», одновибраторы, а также второй логический элемент «И-НЕ»; при этом выход каждого из пороговых блоков соединен с первым входом соответствующего из первых логических элементов «И-НЕ», выход блока контроля равенства нагрузок соединен со вторым входом каждого из первых логических элементов «И-НЕ», выход каждого из первых логических элементов «И-НЕ» соединен с первым входом соответствующего логического элемента «И» и с соответствующим входом второго логического элемента «И-НЕ», выход которого соединен со вторым входом каждого из логических элементов «И», выход каждого из логических элементов «И» соединен с входом соответствующего одновибратора.

Сущность изобретения заключается в том, что так же, как и в прототипе, определяют момент, когда хотя бы один из ГА перегружен, а разница нагрузок между параллельно работающими ГА находится в заданных пределах, но, в отличие от прототипа, в этот момент не повышают точность распределения нагрузок за счет сокращения зоны нечувствительности трехпозиционных регуляторов системы распределения нагрузок (уменьшая величину допустимой величины расхождения нагрузок ГА СЭЭС); а в этот момент сразу формируют сигнал на увеличение подачи топлива в первичный двигатель только тех ГА, которые не перегружены. В данном случае увеличение подачи топлива в первичный двигатель каждого из ГА, нагрузка которых не превысила допустимое значение, приведет к увеличению их нагрузки, а так как общая нагрузка сети не меняется, то нагрузка перегруженной машины уменьшится.

При этом отпадет необходимость в отключении групп потребителей и за счет того, что сигнал об увеличении подачи топлива в первичный двигатель машин, нагрузка которых меньше допустимой, подается непосредственно в регуляторы подачи топлива первичных двигателей их ГА, минуя сложный блок распределения нагрузок, позволяет упростить устройство, что обеспечивает достижение цели настоящего изобретения. В данном случае предложенное устройство позволяет выполнить все функции прототипа, имеющего более сложное техническое решение. При этом быстродействие предложенного решения несколько выше, чем у прототипа за счет исключения времени срабатывания, которое необходимо для выполнения функций блока распределения нагрузок.

Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что поставленная задача – упрощение устройства за счет исключения блока распределения нагрузок, обеспечивающего возможность автоматического изменения зоны нечувствительности трехпозиционных регуляторов – решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна». В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электроснабжения не выявил решений, содержащих отдельные отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии устройства критерию «изобретательский уровень».

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг.1 предоставлена функциональная схема предлагаемого устройства для превентивной защиты СЭЭС, имеющей в своем составе n ГА, работающих параллельно, от перегрузки, содержащее, по числу ГА: датчики нагрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n, пороговые блоки 2.1, 2.2 … 2.n, блок контроля равенства нагрузок 3, по числу ГА первые логические элементы «И-НЕ» 4.1, 4.2 … 4.n и второй логический элемент «И-НЕ» 5, по числу ГА: логические элементы «И» 6.1, 6.2 … 6.n и одновибраторы 7.1, 7.2 … 7.n; причем выход каждого из датчиков нагрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n соединен с входом соответствующего порогового блока 2.1, 2.2 … 2.n и соответствующим входом блока контроля равенства нагрузок 3, при этом выход каждого из пороговых блоков 2.1, 2.2 … 2.n соединен с первым входом соответствующего из первых логических элементов «И-НЕ» 4.1, 4.2 … 4.n, выход блока контроля равенства нагрузок 3 соединен со вторым входом каждого из первых логических элементов «И-НЕ» 4.1, 4.2 … 4.n, выход каждого из первых логических элементов «И-НЕ» 4.1, 4.2 … 4.n соединен с первым входом соответствующего логического элемента «И» 6.1, 6.2 … 6.n и с ответствующим входом второго логического элемента «И-НЕ» 5, выход которого соединен со вторым входом каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n, выход каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n соединен с входом соответствующего одновибратора 7.1, 7.2 … 7.n.

Датчики нагрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n – известные функциональные блоки, формирующие на своем выходе сигналы в виде напряжения постоянного тока, пропорционального нагрузке ГА (нагрузке сети, которую принимает на себя данный ГА).

Пороговые блоки 2.1, 2.2 … 2.n – известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигнал логической «1», когда сигнал в виде напряжения на их входах превышает допустимое значение, например, 105% от номинальной величины, и сигнал логического «0» в обратном случае.

Блок контроля разности загрузок 3 – функциональный блок (имеющий n входов и один выход), на выходе которого появляется сигнал логической «1», если разность загрузок хотя бы одной из пар ГА из числа n превысит допустимое значение и будет увеличиваться. Для реализации данной функции все n ГА разбиты на возможное число пар (k) и вычисляется разность загрузок в каждой паре ГА. Вычисляется абсолютная величина разности загрузок каждой пары и контролируется ее увеличение. Если абсолютная величина хотя бы одной пары будет увеличиваться и при этом превысит допустимое значение разности загрузок ГА, то на выходе блока 5 сформируется сигнал логической «1». Данный блок полностью аналогичен соответствующему блоку, используемому в прототипе.

Первые, вторые и второй логические элементы «И-НЕ» - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал логического «0» только тогда, когда на все его входы поступит сигнал логической «1» и сигнал логической «1» в обратном случае.

Логические элементы «И» 6.1, 6.2 … 6.n – известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал логической «1» тогда и только тогда, когда на все его входы поступит сигнал логической «1» и сигнал логического «0» в обратном случае.

Одновибраторы 7.1, 7.2 … 7.n – известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал логической «1» определенной длительности (t_имп1) при поступлении сигнала логической «1» на его вход.

Устройство для превентивной защиты СЭЭС от перегрузки (Фиг.1) работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный величине нагрузки ГА с каждого из датчиков нагрузки ГА 1.1, 1.2. … 1.n, поступит на вход соответствующего порогового блока 2.1, 2.2 … 2.n и на соответствующий из входов блока контроля равенства нагрузок ГА 3. Если ГА нагружены равномерно и расхождение нагрузок менее допустимой для данной СЭЭС величины, то на выходе блока контроля равенства нагрузок ГА 3 сформируется сигнал логической «1», который поступит на второй вход каждого из первых логических элементов «И-НЕ» 4.1, 4.2 … 4.n. Допустим, что при этом нагрузка, по крайней мере, одного из ГА, например, i-го, превысит допустимое значение Р_{доп i} и он начнет работать с перегрузкой. В этом случае на выходе соответствующего порогового блока (2.i) появится сигнал логической «1», который поступит на первый вход i-го логического элемента «И-НЕ» 4.i. Если при этом величина расхождения нагрузок между работающими ГА не превысит допустимое значение ΔP_{расх.доп}, то на выходе блока контроля равенства нагрузок ГА 3 сохранится сигнал логической «1» и на оба входа i-го логического элемента «И-НЕ» 4.i поступит сигнал логической «1». При этом на выходе i-го логического элемента «И-НЕ» 4.i появится сигнал логического «0» и поступит на i-ый вход второго логического элемента «И-НЕ» 5 и на первый вход i-го логического элемента «И» 6.i. Так как, по крайней мере, на один из входов второго логического элемента «И-НЕ» 5 поступит сигнал логического «0», то на его выходе появится сигнал логической «1» и поступит на второй вход каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n. Так как на первый вход i-го логического элемента 6.i поступит сигнал логического «0», то на его выходе и входе одновибратора 7.i сохранится сигнал логического «0». На выходе одновибратора 7.i импульс управления на увеличение подачи топлива не сформируется. Так как нагрузка каждого из ГА СЭЭС, кроме i-го, не превышает допустимого значения, то на выходе каждого из пороговых блоков 2.1, 2.2 … 2.n (кроме 2.i) сохранится сигнал логического «0», а на выходе каждого из первых логических элементов «И-НЕ» 4.1, 4.2 … 4.n (кроме 4.i) сохранится сигнал логической «1», который поступит на первый вход соответствующего логического элемента «И» 6.1, 6.2 … 6.n. При этом на оба входа каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n (кроме 6.i) поступит сигнал логической «1», на выходе каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n (кроме 6.i) сформируется сигнал логической «1» и поступит на вход соответствующего одновибратора 7.1, 7.2 … 7.n ( кроме 7.i). Каждый из одновибраторов 7.1, 7.2 … 7.n (кроме 7.i), сформирует на своем выходе сигнал логической «1» определенной длительности (t_имп1) на увеличение подачи топлива в соответствующий ГА. При увеличении подачи топлива каждый из ГА, нагрузка которого не превышает допустимой величины, увеличит свою нагрузку, разгрузив i-ую перегруженную машину. Нагрузка i-го ГА уменьшится ниже допустимого значения, отключения потребителей не потребуется.

Пример практической реализации работы устройства

В качестве примера рассмотрим работу СЭЭС в режиме работы двух ГА, ГА1 и ГА2, с одинаковой номинальной мощностью 100 кВт (P_ном = 100 кВт).

При этом:

точность распределения нагрузок ГА (допустимая величина расхождения нагрузок ГА) составляет 10% от величины P_ном (ΔP_{расх.доп} = 10 кВт);

допустимая величина нагрузки одного ГА (P_доп) составляет 110% от его номинальной нагрузки (P_доп = 110 кВт);

длительность импульса логической «1» на выходе одновибратора соответствует увеличению подачи топлива в первичный двигатель ГА, приводящее к увеличению нагрузки на 3% (3 кВт);

штатное устройство разгрузки ГА отключает выбранные группы потребителей при перегрузке любого из агрегатов в 110% от его номинальной нагрузки (P_откл = 110 кВт) с выдержкой времени в 15 секунд.

Предположим, что в процессе эксплуатации СЭЭС сложилась ситуация, при которой ГА1 принял на себя нагрузку в 111 кВт (P₁ = 111 кВт), а ГА2 – 101 кВт (P₂ = 101 кВт). В данном случае на выходе датчика нагрузки первого ГА 1.1 (Фиг.1) появится сигнал, пропорциональный нагрузке 111 кВт, который поступит на вход первого из пороговых блоков 2.1 и первый вход блока контроля равенства нагрузок 3. При этом величина на входе первого из пороговых блоков окажется больше, чем его пороговое значение (111 кВт > 110 кВт), а следовательно, на выходе блока 2.1 сформируется сигнал логической «1» и поступит на первый вход первого логического элемента «И-НЕ» 4.1. При этом на выходе датчика нагрузки второго ГА 1.2 – сигнал, пропорциональный нагрузке 101 кВт, который поступит на второй вход блока контроля равенства нагрузок ГА 3. Так как на первый и второй входы блока контроля равенства нагрузок ГА 3 поступят сигналы, абсолютная величина разности которых не превышает допустимую величину расхождения нагрузок ГА (), то на его выходе сформируется сигнал логической «1» и поступит на второй вход первого и второго логического элемента «И-НЕ» 4.1 и 4.2. На первый и второй входы первого логического элемента «И-НЕ» 4.1 поступит сигнал логической «1», а значит на его выходе появится сигнал логического «0», который поступит на первый вход второго логического элемента «И-НЕ»5 и первый вход первого логического элемента «И» 6.1, на выходе которого сохранится сигнал логического «0». Так как на первый вход второго логического элемента «И-НЕ» 5 поступит сигнал логического «0», то на его выходе появится сигнал логической «1» и поступит на второй вход каждого из логических элементов «И» 6.1 и 6.2. Так как нагрузка на ГА2 меньше, чем допустимое значение P_доп = 110 кВт, то на выходе порогового блока 4.2 и первом входе второго из первых логических элементов «И-НЕ» 4.2 сохранится сигнал логического «0». При этом на выходе логического элемента «И-НЕ» 4.2 и первом входе логического элемента «И» 6.2 сохранится сигнал логической «1». Так как на оба входа логического элемента «И» 6.2 поступит сигнал логической «1»,то на его выходе сформируется сигнал логической «1» и поступит на вход одновибратора 7.2. Одновибратор 7.2 сформирует сигнал логической «1», заданной длительности на увеличение подачи топлива в первичный двигатель ГА2. Это приведет к увеличению нагрузки ГА2 на 3 кВт, которая составит 104 кВт. Одновременно нагрузка ГА1 уменьшится до 108 кВт. Так как время снижения нагрузки ГА1 в данном случае составит 3-4 секунды, то устройство разгрузки СЭЭС не сработает, а разгрузка осуществится по более простому алгоритму, чем в прототипе за счет исключения работы блока распределения нагрузок, обеспечивающего возможность автоматического изменения зоны нечувствительности трехпозиционных регуляторов.

Предлагаемое изобретение было создано в составе научно-исследовательских работ, проводимых на Кафедре электропривода и электрооборудования береговых установок ФБГОУ ВО «Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемого устройства в судовых энергетических установках и электроэнергетических системах, что с учетом вышеизложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для предупредительного управления судовыми электроэнергетическими системами. Технический результат - упрощение устройства за счет исключения блока распределения нагрузок, обеспечивающего возможность автоматического изменения зоны нечувствительности трехпозиционных регуляторов. Этот результат достигается тем, что предложено устройство для превентивной защиты судовой электроэнергетической системы от перегрузок, содержащее по числу генераторных агрегатов (ГА): датчики нагрузки ГА, пороговые блоки, первые логические элементы «И-НЕ», логические элементы «И», одновибраторы, а также блок контроля равенства нагрузок и второй логический элемент «И-НЕ». 1 ил., 1 пр.

Устройство для превентивной защиты судовой электроэнергетической системы от перегрузок, содержащее по числу генераторных агрегатов (ГА): датчики нагрузки ГА, пороговые блоки, первые логические элементы «И-НЕ», логические элементы «И», одновибраторы, а также блок контроля равенства нагрузок и второй логический элемент «И-НЕ»; причем выход каждого из датчиков нагрузки соединен с входом соответствующего порогового блока и соответствующим входом блока контроля равенства нагрузок, выход каждого из пороговых блоков соединен с первым входом соответствующего из первых логических элементов «И-НЕ», выход блока контроля равенства нагрузок соединен со вторым входом каждого из первых логических элементов «И-НЕ», выход каждого из первых логических элементов «И-НЕ» соединен с первым входом соответствующего логического элемента «И» и с соответствующим входом второго логического элемента «И-НЕ», выход которого соединен со вторым входом каждого из логических элементов «И», выход каждого из логических элементов «И» соединен с входом соответствующего одновибратора.