Система согласования мощности для турбинного электродвигателя-генератора (варианты) и способ управления электродвигателем-генератором
Использование: для согласования мощности электродвигателя-генератора. Технический результат заключается в упрощении системы и повышении ее КПД. Система (100) содержит: выпрямитель (110), электрически связанный с портом (120) электродвигателя-генератора, и инвертор (130), электрически связанный с выпрямителем (110) и с портом (140) нагрузки. В режиме пуска комбинированный выпрямитель (110) и инвертор (130) подают пусковую мощность в порт (120) электродвигателя-генератора. В рабочем режиме комбинированный выпрямитель (110) и инвертор (130) подают генерируемую мощность в порт (140) нагрузки и генерируют нейтральную выходную мощность (150). 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение в общем относится к устройствам согласования мощности электродвигателя-генератора, конкретно - к системам согласования мощности для турбинных электродвигателей-генераторов.
Турбинные электродвигатели-генераторы (включая микротурбинные электродвигатели-генераторы) обычно используются для выработки электроэнергии, например, как резервные турбогенераторы в больницах, аэропортах и пр. Турбинный электродвигатель-генератор такого типа описывается в патенте США № 6020713 (далее - "патент 713"), содержание которого включено полностью в данный документ в качестве ссылки. Патент 713 описывает известные турбогенераторы, содержащие узел ротора, имеющий множество расположенных с одинаковым интервалом магнитных полюсов чередующейся полярности по внешнему периметру ротора; причем узел ротора выполнен с возможностью вращения внутри статора, имеющего множество обмоток и магнитных полюсов чередующейся полярности.
Для пуска турбогенератора электрический ток подают на катушки обмотки статора генератора-электродвигателя с постоянными магнитами, чтобы генератор-электродвигатель с постоянными магнитами стал работать как электродвигатель и тем самым ускорять газовую турбину турбогенератора. Согласно патенту 713 для подачи пусковой мощности предусмотрен блок электропитания, связанный с катушками обмотки статора с постоянными магнитами через запитывающий выпрямитель и переключающий инвертор. Во время этого ускорения в камеру сгорания подают искру и топливо в правильной последовательности, за счет этого создаются условия самостоятельной работы турбины. В этот момент электропитание отсоединяют от турбогенератора, и турбогенератор действует в качестве источника мощности для внешней нагрузки. Мощность обеспечивается турбогенератором после переконфигурирования переключающего инвертора в управляемый режим 60 Гц и после перехода с запитывающего выпрямителя на выпрямитель электропитания, который отличается от запитывающего выпрямителя.
Недостаток упомянутого турбогенератора согласно патенту 713 заключается в громоздкости его электрокомпонентной части по причине наличия двух отличающихся друг от друга выпрямителей.
Еще одна система согласования мощности для турбогенераторов описывается в патенте США № 5008801 (далее - "патент 801"), содержание которого включено полностью в данный документ в качестве ссылки. Патент 801 раскрывает систему согласования мощности, которая подает пусковую мощность на катушки обмотки статора от внешнего источника электропитания через инвертор и единую комбинацию выпрямителя/фильтра. Для устройств, в которых на нагрузку нужно подавать нейтральную выходную мощность, согласно патенту 801 используется отдельный автотрансформатор, генерирующий нейтраль. Из-за наличия отдельного автотрансформатора недостаток системы согласования мощности согласно патенту 801 заключается в громоздкости ее электрокомпонентной части и в пониженном кпд.
Сущность изобретения
Согласно осуществлению настоящего изобретения устройство согласования мощности электродвигателя-генератора имеет выпрямитель, электрически связанный с портом электродвигателя-генератора; и инвертор, электрически связанный с выпрямителем и портом нагрузки. В режиме пуска комбинированный выпрямитель и инвертор подает пусковую мощность в порт электродвигателя-генератора. В рабочем режиме комбинированный выпрямитель и инвертор подает генерируемую мощность в порт нагрузки и вырабатывает нейтральную выходную мощность.
В соответствии с еще одним осуществлением настоящего изобретения обеспечивают способ управления электродвигателем-генератором, согласно которому: подают пусковую мощность на электродвигатель-генератор через выпрямитель, электрически связанный с инвертором; согласуют генерируемую электродвигателем-генератором мощность посредством выпрямителя и инвертора; и генерируют нейтральную выходную мощность посредством комбинированного выпрямителя и инвертора, при этом согласуя генерируемую мощность.
В соответствии с еще одним осуществлением настоящего изобретения устройство согласования мощности электродвигателя-генератора имеет средство для подачи пусковой мощности на электродвигатель-генератор, средство для согласования генерируемой электродвигателем-генератором мощности и средство генерирования нейтральной выходной мощности от средств для согласования генерируемой мощности.
В соответствии с еще одним осуществлением настоящего изобретения устройство согласования мощности электродвигателя-генератора обеспечивают трехплечевым активным выпрямителем, электрически связанным с портом электродвигателя-генератора, четырехплечевым инвертором, электрически связанным с портом нагрузки; двунаправленной силовой шиной постоянного тока, электрически связывающей выпрямитель с инвертором; и нейтральный выход, связанный с одним из плеч инвертора.
Перечень чертежей
Фиг.1 - блок-схема системы согласования мощности согласно одному из осуществлений настоящего изобретения.
Фиг.2 - увеличенное изображение переключающего устройства и диода согласно одному из осуществлений настоящего изобретения.
Фиг.3 - блок-схема изображаемой на фиг.1 системы согласования мощности в рабочем режиме согласно одному из осуществлений настоящего изобретения.
Фиг.4 - блок-схема изображаемой на фиг.1 системы согласования мощности в режиме пуска согласно одному из осуществлений настоящего изобретения.
Фиг.5 - блок-схема системы согласования мощности в режиме пуска согласно еще одному осуществлению настоящего изобретения.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
В приводимом ниже описании делаются подробные ссылки на предпочтительные осуществления настоящего изобретения. На всех чертежах используются одинаковые, по возможности, ссылочные обозначения для одинаковых или аналогичных компонентов.
Только в целях пояснения: предпочтительные осуществления настоящего изобретения описываются со ссылкой на турбинные электродвигатели-генераторы (например, электродвигатели-генераторы с турбинным первичным двигателем). Необходимо отметить, что настоящее изобретение применимо и для других устройств - не только для турбинных электродвигателей-генераторов, таких как дизель-генераторы (т.е. электродвигатели-генераторы с дизельным двигателем в качестве первичного двигателя).
Система 100 согласования мощности согласно первому осуществлению настоящего изобретения схематически изображена на Фиг.1. Система 100 согласования мощности содержит выпрямитель 110, электрически связанный с турбинным электродвигателем-генератором 120. Выпрямитель 110 также электрически связан с инвертором 130, который в свою очередь электрически связан с портом 140 нагрузки. Предпочтительно порт 140 нагрузки избирательно связан с внешним источником электроснабжения (например, с энергосистемой, которая не изображена) для подачи пусковой мощности, и также избирательно связан с одной или несколькими электрическими нагрузками.
Выпрямитель 110, предпочтительно, содержит активный выпрямитель, показанный на фиг.1 (т.е. содержит первичные активные компоненты, а не известные пассивные диодные выпрямители). В целях трехфазного электроснабжения выпрямитель 110 выполнен в виде "трехплечевого" активного выпрямителя; при этом каждое плечо 112, 114, 116 выпрямителя 110 соответствует одной из трех фаз, вырабатываемых/подаваемых электродвигателем-генератором 120. Необходимо отметить, что для случаев электроснабжения не с трехфазным входом число плеч может быть больше или меньше трех (например, два плеча, четыре плеча и пр.). Согласно увеличенному изображению на фиг.2 каждое плечо 112, 114, 116 выпрямителя 110 содержит некоторое множество переключающих устройств 210 (например, пару биполярных транзисторов с изолированным затвором); при этом каждое переключающее устройство 210 известным образом электрически параллельно связано с соответствующим диодом 220.
Аналогично активному выпрямителю 110 инвертор 130 также, предпочтительно, содержит активный инвертор 130 (фиг.1). Каждое плечо 132, 134, 136, 138 инвертора 130 содержит множество переключающих устройств 210 (например, пару полевых транзисторов); при этом каждое из переключающих устройств 210 электрически параллельно связано с соответствующим диодом 220 известным образом - так же, как и выпрямитель 110. В противоположность выпрямителю 110 инвертор 130, предпочтительно, содержит "четырехплечевой" активный инвертор 130 (на одно плечо больше, чем в выпрямителе 110, для случаев, когда трехфазная выходная мощность не применяется). В частности, каждое из трех плеч 134, 136, 138 активного инвертора 130 соответствует одной из трех фаз, выводимых в порт 140 нагрузки. Помимо этого, есть четвертое плечо 132, соответствующее нейтральной выходной мощности, генерируемой комбинированным выпрямителем 110/инвертором 130. Эту нейтральную выходную мощность 150 можно назвать генерируемой нейтралью.
Необходимо отметить, что, хотя показаны только двухкаскадный выпрямитель 110 и инвертор 130 (т.е. каждое плечо имеет только два переключающих последовательных устройства 210), можно также использовать и многокаскадное преобразование с числом каскадов более двух; например - для генерирования мощности высокого напряжения.
В рабочем режиме согласно фиг.3 выпрямитель 110 преобразует мощность переменного тока, подаваемую турбинным электродвигателем-генератором 120, в мощность постоянного тока. Мощность постоянного тока подается в инвертор 130 по двунаправленной силовой шине 160 постоянного тока. Конденсатор 162 шины постоянного тока установлен на двунаправленной силовой шине 160 постоянного тока для фильтрации напряжения, подаваемого в инвертор 130.
Мощность постоянного тока, подаваемая выпрямителем 110 в рабочем режиме, преобразуется инвертором 130 в мощность переменного тока с частотой 60 Гц. Только в пояснительных целях: переток мощности для одной фазы, проходящей через устройство 100 согласования мощности во время рабочего режима, обозначен как 310 (фиг.3). Мощность переменного тока с частотой 60 Гц затем выводится на нагрузку через порт 140 нагрузки, предпочтительно, после фильтрации с помощью выходного фильтра 170. Преобразование мощности постоянного тока в мощность переменного тока обеспечивают переключением инвертора 130 при постоянной частоте 60 Гц известным образом. Генерируемая нейтраль 150 от комбинированного выпрямителя 110/инвертора 130 фильтруется выходным фильтром 170 в отношении каких-либо вызванных переключением бросков тока. За счет обеспечения генерируемой нейтрали непосредственно с комбинированного выпрямителя 110/инвертора 130 можно устранить необходимость применения дополнительного трансформатора или других дополнительных компонентов.
Согласно фиг.4 в режиме пуска выпрямитель 110 и инвертор 130, изображенные на фиг.1, меняются ролями. Только в целях пояснения: переток мощности для одной фазы, проходящей через систему 100 согласования мощности в режиме пуска, обозначен как 410. Необходимо отметить, что выпрямитель 420 и инвертор 430, изображенные на фиг.4, соответствуют инвертору 130 и выпрямителю 110, соответственно, согласно описанию со ссылкой на фиг.1. В целях пояснения: на фиг.4 бывшие выпрямитель 110 и инвертор 130 указаны, как инвертор 430 и выпрямитель 420, соответственно, чтобы соответствовать их "поменявшейся" функции в режиме пуска.
В режиме пуска мощность переменного тока, предпочтительно, подают в выпрямитель 420 (соответствующий инвертору 130 в рабочем режиме), который преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока. Мощность постоянного тока подают в инвертор 430 (соответствующий выпрямителю 110 рабочего режима) по двунаправленной силовой шине 160 постоянного тока. Инвертор 430 действует от блока управления (не показан) и подает мощность переменного тока согласно соответствующему управляющему закону (например, при постоянном отношении вольт-герц) на обмотки якоря турбинного электродвигателя-генератора 120. Блок управления постепенно повышает основную частоту, обеспечиваемую инвертором 430 (и скорость его переключений), чтобы известным образом ускорить турбинный электродвигатель-генератор 120 до нужной скорости. После того, как турбинный электродвигатель-генератор 120 достигнет рабочей скорости, инвертор 430 и выпрямитель 420 поменяются ролями и будут действовать в описанном выше рабочем режиме.
Как указано выше, предпочтительное осуществление настоящего изобретения обеспечивает обратимую или переконфигурируемую систему 100 согласования мощности турбины, менее громоздкую, чем известные системы согласования мощности турбины. Поэтому будут снижены стоимость изготовления и затраты на эксплуатацию системы 100 согласования мощности турбины.
Необходимо отметить, что предпочтительное осуществление настоящего изобретения также предусматривает генерирование пусковой мощности без необходимости использования отдельной пусковой схемы. Отдельные пусковые схемы обычно используют для регулируемого напряжения, обычно превышающего напряжение самого источника мощности, например, для пуска турбинного электродвигателя-генератора.
За счет устранения отдельной пусковой схемы предпочтительное осуществление настоящего изобретения может также уменьшить размеры системы согласования мощности турбины и таким образом обеспечить соответствующее снижение стоимости и усложненности системы согласования мощности турбины. Хотя отдельная пусковая схема для настоящего изобретения не требуется, необходимо отметить, что отдельную пусковую схему по желанию все же можно использовать в осуществлениях настоящего изобретения в зависимости от конкретного его применения.
Помимо указываемого выше уменьшения размера: согласно настоящему изобретению указанную систему 100 согласования мощности турбины можно регулировать, чтобы подобрать определенный коэффициент мощности, нужный для данного применения. Как правило, "коэффициент мощности" выхода означает соотношение активной мощности к кажущейся мощности в генерируемой мощности, например, как указано в опубликованной в Интернете технической записке TN-002 - "Коэффициент мощности: определение и применение", Asea Power Systems, которая включена в данный документ полностью в качестве ссылки. Коэффициент мощности соотносится с фазовым углом между напряжением и током, когда имеется явная линейная зависимость. Но его также можно определить, когда явной фазовой зависимости между напряжением и током нет или когда и напряжение, и ток принимают произвольные значения.
Коэффициент мощности обеспечивает простой способ, чтобы определить, насколько именно ток создает активную мощность в нагрузке. Равный единице (1,00) коэффициент мощности указывает, что мощность нагрузки на 100% создается током, а равный нулю коэффициент мощности указывает, что ток для создания мощности в нагрузке совсем не участвует. Чисто активные нагрузки, такие как нагревательные элементы, имеют коэффициент мощности, равный единице; и проходящий по ним ток прямо пропорционален прилагаемому к ним напряжению. Емкостные и индуктивные нагрузки (двигателя) имеют нулевой коэффициент мощности, и проходящий по ним ток определяется более сложным методом.
Ток в линии переменного тока можно рассматривать как состоящий из двух составляющих: настоящей и мнимой. Настоящая составляющая - мощность, поглощаемая нагрузкой; мнимая - мощность, отражаемая обратно в источник - как в том случае, когда ток и напряжение имеют противоположную полярность, а их произведение, мощность, отрицательное.
Причина важности наибольшего приближения коэффициента мощности к единице заключается в том, что, когда мощность подана на нагрузку, возвращение ее значительной (и какой-либо) доли обратно в источник нежелательно. Для передачи мощности на нагрузку нужен ток, как и для обратной передачи в источник. Поэтому кпд снизится на мощность, отражаемую обратно в источник.
Заявители обнаружили, что указанная система 100 согласования мощности турбины позволяет регулировать коэффициент мощности изменением опорного сигнала контура управления током в выпрямителе 110 и/или инверторе 130. Активный выпрямитель 110 одновременно и независимо обеспечивает возможность регулирования напряжения шины 160 постоянного тока и возможность управления коэффициентами мощности входного (генераторного) тока. Например, если установить опорный ток (Iqref) q-оси на значение 100 А и опорный ток (Idref) d-оси на значение 50 А, то выпрямитель 110 будет получать входные токи с коэффициентом мощности 0,89 с опережением относительно напряжения выпрямителя. Наоборот, если установить Iqref на 100 А и Idref на 0 А, то выпрямитель 110 будет получать генераторные токи с коэффициентом мощности 1,0. В обоих случаях в шину 160 постоянного тока выпрямитель 110 подает одно и то же количество мощности. Коэффициент мощности системы 100 согласования мощности турбины, предпочтительно, устанавливают на приблизительное значение, большее, чем 0,95, или равное этому значению, чтобы обеспечить отражение минимального количества мощности обратно в турбинный электродвигатель-генератор 120. В некоторых случаях, например, при низких нагрузках или для компенсации реактивной мощности, пониженный коэффициент мощности (например, около нуля) иногда желателен для обеспечения управляемости выпрямителем 110 или для обеспечения опережающей реактивной мощности, чтобы содействовать регулированию напряжения системы.
Таким образом, предпочтительное осуществление настоящего изобретения предоставляет возможность конструктору системы 100 согласования мощности электродвигателя-генератора иметь повышенную степень свободы при подборе коэффициента мощности для определенного применения. За счет этого можно повысить кпд системы согласования мощности и/или обеспечить коэффициенты мощности в значениях, ранее недостижимых в известных устройствах.
Система 500 согласования мощности согласно второму осуществлению настоящего изобретения схематически изображена на фиг.5. Необходимо отметить, что это второе осуществление во многих отношениях, по существу, аналогично первому осуществлению настоящего изобретения. Но в противоположность первому осуществлению, в котором порт 140 нагрузки избирательно связан с внешним источником мощности для подачи пусковой мощности, система 500 согласования мощности в соответствии с этим вторым осуществлением содержит источник 510 пусковой мощности (например, аккумулятор, топливный элемент и пр.), связанный с шиной 160 постоянного тока. Только в целях пояснения: переток мощности для одной фазы, проходящей через устройство 500 согласования мощности в режиме пуска, обозначен как 510.
В режиме пуска мощность постоянного тока подают в инвертор 430 из источника 510 мощности пуска через двунаправленную силовую шину 160 постоянного тока. Работой инвертора 430 затем управляет блок управления (не показан) согласно приводимому выше описанию для подачи мощности переменного тока при постоянном отношении вольт-герц на обмотки якоря турбинного электродвигателя-генератора 120 и для ускорения турбинного электродвигателя-генератора 120. Поэтому нет необходимости в том, чтобы выпрямитель 410 преобразовывал мощность переменного тока из порта 140 нагрузки в мощность постоянного тока для инвертора 430.
В рабочем режиме мощность постоянного тока, выпрямленная выпрямителем 110 (фиг.1) от турбинного электродвигателя-генератора 120, затем можно использовать для подзарядки источника 510 пусковой мощности (фиг.5) при том условии, что источник 510 пусковой мощности выполнен с возможностью подзарядки за счет приложения мощности постоянного тока к силовой шине 160 постоянного тока (например, подзарядка аккумулятора приложением стабильной мощности постоянного тока). В других видах источника 510 пусковой мощности, таких как топливный элемент, источник 510 пусковой мощности можно избирательно отключать от силовой шины 160 постоянного тока.
Таким образом, система 500 согласования мощности электродвигателя-генератора может обеспечивать пусковую мощность для оборудования, в котором нет источника стабильной мощности, выполненного с возможностью избирательного подключения к порту 140 нагрузки. Это может относиться, например, к микротурбинным электродвигателям-генераторам, используемым для обеспечения мощности в полевых условиях (например, карнавал, водные праздники и пр.).
Приводимое выше описание предпочтительных осуществлений настоящего изобретения представлено в поясняющих целях. Подразумевается, что оно не является исчерпывающим или ограничивающим настоящее изобретение только излагаемым здесь его видом; подразумевается, что в свете излагаемых выше решений возможны его варианты и видоизменения, которые также можно выполнить при осуществлении изобретения. Осуществления отобраны и изложены для пояснения принципов настоящего изобретения и его практического применения, чтобы специалист в данной области техники смог использовать изобретение в различных осуществлениях и с разными видоизменениями, целесообразными для определенного предполагаемого вида использования. Предполагается, что диапазон изобретения ограничивается пунктами прилагаемой формулой изобретения и их эквивалентами.
1. Система (100) согласования мощности электродвигателя-генератора, содержащая выпрямитель (110), электрически связанный с портом (120) электродвигателя-генератора; и инвертор (130), электрически связанный с выпрямителем (110) и портом (140) нагрузки; причем комбинированный выпрямитель (110) и инвертор (130) выполнены с возможностью в режиме пуска подачи пусковой мощности в порт (120) электродвигателя-генератора, а в рабочем режиме - подачи генерируемой мощности в порт (140) нагрузки и генерирования нейтральной выходной мощности (150).
2. Система согласования мощности по п.1, отличающаяся тем, что также содержит силовую шину (160) постоянного тока, выполненную с возможностью двунаправленного перетока мощности, электрически связывающего выпрямитель (110) с инвертором (130); и шинный конденсатор (162), установленный параллельно силовой шине (160) постоянного тока.
3. Система согласования мощности по п.1, отличающаяся тем, что также содержит источник (510) пусковой мощности, связанный с силовой шиной (160) постоянного тока.
4. Система согласования мощности по п.1, отличающаяся тем, что выпрямитель (110) содержит активный выпрямитель.
5. Система согласования мощности по п.4, отличающаяся тем, что выпрямитель (110) содержит трехплечевой (112, 114, 116) выпрямитель, состоящий из множества переключающих устройств (210); и множества диодов (220), причем каждый из диодов (220) электрически связан параллельно с соответствующим переключающим устройством (210).
6. Система согласования мощности по п.1, отличающаяся тем, что также содержит первичный двигатель для электродвигателя-генератора.
7. Способ управления электродвигателем-генератором, согласно которому подают пусковую мощность на электродвигатель-генератор через выпрямитель (110), электрически связанный с инвертором (130); согласовывают генерируемую мощность от электродвигателя-генератора через выпрямитель (110) и инвертор (130); и генерируют нейтральную выходную мощность (150) через комбинированный выпрямитель (110) и инвертор (130), при этом согласуя генерируемую мощность.
8. Система согласования мощности электродвигателя-генератора, содержащая средство для подачи пусковой мощности на электродвигатель-генератор; средство для согласования генерируемой мощности от электродвигателя-генератора; и средство для генерирования нейтральной выходной мощности от средств для согласования генерируемой мощности.
9. Система согласования мощности электродвигателя-генератора, содержащая трехплечевой (112, 114, 116) активный выпрямитель (110), электрически связанный с портом (120) электродвигателя-генератора; четырехплечевой (132, 134, 136, 138) инвертор (130), электрически связанный с портом (140) нагрузки; двунаправленную силовую шину (160) постоянного тока, электрически связывающую выпрямитель (110) с инвертором (130); и нейтральный выход (150), связанный с одним (132) из плеч (132, 134, 136, 138) инвертора (130).
10. Система согласования мощности по п.9, отличающаяся тем, что комбинированный выпрямитель (110) и инвертор (130) выполнены с возможностью в режиме пуска подачи пусковой мощности в порт (120) электродвигателя-генератора, а в рабочем режиме - подачи генерируемой мощности в порт (140) нагрузки и нейтрали (150) для нейтральной выходной мощности.
