Система для генерирования электрической мощности
Изобретение относится к области электротехники. Технический результат заключается в оптимизации работы генераторов. Согласно изобретению система содержит один или более генераторов для выработки электрической энергии, причем каждый генератор выполнен с возможностью привода соответствующим первичным двигателем, при этом генераторы являются многофазными генераторами переменного тока, выполненными с возможностью генерирования многофазного напряжения, имеющего частоту и амплитуду, фазовые выходы генераторов могут подсоединяться к общей многофазной шине для распределения электрической энергии, генерируемой генераторами переменного тока, система дополнительно содержит средство для обеспечения независимых опорных величин для скорости вращения первичных двигателей и для амплитуды многофазного напряжения, при этом скорость вращения первичных двигателей определяет частоту многофазного напряжения, и система выполнена с возможностью работы в по меньшей мере трех рабочих точках на основе обеспеченных независимых опорных величин, и причем рабочая точка определена отношением амплитуды многофазного напряжения к частоте многофазного напряжения, при этом упомянутые по меньшей мере три рабочие точки являются разными. 3 н. и 16 з.п. ф-лы, 4 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системам для генерирования электрической мощности, а более конкретно, - к автономным системам генерирования электрической мощности.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Автономные системы генерирования электрической мощности используются в ситуациях или в местах, в которых невозможно электрическое подключение к общей зональной электрической сети. Кроме того, такие автономные системы используются также на кораблях, яхтах и других морских транспортных средствах, в которых соединенные с электрическими генераторами первичные двигатели применяются для получения электрической энергии, которая будет потребляться имеющимися на этих кораблях различными электрическими устройствами и т.п. Генерируемая электрическая энергия используется устройствами, необходимыми для приведения корабля в движение, а также для питания различных компонентов и систем, связанных с эксплуатацией корабля. Кроме того, на пассажирских судах пассажиры также потребляют огромное количество электрической энергии, - либо напрямую, посредством электрооборудования, либо косвенно при пользовании имеющимися на борту удобствами.
Известно производство электрической энергии на корабле посредством генерирования мощности переменного тока генераторами, соединенными с первичными двигателями. Эти первичные двигатели используют различные источники энергии, такие как дизельное топливо и мазут для создания вращательного движения для генератора. Полученную мощность переменного тока преобразуют в напряжение соответствующего уровня для различных целей. На больших судах параллельно работают множество генераторов, и их работа управляется системой управления более высокого уровня. Система управления более высокого уровня управляет распределением мощности генераторов путем изменения количества активных генераторов, когда этого требует потребление энергии. Так что система управления более высокого уровня построена таким образом, что система генерации мощности работает устойчивым образом независимо от изменений в потреблении энергии.
Управление генерируемой мощностью осуществляется посредством управления впрыском топлива первичного двигателя таким образом, что этот первичный двигатель поддерживает свою скорость вращения постоянной. Когда, например, нагрузка на генератор увеличивается, впрыск топлива также увеличивается, - таким образом, чтобы удерживать скорость вращения постоянной. Поскольку генератор соединен непосредственно с валом первичного двигателя, то выходная частота генерируемого переменного тока при этом также поддерживается постоянной.
В другом подходе каждая пара первичный двигатель/генератор оснащена выпрямителем переменного тока. Выходы выпрямителей подсоединены к общей шине постоянного тока. Генерируемая электрическая мощность затем преобразуется в мощность переменного тока, так чтобы эта мощность могла потребляться устройствами переменного тока. Для того чтобы оптимизировать работу системы, в такой структуре можно управлять выходной частотой каждой пары первичный двигатель/генератор. В системе генерирования электрической мощности с распределением постоянного тока количество электрических компонентов велико, поскольку каждый генератор требует отдельного выпрямителя. В больших установках, где величина установленной мощности высока, необходимые компоненты постоянного тока, такие как автоматические выключатели являются дорогостоящими, поскольку работа осуществляется на уровне напряжения средней величины. Кроме того, необходимо дополнительное преобразование мощности, когда напряжение постоянного тока вновь преобразуют в переменное напряжение для потребителей.
Документ ЕР 2682339 А1 раскрывает систему, в которой частота распределительной сети переменного тока является переменной. В такой системе для того, чтобы максимизировать эффективность, скорость первичных двигателей поддерживается как можно более низкой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание системы и способа, чтобы решить вышеуказанные проблемы. Задачи изобретения решаются посредством системы и способа, которые характеризуются тем, что указано в независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
Изобретение основано на идее получения многофазного напряжения переменного тока с одним или с несколькими генераторами на общей многофазной шине с регулируемой частотой и по существу постоянным напряжением. Первичным двигателям, которые используются для вращения генераторов для получения электрической энергии, приданы опорные величины скорости вращения, которые могут выбираться в соответствии с различными соображениями.
Преимущество изобретения заключается в том, что рабочая точка первичных двигателей может быть установлена на желательную величину в соответствии с предпочтениями оператора. Изобретение позволяет использовать фиксированную скорость вращения, которая не обязательно является номинальной скоростью вращения первичных двигателей. Когда одним или более генераторами производится по существу неизменное напряжение, то генерируемая мощность не является зависимой от частоты, и поэтому полная мощность имеется на всех частотах. Поскольку напряжение удерживается по существу неизменным с изменяющейся частотой, каждый отдельный потребитель получает полную мощность без специальных устройств, таких как преобразователи частоты с активным передними концами. Таким образом можно осуществлять регулирование частоты, не ухудшая имеющуюся мощность для отдельного потребителя.
В соответствии с предпочтительным вариантом исполнения многофазное напряжение переменного тока имеет амплитуду, которая управляется таким образом, чтобы она удерживалась неизменной. Когда используется фиксированная амплитуда, магнитный поток магнитных компонентов в системе при изменении частоты генерированного напряжения изменяется. Однако, если амплитуда напряжения слегка уменьшается, когда уменьшается частота, то увеличение магнитного потока может быть в некоторой степени сокращено.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения настройкой опорной величины скорости вращения оптимизируется относящаяся к первичным двигателям характеристика. Такой характеристикой является, например, потребление топлива первичными двигателями. Таким образом, в этом варианте осуществления допустимо изменение скорости вращения первичных двигателей, для того чтобы минимизировать потребление топлива. Кроме того, изменение скорости вращения первичных двигателей означает также изменение частоты генерированного напряжения переменного тока.
В известных системах скорость вращения генераторов поддерживается постоянной, так что при этом на шину многофазного напряжения подается фиксированная частота. Это значит, что рабочая точка первичных двигателей диктуется потребностью в мощности, т.е. нагрузкой генераторов. Первичные двигатели, как правило, оптимизированы на работу на некотором уровне мощности с постоянной частотой. Однако изменение скорости вращения также влияет на потребление топлива, и эта характеристика используется в данном варианте осуществления.
В одном варианте осуществления первичные двигатели принимают опорную величину скорости вращения от системы управления более высокого уровня, и генераторы синхронизуют свою выходную частоту с опорной величиной, при этом образуется шина переменного напряжения, частота в которой является регулируемой. Таким образом, система управления более высокого уровня оптимизирует потребление топлива или же другую оптимизируемую характеристику посредством такого управления одним или более параллельными генераторами, чтобы они работали с частотой, которая минимизирует потребление топлива или другую характеристику первичных двигателей.
В настоящем изобретении обеспечены независимые опорные величины для скорости вращения и для амплитуды многофазного напряжения. Предпочтительно, для оптимизации относящейся к первичным двигателям характеристики используется опорная величина скорости вращения, а опорная величина амплитуды используется для изменения магнитного потока в системе, - таким образом, чтобы ее магнитные компоненты не насыщались.
В результате использования настоящего изобретения может быть реализована надежная и устойчивая технология переменного тока. Кроме того, данная система делает возможной передачу электрической мощности, используя в соответствии с выбранной схемой либо технологию переменного тока, либо технологию постоянного тока.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее изобретение будет описано более подробно посредством предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи, на которых
фигура 1 показывает пример потребления топлива в зависимости от скорости вращения и генерируемой первичным двигателем мощности;
фигура 2 показывает вариант осуществления системы в соответствии с изобретением;
фигура 3 показывает пример кривой потребления электрической мощности и кривую частоты системы в зависимости от скорости судна; а
фигура 4 показывает линию постоянного отношения в координатах напряжение/частота.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фигура 2 показывает основную электрическую схему системы в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. На фигуре 2 четыре многофазных генератора 1, 2, 3 и 4 переменного тока подключены к шине 5 переменного тока. Шина переменного тока состоит из шинопроводов, т.е. проводников для каждой фазы генерируемого многофазного напряжения и прерывателя 6 цепи, который может быть использован для разделения шины на две независимые секции, даже тогда, когда шина проводит номинальный ток. В примере по фигуре 2 напряжение шины и, следовательно, выходное напряжение генераторов является постоянным и равно 11 кВ. Номинальные мощности генераторов могут быть порядка мегаватт, и в этом случае генерируемой мощности достаточно для электрического снабжения больших судов с электрической движительной системой.
Кроме того, фигура 2 показывает также различные нагрузки, подключенные к шине переменного тока. В этом примере движительная установка приводится в действие электрически, и фигура 2 показывает систему 13 питания для приведения судна в движение. Такая система питания содержит трансформаторы, преобразователи частоты и двигатель, приводящий в движение гребной винт. Другие нагрузки, представленные на фигуре 2, включают в себя электропривод 11, 12 для компрессора устройства для производства охлажденной воды с целью охлаждения и подключенный непосредственно к линии питания движитель 10, используемый, например, в качестве подруливающего устройства.
Фигура 2 показывает, далее, трансформатор 7, предназначенный для преобразования и дальнейшего распределения электричества внутри корабля для других его функций. Такие другие функции могут быть связаны с жилыми каютами и с ресторанами в пассажирских кораблях, а также с разнообразным рабочим оборудованием в различных непассажирских судах, таких как буровые и насосные установки. В примере по фигуре 2 показана также возможность распределения мощности постоянного тока, - в виде преобразователя переменного тока в постоянный, подключенного к шине переменного тока через трансформатор 8.
Как видно из фигуры 2, различные компоненты и нагрузки имеются в дублированном составе. Вследствие требования избыточности первичные двигатели и основные электрические компоненты установлены по меньшей мере в двух отдельных пространствах. Общая шина переменного тока, соединяющая эти пространства между собой, может быть разделена посредством размыкания прерывателя 6 цепи.
В соответствии с настоящим изобретением система для генерирования электрической мощности судна содержит один или более генераторов 1, 2, 3, 4 для производства электрической энергии. В примере на фигуре 2 представлены четыре генератора. Количество генераторов, подключенных к системе генерирования электрической мощности, не ограничивается каким-либо конкретным числом. Каждый из генераторов приводится в движение соответствующим первичным двигателем, таким как дизельный двигатель. Эти первичные двигатели напрямую соединены с валами генераторов, так что каждый генератор вращается вместе с соответствующим первичным двигателем.
Как уже упоминалось выше, генераторы, используемые в изобретении, являются многофазными генераторами переменного тока. Как правило, эти генераторы являются трехфазными генераторами переменного тока, дающими трехфазное напряжение. Генераторы, используемые для производства мощности на большом корабле, являются генераторами мегаваттного порядка мощности. Номинальные мощности генераторов могут быть одинаковыми или такими, что, например, два генератора имеет меньшую мощность, а остальные генераторы имеют более высокую номинальную мощность.
Выходы фаз генераторов могут подсоединяться к общей многофазной шине. Фигура 2 показывает установленные между шиной 5 и генераторами прерыватели. Эти прерыватели работают таким образом, что регулируют подключенную к шине производительную мощность. Шина 5 состоит из шинопроводов или аналогичных токопроводящих элементов, которые используются для распределения генерируемой электрической мощности на нагрузки или потребители. Номер фазы многофазной шины соответствует номерам генераторов, и трехфазная шина обычно имеет три шинопровода. Генераторы являются генераторами переменного тока, а производимое напряжение имеет частоту, которая является общей для всех генераторов.
В одном варианте осуществления изобретения амплитуда генерируемого многофазного напряжения переменного тока поддерживается постоянной, хотя частота напряжения переменного тока изменяется. При генерировании напряжения переменного тока с постоянной амплитудой номинальная мощность остается постоянной независимо от частоты напряжения переменного тока. В электрических генераторах постоянное напряжение переменного тока получают посредством управления намагниченностью генераторов самим по себе известным способом.
В соответствии с изобретением система содержит средство для обеспечения опорной величины скорости вращения для первичных двигателей. Как известно, скорость вращения первичного двигателя определяет частоту генерируемого напряжения, поскольку каждый первичный двигатель напрямую подсоединен к соответствующему генератору. В настоящем изобретении опорная величина скорости вращения первичного двигателя является независимой от опорной величины амплитуды многофазного напряжения. Говоря другими словами, для амплитуды и скорости вращения заданы не связанные между собой опорные величины, и эти опорные величины не являются прямо пропорциональными друг другу. Кроме того, в настоящем изобретении система для генерирования электрической мощности выполнена с возможностью работы в по меньшей мере трех рабочих точках на основе этих опорных величин. Рабочая точка определяется как отношение амплитуды многофазного напряжения к частоте многофазного напряжения.
В типичной системе управления для работы электрической системы с переменной частотой частота и амплитуда напряжения управляются таким образом, что амплитуда изменяется на основе изменения частоты. Когда частота изменяется, амплитуда следует за этими изменениями, чтобы сохранять отношение амплитуды напряжения к частоте постоянным. В настоящем изобретении частота и амплитуда генерируемого напряжения не управляются с линейной зависимостью друг от друга, что обеспечивает гибкость в построении и использовании системы генерирования электрической мощности.
Возможность обеспечить опорную величину скорости вращения для первичных двигателей означает, что частота генерируемого многофазного напряжения может быть установлена на заданную величину на основе конкретной потребности или цели. Первичные двигатели, механически соединенные с генераторами, могут быть установлены на требуемую скорость вращения, и, тем самым, частота выходного напряжения следует за скоростью вращения генераторов. Средства, выполненные с возможностью обеспечения опорной величины скорости вращения, предпочтительно, реализованы в системе управления более высокого уровня, такого как система управления энергоснабжением судна. Опорная величина скорости вращения для первичного двигателя может рассматриваться в качестве опорного значения частоты, поскольку соотношение между упомянутой скоростью вращения и частотой генерируемого напряжения является линейным. Таким образом, система управления более высокого уровня может обеспечить опорное значение частоты, которое изменяется, чтобы соответствовать опорной величине скорости вращения, которая задана первичным двигателям.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения система содержит средства, которые выполнены с возможностью оптимизации относящейся к первичным двигателям характеристики посредством регулирования опорной величины скорости вращения первичных двигателей. Так что, в этом варианте осуществления опорная величина скорости вращения и, таким образом, частота выходного напряжения изменяется так, чтобы относящаяся к первичным двигателям характеристика была оптимизирована. Тот факт, что характеристика оптимизирована, предполагает наличие набора действий, в которых частота выходного напряжения регулируется до величины, при которой относящееся к первичным двигателям измеримая характеристика доводится до более требуемой величины.
В соответствии с вариантом осуществления изобретения оптимизированная относящаяся к первичным двигателям характеристика представляет собой потребление топлива первичными двигателями. В другом варианте осуществления настоящего изобретения оптимизированная относящаяся к первичным двигателям характеристика представляет собой уровень выбросов первичных двигателей. В другом варианте осуществления настоящего изобретения оптимизированной относящейся к первичным двигателям характеристикой является уровень шума первичных двигателей. Когда получаемая амплитуда напряжения переменного тока удерживается постоянной, в то время как частота является изменяемой, система обуславливает оптимизацию параметров "в большом масштабе". Скорость вращения первичных двигателей или выходную частоту можно регулировать до точки, которая, например, оптимизирует расход топлива, и при этом отдельные пользователи еще имеют возможность извлекать свою номинальную мощность из системы генерирования электрической мощности.
Далее будет подробно описан вариант осуществления, в котором оптимизированная относящаяся к первичным двигателям характеристика представляет собой потребление топлива первичными двигателями. В этом варианте осуществления частота многофазного напряжения регулируется или изменяется таким образом, чтобы учитывать потребление топлива первичными двигателями. Изменение частоты на практике означает, что система работает с частотой, которая отличается от номинальной частоты используемого оборудования. Предпочтительно, чтобы частота и, таким образом, скорость вращения первичного двигателя снижались относительно номинальной величины, а предпочтительный диапазон, в котором осуществляется оптимизация, находился бы в диапазоне скоростей, составляющем от 60% до 100% от номинальной скорости вращения первичного двигателя. Если номинальная частота производимой генераторами электрической мощности равна 60 Гц, то 60%-я скорость вращения первичного двигателя будет давать напряжение, имеющее частоту 36 Гц. Соответственно, если номинальная частота генератора равна 50 Гц, то 60%-я скорость вращения соответствует напряжению, имеющему частоту 30 Гц. Однако точные рабочие пределы зависят от конструкции и типа первичного двигателя, а нижний предел даваемой частоты может опускаться аж до 50% от номинальной частоты или даже ниже.
Вышеуказанная номинальная частота относится к частоте выходного напряжения, полученной тогда, когда первичный двигатель вращается на своей номинальной скорости вращения. Это номинальное значение скорости вращения при обычной работе дает частоту, которая называется номинальной, т.е. 50 Гц или 60 Гц.
Фигура 1 показывает пример диаграммы, указывающий потребление топлива дизельным двигателем в зависимости от скорости вращения двигателя и мощности двигателя. Потребление топлива показано в виде изменения в г/кВт·ч относительно потребления в рабочей точке со 100%-й скоростью вращения и со 100%-м уровнем мощности. Потребление считывается с диаграммы таким образом, что линии показывают некоторое увеличение или уменьшение потребления в г/кВт·ч. Например, "наиболее" оптимальная рабочая точка соответствует скорости вращения приблизительно в 90% и мощности приблизительно в 70% от скорости вращения и мощности точки, отмеченной на диаграмме значком (*). При выходе из этого круга потребление топлива увеличивается. Как видно из диаграммы, изменение потребления топлива больше в нижнем диапазоне производимой мощности, в то время как в более высоком диапазоне мощности расстояние между линиями становится шире, указывая на меньшие изменения в потреблении топлива, когда рабочая точка изменяется.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения средства, выполненные с возможностью оптимизации характеристики, такой как потребление топлива первичными двигателями, включают в себя считываемую базу данных, указывающую количественную характеристику, такую как количество потребляемого топлива в функции скорости вращения первичного двигателя и уровня нагрузки первичного двигателя. Считываемая база данных, такая как справочная таблица настоящего варианта осуществления представляет собой трехмерную таблицу, в которой параметр, относящийся к оптимизированной относящейся к первичному двигателю характеристике, хранится таким образом, что этот параметр может быть доступен процессору или аналогичному устройству для считывания данных в различных рабочих точках. С этой целью оптимизирующие средства содержат средство, выполненное с возможностью считывания базы данных на основе известного уровня нагрузки первичного двигателя, а также выполненное с возможностью выдачи величины скорости вращения, минимизируя или оптимизируя требуемую относящуюся к первичным двигателям характеристику.
В настоящем изобретении с целью генерации многофазного напряжения с частотой, соответствующей скорости вращения, обеспечено опорное значение скорости вращения первичных двигателей. Это заданное первичному двигателю опорное значение скорости вращения соответствует некоей опорной частоте для получения переменного напряжения, имеющего требуемую частоту.
Частота генерированного напряжения создается с возможностью отслеживания опорного значения скорости вращения. Эта опорная величина, предпочтительно, задана первичным двигателям в виде опорного значения скорости вращения, которое соответствует опорному значению частоты. Первичный двигатель работает таким образом, чтобы увеличивать или уменьшать впрыск топлива так, чтобы его скорость вращения соответствовала опорному значению.
Диаграмма по фигуре 1 сохраняется в виде считываемой базы данных, такой как считываемая таблица. В соответствии с идеей этого варианта осуществления при работе в устойчивом режиме текущая величина потребления топлива сравнивается с другими величинами потребления при том же уровне мощности. Например, когда работа осуществляется при номинальной скорости генератора, и генерируемый, и требуемый уровень мощности составляет 50% от номинальной мощности, из диаграммы по фигуре 1 может быть "считано", что потребление топлива минимизировано тогда, когда скорость вращения первичного двигателя снижена до, примерно, 85% от номинальной скорости вращения. Когда значения в таблице показывают, что может быть достигнуто более низкое потребление, одному или более активным первичным двигателям задается опорное значение скорости вращения. Когда работа изменяется и переходит на другой уровень мощности, процедура оптимизации повторяется.
Диаграмма потребления топлива по фигуре 1 хранится в доступной форме для каждого установленного в системе первичного двигателя. Кроме того, справочные таблицы или аналогичные базы данных могут быть также составлены для любой комбинации установленных в системе первичных двигателей. При оптимизации потребления топлива осуществляется либо считывание комбинированной диаграммы, указывающей потребление активных в текущий момент времени первичных двигателей, либо производится считывание каждой из отдельных диаграмм, соответствующих активным в текущий момент времени первичным двигателям, и соответствующие потребления топлива суммируются для получения общего потребления.
Фигура 3 показывает пример кривой потребной электрической мощности, а также частоты системы и имеющейся мощности, когда амплитуда генерируемого напряжения управляется на удержание ее постоянной. Пример по фигуре 3 иллюстрирует идею изобретения для корабля или судна, в котором четыре генератора могут быть соединенными между собой, чтобы производить электрическую энергию в систему. В дополнение к зависимой от скорости тяговой мощности кривая потребной электрической мощности включает в себя вспомогательную постоянную нагрузку, что следует из того факта, что потребность в электрической мощности имеется даже тогда, когда скорость корабля равна нулю.
Как видно из приведенных кривых, когда скорость корабля находится в диапазоне от нуля до 50% от полной скорости, для обеспечения потребной электрической мощности достаточно одного генератора. Таким образом, для того чтобы оптимизировать относящуюся к первичному двигателю характеристику, можно изменять частоту. Когда с увеличением скорости корабля потребная электрическая мощность возрастает, для производства электрической мощности подключается большее количество генераторов. Например, когда скорость корабля превышает 50% от максимальной скорости, для производства мощности подключается второй генератор, и в то же время частота системы может быть снижена. Аналогичным же образом, к системе подключается большее количество генераторов при увеличении потребной электрической мощности. Когда потребная электрическая мощность уменьшается, количество активных генераторов может быть уменьшено.
Вышеприведенный пример предназначен для того, чтобы проиллюстрировать работу источника генерации электрической мощности по отношению к частоте генерируемого напряжения. При оптимизации определенного параметра могут быть использованы несколько генераторов, даже если достаточное количество доступной электрической мощности может быть обеспечено с меньшим количеством генераторов. Это обусловлено тем фактом, что при оптимизации параметра принимаются во внимание уровни мощности отдельных генераторов. В качестве примера, - возможно, лучше было бы вырабатывать мощность посредством трех генераторов с 63,3% от максимальной мощности генераторов, чем двумя генераторами с 95% мощностью.
Средства, выполненные с возможностью оптимизации относящейся к первичному двигателю характеристики, такой как потребление топлива, предпочтительно формируются в контроллере более высокого уровня, который управляет также другими функциями, относящимися к системе выработки мощности корабля. Контроллер более высокого уровня получает информацию относительно величины производимой мощности и относительно величины потребной мощности. Основываясь на производимой электрической мощности и потребной электрической мощности, контроллер более высокого уровня решает, следует ли изменить используемые в настоящее время генераторы или продолжить работу с текущим составом. При определении работающих генераторов принимается во внимание оптимизация. Если на основании сохраненных диаграмм ожидается, что потребление топлива будет снижено, если ток нагрузки будет распределен по нескольким первичным двигателям, то тогда контроллер более высокого уровня проведет такую операцию и установит опорную величину скорости вращения или опорную величину частоты, для того чтобы оптимизировать потребление топлива. Аналогичным же образом, контроллер более высокого уровня может уменьшить количество находящихся в работе первичных двигателей.
Как уже упоминалось, допускается, чтобы скорость вращения первичных двигателей и, таким образом, генерируемая частота, в определенных пределах изменялись. Различные электрические компоненты, необходимые для работы системы генерирования мощности, способны функционировать в установленных пределах. В соответствии с изобретением опорная величина для амплитуды генерируемого напряжения обеспечивается независимо от опорной величины скорости вращения. Если в соответствии с каким-либо вариантом осуществления изобретения напряжение поддерживается постоянным, необходимо разработать различные магнитные компоненты, такие как генераторы и трансформаторы, предназначенные для такой работы.
Когда амплитуда напряжения поддерживается постоянной с фиксированной опорной величины, а частота изменяется, соотношение между амплитудой и частотой не является постоянным. Как известно, когда упомянутое "вольт-герцовое" отношение поддерживается постоянным, магнитный поток в магнитных компонентах также удерживается постоянным. В соответствии с вариантом осуществления амплитуда напряжения сохраняется по существу постоянной, в то время как частоту настраивают. Поэтому в системе по настоящему изобретению магнитный поток в магнитных компонентах, таких как трансформаторы, генераторы и электродвигатели изменяется. Изменение магнитного потока необходимо принимать во внимание, так чтобы магнитные части не могли насыщаться. Магнитные части компонентов должны быть разработаны в соответствии с самой низкой возможной частотой. На практике размеры магнитных частей, таких как железные сердечники трансформаторов, генераторов и двигателей, должны быть увеличены таким образом, чтобы магнитные сердечники не насыщались. Бóльшие конструкции сердечников позволяют использовать системы с более низкими частотами, и поэтому оптимизация работы системы может быть проведена в более широком диапазоне.
В соответствии с одним вариантом осуществления оптимизированная относящаяся к первичным двигателям характеристика представляет собой уровень выбросов первичных двигателей. Как и в вышеописанном варианте осуществления, относящемся к оптимизации эффективности использования топлива первичных двигателей, может быть построена аналогичная диаграмма или таблица выбросов первичных двигателей. Такая диаграмма представляет уровень выбросов в виде функции скорости вращения первичных двигателей и развиваемой мощности. Работа и структура этого варианта осуществления аналогичны вышеописанному варианту осуществления, относящемуся к эффективности использования топлива, за исключением того, что вместо оптимизации потребления топлива первичных двигателей, оптимизирован уровень выбросов. При этом уровень выбросов первичных двигателей, когда потребление топлива первичных двигателей оптимизировано, не обязательно находится на самом низком уровне. Уровни выбросов зависят от типа первичного двигателя и от типа используемого в первичном двигателе топлива. Кроме того, оптимизация уровня выбросов может быть основана на оптимизации выбросов различных газов, таких как газов-загрязнителей воздуха или газов, создающих парниковый эффект. При работе в соответствии с вариантом осуществления выбранная характеристика выбросов оптимизируется или, предпочтительно, минимизируется посредством настройки скорости вращения первичных двигателей.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения относящаяся к первичным двигателям характеристика представляет собой уровень шума первичных двигателей. Поскольку некоторые скорости вращения первичных двигателей могут возбуждать резонанс или же, в ином случае, могут быть более "шумными", чем другие скорости вращения, то скорость вращения первичных двигателей оптимизируется в соответствии с тем уровнем шума, который создается тогда, когда предпочтительна тихая работа. Как и в вышеописанных вариантах осуществления, может быть составлена диаграмма или справочная таблица уровней шума при различных скоростях вращения и уровней мощности первичных двигателей. При работе в таком тихом режиме выбирают такую скорость вращения первичных двигателей, которая оптимизирует уровень шума. После составления диаграммы или справочной таблицы процесс и структура оптимизации являются такими же, как и описано выше.
Далее, уровень шума может быть оптимизирован также путем выбора установленной скорости вращения первичных двигателей, на которой работает система. В таком варианте осуществления скорость вращения первичных двигателей фиксируется и не меняется, несмотря на изменения уровня мощности. Оптимизация уровня шума может быть желательной в некоторых ситуациях. Так, например, при выходе из порта уровень шума двигателя малой тяги может быть понижен за счет снижения скорости вращения первичных двигателей до самой низкой допустимой скорости или любой другой скорости вращения, которая, как это заведомо известно, обеспечивает низкий уровень шума. В некоторых случаях двигатели малой тяги подключены непосредственно к шине переменного тока и вращаются со скоростью, зависящей от частоты напряжения. Когда опорную величину скорости вращения и, следовательно, частоту можно настраивать, при этом настраивается также и скорость вращения двигателей малой тяги. Шум от двигателей малой тяги может быть минимизирован выбором соответствующей частоты генерируемого напряжения переменного тока.
Поскольку в соответствии с изобретением предусмотрена опорная величина скорости вращения для первичных двигателей, то частота генерируемого напряжения может быть вынужденной или установленной на номинальную частоту, задавая первичным двигателям фиксированную опорную величину скорости вращения. Это эффективно исключает из использования оптимизацию, и система работает как обычная система. Оптимизация может быть вновь введена в использование в любое время.
В варианте осуществления настоящего изобретения при оптимизации потребления топлива рабочая точка первичных двигателей изменяется. Полученная экономия может составлять до 10% по отношению к системе генерирования мощности с обычным управлением.
Скорость вращения первичных двигателей и, таким образом, - частота напряжения, предпочтительно, оптимизированы, когда потребная электрическая мощность установлена постоянной на предопределенный период времени. Опорная величина скорости вращения системы не обязательно изменяется при каждом изменении уровня мощности. Обычно большие корабли выполняют длительные переходы, и, таким образом, эти корабли в течение длительного периода времени работают при по существу постоянных условиях. Такие длительные периоды времени с постоянной скоростью судна представляют собой подходящие условия для оптимизации потребления топлива. В соответствии с одним вариантом осуществления изобретения средства, выполненные с возможностью оптимизации относящейся к первичному двигателю характеристики, работают после того, как уровень нагрузки генераторов в течение заданного периода времени находился на по существу постоянном уровне. Этот заданный период времени может быть, например, в диапазоне от 10 до 15 минут. Однако этот заданный период времени может быть установлен вручную на требуемую величину, таким образом, чтобы функция оптимизации могла более быстро реагировать на изменяющиеся условия. Кроме того, оптимизация может быть также инициирована или принудительно включена персоналом, например, когда требуется новый уровень мощности, и запущена посредством команды, обусловленной увеличением крейсерской скорости, при этом персонал может инициировать оптимизацию сразу же по достижении уровня мощности и скорости.
Основным потребителем производимой на корабле или на судне мощности, как правило, является двигательная установка. Поэтому оптимизация потребления топлива или уровня выбросов, предпочтительно, основывается на мощности, используемой системой двигательной установки. Вышеупомянутый по существу постоянный уровень нагрузки относится к уровню нагрузки, который не выявляет тенденции к увеличению или уменьшению, а является стабильным с изменениями уровня мощности в пределах нескольких процентов.
На фигуре 1 по горизонтальной оси показано возможное изменение выходной частоты создаваемого генераторами напряжения по отношению к изменению скорости вращения первичных двигателей, когда номинальная частота генератора составляет 60 Гц.
При оптимизации средство, выполненное с возможностью оптимизации потребления топлива, может включать в себя также модель генераторов. В таком случае на этой модели моделируется работа генераторов. Модель дает оценки относящейся к первичным двигателям характеристики, а также оценки этой характеристики при различных скоростях вращения. После того как модель даст оптимизированную характеристику, такую как минимальное потребление топлива при определенной величине скорости вращения, эта скорость вращения задается в качестве опорной для реального процесса.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения средства, выполненные с возможностью оптимизации относящейся к первичным двигателям характеристики, содержат средство, выполненное с возможностью получения величин характеристики, оптимизированной во время использования первичных двигателей. Эти полученные величин собирались в течение некоего периода, предпочтительно, до оптимизации для получения считываемой справочной таблицы или подобной ей базы данных. Для получения этих величин система принимает сигналы, представляющие величины, которые измерены в этой системе1). Такими величинами являются, например, данные о потреблении топлива. Измеренное потребление топлива передается на средство, выполненное с возможностью оптимизации характеристики, вместе с данными о скорости вращения и уровне мощности, таким образом, что при этом может быть сформирована считываемая диаграмма, карта, справочная таблица или им подобная база данных.
Считываемая база данные, такая как справочная таблица, может быть также предоставлена производителем первичного двигателя. Однако если такая база данных не предоставлена, она может быть составлена во время использовании первичных двигателей, когда корабль находится в эксплуатации. В таком случае во время использования корабля скорости вращения генераторов на различных уровнях мощности регулируют вручную или в соответствии с определенной логикой. Оптимизированную характеристику, такую как потребление топлива, измеряют и сохраняют, чтобы сформировать базу данных, которая может быть использована в целях оптимизации.
Для того чтобы сформировать базу данных, может быть сохранена любая измеряемая относящаяся к первичным двигателям характеристика, и на основе этой базы данных эта характеристика также может быть оптимизирована посредством изменения скорости вращения до величины, которая и оптимизирует эту характеристику. Кроме того, на основе данных измерений может быть целесообразным обновить базу данных, поскольку характеристики первичных двигателей во время их работы могут измениться, а смена видов топлива, используемого в первичных двигателях, могут изменить оптимальные области работы.
Частота переменного напряжения, генерируемого системой по настоящему изобретению, является привязанной к 50 Гц или 60 Гц. Если некоторые потребители или нагрузки требуют для своей работы стабильную частоту, это может быть осуществлено посредством использования преобразовательного устройства для обеспечения такого напряжения. Преобразователь может быть преобразователем частоты, соединенным непосредственно с напряжением переменного тока изменяемой частоты, или инвертором, подключенным к напряжению постоянного тока, если имеется таковое. Поскольку напряжение генераторов поддерживается по существу постоянным, преобразователи частоты, используемые в системе для различных нагрузок, не требуют активных коммуникационных преобразователей. Говоря другими словами, преобразователи частоты данной системы могут работать с пассивными выпрямительными мостиками, поскольку напряжение в частотных преобразователях усиления не требует.
Используемый в настоящем изобретении первичный двигатель может быть вращающейся машиной любого типа, которая, питаясь от источника энергии, создает вращательное движение. Примерами таких машин являются, но ими не ограничиваются, двигатели внутреннего сгорания, такие как дизельные двигатели, газовые турбины или двигатели, которые используют мазут или газ в любой форме. Диаграмма по фигуре 1 дополнительно приведена в качестве примера диаграммы, которая может быть использована при оптимизации относящихся к первичным двигателям характеристик. Эта диаграмма по фигуре 1 составлена для того, чтобы проиллюстрировать полученные посредством данного изобретения преимущества.
Тип генератора, подсоединенного к валу первичного двигателя, не ограничивается генератором какого-либо конкретного типа. Один или несколько генераторов по настоящему изобретению, предпочтительно, являются синхронными генераторами. Однако изобретение может быть осуществлено также и с другими генераторами переменного тока.
В соответствии с изобретением предусмотрена опорная величина для амплитуды многофазного напряжения. Эта опорная величина для амплитуды может иметь постоянное значение, и тогда генератор выполнен с возможностью такой работы, чтобы выдавалась фиксированная амплитуда. Как известно, хотя опорная величина для амплитуды является фиксированной, амплитуда в определенных пределах - с учетом динамических изменений в системе - может изменяться. Например, амплитуда может изменяться в пределах ± 5% от номинального или расчетного значения напряжения.
Система по настоящему изобретению выполнена с возможностью работы в по меньшей мере трех рабочих точках, причем, эти рабочие точки определены отношением амплитуды многофазного напряжения к частоте этого многофазного напряжения. Эти три рабочих точки могут быть, например, рабочими точками, в которых амплитуда напряжения является постоянной, а частота имеет три различные величины, такие как номинальная частота системы, самая низкая допустимая частота системы и частота, соответствующей 90% от номинальной частоты системы. Кроме того, эти три рабочие точки могут быть рабочими точками, в которых частота является постоянной, а напряжение имеет величины в 100%, 98% и 97% от номинального напряжения. Понятно, что эти по меньшей мере три рабочие точки могут быть достигнуты множеством различных способов.
В соответствии с вариантом осуществления рабочая точка имеет наименьшее значение при номинальной частоте и при номинальном напряжении. Вышеупомянутая электрическая рабочая точка определяет работу в координатах напряжение/частота. Когда минимальная величина этого отношения имеет место при номинальной частоте fnom и при номинальном напряжении Vnom, как показано на фигуре 4, другие возможные рабочие точки расположены над показанной на фигуре 4 линией 41 постоянного отношения. Когда частота электрической системы изменяется, используя известное постоянное "вольт-герцовое" отношение, вышеопределенная рабочая точка остается постоянной и следует по упомянутой линии 41.
В соответствии с настоящим описанием амплитуда генерируемого напряжения регулируется так, чтобы она изменялась вместе с частотой таким образом, чтобы постоянное "вольт-герцовое" отношение не сохранялось. Например, амплитуда напряжения снижается на 5% от расчетного значения, когда частота находится на самой низкой допустимой величине, которая может составлять, например, 75% от номинальной частоты. При таком уменьшении амплитуды напряжения должны быть разработаны магнитные компоненты, способные противостоять без насыщения лишь немного более высоким магнитным потокам, чем обычно. Таким образом, при небольших изменениях частоты напряжение может оставаться на расчетной величине и может уменьшаться только при более сильных уменьшениях частоты. Изменение амплитуды напряжения с частотой не должно быть линейным. Опорную величину скорости вращения и опорную величину амплитуды комбинации «генератор - первичный двигатель» задают отдельно. Несмотря на то, что эти опорные величины являются независимыми друг от друга, между этими опорными величинами может быть обеспечено некоторое соотношение. Кроме того, когда между частотой и амплитудой напряжения установлено некое соотношение, при заданной скорости вращения первичного двигателя опорная величина амплитуды может быть считана из таблицы или из чего-либо подобного.
В соответствии с вариантом осуществления опорная величина амплитуды первичного двигателя получается с возможностью изменения, чтобы уменьшить изменение величины магнитного потока таким образом, чтобы максимальное увеличение величины магнитного потока было ограниченно до приблизительно 5% от расчетной величины магнитного потока.
Незначительная корректировка напряжения по отношению к частоте особенно годится для модернизированных приложений, в которых существующая установка модифицирована в систему переменной частоты без изменения всех компонентов. В этой связи анализируют магнитную конструкцию существующих магнитных компонентов и определяют значения частоты напряжения таким образом, чтобы они соответствовали компонентам системы. В связи с новыми установками при расчете магнитных свойств компонентов системы может учитываться небольшое уменьшение амплитуды напряжения. Когда амплитуда напряжения уменьшается, магнитные сердечники могут быть сделаны несколько меньшими. Однако когда амплитуда напряжения снижается, снижается и доступная для отдельных потребителей электрическая мощность и несколько ухудшается оптимизация работы системы.
Выше описана система, относящаяся к кораблю или судну. Эта система может также использоваться в качестве отдельной "микросети", в которой электрическая энергия вырабатывается с помощью генераторов, вращаемых посредством первичных двигателей.
Для специалиста в данной области техники будет очевидно, что концепция данного изобретения может быть реализована обусловленными техническим прогрессом различными способами. Изобретение и варианты его осуществления не ограничены описанными выше примерами, а могут изменяться в пределах объема пунктов формулы изобретения.
1. Система для генерирования электрической мощности, содержащая один или более генераторов для производства электрической энергии, причем каждый генератор выполнен с возможностью привода посредством соответствующего первичного двигателя, и при этом
генераторами являются многофазные генераторы переменного тока, выполненные с возможностью генерирования многофазного напряжения, имеющего частоту и амплитуду,
фазовые выходы генераторов могут подсоединяться к общей многофазной шине для распределения электрической энергии, генерируемой генераторами переменного тока,
система дополнительно содержит средство для обеспечения независимых опорных величин для скорости вращения первичных двигателей и для амплитуды многофазного напряжения, при этом скорость вращения первичных двигателей определяет частоту многофазного напряжения, и
система выполнена с возможностью работы в по меньшей мере трех рабочих точках на основании предоставленных независимых опорных величин, причем рабочая точка определена посредством отношения амплитуды многофазного напряжения к частоте многофазного напряжения, при этом упомянутые по меньшей мере три рабочие точки являются разными.
2. Система для генерирования электрической мощности по п. 1, при этом система для генерирования электрической мощности содержит средство, выполненное с возможностью оптимизации относящейся к первичным двигателям характеристики посредством регулирования опорной величины скорости вращения первичных двигателей.
3. Система для генерирования электрической мощности по п. 2, в которой средство, выполненное с возможностью оптимизации относящейся к первичным двигателям характеристики, содержит
- считываемую базу данных, указывающую оптимизированную характеристику в виде функции скорости вращения первичных двигателей и уровня нагрузки первичных двигателей,
- средство, выполненное с возможностью считывания базы данных на основании известного уровня нагрузки первичных двигателей и выполненное с возможностью выдачи опорной величины скорости вращения, оптимизирующей относящуюся к первичным двигателям характеристику.
4. Система для генерирования электрической мощности по п. 2 или 3, в которой средство, выполненное с возможностью оптимизации относящейся к первичным двигателям характеристики, содержит средство, выполненное с возможностью приема величин оптимизированной характеристики во время использования первичных двигателей, и
средство, выполненное с возможностью сохранения принятых величин оптимизированной характеристики вместе с соответствующим уровнем нагрузки и скоростью вращения в считываемой базе данных.
5. Система для генерирования электрической мощности по п. 2, 3 или 4, в которой средство, выполненное с возможностью оптимизации относящейся к первичным двигателям характеристики, встроено в систему управления более высокого уровня, такую как система управления энергоснабжением.
6. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пп. 2-5, в которой средство, выполненное с возможностью оптимизации относящейся к первичным двигателям характеристики, дополнительно содержит нижнюю предельную величину для опорной величины скорости вращения первичных двигателей, которая предпочтительно составляет 60% от номинальной скорости вращения одного или более генераторов.
7. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пунктов, в которой один или более генераторов переменного тока являются трехфазными генераторами.
8. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пунктов, в которой к общей многофазной шине подсоединено преобразовательное устройство для создания напряжения, имеющего фиксированную частоту, или к общей многофазной шине подсоединено преобразовательное устройство для создания напряжения постоянного тока.
9. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пп. 2-8, в которой средство, выполненное с возможностью оптимизации относящейся к первичным двигателям характеристики, работает после того, как уровень нагрузки генераторов в течение установленного периода времени находится на по существу неизменном уровне.
10. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пп. 2-9, в которой средство, выполненное с возможностью оптимизации относящейся к первичным двигателям характеристики, выполнено с возможностью выбора количества первичных двигателей, которые работают.
11. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пп. 2-10, в которой относящаяся к первичным двигателям характеристика представляет собой потребление топлива первичными двигателями.
12. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пп. 2-10, в которой относящаяся к первичным двигателям характеристика представляет собой уровень выбросов первичных двигателей.
13. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пп. 2-10, в которой относящаяся к первичным двигателям характеристика представляет собой уровень шума первичных двигателей.
14. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пп. 1-13, в которой опорную величину скорости вращения первичных двигателей регулируют до фиксированной величины.
15. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пп. 1-13, в которой опорная величина амплитуды многофазного напряжения является постоянной, а частоту многофазного напряжения регулируют посредством регулирования опорной величины скорости вращения первичных двигателей.
16. Система для генерирования электрической мощности по п. 15, в которой величина магнитного потока магнитных компонентов системы для генерирования электрической мощности изменяется, когда изменяется частота генерируемого напряжения.
17. Система для генерирования электрической мощности по любому из предшествующих пп. 1-14, в которой опорная величина амплитуды многофазного напряжения выполнена с возможностью изменения для уменьшения изменения величины магнитного потока таким образом, чтобы максимальное увеличение величины магнитного потока было ограничено приблизительно 5% от расчетной величины магнитного потока.
18. Корабль, содержащий систему для генерирования электрической мощности по любому из пп. 1-17.
19. Способ в системе для генерирования электрической мощности, содержащей один или более генераторов для выработки электрической энергии, причем каждый генератор приводится соответствующим первичным двигателем, при этом способ включает в себя
- обеспечение независимых опорных величин для скорости вращения первичных двигателей и для амплитуды многофазного напряжения генераторов, при этом скорость вращения первичных двигателей определяет частоту многофазного напряжения,
- подсоединение фазовых выходов генераторов к общей многофазной шине для распределения электрической энергии, генерируемой генераторами переменного тока, и
- работу генераторов в по меньшей мере трех рабочих точках на основе обеспеченных независимых опорных величин, причем рабочая точка определяется отношением амплитуды многофазного напряжения к частоте многофазного напряжения, при этом упомянутые по меньшей мере три рабочие точки являются разными.
