[1]Изобретение относится к области электротехники, а именно к автономным системам надежного электроснабжения (АСНЭ), содержащим в своем составе основной источник электропитания - трехфазный синхронный генератор с постоянными магнитами (СГПМ), приводимый во вращение движителем с постоянной частотой вращения, резервный источник электропитания - аккумуляторную батарею (АБ) и устройство преобразования электроэнергии - статический обратимый преобразователь (СОП), который осуществляет двунаправленное преобразование электроэнергии от СГПМ к АБ и обратно.
[2]Особенностью СГПМ является нестабильность его выходного напряжения при изменении значения тока и коэффициента мощности нагрузки. С целью стабилизации напряжения СГПМ используются дополнительные устройства, которые осуществляют подмагничивание генератора. Такую функцию можно реализовать, в частности, с помощью активного выпрямителя напряжения (АВН).
[3]Принципиальная схема АВН, представленная, например, в [1], изображена на фиг. 1.
[4]Если к АВН со стороны переменного тока подключить трехфазный СГПМ, а со стороны постоянного тока - АБ, то посредством АВН может осуществляться двунаправленная передача энергии от сети переменного тока (СГПМ) к сети постоянного тока (АБ) и обратно, т.е. АВН будет являться СОП.
[5]Принципиальная схема АСНЭ, содержащая трехфазный СГПМ с постоянной частотой вращения n, АВН (СОП) и АБ, представлена на фиг. 2. На фиг. 2 основной сетью электропитания является трехфазная сеть переменного тока (А, В, С), а резервной сетью - сеть постоянного тока (+, -).
[6]При нормальной работе СГПМ и АБ устройство преобразования электроэнергии, работающее в качестве АВН, производит как заряд (подзаряд) АБ и питание потребителей постоянного тока резервной сети посредством регулирования и стабилизации напряжения постоянного тока на шинах +, -, так и стабилизацию напряжения СГПМ - напряжения основной сети переменного тока на шинах А, В, С. Данный режим СОП называется зарядным или выпрямительным.
[7]При выводе из работы основного источника электропитания (СГПМ) устройство преобразования электроэнергии осуществляет в режиме автономного инвертора напряжения питание потребителей основной сети переменного тока путем преобразования энергии от резервного источника электропитания (АБ) в трехфазное стабилизированное напряжение на шинах А, В, C: Данный режим СОП называется инверторным.
[8]При выводе из работы АБ устройство преобразования электроэнергии осуществляет стабилизацию напряжения СГПМ.
[9]Часть схемы фиг. 2, не содержащая АБ, представленная в [2], выбрана в качестве прототипа (фиг. 3). Данное решение позволяет стабилизировать выходное напряжение СГПМ при изменении тока и коэффициента мощности нагрузки [2].
[10]Недостатком этой схемы при ее использовании в составе АСНЭ, содержащей АБ, является наличие гальванической связи между сетями переменного и постоянного тока и несогласованность значений напряжения в данных сетях. Для гальванической развязки и согласования значений напряжения сетей переменного и постоянного тока используют трансформатор с применением СОП (см., например, [3]).
[11]На фиг. 4 представлена принципиальная схема АСНЭ, содержащая СГПМ, АВН (СОП), АБ и трансформатор Т.
[12]В случае если потребители переменного тока используют стандартную частоту 50 Гц, СГПМ и Т также должны быть выполнены на частоту 50 Гц.
[13]Недостатком использования в АСНЭ трансформатора является ухудшение ее массогабаритных и виброакустических характеристик.
[14]Целью предлагаемого технического решения является улучшение массогабаритных и виброакустических характеристик АСНЭ, содержащей СГПМ, АВН (СОП) и АБ, при обеспечении двунаправленной передачи энергии между сетями переменного и постоянного тока, гальванической развязки между ними, стабилизации напряжения сети переменного тока, регулирования и стабилизации напряжения сети постоянного тока, а также обеспечение стартерного режима СГПМ.
[15]Принципиальная электрическая схема АСНЭ, отражающая предлагаемое техническое решение, представлена на фиг. 5.
[16]В схеме фиг. 5 СГПМ имеет основную трехфазную обмотку, формирующую напряжение основной сети переменного тока на шинах А1, В1, С1, и дополнительную трехфазную обмотку, подключенную к АВН (СОП) через клеммы А2, В2, С2. Обе обмотки гальванически развязаны и связаны через общий магнитопровод. С помощью дополнительной обмотки осуществляется стабилизация напряжения сети переменного тока путем подмагничивания СГПМ.
[17]Дополнительная трехфазная обмотка СГПМ укладывается в те же пазы статора, что и основная обмотка СГПМ, что представлено на фиг. 6.
[18]Коэффициент трансформации между основной и дополнительной обмотками выбирается таким образом, чтобы обеспечить работу АСНЭ в указанных выше режимах СОП при заданных значениях напряжений СГПМ и АБ.
[19]Пример расчета коэффициента трансформации между основной и дополнительной обмотками.
[20]Примем: - фазное напряжение основной сети (основной обмотки СГПМ)
[22]- напряжение резервной сети (АБ) UAБ=(175…320) В.
[23]В соответствии с [1] выходное напряжение АВН Ud>2,45⋅U1=539 В, поэтому понижающий коэффициент трансформации между основной и дополнительной обмотками должен быть: KТ>539 В/175 В=3,08.
[24]Для обеспечения необходимого запаса примем для дальнейших расчетов KT=3,5.
[25]С учетом того, что система управления АВН обладает двухконтурной системой регулирования активной и реактивной составляющих его входного тока [1,4], предлагаемая АСНЭ (фиг. 5) в различных режимах работает следующим образом.
[26]1. СГПМ находится в нормальной работе. АБ выведена из работы.
[27]Этот режим соответствует выпрямительному режиму СОП. От СГПМ осуществляется электропитание потребителей переменного и постоянного тока.
[28]Стабилизация выходного линейного напряжения на шинах А1, В1, С1 на уровне 380 В осуществляется в функции значения тока и коэффициента мощности нагрузки регулированием реактивного тока дополнительной обмотки, которое осуществляется контуром регулирования реактивного тока АВН [4]. Данный ток обеспечивается за счет реактивной энергии, накопленной в буферных реакторах и конденсаторе АВН на стороне постоянного тока. При этом магнитный поток основной обмотки регулируется таким образом, чтобы обеспечить стабильность выходного напряжения СГПМ на шинах А1, В1, С1.
[29]Регулирование и стабилизация напряжения постоянного тока в диапазоне (175…320) В на шинах +, - осуществляется при помощи контура регулирования активной составляющей тока АВН, протекающего в буферных реакторах.
[30]2. СГПМ выведен из работы путем механического отсоединения ротора СГПМ от вала движителя. АБ в нормальной работе.
[31]Этот режим соответствует инверторному режиму СОП. АБ является источником электропитания потребителей переменного и постоянного тока.
[32]Потребители постоянного тока питаются напрямую от АБ напряжением (175…320) В. АВН работает в режиме автономного инвертора напряжения (АИН), обеспечивающего электропитание потребителей переменного тока.
[33]При напряжении АБ, равном 175 В, максимальное действующее значение фазного напряжения АИН (фазное напряжение дополнительной обмотки), соответствующее максимальному времени открытия транзисторов на периоде ШИМ, равно: UAИН=175 В/2,45=71,4 В.
[34]С учетом коэффициента трансформации KT=3,5 максимальное действующее значение фазного напряжения основной обмотки равно: U1=3,5⋅71,4 В=250 В. Для получения номинального фазного напряжения основной сети 220 Е осуществляется регулирование напряжения АИН вниз в режиме ШИМ.
[35]При напряжении АБ, равном 320 В, максимальное действующее значение фазного напряжения основной обмотки равно: U1=457 В. Для получения номинального фазного напряжения основной сети 220 В осуществляется регулирование напряжения АИН вниз в режиме ШИМ.
[36]Из приведенных выше расчетов следует, что выбранный коэффициент трансформации обеспечивает формирование действующего значения фазного напряжения основной сети переменного тока на уровне 220 В. Стабилизация данного напряжения при изменении тока и коэффициента мощности нагрузки осуществляется с помощью подмагничивания СГПМ путем регулирования реактивного тока АВН за счет энергии, накопленной в буферных реакторах и конденсаторе АВН на стороне постоянного тока.
[37]В этом режиме СГПМ работает в режиме двигателя на холостом ходу, что соответствует стартерному режиму СГПМ.
[38]3. СГПМ и АБ в нормальной работе. Этот режим соответствует зарядному и выпрямительному режиму СОП и нормальному функционированию энергосистемы.
[39]В отличие от режима п. 1 в данном режиме СГПМ, помимо электропитания потребителей переменного и постоянного тока, осуществляет также заряд (подзаряд) АБ. В остальном этот режим идентичен режиму п. 1.
[40]Изложенная выше методика расчета коэффициента трансформации между основной и дополнительной обмотками может быть использована для расчета коэффициента трансформации при других соотношениях значений напряжений основной сети переменного тока и резервной сети постоянного тока.
[41]Из изложенного видно, что во всех режимах, характерных для работы АСНЭ; предлагаемое техническое решение позволяет стабилизировать напряжение на шинах переменного тока A1, B1, С1, а также стабилизировать и регулировать напряжение на шинах постоянного тока +, - с осуществлением гальванической развязки между сетями переменного и постоянного тока.
[43][1] Р.Т. Шрейнер. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург: УРО РАН, 2000, 654 с.
[44][2] С.А. Харитонов, Д.В. Коробков, Д.В. Макаров, А.Г. Гарганеев. Стабилизация напряжения синхронного генератора с постоянными магнитами при переменной нагрузке. Доклады ТУСУР №1 (25), ч. 1, июнь 2012 г.
[45][3] А.Р. Мамутов, М.В. Пронин, А.Г. Воронцов. Моделирование обратимого статического многотактного преобразователя переменно-постоянного напряжения. Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» №10, 2013 г.
[46][4] Н.Ю. Шевырева. Повышение качества электроэнергии при электроснабжении буровых установок с частотно-регулируемым электроприводом: Диссертация на соискание ученой степей канд. техн. наук: 05.09.03 / Шевырёва Наталия Юрьевна. - Москва, 2016. - 173 с.
