Електроенергетична установка

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к устройствам, представляющим собой синтез электрической машины с симметричным статором и ротором и управляющего преобразователя частоты в цепи ротора. Электроэнергетические установки подобного типа, способные генерировать напряжение постоянной частоты при переменной частоте вращения, обладают принципиально большими, чем синхронные генераторы пределами устойчивости. Известна электроэнергетическая установка [1]с большим диапазоном регулирования частоты вращения (±30%). Недостатком такой установки является ее малая мощность. С увеличением мощности асинхронной машины мощность возбуждения существенно возрастает. В мощных асинхронных машинах увеличение диапазона регулирования резко увеличивает мощность возбуждения, в эти х условиях теряется экономическая целесообразность применения названных машин в мощных энергетических установках. Известна электроэнергетическая установка [2], содержащая асинхронный генератор-двигатель, работающая в режиме генерирования электрической энергии и в насосном режиме на гидроаккумуляторных станциях. Генератор-двигатель работает при асинхронной частоте вращения и возбуждения обмотки ротора переменным током с частотой, соответствующей разности частот энергосистемы и частоты вращения генератора-двигателя. Устройство содержит асинхронный генератор, обмотки которого подключены к энергосистеме и к выходу преобразователя частоты, управляемые ключи, включенные в места связи обмотки статора асинхронного генератора с энергосистемой и входа преобразователя частоты с источником переменного тока, автоматический регулятор тока возбуждения и датчик частоты вращения. Недостатком прототипа является малый допустимый диапазон регулирования частоты вращения гидроагрегата, не превышающий ±5%, т.е. малый диапазон работы по частоте электроэнергетической установки, так как увеличение диапазона работы по частоте приведёт к значительному росту мощности возбуждения и снижению надежности. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования электроэнергетической установки, путем введения элементов управления и регулирования новых взаимосвязей элементов установки, чем обеспечивается расширение работы по частоте, снижение мощности возбуждения и повышение надежности. Поставленная задача решается тем, что в электроэнергетической установке, содержащей асинхронный генератор, многофазные обмотки переменного тока статора и ротора которого выполнены с числом пар полюсов p1, фазные выводы обмотки статора через силовые контакты первого управляемого ключа соединены с одноименными фазными выводами для подключения к энергосистеме, а фазные выводы обмотки ротора подключены к силовому выходу первого преобразователя частоты, силовой вход которого соединен с первыми выводами силовых контактов второго управляемого ключа, первый автоматический регулятор тока возбуждения с двумя информационными входами, первый из которых связан с фазными выводами обмотки статора, а второй соединен с выходом датчика частоты вращения ротора, выход регулятора тока возбуждения соединен с управляющим входом первого преобразователя частоты, согласно изобретению, асинхронный генератор снабжен дополнительными многофазными обмотками на статоре и роторе с числом пар полюсов р2, и дополнительно введены второй преобразователь частоты, второй автоматический регулятор тока возбуждения, два блока задержки сигнала и компаратор, третий, четвертый и пятый управляемые ключи с силовыми замыкающими контактными группами, первый, второй, третий и четвертый управляемые ключи выполнены с двумя входами управления с дополнительным сигнальным выходом, а пятый управляемый ключ имеет переключающую контактную группу, при этом фазные выводы дополнительной обмотки статора связаны через силовые контакты третьего управляемого ключа с одноименными фазными выводами для подключения к энергосистеме, фазные выводы дополнительной ос мотки ротора соединены с силовым выходом второго преобразователя частоты, силовой вход которого через силовые контакты четвертого управляемого ключа соединен с фазными выводами первой обмотки статора асинхронного генератора, фазные выводы второй обмотки статора соединены с вторыми выводами силовых контактов второго управляемого ключа, первый информационный вход второго автоматического регулятора тока возбуждения подключен к фазным выводам второй обмотки статора, а второй информационный вход -• к выходу датчика частоты вращения ротора, выход второго автоматического регулятора тока возбуждения соединен с управляющим входом второго преобразователя частоты, вход управления пятого управляемого ключа через компаратор соединен с выходом датчика частоты вращения ротора, первый выход переключающей контактной группы пятого управляемого ключа соединен с выключающим входом второго преобразователя частоты и, через первый блок задержки сигнала со вторыми входами управления третьего и четвертого управляемых ключей и первым входом управления первого управляемого ключа, второй выход переключающей контактной группы пятого управляемого ключа соединен с выключающим входом первого преобразователя частоты и через второй блок задержки сигнала с вторыми входами управления первого и второго управляемых ключей и первым входом управления третьего управляемого ключа, сигнальные выходы первого и третьего управляемых ключей соответственно соединены с первыми входами управления второго и четвертого управляемых ключей, а сигнальные выходы второго и четвертого управляемых ключей соединены со вторыми входами управления соответственно четвертого и второго управляемых ключей. Отличие предложенного устройства от прототипа (2] состоит в том, что асинхронный генератор снабжен дополнительными многофазными обмотками на статоре и роторе счислом пар полюсов р 2, а также дополнительно введены элементы управления и регулирования - второй преобразователь частоты, второй автоматический регулятор тока возбуждения, два блока задержки сигнала и компаратор, что позволяет обеспечить раздельную работу обмоток с числом пар полюсов p1 или р2 в зависимости от частоты вращения ротора агрегата. Таким образом, достигается расширение работы по частоте и значительное снижение мощности возбуждения. Питание первого и второго преобразователей частоты со стороны переменного тока от выводов первой обмотки ротора с числом пар полюсов р1 и второй обмотки ротора с числом пар полюсов р2 обеспечивает независимость питания цепей возбуждения генератора от энергосистемы, что повышает надежность электроэнергетической установки. На фиг. 1 приведена принципиальная схема электроэнергетической установки. На фиг. 2 представлены графики зависимостей мощности возбуждения от полной мощности генератора в функции частоты вращения ротора. Электроэнергетическая установка, согласно изобретению, содержит асинхронный генератор 1 (см. фиг. 4), обмотки статора 2 и ротора 3 которого с числом пар полюсов pi выводами подключены к энергосистеме и силовому вы ходу первого преобразователя частоты 4, первый 5 и второй 6 управляемые ключи, первый автоматический регулятор тока возбуждения 7, подключенный первым и вторым информационными входами соответственно к выводам обмотки статора 2 и выходу датчика частоты вращения ротора 8. Выход первого автоматического регулятора тока возбуждения 7 связан с управляющим входом первого преобразователя частоты 4. Устройство также содержит вторые обмотки статора 9, ротора 10 с числом пар полюсов p2, третий 11 и че твертый 12 управляемые ключи, второй преобразователь частоты 13, второй автоматический регулятор тока возбуждения 14, компаратор 15, пятый управляемый ключ 16, первый 17 и второй 18 блоки задержки сигнала. Вторая обмотка статора 9 подключена к энергосистеме через третий управляемый ключ 11. Фазные выводы второй обмотки ротора 10 подключены к силовому выходу второго преобразователя частоты 13, силовой вход которого связан с фазными выводами обмотки статора 2 через силовые контакты четвертого управляемого ключа 12. Силовой вход первого преобразователя частоты 4 связан с фазными выводами второй обмотки статора 9 через силовые контакты второго управляемого ключа 6. Первый и второй информационные входы второго автоматического регулятора тока возбуждения 14 подключены соответственно к фазным выводам второй обмотки статора 9 асинхронного генератора 1 и к выходу датчика частоты вращения 8. Выход второго автоматического регулятора тока возбуждения 14 подключен к управляющему входу второго преобразователя частоты 13. Вход управления пятого управляемого ключа 16 связан с выходом датчика частоты вращения 8 через компаратор 15. Первый выход пятого управляемого ключа 16 связан с выключающим входом второго преобразователя частоты 13 и входом первого блока задержки 17, выход которого связан со вторыми входами управления третьего 11 и четвертого 12 управляемых ключей и первым входом управления первого управляемого ключа 5. Второйвыход переключающей контактной группы пятого управляемого ключа 16 связан с выключающим входом первого преобразователя частоты 4 и входом второго блока задержки сигнала 18, выход которого связан с вторыми входами управления первого 5 и второго 6 управляемых ключей и первым входом управления третьего управляемого ключа 11. Сигнальные выходы первого 5 и третьего 11 управляемых ключей связаны с первыми управляющими входами второго 6 и четвертого 12 управляемых ключей соответственно. Сигнальный выход второго управляемого ключа 6 подключен к второму входу управления четвертого управляемого ключа 12, сигнальный выход которого связан с вторым входом управления второго управляемого ключа 6. Устройство работает следующим образом. При работе электроэнергетической установки в генераторном режиме с частотой вращения ротора генератора 1 меньше заданной nnзад. в соответствии с сигналом с выхода датчика частоты вращения ротора 8 на выходе компаратора 15 появляется сигнал, вызывающий изменение характера логических сигналов на выходах переключающей контактной группы пятого управляемого ключа 16. На первом выходе пятого ключа 16 появляется логический "0", а на втором выходе логическая "1". Появление логической "1" на втором выходе переключающей контактной группы пятого управляемого ключа 16 приведет к выключению первого преобразователя частоты 4, т.е. потере возбуждения асинхронного генератора 1. С выдержкой времени, определяемой процессом гашения поля генератора 1, сигнал логическая "1" поступает через второй блок задержки 18 на вторые входы управления первого 5 и второго 6 управляемых ключей и первый вход управления третьего управляемого ключа 11. Первый 5 и второй 6 управляемые ключи отключаются, а третий управляемый ключ 11 выключается, при этом ток отсутствует как в обмотке 9, так и во второй обмотке возбуждения 10. Сигнал с сигнального выхода третьего управляемого ключа 11 поступает на первый вход управления четвертого управляемого ключа 12. После отключения второго управляемого ключа 6 сигнал с его сигнального выхода поступает на второй вход управления четвертого управляемого ключа 12. Таким образом, при наличии сигналов логическая "1" на первом и втором входах управления четвертый управляемый ключ 12 включается и обеспечивает подключение второго преобразователя частоты 13 к выводам обмотки статора 2 генератора 1. Одновременно изменение сигнала логическая "1" на сигнал логический "0" на первом выходе переключающей контактной группы пятого управляемого ключа 6, соответственно, и на выключающем входе второго преобразователя частоты 13 обеспечивает прохождение сигнала с выхода второго автоматического регулятора тока возбуждения 14 на управляющий вход второго преобразователя частоты 13. Последнее приводит к тому, что после включения четвертого управляемого ключа 12 на силовом выходе второго преобразователя частоты 13 появляется напряжение соответствующей амплитуды и частоты, которое будет приложено ко второй обмотке ротора 10 генератора 1. Таким образом, генератор 1 переходит с режима работы с обмотками статора 2 и ротора 3 с числом пар полюсов pi на режим работы с обмотками статора 9 и ротора 10с числом пар полюсов р2. На фиг. 2 представлены в качестве примера типичные зависимости мощности возбуждения (в процентах от полной мощности генератора 45 МВА) в функции частоты вращения ротора (при допустимом диапазоне регулирования частоты вращения ротора ± 20%): 1 - генератор с одной обмоткой на статоре и роторе, с числом пар полюсов - р 2 - генератор с двумя обмотками на статоре и роторе и числом пар полюсов одной из обмоток – p1 3 - генератор с двумя обмотками на статоре и роторе и числом пар полюсов одной из обмоток (второй) - р2 При изменении частоты вращения ротора генератора до 80% или до 120% от номинальной, мощность возбуждения достигает 33% от номинальной мощности генератора (кривая 1 фиг.2). При расположении на статоре и роторе по две обмотки с числом пар полюсов, соответственно pi и р2, то максимальная величина мощности возбуждения при частотах вращения nmin = 80% и nmах = 120% от номинальной, может быть уменьшена в два раза (для рассматриваемого примера) при работе генератора, соответственно, с обмоткой на p1 пар полюсов (кривая 2) и с обмоткой на р 2 пар полюсов (кривая 3). Используя известную зависимость синхронной частоты вращения ротора (n) от номинальной 60fn частоты тока сети (fn) n = предлагается при определении числа пар полюсов электрической p машины с двумя обмотками на статоре и роторе исходить из следующи х соотношений 240fn 240fn p1= , p1= с округлением полученных значений p1 и р2 до ближайшего целого и nmax + 3nmin 3nmax + nmin четного числа, при котором обеспечивается выполнение двух схем обмотки с одинаковым числом пазов статора (ротора). При реализации рассмотренного варианта генератора, номинальная частота вращения генератора, равная 100% одновременно может быть частотой, при которой происходит переход работы с числом пар полюсов p1 на p2 и наоборот. В качестве такой заданной частоты может быть выбрана частота, близкая к номинальной.