Стартер-генератор автономної енергосистеми

1. Стартер-генератор автономної енергосистеми, обмотка статора якої під час пуску замкнена накоротко, а при робочому режимі підключена до трифазної енергосистеми змінного струму, обмотка ротора підключена до виходу перетворювача частоти, вхід якого підключений до трифазної ене 3 вача частоти підключений до резервної енергосистеми змінного струму, при роботі асинхронної машини в режимі генератора автономної енергосистеми змінного струму вхід перетворювача частоти підключається до резервної енергосистеми змінного струму при розімкненій обмотці статора, обмотка статора асинхронної машини після збудження підключається до автономної енергосистеми змінного струму. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями. На фіг. 1 приведена функціональна електрична схема стартер-генератора. На фіг. 2 приведені діаграми залежності частоти обертання асинхронної машини від часу в стартерному режимі та діапазон швидкості обертання в генераторному режимі. На фіг. 3 приведена схема заміщення та векторна діаграма асинхронної машини в режимі генератора. На фіг. 4 приведені залежності повної, активної та реактивної розрахункових потужностей ротора асинхронної машини при роботі в режимі генератора з постійним навантаженням і зміні ковзання машини нижче та вище синхронної. Опис в статиці. На фіг. 1 приведені такі позначення: 1 - асинхронна машина з фазним ротором; 2, 3, 5, 6 - вимикачі; 4 - перетворювач частоти. t На фіг. 2 представлені такі позначення: 1 момент часу початку горіння в камері згорання t газової турбіни; 2 - момент часу відключення перетворювача частоти від резервної мережі живt лення змінного струму вимикачем 5; 3 - момент t часу розмикання вимикача 3; 4 - момент часу закінчення розгону, технологічної прокрутки в режимі холостого ходу та підключення навантаження n ГТА; c - синхронна частота обертання магнітного n / 2 - полополя статора асинхронної машини; c вина синхронної частоти обертання магнітного n n поля статора асинхронної машини; max та min максимальна та мінімальна частота обертання асинхронної машини в генераторному режимі. r , x ,r , x На фіг. 3,а прийняті позначення: 1 1 2 2 активні опори та опори розсіювання первинної та x вторинної обмоток асинхронної машини; m - індуктивний опір взаємоіндукції асинхронної машиU I ни; 1c та 1 - напруга автономної мережі змінного U I струму та струм в обмотці статора; 2 та 2 - вихідна напруга перетворювача частоти та струм в E обмотці ротора асинхронної машини;  - результуюча електрорушійна сила (ЕРС) асинхронної I машини;  - результуюча намагнічуюча сила в масштабі струму статора; s - величина ковзання асинхронної машини. E На фіг. 3,b показані позначення: 2p - сумарна ЕРС обмотки ротора, яка включає результуючу ЕРС асинхронної машини та ЕРС, наведену полем E розсіювання в обмотці ротора; f - ЕРС збуджен 58264 4 U E  ня;  - кут між векторами 1 та f ; p - кут між E E  U векторами 2p та f ; 1 - кут між векторами 1 r x jI I I та 1 ; 1 1 та 1 1 - падіння напруги на активному r I та індуктивному опорі обмотки статора; 2 2 та j2 x 2 I - падіння напруги на активному та індуктивj x I ному опорі обмотки ротора; 1 m - падіння напруги на індуктивному опорі взаємоіндукції. E s На фіг. 3,с показані позначення: 2p A та E 2p  sF - значення сумарної ЕРС ротора при зміні ковзання s ; точки А, В, С, D, F відповідають знаU2 - UA, UB, UC, UD, UF перетворювача ченням s ,s ,s ,s ,s частоти при ковзаннях A B C D F відповідно. На фіг. 4 представлені такі позначення: S2, P2, Q2 - повна, активна та реактивна потужносs ,s s ті перетворювача частоти; B C та D - ковзання, які відповідають точкам В, С та D. Принцип роботи. Обмотка статора асинхронної машини 1 з числом пар полюсів p підключена до автономної мережі живлення змінного струму через вимикач 2 або замкнена накоротко через вимикач 3. Обмотка ротора через перетворювач частоти 4 підключена до резервної мережі живлення змінного струму через вимикач 5 (фіг. 1). Під час роботи асинхронної машини в режимі стартера вимикачі 2 та 6 розімкнені, а вимикачі 3 та 5 замкнені (фіг. 1). На фіг. 2 показана робота асинхронної маши0  t2 . На ни в стартерному режимі на ділянці часу 0  t1 асинхронна машина самостійно приділянці водить в рух газотурбінний агрегат (ГТА). В моt мент часу 1 починається горіння в камері згоранt1  t2 ГТА ня газової турбіни. На ділянці приводиться в рух як асинхронною машиною, так і газовою турбіною. При цьому потужність та обертовий момент асинхронної машини зменшується t практично до нуля. В момент часу 2 перетворювач частоти відключається від резервної мережі живлення змінного струму вимикачем 5. Далі ГТА розганяється газовою турбіною самостійно. В моt мент часу 3 розмикається вимикач 3. На ділянці t3  t4 продовжується розгін ГТА за допомогою газової турбіни, виконується технологічна прокрутка ГТА в режимі холостого ходу, проводиться підключення навантаження ГТА при заданій по технології виробництва швидкості обертання. Під час роботи ГТА в режимі холостого ходу або навантаження, обмотка ротора асинхронної машини через перетворювач частоти 4 підключається до резервної мережі живлення змінного струму через вимикач 5, асинхронна машина збуджується, частота та напруги статора асинхронної машини доводяться до номінальних величин, ста 5 торна обмотка підключається до автономної мережі змінного струму через вимикач 2. На фіг. 2 показані швидкості обертання валу n  f / p - синхронна швидасинхронної машини: c n  nc та nmin  nc - максимальна кість в об/с; max та мінімальна швидкість обертання в генераторному режимі. В стартерному режимі швидкість валу асинхронної машини змінюється від нуля до n / 2 . Вал газовеличини, близької до величини c вої турбіни зв'язаний з валом асинхронної машини через редуктор. На схемі заміщення асинхронної машини в режимі генератора (фіг. 3,а) прийняті позначення: r1, x1, r2, x2 - активні опори та опори розсіювання U ,I первинної та вторинної обмоток; 1c 1 - напруга автономної мережі змінного струму та струм стаU ,I тора; 2 2 - вихідна напруга перетворювача часE тоти та струм ротора;  - результуюча електроI рушійна сила (ЕРС) машини;  - результуючий струм; s - величина ковзання. Параметри ротора приведені до статора. Рівняння напруг та намагнічуючих сил:   U1c  E  j1x1  1r1  0 I I  U2  r  E  j2 x 2  2 2  0 I I s s     I1 I2 I (1) На фіг. 3,b показана векторна діаграма асинх  U  U1c ронної машини при ковзані s  1 , на якій 1 , 1 - кут між векторами U1 та I1 , результуюча ЕРС   I E  U1  1r1  j1x1 I , результуюча ЕРС ротора   E  j x  E2 I2 2  . Напруга перетворювача частоти   U2  E2  s  2r2 I , або    r E s  U2 I2 2 2 (2) При незмінному навантажені генератора незалежно від ковзання незмінними будуть величини I I1 та I2 , а значить і величина 2r2 . На фіг. 3,с показана векторна діаграма асинхронної машини при незмінному навантажені генератора та зміні ковзання s від додатної величини sA до від'ємної величини sF . Напруга перетворюU вача частоти 2 визначається відповідно рівнян U ню (2). Вектор напруги 2 ковзає по лінії напруги AF. Активна потужність перетворювача частоти P  m I2  U2  cos2 , де 2 - кут між векторами 2 U2 та I2 . Реактивна потужність перетворювача частоти 58264 6 Q2  m I2  U2  sin 2 .  Повна потужність S2  m I2  U2 . перетворювача частоти s В точці С на фіг. 3,с при ковзані c напруга U перетворювача частоти C мінімальна, мінімальS ною буде і величина повної потужності 2C . В s  0 напруга перетворювача точці В при ковзані B U2  I2  r2 , частоти активна потужність P2B  m  I2  r2 2 Q2B  0 . В , реактивна потужність s точці D при ковзані D напруга перетворювача P  0 . При поU частоти D , активна потужність 2D дальшому збільшені швидкості, а значить збільs P шені величини активна потужність 2 передається від ротора через перетворювач частоти в мережу. P На фіг. 4 показані залежності активної 2 , реQ S активної 2 та повної 2 потужностей перетворювача частоти від ковзання s . На фіг. 4 показані s  0 , sC та sD . При застосуванні пековзання B ретворювачів частоти з односторонньою передачею активної потужності (від перетворювача частоти до ротора асинхронної машини) величина n максимальної швидкості max визначається велиn  nc  1 sD . s чиною ковзання D , при цьому max При застосуванні перетворювачів частоти з двохсторонньою передачею активної потужності велиn чина максимальної швидкості max може бути n  1 sD  . більшою величини c При роботі асинхронної машини в режимі генератора автономної енергосистеми змінного струму вхід перетворювача частоти після збудження генератора може бути підключеним безпосередньо до автономної енергосистеми змінного струму. Для цього розмикають вимикач 5 і замикають вимикач 6. Враховуючи зазначене, можна зробити висновок, що запропонована модель стартергенератора є достатньо ефективна і може бути успішно застосована в газотурбінних та інших установках. Позитивний ефект від застосування даної моделі полягає в використанні нереверсивного перетворювача меншої від номінальної потужності як в стартерному, так і в генераторному режимах, що суттєво знижує вартість електричної машини в цілому. 7 58264 8 9 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 58264 Підписне 10 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601