Спосіб керування генератором із змінною швидкістю та постійною частотою

Реферат: Пропонується спосіб керування електричним генератором з механічним приводом. Генератор генерує вихідну змінну напругу при роботі приводу на робочій швидкості. Спосіб включає в себе кроки підключення генератора до навантаження і зміну робочої швидкості приводу в залежності від навантаження для оптимізації споживання пального. Крім того, частота вихідної напруги змінюється до попередньо заданого рівня. UA 107797 C2 (12) UA 107797 C2 UA 107797 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід стосується електричного генератора з механічним приводом і, зокрема, способу керування змінною швидкістю, постійною частотою електричного генератора з режимом очікування. Електричні генератори широко використовуються в різних застосуваннях. У типовому випадку, коли моніторинг показує, що електроенергія подається комунальним підприємством, індивідуальний електричний генератор працює в режимі очікування, а, коли виникає перерва у постачанні електроенергії комунальним підприємством, привід електричного генератора автоматично запускається, що викликає вироблення електроенергії генератором змінної напруги. Коли електроенергія, яку виробляє генератор змінної напруги, досягне заданої напруги і частоти, необхідної для користувача, комутатор перемикає навантаження користувача від комерційної енергетичної лінії до електричного генератора. Зазвичай, електричні генератори використовують одинарний механічний привід, приєднаний до генератора через загальний вал. При активації приводу колінчатий вал обертає загальний вал і, таким чином, приводить в дію генератор, який генерує електроенергію. Як відомо, більшість електричного обладнання у Сполучених Штатах розрахована на електроенергію з частотою 60 Гц. Частота вихідної електроенергії більшості існуючих до цього часу електричних генераторів залежить від фіксованої робочої швидкості приводу. Зазвичай, задана робоча швидкість приводу для двохполюсного електричного генератора з режимом очікування становить приблизно 3600 обертів на хвилину для забезпечення номінальної частоти і потужності, на яку розрахований пристрій. Одначе, у випадках, коли підключене навантаження споживає меншу потужність, ніж проектна потужність пристрою, ефективність використання пального приводом буде нижчою за оптимальну. Тому зрозуміло, що дуже бажано змінювати робочу швидкість приводу електричного генератора для максимальної ефективності використання пального і, таким чином, зменшення викидів СО 2 приводом для заданого навантаження. Крім того, робота електричного генератора з механічним приводом на попередньо заданій швидкості може створювати небажаний шум. Зрозуміло, що зниження робочої швидкості приводу електричного генератора відповідно до підключеного навантаження зменшить шум приводу електричного генератора. Таким чином, предметом цього винаходу є спосіб керування електричним генератором із змінною швидкістю, постійною частотою і режимом очікування. Крім того, предметом цього винаходу є спосіб керування електричним генератором із змінною швидкістю, постійною частотою і режимом очікування, який для заданого навантаження максимально підвищує ефективність використання пального механічним приводом. Ще одним предметом цього винаходу є спосіб керування генератором із змінною швидкістю, постійною частотою і режимом очікування, цей спосіб є простим і дозволяє зменшити загальні витрати на використання генератора. Ще одним предметом цього винаходу є спосіб керування генератором із змінною швидкістю, постійною частотою і режимом очікування, цей спосіб зменшує шум, викликаний роботою генератора. Згідно цьому винаходу пропонується спосіб керування електричним генератором з механічним приводом. Генератор видає вихідну змінну напругу при роботі приводу на робочій швидкості. Спосіб включає в себе кроки підключення генератора до навантаження і зміни робочої швидкості приводу відповідно до навантаження для оптимізації споживання пального. Відповідно, частота вихідної напруги змінюється до заданого рівня. Крок зміни частоти вихідної напруги складається з додаткових кроків розрахунку різниці між частотою вихідної напруги і попередньо заданим рівнем частоти і використання різниці в якості частоти регулювання. Частоту вихідної напруги змінюють частотою регулювання. До складу генератора входить ротор з обмотками і статор з виходом. Вихід статора підключений до навантаження. Крім того, вихід статора підключений до входу інвертора. Інвертор приймає вихідну змінну напругу. Вихід інвертора підключений до обмоток ротора. Інвертор подає на обмотки ротора потужність з частотою регулювання. Статор має головну обмотку і поперечну обмотку, інвертор має схему постійного струму. Вимірювальний вхід інвертора підключений до головної обмотки, і потужність для схеми постійного струму підключена до поперечної обмотки. Передбачено, що попередньо заданий рівень не модифікованої частоти знаходиться в межах 40-75 Гц, і мінімальна робоча швидкість приводу становить приблизно 2400 обертів на хвилину. Згідно іншого аспекту цього винаходу пропонується спосіб керування електричним генератором з механічним приводом, який має ротор і статор з виходом, . Генератор генерує змінну вихідну напругу на виході статора при виході приводу на робочу швидкість. Спосіб включає в себе кроки підключення виходу статора до навантаження і регулювання швидкості приводу відповідно до навантаження. Розраховується різниця між частотою вихідної напруги і 1 UA 107797 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 попередньо заданим рівнем і різниця подається в якості частоти регулювання. Частота вихідної напруги змінюється частотою регулювання. Генератор має ротор з обмотками, і спосіб має додатковий крок підключення виходу статора до входу інвертора. Інвертор приймає вихідну змінну напругу. Вихід інвертора підключений до обмоток ротора. Інвертор видає на обмотки ротора потужність з частотою регулювання. Статор має головну обмотку і поперечну обмотку, а інвертор має схему постійного струму. Вхід інвертора з'єднаний з головною обмоткою, а схема постійного струму з'єднана з поперечною обмоткою. Передбачено, що попередньо заданий рівень частоти знаходиться в межах 40-75 Гц, і мінімальна швидкість приводу становить приблизно 2400 обертів на хвилину. Згідно ще одному аспекту цього винаходу пропонується спосіб керування електричним генератором з механічним приводом, який має ротор з роторними обмотками і статор з виходом. Генератор генерує вихідну змінну напругу на виході статора при роботі приводу на певній швидкості. Спосіб включає в себе кроки підключення виходу статора до навантаження і регулювання швидкості приводу залежно від навантаження. Потужність ковзання подається на обмотки ротора для регулювання частоти вихідної напруги до попередньо заданого рівня. Крок подання потужності ковзання на обмотки ротора включає в себе додаткові кроки розрахунку різниці між частотою вихідної напруги і попередньо заданим рівнем і використання різниці в якості частоти регулювання. Потужність ковзання має частоту, еквівалентну частоті регулювання. Вихід статора підключений до входу інвертора. Інвертор приймає вихідну змінну напругу. Вихід інвертора підключений до обмоток ротора. Інвертор видає на обмотки ротора потужність ковзання з частотою регулювання. Статор має головну обмотку і поперечну обмотку, а інвертор має коло постійного струму. Вхід інвертора з'єднаний з головною обмоткою, а коло постійного струму з'єднане з поперечною обмоткою. Передбачено, що попередньо заданий рівень частоти знаходиться в межах 40-75 Гц, і мінімальна швидкість приводу становить приблизно 2400 обертів на хвилину. Швидкість приводу регулюється в залежності від підключеного навантаження для оптимізації споживання пального. Рисунки, наведені нижче, ілюструють бажану конструкцію цього винаходу, на них показані описані вище переваги і властивості, а також інші, які стануть зрозумілими з наведеного нижче опису. На рисунках: Фіг. - схема системи електричного генератора з механічним приводом для реалізації цього винаходу. На фіг. система електричного генератора з механічним приводом, в якій реалізований спосіб, описаний у цьому винаході, позначена цифрою 10. До складу системи генератора 10 входить генератор 20, утворений циліндричним ротором 30, який встановлений з можливістю обертання в статорі 32. В якості прикладу до складу ротора 30 входять трьохфазні обмотки 31а31с, які живляться від інвертора 34, як описано нижче. Статор 32 має набір електричних обмоток (наприклад, головну обмотку 14) намотаних кільцями на сталевому сердечнику і обмотку збудження або поперечну обмотку 46, зсунуту на 90 градусів відносно головної обмотки 14. Обертання ротора 30 викликає рух магнітного поля навколо статора 32, який, в свою чергу, генерує напругу між обмотками статора 32. В результаті на виходах 33а-33с статора 32 генерується змінна потужність. Виходи 33а-33с статора 32 підключені до навантаження 36 для надання йому змінної потужності. До складу генераторної системи 10 також входить привід 22. Зазвичай привід 22 отримує пальне: природний газ або зріджений пропан через впускний отвір. Пальне для привода 22 перебуває у стисненому стані і загоряється в його циліндрах і, таким чином, приводить в зворотно-поступальний рух поршні приводу 22. Зворотно-поступальний рух поршнів приводу 22 перетворюється в обертальний рух колінчатого валу. Колінчатий вал за допомогою валу з'єднаний з ротором 30 генератора 20 так, що коли привід 22 обертає колінчатий вал, вал обертає ротор 30 генератора 20. Як відомо, частота змінної потужності на виходах 33а-33с статора 32 залежить від числа полюсів і швидкості обертання ротора 30, яка, в свою чергу, залежить від швидкості приводу 22. Швидкість приводу, яка відповідає конкретній частоті, називають синхронною швидкістю (N s) для цієї частоти. Наприклад, синхронна швидкість для двохполюсного ротора, який видає на виходах 33а-33с статора 32 змінну потужність з частотою 60 Гц, становить 3600 обертів на хвилину. Зауважимо, що привід 22 генераторної системи 10 працює не на фіксованій постійній швидкості, а на швидкості, яка змінюється відповідно до величини навантаження. Іншими словами, при низькому навантаженні, коли для навантаження 36 від генератора 20 потрібен 2 UA 107797 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 відносно малий струм, швидкість приводу відносно низька. При високому навантаженні, коли від генератора 20 потрібен великий струм, швидкість приводу є вищою. Як видно, швидкість приводу 22 можна регулювати для оптимізації споживання пального і зниження рівня шуму, який виникає при роботі приводу 22, в свою чергу, ці зміни швидкості приводу викликають зміни частоти і напруги на виході генератора 20. Одначе, у будь-якому випадку частота і напруга змінної потужності на виходах 33а-33с статора 32 мають бути відносно постійними і знаходитись між попередньо заданими верхньою і нижньою межами (наприклад, 56-60 Гц і 108127 В). Тому пропонується описане нижче регулювання напруги і частоти. До складу генераторної системи 10 також входить контролер 16, підключений до трансформатора струму (не показаний) і привід дросельного клапана приводу 22. Трансформатор струму вимірює величину навантаження 36 і видає її на контролер 16. Вона призначена для розрахунку контролером 16 оптимального споживання пального приводом 22 при заданому навантаженні 36. Можна помітити, що мінімум споживання пального, зазвичай, досягається при значенні швидкості приводу 22, яке дорівнює приблизно 2/3 синхронної швидкості (Ns). Таким чином, для двохполюсного ротора, який видає змінну напругу частотою 60 Гц на виходах 33а-33с статора 32, мінімальне споживання пального досягається при швидкості приводу 2400 обертів на хвилину. Відповідно до команд, отриманих від контролера 16, привід дросельного клапана з'єднаний з приводом 22, збільшує або зменшує швидкість приводу 22 для оптимізації споживання пального приводом. Також контролер 16 приймає різні додаткові вхідні сигнали, які показують умови роботи приводу, і видає додаткові команди управління (наприклад, команду вимикання приводу при падінні тиску оливи) на привід 22. Входи 35а і 35b інвертора 34 підключені до обмоток статора через виходи 33а і 33с статора 32, відповідно, за допомогою ліній 37 і 39. Крім того, схема постійного струму 44 інвертора 34 з'єднана з поперечною обмоткою 46 статора 32 за допомогою ліній 48 і 50. В однофазному варіанті вхідний сигнал від поперечної обмотки 46 випрямляється для подання струму на схему постійного струму 44. Крім того, змінна потужність, яка надходить на схему постійного струму 44 від статора 32 конвертується трьохфазним мостом в трьохфазну змінну потужність з регульованою частотою по лініях 40а-40с. Лінії 40а-40с з'єднані з обмотками 31а-31с ротора 30, відповідно, за допомогою, наприклад, контактних кілець для передачі трьохфазного струму. Як описано нижче, трьохфазний струм необхідний для формування біжучої хвилі магнітного потоку відносно ротора 30 так, щоб швидкість ротора 30 відносно статора 32 підтримувалась на синхронній швидкості (Ns) приводу 22. Якщо (Νr) - швидкість ротора, то біжуча хвиля магнітного потоку, сформована трьохфазним струмом, який видається інвертором 34, відносно ротора 30, дорівнює різниці між синхронною швидкістю (Ns) і швидкістю ротора (Nr). Таким чином статор 32 "бачить" хвилю магнітного потоку, яка рухається з синхронною швидкістю (N s) незалежно від швидкості ротора (Nr) і видасть постійну частоту на своїх виходах 33а-33с. Для двохполюсного ротора 30 необхідна частота змінної потужності, яку видає інвертор 34 на обмотки 31а-31с для формування біжучої хвилі магнітного потоку, яка забезпечує на виходах статора 32 постійну частоту, може бути розрахована за формулою: fi  45 Ns  Nr , 60 де fi, - частота змінної потужності, яку видає інвертор 34 на обмотки ротора 31а-31с; Nsсинхронна швидкість; Nr-швидкість ротора. Для надання постійної напруги і струму на виходах 33а-33с статора 32 змінна потужність, яку видає інвертор 34, може бути розрахована за формулою: Pi  Ps 50 55 (1) Ns  Nr , Nr (2) де Ρi - змінна потужність, яку видає інвертор 34 або потужність ковзання; P s - змінна потужність на виходах 33а-33с і поперечній обмотці 46 статора 32; Ns - синхронна швидкість; Nr - швидкість ротора. З урахуванням сказаного вище зрозуміло, що керуючи величиною і частотою змінної потужності, яка подається на обмотки ротора 31а-31с інвертором 34, можна забезпечити частоту і напругу змінної потужності, яку видає генератор 10 на виходах 33а-33с статора 32 відносно постійними і такими, що перебувають між попередньо заданими верхньою і нижньою 3 UA 107797 C2 5 10 15 20 25 межами. При роботі системи стартує привід 22, і генератор 20 генерує електричну потужність на виходах 33а-33с статора 32, як описано вище. Контролер 16 відслідковує величину навантаження 36 і розраховує для приводу 22 оптимальне споживання пального. У відповідь на команди, отримані від контролера 16, дросельна заслінка, з'єднана з приводом 22, збільшує або зменшує швидкість приводу (до максимальних 3600 обертів для двох полюсів) для оптимізації споживання пального приводом. Незалежно від навантаження 36 контролер 16 підтримує швидкість приводу 22 не нижче 2400 обертів на хвилину, оскільки мінімальне споживання пального приводом 22 відбувається при швидкості привода 2400 обертів на хвилину. Для підтримання частоти і напруги змінної потужності, яку видає генератор 10 на виходах 33а-33с статора 32, контролер 16 визначає частоту і величину потужності ковзання, яку видає інвертор 34 на обмотки ротора 31а-31с. Відповідно, під керуванням контролера 16 інвертор 34 перетворює змінну потужність, яка надходить на його входи, в потужність ковзання, яка має бажану величину і частоту. Коли ротор 30 обертається з синхронною швидкістю (N s), інвертор 34 повинен видавати стаціонарну хвилю відносно ротора 30 для вироблення тієї ж магніторушійної сили, яка виробляється стандартним перетворювачем з постійною швидкістю. В цьому режимі інвертор 34 працює як автоматичний регулятор напруги, який працює у стандартному перетворювачі, який видає намагнічуючу магніторушійну силу, а також як компонент, який протидіє реакції якоря. Крім того, зрозуміло, що в однофазних варіантах при використанні поперечної обмотки 46 статора 32 для живлення схеми постійного струму 44 інвертора 34 основні обмотки статора 32 є вільними від гармонік, які виникають в результаті роботи схеми постійного струму 44. В свою чергу, це виключає необхідність додаткової фільтрації або корекції коефіцієнта потужності перед схемою постійного струму 44. Можливі різні варіанти втілення винаходу в рамках наведеної нижче формули винаходу, в якій описаний предмет винаходу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 35 40 45 50 55 1. Спосіб керування електричним генератором з приводом від двигуна, який передбачає генерування за допомогою генератора вихідної напруги на частоті, з якою працює двигун з робочою швидкістю обертання і містить наступні операції: підключення генератора до навантаження, зміна робочої швидкості обертання двигуна для оптимізації витрат палива залежно від навантаження, обчислення різниці між частотою вихідної напруги генератора, що подається на навантаження на робочій швидкості обертання двигуна, і попередньо заданим рівнем частоти вихідної напруги і використання різниці як частоти регулювання, і зміна частоти вихідної напруги регулюванням частоти незалежно від швидкості обертання двигуна. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що генератор має ротор з обмотками, а статор має вихід, який підключають до навантаження. 3. Спосіб за п. 2, який відрізняється тим, що має додаткові операції: оперативного підключення виходу статора до входу інвертора, причому інвертор приймає вихідну напругу певної частоти, і оперативного підключення виходу інвертора до обмоток ротора, причому інвертор видає потужність на обмотки ротора на частоті регулювання. 4. Спосіб за п. 3, який відрізняється тим, що статор має основну обмотку і поперечну обмотку, і в якому інвертор має схему постійного струму, причому вхід інвертора оперативно підключають до головної обмотки, а схему постійного струму підключають до поперечної обмотки. 5. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що попередньо заданий рівень частоти знаходиться в межах 40-75 Гц. 6. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що привід має мінімальну робочу швидкість не менше 2400 обертів на хвилину. 7. Спосіб керування електричним генератором з приводом від двигуна, який має ротор і статор з виходом, а генератор генерує вихідну напругу та частоту на виході статора при роботі двигуна на його швидкості обертання і який містить наступні кроки: підключення виходу статора до навантаження, регулювання швидкості обертання двигуна для оптимізації витрати пального в залежності від навантаження, 4 UA 107797 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 розрахунок різниці між частотою вихідної напруги генератора, що подається на навантаження на робочій швидкості обертання двигуна і потрібної частоти вихідної напруги і використання цієї різниці як частоти регулювання, і зміна частоти вихідної напруги частотою регулювання без подальшого регулювання швидкості обертання двигуна. 8. Спосіб за п. 7, який відрізняється тим, що до складу генератора входить ротор з обмотками, і спосіб має такі додаткові кроки: оперативного підключення виходу статора до входу інвертора, причому інвертор приймає вихідну напругу певної частоти, і оперативного підключення виходу інвертора до обмоток ротора, причому інвертор видає на обмотки ротора потужність на частоті регулювання. 9. Спосіб за п. 8, який відрізняється тим, що статор має головну обмотку і поперечну обмотку, і в якому інвертор має схему постійного струму, причому вхід інвертора підключають до головної обмотки, а схему постійного струму підключають до поперечної обмотки. 10. Спосіб за п. 8, який відрізняється тим, що попередньо заданий рівень частоти знаходиться в межах 40-75 Гц. 11. Спосіб за п. 8, який відрізняється тим, що двигун має мінімальну робочу швидкість обертання не менше 2400 обертів на хвилину. 12. Спосіб керування електричним генератором з приводом від двигуна, в якому до складу генератора входить ротор, який має обмотки, і статор, який має вихід, а генератор генерує вихідну напругу на частоті на виході статора при роботі двигуна на робочій швидкості обертання швидкості приводу і який включає такі операції: підключення виходу статора до навантаження, регулювання швидкості двигуна для оптимізації витрати пального відповідно до навантаження, подача потужності ковзання на обмотки ротора для регулювання частоти вихідної напруги до заданого рівня без подальшого регулювання швидкості обертання двигуна, і в якому операція подачі потужності ковзання на обмотки ротора додатково включає наступні операції: розрахунок різниці між частотою вихідної напруги, що подається на навантаження і попередньо встановленого рівня цієї частоти вихідної напруги і використання вказаної різниці як частоти регулювання, і формування потужності ковзання, що має частоту в основному рівною частоті регулювання. 13. Спосіб за п. 12, який відрізняється тим, що має додаткові операції: оперативного підключення виходу статора до входу інвертора, причому інвертор отримує вихідну напругу певної частоти, і оперативного підключення виходу інвертора до обмоток ротора, причому інвертор подає потужність ковзання на обмотки ротора на частоті регулювання. 14. Спосіб за п. 13, який відрізняється тим, що статор має головну обмотку і поперечну обмотку, і в якому інвертор має схему постійного струму, причому вхід інвертора підключають до головної обмотки і схему постійного струму підключають до поперечної обмотки. 15. Спосіб за п. 12, який відрізняється тим, що попередньо заданий рівень частоти знаходиться в межах 40-75 Гц. 16. Спосіб за п. 12, який відрізняється тим, що привід має мінімальну робочу швидкість не менше 2400 обертів на хвилину. 5 UA 107797 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6