RU2752229C1

RU2752229C1 - Non-contact uninterruptible generator set based on dual machine, dual power supply

Info

Publication number: RU2752229C1
Application number: RU2021103507A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Юрьевич Козлов
Original assignee: Дмитрий Юрьевич Козлов
Priority date: 2021-02-12
Filing date: 2021-02-12
Publication date: 2021-07-23
Also published as: WO2022173324A1

Abstract

FIELD: electric power industry.SUBSTANCE: invention relates to the electric power industry. To achieve the technical result, a non-contact uninterrupted generator set contains a main generator and an auxiliary generator installed on the same shaft, made in the form of dual power machines, as well as a static multiphase inverter, while the installation contains a control programmable logic controller with a frequency adjuster for the output voltage of the installation, the programmable logic controller is connected to a static multiphase voltage inverter, the output of which is connected to the stator winding of the auxiliary generator; the installation contains a DC power supply, the input of which is connected to the stator windings of the main generator, and the output to the charger; in this case, the first current sensor installed in the output circuit is connected to the inputs of the programmable logic controller, as well as the first voltage sensor connected to the output stator winding of the main generator.EFFECT: invention ensures uninterrupted power supply, expands the range of the installation, and provides the possibility of using the installation in various combined modes of operation.8 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в системах генерирования электроэнергии с полностью управляемыми параметрами, в том числе стабильной частоты, от источников механической энергии с широкими диапазонами изменения скорости вращения и мощности как для автономной нагрузки, так и для подключения к сетевым потребителям.The invention relates to the electric power industry and can be used in power generation systems with fully controllable parameters, including a stable frequency, from sources of mechanical energy with wide ranges of change in rotation speed and power both for autonomous load and for connection to network consumers.

Известна бесконтактная автономная система электропитания (А.с. СССР 1283938, 11.04.1985 г., МПК H02P 9/42) [1], которая содержит установленные на одном валу и имеющие одинаковые числа полюсов основной генератор и вспомогательный генератор, выполненные в виде машины двойного питания, при том, что многофазная роторная обмотка основного генератора через установленный на том же валу непосредственный преобразователь частоты на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью подключена к многофазной роторной обмотке вспомогательного генератора, а управляющий вход непосредственного преобразователя частоты через распределитель импульсов подключен к генератору эталонной частоты. При этом многофазная статорная обмотка вспомогательного генератора подключена к многофазному источнику стабильной частоты. Кроме того, в известном изобретении предусмотрен выбор частоты напряжения генератора эталонной частоты. Известное решение характеризуется сложностью схемотехники из-за использования генераторов двух частот и высокой установленной мощности непосредственного преобразователя частоты, а также наличием большого числа гармоник и необходимость дополнительной фильтрации. Отметим также, что известная система электропитания не предусматривает работу с сетевыми потребителями, в том числе внешними потребителями постоянного тока и не позволяет подключать внешние источники электроэнергии.Known contactless autonomous power supply system (AS USSR 1283938, 04/11/1985, IPC H02P 9/42) [1], which contains the main generator and an auxiliary generator installed on the same shaft and having the same number of poles, made in the form of a machine dual power supply, despite the fact that the multiphase rotor winding of the main generator is connected to the multiphase rotor winding of the auxiliary generator through a direct frequency converter installed on the same shaft on fully controllable switches with double-sided conduction, and the control input of the direct frequency converter is connected to the reference frequency generator through a pulse distributor ... In this case, the multiphase stator winding of the auxiliary generator is connected to a multiphase source of stable frequency. In addition, the known invention provides for the selection of the voltage frequency of the reference frequency generator. The known solution is characterized by the complexity of the circuitry due to the use of generators of two frequencies and the high installed power of the direct frequency converter, as well as the presence of a large number of harmonics and the need for additional filtering. Note also that the known power supply system does not provide for operation with network consumers, including external DC consumers, and does not allow connecting external power sources.

Известно устройство для регулирования частоты тока в автономной системе электроснабжения (А.с. СССР 985920, 22.06.1981 г., МПК H02P 9/42) [2], которое включает сидящие на одном валу и имеющие одинаковые числа полюсов основной и вспомогательный генераторы, выполненные как машины двойного питания, статический преобразователь частоты, подключенный к статору вспомогательного генератора, и регулятор частоты выходного напряжения, при том, что обмотка ротора вспомогательного генератора подключена к выходу статического преобразователя частоты, а обмотка ротора основного генератора соединена с обмоткой статора вспомогательного генератора. Главный недостаток известного решения заключается в наличии щеточного узла контакта основного и вспомогательного генераторов, что существенно снижает надежность установки. Кроме того, в известной установке [2] остается нерешенной проблема управления амплитудой выходного напряжения.There is a known device for regulating the current frequency in an autonomous power supply system (USSR AS 985920, 06/22/1981, IPC H02P 9/42) [2], which includes the main and auxiliary generators sitting on the same shaft and having the same number of poles, made as double-feed machines, a static frequency converter connected to the stator of the auxiliary generator, and an output voltage frequency regulator, while the rotor winding of the auxiliary generator is connected to the output of the static frequency converter, and the rotor winding of the main generator is connected to the stator winding of the auxiliary generator. The main disadvantage of the known solution is the presence of a brush assembly for contact of the main and auxiliary generators, which significantly reduces the reliability of the installation. In addition, in the known setup [2], the problem of controlling the amplitude of the output voltage remains unsolved.

Также известен бесщеточный ветрогенератор на основе сдвоенной машины двойного питания (патент CN 205489973, 30.12.2015 г, МПК H02K 7/20) [3], включающий главный генератор и возбуждающий генератор, при этом основной генератор соединен с вращающимися лопастями, обмотка статора главного генератора соединена с трехфазной сетью, обмотка ротора главного генератора соединена с обмоткой ротора возбуждающего генератора, при этом обмотка статора возбуждающего генератора соединена с регулятором напряжения, при том, что генератор возбуждения вращается с частотой основного генератора, а количество их полюсов одинаково. Работоспособность данного решения обеспечивается только при работе с распределительной сетью, при этом не представлены средства и алгоритмы для управления загрузкой основного генератора.Also known is a brushless wind generator based on a dual-feed machine (patent CN 205489973, 12/30/2015, IPC H02K 7/20) [3], which includes a main generator and an exciting generator, while the main generator is connected to rotating blades, the stator winding of the main generator connected to a three-phase network, the rotor winding of the main generator is connected to the rotor winding of the exciting generator, while the stator winding of the exciting generator is connected to the voltage regulator, while the excitation generator rotates at the frequency of the main generator, and the number of their poles is the same. The operability of this solution is ensured only when working with the distribution network, while the tools and algorithms for controlling the load of the main generator are not presented.

В приведенных решениях [1, 2] отсутствует возможность работы с сетевыми потребителями, подключенными к распределительной сети, решение [3], наоборот, функционирует только при работе с распределительной сетью. Во всех решениях не предусматривается подключение внешних дополнительных источников энергии. Кроме того, данные решения не обеспечивают бесперебойное электроснабжение потребителей в периоды дефицита или отсутствия механической энергии вращения вала.In the above solutions [1, 2] there is no possibility of working with network consumers connected to the distribution network, the solution [3], on the contrary, functions only when working with the distribution network. All solutions do not provide for the connection of external additional energy sources. In addition, these solutions do not provide uninterrupted power supply to consumers during periods of shortage or absence of mechanical energy of shaft rotation.

Задача настоящего изобретения заключается в создании высоконадежной генераторной установки на базе сдвоенной машины двойного питания, обеспечивающей бесперебойное снабжение электроэнергией, характеризующейся простой и надежной системой управления, позволяющей работать как с автономной нагрузкой, так и с сетевыми потребителями электроэнергии, а также подключать дополнительные внешние источники электроэнергии, такие как ветро- и гидрогенераторы, солнечные батареи и другие - в том числе с нестабилизированными параметрами.The objective of the present invention is to create a highly reliable generator set based on a dual-feed machine that provides uninterrupted power supply, characterized by a simple and reliable control system that allows you to work both with an autonomous load and with network consumers of electricity, as well as connect additional external sources of electricity, such as wind and hydro generators, solar panels and others - including those with unstabilized parameters.

Технический результат, достигаемый заявляемым изобретением, заключается в обеспечении бесперебойного снабжения электроэнергией, расширении диапазона работы установки при частоте вращения вала от нуля до близкой к синхронной, а также при частоте свыше синхронной; а также в возможности использования установки в различных комбинированных режимах работы, включая подключение внешних источников электроэнергии и режим аккумуляторной станции, для питания как автономных, так и сетевых потребителей.The technical result achieved by the claimed invention consists in ensuring uninterrupted power supply, expanding the operating range of the installation at a shaft speed from zero to close to synchronous, as well as at a frequency above synchronous; as well as the possibility of using the installation in various combined modes of operation, including the connection of external sources of electricity and the mode of the accumulator station, for powering both autonomous and network consumers.

Для достижения технического результата заявлена бесконтактная бесперебойная генераторная установка на базе сдвоенной машины двойного питания, содержащая установленные на одном валу и имеющие одинаковые числа пар полюсов основной генератор и вспомогательный генератор, выполненные в виде машин двойного питания, а также статический многофазный инвертор напряжения (далее - инвертор напряжения) в качестве источника питания стабильной частоты вспомогательного генератора, отличающаяся тем, что установка содержит управляющий программируемый логический контроллер (далее - контроллер) с задатчиком эталонной частоты выходного напряжения установки, при этом указанный контроллер подключен основным управляющим выходом к указанному инвертору напряжения, выход которого подключен к статорной обмотке вспомогательного генератора; при этом установка содержит накопитель энергии, подающий питание постоянного тока на свой основной выход, к которому подключен инвертор напряжения, причем указанный накопитель энергии своим входом присоединен к выходу зарядного устройства, управляемого сигналом с одного из выходов контроллера, причем контрольный выход накопителя энергии присоединен к одному из входов контроллера; при этом установка содержит источник питания постоянного тока, вход которого подсоединен к статорным обмоткам основного генератора, а выход - к зарядному устройству; при этом ко входам контроллера подключены установленный в выходной цепи установки первый датчик тока, а также первый датчик напряжения, подключенный к выходной статорной обмотке основного генератора.To achieve the technical result, a non-contact uninterruptible generator set based on a dual-powered machine is declared, containing the main generator and an auxiliary generator installed on the same shaft and having the same number of pairs of poles, made in the form of dual-power machines, as well as a static multiphase voltage inverter (hereinafter referred to as an inverter voltage) as a power source for a stable frequency of an auxiliary generator, characterized in that the installation contains a control programmable logic controller (hereinafter referred to as the controller) with a reference frequency generator for the output voltage of the installation, while the specified controller is connected by the main control output to the specified voltage inverter, the output of which is connected to the stator winding of the auxiliary generator; in this case, the installation contains an energy storage device that supplies DC power to its main output, to which a voltage inverter is connected, and the specified energy storage device is connected by its input to the output of the charger controlled by a signal from one of the controller outputs, and the control output of the energy storage device is connected to one from controller inputs; the installation contains a DC power supply, the input of which is connected to the stator windings of the main generator, and the output to the charger; in this case, the first current sensor installed in the output circuit of the installation and the first voltage sensor connected to the output stator winding of the main generator are connected to the controller inputs.

Установка может содержать первый выключатель, подключенный к статорной обмотке основного генератора и управляемый сигналом с одного из выходов программируемого логического контроллера, а также переключатель режима работы установки, вспомогательный контакт которого соединен с одним из входов контроллера, при этом основная группа подвижных контактов переключателя присоединена к первому выключателю, одна из групп неподвижных контактов - к электрической распределительной сети, а другая группа неподвижных контактов - к автономной нагрузке, при этом установка содержит подключенный ко входам контроллера второй датчик напряжения, измерительный вход которого подключен к распределительной сети.The installation may contain the first switch connected to the stator winding of the main generator and controlled by a signal from one of the outputs of the programmable logic controller, as well as a switch for the operation mode of the installation, the auxiliary contact of which is connected to one of the controller inputs, while the main group of movable contacts of the switch is connected to the first circuit breaker, one of the groups of fixed contacts - to the electrical distribution network, and the other group of fixed contacts - to the autonomous load, while the installation contains a second voltage sensor connected to the controller inputs, the measuring input of which is connected to the distribution network.

Установка может содержать источник питания постоянного тока, дополнительно запитанный от распределительной сети, при этом установка содержит второй выключатель, управляемый сигналом одного из выходов контроллера, подключающий к распределительной сети отдельный вход источника питания постоянного тока.The installation can contain a DC power supply, additionally powered from the distribution network, while the installation contains a second switch, controlled by a signal from one of the controller outputs, connecting a separate DC power supply input to the distribution network.

Установка может дополнительно содержать подключенные ко входам контроллера второй датчик тока, установленный в цепь между статорной обмоткой основного генератора и источником питания постоянного тока; а также третий датчик тока, установленный в цепь между выходом накопителя энергии и входом инвертора напряжения; а также четвертый датчик тока, установленный в цепь между вторым выключателем и источником питания постоянного тока; а также датчик частоты вращения вала, установленный на общем валу с основным и вспомогательным генераторами.The installation may additionally contain, connected to the inputs of the controller, a second current sensor installed in a circuit between the stator winding of the main generator and a DC power supply; and a third current sensor installed in the circuit between the output of the energy storage device and the input of the voltage inverter; and a fourth current sensor installed in the circuit between the second switch and the DC power supply; as well as a shaft speed sensor mounted on a common shaft with the main and auxiliary generators.

Установка может содержать источник питания постоянного тока, дополнительно запитанный от по меньшей мере одного внешнего источника электрической энергии переменного или постоянного тока.The installation may contain a DC power supply, additionally powered from at least one external AC or DC electrical power source.

Установка может содержать накопитель энергии со вспомогательным выходом для подключения внешних потребителей постоянного тока.The installation may contain an energy storage device with an auxiliary output for connecting external DC consumers.

Установка может содержать задатчик эталонной частоты выходного напряжения установки, встроенный в контроллер и функционально выполненный в виде внутреннего генератора тактовой частоты с возможностью последующей программно-аппаратной обработки сигнала внутри контроллера.The installation may contain a reference frequency generator for the output voltage of the installation, built into the controller and functionally made in the form of an internal clock frequency generator with the possibility of subsequent software and hardware signal processing inside the controller.

Установка может содержать объединенные роторы основного и вспомогательных генераторов, выполненные с единым магнитопроводом и обмоткой.The installation may contain combined rotors of the main and auxiliary generators, made with a single magnetic core and winding.

Схема бесперебойной генераторной установки приведена на фиг., гдеA diagram of an uninterruptible generator set is shown in Fig., Where

1 - основной генератор;1 - main generator;

2 - вспомогательный генератор;2 - auxiliary generator;

3 - статический многофазный инвертор напряжения;3 - static multiphase voltage inverter;

4 - программируемый логический контроллер;4 - programmable logic controller;

5 - накопитель энергии;5 - energy storage device;

6 - зарядное устройство;6 - charger;

7 - источник питания постоянного тока;7 - DC power supply;

8 - первый выключатель;8 - the first switch;

9 - первый датчик тока;9 - the first current sensor;

10 - первый датчик напряжения;10 - the first voltage sensor;

11 - переключатель режима работы установки;11 - unit operating mode switch;

12 - второй датчик тока;12 - second current sensor;

13 - третий датчик тока;13 - third current sensor;

14 - датчик частоты вращения вала;14 - shaft rotation speed sensor;

15 - разъединитель;15 - disconnector;

16 - второй датчик напряжения;16 - second voltage sensor;

17 - второй выключатель;17 - second switch;

18 - четвертый датчик тока.18 - fourth current sensor.

Также на фиг. изображены: Also in FIG. depicted:

19 - приводной вал от двигательной установки;19 - drive shaft from the propulsion system;

20 - автономная нагрузка;20 - autonomous load;

21 - распределительная сеть и сетевая нагрузка;21 - distribution network and network load;

22 - разъем для подключения дополнительного внешнего источника электрической энергии;22 - connector for connecting an additional external source of electrical energy;

23 - разъем для подключения внешних потребителей постоянного тока.23 - connector for connecting external DC consumers.

Согласно заявленному изобретению, на едином валу 19 расположены основной генератор 1 (далее - генератор 1) и вспомогательный генератор 2 (далее - генератор 2), также датчик частоты вращения вала 14. Приводной вал 19 соединен с источником механической энергии вращения, например, двигательной установкой или турбиной. При этом генератор 1 - основная электрическая машина двойного питания, генерирующая энергию для питания потребителей, подключенных к ней напрямую (автономная нагрузка 20) или к распределительной сети 21 (сетевая нагрузка). Генератор 2 - вспомогательная электрическая машина двойного питания, генерирующая энергию для создания вращающегося магнитного поля частоты скольжения ротора генератора 1. Оба генератора 1 и 2 имеют одинаковое значение числа пар полюсов, в общем случае - многофазные, оптимальный вариант - трехфазные роторы и статоры. Обмотки роторов генераторов 1 и 2 соединены с соблюдением одинакового чередования фаз. В частном случае, роторы генераторов 1 и 2 могут быть объединены и выполнены с едиными магнитопроводом и обмоткой. Установка содержит статический многофазный инвертор напряжения 3, выход которого подключен к статорной обмотке генератора 2. При этом инвертор напряжения 3 запитан от основного выхода накопителя энергии 5 и подключен к управляющему выходу управляющего программируемого логического контроллера 4 с задатчиком эталонной частоты выходного напряжения установки. К выходам указанного контроллера 4 подключены первый датчик тока 9, установленный в выходной цепи установки между первым выключателем 8 и автономной нагрузкой 20 или сетевой нагрузкой 21, а также первый датчик напряжения 10, подключенный к выходной статорной обмотке генератора 1. При этом указанный выше накопитель энергии 5 своим входом присоединен к выходу зарядного устройства 6, соединенного с одним из выходов контроллера 4, при этом контрольный выход накопителя энергии 5 также присоединен к одному из входов контроллера 4. Установка содержит источник питания постоянного тока 7, вход которого подсоединен к статорным обмоткам генератора 1, а выход - к зарядному устройству 6. В выходную цепь между статором генератора 1 и автономной нагрузкой 20, установлен первый выключатель 8, управляемый сигналом одного из выходов контроллера 4. Генераторная установка также может содержать разъединитель 15 в цепи автономной нагрузки, управляемый сигналом одного из выходов контроллера 4.According to the claimed invention, the main generator 1 (hereinafter referred to as the generator 1) and the auxiliary generator 2 (hereinafter referred to as the generator 2) are located on a single shaft 19, as well as a shaft speed sensor 14. The drive shaft 19 is connected to a source of mechanical rotation energy, for example, a propulsion system or a turbine. In this case, generator 1 is the main electric machine of double power supply, generating energy to power consumers connected to it directly (autonomous load 20) or to the distribution network 21 (network load). Generator 2 is an auxiliary electric machine with double power supply that generates energy to create a rotating magnetic field of the slip frequency of the rotor of generator 1. Both generators 1 and 2 have the same value of the number of pole pairs, in general, they are multiphase, the best option is three-phase rotors and stators. The rotor windings of generators 1 and 2 are connected in the same phase sequence. In a particular case, the rotors of generators 1 and 2 can be combined and made with a single magnetic circuit and winding. The installation contains a static multiphase voltage inverter 3, the output of which is connected to the stator winding of the generator 2. In this case, the voltage inverter 3 is powered from the main output of the energy storage device 5 and is connected to the control output of the control programmable logic controller 4 with a reference frequency generator of the output voltage of the installation. The outputs of the specified controller 4 are connected to the first current sensor 9 installed in the output circuit of the installation between the first switch 8 and the autonomous load 20 or network load 21, as well as the first voltage sensor 10 connected to the output stator winding of the generator 1. In this case, the above energy storage 5 with its input is connected to the output of the charger 6, connected to one of the outputs of the controller 4, while the control output of the energy storage device 5 is also connected to one of the inputs of the controller 4. The installation contains a DC power supply 7, the input of which is connected to the stator windings of the generator 1 , and the output to the charger 6. In the output circuit between the stator of the generator 1 and the autonomous load 20, the first switch 8 is installed, controlled by the signal of one of the outputs of the controller 4. The generator set may also contain a disconnector 15 in the autonomous load circuit, controlled by the signal of one of the controller outputs 4.

В частном случае генераторная установка может также содержать переключатель режима работы установки 11 для переключения между автономной и сетевой нагрузкой, вспомогательный контакт которого соединен с одним из входов программируемого логического контроллера 4, при этом основная группа подвижных контактов переключателя 11 присоединена к первому выключателю 8, одна из групп неподвижных контактов - к электрической распределительной сети 21 (сетевой режим), а другая группа неподвижных контактов - к автономной нагрузке 20 (автономный режим), при этом установка содержит подключенный ко входам контроллера 4 второй датчик напряжения 16, измерительный вход которого подключен к распределительной сети 21.In a particular case, the generator set may also contain a switch for the operation mode of the installation 11 for switching between autonomous and mains load, the auxiliary contact of which is connected to one of the inputs of the programmable logic controller 4, while the main group of movable contacts of the switch 11 is connected to the first switch 8, one of groups of fixed contacts - to the electrical distribution network 21 (network mode), and another group of fixed contacts - to the autonomous load 20 (autonomous mode), while the installation contains a second voltage sensor 16 connected to the inputs of the controller 4, the measuring input of which is connected to the distribution network 21.

В частном случае - при работе в режиме аккумуляторной станции (бустерное питание) - генераторная установка может также содержать источник питания постоянного тока 7, дополнительно запитанный от распределительной сети 21, при этом установка содержит второй выключатель 17, управляемый сигналом одного из выходов контроллера 4. При этом данный выключатель 17 подключает к распределительной сети 21 отдельный вход источника питания постоянного тока 7.In a particular case - when operating in the battery station mode (booster power supply) - the generator set can also contain a DC power supply 7, additionally powered from the distribution network 21, while the installation contains a second switch 17 controlled by a signal from one of the outputs of the controller 4. When This switch 17 connects to the distribution network 21 a separate input of the DC power supply 7.

В частном случае - при детализированном контроле за мощностными параметрами установки - генераторная установка может дополнительно содержать подключенные ко входам контроллера 4 второй датчик тока 12, установленный в цепь между статорной обмоткой генератора 1 и источником питания постоянного тока 7; а также третий датчик тока 13, установленный в цепь между выходом накопителя энергии 5 и входом инвертора напряжения 3; а также четвертый датчик тока 18, установленный в цепь между вторым выключателем 17 и источником питания постоянного тока 7; а также датчик частоты вращения вала 14, установленный на общем валу с основным 1 и вспомогательным 2 генераторами.In a particular case - with detailed control over the power parameters of the installation - the generator set may additionally contain a second current sensor 12 connected to the inputs of the controller 4, installed in the circuit between the stator winding of the generator 1 and the DC power supply 7; and a third current sensor 13 installed in the circuit between the output of the energy storage device 5 and the input of the voltage inverter 3; and a fourth current sensor 18 installed in a circuit between the second switch 17 and the DC power supply 7; as well as a shaft speed sensor 14 mounted on a common shaft with the main 1 and auxiliary 2 generators.

В частном случае установка содержит источник питания постоянного тока 7, дополнительно запитанный от по меньшей мере одного внешнего источника электрической энергии переменного или постоянного тока через разъем 22.In a particular case, the installation contains a DC power source 7, additionally powered from at least one external source of AC or DC electrical energy through the connector 22.

В частном случае установка содержит накопитель энергии 5, имеющий вспомогательный разъем для подключения внешних потребителей постоянного тока 23.In a particular case, the installation contains an energy storage device 5 with an auxiliary connector for connecting external DC consumers 23.

В частном случае установка содержит задатчик эталонной частоты выходного напряжения установки (не показан), встроенный в программируемый логический контроллер 4 и функционально выполненный в виде внутреннего генератора тактовой частоты с возможностью последующей программно-аппаратной обработки сигнала внутри контроллера 4.In a particular case, the installation contains a reference frequency generator for the output voltage of the installation (not shown), built into the programmable logic controller 4 and functionally made in the form of an internal clock frequency generator with the possibility of subsequent software and hardware signal processing inside the controller 4.

В частном случае установка содержит объединенные роторы генераторов 1 и 2, выполненные с единым магнитопроводом и обмоткой.In a particular case, the installation contains combined rotors of generators 1 and 2, made with a single magnetic circuit and winding.

Заявленная генераторная установка работает следующим образом.The declared generator set operates as follows.

Генератор 1, преобразуя механическую энергию вращения вала 19 и энергию вращающегося магнитного поля ротора, производит электрическую энергию для питания потребителей, подключенных к нему напрямую (автономная нагрузка 20) или посредством распределительной сети 21 (сетевая нагрузка). Генератор 2 производит энергию возбуждения для создания вращающегося магнитного поля частоты скольжения ротора о генератора 1. При этом мощность генератора 2 определяется максимальным скольжением

и величиной потерь в магнитной и электрических цепях, где

- это скольжение или удельное отклонение скорости вращения вала, которое определяется по формуле:

,The generator 1, converting the mechanical energy of rotation of the shaft 19 and the energy of the rotating magnetic field of the rotor, produces electrical energy to power consumers connected to it directly (autonomous load 20) or through the distribution network 21 (network load). Generator 2 produces excitation energy to create a rotating magnetic field of the slip frequency of the rotor about generator 1. In this case, the power of generator 2 is determined by the maximum slip

and the magnitude of losses in magnetic and electrical circuits, where

is the slip or specific deviation of the shaft rotation speed, which is determined by the formula:

,

где

- синхронная частота вращения вала (об/мин);where

- synchronous shaft speed (rpm);

- текущая частота вращения вала (об/мин);

- the current frequency of rotation of the shaft (rpm);

- число пар полюсов генераторов 1 и 2;

- number of pole pairs of

generators

1 and 2;

- эталонная частота (Гц).

- reference frequency (Hz).

В случае работы при

(вал не вращается) мощность генератора 2 превышает мощность генератора 1 на величину суммарных потерь, а установка фактически работает в режиме статического трансформатора.In the case of work with

(the shaft does not rotate) the power of generator 2 exceeds the power of generator 1 by the amount of total losses, and the installation actually operates in the mode of a static transformer.

Статический многофазный инвертор напряжения 3, служащий источником напряжения стабильной частоты и работающий, например, на принципе широтно-импульсной модуляции (ШИМ), преобразует напряжение постоянного тока от накопителя энергии 5 в используемое для питания статора генератора 2 напряжение переменного тока, управляемого по частоте, фазе и амплитуде. При этом управляющие ШИМ сигналы поступают от программируемого логического контроллера 4.A static polyphase voltage inverter 3, which serves as a voltage source of a stable frequency and operates, for example, on the principle of pulse-width modulation (PWM), converts the DC voltage from the energy storage 5 into the alternating current voltage used to power the stator of the generator 2, controlled in frequency, phase and amplitude. In this case, the PWM control signals come from the programmable logic controller 4.

Таким образом, контроллер 4 генерирует управляющие импульсы, модулирующие с помощью инвертора 3 в статорной обмотке генератора 2 многофазные токи эталонной частоты

. Помимо частоты и фазы, контроллер 4 и инвертор 3 определяют также необходимую для достижения номинального выходного напряжения генератора 1 амплитуду токов статора генератора 2. Многофазные токи статора генератора 2 создают вращающееся магнитное поле, направленное в ту же сторону, что и вращение вала. Ротор генератора 2 пронизывает основной магнитный поток и генерирует в его многофазных обмотках ЭДС с частотой, равной разнице

.Thus, the controller 4 generates control pulses modulating with the help of the inverter 3 in the stator winding of the generator 2 the polyphase currents of the reference frequency

... In addition to the frequency and phase, the controller 4 and the inverter 3 also determine the amplitude of the stator currents of the generator 2 necessary to achieve the rated output voltage of the generator 1. The multiphase currents of the stator of the generator 2 create a rotating magnetic field directed in the same direction as the rotation of the shaft. The rotor of the generator 2 penetrates the main magnetic flux and generates EMF in its multiphase windings with a frequency equal to the difference

...

ЭДС ротора генератора 2 с частотой скольжения

приведет к созданию токов в замкнутой цепи, состоящих из многофазных роторных обмоток обоих генераторов 1 и 2. Протекающие в роторе основного генератора 1 токи создадут основной магнитный поток генератора 1, вращающийся в том же направлении, что и вал установки, и с частотой вращения относительно вала, равной

, где

- частота вращения ротора генератора 1 относительно вала (об/мин).EMF of the rotor of the generator 2 with a slip frequency

will lead to the creation of currents in a closed circuit consisting of multiphase rotor windings of both

generators

1 and 2. The currents flowing in the rotor of the main generator 1 will create the main magnetic flux of the generator 1, rotating in the same direction as the shaft of the installation, and with a frequency of rotation relative to the shaft equal to

, where

- the frequency of rotation of the rotor of the generator 1 relative to the shaft (rpm).

В результате статор генератора 1 будет пронизывать магнитный поток, генерировать в нем ЭДС с эталонной частотой

. Соответственно, не только частота, но и фаза выходного напряжения статора генератора 1 на холостом ходу будут полностью повторять параметры задатчика эталонной частоты, т.к. существуют однозначные электромеханические связи между обмотками обеих машин (расположены на одном валу, соблюдено требуемое чередование фаз, у обоих генераторов 1 и 2 одинаковое количество полюсов), а влияние нестабильности вращения вала скомпенсировано протекающими в роторных обмотках токами частоты скольжения.As a result, the stator of generator 1 will penetrate the magnetic flux, generate EMF in it with a reference frequency

... Accordingly, not only the frequency, but also the phase of the output voltage of the stator of the generator 1 at idle speed will completely repeat the parameters of the reference frequency generator, since there are unambiguous electromechanical connections between the windings of both machines (they are located on the same shaft, the required phase sequence is observed, both

generators

1 and 2 have the same number of poles), and the influence of the instability of the shaft rotation is compensated by the sliding frequency currents flowing in the rotor windings.

Итак, выходное напряжение статора генератора 1 будет иметь абсолютно идентичные задатчику частоты фазу и частоту. При этом величина (амплитуда) напряжения статора генератора 1 измеряется первым датчиком напряжения 10. Его показания, приходящие на вход контроллера 4 анализируются им на предмет расхождения с номинальным значением, сохраненным в памяти контроллера 4. Управление величиной напряжения на выходе генератора 1 осуществляет контроллер 4, например, через изменение общей скважности ШИМ сигналов управления, подаваемых для управления инвертором напряжения 3 на соответствующий выход контроллера 4.So, the output voltage of the stator of the generator 1 will have the phase and frequency absolutely identical to the frequency generator. In this case, the value (amplitude) of the stator voltage of the generator 1 is measured by the first voltage sensor 10. Its readings coming to the input of the controller 4 are analyzed by it for discrepancies with the nominal value stored in the memory of the controller 4. The voltage value at the output of the generator 1 is controlled by the controller 4, for example, by changing the overall duty cycle of the PWM control signals supplied to control the voltage inverter 3 to the corresponding output of the controller 4.

При этом питание инвертора напряжения 3 и контроллера 4 осуществляется от обеспечивающего бесперебойное питание потребителей и установки накопителя энергии 5. Емкость накопителя энергии 5 должна быть достаточной для питания нагрузки 20 или 21 в периоды частичного дефицита или полного отсутствия первичной механической энергии вращения вала 19. Необходимый уровень заряда накопителя обеспечивают источник питания постоянного тока 7 и зарядное устройство 6 на основе встроенных аппаратных алгоритмов. К источнику питания 7 через разъем 22 могут быть также подключены другие источники электроэнергии, например, солнечные батареи. При этом контроллер 4, воздействуя на зарядное устройство, может уменьшить или остановить подзаряд накопителя энергии 5. Например, остановка заряда накопителя энергии 5 может быть осуществлена в случае дефицита механической энергии для генерации требуемой энергии для питания нагрузки 20 или 21 - в этом случае временная остановка заряда накопителя энергии 5 позволяет восполнить такой дефицит энергии. Анализ уровня заряда накопителя энергии 5 осуществляется через измерение напряжения на контрольном выходе накопителя энергии 5, но может также производиться с помощью специализированных контроллеров (не показаны). Кроме того, к накопителю энергии 5 через разъем 23 могут быть опционально подключены внешние потребители постоянного тока, например, телекоммуникационное, навигационное, осветительное оборудование, устройства управления, наблюдения, для подзарядки электрических транспортных средств.In this case, the power supply of the voltage inverter 3 and the controller 4 is carried out from the uninterrupted power supply of consumers and the installation of an energy storage device 5. The capacity of the energy storage device 5 must be sufficient to supply the load 20 or 21 during periods of partial deficiency or complete absence of the primary mechanical energy of shaft rotation 19. Required level The storage charge is provided by a DC power supply 7 and a charger 6 based on built-in hardware algorithms. Other power sources, such as solar panels, can also be connected to the power supply 7 through connector 22. In this case, the controller 4, acting on the charger, can reduce or stop the recharging of the energy storage 5. For example, stopping the charging of the energy storage 5 can be carried out in the event of a shortage of mechanical energy to generate the required energy to power the load 20 or 21 - in this case, a temporary stop charge energy storage 5 allows you to make up for this energy deficit. The analysis of the charge level of the energy storage device 5 is carried out by measuring the voltage at the control output of the energy storage device 5, but it can also be performed using specialized controllers (not shown). In addition, external DC consumers, for example, telecommunications, navigation, lighting equipment, control devices, monitoring devices, for recharging electric vehicles, can optionally be connected to the energy storage device 5 through the connector 23.

Помимо приведенного выше, контроллер 4 может останавливать подачу энергии потребителям при дефиците механической энергии, отсутствии внешних источников энергии, приближении к минимально допустимым уровням заряда накопителя энергии 5, размыкая выключатель 8 управляющим сигналом на выходе. Кроме того, контроллер может останавливать работу инвертора напряжения 3 при отсутствии механической энергии, отсутствии внешних источников энергии 22, приближении к минимально допустимым уровням заряда накопителя энергии 5, блокируя сигналы управления инвертором напряжения 3, предотвращая тем самым полное исчерпание энергии накопителя энергии 5 и резервируя ресурсы для возобновления дальнейшей работы в более благоприятных условиях. Кроме того, контроллер 4 может отключать низкоприоритетную нагрузку с помощью разъединителя 15, подавая соответствующий сигнал на выход контроллера 4, продлевая тем самым работу установки для питания ответственных потребителей в ситуации с дефицитом механической энергии и уменьшая потребление резервной энергии накопителя энергии 5.In addition to the above, the controller 4 can stop the supply of energy to consumers when there is a shortage of mechanical energy, the absence of external energy sources, approaching the minimum allowable charge levels of the energy storage device 5, opening the switch 8 with a control signal at the output. In addition, the controller can stop the operation of the voltage inverter 3 in the absence of mechanical energy, the absence of external energy sources 22, approaching the minimum allowable charge levels of the energy storage device 5, blocking the control signals of the voltage inverter 3, thereby preventing the complete depletion of the energy storage device 5 and reserve resources to resume further work in more favorable conditions. In addition, the controller 4 can disconnect the low-priority load using the disconnector 15, giving a corresponding signal to the output of the controller 4, thereby prolonging the operation of the installation for supplying critical consumers in a situation with a shortage of mechanical energy and reducing the consumption of the reserve energy of the energy storage device 5.

При этом контроллер 4 анализирует сигналы, поступающие от первого датчик тока 9, измеряющего амплитуду и вектор (фазу) тока, потребляемого нагрузкой 20. В частном случае, контроллер также анализирует сигналы от второго датчика напряжения 16, измеряющего амплитуду, частоту и вектор (фазу) напряжения в распределительной сети 21. В частном случае контроллер 4 также анализирует сигналы, поступающие от второго датчика тока 12, измеряющего амплитуду и вектор (фазу) тока, потребляемого источником питания постоянного тока 7; а также от третьего датчика тока 13, измеряющего амплитуду тока, потребляемого инвертором напряжения 3; а также от четвертого датчика тока, измеряющего амплитуду тока, потребляемого из распределительной сети 21 для подзарядки накопителя энергии 5; а также от датчика частоты вращения вала 14, измеряющего скорость вращения вала 19. При этом данные от датчика 14 используются для определения доли полезной мощности, вырабатываемой первичным источником механической энергии вращения. Итак, на основании входных данных от указанных датчиков, текущего состояния коммутационного оборудования (выключателей, переключателя, разъединителя) программируемый логический контроллер 4 осуществляет управление работой всей установки и ее отдельных элементов, формирую на своих выходах соответствующие сигналы.In this case, the controller 4 analyzes the signals coming from the first current sensor 9, which measures the amplitude and vector (phase) of the current consumed by the load 20. In a particular case, the controller also analyzes the signals from the second voltage sensor 16, which measures the amplitude, frequency and vector (phase) voltage in the distribution network 21. In a particular case, the controller 4 also analyzes the signals coming from the second current sensor 12, which measures the amplitude and vector (phase) of the current consumed by the DC power supply 7; and also from the third current sensor 13, which measures the amplitude of the current consumed by the voltage inverter 3; and also from the fourth current sensor measuring the amplitude of the current consumed from the distribution network 21 to recharge the energy storage device 5; and also from the shaft rotation speed sensor 14, which measures the shaft rotation speed 19. In this case, the data from the sensor 14 is used to determine the fraction of the useful power generated by the primary source of mechanical rotational energy. So, based on the input data from these sensors, the current state of the switching equipment (switches, switch, disconnector), the programmable logic controller 4 controls the operation of the entire installation and its individual elements, generating corresponding signals at its outputs.

Первый выключатель 8 необходим для отключения установки от внешней нагрузки при невозможности дальнейшей генерации электрической энергии - отсутствия механической энергии вращения и близком к полному исчерпании энергии накопителя энергии 5, а также для защиты установки от перегрузки и критических токов.The first switch 8 is necessary to disconnect the installation from the external load when it is impossible to further generate electrical energy - the absence of mechanical energy of rotation and the energy storage device 5 is close to complete exhaustion, as well as to protect the installation from overload and critical currents.

Второй выключатель 17 обеспечивает подключение в ночное время (или другое с низкой загрузкой распределительной сети и соответствующими экономичными тарифами источника питания 7 к общей распределительной сети 21 для подзарядки накопителя энергии 5 и последующего бустерного питания потребителей от накопителя энергии 5 во время пикового потребления электроэнергии. The second switch 17 provides a connection at night (or another with a low load of the distribution network and the corresponding economical tariffs of the power source 7 to the general distribution network 21 for recharging the energy storage device 5 and subsequent boosting power supply to consumers from the energy storage device 5 during peak electricity consumption.

Переключатель режима работы установки 11 определяет режим работы установки.The unit operating mode switch 11 determines the unit operating mode.

Так, автономный режим обеспечивается при изолированном (без соединения с распределительной сетью 21) подключении автономной нагрузки 20 к установке. В случае, если в автономной нагрузке 20 можно выделить подгруппу неответственных потребителей, то такую низкоприоритетную нагрузку следует подключить через управляемый с контроллера 4 разъединитель 15. При этом уровень потребляемой нагрузкой мощности контроллер 4 определяет на основе данных от первого датчика тока 9 и первого датчика напряжения 10. Указанные датчики измеряют не только амплитуду и среднее значение, но и фазу (вектор) сигнала. Следовательно, контроллер 4 может определять потребляемые полную, активную и реактивную мощности. Отметим, что без второго, третьего и четвертого датчиков тока 12, 13, 18, а также без датчика частоты вращения вала 14 заявленные технические результаты - достигаются, однако применение указанных датчиков расширяет возможность контроля работы установки, достижения максимально продолжительного периода бесперебойной работы, расчета и индикации мощностных параметров сгенерированной электроэнергии от различных источников.So, the autonomous mode is provided with an isolated (without connection to the distribution network 21) connection of the autonomous load 20 to the installation. If a subgroup of non-responsible consumers can be identified in the autonomous load 20, then such a low-priority load should be connected through a disconnector 15 controlled from the controller 4. In this case, the controller 4 determines the level of power consumed by the load based on data from the first current sensor 9 and the first voltage sensor 10 These sensors measure not only the amplitude and average value, but also the phase (vector) of the signal. Consequently, the controller 4 can determine the consumed total, active and reactive powers. Note that without the second, third and fourth current sensors 12, 13, 18, as well as without a shaft speed sensor 14, the stated technical results are achieved, however, the use of these sensors expands the ability to monitor the operation of the installation, achieve the maximum longest period of uninterrupted operation, calculate and indication of power parameters of generated electricity from various sources.

Сетевой режим работы установки обеспечивается при подключении установки к распределительной сети большой/бесконечной мощности и сетевым потребителям соответственно. Управление загрузкой установки в сетевом режиме происходит по иному алгоритму, разъединитель 15 в этом режиме не задействован. В сетевом режиме в роли задатчика частоты выступает второй датчик напряжения 16, от которого на контроллер 4 поступают данные о частоте сети, векторе (фазе) напряжении сети. Аналогично изложенному выше алгоритму контроллер 4 генерирует управляющие импульсы, модулирующие с помощью инвертора напряжения 3 в статорной обмотке генератора 2 многофазные токи частоты напряжения распределительной сети

(Гц). Выключатель 8 до момента подключения к распределительной сети 21 находится в разомкнутом состоянии. Переключатель режима работы установки 11 - в сетевом режиме. Необходимые для синхронизации условия синфазности и равенства частот будут выполняться автоматически. Для достижения равенства напряжений установки и сети контроллер 4 сравнивает текущее значение напряжение сети, снимаемое со второго датчика напряжения 16, с напряжением на статоре генератора 2, получаемое от первого датчика напряжения 10. Контроллер 4 формирует сигнал на изменение общей скважности выходных ШИМ сигналов управления, подаваемых для управления инвертором напряжения 3. При достижении всех условий контроллер 4 замыкает цепь с помощью расцепителя 15. Дальнейшая загрузка установки обеспечивается путем углового или временнóго опережения начала цикла управляющих ШИМ-сигналов с частотой

на выходе контроллера 4 относительно фазы сигнала датчика напряжения 16.The network operating mode of the unit is provided when the unit is connected to a high / infinite power distribution network and to network consumers, respectively. The control of the loading of the installation in the network mode is carried out according to a different algorithm, the disconnector 15 is not involved in this mode. In the network mode, the second voltage sensor 16 acts as the frequency generator, from which the controller 4 receives data on the network frequency, the vector (phase) of the network voltage. Similar to the above algorithm, the controller 4 generates control pulses modulating with the help of the voltage inverter 3 in the stator winding of the generator 2 polyphase currents of the distribution network voltage frequency

(Hz). The switch 8 is in the open state until it is connected to the distribution network 21. Unit operating mode switch 11 - in network mode. The conditions of in-phase and equality of frequencies necessary for synchronization will be fulfilled automatically. To achieve equal voltages of the installation and the mains, controller 4 compares the current value of the mains voltage taken from the second voltage sensor 16 with the voltage on the stator of the generator 2 obtained from the first voltage sensor 10. Controller 4 generates a signal to change the total duty cycle of the output PWM control signals supplied to control the voltage inverter 3. When all conditions are reached, the controller 4 closes the circuit using the release 15. Further loading of the installation is provided by an angular or time advance of the beginning of the cycle of PWM control signals with a frequency

at the output of controller 4 with respect to the phase of the voltage sensor signal 16.

Режим работы заявляемой установки в качестве аккумуляторной станции (бустерного питания) возможен при наличии внешнего питания как в сетевом, так и автономном режимах. С целью оптимизации потребления установка может генерировать электроэнергию по установленному временному графику от заранее накопленной энергии накопителя 5. Программируемый логический контроллер 4 в ночное время (или другое с низкой загрузкой сети и соответствующими экономичными тарифами), управляя выключателем 17, произведет полную зарядку накопителя энергии 5, если к моменту окончания ночного тарифа уровень заряда не был достаточным. К наступлению периода пикового потребления, время которого заранее определено и запрограммировано в контроллере 4, установка будет иметь возможность преобразовать часть энергии накопителя 5 для бустерного питания потребителей. В данном режиме работы заявленная установка содержит второй выключатель 17, управляемый сигналом одного из выходов контроллера 4, подключающий к распределительной сети 21 отдельный вход источника питания постоянного тока 7, необходимый для раздельного контроля за потребленной энергией и определения экономического эффекта при отдаче накопленной энергии в сеть.The mode of operation of the claimed installation as a battery station (booster power supply) is possible in the presence of external power supply both in the network and in stand-alone modes. In order to optimize consumption, the installation can generate electricity according to a set time schedule from the previously accumulated energy of the energy storage 5. The programmable logic controller 4 at night (or another with low network load and corresponding economical tariffs), by controlling the switch 17, will fully charge the energy storage 5, if at the end of the night tariff the charge level was not sufficient. By the onset of the peak consumption period, the time of which is predetermined and programmed in the controller 4, the installation will be able to convert part of the energy of the storage device 5 for booster power supply to consumers. In this operating mode, the claimed installation contains a second switch 17, controlled by a signal from one of the outputs of the controller 4, which connects a separate input of the DC power supply 7 to the distribution network 21, which is necessary for separate control over the consumed energy and determining the economic effect when the accumulated energy is transferred to the network.

Таким образом, заявленное изобретение обеспечивает бесперебойное снабжение электроэнергией, при этом расширяется диапазон работы установки при частоте от нуля до близкой к синхронной частоте вращения вала и при частоте свыше синхронной, а также обеспечивается возможность использования установки в различных комбинированных режимах работы, включая подключение внешних источников электроэнергии и режим аккумуляторной станции, для питания как автономных, так и сетевых потребителей.Thus, the claimed invention provides an uninterrupted supply of electricity, while the range of operation of the installation at a frequency from zero to close to the synchronous frequency of rotation of the shaft and at a frequency above the synchronous one, and also provides the possibility of using the installation in various combined modes of operation, including the connection of external sources of electricity and the mode of the battery station, for powering both autonomous and networked consumers.

Claims

1. A non-contact uninterruptible generator set based on a double-feed machine, containing a main generator and an auxiliary generator installed on the same shaft and having the same number of pole pairs, made in the form of double-feed machines, as well as a static multi-phase voltage inverter as a power source for a stable frequency of the auxiliary generator, characterized in that the installation contains a control programmable logic controller with a set reference frequency of the output voltage of the installation, while the specified programmable logic controller is connected by the main control output to a static multiphase voltage inverter, the output of which is connected to the stator winding of the auxiliary generator; the installation contains an energy storage device that supplies DC power to its main output, to which a static polyphase voltage inverter is connected, and the said energy storage device is connected by its input to the output of the charger controlled by a signal from one of the outputs of the programmable logic controller, and the control output of the storage device energy is connected to one of the inputs of the programmable logic controller; the installation contains a DC power supply, the input of which is connected to the stator windings of the main generator, and the output to the charger; the first current sensor installed in the output circuit and the first voltage sensor connected to the output stator winding of the main generator are connected to the inputs of the programmable logic controller.

2. Installation according to claim 1, characterized in that it contains a first switch connected to the stator winding of the main generator and controlled by a signal from one of the outputs of the programmable logic controller, as well as a switch for the operation mode of the installation, the auxiliary contact of which is connected to one of the inputs of the programmable logic controller , while the main group of movable contacts of the switch is connected to the first switch, one of the groups of fixed contacts is connected to the electrical distribution network, and the other group of fixed contacts is connected to an autonomous load, while the installation contains a second voltage sensor connected to the inputs of the programmable logic controller, a measuring input which is connected to the distribution network.

3. Installation according to claim. 2, characterized in that the DC power supply is additionally powered from the distribution network, while the installation contains a second switch controlled by a signal from one of the outputs of the programmable logic controller, which connects a separate input of the DC power supply to the distribution network.

4. Installation according to claim 1, or 2, or 3, characterized in that it additionally contains a second current sensor connected to the inputs of the programmable logic controller and installed in the circuit between the stator winding of the main generator and the DC power supply; and a third current sensor installed in the circuit between the output of the energy storage device and the input of the static multiphase voltage inverter; and a fourth current sensor installed in the circuit between the second switch and the DC power supply; as well as a shaft speed sensor mounted on a common shaft with the main and auxiliary generators.

5. Installation according to claim 1, characterized in that the DC power supply is additionally powered from at least one external AC or DC electrical power source.

6. Installation according to claim 1, characterized in that the energy storage device has an auxiliary output for connecting external DC consumers.

7. Installation according to claim. 1, characterized in that the reference frequency generator of the output voltage of the installation is built into the programmable logic controller and is functionally made in the form of an internal clock frequency generator with the possibility of subsequent software and hardware signal processing inside the controller.

8. Installation according to claim 1, characterized in that the rotors of the main and auxiliary generators are combined and made with a single magnetic core and winding.