УДК 621.316.91

СИСТЕМА ЗАЩИТЫ ОТ ПРЕВЫШЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ТРАКТЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА МИКРОГАЗОТУРБИННОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ

Смирнов Владимир Алексеевич1, Соколов Александр Васильевич2
1Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет),, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизации механосборочного производства
2Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (Национальный исследовательский университет),, старший преподаватель кафедры автоматизации механосборочного производства

Аннотация
В статье рассмотрена структура и принцип работы системы ограничения постоянного напряжения на входе инвертора, входящего в состав микрогазотурбинной энергоустановки. Система повышает надежность функционирования установки при изменении мощности подключенных к ней потребителей.

Ключевые слова: газотурбинная энергоустановка, двойное преобразование напряжения, масштабирование напряжения, ограничение напряжения


SYSTEM FOR OVERVOLTAGE PROTECTION IN DC TRACT OF GASTURBINE POWER PLANT

Smirnov Vladimir Alexeevich1, Sokolov Alexander Vasilyevich2
1Federal State Funded Educational Institution of Higher Professional Education «South Ural State University» (National Research University), Candidate of engineering science, associate professor at the Mechanical Assembly Production department
2Federal State Funded Educational Institution of Higher Professional Education «South Ural State University» (National Research University), Senior lecturer at the Mechanical Assembly Production department

Abstract
The article describes the structure and operation of the system for limits the DC voltage at the input of the inverter, which is part of a gas turbine power plant. The system increases the reliability of the power plant when the connected power consumers are changing.

Библиографическая ссылка на статью:
Смирнов В.А., Соколов А.В. Система защиты от превышения напряжения в тракте постоянного тока микрогазотурбинной энергоустановки // Современная техника и технологии. 2015. № 9 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/09/7783 (дата обращения: 27.05.2017).

Введение

Газотурбинные электроустановки позволяют получать электрическую энергию, используя в качестве топлива природный газ. Область применения такого оборудования очень широка, особенно перспективно их применение в качестве автономных источников электроэнергии в системах транспортировки газа.

Сотрудниками ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» осуществляется комплекс работ по разработке модельного ряда газотурбинных установок с выходной электрической мощностью до 100кВт. Генерация электроэнергии в такой установке осуществляется 3-х фазной электрической машиной (генератором), ротор которой вращается с частотой 60 000… 70 000 об/мин. Трехфазное переменное напряжение, сформированное генератором, подвергается двойному преобразованию: оно выпрямляется, а затем преобразуется в 3-х фазное переменное напряжение 380В, 50Гц. Для последней операции используется покупное устройство – инвертер. Анализ характеристик используемых в конструкции генератора и инвертора показал, что в процессе эксплуатации газотурбинной установки возможна ситуация, когда постоянное напряжение на входе инвертора превысит максимально допустимую величину. В связи с этим возникла необходимость интегрирования в конструкцию установки системы защиты от превышения напряжения на входе инвертора, при создании которой потребовалось решить ряд инженерных задач.

Структура и принцип работы системы защиты от превышения напряжения

Электрический тракт газотурбинной установки построен по схеме двойного преобразования (рис. 1): переменное напряжение, вырабатываемое трехфазным генератором, выпрямляется и сглаживается; полученное постоянное напряжение с помощью инвертора преобразуется в трехфазное напряжение 380В, 50Гц. Необходимость двойного преобразования определяется высокой частотой вырабатываемого генератором напряжения: при номинальной скорости вращения турбины частота этого напряжения будет составлять 1100 Гц.

Рис. 1

В качестве инвертора в установке используется устройство SERVO-INV 100KVA, поставляемое фирмой SERVO-MATIK (http://www.servomatik.com). Входное напряжение этого инвертора должно находиться в диапазоне ±300…410 В относительно средней точки.

На рис. 2 показана полученная аналитически зависимость напряжения на выходе выпрямителя (для положительной полярности относительно общей точки обмоток генератора) от мощности подключенной к выпрямителю нагрузки при номинальной скорости вращения турбины. В соответствие с ней на холостом ходу это напряжения будет составлять 500В, что превышает допустимое на входе инвертора.

Рис. 2

Таким образом, необходимо обеспечить ограничение напряжения на входе инвертора на безопасном для него уровне. С этой целью в тракт выпрямленного напряжения системы введены два ключевых элемента (рис. 3). Управление ключами осуществляется с использование схем сравнения: при превышении напряжения на выходе выпрямителя заданного порогового значения (например, 400В соответствующей полярности) блок формирования управляющих сигналов размыкает соответствующий ключ, там самым обеспечивая защиту инвертора. Напряжение на блок формирования управляющих сигналов поступает с отдельного выпрямителя, что устраняет влияние на работу этого устройства со стороны сглаживающих емкостных фильтров С1 и C2.

Рис. 3

Работу устройства защиты иллюстрирует рисунок 4: в областях, выделенных штриховкой, наблюдается превышение напряжения на выходе выпрямителя заданной пороговой величины, что приводит к размыканию ключевого элемента.

Рис. 4

Датчик мгновенного напряжения

Для построения схем управления ключевыми элементами необходимо осуществить масштабное преобразование напряжения на выходе выпрямителя в низковольтную (до 10В) область с минимальными амплитудными и фазовыми искажениями. Эта задача может решаться с использованием датчика мгновенного значения напряжения.

На рынке представлены несколько датчиков, способных измерять напряжение до 500В и выше: LV 25-P фирмы LEM, ДНХ-01, выпускаемый ОАО НИИЭМ, MCR-VDC-UI-B-DC фирмы PHOENIX_CONTACT.  Анализ характеристик этих датчиков показал, что их использование приведет к существенным фазовым искажениям при измерении напряжения частотой 1100Гц. Быстродействующий прецизионный датчик напряжения S150, выпускаемый фирмой ALJUEL (http://www.aljuel.eu/sensor), удовлетворяет требованиям как по величине измеряемого напряжения, так и по вносимым искажениям. Высокие характеристики этого датчика достигаются за счет использованием высокоомных прецизионных безиндуктивных резисторов для масштабного изменения измеряемого сигнала, с обеспечением гальванической развязки между первичной и вторичной сторонами.

В связи с отсутствием возможности приобретения датчика S150 в единичном экземпляре, при создании системы защиты от превышения напряжения в опытном образце газотурбинной установки было принято решение о самостоятельной разработке датчика мгновенного напряжения; датчик S150 использован в качестве прототипа. Масштабирование входного напряжения в разработанном датчике осуществлено с использованием резистивной матрицы R-2R, собранной из дискретных резисторов. Такое решение обеспечило погрешность масштабирования не более 4% при использовании резисторов, имеющих точность ±1%. Гальваническая развязка реализована с использованием линейной оптопары HCNP200 в рекомендованной документацией схеме включения.

Моделирование датчика показало возможность получения точности преобразования не хуже 5% при использовании компонентов, имеющих погрешность до 1%, что признано достаточным для опытного образца. Испытания изготовленного датчика подтвердили ожидаемую точность преобразования формы входного напряжения; фазовая погрешность для частоты 1100Гц составила не более 5 градусов.

Заключение

Разработанная система защиты позволяет ограничивать постоянное напряжение на входе инвертора, входящего в состав микрогазотурбинной установки. Тем самым обеспечивается безопасная эксплуатация установки при изменении мощности подключенной к ней нагрузки (потребителя). Система отличается относительной конструктивной простотой и дешевизной.

Работа выполнялась при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках проекта «Создание производства модельного ряда микротурбинных энергоустановок нового поколения» по договору № 02.G25.31.0078 от 23.05.2013 г.



Все статьи автора «Смирнов Владимир Алексеевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: