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.

Газотурбинные электроустановки позволяют получать электрическую энергия, 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 100 кВт. Особенностью разрабатываемых установок является использование в их составе обратимой электрической машины, которая выполняет функцию генератора электрической энергии, а также обеспечивает раскрутку турбины до заданной скорости вращения при запуске установки. Электрической машине присвоено наименование «стартер-генератор», ее режимы работы названы стартерным и генераторным.

В связи с тем, что к конструкции газотурбинных установок используются газодинамические подшипники, работа стартер-генератора в стартерном режиме определяется, главным образом, требованиям к динамике раскрутки: необходимо за минимальное время выйти на скорости вращения, при которых будет гарантированно обеспечено всплытие ротора стартер-генератора в газодинамических опорах. При решении задачи управления раскруткой ротора стартер-генератора возникли проблемы, связанные с особенностями как стартер-генератора, так и используемых для управления им компонентов.

Требования к работе стартер-генератора в генераторном режиме

Стартер-генератор представляет собой обратимую электрическую машину, которая в стартерном режиме может рассматриваться как трехфазный двухполюсный вентильный двигатель, построенный с использованием постоянных магнитов, размешенных на роторе. Ротор стартер-генератора установлен в газодинамических подшипниках, что позволяет ему вращаться с высокими скоростями: рабочая скорость вращения элементов газотурбинной установки, включая ротор, составляет 68 000 об/мин. При этом скорость вращения, которая должна обеспечиваться в стартерном режиме, во многом определяется свойствами используемых в конструкции газодинамических подшипников: скорость должна обеспечивать устойчивое формирование несущего газового слоя.

В стартер-генераторе использованы газодинамические подшипники, разработанные и изготовленные в Южно-Уральском государственном университете. Экспериментально установлено, что подшипники обеспечивают устойчивое формирование несущего слоя при скоростях вращения от 12…15 тыс. об/мин, что примерно соответствует характеристикам газодинамических подшипников других производителей (http://foil-bearing.ru/index/0-2).

Модуль коммутации обмоток стартер-генератором

При разработки газотурбинной установки было задано ограничение на потребляемую электрическую мощность в режиме запуска – мощность не должна превышать 9 кВт. Это позволило, с учетом характеристик стартер-генератора, определить (ограничить) максимальный потребляемый им ток и выбрать соответствующие элементы управления. В качестве силового устройства, коммутирующего обмотки стартер-генератора в стартерном режиме, используется модули управления вентильным электродвигателем МУВДМ-50-12И4 с напряжением питания 12…1200 В и максимальным током 50А (http://electrum-av.com/images/pasporta/12.moduli%20upr%20dvigatel/muvdm.pdf). Модуль управления требует подключения трех датчиков обратной связи по угловому положению ротора; скорость вращения регулируется ступенчато с помощью 4-х дискретных входов с шагом в 10% от максимального значения.

МУВДМ имеет четыре защиты: защита по среднему току, защита по импульсному току, защита по температуре и защита от одновременного включения верхнего и нижнего транзисторов одной фазы.

Защита по среднему току ограничивает средний ток, протекающий через обмотки подключенной к МУВДМ электрической машины. Время срабатывания защиты – не более 100 мкс. Данная защита ограничивает ток на уровне, определяемым внешним по отношению к МУВДМ резистором  (рис. 1); при отсутствие резистора ограничение осуществляется на максимальном для модуля уровне тока. Сигнализация о срабатывании защиты по току осуществляется через выход «Ошибка 1».

Рис. 1

Защита по импульсному току выключает силовые транзисторы модуля при высоком импульсном токе электрической машины. Время срабатывания данной защиты – не более 2 мкс; током срабатывания в 3…4 раза превышает ток срабатывания защиты по среднему току, порог срабатывания защиты по импульсному току не регулируется. Сигнализация о срабатывании этой защиты также осуществляется через выход «Ошибка 1».

Защита по температуре отключает силовые транзисторы модуля при достижении температуры корпуса 90…100 °С и включает при температуре 50…60 °С, обеспечивая гистерезис 30…40 °С. Во время срабатывания температурной защиты также формируется сигнал на выходе «Ошибка 1», который будет присутствовать вплоть до снижения температуры корпуса модуля до 50…60 °С.

Защита от одновременного включения верхнего и нижнего плеча одной фазы с блокировкой на переключение длительностью 5 мкс исключает выход из строя модуля по сквозным токам. Срабатывание зашиты индицируется сигналом на выходе «Ошибка 2» модуля.

Экспериментальные исследования работы стартер-генератора в стартерном режиме

Предварительные исследования совместной работы стартер-генератора и модуля управления осуществлялись при питании МУВДМ постоянным напряжением 24В и 310В. При этом было выявлено следующее:

1. При подаче на МУВД напряжения питания 24В ротор стартер-генератора раскручивается до скорости 2000…2200 об/мин.; при этом изменение порога срабатывания защиты по току и состояния дискретных входов регулирования к изменению характера разгона и установившейся скорости вращения не приводит.

2. При подаче на МУВД напряжении питания 310В ротор стартер-генератора не вращается; МУВД формирует сигнал «Ошибка 1». Изменение порога срабатывания защиты по току и состояния дискретных входов регулирования ситуацию не меняет.

Для дальнейшего исследования работы стартер-генератора в стартерном режиме была создана экспериментальная установка, схема которой приведена на рис. 2. Особенность установки – возможность задания (изменения) напряжения питания МУВД с использованием лабораторного автотрансформатора. Установка позволяет фиксировать напряжение питания МУВДМ, потребляемый им ток, а также скорость вращения ротора стартер-генератора.

Рис. 2

Экспериментальные исследования показали, что изменение питающего напряжения МУВДМ от нулевого до 310В приводит к плавному изменению скорости вращения ротора стартер-генератора; максимальная скорость составила 25 300 об/мин.

Анализ результатов экспериментов показал, что в системе запуска (раскрутки) стартер-генератора МГТУ необходимо реализовать дополнительный канал управления по питающему напряжению МУВДМ; изменение напряжения должно осуществляться с использованием микроконтроллерных средств.

Дополнительный канал управления МУВДМ в системе запуска стартер-генератора МГТУ реализован с использованием тиристорных регуляторов мощности ТРИД Т91 (http://tridpm.ru/tiristornie-regulatory/series-t91.html). В канале использованы два тиристорных регулятора (рис. 3), что позволило увеличить напряжение питания МУВД до 620В. Управление регуляторами осуществляется токовым сигналом 4…20 мА, который формируется микроконтроллерным блоком. Микроконтроллерный блок позволяет измерять напряжения на выходе тиристорных регуляторов (с учетом выпрямления и сглаживания), потребляемый МУВДМ ток и скорость вращения ротора стартер-генератора. Кроме того, микроконтроллерный блок имеет гальванически развязанные каналы управления МУВДМ для дискретного регулирования скорости вращения ротора и задания порога срабатывания защиты по току в соответствие с рис. 1.

Рис. 3

Эксперименты показали, что с использованием дополнительного канала управления МУВДМ удается обеспечить запуск стартер-генератора в стартерном режиме, т.е. раскрутку его ротора до требуемой скорости. При этом:

– при отсутствие нагрузки на роторе стартер-генератора скорость вращения 15 000 об/мин достигается примерно за 1 секунду;

– мощность, потребляемая от источника питания в процессе запуска стартер-генератора, не превышает 2 кВт;

– канал дискретного регулирования скорости вращения позволяет ограничить скорость вращения ротора стартер-генератора при некотором питающем напряжении.

Таким образом, обеспечивается быстрое достижение скорости вращения, при которой устойчиво формируется несущий слой в газодинамических подшипниках; полученная динамика разгона признана приемлемой.

При использовании стартер-генератора в составе МГТУ в стартерном режиме на его ротор будем воздействовать момент сопротивления со стороны турбины и колеса компрессора. Аналитические расчеты показали, что имеющийся запас по мощности позволит обеспечить аналогичный характер разгона и в этом случае.

Заключение

Экспериментальные исследования работы стартер-генератора микрогазотурбинной энергоустановки в стартерном режиме выявили необходимость введения дополнительного канала управления – по напряжению питания электронного блока, обеспечивающего коммутацию обмоток стартер-генератора. Это позволило обеспечить приемлемую динамику разгона ротора стартер-генератора из условия обеспечения работоспособности входящих в конструкцию установки газодинамических подшипников.

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.