Результат интеллектуальной деятельности: Способ регулирования мощности системы газовая турбина - генератор

Изобретение относится к области управления двигателями, в частности к регулированию мощности системы газовая турбина - генератор, например, газотурбовозов, гибридных локомотивов.

Известна турбогенераторная установка, содержащая газовую турбину, вал которой непосредственно соединен с ротором синхронного генератора переменного тока. Генератор последовательно соединен со статическим преобразователем частоты, выполненным в виде двух тиристорных мостов, соединенных между собой через катушку индуктивности. Статический преобразователь через трансформатор соединен с электрической сетью. Регулирование турбогенераторной установки практически обеспечивается управлением статического преобразователя частоты посредством двух измерительных трансформаторов. При запуске турбины статический преобразователь частоты питает от внешней сети генератор, который в данном случае работает в двигательном режиме. После запуска генератором турбины и выхода ее на заданные параметры статический преобразователь частоты реверсируется и преобразовывает вырабатываемую генератором электрическую энергию и передает ее во внешнюю сеть (патент РФ №2195763, МПК Н02Р 9/04, опубл. 27.12.2002 г.).

Недостатком данного способа управления является невозможность достаточно быстро и в широких пределах регулировать мощность турбины при значительных изменениях нагрузки, что требуется в условиях применения газотурбинного агрегата на локомотиве.

Известен способ регулирования турбогенераторной установки, принятый за прототип, согласно которому на исполнительное звено турбины (механизм управления дозатором) подают регулирующее воздействие и на исполнительное звено возбудителя генератора также подают регулирующее воздействие, причем регулирующее воздействие на исполнительный механизм турбины формируют по меньшей мере на основе двух управляющих параметров турбины, управляющее воздействие на исполнительное звено возбудителя формируют также на основе двух управляющих параметров возбудителя, при этом один из управляющих параметров турбины является управляющим параметром для возбудителя генератора, а один из управляющих параметров возбудителя генератора является управляющим параметром для исполнительного механизма турбины. В качестве таких регулирующих параметров используют отклонение мощности генератора, отклонение напряжения генератора или значения частоты вращения вала турбины. Регулируемая система представляет собой турбину, вал которой напрямую соединен с генератором. Для регулирования поступающего в турбину потока рабочей среды предусмотрено исполнительное звено, которое может быть выполнено в виде дозатора. Вращающаяся часть генератора имеет обмотку возбуждения, которую питает исполнительное звено возбудителя, выполненное в виде тиристорного блока. Регулирование положения дозатора и регулирование тиристорного блока осуществляется устройством регулирования, которое включает два блока задержки, выход одного из которых подсоединен к исполнительному элементу управления положением дозатора, а выход другого - к тиристорному блоку управления генератором. Вход каждого блока задержки соединен с выходом своего логического блока, входы каждого из которых соединены с выходами блоков, формирующих передаточные функции сигналов, поступающих на вход каждого из блоков, сравнивающих задающее воздействие по управляемым параметрам и действительные значения данных параметров, возникающие при работе системы турбина-генератор. В качестве управляющих параметров для регулирования системы, как уже было отмечено выше, могут быть использованы мощность генератора, напряжение генератора, частота генератора, число оборотов вала турбины (патент РФ №2278464, МПК H02P 9/04, опубл. 20.06.2006 г.).

Недостатком данного способа управления является невозможность достаточно быстро и в широких пределах регулировать мощность турбины при значительных изменениях нагрузки, что требуется в условиях применения газотурбинного агрегата на локомотиве. Реализуется узкий диапазон частот вращения турбины, близкий к номинальным значениям, что отрицательно сказывается на экономичности ее работы, снижает ресурс подшипниковых узлов агрегата.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение достаточно быстрого регулирования электрической мощности системы газовая турбина - генератор в соответствии с режимами работы локомотива и нагрузочной характеристикой этой системы в широком диапазоне частот вращения турбины, а также использование системы газовая турбина - генератор в качестве силовой установки локомотива с электрическим тяговым приводом, что повысит надежность и экономичность работы локомотива.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования мощности системы газовая турбина - генератор посредством электронной системы управления двигателем (ЭСУД) формируют сигнал управления для исполнительного устройства дозатора топлива на основе обработки сигнала датчика измерения частоты вращения турбины и расчетного значения активной электрической выходной мощности генератора, причем в соответствии с режимом работы локомотива мощность системы задают контроллером машиниста, заданную величину мощности сравнивают с вычисленным значением фактической мощности, значение которой получают по измеренным значениям выпрямленного тяговым выпрямителем тока и напряжения, на основе полученной разности формируют сигнал управления исполнительным устройством дозатора топлива для обеспечения частоты вращения турбины и управляющий сигнал для регулятора тока, обеспечивающего питание обмотки возбуждения генератора в соответствии с нагрузочной характеристикой системы газовая турбина - генератор.

На чертеже представлена структурная блок-схема реализации способа регулирования мощности системы газовая турбина - генератор на локомотиве.

Газовая турбина 1 соединена через вал с генератором 2, силовые выходы которого подключены к входным шинам тягового выпрямителя из силовой схемы 3 локомотива, питающей от аккумуляторной батареи стартер 4. Дозатор 5 топлива, управляемый электрическим сигналом от электронной системы 6 управления двигателем (ЭСУД), на входы которой поступают сигналы от задатчика 7 мощности, датчика 8 оборотов турбины, датчика 9 тока, датчика 10 напряжения, обеспечивает частоту вращения газовой турбины 1. Регулятор 11 тока, запитанный от тягового выпрямителя силовой схемы 3 и регулирующий ток в обмотке возбуждения генератора 2.

Способ регулирования мощности системы газовая турбина -генератор реализуется следующим образом.

Для запуска турбины 1, соединенной через вал с генератором 2, используется стартер 4, получающий питание на время запуска от аккумуляторной батареи из состава силовой схемы 3 локомотива (может быть использован асинхронный электродвигатель, запитанный от преобразователя частоты). После выполнения запуска турбины 1 средствами ЭСУД 6 по значению управляющего сигнала от задатчика 7 мощности формируется задание по частоте оборотов газовой турбины 1, которое сравнивается с фактическим значением, поступающим в ЭСУД 6 от датчика 8 оборотов турбины, измеряющего частоту вращения турбины 1. По результату сравнения этих параметров формируется команда управления для исполнительного устройства дозатора 5 топлива. Одновременно формируется исходный сигнал управления для регулятора 11 тока, регулирующего ток в обмотке возбуждения генератора 2. Посредством датчика 9 тока и датчика 10 напряжения, установленных на выходных шинах тягового выпрямителя, входящего в состав силовой схемы 3 локомотива, измеряются фактические значения выпрямленного тока и напряжения. По результату измерения этих параметров вычисляется фактическое значение электрической мощности, которое сравнивается с заданным значением, соответствующим сигналу, полученному от задатчика 7 мощности. На основе сравнения формируется сигнал управления для регулятора 11 тока, обеспечивающего питание обмотки возбуждения генератора 2. Таким образом выполняется поддержание выходной мощности системы газовая турбина - генератор в соответствии с ее нагрузочной характеристикой в условиях применения на данном локомотиве.

При управлении системой газовая турбина - генератор средствами измерения (на чертеже не показаны) контролируется частота вращения турбины 1, температура обмоток генератора 2, его подшипниковых узлов, газов за турбиной 1. При превышении критических значений контрольных параметров средствами ЭСУД 6 выполняются защитные алгоритмы, корректирующие сигналы управления исполнительными элементами силовой схемы 3, при необходимости выполняется аварийный алгоритм остановки турбины 1 с использованием сигнала на закрытие отсечного клапана (на чертеже на показан).

Предложенный способ регулирования мощности прошел испытания на газотурбовозе ГТ1h-002 и показал хорошие результаты.