Система валогенератора - RU2528180C1
Код документа: RU2528180C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к системе валогенератора.
Из публикации “WGA 23 - ein modernes Wellengeneratorsystem“, отдельный оттиск из DE-журнала “HANSA”, 120, год выпуска 120-й, № 13, 1983, июльский номер, стр. 1203-1207, известна система валогенератора. Системы валогенераторов являются системами, часто применяемыми на судах для экономичной генерации электрической энергии. Система валогенератора, которая является составной частью бортовой энергетической установки судна, имеет следующие компоненты:
- приводимый с переменным числом оборотов валогенератор для генерации электрической энергии при изменяемой частоте,
- выполненный как инвертор с промежуточным контуром статический преобразователь частоты для развязки по частоте и напряжению валогенератора и бортовой сети, состоящий из выпрямителя на генераторной стороне, инвертора (преобразователя постоянного тока в переменный) на сетевой стороне и промежуточного контура постоянного тока или напряжения,
- требуемый в инверторах с промежуточным контуром тока дроссель промежуточного контура для сглаживания тока промежуточного контура,
- требуемый в инверторах с промежуточным контуром напряжения конденсатор промежуточного контура для сглаживания напряжения промежуточного контура,
- сетевой дроссель для ограничения тока короткого замыкания и верхних гармоник,
- требуемая для повышения защиты от короткого замыкания и для покрытия потребности в реактивном токе сети машина реактивной мощности (фазокомпенсатор) с встроенным пусковым двигателем,
- выпрямитель тока возбуждения, при необходимости с согласующим трансформатором, для регулирования тока возбуждения валогенератора в рамках регулирования валогенератора,
- полностью электронная установка регулирования, управления и контроля и
- аккумуляторный вторичный распределитель для энергоснабжения жизненно важных функций системы валогенератора в случае неисправности и короткого замыкания.
Эта установка валогенератора на сетевой стороне может соединяться посредством переключателя со сборной шиной бортовой сети. Чтобы в сети надежным образом надежно избегать экстремальных нагрузок, в качестве сетевого дросселя предусмотрен так называемый дуплексный дроссель. Посредством этого дуплексного дросселя предотвращается распространение высших гармоник и заметно сокращаются токи короткого замыкания. Дуплексные дроссели часто называются дроссельными катушками делителя тока, выравнивающими (компенсирующими) дросселями или сглаживающими дросселями. Идеальный дуплексный дроссель представляет собой специальный трансформатор с двумя обмотками меньшей индуктивности рассеивания на одном стальном сердечнике с несколькими малыми воздушными зазорами.
В публикации “Netzgestaltung mit Duplexdrosseln” авторов W.Schild, Dr. W.Planiz, напечатанной в годовом сборнике общества Schiffbautechnische Gesellschaft, том 91, 1997, от стр. 173 и далее, раскрыто использование дуплексного дросселя для повышения защиты от тока короткого замыкания. В этой публикации представлены две сетевые концепции для улучшения качества сети на дизель-электрическом круизном теплоходе с помощью дуплексных дросселей. С использованием дуплексных дросселей уменьшаются реакции электрических пропульсивных систем. Эти сетевые реакции, которые исходят от выпрямителя тока системы валогенератора, генерируют в обеспечиваемой питанием бортовой сети значительные высшие гармоники, которые снижают качество сети.
Сервисная сеть на судне для энергоснабжения вспомогательных производств, освещения, навигационных приборов и коммуникации, а также систем энергоснабжения в жилом секторе, требуют питающего напряжения с низким содержанием высших гармоник. Завышенный коэффициент нелинейных искажений (клир-фактор) может привести к дополнительным потерям, производственным помехам и в предельном случае к разрушению компонентов. Посредством дуплексных дросселей обеспечивается развязка частичной сети с низким содержанием высших гармоник.
Из этой публикации, кроме того, можно понять, что при мощностях на валу 10 МВт и более в качестве винтовых движителей применяются синхронные двигатели с непосредственным питанием от инвертора. Наряду с синхронными двигателями с непосредственным питанием от инвертора, в качестве винтовых движителей также применяются вентильные двигатели с коммутирующими нагрузку инверторами в качестве винтовых движителей.
Из DE 10 2006 020 144 В4 известен способ для работы системы судового привода с утилизацией отходящего тепла, а также система судового привода с утилизацией отходящего тепла. Система судового привода содержит, в том числе, валогенератор/двигатель, который посредством инвертора с сетевым трансформатором снабжается от бортовой сети. Работа валогенератора в качестве двигателя обозначается как «прием мощности» (power-take-in - PTI). Валогенератор, статический преобразователь частоты и трансформатор сетевой стороны образуют, если энергия от валогенератора вводится в бортовую сеть, также систему валогенератора. Работа валогенератора в качестве генератора, то есть генерируется энергия для бортовой сети, обозначается как «отбор мощности» (power-take-off - PTO). Однако в этом патенте эта система валогенератора главным образом используется как бустерный привод наряду с приводом от дизельного двигателя. Тем самым основной привод может эксплуатироваться в выгодном для потребления режиме, и агрегаты дизельного генератора могут отключаться.
В интервале времени, когда двигательный режим валогенератора переключается в генераторный режим, источник энергии вводит электрическую энергию в судовую сеть таким образом, чтобы напряжение и частота судовой сети не превышали соответственно заданное предельное значение. Подобное переключение происходит при сетевых неисправностях, в частности при временном отключении освещения судна. Если применяется известная система валогенератора в качестве бустерного привода, то машина реактивной мощности образует во время переключения режима двигателя/генератора этот источник энергии, из которого бортовая сеть питается энергией.
При альтернативном выполнении системы валогенератора в качестве статического преобразователя частоты предусматривается инвертор с промежуточным контуром напряжения. Этот инвертор с промежуточным контуром напряжения имеет конденсатор промежуточного контура, который образует источник энергии, который при переключении режима поставляет энергию валогенератора в судовую сеть. Особенно быстрое переключение реализуется, если инвертор с промежуточным контуром напряжения имеет на генераторной и сетевой стороне соответственно автономный вентильный преобразователь, в частности вентильный преобразователь на биполярных транзисторах с изолированным затвором (IGBT).
Подобный инвертор с промежуточным контуром напряжения с имеющимся на генераторной и сетевой стороне соответственно IGBT вентильным преобразователем подробно представлен на фиг. 3 в DE 10 2005 059 760 А1. За счет применения инвертора с промежуточным контуром напряжения вместо инвертора с промежуточным контуром тока в качестве инвертора привода в системе валогенератора в качестве бустерного привода бортовая сеть развязывается от генератора не только по частоте, но и по напряжению. Кроме того, инвертор с промежуточным контуром по напряжению может предоставлять реактивную мощность, так что более не требуется машина реактивной мощности.
Если в качестве статического преобразователя частоты системы валогенератора применяется инвертор с промежуточным контуром тока, то, наряду с дуплексным дросселем и трансформатором, необходима машина реактивной мощности с пусковым двигателем. Как уже описано выше, для повышения защиты от короткого замыкания необходим дуплексный дроссель, который в идеальном случае является специальным трансформатором. Трансформатор необходим для согласования напряжений между выходным напряжением инвертора и напряжением бортовой сети. Эти дополнительные компоненты соответственно требуют места для монтажа, которого на судах не имеется в достаточной степени.
Если бы в качестве статического преобразователя частоты системы валогенератора применялся инвертор с промежуточным контуром напряжения, то для согласования напряжений между выходным напряжением инвертора и напряжением бортовой сети нужно было бы предусмотреть трансформатор. Оба выпрямителя переменного тока инвертора с промежуточным контуром напряжения необходимо было бы выполнить либо в двухточечной топологии (низкое напряжение), либо в трехточечной топологии (среднее напряжение). При мощностях 10 МВт и выше нужно было бы несколько двухточечных или трехточечных инверторов включить со стороны выхода параллельно, причем должно было бы иметься регулирование симметрирования, так называемое Δi-регулирование. В инверторах низкого напряжения в настоящее время используются полупроводниковые переключатели, в частности, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT), относящиеся к классу напряжения 1200 В или 1700 В. В инверторах среднего напряжения, напротив, применяются IGBT или IGCT класса напряжения 3000 В, или 4500 В, или 6500 В. С ростом класса напряжения понижается, однако, частота переключения, а стоимость полупроводника повышается.
Из-за ограниченных частот переключения IGBT на стороне бортовой сети должны были бы обеспечиваться меры фильтрации, чтобы поддерживать установленные регулирующими органами требуемые реакции сети. Как раз при использовании выпрямителей переменного тока среднего напряжения с напряжением промежуточного контура заметно выше 1 кВ частота переключения ограничена несколькими сотнями герц. Выбор параметров фильтрации уже изначально затруднителен, так как в случае бортовой сети речь идет об изолированной сети, которая, в зависимости от своего рабочего состояния, может иметь разные импедансы и, тем самым, разные резонансные частоты. Поэтому действующая на выходе инвертора с промежуточным контуром напряжения результирующая резонансная частота варьировалась бы, из-за чего согласование выбора параметров фильтра с частотой переключения инвертора с промежуточным контуром напряжения было бы затруднительным.
Из-за низкой частоты переключения применяемых IGBT выпрямителей тока генераторной или сетевой стороны инвертора с промежуточным контуром напряжения в качестве статического преобразователя частоты системы валогенератора, динамика этого инвертора ограничена. Поэтому подавление переходных рабочих состояний, таких как, например, сетевое короткое замыкание, пропадание и вновь появление сетевого напряжения, сброс нагрузки, несмотря на расчет с запасом компонентов практически невозможно. Кроме того, упомянутый фильтр в переходных рабочих состояниях имеет тенденцию к колебательным процессам.
Особое значение придается подавлению сетевых коротких замыканий и других переходных рабочих состояний. Для того чтобы иметь возможность управлять каким-то образом этими переходными рабочими состояниями, инвертор с промежуточным контуром напряжения системы валогенератора должен был бы постоянно оставаться в сети, то есть он не может отключаться из-за сверхтока. Это могло бы достигаться тем, что как в нормальном режиме, так и в случае короткого замыкания, ток регулировался бы посредством двухточечного регулирования, или что в отдельных фазах пусковые сигналы временно блокировались бы, и затем снова бы деблокировались. При этом, однако, возникали бы непрогнозируемые высшие гармоники в выходном напряжении инвертора, из-за чего имеющийся сетевой фильтр возбуждался бы, благодаря чему требуемые пределы для сетевых гармоник могли бы выдерживаться лишь с большим трудом.
По этим причинам до сих пор, в частности, для применений среднего напряжения, еще не создана система валогенератора с инвертором с промежуточным контуром напряжения в качестве статического преобразователя частоты, которая выполняла бы вышеназванные требования в диапазоне среднего напряжения.
В основе изобретения лежит задача создать систему валогенератора, которая в качестве статического преобразователя частоты имеет инвертор с промежуточным контуром напряжения, с помощью которого должны динамически ограничиваться, в частности, сетевые короткие замыкания.
Эта задача в соответствии с изобретением решается отличительными признаками п.1 формулы изобретения.
За счет того что выпрямитель переменного тока сетевой стороны инвертора с промежуточным контуром напряжения выполнен как выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии, можно, в зависимости от числа подмодулей каждой ветви вентилей, согласовывать выходное напряжение этого выпрямителя переменного тока с любым напряжением бортовой сети. За счет числа подмодулей также повышается число ступеней характеристики напряжения для выходного напряжения этого выпрямителя переменного тока, так что на стороне бортовой сети не нужно более применять никаких мер фильтрации, чтобы поддерживать требуемые реакции сети, установленные регулирующим органами. Также за счет большого числа подмодулей в выпрямителе переменного тока среднего напряжения могут применяться отключаемые полупроводниковые переключатели из диапазона низкого напряжения, которые могут эксплуатироваться с существенно более высокой частотой переключения. Тем самым этот выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии имеет высокую результирующую частоту переключения, так что выходной ток этого выпрямителя переменного тока в случае короткого замыкания за счет быстрого согласования напряжения на клеммах может ограничиваться высокодинамическим образом. Это означает, что этот выпрямитель переменного тока не отключается в случае короткого замыкания из-за сверхтока. Тем самым могут просто выполняться требования судовых сетей в отношении подпитки от тока короткого замыкания. То есть соответствующий изобретению инвертор с промежуточным контуром напряжения в качестве статического преобразователя частоты системы валогенератора имеет защиту от короткого замыкания, которая обеспечивается без использования дуплексного дросселя.
За счет высоких частот переключения применяемых IGBT низкого напряжения (LV-IGBT) в подмодулях выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии этот выпрямитель переменного тока имеет очень высокую результирующую частоту переключения. Тем самым можно предельную частоту соответствующего регулирования также сдвинуть к высоким значениям, так чтобы она лежала вне диапазона возможных резонансов бортовой сети. Тем самым возможна независимая от установки параметризация.
Ввиду свойств регулирования выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии в инверторе с промежуточным контуром напряжения, у которого выпрямитель переменного тока сетевой стороны представляет собой выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии и у которого выпрямитель переменного тока генераторной стороны представляет собой нерегулируемый выпрямитель тока, например диодный выпрямитель, ток этого инвертора с промежуточным контуром напряжения можно поддерживать практически постоянным. Поэтому генераторные токи генератора системы валогенератора имеют более низкое содержание высших гармоник, причем эффективное значение является более низким. За счет того что генераторные токи - практически заданной формы, снижаются потери системы валогенератора.
Последующее пояснение изобретения приводится со ссылками на чертежи, на которых схематично представлены формы выполнения соответствующей изобретению системы валогенератора.
Фиг. 1 показывает принципиальную схему известной судовой приводной системы с инвертором с промежуточным контуром напряжения в качестве приводного инвертора валогенератора.
Фиг. 2 показывает принципиальную схему этой известной судовой приводной системы с инвертором с промежуточным контуром напряжения в качестве приводного инвертора валогенератора.
Фиг. 3 представляет первую форму выполнения системы валогенератора согласно изобретению.
Фиг. 4 показывает вторую форму выполнения системы валогенератора согласно изобретению.
Фиг. 5 представляет принципиальную схему выпрямителя переменного тока сетевой стороны системы валогенератора по фиг. 3 или 4 в предпочтительном выполнении.
Известная из DE 10 2006 020 144 В4 система 2 валогенератора имеет согласно фиг. 1 главную машину 4, выполненную как медленно работающий двухтактный дизельный двигатель, который имеет на валу 6 винта гребной винт 8 для привода судна. Для выработки энергии для судовой сети, показанной сборной шиной 10 бортовой сети, предусмотрено несколько генераторов 12, которые приводятся соответственно от вспомогательной машины 14, работающей быстрее, чем главная машина. Вспомогательные машины 14 обычно представляют собой быстродействующие четырехтактные дизельные двигатели. Обычно соответствующие генератор 12 и дизельный двигатель 14 скомпонованы в агрегат 16 дизельного генератора.
Валогенератор/двигатель 18 механически связан с валом 6 гребного винта и электрически, через инвертор 20 и трансформатор 22, со сборной шиной 10 бортовой сети судна. В качестве инвертора 20 предусмотрен инвертор с промежуточным контуром тока, который на генераторной и на сетевой стороне соответственно имеет управляемый выпрямитель 24 и 26 переменного тока, которые на стороне постоянного напряжения электропроводно соединены друг с другом посредством дросселя промежуточного контура. Управляющие сигналы для этих обоих управляемых выпрямителей 24, 26 переменного тока генерируются системой 28 управления и регулирования. Так как в качестве валогенератора/двигателя 18 применяется медленно работающий синхронный двигатель, он дополнительно через выпрямитель 30 тока возбуждения электропроводно соединен со сборной шиной 10 бортовой сети. Так как в качестве инвертора 20 системы валогенератора предусмотрен инвертор с промежуточным контуром тока, и он может вводить только действительную мощность в судовую сеть, потребность в реактивной мощности судовой сети обеспечивается от машины 32 реактивной мощности. Эта машина 32 реактивной мощности работает в нормальном режиме только как фазовращатель и не вводит никакую действительную мощность в сборную шину 10 бортовой сети. Пусковой инвертор 34 и пусковой двигатель 36 служат для запуска машины 32 реактивной мощности. Управление пусковым инвертором 34 осуществляется также посредством системы 28 управления и регулирования
Валогенератор/двигатель 18, инвертор с промежуточным контуром тока с соответствующей системой 28 управления и регулирования и машина 32 реактивной мощности с пусковым инвертором 34 и пусковым двигателем 36 образуют систему валогенератора, которая известна из вышеупомянутой публикации в DE-журнале «HANSA».
В этой известной системе судового привода валогенератор 18 эксплуатируется как двигатель, за счет чего электрическая энергия из судовой сети преобразуется посредством инвертора с промежуточным контуром тока и валогенератора/двигателя 18 в механическую энергию. Тем самым резервы мощности в судовой сети применяются для повышения приводной мощности судна, благодаря чему повышается скорость судна или при той же скорости судна может снижаться нагрузка главной машины 4.
Для того чтобы сэкономить по меньшей мере на отдельной машине 32 реактивной мощности с пусковым инвертором 34 и пусковым двигателем 36, на фиг. 2 схематично представлена принципиальная схема другой известной системы 38 судового привода. Эта система 38 судового привода отличается от системы 2 судового привода согласно фиг. 1 тем, что в качестве инвертора 20 предусмотрен инвертор с промежуточным контуром напряжения. Так как валогенератор 18 приводится в действие двигателем, этот инвертор с промежуточным контуром напряжения, наряду с конденсаторной батареей 40 промежуточного контура, на генераторной стороне также имеет управляемый выпрямитель 24 переменного тока. В качестве управляемых выпрямителей 24 и 26 переменного тока этого инвертора с промежуточным контуром напряжения предусмотрен, соответственно, автономный вентильный преобразователь импульсного тока, в особенности IGBT-вентильный преобразователь импульсного тока. Конденсаторная батарея 40 промежуточного контура рассчитана таким образом, что во время переключения от двигательного режима на генераторный режим валогенератора 18 электрическая энергия должна вводиться в судовую сеть таким образом, что напряжение и частота судовой сети не могут спадать ниже, чем соответственно заданные граничные значения.
Эта система валогенератора только при незапланированном сбое генерации энергии посредством системы утилизации отходящего тепла переключается с двигательного режима на генераторный режим. Это переключение продолжается до тех пор, пока блоки 16 дизельных генераторов не запустятся. Это означает, что генераторный режим системы валогенератора предусматривается только для короткого времени перехода на аварийное питание. Для этого времени перехода на аварийное питание принимается во внимание содержание высших гармоник в бортовой сети судна. Чтобы снизить это содержание высших гармоник в бортовой сети, потребовались бы меры фильтрации на стороне бортовой сети, которые, однако, не представлены. Таким образом, эта система валогенератора работает преобладающим образом в качестве бустерного привода.
За счет того что вентили выпрямителя переменного тока, например IGBT выпрямителя 26 переменного тока сетевой стороны инвертора с промежуточным контуром напряжения, из-за высокого выходного напряжения инвертора, имеют ограниченную частоту переключения, выбор параметров фильтра для имеющегося фильтра дополнительно затрудняется. Выбор параметров фильтра затрудняется особенно тем, что бортовая сеть судна представляет собой изолированную сеть, которая, в зависимости от эксплуатируемых потребителей, может иметь сильно различающиеся импедансы и, тем самым, различные резонансные частоты. Поэтому также действующая на сетевых выводах инвертора 20 резонансная частота варьируется, из-за чего согласование выбора параметров фильтра с частотами переключения инвертора затрудняется.
Вследствие ограниченной частоты переключения HV-IGBT выпрямителя 26 переменного тока сетевой стороны и связанной с этим ограниченной динамики, подавление переходных состояний, например сброса нагрузки, короткого замыкания в бортовой сети, восстановления сетевого питания, является затруднительным и неизбежно приводит к расчету с запасом компонентов этого инвертора с промежуточным контуром напряжения. Другая проблема, которую трудно преодолеть, состоит в том, что применяемый фильтр в переходных рабочих состояниях имеет тенденцию к колебательному процессу.
Для того чтобы выдерживать требуемые предписываемые регулирующими органами реакции сети и иметь возможность подавлять другие переходные рабочие состояния, этот инвертор с промежуточным контуром напряжения не пригоден в качестве статического преобразователя частоты. По этой причине эта система валогенератора с инвертором с промежуточным контуром напряжения эксплуатируется преимущественно в двигательном режиме, причем при генераторном режиме, переключение на который производится только при возникновении неисправности в системе генерации энергии в течение времени переключения, принимается во внимание, что требуемые реакции сети не могут выдерживаться. Также принимается, что в этом рабочем состоянии переходные рабочие состояния не проявляются. Этот генераторный режим системы валогенератора продолжается лишь до тех пор, пока агрегаты 16 дизельных генераторов не будут запущены.
На фиг. 3 схематично представлена первая форма выполнения системы валогенератора согласно изобретению. Эта соответствующая изобретению система валогенератора имеет, наряду с валогенератором 18, инвертор 42 с промежуточным контуром напряжения, который в качестве выпрямителя 44 переменного тока генераторной стороны имеет неуправляемый выпрямитель переменного тока, например шестиимпульсный или импульсный более высокого порядка диодный выпрямитель переменного тока. В качестве выпрямителя 44 переменного тока генераторной стороны может также предусматриваться многоимпульсный автономный вентильный преобразователь. В качестве выпрямителя 46 переменного тока сетевой стороны (стороны бортовой сети) соответствующая изобретению система валогенератора имеет выпрямитель переменного тока с распределенными накопителями энергии. Оба выпрямителя 44 и 46 переменного тока со стороны постоянного напряжения непосредственно электропроводно соединены между собой. Со стороны переменного напряжения выпрямитель 46 переменного тока в форме выполнения выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии может соединяться посредством трансформатора 22 с бортовой сетью 48.
На фиг. 4 схематично представлена вторая форма выполнения системы валогенератора согласно изобретению. Эта форма выполнения отличается от показанной на фиг. 3 формы выполнения тем, что выпрямитель 46 переменного тока в форме выполнения выпрямителя переменного тока с распределенными накопителями энергии может соединяться на стороне переменного напряжения посредством сетевого дросселя 50 с бортовой сетью 48.
Эквивалентная схема выпрямителя 46 переменного тока с распределенными накопителями энергии показана более подробно на фиг. 5. Согласно этому представлению выпрямитель 2 переменного тока имеет три фазных модуля, которые имеют соответственно верхнюю и нижнюю вентильные ветви P1 и N1, или P2 и N2, или P3 и N3. Эти обе вентильные ветви P1, N1, или P2, N2, или P3, N3 каждого фазного модуля включены в ветвь моста. Точка соединения одной верхней и одной нижней вентильной ветви P1 и N1, или P2 и N2, или P3 и N3 выведена как вывод L1, L2 или L3 стороны переменного напряжения каждого фазного модуля. Для сглаживания внутренних для выпрямителя контурных токов используются связанные дроссели LZ ветвей. К этим выводам L1, L2 или L3 стороны переменного напряжения подключены сетевые дроссели 50. Эти три фазных модуля включены электрически параллельно друг другу и не показанному устройству ввода постоянного напряжения (выпрямителю 44 переменного тока генераторной стороны), которое подключено к выводам P и N постоянного напряжения выпрямителя 2 переменного тока с распределенными накопителями энергии SSM. Между этими выводами P и N постоянного напряжения существует сгенерированное постоянное напряжение Udc.
Из этой эквивалентной схемы можно видеть, что каждая вентильная ветвь P1, N1, P2, N2, P3 и N3 имеет множество электрически последовательно включенных двухполюсных подмодулей SM1, SM2, …, SMn. Каждый двухполюсный подмодуль SM1, SM2, …, SMn имеет, согласно увеличенному представлению подмодуля SM1, униполярный накопительный конденсатор CSM, два отключаемых полупроводниковых переключателя S1 и S2 и два диода D1 и D2. Оба отключаемых полупроводниковых переключателя S1 и S2 включены электрически последовательно, и это последовательное соединение включено электрически параллельно униполярному накопительному конденсатору CSM. Антипараллельно отключаемым полупроводниковым переключателям S1 и S2 соответственно включен диод D1 или D2. Эти диоды D1 и D2 образуют, таким образом соответственно безынерционный диод. Точка соединения обоих отключаемых полупроводниковых переключателей S1 и S2 выведена как вывод Х2 модуля. Отрицательный вывод накопительного конденсатора CSM образует второй вывод Х1 модуля. В заряженном состоянии накопительного конденсатора CSM имеет место падение напряжения USM.
Эти конденсаторные напряжения USM1, USM2, …, USMn двухполюсных подсистем SM1, SM2, …, SMn каждой вентильной ветви P1, N1, P2, N2, P3 и N3 суммируются соответственно до вентильного напряжения UZP1, UZN1, UZP2, UZN2, UZP3 и UZN3. Суммирование соответствующих двух вентильных напряжений UZP1, UZN1, или UZP2, UZN2, или UZP3 и UZN3 фазного модуля дает существующее между выводами P и N постоянное напряжение Udc.
Каждый из этих двухполюсных подмодулей SM1, SM2, …, SMn может управляться в одном из состояний включения, а именно в состояниях I, II, III включения. Какое клеммное напряжение UX2X1 в каком состоянии I, II или III включения существует на выводах Х2 и Х1 модуля, и каким образом отключаемые полупроводниковые переключатели S1 и S2 управляются в состояниях I, II, III включения, раскрыто в документе DE 101 03 031 A1, в котором описывается эта представленная топология выпрямителя переменного тока.
По сравнению с формой выполнения по фиг. 4, между сетевым дросселем 50 и выходными выводами 52, 54 и 56 системы валогенератора включена соответственно схема последовательного соединения конденсатора С1 и сопротивления R1, причем свободные концы этих сопротивлений R1 электропроводно соединены между собой. Последовательность соединения обоих компонентов С1 и R1 этой схемы последовательного соединения может быть изменена на противоположную показанной. Тогда свободные концы конденсаторов С1 электропроводно соединены между собой. Эти демпфированные конденсаторные ветви образуют с индуктивностями сетевых дросселей 50 фильтр нижних частот, причем точка 58 соединения трех сопротивлений R1 образует нулевую точку (нейтраль) системы валогенератора. К этой точке 58 соединения может подключаться высокоомное сопротивление относительно вывода заземления бортовой сети 48. Посредством подобного высокоомного вывода может осуществляться короткое замыкание на землю в бортовой сети 48 с высокоомным заземлением.
В случае выпрямителя 46 переменного тока с распределенными накопителями энергии CSM, за счет числа электрически последовательно включенных двухполюсных подмодулей SM1, SM2, …, SMn, с одной стороны, определяется число степеней ступенчатого выходного напряжения, а с другой стороны, выходное напряжение инвертора может согласовываться с любой амплитудой бортовой сети, например сети среднего напряжения. Чем выше число двухполюсных подмодулей SM1, SM2, …, SMn каждой вентильной ветви P1, N1, P2, N2, P3 и N3 фазного модуля выпрямителя 46 переменного тока, тем более синусоидальным является выходное напряжение инвертора. За счет этого больше не требуются меры фильтрации, чтобы поддерживать требуемые реакции сети, установленные регулирующими органами.
В качестве отключаемых полупроводниковых переключателей S1 и S2 каждого двухполюсного подмодуля SM1, SM2, …, SMn применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором, в частности LV-IGBT. Эти LV-IGBT с запирающими напряжениями 1200 В или 1700 В могут по сравнению с HV-IGBT с запирающими напряжениями 3300 В или 4500 В тактироваться с существенно более высокими импульсными частотами. Кроме того, LV-IGBT по сравнению с HV-IGBT являются существенно более дешевыми. За счет применения LV-IGBT в инверторе 42 среднего напряжения и множества двухполюсных подмодулей SM1, SM2, …, SMn выходной ток этого инвертора 42 в случае короткого замыкания может ограничиваться высокодинамически. За счет этого требования судовой сети в отношении ввода тока короткого замыкания выполняются без труда. Так как из-за высокого числа двухполюсных подмодулей SM1, SM2, …, SMn на каждую вентильную ветвь P1, N1, P2, N2, P3 и N3 выпрямителя 46 переменного тока можно отказаться от фильтра на стороне бортовой сети, переходные рабочие состояния могут подавляться более легко. Это объясняется тем, что переходные состояния более не могут вызывать колебательные процессы, так как на стороне бортовой сети больше не имеется фильтров. Также в зависимости от числа двухполюсных подмодулей SM1, SM2, …, SMn на каждую вентильную ветвь P1, N1, P2, N2, P3 и N3 выпрямителя 46 переменного тока с распределенными накопителями энергии CSM, этот выпрямитель 46 переменного тока может легко масштабироваться на любое выходное напряжение, за счет чего можно отказаться от трансформатора 22 в большом числе применений.
За счет применения выпрямителя 46 переменного тока с распределенными накопителями энергии в качестве выпрямителя переменного тока стороны бортовой сети инвертора 42 с промежуточным контуром напряжения для системы 28 управления и регулирования этого инвертора 42 с промежуточным контуром напряжения может применяться существенно более высокая тактовая частота, благодаря чему граничная частота этой системы 28 управления и регулирования лежит вне диапазона возможных резонансов. Тем самым теперь возможна независимая от установки параметризация инвертора 46.
За счет выполнения выпрямителя 26 переменного тока стороны бортовой сети инвертора 42 с промежуточным контуром напряжения в качестве выпрямителя 46 переменного тока с множеством распределенных накопителей энергии CSM может теперь применяться инвертор 42 с промежуточным контуром напряжения в качестве инвертора 20 валогенератора, так что машина 32 реактивной мощности с пусковым инвертором 34 и пусковым двигателем 36 больше не требуется. Также на стороне бортовой сети более не требуются фильтры и трансформаторы. За счет этой топологии выпрямителя переменного тока в инверторе среднего напряжения применяются LV-IGBT в двухполюсных подмодулях SM1, SM2, …, SMn, за счет чего этот выпрямитель 46 переменного тока, в связи с большим числом подмодулей SM1, SM2, …, SMn, имеет высокую результирующую частоту переключения, так что ток короткого замыкания может высокодинамически ограничиваться. Посредством выпрямителя 46 переменного тока с распределенными накопителями энергии CSM в качестве выпрямителя 26 переменного тока стороны бортовой сети инвертора валогенератора, который является инвертором с промежуточным контуром напряжения, у которого конденсаторная батарея 40 промежуточного контура распределена на множество накопителей энергии CSM, может быть существенно улучшено качество сети на судне с дизель-электрическим приводом.
Реферат
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе валогенератора. Технический результат - обеспечение динамического ограничения сетевого короткого замыкания. Система валогенератора содержит валогенератор (18), в котором предусмотрен инвертор (42) с промежуточным контуром напряжения, с индуктивностью сетевой стороны, причем этот инвертор (42) с промежуточным контуром напряжения имеет на генераторной стороне и сетевой стороне соответствующий выпрямитель (44, 46) переменного тока, которые на стороне постоянного напряжения связаны друг с другом. Выпрямитель (46) переменного тока сетевой стороны имеет, по меньшей мере, два фазных модуля, которые соответственно имеют верхнюю и нижнюю вентильную ветвь (P1, N1, P2, N2, P3, N3), которые соответственно имеют множество электрически последовательно включенных двухполюсных подсистем (SM1, SM2, …, SMn), которые соответственно имеют униполярный накопительный конденсатор (C), с которым электрически параллельно включена схема последовательного соединения двух отключаемых полупроводниковых переключателей (S1, S2) с соответствующим антипараллельно включенным диодом (D1, D2). Тем самым обеспечивается система валогенератора, которая в качестве статического преобразователя частоты имеет инвертор (42) с промежуточным контуром напряжения, с помощью которого могут поддерживаться требуемые реакции сети и подавляться переходные рабочие состояния. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.
